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。

（f）、肌电信号的频谱分析Spectral analysis of EMG：
频域分析：主要方法是对ｓＥＭＧ信号进行快速傅立叶转换（fast Fourier transformation，FFT），获得ｓＥＭＧ信号的平均功率频率（mean power frequency，MPF）和中位频率（median frequency，MF），用来定量描述ｓＥＭＧ信号功率谱曲线的转移或者各种频率分量的相对变化，通常与肌肉功能状态即疲劳程度有关。

6、肌电图的主要作用：
⏹它能帮助我们“看”到肌肉。

⏹它可以测试肌肉的功能。

⏹建立康复治疗和训练方案。

⏹帮助受试者“找到”和训练他的肌肉。

⏹分析和提高运动能力。

⏹监测肌肉在人类工程学研究上的反映。

7、肌电图的应用范围：
⏹临床诊治及研究（骨科、功能康复科、步态分析系统中）
⏹康复训练
⏹器械研发中心
⏹运动医学（运动训练，生物力学研究，运动员力量训练）
三、临床及体育科研应用
（一）临床应用
1、骨科
（a）、掌握病情严重程度：
通过三维步态分析，患者步态参数与正常值的偏差程度可以提示病情的严重程度。

可以作为骨科患者术前、术后疾患程度、治疗效果的定量评价指标。

(b)、判断治疗效果：
以骨科手术人工全髋关节置换术为例，手术前后进行步态分析对比，可发现患者术后步长、步速、步频、支撑相时间等参数是否改善。

(c)、骨科具体应用举例：
股骨头坏死中晚期、髋关节置换术前后、膝关节置换术前后、股骨头坏死植骨术前后、股骨颈、股骨干骨折内固定术后、胫腓骨骨折术后、髋臼、骨盆骨折术后、肱骨、尺桡骨骨折术后，儿童肱骨下段骨折术后、韧带重建术后、肩部损伤、腰椎间盘突出症、椎管狭窄、脊柱裂、踝关节扭伤、肌肉萎缩、痉挛、脊柱侧弯、关节先天畸形等。

2、康复科
（a）、评定肢体残存的功能水平（肌力分级评定、关节活动度、几级残疾评定等）
（b）、辅助诊疗、协助制定康复治疗方案（对比正常参数计划）（c）、评价康复治疗效果（行走能力、关节活动范围等）
（d）、辅助康复训练（肌力训练、平衡能力训练等）
康复科具体应用举例：
脑中风、颈以下瘫痪、偏瘫、异常步态疾患（踝背伸肌无力、伸
膝肌无力、髋外展肌无力、足内翻、帕金森慌张步态等）、上下肢肌肉萎缩、小儿麻痹症、脊柱侧弯、颅脑、中枢及周围神经损伤等。

3、手外科
手的功能占整个上肢功能的90%，占全身功能的54%。

但手指运动比较复杂，有些手指运动如拇指对掌运动，至今尚无被人们普遍接受的精确测量方式。

这对外科手术的方案制定，术前功能预测，术后功能判断等带来了一定程度的影响。

拇指运动为例，有桡侧外展（伸）、掌侧外展（展）、背侧内收（收）、尺侧内收（屈）、轴向旋转。

随着三维运动动态系统的发展及器械的广泛应用，对手的三维运动与检测的研究肯定或逐渐得到发展，为临床和手外科诊疗和科研提供了工具。

BTS运动分析系统将在手指运动三维检测中发挥重要作用。

手外科具体应用举例：
臂丛神经损伤、尺神经损伤、桡神经损伤、痛风、风湿气、类风湿性关节炎、颈椎病引起的手麻木及手指功能障碍、偏瘫引起的手指活动功能障碍、手指矫形术前术后等。

4、矫形外科
三维步态分析可将矫形外科检查中沿用以久的定性分析及直观描述转换成客观、精确的定量分析，因此，将来在矫形外科中应用会越来越广泛。

矫形外科具体应用举例：
脊柱侧弯、小儿麻痹症、先天性马蹄足、先天性足内翻、异常步态疾患等。

5、假肢、支具及矫形器装配及训练
通过三维步态分析，可以判断我们安装的假肢、支具或矫形器是否已达到了我们的所需要求以及指导患者科学系统训练，避免损伤的发生。

要想获得理想的装配效果，必须由康复医师、装配技师、患者三方面协作，同时再辅以三维步态定量分析手段。

利用步态分析，可以对下肢假肢代偿功能的评定提供客观可靠的依据和指标。

例如下肢膝上、膝下永久假肢装配后会产生异常步态，通过步态分析，可以从假肢及人体解剖学角度分析出异常步态度产生的原因，从而更好的改正假肢的性能和指导患者的步行训练。

