脊髓损伤恒河猴后肢步态数据处理方法的设计①

宋伟，赵文，魏瑞晗，赵璨，季润，曹金柱，蒲放

脊髓损伤恒河猴后肢步态数据处理方法的设计①

宋伟1,2,3，赵文3，魏瑞晗3，赵璨3，季润4，曹金柱3，蒲放3

目的 基于Matlab建立一套适用于非人灵长类动物的步态数据处理方法。方法通过VICON系统在3只恒河猴脊髓损伤术后6周进行后肢步态分析测试，获取运动学数据。通过Excel Link将Matlab与Microsoft Excel相结合，实现对运动学原始数据的筛选和提取，并在Matlab环境下进行计算。结果通过计算得到步长、步高以及膝关节和踝关节角度等运动学参数。在0.2 km/h、0.5 km/h、0.8 km/h速度下，步长(F=2.869,P=0.088)和步高(F=1.148,P=0.344)均值无显著性差异(P＞0.05)，表明数据模型可重复。通过计算得到的角度-时间曲线图反映了关节功能和运动变化规律。系统初步实现了足部步态轨迹的描绘，还实现了步态运动的二维/三维轨迹图的生成。结论该系统使得实验原始数据的处理不依赖于VICON系统，计算得到的参数和轨迹描绘可基本满足非人灵长类动物后肢行为学评价的需求。

非人灵长类动物；步态；数据处理；矩阵实验室；步态参数；步态轨迹；猴

[本文著录格式]宋伟，赵文，魏瑞晗，等.脊髓损伤恒河猴后肢步态数据处理方法的设计[J].中国康复理论与实践,2013,19 (8):734-738.

步态是最能反映动物运动方式的特征之一[1-2]。步态分析在骨科生物力学、康复工程与医学工程等领域一直扮演着重要的角色[3]。目前，步态分析系统研究集中于建立一种适合于计算机计算的人体步行模型[4]，对人体步行进行在线测量[5]，以满足临床诊断和康复评定的需要。

比较成熟的步态分析系统[6]有CODA mpx30系统(英国Movement Techniques Ltd.)、SELSPOT I1系统(瑞典Selective Electronic公司)、KISTLER三维测力板(瑞士)和VICON系统(英国Oxford Metrics公司)等。目前，步态分析系统，如VICON三维运动捕捉系统，都是利用红外摄像系统来实现对人体步行的在线测量，并可建立一种适合于计算机计算的人体步行模型。

为了进一步评估脊髓重建对于大型哺乳动物尤其是非人灵长类动物脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)后运动功能的改善作用，本实验采用恒河猴进行观察。VICON系统是针对人体运动捕捉的一套系统，其数据处理依赖于人体模型。而恒河猴由于体型较小，实际测量中会发生由于标记点距离过近，造成系统对标记点识别错误，从而使得VICON系统自主运算生成的运动数据与实际情况存在偏差，导致实验结果错误或不准确。不同于人类步态分析实验中的空间移行运动，实验动物是在固定位置进行重复移行运动，因此部分运动参数，如步长、步高等VICON系统无法计算。且VICON自带的数据处理系统无法脱离其硬件系统，其数据处理的通用性存在一定的局限性。针对以上情况，我们希望设计一个专门针对恒河猴步态数据处理系统，且可以将VICON系统获取的三维数据集在任何一台PC机上进行后期处理，并根据实验需要获取参数数据，而不需要依托VICON系统本身的数据处理系统，使得数据处理更灵活、便利。

本研究旨在基于Matlab建立一个适用于大型动物后肢行为学评价的步态分析数据处理系统，将VICON生成的大量原始数据进行简化，快速准确地转换为能够直观观察和分析的形式。

1 材料与方法

1.1 动物造模

健康雌性恒河猴3只，年龄约6岁，体重5～6 kg。实验时间为脊髓损伤后6周。

对恒河猴进行脊髓半侧切除手术。手术前1 d禁食、禁水。首先，对动物进行麻醉。1 ml氯胺酮肌肉注射进行诱导麻醉，2%戊巴比妥钠1～1.5 ml/kg腹腔注射，使动物进入深度麻醉。碘酒和酒精消毒，背部、后腿备皮。静脉点滴NaCl葡萄糖溶液(40滴/ min)，该溶液按每250 ml加入8.0×105单位青霉素配制。切开肩胛骨下角对应T6～T10位置的皮肤、肌肉，用骨膜起子分离骨膜，去除T8棘突，使得T7和T9部分暴露出硬脊膜，切开硬脊膜，暴露脊髓。脊髓中线偏右1 mm处半侧切除脊髓1 cm，将含活性材料的脊髓重建管置于脊髓切除的位置，缝合硬脊膜。最后，用温生理盐水冲洗伤口，缝合肌肉和皮肤，消毒后用纱布包扎。

