CN103690148A

CN103690148A - 一种运动协调能力简便检测系统

Info

Publication number: CN103690148A
Application number: CN201310722251.6A
Authority: CN
Inventors: 葛盛; 禹东川
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103690148B

Abstract

本发明公开了一种运动协调能力简便检测系统。该系统利用可穿戴技术将传感器集成并佩戴于被检测者手掌部；利用跟随示范运动的方式，获取被检测者的运动状态数据；通过无线数据传输将数据传递至数据分析模块；利用相关分析对运动状态进行分析和评估；最终将被检测者运动协调能力的评估结果数值化，并进行可视化显示，最终实现对运动协调能力的简便检测。

Description

一种运动协调能力简便检测系统

技术领域

本发明属于生物医学信号处理技术，具体涉及利用可穿戴生物传感器技术和信号处理技术，检测被检测者的运动协调能力。

背景技术

运动协调能力指身体各个部分在运动过程中在时间和空间方面相互配合，合理有效地完成动作的能力。运动协调能力是反映身体素质的一个重要方面，尤其在儿童发育期间，运动协调能力直接影响到儿童的行为、学习、运动、社交等各方面。因此，对人群特别是儿童群体进行运动协调能力检测具有重要的现实意义。有别于在医院实施的针对于个别患者的专业检查，在学校、工矿、企事业单位实施的针对于大样本人群的筛查性检测具有巨大的社会价值，对处于成长发育阶段的儿童群体进行早期检测尤其具有意义。本发明的着眼点就是开发一种适合于这样的大样本儿童人群的运动协调能力简便检测系统。

现有的针对于大样本儿童人群的运动协调能力检测主要是根据第四版精神疾病诊断手册DSM-IV，采用发育性协调障碍问卷（DCDQ），或Conners评价量表等问卷量表法由父母、教师分别对测验内容进行问卷式主观评估（张云,3-6岁儿童动作协调能力测试方法与发展特征问题的探讨,西安体育学院学报,27,5,pp.603-606,626，2010；花静，朱美红等，儿童运动协调能力与生长发育水平的关联性研究，中华儿科杂志,49,11，pp.843-847,2011）。由于采用主观评估，上述问卷量表法很难排除主观性。也有一些通过实际运动测验来评估运动协调能力的方法，如儿童运动评定成套测验（MABC），该方法通过让被检测者完成“踮脚走步”、“单手弹/接球”等实际运动来测验其运动协调能力，由检测人员观察被检测者的各项运动完成情况，最终打分进行评估，这样的测验依然很难排除主观性（花静，吴擢春等，儿童运动协调能力成套评估工具的应用性研究，中华流行病学杂志，33,10，pp.1010-1015，2012。）。因此，现有的运动协调能力测验方法都具有相当程度的主观性。

此外，现有的测验方法所采用的问卷式量表法，问卷涉及内容繁多，完成问卷耗时长；问卷完成人需对问卷内容充分理解方能有效回答，对问卷完成人的阅读理解能力有所要求，限制了检测的适用人群；另一个重要的问题是，由于问卷中不可避免地反复涉及对运动协调能力各个方面的评价。通过测验本身，一方面，被检测者极有可能了解到测验目的是为了评估自己的运动协调能力，使得某些运动协调能力存在问题的被检测者产生心理上的抵触、自卑等负面情绪，从而影响测验效果；另一方面，通过被检测者的父母、老师等他人完成问卷，同样会暴露测验目的，可能会造成被检测者个人隐私（即运动协调能力方面可能存在问题）的泄露。

发明内容

现有的运动协调能力检测系统普遍使用问卷量表法，缺乏客观性和隐私保护。本发明利用可穿戴生物传感器技术和信号处理技术，设计出一种新型运动协调能力检测的软硬件系统，该系统检测被检测者的运动协调能力，具有简便、快速、客观、隐私性好等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于可穿戴技术，将磁感应、加速度以及角速度传感器集成到被检测者身体之上；设计评估运动协调能力的测验方案和测验指标，获取被检测者运动协调能力数据；通过蓝牙技术，将数据传输到计算机并做信号处理；对被检测者的运动协调能力做出数值化评估，并最终将测验结果可视化。系统由如下几个模块组成：