假肢、支具及矫形器装配及训练的具体应用举例：
膝关节假肢、踝关节假肢、前臂假肢、上肢假肢、髋关节假肢、手指假肢、腕关节假肢等。

6、假肢、支具及矫形器等康复器械研发
我国假肢、支具、矫形器等行业离国外发达国家同类产品相比，还有不小差距，除了制作材料和工艺外，与国内厂商在产品研发设计中的技术手段相对比较落后有关。

目前国内大多厂商在研发下肢康复产品中，仍然采用定性的分析方法，很少采用定量手段。

如果充分运动起BTS三维步态定量分析系统所提供的各项具体参数，无疑将会极大提高产品研发效率和提升产品的质量水平，使产品更吻合患者使用，促进功能康复及减少损伤等。

假肢、支具及矫形器等康复器械研发的具体应用举例：
膝关节假肢、踝关节假肢、髋关节假肢等研发。

7、体育科研
（一）、运动创伤的康复及预防：
对运动创伤进行分析，判断损伤程度，制定康复训练计划，并提出预防损伤的方法。

运动创伤的康复及预防的具体应用举例：
踝关节扭伤、腓肠肌拉伤、缝匠肌拉伤、股四头肌拉伤、腘绳肌损伤、半月板损伤、韧带拉伤、手指挫伤等。

（二）、提高运动成绩：
对运动方式进行分析，从人体生物力学角度对其进行运动指导，以提高运动成绩。

例如指导训练肌肉的协调性，关节活动幅度等。

提高运动成绩的具体应用举例：
肌肉协调性训练、肌肉力量训练、运动姿势、重心、动作幅度训练等。

四、应用举例
（骨科应用简介、康复科应用详介）
1、大转子骨瓣治疗股骨头缺血性坏死手术前后三维步态简要分析：
以坏死分期Ⅲ期的股骨头缺血性坏死患者为例，采取大转子骨瓣移位治疗,于手术前后采用三维步态分析系统进行步态分析，术前患者呈臀中肌步态、短腿步态、减痛步态及屈髋肌无力步态,术后1年病理步态一般会明显改善。

术后1、2年,患者步频、步速、步长及髋、膝、踝关节活动度均较术前明显改善,加速度-时间曲线:术后1、2年,患肢前进方向加速度的站立相负波及棘波较术前明显减小;摆动相
出现双峰波,术前为3个正相波。

所以应用三维步态分析可以对股骨头缺血性坏死患者进行功能量化评价,较准确了解髋关节生物力学变化。

2、偏瘫的三维步态详细分析研究：
2.1 时间-空间参数研究：
偏瘫患者步态步宽加大，步长、步幅缩短，步频降低，步速减慢，足偏角大。

正常人跨步长为156cm，偏瘫患者的患侧肢体经康复训练后，跨步长可明显提高。

正常人步频为95-125步/分，偏瘫患者步频为40-75步/分。

正常人步长为50-70cm，而偏态步态的步长平均为
40cm。

偏瘫患者步速与平衡功能、活动能力、下肢的运动功能等均与高度相关。

脑卒中偏瘫患者的步行能力与其躯体运动学特征的相关密切，并且显示其步行能力与躯体侧方运动呈负相关，而与其躯体垂直运动呈正相关。

偏瘫患者的步速(反映步行能力)与骨盆运动之间呈负相关，其步行能力与骨盆的旋转运动之间的相关有显著性意义，其躯体运动特点是：躯体运动表现为大范围的侧方运动和骨盆旋转、小范围的垂直运动和躯体运动的不对称，提示躯体的协凋性训练和骨盆的控制性训练对改善脑卒中偏瘫患者步行能力的重要性。

2.2 步态周期参数研究：
偏瘫患者步态周期为2.3士0.8s，明显大于正常的1.2士0.1s。

而偏瘫患者患侧站立相为67% ，摆动相为33%，而健侧站立相为80 %，摆动相为20%。

有人研究显示，在自然行走过程中，偏瘫患者双下肢
的单支撑期和摆动期的明显缩短是导致患者步行周期延长,步态异常，步速减慢，步行能力下降的根本原因，提示增加单足支撑训练是改善患者步态和步速的有效方法。

