（检测技术与自动化装置专业论文）基于步态触觉信息的步行速度及能耗建模.pdf

摘要 摘要 步行运动是最简单且最经济、最有效的健身方法，其速度及能量消耗是运动 强度很重要的参数反映，实时监测步行速度与能耗是健康促进服务系统的重要技 术环节。n i k e 联合a p p l e 推出一款利用加速度信息，实现运动速度和能量消耗 实时监测的n i k e + ，但是经其他学者和本文实验验证，n i k e + 用于步行时误差较 大。因此，有必要探究新的速度和能量消耗的估测模型、研制出新的仪器或设备， 监测步行运动的速度和能量消耗。 本论文首先建立步行速度和能量消耗两个估测模型，然后将其移植到数字跑 鞋中进行实验应用。 ( 1 ) 步速估测模型的建立。首先验证了电子步道用于测量步态时空参数时具 有高可靠性；其次利用电子步道测量步频和步速，建立步速的估测模型，由步频 回归步速估测模型的r 2 值大于o 8 9 可知，可以由步频来估测步行速度；然后在 实际步行运动中进行验证，估算速度与实测速度的独立样本检验的p 值大于o 0 5 表明：步速估测模型是有效的；最后提出针对个体差异进行校准的方法。由于样 本还未分层考虑，因此，在将该模型用于其他人群，如左右不对称或步行速度特 别慢的人群时，还需要进一步的研究。 ( 2 ) 步行运动的能量消耗建模。利用跑步机固定步行速度，利用气体代谢分 析法测得步行的能量消耗，与前人研究结果比较发现，本文测得的结果小于前人 研究结果，这可能是种族或者样本选择的差异造成的。分析发现：单位质量单位 时间的能量消耗和步频及步速存在二次方的关系。由步频和步速回归能量消耗的 估测模型r 2 的值分别为0 8 6 和0 9 4 可知，可以由步频和步速估测能量消耗。由 于负重的多少会影响到运动的能量消耗，因此将该模型应用于负重情况下时也需 要进一步的研究。 ( 3 ) 速度估测模型和能量消耗模型的应用。将步行速度和能量消耗两个估测 模型移植到数字跑鞋中，并进行实验验证。初步验证结果表明，该方案是可行的。 区别于加速度的能耗评估方式，本论文以压力传感器的计数输出，估算步行 运动速度，评估运动能量消耗。本论文研究成果，经过实验验证是客观可行的， 建立的估测模型和实验过程也是可以重现和经得起检验的，但还只是初步的探索 性的实验，是对整个实验流程的验证和肯定，未来还要进一步的完善。 关键词：步行步态参数能量消耗运动建模 a b s t r a c t a b s t r a c t w a l k i n gi st h es i m p l e s ta n dm o s te c o n o m i c a l ，m o s te f f e c t i v ef i t n e s sm e t h o d t h e v e l o c i t ya n de n e r g ye x p e n d i t u r ea r ev e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e r st or e f l e c tt h ei n t e n s i t y o ft h em o v e m e n t s o ，r e a l - t i m e m o n i t o r i n go fw a l k i n gv e l o c i t y a n d e n e r g y c o n s u m p t i o ni sa ni m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r to ft h eh e a l t hp r o m o t i o ns e r v i c e ss y s t e m n i k ea n da p p l ed e s i g n e da n a p p a r a t u sn a m e dt h en i k e + f r o mt h ea c c e l e r a t i o n i n f o r m a t i o n ，w h i c hc a nr e a l - t i m em o n i t o rt h ev e l o c i t ya n de n e r g ye x p e n d i t u r e b u ti n s o m eo t h e rs c h o l a r s s t u d ya n di no u r e x p e r i m e n t ，t h en i k e + h a db i ge r r o rf o rw a l k i n g t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s han e we s t i m a t i o nm o d e lf o rt h ev e l o c i t ya n d e n e r g ye x p e n d i t u r e ，a n dt od e v e l o pan e wa p p a r a t u so re q u i p m e n tt om o n i t o rt h e w