CN110448274B - 一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运动设备技术领域，特别涉及一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，包括坐位支架、力量牵拉组件和三维躯干动态分析模块，所述坐位支架用于固定受试者的身体躯干，所述力量牵拉组件用于对受试者的身体躯干施加检测应力产生身体躯干的振荡数据，并记录受试者对力量牵拉组件的扰动数据，所述三维躯干动态分析模块用于采集身体躯干的振荡数据，并根据振荡数据和扰动数据分析受试者的躯干核心肌群平衡控制能力的指标参数，还用于根据指标参数进行系统评估。本发明解决了现有评估方法中只能单一呈现，不能做到精确量化和系统评估的问题。

Description

一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统

技术领域

本发明涉及运动设备技术领域，特别涉及一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统。

背景技术

躯干肌作为维持人体上身直立和活动的主要肌肉，是构成人体核心肌群的重要组成部分，在保持腰椎动态平衡，支持和保护脊柱方面起着重要作用。强健的躯干肌是获得运动技能和取得优异运动成绩的基础，同时也是其他身体素质发展的重要因素。良好的躯干肌群控制能力是维持躯体平衡的重要保障，其平衡控制能力水平直接决定了人体核心稳定性的大小，而核心稳定性不足容易产生慢性腰痛，增加运动损伤风险。无论是从提高各种运动技术动作的质量,还是从保护运动员和运动爱好者安全和健康的角度,积极强化人体躯干平衡控制功能、都是提高动作水准和技能水平的必要基础。

当前对于躯干肌群的平衡控制能力还没有标准的评估方法，传统方法通过平板支撑、平衡球支撑维持时间来进行衡量，但该类方法缺乏具体的量化指标，精确性难以保证，也不能反应躯干肌群平衡的专项特点，这样势必影响到了专项力量水平的提高，也会阻碍核心稳定性在力量训练中的功能表现。因此目前还缺乏一种躯干肌群平衡控制能力的专项量化和客观评估方法，以评估核心稳定性训练的科学化水平。

基于此，本发明介绍了一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统以解决上述存在的问题。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，解决了现有评估方法中只能单一呈现，不能做到精确量化和系统评估的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，包括坐位支架、力量牵拉组件和三维躯干动态分析模块，所述坐位支架用于固定受试者的身体躯干，所述力量牵拉组件用于对受试者的身体躯干施加检测应力而产生身体躯干的振荡数据，并记录受试者对力量牵拉组件的扰动数据，所述三维躯干动态分析模块用于采集身体躯干的振荡数据，并根据振荡数据和扰动数据分析受试者的躯干核心肌群平衡控制能力的指标参数，还用于根据指标参数进行系统评估；

所述力量牵拉组件包括支架、气动执行器、钢缆张紧器和胸部挽具，所述胸部挽具包裹于受试者的胸部，并与钢缆张紧器通过钢缆连接，所述气动执行器与钢缆张紧器连接并设于支架顶部。

所述力量牵拉组件还包括荷重元传感器，所述荷重元传感器设于钢缆张紧器和气动执行器之间；

所述三维躯干动态分析模块包括感光球、红外摄像机和计算机辅助分析设备，所述感光球带有反射标记并设置在人体上，红外摄像机用于捕捉感光球上反射标记的运动轨迹，所述计算机辅助分析设备用于根据运动轨迹通过计算机辅助建模，并进行人体生物力学和三维运动模拟，描述分析牵拉振荡过程中，人体躯干在三个平面上的振荡数据。

本发明的工作原理及优点在于：

1.坐位支架的设置，方便受试者以坐姿的方式进行核心肌群平衡控制能力检测分析，避免在检测重心不稳而导致测试误差，同时增加测试的安全性和舒适性。

2.力量牵拉组件和三维躯干动态分析模块的设置，力量牵拉组件可以对受试者的身体躯干施加检测应力，人体躯干在中立位置且受到突发性的检测应力时，人体会通过躯干核心肌群控制躯干平衡，实现重心平稳，减少振荡幅度，使得身体躯干产生振荡数据。力量牵拉组件还会记录受试者对力量牵拉组件的扰动数据，而三维躯干动态分析模块可以对振荡数据、扰动数据进行采集分析，就能方便将人体躯干核心肌群平衡控制能力进行精确量化，以数字参数的方式进行显示，以达到对平衡控制能力的系统评估。

