一種輔助篩查前交叉韌帶損傷的步態(tài)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種輔助篩查前交叉韌帶損傷的步態(tài)分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在關(guān)節(jié)生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)中最為復(fù)雜。行走是膝關(guān)節(jié)最為頻繁的活動(dòng) 方式，也是在對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)分析中較易測(cè)量、能準(zhǔn)確分析的運(yùn)動(dòng)方式。前交叉韌帶 (anterior cruciate ligament, ACL)位于膝關(guān)節(jié)內(nèi)，連接股骨與腔骨，是膝關(guān)節(jié)重要的靜 力性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，主要作用是限制脛骨向前過(guò)度移位。它表面存在機(jī)械感受器，與膝關(guān)節(jié)內(nèi)其 他結(jié)構(gòu)共同作用，通過(guò)神經(jīng)肌肉反射對(duì)動(dòng)力性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)即關(guān)節(jié)周?chē)募∪哼M(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)維 持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，使人體能完成各種復(fù)雜和高難度的下肢動(dòng)作。解剖和生物力學(xué)特點(diǎn)決 定了前交叉韌帶損傷在人群分布、損傷機(jī)制及合并損傷等方面，顯現(xiàn)出與其他膝關(guān)節(jié)損傷 不同的疾病特征。文獻(xiàn)報(bào)道，美國(guó)普通人群的前交叉韌帶斷裂發(fā)病率約為1/3000,而足球運(yùn) 動(dòng)員每年前交叉韌帶斷裂的發(fā)生率為60/10萬(wàn)。對(duì)我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)動(dòng)員的普查發(fā)現(xiàn)，前交叉韌 帶斷裂的發(fā)病率是0.43%。
[0003] 當(dāng)有身體沖撞或者進(jìn)行高速度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，容易發(fā)生前交叉韌帶損傷。常見(jiàn)的受傷 機(jī)制包括膝關(guān)節(jié)屈膝外翻傷、外旋傷、過(guò)伸傷等。前交叉韌帶損傷后，反射弧的改變會(huì)引起 膝周肌群肌力代償性改變，進(jìn)而產(chǎn)生步態(tài)的改變。這種步態(tài)的改變可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)的傳感器 測(cè)量，能在定量的水平上客觀反映受試者膝關(guān)節(jié)行走時(shí)的功能狀態(tài)，進(jìn)而能夠輔助篩查前 交叉韌帶損傷。一個(gè)人的步態(tài)，可以從一個(gè)側(cè)面反映出人的病變特征，特別是對(duì)下肢的骨、 關(guān)節(jié)、肌肉和韌帶的正常度做出客觀的評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)步態(tài)進(jìn)行分析，探討步態(tài)動(dòng)作中包括關(guān) 節(jié)角度、位移、力矩及功率等運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)相關(guān)變量，可以方便簡(jiǎn)單、非侵入地幫助醫(yī)生 科學(xué)地進(jìn)行病因分析和輔助篩查、病情診斷、療效評(píng)定、指導(dǎo)患者行走訓(xùn)練，在下肢骨科疾 病中應(yīng)用廣泛。
[0004] 目前，如何進(jìn)一步提高前交叉韌帶損傷診斷的準(zhǔn)確性和提高手術(shù)的療效日益成為 臨床醫(yī)生關(guān)注的目標(biāo)，而磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI)是最好的影像學(xué) 診斷方法，關(guān)節(jié)鏡手術(shù)是診斷和治療前交叉韌帶損傷的"金標(biāo)準(zhǔn)"。但是二者都存在一定的 缺陷，例如，二者的費(fèi)用都較為昂貴；關(guān)節(jié)鏡手術(shù)屬于有創(chuàng)檢測(cè)；帶有心臟起搏器的患者或 有某些金屬異物的部位不能做MRI的檢查；多數(shù)MRI設(shè)備檢查空間較為封閉，且掃描時(shí)間相 對(duì)較長(zhǎng)，部分患者因恐懼不能配合完成檢查。前交叉韌帶損傷患者能夠通過(guò)步態(tài)分析顯示 出其與健康正常人之間的差異，因此通過(guò)對(duì)人體步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，選取合適的 步態(tài)特征，獲取步態(tài)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，能夠?qū)η敖徊骓g帶損傷患者進(jìn)行較為準(zhǔn)確和快速的輔助 篩查。這樣就可以在盡量不用MRI以及關(guān)節(jié)鏡的情況下進(jìn)行非侵入的診斷，節(jié)省費(fèi)用和時(shí) 間，也不會(huì)對(duì)患者造成傷害，屬于無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。
[0005] 正常步態(tài)的特征，如關(guān)節(jié)角度、位移、關(guān)節(jié)力矩、功率等在步與步之間通常呈現(xiàn)出 復(fù)雜的波動(dòng)特性。無(wú)論是前交叉韌帶損傷患者還是健康人群，他們步態(tài)的動(dòng)力學(xué)特性都具 有復(fù)雜的非線性性質(zhì)，這主要是因?yàn)槿祟?lèi)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的非線性特征造成的。前交叉韌帶損 傷患者步態(tài)的動(dòng)力學(xué)特性與健康正常人之間存在重要的差異。而如何對(duì)非線性步態(tài)系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)進(jìn)行建模，并基于這兩類(lèi)人群之間在步態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)上的差異進(jìn)行區(qū)分，以輔助篩查檢 測(cè)前交叉韌帶損傷，則缺少相應(yīng)的研究，也是其中的難點(diǎn)問(wèn)題之一。