a l k i n gv e l o c i t ya n de n e r g ye x p e n d i t u r e t h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h ee s t i m a t i o nm o d e lf o rt h ew a l k i n gv e l o c i t ya n d e n e r g y e x p e n d i t u r ef i r s t l y , a n dt h e nd e v e l o p e das u i to fp r o t o t y p es y s t e mw h i c hc a nm o n i t o r t h ew a l k i n ge n e r g ye x p e n d i t u r er e a l t i m e ( 1 ) w a l k i n gv e l o c i t ye s t i m a t i o nm o d e l i n g f i r s t l y , w ev e r i f i e dt h a tt h ee l e c t r o n i c w a l k w a yh a sh i g hr e l i a b i l i t yi nt h em e 觥e m e n to fg a i tt e m p o r a l - s p a t i a lp a r a m e t e r s s e c o n d l y , w ee s t a b l i s h e dt h ew a l k i n gv e l o c i t ye s t i m a t i o nm o d e lf r o mt h ec a d e n c e m e a s u r e db yt h ee l e c t r o n i cw a l k w a y 而er s q u a r ev a l u eo ft h er e g r e s s i o ne q u a t i o n w a sb i g g e rt h a n0 8 9d e m o n s t r a t e dt h a tt h ew a l k i n gv e l o c i t yc a nb ee s t i m a t e db yt h e c a d e n c e t h i r d l y , w ev e r i f i e d t h ee s t i m a t i o nm o d e li nt h en a t u r a lw a l k i n g ，t h e i n d e p e n d e n ts a m p l e st - t e s tb e t w e e nt h ee s t i m a t e dv e l o c i t ya n dt h em e a s u r e dv e l o c i t y w a sb i g g e rt h a no 0 5i n d i c a t e dt h a tt h er e g r e s s i o nm o d e lw a su s e f u l f i n a l l y , w e p r o p o s e dac a l i b r a t i o nm e t h o df o ri n d i v i d u a ld i f f e r e n c e s a st h es t r a t i f i e ds a m p l eh a s n o ty e tb e e nc o n s i d e r e d ，t h e r e f o r e ，t h ef i t n e s so ft h em o d e lf o ro t h e rp o p u l a t i o n s n e e d sf i 1 r h e rs t u d y , s u c ha sa s y m m e t r yo rp a r t i c u l a r l ys l o ww a l k i n gs p e e dp e o p l e ( 2 ) w a l k i n ge n e r g ye x p e n d i t u r em o d e l i n g t h ep a r t i c i p a n tw a l k e do nt h e t r e a d m i l la tf i x e dw a l k i n gs p e e d 髓ee n e r g ye x p e n d i t u r ew a sm e a s u r e db yt h e m e t a b o l i cg a sa n a l y s i s c o m p a r e dw i t l lp r e v i o u ss t u d i e s ，i tf o u n dt h a tt h er e s u l t so f t h i sp a p e rw e r el e s st h a nt h ep