3.在气动执行器牵拉受试者后，可以把人体看作具有粘弹性的反应系统，在突然扰动后自由振荡，人体会通过躯干核心肌群控制躯干平衡，实现重心平稳，减少振荡幅度，从而产生振荡数据，便于后续的检测分析。

4.力量牵拉组件能够保证测试前连接胸部挽具钢缆牵拉度力量是否合适，而且在测试过程中，荷重元传感器会记录每次牵拉对受试者的扰动强度大小。

5.通过红外摄像技术方便呈现出测试者整个测试过程中在空间三维上的振荡图，实现人体振荡数据的采集获取，从而方便对于受试者进行综合量化判断。

进一步，坐位支架包括上交叉平板、下交叉平板和座椅，所述上交叉平板设于下交叉平板上部并与下交叉平板转动连接，所述座椅固定连接在上交叉平板上表面。

上交叉平板、下交叉平板的设置可以满足受试者在准备不同测试方向时快速实现变换，而不用移动周围牵拉机器，而座椅的设置可以方便受试者身体躯干的固定，减少测试误差。

进一步，座椅包括底板、臀部支撑组件和膝部支撑组件，臀部支撑组件和膝部支撑组件相互平行设置，臀部支撑组件包括坐板以及均固定在底板上的第一左侧板和第一右侧板，坐板设置于第一左侧板和第一右侧板之间并与两者转动连接，所述膝部支撑组件包括膝关节挡板以及均固定在底板上的第二左侧板和第二右侧板，膝关节挡板设置于第二左侧板和第二右侧板之间并与两者转动连接。

臀部支撑组件和膝部支撑组件的设置能够在测试时，为受试者提供基础稳定性，限制臀部的运动，增加测试安全性，同时让躯干自由地向各个方向移动。

进一步，坐板后方设有腰骶部挡板，所述第一左侧板和第一右侧板上设有用于固定臀部的束带，所述坐板、腰骶部挡板和膝关节挡板上均设有软垫。

提高测试的舒适性。

进一步，荷重元传感器、气动执行器和钢缆张紧器位于同一直线上且与地面平行，所述钢缆的高度与受试者的胸骨角水平对齐。

躯干核心集群控制躯干平衡。

进一步，反射标记设有若干，且分别贴附在受试者的后背、前胸、躯体左侧和躯体右侧。

方便呈现出测试者整个测试过程中的振荡图。

进一步，计算机辅助分析设备计算出的振荡数据包括受试者的躯干活动的振幅、最大角度位移，所述计算机辅助分析设备用于根据振荡数据，并结合荷重元传感器记录的躯干肌群对抗阻尼系数和拉压刚度获取躯干核心肌群平衡控制能力的指标参数，再根据指标参数进行系统评估。

方便实现对受试者的负荷加载试验中扰动强度的综合量化判断，达到对受试者躯干核心肌群平衡控制能力的科学系统评估。

附图说明

图1为本发明实施例坐位支架的轴测图；

图2为力量牵拉组件的轴测图；

图3为实施例二虚拟影像交互装置控制系统的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：下交叉平板1、上交叉平板2、底板3、第一左侧板4、第一右侧板5、坐板6、第一左耳板7、转动把手8、膝关节挡板9、第二左侧板10、第二右侧板11、腰骶部挡板12、连接板13、软垫14、支架15、气动执行器16、胸部挽具17、荷重元传感器18、钢缆张紧器19。

实施例一：

一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，包括坐位支架、力量牵拉组件和三维躯干动态分析模块。

坐位支架用于固定受试者的身体躯干，如图1所示，坐位支架包括上交叉平板2、下交叉平板1和座椅，所述上交叉平板2设于下交叉平板1上部并与下交叉平板1转动连接，使得上交叉平板2围绕一中心点在下交叉平板1上水平转动，座椅固定连接在上交叉平板2上表面。

座椅包括底板3、臀部支撑组件和膝部支撑组件，臀部支撑组件和膝部支撑组件相互平行设置。

臀部支撑组件包括坐板6以及均固定在底板3上的第一左侧板4和第一右侧板5，坐板6设置于第一左侧板4和第一右侧板5之间，坐板6两端分别垂直固定有第一左耳板7和第一右耳板，第一左侧板4、第一右侧板5、第一左耳板7和第一右耳板上均开设有通孔，第一左耳板7和第一左侧板4以及第一右耳板和第一右侧板5之间的通孔内设有连接件。

