CN102164532A - 功率测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于估计用户在执行运动的垂直分量时使用的功率的装置，该装置包括用于附接到用户并且用于测量用户经受的加速度的加速度计；该装置还包括处理器，该处理器被配置为：接收来自附接到用户的加速度计的加速度的测量值；根据所接收的测量值估计垂直加速度；以及根据该垂直加速度估计所使用的功率。

Description

功率测量方法和装置

技术领域

本发明涉及用于测量运动过程中使用的功率或力量的方法和装置，且更具体地涉及测量运动的垂直部分中使用的功率或力量。

背景技术

跌倒是老年人的最大健康风险因素之一。已经发现大于65岁的人群中大约三分之一每年至少跌倒一次。

很多这类跌倒可以通过及早确认跌倒风险以及应用有效且靶定的跌倒预防程序而得以避免。基于力量和平衡训练(SBT)的跌倒预防试验已经显示可以降低老年人跌倒的风险。

平衡性能度量可以被用作跌倒风险的早期指标并且被用于度量跌倒预防程序的进展。特别地，从坐到站立(STS)转换已经被确认为这方面的重要运动。本领域专家比较用于预防跌倒的从坐到站立转换过程中产生的功率的图和心血管紊乱情况下的ECG图。在日常生活中，每个人在一天中多次执行STS转换。

常规地，仅临床测量***(诸如包括测力板和光学标记***的那些测量***)允许从坐到站立转换过程中的功率的精确量化。在这些测量***中，测力板提供垂直地面反作用力，而光学标记***提供三维位移的度量。这两种测量值的组合被用于量化从坐到站立转换过程中的功率。

这些测量***具有一些缺点。首先，它们是临床设备，这需要用户到门诊部去。它们需要大量劳动来准备和执行测量(特别是在大量光学标记需要被附接到身体的特定部分上的情况下)。另外，它们仅提供用户的平衡性能的快照，其中，由于临床设置，用户通常执行得超过平均能力。此外，这些测量***涉及对用户来说相当麻烦的程序。

因此需要测量诸如从坐到站立转换的垂直运动过程中所使用的功率的方法和***，该方法和***对于用户操作来说是容易和简单的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于估计用户在执行运动的垂直分量时使用的功率的装置，该装置包括加速计，该加速计用于附接到用户并且用于测量所述用户经受的加速度；该装置还包括处理器，该处理器被配置为：接收来自附接到所述用户的所述加速计的加速度的测量值；根据所接收的测量值估计垂直加速度；以及根据所述垂直加速度估计所使用的功率。

根据本发明的第二方面，提供一种用于估计用户在执行运动的垂直分量时使用的功率的方法，该方法包括：从附接到所述用户的加速计获得所述用户在执行所述运动时经受的垂直加速度的测量值；以及根据所述垂直加速度的测量值确定所使用的功率的估计值。

根据本发明的第三方面，提供一种计算机程序产品，其包括计算机程序代码，所述计算机程序代码在与附接到用户的加速计相关联的计算机或处理器上执行时通过以下步骤估计用户在执行运动的垂直分量时使用的功率：从所述加速计接收测量值；根据所接收的测量值确定所述用户在执行所述运动时经受的垂直加速度；以及根据所述垂直加速度的测量值确定所使用的功率的估计值。

附图说明

现在将仅以示例方式通过参考以下附图来描述本发明的实施例，其中：

图1示出根据本发明附接到用户的传感器单元；

图2更详细地示出所述传感器单元；

图3示出作用于用户上以及用户在执行从坐到站立转换时施加的加速度和力；

图4是举例说明根据所测量的加速度计算加速度计的取向的图表；以及

图5是举例说明根据本发明的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种传感器单元2，该传感器单元通过一些附接装置6被附接到用户4的身体，优选为身体的躯干，如骨盆或胸骨上，所述附接装置6例如为带子或绳子(或者在单元2为垂饰形式时为颈索)。传感器单元2被用于根据用户4的身体的加速度的测量值确定在身体运动过程中所使用的功率或力量，该身体运动涉及在垂直方向的运动，例如从坐到站立(STS)转换，其中用户4从坐姿站起。

传感器单元2确定执行运动的垂直分量所使用的功率或力量。传感器单元2可以计算在整个垂直运动过程中所使用的功率或力量，但是在可替代的实施例中，传感器单元2可以被用于确定垂直运动的某些部分过程中的功率或力量。

