Анализ походки
Анализ походки — это систематическое изучение передвижения животных , точнее, изучение движений человека с использованием глаз и мозга наблюдателей, дополненное приборами для измерения движений тела, механики тела и активности мышц. [ 1 ] Анализ походки используется для оценки и лечения людей с состояниями, влияющими на их способность ходить. Он также широко 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, т.е. получение различных выводов о животном (здоровье, возраст, размер, вес, скорость и т. д.) на основании рисунка его походки.
История
[ редактировать ]Пионером научного анализа походки был Аристотель в «De Motu Animalium» («О походке животных»). [ 2 ] а гораздо позже, в 1680 году, Джованни Альфонсо Борелли также назвал De Motu Animalium (I и II) . В 1890-х годах немецкий анатом Кристиан Вильгельм Браун и Отто Фишер опубликовали серию статей, посвященных биомеханике походки человека в условиях нагрузки и без нагрузки. [ 3 ]
С развитием фотографии и кинематографии стало возможным снимать последовательности изображений, раскрывающие детали передвижения человека и животных, незаметные при наблюдении за движением невооруженным глазом. Эдверд Мейбридж и Этьен-Жюль Маре были пионерами этих разработок в начале 1900-х годов. » лошади Например, серийная фотография впервые выявила детальную последовательность « галопа , которая обычно искажалась на картинах, сделанных до этого открытия.
Хотя многие ранние исследования проводились с использованием пленочных камер, широкое применение анализа походки у людей с патологическими состояниями, такими как церебральный паралич , болезнь Паркинсона и нервно-мышечные расстройства , началось в 1970-х годах с появлением систем видеокамер, которые могли производить подробные исследования отдельных пациентов в рамках реалистичных финансовых и временных ограничений. Разработка схем лечения, часто включающих ортопедическую хирургию , на основе результатов анализа походки, значительно продвинулась в 1980-х годах. Во многих ведущих ортопедических больницах мира теперь есть лаборатории походки, которые регулярно используются для разработки планов лечения и последующего мониторинга. [ нужна ссылка ]
Разработка современных компьютерных систем происходила независимо в конце 1970-х и начале 1980-х годов в нескольких исследовательских лабораториях на базе больниц, некоторые из них в сотрудничестве с аэрокосмической промышленностью. [ 4 ] Коммерческое развитие вскоре последовало с появлением коммерческого телевидения, а затем и систем инфракрасных камер в середине 1980-х годов.
Процесс и оборудование
[ редактировать ]
Типичная лаборатория анализа походки имеет несколько камер (видео или инфракрасных), расположенных вокруг дорожки или беговой дорожки и подключенных к компьютеру. У пациента имеются маркеры, расположенные в различных точках отсчета тела (например, подвздошные ости таза, лодыжки голеностопного сустава и мыщелки коленного сустава), или группы маркеров, нанесенные на половину сегментов тела. Пациент идет по подиуму или по беговой дорожке, а компьютер рассчитывает траекторию каждого маркера в трех измерениях. Модель применяется для расчета движения подлежащих костей. Это дает полную разбивку движения каждого сустава. Одним из распространенных методов является использование набора маркеров Helen Hayes Hospital . [ 5 ] в котором всего 15 маркеров прикреплены к нижней части тела. Движения 15 маркеров анализируются аналитически и определяют угловое движение каждого сустава. [ нужна ссылка ]
Для расчета кинетики походки в большинстве лабораторий есть установленные на полу датчики нагрузки, также известные как силовые платформы, которые измеряют силы и моменты реакции опоры, включая величину, направление и местоположение (так называемый центр 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, позволяющие рассчитывать чистые силы и чистые моменты сил вокруг каждого сустава на каждом этапе цикла походки. Вычислительный метод для этого известен как обратная динамика. [ нужна ссылка ]
Однако такое использование кинетики дает информацию не об отдельных мышцах, а о группах мышц, таких как разгибатели или сгибатели конечностей. Для выявления активности и вклада отдельных мышц в движение необходимо исследовать электрическую активность мышц. Многие лаборатории также используют поверхностные электроды, прикрепленные к коже, для обнаружения 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-паттернов используются для диагностики конкретных патологий, прогнозирования результатов лечения или определения эффективности тренировочных программ. [ нужна ссылка ]
Факторы и параметры
[ редактировать ]Анализ походки модулируется или модифицируется многими факторами, а изменения в нормальном образе походки могут быть временными или постоянными. Факторы могут быть разных типов:
- Внешние: такие как местность, обувь, одежда, груз.
