步态的功能性评估是针对人体运动的生物力学研究,其目的是对控制步行功能的因素进行量化。步态评估对于检测步态异常,识别平衡问题的因素,制定临床决策,评估或预测临床干预和康复效果都有重要意义。此外,步态研究的结果还将对假肢的设计、康复机器人、外骨骼机器人的控制系统设计提供重要的数据。然而,现有的步态测量与定量分析方法仍不能完全满足临床使用要求,在步态运动学参数的测量与步态特征的提取上,还存在技术难点有待深入研究。尽管基于光学三维运动捕捉仪的步态运动测量系统已被广泛应用于步态相关研究,但传统方法的测量标识点模型中,所需的测量标识点较多,而且标识点的位置是以解剖学关键点为参考,需由专业人员通过人工触摸识别。因此,解剖学关键点的人工定位误差会对测量精度和信度产生显著影响,而且由于所需标识点较多,测前准备过程较长,在对疾病步态测量时易造成患者疲劳而使步态发生改变,影响测量效果。在利用运动学参数的步态功能性评估中,大部分研究往往局限于考察步态时空参数,和/或关节运动曲线上的有限几个特征点(如最大屈曲/伸展角、矢状面运动范围等),这尽管有利于步态的整体快速评估,但难以提供有关异常步态更加细致的信息,不利于步态的精确评估。而且,众多测量参数之间的复杂关联性也导致步态评估所需的测量系统比较复杂,降低了测量结果的解释性。本文以改进步态运动学测量技术、挖掘足部运动中所蕴含的深层步态特征信息为目的,对人体步态运动测量与特征提取的关键技术进行深入研究,主要包括以下几个方面:1.通过人体下肢主要关节的解剖结构分析,对下肢环节和关节进行合理简化,建立了人体下肢多刚体运动学模型,推导了人体下肢各个环节的运动方程,以及足部的空间运动与下肢关节转角之间的关系。在下肢运动学分析的基础上,研究了新的标志点设置方案和测量布局形式,构建了基于Optotrak Certus运动捕捉系统方案,缩短测前准备时间,减小测量场地。2.根据运动学模型,利用测量数据,构造下肢运动的约束方程,建立了关节位置、模型几何参数的拟合算法,以及步态运动参数的提取算法,并通过实验验证了该算法及步态测量系统的可行性。该算法是步态测量系统的关键技术,克服了传统步态测量系统的局限性,使步态测量系统的标识点布局不依赖与解剖学关键点的人工定位,无需人工测量下肢长度,使得少测量点的测量方法得以实现,从而在简化测量过程的同时,有助于减小标志点布置所造成的人为误差的影响,提高实验间重复测量信度。3.结合认知科学中的Tau理论,在对其基本策略分析的基础上,创新性的提出了改进的内部Tau引导策略——内部Tau-J引导策略。通过应用Tau策略对足部运动的分析及实验验证,提出了一个简单、灵敏、可解释性强的单参数指标以表征人体步行姿态控制性能,对探究造成步态异常的内在神经与认知机制有重要意义。4.通过对健康老年人和帕金森症患者的步态实验分析,研究了基于频段能量密度和小波熵的步态特征提取与评估方法,以反映步态运动过程的动态特征和运动复杂度,从而进一步挖掘足部运动中所蕴含的步态特征信息。实验结果表明,该方法不仅能够灵敏地捕捉到步态变化的深层次有用信息,还能反映帕金森震颤的特征。对帕金森症的步态评估,这种方法表现出了独特的优点。综上,本文对步态运动学参数的测量方法进行了研究,提出了新的测量方案和新的算法;并通过对足部运动的时间序列进行深入分析,挖掘足部运动中所蕴含的能反映步态异常和步态性能的深层特征信息,提出了几个新的步态特征提取与评估方法,为进一步简化步态运动的测量方法、改进步态评估效果提供理论支持。本文的研究结果为人体步态的测量和定量评估提供了有效手段,为人体步态运动机理的进一步研究提供了方法和思路。