CN105147284A - 一种改进型人体平衡功能检测方法与训练*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改进型的人体平衡功能检测方法与训练***，涉及医疗设备领域。本发明将对肌电的监测和基于加速度传感器的重心测量及跌倒检测的方法应用于平衡功能检测与康复功能训练，弥补了现有平衡仪测试指标单一的缺陷，从而实现了对人体平衡功能全面的精确检测以及更科学的康复功能训练。***包括：人体肌电和加速度检测模块、人体平衡压力信号检测装置、重心位置的实时显示、平衡功能液晶显示屏、以及基于计算机的平衡功能监测软件。其中人体肌电和加速度检测模块包括肌电放大电路，三轴加速度传感器，信号处理电路，数据采集电路，和无线通信电路。固定在后腰位置的人体肌电和加速度检测模块与计算机通过无线传输模块进行数据传输。计算机上的平衡功能监测软件实现肌电信号、加速度信号、压力信号的处理、分析、存储、回放显示，以及跌倒的实时检测与报警。

Description

一种改进型人体平衡功能检测方法与训练***

技术领域

本发明涉及一种改进型人体平衡功能定量检测方法和人体平衡功能康复训练的***。

背景技术

在人体众多的生理指标中，人体保持平衡的功能是人体一项重要生理指标和基本运动技能，人在站、坐、行时都需要身体具有保持平衡的能力。在临床上，平衡是指人体处在的一种姿势或稳定状态下以及不论处于何种位置时，当运动或受到外力作用时，能自动地调整并维持姿势的能力。平衡能力障碍的患者生活无法自理，生活质量严重下降，不仅给患者自身同时对其家庭乃至于社会均会造成巨大的负担。因此，精确评定人体平衡功能在医疗领域具有重要价值。

目前，人体平衡能力的检测方法主要包括观察法、量表评分法和平衡仪法。观察法简单易于操作，但过于粗略主观和缺乏量化，因此主要应用于对具有平衡功能障碍的患者进行简单的筛选；量表法可对平衡能力量化估计，但是操作相对繁琐，医生在操作过程中主观性依旧很强。随着计算机技术的发展，人体平衡功能的评估和康复训练有了新的发展，基于计算机技术的平衡测试方法不仅可以客观定量地反映人体的平衡功能，而且能够针对患者的运动功能障碍进行训练治疗，但是国外测试仪由于价格昂贵，难以普及应用。

专利CN101332091A公布了一种利用光电技术和序列图像分析技术，同步记录人体多个重要部位在二维平面上的晃动轨迹，使该发明更能准确的评估人体平衡功能。专利CN201248696Y发明一种基于姿势描记技术的，通过测量被测者施加在平台上的压力来评价被测者的平衡及稳定性的人体平衡功能检测仪。该发明与简单的动作测试相比更准确、客观。

上述技术方法存在的问题是：一方面，仅仅只有被测者施加在平台的压力值，不能全面综合的评估人体平衡功能。另一方面，人运动过程中有可能会出现跌倒的情况，上述发明缺少对跌倒时候的检测。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提出了将对肌电的监测和基于加速度传感器的重心测量及跌倒检测的方法应用于平衡功能检测和康复功能训练，弥补了现有平衡仪测试指标单一的缺陷，从而实现了对人体平衡功能全面的的精确检测以及更科学的康复功能训练。

技术方案包括：人体肌电和加速度检测装置、人体平衡压力信号检测装置、重心位置的实时显示、平衡功能液晶显示屏、计算机。人体肌电和加速度检测装置块包括肌电放大电路，三轴加速度传感器，信号处理电路，数据采集电路，和无线通信模块。首先通过电极采集到肌电信号，传输给肌电放大电路，经过滤波、放大后传输给信号处理电路，同时加速度检测

模块的三轴加速度传感器也将采集到的人体三维加速度值信号传输给信号处理电路，信号处理电路对肌电信号和加速度信号经过一系列的处理得到数字信号，然后传输给由微处理器及连接的存储器作为数据处理和数据存储的数据采集电路，经过无线通信电路模块进行无线传输，再通过接收端和计算机的串口通信将数字信号发送到上位机实时的显示和处理。

肌电检测的电极可以根据检测项目改变测量位置，比如直立检测时测量腿部肌肉，坐姿检测时测量腰部肌肉，通过对各个部位的肌电信号的处理分析，可以很好的评定某个动作的肌肉激活的先后顺序和肌肉的发力的顺序，以及它们之间的协调性关系和停机活动的先后顺序，这是综合评估人体平衡功能的重要参数。

加速度检测模块选用飞思卡尔MMA7260三轴加速度芯片的传感器，并用弹性绷带系于人体腰后部，实现对人体座立、直立等活动运动加速度的测量。加速度传感器采集人体的三维加速度值能直接测量到人体重心的位置，相对于传统的根据双脚重心间接测量的方法更精确，通过平衡功能监测软件还能对跌倒进行实时检测与报警。