- Внутренние: пол, вес, рост, возраст и т. д.
- Физические: такие как вес, рост, телосложение.
- Психологические: тип личности, эмоции.
- Физиологические: антропометрические характеристики, то есть размеры и пропорции тела.
- Патологические: например, травмы, неврологические заболевания, аномалии опорно-двигательного аппарата, психические расстройства.
Параметры, принимаемые во внимание при анализе походки, следующие:
- Длина шага
- Длина шага
- Каденс
- Скорость
- Динамическая база
- Линия прогресса
- Угол стопы
- Угол бедра
- Приседания [ 6 ]
Техники
[ редактировать ]
Анализ походки включает в себя измерение, [ 7 ] где вводятся и анализируются измеримые параметры, и интерпретация, где делаются выводы об испытуемом (здоровье, возрасте, размерах, весе, скорости и т. д.). Анализ – это измерение следующих показателей:
Временное/пространственное
[ редактировать ]Он состоит из расчета скорости, длины ритма, высоты тона и так далее. Эти измерения проводятся посредством:
- Секундомер и отметки на земле.
- Ходьба по коврику под давлением.
- Лазерные датчики дальности сканируют плоскость в нескольких сантиметрах над полом. [ 8 ] [ 9 ]
- Инерционные датчики и программное обеспечение для интерпретации 3D-гироскопов и 3D-акселерометрических данных.
Кинематика
[ редактировать ]- Хронофотография — самый простой метод записи движения. В прошлом стробоскопическое освещение известной частоты использовалось для анализа походки на отдельных фотографических изображениях. [ 10 ] [ 11 ]
- Кинопленка 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.
- Системы пассивных маркеров, использующие отражающие маркеры (обычно светоотражающие шарики), позволяют точно измерять движения с помощью нескольких камер (обычно от пяти до двенадцати камер) одновременно. В камерах используются мощные стробоскопы (обычно красные, ближние инфракрасные или инфракрасные) с соответствующими фильтрами для регистрации отражения от маркеров, размещенных на теле. Маркеры располагаются на пальпируемых анатомических ориентирах. На основе угла и временной задержки между исходным и отраженным сигналом возможна триангуляция маркера в пространстве. Программное обеспечение используется для создания трехмерных траекторий на основе этих маркеров, которым впоследствии присваиваются идентификационные метки. Затем компьютерная модель используется для расчета углов суставов на основе относительных положений маркеров помеченных траекторий. [ 12 ] Они также используются для захвата движения в киноиндустрии. [ 13 ]
- Системы активных маркеров аналогичны системе пассивных маркеров, но используют «активные» маркеры. Эти маркеры активируются входящим инфракрасным сигналом и реагируют отправкой собственного соответствующего сигнала. Этот сигнал затем используется для триангуляции местоположения маркера. Преимущество этой системы перед пассивной заключается в том, что отдельные маркеры работают на заранее заданных частотах и, следовательно, имеют свою «идентичность». Это означает, что не требуется никакой последующей обработки местоположений маркеров, однако системы, как правило, менее снисходительны к маркерам, находящимся вне поля зрения, чем пассивные системы. [ 14 ]
- Инерционные (безкамерные) системы на основе инерционных датчиков МЭМС , биомеханических моделей и алгоритмов объединения датчиков. Эти системы всего тела или части тела можно использовать внутри и снаружи, независимо от условий освещения.
