步態分析—比較穿戴型與非穿戴型裝置系統

對於步態分析應用的選擇工具眾多(1),但基本上大致可以分為兩類,也就是穿戴型和非穿戴型裝置。而在穿戴型的各種裝置中,又以慣性偵測器元件(inertial measurement unit, IMU)最為普遍用於學術研究或成為臨床分析的選擇工具之一。IMU事實上是由許多的電子器材所組成,即加速規(accelerometer)、陀螺儀(gyroscope)、有時加上磁力儀(magnetometer)的配備。便能進行量測和回報關於物體的速度、加速度、向量和重力等資訊。就原理上來探討,IMU是根據牛頓的力學公式推導一系列的資料運算,因此,在已知物理質量和作用力的前提下,套入F= ma的法則得以算出加速度量值,再利用高等數學概念積分加速度即可得到速度,同理積分速度即可得到對應三軸座標的位移結果。所以,一旦能夠透過加速規偵測到基礎訊號並選擇適當的演算法過濾和分析,我們便可實際擷取到該行走時段內相關的步態變數,甚至涵蓋到步頻與步長等預估數值。

IMU基於較低的成本和微型的設計,使得應用的價值隨之提高。一般只要透過綁帶就可固定於身體特定部位,並藉由無線溝通能力的連結強化,能夠讓多個配戴於肢體關節各處的IMU在行走活動時偵測即時同步的資訊,進而達到監控動作變化和評估步態表現的目的。另一個吸引人的優點是IMU因為體積小和可攜帶的性質允許在戶外行動時測量,如此更能直接反映出受測者真實的生活經驗與在社區環境下行走的功能狀況。(2)

然而,IMU卻也存在許多需要突破的發展困境,最顯著也最棘手的問題是測量誤差的影響。由於IMU的參數估計是透過對加速度做重複積分的演算得來,以步行距離參數而言,必須經過兩次的積分推導取得,因此無可避免的,其中的測量誤差也就被同時放大兩倍,對最後結果的準確性容易造成嚴重干擾。在臨床處境方面,神經性病患的步態特徵通常反映在步長和步速上的變異,而兩者皆必須換算出距離的數值,因此若這些關鍵指標經由IMU的分析處理後則可能具有上述誤差因素的威脅,再次強調,使得資料的精準性難以被完全確認。另一項缺陷是由於IMU必須配戴於體表上,多少會導致受測者的不適或動作上的不自在。還有,礙於無線連線系統的耗電問題,造成長時間連續供電的困難。從偵測的穩定性角度探討,IMU的訊號分析必須依賴複雜的演算過程,再加上微型設計的關係,其實易於受到外界雜訊的干擾。以上都會進一步影響到IMU技術的實用價值和弱化發展的條件。當然,比對於穿戴型的裝置,選用非穿戴型,即用光學為主的方式分析動作,如眾所周知的kinect偵測器,似乎亦為可行且頗具優勢的工具代表之一(連結)。以下為摘錄文獻整理,比較穿戴型與非穿戴型各自的優劣要點。

系統 優勢 限制
非穿戴型

(光學)

1.     允許多項步態參數同步分析

2.     不受電力供應限制

3.     部分系統完全屬於非接觸式偵測

4.     具備成熟的偵測能力與較高的準確度

5.     較高的重複、再製性質,不易受到外界因素干擾

6.     可即時調節量測程序

1.     需要標準環境建置,受限於場地空間

2.     較多的硬體和測試成本

3.     無法延伸至建構測量環境之外

穿戴型 1.     允許長期配戴,監控和分析日常生活下的步態功能

2.     裝置成本較低

3.     能夠在任何地點下操作,不限於特定環境

4.     允許多個微型偵測器同步運作

5.     無線技術強化應用可行性

6.     促進個案自主活動條件

1.     受限電池電力,無法持續供電

2.     需要複雜演算過程

3.     考慮誤差因素產生的資料不確定性,僅能提供有限的步態參數量測

4.     易於受到外界因素和雜訊的干擾

參考資料

  1. Muro-de-la-Herran A, Garcia-Zapirain B, Mendez-Zorrilla A. Gait analysis methods: an overview of wearable and non-wearable systems, highlighting clinical applications. Sensors (Basel). 2014;14(2):3362-94.
  2. Tunca C, Pehlivan N, Ak N, Arnrich B, Salur G, Ersoy C. Inertial Sensor-Based Robust Gait Analysis in Non-Hospital Settings for Neurological Disorders. Sensors (Basel). 2017;17(4).

 

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