嵌入鞋中的三轴惯性测量单元（IMU）通过集成高采样率的加速度计和陀螺仪来工作，以实时捕捉脚部的运动。它持续监测三轴线性加速度和角速度的变化，从而在行走过程中创建受试者运动的详细数字档案。
IMU作为运动学分析的核心引擎，利用原始运动数据来检测特定的加速度峰值。这个过程可以精确识别脚跟触地和脚尖离地等步态事件，这对于计算行走速度和步长至关重要。
数据采集的机制
传感器集成与采样
IMU通过结合两种不同的传感器类型来工作：加速度计和陀螺仪。
这些组件以高采样率运行，确保即使是快速或细微的脚部运动变化也能被捕获，而不会丢失数据。
三轴测量
“三轴”一词指的是设备同时监测三个维度运动的能力。
该系统记录线性加速度（速度沿直线变化的速率）和角速度（旋转速率），以绘制脚部在3D空间中的轨迹。
将原始数据转化为步态指标
检测关键步态事件
原始数据本身并不是最终产品；系统会处理这些信息以查找特定模式。
通过检测垂直和前后向（前后）轴上的加速度峰值，IMU可以识别步态周期的不同阶段。
这种峰值检测是精确确定脚跟触地（脚接触地面时）和脚尖离地（脚离开地面时）的机制。
计算衍生参数
一旦步态事件被时间戳记录，系统就会计算复杂的运动学参数。
这些原始的“核心运动学信息”被转化为可操作的指标，如行走速度、步长和步态变异性。
在临床环境中，这些数据量化了震颤或运动迟缓等特征，为评估治疗效果提供了客观依据。
理解权衡
依赖于清晰的信号峰值
IMU的准确性在很大程度上依赖于加速度数据中清晰的“峰值”来识别步态事件。
如果受试者步态拖沓或运动模式高度不规则，导致垂直加速度峰值变钝，系统在自动定义脚跟触地时可能会遇到挑战。
运动学与动力学的侧重点
区分IMU测量的内容很重要：它捕捉的是运动学（空间中的运动），而不是动力学（力）。
虽然它提供了关于速度和变异性的出色数据，但它不能直接测量用户施加的物理压力或地面反作用力。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地发挥基于IMU的步态分析系统的效用，请将数据功能与您的具体目标相匹配。
- 如果您的主要重点是定义步态阶段：优先选择具有高采样率的系统，以确保以高时间分辨率捕获垂直和前后向加速度峰值。
- 如果您的主要重点是临床评估：超越原始数据，专注于计算出的指标，如步态变异性和运动迟缓，以客观衡量患者的进展。
通过将复杂的运动转化为可量化的指标，三轴IMU提供了优化个性化治疗方案所必需的客观证据。
总结表：
| 组件/指标 | 功能与捕获的数据 | 对步态分析的影响 |
|---|---|---|
| 加速度计 | 测量三轴线性加速度 | 检测脚跟触地和脚尖离地峰值 |
| 陀螺仪 | 测量角速度 | 绘制3D脚部轨迹和旋转 |
| 高采样率 | 快速数据捕获周期 | 确保细微运动变化的解析度 |
| 衍生指标 | 速度、步长、变异性 | 提供客观的临床评估数据 |
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参考文献
- Bohyun Kim, Hyejin Choi. Association of Muscle Mass, Muscle Strength, and Muscle Function with Gait Ability Assessed Using Inertial Measurement Unit Sensors in Older Women. DOI: 10.3390/ijerph19169901
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .