使用可穿戴IMU的下肢姿势和关节角度的实时估计:重现半身和正常行走

科学领域:

• 生物力学 生物力学
• 康复工程 康复工程
• 可穿戴技术可穿戴技术

背景情况:

• 准确的实时估计下肢姿势和关节角度对于开发先进的康复设备至关重要.
• 功能电刺激 (FES) 系统需要精确的步态阶段和关节角度数据来进行有效的治疗干预.
• 现有的方法可能面临着计算负载和实时处理的挑战,这限制了它们与便携式设备的集成.

研究的目的:

• 开发和评估低计算负载姿势估计方法,用于FES设备的实时应用.
• 使用可穿戴惯性测量单元 (IMU) 在步行过程中估计大腿和腿部倾斜角度和膝关节角度.
• 评估拟议方法的准确性和处理时间,以评估步行康复的实际可行性.

主要方法:

• 利用两个IMU放置在大腿和腿部,以捕捉从健康成年人进行正常和半半形的步态 (环形) 的步态数据.
• 在微控制器上实现了低计算负载的麦德威克波器,以实时估计前平面和前平面的姿势.
• 使用根平均平方误差 (RMSE) 和交叉相关性分析对光学运动捕获数据进行验证的估计准确性,同时记录处理时间.

主要成果:

• 整个过程,包括采样,姿势估计和刺激控制,平均为6.8ms,证实了100Hz实时处理的可行性.
• 圣角平面姿势角度估计实现了RMSE小于4°,与以前的研究相比.
• 在复制的环导步行过程中,前面平面的准确性更高,这表明有效捕捉了半侧步行特征,尽管在正常步行过程中,准确性更低.

结论:

• 基于Maggwick波器的姿势估计方法实现了高精度和实时处理能力,适合集成到FES设备中.
• 该系统捕捉行走偏差的能力,如环导,突出了其对个性化行走康复的潜力.
• 低处理时间 (在10毫秒内) 证实了该方法对实时步态分析和干预的实际可行性.