图2示出根据本发明的传感器单元2的优选实施例。传感器单元2包括加速度计8，该加速度计测量沿着三个正交轴的加速度并且提供对应的信号。这些信号被提供给处理器10以进行分析。传感器单元2还包括存储器12和发射器或收发器电路14。存储器12被用于存储来自加速度计8的测量值，并且用于存储处理器10的分析结果。发射器或收发器电路14被用于发送分析结果至远程单元或计算机，在此处它们可以被用户4或健康护理提供者查看或研究。

优选地，加速度计8是微机电***(MEMS)加速度计8。

在本文所描述的计算垂直方向运动中所使用的功率或力量的方法中，功率或力量是在固定参考系(例如地球)中计算的。作为该方法的一部分，有必要确定用户4在垂直运动过程中所经受的垂直加速度。

在本发明的这一实施例中，仅根据下面描述的算法通过加速度计8的测量值来计算垂直加速度。

在一些(较不优选的)实施例中，传感器单元2包括除加速度计8之外的用于确定传感器单元2的取向(或取向变化)的一个或多个其他传感器，诸如陀螺仪和/或磁力计。在这一实施例中，不必执行下面描述的算法，因为陀螺仪和/或磁力计可以提供对传感器单元2的取向的指示，可以利用所确定的取向将来自加速度计8的测量值转换到固定参考系中，并且可以确定垂直加速度。

图3示出在垂直方向的运动中途的用户4的侧视图，该运动具体为从坐到站立(STS)转换。如图所示，传感器单元2被附接到用户4的胸骨上。

由于加速度计8被固定在传感器单元2中，传感器单元2和加速度计8的取向在STS运动过程中改变，并且传感器单元2被显示为与垂直方向偏离角度θ。

因此，为了获得(固定参考系中)垂直方向的加速度，有必要针对这些取向变化补偿来自加速度计8的测量值。

图4是由加速度计8测量的加速度A的测量值的图示。加速度计8测量在三维上作用于其上的加速度A，并且提供指示沿着三个正交轴(标示为x_a、y_a和z_a)的加速度A的信号给处理器10。

在该图中，加速度A具有分别沿着三个轴测量的分量A_x、A_y和A_z。

对于承受小的加速度或不承受加速度(除了重力)的加速度计8，加速度计8所经受的加速度A将基本对应于重力加速度。因此，根据这一假设，有可能将加速度A与重力联系起来，而重力的方向在固定参考系中是已知的。

可以通过计算加速度A与具有最大加速度幅值的加速度计8的轴之间的角度来估计加速度计8的取向。

为了估计加速度计8的取向，测量作用于加速度计8上的加速度，并且向处理器10提供指示沿着加速度计8的三个正交轴(分别为x_a、y_a和z_a)的加速度分量(A_x、A_y和A_z)的信号。

处理器10计算加速度A的每个分量的幅值并且对它们进行比较以识别具有最大幅值的分量。

在下面，具有最大幅值的分量的轴(x_a、y_a或z_a)被表示为z_a’，而另两个轴被表示为x_a’和y_a’。以此方式，无论加速度计8的初始位置如何，都有可能确定加速度计8的取向。例如，虽然可能希望z_a轴对应于固定参考系中的垂直取向轴，但加速度计8可能不是以此方式附接到用户4(可能是y_a轴最接近地对应于固定参考系中的垂直取向轴)。

应该注意到，在图4中具有最大加速度分量的轴是z_a，因此这一轴被表示为z_a’，且最大加速度分量是A_z。

然后处理器10确定加速度A与具有最大加速度分量的轴(z_a’)之间的角度。因此，从图4可以看出角度θ由下式给出：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left[\frac{\sqrt{{A_x}^2+{A_y}^2}}{A_z}\right]---\left(1\right)$

如果加速度的所有分量均为零(即A_x＝A_y＝A_z＝0)，则不能够估计θ和所述取向。在这种情况下，加速度计8处于自由下落。

因此，由于是利用重力作为参考系来确定该角度θ，该角度θ可以被视为指示加速度计8和传感器单元2的取向。

由于加速度计8相对于固定参考系是***的，因此期望检查由加速度的快速变化导致的局部不稳定性。以此方式，有可能补偿所确定的取向中由这些加速度快速变化导致的误差。特别地，通过由处理器10计算在一段时间内的加速度A的分量的范数的方差来检查局部不稳定性。

从加速度计8获得代表在多个采样时刻处的加速度的多个信号。这些采样时刻优选发生在采样时刻i的之前和之后，其中在采样时刻i计算加速度计8的取向。

利用下式计算加速度A的分量的范数的方差：

其中a是在计算加速度计8的取向所处于的采样时刻之后的采样时刻的个数，b是在计算加速度计8的取向所处于的采样时刻之前的采样时刻的个数，且α是指示加速度快速变化的值。

