CN109331406A - 一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法和系统，通过采集人在跑步机上行走时的跑步机力台信号和足底压力传感器的压力信号，用足底压力信号找出行走时左右脚的着地和离地的时刻点；经过滤波降噪之后，用采集到的力台的力信号计算得到行走时的压力中心轨迹；根据压力中心轨迹的位移和时间计算每个压力中心点当前的移动速度；用左右脚的着地和离地的时刻点将压力中心轨迹进行周期分割和时相分割；利用周期分割后的压力中心轨迹和轨迹移动速度得到包含丰富信息的压力中心变化图；取时相分割后的压力中心轨迹计算用于量化评估的参数。本发明使得下肢运动功能量化更加精准、更加客观。
Description
技术领域
本发明涉及运动评价领域，更具体地，涉及一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法和系统。
背景技术
下肢运动能力对于行走、站立等日常活动非常重要，下肢的运动激活、肌肉张力、关节运动和平衡由大脑调节，行走时的步态由脊髓调节。一些神经系统疾病，如中风导致的偏瘫，会造成下肢运动功能障碍，如肌肉激活程度下降、步速减慢、运动协调性障碍、左右下肢负载能力和驱动力不一等，影响患者的日常行走活动。
下肢运动功能评定有利于辅助疾病的诊断，帮助选择合适的治疗方案和康复项目，还能评估下肢运动功能在康复进程中的恢复程度。
现有技术中，下肢运动功能评定的一般方法是用量表评估，如Fugl-Meyer运动功能评定量表，但是量表评估是一种半定量的评估方法，这种方法主要依据康复治疗师的主观判断打分，得到的评估分数可能因为康复治疗师的不同而不同，因此量表评估通常存在误差。
较客观的评价方法是用参数定量评价下肢运动能力。目前已有用力学参数定量评价下肢运动能力的技术。如人在行走时产生的对地作用力可以反映出左右下肢的负载能力、驱动力和制动力，下肢运动能力不足的患者会出现一定程度的步长和步宽变化、驱动力不足、负载能力下降和平衡控制能力下降等特征；又如人在行走时产生的对地压力中心能够反映出人在行走时的平衡控制能力。现有技术中，多数研究用力学数据来计算步长、步宽、周期时长、支撑期时长等参数，而没有从驱动力和压力中心空间对称性等反映下肢协调和平衡能力的参数去评价运动功能，同时也缺少分割具体时相的简易实用方法。而一些研究基于10米长的力台去测量力学数据，能采集到的步态周期受到限制，使得计算得到的参数可靠性不足。
发明内容
本发明的目的在于为克服上述不足之处，提供一种客观、精确又易于操作和实现的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，利用丰富信息展示人的重心移动过程。
本发明还提供一种客观、精确又易于操作和实现的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价系统。
为实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，包括下述步骤:
(1)利用位于实验专用鞋鞋垫上的薄膜压力传感器和安装在跑步机底部四角的三维力传感器分别采集测试者穿上实验专用鞋在跑步机上行走时的足底压力信号和力台的力信号；
(2)用足底压力信号找出行走时左右脚的着地和离地的时刻点；
(3)对采集到的力台的力信号进行预处理。
(4)用预处理后的力台的力信号计算得到行走时的压力中心轨迹；
(5)根据压力中心轨迹的位移和时间计算每个压力中心点当前的移动速度；
(6)用左右脚的着地和离地的时刻点将压力中心轨迹进行周期分割和时相分割。
(7)利用周期分割后的压力中心轨迹和轨迹移动速度得到包含丰富信息的压力中心变化图；
(8)取时相分割后的压力中心轨迹计算用于量化评估的参数。
上述方案中，步骤(3)所述的预处理方法包括滤波和降噪，具体为去除50Hz及其倍频的干扰信号，低通滤波的截止频率为10Hz。
上述方案中，步骤(6)所述的用左右脚的着地和离地的时刻点按照时间顺序排列得到一个步态周期的四个时刻点：左脚着地点、右脚离地点、右脚着地点、左脚离地点；
将压力中心轨迹进行周期分割的具体步骤包括：
以左脚着地到下一次左脚着地定义为一个步态周期，其对应一个“蝴蝶状”的压力中心轨迹；
将压力中心轨迹进行时相分割的具体步骤包括：
利用时刻点将“蝴蝶状”压力中心轨迹分割为重心从右侧转移到左侧的双支撑期、左脚单脚支撑期、重心从左侧转移到右侧的双支撑期、右脚单脚支撑期共四个时相。两个双支撑期的压力中心轨迹交叉形成“蝴蝶状”压力中心轨迹的交点。
上述方案中，步骤(7)所述的包含丰富信息的压力中心变化图，用二维平面上的点表示压力中心的位置，点的颜色深浅表示移动速度的大小。
