CN109820476B - 一种平衡能力评估方法及应用该方法的装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平衡能力评估方法及应用该方法的装置和系统，属于医疗器械和体育锻炼器材领域，本发明所述平衡能力评估方法的原理在于采集测试者足底压力即可拟合出测试者的站立平面β，若测试者的身体重心在正中位置，则平面β与水平面平行，若测试者身体倾斜产生重心偏移，站立平面β便会与水平面产生夹角，根据夹角的不同可反映出人体倾斜程度（平衡程度）的不同，本发明还提供一种应用所述平衡能力评估方法的装置和系统，其原理简单、计算快捷、系统简单、成本低廉、操作简单、测试精度高，适合家用及医药使用等多种场景。

Description

一种平衡能力评估方法及应用该方法的装置和系统

技术领域

本发明涉及一种平衡能力评估方法及应用该方法的装置和系统，属于医疗器械和体育锻炼器材领域。

背景技术

我国及国外许多国家已经进入老龄化社会，伴随着年龄的增长，人们的组织、器官逐渐衰老，甚至受到了一定程度的损伤而不再适合独立生活。老年人能够独立自主生活的条件之一就是拥有基本的站立平衡能力，也是人们常说的平衡能力。老年人的平衡能力也是人们关注的焦点，并且那些脑卒中、帕金森病等平衡功能存在障碍的患者也需要进行平衡能力的评估。良好的平衡能力对老年人独立生活至关重要，它与老年人的日常生活活动、社交娱乐等密切相关。因此时常对老年人的平衡能力进行评估、利用评估数据进行相应的康复和治疗具有重要的现实意义。

发明内容

本发明提供一种平衡能力评估方法，目的在于用简单的计算方法和步骤进行平衡能力评估，包括以下步骤：

S01:将压力传感器放置于一个XOY测试平面上，所述XOY测试平面以测试者站立双脚的中心为原点0，垂直所述XOY平面方向为z方向，所述压力传感器对应的坐标点为（xi，yi），其中i：1～n，n≥3，n为所述压力传感器的个数，所述压力传感器的放置位置和放置数量不做限制；

S02:采集所述各个坐标的压力传感器（xi，yi）对应的压力值Pi；

S03:取空间点集合{（xi，yi，Pi）}，利用集合中的所有点求解空间拟合平面 ß；

S04:求解所述空间平面ß的法向量N（Xn,Yn,Zn）；

S05:对所述法向量N按Z坐标做归一化得到归一化的法向量N’（Xn’,Yn’,1）；

S06:定义所求点坐标（Xn’,Yn’）为所述XOY平面内反映测试者重心偏移方向及程度的重心偏移投影点；

S07:根据法向量N’（Xn’,Yn’,1）或所述重心偏移投影点（Xn’,Yn’）进行平衡能力评估。

优选地，所述法向量N’向XOY平面投影得到投影的角度和长度，以此来判断人体倾斜的方向和倾斜的程度。

优选地，随着评估时间的增长，采集到多个重心偏移投影点（Xn’,Yn’），将所述重心偏移投影点（Xn’,Yn’）依次连接形成重心偏移轨迹。

优选地，在所述重心偏移轨迹上绘制一个最小外接圆C1，将所述外接圆C1的面积大小进行平衡能力的评估，面积越大测试者的平衡能力越弱，面积越小，测试者的平衡能力越强。

本发明还提供一种利用本发明所述的平衡能力评估方法进行评估的重心位置及平衡能力计算分析装置，所述计算分析装置包括接收部、计算分析部和输出部，所述接收部接收所述压力传感器传来的压力值数据，所述计算分析部被预先配置了任意布置的所述压力传感器的布局位置信息和数量信息，并对接收部接收的压力值数据进行计算分析处理，所述输出部输出计算结果，所述计算结果包括测试的重心位置信息及平衡能力信息。

本发明还提供一种设有所述重心位置及平衡能力计算分析装置的平衡能力评估系统，目的在于提供一种成本低廉、制作简单而又测试精度高、适用于各种场合的平衡能力评估系统，所述平衡能力评估系统包括站立板、压力传感器和计算分析装置，所述压力传感器设置于所述站立板上，所述站立板的中线两侧设置有放置测试者左右脚的区域，所述压力传感器的数量为3个或者3个以上且所述压力传感器分别设置于所述站立板中线两侧，所述压力传感器与所述计算分析装置电连接。

