CN108185994A - 一种基于非线性技术的平衡能力检测方法及装置 - Google Patents

一种基于非线性技术的平衡能力检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性技术的平衡能力检测方法及装置，该方法首先记录人体重心位置，得到人体重心位置的偏移量d；然后将偏移量d按采样时间进行排序，得到序列D(d1，d2，…，dL)；以相邻采样时刻的两个d值分别为横、纵坐标，依次描记出L‑1个人体重心偏移变化的庞加莱Poincare点，得到序列P(p1，p2，…，pL‑1)；对序列P(p1，p2，…，pL‑1)分别沿直线y＝x和直线y＝‑x进行投影，分别计算离散程度，得到表征平衡能力长时程调整能力的评价指标和表征平衡能力短时程调节能力的评价指标。本发明可以有效地对人体平衡能力能力进行评估，为评价人体平衡能力提供了可靠的工具。

Description

一种基于非线性技术的平衡能力检测方法及装置
技术领域
本发明属于医学检测技术领域，涉及一种基于非线性技术的平衡能力检测方法及装置。
背景技术
人体平衡能力是进行各种日常活动的基本条件。随着年龄的增长，与平衡能力有关的身体各项机能会出现衰退，如肌肉力量减弱、视力减退、反应时间延长等，进而导致老年人的平衡能力下降，增加跌倒风险，并带来严重的伤害，甚至死亡。
平衡能力评估传统上采用临床观察法、量表评估法等手段，医生通过观察受试者在不同条件下的平衡表现得出印象，如观察睁眼和闭眼时坐位、站立、双足并行站立等姿态下的身体晃动情况或询问打分等。上述方法主观性强，不同医生的评估结果可能出现差异，难以定量、客观评价，因此其应用具有较大的局限性。
人体站立时身体重心会产生不由自主的摆动，此类摆动特性反映了视力、前庭器官和本体感受系统及运行系统对平衡控制的水平。应用压力平台技术可以描记出身体重心摆动的轨迹，重心摆动轨迹和面积已成为评估人体平衡能力的一种定量标准，可用于研究平衡机制及其影响因素。
发明内容
人体站立时会发生不由自主的晃动，随之身体重心会发生改变，以往相关工作均将重心摆动轨迹和面积用于评估人体平衡能力，然而，此类方法存在个体差异大，难以确定个性化的平衡标准等问题，因而难以推广。本发明基于这样的实际情况，即每次重心轨迹的变化都存在差异，这种差异反映了控制身体晃动功能的强弱，对其进行非线性动力学分析可以评估人体的平衡能力，本发明基于此提出一种基于非线性技术的平衡能力检测方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于非线性技术的平衡能力检测方法，包括以下步骤：
1)记录人体重心位置，得到人体重心位置的偏移量d；
2)将步骤1得到的偏移量d按采样时间进行排序，得到序列D(d1，d2，…，dL)，其中L为采样数(至少取500)；
3)以相邻采样时刻的两个d值分别为横、纵坐标，依次描记出L-1个人体重心偏移变化的庞加莱Poincare点，得到序列P(p1，p2，…，pL-1)；
4)对序列P(p1，p2，…，pL-1)分别沿直线y＝x和直线y＝-x进行投影，分别计算离散程度，利用离散程度表征平衡能力。
进一步地，所述步骤1)具体包括以下子步骤：
1.1)在矩形平台的四个边角分别布置压力传感器，通过压力传感器采集人站在矩形平台中间时的压力信号w1、w2、w3、w4，(w1、w2、w3、w4分别表示左前方、左后方、右后方、右前方的压力值)，前后两个压力传感器的距离以及左右两个压力传感器的距离分别为wid和len；计算人体重心在平台上的X-Y坐标{x,y}，计算公式如下：
x＝2×len×(w1+w2-w3-w4)/(w1+w2+w3+w4)，
y＝2×wid×(w1-w2-w3+w4)/(w1+w2+w3+w4)，
其中x代表左右方向偏移(左方为正方向)，y代表前后方向偏移(前方为正方向)。
1.2)计算得到人体重心位置的偏移量d，公式如下：
其中分别为所有采样时刻的x、y的均值。
进一步地，所述步骤1.1)中，压力信号采样率为100Hz以上，采样精度为12位以上。
进一步地，所述步骤3)中，对序列P(p1，p2，…，pL-1)进行数据过滤，包括以下步骤：
a.经过对序列D(d1，d2，…，dL)的统计，计算得到其95％的置信区间；
b.参考得到的区间，将序列P(p1，p2，…，pL-1)中横坐标或者纵坐标超出区间的点pn删除。