α的值选自范围15-20m/s²，而a和b的值在10附近。

一旦计算出角度θ，处理器10确定相对于固定参考系在垂直方向的加速度。

再次参考图3，用户4在从坐到站立转换的中途，且传感器单元2和加速度计8朝向从垂直方向起的角度θ处。图中显示了具有最大加速度分量(A_z)的轴。

根据下式计算垂直方向的加速度：

acc_vert＝(A_z-gcosθ)cosθ+g，如果θ＞0或者存在局部不稳定性    (3)

acc_vert＝(gcosθ-A_z)cosθ+g，如果θ＜0或者不存在局部不稳定性  (4)

其中g是由垂直方向的重力引起的加速度的幅值。应该认识到在图3和图4中θ＜0。

可以使用图5所示的方法来计算垂直方向的运动中所使用的功率或力量。

在步骤101中，从加速度计8获得用户4在垂直方向(在固定参考系中)所经受的加速度的一系列测量值或估计值。如上所述，垂直方向的加速度的估计值可以从仅有的传感器为加速度计8的传感器单元2获得，或者从包括加速度计、陀螺仪和/或磁力计的传感器单元2获得。

在优选的实施例中，垂直加速度可以被低通滤波，例如通过具有大约为2Hz的截止频率的Butterworth滤波器。

然后，在步骤103中，根据下式估计如图3所示的作为时间的函数的垂直地面反作用力F_gr：

F_gr(t)＝(acc_vert(t)+g)*m                (5)

其中g是由重力引起的加速度，且m是用户4的质量。

接着，在步骤105中，垂直加速度的这一系列测量值或估计值相对于时间被积分以获得运动过程中的垂直速度。因此，根据下式确定垂直速度vel_vert(t)：

vel_vert(t)＝∫(acc_vert(t))dt            (6)

该积分的起点和终点是根据来自加速度计8的测量值确定的。该起点可以被识别为垂直加速度在处于稳定状态的时间段之后开始变化时的点(例如垂直加速度可能从零值或从重力开始变化)。该终点可以被识别为垂直加速度在一段运动之后恢复稳定状态时的点(例如垂直加速度可能返回到零或重力)。处理器10可以通过检查垂直加速度的测量值来确定该起点和终点。

最后，在步骤107中，利用下式来计算在垂直运动过程中所使用的功率：

功率(t)＝F_gr(t)*vel_vert(t)                    (7)

根据垂直加速度的这一系列测量值所确定的地面反作用力和功率形成时间序列，该时间序列可以被绘制成随时间变化的图。然后也可能确定最大瞬时功率或功率的最大负载率。

应该认识到，所述方法的唯一输入是垂直加速度的测量值的集合。因此，代替分离地执行步骤103、105和107，这些步骤可以被组合成功率在其中被估计的单个步骤。在这种情况下，处理器10将对下式求值：

功率(t)＝m*(acc_vert(t)+g)*∫(acc_vert(t))dt    (8)

根据本发明的方法可以被用于包括加速度计的任何在体传感器单元，例如跌倒检测器和用于活动监测和评估的装置，以便估计或确定在从坐到站立转换中所使用的功率。这一功率估计可以提供用于评估平衡性能和跌倒风险的物理性能度量。在家庭健康护理情况下，这一方法将使得家庭健康护理提供者能够以不显眼的方式监测用户平衡性能或跌倒风险。

由于功率估计基于测量用户4的质心的运动，可以通过将传感器单元2放置得尽可能接近用户4的质心来提高功率估计的精确度。例如，传感器单元2优选被放置为靠近用户4的骨盆或下躯干。

可以通过在用户4的身体的两个或更多个部分处提供加速度计来获得对功率估计的进一步改善。例如，这可以通过提供两个传感器单元2来实现，一个传感器单元2被放置在胸骨处，而另一个传感器单元2被放置在骨盆处。在这一实施例中，传感器单元2中的一个将需要接收来自另一个或多个传感器单元2的测量值以便计算所使用的功率。

在特定垂直运动过程中，这些传感器单元2将记录不同的加速度，因此加速度计测量值的加权平均被计算以在功率估计算法中使用。有效的是，加速度的加权平均代表作用于用户4的实际质心位置上的加速度。优选地，这一加权平均由下式给出：

a_质心＝B*a_骨盆+C*a_胸骨                (9)

其中B和C为常数。

在一个实施例中，常数B和C分别具有值0.603和0.397，如Winter，D.A.在“Biomechanics and Motor Control of Human Movement”中所描述的。

在本发明的可替代实施例中，代替在传感器单元2的处理器10中处理加速度测量值，传感器单元2或多个传感器单元2可以测量加速度，并且将这些测量值发送到分离的基础单元，该基础单元执行必要的计算以估计在运动过程中所使用的功率。