优选地，所述压力传感器设置于所述站立板的下板面或/和所述站立板的上板面。

优选地，所述压力传感器设置于所述站立板的上板面中所述放置测试者左右脚的区域内直接与测试者足底接触。

优选地，还包括显示器，所述计算分析装置将处理结果由输出部显示到显示器中。

优选地，所述平衡能力评估系统加装于电子秤上，所述电子秤还包括有显示屏幕，所述输出部将所述计算分析部的处理结果输出显示在所述显示屏幕上。

本发明提供的一种平衡能力评估方法及应用该方法的装置和系统，能够带来以下至少一种有益效果：

1、系统简单、成本低廉、操作简单、测试精度高，适合家用及医药使用等多种场景；

2、适用于闭眼测试、睁眼测试；

3、对压力传感器阵列的具体形式不做限制，不会因为压力传感器的排列精度而影响测试精度；

4、对压力采集点个数要求低，适用于各种采集点分布方案，不需要针对不同的采集点分布方案设计不同的算法。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

图1是本发明一种平衡能力评估方法进行评估的步骤流程图；

图2（a）-图2（d）示意性的示出了本发明一种平衡能力评估系统的示意图；

图3是本发明一种平衡能力评估系统进行平衡能力评估的结果示意图。

具体实施例

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明公开的一种平衡能力评估方法的原理在于采集测试者足底压力可拟合出测试者的站立平面β，若测试者的身体重心在正中位置，则平面β与水平面平行，若测试者身体倾斜产生重心偏移，站立平面β便会与水平面产生夹角。根据夹角的不同可反映出人体倾斜程度（平衡程度）的不同，夹角越大则倾斜程度越大，重心越不稳，平衡能力越差。

然而在实际运用中，只需要三个点即可拟合出一个平面，因此在本发明中只需采集测试者足底3个压力点就可以拟合出平面β，也就是说只需要3个压力传感器就可以进行测试者的平衡能力评估。

本发明公开的一种平衡能力评估方法的站立平面β与水平面夹角的具体量化方法是计算出平面β的法向量,其法向量向水平面的投影的角度和长度就是人体倾斜的方向以及倾斜的程度。

因此本发明公开的一种平衡能力评估方法包括以下步骤，如图1所示：

S01:以所述压力传感器放置平面为XOY平面，以所述站立板放置测试者左右脚区域的中心为原点O，垂直所述XOY平面方向为z方向，所述压力传感器对应的坐标点为（xi，yi），其中i：1～n，n≥3，n为所述压力传感器的个数，所述压力传感器的放置位置和放置数量不做限制；

S02:采集压力传感器阵列各个采集点（xi，yi）对应的压力值Pi；

S03:取空间点集合{（xi，yi，Pi）}，利用集合中的所有点求解空间拟合平面 ß；

S04:求解空间平面ß的法向量N（Xn,Yn,Zn）；

S05:对法向量N按Z坐标做归一化得到归一化的法向量N’（Xn’,Yn’,1）；

S06:定义所求点坐标（Xn’,Yn’）为所述XOY平面内反映测试者重心偏移方向及程度的重心偏移投影点；

S07:根据法向量N’（Xn’,Yn’,1）或所述重心偏移投影点（Xn’,Yn’）进行平衡能力评估。

评估方法一：将所述法向量N’（Xn’,Yn’,1）向水平面投影，得到的角度和长度就是人体倾斜的方向以及倾斜的程度，这是一种瞬时评估方法。

评估方法二：随着测试者站立的时间越久，测试者的重心会产生一定偏移，其足下受力会不断发生变化，因此1、2、3号压力传感器所采集到的压力会不断变化，从而拟合出来的平面ß将不断变化，因此其对应的法向量N也会不断变化，最后求出多个不同的重心偏移投影点（Xn’,Yn’），这些重心偏移投影点（Xn’,Yn’）可形成重心偏移轨迹，这是一种持续评估方法。

评估方法三：在形成重心偏移轨迹的基础上画一个最小外接圆C1，通过外接圆C1的面积判断测试者的平衡能力，外接圆C1的面积越小则平衡能力越强，外接圆C1的面积越大则平衡能力越弱。并且还可以通过外接圆C1的圆心偏移原点0的距离和方向判断出测试者的身体异常姿态的走向和趋势。

在本发明中，压力传感器的数量为3个或者3个以上，只需基于足底少数点的压力即可进行人体重心位置和平衡能力的判断。

本发明还公开了一种重心位置及平衡能力计算分析装置，包括接收部、计算分析部和输出部，接收部接收压力传感器传来的压力值数据，计算分析部被预先配置了任意布置的压力传感器的布局位置信息和数量信息，并对传来的数据利用本发明公开的平衡能力评估方法进行计算分析处理，输出部输出计算结果，计算结果包括测试的重心位置信息及平衡能力信息。