进一步地，所述步骤4)具体为：
对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝x进行投影，即求序列P(p1，p2，…，pL-1)中各点在直线y＝x上的垂点，进而计算该直线上各垂点与坐标原点的距离dismajor，计算dismajor的标准差Std(dismajor)，得到表征平衡能力长时程调整能力的评价指标；
对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝-x进行投影，即求序列P(p1，p2，…，pL-1)中各点在直线y＝-x上的垂点，进而计算该直线上各垂点与坐标原点的距离disminor，计算disminor的标准差Std(disminor)，得到表征平衡能力短时程调节能力的评价指标。
进一步地，所述步骤4)中，对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝x和y＝-x同时投影的离散程度的求解过程包括以下子步骤：
4.1)对原始坐标进行坐标变化，公式如下：
其中，(X,Y)为原始坐标，(X′,Y′)为坐标系逆时针旋转后的坐标，θ＝π/4；
4.2)求解新坐标系下的坐标的标准差，公式如下：
其中，Std()为求标准差，SD1和SD2分别为表征平衡能力短时程调整能力的评价指标和表征平衡能力长时程调节能力的评价指标。
一种基于非线性技术的平衡能力检测装置，该检测装置包括：医用直流稳压电源、DC-DC隔离模块、稳压模块、AD转换模块、人体重心采集模块和微处理器模块；所述人体重心采集模块包括矩形平台和安装在矩形平台四个边角位置的压力传感器；
所述医用直流稳压电源对DC-DC隔离模块供电，所述DC-DC隔离模块分别对人体重心采集模块的压力传感器和稳压模块供电，所述稳压模块分别对AD转换模块和微处理器模块供电，所述人体重心采集模块、AD转换模块和微处理器模块依次连接，将压力传感器采集的压力信号转换成数字信号传输给微处理器模块；所述微处理器模块通过光耦隔离模块将压力信号传输给PC端；
所述PC端通过压力信号记录人体重心位置，得到人体重心位置的偏移量d；并将偏移量d按采样时间进行排序，得到序列D(d1，d2，…，dL)；以相邻采样时刻的两个d值分别为横、纵坐标，依次描记出L-1个人体重心偏移变化的Poincare点，得到序列P(p1，p2，…，pL-1)；对序列P(p1，p2，…，pL-1)分别沿直线y＝x和直线y＝-x进行投影，分别计算离散程度，利用离散程度表征平衡能力。
进一步地，所述人体重心采集模块还包括输入保护电路、前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、工频陷波电路、后级放大电路，所述压力传感器、输入保护电路、前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、工频陷波电路、后级放大电路依次连接。
本发明的有益效果是：本发明针对人体平衡能力设计了一套检测方法及装置，可以有效地对人体平衡能力能力进行评估，为评价人体平衡能力提供了可靠的工具。将人体晃动信号的变异性分解成短时程变异性和长时程变异性，更多维度的表征了人体的平衡能力。诸如视觉、前庭平衡能力的感官调节能力多与人体的即时调整能力相关，其作用更多反映在人体晃动信号的短时程变异性上；而人体的老化程度、肌肉整体稳定性则更多与人体的整体平衡能力相关，更多反映在人体晃动信号的长时程变异性上。本发明方法能够分别单独刻画这两种作用对平衡能力的影响。
附图说明
图1是本发明的平衡能力检测方法流程图；
图2是本发明的矩形平台结构示意图；
图3是一个典型的重心示意图；
图4是序列P分别沿直线y＝x和直线y＝-x进行投影的示意图；
图5是本发明的平衡能力检测装置结构框图；
图6是本发明的微处理器模块结构框图；
图7是本发明的人体重心采集模块结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于非线性技术的平衡能力检测方法，包括以下步骤：
1)记录人体重心位置，得到人体重心位置的偏移量d，具体为：
