CN106618498B - 评估身体平衡的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评估身体平衡的系统和方法，压力板用于检测受检者的身体在压力板的压力分布得到足底压力信息，并通过通信装置发送至上位机；第一姿态传感器用于检测受检者的头部的数据得到第一姿态信息，并通过通信装置发送至上位机；第二姿态传感器用于检测受检者的躯干的数据得到第二姿态信息，并通过通信装置发送至上位机；上位机用于根据接收的受检者的足底压力信息、第一姿态信息和第二姿态信息计算受检者身体重心的移动情况并评估受检者的身体平衡障碍部位；上位机根据接收的第一姿态信息评估受检者前庭系统对身体平衡的影响；上位机根据接收的第二姿态信息评估受检者本体感觉能力，能准确地评估受检者的身体平衡状况，评估效率和准确性高。

Description

评估身体平衡的系统和方法

技术领域

本发明涉及医疗康复领域，特别是涉及一种评估身体平衡的系统和方法。

背景技术

平衡功能是人类的一项重要功能和基本运动技能，是指身体处于某一姿态，在运动或者受到外力作用时，能自动调整以恢复稳定的能力，日常生活中的各种动作依赖于有效的平衡功能。许多疾病会引起平衡功能障碍，例如坐立不稳，易跌倒，步行困难等，严重影响患者的生活质量。

传统的评估身体平衡的方法是采用压力传感器式平衡系统，但是压力式传感器只能测量整体平衡重心的移动情况，无法得知患者身体单一部位的重心移动情况，且是通过侧面反映某一感觉对平衡的影响，缺乏说服力。因此传统的评估身体平衡的方法评估效率低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种评估效率高的评估身体平衡的系统和方法。

一种评估身体平衡的系统，包括压力板、第一姿态传感器和、第二姿态传感器、通信装置和上位机，所述压力板设置于受检者的脚底，所述第一姿态传感器设置于所述受检者的头部，所述第二姿态传感器设置于所述受检者的胸背部，所述压力板、所述第一姿态传感器和所述第二姿态传感器均通过所述通信装置连接所述上位机，

所述压力板用于检测所述受检者的身体在所述压力板的压力分布得到足底压力信息并通过所述通信装置发送至所述上位机；

所述第一姿态传感器用于检测所述受检者的头部的数据得到第一姿态信息并通过所述通信装置发送至所述上位机；

所述第二姿态传感器用于检测所述受检者的躯干的数据得到第二姿态信息并通过所述通信装置发送至所述上位机；

所述上位机用于根据接收的所述受检者的足底压力信息、所述第一姿态信息和所述第二姿态信息计算所述受检者的身体重心的移动情况并评估所述受检者的身体平衡障碍部位；所述上位机用于根据接收的所述第一姿态信息评估所述受检者前庭系统对身体平衡的影响；所述上位机用于根据接收的所述第二姿态信息评估所述受检者本体感觉能力。

