Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

«Анализ походки» перенаправляется сюда. Для книги Жаклин Перри и Джудит М. Бернфилд см. Анализ походки: нормальная и патологическая функция .
Лаборатория анализа походки, оснащенная инфракрасными камерами и напольными силовыми платформами

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

Исследование включает в себя количественную оценку (введение и анализ измеримых параметров походки ), а также интерпретацию, то есть получение различных выводов о животном (здоровье, возраст, размер, вес, скорость и т. Д.) На основе его походки.

История [ править ]

Пионерами научного анализа походки были Аристотель в De Motu Animalium (О походке животных) [2], а гораздо позже, в 1680 году, Джованни Альфонсо Борелли также назвал De Motu Animalium (I et II) . В 1890-х годах немецкий анатом Кристиан Вильгельм Брауне и Отто Фишер опубликовали серию работ по биомеханике походки человека в условиях нагрузки и разгрузки. [3]

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 сначала показала детальную последовательность « галопа » лошади , которая обычно искажалась на картинах, сделанных до этого открытия.

Хотя многие ранние исследования проводились с использованием пленочных фотоаппаратов, широкое распространение анализа походки у людей с патологическими состояниями, такими как церебральный паралич , болезнь Паркинсона и нервно-мышечные расстройства , началось в 1970-х годах с появления систем видеокамер, которые могли производить подробные исследования отдельных пациентов в рамках реалистичных затрат и времени. Разработка схем лечения, часто включающих ортопедическую хирургию , на основе результатов анализа походки, значительно продвинулась в 1980-х годах. Многие ведущие ортопедические больницы по всему миру теперь имеют лаборатории ходьбы, которые обычно используются для разработки планов лечения и для последующего наблюдения.

Разработка современных компьютерных систем происходила независимо в конце 1970-х - начале 1980-х годов в нескольких исследовательских лабораториях на базе больниц, некоторые в результате сотрудничества с аэрокосмической промышленностью. [4] Коммерческое развитие вскоре последовало с появлением коммерческого телевидения, а затем и систем инфракрасных камер в середине 1980-х годов.

В 2018 году появилось новое предложение по кинетическому суммарному показателю - кинетическому индексу походки .

Процесс и оборудование [ править ]

Сбор информации о положении маркеров в 2D через камеры слева и справа, эта комбинация информации приводит к созданию трехмерного изображения положения маркеров.

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 опорных точках тела (например, подвздошные ости таза, лодыжки лодыжки и мыщелки колена), или группы маркеров, нанесенные на половину сегментов тела. Пациент идет по подиуму 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. Один из распространенных методов - использовать набор маркеров Helen Hayes Hospital , [5]в котором всего 15 маркеров прикреплены к нижней части тела. Аналитически анализируются 15 движений маркера, и он обеспечивает угловое движение каждого сустава.

Для расчета кинетики модели походки в большинстве лабораторий есть устанавливаемые на полу датчики нагрузки, также известные как силовые платформы, которые измеряют силы и моменты реакции земли, включая величину, направление и местоположение (называемое центром давления). Пространственное распределение сил можно измерить с помощью педобарографического оборудования. Добавление этого к известной динамике каждого сегмента тела позволяет решать уравнения, основанные на уравнениях движения Ньютона – Эйлера, позволяя вычислять чистые силы и чистые моменты силы вокруг каждого сустава на каждой стадии цикла походки. Вычислительный метод для этого известен как обратная динамика.

Однако такое использование кинетики дает информацию не для отдельных мышц, а для групп мышц, таких как разгибатели или сгибатели конечности. Чтобы определить активность и вклад отдельных мышц в движение, необходимо исследовать электрическую активность мышц. Многие лаборатории также используют поверхностные электроды, прикрепленные к коже, для определения 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-моделей используются для диагностики конкретных патологий, прогнозирования результатов лечения или определения эффективности программ тренировок.

Факторы и параметры [ править ]

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

  • Внешние: например, местность, обувь, одежда, груз.
  • Внутренние: пол, вес, рост, возраст и т. Д.
  • Физические: например, вес, рост, телосложение.
  • Психологические: тип личности, эмоции
  • Физиологические: антропометрические характеристики, т. Е. Размеры и пропорции тела.
  • Патологический: например, травмы, неврологические заболевания, опорно-двигательные аномалии, психические расстройства

При анализе походки учитываются следующие параметры:

  • Длина шага
  • Длина шага
  • Каденция
  • Скорость
  • Динамическая база
  • Линия развития
  • Угол стопы
  • Угол бедра
  • Приседания [6]

Методы [ править ]

Последовательности ходьбы, записанные с помощью захвата движения

Анализ походки включает в себя измерение [7], при котором вводятся и анализируются измеряемые параметры, а также интерпретация, при которой делаются выводы о предмете (здоровье, возраст, размер, вес, скорость и т. Д.). Анализ - это измерение следующего:

Временное / пространственное [ править ]

Он состоит из расчета скорости, длины ритма, высоты звука и так далее. Эти измерения проводятся с помощью:

  • Секундомер и отметки на земле.
  • Ходьба по коврику.
  • Лазерные датчики дальности, сканирующие плоскость в нескольких сантиметрах над полом. [8] [9]
  • Инерционные датчики и программное обеспечение для интерпретации трехмерных гироскопов и трехмерных акселерометрических данных.