人体平衡压力信号检测装置构成如下：包括座立、直立或指压的压力检测板，检测板的下面有四个(或八个)压力传感器，对称分布于平板的四个角(或八个方位)，当压力作用于平板时，四个角(或八个方位)的传感器即给出与压力相关的一定大小的电信号。上述受压、坐压、直立信号经过信号处理电路，并接微处理器的输入端口，由微处理器及连接的存储器作为数据处理和数据存储的数据采集电路，微处理器的输出端口连接平衡功能液晶显示屏，实时显示压力信号。

平衡功能液晶显示屏。一方面，显示屏能用来显示重心偏移情况，通过液晶屏的显示变化来跟踪自身重心的改变。另一方面，显示实际压力的大小(直立检测时是体重)。患者可以根据液晶屏的显示，来调整自身的重心位置，从而实现康复功能训练。

本发明的创新点是：

1)将肌电检测运用于平衡功能的评估。肌电信号是肌肉收缩过程中伴随发生的生理电信号，这套装置的肌电检测模块的电极可以根据检测项目改变测量位置，比如直立检测时测量腿部肌肉，坐姿检测时测量腰部肌肉等。通过改变电极位置我们可以得到腿部或者腰部肌电信号，经过计算机实时的肌电信号处理分析，可以得到肌肉激活时序、时程、肌肉疲劳程度以及人体腿部和腰部肌肉间的协调关系。综合实时的肌电分析和实时的人体重心的分析，不仅能更准确全面的评估人体平衡功能，也能更好的指导康复功能训练。

2)加速度检测模块应用于重心的测量和跌倒检测。腰后部的加速度检测模块可以实时的得到人体躯干三维的加速度值，通过计算机处理显示可以得到人体重心的三维运动图。相对于直接测量训练过程中躯干或身体重心的三维运动，通过加速度传感器采集人体的三维加速度值比原来方法中根据双脚重心间接测量的方法更可靠准确。得到的重心的三维运动既可以用于评估人体平衡功能、指导康复功能训练，也可以用来判断在检测或者是康复功能训练过程中及是否会发生异常跌倒。

图1本发明的结构框图

图2本发明的功能框图

图3本发明的分析软件流程功能图

具体实施方式

改进型人体平衡功能检测方法与训练***，相对于目前已有的技术，本发明所提出方法可有效提高人体平衡功能检测方法的准确性，并能预防运动过程中的跌倒。

为了使本发明的目的、技术优点和方案设计更加清晰明确，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明。

总体框架如图1所示。图2中检测***电路结构主要由多路模拟开关、A/D转换电路、数据处理电路和数据存储电路组成。肌电信号和加速度信号均通过无线通信模块传输，肌电模块电极采用Ag/AgCl表面电极或针电极，将电极采集到肌电信号，传输给肌电放大电路，经过信号处理电路，再经过无线通信电路模块进行无线传输，最后由单片机接收端和计算机相连接。加速度检测模块可选用飞思卡尔MMA7260三轴加速度芯片的传感器，无线通信电路模块处理芯片可选用MSP430，通信技术可用应用最普遍的ZigBee技术。多路模拟开关电路4051，A/D转换电路的型号典型是：处理器的信号可采用89C51型。如图3所示，计算机上的平衡功能分析软件可以通过功能选择进行实时的监测或者是回放，如果是实时监测，可以选择肌电信号采集模式和压力数据采集模式。如果是回放模式，则软件读取已存储的数据，进行平衡功能的分析，并显示分析结果。

分析***工作流程：

(1)病人信息管理

用户可以通过病人基本信息管理工具来对病人资料进行增加、修改、删除、查询等基本的数据库操作。

(2)数据采集

用户可以选择选择肌电信号采集模式(包括“腿部肌电”、“腰部肌电”等)、压力数据采集的模式(包括“直立”、“直坐”、“手指”等)、波形显示的扫描速度以及采集时间。数据采集与波形显示同步进行，采集结束可以自动存储。

(3)数据回放

因为数据的存储是无损的，所以可以不失真地回放以前采集的数据。操作上具有缩放显示、时间测量等功能。

(4)分析结果

肌电信号分析，我们最主要是分析肌电信号的时程和时序。时程，是指从肌电曲线开始偏离基线到恢复点的这一时间过程。它代表肌肉在运动时放电时间的长短，也就是肌肉参与运动的时间长短，可以利用它来判定一个肌肉在某一动作中的活动时间长短。时序，是指在多个肌肉参与运动时，各个肌肉被激活的先后顺序。肌电信号分析可以很好地实时评定座立、直立等活动中人体腿部和腰部的肌肉发力顺序，并且得到人体腿部和腰部肌肉间的协调关系以及肌肉疲劳程度。

加速度信号分析，通过三轴加速度芯片的传感器我们可以精确的得到重心在三维空间的位置，上位机可以实时记录重心的位置并显示三维的重心轨迹图以及各项参数。

对每个方向波形做功率谱分析。

压力中心计算

检测板是完成将人体直立的双足压力、坐压力或手压力信息转换成电压信号的能量转换部件，其基本原理是：压力检测板的下面有四个压力传感器，对称分布于平板的四个角，当压力作用于平板时，四个角的传感器即给出一定大小的电信号，将这些信号通过换算即可求得作用于平板(检测板)上瞬时压力的中心位置，把这些随时变化的中心位置坐标逐点记录或通过液晶屏显示出来，即可对平衡功能进行各种分析或通过显练。

