三 主要内容:一、产品组成、原理、特点、亮点、适用领域 二、三维步态分析系统及EMG 简介 三、临床及体育科研应用 四、应用举例 五、模块建设 六、未来展望 一、产品组成、原理、特点、亮点、适用领域 (一)产品组成及原理 主要硬件部分: 三维步态分析仪、测力平板、无线表面肌电仪(EMG)、工作站等 主要软件部分: 采集及分析软件等 1、高清红外摄像头:适用于任何形式的动作并进行精确分析。 2、步行平台:整合测力平台,方便测量。 3、测力平台:两个多轴测力平台可以测量地面反作用力,中心压力 (COP)坐标及扭矩。并结合步态分析,计算关节间受力时间及大小。 4、视频录象:两个视频采集器,可从不同角度实现实时步态显示。 5、显示屏:60 寸大离子显示器,可监视所有收集到的各种信号。 6、无线EMG 信号采集器:8 个小巧,有无线WIFI 技术的EMG 号采集器,结合三维步态分析系统使用,实现肌电信号和步态数据同步记录和数据处理,并记录肌电信号在步态循环中出现的具体时间。 7、EMG 存储工作站:存储EMG 信号,含内置电池,保数据不丢失。 8、EMG 掌上电脑:无线触摸,接受EMG 采集器信号后无线传输到 工作站。信号范围支持50m,可实时显示肌电信号。 9、工作站:最多可支持24 台摄像头连接,可同时接收,整和,同步 处理所以信号,内置标准时钟,保证长时间数据采集时所以数据的同 步化,保证所以数据的相关性。 10、监察显示器:24 HD显示器,同步显示步态,动态,以及肌 电信号,并根据各个角度的摄像头绘制步态模拟图片。 11、软件系统:三种分析系统,针对三维运动、临床分析和体育运动。 (二)产品特点 1、硬件特点: (a)、实时数据采集与处理的高分辨率红外摄像头,多角度三维动态信 息捕获,校准快捷,误差小于0.1mm,不受光线强弱影响,可在室外 赛场跑道使用; (b)、工作站可同时整合步态分析,肌电信号,测力平台,带传感器 跑步机等同时处理和分析; (c)、EMG 无线采集器小巧轻便,真正实现无线技术无障碍远距离传 输,无线采集器跟 EMG 接收器可50m 内实现无障碍传输,而EMG 接收器信号也可传输至350m 内的工作站。 2、软件特点: (a)、可将正在分析的项目通过打印机快速打印输出为个人报告; (b)、报告的件数、版面、内容等都可以任意的定义和修改; (c)、模拟信号设备采集到的信号与运动学数据可做同步化集成分析。 提供标准图标数据模块,简化操作,自动制作并显示完整动作分析所 得数据,步态信号,肌电信号,足部受力分析等同步分析显示,可快 速得到个人报告。 3、硬件系统特点: (a)、红外摄像头: 串联方式:支持多个工作站 同时侦测标记点数:无限制 数据预览:全帧图象 分辨率:640*480 最大采样频率:1000Hz 精确值:小于0.2mm(4*3*3 空间中) 数据传输技术:千兆以太网 (b)、EMG 无线采集器: 采集频率:4KHz 数据传输:无线IEE802.15.4(传感器—接收器) 传输范围:无障碍情况下50m 电池使用时间:5 小时不间断数据记录,待机5 存储器:实时固定缓冲存储(c)、EMG 移动接收器: EMG 通路数:接收16 个无线传感器信号 数据传输:无线WIFI 标准802.11b(接收器—工作站) 显示屏:4 英寸VGA 触摸屏 电池使用时长:9 小时 传输范围:30—380m(室内外)(接收器—工作站) 4、软件系统特点: 基本分析:三维XYZ 绘图、步行及摆动速度、关节角速度、受力中 心、垂直受力、前后运动指示、COP、扭矩Mz,肌电信号强弱等. 统计分析:步宽、步长、步态站立期、摆动期、双脚支撑期、步态周 期、节律、身体摇摆,三维空间力量参数,中心压力(COP)扭矩 Mz,肌电信号强弱等值的标准化、平均值离散、系数等的计算。 