1）测验模块

测验模块将测验内容在显示器上显示，要求被检测者跟随测验内容完成相应的运动。

2）传感器模块

被检测者跟随测验内容完成相应的运动时，利用传感器模块采集被检测者的运动状态数据。本发明采用3种传感器获取被检测者双手运动轨迹和速度。利用电路集成技术，将各种传感器集成为传感器模块。

3）数据传输模块

在数据传输模块，利用蓝牙无线传输方式，将由传感器模块获得的数据传输至数据分析模块。

4）数据分析模块

基于数据传输模块获得被检测者的运动状态数据，利用相干系数分析被检测者的运动状态。

6）结果显示模块

基于分析结果，将被检测者的运动协调能力数值化、直观化地显示。

本发明相比较现有的运动协调能力检测方法，其显著优点在于：

（1）本方法采用运动跟随的方法进行测验，方式简单易行，检测耗时短。

（2）对被检测者的年龄、教育程度、心理状态等的依赖程度低。

（3）本方法直接采集被检测者的运动数据进行评估，有效避免主观判断带来的主观性，保证了测验结果的客观性。

（4）本方法的测验以游戏的形式实施，内容简单有趣易于实施，被检测者本人或他人无法从测验内容中了解到测验目的，从而有效保护被检测者的个人隐私。

附图说明

图1是本发明运动协调能力简便检测系统的系统构成图。

图2是本发明开发的测验模块中的测验内容。

图3是测验实景图。

图4是本发明开发的传感器模块和数据模块集成为运动数据采集终端。

图5是本发明开发的数据传输模块中数据包格式。

图6是本发明开发的数据分析模块中的数据显示界面。

图7是本发明开发的数据分析模块中的运动协调能力评估界面。

图8是不同测验人群的运动协调能力测验结果。

具体实施方式

本发明提出的运动协调能力简便检测系统由5个模块组成（图1），结合图例详细说明：

1)测验模块

本发明采用运动跟随的方法来测验被检测者双手运动的协调能力。在测验模块中，系统首先向被检测者提示：被检测者将进行一个运动跟随游戏，当显示器上展现双手运动的示范动作时，要求被检测者观察示范动作并尽量按照示范动作做出同样运动轨迹和运动速度的动作。

测验模块的测验内容如图2所示。显示器中央显示的为左右两手的镜像画面，左手按逆时针，右手按顺时针在冠状面内从0至120度再从120至0度范围内反复做手掌旋转运动，左右手运动速度相同。图3为测验实景图，在测验中，要求被检测者无论是角度还是速度都要尽量按照显示的示范动作做相同的运动。通过传感器模块和数据传输模块，被检测者的双手运动状态数据被采集和传输到数据分析模块。

2)传感器模块

本发明采用3轴数字磁感应传感器HMC5883来感知被检测者双手手掌的空间3维位置，通过双手手掌的空间3维位置得出手掌的空间运动轨迹。采用3轴加速度传感器LIS3DH和3轴数字角速度传感器ITG3200来感知被检测者双手手掌的运动速度。上述3种传感器分别采集空间X、Y、Z方向的3维数据，利用电路集成技术将上述3种传感器集成（图4）。基于可穿戴设备的设计方法，将传感器模块穿戴于被检测者双手手掌部位，传感器模块位于手掌背处（图3）。在本发明中，由于需要分别测验双手手掌的运动，因此，系统具有两个独立的传感器模块分别安放于被检测者的双手，当被检测者的手掌运动时，传感器模块可分别对被检测者双手手掌的空间3维坐标及运动速度的数据进行采集和保存。

3)数据传输模块

传感器采集的数据以16进制格式表示。数据包格式如图5所示，数据包由20字节的数据构成，第1字节为字母“A”，第2字节为校验和，校验和的解算方法是：将数据包20个字节累加，判断以16进制表示的末两位是否为零，若为零，则说明校验和正确，数据正确完整；否则表示出现蓝牙通信误码，数据无效应予以丢弃。第3至第20字节为X、Y、Z轴方向的加速度、角速度、磁感应数据。数据包经由蓝牙进行无线传输，数据接收端（计算机）采用蓝牙串口模块将数据以虚拟串口的形式读入计算机。传感器模块和数据传输模块集成为构成H4.5*W3.5*D2.0cm的运动数据采集终端。

