CN110211662A - 基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统及方法，本公开一个带有六维力/力矩传感器的站立平台，可以精确测量受试者在平台上站立时各方向的力和力矩。该站立平台的倾斜角度可调，方便受试者在不同倾斜面上进行站立训练和测试。

Description

基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统及方法

技术领域

本公开属于视觉分析领域，具体涉及一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

站立平衡能力是指人体可自主动态调节身体姿态以保持站立时重心稳定、不发生摔倒的基本功能。站立平衡控制建立在对外部环境信息的准确感知和对自身肢体位置姿态力量的动态调控基础上，是一个典型的感知运动融合系统。对站立平衡起主要作用的感知信息来自于视觉系统、本体感觉系统和前庭系统；起主要作用的运动系统涉及到对下肢各主要关节肌肉活动的调控以产生合理的位置、姿态和力量。这种感知运动无缝连接动态协调的机制会在多种感知运动障碍下出现异常改变，从而影响站立过程中的平衡控制能力，使稳定站立时重心的变化剧烈、人体倒单摆模型的动态稳定性降低，从而增加了摔倒的风险。

综上，对站立平衡控制能力的准确测量可实现对感知运动系统功能的精准测试，对发现感知系统或运动系统疾病的早期特异性变化、多种肌骨神经系统病变或损伤有重要的价值。

目前的站立平衡测试往往是受试者站在一个简单平台上，没有考虑站立平台在不同倾角的情况下的受试者的站立情况，这样就缺少了一些深层次的人体站立的动力学参数，评估因此而不够全面。并且目前的站立平衡的测试和训练往往是分离的，系统之间的耦合度不强，在操作不连贯的同时也可能因为系统的差异造成测试的误差。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统及方法，本公开一个带有六维力/力矩传感器的站立平台，可以精确测量受试者在平台上站立时各方向的力和力矩。该站立平台的倾斜角度可调，方便受试者在不同倾斜面上进行站立训练和测试。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统，包括站立平台和测试系统，其中：

所述站立平台包括底板和两个上下设置的平板，所述平板之间通过一腔体连接，所述腔体内设置有六维力/力矩传感器，所述六维力/力矩传感器能够感应位于上侧平板的受力大小与方向，位于下侧的平板的一端与所述底板的一端连接，另一端通过可支撑调节杆与所述底板连接，所述平板相对于底板的倾斜角度可调；

所述测试系统包括显示模块和处理系统，所述处理系统与所述六维力/力矩传感器连接，接收足底压力的大小和方向，计算站立压力中心点的轨迹，并下达测试任务，所述显示模块被配置为显示测试任务界面，并显示站立压力中心点的轨迹。

作为可能的实施方式，所述两个平板之间平行设置。

作为可能的实施方式，所述可支撑调节杆固定在下侧平板的端部，且具有卡柱，所述底板上依次设置有多个与所述卡柱配合的卡槽。通过改变卡合的卡槽位置，改变相对倾斜角度。

作为可能的实施方式，所述卡槽之间的设置间距均匀；

或，所述卡槽之间的设置间距不均匀，且设置间距、位置与设定的倾斜角度相匹配。

作为可能的实施方式，所述处理系统下达测试任务，所述测试任务包括若干可移动的目标体，所述目标体与所述六维力/力矩传感器的检测信息所计算压力中心点的坐标相匹配，能够跟随所述计算压力中心点的坐标的移动而在显示模块移动。

作为可能的实施方式，所述处理系统下达测试任务，所述测试任务包括在设定倾斜角度的平台上稳定站立设定时长。

作为可能的实施方式，所述显示模块为屏幕。

一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析方法，包括以下步骤：

根据力/力矩数据计算压力中心点的坐标，得到站立压力中心点的人体冠状面和矢状面两个平面的法向方向分量；

对输入数据进行经验模式分解，将其分解为多个本征模函数和剩余函数，对每一个本征函数信号计算基于样本熵的多尺度熵，进行粗粒化处理，构建粗粒序列，进而得到多维向量；

计算粗粒序列与多维向量之间距离小于容限值的个数，计算其占总数的比例并累加，直到满足设定维度，得到新维度下的均值，进而计算不同尺度下的样本熵，获得基于熵的复杂性系数，作为平衡分析结果。