一种评估身体平衡的方法，包括以下步骤：

压力板用于检测受检者的身体在所述压力板的压力分布得到足底压力信息并通过通信装置发送至上位机；

第一姿态传感器检测受检者的头部的数据得到第一姿态信息，并通过所述通信装置发送至所述上位机；

第二姿态传感器检测受检者的躯干的数据得到第二姿态信息，并通过所述通信装置发送至所述上位机；

所述上位机根据接收的所述受检者的足底压力信息、所述第一姿态信息和所述第二姿态信息计算所述受检者的身体重心的移动情况并评估所述受检者的身体平衡障碍部位；

所述上位机根据接收的所述第一姿态信息评估所述受检者前庭系统对身体平衡的影响；

所述上位机根据接收的所述第二姿态信息评估所述受检者本体感觉能力。

上述评估身体平衡的系统和方法，所述压力板用于检测所述受检者的身体在所述压力板的压力分布得到足底压力信息，并通过所述通信装置发送至所述上位机；所述第一姿态传感器用于检测所述受检者的头部的数据得到第一姿态信息，并通过所述通信装置发送至所述上位机；所述第二姿态传感器用于检测所述受检者的躯干的数据得到第二姿态信息，并通过所述通信装置发送至所述上位机；所述上位机用于根据接收的所述受检者的足底压力信息、所述第一姿态信息和所述第二姿态信息计算所述受检者的身体重心的移动情况并评估所述受检者的身体平衡障碍部位；所述上位机用于根据接收的所述第一姿态信息评估所述受检者前庭系统对身体平衡的影响；所述上位机用于根据接收的所述第二姿态信息评估所述受检者本体感觉能力。通过综合对比分析受检者的头部、躯干、身体整体重心移动轨迹，以及对比分析受检者运动前后头部的姿态信息和对比分析受检者运动前后躯干的姿态信息，能准确地评估受检者平衡功能障碍的部位、前庭系统对身体平衡的影响和本体感觉能力，分析影响平衡的原因，评估效率高。

附图说明

图1为一实施例中评估身体平衡的系统结构图；

图2为一实施例中评估身体平衡的方法流程图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，一种评估身体平衡的系统，包括压力板110、第一姿态传感器120、第二姿态传感器130、通信装置140和上位机150，压力板110设置于受检者的脚底，第一姿态传感器120设置于受检者的头部，第二姿态传感器130设置于受检者的胸背部，压力板110、第一姿态传感器120和第二姿态传感器130均通过通信装置140连接上位机150，压力板110用于检测受检者的身体在压力板110的压力分布得到足底压力信息并通过通信装置140发送至上位机150；第一姿态传感器120用于检测受检者的头部的数据得到第一姿态信息并通过通信装置140发送至上位机150；第二姿态传感器130用于检测受检者的躯干的数据得到第二姿态信息并通过通信装置140发送至上位机150；上位机150用于根据接收的受检者的足底压力信息、第一姿态信息和第二姿态信息计算受检者的身体重心的移动情况并评估受检者的身体平衡障碍部位；上位机150用于根据接收的第一姿态信息评估受检者前庭系统对身体平衡的影响；上位机150用于根据接收的第二姿态信息评估受检者本体感觉能力。

具体地，上位机150用于根据接收的受检者的足底压力信息、第一姿态信息和第二姿态信息计算受检者的身体重心的移动情况并评估受检者的身体平衡障碍部位包括：上位机根据接收的受检者的足底压力信息，计算出受检者的身体整体重心的移动轨迹的变化曲线，得到第一变化曲线图；上位机根据接收的第一姿态信息，计算出受检者头部重心的移动轨迹的变化曲线，得到第二变化曲线图；上位机根据接收的第二姿态信息，计算出受检者躯干重心的移动轨迹的变化曲线，得到第三变化曲线图；上位机将同一个时间序列的第一变化曲线图、第二变化曲线图和第三变化曲线图进行对比，得出身体整体重心、头部重心和躯干重心之间的重心转移吻合度，评估受检者的身体平衡障碍部位。

第一姿态信息包括第一前姿态信息和第一后姿态信息，上位机150用于根据接收的第一姿态信息评估受检者前庭系统对身体平衡的影响包括：第一姿态传感器在受检者闭目站立，双臂向前平伸时，记录受检者此时的姿态信息，得到第一前姿态信息；第一姿态传感器在受检者在预设时间内原地踏步预设步数时，记录受检者踏步结束时的姿态信息，得到第一后姿态信息；第一姿态传感器比较第一前姿态信息和第一后姿态信息，当偏转角度大于预设阈值时，则受检者的前庭系统异常。

第二姿态信息包括第二前姿态信息和第二后姿态信息，上位机150用于根据接收的第二姿态信息评估受检者本体感觉能力包括：第二姿态传感器在受检者站立，在睁眼情况下向预设方向摆动身体至预设位置时，记录受检者此时的姿态信息，得到第二前姿态信息；第二姿态传感器在受检者在闭眼情况下再次向预设方向摆动身体至受检者自我感觉身体已经到达预设位置时，记录受检者此时的姿态信息，得到第二后姿态信息；第二姿态传感器多次采集并比较第二前姿态信息和第二后姿态信息，得到对应的位置的差距从而评估受检者本体感觉能力。具体地，预设方向包括前、后、左、右四个方向，第二姿态传感器需要记录受检者分别进行前、后、左、右四个方向的测试得到各方向第二前姿态信息和各方向第二后姿态信息，全面评估受检者本体感觉能力。

