CN105534500A - 一种整合生理参数监测的平衡功能测评装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置及方法。人体平衡功能测评装置包括摆动幅度测量模块、生理参数测量模块和终端模块；摆动幅度测量模块用于测量人体的重心变化；生理参数测量模块用于测量人体的生理参数；终端模块用于综合前两个模块的测量数据来评判人体平衡功能。本发明通过在三维空间内测量人体重心的变化幅度，可以准确得到平衡功能测量结果；通过测量双侧手臂与躯干部位在翻转方向的夹角，得到人体重心在翻转方向的精确变化幅度，提高了测量装置的灵敏性；通过整合与人体重心变化同时获得的人体生理参数即心率和血压的变化幅度值，增加了一项客观评估人体维持稳定性的指标，进一步提高平衡功能测量结果准确性。

Description

一种整合生理参数监测的平衡功能测评装置及方法

技术领域

本发明属于医学诊断技术领域，更具体地，涉及一种整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置及方法。

背景技术

平衡功能是人体的一项重要功能，它对于人体维持日常生活中的各种姿势、进行各种活动以及对外界干扰产生适当的反应尤其重要。从生理学角度来看，人体的平衡能力主要与人体的前庭觉、视觉和本体觉有关。视觉信息由视网膜收集，经视通路传入视中枢，提供周围环境及身体运动和方向的信息；本体感觉由分布于肌肉、关节及肌腱等处的感受器收集身体各部位的空间定位及肌紧张状态的信息，经本体感觉传导通路向上传递；前庭***感受器包括三个半规管、椭圆囊和球囊，其中三个半规管用来感知人体角加速度运动的信息，椭圆囊和球囊用来感知瞬时直线加速度运动及重力加速度运动的信息，这些运动信息经第四对颅神经进入脑干。由中枢整合前庭觉、视觉及本体觉的输入信息并作出反应，以维持机体平衡状态。当前庭觉、视觉和本体觉存在病变或者中枢代偿失衡，将导致机体出现平衡障碍和眩晕。

人体的前庭***在维持身体平衡中起着非常重要的作用，一旦前庭受损，机体将主要依靠来自视觉和本体觉的输入信息。因此，通过干扰受检者的视觉和本体觉，用科学的技术手段对受检者的平衡功能进行实时的量化检测及医学评估，对诊断患者病变部位有极重要的意义。另一方面，准确评估平衡障碍和眩晕病人的中枢代偿状态，对前庭康复治疗方案的选择和设计有重要参考价值。

目前，平衡功能测量主要采用压力传感器技术。专利号为US5303715A的美国专利Apparatusandmethodfordeterminingthepresenceofvestibularpathology中公开了一种平衡功能的测评，其测试平台使用压力传感器来记录人体重心晃动的轨迹，通过可以前后晃动的测试平台和背景幕布干扰测试者的本体觉和视觉，从而对前庭功能进行测评。中国专利“中国人群静态平衡能力评估模型”在公开说明书CN104346518A中公开了一种静态平衡能力的测评，它是通过压力传感器实时记录人体在平衡仪上的重心轨迹，对人体的前庭觉、视觉和本体觉进行测评。这种技术及方法存在以下挑战：首先，采用压力传感器只能在二维平面内检测人体重心移动的位置情况，而在实际维持平衡的过程中，人体重心是在三维空间中发生移动；其次，压力传感器反映的是脚踝的晃动，反映不出人体整体的晃动幅度，导致测量结果的准确性受到影响；再次，该***体积庞大，摆设位置固定，不便于携带，临床使用受到一定限制；最后，目前该***价格昂贵、检测成本高、不利于推广使用。

