CN108309232A - 一种马甲式姿态稳定性快速检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本发明提出一种马甲式姿态稳定性快速检测装置及检测方法。该检测装置包括穿戴式马甲、测量单元、计算单元、显示模块。受试者穿戴马甲，按照姿态稳定性评价方法保持姿势一段时间；马甲上固定的测量单元可采集所在部位的运动学信号。计算单元可根据一段时间的运动学信号即可对被试者的姿态稳定性水平进行评价，评价结果同时显示在显示模块上。本发明利用可穿戴式装置，简化了测量的复杂度，可随时随地进行姿态稳定性的测试，通过提供定量的测量结果，能够真实反映被试者的姿态稳定控制水平。

Description

一种马甲式姿态稳定性快速检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种马甲式姿态稳定性快速检测装置及检测方法，属于人体姿态平衡检测领域。

背景技术

跌倒是我国65岁以上老人意外致死的首位原因。老年人跌倒发生率高，后果严重，随着我国老龄化程度的加深，跌倒事件的发生率也不断攀升，为国家造成了沉重的经济负担和社会负担。老人因严重跌倒受伤而成为失能老人，不仅自身承受着巨大痛苦，高昂的护理费用也令家人苦不堪言。国内外研究普遍认为,老年人跌倒是多种因素联合作用的结果，而生理因素是导致老年人跌倒的最根本原因，肌肉力量下降、中枢和周围神经系统的控制能力下降、视觉、前庭感觉、本体感觉下降等，都显著影响老年人的平衡控制能力。姿态稳定性是老年人平衡能力最直观的体现，姿态稳定性差的老年人平衡能力较弱，抵抗扰动的能力不强，容易发生跌倒。因此，姿态稳定性作为老年人跌倒风险的重要指标之一，被广泛应用于日常健康筛查及临床对老年患者平衡能力的评估。

目前用于姿态稳定性评估的方法主要有量表法及仪器测量方法。其中，量表法主要通过要求老年人做不同的动作，如睁眼/闭眼双脚站立、睁眼/闭眼前后腿站立、单腿站立、下蹲起立等等，通过记录相应动作的完成度与完成时间，对老年人的姿态稳定性进行打分。仪器测量方法包括实验室的三维测力台测试、三维运动捕捉测试以及专用的姿态稳定性测试仪。姿态稳定性测试仪的基本原理是要求被试者站在充气平台上，注视前方目标，测量被试者的晃动程度，根据晃动程度对被试者的姿态稳定性进行评价。

但是，目前常用的两种方法都有其局限性。量表方法简单易行，但由于测量结果完全取决于测试者，主观性较强，且缺乏量化的数据，因此区分度不高，在实际使用中效果较差；而使用实验室仪器的测量方法仪器昂贵，且受到场地的限制，无法随时随地进行测试，且测试方法复杂，需要专业人员实施，限制了这一类方法的使用。如中国发明专利申请《一种老年人平衡能力评定方法》(申请号CN201610931817.X)，及《一种基于足底压力分布信息的左右脚动态识别方法》(申请号CN201410833584.0)，均需要使用复杂的测力仪器对脚底压力进行测量后来分析人体平衡性，对复杂设备的依赖性高，使用十分不便。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种马甲式姿态稳定性快速检测装置及检测方法。本发明可以自动捕捉不同姿态下受试者的运动学数据，根据运动学数据判断受试者姿态稳定性，输出定量测量结果，检测过程可以脱离对复杂实验室仪器的依赖，可随时随地进行测试，测试结果精确直观。

本发明的技术方案：一种马甲式姿态稳定性快速检测装置，其特点是,至少包括：

测量单元，用于采集运动学数据；

穿戴式马甲，用于安装固定测量单元，使被试者在穿戴所述穿戴式马甲后，测量单元能对应在被试者躯干上的测量位点；

计算单元，用于接收测量单元发出的运动学数据，并根据接收到的运动学数据计算姿态稳定性参数。

显示模块，用于显示计算单元的计算结果。

上述的马甲式姿态稳定性快速检测装置中，为了进一步提高测量精确性，所述测量单元为多个(2个、3个或3个以上)，各个测量单元对应测量被试者躯干上的不同测量位点，主要分布在躯干的主要运动关键部位，如后腰、双肩等位置。

