CN112791356A - 一种基于水囊扰动的平衡能力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水囊扰动的平衡能力测量装置及测量方法，它包括上表面为柔性材质的水囊(1)，水囊(1)上方设有支撑板(2)，支撑板(2)内设置有传感组件；所述水囊(1)上设置有用于注水、排水及给提供液体流动的水泵(3)；所述传感组件与用于计算稳定性参数的上位机(4)相连。本发明是一种体积小、易于挪动的，扰动更易控制的平衡功能测量装置。

Description

一种基于水囊扰动的平衡能力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于水囊扰动的平衡能力测量装置及测量方法，属于平衡能力检测技术领域。

背景技术

老年人发生跌倒的主要原因之一就是平衡能力的下降，约53％的老年人跌倒是由于行走和站立的不平衡造成的。对人体特别是老年人群平衡功能的准确评估，有助于揭示老年人跌倒发生的内部机理，从而有针对性的进行干预。

目前对于平衡能力的评价方法可分为三种。①观测法，即通过医生的主观观测来对被试者的平衡能力进行评价，如著名的闭目直立试验法(Romberg检查法)；②量表法，根据被试完成不同运动任务的情况进行打分，也属于主观评测的方法，临床常用的量表包括Berg平衡量表、Tinetti量表等；③客观评价方法，主要通过传感器测量人体保持姿态过程中不同运动学和动力学指标的变化情况，利用数据处理与统计分析手段，对人体平衡能力进行定量描述。客观评价方法获得的数据客观准确，不受测试者主观经验的影响，逐渐取代了另外两种平衡能力测试方法，成为目前的主流。随着传感器技术和医疗器械的不断发展，国内外相关学者在运用采集到的人体数据进行平衡能力分析方面开展了大量的研究工作，也开发出了一些专用的测量设备。

人体在受到外部扰动情况下的平衡控制能力，被称为非自主型动态平衡。如所处的支撑面发生变化、受到推力、拉力等情况下保持身体平衡能力的测量，比人体保持静态姿势时的平衡功能更能反映真实的情况。最直接的方法，就是通过改变支撑条件对人体施加扰动，测量人在不同支撑条件下的平衡控制水平。

使用机械装置驱动支撑平台侧向移动和倾斜的方法，如CN103584869B。如通过在测力平台上放置不同硬度、不同厚度的海绵；让被试者站在装满绿豆或塑料球的布袋上；通过机械装置驱动支撑平台侧向移动和倾斜等等。这一类设备平台价格昂贵，机构笨重，不利于推广应用。

采用气囊作为支撑，如专利CN200995034Y，和机械装置相比体积小巧。美国SporKAT公司开发的KoreBalance动态平衡仪，通过具有专利技术的压力气囊系统，通过改变支撑气囊的压力，使支撑面发生自主倾斜，结合交互式的图形显示方式，能够的对测试者的动态平衡能力进行全面评估，被广泛应用在科研单位和医疗场所。为气囊充气和放气以改变气囊的硬度，调节气囊上托板的扰动。但是气囊式平台充放气时间较长，单次测量耗时较多，没有适用所有测试人员的统一的气压标准等。并且使用气囊作为支撑压缩性较大，所加扰动也不易控制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于水囊扰动的平衡能力测量装置及测量方法。本发明是一种体积小、易于挪动的，扰动更易控制的平衡功能测量装置。

本发明的技术方案：一种基于水囊扰动的平衡能力测量装置，其特点是:包括上表面为非弹性的柔性材质的水囊，水囊上方设有支撑板，支撑板内设置有传感组件；所述水囊上设置有用于注水、排水及给提供液体流动的水泵；所述传感组件与用于计算稳定性参数的上位机相连。水囊材料为柔软硅胶，其中灌注液体，液体粘度可以调节。通过液体粘度的改变可以调节水囊的支撑力与扰动模式。

上述的基于水囊扰动的平衡能力测量装置中，所述传感组件包括均匀排布在支撑板上的阵列式压力传感器和设置在支撑板一侧的姿态角传感器；所述传感组件与控制电路板相连，控制电路板上连接有供电电源。支撑板姿态角反应了水囊的扰动情况。阵列式压力传感器用于获取人在不同站立姿态下的足底压力分布数据。

前述的基于水囊扰动的平衡能力测量装置中，所述控制电路板包括数据采集电路、数据发送电路和水泵控制电路；数据采集电路用于采集所述阵列式压力传感器与姿态角传感器的数据，采集完毕后由数据发送电路提供给上位机用于参数计算；水泵控制电路用于控制水泵的开关以及调节水泵压力。

