轨迹女大学生起诉迪士尼维权获啄木鸟奖

1035北京市科技新星计划基金(2008A006)、北大清华生命科学联合中心和北京大学第三医院交叉人才培育计划(72521-01)、北京大学医信交叉建设项目(2014-MI-10)、国家科技支撑计划(2012BAI12B01)和国家社会科学基金重大项目(12&ZD119)资助收稿日期:20150126;修回日期:20150514;网络出版日期:20151105北京大学学报(自然科学版)第51卷第6期2015年11月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.
51,No.
6(Nov.
2015)doi:10.
13209/j.
0479-8023.
2015.
128健康女大学生步行和慢跑运动模式下足底压力中心轨迹相似度分析黄红拾1邱健威2于媛媛1杨洁1敖英芳1,罗定生2,1.
北京大学第三医院运动医学研究所,北京100191;2.
北京大学机器感知与智能教育部重点实验室,北京大学言语听觉研究中心,北京100871;通信作者,E-mail:yingfang.
ao@vip.
sina.
com(敖英芳),dsluo@pku.
edu.
cn(罗定生)摘要应用footscan足底压力测量系统,对32例健康女大学生被试在步行和慢跑时足底压力中心(centreofpressure,COP)轨迹的变化规律进行不同运动模式下的对照研究,分别分析左足、右足在5次步行或慢跑时整个支撑期的COP轨迹及其相似度.
结果表明:1)不同运动模式(步行与慢跑)的COP轨迹相似度低于0.
25;2)同一运动模式(步行或慢跑)下,左侧、右侧的COP轨迹均具有很高的相似度(大于0.
91).
其中被试内(同一被试)COP轨迹相似度高于被试间(不同被试),且前者方差低于后者,差值具有显著意义;被试内(同一被试)同侧足之间的COP轨迹相似度高于异侧足间,差值具有统计学意义.
通过分析得到:步行和慢跑两个运动模式的COP轨迹相似度很低,COP轨迹可以识别不同的运动模式;运动模式相同时,不同被试间的COP轨迹相似度较高,且同一被试内同一侧的COP轨迹相似度更高.
研究结果可以为临床诊断、康复评定、矫形处方和运动训练等提供参考依据.
关键词动态足底压力;足底压力中心轨迹;相似度;步行;慢跑中图分类号O313SimilaritiesAnalysisonCenterofPressureTrajectoriesforHealthyVolunteersduringWalkingandJoggingHUANGHongshi1,QIUJianwei2,YUYuanyuan1,YANGJie1,AOYingfang1,,LUODingsheng2,1.
InstituteofSportsMedicine,PekingUniversityThirdHospital,Beijing100191;2.
KeyLabofMachinePerception(MOE),PekingUniversity,Beijing100871;Correspondingauthors,E-mail:yingfang.
ao@vip.
sina.
com(AOYingfang),dsluo@pku.
edu.
cn(LuoDingsheng)AbstractTheaimofthisstudywastoinvestigatethesimilaritiesofCenterofPressure(COP)trajectoriesduringbarefootwalkingandjogging,basedonplantarpressuredatacollectedfrom32healthyvolunteers.
32subjectswalkorrunonatwo-meterfootscansystemataself-selectedspeedfor5validtrialsrespectively.
Foreachtrial,asequenceofframesisgeneratedwhichrecordstheinstantaneouspressurevalueofthereactionbetweenbodyandthesupportingsurface.
SimilaritiesbetweenCOPtrajectoriesarecalculated.
ResultsshowthatsimilaritiesbetweenwalkingandjoggingCOPtrajectoriesarelowerthan0.
25,whilesimilaritiesbetweenleftandrightCOPtrajectoriesduringthesamemotionstatus(walkingorjogging)ishigherthan0.
91.
Inaddition,intrasubjectsimilaritiesaresignificantlyhigherthanthoseofintersubject.
Moreover,similaritiesbetweenthesamesidesaresignificantlyhigherthanthoseofdifferentsides.
COPtrajectoriessimilaritiesbetweenwalkingandjoggingareverylowwhichindicatesCOPtrajectoriescandistinguishwalkingfromjogging.
Duringthesamemotion,intersubjectsimilaritiesarehigh.
Inaddition,intrasubjectsimilaritiesareevenhigher.
Thisstudyprovidesareliabledatasetforclinicaldiagnosis,rehabilitationevaluation,orthosisprescriptionandsportsexercises.
Keywordsplantarpressure;centerofpressure;similarity;walking;jogging北京大学学报(自然科学版)第51卷第6期2015年11月1036(a)步态支撑期四阶段划分示意图(b)COP轨迹示意图图1足底压力中心轨迹[5]Fig.