前述的马甲式姿态稳定性快速检测装置中，所述测量单元至少包括：

加速度计，用于测量对应测量位点的运动加速度信号；

角速度计，用于测量对应测量位点的角速度信号；

磁力计，用于测量对应测量位点的位置信号(方位)；

通讯模块，用于将测量到的信号传输至计算单元。

前述的马甲式姿态稳定性快速检测装置中，所述计算单元至少包括：

接收模块，用于接收测量单元采集的信号；

信号处理模块，用于对接收模块接收的信号进行处理，并计算姿态稳定性参数，评价姿态稳定性结果，并将结果输出给显示模块用于显示。

前述的马甲式姿态稳定性快速检测装置中，信号处理模块的具体工作包括：

所述信号处理模块对接收到的加速度、角速度和磁力信号进行滑动中值滤波处理，去除数据中的脉冲噪声干扰；然后利用卡尔曼滤波算法，获得测量单元的当前运动状态的最优解，即对应时刻测量单元在空间坐标系中的位置，作为测量单元的真实运动数据；

所述姿态稳定性参数包括运动轨迹和运动包络体积；

运动轨迹的计算方法利用空间距离累加的计算方法，计算前后两个时间间隔内测量单元的空间位置差，将整个测量周期内的空间位置进行累加，即获得测量单元的总体运动距离，将其作为一个评价姿态稳定性的参数；

运动包络体积的计算方法是，首先获取测量单元的随时间变化的空间坐标的点集，依次判断点集中的各个位置点是否属于凸包的顶点，再计算所有顶点所围成包络的体积，即为测量单元的运动包络体积；

将计算得到的参数与预先设定的阈值进行比较，根据差值评价姿态稳定性。

前述的马甲式姿态稳定性快速检测装置中，所述穿戴式马甲的腰部设有束带，用于增强穿戴式马甲与被试者的躯干的接触紧密性。

使用前述的马甲式姿态稳定性快速检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一，将测量单元固定在穿戴式马甲的指定位置；

步骤二，被试者穿好穿戴式马甲；

步骤三，被试者按照指定初始姿势站好，开启装置电源，启动检测工作；

步骤四，被试者保持初始姿势一段时间，至提示音响起，测试结束；

步骤五：从显示模块读取测试结果。

前述的检测方法中，为进一步降低人为判断在检测环节中的影响，所述步骤三中，开启装置电源后，测量单元在检测到被试者的姿势符合指定初始姿势时，发出提示音，提示被试者保持当前姿势，无需工作人员对被试者进行主观调整，减少给检测结果有可能带来的不确定因素。

与现有技术相比，本发明将整体检测装置集成为可穿戴式装置，不仅可以简化了测量的复杂度，消除人为因素对测量的影响，而且可随时随地进行姿态稳定性的测试，无需复杂的实验室设备，降低了测量成本，拓展了适用范围。

另一方面，本发明利用了集成在一起的多种传感器，对运动学数据进行实时采集、计算，能够提供定量的测量结果，而且结果相对于现有技术更加准确，能够真实反映被试者的姿态稳定控制水平。