前述的基于水囊扰动的平衡能力测量装置中，所述水泵为双向水泵，水泵其中一个进出口上连接有分别带有第一阀门和第二阀门的两个支路，其中一个支路连接到水囊外，另一支路连接到水囊内部。

前述的基于水囊扰动的平衡能力测量装置中，所述姿态角传感器为九自由度姿态传感器，九自由度包括三轴加速度、三轴角速度和三轴地磁信号。

使用前述测量装置的平衡能力测量方法，包括以下步骤：

①利用水泵调节水囊压力；

③水囊达到设定压力后，被试人员站在支撑板上；

③水泵制造水流，从而给支撑板施加扰动；

④支撑板的传感组件采集被试人员足底压力数据和姿态角数据；

⑤足底压力数据和姿态角数据上传至上位机，上位机通过计算压力中心轨迹与足底轮廓得到被试人员稳定性参数；

⑥根据稳定性参数评价被试人员平衡能力。

使用足底压力分布数据获取压力中心漂移轨迹及稳定性边界，分别计算压力中心摆动距离、摆动范围、复杂度、样本熵等参数，结合稳定性边界计算边界面积、虚拟碰撞时间等参数。所述参数同扰动下支撑板姿态角综合评价人体平衡能力。

与现有技术相比，本发明利用水囊内液体的流动性和不可压缩性，使用水泵控制水囊内液体流动方式，从而定量的施加扰动。通过在水囊上支撑板扰动下平衡能力的计算，可以通过一次简单的站立实验获得人体的姿态稳定性参数，精确评估被试者的平衡能力。本发明在疾病自我管理、平衡能力训练等应用中都可以发挥较大作用，且具有体积小巧，移动方便等优点。

另一方面，本发明利用了集成在一起的多种传感器，对运动学数据进行实时采集、计算，能够提供定量的测量结果，而且结果相对于现有技术更加准确，能够真实反映被试者的姿态稳定控制水平。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是支撑板的结构框图

图3是本发明实施例的外观示意图；

图4是本发明实施例的水泵连接结构示意图；

图5是本发明实施例的平台姿态角原理示意图；

图6是本发明的姿态稳定性计算方法示意图；

图7是本发明的测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种基于水囊扰动的平衡能力测量装置，如图1所示:包括上表面为柔性材质的水囊1，水囊1上方设有支撑板2，支撑板2内设置有传感组件；所述水囊1上设置有用于注水、排水及给提供液体流动的水泵3；所述传感组件与用于计算稳定性参数的上位机4相连。

所述传感组件包括均匀排布在支撑板2上的阵列式压力传感器5和设置在支撑板2一侧的姿态角传感器6；所述传感组件与控制电路板7相连，控制电路板7上连接有供电电源8。支撑板2结构如图2所示，包括阵列式压力传感器5，姿态角传感器(惯性传感器)6，控制电路板7，供电电源8；控制电路板7进一步包括数据采集电路9，数据发送电路10和水泵控制电路11。阵列式压力传感器5能够采集被试者的足底压力数据，姿态角传感器6用于采集支撑板2的姿态角数据。上述两种传感器数据的采集由数据采集电路9执行，采集完毕后由数据发送电路10提供给上位机4用于参数计算，水泵控制电路11用于控制水泵3的开关以及调节水泵3压力。上述传感器与电路由供电电源8供电。

所述阵列压力传感器5由44行，52列的阵列的压敏电阻单元组成。压力采集时，控制电路板控制多选开关切换通道，激励某一行的传感器单元。控制电路板控制ADC采集该行上各列对应的单元的电压信息。这个电压和单元点的压力值线性相关。控制器控制多选开关完成逐行的激励和对应的采集，实现整个阵列压力传感器的一帧信号的采集。阵列压力传感器的采样率不低于每秒30帧。控制电路板通过WIFI将测试数据发送至PC进行界面显示。

所述控制电路板7包括数据采集电路9、数据发送电路10和水泵控制电路11；数据采集电路9用于采集所述阵列式压力传感器5与姿态角传感器6的数据，采集完毕后由数据发送电路10提供给上位机4用于参数计算；水泵控制电路11用于控制水泵3的开关以及调节水泵3压力。