1.1)可采用如图2所示矩形平台，在矩形平台的四个边角分别布置压力传感器，通过压力传感器采集人站在矩形平台中间时的压力信号w1、w2、w3、w4，(w1、w2、w3、w4分别表示左前方、左后方、右后方、右前方的压力值)，压力信号采样率为100Hz以上，采样精度为12位以上；前后两个压力传感器的距离以及左右两个压力传感器的距离分别为wid和len；计算人体重心在平台上的X-Y坐标{x,y}，如图3所示，计算公式如下：
x＝2×len×(w1+w2-w3-w4)/(w1+w2+w3+w4)，
y＝2×wid×(w1-w2-w3+w4)/(w1+w2+w3+w4)，
其中x代表左右方向偏移(左方为正方向)，y代表前后方向偏移(前方为正方向)。
1.2)计算得到人体重心位置的偏移量d，公式如下：
其中分别为所有采样时刻的x、y的均值。
2)将步骤1得到的偏移量d按采样时间进行排序，得到序列D(d1，d2，…，dL)，其中L为采样数，至少取500；
3)以相邻采样时刻的两个d值分别为横、纵坐标，依次描记出L-1个人体重心偏移变化的庞加莱Poincare点，得到序列P(p1，p2，…，pL-1)；
4)对序列P(p1，p2，…，pL-1)分别沿直线y＝x和直线y＝-x进行投影，如图4所示，分别计算离散程度，利用离散程度表征平衡能力，具体为：
对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝x进行投影，即求序列P(p1，p2，…，pL-1)中各点在直线y＝x上的垂点，进而计算该直线上各垂点与坐标原点的距离dismajor，计算dismajor的标准差Std(dismajor)，得到表征平衡能力长时程调整能力的评价指标；
对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝-x进行投影，即求序列P(p1，p2，…，pL-1)中各点在直线y＝-x上的垂点，进而计算该直线上各垂点与坐标原点的距离disminor，计算disminor的标准差Std(disminor)，得到表征平衡能力短时程调节能力的评价指标。
对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝x和y＝-x同时投影的离散程度的求解过程包括以下子步骤：
4.1)对原始坐标进行坐标变化，公式如下：
其中，(X,Y)为原始坐标，(X′,Y′)为坐标系逆时针旋转后的坐标，θ＝π/4；
4.2)求解新坐标系下的坐标的标准差，公式如下：
其中，Std()为求标准差，SD1和SD2分别为表征平衡能力短时程调整能力的评价指标和表征平衡能力长时程调节能力的评价指标。
进一步地，所述步骤3)中，还可以对序列P(p1，p2，…，pL-1)进行数据过滤，包括以下步骤：
a.经过对序列D(d1，d2，…，dL)的统计，计算得到其95％的置信区间；
b.参考得到的区间，将序列P(p1，p2，…，pL-1)中横坐标或者纵坐标超出区间的点pn删除。
基于上述计算过程可知，对于D(d1，d2，…，dL)，其散点图为P(p1，p2，…，pL-1)。两者的关系可用式表示：
其中，d表示序列中不同时间点的具体数值，下标表示其在序列中的位置，L为序列长度。则SD1和SD2的表达式可改写如下：
其中和分别是序列D相邻两值差值的平均值和相邻两值加和的平均值。由公式可知，SD1参数与原始序列中相邻两值差值的标准差成比例，比例关系为而SD2参数与原始序列中相邻两值加和的标准差成比例，比例关系为具体而言，若原序列DD短时间的变化差异大，则序列中相邻值的差值的标准差大，则SD1参数大；反之亦然。而若原序列DD的整体离散，则其相邻两点加和也离散，则SD2参数大。即SD1表征原始信号的短时程变异性，SD2表征原始信号的长时程变异性。
这样的计算方法简单方便，同时统一了两个参数的量纲(均为长度单位)，具有可比性，有利于后续分析。
此外，将人体晃动信号的变异性分解成短时程变异性和长时程变异性，更多维度的表征了人体的平衡能力。诸如视觉、前庭平衡能力的感官调节能力多与人体的即时调整能力相关，其作用更多反映在人体晃动信号的短时程变异性上；而人体的老化程度、肌肉整体稳定性则更多与人体的整体平衡能力相关，更多反映在人体晃动信号的长时程变异性上。如前述的分析过程，能够分别单独刻画这两种作用对平衡能力的影响。
与已有方法比较：经实际测试(样本量233)，SD1和SD2分别与已有参数中表征短时程调整的人体重心运动速度和表示长时程调整的人体重心运动包络线围成面积在睁眼和闭眼的测试条件下有很好的一致相关性，具体数据如下：