上述方案中，步骤(8)所述的量化评估参数包括前后方向和左右方向步态对称性指数、步态变异性、下肢驱动力中的一种或多种。
更进一步的，前后方向对称性指数是利用向对侧脚转移重心时压力中心前后方向的最大位移计算得到，左右方向对称性指数是利用压力中心轨迹计算得到双支撑期轨迹的交点，然后用左右脚单支撑期到交点的左右方向位移计算得到。
更进一步的，步态变异性是利用多周期压力中心轨迹计算得到。
更进一步的，下肢驱动力是利用左右脚着地时的力台水平向前方向上推动力分析得到。
一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价系统，包括跑步机，还包括计算机和用于采集测试者足底压力信号的实验专用鞋，实验专用鞋内置有鞋垫，鞋垫的鞋跟和鞋尖位置安装有薄膜压力传感器，薄膜压力传感器连接计算机；跑步机底部四角安装了三维力传感器，三维力传感器连接有变送器，变送器连接有数据采集卡，数据采集卡与计算机连接。
进一步的，所述跑步机前后底座安装有固定支撑架，三维力传感器分别安装在固定支撑架底部的四角上。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)本发明的方法采用系统采集到的足底压力信号和跑步机力台的力学信号进行数据处理，可以利用多信息展示重心移动过程，可以将连续的压力中心信号进行时相分割，利用分割的时相计算用于量化的参数，具体实现时能够根据时相分割点提取关键的力学参数，使量化更加精准且有意义。量化的参数能够检测出下肢运动功能异常的步态，相比于量表评估，更加客观和精确，和运动学参数量化手段相比，节约了时间和费用，易于操作和实现。
(2)本发明的系统利用跑步机构建力台，制作实验专用鞋供测试者穿，其中实验专用鞋上的鞋垫放置了两个薄膜压力传感器，用于识别测试者行走在跑步机上时脚着地和离地时刻，在跑步机底部四角安装三维力传感器用来检测测试者行走时的力学信号，足底压力信号和跑步机力台的力学信号通过计算机绒布采集，可用于进行下肢运动能力的定量评价，整个系统易于操作，而且成本较低，可靠性强，所采集的数据可以进行定量的评价，评价准确性高。
附图说明
图1为本发明一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法的流程图。
图2为本发明一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价系统的应用示意图。
图3为本发明三维力传感器位置示意图。
图4为本发明实施例1中所用的正常受试者的包含丰富信息的压力中心轨迹示意图。
图5为本发明实施例1中所用的下肢运动能力障碍受试者的包含丰富信息的压力中心轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合实际的实施例对本发明作进一步的阐述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
本发明提供的一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，如图1所示，本实施例一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法的具体步骤包括:
S101.利用薄膜压力传感器4和跑步机上的三维力传感器5分别采集测试者穿上实验专用鞋2在跑步机上行走时的足底压力信号和力台的力信号；采集的过程是基于测试者穿上统一的实验专用鞋2，在跑步机上自选速度行走，其中三维力传感器安装跑步机底部四角，三维力传感器连接变送器，变送器连接数据采集卡，数据采集卡与计算机连接，实验专用鞋是和跑步机配套使用的，实验专用鞋内置有鞋垫，薄膜压力传感器安装在鞋垫的鞋跟和鞋尖位置，薄膜压力传感器连接计算机。
S102.用足底压力信号找出行走时左右脚的着地和离地的时刻点；
S103.对采集到的力台的力信号进行滤波、降噪预处理；
S104.用预处理后的力台的力信号计算得到行走时的压力中心轨迹；
S105.根据压力中心轨迹的位移和时间计算每个压力中心点当前的移动速度；
S106.用左右脚的着地和离地的时刻点将压力中心轨迹进行周期分割和时相分割；
S107.利用周期分割后的压力中心轨迹和轨迹移动速度画出包含丰富信息的压力中心图，其中压力中心图用二维平面上的点表示压力中心的位置，点的颜色深浅表示移动速度的大小。具体实现时也可以采用不同的标记方式来表示点，从而体现出移动速度的大小。
S108.取时相分割后的压力中心轨迹计算用于量化评估的参数。
在具体实现过程中，上述步骤可以在系统的计算机中进行，其中S102和S103-S105的执行顺序不分前后.