如图2所示，本发明还公开了一种平衡能力评估系统，包括站立板10、压力传感器30和本发明公开的计算分析装置，压力传感器30设置于站立板10上，站立板10的中线两侧设置有放置测试者左右脚的区域20，压力传感器30的数量为3个或者3个以上且压力传感器30分别设置于站立板10的中线两侧。压力传感器30与所述计算分析装置电连接。

本发明一种平衡能力评估系统的特别之处在于，压力传感器的数量为3个或者3个以上，当测试者双脚站到区域20以后，实际上只需要3个压力传感器30进行压力点采集，所述计算分析装置便可计算拟合出受力的平面β。

更加特别的是，压力传感器30可以设置于站立板10的下板面，也可以直接设置于站立板10上板面放置测试者左右脚的区域20内从而与测试者足底直接接触。

在具体实施例一中，如图2（a）-图2（c）所示，压力传感器30设置于站立板10的下板面且数量为3个，每个传感器设置的位置不做限制，在站立板10中线的两侧只需设置有压力传感器即可，其设置的具体数量不做限制。

在另一个实施例中，设置于站立板下板面的压力传感器30的数量也可以是3个以上，每个传感器设置的位置也不做限制且站立板10中线两侧的设置具体数量也不做限制。

在具体实施例二中，如图2（d）所示，压力传感器30设置于站立板10的上板面时，只能设置于测试者放置左右脚的区域20里，直接与测试者足底接触，压力传感器的数量为3个，每个传感器在区域20内设置的位置不做限制，左右脚区域20内只需设置有压力传感器即可，其设置的具体数量也不做限制。

在另一个实施例中，设置在区域20内的压力传感器30数量为3个以上，其设置位置和具体数量也不作限制。

在另一个实施例中，压力传感器同时设置于站立板10的下板面和上板面，每个下板面的传感器设置的位置不做限制且站立板10中线两侧的设置具体数量也不做限制，每个上板面的传感器设置于测试者放置左右脚的区域20里。

因此优选地，将压力传感器30放置于所述站立板10的下板面。传统的平衡能力评估系统都是将压力传感器放置于检测板的四个顶角处，至少需要4个传感器，而本发明最少只需要3个传感器，且可以不对其具体的放置位置和排列方式做限制，不会因为压力传感器的排列精度而影响测试精度，因此本发明的检测误差率更小且数据更直观，可降低制作成本。

具体实施例一和具体实施二的平衡能力评估方法如下：其左脚区域内的压力传感器数量为2个、右脚区域内的压力传感器数量为1个或者右脚区域内的压力传感器数量为2个、左脚区域内的压力传感器数量为1个都可以。如图2（a）-图2（d）所示，给各个传感器编上编号为1、2、3。

S01：以左右脚放置区域20的中心位置为原点O和放置1、2、3号压力传感器的平面形成XOY平面，垂直XOY平面方向为z方向，（x1，y1）为1号传感器的坐标，（x2，y2）为2号传感器的坐标，（x3，y3）为3号传感器的坐标，

S02：分别采集1、2、3号压力传感器所对应的压力值P1、P2和P3；

S03：取空间点集合{（x1，y1，P1），（x2，y2，P2），（x3，y3，P3）}，利用集合中的所有点求解空间拟合平面ß；

S04：求解空间平面ß的法向量N（Xn,Yn,Zn）；

S05： 对法向量N按Z坐标做归一化得到归一化的法向量N’（Xn’,Yn’,1）；

S06：定义所求点坐标（Xn’,Yn’）为所述XOY平面内反映测试者重心偏移方向及程度的重心偏移投影点；

S07：可利用求得的法向量N’（Xn’,Yn’,1）或者是重心偏移投影点（Xn’,Yn’）进行平衡能力评估，按照前面所述的三种评估方法中进行单独评估或者组合评估均可。

优选地，本发明一种平衡能力评估系统还可包括显示器，可将计算处理器的计算结果显示在显示器中，也可将评估结果显示在显示器中。

在一个实施例中，可以直接将法向量在水平面上的投影实时显示在显示器中。测试者可以观察到自己时时刻刻倾斜的方向以及倾斜的程度，并可自行进行相应的调整，刻意去改变倾斜的方向和程度，进行平衡能力训练，对身体健康有益处。

在另一个实施例中，可以将测试者随时间变化而采集到的各个重心偏移投影点形成重心偏移轨迹显示在显示器中，通过重心偏移轨迹可以直接看出测试者的身体异常姿态的走向和趋势，给出医生治疗的参考意见。

