智能骨科
基于"Lab-in-Shoe"智能鞋的可穿戴步态分析系统研究
中华创伤骨科杂志, 2024,26(8) : 705-710. DOI: 10.3760/cma.j.cn115530-20231231-00287
摘要
目的

研发一种"Lab-in-Shoe"的可穿戴智能鞋步态时空参数分析系统("Lab-in-Shoe"智能鞋系统),实现足踝损伤患者步态功能障碍的定量评估。

方法

通过将惯性传感器和鞋垫式足底压力分布传感器集成于鞋具,构成"Lab-in-Shoe"智能鞋系统的硬件主体。利用惯性传感器的加速度数据积分获得步态空间参数;利用鞋垫式足底压力分布传感器获得足底压力分布数据以及支撑相、摆动相、零速度时刻等步态时间参数和力学参数。招募8名年轻的健康受试者,年龄(25.6±1.3)岁,身高(175.4±2.2)cm。在光学动作捕捉实验室进行步态数据采集,通过比较"Lab-in-Shoe"智能鞋系统与"金标准"Vicon光学动作捕捉系统的步态数据结果,验证智能鞋系统的有效性与可靠性。并对足底压力分布传感器进行传感单元的标定实验,以证明其压力数据的准确性。

结果

"Lab-in-Shoe"智能鞋系统可准确获取受试者的步长、步宽、步频、步速、步态相位划分、足底压力分布以及压力中心曲线等核心步态时空参数,并且能够实现步态中的双足位姿复现。通过Bland-Altman图与"金标准"Vicon光学动作捕捉系统进行比较,"Lab-in-Shoe"智能鞋系统在慢速(0.68±0.05)m/s、最适速度(1.10±0.07)m/s和快速(1.40±0.13)m/s 3种行走速度下的步长平均误差为3.12%(范围值为2.76%~4.24%),90%的结果在95%置信区间内,一致性良好。步长参数在慢速、最适速度、快速的组内相关系数(ICC)值分别为0.93、0.917、0.893,可靠性良好。足底压力传感器的多个传感单元标定数据均落在95%的线性回归范围内,相关系数r=0.949(P<0.05)。"Lab-in-Shoe"智能鞋系统所采集的足底压力数据整体曲线呈现明显的双峰特性。

结论

自主研发的"Lab-in-Shoe"智能鞋系统能够实现对步态参数的便捷采集和计算,在不同行走速度下各结果参数均具有较好的可靠性与有效性,有助于在临床环境下的大规模步态数据采集。

引用本文: 黄吉, 王旭, 马昕, 等.  基于"Lab-in-Shoe"智能鞋的可穿戴步态分析系统研究 [J] . 中华创伤骨科杂志, 2024, 26(8) : 705-710. DOI: 10.3760/cma.j.cn115530-20231231-00287.
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步态分析在定量评估运动系统疾病,尤其是足踝相关疾病所导致的步态障碍方面发挥着重要作用[1]。有研究表明,步态参数的改变,如步速、步长、步宽、步态周期、足底压力模式等,与急性踝关节扭伤[2]、踝关节骨性关节炎[3]、扁平足、老年人群跌倒风险等[4]均密切相关。步态分析作为相关疾病诊断的重要方法被广泛应用于临床,贯穿了足踝相关疾病的诊断评估、治疗手术、术后康复等[5]。然而,目前临床上所采用的步态分析仍处于传统的"目测"阶段,基于医师的经验积累与主观判断对患者进行诊断。另一方面,商业化的步态分析设备可以实现对患者步态数据的精确采集与分析,如Vicon光学运动捕捉系统、AMTI测力板和GAITRite电子步道等[6,7]。然而,这些设备存在成本高昂、使用难度大、数据分析过程复杂,且必须依赖专业的工程技术人员等问题,往往难以应用于患者的日常生活与临床实践中。这也直接导致了足踝相关疾病步态数据稀缺,难以形成真正有效的步态大数据为临床医师提供参考。

 
 
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