在步骤S101中，采集到的力台力信号是通过三维力传感器5先采集到电压信号，将电压信号先进行低通滤波，然后通过压力传感器厂家提供的电压-力转换系统将电压信号转换为力信号，单位为牛顿。同样的，薄膜压力传感器采集到的电压信号转换为足底压力信号。其中降噪的处理是去除50Hz及其倍频的干扰信号，低通滤波的截止频率为10Hz。
在步骤S102中，将足底压力信号进行处理，当脚跟处和脚尖处的压力达到各自的阈值点时，记录达到阈值点所在的时刻，分别记为脚跟着地时刻点和脚尖离地时刻点。
步骤S104的具体步骤包括：
以跑步机跑带的中心为坐标原点建立XYZ坐标系，已知安装时三维力传感器的方位距离，即可得到四个三维力传感器的三维坐标，如图3所示。根据三维力传感器采集到的力信号，就可以根据下列力学公式，计算得到基础的各方向力矩和压力中心所在位置。
Fx＝Fx12+Fx34
Fy＝Fy14+Fy23
Fz＝Fz1+Fz2+Fz3+Fz4
Mx＝b·(Fz1+Fz2-Fz3-Fz4)
Mz＝b·(-Fx12+Fx34)+a·(Fy14-Fy23)
COP的X坐标：ML_COP＝(Fx·az0-My)/Fz
COP的Y坐标：AP_COP＝(Fy·az0+Mx)/Fz
其中Fx12为1号和2号三维力传感器x方向力之和；Fx34为3号和4号三维力传感器x方向力之和；Fy14为1号和4号三维力传感器y方向力之和；Fy23为2号和3号三维力传感器y方向力之和。Fx是x方向合力，Fy是y方向合力，Fz是z方向合力。a为y方向两个三维力传感器之间距离的一半；b为x方向两个三维力传感器之间距离的一半，az0为跑步机表面到力传感器的距离。Mx是Fz对x轴的力矩，My是Fz对y轴的力矩。ML_COP是压力中心x坐标，AP_COP是压力中心y坐标。Fz1、Fz2、Fz3、Fz4分别表示1至4号三维力传感器z方向上的力；az0为跑步机表面到力传感器的距离；COP表示压力中心，ML_COP是压力中心x坐标的变量名，AP_COP是压力中心y坐标的变量名；
在步骤S105中，每个压力中心点的速度的计算如下：
VML[i]＝(ML_COP[i+1]-ML_COP[i-1])/(2*ts)
VAP[i]＝(AP_COP[i+1]-AP_COP[i-1])/(2*ts)
其中i表示COP序列中第i个点，VML表示COP左右方向分量的移动速度，VAP表示COP前后方向分量的移动速度，ts表示采样间隔，VCOP表示COP左右方向分量和前后方向分量的合速度。
在步骤S106中，以左脚跟着地到下一次左脚跟着地定义为一个步态周期，其对应一个“蝴蝶状”的压力中心轨迹；寻找一个步态周期内的关键时刻点的过程为：
利用时刻点将“蝴蝶状”压力中心轨迹分割为重心从右侧转移到左侧的双支撑期、左脚单脚支撑期、重心从左侧转移到右侧的双支撑期、右脚单脚支撑期共四个时相，两个双支撑期的压力中心轨迹交叉形成“蝴蝶状”压力中心轨迹的交点；也就是：
先找出左脚的脚跟着地时刻点，与其连续的左脚脚跟着地时刻点之间为一个步态周期，再找出连续的两个左脚脚跟着地时刻点之间的右脚跟着地时刻点，在第一个左脚跟着地和右脚跟着地时刻点之间找到右脚尖离地时刻点，在右脚跟着地和第二个左脚跟着地时刻点之间找到左脚间离地时刻点，则一个步态周期按时间顺序有四个关键时刻点：左脚脚跟着地-右脚脚尖离地-右脚脚跟着地-左脚脚尖离地；根据力台力信号上的时间序列找到上述四个关键时刻点；
提取数据中间的若干个连续的步态周期，如50个连续的步态周期，将每个步态周期的点数归一化为100个点，每个步态周期归一化为0-100％的步态周期，将这若干个步态周期进行叠加平均提高信噪比，得到平均压力中心轨迹，同样的方法得到平均化的压力中心速度。