Кинематика [ править ]

  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. Кино- или видеозаписи с использованием кадров с одной или нескольких камер могут использоваться для измерения углов и скоростей суставов. Этому методу способствовала разработка программного обеспечения для анализа, которое значительно упрощает процесс анализа и позволяет проводить анализ в трех измерениях, а не только в двух измерениях.
  3. Пассивные системы маркеров, использующие светоотражающие маркеры (обычно светоотражающие шары), позволяют точно измерять движения с использованием нескольких камер (обычно от пяти до двенадцати камер) одновременно. В камерах используются мощные стробоскопы (обычно красные, ближние или инфракрасные) с соответствующими фильтрами для записи отражения от маркеров, размещенных на теле. Маркеры расположены на ощутимых анатомических ориентирах. На основе угла и временной задержки между исходным и отраженным сигналами 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 сочленения по относительным положениям маркеров помеченных траекторий. [12]Они также используются для захвата движения в киноиндустрии. [13]
  4. Системы активных маркеров аналогичны системе пассивных маркеров, но используют «активные» маркеры. Эти маркеры активируются входящим инфракрасным сигналом и отвечают, посылая соответствующий собственный сигнал. Затем этот сигнал используется для триангуляции местоположения маркера. Преимущество этой системы перед пассивной состоит в том, что отдельные маркеры работают на заранее определенных частотах и, следовательно, имеют свою собственную «идентичность». Это означает, что никакой постобработки местоположений маркеров не требуется, однако системы, как правило, менее прощают маркеры вне поля зрения, чем пассивные системы. [14]
  5. Инерционные (безкамерные) системы на основе инерциальных датчиков MEMS , биомеханических моделей и алгоритмов объединения датчиков. Эти системы полного или частичного тела могут использоваться в помещении и на открытом воздухе независимо от условий освещения.

Безмаркерный захват походки [ править ]

  • В системах фиксации походки без маркеров используются одна или несколько цветных камер или 2,5-мерные датчики глубины (например, Kinect) для прямого расчета положений суставов тела из последовательности изображений. Безмаркерная система позволяет проводить неинвазивный анализ походки человека в естественной среде без каких-либо маркеров. Устранение маркеров может расширить применимость методов измерения и анализа походки человека, значительно сократить время подготовки и обеспечить эффективную и точную оценку движения во всех видах приложений. В настоящее время основной безмаркерной системой является захват движения на основе видео с помощью монокулярной камеры или многокамерной студии. [15]В настоящее время все более популярным становится анализ походки на основе датчиков глубины для клинических применений. Поскольку датчики глубины могут измерять информацию о глубине и предоставлять изображение глубины 2.5D, они эффективно упростили задачу вычитания переднего и заднего плана и значительно снизили неоднозначность позы при оценке позы человека в монокуляре . [16]

Измерение давления [ править ]

Системы измерения давления - это дополнительный способ измерения походки, позволяющий получить представление о распределении давления, площади контакта, перемещении центра силы и симметрии между сторонами. Эти системы обычно предоставляют больше, чем просто информацию о давлении; дополнительная информация, доступная из этих систем, - это силовые , временные и пространственные параметры. Доступны различные методы для оценки давления, такие как коврик для измерения давления или дорожка (более длинная, чтобы фиксировать большее количество ударов ногами), а также системы измерения давления в обуви (где датчики размещаются внутри обуви). [17] [18] [19] Многие системы измерения давления интегрируются с дополнительными типами систем анализа, такими как система захвата движения, ЭМГ или силовые пластины. для проведения всестороннего анализа походки.

Кинетика [ править ]

Это исследование сил, участвующих в производстве движений.

Динамическая электромиография [ править ]

Это изучение закономерностей мышечной активности при походке.

Приложения [ править ]

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

Медицинская диагностика [ править ]

Патологическая походка может отражать компенсацию основных патологий или быть причиной возникновения симптомов сама по себе. Пациентов с церебральным параличом и инсультом обычно наблюдают в лабораториях по изучению ходьбы. Изучение походки позволяет ставить диагнозы и стратегии вмешательства, а также позволяет в будущем развивать реабилитационную инженерию . Помимо клинических приложений, анализ походки используется в профессиональных спортивных тренировках для оптимизации и улучшения спортивных результатов.

