一种足底压力中心轨迹自动比对方法技术

本发明专利技术公开了一种足底压力中心轨迹自动比对方法。本方法为：1)对两条待对比足底压力中心轨迹S1、S2进行对齐；2)计算两对齐后的足底压力中心轨迹S1、S2的相似性，得到两条轨迹间的相似度。本发明专利技术对两条二维平面COP轨迹进行整体比较，避免了前人工作中分量轨迹比较所带来的产生两个相似度值的问题，同时整体COP轨迹隐含了步态支撑期中行进角、COP位移等特征，对整体COP轨迹的比较具有高效性。而且在实施相似度计算过程中引入滑动因子，采用最优匹配策略，尽可能降低误差带来的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种足底压力中心轨迹自动比对方法
：本专利技术属于医学与信息科学交叉领域，具体涉及一种足底压力中心COP轨迹自动比对方法。
技术介绍
：步行、慢跑是人类最为普遍和重要的日常活动和健身手段，通过足与地面等外界接触以及力的相互作用，调节躯体平衡。足底压力测量通过对不同运动模式下的足底压力参数进行对比研究，揭示足底压力分布特征和模式，了解运动的基本规律，分析内在的病理机制，对运动系统疾病的病因分析、病理诊断、治疗方案选择及疗效评定等具有重要意义。它具有客观准确、快捷、无创等特点，为临床应用奠定了坚实基础。足底压力中心(CenterofPress，COP)轨迹是人体行走过程中足-地接触作用力位置、大小、分布及力度顺序的综合结果，能反映足与地面接触全过程的作用方式，也是对人体行走运动姿态的间接反映，是一种重要的步态支撑期足底压力特征。这种特征测试过程快捷、无创、客观，可由足底压力板获取。在整个步态支撑期中，COP点的移动与下肢关节、肌肉、韧带的作用紧密相关。COP轨迹线从足后跟至趾尖总体形态呈现出“S”形(如图1所示)，其时空特征能较好反映人体足与行走运动机能的变化，可作为建立人体运动能力评价系统的指标之一，揭示出步态的平衡性与稳定性。已有研究探讨了COP和足内外侧稳定性、鞋或鞋垫疗效、某些疾病等特征性变化。为探究使用COP轨迹区分正常人与前十字交叉韧带断裂重建患者的可行性，我们在前人工作的基础上提出了一种新的COP轨迹比较方法，通过该方法可得到任意两条COP轨迹的相似度(Similarity)，并作为度量两条COP轨迹相似程度的数值。相似度越大，两条COP轨迹越接近。对于COP轨迹比较的问题，前人工作中将二维平面上的COP轨迹拆分为横向和纵向上两条轨迹(如图2所示)，对两条COP轨迹的横向分量和纵向分量分别比较。目前国际上广泛使用的步态分析系统(如RsScan、Kistler)均包含COP轨迹的平移、旋转、缩放等处理步骤，但未涉及对COP轨迹的比较。基于此，我们提出一种新的COP轨迹自动比对方法。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种足底压力中心COP轨迹自动比对方法，该方法对采集足底压力数据后计算得到的COP轨迹进行自动的相似程度度量，可用于研究正常人及前十字交叉韧带断裂重建患者在步行和慢跑时的COP轨迹相似程度，为临床诊断、康复评定、矫形处方和运动训练等提供参考依据。在本专利技术所采用的技术方案中，首先运用旋转、缩放、平移变换对采集足底压力数据计算得到的COP轨迹做预处理，使得不同个体的或同一个体不同试验的COP轨迹间具有可比性，然后对经过预处理的COP轨迹计算相似度。本专利技术的技术方案为：一种足底压力中心轨迹自动比对方法，其步骤为：1)对两条待对比足底压力中心轨迹S1、S2进行对齐；2)计算两对齐后的足底压力中心轨迹S1、S2的相似性，得到两条轨迹间的相似度。进一步的，利用公式计算所述相似度Sim(S1，S2)；其中，S1(t)为轨迹S1的第t个点，S2(t)为轨迹S2的第t个点。进一步的，利用公式计算所述相似度Sim(S1，S2)；其中，S1轨迹的第t个点坐标为(x1t，y1t)，S2轨迹的第t个点坐标为(x2t，y2t)。进一步的，计算所述相似度时，从两中心轨迹S1、S2的起点开始，参与计算的点每次后移一个，直到其中一条中心轨迹的终点。进一步的，计算所述相似度时，首先引入一参数τ，其取值范围为[0，1，...，τmax]，其中τmax是一个预先设定经验值；然后将两中心轨迹从起始点对齐后，从起始点开始将其中一条中心轨迹S1依次后移τ个点，将每后移一次后的点到中心轨迹S1终点的中心轨迹部分作为一条新的中心轨迹S1’，另一中心轨迹S2从起始点依次后移[0，1，...，τmax]个点并分别与当前中心轨迹S1’计算相似度；最后将所计算的所有相似度中的最大值作为这两条中心轨迹的最终相似度。进一步的，τmax的取值为中心轨迹点数的1/4。进一步的，如果两中心轨迹的点数不同，则取点数较少的中心轨迹点数的1/4。