1Footprintwiththecenterofpressureprogression[5]步行和慢跑是人类最普遍和重要的日常活动和健身手段,通过足底与地面等外界接触以及力的相互作用,调节躯体平衡.
就单腿而言,一个步行周期分为支撑期(stancephase)和摆动期(swingphase),分别约占步行周期的60%和40%.
步行的特征是有双足均着地的双支撑期.
跑步时特征发生变化:摆动期延长至约占60%,而且有双足离地的双漂浮期(periodofdoublefloat)[1].
通过对不同运动模式下的足底压力参数进行对比研究,揭示足底压力分布特征和模式,了解运动的基本规律,分析内在的病理机制,对运动系统疾病的病因分析、病理诊断、治疗方案选择及疗效评定等具有重要意义,具有客观准确、快捷、无创等特点,为临床应用奠定坚实基础.
根据足底压力的变化,正常步行或慢跑时的步态支撑期分为4个阶段:足跟触地阶段(initialcontactphase,ICP)、前足触地阶段(forefootcontactphase,FFCP)、全足支撑阶段(footflatphase,FFP)和前足蹬离阶段(fore-footpushoffphase,FFPOP)[2–4],如图1(a)[5]所示.
足底压力中心(centerofpressure,COP)轨迹是人体行走过程中足–地接触作用力位置、大小、分布及力度顺序的综合结果,能反映足与地面接触全过程的作用方式,也是对人体行走运动姿态的间接反映,是一种重要的步态支撑期足底压力特征[45].
这种特征测试过程快捷、无创、客观,可由足底压力板获得的压力数据计算得到.
COP轨迹的变化与下肢关节周围肌肉的变化及整个身体重心运动相关联.
COP轨迹线从足后跟至趾尖总体形态呈"S"形,其时空特征能较好地反映足与行走运动机能的变化,可作为建立人体运动能力评价系统的指标之一,揭示步态的平衡性和稳定性.
足底压力COP轨迹如图1(b)[5]所示.
已有研究探讨COP轨迹和足部内外侧稳定性[4]、鞋或鞋垫疗效[6–7]、年龄[8]或疾病[9]等特征性变化.
为研究各组人群在不同情形下COP轨迹潜在的可能规律,我们采用相似性分析的方法.
为度量相似性,引入相似度(similarity)这一度量指标来计算两个对象之间的相似程度[10].
与距离度量相反,相似度度量的值越小,个体间相似程度就越小,差异就越大.
关于个体内、个体间和不同运动模式(如步行或慢跑等)的COP轨迹相似度研究目前尚无文献报道.
本文通过分析健康女大学生在步行和慢跑时的COP轨迹相似度,探讨COP轨迹相似度在相同运动模式和不同运动模式下的重测信度及其规律,进一步了解足部的运动特点,掌握其基本运动机制和功能特征.
1对象和方法采用随机抽样的方式,抽取北京大学医学部2006级右利手女大学生32人,年龄20~23岁,体重53.
4±8.
3kg,身高161.
5±5.
3cm.
所有被试无糖尿病史,未接受过专业体育训练,无足部畸形、黄红拾等健康女大学生步行和慢跑运动模式下足底压力中心轨迹相似度分析1037异常步态和下肢创伤史,测试期间足踝关节活动正常,所有被试对实验均知情同意.
本研究得到北京大学第三医院伦理委员会批准.
被试了解研究目的和风险后,签署知情同意书.
被试以自选速度在footscan公司压力测力板(RSscan公司,2m*0.
4m,16384个传感器)上裸足步行或慢跑(慢跑要求以足后跟先着地,速度大约3.
3m/s).
压力板放在16.
5m跑道的中间.
测试前,被试先热身和熟悉程序,然后自选适合的速度进行测试.
如果不是足跟部先着地或者测试时某次的足–地接触时间与个人的足–地接触时间均值大于10%(测试时足底压力板会提供支撑期时间,与步行速度相关),则要求被试增加测试次数.
每侧足部取5次有效测试进行数据分析.
2数据分析分别分析左足、右足在5次步行或慢跑时整个支撑期的COP轨迹及其相度度[11].
设支撑期为时间区间[0,T],其上的COP轨迹S由各时刻COP点组成.
记时刻t的COP点坐标为(,)COPtXY,计算公式为,(,),COP(,)|minttXYijijxyFDijxy(),(1)其中,(,)tijF为当前时刻(即t时刻)(i,j)处传感器测得的压力值,D((i,j),(x,y))为两个坐标点间的欧氏距离.
将整个步态支撑期在每一时刻COP点依次连接,即得到该步态支撑期的COP轨迹.