r e v i o u ss t u d i e s n l i sm a yb er a c i a ld i f f e r e n c e si n s a m p l es e l e c t i o n t h ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h ee n e r g ye x p e n d i t u r ep e rr a i np e ru n i t m a s s ( c a l k g m i n ) h a sq u a d r a t i cr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec a d e n c ea n dt h ew a l k i n g v e l o c i t y t h ers q u a r ev a l u eo ft h er e g r e s s i o ne q u a t i o nf r o mt h ec a d e n c ea n dt h e a b s t r a c t w a l k i n gv e l o c i t y w a so 8 6a n do 9 4r e s p e c t i v e l yd e m o n s t r a t e dt h a tt h e e n e r g y e x p e n d i t u r ec a nb ee s t i m a t e df r o mt h ec a d e n c eo rt h ew a l k i n gv e l o c i t y a st h en u m b e r o fw e i g h t - b e a r i n ge x e r c i s ew i l la f f e c tt h ee n e r g ye x p e n d i t u r e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h e m o d e lu n d e rl o a dm a yn e e df u r t h e rs t u d y ( 3 ) t h ea p p l i c a t i o no ft h ew a l k i n gv e l o c i t ya n de n e r g ye x p e n d i t u r ee s t i m a t i o n m o d e l t h ee s t i m a t i o nm o d e lo ft h ew a l k i n gv e l o c i t ya n de n e r g ye x p e n d i t u r ew e r e e m b e d d e di n t ot h ee l e c t r o n i cs h o e a n dt h e nw ed i dap r e l i m i n a r ye x p e r i m e n tt o v a l i d a t et h ev a l i d i t yo ft h ee s t i m a t i o nm o d e l p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e p r o g r a mw a sf e a s i b l e d i f f e r e n tf r o mt h e e n e r g yc o n s u m p t i o na s s e s s m e n tf r o mt h e a c c e l e r a t i o n i n f o r m a t i o n ，t h et h e s i sm a d eu s eo ft h eo u t p u tc o u n t so ft h ep r e s s u r es e n s o rt o e s t i m a t et h ew a l k i n gv e l o c i t ya n da s s e s st h ew a l k i n ge n e r g ye x p e n d i t u r e a f t e r e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，t h er e s u l t so ft h i ss t u d yw e r eo b j e c t i v ea n df e a s i b l e a l s o t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee s t i m a t i o nm o d e la n da l lt h ee x p e r i m e n t sc a nb er e p r o d u c e d a n dv a l i d a t e d b u ti tw a so n l yap r e l i m i n a r ye x p l