周 海，劉濤然，翁秉豪

1 上海寧和投資管理有限公司，上海市，200070

2 上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司，上海市，201209

3 上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

基于網(wǎng)絡(luò)的人體下肢運動學數(shù)據(jù)庫軟件的開發(fā)與應(yīng)用

【作 者】周 海1，劉濤然2，翁秉豪3

1 上海寧和投資管理有限公司，上海市，200070

2 上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司，上海市，201209

3 上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

該文研發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的人體下肢運動學數(shù)據(jù)庫軟件。主要介紹了軟件的技術(shù)特點和功能，設(shè)計思路及工作流程。此軟件用來存儲各種人體運動中的下肢運動學數(shù)據(jù)，對存儲的大量下肢運動學數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，從宏觀上指導醫(yī)生進行臨床治療及術(shù)后康復，對術(shù)后病人的下肢活動能力進行評估，幫助醫(yī)療器械廠商進行下肢關(guān)節(jié)假體設(shè)計，為人體工程學相關(guān)的產(chǎn)品研發(fā)提供技術(shù)支持。

下肢；運動學；ASP；數(shù)據(jù)庫

0 引言

越來越多的骨科植入物被應(yīng)用于臨床，例如常見的螺釘、接骨板，甚至復雜的人工關(guān)節(jié)類假體等產(chǎn)品，骨科植入物臨床使用量的猛增與手術(shù)難度的大幅提高，帶來的直接結(jié)果是失效形式花樣迭出，再次治療越來越復雜，同時給術(shù)后康復帶來巨大的難度[1-2]，如何科學有效地制訂康復計劃、評估康復效果，需要下肢運動學數(shù)據(jù)的指導，而國內(nèi)目前并沒有該類數(shù)據(jù)庫可供使用。

我國人口基數(shù)很大，在交通、建筑、工作環(huán)境及人口老齡化等危險因素的共同作用下，每年都產(chǎn)生數(shù)量巨大的關(guān)節(jié)疾病患者，這些國內(nèi)患者大都使用國外的關(guān)節(jié)假體。而國外假體產(chǎn)品的活動能力與國人的運動需求存在一定的差異[2-4]，因此開發(fā)適合國人的關(guān)節(jié)假體同樣需要人體下肢運動學數(shù)據(jù)的支持。

以上的實例顯示出收集大規(guī)模的人體下肢運動學數(shù)據(jù)的重要性。為此，我們希望建立一款軟件科學有效地處理國人的下肢運動學數(shù)據(jù)，存儲、統(tǒng)計這些數(shù)據(jù)。這款軟件的基礎(chǔ)功能，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。使數(shù)據(jù)得到廣泛傳播和應(yīng)用是軟件的主要目的，它能夠為術(shù)后康復、下肢關(guān)節(jié)假體設(shè)計、體育運動科學及人體工程學等領(lǐng)域提供技術(shù)支持。由此可見，我國人民生活質(zhì)量、科學技術(shù)都對這些數(shù)據(jù)有著強烈需求，該款軟件的研發(fā)具有重要的使用和社會價值。

1 基于網(wǎng)絡(luò)的人體下肢運動學數(shù)據(jù)庫軟件的開發(fā)

1.1 軟件的技術(shù)特點及功能設(shè)計

軟件使用流行的Browser/Server（B/S）架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用了微軟公司的Microsoft Access，網(wǎng)絡(luò)編程語言也使用了微軟公司的ASP語言，與作者之前研發(fā)的基于WEB的骨科植入物失效數(shù)據(jù)庫所采用的技術(shù)一致[5]，有快速開發(fā)、維護容易、擴展便捷的突出優(yōu)點。在Windows和Linux操作系統(tǒng)下建立ASP服務(wù)器，用戶使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器輸入對應(yīng)的網(wǎng)址即可進入軟件，因為同常見網(wǎng)絡(luò)類軟件的使用方法相似，因此應(yīng)用起來很便捷，不需花費時間進行專門的培訓。