作为可能的实施方式，上述分析过程在不同的倾斜角度下进行，得到不同倾斜角度的平衡能力分析结果。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开利用一个带有六维力/力矩传感器的站立平台，可以精确测量受试者在平台上站立时各方向的力和力矩。该站立平台的倾斜角度可调，方便受试者在不同倾斜面上进行站立训练和功能测试。

利用高精度6维力/力矩传感器记录人在站立平台上的重心变化来起到训练和评估的作用。重心的轨迹和速度的变化可以反应受试者的站立平衡能力的强弱。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是站立平台结构示意图；

图2是站立平台结构侧视图；

图3是实施例一的屏幕界面示意图；

图4是实施例二的屏幕界面示意图；

图5是对信号进行EMD分解的算法步骤图；

图6是测试和训练的基本流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种基于视觉反馈的站立平衡训练评估系统。该系统的硬件部分包括一个带有六维力/力矩传感器的站立平台，可以精确测量受试者在平台上站立时各方向的力和力矩。该站立平台的倾斜角度可调，方便受试者在不同倾斜面上进行站立训练和功能评估。该系统可以通过游戏的方式实现站立平衡的康复训练，人机实时互动、趣味性强、信息丰富且准确可靠。同时，系统记录了受试者在站立过程中的力/力矩数据，可精确计算足底压力中心点的轨迹，并通过对轨迹数据进行经验模式分解(Empirical ModeDecomposition，EMD)，获得多个本征模函数及其多尺度采样熵，以此获得基于熵的复杂性系数(Complexity Index，CI)，实现对受试者站立平衡控制能力的精准评估。

如图1所示，提供双层结构的站立平台，中间的凹槽放入六维力/力矩传感器。1为站立的平板，2为下方平板放置传感器的凹槽，3为下方平板，4为固定传感器和上方平板的螺丝孔，5是与地面接触的整个装置的支撑的底板，6为可支撑调节杆，7是调整倾斜角度的凹槽。传感器测力的方向规定也在图中标注，垂直于冠状面的轴为X轴，垂直于矢状面的轴为Y轴，垂直于横断面的轴为Z轴。

图2所示，站立平台设置可以调节倾斜角度的装置，可以在不同的情况下制造各异的倾斜角度。在叠放的两个平板的下面的平板3上有一个圆形的直径略大于传感器的槽2，高度略小于传感器，以保证上方平板的压力可以施加在传感器测力面。上方平板1是供受试者站立的平面。

上下平板之间的、位于中间的圆柱体是一个直径略大于传感器的空腔，六维力/力矩传感器能够刚好放进去而又不会和腔体的壁面碰撞。放进传感器后上方的平板通过螺丝和传感器的螺丝孔连接，上下平板之间没有直接接触，上平板和站立的人的重力完全施加在传感器的平面上，传感器完全可以承受这些重量。

测试过程在开始后，人没有站上去之前把上平板的力测出来再减去以消除平板的重力的影响。传感器的要求就是对于垂直力的测量范围要大于2000N，能够同时测得施加在传感器上的力和力矩在空间中三个方向的大小。本实施例中传感器使用的型号是ATI-IAOmega160。

底板上不同的凹槽6可以用于调节上方平板的角度。通过调整平板的朝向来调整平板的倾斜角度相对于受试者的正负。

站立平台的测量原理如下：在受试者站在平台上之前，因为传感器上方覆盖供站立的铁板，因此需要先对传感器进行校零。具体的方式为取0.1秒内的传感器记录值，对其求平均值，之后的传感器的记录值都减去此平均值即可得到准确的压力数据。传感器的采样率设置为1kHz，即每0.001秒采样一次，每次采样测得一组6维数据如下所示：

S＝[F_x,F_y,F_z,T_x,T_y,T_z] (1)

其中，S为数据集，F_x、F_y、F_z为站立平台坐标系x、y、z三个坐标方向的地面反力数据，T_x、T_y、T_z为围绕站立平台坐标系中x、y、z轴具有旋转趋势的力矩数据。程序在读取数据后实时保存在数据文件中，可供后续的数据分析。