连接件用于调节耳板与侧板之间转动的角度，以及耳板与侧板之间的固定。

连接件包括双头螺栓、螺母和转动把手8，转动把手8内设有阶梯形凹槽，阶梯形凹槽包括外槽与内槽，螺母与外槽间隙配合，内槽半径略大于双头螺栓半径。双头螺栓穿过通孔，一端位于侧板外侧且螺纹连接转动把手8，另一端位于耳板外侧且螺纹连接相同的转动把手。耳板与侧板之间转动角度的调节，以及固定都通过转动转动把手来实现。

膝部支撑组件包括膝关节挡板9以及均固定在底板3上的第二左侧板10和第二右侧板11，膝关节挡板9设置于第二左侧板10和第二右侧板11之间，膝关节挡板9两端与坐板6的设置方式相同，均垂直固定有两块耳板，耳板、第二左侧板10和第二右侧板11也设有通孔，通孔也设有连接件，其侧板与耳板的设置方式与臀部支撑组件中的设置方式相同。

坐板6后方设有腰骶部挡板12，腰骶部挡板12两端同样垂直固定连接有耳板，第一左侧板4和第一右侧板5的相对一侧分别固定连接有连接板13，耳板与连接板13通过连接件连接，其设置方式与臀部支撑组件中的设置方式相同。

第一左侧板4和第一右侧板5上设有用于固定臀部的束带，坐板6、腰骶部挡板12和膝关节挡板9上均粘接有软垫14。

力量牵拉组件用于对受试者的身体躯干施加检测应力而产生身体躯干的振荡数据，并记录受试者对力量牵拉组件的扰动数据。

如图2所示，力量牵拉组件包括支架15、气动执行器16、荷重元传感器18和钢缆张紧器19和胸部挽具17，支架15高度可调，高度可调的部件为手动调节的伸缩杆。胸部挽具17包裹于受试者的胸部，胸部挽具17与气动执行器16之间固定连接有钢缆，该钢缆上从左到右依次固定连接有钢缆张紧器19、荷重元传感器18。气动执行器16固定设置在支架15顶部。荷重元传感器18、气动执行器16和钢缆张紧器19位于同一直线上且与地面平行，钢缆的高度与受试者的胸骨角水平对齐。

荷重元传感器18可以记录躯干肌群对抗阻尼系数(β)和拉压刚度(K)。荷重元传感器18和气动执行器16连接计算机辅助分析设备。

三维躯干动态分析模块用于根据身体躯干振荡数据分析受试者的躯干核心肌群平衡控制能力的指标参数，并根据指标参数进行系统评估。

三维躯干动态分析模块包括感光球、红外摄像机和计算机辅助分析设备，感光球带有反射标记并设置在人体上，红外摄像机用于捕捉感光球上反射标记的运动轨迹，计算机辅助分析设备用于根据运动轨迹通过计算机辅助建模，并进行人体生物力学和三维运动模拟，描述分析牵拉振荡过程中，人体躯干在三个平面上的振荡数据。

感光球有十二个，分别贴附在以下位置：三个在后背(颈椎体棘突、胸椎体棘突、腰椎体棘突)，三个在前胸(胸骨角、剑突、脐部)，三个在左侧(左侧胸锁关节、左侧腋下平乳头连线、左侧肋弓下缘)，三个在右侧(右侧胸锁关节、右侧腋下平乳头连线、右侧肋弓下缘)。

红外摄像机设有七台，受试者的左侧安装有三台，右侧安装有三台，前侧安装有一台。七台红外摄像机将以 200 帧/s从不同角度拍摄。

计算机辅助分析设备将采集得到的振荡数据进行精准量化计算，以中立位躯干为参考基线，可以算出躯干活动的振幅(A)、最大角度位移(θmax)，并结合荷重元传感器18记录的躯干肌群对抗阻尼系数(β)和拉压刚度(K)。实现对受试者的负荷加载试验中扰动强度的综合量化判断，达到对受试者躯干核心肌群平衡控制能力的科学系统评估。

具体实施过程如下：

检测前，受试者需调节腰骶部挡板12、臀部支撑组件和膝部支撑组件中的转动把手8，使得腰骶部挡板12、坐板6和膝关节挡板9的角度调好并固定好。

受试者坐在坐板6上，膝部抵住膝关节挡板9，将束带连接固定好臀部，然后将胸部挽具17包裹于受试者的胸部，并使钢缆绷紧且使钢缆的高度与受试者的胸骨角水平对齐。同时要求受试者在保持脊柱中立的坐姿，并戴好眼罩，遮眼是为了减少测试前的有意识对抗，叮嘱受试者不要拉动承重单元，也不要对外界的干扰做出自发的反应。