人體下肢運動學數(shù)據(jù)庫軟件的主要功能包括兩大方面，分別是數(shù)據(jù)庫存儲功能和下肢運動學數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，其中數(shù)據(jù)庫存儲是軟件最基本的功能，而數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能是基于數(shù)據(jù)存儲的進一步功能擴展。軟件共有11個功能模塊，功能結(jié)構(gòu)圖參見圖1。其中，主要功能模塊是與運動學數(shù)據(jù)相關(guān)的操作模塊，包括：下肢關(guān)節(jié)錄入、運動行為錄入、運動數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)管理維護及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析這6個模塊；軟件系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復和系統(tǒng)設(shè)置、用戶及權(quán)限管理、密碼修改這5個模塊。

1.2 軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

軟件包括7個數(shù)據(jù)表，其中XZYDX_Data表是核心數(shù)據(jù)表，記錄數(shù)據(jù)庫中的運動學數(shù)據(jù)。每條記錄包括121條信息，其中每條測量的運動數(shù)據(jù)至少包括101個字段，其余還包括ID、收集時間、被測量對象姓名等相關(guān)字段，目前共有121個字段，因此這個表較龐大，所占空間較多；數(shù)據(jù)庫以二進制流的存儲方式在XZYDX_Pic表保存圖像信息，圖片文件通常較大，因此該表占用的空間較大。XZYDX_Power等其余的表存儲了用戶使用權(quán)限、系統(tǒng)信息發(fā)布內(nèi)容等數(shù)據(jù)。

軟件的7個數(shù)據(jù)表及之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系參見圖2，其中系統(tǒng)配置表（XZYDX_Sysconfig）是調(diào)整軟件系統(tǒng)配置的，與系統(tǒng)通知表（XZYDX_Notice表）、用戶登記表（XZYDX_User_Info表）、使用權(quán)限表（XZYDX_Power表）和在線用戶情況表（XZYDX_ User_Online表）之間都存在關(guān)聯(lián)，進行數(shù)據(jù)交換。運動數(shù)據(jù)信息表（XZYDX_Data表）與運動圖像資料表（XZYDX_Pic表）和用戶登記表（XZYDX_ User_Info表）存在數(shù)據(jù)聯(lián)系，與用戶使用權(quán)限表（XZYDX_Power表）存在間接數(shù)據(jù)聯(lián)系。

圖1 人體下肢運動學數(shù)據(jù)庫軟件功能圖Fig.1 The function diagram of the software

圖2 人體下肢運動學數(shù)據(jù)庫軟件的數(shù)據(jù)關(guān)系Fig.2 The data relationship chart of the kinematic database software of lower limbs

2 人體下肢運動學數(shù)據(jù)庫軟件的業(yè)務(wù)功能

2.1 下肢運動學數(shù)據(jù)錄入前的操作

推薦使用者選擇與IE兼容良好的瀏覽器，例如較新版本的360安全瀏覽器和Firefox瀏覽器等，軟件的訪問地址為localhost/文件夾名(為可任意命名的數(shù)據(jù)庫所在文件夾)，這樣即進入軟件登陸頁面，頁面居中位置有登陸輸入項，使用者通過注冊認證，則可以輸入用戶名和密碼進入數(shù)據(jù)庫軟件的功能界面，如圖3所示，頁面最上方橫向排列的是菜單欄，進行主要功能選擇，下方緊挨著的是滾動的系統(tǒng)消息欄，再下方是每個功能頁面的子菜單欄，中間是數(shù)據(jù)顯示和具體功能的操作界面。添加運動學信息之前，需要預先將相關(guān)信息添加完畢，必要的信息項包括：運動類型、下肢關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)相位三項，如果之前錄入過這些信息項，則可略過此步。