4)数据分析模块

数据分析模块功能由两部分组成：

a)按照数据传输模块的数据传输格式分别读取左右手各自的X、Y和Z轴方向的加速度、角速度、磁感应数据，并将结果分左右手分别显示（图6）。

b)以3轴磁感应数据表征双手运动的空间位置，从而得到双手运动的运动轨迹。分别计算左右手的运动轨迹与示范运动的运动轨迹之间的相关系数作为左右手各自的运动准确性指标A_L和A_R；以3轴加速度传感器和3轴数字角速度传感器获取的加速度和角速度来表征双手运动的速度，分别计算左右手的运动速度与示范运动的运动速度之间的相关系数作为左右手各自的运动安定性指标S_L和S_R；计算左右两手的运动速度之间的相关系数作为运动同步性指标C_LR。将左右手各自的准确性、安定性和同步性指标的平均值作为衡量运动协调能力的最终分值Score＝(A_L+A_R+S_L+S_R+C_LR)/5。

5)结果显示模块

基于数据分析模块的分析结果，将运动准确性A_L和A_R、安定性S_L和S_R和同步性指标C_LR分左右手在3维雷达图（radar chart）中显示（如图7）。并将运动协调能力的最终分值Score的数值显示。同时，将上述分析结果与被检测者的个人信息保存至Excel表格文件中。利用外接打印机可以将上述结果打印显示。测验人员可以选择是否将分析结果呈现给被检测者，以确保对被检测者的信息屏蔽。

为了验证系统的实用性和有效性，图8显示了利用该系统对成年健康被检测者、健康儿童、发育性协调障碍（DCD）儿童各20名被检测者的运动协调能力测验的平均结果，可以发现成年健康被检测者的运动协调能力最高，DCD儿童的运动协调能力指标明显低于健康儿童，这一结果与传统问卷量表法所得结果吻合，显示了本发明提出的系统具有很好的实用性和有效性。

Claims

1.一种运动协调能力简便检测系统，其特征在于：该系统由测验模块、传感器模块、数据传输模块、数据分析模块、结果显示模块组成；测验模块显示测验内容；基于可穿戴设备的设计方法，利用配有魔术贴的搭扣带将传感器模块和数据传输模块固定于被检测者的左右两手手掌背部；被检测者跟随测验模块显示的示范动作进行运动，传感器模块采集被检测者的运动数据，由数据传输模块将运动数据无线传输至数据分析模块，通过数据分析模块对被检测者运动数据进行分析从而对被检测者的运动协调能力进行定量评估，最终利用结果显示模块将检测结果可视化显示。

2.根据权利要求1所述的一种运动协调能力简便检测系统，其特征在于：在所述测验模块中，显示器的中央显示测验内容，测验内容为左右手的运动镜像画面，即左手按逆时针，右手按顺时针在冠状面内从0至120度再从120至0度范围内反复做手掌旋转运动；在测验中，要求被检测者跟随显示的示范动作做相同的运动，被检测者的双手运动状态的数据由传感器模块采集。

3.根据权利要求1所述的一种运动协调能力简便检测系统，其特征在于：所述传感器模块包括3轴数字磁感应传感器、3轴加速度传感器和3轴数字角速度传感器，分别获取被检测者运动过程中双手的空间坐标、加速度和角速度。

4.根据权利要求1所述的一种运动协调能力简便检测系统，其特征在于：在所述数据分析模块中，以3轴数字磁感应传感器表征双手运动的空间坐标，从而得到双手运动的运动轨迹；以3轴加速度传感器和3轴数字角速度传感器获取的加速度和角速度来表征双手运动的速度；分别计算左右手运动轨迹与示范运动轨迹之间的相关系数作为左右手各自的运动准确性指标A_L和A_R；分别计算左右手的运动速度与示范运动的运动速度的相关系数作为左右手各自的运动安定性指标S_L和S_R；计算左右两手的运动速度之间的相关系数作为运动同步性指标C_LR；最后，计算左右手各自的准确性、安定性和同步性指标的平均值作为衡量运动协调能力的分值Score＝(A_L+A_R+S_L+S_R+C_LR)/5。

5.根据权利要求1所述的一种运动协调能力简便检测系统，其特征在于：在所述结果显示模块中，将由数据分析模块获得的准确性A_L和A_R、安定性S_L和S_R和同步性C_LR等指标在雷达图上以3坐标轴显示，并同时将运动协调能力的分值Score显示；上述结果除了可以在显示器上显示之外，还可以同时在打印机输出。