把平均压力中心轨迹用二维平面上离散的点表示，压力中心速度的大小用对应压力中心离散点的颜色深浅来表示，本实施例中健康人的压力中心轨迹如图4所示，偏瘫患者的压力中心轨迹如图5所示。
将用归一化和平均后的关键时刻点对应叠加平均后的一个周期的压力中心轨迹分进行时相分割：左脚跟着地到右脚尖离地时间段为右-左双支撑期，右脚跟着地到左脚尖离地时间段为左-右双支撑期，右脚尖离地到右脚跟着地时间段为左脚单脚支撑期，左脚尖离地到左脚跟着地时间段为左脚单脚支撑期。
利用时相分割后的压力中心轨迹可以计算的量化评估参数包括前后方向和左右方向步态对称性指数、步态变异性、下肢驱动力。
(1)利用向对侧脚转移重心时压力中心前后方向的最大位移计算前后方向的压力中心对称性指数，其计算公式为：
其中，SIAP表示前后方向的压力中心对称性指数，AP_COP为压力中心轨迹的前后位移；
(2)利用双支撑期时压力中心轨迹计算得出双支撑期轨迹的交点，用左右脚支撑期到交点的左右方向位移计算左右方向的压力中心对称性指数。交点的计算方法是对双支撑期的压力中心轨迹进行线性拟合，得到两条二元一次直线方程，这两条直线的解即为交点的坐标。左右方向的压力中心对称性指数的计算公式为：
其中，其中，SIML表示左右方向的对称性指数，ML_COP为压力中心轨迹的左右位移。
(3)计算支撑期的压力中心轨迹的变异性。分别提取左右脚单支撑期的压力中心轨迹，计算其左右位移的标准差作为支撑期的压力中心轨迹的变异性。
(4)计算左右脚跟着地时的推动力，即提取脚跟着地时刻点的前后方向的推动力。
实施例2
如图2所示，本发明一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价系统包括跑步机1，还包括计算机和用于采集测试者足底压力信号的实验专用鞋2，实验专用鞋内置有鞋垫3，鞋垫3的鞋跟和鞋尖位置安装有薄膜压力传感器4，薄膜压力传感器4连接计算机；跑步机1底部四角安装了三维力传感器5，三维力传感器5连接有变送器，变送器连接有数据采集卡，数据采集卡与计算机连接。
具体实现时，跑步机的速度是可调的，跑步机前后底座安装有固定支撑架，三维力传感器5分别安装在固定支撑架底部的四角上。三维力传感器5采集到的信号为电压信号，通过变送器和数据采集卡传输到计算机上。在具体实施过程中，三维力传感器5的采样频率可以采用1000Hz。
具体应用时，让测试者穿上统一的实验专用鞋，在跑步机1上自选速度行走，为了让测试者熟悉在跑步机1上行走，在正式采集数据前建议先行走5分钟。正式采集数据时，鞋底薄膜压力传感器4的压力数据和力台上三维力传感器5的力学数据通过计算机同步采集并保存，可以用于进行下肢活动能力的定量评价，整个系统易于操作，而且成本较低，可靠性强，所采集的数据可以进行定量的评价，评价准确性高。
本发明所用系统能够提供包含丰富信息的压力中心轨迹图，用上述力学信号的参数可以进行左右下肢运动功能的评估。由于这些力学信号的参数是基于三维力传感器和薄膜压力传感器所采集到的客观力学数据计算得到的，可以将连续的压力中心信号进行时相分割，利用分割后的时相计算量化的参数，使得量化更加精准、更加客观。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，包括下述步骤:
(1)利用位于实验专用鞋鞋垫上的薄膜压力传感器和安装在跑步机底部四角的三维力传感器分别采集测试者穿上实验专用鞋在跑步机上行走时的足底压力信号和力台的力信号；
(2)用足底压力信号找出行走时左右脚的着地和离地的时刻点；
(3)对采集到的力台的力信号进行预处理；