1.2 实验设备

VICON红外摄像系统(英国Oxford Metrics公司)，包括：MX红外摄像头、MX组件、MX软件、PC主机和MX专用连接线。

1.3 数据采集

数据流框图见图1，程序流程图见图2。

图2 程序流程图

实验时，动物双侧上肢通过一个自制装置被固定，并将其放置在跑步机上。调整固定装置的高度，使动物在跑步机上保持直立状态。在测试前，进行运动训练。将荧光标记点固定在动物后肢的相应位置，分别为：髂前上嵴、髂后上嵴、大腿、膝关节、小腿、踝关节、脚后跟和脚趾。由于实验动物体型、步幅、步速均小于成人，类似于2～3岁儿童，且术后半侧后肢运动功能受损，因此必须选取起步速度较低的跑步机。本实验采用康复训练跑台，调速范围为0.2～0.8 km/h，速度分别为0.2 km/h、0.5 km/h、0.8 km/ h，每种速度测试3次，连续行走20 s为1次。

对于标记点丢失而导致的数据缺失(主要集中在残肢)，需要进行补点操作。

主要方法：①根据实验具体内容，选取行动较为正常、预计丢点不多的数据组；②利用VICON高频率(200 Hz)捕捉特点，采用中值法进行补点。

1.4 数据处理

1.4.1 软件主要开发工具和运行环境 Matlab 2009b的编程语言和相应的开发工具提供了传统的交互式编程语言、丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的Windows编程等便利工具。考虑到其绘图能力和数据处理等优越性，本研究采用Matlab作为程序编写平台。

1.4.2 系统实现的关键技术

1.4.2.1模块功能 利用Matlab中M文件编程实现。M文件有两种形式：命令式(Script)和函数式(Function)。M文件的程序结构分为顺序结构、循环结构和分支结构3种。在程序设计中，通过使用Matlab中的M文件以及程序控制结构来进行程序设计，从而可以实现系统各模块的功能。

1.4.2.2数据读取与存储 利用Matlab与Excel接口实现。Excel Link将Matlab的数学和图形处理能力与Microsoft Excel的功能结合在一起，将Matlab作为Excel的数学计算引擎。建立连接之后，Excel就成了数据处理和应用开发的前台程序，Matlab就成了支持Excel Link宏的后台软件。连接管理函数实现对Excel Link和Matlab的初始化、启动和终止。

1.4.2.3系统交互界面 利用Graphical User Interface (GUI)编程实现。实现一个GUI主要包括以下两项工作：GUI界面设计和GUI组件编程。

整个GUI的实现过程可以分为以下几步：①通过设置GUIDE应用程序的选项来进行GUIDE组态；②使用界面设计编辑器进行GUI界面设计；③理解应用程序M文件中所使用的编程技术；④编写用户GUI组件行为响应控制(即回调函数)代码。

1.5 运动学参数的计算

1.5.1 步长、步高的算法实现

1.5.1.1步长 步长是指实验动物后肢每一步跨出的长度。计算方法主要是将猴后肢脚趾标记点的数据进行处理，计算离开地面后Y前后方向上的变化值，但由于实验是在跑步机上被动行走，所以计算步长时，需要考虑跑步机带动所导致的相对位移，即在实际计算后，需要加入跑步机运动速度进行修正。

该部分代码如下：

我们经过数据预处理得到一个列数为15、行数不定的矩阵，其中a和b分别为矩阵的行数和列数，从左至右数据分别为大腿、膝关节、小腿、踝关节和脚趾，所以b-1列的数据为脚趾的Y值，即前后距离。d-c为实际位置上的距离，a/10·0.139·100为计算跑步机的修正值，a是矩阵的行数，而数据经过筛选抽样后，抽样间隔为20个数据，所以每两个相邻数据的时间间隔为0.1 s。v即为跑台速度，而该组的实验中移动速度为0.5 km/h(0.139 m/s)，原始数据单位为mm，换算之后得出：

