CN112426149A - 柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统、装置及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗设备技术领域，具体公开了一种柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统、装置及数据处理方法，包括信号采集模块、信号传输模块和数据处理模块，信号采集模块佩戴在患者身上，用于采集患者下肢行走训练时产生的加速度信号，信号传输模块的输入端与信号采集模块的输出端连接，用于传输信号采集模块采集的加速度信息，数据处理模块的输入端与信号传输模块的输出端连接，用于处理加速度信号并将加速度信息转换为步态信息。采用本技术方案，通过各模块的配合，使患者能够在家进行步态信息采集，使用方便，缓解医院的就诊压力。

Description

柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统、装置及数据处理 方法

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，涉及一种柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统、装置及数据处理方法。

背景技术

脑卒中是一种急性脑血管疾病，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，包括缺血性和出血性卒中。这类患者除了药物治疗或手术治疗外，科学的康复训练对于患者运动功能改善也非常重要。且多年的实践证明，对有行走能力但步态异常者进行行走能力训练是一种比较理想的康复方法，行走能力训练中医生需要对患者进行步态分析，步态分析是常用的矫治训练方法。

随着我国老龄化的加剧，脑卒中患者人数随之增多，脑卒中的术后康复需求也随之增大。若脑卒中患者到大型医院进行康复训练，一方面给医院增加就诊压力，另一方面，患者腿脚不便，来回奔波给患者造成痛苦的同时还增加了家庭的经济负担。而采用传统摄像动作捕捉系统的步态采集装置一般需要较大的占地面积和固定的空间范围，加上精确的摄像采集设备，其造价高昂、笨重不灵活等特点，只有在医院等专业康复机构才会配置。现有技术采用的较为轻便的步态动作分析系统，采用视觉识别，利用摄像头识别患者行走时贴在身上的标记，从而达到定量分析步态信息的目的，但造价高昂，一般家庭无法负担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统、装置及数据处理方法，实现患者在家进行步态采集，结构简单，利于使用。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，包括信号采集模块、信号传输模块和数据处理模块；

所述信号采集模块佩戴在患者身上，用于采集患者下肢行走训练时产生的加速度信号；

所述信号传输模块的输入端与信号采集模块的输出端连接，用于传输信号采集模块采集的加速度信息；

所述数据处理模块的输入端与信号传输模块的输出端连接，用于处理加速度信号并将加速度信息转换为步态信息。

本基础方案的工作原理和有益效果在于：信息采集模块能够采集患者行走训练时的加速度信号，仅采集加速度信号，操作简单，无需复杂的器械设备，降低制造成本，更利于使用。采集的加速度信号通过信号传输模块传输至数据处理模块，数据处理模块将加速度信号转换为能够反映患者行走情况的步态信息，实现患者在家的自我行走训练，无需特地到医院进行步态采集。得到的步态信息能够拱患者自己查看而调整步态或后续提供给医护人员查看而便于医护人员了解患者的康复情况，以便有针对性地制定康复训练计划。

进一步，所述信号采集模块采用惯性传感模块，所述惯性传感模块设置在患者的足底，惯性传感模块与患者的足弓处正对。

惯性传感器造价低廉，且检测能够满足所需的测量精度，在降低成本的同时也保证了检测质量。且传感器放置在足部与放置在其他位置相比，惯性传感器能够针对患者的患病足肢采集数据，测量更为准确，且传感器与患病足肢贴近，避免外部受噪声干扰。惯性传感器设置在足弓处，人体的足弓处本身具有一定凹陷且较为柔软，避免患者足部的骨骼处直接与传感器相抵而造成患者不适。

进一步，所述信号传输模块包括无线传输模块，无线传输模块采用ZigBee无线组件、Wi-Fi组件或蓝牙组件之一。

无线传输模块无需连接线将各模块连接，简化设备的结构，减少因数据传输线带来的不便和一定的安全隐患。

进一步，所述数据处理模块包括数据处理单元和与云平台，数据处理单元的输入端与信号传输模块的输出端连接，数据处理单元的输出端与云平台连接，云平台连接有网络。

数据处理单元将采集的加速度信号转化为步态信息后，传输至云平台，云平台联网能够实现步态信息的网上传输，医护人员能够直接从网上云平台获取患者的步态信息。

进一步，还包括可调的USB电源，USB电源分别与信号采集模块和信号传输模块的供电端连接，用于供电。

USB电源利用USB接口进行连接，操作简单，利于使用。

本发明还提供一种基于上述的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统的数据处理方法，有如下步骤：