(4)用预处理后的力台的力信号计算得到行走时的压力中心轨迹；
(5)根据压力中心轨迹的位移和时间计算每个压力中心点当前的移动速度；
(6)用左右脚的着地和离地的时刻点将压力中心轨迹进行周期分割和时相分割；
(7)利用周期分割后的压力中心轨迹和轨迹移动速度得到包含丰富信息的压力中心变化图；
(8)取时相分割后的压力中心轨迹计算用于量化评估的参数。
2.根据权利要求1所述的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，步骤(3)所述的预处理方法包括滤波和降噪。
3.根据权利要求1所述的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，步骤(6)所述的用左右脚的着地和离地的时刻点按照时间顺序排列得到一个步态周期的四个时刻点：左脚着地点、右脚离地点、右脚着地点、左脚离地点；
将压力中心轨迹进行周期分割的具体步骤包括：
以左脚着地到下一次左脚着地定义为一个步态周期，其对应一个“蝴蝶状”的压力中心轨迹；
将压力中心轨迹进行时相分割的具体步骤包括：
利用时刻点将“蝴蝶状”压力中心轨迹分割为重心从右侧转移到左侧的双支撑期、左脚单脚支撑期、重心从左侧转移到右侧的双支撑期、右脚单脚支撑期共四个时相。两个双支撑期的压力中心轨迹交叉形成“蝴蝶状”压力中心轨迹的交点。
4.权利要求1所述的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，步骤(7)所述的包含丰富信息的压力中心变化图，用二维平面上的点表示压力中心的位置，点的颜色深浅表示移动速度的大小。
5.根据权利要求1所述的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，步骤(8)所述的量化评估参数包括前后方向和左右方向步态对称性指数、步态变异性、下肢驱动力中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，前后方向对称性指数是利用向对侧脚转移重心时压力中心前后方向的最大位移计算得到，左右方向对称性指数是利用压力中心轨迹计算得到双支撑期轨迹的交点，用左右脚单支撑期到交点的左右方向位移计算得到。
7.根据权利要求5所述的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，步态变异性是利用多周期压力中心轨迹计算得到。
8.根据权利要求5所述的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法，其特征在于，下肢驱动力是利用左右脚着地时的力台水平向前方向上推动力分析得到。
9.一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价系统，包括跑步机，其特征在于，还包括计算机和用于采集测试者足底压力信号的实验专用鞋，实验专用鞋内置有鞋垫，鞋垫的鞋跟和鞋尖位置安装有薄膜压力传感器，薄膜压力传感器连接计算机；跑步机底部四角安装了三维力传感器，三维力传感器连接有变送器，变送器连接有数据采集卡，数据采集卡与计算机连接。
10.根据权利要求9所述的基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价系统，其特征在于，所述跑步机前后底座安装有固定支撑架，三维力传感器分别安装在固定支撑架底部的四角上。
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