准备好后，启动气动执行器16，把人体看作具有粘弹性的反应系统，在突然扰动后自由振荡，人体会通过躯干核心肌群控制躯干平衡，实现重心平稳，减少振荡幅度。荷重元传感器18有两个目的：一是为了保证测试前的连接胸部挽具17钢缆牵拉度力量合适，一般维持在25-27.5N。二是在测试过程中，荷重元传感器18会记录每次牵拉对受试者的扰动强度大小，具体数据包括阻尼系数(β)、拉压刚度(K)，K和β代表了一种有效的刚度和阻尼结合内在肌肉特性和反射响应，其扰动数据可以通过数据线直接导入计算机辅助设备。

通过转动上交叉平板2，保持气动执行器16的位置不动，实现前、后、左、右四个方向的人体静负荷拉力试验，同一个方向的牵拉间隔一分钟，不同方向的牵拉测试间隔五分钟。借助荷重元传感器18和计算机辅助设备下的三维躯干动态分析技术，获取人体躯干在中立位置突发性负荷下，对前、后、侧方向的振荡数据-振幅(A)、最大角度位移(θmax)，以及扰动数据-躯干肌群对抗阻尼系数(β)和拉压刚度(K)。

计算机辅助设备根据躯干活动的振幅(A)、最大角度位移(θmax)、躯干肌群对抗阻尼系数(β)和拉压刚度(K)进行精确量化，以数字参数的方式进行显示，以达到对平衡控制能力的系统评估。实现对受试者的负荷加载试验中扰动强度的综合量化判断，达到对受试者躯干核心肌群平衡控制能力的科学系统评估。同时可全方位精准搜集人体躯干核心肌群平衡控制能力的测试数据，并根据指标参数及时制定和调整个性化训练方法。

实施例二

实施例二与实施例的区别在于，如图3所示，还包括虚拟影像交互装置和虚拟影像交互装置控制系统。虚拟影像交互装置采用VR头戴设备代替眼罩，虚拟影像交互装置控制系统包括以下模块：

VR场景收集模块：用于收集并保存VR场景影像。VR场景影像包括风景类和旅游类VR场景影像。

VR场景匹配模块：用于获取力量牵拉组件牵拉受试者的牵拉方向、牵拉周期，并根据牵拉方向、牵拉周期为VR头戴设备配置不重复的VR场景影像集。力量牵拉组件的牵拉方向包括受试者的前后左右，牵拉周期为：同一个方向的牵拉间隔一分钟，牵拉次数为5次，不同方向的牵拉测试间隔五分钟。VR场景影像集为4个，每个VR场景影像集中包含4部VR场景影像。

VR场景影像集处理模块：用于对VR场景影像集中的每部VR场景影像，根据牵拉方向配置与之相对应的扰动图像，并将扰动图像的播放时刻与力量牵拉组件的牵拉启动时刻同步。

VR场景播放模块：用于在受试者穿戴好VR头戴设备后，根据力量牵拉组件的牵拉方向向VR头戴设备输入配置好的VR场景影像集。

身体放松度检测模块：用于在受试者穿戴好VR头戴设备并播放VR场景影像集后，通过设置的检测装置检测分析受试者的身体放松度，检测装置包括心跳传感器和血压传感器。当心跳参数和血压参数在一定周期内平稳时，分析判定为身体放松度高；当心跳参数和血压参数在一定周期内不平稳时，分析判定为身体放松度低。

力量牵拉组件控制模块：用于在分析判断受试者的身体放松度高时，向计算机辅助分析设备发送启动信号，控制力量牵拉组件启动。

VR场景转换模块：用于根据力量牵拉组件的牵拉周期对VR场景影像集进行播放切换，还用于根据力量牵拉组件的牵拉周期对VR场景影像集中的每部VR场景影像进行播放切换。

具体实施过程如下：

受试者在测试时，若双眼被眼罩蒙蔽住，则受试者的感官会变得极为敏感。当力量牵拉组件的气动执行件运作时，由于受试者处于测试状态，会使得受试者的身体变得紧张，再加上蒙蔽了双眼，使得感官变得更为敏锐，可能会造成受试者有意识对抗气动执行件，干扰测试。