可以以游戏的方式来进行受试者的训练，受试者可以游戏的方式趣味性地学习如何灵活、准确地调整重心，从而提升站立平衡训练过程中的重心调整控制能力。

如图3所示，在一种实施例中，开始前需要先根据需要调整游戏难度，调整完毕后，受试者站立在平台中间。游戏中间受试者需要在左右方向调整自己重心以此控制屏幕中间的红色本体三角左右运动。黑色方块会在屏幕上方随机掉落，掉落速度和间隔在开始前设定。在黑色方块到达屏幕中间的黑线时受试者需要将本体三角调整到黑色方块的中间位置，如果能够成功触碰到黑色方块，则方块变为白色且玩家得分，三角越靠近中间位置，分数越高，否则会继续保持黑色，90秒后游戏结束，受试者离开平台。

如图4所示，另一种实施例，提供另一种游戏，游戏的难度也需要在开始前根据需要设定。游戏开始后受试者同样站在平台中间，同时在前后左右四个方向调整重心，并以此控制屏幕上实心圆的运动。游戏开始后，屏幕上会随机在不同方向出现圆环，受试者需要控制实心圆到达圆环的内部并稳定停留5秒来完成一个圆环，共计完成8个圆环后游戏结束，受试者离开平台。八个圆环会随机出现在屏幕的各个方向，其中圆环圆心的位置均匀分布在最大的圆2上。小的实心圆1为受试者所控制的本体游戏角色，受试者通过调整自己的重心来控制圆在屏幕上下左右运动。圆环出现时，受试者需要控制本体实心圆在目标圆环内部停留至少5秒来完成一个圆环，之后下一个圆环会随机出现在下一个位置。图中虚线较密集的圆环4表示尚未出现在屏幕上的圆环，是受试者看不到的，虚线比较稀疏的3表示已经完成的圆环，实线圆环5表示正在完成的圆环。

当然，也可以不做游戏，仅仅是测试受试者的平衡能力，测试时受试者不需要看到屏幕的显示情况，测试者下达语音指令后受试者轻轻走上平台站稳。数据的记录会自动将前n(例如10秒)秒站立不稳的阶段标记出来，数据的分析一般从10秒之后的稳定站立期间开始。受试者在测试期间需要双手垂在两侧，目视前方，保持身体尽量垂直稳定站立。在本实施例中，测试30秒即可，40秒之后记录结束。当然，在其他实施例中可以改变测试时长。如图6所示。

每次训练开始时，先由受试者熟悉仪器和操作流程。然后使用评估程序对受试者进行一次站立平衡能力的训练，记录为训练前数值。训练阶段使用不同训练游戏分别进行若干次训练，每次之间应当有至少一分钟的休息时间以避免受试者疲劳。训练完成后再使用评估程序进行一次站立平衡能力评估记录为训练后数值。使用训练前、后数值的变化来判断本次训练的总体效果。

不论在测试期间还是训练期间，平台都有多种倾斜模式可供选择，例如，可调整为-10°、-5°、0°、5°、10°等多种角度。角度调节时，上层板底部有支撑架可插入下层板预先设定的槽沟内，由于槽构的间距、位置提前测定好，因此可使上层板产生不同的倾斜角度。

测试程序运行完成后，使用如下算法分析受试者站立平衡能力的状态：

首先根据力/力矩数据计算压力中心点的坐标，计算公式如下：

{COP_x,COP_y}＝{-T_y/F_z,T_x/F_z} (2)

人在平板上站立时，传感器测得人的重力的方向和大小，因为传感器测得的是重力在三维空间中三个轴上的大小和绕这三个轴转动的力矩的大小，那么根据公式(2)可以求得重力在平板上的准确位置，这个位置也是人体在三维空间的质心在平板平面的投影位置。如果把平板看作一个二维的平面，这里计算出的就是重心点在平面上的坐标(以平板的中心为原点)。然后就可以直接把这个坐标经过缩放直接用作游戏角色在屏幕上的像素坐标。

传感器采集的数据的格式如公式(1)所示，根据公式(2)计算出x，y两个方向的坐标。然后根据上面一个问题的回答转化为屏幕的像素坐标。

根据上式计算得出30秒稳定时期的COP轨迹的数据，其中x、y分别代表人体冠状面和矢状面两个平面的法向方向。下面对COP数据的两个方向分别进行分析。首先对输入数据X进行经验模式分解，将其分解为n个本征模函数和剩余函数，即：