检测板受力如图1所示，坐标原点设为检测板中心，A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)、C(x₁，y₃)、D(x₄，y₄)分别为四个传感器的位置。根据力学原理，维持检测板平衡条件为：

F＝f₁+f₂+f₃+f₄(1)

FX＝f₁x₁+f₂x₂+f₃x₃+f₄x₄(2)

FY＝f₁y₁+f₂y₂+f₃y₃+f₄y₄(3)

图中E(X，Y)为外部压力相对于检测板的坐标，即等效压力中心位置。

由于传感器对称分布，即x₂＝-x₁、x₃＝-x₁、x₄＝x₁、y₂＝y₁、y₃＝-y₁、y₄＝-y₁，将其代入(2)、(3)式得：

$X=\frac{(f_1+f_4)-(f_2+f_3)}{f_1+f_2+f_3+f_4}{x}_1---\left(4\right)$

$Y=\frac{(f_1+f_2)-(f_3+f_4)}{f_1+f_2+f_3+f_4}{y}_1---\left(5\right)$

其中f₁、f₂、f₃、f₄分别是随时间变化的，所以，X、Y值也是一组随时间变化的函数，即X＝X(t)、Y＝Y(t)，将各个时刻的E(X，Y)值的电信号记录下来，即可获得外部压力的中心位置在检测板上移动的信息。再将其逐点描出，即可获得压力中心移动曲线或轨迹图。

为了消去其实际尺寸对所研究问题的影响，对上面(4)、(5)式分别进行归一化，则归一化后E点(外部压力中心位置)的坐标为：

$X=\frac{(f_1+f_4)-(f_2+f_3)}{f_1+f_2+f_3+f_4}---\left(6\right)$

$Y=\frac{(f_1+f_2)-(f_3+f_4)}{f_1+f_2+f_3+f_4}---\left(7\right)$

(6)式和(7)式即是外部坐压力中心相对检测板位置的坐标表达式。

最后说明的是，以上结合附图所描述的实施例仅是本发明的优选实施方式，而并非本发明的保护范围的限定，任何基于本发明精神所做的改进或者等同替换，只要不脱离本发明的精神和范围，均应涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进型人体平衡功能检测方法与训练***，用于进行人体平衡功能的评估和康复训练，***包括人体肌电和加速度检测装置、人体平衡压力信号检测装置、重心位置的实时显示、平衡功能液晶显示屏、人体平衡功能监测软件和计算机。

2.根据权利要求1所述的人体肌电和加速度检测装置，其特征在于其包括肌电放大电路，三轴加速度传感器，信号处理电路，数据采集电路，和无线通信模块。

3.根据权利要求1所述的人体肌电和加速度检测装置，其特征在于，可以同时监测肌电信号和三维加速度信号。肌电检测模块的电极可以根据检测项目改变测量位置，比如直立检测时测量腿部肌肉，坐姿检测时测量腰部肌肉等，通过肌电信号可以得到人体各个部位肌肉间的协调关系，从而更全面准确的评估人体平衡功能。

4.根据权利要求1所述的人体肌电和加速度检测装置，其特征在于，腰后部的加速度检测模块可以实时的得到人体躯干三维的加速度值，通过计算机处理显示可以得到人体重心的三维运动图。相对于直接测量训练过程中躯干或身体重心的三维运动，通过加速度传感器采集人体的三维加速度值比原来方法中根据双脚重心间接测量的方法更可靠准确。

5.根据权利要求1所述的人体肌电和加速度检测装置，其特征在于，肌电信号和加速度信号通过无线通信进行数据传输。

6.根据权利要求1所述的人体肌电和加速度检测装置，其特征在于，通过计算机平衡功能监测软件来实现肌电与加速度信号的数据处理、分析、存储回放，对异常跌倒进行实时检测与报警。

7.人体平衡功能康复训练***，其特征在于，包括座立、直立或指压的压力检测板，检测板的下面有四个(或八个)压力传感器，对称分布于平板的四个角(或八个方位)，当压力作用于平板时，四个角(或八个方位)的传感器即给出与压力相关的一定大小的电信号。上述受压、坐压、直立信号经过信号处理电路，并接微处理器的输入端口，由微处理器及连接的存储器作为数据处理和数据存储的数据采集电路，微处理器的输出端口连接平衡功能液晶显示屏，实时显示压力信号。同时肌电信号和加速度信号通过无线通信模块传输数据到计算机分析显示。

8.人体平衡功能康复训练***，其特征在于，平衡液晶屏显示屏显示重心偏移情况，和显示压力中心(重心)坐标。

9.人体平衡功能康复训练***，其特征在于，肌电检测模块得到的肌电信号可以得到人体各个部位肌肉间的协调关系，从而更科学指导训练。

10.人体平衡功能康复训练***，其特征在于，加速度检测模块可以实时的得到人体躯干三维的加速度值，通过计算机处理显示可以得到人体重心的三维运动图。