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【摘要】 本文介绍了步态分析的基本概念，即步态分析是集医学、运动学、力学、生物学、数学、物理学、计算机于一身的运动生物力学的一个分支。阐明了步态分析的目的即分析异常步态的原因和运动损伤的部位及程度，并进行障碍学诊断，制定治疗方案。讲述了步态分析的主要内容包括定性分析和定量分析，介绍了步态分析的特点，并讲述了如何进行步态分析。即进行运动分解，建立相位动力学方程。对步行周期进行小波分析。应用数学形态学发现病理步态原因确定映射算子。进行了步态分析应用前景展望。
【关键词】 步态；分析
1 基本概念
步行是人类的基本功能，是人区别于其他动物的关键特征之一。步行是从一个地方安全地移到另一个地方。步行的控制包括中枢命令、身体平衡和协调控制。涉及足、踝、膝、髋、躯干、颈、肩、臂的肌肉和关节协同运动。人类的步态就是行走时的人体姿势。步态分析是集医学、运动学、力学、生物学、数学、物理学、计算机于一身的运动生物力学的一个分支。它能利用计算机数字化的科技，将人类行走时的步长、步宽、步频及对称性等以数据分析的方式呈现。它能利用协同学原理建立人体运动的势函数方程，并分析其相变、周期、位移、涨落等。它能揭示步态异常的关键环节和影响因素，并能分析自然步态的个体差异。
2 步态分析的目的
（1）进行异常步态的障碍学诊断，分析障碍发生的原因，制定治疗方案；（2）分析判断异常步态的程度；（3）在运动员的训练中用于分析运动损伤的部位及程度；（4）在刑侦上用于识别犯罪嫌疑人的行走特征，提供侦破手段。
3 步态分析的主要内容
步态分析包括定性分析和定量分析。
定性分析通常采用目测观察获得第一手资料，通过与正常步态进行比较，来认识异常步态的特征，找出问题所在。
定量分析包括运动学分析、动力学分析、行走能力的评定。具体包括：（1）时空参数，如步长、步宽、步向角、步行周期、支撑相时间、摆动相时间等；（2）运动学参数，如角度、位移、速度、加速度、身体重心位置的变化规律等；（3）动力学参数，指引起运动的力学参数，包括地反力、力矩、功和功率等；（4）肌电活动参数，指步行过程中下肢主要肌肉的电生理活动指标；（5）能量代谢参数，指人体运动过程中的能量代谢情况。
4 步态分析的特点
4.1 非接触，远距离，不易伪装,所需设备不是特别昂贵。安防系统正是利用这一特点安装摄像头来进行监控。
4.2 具有非侵犯性和可接受性。银行、大型超市和有关公共场所正是利用此特点来进行安全防范。
4.3 能从相同的行走行为中寻找和提取个体之间的变化特征。这是生物特征的鉴别，比指纹和面容的提取容易。如戴上手套就难于提取指纹，戴上面具就难以看见面容，而步态在没有经过特殊训练的情况下是不会改变的。
4.4 通过与正常人自然步态的比较，能发现异常步态的人潜在的疾病。
4.5 对神经系统和肌肉骨骼系统的疾病和外伤的患者进行分析，为训练提供依据。
5 如何进行步态分析
5.1 进行运动分解，建立相位动力学方程 根据人自身生理解剖学和神经生理学的特点，采用数字视频和数字图像处理的运动分析系统测得人体步态的运动学参数。获取人在行走或各种运动状态下的双足步态动力学信息，包括压力中心点变化轨迹、地面力大小和方向以及时－空参数等，并提出一种新的时空结合的运动目标分割方法，依据最大类间方差函数准则自适应地求出调节系数，从脚部动力学数据的特征选择和提取、基于动力学参数的步态模式分析。将相位作为序参量，建立相位动力学方程，并寻求平稳解。针对克服自身动力学干涉和合理利用动力学干涉问题，借助变分法建摸，寻找动态优化系统。从系统和功能行为层次上对人的步态进行研究。
动力学方程的形式为：
q1（n）=f（q1, q1（1）,……, q1（n-1））
qn·=f（q1,q2,…qn）
5.2 对步行周期进行小波分析 小波分析是一个迅速发展的新领域。它是泛函分析、调和分析、数值分析的完美结晶。它的作用是对图像和信号进行处理。信号处理的目的是：准确的分析、诊断、编码压缩和量化、快速传递或存储、精确地重构。
小波变换是时间（空间）频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节。
对步行周期进行小波分析，如首次着地--负荷反应期--站立中期--站立末期--迈步前期--迈步初期--迈步中期--迈步末期。确定振幅和步频。通过分析可发现以下问题：踝、足趾关节在步行周期中的异常表现，膝关节在步行周期中的异常表现，髋关节在步行周期中的异常表现，骨盆在步行周期中的异常表现，躯干在步行周期中的异常表现。
5.3 应用数学形态学发现病理步态原因确定映射算子 数学形态学的数学基础和所用语言是集合论，它由一组形态学的代数运算子组成，其基本运算有四个： 膨胀（或扩张）、腐蚀（或侵蚀）、开启和闭合。 它们在二值图像和灰度图像中各有特点。用它们可以进行图像形状和结构的分析及处理，包括图像分割、特征抽取、边界检测、 图像滤波、图像增强和恢复等。数学形态学的基本思想及方法适用于与图像处理有关的各个方面。在步态分析中，数学形态学能发现常见病理步态的原因并找出映射算子。如原因为肌无力，算子为：（1）臀大肌无力；（2）臀中肌无力；（3）髋关节屈肌无力；（4）股四头肌麻痹；（5）胫前肌无力；（6）腓肠肌无力。原因为中枢神经系统损伤，算子为：（1）偏瘫步态；（2）剪刀步态；（3）帕金森病步态；（4）共济失调步态。
6 步态分析应用前景展望
步态分析将在多学科中得到广泛应用，如康复医学、生物数学、生物力学、运动学、诊断学、仿生学、刑侦学、安防学等，随着科学技术的不断发展，步态分析必将日臻完善。
【参考文献】
1 恽晓平.康复疗法评定学.北京:华夏出版社，2005,263-287.
2 赫尔曼·哈肯（著），郭治安，吕翎（译）.大脑工作原理.上海:上海科技教育出版社，2003，139-168.
3 姜启源.数学模型，第2版.北京:高等教育出版社，2002,224-269.
（编辑：齐 永）
作者单位：1 430050 湖北武汉，湖北省残疾儿童康复研究中心 2 430079 湖北武汉，华中师范大学文学院新闻传播系