利用超宽带雷达技术进行远程步态分析

研究背景

步态分析，即对人类行走运动的协调生物机械模式的研究，不仅是生物力学研究的重要内容，还能提供丰富的健康状态信息。尤其在近年来，人们越来越关注开发新的家居步态分析解决方案，使个体能够在舒适的家庭环境中接受全面的步态评估。这一进展不仅对希望优化自己步态表现的健康个体有益，还能为患有慢性肌肉骨骼疾病（如关节炎和背痛）、获得性脑损伤（如中风和创伤性脑损伤）以及神经退行性疾病（如帕金森病和阿尔茨海默病）的患者提供帮助。

现有的步态分析技术主要分为可穿戴（直接）和非穿戴（远程）两大类。可穿戴系统由于用户的不配合问题，尤其是对老年人来说，往往不适于长期监测。而基于标记的运动捕捉技术，虽然目前是步态评估的金标准，但由于空间和高成本要求，难以在家庭环境中使用。因此，非穿戴的无标记技术尤其受到青睐。电磁雷达系统是一种极具前景的无标记监测解决方案，尤其是超宽带（UWB）雷达，由于其时间飞行测量能力，已经在众多健康相关应用中取得成功，如生命体征分析、睡眠阶段分类、心血管系统监测、日常生活活动识别以及跌倒检测等。这些都展示了UWB雷达在提取生理和行为生物标志方面的能力。

研究来源与作者信息

本研究由Charalambos Hadjipanayi、Maowen Yin、Alan Bannon、Adrien Rapeaux、Matthew Banger、Shlomi Haar、Tor Sverre Lande、Alison H. McGregor以及Timothy G. Constandinou等人撰写。这些作者分别来自于英国帝国理工学院的电气与电子工程系、神经疾病研究中心、生物动力学实验室、外科与癌症系以及奥斯陆大学信息学系。研究发表在2023年《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》期刊上。

研究目的与方法

本研究的主要目的是探讨超宽带雷达在无标记远程步态分析中的可行性，具体是通过分析来自三台单基超宽带雷达传感器的多普勒信息，提取出十个具有临床意义的时空步态特征。这些步态参数通过与光学运动捕捉系统的数据进行比较，以验证其准确性。

数据采集与实验设置

在实验设置中，使用三台独立的单基脉冲电台超宽带（IR-UWB）雷达（Novelda AS的XeThruTM X4M03），并按照特定的路径进行数据采集（图1a），所有雷达都配置为同时发射载频为7.29 GHz的脉冲，采样率为500 Hz。地面真实运动数据则通过标记基的三维运动捕捉系统收集，该系统由28台光学高分辨率红外摄像头组成，跟踪位置在27个反射标记器上。这使得研究能够记录参与者在保持平稳状态行走时的步态信息。

算法步骤

1. 预处理和多普勒分析：雷达信号预处理包括噪声抑制和自适应杂波抑制，具体使用指数移动平均滤波法。随后进行雷达信号的数字正交解调以提取原始基带信号。
2. 时频图提取：通过计算雷达信号的短时傅里叶变换获得三维的距离-多普勒-时间（RDT）映射。
3. 步态事件检测：根据模拟的最大包络值轨迹检测步态周期事件，包括脚跟着地时间（HS）和前足离地时间（TO）。
4. 提取时空步态参数：包括步长、步幅、步幅时间、步速等十项临床步态参数，最后用这些参数计算步态的变异性和不对称性。

结果与讨论

结果显示，九个关键步态参数可以以90-98%的准确率一致地估计出来，捕捉了94.5%的参与者步态变异性和90.8%的双腿对称性。进一步的相关性分析和Bland-Altman分析揭示了雷达基步态参数与地面真实值之间的强相关性与高一致性。

雷达配置影响分析

对比了不同数量雷达的配置（单雷达、双雷达、三雷达）下算法的性能，结果表明，雷达数量越多，整体准确性越高。而在最优的三雷达一维定位配置下，空间特征提取精度最高。

研究结论

研究表明，超宽带雷达能够提供与金标准评估相当的步态分析质量。它有潜力从昂贵且麻烦的实验室步态分析工具转向无干扰且经济实惠的家庭部署解决方案，使研究人员和医疗保健应用能够进行长时间的连续监测。尽管初步结果显示良好，进一步的研究需要考察在实际应用情景中该系统对存在步态异常患者的性能，以便实现更广泛的临床与家居应用。