stringtranslate.com

Анализ походки

Получение информации о положении маркеров в 2D через камеры слева и справа, эта комбинация информации приводит к получению 3D изображения положения маркеров.

Анализ походки — это систематическое изучение локомоции животных , а точнее, изучение движения человека, с использованием глаз и мозга наблюдателей, дополненное приборами для измерения движений тела, механики тела и активности мышц. [1] Анализ походки используется для оценки и лечения людей с состояниями, влияющими на их способность ходить. Он также широко используется в спортивной биомеханике , чтобы помочь спортсменам бегать более эффективно и выявлять проблемы, связанные с осанкой или движением, у людей с травмами.

Исследование охватывает количественную оценку (введение и анализ измеримых параметров походки ), а также интерпретацию, т.е. составление различных заключений о животном (здоровье, возраст, размер, вес, скорость и т.д.) на основе характера его походки.

История

Пионерами научного анализа походки были Аристотель в De Motu Animalium (О походке животных) [2] и гораздо позже, в 1680 году, Джованни Альфонсо Борелли, также известный как De Motu Animalium (I et II) . В 1890-х годах немецкие анатомы Христиан Вильгельм Брауне и Отто Фишер опубликовали серию статей по биомеханике походки человека в условиях нагрузки и без нагрузки. [3]

Медицинская фотография походки, 1918 г.

С развитием фотографии и кинематографии стало возможным снимать последовательности изображений, которые раскрывают детали передвижения человека и животных, которые не были заметны при наблюдении за движением невооруженным глазом. Эдвард Мейбридж и Этьен-Жюль Марей были пионерами этих разработок в начале 1900-х годов. Например, серийная фотография впервые показала подробную последовательность лошадиного « галоп », которая обычно была искажена в картинах, созданных до этого открытия.

Хотя многие ранние исследования проводились с использованием пленочных камер, широкое применение анализа походки к людям с патологическими состояниями, такими как детский церебральный паралич , болезнь Паркинсона и нервно-мышечные расстройства , началось в 1970-х годах с появлением систем видеокамер, которые могли производить подробные исследования отдельных пациентов в реалистичных рамках затрат и временных ограничений. Разработка режимов лечения, часто включающих ортопедическую хирургию , на основе результатов анализа походки, значительно продвинулась в 1980-х годах. Во многих ведущих ортопедических больницах по всему миру теперь есть лаборатории походки, которые регулярно используются для разработки планов лечения и последующего мониторинга. [ необходима цитата ]

Разработка современных компьютерных систем происходила независимо в конце 1970-х и начале 1980-х годов в нескольких исследовательских лабораториях при больницах, некоторые из них — в сотрудничестве с аэрокосмической промышленностью. [4] Вскоре последовало коммерческое развитие с появлением коммерческого телевидения, а позднее — инфракрасных камер в середине 1980-х годов.

Процесс и оборудование

Лаборатория анализа походки, оснащенная инфракрасными камерами и напольными силовыми платформами

Типичная лаборатория анализа походки имеет несколько камер (видео или инфракрасных), размещенных вокруг дорожки или беговой дорожки, которые связаны с компьютером. У пациента есть маркеры, расположенные в различных точках отсчета тела (например, подвздошные ости таза, лодыжки и мыщелки колена), или группы маркеров, нанесенных на половину сегментов тела. Пациент идет по дорожке или беговой дорожке, и компьютер вычисляет траекторию каждого маркера в трех измерениях. Модель применяется для расчета движения нижележащих костей. Это дает полную разбивку движения каждого сустава. Одним из распространенных методов является использование набора маркеров Helen Hayes Hospital [5] , в котором в общей сложности 15 маркеров прикреплены к нижней части тела. 15 движений маркеров анализируются аналитически, и это обеспечивает угловое движение каждого сустава. [ необходима цитата ]

Для расчета кинетики моделей походки в большинстве лабораторий имеются напольные датчики нагрузки, также известные как силовые платформы, которые измеряют силы и моменты реакции опоры, включая величину, направление и местоположение (называемое центром давления). Пространственное распределение сил можно измерить с помощью оборудования педобарографии . Добавление этого к известной динамике каждого сегмента тела позволяет решать уравнения на основе уравнений движения Ньютона-Эйлера, что позволяет вычислять чистые силы и чистые моменты силы вокруг каждого сустава на каждой стадии цикла походки. Вычислительный метод для этого известен как обратная динамика. [ необходима цитата ]