具体地，第一姿态传感器120和第二姿态传感器130的具体类型并不唯一，在本实施例中，具体为MEMS九轴姿态传感器。平衡系统测试过程中，主要把人体分为三部分来进行数据采集与分析，分别是身体整体、头部、上躯干。脚底的压力板110可以实时检测受检者的身体重心的移动轨迹，头部的MEMS姿态传感器佩戴于头后部，双耳耳尖穴连线的中点处，可以实时检测头部在矢状面、额状面、水平面的第一姿态信息，胸背部的姿态传感器佩戴于躯干背部，双腋下两线的中点处，可以实时检测躯干在矢状面、额状面、水平面的第一姿态信息。

为了能正确的描述人体诸多器官的形态结构和位置，制定了一个标准，称为“人体的标准解剖学姿势”，即：身体直立，面向前，两眼向正前方平视，两足并拢，足尖向前，上肢下垂于躯干的两侧，掌心向前。在这个标准姿势上人体可设计互相垂直的3种轴，即垂直轴，矢状轴和冠状轴，分3个面，即矢状面，冠状面和水平面。通俗来讲就是矢状面是从身体的侧面看，冠状面是从身体的前面看，水平面也就是从身体的头顶往下看。

在一个实施例中，第一姿态信息和第二姿态信息包括倾斜角度、角度变化率、抖动速率和移动距离中的至少一种。

在一个实施例中，第一姿态传感器120包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁感计和处理器，三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁感计均连接处理器，三轴陀螺仪用于测量受检者的旋转角速率并发送至处理器；三轴加速度计用于测量受检者的线性加速度和倾斜角度并发送至处理器；三轴磁感计用于测量受检者和地球磁场北极的磁场偏角并发送至处理器；处理器用于接收三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁感计发送的数据，并进行处理得到受检者的第一姿态信息，通过通信装置140发送至上位机150。

具体地，第二姿态传感器130也包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁感计和处理器，三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁感计均连接处理器，三轴陀螺仪用于测量受检者的旋转角速率并发送至处理器；三轴加速度计用于测量受检者的线性加速度和倾斜角度并发送至处理器；三轴磁感计用于测量受检者和地球磁场北极的磁场偏角并发送至处理器；处理器用于接收三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁感计发送的数据，并进行处理得到受检者的第二姿态信息，通过通信装置140发送至上位机150。

具体地，三轴陀螺仪可同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好。三轴陀螺仪最大的作用就是“测量角速度，以判别物体的运动状态”，所以也称为运动传感器。三轴加速度传感器的可在在预先不知道物体运动方向的场合下，应用三维加速度传感器来检测加速度信号。三维加速度传感器具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质。MEMS类加速度计的工作原理是当加速度计连同外界物体(该物体的加速度就是待测的加速度)一起作加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，通过输出电压就能测得外界的加速度大小。

在一个实施例中，压力板110包括连接通信装置140的压力传感器，压力传感器用于检测得到受检者的足底压力信息。

在一个实施例中，通信装置140包括WIFI装置、蓝牙装置和GPRS装置中的至少一种，WIFI装置、蓝牙装置和GPRS装置均连接上位机150、压力板110、第一姿态传感器120和第二姿态传感器130。