o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dt h ev a l i d a t i o n f o r t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s i ts h o u l db ee n h a n c e da n di m p r o v e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：a m b u l a t i o n , g a i tp a r a m e t e r s ，e n e r g ye x p e n d i t u r e ，m o v e m e n t m o d e l i n g i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 毕 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 吒么开口保密(年) 作者签名：j 兰仁 导师签名： 签字日期： 弛 为癣之 第一章绪论 1 1研究动机 第一章绪论 随着社会的进步和生活水平的提高，人们越来越注重自身的健康状况。医学 研究表明，人体营养过剩、能量代谢失衡是导致慢性代谢性疾病的一个重要原因， 保持能量平衡是预防多种代谢综合症的基本前提( 汤强等，2 0 0 8 ；l ie ta 1 ， 2 0 0 8 ) 。人体摄入的能量分为两部分消耗，一部分是静息能量代谢( r e s t i n g m e t a b o l i cr a t e ，r m r ) ，研究表明人体摄入能量约7 0 8 5 用于维持身体基本机 能，如保持体温、保障心脏跳动和呼吸做功等：另一部分是与体力活动相关的能 量消耗( p h y s i c a la c t i v i t y - a s s o c i a t e de n e r g ye x p e n d i t u r e ，a e e ) ，即通过日常体力活 动做功来消耗，( j e ee ta 1 ，2 0 0 5 ；汤强等，2 0 0 9 ) 。静息能量代谢是由人的体重 以及身体健康状况决定的，一段时期内可变的范围很小，而与体力活动相关的能 量消耗直接受体力活动多少的限制，可调节性大。因此，当摄入能量保持相对恒 定时，人体能量平衡的本质就归结于寻找科学合理的个体运动形式和运动强度， 维持人体总摄入和总消耗的能量平衡。 体力活动又分为基础活动和提高健康水平的活动两种。基础活动是指每天都 进行的低强度的活动，如站立、慢走、举轻的物体等；提高健康水平的体力活动 是对基础活动的补充，如有规律的自发的步行、跳绳、跳舞、举重的物体、在操 场的运动器械上攀登、练习瑜珈等都是这类体力活动( 唐城，2 0 0 9 ) 。研究表明， 步行是一种既有益健康又非常普遍的体力活动方式( l u m s d o na n dm i t c h e l l ，1 9 9 9 ； r a f f e r t ye ta 1 ，2 0 0 2 ) ，更有研究提出步行是最好的体力活动方式( j o n e sa n de a t o n ， 19 9 4 ；l a c r o i xe ta 1 ，1 9 9 6 ；p e r k i n sa n dc l a r k ，2 0 0 1 ) 。世界卫生组织经过充分的研 究，于1 9 9 2 年提出，最好的运动是步行( 刘纪清，2 0 0 4 ) 。 步行运动是人们日常生活的基本活动，它是一个由包括神经、生理感知、骨 骼和视觉等多个系统同时配合的连续过程( c m ua n dw a n g ，2 0 0 7 ) ，步行也是所 有运动技巧中最熟练的一种( j o r d a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。步行运动之所以能促进健康其 奥妙就在于它是一种和谐的全身运动，它能活动筋骨，锻炼肌肉强健腿足。而足 部血液畅通又关系到全身气血畅旺，使内脏受到气血的滋养新陈代谢加强，全身 各个系统生理机能增强( 郭志川，2 0 0 6 ) 。总之步行运动是最简单且又最经济、 最有效的健身方法，不需要专业训练和专门的场地，是适合男女老少和各年龄层 的最佳运动( 李学文，2 0 0 5 ) 。 运动量的大小最终要反应在能量消耗上，是为了维持能量总摄入与总消耗的 第一章绪论 平衡。运动能量消耗较精确的测量方法有双标水法和代谢气体成分分析法，双标 水法更是被称为能量消耗测定方法的“金标准”( 焦纯等，2 0 0 2 ) ，其结果适合 作为建模所需的真实能量消耗指标的近似模拟值，但由于身体活动极为复杂，两 者均不适合运动现场测试( p l a s s c h a c r te ta 1 ，2 0 0 9 ) 。一方面是对运动能量消耗大 小的迫切需求，另一方面是运动现场能量消耗的不方便测量，这两者之间的矛盾 促使学者研究了多种步行运动的能耗测评方法和实现技术。 张传海和丁文国针对行军过程中的能量消耗进行了系统建模，将行进速度、 人体重量、负重、行进路线的坡度等作为自变量建立非线性运动能耗预测模型， 并通过1 6 个样本测试验证了该模型的有效性( 张传海和丁文国，2 0 0 5 ) 。