Однако это использование кинетики не приводит к информации об отдельных мышцах, а к группам мышц, таким как разгибатели или сгибатели конечности. Чтобы обнаружить активность и вклад отдельных мышц в движение, необходимо исследовать электрическую активность мышц. Во многих лабораториях также используются поверхностные электроды, прикрепленные к коже, для обнаружения электрической активности или электромиограммы (ЭМГ) мышц. Таким образом, можно исследовать время активации мышц и, в некоторой степени, величину их активации, тем самым оценивая их вклад в походку. Отклонения от нормальных кинематических, кинетических или ЭМГ-паттернов используются для диагностики определенных патологий, прогнозирования результатов лечения или определения эффективности программ тренировок [ необходима цитата ]

Факторы и параметры

Анализ походки модулируется или модифицируется многими факторами, и изменения в нормальном паттерне походки могут быть временными или постоянными. Факторы могут быть разных типов:

При анализе походки учитываются следующие параметры:

Методы

Последовательности ходьбы, записанные с помощью захвата движения

Анализ походки включает измерение, [7] где вводятся и анализируются измеримые параметры, и интерпретацию, где делаются выводы о субъекте (здоровье, возраст, размер, вес, скорость и т. д.). Анализ представляет собой измерение следующего:

Временной/пространственный

Он состоит из расчета скорости, длины ритма, высоты тона и т. д. Эти измерения проводятся посредством:

Кинематика

  1. Хронофотография — это самый простой метод записи движения. В прошлом стробоскопическое освещение с известной частотой использовалось для анализа походки на отдельных фотографических изображениях. [10] [11]
  2. Кинопленка или видеозаписи с использованием кадров с одной или нескольких камер могут использоваться для измерения углов и скоростей суставов. Этот метод был усовершенствован с помощью программного обеспечения для анализа, которое значительно упрощает процесс анализа и позволяет проводить анализ в трех измерениях, а не только в двух.
  3. Пассивные системы маркеров, использующие отражающие маркеры (обычно отражающие шары), позволяют точно измерять движения с помощью нескольких камер (обычно от пяти до двенадцати камер) одновременно. Камеры используют мощные стробоскопы (обычно красные, ближнего инфракрасного или инфракрасного диапазона) с соответствующими фильтрами для записи отражения от маркеров, размещенных на теле. Маркеры располагаются на ощутимых анатомических ориентирах. На основе угла и временной задержки между исходным и отраженным сигналом возможна триангуляция маркера в пространстве. Программное обеспечение используется для создания трехмерных траекторий из этих маркеров, которым впоследствии присваиваются идентификационные метки. Затем компьютерная модель используется для вычисления углов суставов из относительных положений маркеров маркированных траекторий. [12] Они также используются для захвата движения в киноиндустрии. [13]
  4. Активные системы маркеров похожи на пассивные системы маркеров, но используют «активные» маркеры. Эти маркеры активируются входящим инфракрасным сигналом и реагируют, отправляя свой собственный соответствующий сигнал. Затем этот сигнал используется для триангуляции местоположения маркера. Преимущество этой системы перед пассивной заключается в том, что отдельные маркеры работают на предопределенных частотах и, следовательно, имеют свою собственную «идентификацию». Это означает, что не требуется постобработки местоположений маркеров, однако системы, как правило, менее снисходительны к маркерам вне зоны видимости, чем пассивные системы. [14]
  5. Инерциальные (безкамерные) системы на основе инерциальных датчиков MEMS , биомеханических моделей и алгоритмов слияния датчиков. Эти полнотелые или частичнотелые системы могут использоваться как в помещении, так и на улице независимо от условий освещения.

Захват походки без маркеров

Измерение давления

Системы измерения давления являются дополнительным способом измерения походки, предоставляя информацию о распределении давления, площади контакта, движении центра силы и симметрии между сторонами. Эти системы обычно предоставляют больше, чем просто информацию о давлении; дополнительная информация, доступная из этих систем, - это параметры силы , времени и пространства. Доступны различные методы оценки давления, такие как коврик для измерения давления или дорожка (более длинная, чтобы фиксировать больше ударов стопы), а также системы измерения давления внутри обуви (где датчики размещаются внутри обуви). [17] [18] [19] Многие системы измерения давления интегрируются с дополнительными типами систем анализа, такими как захват движения, ЭМГ или силовые пластины , чтобы обеспечить всесторонний анализ походки. [ необходима цитата ]

Кинетика

Изучает силы, участвующие в создании движений.

Динамическая электромиография

Изучает закономерности мышечной активности во время походки.