1.5.1.2步高 步高是指动物后肢每一步离开地面的最大高度。计算方法即分别得出脚趾最高点和最低点的坐标，计算Z轴上的差值。其代码如下：

由于是计算脚趾的最高点和最低点，所以计算最后一列的数据即脚趾的Z轴数值，单纯的相减即可得出步高。

1.5.2 关节角度算法实现

1.5.2.1膝关节角度 膝关节角度是指运动中膝关节所呈现的角度。在本实验中，用大腿、膝关节和小腿三个标记点所成角度做近似代替。

计算方法采用向量乘积的逆运算方法求得。由点乘(dot product)的定义可知，向量和向量的点乘为通过逆向求解即可得出cosα的值，从而求出α的值。

1.5.2.2踝关节角度 踝关节角度是指运动中踝关节所呈现的角度。具体实验中，将小腿、踝关节和脚趾三个标记点的夹角作为其踝关节角度的替代。

计算方法由于原理和膝关节角度相同，处理方法同上。

1.5.3 步态折线图的算法实现

1.5.3.1空间折线图的实现 将后肢不同部位用不同颜色标示出来，可更好地表现出实验动物在三维坐标系下的运动。空间折线图是将实验中得到的所有后肢标记点的三维坐标数据进行相连，通过比较不同时间折线在空间中的位置来模拟实验动物后肢在空间中的位置，从而得出后肢受损和恢复状态。在程序中，将大腿、膝关节、小腿、踝关节和脚趾及其连线来表示动物后肢。实现方法主要是将这些点的三维坐标在空间坐标系中表示出来。

这部分代码具体是将之前分割的数据进行进一步处理，先采用中值法，将动物行走每步的数据分割为10帧，然后将这10个时刻的坐标点分别进行连接，从而展示轨迹。

1.5.3.2 Y-Z平面折线图 考虑到在二维的显示屏上显示三维数据的误导性，将原有数据进一步处理，即生成Y-Z平面上的图像，同时生成X方向上的偏移量。通过实验装置的固定，动物只能在Y(前后)方向上运动，X方向上的偏移较小，故其运动基本可以视为是在平面上运动，仅在Y-Z平面上的数据就基本能够满足实验的需要，再通过输出X方向上的偏移量作为检测实验数据是否异常的标准即可。

1.5.4 步态轨迹图算法实现 步态轨迹图通过将一整步中每个时间点的后肢远端(脚趾)标记点进行连线，从而得到其后肢远端在空间中的轨迹。将多步的后肢远端空间轨迹进行叠加就能够得到在一段时间内后肢轨迹的差异性和一致性，从而确定步态的重复性。采用二维步态轨迹图加上X方向上的偏移量的方式进行。

1.6 统计学分析

采用SPSS 17.0对数据进行统计学处理。对步长和步高数据进行ANOVA分析。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 步长与步高

动物健侧20 s内的步长和步高数据结果显示，三个速度下步长和步高数据间无显著性差异，表明数据模型可重复性强。见表1。

表1 恒河猴术后6周不同速度下的步长和步高(mm)

2.2 膝关节与踝关节角度

通过计算可以得到相应的角度-时间曲线图。行走过程中的角度-时间关系曲线反映了相应关节的功能情况以及关节运动随时间的变化规律[7]。对应实验视频，就可以逆向判断算法的准确性。

膝关节角度起始值均为100°左右，结束的角度均接近120°。通过分析实验视频，观察动物在行走中起步的动作(图3)，可知此时动物膝关节角度为90°～100°。所以，用算法计算所得的角度是正确的。

在实验中，由于动物上肢被捆绑，无法像正常动物行走时那样身体前倾，因此，迈步时只能通过后肢前伸，有时来不及屈膝就接触到地面，而不易像正常行走时那样迈步，所以接触地面时的角度约为120°。

与预期不同，踝关节角度基本大于90°(图4)。通过分析数据和实验中的观察，其原因有两个：第一是由于跑步机速度较快时，为保持重心，动物往往健侧的腿还没有到达身体后方就将脚前伸；第二是计算踝关节的角度采用小腿、踝关节和脚趾作标记点。由于动物后肢较细小，为固定好位于小腿外侧的小腿标记点，位置普遍偏后，这样就导致所测得的数据较实际数据略微偏大。

图3 速度0.8 km/h膝关节角度叠加图

图4 速度0.5 km/h左踝关节角度

2.3 空间折线图

相对于之前的三维折线图(图5)，二维折线图(图6)的表现力略有加强。二维折线图不如三维折线图提供的信息丰富，但是在反映后肢的运动方面却强于三维图像。通过实际观察与数据计算比对，我们发现动物在正常行走过程中X方向的偏移量通常不超过5 cm，这也从侧面说明二维折线图能够完成后肢空间轨迹的表现。

