BTS三维运动分析系统及EMG在临床及运动训练中的应用前景展望

BTS三维运动分析系统及无线表面肌电测试系统（EMG）在国内临床及体育科研中的应用前景展望前言：结合本人三年的临床工作经验及相关领域的了解，三维运动分析系统及EMG在国内临床及体育科研中的具体应用尚属于空白，或者说半空白状态，国内起步晚，目前有在使用的医疗机构或科研单位少之又少，而在发达的欧美国家，起步于80年代，目前仪器及应用技术已相对成熟，近年来随着我国医疗水平及运动训练水平的不断提高，也急需有操作简单，使用方便快捷，客观精确的动态分析仪器及多数据同时处理的软件系统来辅助医生及科研人员进行更客观精确的临床诊断治疗和体育科研活动，以提高医疗技术水平及科学运动训练水平，促进康复，功能评定的发展及提高运动成绩，减少运动损伤等。

目前国内越来越多的医疗机构和科研单位正逐步开始使用三维运动分析系统及EMG系统，所以国内市场潜力及前景一片大好。

但前提是一定要把该产品的核心特点及实用的具体功能充分挖掘出来，并结合临床和体育科研的实际需求，找到一个好的结合点，让使用者简单方便的把产品的实际功能服务于具体的临床及科研活动，例如定量评定人体颅脑损伤、中枢和周围神经系统损伤及骨关节病损的患者，制定康复治疗、训练计划、评定康复疗效、定做支具和矫形器，运动损伤监测，运动能力提高等提供客观依据。

最终实现医院患者公司三方共赢。

主要内容：一、产品组成、原理、特点、亮点、适用领域二、三维步态分析系统及EMG简介三、临床及体育科研应用四、应用举例五、模块建设六、未来展望一、产品组成、原理、特点、亮点、适用领域（一）产品组成及原理主要硬件部分：三维步态分析仪、测力平板、无线表面肌电仪（EMG）、工作站等主要软件部分：采集及分析软件等1、高清红外摄像头：适用于任何形式的动作并进行精确分析。

2、步行平台：整合测力平台，方便测量。

3、测力平台：两个多轴测力平台可以测量地面反作用力，中心压力（COP）坐标及扭矩。

并结合步态分析，计算关节间受力时间及大小。

4、视频录象：两个视频采集器，可从不同角度实现实时步态显示。

5、显示屏：60寸大离子显示器，可监视所有收集到的各种信号。

6、无线EMG信号采集器：8个小巧，有无线WIFI技术的EMG信号采集器，结合三维步态分析系统使用，实现肌电信号和步态数据同步记录和数据处理，并记录肌电信号在步态循环中出现的具体时间。

7、EMG存储工作站：存储EMG信号，含内置电池，保数据不丢失。

8、EMG掌上电脑：无线触摸，接受EMG采集器信号后无线传输到工作站。

信号范围支持50m，可实时显示肌电信号。

9、工作站：最多可支持24台摄像头连接，可同时接收，整和，同步处理所以信号，内置标准时钟，保证长时间数据采集时所以数据的同步化，保证所以数据的相关性。

10、监察显示器：24寸HD显示器，同步显示步态，动态，以及肌电信号，并根据各个角度的摄像头绘制步态模拟图片。

11、软件系统：三种分析系统，针对三维运动、临床分析和体育运动。

（二）产品特点1、硬件特点：(a)、实时数据采集与处理的高分辨率红外摄像头，多角度三维动态信息捕获，校准快捷，误差小于0.1mm，不受光线强弱影响，可在室外赛场跑道使用;(b)、工作站可同时整合步态分析，肌电信号，测力平台，带传感器跑步机等同时处理和分析;(c)、EMG无线采集器小巧轻便，真正实现无线技术无障碍远距离传输，无线采集器跟EMG接收器可50m内实现无障碍传输，而EMG 接收器信号也可传输至350m内的工作站。