Приложения

Анализ походки используется для изучения способности людей и животных ходить, поэтому данную технологию можно использовать в следующих приложениях:

Медицинская диагностика

Патологическая походка может отражать компенсацию лежащих в основе патологий или быть причиной возникновения симптомов сама по себе. Пациенты с церебральным параличом и инсультом часто наблюдаются в лабораториях походки. Изучение походки позволяет ставить диагнозы и разрабатывать стратегии вмешательства, а также позволяет проводить будущие разработки в области реабилитационной инженерии . Помимо клинических применений, анализ походки используется в профессиональных спортивных тренировках для оптимизации и улучшения спортивных результатов.

Методы анализа походки позволяют оценить нарушения походки и эффекты корректирующей ортопедической хирургии. [20] Варианты лечения церебрального паралича включают искусственный паралич спастических мышц с помощью ботокса или удлинение, повторное прикрепление или отсоединение определенных сухожилий . Также проводятся исправления искаженной костной анатомии ( остеотомия ). [20]

Применение в хиропрактике и остеопатии

Наблюдение за походкой также полезно для диагностики в хиропрактике и остеопатии , поскольку помехи в походке могут указывать на смещение таза или крестца. Поскольку крестец и подвздошная кость биомеханически движутся в противовес друг другу, спайки между ними через крестцово-остистые или крестцово-бугорные связки (среди прочих) могут указывать на ротацию таза. Как врачи хиропрактики, так и остеопатической медицины используют походку для определения листинга таза и могут использовать различные методы для восстановления полного диапазона движения в областях, участвующих в амбулаторном движении. Хиропрактическая корректировка таза показала тенденцию к восстановлению паттернов походки [21] [22] , как и остеопатическая манипулятивная терапия (ОМТ). [23] [24]

Сравнительная биомеханика

Изучая походку животных, не являющихся людьми, можно получить более глубокое представление о механике локомоции, что имеет разнообразные последствия для понимания биологии рассматриваемого вида, а также локомоции в более широком смысле.

Походка как биометрия

Распознавание походки — это тип поведенческой биометрической аутентификации, которая распознает и проверяет людей по их стилю ходьбы и темпу. [25] [26] Достижения в области распознавания походки привели к разработке методов для использования в криминалистике, поскольку походка каждого человека может быть определена уникальными измерениями, такими как расположение лодыжки, колена и бедра. [27]

Наблюдение

В 2018 году появились сообщения о том, что правительство Китая разработало инструменты наблюдения, основанные на анализе походки, что позволяет им однозначно идентифицировать людей, даже если их лица скрыты. [28] [29]