Методы анализа походки позволяют оценить нарушения походки и последствия корректирующих ортопедических операций. [20] Варианты лечения церебрального паралича включают искусственный паралич спастических мышц с помощью ботокса или удлинение, повторное прикрепление или отслоение определенных сухожилий . Также проводится коррекция искаженной костной анатомии ( остеотомия ). [20]

Хиропрактика и остеопатия [ править ]

Наблюдение за походкой также полезно для диагностики в хиропрактике и остеопатах, поскольку препятствия при 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- бугристые связки (среди прочего) могут указывать на поворот таза. Как хиропрактики, так и врачи остеопатической медицины используют походку, чтобы различить положение таза, и могут использовать различные методы для восстановления полного диапазона движений в областях, участвующих в амбулаторных движениях. Регулировка таза хиропрактикой показала тенденцию к восстановлению модели походки [21] [22]как и остеопатическая манипулятивная терапия (ОМТ). [23] [24]

Сравнительная биомеханика [ править ]

Изучая походку животных, кроме человека, можно получить больше информации о механике передвижения, которая имеет различные значения для понимания биологии рассматриваемых видов, а также передвижения в более широком смысле.

Походка как биометрия [ править ]

Распознавание походки - это тип поведенческой биометрической аутентификации, которая распознает и проверяет людей по их стилю ходьбы и темпу. [25] [26] Достижения в распознавании походки привели к развитию методов судебно-медицинской экспертизы, поскольку походка каждого человека может определяться уникальными измерениями, такими как местоположение лодыжки, колена и бедра. [27]

Наблюдение [ править ]

В 2018 году появились сообщения о том, что правительство Китая разработало инструменты наблюдения на основе анализа походки, позволяющие однозначно идентифицировать людей, даже если их лица скрыты. [28]

Популярные СМИ [ править ]

  • Г. К. Честертон основал одну из загадок своего отца Брауна , «Странные ноги», на распознавании походки.
  • Кори Доктороу в своей книге « Маленький брат» уделяет много внимания распознаванию походки как методу безопасности, используемому в средней школе .
  • Артур Конан Дойл заставляет Шерлока Холмса использовать анализ походки, чтобы определить рост убийцы Рэйч в «Этюде в багровых тонах» .
  • В фильме « Миссия невыполнима - Нация изгоев» представлен анализ походки в сцене, где Бенджи Данн должен проникнуть на объект, который использует программное обеспечение для анализа походки как часть своего протокола безопасности.

Учебники [ править ]

  • Анализ походки: нормальная и патологическая функция, второе издание . Авторы: Жаклин Перри и Джудит М. Бёрнфилд
  • Биомеханика и моторный контроль движения человека. Автор: Дэвид А. Винтер , четвертое издание. Опубликовано John Wiley & Sons, Нью-Йорк.
  • Анализ походки. Авторы: Дэвид Ф. Левин , Джим Ричардс и Майкл Уиттл.
  • Наблюдательный анализ походки. Автор: Научно-образовательный центр Los Amigos
  • Анализ походки: теория и применение. Авторы: Ребекка Л. Крейк и Кэрол С. Оатис,
  • Клиника "Лечение нарушений походки при церебральном параличе" в медицине развития № 164-165, под редакцией Джеймса Р. Гейджа, 2004 г.
  • Судебно-медицинский анализ походки: принципы и методы . Редакторы: Берч И. Ниренберг М., Вернон В. и Берч М. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2020.

См. Также [ править ]

  • Биометрические точки
  • Анализ походки: нормальная и патологическая функция, второе издание
  • Шкала оценки аномалии походки
  • Отклонения походки
  • Многолинейный анализ главных компонент
  • Мультилинейное подпространственное обучение
  • Распознавание образов
  • Наземное передвижение животных
  • Сравнение ортопедических изделий

Ссылки [ править ]