2.3 下肢关节角度参数研究：
偏瘫患者下肢髋伸展、膝屈曲和踝背伸不对称是描述偏瘫下肢运动不对称的有价值的指标。

偏瘫患者的髋伸、膝屈与踝背屈均受到限制其角度变化明显小于正常人。

髋、膝、踝关节角度的变化可用于判断偏瘫水平。

偏瘫患者患侧髋关节首次着地时刻、站立相最大伸展角度、足尖离地时关节角度、迈步相最大屈曲角度、矢状面关节髋角度范围与正常人的差异存在显著性意义。

偏瘫患者的步态在膝关节角位移、角速度等方面均存在明显的不对称性。

因此，把提高偏瘫患者步态的对称性作为提高步行能力的主要指标。

偏瘫患者肢体康复训练后踝关节角度参数的表现为,首次着地时踝关节曲角度明显减少，站立相踝关节最大伸展角度训练前后对比有非常显著性的改变。

足尖离地时踝关节角度明显增加，前后对比存在显著性差异。

踝关节角度变化范围明显减少，存在显著性差异。

2.4 力矩分析研究：
偏瘫患者康复治疗组患侧膝关节站立中期的总平均伸展、屈曲力矩经康复治疗后显著下降，而总平均膝屈曲力矩值则显著增加。

说明膝关节在康复治疗后控制能力明显增加。

2.5 肌电活动分析研究：
偏瘫患者下肢肌肉活动的异常影响着步态的恢复。

一项关于脑卒
中患者偏瘫下肢肌肉活动时序的研究中，对36例脑卒中偏瘫患者与18名健康被试者的股二头肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧头在步态周期的4期(第1个双腿支撑期、单腿支撑期以及第2个双腿支撑期、摆动期)中活动持续时间进行比较发现：大腿肌肉中，偏瘫患者股二头肌和股直肌在单腿支撑期活动持续时间明显延长，股二头肌．股直肌在单腿支撑期的协同活动时间也延长，另外患者偏瘫侧股二头肌一股直肌在第1个双腿支撑期协同活动的总体时间异常延长；小腿肌肉中，脑卒中患者偏瘫侧腓肠肌内侧头在第1个双腿支撑期的总体活动时间延长，偏瘫侧胫骨前肌在摆动期的活动持续时间也延长，而在单腿支撑期的总体活动时间缩短。

该研究表明脑卒中患者偏瘫侧及健侧下肢的肌肉活动时序均存在明显异常，偏瘫侧尤其显著。

Trueblood等比较了三种不同步行模式(水平地面行走、带减重训练的水平地面行走、带减重训练的跑台行走)下的步态特征，并探讨重复性跑台减重训练的效果。

研究发现，不管是水平地面还是跑台减重训练，10例慢性脑卒中患者在训练后站立／摆动期，肢体对称性、胫骨前肌及股四头肌肌群的表面肌电活动都有所改善，表明跑台减重训练有助于帮助慢性脑卒中患者恢复正常步态和改善平衡能力。

五、模块建设
BTS系统应用在医院（骨科、康复科）、康复中心、残疾人康复中心、支具矫形中心、支具矫形器康复器械研发中心、体育局运动训练中心、高等体育院校、竞技体校、体育科研中心、运动医学生物力
学实验室、高档健身中心等各种不同场所，我们可以针对不同的客户群规划设计并建立不同的样板运动生物力学实验室或康复科三维步态分析综合实验室或力量训练实验室等，以便各客户更方便快捷的规划建设实验室及更科学的实际应用产品，并使之流程化模块化，利于样板式推广。

六、未来展望
目前制约国内三维系统推广的主要因素表现在三方面：
1、仪器设备相对昂贵；
2、操作相对复杂；（要求操作人员有一定的医学、计算机、
医疗器械等三方面的综合知识能力）
3、分析的方法及具体应用不明确。

未来发展趋势：
随着科学技术的发展，临床及科研用的三维步态分析系统仪器价格将不断降低，将有越来越多的医疗机构及科研单位等选择使用。

我们BTS系统其实就是简化了操作流程及结果输出，。