Популярные СМИ

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Левин Д.Ф., Ричардс Дж., Уиттл М. (2012). Анализ походки Уиттла Анализ походки Уиттла Elsevier Health Sciences. ISBN  978-0702042652
  2. ^ Аристотель (2004). О походке животных. Kessinger Publishing. ISBN 978-1-4191-3867-6.
  3. ^ Фишер, Отто; Брауне, Вильгельм (1895). Der Gang des Menschen: Versuche am unbelasteten und belasteten Menschen, Band 1 (на немецком языке). Хирзель Верлаг.
  4. ^ Sutherland DH (2002). «Эволюция клинического анализа походки: Часть II Кинематика». Походка и осанка . 16 (2): 159–179. CiteSeerX 10.1.1.626.9851 . doi :10.1016/s0966-6362(02)00004-8. PMID  12297257. 
  5. ^ Кадаба, MP; Рамакришнан, HK; Вуттен, ME (май 1990). «Измерение кинематики нижних конечностей во время ходьбы по ровной поверхности». Журнал ортопедических исследований . 8 (3): 383–392. doi : 10.1002/jor.1100080310 . PMID  2324857. S2CID  17094196.
  6. ^ Швейцер, Эрик. «Что такое анализ походки?». IdealRun .
  7. ^ U. Tasch, P. Moubarak, W. Tang, L. Zhu, RM Lovering, J. Roche, RJ Bloch. (2008). Прибор, который одновременно измеряет пространственно-временные параметры походки и силы реакции опоры у локомотивных крыс, в Трудах 9-й двухгодичной конференции ASME по проектированию и анализу инженерных систем, ESDA '08. Хайфа, Израиль, стр. 45–49.
  8. ^ Piérard, S.; Azrour, S.; Phan-Ba, R.; Van Droogenbroeck, M. (октябрь 2013 г.). «GAIMS: надежная неинтрузивная система измерения походки». ERCIM News . 95 : 26–27.
  9. ^ «Проект GAIMS».
  10. ^ Этьен-Жюль Марей
  11. ^ Эдвард Мейбридж
  12. ^ Davis RB, Õunpuu S, Tyburski D, Gage JR (1991). «Метод сбора и обработки данных анализа походки». Human Movement Science . 10 (5): 575–587. doi :10.1016/0167-9457(91)90046-z.
  13. ^ Робертсон DGE и др. (2004). Методы исследования в биомеханике . Champaign IL:Human Kinetics Pubs.
  14. ^ Best, Russell; Begg, Rezaul (2006). «Обзор анализа движений и особенностей походки». В Begg, Rezaul; Palaniswami, Marimuthu (ред.). Computational Intelligence for Movement Sciences: Neural Networks and Other Emerging Techniques . Idea Group (опубликовано 30 марта 2006 г.). стр. 11–18. ISBN 978-1-59140-836-9.
  15. ^ X. Zhang, M. Ding, G. Fan (2016) Оценка ходьбы человека на основе видео с использованием многообразий совместных походки и поз , Труды IEEE по схемам и системам для видеотехнологий, 2016
  16. ^ «Исследования – Мэн Дин».
  17. ^ "Анализ походки с измерением давления". Tekscan . 9 июня 2017 г. Получено 29 сентября 2017 г.
  18. ^ Кода, А.; Карлайн, Т.; Сантос, Д. (2014). «Повторяемость и воспроизводимость системы Tekscan HR-Walkway у здоровых детей». Foot (Edinb) . 24 (2): 49–55. doi :10.1016/j.foot.2014.02.004. PMID  24703061.
  19. ^ "Обзор SCIENCE Insole3 - Moticon" . Получено 18 декабря 2020 г. .
  20. ^ ab Амен, Джон; Эль-Гебейли, Мохамед; Эль-Миккави, ДалияМ. Э.; Юсри, АхмедХ; Эль-Собки, ТамерА (2018). «Однократная многоуровневая операция для детей с церебральным параличом, страдающих приседанием: корреляция с качеством жизни и функциональной подвижностью». Журнал мышечной хирургии и исследований . 2 (4): 148. doi : 10.4103/jmsr.jmsr_48_18 . S2CID  81725776.
  21. ^ Herzog, W (1988). «Количественная оценка влияния спинальных манипуляций на походку с использованием пациентов с болью в пояснице». Журнал манипулятивной и физиологической терапии . 11 (3): 151–157. PMID  2969026.
  22. ^ RO, Робинсон; W, Херцог; BM, Нигг (1 августа 1987 г.). «Использование переменных силовой платформы для количественной оценки эффектов хиропрактических манипуляций на симметрию походки». Журнал манипулятивной и физиологической терапии . 10 (4): 172–6. ISSN  0161-4754. PMID  2958572.
  23. ^ MR, Wells; S, Giantinoto; D, D'Agate; RD, Areman; EA, Fazzini; D, Dowling; A, Bosak (1 февраля 1999 г.). «Стандартное остеопатическое манипулятивное лечение резко улучшает ходьбу у пациентов с болезнью Паркинсона». Журнал Американской остеопатической ассоциации . 99 (2): 92–8. doi : 10.7556/jaoa.1999.99.2.92 . ISSN  0098-6151. PMID  10079641.
  24. ^ Vismara, Luca; Cimolin, Veronica; Galli, Manuela; Grugni, Graziano; Ancillao, Andrea; Capodaglio, Paolo (март 2016 г.). «Остеопатическое манипулятивное лечение улучшает походку и осанку у взрослых пациентов с синдромом Прадера–Вилли». Международный журнал остеопатической медицины . 19 : 35–43. doi :10.1016/j.ijosm.2015.09.001.
  25. ^ Alzubaidi, Abdulaziz; Kalita, Jugal (2016). «Аутентификация пользователей смартфонов с использованием поведенческой биометрии». IEEE Communications Surveys & Tutorials . 18 (3): 1998–2026. arXiv : 1911.04104 . doi : 10.1109/comst.2016.2537748. ISSN  1553-877X. S2CID  8443300.
  26. ^ «Достижения в области автоматического распознавания походки – Публикация конференции IEEE» (PDF) . doi :10.1109/AFGR.2004.1301521. S2CID  13304163. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  27. ^ Бушрика, Имед; Гоффредо, Микаэла; Картер, Джон; Никсон, Марк (июль 2011 г.). «Об использовании походки в судебной биометрии». Журнал судебных наук . 56 (4): 882–889. doi :10.1111/j.1556-4029.2011.01793.x. ISSN  1556-4029. PMID  21554307. S2CID  14357171.
  28. ^ Канг, Дейк (6 ноября 2018 г.). «Китайская технология «распознавания походки» идентифицирует людей по тому, как они ходят». Associated Press . Получено 15 июня 2020 г.
  29. ^ Китайская технология может распознать вашу походку , получено 27 декабря 2021 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Анализ походки .