具体地，可根据应用需要选择合适的通信方式，提高了便利性和灵活性。

上述评估身体平衡的系统，压力板110用于检测受检者的身体在压力板110的压力分布得到足底压力信息并通过通信装置140发送至上位机150，第一姿态传感器120测量出受检者的头部的原始数据(如旋转角速率、线性加速度、倾斜角度、受检者和地球磁场北极的磁场偏角等)，通过卡尔曼滤波姿态融合算法，可得到受检者的头部的第一姿态信息(如倾斜角度、角度变化率、抖动速率和移动距离等)，并通过通信装置140发送至上位机150，第二姿态传感器130测量出受检者的躯干的原始数据，通过卡尔曼滤波姿态融合算法，可得到受检者的躯干的第二姿态信息，并通过通信装置140发送至上位机150，上位机150用于根据接收的受检者的足底压力信息、第一姿态信息和第二姿态信息计算受检者的身体重心的移动情况并评估受检者的身体平衡障碍部位；上位机150用于根据接收的第一姿态信息评估受检者前庭系统对身体平衡的影响；上位机150用于根据接收的第二姿态信息评估受检者本体感觉能力。通过在同一个时间序列对三组数据进行综合对比分析综合对比分析受检者的头部、躯干、身体整体重心移动轨迹，以及对比分析受检者运动前后头部的姿态信息和对比分析受检者运动前后躯干的姿态信息，准确找出在测试异常点，从而客观、准确地评估受检者平衡功能情况，分析影响平衡的原因，评估效率高，进而为受检者提供平衡功能改善训练的建议方向。

维持平衡是一种复杂的生理过程，依赖于中枢神经系统、运动系统、感觉系统的完整性。人体平衡有三大环节：感觉输入，中枢整合，运动控制。任何一个环节出现异常都会引起平衡障碍。其中，感觉输入包括视觉、本体感觉、前庭感觉输入，俗称“平衡三联”。

在一个实施例中，如图2所示，一种评估身体平衡的方法，包括以下步骤：

步骤S110：压力板用于检测受检者的身体在压力板的压力分布得到足底压力信息并通过通信装置发送至上位机

步骤S120：第一姿态传感器检测受检者的头部的数据得到第一姿态信息，并通过通信装置发送至上位机。

步骤S130：第二姿态传感器检测受检者的躯干的数据得到第二姿态信息，并通过通信装置发送至上位机。

步骤S140：上位机根据接收的受检者的足底压力信息、第一姿态信息和第二姿态信息计算受检者的身体重心的移动情况并评估受检者的身体平衡障碍部位。在本实施例中，步骤S140包括步骤142至步骤148。

步骤142：上位机根据接收的受检者的足底压力信息，计算出受检者的身体整体重心的移动轨迹的变化曲线，得到第一变化曲线图。

步骤144：上位机根据接收的第一姿态信息，计算出受检者头部重心的移动轨迹的变化曲线，得到第二变化曲线图。

步骤146：上位机根据接收的第二姿态信息，计算出受检者躯干重心的移动轨迹的变化曲线，得到第三变化曲线图。

步骤148：上位机将同一个时间序列的第一变化曲线图、第二变化曲线图和第三变化曲线图进行对比，得出身体整体重心、头部重心和躯干重心之间的重心转移吻合度，评估受检者的身体平衡障碍部位。

步骤S150：上位机根据接收的第一姿态信息评估受检者前庭系统对身体平衡的影响。在本实施例中，第一姿态信息包括第一前姿态信息和第一后姿态信息，步骤S150包括步骤152至步骤156。

具体地，正常人在一般状态下由前庭系统和与其保持密切关系的视觉和本体感觉(躯干、肌肉张力等方面)的参与及合作而使之随时明确自己在空间的正确定位关系，即使在闭目或动态状况下亦可确定自身的方位而保持平衡。当前庭功能减退或受到病理性、生理性刺激时则各方面的协调关系混乱，表现为平衡功能障碍。

步骤152：第一姿态传感器在受检者闭目站立，双臂向前平伸时，记录受检者此时的姿态信息，得到第一前姿态信息。

步骤154：第一姿态传感器在受检者在预设时间内原地踏步预设步数时，记录受检者踏步结束时的姿态信息，得到第一后姿态信息。

步骤156：第一姿态传感器比较第一前姿态信息和第一后姿态信息，当偏转角度大于预设阈值时，则受检者的前庭系统异常。

具体地，受检者闭目站立，双臂向前平伸，在1分钟时间内原地踏步50～100步，利用MEMS九轴姿态传感器记录受检者踏步结束时的偏斜角度，当身体旋转>30°时，则判断受检者的前庭系统异常，预设阈值可以根据需要进行适当调整。