分解的算法步骤见图5所示。下面对每一个本征函数信号计算基于样本熵的多尺度熵，对X进行粗粒化处理，假定X的长度为N，给定嵌入维数m＝2、容限r＝0.15和尺度因子τ＝15，构建粗粒序列

由粗粒序列构建一组m维向量

定义和的距离d_ij为两个向量元素在尺度τ上差值的绝对值最大值：

对于每一个向量都有L-m个距离，对于给定i，统计d_ij<r的个数n，计算其占总数的比例并累加记为：

将维数增加到m+1，重复以上步骤即可得到新维度下的均值。根据这两个值计算信号的样本熵：

而多尺度样本熵为不同尺度下的样本熵的集合：

根据多尺度熵计算CI：

一般来讲CI越高，受试者的站立稳定性越高，根据此参数，即可定量评估受试者的站立平衡能力水平和改变情况。

通过让受试者在平台上静止站立30秒，记录足底压力的大小和方向，然后计算期间站立压力中心点(Center of Pressure,COP)的轨迹。通过COP活动面积大小变化、COP轨迹的速度和加速度的变化以及多尺度样本熵等方法综合评定受试者的站立平衡控制能力，可用于多种感知运动功能障碍患者的站立平衡能力评定，并可通过训练前后的对照获得患者康复训练过程中站立平衡控制能力的准确评估。

利用高精度6维力/力矩传感器记录人在站立平台上的重心变化来起到训练和评估的作用。重心的轨迹和速度的变化可以反应受试者的站立平衡能力的强弱。该系统训练效果显著，可以在短时间的训练中影响受试者的平衡控制状态。系统对于力/力矩的记录十分精确，不超过1/20Nm，对多种感知运动障碍患者的训练和评估有重要应用价值。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统，其特征是：包括站立平台和测试系统，其中：

所述站立平台包括底板和两个上下设置的平板，所述平板之间通过一腔体连接，所述腔体内设置有六维力/力矩传感器，所述六维力/力矩传感器能够感应位于上侧平板的受力大小与方向，位于下侧的平板的一端与所述底板的一端连接，另一端通过可支撑调节杆与所述底板连接，所述平板相对于底板的倾斜角度可调；

所述测试系统包括显示模块和处理系统，所述处理系统与所述六维力/力矩传感器连接，接收足底压力的大小和方向，计算站立压力中心点的轨迹，并下达测试任务，所述显示模块被配置为显示测试任务界面，并显示站立压力中心点的轨迹。

2.如权利要求1所述的一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统，其特征是：所述两个平板之间平行设置。

3.如权利要求1所述的一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统，其特征是：所述可支撑调节杆固定在下侧平板的端部，且具有卡柱，所述底板上依次设置有多个与所述卡柱配合的卡槽。

4.如权利要求3所述的一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统，其特征是：所述卡槽之间的设置间距均匀；

或，所述卡槽之间的设置间距不均匀，且设置间距、位置与设定的倾斜角度相匹配。

5.如权利要求1所述的一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统，其特征是：所述处理系统下达测试任务，所述测试任务包括若干可移动的目标体，所述目标体与所述六维力/力矩传感器的检测信息所计算压力中心点的坐标相匹配，能够跟随所述计算压力中心点的坐标的移动而在显示模块移动。

6.如权利要求1所述的一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析系统，其特征是：所述处理系统下达测试任务，所述测试任务包括在设定倾斜角度的平台上稳定站立设定时长。

7.一种基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析方法，其特征是：包括以下步骤：

根据力/力矩数据计算压力中心点的坐标，得到站立压力中心点的人体冠状面和矢状面两个平面的法向方向分量；

对输入数据进行经验模式分解，将其分解为多个本征模函数和剩余函数，对每一个本征函数信号计算基于样本熵的多尺度熵，进行粗粒化处理，构建粗粒序列，进而得到多维向量；

计算粗粒序列与多维向量之间距离小于容限值的个数，计算其占总数的比例并累加，直到满足设定维度，得到新维度下的均值，进而计算不同尺度下的样本熵，获得基于熵的复杂性系数，作为平衡分析结果。

8.如权利要求7所述的方法，其特征是：分析过程在不同的倾斜角度下进行，得到不同倾斜角度的平衡能力分析结果。

9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求7或8所述的基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析方法。

10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求7或8所述的基于视觉反馈的可变倾角站立平衡分析方法。