附图说明

图1为本发明的实施例的装置结构原理图；

图2为本发明的实施例的测量单元内部结构示意图；

图3为本发明的实施例的计算单元内部结构示意图；

图4为本发明的实施例的装置穿戴方法正面示意图；

图5为本发明的实施例的装置穿戴方法反面示意图；

图6为根据本发明的实施例的线测量单元结构示意图；

图7为根据本发明的实施例的计算单元(束带式)构成示意图；

图8为根据本本发明的实施例的检测流程图。

附图标记：1—测量单元，2—穿戴式马甲，3—计算单元，4—显示模块，5—加速度计，6—角速度计，7—磁力计，8—发送模块，9—接收模块，10—信号处理模块，11—束带，12—测量单元外壳，13—测量单元电池，14—九轴姿态传感器，15—计算单元电池，16—计算单元外壳，17—蜂鸣器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。马甲式姿态稳定性快速检测装置的构成原理图，其中显示的马甲式姿态稳定性快速检测装置,如图1所示，包括测量单元1、穿戴式马甲2、计算单元3、显示模块4。测量单元1的数量为三个，三个测量单元1功能相同，佩戴位置不同，分别位于穿戴式马甲2的双肩与后腰部。计算单元3内预存了三维运动轨迹与运动包络体积算法，可根据三个测量单元1提供的运动数据计算相关参数。同时，计算单元3内包含标准姿态下姿态稳定性评价参数标准值，可根据计算参数与标准值对比对测量结果进行评价。具体是，所述信号处理模块10对接收到的加速度、角速度和磁力信号进行滑动中值滤波处理，去除数据中的脉冲噪声干扰；然后利用卡尔曼滤波算法，获得测量单元1的当前运动状态的最优解，即对应时刻测量单元1在空间坐标系中的位置，作为测量单元1的真实运动数据；

所述姿态稳定性参数包括运动轨迹和运动包络体积，结合这两种参数能够精准反映躯干的姿态稳定性，相对于现有的运动幅度参数来说，可以在较小计算量的基础上更全面、精准地量化姿态稳定性的；

运动轨迹的计算方法利用空间距离累加的计算方法，计算前后两个时间间隔内测量单元1的空间位置差，将整个测量周期内的空间位置进行累加，即获得测量单元1的总体运动距离，将其作为一个评价姿态稳定性的参数；

运动包络体积的计算方法是，首先获取测量单元1的随时间变化的空间坐标的点集，依次判断点集中的各个位置点是否属于凸包的顶点，再计算所有顶点所围成包络的体积，即为测量单元1的运动包络体积；

将计算得到的参数与预先设定的阈值进行比较，根据差值评价姿态稳定性。

测量单1元内部结构如图2所示，其中，测量单元1包括加速度计5、角速度计6、磁力计7和发送模块8。加速度计5能够采集加速度信号，角速度计6能够采集角速度信号，磁力计7能够采集磁力信号，发送模块8能够将上述信号传输给计算单元3。

计算单元3内部结构结构如图2所示，其中，计算单元3包括接收模块9和信号处理模块10。接收模块9可接收各个测量单元1发送的运动学信号，信号处理模块10可根据内置算法计算各个测量单元1的三维运动轨迹与运动包络体积，进一步计算受试者的姿态稳定性。

马甲式姿态稳定性快速检测装置穿戴方法如图4和图5所示。其中所示装置包括测量单元1、穿戴式马甲2、计算单元3、显示模块4、束带11。三个测量单元1分别放置于穿戴式马甲2的左肩、右肩和后腰；三个测量单元1分别与计算单元3可以通过无线蓝牙的方式传输数据。显示模块4整合在计算单元3上，通过束带11固定在穿戴式马甲2的腰部。

所述测量单元1可为无线测量单元，其结构如图6所示：包括测量单元外壳12，测量单元电池13，九轴运动传感器14及发送模块8。九轴运动传感器14内置了加速度计5、角速度计6、磁力计7(例如BoschSensortec公司生产的BMF055型九轴运动传感器)。发送模块8使用蓝牙无线传输的方式与计算单元3进行数据通信(如德州仪器公司生产的CC2541型蓝牙发送模块)。整个测量单元1通过测量单元电池13供电。

计算单元3可以采用束带式的计算单元，其结构如图7所示：包括计算单元外壳16、接收模块9、计算单元电池15、信号处理模块10及蜂鸣器17，显示模块4固定在计算单元外壳16的前部，整个计算单元3通过束带11固定在穿戴式马甲2的中部。接收模块9通过蓝牙无线传输的方式接受各个测量单元1传输的信号如德州仪器公司生产的CC2541型蓝牙发送模块)。