获取一个或多个步态周期的加速度信息；

设定极大值初始阈值，对加速度信号取极值，找出极大值点中大于极大值初始阈值的波峰点，并记录对应时刻，求取波峰均值并根据波峰位置计算周期；

设定极小值初始阈值，对加速度信号取极值，找出极小值点中小于极小值初始阈值的波谷点，并记录对应时刻，计算波谷点、波谷时刻、波谷均值并根据波谷位置计算周期；

最后周期取波峰周期和波谷周期的均值，得到摆动相时间；

设置一个平稳段的阈值，找到阈值内平稳端的起始序号和终止序号，求出平稳段的时间跨度的均值，即为单腿支撑时间。

通过对采集的加速度信号的处理，获取步态周期、摆动相和单腿支撑等信息，医护人员获取这些信息与正常信息相对比，从而了解患者行走训练的情况。

进一步，在患者上身固定状态时进行测试，患侧不动获取患者健康侧前后摆动的加速度信息，然后健康侧不动获取患者患侧前后摆动的加速度信息，根据上述获取摆动相时间、单腿支撑时间、以及不同周期加速度极大值和极小值的差距，当患侧数据与健康侧的数据超出阈值时，发出告警。

这样检测能够排除患者上肢的影响因素，仅对患者的下肢进行检测，采集更全面的行走数据，采集的数据也更具有针对性，提供信息采集的精确度。

进一步，判断单腿支撑时间占整个单腿周期的比重，并与预置的分级结果进行对比得出分级结果；

分别判断不同周期加速度极大值和极小值的差距，并与预置的分级结果进行对比得出分级结果。

根据单腿支撑时间和不同周期加速度，与预先设置的分级进行对比，不同的分级能够对照不同的足肢健康状况，判断患者足肢的健康情况，对照分级更利于快速查看判断。

本发明还提供一种步态检测装置，包括本发明所述的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，以及用于上述的数据处理方法的上身固定托举机构和下身运行机构；

所述下身运行机构包括两个平行放置的传送带，传送带的供电端连接有电源，供电端与电源间串联有常闭开关和常开开关，传送带首端设有红外检测模块，用于检测传送带首端上是否放置有人体的足肢，红外检测模块的输出端与常闭开关的控制端连接，传送带上沿传送方向设有若干按压开关，按压开关间距相等，按压开关的输出端与常开开关的控制端连接。

当患者足肢放置在传送带首端时，红外检测模块控制常闭开关打开，传送带为停止状态；当患者的足肢踏出而放置在与传送带首端相邻的按压开关上时，常闭开关和常开开关均闭合，传送带启动传送，将患者的足肢传送回原位，以便患者进行重复踏出的动作。

进一步，所述传送带上设有若干凹槽，按压开关设置在凹槽内，患者的足部可放置在凹槽内。

设置凹槽更利于患者放置足部，进行定位。

附图说明

图1是本发明柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统的流程结构示意图；

图2是本发明柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统的惯性传感模块的封装示意图；

图3是本发明柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统的惯性传感模块的工作电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明公开了一种柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，包括信号采集模块、信号传输模块和数据处理模块。

信号采集模块佩戴在患者身上，用于采集患者下肢行走训练时产生的加速度信号，信号采集模块优选用惯性传感模块，惯性传感模块设置在患者的足底，惯性传感模块与患者的足弓处正对。如图2和3所示，惯性传感模块选用MPU6050模块，其包括3轴MEMS加速度计和3轴MEMS陀螺仪。