2.2 下肢運動學數(shù)據(jù)的錄入

登錄數(shù)據(jù)庫軟件后，默認進入的就是數(shù)據(jù)查詢的界面，因為查詢是使用最頻繁的功能，點擊添加數(shù)據(jù)按鈕，則可進入下肢關(guān)節(jié)運動學數(shù)據(jù)錄入頁面，數(shù)據(jù)錄入分兩步，第一步要輸入運動學數(shù)據(jù)的情況信息，包括運動關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)相位、運動類型、采集時間、被測量者信息等，如圖4所示，輸入后點擊添加按鈕，這樣運動學情況信息便存儲在軟件的數(shù)據(jù)庫中。第二步需要將存儲在Excel表中的連續(xù)運動學數(shù)據(jù)輸入進去，點擊批量輸入按鈕，然后將Excel表格放到系統(tǒng)要求的文件夾中，點擊輸入即可完成數(shù)據(jù)的導入。當前數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存有一批國人的下肢運動學數(shù)據(jù)，運動類型包括：步態(tài)、慢跑、樓梯行為、上下坡及其騎車、插秧等[6-8]，部分數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用于臨床假體失效分析和假體設(shè)計[9-12]。

按照統(tǒng)計的需求，還可以錄入被測量者的國別以及健康狀況等信息。由于軟件是使用ASP語言開發(fā)的，本身有良好的可修改性和可擴展性，如果將來需要增加錄入其他信息項，或者與其他系統(tǒng)相銜接，根據(jù)需要對數(shù)據(jù)庫及軟件代碼進行少量修改即可。

圖3 軟件的使用界面截圖Fig.3 The screenshots of user interface of software

圖4 數(shù)據(jù)錄入界面Fig.4 The input page of kinematic data of software

2.3 下肢運動學數(shù)據(jù)的查詢、管理

軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)管理模塊能夠?qū)υ趲斓南轮\動學數(shù)據(jù)進行常規(guī)操作，有權(quán)限的用戶可以按需對數(shù)據(jù)進行更復雜的操作，如果以前錄入過的數(shù)據(jù)存在信息不正確的情況，或者某些運動學數(shù)據(jù)未能完整地包括有效信息（因為運動學數(shù)據(jù)可能來源較為分散，多來自科研、醫(yī)療和監(jiān)管等機構(gòu)），由此軟件必須能夠?qū)Ψ钦?shù)據(jù)進行修正補充，甚至具有數(shù)據(jù)退回的功能。

為此軟件包含了整套運動學數(shù)據(jù)管理功能，可以在數(shù)據(jù)檢索和管理時發(fā)揮作用。在數(shù)據(jù)檢索時，用戶需預先設(shè)置多級檢索目標，實現(xiàn)對運動學數(shù)據(jù)的快速查詢，最后查詢到的結(jié)果按事先設(shè)定的要求列出，用戶可以使用多選功能查閱選定所需數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)只提供瀏覽，禁止進行修改。當進行數(shù)據(jù)管理時，只能由系統(tǒng)管理員登錄操作，能夠進行數(shù)據(jù)搜索，但增加了修改數(shù)據(jù)的功能，對信息不完善和明顯有誤的數(shù)據(jù)進行補充，或修正錯誤數(shù)據(jù)，也可以刪除無效數(shù)據(jù)。