与现有技术相比，本专利技术的积极效果在于：第一，对两条二维平面COP轨迹进行整体比较，避免了前人工作中分量轨迹比较所带来的产生两个相似度值的问题，同时整体COP轨迹隐含了步态支撑期中行进角、COP位移等特征，对整体COP轨迹的比较具有高效性。第二，对传统的相关系数计算方法进行扩展，扩展后的相似度计算公式可用于计算两条二维COP轨迹间的相似程度，避免了前人工作中只对COP轨迹一维分量进行比较的不足。第三，我们提出的相似度计算是在两条COP轨迹间点点对应的基础上完成的，不仅可以测量两条COP轨迹形状相似程度，也可以探究两条COP轨迹中COP点位移速度的接近程度，从而更准确地给出两条COP轨迹的相似程度。第四，为了更好地解决人工误差和机器误差带来的COP轨迹不易对齐问题，在实施相似度计算过程中引入滑动因子，采用最优匹配策略，尽可能降低误差带来的影响。附图说明图1为COP轨迹示意图；图2为二维平面COP轨迹在前进方向(纵向)和侧向(横向)的分量；图3为COP轨迹自动比对流程图。具体实施方式：下面结合附图给出本专利技术的具体实施方式，本专利技术的COP轨迹相似度计算系统，处理流程如图3所示：1)系统输入为两条足底压力中心COP轨迹，该轨迹通过分析人体行走或慢跑的步态支撑期中足底压力情况获得，在输入系统前经过了旋转、缩放、平移等预处理，使得轨迹间可比；2)在本专利技术中，考虑两条COP轨迹相似度时，使用3)中公式仅通过一次计算，即可得到一个用于度量相似程度的值，无需将COP轨迹拆分为横向和纵向两个分量轨迹并分别比较；3)COP轨迹是已提取得到的两条COP轨迹，由一组具有时序特性的二维平面上的点坐标对组成，对于两条COP轨迹S1，S2，采用如下计算公式得到相似度：其中，S1与S2为待分析的两条COP轨迹，t为两条轨迹中坐标点的编号，S1轨迹的第t个点为(x1t，y1t)，S2轨迹的第t个点为(x2t，y2t)。进一步，有：该公式在一维数列相关系数基础上改进得到，用于计算两个二维序列间的相似度，取值范围为[-1，1]，相似度值越高说明两条轨迹间的相似程度越高；4)使用3)中公式进行计算的前提是两条COP轨迹间的点一一对应，采用这种对应方式，不仅可以用3)中公式度量两条轨迹形状相似程度，也可度量组成两条轨迹的COP点位移速率的差异大小；比如轨迹S1由85个点组成，轨迹S2由80个点组成，计算时两条轨迹参与计算的点每次后移一个，从而在计算时轨迹间的点一一对应。5)为更好避免由于人工误差及机器误差导致的轨迹不容易对齐问题，采用上述公式计算两条COP轨迹相似度时，提出一种针对点对齐的最优匹配策略，以尽可能降低因数据噪声带来的相似度计算误差。具体方法如下：引入参数τ，其取值范围为[0，1，...，τmax]，其中τmax是一个预先设定经验值，可设定为COP轨迹点数的1/4(取待比较两条轨迹中点数较少的那条为宜，τmax可设定为该轨迹点数的1/4)；在采用3)中公式计算相似度前，需先进行轨迹对齐，对任一τ的可能取值，依次令两条轨迹中的任一条对齐起始点后移τ个位置，之后再采用公式计算相似度；例如计算甲乙两条COP轨迹的相似度，甲取每一个τ值时，乙都应取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种足底压力中心轨迹自动比对方法，其步骤为：1)对两条待对比足底压力中心轨迹S1、S2进行对齐；2)计算两对齐后的足底压力中心轨迹S1、S2的相似性，得到两条轨迹间的相似度。

【技术特征摘要】
1.一种足底压力中心轨迹自动比对方法，其步骤为：1)运用旋转、缩放、平移变换对采集足底压力数据计算得到的足底压力中心轨迹做预处理，得到两条待对比足底压力中心轨迹S1、S2；2)对两条待对比足底压力中心轨迹S1、S2进行对齐；3)计算两对齐后的足底压力中心轨迹S1、S2的相似性，得到两条足底压力中心轨迹间的相似度；利用公式计算所述相似度Sim(S1,S2)；其中，足底压力中心轨迹S1的第t个点坐标为(x1t,y1t)，足底压力中心轨迹S2的第t个点坐标为(x2t,y2t)；4)其中，计算所述相似度时，首先引入一参数τ，其取值范围为[0，1，...，τmax]，其中τmax是一个预先设定经验值；然后将两足底压力中心轨迹从起始点对齐后，从起始点开始将其中一条足底压力中心轨迹S1依次后移τ个点，将每后移一次后的点到足底压力中心轨迹S1终点的中心轨迹部分作为一条新的足...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗定生，吴玺宏，邱健威，胡帆，刘天林，黄红拾，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11