计算两条COP轨迹相似度的方法如下.
1)为使各种COP轨迹具有真实可比性,针对支撑足行进角度不同、被试足的大小差异、在压力板上的接触位置不同这3种情况,对COP轨迹进行归一化处理,包括旋转、缩放、平移3种操作.
2)COP轨迹由一组具有时序特性的二维平面上的点坐标对组成,对于两条COP轨迹S1和S2,采用如下计算公式得到相似度:12122212(()Sim(,)())()tttStStSSStSt,(2)其中,S1轨迹的第t个点为(x1t,y1t),S2轨迹的第t个点为(x2t,y2t).
进一步有12121222221122()Sim(,)()()tttttttttttxxyySSxyxy.
(3)3)为更好避免由于个体差异及机器误差导致的轨迹不易对齐问题,在采用上述公式计算两条COP轨迹的相似度之前,提出一种基于最优匹配的对齐策略,尽可能降低因数据噪声带来的相似度计算误差.
引入参数τ,取值范围为[0,1,…,max],其中max是一个预先设定的经验值,可以根据待比较COP轨迹的点数来设定.
选取待比较两条轨迹中点数较少的轨迹,将max设定为该轨迹点数的1/4;对任一的可能取值,令其中一条COP轨迹的起始点后移个位置,再计算相似度;在两条COP轨迹相似度的所有计算结果中,取最大值为这两条COP轨迹的最终相似度.
最优匹配的思想体现在:在τ的所有可能的取值中,搜索某一最优的,使某条COP轨迹经过个位置的移动后,计算所得的相似度最大,从而将由于个体差异及机器误差导致的轨迹不易对齐问题的影响降至最低.
采用SPSS15.
0进行统计分析.
分别计算左足、右足在5次步行或慢跑时,整个支撑期的COP轨迹相似度的均值和标准差.
选取双侧显著性水平=0.
05,采用单因素方差分析(ANOVA)F检验,分析COP轨迹相似度在步行和慢跑、左侧和右侧等不同情况下的差异.
3结果1)不同运动模式(步行和慢跑)间COP轨迹相似度分析.
步行和慢跑间COP轨迹相似度均低于0.
25,左、右侧COP轨迹相似度分别为0.
242±0.
081和0.
249±0.
081.
2)同一运动模式(步行或慢跑)下COP轨迹相似度分析.
本研究不仅对比分析了同一运动模式下被试群体同侧足(左侧或右侧)COP轨迹的相似度、异侧足(左侧和右侧)COP轨迹的相似度,还对比分析了被试内(同一被试)COP轨迹的相似度以及被试间(不同被试)COP轨迹的相似度,结果如下.
①被试同侧足之间的COP轨迹相似度高于异侧足间COP轨迹的相似度,这一差异具有统计学意义;被试同侧足COP轨迹相似度与其异侧足COP轨迹相似度的比较如表1所示,相似度差异的显著性分析(p值)如表2所示.
②被试内(同一被试)COP轨迹相似度高于被北京大学学报(自然科学版)第51卷第6期2015年11月1038表1同一运动模式下被试同侧足COP轨迹相似度与其异侧足COP轨迹相似度比较Table1ComparisonofthesimilaritiesofCOPprogressionforthesamesideordifferentsidesduringthesamemotionstatus(walkingorjogging)比较项相似度步行慢跑被试同侧足(左侧)0.
964±0.
0290.
970±0.
023被试同侧足(右侧)0.
963±0.
0300.
968±0.
025被试异侧足0.
939±0.
0360.
946±0.
028表2同一运动模式下被试同侧或异侧足COP轨迹相似度的统计显著性分析(p值)Table2ANOVAresult(pvalue)onbothsimilaritiesofCOPprogressionforthesamesideordifferentsidesduringthesamemotionstatus(walkingorjogging)比较项p步行慢跑被试同侧足(左侧)与其异侧足COP轨迹相似度的差异显著性0.
000006260.
00000080被试同侧足(右侧)与其异侧足COP轨迹相似度的差异显著性0.
000084980.
00001241表3同一运动模式下被试内与被试间COP轨迹相似度比较Table3ComparisonofthesimilaritiesofCOPprogressionforthesamepersonordifferentpersonsduringthesamesideandmotionstatus(walkingorjogging)比较项相似度步行(左)步行(右)慢跑(左)慢跑(右)被试内0.
964±0.
0290.
963±0.
0300.
970±0.
0230.
968±0.
025被试间0.
912±0.
0570.
912±0.
0600.
919±0.
0500.
924±0.
048试间(不同被试)COP轨迹的相似度,且前者方差低于后者(如表3所示),差别具有高度显著的统计学意义;p值均为0.
