步态是人类步行的行为特征。步态分析是一种对人体步态进行量化和分析的方法，可以帮助我们更深入地了解人体运动的规律和特征。本文将介绍步态分析的主要内容，包括步态周期、步态参数等；重点介绍了步态分析的实验方法，包括步态分析实验的发展和常用的实验设备；以及步态分析在不同领域中的应用。通过对这些内容的了解，希望可以使研究者更好地认识和应用步态分析技术，为人类运动医学和康复治疗等领域提供更加准确和科学的支持。
01 步态分析的主要内容
步态分析是研究人类行走运动的科学，其涉及到多个学科领域，需要跨学科的合作，从多个角度综合分析人类步行运动，主要内容包括以下方面：
- 步态周期分析：步态周期是指一次完整的步行过程，包括左右腿的迈步和落脚。步态周期分析可以测量步行的节奏和步幅等参数。
- 步态动力学分析：步态动力学分析可以测量人体运动的力量和能量，包括行走时的步态稳定性、肌肉活动和关节运动的角度、速度和力量等参数。
- 步态生物力学分析：步态生物力学分析研究人体行走运动对人体组织和结构的影响，包括足底压力分布、骨骼负荷和肌肉力量等方面的测量。
- 步态模式识别：步态模式识别可以根据人体行走运动的特征，区分不同的步态模式。这种分析可以应用于诊断和监测一些步态相关的疾病，如帕金森病和脑卒中等。
- 步态控制机制研究：步态控制机制研究人体如何协调不同的身体部位，以保持平衡和稳定的行走状态。
02 步态分析的实验方法
实验方法的发展
在步态分析的初始阶段，实验多以观察法和初级的影像解析法为主，该方法成本低、应用方便、但存在着一定缺点，当被试群体较大时效率低，限制了研究的全面性，并且易受设备、实验人员等主观因素影响，不利于实验结果的准确性及可靠性。从最初通过绘图等方式记录人体变化到后来借助高速摄像机、三维运动捕捉系统等应用的现代影像解析法，步态分析逐步向定量分析深入。
此外，表面肌电测量系统、压力测量系统等高精度设备不断出现，为相关研究的实验设计提供了更大的可能。将肌电分析、足底压力分布分析等逐步应用到步态分析中，使步态分析更加全面，极大地拓展了步态分析的应用领域。
常用的实验设备
常见用于步态实验的设备可分为三大类：运动捕捉系统、表面肌电系统和足底压力测量系统，此外，诸多研究还尝试结合Kinect传感器与跑台等设备进行步态分析。
光学运动捕捉系统
借助红外高速摄像机捕捉人体在三维空间内的运动轨迹变化，并通过空间坐标的形式输出数据。
瑞典Qualisys光学运动捕捉成立于1989年，是全球领先的光学运动捕捉产品和服务的供应商。无论是室内、室外、陆地或者水下，都有专业的解决方案。
Qualisys功能特点：
• 独创的主动滤波功能，可在复杂光线环境下实验；
• 高采样率、高分辨率；
• 串联连接，快速便携；
• 低延迟、高精度；
• 对流散热，使用寿命长，极低故障率；
• 兼容主动和被动标记，更加宽广捕捉范围；
• PAF自动报告功能(步态、跑步、自行车等)。
三维测力台
测力台配合光学运动捕捉系统使用，可以同步输出人体运动时地面反作用力、各关节力和力矩等动力学参数。瑞士的Kistler是行业中的佼佼者，能够实现高精度测量。
Kistler功能特点：
• 压电式电阻，高精度、高灵敏；
• 固有频率高，对力的还原性强；
• 力量程大，而且分辨率高；
• 能适合各种不同实验方式 ；
• 抗过载能力强；
• 长寿命，无老化；
• 全球范围内提供服务；
• 安装方式灵活多样
表面肌电测试系统
实时采集人体运动中肌电信号的变化，经过放大、滤波及模/数转换，形成量化的肌电波形及数据，因其安全、无创测量的有点在康复医学工程界及生物力学研究中备受关注。
由意大利Cometa公司开发的无线表面肌电测试系统是典型代表，系统可以与Qualisys动捕系统同步测量，可以更详尽地描述步态特征。
Cometa功能特点：
• WIFI无线传输距离30m
• 连续工作10小时
• 内置三轴加速度计
• 共模抑制比≥120dB
• 采样率2000Hz
• 通道之间无漂移
• 支持视频同步
• 支持离线采集存储