信号传输模块的输入端与信号采集模块的输出端电性连接，用于传输信号采集模块采集的加速度信息。信号传输模块包括无线传输模块，无线传输模块采用ZigBee无线组件、Wi-Fi组件或蓝牙组件之一，本实施例中优选用蓝牙组件进行无线通信，蓝牙组件具有适中的数据传输速率和较小的功耗，有利于无线传输模块集成于步态采集系统中。蓝牙组件优选用HC-08蓝牙模块，其包括TI的CC2540F256处理芯片，蓝牙组件能够实现模块-模块、模块-手机及模块-PC三种方式的连接，满足系统内信息传输的需要。该蓝牙模块支持AT指令，使用者可根据具体情况，对模块主从模式、波特率以及设备名称等各种参数进行个性化设置。

数据处理模块的输入端与信号传输模块的输出端电性连接，用于处理加速度信号并将加速度信息转换为步态信息。数据处理模块包括数据处理单元和与云平台，数据处理单元的输入端与信号传输模块的输出端电性连接，数据处理单元的输出端与云平台连接，云平台连接有网络。数据处理单元包括上位机软件，负责对蓝牙组件传输的信号进行分析处理，将加速度信号转换为有用的步态信息，并将该信息打包发送至云端。

本实施方案的一种优选方式中，该脑卒中患者家用步态采集系统还包括可调的USB电源，USB电源分别与信号采集模块和信号传输模块的供电端电性连接，用于供电。

本发明还提供一种基于本发明的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统的数据处理方法，有如下步骤：

对信号采集模块的采集频率进行预处理，使信号采集模块的信号采集频率转换为50Hz，控制采集频率，能够在一定程度上减少伪波峰和伪波谷的数量，也能保证步态信号的真实性。获取一个或多个步态周期的加速度信息；

设定极大值初始阈值，对加速度信号取极值，找出极大值点中大于阈值的波峰点，并记录对应时刻，求取波峰均值并根据波峰位置计算周期；

设定极小值初始阈值，对加速度信号取极值，找出极小值点中小于阈值的波峰点，并记录对应时刻，计算波谷点、波谷时刻、波谷均值并根据波谷位置计算周期；

最后周期取波峰周期和波谷周期的均值，得到摆动相时间；

设置一个平稳段的阈值，找到阈值内平稳端的起始序号和终止序号，求出平稳段的时间跨度的均值，即为单腿支撑时间。

在本实施方案的一种优选方式中，在患者上身固定状态时进行测试，患侧不动获取患者健康侧前后摆动的加速度信息，然后健康侧不动获取患者患侧前后摆动的加速度信息，根据上述方法获取摆动相时间、单腿支撑时间、以及不同周期加速度极大值和极小值的差距，当患侧数据与健康侧的数据超出阈值时，发出告警。

在本实施方案的一种优选方式中，判断单腿支撑时间占整个单腿周期的比重，并进行分级，并与预置的分级结果进行对比得出分级结果，一级为40％-30％，二级为30％-20％，三级为20％-10％，四级低于10％；

分别判断不同周期加速度极大值和极小值的差距，并与预置的分级结果进行对比得出分级结果，一级为5-4，二级为4-3，三级为3-2，四级低于2。

本发明还通过一种步态检测装置，包括本发明的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，以及用于上述数据处理方法的上身固定托举机构和下身运行机构。

上身固定托举机构包括支撑架和固定架，支撑架放置在地面上，固定架与支撑架的顶部焊接，固定架上设有供患者放置手臂的横向的放置台，放置台与固定架焊接。固定架上设有弹性腰带，弹性腰带上卡扣件，患者通过卡扣件将弹性腰带绑缚在自身腰间，实现患者上身的进一步定位。

下身运行机构包括两个平行放置的传送带，且支撑架位于传送带的侧边而使患者站立在传送带时进行上身的固定。传送带的供电端电性连接有电源，供电端与电源间串联有常闭开关和常开开关。传送带首端设有红外检测模块，用于检测传送带首端上是否站立有人体，红外检测模块的输出端与常闭开关的控制端连接。传送带上沿传送方向设有若干按压开关，按压开关间距相等，按压开关的间距即是患者一步踏出的距离，按压开关的输出端与常开开关的控制端电性连接。传送带上设有若干凹槽，按压开关设置在凹槽内，患者的足部可放置在凹槽内。

当患者站立在传送带的首端时，红外检测模块检测到有传送带首端有人体遮挡，红外检测模块输出控制信号至常闭开关，常闭开关自常闭状态变成打开状态，传送带的供电端与电源间的电路为断开的，传送带处于静止状态。