2、软件特点：(a)、可将正在分析的项目通过打印机快速打印输出为个人报告；(b)、报告的件数、版面、内容等都可以任意的定义和修改；(c)、模拟信号设备采集到的信号与运动学数据可做同步化集成分析。

提供标准图标数据模块，简化操作，自动制作并显示完整动作分析所得数据，步态信号，肌电信号，足部受力分析等同步分析显示，可快速得到个人报告。

3、硬件系统特点：(a)、红外摄像头：串联方式：支持多个工作站同时侦测标记点数：无限制数据预览：全帧图象分辨率：640*480最大采样频率：1000Hz精确值：小于0.2mm（4*3*3空间中）数据传输技术：千兆以太网（b）、EMG无线采集器：采集频率：4KHz数据传输：无线IEE802.15.4（传感器—接收器）传输范围：无障碍情况下50m电池使用时间：5小时不间断数据记录，待机5天存储器：实时固定缓冲存储（c）、EMG移动接收器：EMG通路数：接收16个无线传感器信号数据传输：无线WIFI标准802.11b(接收器—工作站)显示屏：4英寸VGA触摸屏电池使用时长：9小时传输范围：30—380m（室内外）（接收器—工作站）4、软件系统特点：基本分析：三维XYZ绘图、步行及摆动速度、关节角速度、受力中心、垂直受力、前后运动指示、COP、扭矩Mz,肌电信号强弱等.统计分析：步宽、步长、步态站立期、摆动期、双脚支撑期、步态周期、节律、身体摇摆，三维空间力量参数，中心压力（COP）扭矩Mz，肌电信号强弱等值的标准化、平均值离散、系数等的计算。

对比：覆盖图，运动图，多数据分析对比及重放。

输出数据：XY绘图、XYZ绘图、图表、数据列表数字化：自动跟踪，反向自动跟踪，多标记自动跟踪、位置预测、自动插值、操作数字化等。

（三）产品亮点1、方便快捷：BTS运动分析系统可适用多种空间，从8m*5m空间到运动场，也不受光线强弱的影响。

适用范围广，小到医院科室或实验室安装，大到在运动场，赛场，跑道对运动员训练进行实时监测。

2、优越的数据再生能力：可实时分析处理数据，患者不需准备，半小时内医生可得到所以诊断及确定治疗方案的各类数据，集成步态数据库，方便患者历史记录及出报告系统。

3、高精确性：高清红外摄像头，最大误差在0.1mm内。

目前世界最小的WIFI EMG，对身体无创数据精确，误差小于0.7毫伏。

适用于所有病人及病情。

4、使用简单：医生等不需要长时间培训产品使用方法，操作简单，患者信息，数据信息一目了然，有视化标准图标数据模块，提供不同人群及病理的清晰统计分析，步态信号与肌电信号同步分析并显示。

轻松快速出个人报告。

（四）适用领域1、医院（骨科、康复科）2、康复中心3、残疾人康复中心4、支具矫形中心5、支具矫形器康复器械研发中心6、体育局运动训练中心7、高等体育院校、竞技体校8、体育科研中心9、运动医学生物力学实验室10、高档健身中心二、三维步态分析系统及EMG介绍（一）三维步态分析系统简介1、步态：步态是人体结构与功能、运动调节系统、行为及心理活动在行走时候的外在表现。

任何神经、肌肉，骨骼、骨关节疾患都可能导致步态功能异常或障碍。

步行的正常参数●步长：0.75m●步幅：1.5m●步频：110步/分●步速：1.3m/s或5km/h正常步行的关节活动范围：髋关节膝关节踝关节跖屈背伸步行中骨盆倾斜角2、三维步态分析：是研究步行规律的检查方法，旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的关键环节和影响因素，从而指导康复评估和治疗，也有助于临床诊断、疗效评估、机理研究等。

