一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法技术

本发明专利技术涉及一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取若干ACL断裂患者和正常人正常行走过程中的三维运动学数据和足底压力数据，随机选取若干组数据为标准样本数据，其余为待检测样本数据；2)对足底压力数据进行分析处理，并提取足底压力特征参数；3)对三维运动学数据进行分析处理，并提取步态三维运动学特征参数；4)以标准样本数据中提取的步态三维运动学特征参数和足底压力特征参数为基础，进行训练得到评估模型，以待检测数据的三维运动学特征参数和足底压力特征参数为输入进行聚类分析，得到聚类分析结果。本发明专利技术可以广泛应用于前交叉韧带断裂后步态特征的分析中。

An analysis method for gait characteristics after anterior cruciate ligament rupture

The present invention relates to an analytical method of the gait characteristics of the ruptured anterior cruciate ligament, which is characterized by the following steps: 1) obtaining the three-dimensional kinematic data and the foot pressure data of several ACL fracture patients and normal people in normal walking process, selecting a number of groups of data as standard sample data, and the rest for the number of samples to be detected. According to 2) analysis and processing of foot pressure data, and extract the characteristic parameters of foot pressure; 3) analysis and processing of three-dimensional kinematic data, and extract three dimensional kinematic characteristic parameters of gait; 4) based on the 3D kinematic characteristic parameters and the foot pressure characteristic parameters extracted from the standard sample data, the training is carried out. The results of the cluster analysis are obtained by clustering analysis of the three dimensional kinematic parameters and the characteristic parameters of the foot pressure. The invention can be widely applied to the analysis of gait characteristics after ruptured anterior cruciate ligament.

【技术实现步骤摘要】
一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法
本专利技术涉及人体运动系统数据处理领域，特别是关于一种基于三维运动学和足底压力参数的前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法。
技术介绍
目前，运动损伤的发病率逐渐提高，而膝关节前交叉韧带(Anteriorcruciateligament,ACL)断裂是最常见的运动损伤之一。在美国，ACL断裂发病率约为1/3000，仅外科手术的费用每年高达十亿美元。我国专业运动员ACL断裂者中女性发病率为0.71％，男性为0.29％。ACL的主要功能是限制胫骨过度前移，ACL断裂会造成膝关节不稳，严重影响膝关节功能和运动能力，使患者生活质量明显降低。若未能及时诊断和准确评估其功能，ACL断裂将会继发半月板、软骨损坏，导致骨关节炎。目前临床上常用体格检查、膝关节主观问卷评分、静态韧带松弛度测量等方法来评价ACL断裂后的膝关节功能和生物力学特征，但ACL断裂主要会影响人们的运动能力，在日常活动状况下，肌肉收缩、关节囊和关节周围结构的限制作用及自身惯性和重力作用会对膝关节运动产生累积效应，上述临床常用方法不能评价动态膝关节功能状况。ACL断裂后主要引起动态承重状态下膝关节稳定性降低、功能紊乱。早期评估和纠正动态承重状态下的膝关节生物力学异常，具有非常重要的临床价值。研究表明，在运动过程中，ACL断裂患者和正常人之间的足底压力和运动学特征存在差异。足底压力中心(centerofpressure,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。与正常人相比，ACL断裂患者足底受力会更快地从足跟过渡到前足而运动学特征则主要体现在ACL断裂侧的伸膝最大角度变小等方面。而目前运动系统的疾病评估主要依靠影像学检查和医务人员的临床经验。大量的患者和诊断工作给医务人员带来巨大的工作压力和挑战。
技术实现思路
针对上述现有临床技术主要进行静态评估的缺点与不足，本专利技术的目的是提供一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，基于三维运动学和足底压力特征的信息融合，对前交叉韧带断裂后的步态特征进行评估分析。同时，该方法还具有较好的扩展性，针对其他类型的运动系统患者的动态评估也具有重要的参考作用。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取若干ACL断裂患者和正常人正常行走过程中的三维运动学数据和足底压力数据，随机选取若干组数据为标准样本数据，其余为待检测样本数据；2)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的足底压力数据进行分析处理，并提取足底压力特征参数；3)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的三维运动学数据进行分析处理，并提取步态三维运动学特征参数；4)以标准样本数据中提取的步态三维运动学特征参数和足底压力特征参数为基础，采用基于粒子群优化和错误反馈神经网络的聚类算法进行训练得到评估模型，以待检测数据的三维运动学特征参数和足底压力特征参数为输入进行聚类分析，得到前交叉韧带断裂后的步态特征分类结果。所述步骤1)中，所述三维运动学数据是指各ACL断裂患者和正常人在正常行走过程中粘贴在各受试者下肢骨性标志点上的反光标志点的三维坐标原始数据。所述步骤1)中，所述足底压力数据是指各ACL断裂患者和正常人在正常行走过程中的足底压力信息，包括压力时间、压力行值、压力列值和压力大小。所述步骤2)中，对得到的足底压力数据进行分析处理，并提取足底压力特征参数的方法，包括以下步骤：2.1)获取各ACL患者和正常人所有单脚的完整数据帧的足底压力数据，并对获取的足底压力数据进行标准化处理，进而得到足底压力中心轨迹；2.2)根据步态周期的划分标准，将正常步态支撑阶段划分为5个时刻；2.3)提取正常步态支撑阶段各个时刻的足底压力中心轨迹数据，作为足底压力特征参数。所述步骤2.1)中，对获取的足底压力数据进行标准化处理的计算公式为：上式中，X和Y分别表示以压力传感器为单位的坐标的两个维度，整足所占空间的左下角被标记为坐标原点，Pi表示压力测量平板每个测量点的压强大小；XC、YC指缩放前的压力中心坐标值；X'C和YC'表示缩放之后的压力中心坐标值；LX和LY分别表示足底压力数据表的宽度和表的长度，即受试者足的尺寸。所述步骤2.2)中，划分的5个时刻分别为：足跟触地、前足触地、前后足支撑、足跟离地和足尖离地。所述步骤3)中，对得到的三维运动学数据进行分析处理，并提取步态三维运动学参数的方法，包括以下步骤：3.1)对三维运动学数据进行滤波、计算，得到各ACL断裂患者和正常人的下肢各关节的三维角度数据；3.2)对得到的三维角度数据进行对比分析，根据各关节曲线特点，确定典型关节；3.3)提取典型关节的三维角度数据，将ACL断裂患者和正常人的三维角度数据按照每个维度展开，选取差异性大的角度数据作为典型关节的角度特征值；3.4)对提取的典型关节的角度特征值进行标准化处理，得到步态三维运动学特征参数。所述步骤3.4)中，对提取的典型关节的角度特征值进行标准化处理的计算公式为：式中，θij表示角度变化曲线的一个极值，i表示组的数量，j表示膝关节矢状面内(屈曲/伸展)角度的最小值、膝关节水平面内(内旋/外旋)角度的最小值和最大值、足踝关节水平面内(内旋/外旋)角度的最小值和最大值、足踝关节冠状面内(内翻/外翻)角度的最小值，代表标准化值。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术由于结合三维运动学和足底压力参数同步对前交叉韧带断裂后的步态特征进行评估分析，大大提高了仅以足底压力参数进行评估分析的准确率。2、本专利技术由于结合走路过程中的三维运动学和足底压力参数进行前交叉韧带断裂后步态特征的评估分析，可以动态评估前交叉韧带断裂后的功能状态。3、本专利技术基于神经网络的改进和输入参数的融合识别，整体上提高了基于三维运动学和足底压力参数对前交叉韧带断裂后步态特征分析的准确率。因而，本专利技术可以广泛应用于基于三维运动学和足底压力对前交叉韧带断裂后的步态特征分类分析中。附图说明图1是正常健康人和前交叉韧带断裂患者的COP曲线；图1(a)为正常健康人的COP曲线；图1(b)是前交叉韧带断裂患者的COP曲线；图2为映射之前和之后的足底压力中心轨迹；图3为支撑阶段的5个特征时刻示意图，图3(a)是足跟触地时刻的示意图；图3(b)是前足触地时刻的示意图；图3(c)是前后足支撑时刻示意图；图3(d)是足跟离地时刻的示意图；图3(e)是足尖离地时刻示意图；图4是不同参数的识别诊断率，图4(a)是基于不同参数ACL断裂者的识别诊断率；图4(b)是基于不同参数健康对照者的识别诊断率；图4(c)是健康对照者和ACL断裂者平均识别正确率的比较。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。本专利技术提供的一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，包括以下步骤：1)利用三维运动捕捉系统和足底压力测试平板系统获取若干ACL断裂患者和正常人正常行走过程中的三维运动学数据和足底压力数据，随机选取若干组数据为标准样本数据，其余为待检测样本数据；2)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的足底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取若干ACL断裂患者和正常人正常行走过程中的三维运动学数据和足底压力数据，随机选取若干组数据为标准样本数据，其余为待检测样本数据；2)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的足底压力数据进行分析处理，并提取足底压力特征参数；3)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的三维运动学数据进行分析处理，并提取步态三维运动学特征参数；4)以标准样本数据中提取的步态三维运动学特征参数和足底压力特征参数为基础，采用基于粒子群优化和错误反馈神经网络的聚类算法进行训练得到评估模型，以待检测数据的三维运动学特征参数和足底压力特征参数为输入进行聚类分析，得到前交叉韧带断裂后的步态特征分类结果。

