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步行是人類賴以生存的活動方式之一，人類通過深入研究步行的機制后發(fā)現(xiàn)，步行運動需要肌肉系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及骨骼系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，若其中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致步態(tài)異常甚至喪失步行能力。臨床上越來越多地使用步態(tài)分析對患者的下肢運動情況進行量化分析，并與正常人的步態(tài)數(shù)據(jù)對比來評估患者的病情，特別對于一些早期不容易被發(fā)現(xiàn)的下肢疾病的診斷更有意義。

通過步態(tài)分析可以檢測出人眼難以察覺的微小步態(tài)異常，從而實現(xiàn)對疾病的盡早發(fā)現(xiàn)、盡早干預(yù)，避免病情的惡化。在患者進行康復(fù)訓(xùn)練時，由步態(tài)分析量化出的結(jié)果可以作為醫(yī)生評估患者下肢康復(fù)情況的依據(jù)，有助于對患者制定針對性的康復(fù)訓(xùn)練方案，從而實現(xiàn)高效康復(fù)。

三維步態(tài)分析系統(tǒng)是目前精度最高且計算的參數(shù)最全面的系統(tǒng)，但它也存在一些問題：

①系統(tǒng)操作復(fù)雜，非專業(yè)人員難以對其進行調(diào)試和設(shè)備維護，如實驗前對相機的校準、相機擺放位置的調(diào)試等，如果沒調(diào)試好會嚴重影響三維步態(tài)分析系統(tǒng)的測量精度；

②三維步態(tài)分析系統(tǒng)對環(huán)境有很高的要求，需要有專門的場所來減少其他光源及噪聲的干擾，且場地較小，這限制了受試者的活動范圍；

③設(shè)備成本高，難以大范圍推廣，患者使用三維步態(tài)分析系統(tǒng)做檢測的費用成本和時間成本都比較高。

因此，越來越多的研究者期望采用廉價傳感器代替三維步態(tài)分析系統(tǒng)，在盡量提高測量精度的同時降低設(shè)備成本，并朝可穿戴化方向發(fā)展。

市場上已有多款商用化較成熟地采用微機電系統(tǒng)（micro-electro mechanical system, MEMS）傳感器的步態(tài)分析系統(tǒng)產(chǎn)品，比較著名的有荷蘭Xsens Technologies公司推出的Xsens MVN慣性動作捕捉系統(tǒng)、北京諾亦騰科技有限公司生產(chǎn)的鑒步運動功能評估系統(tǒng)等。現(xiàn)有的基于慣性傳感器的穿戴式系統(tǒng)多為全身運動捕捉系統(tǒng)，功能復(fù)雜，采集節(jié)點較多，穿戴過程較為繁瑣。

針對以上不足，福州大學(xué)的研究人員采用價廉的傳感器代替三維步態(tài)分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了步態(tài)分析系統(tǒng)采集節(jié)點的硬件設(shè)計，以及步態(tài)參數(shù)估計算法的設(shè)計。其中，采集子節(jié)點的硬件是以STM32F411RET6為核心芯片，同時由傳感器電路、電源模塊、存儲模塊等構(gòu)成；軟件包括下位機的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲等的程序設(shè)計。

圖1 步態(tài)參數(shù)計算程序流程

研究人員表示，與現(xiàn)有其他類型系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有信息采集節(jié)點的體積較小、方便穿戴，所用的傳感器較為廉價、可降低設(shè)備成本，利于大范圍推廣，操作簡易方便，對算力要求較低等優(yōu)勢，并實現(xiàn)可穿戴化。

圖2 傳感器穿戴位置

研究人員指出，在設(shè)計步態(tài)參數(shù)計算算法時，首先根據(jù)穿戴在小腿上的慣性傳感器測得的角速度信號確定積分時間，然后對利用穿戴于腳跟處的慣性傳感器測得的角速度信號進行雙重積分得到步長，并通過將站立相期間的足部加速度置零來減小積分誤差，提高步長估計精度。步頻通過一次步態(tài)實驗中的步數(shù)和時間的比值得到，步速通過一次步態(tài)實驗的位移和時間的比值得到。實驗表明，通過該步態(tài)分析系統(tǒng)，能得到準確的步態(tài)參數(shù)。

本文編自2021年第9期《電氣技術(shù)》，論文標題為“基于慣性傳感器的穿戴式步態(tài)分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”，作者為李江慧、連春快、李玉榕。