福州大学科研人员研制出穿戴式步态分析系统，操作简便，精度高

步态分析是对下肢运动情况量化评估的重要手段。福州大学海洋学院、福州大学福建省医疗器械和医药技术重点实验室的研究人员李江慧、连春快、李玉榕，在2021年第9期《电气技术》上撰文，采用基于惯性传感器的步态时空参数估计算法，根据穿戴在小腿上的惯性传感器节点检测步态事件点，再对穿戴在脚跟处的惯性传感器加速度信号进行双重积分计算步长，根据步态时相校正加速度信号以提高步长估计精度，设计并实现了基于惯性传感器的步态数据节点采集，完成了硬件和软件的设计。

为了验证系统的可靠性和准确性，对3个志愿者进行实验。比较本步态分析系统和商用locometrix步态分析仪的结果，步长、步速和步频的平均相对误差分别为5.21%、4.51%和11.87%。结果表明利用研究人员研制的穿戴式步态分析系统，能精确估计步态时空参数。

步行是人类赖以生存的活动方式之一，人类通过深入研究步行的机制后发现，步行运动需要肌肉系统、神经系统及骨骼系统的协调配合，若其中任一环节出现问题，都可能导致步态异常甚至丧失步行能力。临床上越来越多地使用步态分析对患者的下肢运动情况进行量化分析，并与正常人的步态数据对比来评估患者的病情，特别对于一些早期不容易被发现的下肢疾病的诊断更有意义。

通过步态分析可以检测出人眼难以察觉的微小步态异常，从而实现对疾病的尽早发现、尽早干预，避免病情的恶化。在患者进行康复训练时，由步态分析量化出的结果可以作为医生评估患者下肢康复情况的依据，有助于对患者制定针对性的康复训练方案，从而实现高效康复。

三维步态分析系统是目前精度最高且计算的参数最全面的系统，但它也存在一些问题：

①系统操作复杂，非专业人员难以对其进行调试和设备维护，如实验前对相机的校准、相机摆放位置的调试等，如果没调试好会严重影响三维步态分析系统的测量精度；

②三维步态分析系统对环境有很高的要求，需要有专门的场所来减少其他光源及噪声的干扰，且场地较小，这限制了受试者的活动范围；

③设备成本高，难以大范围推广，患者使用三维步态分析系统做检测的费用成本和时间成本都比较高。

因此，越来越多的研究者期望采用廉价传感器代替三维步态分析系统，在尽量提高测量精度的同时降低设备成本，并朝可穿戴化方向发展。

市场上已有多款商用化较成熟地采用微机电系统（micro-electro mechanical system, MEMS）传感器的步态分析系统产品，比较著名的有荷兰Xsens Technologies公司推出的Xsens MVN惯性动作捕捉系统、北京诺亦腾科技有限公司生产的鉴步运动功能评估系统等。现有的基于惯性传感器的穿戴式系统多为全身运动捕捉系统，功能复杂，采集节点较多，穿戴过程较为繁琐。

针对以上不足，福州大学的研究人员采用价廉的传感器代替三维步态分析系统，实现了步态分析系统采集节点的硬件设计，以及步态参数估计算法的设计。其中，采集子节点的硬件是以STM32F411RET6为核心芯片，同时由传感器电路、电源模块、存储模块等构成；软件包括下位机的数据采集、数据存储等的程序设计。

图1 步态参数计算程序流程

研究人员表示，与现有其他类型系统相比，该系统具有信息采集节点的体积较小、方便穿戴，所用的传感器较为廉价、可降低设备成本，利于大范围推广，操作简易方便，对算力要求较低等优势，并实现可穿戴化。

图2 传感器穿戴位置

研究人员指出，在设计步态参数计算算法时，首先根据穿戴在小腿上的惯性传感器测得的角速度信号确定积分时间，然后对利用穿戴于脚跟处的惯性传感器测得的角速度信号进行双重积分得到步长，并通过将站立相期间的足部加速度置零来减小积分误差，提高步长估计精度。步频通过一次步态实验中的步数和时间的比值得到，步速通过一次步态实验的位移和时间的比值得到。实验表明，通过该步态分析系统，能得到准确的步态参数。

本文编自2021年第9期《电气技术》，论文标题为“基于惯性传感器的穿戴式步态分析系统设计与实现”，作者为李江慧、连春快、李玉榕。