[0006] 檢測(cè)前交叉韌帶損傷患者的異常步態(tài)并輔助篩查前交叉韌帶損傷，本質(zhì)上可以看 作是一個(gè)動(dòng)態(tài)模式的辨識(shí)與識(shí)別問(wèn)題，而動(dòng)態(tài)模式識(shí)別本身就是模式識(shí)別領(lǐng)域的難題之 一。在對(duì)徑向基函數(shù)（RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)激勵(lì)特性研究的基礎(chǔ)上，王聰?shù)忍岢隽舜_定學(xué) 習(xí)理論，其中包括對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)模式的辨識(shí)、表達(dá)和快速識(shí)別方法，即通 過(guò)確定學(xué)習(xí)獲得動(dòng)態(tài)模式內(nèi)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的局部準(zhǔn)確神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，把隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模 式以時(shí)不變且空間分布的方式有效地表達(dá)，進(jìn)一步利用動(dòng)態(tài)模式內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)拓?fù)湎嗨平o 出動(dòng)態(tài)模式之間的相似性定義，并提出了對(duì)動(dòng)態(tài)模式進(jìn)行快速識(shí)別的一套新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種輔助篩查前交叉韌帶損 傷的步態(tài)分析方法，為判別前交叉韌帶損傷患者的異常步態(tài)提供一種更為簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確的篩查 檢測(cè)方法。
[0008] 本發(fā)明一種輔助篩查前交叉韌帶損傷的步態(tài)分析方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1、通過(guò)光學(xué)傳感器分別采集每個(gè)前交叉韌帶損傷患者和健康正常人的膝關(guān) 節(jié)股骨相對(duì)脛骨的內(nèi)外旋角度以及膝關(guān)節(jié)股骨相對(duì)脛骨的內(nèi)外位移、前后位移和上下位移 的步態(tài)特征數(shù)據(jù)，構(gòu)成一組步態(tài)特征變量，將所采集的若干前交叉韌帶損傷患者和健康正 常人的膝關(guān)節(jié)股骨相對(duì)脛骨的內(nèi)外旋角度以及膝關(guān)節(jié)股骨相對(duì)脛骨的內(nèi)外位移、前后位移 和上下位移的步態(tài)特征數(shù)據(jù)形成訓(xùn)練集；
[0010] 步驟2、根據(jù)步驟1提取的步態(tài)特征變量，對(duì)訓(xùn)練集里健康正常人和前交叉韌帶損 傷患者的未知非線性步態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器，對(duì)步態(tài)系統(tǒng)未知 動(dòng)態(tài)的局部進(jìn)行逼近；
[0011] 步驟3、常值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立：
[0012] 根據(jù)確定學(xué)習(xí)理論，沿步態(tài)系統(tǒng)特征軌跡的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元滿(mǎn)足持續(xù)激勵(lì) 條件，其權(quán)值收斂到最優(yōu)值，取權(quán)值收斂后一段時(shí)間內(nèi)權(quán)值的均值作為學(xué)習(xí)訓(xùn)練結(jié)果，并利 用這些結(jié)果建立常值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，所學(xué)到的步態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)以常值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的形式 存儲(chǔ)，構(gòu)成一個(gè)訓(xùn)練步態(tài)模式庫(kù)；
[0013] 步驟4、通過(guò)光學(xué)傳感器分別采集每個(gè)待檢測(cè)前交叉韌帶損傷患者的膝關(guān)節(jié)角度 和位移的步態(tài)特征數(shù)據(jù)，構(gòu)成一組步態(tài)特征變量，采集的若干待檢測(cè)前交叉韌帶損傷患者 的膝關(guān)節(jié)角度和位移的步態(tài)特征數(shù)據(jù)形成測(cè)試集；
[0014] 步驟5、分類(lèi)檢測(cè)：
[0015] 利用常值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建一組動(dòng)態(tài)估計(jì)器，把步驟2和步驟3學(xué)習(xí)到的訓(xùn)練步態(tài)模 式庫(kù)里健康正常人和前交叉韌帶損傷患者所對(duì)應(yīng)的非線性步態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)嵌入到動(dòng) 態(tài)估計(jì)器中，把待檢測(cè)前交叉韌帶損傷患者的步態(tài)特征數(shù)據(jù)與這組動(dòng)態(tài)估計(jì)器做差，形成 一組分類(lèi)誤差，根據(jù)最小誤差原則將待檢測(cè)前交叉韌帶損傷患者的異常步態(tài)檢測(cè)出來(lái)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)前交叉韌帶損傷的輔助篩查。
[0016] 進(jìn)一步的，步驟2中，未知非線性步態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模如下：
[0017] i -- l:\x: p) + v(.v; p)
[0018] 其中，x = [Xi, ···，xn]Te Rn是步驟1提取到由膝關(guān)節(jié)角度和位移的步態(tài)特征數(shù) 據(jù)構(gòu)成得步態(tài)特征變量，P是系統(tǒng)常參數(shù)值，η為步態(tài)特征變量的維數(shù)；F(x ;p) = [AU ; p)，…，fn (χ ;ρ) ]τ是光滑且未知的非線性動(dòng)態(tài)變量，代表了健康正常人和前交叉韌帶損傷 患者的步態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，ν(Χ;Ρ) = 1^1(1$)，"％￥11(1$)]1'是建模不確定項(xiàng)，將二者合并為 ，并定義為一般非線性步態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)；
[0019] 步驟2中，設(shè)計(jì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器用于辨識(shí) ，具體 為：
[0020] 采用動(dòng)態(tài)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器I二-Κ-χ) f; S⑴，其中 乂- = [.?,··，Λ,]是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的狀態(tài)，A = diag[ai，…，an]是對(duì)角矩陣，&1是設(shè)計(jì)的常數(shù)， 滿(mǎn)足0< |a」< 1
是動(dòng)態(tài)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)逼近未知的 一般非線性步態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)#.y;P);
是高斯