CN106344031A - 一种基于声音反馈的步态训练与评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，包括电源模块，电源模与主控制器模块和步态参数采集模块连接，主控制器模块与步态参数采集模块连接，主控制器模块通过信号传输模块与信号接收终端连接，数据存储与管理模块和信号分析与处理模块以及数据显示模块分别与信号接收终端连接，信号分析与处理模块和步态参数采集模块分别与声音反馈模块连接，在步态异常者的恢复训练过程中，引入有效的声音反馈可以从很大程度上帮助学习者，与传统的步态训练与评估系统相比，该系统通过将声音信息与其他信息，例如：图像信息、运动信息、压力信息等相结合，从而形成一个生物反馈系统，实现定量步态分析和临床个性化治疗的无缝连接。

Description

一种基于声音反馈的步态训练与评估系统

技术领域

本发明涉及技术一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，是一套通过利用声音反馈来辅助步态异常患者进行步态训练和量化评估分析的系统。

背景技术

近年来，脑卒中（脑梗塞或脑溢血）、帕金森病、小儿脑瘫、多发性硬化等疾病困扰着越来越多的人群。对于上述人群而言，通常存在运动功能、认知和意识、言语等方面的障碍，术后普遍需要进行长期的康复治疗、训练和指导。其中，通过步态训练恢复其正常的行走能力是一项非常重要的内容。

目前，随着计算机和传感器等技术的飞速发展，越来越多的步态训练设备被应用于临床康复中。根据捕获的信息类型，大致可以分为以下三类：图像信息、运动信息和压力信息。例如：Vicon公司推出的三维运动捕获系统可以精确地跟踪人体在行走过程中各个关节点，如膝关节、踝关节等的时间-空间运动信息，并且可以通过生物力学模型对各个关节点的力学特性进行定量分析。通过将惯性传感器单元，如加速度传感器、陀螺仪和磁力计等佩戴在大腿、小腿和踝关节等位置，可以定量分析诸如步长、步速、步幅、关节角度等信息。通过利用薄膜压力传感器制成的步态分析垫可以精确分析出测试者在行走过程中的足底压力分布、左右对称性等信息。此外，通过将上述捕获的信息与功能性电刺激（FES）、振动刺激等治疗手段相结合，可以形成一个有效的生物反馈系统，亦称闭环控制系统，从而实现量化评估和个性化治疗的无缝连接。

步态异常者恢复正常步态的过程，与婴儿的呀呀学步过程非常类似。通过日常的观察发现，在学习的过程中，有效的声音反馈，例如鼓励、纠偏的话语等，可以从很大程度上帮助学习者。

因此，有必要设计一种新的基于声音反馈的步态训练与评估系统，以解决上述技术问题，弥补目前步态训练与评估系统中没有引入声音反馈这一空白，丰富步态训练与量化评估的技术。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，通过将声音信息与其他信息相结合，从而形成一个生物反馈系统，实现定量步态分析和临床个性化治疗的无缝连接。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，包括电源模块、主控制器模块、步态参数采集模块、信号传输模块、信号接收终端、数据存储与管理模块、信号分析与处理模块、数据显示模块和声音反馈模块，其中，所述电源模块与主控制器模块和步态参数采集模块连接，主控制器模块与步态参数采集模块连接，主控制器模块通过信号传输模块与信号接收终端连接，数据存储与管理模块和信号分析与处理模块以及数据显示模块分别与信号接收终端连接，信号分析与处理模块和步态参数采集模块分别与声音反馈模块连接。