皮尔逊相关系数以及显著性(P)
睁眼测试
SD1与人体重心运动速度 0.966(P<0.001)
SD2与人体重心运动包络线围成面积 0.871(P<0.001)
闭眼测试
SD1与人体重心运动速度 0.982(P<0.001)
SD2与人体重心运动包络线围成面积 0.885(P<0.001)
如图5-7所示，本发明提供了一种基于非线性技术的平衡能力检测装置，该检测装置包括：医用直流稳压电源、DC-DC隔离模块、稳压模块、AD转换模块、人体重心采集模块和微处理器模块；所述人体重心采集模块包括矩形平台、安装在矩形平台四个边角位置的压力传感器、输入保护电路、前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、工频陷波电路、后级放大电路，所述压力传感器、输入保护电路、前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、工频陷波电路、后级放大电路依次连接。
所述医用直流稳压电源对DC-DC隔离模块供电，所述DC-DC隔离模块分别对人体重心采集模块的压力传感器和稳压模块供电，所述稳压模块分别对AD转换模块和微处理器模块供电，所述人体重心采集模块、AD转换模块和微处理器模块依次连接，将压力传感器采集的压力信号转换成数字信号传输给微处理器模块；所述微处理器模块通过光耦隔离模块将压力信号传输给PC端。
其工作原理详细说明如下：将压力传感器安置于矩形平台之下，被测对象站立于平台上，压力传感器获取四周的压力信号，该信号经过前置放大电路放大后，通过高通滤波电路滤除基线漂移，通过低通滤波电路滤除高频噪声，通过工频陷波电路滤除50Hz工频噪声，然后经过后级放大电路放大，最后使用电平调整电路将信号调整到合适的电压水平，送入A/D转换器。
微处理器模块包括微处理器、A/D转换器、键盘、液晶显示器、存储器、通讯电路；微处理器分别与A/D转换器、键盘、液晶显示器、存储器、通讯电路连接。A/D转换器在微处理器的控制下对信号进行采样，将采样得到的信号显示在液晶显示器上，并传输至PC端进行进一步处理。
PC端通过压力信号记录人体重心位置，得到人体重心位置的偏移量d；并将偏移量d按采样时间进行排序，得到序列D(d1，d2，…，dL)；以相邻采样时刻的两个d值分别为横、纵坐标，依次描记出L-1个人体重心偏移变化的Poincare点，得到序列P(p1，p2，…，pL-1)；对序列P(p1，p2，…，pL-1)分别沿直线y＝x和直线y＝-x进行投影，分别计算离散程度，利用离散程度表征平衡能力。
上述实施例为本发明的一个优选实施方式，是对本发明内容及其应用的进一步说明，不应理解为本发明仅适用于上述实施例。凡基于本发明原理和发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (8)

1.一种基于非线性技术的平衡能力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)记录人体重心位置，得到人体重心位置的偏移量d；
2)将步骤1得到的偏移量d按采样时间进行排序，得到序列D(d1，d2，…，dL)，其中L为采样数；
3)以相邻采样时刻的两个d值分别为横、纵坐标，依次描记出L-1个人体重心偏移变化的庞加莱Poincare点，得到序列P(p1，p2，…，pL-1)；
4)对序列P(p1，p2，…，pL-1)分别沿直线y＝x和直线y＝-x进行投影，分别计算离散程度，利用离散程度表征平衡能力。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性技术的平衡能力检测方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括以下子步骤：
1.1)在矩形平台的四个边角分别布置压力传感器，通过压力传感器采集人站在矩形平台中间时的压力信号w1、w2、w3、w4，(w1、w2、w3、w4分别表示左前方、左后方、右后方、右前方的压力值)，前后两个压力传感器的距离以及左右两个压力传感器的距离分别为wid和len；计算人体重心在平台上的X-Y坐标{x,y}，计算公式如下：
x＝2×len×(w1+w2-w3-w4)/(w1+w2+w3+w4)，
y＝2×wid×(w1-w2-w3+w4)/(w1+w2+w3+w4)，