【技术特征摘要】
1.一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取若干ACL断裂患者和正常人正常行走过程中的三维运动学数据和足底压力数据，随机选取若干组数据为标准样本数据，其余为待检测样本数据；2)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的足底压力数据进行分析处理，并提取足底压力特征参数；3)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的三维运动学数据进行分析处理，并提取步态三维运动学特征参数；4)以标准样本数据中提取的步态三维运动学特征参数和足底压力特征参数为基础，采用基于粒子群优化和错误反馈神经网络的聚类算法进行训练得到评估模型，以待检测数据的三维运动学特征参数和足底压力特征参数为输入进行聚类分析，得到前交叉韧带断裂后的步态特征分类结果。2.如权利要求1所述的一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述三维运动学数据是指各ACL断裂患者和正常人在正常行走过程中粘贴在各受试者下肢骨性标志点上的反光标志点的三维坐标原始数据。3.如权利要求1所述的一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述足底压力数据是指各ACL断裂患者和正常人在正常行走过程中的足底压力信息，包括压力时间、压力行值、压力列值和压力大小。4.如权利要求1所述的一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于：所述步骤2)中，对得到的足底压力数据进行分析处理，并提取足底压力特征参数的方法，包括以下步骤：2.1)获取各ACL患者和正常人所有单脚的完整数据帧的足底压力数据，并对获取的足底压力数据进行标准化处理，进而得到足底压力中心轨迹；2.2)根据步态周期的划分标准，将正常步态支撑阶段划分为5个时刻；2.3)提取正常步态支撑阶段各个时刻的足底压力中心轨迹数据，作为足底压力特征参数。5.如权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄红拾，敖英芳，时会娟，于媛媛，
申请(专利权)人：北京大学第三医院，
类型：发明
国别省市：北京,11