在上述技术方案中，所述步态参数采集模块包含图像信息采集、运动信息采集和压力信息采集。

在上述技术方案中，所述图像信息采集使用摄像头和红外探测器，运动信息采集使用加速度、陀螺仪、磁力计和弯曲传感器，压力信息采集使用薄膜压力传感器和压电传感器。

在上述技术方案中，所述信号传输模块包含有线传输和无线传输。

在上述技术方案中，所述有线传输为串口通讯和USB通讯，无线传输为蓝牙、ZigBee、Wifi和433。

在上述技术方案中，所述信号接收终端为台式设备或移动设备。

在上述技术方案中，所述信号分析与处理模块包括时域分析、频域分析和非线性分析。

在上述技术方案中，所述时域分析为步速、步幅、步长，频域分析为能量、频率分布，非线性分析为复杂网络、熵、平滑度和随机度。

在上述技术方案中，所述数据存储与管理模块用于实现整个系统中的用户信息数据、传感器数据的存储与管理。

在上述技术方案中，所述数据存储包括本地存储和云存储，数据管理包括数据添加、删除、修改和查询的管理操作。

本发明基于声音反馈的步态训练与评估系统，包括电源模块、主控制器模块、步态参数采集模块、信号传输模块、信号接收终端、数据存储与管理模块、信号分析与处理模块、数据显示模块和声音反馈模块，在步态异常者的恢复训练过程中，引入有效的声音反馈可以从很大程度上帮助学习者，与传统的步态训练与评估系统相比，该系统通过将声音信息与其他信息，例如：图像信息、运动信息、压力信息等相结合，从而形成一个生物反馈系统，实现定量步态分析和临床个性化治疗的无缝连接。

附图说明

图1为本发明基于声音反馈的步态训练与评估系统原理框图；

图2为传感器佩戴示意图；

图3为实时步态参数及步态调整决策方案示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，包括电源模块、主控制器模块、步态参数采集模块、信号传输模块、信号接收终端、数据存储与管理模块、信号分析与处理模块、数据显示模块和声音反馈模块。

其中，所述电源模块与主控制器模块和步态参数采集模块连接，主控制器模块与步态参数采集模块连接，主控制器模块与信号接收终端通过信号传输模块连接，数据存储与管理模块和信号分析与处理模块以及数据显示模块分别与信号接收终端连接，信号分析与处理模块和步态参数采集模块分别与声音反馈模块连接。

因此，该系统由硬件子系统和软件子系统两个部分组成。其中，硬件子系统为主控制器模块、步态参数采集模块、声音反馈模块、信号传输模块、电源模块，用于实现信号的采集与传输；软件子系统为显示模块、信号分析与处理模块、数据存储与管理模块，用于实现信号的可视化、分析与处理、数据存储与管理等。整个系统的工作步骤及数据流向详细描述如下：采集步态异常者在行走过程中的步态参数；

根据步态采集模块工作原理的不同，步态异常者与步态采集模块之间的交互方式也有所不同。例如：当步态采集模块选用图像类型，如摄像头、红外探测器等时，步态异常者的行走范围需要处于摄像头或红外探测器的有效工作范围内；当步态采集模块选用运动信息类型，如加速度、陀螺仪、磁力计等时，步态异常者需要将步态采集模块佩戴在人体的某个部位，如头部、上肢、腰部、下肢、足部等；当步态采集模块选用压力类型，如薄膜压力传感器、压电传感器等时，步态异常者需要行走于事先布置好的压力垫或其他压力设备上。

（1）采集到的步态参数通过信号传输模块发送到信号接收终端上；

根据信号传输方式的不同，可以利用有线，如串口通信、USB通信等或无线，如Bluetooth、ZigBee、Wifi等传输协议。同时，根据步态采集模块个数的不同，信号传输方式可以采用点对点通信或多点无线组网通信等。此外，信号接收端根据硬件设备的不同，可以选用台式计算机、智能移动终端或平板电脑或智能手机等。

（2）在信号接收端上，信号分析与处理模块对采集到的传感器信息进行分析与处理，从而得出量化的步态特征；

具体的信号分析与处理方法包括但不局限于以下形式：时域分析（步速、步幅、步长等）、频域分析（能量、频率分布等）、非线性分析方法（复杂网络、熵、平滑度、随机度等）。

（4）声音反馈模块根据计算出的步态特征，产生实时的、个性化的步态调整决策方案，并以不同形式的声音并通过声音输出设备，例如：麦克风，反馈给步态异常者，从而指导步态异常者在下一个步态周期中的步态行为。

（5）数据显示模块将采集到的传感器信息及计算出的步态参数通过可视化的方式，包括但不局限于以下形式：图像、曲线等展现给步态异常者。

数据存储与管理模块主要实现整个系统中数据，包括但不局限于用户信息数据、传感器数据等的存储与管理；数据存储包括但不局限于本地存储和云存储等形式，数据管理包括但不局限于数据添加、删除、修改、查询等管理操作。

上述步骤（4）中的步态调整决策方案中所包含的内容包括但不局限于以下形式：步幅的调整，包括左脚和右脚；步速的调整，包括左脚和右脚；步长的调整，包括左脚和右脚；左脚和右脚之间的对称性调整。

以下结合附图2和图3对本发明进行具体实施方式进行分析：

如图2所示，在本实施例中，步态参数采集模块选用惯性传感器单元，内部包括3轴加速度计、3轴角速度计和3轴磁力计。信号接收端为智能手机，信号传输模块采用Bluetooth无线传输协议，声音反馈模块通过头戴式耳机实现。

