CN101332091A

CN101332091A - 多参数光电式人体平衡功能测试系统

Info

Publication number: CN101332091A
Application number: CNA2007101295575A
Authority: CN
Inventors: 尹志勇; 赵辉; 王正国; 舒彬
Original assignee: Research Institute of Field Surgery TMMU
Current assignee: Research Institute of Field Surgery TMMU
Priority date: 2007-06-30
Filing date: 2007-06-30
Publication date: 2008-12-31

Abstract

多参数光电式人体平衡功能测试系统属医疗器械领域。系采用光－电技术和序列图像分析技术，由数码CCD摄像头(1)、USB连线(2)、打印机(3)、机械支架(4)、多个视标(5.6.7)、计算机(8)和人体平衡分析系统软件组成，同步记录人体多个关键部位在二维平面上的晃动规律，从而获取描述人体平衡能力的客观指标和实现平衡功能时多关节在平衡调节中的作用。克服现有平衡测量仪测试指标单一的缺陷，评估多个部位的平衡状态，为疾病的诊断提供更多的客观数据。具有测试方法简单、直观，整机成本低廉便于推广应用等优点。

Description

多参数光电式人体平衡功能测试系统

技术领域

本发明属医疗器械领域。采用光-电技术和序列图像分析技术，对人体平衡功能进行定量测量和分析；用多个视标与人体不同部位连接，能有效地获取身体多部位在平衡测试过程中的晃动轨迹，从而客观地评估下肢关节、腰椎和颈椎等关节在人体平衡调节中的作用，与传统方法相比，新的方法能更准确地评估人体平衡功能，为客观有效地诊断各种疾病提供依据。

背景技术

平衡是人体神经、运动系统的一项重要功能。许多神经系统的疾病均表现出不同程度的平衡功能障碍，研究人体平衡功能的稳定及其控制对运动医学、康复医学以及老年医学均有重要意义。早期对平衡功能障碍的检查主要是通过一些物理检查手段(如：Romberg’s征等)完成，缺乏客观有效的定量判定指标。重心动摇检查(Postural sway)是近年发展起来的一种对前庭系统、视觉系统和本体感觉系统病变引起的平衡功能障碍进行检查的定量检查方法，该方法可为人体平衡功能的综合判断提供有价值的定量分析结果。重心动摇平衡检查具有无创、快速、简单、结果可靠、重复性好等优点。但该方法采用检测和分析脚底压力的改变来推算人体重心位置，是一种间接测量的方法，存在不直观、不便于比较等缺点。为此浙江大学医学院周青硕士提出了一种使用CCD摄像仪测定人体平衡能力的方法，但由于受条件的限制仅对10fps 320×240图形进行分析，其空间分辨率和时间分辨率均不尽人意，由于将CCD置于水平位置，因此，只能测试身体在左右方向上的晃动，将前后摇晃的信息丢失，难以满足临床测试的需要，缺乏实用性。为此，申请者于2004年提出了一种新的方法，将CCD置于头顶部，可同时检测身体在前后和左右方向上的晃动，并提高了CCD的分辨率和采样频率，研制了便携式人体平衡功能测试仪并申请了实用新型专利(专利号：2004201051676)。但与传统测试方法类似也只能测试单一点(或重心)在前后左右方向上的运动规律。由于人体平衡的实现是通过调节下肢关节、腰椎、颈椎来维持人体平衡的。要比较精确的描述人体平衡，靠身体上单一点的运动来描述是不确切的。另一方面由于人体平衡功能的实施是靠多关节的调整来实现的，若能记录多关节在平衡调节中的表现，则对更好地诊断疾病将提供更多有用信息，同时可客观地反应出各关节在平衡调整中的作用。为此，本发明采用高分辨率CCD数码摄像头、同步记录人体多个关键部位在二维平面上的移动规律，从而获取人体平衡能力的客观指标和平衡调节时多关节在平衡中的作用。

发明内容

本平衡测试系统利用光-电技术和序列图像分析技术，同步记录人体多个重要部位在二维平面上的晃动轨迹，从而获取描述人体平衡能力的客观指标和实现平衡功能时多关节在平衡中的作用，克服了现有平衡测量仪测试指标单一、无法准确判断平衡功能异常的主要部位的缺陷，为疾病的诊断提供更多的客观指标。