步骤S160：上位机根据接收的第二姿态信息评估受检者本体感觉能力。在本实施例中，第二姿态信息包括第二前姿态信息和第二后姿态信息，步骤S160包括步骤162至步骤166。

步骤162：第二姿态传感器在受检者站立，在睁眼情况下向预设方向摆动身体至预设位置时，记录受检者此时的姿态信息，得到第二前姿态信息。

具体地，预设位置可以根据需要进行适当调整，提高了灵活性。

步骤164：第二姿态传感器在受检者在闭眼情况下再次向预设方向摆动身体至受检者自我感觉身体已经到达预设位置时，记录受检者此时的姿态信息，得到第二后姿态信息。

步骤166：第二姿态传感器多次采集并比较第二前姿态信息和第二后姿态信息，得到对应的位置的差距从而评估受检者本体感觉能力。

具体地，具体的评估的方式并不唯一，可根据具体需要进行制定，例如当第二姿态传感器两次分别采集第二前姿态信息和第二后姿态信息时，得到的对应的位置的差距为X和Y，比较X与Y的大小，若X＞Y，则说明患者本体感觉能力有好转，反之则恶化，当第二姿态传感器四次分别采集第二前姿态信息和第二后姿态信息时，得到的对应的位置差距为X、Y、Z、K，则可制定评估的方案为好转的次数大于恶化的次数，则判断为好转，或者直接比较最后一次获取的对应的位置差距和第一次获取的对应的位置差距进行评估。

在一个实施例中，预设方向包括前、后、左、右四个方向，第二姿态传感器需要记录受检者分别进行前、后、左、右四个方向的测试得到各方向第二前姿态信息和各方向第二后姿态信息，全面评估受检者本体感觉能力。

上述评估身体平衡的方法，压力板检测受检者的身体在压力板的压力分布得到足底压力信息，并通过通信装置发送至上位机；第一姿态传感器检测受检者的头部的数据得到第一姿态信息，并通过通信装置发送至上位机；第二姿态传感器检测受检者的躯干的数据得到第二姿态信息，并通过通信装置发送至上位机；上位机根据接收的受检者的足底压力信息、第一姿态信息和第二姿态信息计算受检者的身体重心的移动情况并评估受检者的身体平衡障碍部位；上位机根据接收的第一姿态信息评估受检者前庭系统对身体平衡的影响；上位机根据接收的第二姿态信息评估受检者本体感觉能力。通过综合对比分析受检者的头部、躯干、身体整体重心移动轨迹，以及对比分析受检者运动前后头部的姿态信息和对比分析受检者运动前后躯干的姿态信息，能准确地评估受检者平衡功能障碍的部位、前庭系统对身体平衡的影响和本体感觉能力，分析影响平衡的原因，评估效率高，进而为受检者提供平衡功能改善训练的建议方向。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种评估身体平衡的系统，其特征在于，包括压力板、第一姿态传感器和、第二姿态传感器、通信装置和上位机，所述压力板设置于受检者的脚底，所述第一姿态传感器设置于所述受检者的头部，所述第二姿态传感器设置于所述受检者的胸背部，所述压力板、所述第一姿态传感器和所述第二姿态传感器均通过所述通信装置连接所述上位机，

所述压力板用于检测所述受检者的身体在所述压力板的压力分布得到足底压力信息，并通过所述通信装置发送至所述上位机；

所述第一姿态传感器用于检测所述受检者的头部的数据得到第一姿态信息，并通过所述通信装置发送至所述上位机；

所述第二姿态传感器用于检测所述受检者的躯干的数据得到第二姿态信息，并通过所述通信装置发送至所述上位机；

所述上位机用于根据接收的所述受检者的足底压力信息、所述第一姿态信息和所述第二姿态信息计算所述受检者的身体重心的移动情况并评估所述受检者的身体平衡障碍部位；所述上位机用于根据接收的所述第一姿态信息评估所述受检者前庭系统对身体平衡的影响；所述上位机用于根据接收的所述第二姿态信息评估所述受检者本体感觉能力；