图5 空间三维折线图

图6 二维折线图

3 讨论

本实验实现了恒河猴后肢步态分析处理系统算法的编写，并基于Matlab搭建了相应的软件系统。该系统能够通过Matlab将VICON系统采集的大量原始数据通过Excel直接进行处理。Excel不仅具有强大的高质量图形功能，还可以明显地降低复杂应用程序耗费的执行时间。Excel Link允许在Matlab和Excel之间进行数据交换，在两个功能强大的数学处理、分析与表示平台之间建立无缝连接。可视化的数据处理环境是进行数组编辑的最佳选择，而Matlab则可作为数据分析和可视化的引擎。任何输入到Excel环境的数据都可以直接进入Matlab进行处理，而这一过程完全是“现场”处理的，没有任何中间文件，也不需要进行编辑工作。

除了对运动学参数进行计算，本实验还对后肢的步态轨迹描绘和空间折线描绘进行了初步研究。其中步态轨迹描绘与通过实际观察得到的动物行走规律相比较，发现其后肢远端标记点的轨迹具有良好的重复性，计算结果与实际观察一致，验证了程序基本能够满足运动叠加功能的需求。

但空间折线描绘还需要进一步完善，需要在以下几个方面加以改进：①制作空间折线图，可结合3Dmax等CAD类软件；②在选取原始数据时需要慎重考虑标记点的问题，例如小腿的标记点在计算关节角度时起很大的作用，但是在折线图展示中却增加了观察障碍；③在今后的实验中，需要严密注意各个标记点的位置，尽早调整偏移的标记点。

总之，本实验计算得到的参数和轨迹描绘可基本满足目前非人灵长类动物后肢行为学评价的基本需求。但由于受目前行为学实验评价方法所限，仅对运动学参数进行了处理和计算。行为学评价实验还需要不断改进，如增加相应的力学测试、系统进一步升级、完成相应力学参数的计算和建模等。

[1]桂彦.基于人体运动跟踪技术的步态分析[D].长沙:中南大学,2008.

[2]周鹏.德国牧羊犬步态分析及运动仿真[D].长春:吉林大学, 2007.

[3]古恩鹏,刘爱峰,金鸿宾,等.步态分析在临床骨科与康复中的应用[J].中国中西医结合外科杂志,2011,17(3):335-336.

[4]Apkarian J,Naumann S,Cairns B.A three-dimensional kinematic and dynamic model of the lower limb[J].J Biomech, 1989,22(2):143-155.

[5]Mann RW,Antonsson EK.Gait analysis－precise,rapid automatic,3-D position and orientation,kinematic and dynamic[J]. Bull Hosp Jt Dis Orthop Inst,1983,43(2):137-146

[6]韦启航，陆文莲，傅祖芸,等.人体步态分析系统综述[J].中国科学院研究生院学报,1991,8(2):94-106.

[7]夏清,穆景颂.三维步态分析在偏瘫康复中的研究进展[J].安徽医学,2011,32(4):553-555.

Processing of Gait Data of Hindlimbs of Spinal Cord Injured Rhesus Monkeys

SONG Wei,ZHAO Wen,WEI Rui-han,et al.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

ObjectiveTo establish a new processing method for gait data on Matlab to evaluate the hindlimbs behavior of non-human primates.MethodsGait analysis was tested on three rhesus monkeys 6 weeks after spinal cord injury,and kinematics data of hindlimbs were obtained using the VICON system.The raw data of kinematics were filtered and extracted,which were achieved through VICON 3D motion capture system with the Excel link combining Matlab with Microsoft Excel,and calculated in the Matlab environment.ResultsThe kinematic parameters such as step length,step height,knee joint angle,and malleolus joint angle were gained by calculating.The mean values of step length(F=2.869,P=0.088)and step height(F=1.148,P=0.344)showed no significant difference at three speeds,which implied a higher repeatability of the data model.Angle-time curve reflected the joint function and movement.This system initially described the foot gait trajectory which could be used in gait repetitive analysis,and also generated the gait 2D/3D trajectories of hindlimbs.ConclusionThe implement of these functions makes the post-processing of data more flexible and open whitout VICON system,and the calculated parameters and space tracing of gait trajectory basically meet the need of hindlimb behavior evaluation for nonhuman primate.

non-human primates;gait;data processing;Matlab;gait parameters;gait trajectory;monkeys

R651.2

A

1006-9771(2013)08-0734-05

2012-12-17

2013-03-25)

国家科技支撑计划项目(No.2012BAI17B00)。

1.首都医科大学康复医学院，北京市100068；2.中国康复研究中心康复工程研究所，北京市100068；3.北京航空航天大学生物医学工程学院，北京市100191；4.国家康复辅具研究中心，北京市100176。作者简介：宋伟(1963-)，女，北京市人，副教授，高级工程师，主要研究方向：生物医学工程、康复工程。

10.3969/j.issn.1006-9771.2013.08.006