00000000.
4讨论由于足部解剖结构的复杂性,分析支撑期的足底与地面接触情况比较难.
足底压力测量为足部不同结构、足–地之间相互作用提供了直接信息,便于了解运动过程中足部在支撑期的动态机制.
COP轨迹反映足底与地面接触全过程的作用方式,有助于描述支撑期的足部动力学,区别正常和异常的步态,为足部或膝部疾病的病因分析、病程衍变、疗效评价提供参考.
本研究以随机抽样的32名女大学生作为被试对象,以不同运动模式(步行、慢跑)、被试内(同一被试)、被试间(不同被试)、被试不同侧别(同侧、异侧)为群体划分,以群体COP轨迹相似度作为统计学特征参数,进行对比分析.
实验结果表明,COP轨迹相似度及其差异显著性分析与我们的预期及日常经验基本上相符,表明本文提出的这一统计学特征参数及其计算方法有效,可作为一个简便易行的分析手段.
不同运动模式间的COP轨迹相似度很低(低于0.
25),反映出步行模式下的COP轨迹与慢跑模式下的COP轨迹间有较大差异.
慢跑模式下足–地接触时间较步行模式足–地接触时间短,且跑步时的摆动期延长到60%左右,出现双足离地的双漂浮期(代替了步行时的双足均着地的双支撑期),导致两种模式下COP轨迹不同.
本研究提出的COP轨迹相似度计算方法不仅能实现轨迹间的直接比对,而且在比对时采用旋转、缩放、平移以及滑动对齐策略,因而对于足部的不同大小、是否偏斜着地、是否在测力板特定位置着地以及足–地接触时间等因素有很好的消除作用.
也就是说,步行模式与慢跑模式间COP轨迹的相似度较低,应该归因于这两种模式下足–地接触有本质上的差异.
更深入的分析,比如将足–地接触期进一步细分为不同阶段等,将是接下来研究的重点.
同一运动模式下各种情况的COP轨迹相似度很高,这从一个侧面补证了不同运动模式的足–地接触过程存在本质上的差异.
我们也发现同侧COP轨迹相似度一致地高于异侧COP轨迹相似度(同一运动模式的各种情形下均如此).
虽然相似度之间的差值并不大,但统计显著性分析的结果表明,这种差异具有统计学意义.
人在逐渐形成足–地接触特定模式的过程中,可能会有右侧优势或左侧优势等各种情况,因而同侧足COP轨迹的相似度一般会比异侧足COP轨迹的相似度高,与我们的实验结果一致.
但是这种差异的程度并不大,可能是因为保持平稳是人形成足–地接触特定模式的一个更重要的前提,彼此非常接近的异侧足触地过程更有助于保持运动的平稳.
针对被试内(同一被试)COP轨迹相似度与被试间(不同被试)COP轨迹相似度的比较研究表明,前黄红拾等健康女大学生步行和慢跑运动模式下足底压力中心轨迹相似度分析1039者一致地高于后者.
统计显著性分析表明,这一差异性是高度显著的.
这与我们日常的常识经验相吻合:个体所形成的足–地接触过程特定模式(被试内)具有稳定性,因而被试内COP轨迹具有更高的相似度值;个体间(被试间)COP轨迹的相似度也较高,因为所需要完成的运动是一致的(同一运动模式);由于个体的多样性与个性化的原因(尽管被试身体健康、年龄相若且同为女性,但并不足以消除由个体多样性和个性化特点导致的差异),个体间COP轨迹相似度低于个体自身COP轨迹的相似度是必然的,且前者相较于后者通常具有更大的方差.
如表3所示,被试间COP轨迹相似度的标准差一致地大于被试内COP轨迹相似度的标准差.
综上所述,动态足底压力提供了一个实用、客观的方法来评价下肢的动态功能,运动时COP轨迹参数重测信度良好,有助于评估足的运动模式.
但是,有必要进一步扩大被试样本量,加深对动态足底压力参数的临床理解.
5结论本文针对正常人步行和慢跑运动模式中足–地接触过程,应用COP轨迹相似度分析其统计学特征,初步评价足底动力学特征,为复杂的足底压力数据分析研究积累了相关知识与经验.
1)步行和慢跑两个运动模式COP轨迹的相似度很低(0.
91);被试同侧COP轨迹的相似度高于异侧COP轨迹的相似度,且具有统计学意义;同一被试内COP轨迹的相似度高于不同被试间COP轨迹的相似度,也具有高度显著的统计学意义.
致谢研究工作得到北京大学第三医院运动医学研究所徐雁主任医师和郭秦炜主任医师以及蒋艳芳和杨朋的帮助,在此表示衷心感谢.
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