对比:覆盖图,运动图,多数据分析对比及重放。 输出数据:XY 绘图、XYZ 绘图、图表、数据列表 数字化:自动跟踪,反向自动跟踪,多标记自动跟踪、位置预测、自 动插值、操作数字化等。 (三)产品亮点 1、方便快捷:BTS 运动分析系统可适用多种空间,从8m*5m 空间到 运动场,也不受光线强弱的影响。适用范围广,小到医院科室或实验 室安装,大到在运动场,赛场,跑道对运动员训练进行实时监测。 2、优越的数据再生能力:可实时分析处理数据,患者不需准备,半 小时内医生可得到所以诊断及确定治疗方案的各类数据,集成步态数 据库,方便患者历史记录及出报告系统。 3、高精确性:高清红外摄像头,最大误差在0.1mm 内。目前世界最 小的WIFI EMG,对身体无创数据精确,误差小于0.7 毫伏。适用于 所有病人及病情。 4、使用简单:医生等不需要长时间培训产品使用方法,操作简单, 患者信息,数据信息一目了然,有视化标准图标数据模块,提供不同 人群及病理的清晰统计分析,步态信号与肌电信号同步分析并显示。 轻松快速出个人报告。 (四)适用领域 1、医院(骨科、康复科) 2、康复中心 3、残疾人康复中心 4、支具矫形中心 5、支具矫形器康复器械研发中心 6、体育局运动训练中心 7、高等体育院校、竞技体校 8、体育科研中心 9、运动医学生物力学实验室 10、高档健身中心 二、三维步态分析系统及EMG 介绍 (一)三维步态分析系统简介 1、步态: 步态是人体结构与功能、运动调节系统、行为及心理活动在 行走时候的外在表现。任何神经、肌肉,骨骼、骨关节疾患都可能导 致步态功能异常或障碍。 步行的正常参数 步速:1.3m/s或5km/h正常步行的关节活动范围: 髋关节 膝关节 踝关节跖屈背伸 步行中骨盆倾斜角 2、三维步态分析: 是研究步行规律的检查方法,旨在通过生物力学和运动学手 段,揭示步态异常的关键环节和影响因素,从而指导康复评估和治疗, 也有助于临床诊断、疗效评估、机理研究等。三维步态分析系统是一 种新兴的步态分析的手段,具有客观、定量、准确的特点,目前逐渐 被应用于骨科康复、神经康复、矫形外科等领域。 3、三维步态分析主要内容: (a)、时间—距离参数 包括步长、步宽、步幅、步向角、步速、步频、步行周期、支撑相时 间、摆动相时间等。 (b)、运动学参数 步行中髋、膝、踝等关节的运动规律(角度,位移、速度、加速度等), 骨盆倾斜和旋转、身体重心变化规律等。 (c)、动力学参数 引起运动的力学参数,包括地板反作用力,即足部受力,受力中心, 前后运动指标,垂直受力大小,以及中心压力(COP)(Px,Py)和扭矩 Mz。(下面为行走时下肢每块肌肉受地板反作用力示意图。) (d)、肌电活动参数 上下肢活动过程中上下肢主要肌肉的电生理活动指标。 4、三维步态分析的主要作用: 具体分析对比关节活动范围,COP,三维空间参数等,为研究异常步态等活动提供多参数及客观依据。 研究各异常活动关节活动范围,建立异常运动分析统计模块。5、三维步态分析的应用范围: 高档健身中心(指导力量训练)。(二)EMG 简介 1、肌电图(EMG): 是用来记录和分析肌肉收缩时发出的肌电信号的工具,其 目的是对肌肉功能和神经运动控制进行分析和研究,研究骨骼肌 的功能和其之间的协同活动。其目的是为了分析不同运动和姿势 的骨骼肌功能及它们的协同活动。康复和运动医学领域利用其对 残疾人和受伤运动员的功能进行评估,并修改治疗方案。肌电图 记录的是骨骼肌的兴奋-收缩耦合,所以肌电图代表着肌肉的收 缩。EMG 提供了一个可观察神经系统的窗口。 2、肌电信号: 3、EMG 的操作程序 为了满足临床及运动医学生物力学研究的需要,表面肌电图 一般操作程序如下: 数据报告4、实时同步采集 由于采集的是运动中或不同姿势下的肌电信号。