由于传感器单元2小巧且易于使用，它可以在较长时间段内(相比临床设置中可能的时间段)被使用以量化在诸如从坐到站立转换的特定类型的身体运动过程中的功率或力量。该功率或力量可以被以不显眼的方式测量，并且上述方法提供与临床测量***类似的精确度。

虽然已经在附图和前面的说明书中详细地图示和描述了本发明，但这种图示和描述应视为是图解性的或示例性的而非限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。

通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，实践要求保护的发明的技术人员可以理解并想到所公开实施例的各种变形。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。在彼此不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不指示不能使用这些措施的组合来取得优势。计算机程序可以被存储/分布在适当的介质上，诸如光学存储介质或与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分的固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如通过互联网或其他有线或无线电信***。权利要求中的任何参考标记不应被解读为限制其范围。

Claims (15)

1.一种用于估计用户在执行运动的垂直分量时使用的功率的装置，该装置包括：

加速度计，其用于附接到用户并且用于测量所述用户经受的加速度；

该装置还包括：

处理器，其被配置为：

-接收来自附接到所述用户的所述加速度计的所述加速度的测量值；

-根据所接收的测量值估计垂直加速度；以及

-根据所述垂直加速度估计所使用的功率。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述处理器被配置为通过对下式求值来根据所述垂直加速度估计所使用的功率：

功率(t)＝m*(acc_vert(t)+g)*∫(acc_vert(t))dt

其中m是所述用户的质量，acc_vert(t)是在时间t时的垂直加速度，且g是由于重力引起的加速度。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述处理器被配置为通过以下操作根据所述垂直加速度估计所使用的功率：

-估计来自地面的反作用力，该估计是根据所述垂直加速度的估计值确定的；

-通过在执行所述运动花费的时间上对所述垂直加速度的估计值积分来估计垂直速度；以及

-根据所述地面反作用力的估计值和所述垂直速度的估计值来估计所使用的功率。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述处理器被配置为通过将所述地面反作用力的估计值乘以所述垂直速度的估计值来估计所使用的功率。

5.如权利要求3或4所述的装置，其中，所述处理器被配置为根据下式估计所述来自地面的反作用力：

F_gr(t)＝(acc_vert(t)+g)＊m

其中m是所述用户的质量，且acc_vert(t)是时间t时的垂直加速度。

6.如权利要求3、4或5所述的装置，其中，所述处理器被配置为根据下式估计所述垂直速度：

vel_vert(t)＝∫(acc_vert(t))dt

其中acc_vert(t)是时间t时的垂直加速度。

7.如任一前述权利要求所述的装置，其中，所述处理器被配置为通过以下操作根据所接收的测量值估计所述垂直加速度：

-根据所接收的测量值估计所述加速度计的取向；以及

-利用所估计的取向识别所接收的测量值中的垂直加速度。

8.如权利要求1-6中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括与所述加速度计相关联的陀螺仪和/或磁力计，且其中，所述处理器被配置为通过以下操作根据所接收的测量值估计所述垂直加速度：

-根据从所述陀螺仪和/或磁力计接收的测量值估计所述加速度计的取向；以及

-利用所估计的取向识别所接收的测量值中的垂直加速度。

9.如任一前述权利要求所述的装置，其中，所述处理器和加速度计被集成到用于附接到所述用户的单个单元中。

10.如权利要求1-8中任一项所述的装置，其中，所述装置包括用于附接到所述用户的身体的各个部分的多个加速度计。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述处理器被配置为从附接到所述用户的所述多个加速度计接收所述加速度的测量值，并且根据所述测量值确定所述用户的质心的加速度的估计值。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述用户的质心的加速度的所述估计值是根据来自所述多个加速度计的所述测量值的加权平均确定的。

13.如任一前述权利要求所述的装置，其中，所述装置用于估计用户在执行从坐到站立转换时所使用的功率。

14.一种用于估计用户在执行运动的垂直分量时使用的功率的方法，该方法包括：

-从附接到所述用户的加速度计获得所述用户在执行所述运动时经受的垂直加速度的测量值；以及

-根据所述垂直加速度的测量值确定所使用的功率的估计值。

15.一种计算机程序产品，其包括计算机程序代码，所述计算机程序代码在与附接到用户的加速度计相关联的计算机或处理器上执行时通过以下操作估计用户在执行运动的垂直分量时使用的功率：

-从所述加速度计接收测量值；

-根据所接收的测量值确定所述用户在执行所述运动时经受的垂直加速度；以及

-根据所述垂直加速度的测量值确定所使用的功率的估计值。

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