本系统由数码CCD摄像头(1)、USB连线(2)、打印机(3)、机械支架(4)、多个视标(5.6.7)、计算机(8)和人体平衡分析系统软件组成(如图1)。固定在机械支架上的数码CCD摄像头实时记录平衡测试过程中位于身体多个关键部位视标晃动的图像，通过序列图像分析技术找出各视标的坐标，从而获得身体各关键部位在前后左右方向的移动过程，然后根据各视标与数码CCD镜头之间的实际距离进行修正，以获取各视标的实际位移量，然后计算出平衡中心、最大偏差、平均偏差、偏差标准误、总轨迹长、最大步距、平均步距、x轨迹长和y轨迹长，包络面积、低功率谱，中功率谱和高功率谱等客观指标。最后将测试结果存储到数据库中，并根据需要打印相应的报告单。

与现有平衡功能测量方法相比，本发明有以下特点：

①能同步反映出身体上多个关键部位的晃动情况，测量的信息量大，应用领域更广；

②测试结果不仅能反应出身体的平衡情况，而且能获取参与平衡调节的各关节的作用，更有助于对疾病的诊断；

③测试精度更高和软件系统功能更完善；

④测试方法简单、直观和可靠，以及整机成本低廉便于推广应用等。

附图说明

图1为系统组成原理示意图。

图2为系统组成框图示意图。

图3为软件模块示意图。

图4为操作流程示意图。

图1中1.CCD摄像头，2.USB连线，3.打印机，4.机械支架，5.红色视标，6.绿色视标，7.蓝色视标，8.计算机。

具体实施方式

本实施方式采用红、绿、蓝三种颜色的发光二极管作为视标，分别固定到人体头部、肩部和髋部。为了提高系统的测试精度，采用分辨率为1600×1200的数码CCD摄像头记录平衡测试过程中红、绿、蓝三只发光二极管晃动情况。为了满足临床需要本系统采用实时处理方式，由于需要处理的数据量极大，寻找多视标的处理算法就显得尤为重要。为此，申请者将采集到的图像分解为R、G和B三种颜色分量，由于在R分量上只有红色发光管的信息，在G分量上只有绿色发光二极管的信息，而在B分量上只有蓝色发光二极管的信息，这样就极大地提高了系统的寻找各视标的速度。测试开始后，系统逐帧将图像采集到内存中，然后分解出RGB分量，在各自的分量中寻找最大值的中心点，即为视标的坐标。由于各视标离镜头的距离不等，为了便于比较需进行归一化处理。具体方法是根据视标与镜头的距离和数码CCD摄像头在不同距离上的特性曲线修正所获得的数据。记录并分析60秒的数据后停止采集图像数据，然后根据各视标的坐标计算出平衡中心、最大偏差、平均偏差、偏差标准误、总轨迹长、最大步距、平均步距、x轨迹长和y轨迹长，包络面积、低功率谱，中功率谱和高功率谱等客观指标。

系统软件模块：

本系统软件一共分为四个部分：硬件控制、数据分析、数据管理和用户交互控制。用户交互控制模块接受用户输入，以流程控制的方式实现用户对其它三个模块的控制。硬件控制模块驱动所有与数码CCD摄像头有关的硬件，接受用户交互模块的命令。数据管理模块的管理对象主要是病人数据，并以数据段对病人数据进行存储。

操作步骤说明：

步骤1：启动软件进行系统初始化，设置CCD摄像头的工作状态，开启视标；

步骤2：输入病员信息和各视标与地面的高度，由计算机根据镜头的高度自动计算出各视标与镜头的距离；

步骤3：开始测试：请病人睁眼；

步骤4：按下开始测试键，将图像逐帧采集到内存，分解RGB分量，分别寻找R，G，B分量中最亮点中心位置的坐标。60秒计时结束后自动停止；

步骤5：数据分析：根据视标坐标进行分析，计算出平衡中心、最大偏差、平均偏差、偏差标准误、总轨迹长、最大步距、平均步距、x轨迹长和y轨迹长，包络面积、低功率谱，中功率谱和高功率谱；

步骤6：测试的数据存入数据管理系统；

步骤7：开始测试：请病人闭眼；重复步骤4、步骤5、步骤6；

步骤8：显示、打印分析结果。

步骤9：测试完毕，退出测试系统，关闭视标。

Claims

1、一种人体平衡功能测试系统，由数码CCD摄像头、USB连线、计算机、多个视标、打印机和人体平衡分析软件等构成。

2、根据权利要求1所述的人体平衡功能测试系统，其特征在于：数码摄像头位于多个视标的上部，每一视标与身体上感兴趣部位相联，身体上特定部位的移动带动相应视标的移动，通过摄像头同步记录多个视标的运动轨迹。

3、根据权利要求1或2所述的人体平衡功能测试系统，其特征在于：人体平衡调节引起多个视标的移动，并通过数码CCD摄像头实时采集图像，并对图像进行逐帧分析处理，获取二维平面上多个视标的坐标，最后对这些点坐标进行分析以定量获取人体多部位的运动参数。