计算单元3内还设置有蜂鸣器17，蜂鸣器17利用不同的鸣叫方式提醒受试者测试开始与结束(例如，可以使用一声鸣叫表示测试开始，三声鸣叫表示测试结束)。

使用上述装置进行姿态稳定性快速检测的方法，如图8所示。其中包括以下步骤：

步骤一，将测量单元1固定在穿戴式马甲2的指定位置；

步骤二，被试者穿好穿戴式马甲2；

步骤三，被试者按照指定初始姿势站好，开启装置电源，启动检测工作；

步骤四，被试者保持初始姿势一段时间，至提示音响起，测试结束；

步骤五：从显示模块4读取测试结果。

所述步骤三中，开启装置电源后，测量单元1在检测到被试者的姿势符合指定初始姿势时，发出提示音，提示被试者保持当前姿势。

Claims (8)

1.一种马甲式姿态稳定性快速检测装置，其特征在于,至少包括：

测量单元(1)，用于采集运动学数据；

穿戴式马甲(2)，用于安装固定测量单元，使被试者在穿戴所述穿戴式马甲(2)后，测量单元(1)能对应在被试者躯干上的测量位点；

计算单元(3)，用于接收测量单元(1)发出的运动学数据，并根据接收到的运动学数据计算姿态稳定性参数。

显示模块(4)，用于显示计算单元(3)的计算结果。

2.根据权利要求1所述的马甲式姿态稳定性快速检测装置，其特征在于：所述测量单元(1)为多个，各个测量单元(1)对应测量被试者躯干上的不同测量位点。

3.根据权利要求1所述的马甲式姿态稳定性快速检测装置，其特征在于，所述测量单元(1)至少包括：

加速度计(5)，用于测量对应测量位点的运动加速度信号；

角速度计(6)，用于测量对应测量位点的角速度信号；

磁力计(7)，用于测量对应测量位点的位置信号；

通讯模块(8)，用于将测量到的信号传输至计算单元。

4.根据权利要求1所述的马甲式姿态稳定性快速检测装置，其特征在于，所述计算单元(3)至少包括：

接收模块(9)，用于接收测量单元(1)采集的信号；

信号处理模块(10)，用于对接收模块(9)接收的信号进行处理，并计算姿态稳定性参数，评价姿态稳定性结果，并将结果输出给显示模块(4)用于显示。

5.根据权利要求4所述的马甲式姿态稳定性快速检测装置，其特征在于：

所述信号处理模块(10)对接收到的加速度、角速度和磁力信号进行滑动中值滤波处理，去除数据中的脉冲噪声干扰；然后利用卡尔曼滤波算法，获得测量单元(1)的当前运动状态的最优解，即对应时刻测量单元(1)在空间坐标系中的位置，作为测量单元(1)的真实运动数据；

所述姿态稳定性参数包括运动轨迹和运动包络体积；

运动轨迹的计算方法利用空间距离累加的计算方法，计算前后两个时间间隔内测量单元(1)的空间位置差，将整个测量周期内的空间位置进行累加，即获得测量单元(1)的总体运动距离，将其作为一个评价姿态稳定性的参数；

运动包络体积的计算方法是，首先获取测量单元(1)的随时间变化的空间坐标的点集，依次判断点集中的各个位置点是否属于凸包的顶点，再计算所有顶点所围成包络的体积，即为测量单元(1)的运动包络体积；

将计算得到的参数与预先设定的阈值进行比较，根据差值评价姿态稳定性。

6.根据权利要求1所述的马甲式姿态稳定性快速检测装置，其特征在于：所述穿戴式马甲(2)的腰部设有束带(11)，用于增强穿戴式马甲(2)与被试者的躯干的接触紧密性。

7.使用权利要求1至6任一权利要求所述的马甲式姿态稳定性快速检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将测量单元(1)固定在穿戴式马甲(2)的指定位置；

步骤二，被试者穿好穿戴式马甲(2)；

步骤三，被试者按照指定初始姿势站好，开启装置电源，启动检测工作；

步骤四，被试者保持初始姿势一段时间，至提示音响起，测试结束；

步骤五：从显示模块(4)读取测试结果。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：所述步骤三中，开启装置电源后，测量单元(1)在检测到被试者的姿势符合指定初始姿势时，发出提示音，提示被试者保持当前姿势。