基于网络的人体下肢运动学数据库软件的开发与应用

周 海，刘涛然，翁秉豪

1 上海宁和投资管理有限公司，上海市，200070

2 上海赛科利汽车模具技术应用有限公司，上海市，201209

3 上海市医疗器械检测所，上海市，201318

基于网络的人体下肢运动学数据库软件的开发与应用

【作 者】周 海1，刘涛然2，翁秉豪3

1 上海宁和投资管理有限公司，上海市，200070

2 上海赛科利汽车模具技术应用有限公司，上海市，201209

3 上海市医疗器械检测所，上海市，201318

该文研发了基于网络的人体下肢运动学数据库软件。主要介绍了软件的技术特点和功能，设计思路及工作流程。此软件用来存储各种人体运动中的下肢运动学数据，对存储的大量下肢运动学数据进行统计，从宏观上指导医生进行临床治疗及术后康复，对术后病人的下肢活动能力进行评估，帮助医疗器械厂商进行下肢关节假体设计，为人体工程学相关的产品研发提供技术支持。

下肢；运动学；ASP；数据库

0 引言

越来越多的骨科植入物被应用于临床，例如常见的螺钉、接骨板，甚至复杂的人工关节类假体等产品，骨科植入物临床使用量的猛增与手术难度的大幅提高，带来的直接结果是失效形式花样迭出，再次治疗越来越复杂，同时给术后康复带来巨大的难度[1-2]，如何科学有效地制订康复计划、评估康复效果，需要下肢运动学数据的指导，而国内目前并没有该类数据库可供使用。

我国人口基数很大，在交通、建筑、工作环境及人口老龄化等危险因素的共同作用下，每年都产生数量巨大的关节疾病患者，这些国内患者大都使用国外的关节假体。而国外假体产品的活动能力与国人的运动需求存在一定的差异[2-4]，因此开发适合国人的关节假体同样需要人体下肢运动学数据的支持。

以上的实例显示出收集大规模的人体下肢运动学数据的重要性。为此，我们希望建立一款软件科学有效地处理国人的下肢运动学数据，存储、统计这些数据。这款软件的基础功能，通过网络实现数据的共享。使数据得到广泛传播和应用是软件的主要目的，它能够为术后康复、下肢关节假体设计、体育运动科学及人体工程学等领域提供技术支持。由此可见，我国人民生活质量、科学技术都对这些数据有着强烈需求，该款软件的研发具有重要的使用和社会价值。

1 基于网络的人体下肢运动学数据库软件的开发

1.1 软件的技术特点及功能设计

软件使用流行的Browser/Server（B/S）架构，数据库系统使用了微软公司的Microsoft Access，网络编程语言也使用了微软公司的ASP语言，与作者之前研发的基于WEB的骨科植入物失效数据库所采用的技术一致[5]，有快速开发、维护容易、扩展便捷的突出优点。在Windows和Linux操作系统下建立ASP服务器，用户使用网络浏览器输入对应的网址即可进入软件，因为同常见网络类软件的使用方法相似，因此应用起来很便捷，不需花费时间进行专门的培训。

人体下肢运动学数据库软件的主要功能包括两大方面，分别是数据库存储功能和下肢运动学数据统计功能，其中数据库存储是软件最基本的功能，而数据统计分析功能是基于数据存储的进一步功能扩展。软件共有11个功能模块，功能结构图参见图1。其中，主要功能模块是与运动学数据相关的操作模块，包括：下肢关节录入、运动行为录入、运动数据录入、数据搜索、数据管理维护及数据统计分析这6个模块；软件系统功能包括数据备份、数据恢复和系统设置、用户及权限管理、密码修改这5个模块。

1.2 软件的数据结构

软件包括7个数据表，其中XZYDX_Data表是核心数据表，记录数据库中的运动学数据。每条记录包括121条信息，其中每条测量的运动数据至少包括101个字段，其余还包括ID、收集时间、被测量对象姓名等相关字段，目前共有121个字段，因此这个表较庞大，所占空间较多；数据库以二进制流的存储方式在XZYDX_Pic表保存图像信息，图片文件通常较大，因此该表占用的空间较大。XZYDX_Power等其余的表存储了用户使用权限、系统信息发布内容等数据。