2.4 下肢運動學數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

運動學數(shù)據(jù)是人體關(guān)節(jié)在一段時間內(nèi)連續(xù)運動的空間位置數(shù)據(jù)，通常一個關(guān)節(jié)對應(yīng)3個相面（每個相面有2個活動方向），即每個關(guān)節(jié)有3組運動數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)每秒包含50個有效的空間數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)量頗大，憑借軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理模塊能夠高效科學地對運動學數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并給出統(tǒng)計結(jié)果。統(tǒng)計的結(jié)果以兩種方式提供：圖形式結(jié)果和表格式結(jié)果，表格式的統(tǒng)計結(jié)果適用于制作報表，圖形式統(tǒng)計結(jié)果是當前比較受歡迎的、直觀的統(tǒng)計表達形式。本軟件包括曲線圖、直方圖及餅圖，其中曲線圖專門用來統(tǒng)計下肢關(guān)節(jié)的運動規(guī)律曲線，例如用戶可以選擇曲線圖按照不同年齡組來查詢步態(tài)運動中的各個關(guān)節(jié)的運動規(guī)律，則能夠顯示對應(yīng)關(guān)節(jié)在該動作一個運動周期內(nèi)的連續(xù)曲線，如上圖3所示曲線為步態(tài)運動中膝關(guān)節(jié)的矢狀面運動曲線。直方圖用來顯示當前數(shù)據(jù)庫中的所有下肢運動種類，及其每種運動所包含的樣本數(shù)量。另外，使用餅圖來查詢統(tǒng)計被測量對象的情況，可以顯示全部測量的樣本數(shù)和不同年齡組別中的被測量者的人數(shù)及所占比例。

在以后的改良版本中，希望軟件能夠逐步完善功能，例如提供查詢不同因素之間關(guān)系的散點分布圖的功能，該圖能夠直觀度量兩變量間的關(guān)系強弱，這樣軟件能夠按照患者年齡聯(lián)合各種運動進行散點分布統(tǒng)計查詢，以確定各種運動特點與年齡的對應(yīng)關(guān)系。

2.5 數(shù)據(jù)庫軟件的服務(wù)對象

醫(yī)生指導骨科患者進行術(shù)后康復訓練需要使用這些數(shù)據(jù)，該軟件能夠直接為他們提供依據(jù)，醫(yī)生可以根據(jù)不同年齡段的病人，查詢不同運動中各個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)能夠指導醫(yī)生有針對性的幫助病人制訂安全有效的康復訓練計劃，對各種不同活動能力的病人進行運動掌控，避免病人進行危險運動和過度活動。如果軟件在以后能夠提供康復信息交流功能，醫(yī)院聯(lián)網(wǎng)使用該軟件，可以上傳和共享這些合理有效的康復方法，則會最大化發(fā)揮軟件的使用價值。同樣，臨床醫(yī)生也可以查詢軟件，掌握人體下肢的運動規(guī)律，找出各個關(guān)節(jié)的危險運動時刻和位置，制訂更加合理的手術(shù)方案，給病人提供高質(zhì)量的手術(shù)。

另外，下肢運動學數(shù)據(jù)是動作域類的人體工程學基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此軟件對于工業(yè)領(lǐng)域設(shè)計符合人體工程學的產(chǎn)品具有指導意義，例如可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品設(shè)計合適的操作位置并生產(chǎn)使用舒適的產(chǎn)品；同時，關(guān)節(jié)假體廠商設(shè)計人工關(guān)節(jié)也可以參考這些數(shù)據(jù)，研發(fā)避免運動失效和長壽命的關(guān)節(jié)假體，針對已有的問題進行產(chǎn)品改良，做出更加適合中國人種使用的人工關(guān)節(jié)。

3 總結(jié)

當前云數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)得到越來越多人的認可與使用，我國也大力提倡使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，我們順應(yīng)時代要求，研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化人體下肢運動學數(shù)據(jù)庫軟件能夠存儲下肢在各種運動中的活動數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)各種運動條件中的下肢關(guān)節(jié)活動特點，提取并統(tǒng)計出重要數(shù)據(jù)。其自身基于并利用網(wǎng)絡(luò)的先進性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，服務(wù)于各行業(yè)，例如用來幫助醫(yī)生評估手術(shù)效果、制訂臨床康復計劃、改良醫(yī)療器械和人體工程學產(chǎn)品設(shè)計等，因此該軟件具有廣泛的用處和社會價值。但如何使軟件得以推廣，使運動學數(shù)據(jù)得以高效的利用是最迫切的問題，可以在推廣期免費對用戶開放，增加用戶數(shù)量和影響力。如果軟件能得到各行業(yè)的支持，得到更多醫(yī)院或者相關(guān)假體廠商的數(shù)據(jù)共享，將會獲得大量寶貴的數(shù)據(jù)資源。最后，希望該軟件可以在醫(yī)院、醫(yī)療器械廠商、科研部門等行業(yè)率先廣泛使用，發(fā)揮其大數(shù)據(jù)的作用，加快我國科研、醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)的數(shù)字化步伐。

[1] 王成燾, 黃嘉華, 戴剋戎. 人工關(guān)節(jié)失效的統(tǒng)計分析及其在技術(shù)發(fā)展中的重要作用[J]. 醫(yī)用生物力學, 2012, 27(1): 1-6.