其中x代表左右方向偏移(左方为正方向)，y代表前后方向偏移(前方为正方向)。
1.2)计算得到人体重心位置的偏移量d，公式如下：
其中分别为所有采样时刻的x、y的均值。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性技术的平衡能力检测方法，其特征在于，所述步骤1.1)中，压力信号采样率为100Hz以上，采样精度为12位以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性技术的平衡能力检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，对序列P(p1，p2，…，pL-1)进行数据过滤，包括以下步骤：
a.经过对序列D(d1，d2，…，dL)的统计，计算得到其95％的置信区间；
b.参考得到的区间，将序列P(p1，p2，…，pL-1)中横坐标或者纵坐标超出区间的点pn删除。
5.根据权利要求1所述的一种基于非线性技术的平衡能力检测方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：
对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝x进行投影，即求序列P(p1，p2，…，pL-1)中各点在直线y＝x上的垂点，进而计算该直线上各垂点与坐标原点的距离dismajor，计算dismajor的标准差Std(dismajor)，得到表征平衡能力长时程调整能力的评价指标；
对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝-x进行投影，即求序列P(p1，p2，…，pL-1)中各点在直线y＝-x上的垂点，进而计算该直线上各垂点与坐标原点的距离disminor，计算disminor的标准差Std(disminor)，得到表征平衡能力短时程调节能力的评价指标。
6.根据权利要求5所述的一种基于非线性技术的平衡能力检测方法，其特征在于，所述步骤4)中，对序列P(p1，p2，…，pL-1)沿直线y＝x和y＝-x同时投影的离散程度的求解过程包括以下子步骤：
4.1)对原始坐标进行坐标变化，公式如下：
其中，(X,Y)为原始坐标，(X′,Y′)为坐标系逆时针旋转后的坐标，θ＝π/4；
4.2)求解新坐标系下的坐标的标准差，公式如下：
其中，Std()为求标准差，SD1和SD2分别为表征平衡能力短时程调整能力的评价指标和表征平衡能力长时程调节能力的评价指标。
7.一种基于非线性技术的平衡能力检测装置，其特征在于，该检测装置包括：医用直流稳压电源、DC-DC隔离模块、稳压模块、AD转换模块、人体重心采集模块和微处理器模块；所述人体重心采集模块包括矩形平台和安装在矩形平台四个边角位置的压力传感器；
所述医用直流稳压电源对DC-DC隔离模块供电，所述DC-DC隔离模块分别对人体重心采集模块的压力传感器和稳压模块供电，所述稳压模块分别对AD转换模块和微处理器模块供电，所述人体重心采集模块、AD转换模块和微处理器模块依次连接，将压力传感器采集的压力信号转换成数字信号传输给微处理器模块；所述微处理器模块通过光耦隔离模块将压力信号传输给PC端；
所述PC端通过压力信号记录人体重心位置，得到人体重心位置的偏移量d；并将偏移量d按采样时间进行排序，得到序列D(d1，d2，…，dL)；以相邻采样时刻的两个d值分别为横、纵坐标，依次描记出L-1个人体重心偏移变化的Poincare点，得到序列P(p1，p2，…，pL-1)；对序列P(p1，p2，…，pL-1)分别沿直线y＝x和直线y＝-x进行投影，分别计算离散程度，利用离散程度表征平衡能力。
8.根据权利要求7所述的一种基于非线性技术的平衡能力检测装置，其特征在于，所述人体重心采集模块还包括输入保护电路、前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、工频陷波电路、后级放大电路，所述压力传感器、输入保护电路、前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、工频陷波电路、后级放大电路依次连接。
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