Безмаркерный захват походки
[ редактировать ]- В системах безмаркерной регистрации походки используется одна или несколько цветных камер или 2,5D-камер. [ нужны дальнейшие объяснения ] датчики глубины (например, Kinect) для непосредственного расчета положения суставов тела на основе последовательности изображений. Безмаркерная система позволяет неинвазивно анализировать походку человека в естественной среде без прикрепления маркера. Устранение маркеров может расширить возможности применения методов измерения и анализа походки человека, значительно сократить время подготовки и обеспечить эффективную и точную оценку движений во всех видах приложений. В настоящее время основной безмаркерной системой является захват движения на основе видео с помощью монокулярной камеры или студии с несколькими камерами. [ 15 ] В настоящее время анализ походки на основе датчиков глубины для клинических применений становится все более популярным. Поскольку датчики глубины могут измерять информацию о глубине и предоставлять 2,5D-изображение глубины, они эффективно упростили задачу вычитания переднего плана и фона и значительно уменьшили неоднозначность позы при монокулярной оценке позы человека . [ 16 ]
Измерение давления
[ редактировать ]Системы измерения давления — это дополнительный способ измерения походки, предоставляющий информацию о распределении давления, площади контакта, движении центра силы и симметрии между сторонами. Эти системы обычно предоставляют больше, чем просто информацию о давлении; Дополнительная информация, доступная из этих систем, — это сила , время и пространственные параметры. Доступны различные методы оценки давления, такие как коврик или дорожка для измерения давления (более длинная, чтобы улавливать больше ударов ногой), 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 захват движения, ЭМГ или силовые пластины, чтобы обеспечить комплексный анализ походки. [ нужна ссылка ]
Кинетика
[ редактировать ]Это изучение сил, участвующих в производстве движений.
Динамическая электромиография
[ редактировать ]Заключается в изучении закономерностей мышечной активности во время ходьбы.
Приложения
[ редактировать ]Анализ походки используется для анализа способности ходить людей и животных, поэтому эту технологию можно использовать для следующих целей:
Медицинская диагностика
[ редактировать ]Патологическая походка может отражать компенсацию основных патологий или сама по себе быть причиной возникновения симптомов. Пациентов с церебральным параличом и инсультом обычно наблюдают в лабораториях по изучению походки. Исследование походки позволяет ставить диагнозы и стратегии вмешательства, а также дает возможность для будущих разработок в области реабилитационной техники . Помимо клинических применений, анализ походки используется в профессиональных спортивных тренировках для оптимизации и улучшения спортивных результатов.
Методы анализа походки позволяют оценить нарушения походки и эффекты корректирующей ортопедической хирургии. [ 20 ] Варианты лечения церебрального паралича включают искусственный паралич спастических мышц с помощью ботокса или удлинение, повторное прикрепление или отсоединение определенных сухожилий . Также проводятся исправления искаженной костной анатомии ( остеотомия ). [ 20 ]
Хиропрактика и остеопатическое применение
[ редактировать ]Наблюдение за походкой также полезно для диагностики у хиропрактиков и остеопатов , поскольку нарушения походки могут указывать на неправильное положение таза или крестца. Поскольку крестец и подвздошная кость биомеханически движутся навстречу друг другу, спайки между ними через крестцово-остистые или крестцово-бугорные связки (среди прочих) могут указывать на ротацию таза. И врачи-хиропрактики, и врачи-остеопаты используют походку, чтобы распознать наклон таза, и могут использовать различные методы для восстановления полного диапазона движений в областях, участвующих в передвижении. Хиропрактика по коррекции таза показала тенденцию к восстановлению структуры походки. [ 21 ] [ 22 ] как и остеопатическая манипулятивная терапия (ОМТ). [ 23 ] [ 24 ]
Сравнительная биомеханика
[ редактировать ]Изучая походку животных, не являющихся людьми, можно получить больше информации о механике передвижения, что имеет разнообразные последствия для понимания биологии рассматриваемого вида, а также передвижения в более широком смысле.
Походка как биометрия
[ редактировать ]Распознавание походки — это тип поведенческой биометрической аутентификации, которая распознает и проверяет людей по их стилю и темпу ходьбы. [ 25 ] [ 26 ] Достижения в распознавании походки привели к разработке методов использования судебно-медицинской экспертизы, поскольку походка каждого человека может определяться уникальными измерениями, такими как расположение лодыжки, колена и бедра. [ 27 ]
Наблюдение
[ редактировать ]В 2018 году появились сообщения о том, что правительство Китая разработало инструменты наблюдения, основанные на анализе походки, позволяющие однозначно идентифицировать людей, даже если их лица скрыты. [ 28 ] [ 29 ]
популярные СМИ
[ редактировать ]- Г. К. Честертон положил в основу одной из своих загадок отца Брауна «Странные ноги» распознавание походки.