软件的7个数据表及之间的数据流关系参见图2，其中系统配置表（XZYDX_Sysconfig）是调整软件系统配置的，与系统通知表（XZYDX_Notice表）、用户登记表（XZYDX_User_Info表）、使用权限表（XZYDX_Power表）和在线用户情况表（XZYDX_ User_Online表）之间都存在关联，进行数据交换。运动数据信息表（XZYDX_Data表）与运动图像资料表（XZYDX_Pic表）和用户登记表（XZYDX_ User_Info表）存在数据联系，与用户使用权限表（XZYDX_Power表）存在间接数据联系。

图1 人体下肢运动学数据库软件功能图Fig.1 The function diagram of the software

图2 人体下肢运动学数据库软件的数据关系Fig.2 The data relationship chart of the kinematic database software of lower limbs

2 人体下肢运动学数据库软件的业务功能

2.1 下肢运动学数据录入前的操作

推荐使用者选择与IE兼容良好的浏览器，例如较新版本的360安全浏览器和Firefox浏览器等，软件的访问地址为localhost/文件夹名(为可任意命名的数据库所在文件夹)，这样即进入软件登陆页面，页面居中位置有登陆输入项，使用者通过注册认证，则可以输入用户名和密码进入数据库软件的功能界面，如图3所示，页面最上方横向排列的是菜单栏，进行主要功能选择，下方紧挨着的是滚动的系统消息栏，再下方是每个功能页面的子菜单栏，中间是数据显示和具体功能的操作界面。添加运动学信息之前，需要预先将相关信息添加完毕，必要的信息项包括：运动类型、下肢关节和关节相位三项，如果之前录入过这些信息项，则可略过此步。

2.2 下肢运动学数据的录入

登录数据库软件后，默认进入的就是数据查询的界面，因为查询是使用最频繁的功能，点击添加数据按钮，则可进入下肢关节运动学数据录入页面，数据录入分两步，第一步要输入运动学数据的情况信息，包括运动关节、关节相位、运动类型、采集时间、被测量者信息等，如图4所示，输入后点击添加按钮，这样运动学情况信息便存储在软件的数据库中。第二步需要将存储在Excel表中的连续运动学数据输入进去，点击批量输入按钮，然后将Excel表格放到系统要求的文件夹中，点击输入即可完成数据的导入。当前数据库中已经存有一批国人的下肢运动学数据，运动类型包括：步态、慢跑、楼梯行为、上下坡及其骑车、插秧等[6-8]，部分数据已经应用于临床假体失效分析和假体设计[9-12]。

按照统计的需求，还可以录入被测量者的国别以及健康状况等信息。由于软件是使用ASP语言开发的，本身有良好的可修改性和可扩展性，如果将来需要增加录入其他信息项，或者与其他系统相衔接，根据需要对数据库及软件代码进行少量修改即可。

图3 软件的使用界面截图Fig.3 The screenshots of user interface of software

图4 数据录入界面Fig.4 The input page of kinematic data of software

2.3 下肢运动学数据的查询、管理

软件内置的数据管理模块能够对在库的下肢运动学数据进行常规操作，有权限的用户可以按需对数据进行更复杂的操作，如果以前录入过的数据存在信息不正确的情况，或者某些运动学数据未能完整地包括有效信息（因为运动学数据可能来源较为分散，多来自科研、医疗和监管等机构），由此软件必须能够对非正常数据进行修正补充，甚至具有数据退回的功能。

为此软件包含了整套运动学数据管理功能，可以在数据检索和管理时发挥作用。在数据检索时，用户需预先设置多级检索目标，实现对运动学数据的快速查询，最后查询到的结果按事先设定的要求列出，用户可以使用多选功能查阅选定所需数据，但数据只提供浏览，禁止进行修改。当进行数据管理时，只能由系统管理员登录操作，能够进行数据搜索，但增加了修改数据的功能，对信息不完善和明显有误的数据进行补充，或修正错误数据，也可以删除无效数据。