  1. ^ Левин DF, Ричардс Дж, Виттл М. (2012). Анализ походки Уиттла Анализ походки Уиттла Elsevier Health Sciences. ISBN  978-0702042652
  2. ^ Аристотель (2004). По 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). Hirzel Verlag.
  4. ^ Sutherland DH (2002). «Эволюция клинического анализа походки: часть II кинематики». Походка и осанка . 16 (2): 159–179. CiteSeerX 10.1.1.626.9851 . DOI : 10.1016 / s0966-6362 (02) 00004-8 . PMID 12297257 .  
  5. ^ Kadaba, МП; Рамакришнан, Гонконг; Wootten, ME (май 1990 г.). «Измерение кинематики нижних конечностей при ровной ходьбе». 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). Инструмент, который одновременно измеряет пространственно-временные параметры походки и силы реакции опоры у передвигающихся крыс, в материалах 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 .; Ван Дроогенбрук, М. (октябрь 2013 г.). «GAIMS: надежная ненавязчивая система измерения походки» . Новости ERCIM . 95 : 26–27.
  9. ^ "Проект GAIMS" .
  10. ^ Этьен-Жюль Маре
  11. ^ Мейбридж
  12. ^ Davis RB, Ыунпуу S, D Tyburski Гейдж JR (1991). «Методика сбора и сокращения данных анализа походки». Наука человеческого движения . 10 (5): 575–587. DOI : 10.1016 / 0167-9457 (91) 90046-Z .
  13. ^ Робертсон DGE и др. (2004). Методы исследования в биомеханике . Шампейн, Иллинойс: Пабы Human Kinetics ..
  14. ^ Бест, Рассел; Бегг, Резаул (2006). «Обзор анализа движений и особенностей походки» . In Begg, Rezaul; Паланисвами, Маримуту (ред.). Вычислительный интеллект для наук о движении: нейронные сети и другие новые методы . Idea Group (опубликовано 30 марта 2006 г.). С. 11–18. ISBN 978-1-59140-836-9.
  15. ↑ X. Zhang, M. Ding, G. Fan (2016) Оценка ходьбы человека на основе видео с помощью объединенных манифольдов походки и позы , IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2016
  16. ^ "Исследование - Мэн Дин" .
  17. ^ «Анализ походки с измерением давления» . Tekscan . 9 июня 2017 . Проверено 29 сентября 2017 года .
  18. ^ Coda, A .; Carline, T .; Сантос, Д. (2014). «Воспроизводимость и воспроизводимость системы Tekscan HR-Walkway у здоровых детей». Нога (Edinb) . 24 (2): 49–55. DOI : 10.1016 / j.foot.2014.02.004 . PMID 24703061 . 
  19. ^ "Обзор SCIENCE Insole3 - Moticon" . Проверено 18 декабря 2020 года .
  20. ^ а б Аминь, Джон; Эль-Гебейли, Мохамед; Эл.Миккави, ДалияМ. E .; Yousry, AhmedH; Эль-Собки, ТамерА (2018). «Одноэтапная многоуровневая хирургия у детей с детским церебральным параличом: взаимосвязь с качеством жизни и функциональной подвижностью». Журнал костно - мышечной хирургии и исследований . 2 (4): 148. DOI : 10,4103 / jmsr.jmsr_48_18 .
  21. Перейти ↑ Herzog, W (1988). «Количественная оценка воздействия манипуляций на позвоночник на походку с использованием пациентов с болью в пояснице». Журнал манипулятивной и физиологической терапии . 11 (3): 151–157. PMID 2969026 . 
  22. ^ РО, Робинсон; W, Герцог; БМ, Нигг (1 августа 1987 г.). «Использование переменных силовой платформы для количественной оценки воздействия хиропрактических манипуляций на симметрию походки». Журнал манипулятивной и физиологической терапии . 10 (4): 172–6. ISSN 0161-4754 . PMID 2958572 .  
  23. ^ MR, Уэллс; S, Giantinoto; Д, Д'Агейт; Р.Д., Ареман; EA, Fazzini; D, Даулинг; А. Босак (1 февраля 1999 г.). «Стандартное остеопатическое манипулятивное лечение резко улучшает показатели походки 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. ^ Висмара, Лука; Чимолин, Вероника; Галли, Мануэла; Гругни, Грациано; Ансиллао, Андреа; Каподаглио, Паоло (март 2016 г.). «Остеопатическое манипулятивное лечение улучшает характер походки 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 Абдулазиз; Калита, Джугал (2016). «Аутентификация пользователей смартфонов с помощью поведенческой биометрии» . Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE . 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 requires |journal= (help)
  27. ^ Бучрика, Имед; Гоффредо, Микаэла; Картер, Джон; Никсон, Марк (июль 2011 г.). «Об использовании походки в судебной биометрии». Журнал судебной медицины . 56 (4): 882–889. DOI : 10.1111 / j.1556-4029.2011.01793.x . ISSN 1556-4029 . PMID 21554307 . S2CID 14357171 .   
  28. ↑ Канг, Дэйк (6 ноября 2018 г.). «Китайские специалисты по распознаванию походки идентифицируют людей по тому, как они ходят» . Ассошиэйтед Пресс . Проверено 15 июня 2020 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Клинический анализ походки