Введение
Анализ походки – это систематическое изучение локомоции животных, в особенности – движений человека, осуществляемое посредством визуального наблюдения и анализа, дополненного инструментальными методами измерения движений тела, биомеханики и активности мышц. Анализ походки применяется для оценки состояния и лечения пациентов с нарушениями, влияющими на их способность к ходьбе. Он также широко используется в спортивной биомеханике для повышения эффективности бега спортсменов и выявления проблем, связанных с положением тела или характером движений, у людей с травмами. Данная область включает в себя количественную оценку (введение и анализ измеримых параметров походки), а также интерпретацию – то есть формулирование выводов о животном (здоровье, возраст, размер, вес, скорость и т.д.) на основе паттерна его походки.
Gait analysis is the systematic study of animal locomotion, more specifically the study of human motion, using the eye and the brain of observers, augmented by instrumentation for measuring body movements, body mechanics, and the activity of the muscles. Gait analysis is used to assess and treat individuals with conditions affecting their ability to walk. It is also commonly used in sports biomechanics to help athletes run more efficiently and to identify posture related or movement related problems in people with injuries. The study encompasses quantification (introduction and analysis of measurable parameters of gaits), as well as interpretation, i. e. drawing various conclusions about the animal (health, age, size, weight, speed etc.) from its gait pattern.
История
Пионерами научного анализа походки были Аристотель в трактате De Motu Animalium (О движении животных) и гораздо позже, в 1680 году, Джованни Альфонсо Борелли, также опубликовавший труд De Motu Animalium (I и II). В 1890-х годах немецкий анатом Кристиан Вильгельм Браун и Отто Фишер опубликовали серию работ по биомеханике человеческой походки в условиях нагрузки и разгрузки. С развитием фотографии и кинематографии появилась возможность фиксировать последовательности изображений, раскрывающих детали движения человека и животных, которые не были заметны при наблюдении невооруженным глазом. Эдвард Муйбридж и Этьен Жюль Марей стали пионерами этих разработок в начале 1900-х годов. Например, серийная фотография впервые позволила увидеть подробную последовательность лошадиного галопа, который ранее часто искажался на картинах. Хотя многие ранние исследования проводились с использованием пленочных камер, широкое применение анализа походки у людей с патологическими состояниями, такими как детский церебральный паралич, болезнь Паркинсона и нейромышечные расстройства, началось в 1970-х годах с появлением систем видеокамер, позволявших проводить детальные исследования отдельных пациентов в реалистичных временных и финансовых рамках. Разработка методов лечения, часто включающих ортопедическое вмешательство, на основе результатов анализа походки значительно продвинулась в 1980-х годах. Многие ведущие ортопедические больницы по всему миру теперь располагают лабораториями анализа походки, которые регулярно используются для разработки планов лечения и последующего мониторинга. Разработка современных компьютерных систем происходила независимо в конце 1970-х и начале 1980-х годов в нескольких больничных исследовательских лабораториях, в некоторых случаях при сотрудничестве с аэрокосмической промышленностью. Вскоре последовало коммерческое развитие с появлением коммерческих телевизионных и, позднее, инфракрасных камер в середине 1980-х годов. В 2018 году было предложено новое обобщенное кинетическое измерение – кинетический индекс походки.