- Кори Доктороу уделяет большое внимание распознаванию походки как методу обеспечения безопасности, используемому в средней школе в своей книге «Маленький брат» .
- Артур Конан Дойл заставляет Шерлока Холмса использовать анализ походки, чтобы определить рост убийцы Рэйча в «Этюде в багровых тонах» .
- В фильме «Миссия невыполнима: Племя изгоев» присутствует анализ походки в сцене, где Бенджи Данн должен проникнуть на объект, который использует программное обеспечение для анализа походки как часть протокола безопасности.
См. также
[ редактировать ]- Биометрические точки
- Анализ походки: нормальные и патологические функции, второе издание
- Шкала оценки нарушений походки
- Отклонения походки
- Многолинейный анализ главных компонент
- Мультилинейное обучение подпространству
- Распознавание образов
- Наземное передвижение животных
- Сравнение ортопедических стелек
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Левин Д.Ф., Ричардс Дж., Уиттл М. (2012). Анализ походки Уиттла Анализ походки Уиттла Elsevier Health Sciences. ISBN 978-0702042652
- ^ Аристотель (2004). О походке животных . Издательство Кессинджер. ISBN 978-1-4191-3867-6 .
- ^ Фишер, Отто; Брауне, Вильгельм (1895). Человеческая походка: эксперименты на ненагруженных и напряженных людях, Том 1 (на немецком языке). Издательство Хирзель.
- ^ Сазерленд Д.Х. (2002). «Эволюция клинического анализа походки: Кинематика части II». Походка и осанка . 16 (2): 159–179. CiteSeerX 10.1.1.626.9851 . дои : 10.1016/s0966-6362(02)00004-8 . ПМИД 12297257 .
- ^ Кадаба, член парламента; Рамакришнан, Гонконг; Вуттен, Мэн (май 1990 г.). «Измерение кинематики нижних конечностей при горизонтальной ходьбе» . Журнал ортопедических исследований . 8 (3): 383–392. дои : 10.1002/jor.1100080310 . ПМИД 2324857 . S2CID 17094196 .
- ^ Швейцер, Эрик. «Что такое анализ походки?» . ИдеалРан .
- ^ У. Таш, П. Мубарак, В. Тан, Л. Чжу, Р. М. Ловеринг, Дж. Рош, Р. Дж. Блох. (2008). Инструмент, который одновременно измеряет пространственно-временные параметры походки и силы реакции опоры у передвигающихся крыс, в материалах 9-й конференции ASME, проводимой раз в два года, по проектированию и анализу инженерных систем, ESDA '08. Хайфа, Израиль, стр. 45–49.
- ^ Пьерар, С.; Азрур, С.; Фан-Ба, Р.; Ван Дрогенброк, М. (октябрь 2013 г.). «GAIMS: надежная неинтрузивная система измерения походки» . Новости ЕРКИМ . 95 : 26–27.
- ^ «Проект ГАИМС» .
- ^ Этьен-Жюль Маре
- ^ Эдверд Мейбридж
- ^ Дэвис Р.Б., Ыунпуу С., Тыбурски Д., Гейдж Дж.Р. (1991). «Техника сбора и обработки данных анализа походки». Наука о движении человека . 10 (5): 575–587. дои : 10.1016/0167-9457(91)90046-з .
- ^ Робертсон DGE и др. (2004). Методы исследования в биомеханике . Шампейн, Иллинойс: Пабы Human Kinetics.
- ^ Лучший, Рассел; Бегг, Резаул (2006). «Обзор анализа движений и особенностей походки» . В Бегге, Резауле; Паланисвами, Маримуту (ред.). Вычислительный интеллект для наук о движении: нейронные сети и другие новые методы . Idea Group (опубликовано 30 марта 2006 г.). стр. 11–18. ISBN 978-1-59140-836-9 .
- ^ X. Чжан, М. Дин, Г. Фан (2016) Оценка ходьбы человека на основе видео с использованием многообразий совместной походки и поз , Транзакции IEEE в схемах и системах для видеотехнологий, 2016
- ^ «Исследования – Мэн Дин» .