而当患者进行步态采集时，患者的足部向传送带首端相邻的凹槽内移动，患者踩踏凹槽内的按压开关，按压开关输出控制信号至常开开关的控制端，控制常开开关由常开状态转变为闭合状态。同时患者移动的足部远离了传送带首端，传送带首端的红外检测模块不能检测到患者的足部遮挡信息，则红外检测模块不再发出控制信号至常闭开关，此时常闭开关为闭合状态，传送带供电端与电源间的电路导通，传送带通电启动，将患者的足部传送复位至传送带的首端。此时红外检测模块重新检测到患者足部的遮挡信息，控制常闭开关断开，传送带断电而停止。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，其特征在于，包括信号采集模块、信号传输模块和数据处理模块；

所述信号采集模块佩戴在患者身上，用于采集患者下肢行走训练时产生的加速度信号；

所述信号传输模块的输入端与信号采集模块的输出端连接，用于传输信号采集模块采集的加速度信息；

所述数据处理模块的输入端与信号传输模块的输出端连接，用于处理加速度信号并将加速度信息转换为步态信息。

2.如权利要求1所述的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，其特征在于，所述信号采集模块采用惯性传感模块，所述惯性传感模块设置在患者的足底，惯性传感模块与患者的足弓处正对。

3.如权利要求1所述的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，其特征在于，所述信号传输模块包括无线传输模块，无线传输模块采用ZigBee无线组件、Wi-Fi组件或蓝牙组件之一。

4.如权利要求1所述的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，其特征在于，所述数据处理模块包括数据处理单元和与云平台，数据处理单元的输入端与信号传输模块的输出端连接，数据处理单元的输出端与云平台连接，云平台连接有网络。

5.如权利要求1所述的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，其特征在于，还包括可调的USB电源，USB电源分别与信号采集模块和信号传输模块的供电端连接，用于供电。

6.一种基于权利要求1-5之一所述的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统的数据处理方法，其特征在于，有如下步骤：

获取一个或多个步态周期的加速度信息；

设定极大值初始阈值，对加速度信号取极值，找出极大值点中大于极大值初始阈值的波峰点，并记录对应时刻，求取波峰均值并根据波峰位置计算周期；

设定极小值初始阈值，对加速度信号取极值，找出极小值点中小于极小值初始阈值的波谷点，并记录对应时刻，计算波谷点、波谷时刻、波谷均值并根据波谷位置计算周期；

最后周期取波峰周期和波谷周期的均值，得到摆动相时间；

设置一个平稳段的阈值，找到阈值内平稳端的起始序号和终止序号，求出平稳段的时间跨度的均值，即为单腿支撑时间。

7.如权利要求6所述的数据处理方法，其特征在于，在患者上身固定状态时进行测试，患侧不动获取患者健康侧前后摆动的加速度信息，然后健康侧不动获取患者患侧前后摆动的加速度信息，根据权利要求6获取摆动相时间、单腿支撑时间、以及不同周期加速度极大值和极小值的差距，当患侧数据与健康侧的数据超出阈值时，发出告警。

8.如权利要求6所述的数据处理方法，其特征在于，判断单腿支撑时间占整个单腿周期的比重，并与预置的分级结果进行对比得出分级结果；

分别判断不同周期加速度极大值和极小值的差距，并与预置的分级结果进行对比得出分级结果。

9.一种步态检测装置，其特征在于，包括权利要求1-5之一所述的柔性便携式脑卒中患者家用步态采集系统，以及用于权利要求7所述的数据处理方法的上身固定托举机构和下身运行机构；

所述下身运行机构包括两个平行放置的传送带，传送带的供电端连接有电源，供电端与电源间串联有常闭开关和常开开关，传送带首端设有红外检测模块，用于检测传送带首端上是否站立有人体，红外检测模块的输出端与常闭开关的控制端连接，传送带上沿传送方向设有若干按压开关，按压开关间距相等，按压开关的输出端与常开开关的控制端连接。

10.如权利要求9所述的步态检测装置，其特征在于，所述传送带上设有若干凹槽，按压开关设置在凹槽内，患者的足部可放置在凹槽内。

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