例如，当评估结果显示测试者的重心一直偏右，则表明测试者右脚发力大于左脚发力，为了改善这一情况，测试者可以刻意地锻炼左脚发力。

在另一个实施例中，将成重心偏移轨迹的最小外接圆C1面积显示在显示器中，并给出正常范围内的重心偏移轨迹外接圆的面积范围，让测试者能够进行更直观的对比。

本发明一种平衡能力评估方法及应用该方法的装置和系统可以直接应用于现有的许多设备上，包括平衡测试仪、站立机器人、站立架、康复器材、锻炼器材，也可以与电脑、手机等设备直接相连。

在一个具体实施例中，本发明一种平衡能力评估方法及应用该方法的装置和系统还可以应用于现有的电子秤上。

将本发明一种平衡能力评估系统增加于电子秤的站立区域上，直接将测试结果显示于电子秤的显示器上，测试者便可直接看见自己的静态平衡能力。

电子秤中可以显示法向量N相对于水平面投影，也可以直接显示重心偏移轨迹，还可以直接显示外接圆C1的面积，使用简单方便，结果直观易懂。

最后本发明一种平衡能力评估系统具有计算精度高、使用简单、反应灵敏等优点。

所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种平衡能力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01:将压力传感器放置于一个XOY测试平面上，所述XOY测试平面以测试者站立双脚的中心为原点O，垂直所述XOY测试平面方向为Z方向，所述压力传感器对应的坐标点为(xi，yi)，其中i：1～n，n≥3，n为所述压力传感器的个数，所述压力传感器的放置位置和放置数量不做限制；

S02:采集所述各个坐标的压力传感器坐标点(xi，yi)对应的压力值Pi；

S03:取空间点集合{(xi，yi，Pi)}，利用集合中的所有点求解空间拟合平面β；

S04:求解所述空间拟合平面β的法向量N(Xn,Yn,Zn)；

S05:对所述法向量N按Z坐标做归一化得到归一化的法向量N’(Xn’,Yn’,1)；

S06:定义所求点坐标(Xn’,Yn’)为所述XOY测试平面内反映测试者重心偏移方向及程度的重心偏移投影点；

S07:根据法向量N’(Xn’,Yn’,1)或所述重心偏移投影点(Xn’,Yn’)进行平衡能力评估。

2.根据权利要求1所述的一种平衡能力评估方法，其特征在于，所述法向量N’向XOY测试平面投影得到投影的角度和长度，以此来判断人体倾斜的方向和倾斜的程度。

3.根据权利要求1所述的一种平衡能力评估方法，其特征在于，随着评估时间的增长，采集到多个重心偏移投影点(Xn’,Yn’)，将所述重心偏移投影点(Xn’,Yn’)依次连接形成重心偏移轨迹。

4.根据权利要求3所述的一种平衡能力评估方法，其特征在于，在所述重心偏移轨迹上绘制一个最小外接圆C1，将所述最小外接圆C1的面积大小进行平衡能力的评估，面积越大测试者的平衡能力越弱，面积越小，测试者的平衡能力越强。

5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的平衡能力评估方法进行评估的重心位置及平衡能力计算分析装置，其特征在于，所述计算分析装置包括接收部、计算分析部和输出部，所述接收部接收所述压力传感器传来的压力值数据，所述计算分析部被预先配置了任意布置的所述压力传感器的布局位置信息和数量信息，并对接收部接收的压力值数据进行计算分析处理，所述输出部输出计算结果，所述计算结果包括测试的重心位置信息及平衡能力信息。

6.一种设有权利要求5所述的重心位置及平衡能力计算分析装置的平衡能力评估系统，其特征在于，包括站立板、压力传感器和计算分析装置，所述压力传感器设置于所述站立板上，所述站立板的中线两侧设置有放置测试者左右脚的区域，所述压力传感器的数量为3个或者3个以上且所述压力传感器分别设置于所述站立板中线两侧，所述压力传感器与所述计算分析装置电连接。

7.根据权利要求6所述的一种平衡能力评估系统，其特征在于，所述压力传感器设置于所述站立板的下板面或/和所述站立板的上板面。

8.根据权利要求7所述的一种平衡能力评估系统，其特征在于，所述压力传感器设置于所述站立板上板面中的所述放置测试者左右脚的区域内直接与测试者足底接触。

9.根据权利要求6所述的一种平衡能力评估系统，其特征在于，还包括显示器，所述计算分析装置将处理结果由输出部显示到显示器中。

10.根据权利要求9所述的一种平衡能力评估系统，其特征在于，所述平衡能力评估系统加装于电子秤上，所述电子秤还包括有显示屏幕，所述输出部将所述计算分析部的处理结果输出显示在所述显示屏幕上。