觸覺力反饋、運動學(xué)分析多種功能一并實現(xiàn)！TESLASUIT人體運動學(xué)分析驗證
近年來,，可穿戴運動捕捉系統(tǒng)的迅速發(fā)展,，各種各樣的動捕產(chǎn)品出現(xiàn)在市場中。這些系統(tǒng)使用包含加速度計,、陀螺儀和磁力計的慣性測量單元（IMU）來跟蹤人體運動，由IMU驅(qū)動的動捕系統(tǒng)不受實驗室環(huán)境的限制，極大的拓展了動捕系統(tǒng)的靈活性,。TESLASUIT的運動捕捉功能為運動評估的新可能性鋪平了道路，為人類運動研究,、訓(xùn)練和康復(fù)提供了更準(zhǔn)確,、更有效的解決方案。
在本文中我們將為大家介紹由Reade康復(fù)中心和阿姆斯特丹自由大學(xué)行為和運動科學(xué)學(xué)院的研究伙伴進(jìn)行的一項研究成果,，該研究有助于評估FES輔助步態(tài)訓(xùn)練干預(yù)是否可以改善不完全脊髓損傷（SCI）患者的步態(tài)功能,。該研究同時也包括進(jìn)一步驗證TESLASUIT配備的IMU能夠用于在步態(tài)分析過程中測量下肢人體運動學(xué)數(shù)據(jù),。
實驗過程
研究人員對12名健康參與者在跑步機(jī)上以三種速度（1.0公里/小時、3.0公里/小時和5.0公里/小時）行走時,，通過TESLASUIT的IMU計算的關(guān)節(jié)角度與光電系統(tǒng)（Optotrak）測量的關(guān)節(jié)角度進(jìn)行了比較,。其中以1.0 km/h步行速度試驗用于模擬SCI個體的步態(tài)模式，因為步行速度會影響人體運動學(xué)和時空參數(shù),。
在TESLASUIT上放置Optotrak集群標(biāo)記
參與者在跑步機(jī)上行走,，完成100步（約5分鐘）走路動作即停止測試。TESLASUIT的IMU和Optotrak系統(tǒng)會基于每次步態(tài)試驗開始而同步輸出數(shù)據(jù)到電腦中,。
數(shù)據(jù)分析
Optotrak系統(tǒng)：使用VU 3D模型計算3D標(biāo)記坐標(biāo)數(shù)據(jù)的軌跡,。每個步態(tài)周期的開始和結(jié)束通過檢測腳跟接觸地面和腳尖離開地面來識別。步幅時間由同一條腿的腳跟兩次連續(xù)接觸地面之間的時間決定,。實驗中會設(shè)備會記錄參與者每邁出一步的髖關(guān)節(jié),、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)角度（歐拉角）并進(jìn)行時間標(biāo)準(zhǔn)化（從初始接觸開始，0–100%）,。
TESLASUIT的IMU：來自IMU的原始數(shù)據(jù)由基于OpenSim的解決方案處理,，該解決方案同時也是TESLASUIT軟件包的一部分。軟件中包含具有關(guān)節(jié)運動學(xué)的骨骼模型,，可顯示包括矢狀面中的髖關(guān)節(jié),、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度。步幅時間由Optotrak系統(tǒng)檢測到的腳跟撞擊決定,，計算出的角度會進(jìn)行時間標(biāo)準(zhǔn)化（從初始接觸開始,，0–100%）。
通過一維統(tǒng)計參數(shù)映射（SPM）對左右腿的踝,、膝和髖角度使用雙向（系統(tǒng)x步行速度）重復(fù)ANOVA測量來評估有效性,。可計算出每個參與者在每種行走速度下的左右腳踝,、膝蓋和臀部角度的皮爾遜相關(guān)系數(shù),。最終報告中顯示出了在每種行走速度下左和右腳踝、膝蓋和臀部角度的最低和最高相關(guān)系數(shù),。
結(jié)果
結(jié)果顯示,，TESLASUIT的IMU和Optotrak系統(tǒng)在所有行走速度下測量的膝蓋角度高度一致。膝關(guān)節(jié)角度的兩個系統(tǒng)之間的相關(guān)系數(shù)范圍從0.78到0.99,。髖關(guān)節(jié)角也顯示了良好到極好的相關(guān)性,，相關(guān)系數(shù)為0.80到0.99。踝關(guān)節(jié)角度則顯示出更多的可變性,，系數(shù)范圍從0.19到0.99,，盡管大多數(shù)參與者實現(xiàn)了高水平的相關(guān)性。
雖然相關(guān)性分析表明整體關(guān)系密切,，但對關(guān)節(jié)角度波形的更詳細(xì)分析揭示了兩個系統(tǒng)之間的一些差異,。與Optotrak相比,，TESLASUIT的踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度在步態(tài)周期中出現(xiàn)了15到20度的偏移。這種偏移可能是由于TESLASUIT?IMU的放置位置所導(dǎo)致,，因為類似的研究表明,，IMU在身體上的位置會影響關(guān)節(jié)角度計算的準(zhǔn)確性。研究人員提到TESLASUIT上的骨盆IMU放置可能會導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)角度不太準(zhǔn)確,，而足部IMU更多地放置在中足上,，可能會導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)角度的偏移。
盡管存在這些位置的數(shù)據(jù)存在一些差異,，驗證研究結(jié)果對于使用TESLASUIT分析步態(tài)中的下肢人體運動學(xué)仍是有希望的,。雖然在TESLASUIT上放置IMU位置還需一些改進(jìn)（以提高臀部和腳踝角度的準(zhǔn)確性），但目前報告中顯示的膝蓋角度數(shù)據(jù)仍具有較高的有效性,。對于許多應(yīng)用來說,，膝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)擁有這種精度水平已經(jīng)足夠。TESLASUIT在傳統(tǒng)實驗室環(huán)境之外的便攜性和可用性也為在更自然,、真實的環(huán)境中進(jìn)行動作捕捉提供了機(jī)會,。
通過對IMU定位的一些修改和對TESLASUIT關(guān)節(jié)角度計算的持續(xù)驗證,，TESLASUIT可穿戴觸覺套裝有望成為步態(tài)分析和運動損傷康復(fù)的一個有價值,，有潛力的工具。同時不受實驗室環(huán)境限制的高精度運動跟蹤能力也為運動評估和生物觸覺反饋訓(xùn)練開辟了更多可能性,。
TESLASUIT正在塑造可穿戴技術(shù)的人類運動研究和治療用例的未來,。
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