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步行是人類賴以生存的活動(dòng)方式之一，人類通過(guò)深入研究步行的機(jī)制后發(fā)現(xiàn)，步行運(yùn)動(dòng)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(wèn)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(lái)越多地使用步態(tài)分析對(duì)患者的下肢運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行量化分析，并與正常人的步態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)評(píng)估患者的病情，特別對(duì)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(guò)步態(tài)分析可以檢測(cè)出人眼難以察覺(jué)的微小步態(tài)異常，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，由步態(tài)分析量化出的結(jié)果可以作為醫(yī)生評(píng)估患者下肢康復(fù)情況的依據(jù)，有助于對(duì)患者制定針對(duì)性的康復(fù)訓(xùn)練方案，從而實(shí)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(jì)算的參數(shù)最全面的系統(tǒng)，但它也存在一些問(wèn)題：

①系統(tǒng)操作復(fù)雜，非專業(yè)人員難以對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和設(shè)備維護(hù)，如實(shí)驗(yàn)前對(duì)相機(jī)的校準(zhǔn)、相機(jī)擺放位置的調(diào)試等，如果沒(méi)調(diào)試好會(huì)嚴(yán)重影響三維步態(tài)分析系統(tǒng)的測(cè)量精度；

②三維步態(tài)分析系統(tǒng)對(duì)環(huán)境有很高的要求，需要有專門(mén)的場(chǎng)所來(lái)減少其他光源及噪聲的干擾，且場(chǎng)地較小，這限制了受試者的活動(dòng)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(cè)的費(fèi)用成本和時(shí)間成本都比較高。

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

市場(chǎng)上已有多款商用化較成熟地采用微機(jī)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(dòng)作捕捉系統(tǒng)、北京諾亦騰科技有限公司生產(chǎn)的鑒步運(yùn)動(dòng)功能評(píng)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(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，功能復(fù)雜，采集節(jié)點(diǎn)較多，穿戴過(guò)程較為繁瑣。

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

圖1 步態(tài)參數(shù)計(jì)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(diǎn)的體積較小、方便穿戴，所用的傳感器較為廉價(jià)、可降低設(shè)備成本，利于大范圍推廣，操作簡(jiǎn)易方便，對(duì)算力要求較低等優(yōu)勢(shì)，并實(shí)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(jì)步態(tài)參數(shù)計(jì)算算法時(shí)，首先根據(jù)穿戴在小腿上的慣性傳感器測(cè)得的角速度信號(hào)確定積分時(shí)間，然后對(duì)利用穿戴于腳跟處的慣性傳感器測(cè)得的角速度信號(hào)進(jìn)行雙重積分得到步長(zhǎng)，并通過(guò)將站立相期間的足部加速度置零來(lái)減小積分誤差，提高步長(zhǎng)估計(jì)精度。步頻通過(guò)一次步態(tài)實(shí)驗(yàn)中的步數(shù)和時(shí)間的比值得到，步速通過(guò)一次步態(tài)實(shí)驗(yàn)的位移和時(shí)間的比值得到。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)該步態(tài)分析系統(tǒng)，能得到準(zhǔn)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(biāo)題為“基于慣性傳感器的穿戴式步態(tài)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，作者為李江慧、連春快、李玉榕。