我们必须 保证肌电信号能实时同步的在电脑屏幕上反映出来,然后由操作 者自行选择记录与否。 5、信号处理: (a)、整流Rectification: (b)、平滑Smothing: BTS 肌电图软件有3 种平滑方式:Mean 平均值、Mean Absolute 绝对 平均值、RMS(Root Mean Square)均方根。 (c)、滤波Filtering: 截至滤波(d)、振幅标准化Amplitude Normalization: 由于是采用表面电极,所以影响肌电图的因素有很多。例如电极的摆放位置、皮肤处理的好坏等。 所以我们通常要采用某种方法来消除上述的客观因素,来使不同的两次测试结果之间存在可比性。 通常我们都采用MVC(MaxVoluntary Contraction) Normalization 的方法。 (e)、肌电信号的时域分析EMG signal analysis timedomain: 时域分析:是最直接的肌电信号分析方法, 用于刻画时间序列 信号的振幅特征, 将肌电信号表达成记录点的电位-时间曲线。 时域分析的主要参数: 积分肌电值(integrated EMG,iEMG) 平均肌电值(averageEMG,AEMG) 峰值(peakvalue) 在临床和康复医学研究中, 常被应用于实时、无损伤地反映肌 肉活动状态, 其数值变化通常与肌肉收缩力大小等有关。 (f)、肌电信号的频谱分析Spectral analysis EMG:频域分析:主要方法是对 sEMG 信号进行快速傅立叶转 换(fast Fourier transformation,FFT) 获得sEMG 信号的 平均功率频率 (mean power frequency,MPF) 和中位频率(median frequency,MF) 用来定量描述sEMG 信号功率谱曲线的转 移或者各种频率分量的相对变化, 通常与肌肉功能状态即疲劳程度 有关。 6、肌电图的主要作用: 监测肌肉在人类工程学研究上的反映。7、肌电图的应用范围: 运动医学(运动训练,生物力学研究,运动员力量训练)三、临床及体育科研应用 (一)临床应用 1、骨科 (a)、掌握病情严重程度: 通过三维步态分析,患者步态参数与正常值的偏差程度可以提示 病情的严重程度。可以作为骨科患者术前、术后疾患程度、治疗效果 的定量评价指标。 (b)、判断治疗效果: 以骨科手术人工全髋关节置换术为例,手术前后进行步态分析对 比,可发现患者术后步长、步速、步频、支撑相时间等参数是否改善。 (c)、骨科具体应用举例: 股骨头坏死中晚期、髋关节置换术前后、膝关节置换术前后、股 骨头坏死植骨术前后、股骨颈、股骨干骨折内固定术后、胫腓骨骨折 术后、髋臼、骨盆骨折术后、肱骨、尺桡骨骨折术后,儿童肱骨下段 骨折术后、韧带重建术后、肩部损伤、腰椎间盘突出症、椎管狭窄、 脊柱裂、踝关节扭伤、肌肉萎缩、痉挛、脊柱侧弯、关节先天畸形等。 2、康复科 (a)、评定肢体残存的功能水平(肌力分级评定、关节活动度、几级 残疾评定等) (b)、辅助诊疗、协助制定康复治疗方案(对比正常参数计划) (c)、评价康复治疗效果(行走能力、关节活动范围等) (d)、辅助康复训练(肌力训练、平衡能力训练等) 康复科具体应用举例: 脑中风、颈以下瘫痪、偏瘫、异常步态疾患(踝背伸肌无力、伸 膝肌无力、髋外展肌无力、足内翻、帕金森慌张步态等)、上下肢肌 肉萎缩、小儿麻痹症、脊柱侧弯、颅脑、中枢及周围神经损伤等。 3、手外科 手的功能占整个上肢功能的 90%,占全身功能的 54%。但手指 运动比较复杂,有些手指运动如拇指对掌运动,至今尚无被人们普遍 接受的精确测量方式。这对外科手术的方案制定,术前功能预测,术 后功能判断等带来了一定程度的影响。