本实施例通过VR头戴设备代替眼罩，播放风景类和旅游类的VR场景影像，使受试者在测试前先沉浸在VR影像中进行精神放松，从而忽略自身所处的测试环境，进而使得受试者的身体变得放松，降低感官的敏锐度。

当受试者身体放松度高时，可以进行测试，启动力量牵拉组件，力量牵拉组件中的气动执行件牵拉受试者的胸部时，VR头戴设备同步播放VR场景影像中的扰动图像，同时进行VR场景影像集与VR场景影像集之间的播放切换，或VR场景影像集中VR场景影像之间的播放切换。通过视觉转换与视觉干扰的方式，吸引受试者的注意力，提高受试者的VR沉浸体验，让受试者忽略气动执行件对身体的牵拉影响，避免受试者有意识对抗气动执行件，干扰测试。

当VR场景影像在受试者测试时进行重复播放的话，会降低吸引力，让受试者的注意力转移到身体上，使受试者有意识对抗气动执行件，干扰测试。而本实施例根据牵拉方向、牵拉周期为VR头戴设备配置了不同的VR场景影像，能够避免上述情况的产生，提高受试者的检测效果。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，其特征在于：包括坐位支架、力量牵拉组件和三维躯干动态分析模块，所述坐位支架用于固定受试者的身体躯干，所述力量牵拉组件用于对受试者的身体躯干施加检测应力而产生身体躯干的振荡数据，并记录受试者对力量牵拉组件的扰动数据，所述三维躯干动态分析模块用于采集身体躯干的振荡数据，并根据振荡数据和扰动数据分析受试者的躯干核心肌群平衡控制能力的指标参数，还用于根据指标参数进行系统评估；

所述力量牵拉组件包括支架、气动执行器、钢缆张紧器和胸部挽具，所述胸部挽具包裹于受试者的胸部，并与钢缆张紧器通过钢缆连接，所述气动执行器与钢缆张紧器连接并设于支架顶部；

所述力量牵拉组件还包括荷重元传感器，所述荷重元传感器设于钢缆张紧器和气动执行器之间；

所述三维躯干动态分析模块包括感光球、红外摄像机和计算机辅助分析设备，所述感光球带有反射标记并设置在人体上，红外摄像机用于捕捉感光球上反射标记的运动轨迹，所述计算机辅助分析设备用于根据运动轨迹通过计算机辅助建模，并进行人体生物力学和三维运动模拟，描述分析牵拉振荡过程中，人体躯干在三个平面上的振荡数据。

2.根据权利要求1所述的躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，其特征在于：所述坐位支架包括上交叉平板、下交叉平板和座椅，所述上交叉平板设于下交叉平板上部并与下交叉平板转动连接，所述座椅固定连接在上交叉平板上表面。

3.根据权利要求2所述的躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，其特征在于：所述座椅包括底板、臀部支撑组件和膝部支撑组件，臀部支撑组件和膝部支撑组件相互平行设置，臀部支撑组件包括坐板以及均固定在底板上的第一左侧板和第一右侧板，坐板设置于第一左侧板和第一右侧板之间并与两者转动连接，所述膝部支撑组件包括膝关节挡板以及均固定在底板上的第二左侧板和第二右侧板，膝关节挡板设置于第二左侧板和第二右侧板之间并与两者转动连接。

4.根据权利要求3所述的躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，其特征在于：所述坐板后方设有腰骶部挡板，所述第一左侧板和第一右侧板上设有用于固定臀部的束带，所述坐板、腰骶部挡板和膝关节挡板上均设有软垫。

5.根据权利要求1所述的躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，其特征在于：所述荷重元传感器、气动执行器和钢缆张紧器位于同一直线上且与地面平行，所述钢缆的高度与受试者的胸骨角水平对齐。

6.根据权利要求1所述的躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，其特征在于：所述反射标记设有若干，且分别贴附在受试者的后背、前胸、躯体左侧和躯体右侧。

7.根据权利要求1所述的躯干核心肌群平衡控制能力评估系统，其特征在于：所述计算机辅助分析设备计算出的振荡数据包括受试者的躯干活动的振幅、最大角度位移，所述计算机辅助分析设备用于根据振荡数据，并结合荷重元传感器记录的躯干肌群对抗阻尼系数和拉压刚度获取躯干核心肌群平衡控制能力的指标参数，再根据指标参数进行系统评估。

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