其中，所述上位机根据接收的所述受检者的足底压力信息、所述第一姿态信息和所述第二姿态信息计算所述受检者的身体重心的移动情况并评估所述受检者的身体平衡障碍部位，包括：

所述上位机根据接收的所述受检者的足底压力信息，计算出所述受检者的身体整体重心的移动轨迹的变化曲线，得到第一变化曲线图；

所述上位机根据接收的第一姿态信息，计算出所述受检者的头部重心的移动轨迹的变化曲线，得到第二变化曲线图；

所述上位机根据接收的第二姿态信息，计算出所述受检者的躯干重心的移动轨迹的变化曲线，得到第三变化曲线图；

所述上位机将同一个时间序列的所述第一变化曲线图、所述第二变化曲线图和所述第三变化曲线图进行对比，得出身体整体重心、头部重心和躯干重心之间的重心转移吻合度，评估所述受检者的身体平衡障碍部位；

所述第一姿态信息包括第一前姿态信息和第一后姿态信息，所述上位机用于根据接收的所述第一姿态信息评估所述受检者前庭系统对身体平衡的影响包括：所述第一姿态传感器在所述受检者闭目站立，双臂向前平伸时，记录所述受检者此时的姿态信息，得到所述第一前姿态信息；所述第一姿态传感器在所述受检者在预设时间内原地踏步预设步数时，记录所述受检者踏步结束时的姿态信息，得到所述第一后姿态信息；所述第一姿态传感器比较所述第一前姿态信息和所述第一后姿态信息，当偏转角度大于预设阈值时，则所述受检者的前庭系统异常；

所述第二姿态信息包括第二前姿态信息和第二后姿态信息，所述上位机用于根据接收的所述第二姿态信息评估所述受检者本体感觉能力包括：所述第二姿态传感器在所述受检者站立，在睁眼情况下向预设方向摆动身体至预设位置时，记录所述受检者此时的姿态信息，得到所述第二前姿态信息；所述第二姿态传感器在所述受检者在闭眼情况下再次向预设方向摆动身体至所述受检者自我感觉身体已经到达预设位置时，记录所述受检者此时的姿态信息，得到所述第二后姿态信息；所述第二姿态传感器多次采集并比较所述第二前姿态信息所述和第二后姿态信息，得到对应的位置的差距从而评估所述受检者本体感觉能力。

2.根据权利要求1所述的评估身体平衡的系统，其特征在于，所述第一姿态信息和所述第二姿态信息包括倾斜角度、角度变化率、抖动速率和移动距离中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的评估身体平衡的系统，其特征在于，所述第一姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁感计和处理器，所述三轴陀螺仪、所述三轴加速度计和所述三轴磁感计均连接所述处理器，

所述三轴陀螺仪用于测量所述受检者的旋转角速率并发送至所述处理器；

所述三轴加速度计用于测量所述受检者的线性加速度和倾斜角度并发送至所述处理器；

所述三轴磁感计用于测量所述受检者和地球磁场北极的磁场偏角并发送至所述处理器；

所述处理器用于接收所述三轴陀螺仪、所述三轴加速度计和所述三轴磁感计发送的数据，并进行处理得到所述受检者的第一姿态信息，通过所述通信装置发送至所述上位机。

4.根据权利要求1所述的评估身体平衡的系统，其特征在于，所述压力板包括连接所述通信装置的压力传感器，所述压力传感器用于检测得到所述受检者的足底压力信息。

5.根据权利要求1所述的评估身体平衡的系统，其特征在于，所述通信装置包括WIFI装置、蓝牙装置和GPRS装置中的至少一种，所述WIFI装置、所述蓝牙装置和所述GPRS装置均连接所述上位机、所述压力板、所述第一姿态传感器和所述第二姿态传感器。

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