[发明专利]一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法

说明书

本发明涉及一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取若干ACL断裂患者和正常人正常行走过程中的三维运动学数据和足底压力数据，随机选取若干组数据为标准样本数据，其余为待检测样本数据；2)对足底压力数据进行分析处理，并提取足底压力特征参数；3)对三维运动学数据进行分析处理，并提取步态三维运动学特征参数；4)以标准样本数据中提取的步态三维运动学特征参数和足底压力特征参数为基础，进行训练得到评估模型，以待检测数据的三维运动学特征参数和足底压力特征参数为输入进行聚类分析，得到聚类分析结果。本发明可以广泛应用于前交叉韧带断裂后步态特征的分析中。

技术领域

本发明涉及人体运动系统数据处理领域，特别是关于一种基于三维运动学和足底压力参数的前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法。

背景技术

目前，运动损伤的发病率逐渐提高，而膝关节前交叉韧带(Anterior cruciateligament,ACL)断裂是最常见的运动损伤之一。在美国，ACL断裂发病率约为1/3000，仅外科手术的费用每年高达十亿美元。我国专业运动员ACL断裂者中女性发病率为0.71％，男性为0.29％。ACL的主要功能是限制胫骨过度前移，ACL断裂会造成膝关节不稳，严重影响膝关节功能和运动能力，使患者生活质量明显降低。若未能及时诊断和准确评估其功能，ACL断裂将会继发半月板、软骨损坏，导致骨关节炎。

目前临床上常用体格检查、膝关节主观问卷评分、静态韧带松弛度测量等方法来评价ACL断裂后的膝关节功能和生物力学特征，但ACL断裂主要会影响人们的运动能力，在日常活动状况下，肌肉收缩、关节囊和关节周围结构的限制作用及自身惯性和重力作用会对膝关节运动产生累积效应，上述临床常用方法不能评价动态膝关节功能状况。ACL断裂后主要引起动态承重状态下膝关节稳定性降低、功能紊乱。早期评估和纠正动态承重状态下的膝关节生物力学异常，具有非常重要的临床价值。

研究表明，在运动过程中，ACL断裂患者和正常人之间的足底压力和运动学特征存在差异。足底压力中心(center of pressure,COP)轨迹是人体行走过程中足–地接触作用力位置、大小、分布及力度顺序的综合结果,能反映足与地面接触全过程的作用方式，也是对人体行走运动姿态的间接反映,是一种重要的步态支撑期足底压力特征。与正常人相比，ACL断裂患者足底受力会更快地从足跟过渡到前足而运动学特征则主要体现在ACL断裂侧的伸膝最大角度变小等方面。而目前运动系统的疾病评估主要依靠影像学检查和医务人员的临床经验。大量的患者和诊断工作给医务人员带来巨大的工作压力和挑战。

发明内容

针对上述现有临床技术主要进行静态评估的缺点与不足，本发明的目的是提供一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，基于三维运动学和足底压力特征的信息融合，对前交叉韧带断裂后的步态特征进行评估分析。同时，该方法还具有较好的扩展性，针对其他类型的运动系统患者的动态评估也具有重要的参考作用。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种前交叉韧带断裂后步态特征的分析方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取若干ACL断裂患者和正常人正常行走过程中的三维运动学数据和足底压力数据，随机选取若干组数据为标准样本数据，其余为待检测样本数据；2)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的足底压力数据进行分析处理，并提取足底压力特征参数；3)分别对标准样本数据和待检测样本数据中的三维运动学数据进行分析处理，并提取步态三维运动学特征参数；4)以标准样本数据中提取的步态三维运动学特征参数和足底压力特征参数为基础，采用基于粒子群优化和错误反馈神经网络的聚类算法进行训练得到评估模型，以待检测数据的三维运动学特征参数和足底压力特征参数为输入进行聚类分析，得到前交叉韧带断裂后的步态特征分类结果。

所述步骤1)中，所述三维运动学数据是指各ACL断裂患者和正常人在正常行走过程中粘贴在各受试者下肢骨性标志点上的反光标志点的三维坐标原始数据。