基于矢量编码技术对不同步行速度下协调模式的量化分析

摘要

研究目的：本研究通过采集健康受试者在不同速度下行走的下肢运动学参数，计算下肢关节间的耦合角（CA）并对其协调模式进行频次统计，从而反映出关节间的协调模式及旋转方向，为步态研究的量化分析提供一定的理论依据，从而更好的指导疾病的治疗与恢复。 研究方法：本研究选取30名健康大学生（男性15名，女性15名）为研究对象，使用英国OML公司生产的VICON红外三维动作分析系统、AMTI（40cm*60cm）测力台、Basler高速摄像机以及红外测速仪等，采集30名受试者在慢速（3.40±0.23km/h，即0.88m/s-1.008m/s）、中速（4.88±0.40km/h,即1.24m/s-1.46m/s）、快速（6.49±0.61km/h，即1.63m/s-1.97m/s）三种走路状态下的下肢运动学参数,使用MATLAB8.3软件计算人体下肢下肢各环节间的耦合角，绘制并比较不同行走速度下的角-角图，利用矢量编码技术对人体下肢各环节间的运动协调模式进行统计和分析比较。 研究结果：（1）随步行速度的增加，受试者的步长与步频都有所调整，具体表现为步长增加，步频变快。（2）在着地时刻，随着行走速度的增加，髋关节角、膝关节角、踝关节角逐渐增大，且具有显著性差异（P＜0.01）。（3）在离地时刻，随着行走速度的增加，髋关节角、膝关节角、踝关节角逐渐增大，且具有显著性差异（P＜0.01）。（4）髋-膝、髋-踝、膝-踝关节每个步态周期所形成的角-角图呈周期性变化，所形成的图形形状基本相同。且随着速度增加，髋-膝、髋-踝、膝-踝关节形成角-角图的最大值渐增，最小值渐减。（5）支撑阶段，随着行走速度的增加，髋-膝关节耦合角逐渐减小，不具有显著性差异（P＞0.05）；髋-踝关节耦合角逐渐增大，不具有显著性差异（P＞0.05）；膝-踝关节耦合角逐渐减小，且存在显著性差异（P＜0.01）。（6）摆动阶段，随着行走速度的增加，髋-膝关节耦合角逐渐增大，具有显著性差异（P＜0.01）；髋-踝关节耦合角逐渐减小，不具有显著性差异（P＞0.05）；膝-踝关节耦合角逐渐增大，且存在显著性差异（P＜0.01）。（7）支撑阶段，三种速度下髋-膝关节均以HP+和H+K-协调模式为主，且组间存在显著性差异（P＜0.05）；髋-踝关节以AP+和A+H+协调模式为主，且组间存在显著性差异（P＜0.01）；膝-踝关节均以AP+、A+K+和KP+协调模式为主，且AP+协调模式组间存在显著性差异（P＜0.05），而A+K+和KP+协调模式组间不存在显著性差异（P＞0.05）。（8）摆动阶段不同速度下髋-膝、髋-踝、膝-踝关节基本涉及所有协调模式。三种速度下，髋-膝关节均以KP+、KP-以及H+K-协调模式为主，且组间不存在显著性差异（P＞0.05）；髋-踝关节以A+H+、HP-以及A+H-协调模式为主，但A+H+协调模式三种速度间存在显著性差异（P＜0.05），而HP-及A+H-协调模式三种速度间不存在显著性差异（P＞0.05）；膝-踝关节以AP+与A-K-协调模式为主，且组间均不存在显著性差异（P＞0.05）。 研究结论：（1）随着步行速度增加，人体下肢关节运动学参数呈规律性变化，具体表现为：步长加大，步态周期时间变短，支撑时间、双支撑时间、摆动时间缩短，着地时髋关节、膝关节、踝关节角度逐渐增大，离地时髋关节、膝关节、踝关节角度逐渐增大。（2）不同速度下，各关节间形成的角-角图呈周期性变化，而且随着步行速度的增加，髋-膝关节和膝-踝关节耦合角呈规律性变化趋势，具体表现为：支撑阶段髋-膝关节、膝-踝关节耦合角逐渐减小，髋-踝关节耦合角逐渐增大；摆动阶段髋-膝关节、膝-踝关节耦合角逐渐增大，髋-踝关节耦合角逐渐减小。（3）支撑阶段髋-膝协调模式以HP+和H+K-为主，且H+K-协调模式出现的频次数随速度的增加而增加，HP+协调模式则没有规律性变化；髋-踝协调模式以AP+和A+H+为主，且AP+协调模式出现的频次数随速度的增加而增加，A+H+协调模式则随速度的增加而减少；膝-踝协调模式以AP+、A+K+和KP+为主，且KP+协调模式出现的频次数则随速度的增加而减少，而AP+和A+K+协调模式则没有规律性变化。（4）摆动阶段涉及大多数协调模式，但髋-膝协调模式以KP+、KP-以及H+K-为主，且三种协调模式随速度的增加均没有规律性变化；髋-踝协调模式以A+H+、HP-以及A+H-为主，且A+H+协调模式出现频次数随速度的增加无规律性变化，HP-协调模式呈现递减趋势，A+H-协调模式虽然没有规律性变化，但在中速与快速条件下出现的频次数大概一致；而膝-踝协调模式以AP+和A-K-为主，AP+协调模式出现的频次数随速度的增加而增加，而A-K-协调模式没有规律性变化。

目录

声明

1 绪论

1.1选题依据和背景情况

1.2 研究目的和意义

1.2.1 研究目的

1.2.2 研究意义

2 文献综述

2.1运动协调相关理论研究

2.2运动协调相关定量方法

2.3矢量编码技术的运用

2.4国内关于协调性的相关研究

2.5国内关于步态的相关研究

2.6康复领域步态分析的相关应用

2.6.1下肢损伤恢复状况的评价方法

2.6.2康复器械的相关研究

3 研究对象与研究方法

3.1研究对象

3.2研究方法

3.2.1 文献资料法

3.2.2实验法

3.2.3数据处理

4 研究结果与分析讨论

4.1不同速度下基本运动学参数的实验结果与分析

4.2 着地时刻的髋、膝、踝关节角度实验结果与分析

4.2.1 着地时刻髋关节角度变化情况

4.2.2 着地时刻膝关节角度变化情况

4.2.3 着地时刻踝关节角度变化情况

4.3离地时刻的髋、膝、踝关节角度实验结果与分析

4.3.1 离地时刻髋关节角度变化情况

4.3.2 离地时刻膝关节角度变化情况

4.3.3 离地时刻踝关节角度变化情况

4.4 不同步速下下肢关节间角-角图的实验结果与分析

4.5不同速度下各关节耦合角的测量结果与分析

4.5.1不同速度下支撑阶段各环节耦合角变化情况

4.5.2不同速度下摆动阶段各环节耦合角变化情况

4.6协调模式频次统计分析

4.6.1髋-膝协调模式统计分析

4.6.2髋-踝协调模式统计分析

4.6.3膝-踝协调模式统计分析

5 结论

6 展望与建议

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