在步态实验中，常将运动捕捉系统、表面肌电和足底压力测量系统相结合，同步采集数据。Qualisys运动捕捉系统配套的QTM（Qualisys Track Manager)软件具有较高的可拓展性，通过预留的数据接口可以快速将Kistler测力台和Cometa表面肌电等设备集成进来，同步记录数据。
图为集成了测力台和肌电系统的QTM软件界面
足部压力分布测量系统
足底压力对分析人体运动中的平衡及稳定性有着重要的意义，通过实验测得足底不同分区的压力、压强等参数，可以得到不同群体在不同工况下的运动变化情况，还能反映出不同足部结构。如扁平足、高足弓等对人体运动的影响。
加拿大的XSENSOR X4 足底压力测试系统是市场上技术领先的鞋垫式足底压力测试系统，简单易用， 采用了高分辨率和高精度的电容式传感器 ，兼具大量程、高精度和可靠性好等特点。
XSENSOR功能特点：
• 精度高重复性好
• 低侵入性，传感器(鞋垫)轻薄、灵活、耐用
• 灵活的数据采集与存储，实时无线传输或本地存储
• 数据可视化，高分辨率的传感器和功能强大的软件可以输出精确的可视化图表，使数据更直观
仿真软件VISUAL3D
Visual 3D是集成力传感器、测力平台和测力跑台于一体的建模软件包，支持同步模拟数据。支持生物力学计算以及诱发式加速度分析和功能性关节中心计算。综合全面的数据管理模式，可实现复杂的数据分析。研究结果生成全面的报告和图表，保存对数据所有处理步骤的历史记录。可以兼容大部分动作捕捉系统、测力台和肌电设备。
Visual 3D功能特点：
• 数据输入，Visual3D可处理标准C3D文件、ASCII码，并支持自定义输入。模拟数据（测力平台、肌电图、脑电图等）可以与动作捕捉数据进行集成与处理；
• 先进的建模系统；
• 六自由度分析；
• 实时的生物反馈及数据分析；
• 可靠的测试结果。
可穿戴运动捕捉系统
Xsens是惯性3D运动追踪技术和产品的主要创新者，其独特的传感器融合技术可应用于消费电子设备和专业分析领域，诸如运动捕捉、运动分析、医疗保健、体育和工业等应用。
Xsens功能特点：
• 擅长狭小范围和野外测试
• 确保复杂动作数据连贯性
• 有效的高程识别跟踪
• 适合复杂电磁环境测试
• 能够消除足部滑移
• 拥有完整的人体测量模型
生物力学3D测量跑台
H/P/COSMOS gaitway 3d提供用于步态康复及性能训练的生物反馈，其严格的机械构造保证了信号的记录质量，能够以10kHz频率测量三个方向的地面反作用力和压力中心的位置。数字同步输出和模拟信号输出允许将gaitway 3d 跑台与EMG及动作捕捉系统集成，更加全面和系统地对运动进行分析。
03 步态分析的应用领域
近年来，步态分析被广泛应用于医学、人机工程等领域的研究中，包括临床医疗诊断和康复训练，机器人、人工关节的设计及康复辅具的研发等。除此之外，在竞技体育训练、生物特征识别和提取等研究中也发挥了重要作用，随着步态分析的不断发展，相关成果的应用领域也在持续拓展中。
医学诊断及康复领域的应用
作为人体神经肌肉骨骼系统协调运动的外在表现，人体的步态特征是临床诊断中不可缺少的依据之一。近年来，与三维步态分析临床疗效的相关文献大量增加，这些研究成果有助于不断改进数据的全面性与可用性，促进了研究者对步态病理学和治疗的理解，也证明了步态分析在改变治疗决策、提高临床医生对病情的掌握程度和改善患者术后疗效方面的功效。
人机工程领域的应用
随着技术发展，步态分析研究与机器人学结合也愈加紧密，有关外骨骼下肢康复机器人的研究逐渐增加。双侧下肢的对称性与人机耦合性研究是当下的热点问题。外骨骼机器人作为一种可穿戴设备，对人机耦合性能有着极高的要求。这就需要机器人能够准确识别并跟随穿戴者完成一系列复杂动作。在外骨骼机器人的研发中，借助步态实验，开发者获得大量不同复杂环境条件下的人体步态数据，并以此作为机器人运动控制策略的制定依据。
体育训练领域的应用
在体育训练方面，步态分析有效地帮助教练员制定科学的训练计划，根据不同运动员的项目与技术特点，有针对性地帮助他们提高运动成绩，避免运动损伤。
部分参考文献
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