戴剑松 等利用计步器研究了不同步速下行走时的能量消耗水平，结果表明随着速度加 快，步频加快、步幅加大，单位体重能耗相应增加( 戴剑松等，2 0 0 6 ) 。 利用心率表征运动能量消耗的研究，也得到了一定的发展。m e i j e r 等检测到 的受试者的心率数据后，对其作线性回归分析发现，心率与运动能耗具有较好的 线性关系( m e i j e re ta 1 ，1 9 8 9 ) 。k e y t e l 等把心率以及表征个体的生理参数( 性别、 体重、年龄) 作为自变量，经线性回归得到能量消耗的估算方程，相关系数r 为o 8 6 ( k e y t e le ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 基于加速度信息的人体运动能量评估，更是运动能量消耗评估领域最为活跃 的研究分支。b r o u b a 利用测力台测得地面反作用力的曲线，于1 9 6 0 年提出了地 面反作用力对时间的积分与运动能量消耗之间具有较好的线性关系 ( r = 0 8 3 o 9 6 ) ( b r o u h a , 1 9 6 0 ) ，i s m a i l 等人在他们的研究中验证了该结论 ( i s m a i le ta 1 ，1 9 7 1 ) 。根据牛顿第二定律，物体的加速度跟作用力成正比，跟物 体的质量成反比，即a ( 州s 2 ) = f ，m ( k g ) ，因此加速度对时间的积分也与运动 能量消耗之间具有较好的线性关系。w o n g 等人使用一种佩带在腰间的单维加速 度计，在实验室条件下，加速度计的计数输出( c o u n t m i n ) 与氧气的消耗量具有 较好的关联关系( w o n ge ta 1 ，1 9 8 1 ) 。在一个连续7 天的实验中，m e i j e r 等用一 个单维便携式加速度计对1 6 名受试者进行实验，发现加速度计的计数输出 ( c o u n t r a i n ) 与能耗之间有很好的线性关系，相关系数r 为o 8 8 ( m e i j e re ta 1 ， 1 9 9 1 ) 。h e y m a n 在一个持续1 0 天的日常运动量测试中，发现加速度计的计数输 出( c o u n t r a i n ) 与能耗之间的相关系数r 为0 8 7 ( h e y m a ne ta 1 ，1 9 9 1 ) 。朱弋等 验证了加速度对时间的积分与运动能量消耗之间具有较好的线性关系的理论，基 于微机械集成式电子加速度传感器，开发出适合于高原运动的便携式能耗仪( 朱 弋等，2 0 0 7 ) 。 随着加速度的发展，三维加速度的出现，研究得出三维加速度三轴信号绝对 值对时间的积分与运动能量消耗之间具有很好的线性关系。b o u t e n 等在他们的 2 第一章绪论 研究中得出结论，三维加速度三轴信号绝对值对时间的积分能很好的预测体力活 动的能量消耗( r - 0 9 5 ) ( b o u t e ne ta 1 ，1 9 9 7 ) 。s u 等人利用支持向量回归算法， 通过对6 位志愿者的测试分析，对行走模式下身体加速度三轴绝对值对时间的积 分和实时运动能耗进行非线性建模，实验结果表明该模型的预测值和真实能耗之 间具有高相关性，预测误差为0 3 7 ( w 依g ) ( s ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 。k i m 和h e e 将分别 放置在腕、踝和腰部的三轴加速度计组成无线传感器网络，利用多点加速度信号 来评估运动能量消耗，该研究将日常体力活动分类为足主模式和手主模式，针对 这两种运动模式分别研究了能耗预测模型，表现出比单点加速度更好的相关性 ( k i ma n dh e e ，2 0 0 7 ) 。 然而，加速度计在取得人体足底的运动学和动力学参数时存在一定的限制， 而压力传感器可以很好的解决这个问题。压力传感器在步态分析方面已经得到了 应用，韦启航等将压力传感器设计成鞋垫形式，用于人体足底压力分布状态的测 量( 韦启航等，2 0 0 0 ) ；赵凌燕等力敏电阻( f s rf o r c es e n s i n gr e s i s t o r s ) 作为测力 传感器，将其安装于鞋垫表面设计出鞋垫式测量系统，并提出相位累加法进行步 态特征分析，从而得到各个时期的步态运动学参数( 赵凌燕等，2 0 0 6 ) 。然而， 据我们调研所知，到目前为止，还没有学者利用压力传感器的计数输出评估运动 能量消耗的研究。 对于普通大众来说，能量消耗是一个较为抽象的概念，人们对于速度、距离 以及运动时间的认识更充分也更具体，因此，在有效估算步行运动能量消耗的同 时，还要能记录运动时间，估算出速度和距离。 基于以上分析，本论文选择压力传感器作为信号检测传感器，采集受测者的 足底压力分布时序信息，得到压力传感器的计数输出，继而评估运动速度和运动 能量消耗，建立适用于嵌入式计算环境的速度和能量消耗估测模型，最后，将速 度估测模型和能量消耗估测模型，应用于中国科学院合肥智能所运动与健康信息 研究中研发的嵌入式数字跑鞋。 