Процесс и оборудование
В типичной лаборатории анализа походки имеется несколько камер (видео- или инфракрасных), расположенных вокруг дорожки или беговой дорожки, подключенных к компьютеру. На теле пациента размещаются маркеры в различных опорных точках (например, на передневерхних подвздошных остистых отростках, на медиальных лодыжках и на мыщелках коленного сустава) или группы маркеров, наносимые на половину сегментов тела. Пациент проходит по дорожке или беговой дорожке, и компьютер вычисляет траекторию каждого маркера в трех измерениях. Для расчета движения костей используется модель. Это обеспечивает полный анализ движения каждого сустава. Один из распространенных методов – использование набора маркеров больницы Хелен Хейс, который включает в себя в общей сложности 15 маркеров, закрепляемых на нижней части тела. Движения 15 маркеров анализируются аналитически, что позволяет определить угловую кинематику каждого сустава. Для расчета кинетики паттернов походки большинство лабораторий оснащены установленными на полу преобразователями нагрузки, также известными как силовые платформы, которые измеряют силы и моменты реакции опоры, включая величину, направление и точку приложения (называемую центром давления). Пространственное распределение сил можно измерить с помощью педобарографии. Добавление этих данных к известной динамике каждого сегмента тела позволяет решать уравнения, основанные на уравнениях движения Ньютона-Эйлера, для вычисления результирующих сил и моментов сил, действующих вокруг каждого сустава на каждом этапе цикла ходьбы. Этот вычислительный метод известен как обратная динамика. Однако использование кинетики не дает информации об отдельных мышцах, а только о мышечных группах, таких как разгибатели или сгибатели конечности. Для определения активности и вклада отдельных мышц в движение необходимо исследовать их электрическую активность. Многие лаборатории также используют поверхностные электроды, прикрепленные к коже, для регистрации электрической активности или электромиограммы (ЭМГ) мышц. Это позволяет исследовать время активации мышц и, в определенной 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 оценки эффективности тренировочных программ.
Техника
Анализ походки включает в себя измерение, при котором вводятся и анализируются измеримые параметры, и интерпретацию, на основе которой делаются выводы о пациенте (здоровье, возраст, рост, вес, скорость и т.д.). Анализ представляет собой измерение следующего:
Временная / пространственная
Он состоит из вычисления скорости, длины шага, высоты тона и так далее. Эти измерения проводятся с помощью: секундомера и меток на земле. Ходьбы по платформе давления. Лазерных дальномеров, сканирующих плоскость на нескольких сантиметрах над полом. Инерциальных датчиков и программного обеспечения для интерпретации данных 3D-гироскопов и 3D-акселерометров.
Stopwatch and marks on the ground. Walking on a pressure mat. Range laser sensors scanning a plane a few centimeters above the floor. Inertial sensors and software to interpret 3D gyroscopes and 3D accelerometric data.
Кинематика
Хронофотография – наиболее простой метод регистрации движения. В прошлом для анализа походки на отдельных фотографических изображениях использовалась стробоскопическая подсветка с известной частотой. Кинофильмы или видеозаписи, полученные с одной или нескольких камер, могут использоваться для измерения углов и скоростей в суставах. Разработка программного обеспечения для анализа значительно упростила этот процесс и позволила проводить анализ в трех, а не только в двух измерениях. Пассивные маркерные системы, использующие отражающие маркеры (обычно отражающие шарики), обеспечивают точное измерение движений с использованием нескольких камер (обычно от пяти до двенадцати) одновременно. Камеры используют мощные стробоскопы (обычно красного, ближнего инфракрасного или инфракрасного спектра) с соответствующими фильтрами для регистрации отражения от маркеров, размещенных на теле. Маркеры располагаются в легко 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 вычисляет углы в суставах на основе относительного положения маркеров в помеченных траекториях. Эти системы также используются для захвата движения в киноиндустрии. Активные маркерные системы аналогичны пассивным, но используют "активные" маркеры. Эти маркеры активируются входящим инфракрасным сигналом и отвечают, отправляя собственный сигнал. Этот сигнал затем используется для триангуляции местоположения маркера. Преимущество этой системы перед пассивной заключается в том, что отдельные маркеры работают на заданных частотах и, следовательно, имеют уникальный "идентификатор". Это означает, что дополнительная обработка местоположения маркеров не требуется, однако системы, как правило, менее терпимы к маркерам, выходящим за пределы поля зрения, чем пассивные системы. Инерциальные (безкамерные) системы основаны на инерциальных датчиках MEMS, биомеханических моделях и алгоритмах синтеза данных с датчиков. Эти системы, охватывающие все тело или его часть, могут использоваться в помещении и на открытом воздухе независимо от условий освещения.