2.4 下肢运动学数据的统计

运动学数据是人体关节在一段时间内连续运动的空间位置数据，通常一个关节对应3个相面（每个相面有2个活动方向），即每个关节有3组运动数据，每组数据每秒包含50个有效的空间数据，因此数据量颇大，凭借软件内置的数据处理模块能够高效科学地对运动学数据进行统计，并给出统计结果。统计的结果以两种方式提供：图形式结果和表格式结果，表格式的统计结果适用于制作报表，图形式统计结果是当前比较受欢迎的、直观的统计表达形式。本软件包括曲线图、直方图及饼图，其中曲线图专门用来统计下肢关节的运动规律曲线，例如用户可以选择曲线图按照不同年龄组来查询步态运动中的各个关节的运动规律，则能够显示对应关节在该动作一个运动周期内的连续曲线，如上图3所示曲线为步态运动中膝关节的矢状面运动曲线。直方图用来显示当前数据库中的所有下肢运动种类，及其每种运动所包含的样本数量。另外，使用饼图来查询统计被测量对象的情况，可以显示全部测量的样本数和不同年龄组别中的被测量者的人数及所占比例。

在以后的改良版本中，希望软件能够逐步完善功能，例如提供查询不同因素之间关系的散点分布图的功能，该图能够直观度量两变量间的关系强弱，这样软件能够按照患者年龄联合各种运动进行散点分布统计查询，以确定各种运动特点与年龄的对应关系。

2.5 数据库软件的服务对象

医生指导骨科患者进行术后康复训练需要使用这些数据，该软件能够直接为他们提供依据，医生可以根据不同年龄段的病人，查询不同运动中各个关节的运动数据，具体的数据能够指导医生有针对性的帮助病人制订安全有效的康复训练计划，对各种不同活动能力的病人进行运动掌控，避免病人进行危险运动和过度活动。如果软件在以后能够提供康复信息交流功能，医院联网使用该软件，可以上传和共享这些合理有效的康复方法，则会最大化发挥软件的使用价值。同样，临床医生也可以查询软件，掌握人体下肢的运动规律，找出各个关节的危险运动时刻和位置，制订更加合理的手术方案，给病人提供高质量的手术。

另外，下肢运动学数据是动作域类的人体工程学基础数据，因此软件对于工业领域设计符合人体工程学的产品具有指导意义，例如可以根据这些数据，为产品设计合适的操作位置并生产使用舒适的产品；同时，关节假体厂商设计人工关节也可以参考这些数据，研发避免运动失效和长寿命的关节假体，针对已有的问题进行产品改良，做出更加适合中国人种使用的人工关节。

3 总结

当前云数据和大数据得到越来越多人的认可与使用，我国也大力提倡使用大数据技术，我们顺应时代要求，研发的网络化人体下肢运动学数据库软件能够存储下肢在各种运动中的活动数据，归纳总结各种运动条件中的下肢关节活动特点，提取并统计出重要数据。其自身基于并利用网络的先进性，实现数据共享，服务于各行业，例如用来帮助医生评估手术效果、制订临床康复计划、改良医疗器械和人体工程学产品设计等，因此该软件具有广泛的用处和社会价值。但如何使软件得以推广，使运动学数据得以高效的利用是最迫切的问题，可以在推广期免费对用户开放，增加用户数量和影响力。如果软件能得到各行业的支持，得到更多医院或者相关假体厂商的数据共享，将会获得大量宝贵的数据资源。最后，希望该软件可以在医院、医疗器械厂商、科研部门等行业率先广泛使用，发挥其大数据的作用，加快我国科研、医疗卫生行业的数字化步伐。

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Development and Application of the Kinematic Database Software of Lower Limbs Based on Internet

【Key words 】ZHOU Hai1, LIU Taoran2, WENG Binghao3
1 Shanghai Ninghe Investment Mangement Co. Ltd., Shanghai, 200070
2 Shanghai Superior Die Technology Co. Ltd., Shanghai, 201209
3 Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Devices , Shanghai, 201318

lower limbs, kinematics, ASP, database

TP274.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.003

1671-7104(2017)03-0166-04

2016-11-08

国家自然科学基金（51375304）

周海，E-mail: 1507308@qq.com

翁秉豪，E-mail: 13916696726@139.com

【 Abstract 】In current study, we develop a new kinematic database software for lower limbs based on internet. This article present technical features as well as functions of the software, further present the development idea and working process. This software can be used to store kinematic data of lower limbs in any motion state, and take data statistics, from macro perspectives, it works for doctors to improve the clinical treatment level and rehabilitation training, evaluate the motion ability of lower limb of patient, help industry and medical device manufacturers with lower limb prosthesis design, it also can provide technical support to the production's ergonomic design.