1 2 研究目标 能量消耗是人们生活方式和运动情况一个很重要的生理参数反应，然而，对 于普通大众来说，能量消耗是一个较为抽象的概念，人们对于速度、距离以及运 动时间的认识更充分也更具体。基于此，本论文的研究目标主要有： ( 1 ) 针对大众运动中，速度不方便测量的情况，基于步态触觉参数，建立符 合步行时的速度估测模型： ( 2 ) 基于步态触觉参数和气体代谢分析法，建立步行运动过程中的能量消耗 第一章绪论 模型； ( 3 ) 将速度估测模型和能量消耗估测模型，应用于嵌入式计算环境，并进行 了简单的实验验证。 1 3 研究意义 当前在人体日常活动监控方面的研究十分活跃，建立了很多活动能量消耗实 时评测模型，但这些模型都是基于加速度信号进行相应的计算处理。对于行走时 的其它参数特征量取，加速度有其先天的限制存在，本论文以另外一种量测方式 来评估运动能耗，期望以压力复位的方式，来评估运动能量消耗。个性化的运动 能量消耗模型的建立和实现，对科学的运动具有重要的指导意义，运动时的能量 消耗可以通过简单的计算来评估，它可以方便地实现人体能耗实时监测的功能， 对运动起到积极的监控和指导的作用。以“压力复位评估运动能耗”为基础， 未来可以开展的工作包括：【1 】以量测足底压力各接触点的时序来调整能耗；【2 】 以量测双侧压力各接触点的时序来调整双侧的对称：【3 】将【1 】和【2 】的成果应用于 行走时左右足底接触不一致的人，以帮助其恢复步态。 1 4 本文工作和内容安排 1 4 。1 本文工作 ( 1 ) 步行速度估测模型的建立 不仅能量消耗是人体运动情况一个很重要的生理参数反应，表征运动强度的 运动速度也是运动情况的一个重要参数，而且对于普通大众，运动速度是比能量 消耗更具体的表征参数。本论文利用电子步道测量得到步行时的步态参数( 包括 步长、步频和步速) ，以可方便量测的步态触觉参数，建立步速的估测模型，实 现实时步速和行进距离的准确估测。 ( 2 ) 步行运动的能量消耗建模研究 基于身体加速度信息的运动能量消耗模型，是估算日常运动能耗的一种手段 和方式。本论文选择步态触觉参数和人体属性参数作为模型的自变量，利用气体 代谢分析法测得步行过程中的运动能量消耗，然后对步行运动能量消耗量进行建 模分析。 ( 3 ) 将速度估测模型和能量消耗估测模型，应用于嵌入式计算环境 基于实时数据的运动速度和能量消耗建模问题解决以后，本论文还将这两个 估测模型，应用于中国科学院合肥智能所运动与健康信息研究中研发的数字跑 4 第一章绪论 鞋，并进行的初步的实验验证。 1 4 2 内容安排 全文共分为六章，具体内容的安排如下： 第一章：绪论。本章主要陈述运动能量消耗在能量平衡中的重要性，阐述当 前研究背景和研究现状，明确本文的研究动机与研究目标，并简要阐明了本文的 研究意义。 第二章：速度估测模型的建立。本章首先验证了电子步道在步行运动参数测 量中具有高可靠性，得出利用电子步道测量步态参数达到实验研究要求的高可靠 性所需的测量次数。然后利用电子步道测量人体步行过程中的步态参数，回归分 析得到步行速度的估测模型。 第三章：速度估测模型的验证和修正。本章主要是介绍速度估测模型的验证 和修正实验。其中验证实验又分为两部分进行，第一部分是受测者完全不知情的 自然步行状态下的验证，第二部分是定距离的速度模型验证。修正实验是对验证 实验中存在的大误差样本，结合样本的个体因素进行修正，使修正后的估算公式 能够满足绝大多数人的使用要求。 第四章：步行运动的能量消耗建模研究。本章主要介绍步行运动能量消耗建 模的实验方法及实验过程，并回归得到步行运动能量消耗的估测模型。 第五章：速度和能量消耗估测模型的应用。本章首先介绍了数字跑鞋的功能； 然后将前面建立的速度估测模型和步行运动能量消耗估测模型，移植到数字跑鞋 中；最后通过一个简单的实验，验证了两个估测模型在实际应用中的有效性。 第六章：总结与展望。总结了本论文的研究结果，分析了尚存在的不足，结 合该领域目前的发展趋势，提出了该研究的改进方向与建议。 5 第二章速度估测模型的建立 第二章速度估测模型的建立 步行是一个由包括神经、生理感知、骨骼和视觉等多个系统同时配合的连续 过程( c h i ua n dw a n g ，2 0 0 7 ) ，步行也是所有运动技巧中最熟练的一种( j o r d a ne t a 1 ，2 0 0 7 ) 。当体重已知的情况下，步行的能量消耗可以由速度和坡体的斜度计算 出来( a m i n i a ne ta 1 ，1 9 9 5 ) 。因此，当人们在平地上行走时，速度是一个很重要 的参数。但是一般在户外进行步行运动时，速度是不方便测量的参数之一。 s t a n s f i e l d 分析了小孩正常走模式下的步态参数和速度的关系，结果显示步速和 运动学以及动力学参数均存在线性相关性( s t a n s f i e l de ta 1 ，2 0 0 6 ) 。r o s e n b a u m 的研究中，步速和步长( r - o 8 2 ) 以及着地时间( r = - 0 8 6 ) 均具有很强的相关 性( r o s e n b a u me ta 1 ，1 9 9 4 ) 。因此，在步速不方便测量的情况下，可以由方便测 量的运动学参数预测步速。