在使用前，首先将两个惯性传感器单元分别绑定于步态异常者的左脚和右脚鞋面上，智能手机放置于步态异常者的口袋中，惯性传感器单元与智能手机之间采用Bluetooth无线传输协议，头戴式耳机与智能手机之间采用有线连接方式。

实验正式开始后，步态异常者进行正常的步行，两个惯性传感器单元开始正常工作，以50Hz的采样频率记录步态异常者在行进过程中左脚和右脚的步态信息，并实时上传给智能手机。

当智能手机接收到惯性传感器上传的步态信息后，信号分析与处理模块开始工作，实时提取步态异常者的相关步态特征，并通过数据显示模块实时显示给步态异常者。同时，声音反馈模块开始工作，根据步态特征参数的不同，产生实时的、个性化的步态调整决策方案，并以语音的方式通过头戴式耳机反馈给步态异常者，从而帮助其调整下一个步态周期内的步态行为。

在某次持续时间为30秒的测量过程中，要求步态异常者每秒完成一个步态周期。步态调整决策方案依据步长的大小进行设定，当步长小于50cm时，产生一个“增加步长”的声音反馈信号；当步长大于70cm时，产生一个“减小步长”的声音反馈信号；当步长位于50cm,70cm这个范围内时，产生一个“继续保持”的声音反馈信号。得到的实时步长参数及步态调整决策方案如图3所示。

从图中可以直观地看出，在第1、4、10、20、29秒对应的步态周期内，步态异常者的步长小于50cm，步态异常者会通过头戴式耳机实时听到智能手机中播放的“增加步长”提示音，从而提醒其在下一个步态周期内需要增加步长；在第5、15、16、24秒对应的步态周期内，步态异常者的步长大于70cm，步态异常者会通过头戴式耳机实时听到智能手机中播放的“减小步长”提示音，从而提醒其在下一个步态周期内需要减小步长；在其余的时刻，步态异常者的步长符合要求，步态异常者会通过头戴式耳机实时听到智能手机中播放的“继续保持”提示音，从而提醒其在下一个步态周期内无需改变其步态行为。

本发明基于声音反馈的步态训练与评估系统，包括电源模块、主控制器模块、步态参数采集模块、信号传输模块、信号接收终端、数据储存与管理模块、信号分析与处理模块、数据显示模块和声音反馈模块，在步态异常者的恢复训练过程中，引入有效的声音反馈可以从很大程度上帮助学习者，与传统的步态训练与评估系统相比，该系统通过将声音信息与其他信息，例如：图像信息、运动信息、压力信息等相结合，从而形成一个生物反馈系统，实现定量步态分析和临床个性化治疗的无缝连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：包括电源模块、主控制器模块、步态参数采集模块、信号传输模块、信号接收终端、数据存储与管理模块、信号分析与处理模块、数据显示模块和声音反馈模块，其中，所述电源模块与主控制器模块和步态参数采集模块连接，主控制器模块与步态参数采集模块连接，主控制器模块通过信号传输模块与信号接收终端连接，数据存储与管理模块和信号分析与处理模块以及数据显示模块分别与信号接收终端连接，信号分析与处理模块和步态参数采集模块分别与声音反馈模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述步态参数采集模块包含图像信息采集、运动信息采集和压力信息采集。

3.根据权利要求2所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述图像信息采集使用摄像头和红外探测器，运动信息采集使用加速度、陀螺仪、磁力计和弯曲传感器，压力信息采集使用薄膜压力传感器和压电传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述信号传输模块包含有线传输和无线传输。

5.根据权利要求4所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述有线传输为串口通讯和USB通讯，无线传输为蓝牙、ZigBee、Wifi和433。

6.根据权利要求1所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述信号接收终端为台式设备或移动设备。

7.根据权利要求1所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述信号分析与处理模块包括时域分析、频域分析和非线性分析。

8.根据权利要求7所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述时域分析为步速、步幅、步长，频域分析为能量、频率分布，非线性分析为复杂网络、熵、平滑度和随机度。

9.根据权利要求1所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述数据存储与管理模块用于实现整个系统中的用户信息数据、传感器数据的存储与管理。

10.根据权利要求9所述的一种基于声音反馈的步态训练与评估系统，其特征在于：所述数据存储包括本地存储和云存储，数据管理包括数据添加、删除、修改和查询的管理操作。