所述水囊1如图3所示，为圆形硅胶水囊，留有注水口13，用于连接水泵3，为水囊1注水和排水。所述水泵3为双向水泵，水泵3其中一个进出口上连接有分别带有第一阀门401和第二阀门402的两个支路，其中一个支路连接到水囊1外，另一支路连接到水囊1内部，如图4所示。为水囊注水时，阀门402关闭，阀门401打开，水泵从外部抽水至水囊；当为水囊注水时，阀门402关闭，阀门401打开，水泵由水囊排水到外部。在测量过程中，阀门402打开，阀门401关闭，水泵控制水囊内部液体流动，给测量添加扰动。

姿态角传感器6安装在支撑板2一侧，X、Y、Z三个笛卡尔坐标系轴如图中所示。姿态角传感器6为一枚九自由度姿态传感器，所述九自由度包括三轴加速度、三轴角速度和三轴地磁信号。可以用来测量动态的姿态角度。利用卡尔曼滤波姿态角算法，计算姿态角传感器6的姿态角，可以认为该姿态角等同于支撑板2的姿态角，具有如图5所示。

图6是姿态稳定性计算方法示意图。阵列压力传感器5采集到的足底压力信号601，经轮廓提取算法，获得足底压力轮廓602，使用压力中心提取算法，获得压力中心轨迹603，使用压力中心轨迹603可计算压力中心位移、速度与加速度，进一步结合足底压力轮廓602可计算稳定性参数虚拟碰撞时间604。进一步，压力中心轨迹603可计算摆动距离、摆动范围、复杂度、样本熵等稳定性参数。

使用前述测量装置的平衡能力测量方法，包括以下步骤：

①利用水泵3调节水囊1压力；

③水囊1达到设定压力后，被试人员站在支撑板2上；

③水泵3制造水流，从而给支撑板2施加扰动；

④支撑板2的传感组件采集被试人员足底压力数据和姿态角数据；

⑤足底压力数据和姿态角数据上传至上位机4，上位机4通过计算压力中心轨迹与足底轮廓得到被试人员稳定性参数；

⑥根据稳定性参数评价被试人员平衡能力。

具体测量流程如图7所示。

Claims (6)

1.一种基于水囊扰动的平衡能力测量装置，其特征在于:包括上表面为柔性材质的水囊(1)，水囊(1)上方设有支撑板(2)，支撑板(2)内设置有传感组件；所述水囊(1)上设置有用于注水、排水及给提供液体流动的水泵(3)；所述传感组件与用于计算稳定性参数的上位机(4)相连。

2.根据权利要求1所述的基于水囊扰动的平衡能力测量装置，其特征在于：所述传感组件包括均匀排布在支撑板(2)上的阵列式压力传感器(5)和设置在支撑板(2)一侧的姿态角传感器(6)；所述传感组件与控制电路板(7)相连，控制电路板(7)上连接有供电电源(8)。

3.根据权利要求2所述的基于水囊扰动的平衡能力测量装置，其特征在于：所述控制电路板(7)包括数据采集电路(9)、数据发送电路(10)和水泵控制电路(11)；数据采集电路(9)用于采集所述阵列式压力传感器(5)与姿态角传感器(6)的数据，采集完毕后由数据发送电路(10)提供给上位机(4)用于参数计算；水泵控制电路(11)用于控制水泵(3)的开关以及调节水泵(3)压力。

4.根据权利要求1所述的基于水囊扰动的平衡能力测量装置，其特征在于：所述水泵(3)为双向水泵，水泵(3)其中一个进出口上连接有分别带有第一阀门(401)和第二阀门(402)的两个支路，其中一个支路连接到水囊(1)外，另一支路连接到水囊(1)内部。

5.根据权利要求1所述的基于水囊扰动的平衡能力测量装置，其特征在于：所述姿态角传感器(6)为九自由度姿态传感器，九自由度包括三轴加速度、三轴角速度和三轴地磁信号。

6.使用权利要求1-5任一权利要求所述测量装置的平衡能力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

①利用水泵(3)调节水囊(1)压力；

③水囊(1)达到设定压力后，被试人员站在支撑板(2)上；

③水泵(3)制造水流，从而给支撑板(2)施加扰动；

④支撑板(2)的传感组件采集被试人员足底压力数据和姿态角数据；

⑤足底压力数据和姿态角数据上传至上位机(4)，上位机(4)通过计算压力中心轨迹与足底轮廓得到被试人员稳定性参数；

⑥根据稳定性参数评价被试人员平衡能力。

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