三维步态分析系统是一种新兴的步态分析的手段，具有客观、定量、准确的特点，目前逐渐被应用于骨科康复、神经康复、矫形外科等领域。

3、三维步态分析主要内容：(a)、时间—距离参数包括步长、步宽、步幅、步向角、步速、步频、步行周期、支撑相时间、摆动相时间等。

(b)、运动学参数步行中髋、膝、踝等关节的运动规律（角度，位移、速度、加速度等），骨盆倾斜和旋转、身体重心变化规律等。

(c)、动力学参数引起运动的力学参数，包括地板反作用力，即足部受力，受力中心，前后运动指标，垂直受力大小，以及中心压力（COP）(Px,Py)和扭矩Mz。

（下面为行走时下肢每块肌肉受地板反作用力示意图。

）（d）、肌电活动参数上下肢活动过程中上下肢主要肌肉的电生理活动指标。

4、三维步态分析的主要作用：⏹帮助我们更直观客观的捕获步行中各项运动轨迹及具体参数。

⏹具体分析对比关节活动范围，COP，三维空间参数等，为研究异常步态等活动提供多参数及客观依据。

⏹辅助功能测评及制订康复训练计划。

⏹辅助矫正不规范动作，提高运动能力及成绩。

⏹研究各异常活动关节活动范围，建立异常运动分析统计模块。

5、三维步态分析的应用范围：⏹临床诊治及研究（骨科手术前后，康复科异常步态纠正等）。

⏹体育科研（运动损伤预防、恢复训练，姿势、力量训练等）。

⏹支具矫形器研发中心。

⏹运动医学（生物力学研究实验室）。

⏹高档健身中心（指导力量训练）。

（二）EMG简介1、肌电图(EMG)：是用来记录和分析肌肉收缩时发出的肌电信号的工具，其目的是对肌肉功能和神经运动控制进行分析和研究，研究骨骼肌的功能和其之间的协同活动。

其目的是为了分析不同运动和姿势的骨骼肌功能及它们的协同活动。

康复和运动医学领域利用其对残疾人和受伤运动员的功能进行评估，并修改治疗方案。

肌电图记录的是骨骼肌的兴奋－收缩耦合，所以肌电图代表着肌肉的收缩。

EMG提供了一个可观察神经系统的窗口。

2、肌电信号：3、EMG的操作程序为了满足临床及运动医学生物力学研究的需要，表面肌电图一般操作程序如下：⏹肌电采集⏹信号处理⏹比较分析⏹数据报告4、实时同步采集由于采集的是运动中或不同姿势下的肌电信号。

我们必须保证肌电信号能实时同步的在电脑屏幕上反映出来，然后由操作者自行选择记录与否。

5、信号处理：（a）、整流Rectification：（b）、平滑Smothing：BTS肌电图软件有3种平滑方式：Mean平均值、Mean Absolute绝对平均值、RMS(Root Mean Square)均方根。

（c）、滤波Filtering：⏹高通滤波⏹低通滤波⏹带通滤波⏹蝶值滤波⏹中值滤波⏹截至滤波（d）、振幅标准化Amplitude Normalization：⏹由于是采用表面电极，所以影响肌电图的因素有很多。

例如电极的摆放位置、皮肤处理的好坏等。

⏹所以我们通常要采用某种方法来消除上述的客观因素，来使不同的两次测试结果之间存在可比性。

⏹通常我们都采用MVC(Max V oluntary Contraction) Normalization的方法。

(e)、肌电信号的时域分析EMG signal analysis in time domain：时域分析：是最直接的肌电信号分析方法，用于刻画时间序列信号的振幅特征，将肌电信号表达成记录点的电位－时间曲线。

时域分析的主要参数：⏹积分肌电值（integrated EMG，iEMG）⏹平均肌电值（average EMG，AEMG）⏹均方根值（root-mean-square，RMS）⏹峰值（peak value）在临床和康复医学研究中，常被应用于实时、无损伤地反映肌肉活动状态，其数值变化通常与肌肉收缩力大小等有关。