Запись без маркерных знаков
Системы захвата походки без маркеров используют одну или несколько цветных камер или 2,5D датчики глубины (например, Kinect) для прямого вычисления координат суставов тела на основе последовательности изображений. Система, не требующая маркеров, позволяет проводить неинвазивный анализ походки человека в естественной среде без необходимости крепления маркеров. Отказ от маркеров расширяет возможности применения методов измерения и анализа человеческой походки, значительно сокращает время подготовки и обеспечивает эффективную и точную оценку движения в различных областях. В настоящее время основными системами без маркеров являются видеозахват движения с использованием монокулярной камеры или многокамерной студии. В последнее время анализ походки на основе датчиков глубины для клинических целей приобретает все большую популярность. Поскольку датчики глубины измеряют информацию о глубине и предоставляют 2,5D изображение глубины, они эффективно упрощают задачу отделения переднего плана от фона и значительно снижают неоднозначность определения позы при монокулярной оценке положения человека.
Измерение давления
Системы измерения давления — это дополнительный метод оценки походки, предоставляющий информацию о распределении давления, площади контакта, движении центра давления и симметрии между сторонами. Эти системы обычно предоставляют не только данные о давлении, но и информацию о силе, времени и пространственных параметрах. Существуют различные способы оценки давления, например, коврик или дорожка для измерения давления (более длинные для регистрации большего количества шагов), а также системы измерения давления в обуви (с датчиками, расположенными внутри обуви). Многие системы измерения давления интегрируются с другими системами анализа, такими как захват движения, ЭМГ или силовые платформы, для проведения комплексного анализа походки.
Кинетическая
Это изучение сил, вовлеченных в создание движений.
Динамическая электромиография
Это изучение паттернов мышечной активности при ходьбе.
Медицинская диагностика
Патологическая походка может быть следствием компенсации основных заболеваний, или же сама по себе вызывать симптомы. Пациенты с церебральным параличом и после инсульта часто наблюдаются в лабораториях анализа походки. Изучение походки позволяет ставить диагнозы и разрабатывать стратегии лечения, а также способствует развитию реабилитационной инженерии. Помимо клинического применения, анализ походки используется в профессиональном спорте для оптимизации и повышения спортивных результатов. Методы анализа походки позволяют оценить нарушения походки и эффективность коррекционной ортопедической хирургии. Варианты лечения церебрального паралича включают искусственное расслабление спастических мышц с помощью ботокса, а также удлинение, пересадку или отсоединение отдельных сухожилий. Также выполняются коррекции деформированной костной анатомии (остеотомия), равно как и остеопатическая манипулятивная терапия (ОМТ).
Сравнительная биомеханика
Изучение походки нечеловеческих животных позволяет получить более глубокое понимание механики локомоции, что имеет разнообразные последствия для понимания биологии конкретного вида, а также локомоции в целом.
Походка как биометрические данные
Распознавание походки — это вид поведенческой биометрической аутентификации, который идентифицирует и верифицирует людей по манере и темпу их ходьбы. Достижения в области распознавания походки способствовали разработке методов, применяемых в криминалистике, поскольку походка каждого человека может быть определена уникальными параметрами, такими как положение лодыжки, колена и тазобедренного сустава.
Наблюдение
В 2018 году появились сообщения о том, что правительство Китая разработало средства наблюдения, основанные на анализе походки, позволяющие однозначно идентифицировать людей, даже если их лица скрыты.
Популярные СМИ
Г. К. Честертон положил в основу одной из своих историй об отце Брауне, "Странные ноги", распознавание походки. Кори Доктороу подробно описывает распознавание походки как метод обеспечения безопасности, используемый в старшей школе, в своей книге "Маленький брат". Артур Конан Дойл в "Этюде в багровых тонах" использует анализ походки, чтобы Шерлок Холмс определил рост убийцы Рэча. В фильме "Миссия невыполнима: Племя изгоев" показан анализ походки в сцене, где Бенджи Данн должен проникнуть на объект, использующий программное обеспечение для анализа походки как часть системы безопасности.