瓮长水等研究发现轻度偏瘫病人的步速可以由步长或 步频回归得到( 瓮长水等，2 0 0 3 ) 。所以由其他方便测量的步态参数估算出速度 是一个可行的方法。 步行时，步长、步频和姿态会随步行速度而改变( j o r d a ne ta 1 ，2 0 0 7 ； r o s e n b a u me ta 1 ，1 9 9 4 ；s t a n s f i e l de t 鲥，2 0 0 6 ) 。有研究表明，每个人都有其特有 的步行速度，以该速度行走时消耗的能量最小( c h i ua n dw a n g ，2 0 0 7 ；j o r d a ne ta 1 ， 2 0 0 7 ) 。因此，自选速度是评估步行能力的一个很好的指示器( r o s e n b a u me ta 1 ， 1 9 9 4 ) 。虽然可以将步行速度限定在一个常数值，很多学者还是选择在自选速度 下进行实验研究( p l a s s c h a e r te ta 1 ，2 0 0 9 ；r o s e n b a u me ta 1 ，1 9 9 4 ；s t a n s f i e l de ta 1 ， 2 0 0 6 ；t e i x e i r a - s a l m e l ae ta 1 ，2 0 0 8 ) 。因此，在下面的实验中，我们也要求受测者 以自选速度接受实验。 2 1 电子步道用于测量步行时步态参数的可靠性研究 足印法是一种古老的采集步行运动学参数的方法，受测者赤足并在足底涂上 黑墨汁后在白纸上行走，步行时间和距离同时被记录下来并以此计算出步行的运 动学参数( j a s u j aa n dm a n j u l a , 1 9 9 3 ；j a s u j ae ta 1 ，1 9 9 7 ) ，操作简单但工作量大。 电子步道是国外在采集步态的时间和空间参数时一种流行的测量仪器，它可靠而 且方便，很多学者已经评估和验证了g a i t r i t e q 电子步道的有效性和可靠性 ( b i l n e ye ta 1 ，2 0 0 3 ；m e n ze ta 1 ，2 0 0 4 ；u d e n ，e ta 1 ，2 0 0 4 ；w e b s t e re ta 1 2 0 0 5 ) 。本 实验室研发的电子步道已应用于田径队的跳远和短跑项目中( 撖涛等，2 0 0 8 ) ， 但尚未用于步行运动中的运动学参数测量。任何一台新的仪器，都应在使用前评 6 第二章速度估测模型的建立 估它的可靠性，尤其是用于研究目的( h u g h e se ta 1 ，1 9 9 1 ；k e r m o z e ke ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 因此，首先必须评估电子步道的可靠性，并给出获得高可靠性所必须的重复测量 次数。 2 。1 1 实验对象 4 2 名志愿者( 3 5 名男性和7 名女性) 参与本实验，年龄在2 1 岁到3 2 岁之 间，受测者的基本信息如表2 1 所示。所有受测者均没有任何影响步态的下肢疾 病，也没有疼痛等可能影响步行的不舒适情况。受测者同时也填写了健康状况调 查表( 调查表式样见附件) ，确认是否适合本实验。 表2 1 受测者的基本信息( n = 4 2 ) 2 1 2 实验仪器 采用本实验室研发的电子步道作为测量仪器。电子步道长1 0 m 宽l m ，其有 效的测试区域长8 m 宽l m ，压力传感器被水平地嵌入在两个塑胶夹层中间，以 阵列的方式铺排其中，其密度为每1 2 5 c m 2 一个压力传感器，共有6 4 ，0 0 0 个压力 传感器。当受测者在电子步道上走过时，压力传感器由于受压而闭合，信号采集 单元根据压力传感器的闭合情况，来收集电子步道上的信息，同时将时间和步点 信息一起记录下来，然后通过专门的分析软件计算得到受测者的步长、步频和速 度等参数。电子步道的系统采样频率是1 0 0 h z ，通过c a n 卡与一台笔记本电脑 连接，上传数据并下传命令。 实验环境类似一个田径跑道，长1 4 m 宽8 m 。测试系统的示意图如图2 1 所 示。图中的灰色区域为电子步道，在其起始端和末端各预留了2 m 的距离，以保 证受测者能很好的控制自己的速度。 7 第= 章速度估测模型的建i 旦地立 1 4 m 圈2 1 测试系统示意图 2 13 实验步骤 现场测量每个受测者的身高和体重，并记录其真实年龄。所有受测者被要求 正常衣着，赤足参加测试。先进行5 分钟的热身运动以适应场地环境，之后受测 者沿电子步道测试系统逆时针方向绕行，以保证受测者在受测区域内能处在稳定 的状态。每个受测者都要求以自选速度下的慢走、正常走和快走三种模式进行测 试。测试时，慢走、正常走和快走的顺序是随机的。每种模式下，每个受测者都 要求步行1 0 圈，共获得1 0 组测量记录。 2 14 数据处理 步态信息采集完成后，步态的时间和空间参数由预先编制好的软件分析和计 算得到。本文考察步态的3 个参数：步长、步频和步速。步长是指一只脚的脚后 跟着地点到另一只脚的脚后跟着地点之间的直线距离。步频是指从一只脚的脚后 跟着地到另一只脚的脚后跟着地的时间间隔的倒数。