[2] 周海, 王燎, 姚天平, 等. 當代人工關(guān)節(jié)注冊系統(tǒng)的失效數(shù)據(jù)分析[J]. 生物醫(yī)學工程學雜志, 2013, 30(2): 375-379.

[3] 邱貴興. 骨科植入物醫(yī)療器械不良事件檢測[J]. 藥物警戒, 2005, 2(1): 23-24.

[4] 周海, 王燎, 姚天平, 等. 人工關(guān)節(jié)失效類型及起因分析[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2012, 36(1): 8-11.

[5] 黃嘉華, 周海, 張彬彬, 等. 基于WEB的骨科植入物失效數(shù)據(jù)庫軟件的設(shè)計與開發(fā)[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2015, 39(5): 324-326, 337.

[6] Zhou H, Wang D M, Liu T R, et al. Kinematics of hip, knee, ankle of the young and elderly Chinese people during kneeling activity[J]. J Zhejiang Univ Sci B, 2012, 10(13): 831-838.

[7] Zhou H, Liu A M, Wang D M, et al. Kinematics of lower limbs of health Chinese people sitting cross-legged[J]. Prosthet Orthot Int, 2013, 37(5): 369-374.

[8] Zhou H, Wang C T, Ji W T, et al. Motion performance and impingement risk of total hip arthroplasty with a simulation module[J]. J Zhejiang Univ Sci B, 2013, 14(9): 849-854.

[9] 周海, 王燎, 王金武, 等. 人工髖關(guān)節(jié)脫位失效的生物力學分析與推理(附院士點評)[J]. 醫(yī)用生物力學, 2012, 27(1): 13-20.

[10] 周海, 季文婷, 王燎, 等. 全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后脫位的風險分析[J].醫(yī)用生物力學, 2012, 28(5): 542-547.

[11] 周海, 季文婷, 曾祥森, 等. 髖關(guān)節(jié)假體脫位與日常行為動作關(guān)系的研究[J]. 上海交通大學學報, 2012, 46(11): 1857-1861.

[12] 周海, 季文婷, 王成燾, 等. 髖關(guān)節(jié)假體脫位分析軟件的設(shè)計與開發(fā)[J]. 生物醫(yī)學工程學進展, 2011, 32(3): 139-142.

Development and Application of the Kinematic Database Software of Lower Limbs Based on Internet

【Key words 】ZHOU Hai1, LIU Taoran2, WENG Binghao3
1 Shanghai Ninghe Investment Mangement Co. Ltd., Shanghai, 200070
2 Shanghai Superior Die Technology Co. Ltd., Shanghai, 201209
3 Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Devices , Shanghai, 201318

lower limbs, kinematics, ASP, database

TP274.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.003

1671-7104(2017)03-0166-04

2016-11-08

國家自然科學基金（51375304）

周海，E-mail: 1507308@qq.com

翁秉豪，E-mail: 13916696726@139.com

【 Abstract 】In current study, we develop a new kinematic database software for lower limbs based on internet. This article present technical features as well as functions of the software, further present the development idea and working process. This software can be used to store kinematic data of lower limbs in any motion state, and take data statistics, from macro perspectives, it works for doctors to improve the clinical treatment level and rehabilitation training, evaluate the motion ability of lower limb of patient, help industry and medical device manufacturers with lower limb prosthesis design, it also can provide technical support to the production's ergonomic design.