- ^ «Анализ походки с измерением давления» . Текскан . 9 июня 2017 года . Проверено 29 сентября 2017 г.
- ^ Кода, А.; Карлайн, Т.; Сантос, Д. (2014). «Повторяемость и воспроизводимость системы Tekscan HR-Walkway у здоровых детей». Фут (Эдинб) . 24 (2): 49–55. дои : 10.1016/j.foot.2014.02.004 . ПМИД 24703061 .
- ^ «Обзор SCIENCE Insole3 — Moticon» . Проверено 18 декабря 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Аминь, Джон; Эль-Гебейли, Мохамед; Эл.Миккави, ДалияМ. Э.; Юсри, Ахмед; Эль-Собкий, ТамерА (2018). «Однособытийная многоуровневая хирургия у детей с прикорневым церебральным параличом: корреляция с качеством жизни и функциональной мобильностью» . Журнал скелетно-мышечной хирургии и исследований . 2 (4): 148. doi : 10.4103/jmsr.jmsr_48_18 . S2CID 81725776 .
- ^ Херцог, В. (1988). «Количественная оценка влияния манипуляций на позвоночнике на походку у пациентов с болями в пояснице». Журнал манипулятивной и физиологической терапии . 11 (3): 151–157. ПМИД 2969026 .
- ^ РО, Робинсон; В, Херцог; Б.М., Нигг (1 августа 1987 г.). «Использование переменных силовой платформы для количественной оценки влияния хиропрактики на симметрию походки». Журнал манипулятивной и физиологической терапии . 10 (4): 172–6. ISSN 0161-4754 . ПМИД 2958572 .
- ^ Г-Н, Уэллс; С, Гиантиното; Д, Д'Агат; РД, Ареман; Э.А., Фаццини; Д., Даулинг; А, Босак (1 февраля 1999 г.). «Стандартное остеопатическое манипулятивное лечение резко улучшает походку у пациентов с болезнью Паркинсона» . Журнал Американской остеопатической ассоциации . 99 (2): 92–8. дои : 10.7556/jaoa.1999.99.2.92 . ISSN 0098-6151 . ПМИД 10079641 .
- ^ Висмара, Лука; Чимолин, Вероника; Галли, Мануэла; Груни, Грациано; Ансильяо, Андреа; Каподальо, Паоло (март 2016 г.). «Остеопатическое манипулятивное лечение улучшает походку и осанку у взрослых пациентов с синдромом Прадера-Вилли». Международный журнал остеопатической медицины . 19 : 35–43. дои : 10.1016/j.ijosm.2015.09.001 .
- ^ Альзубайди, Абдулазиз; Калита, Джугал (2016). «Аутентификация пользователей смартфонов с использованием поведенческой биометрии» . Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 18 (3): 1998–2026. arXiv : 1911.04104 . дои : 10.1109/comst.2016.2537748 . ISSN 1553-877X . S2CID 8443300 .
- ^ «Достижения в области автоматического распознавания походки – публикация конференции IEEE» (PDF) . дои : 10.1109/AFGR.2004.1301521 . S2CID 13304163 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Бухрика, Имед; Гоффредо, Микаэла; Картер, Джон; Никсон, Марк (июль 2011 г.). «Об использовании походки в судебно-биометрической экспертизе». Журнал судебной медицины . 56 (4): 882–889. дои : 10.1111/j.1556-4029.2011.01793.x . ISSN 1556-4029 . ПМИД 21554307 . S2CID 14357171 .
- ^ Канг, Дэйк (6 ноября 2018 г.). «Китайская технология распознавания походки идентифицирует людей по тому, как они ходят» . Ассошиэйтед Пресс . Проверено 15 июня 2020 г.
- ^ Китайская технология может распознать вашу походку , получено 27 декабря 2021 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Анализ походки: нормальная и патологическая функция, второе издание . Авторы: Жаклин Перри и Джудит М. Бернфилд.
- Биомеханика и моторика движений человека. Автор: Дэвид А. Винтер , четвертое издание. Издано 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,
- Клиники медицины развития № 164–165 «Лечение проблем с походкой при церебральном параличе», 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 & Francisco Group, 2020.
Внешние ссылки
[ редактировать ]