步速的是指当前的步长除以 时间间隔，即步速等于步长乘咀步频。 2 15 统计分析 对步态的三个参数分别进行了方差分析( a n o v a ) 。因为每个受测者都是在 三个自选的速度模式( 慢走、正常走和快走) 下进行测试的，因此把三个模式作 为白变量，选择p o s t h o e 检验方法中的t u k e y 进行多参数检验。如果方差分析的 结果是显著的，则表示该因变量和步行速度是相关的，n 值设为o0 5 。 对电子步道在各个步行速度下可靠性的评估采用组内相关系数i c c ( h a c i a s sc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ) ，置信区间设为9 5 。i c c 是衡量和评价观 察者间信度( i n t e r - o b s e r v e rr e l i a b i l i t y ) 和重测信度( t e s t - r e t e s tr e l i a b i l i t y ) 的可靠系数 ( r e l i a b i l i t yc o e f f i c i e n t ) 指标之。s h r o u t 和f l e i s s 建议的i c c 基准为：i c c 值低于 第二章速度估测模型的建立 0 4 表示可靠性较差，大于o 7 5 表示可靠性良好( s h r o u ta n df l e i s s ，19 7 9 ) 。临床 和实验研究往往要求更高的可靠性，i c c 值要求大于0 9 ( h u g h e se ta 1 ，1 9 9 1 ) 。 因此，本文分析时把可靠系数为0 7 5 和0 9 均作为目标值来考虑。 2 1 。6 实验结果 ( 1 ) 步行速度的影响 对步态3 个参数进行方差分析( a n o v a ) 的结果如表2 2 所示，p 值均小于 0 0 5 显示三个参数在三种自选速度模式下都具有显著的统计学差异。其均值和误 差分布如图2 2 所示，图中结果也表明，三个参数在三种自选速度模式下均有统 计学差异，故在后面的可靠性分析中，必须分别考察三种速度模式下的可靠性。 表2 2 步长、步频和步速三个参数的方差分析( a n o v a ) 结果 表示在a 为o 0 5 的双侧检验中具有统计学差异。 ( 2 ) 可靠性 每个速度模式下均计算了2 次测量到1 0 次测量的可靠系数，其值和变化趋 势如图2 3 所示。表2 3 中的数据是图2 3 中的i c c 值达到o 7 5 和0 9 所需测量 次数的统计结果。显而易见，为了满足i c c 值为0 7 5 ，慢走、正常走和快走模 式下均只需要2 次测量；而为了满足i c c 值为0 9 ，慢走模式下至少需要3 次测 量，正常走和快走模式下至少需要2 次测量。 9 ( c ) o 8 0 7 5 0 0 7 0 6 5 0 o 6 0 5 5 0 o 5 o 艏0 & 咖 5 5 5 o t5 t 唧 3 5 3 o & 5 第二章速度估测模型的建立 厂i 广 厂 图2 2 均值和误差线分布图 ( b ) ( c ) 图2 3 三个自选速度模式下，2 次测量到l o 次测量的i c c 值分布和变化趋势图 备注：其中( a ) 为步长，( b ) 为步频，( c ) 为步速。 表示在a 为0 0 5 的双侧检验中具有显著差备注：( a ) 为步长，( ”为步频，( c ) 为步速 异。 够驰sj韶8睢眩10000000000 上_c。一a3jo o o 一，；w 。 墨一譬_秭c里a皿 船驰驰就锄踮融眈叻10000000000 oc可再o-o o o 一 m墨m曼啪mm兰m眠帆 g舛sj韶8弘眩lnon0000000 皇go u = 一i|，e兰参130i。， 第二章速度估测模型的建立 表2 3i c c 值达到o 7 5 和0 9 所需要的测量次数 表2 4 当前研究结果和前人研究结果对比 2 1 7 讨论 本文研究获得的步态参数和已有研究结果的对比如表2 4 所示。由对比可以 看出，步长和步速都较以前的研究结果要小，但是这与也以亚洲人种为实验对象 的c h i u 的研究结果吻合，他限定速度3 、4 和5k m h 分别为慢走、正常走和快 走( c h i ua n dw a n g ，2 0 0 7 ) 。显然，不同人种的结果会不一样( b r a u ne ta 1 ，1 9 8 0 ) 。 另外，我们要求受测者赤足在电子步道上接受测量，这可能也是导致步长相对较 小的原因之一。 第二章速度估测模型的建立 从对3 个步态参数的方差分析( a n 0 v a ) 结果可知( 如表2 2 和图2 - 3 所示) ， 步长、步频和步速在三种自选速度模式下均具有显著的统计差异。本文得出步态 参数随步行速度变化的结果和以前的研究结果也是一致的( j o r d a ne ta 1 ，2 0 0 7 ； r o s e n b a u me ta 1 ，19 9 4 ；s t a n s f i e l de ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 图2 3 显示出，测量次数越多可靠性越高，但慢走模式下步速的可靠性例外， 即3