平衡功能测评中也有使用陀螺仪技术。专利号为US5919149A的美国专利Methodandapparatusforangularpositionandvelocitybaseddeterminationofbodyswayforthediagnosisandrehabilitationofbalanceandgaitdisorders把设备佩戴在人体胸部，用两个陀螺仪分别测量平面里角度变化情况，从而得到对平衡能力的测评。但是该专利仍只在二维平面内检测人体的平衡能力，没有对三维空间的考虑，而在实际测量过程中人体重心是在三维空间内变化的。另一方面，使用佩戴在胸部的陀螺仪测量人体左右方向晃动的角度数值通常没有前后方向晃动的角度数值大，设备在测量左右方向晃动时的灵敏性不够高，会一定程度影响测量结果的准确性。此外，该专利也没有涉及本发明的生理参数监测内容，即整合生理参数作为一项客观评估人体维持稳定性的指标。

另外，对平衡功能进行测评还有使用量表方法。中国专利“走直线的前庭平衡功能测评***和方法”在公开说明书CN103678923A中公开了一种走直线的前庭功能测评***。它选择了对平衡能力有典型代表性的动作编制成测评项目，将不同颜色、图案和形状的标识单元佩戴在被测者的腿上，用存储有音频动作指令的信息指挥被测者行走在指定区域，用计分工具和规则来测评被测者的行走表现。量表法虽然易于量化，不需专门设备即可评分，但是操作相对繁琐，属于主观评定，测评结果准确度不高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置及方法，旨在解决现有相关装置准确性和灵敏性不高、***格高、便携性差等问题。

本发明提供了一种整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置，包括摆动幅度测量模块、生理参数测量模块和终端模块；所述摆动幅度测量模块包括用于测量人体躯干前后摆动角加速度和人体躯干上下移动线性加速度的躯干测量单元，以及用于测量双侧手臂左右摆动角加速度的手臂测量单元；所述生理参数测量模块用于测量人体的生理参数；所述终端模块用于根据所述摆动幅度测量模块测量的数据以及所述生理参数测量模块测量的数据综合评判人体平衡功能。

更进一步地，所述躯干测量单元包括依次连接的运动传感器组合、第一微处理器和第一无线通信模块，以及用于给所述运动传感器组合、第一微处理器和第一无线通信模块提供工作电源的第一电源模块；所述运动传感器组合用于测量人体躯干前后摆动角加速度大小和人体躯干上下移动线性加速度大小；所述第一微处理器用于对所述运动传感器组合测量的数据进行处理；所述第一无线通信模块用于将处理后的数据传输给所述终端模块，同时将所述终端模块的控制指令传输给所述第一微处理器。

更进一步地，所述运动传感器组合包括用于测量人体躯干前后摆动角加速度大小的第一单轴陀螺仪和用于测量人体躯干上下移动线性加速度大小的单轴加速度计。

更进一步地，所述手臂测量单元包括依次连接的第二单轴陀螺仪、第二微处理器和第二无线通信模块，以及用于给所述第二单轴陀螺仪、第二微处理器和第二无线通信模块提供工作电源的第二电源模块；所述第二单轴陀螺仪用于测量双侧手臂左右摆动角加速度大小；所述第二微处理器用于对所述第二单轴陀螺仪测量的数据进行处理；所述第二无线通信模块用于将处理后的数据传输给所述终端模块，同时将所述终端模块的控制指令传输给所述第二微处理器。

更进一步地，所述生理参数测量模块包括依次连接的生理传感器组合、第三微处理器和第三无线通信模块，以及用于给所述生理传感器组合、第三微处理器和第三无线通信模块提供工作电源的第三电源模块；所述生理传感器组合用于测量人体的生理参数；所述第三微处理器用于对所述生理传感器组合测量的数据进行处理；所述第三无线通信模块用于将处理后的数据传输给所述终端模块，同时将所述终端模块的控制指令传输给所述第三微处理器。

更进一步地，所述生理传感器组合包括用于测量心率的心率传感器和用于测量血压的血压传感器。

更进一步地，所述终端模块包括终端显示单元、数据整合处理单元和第四无线通信模块；所述第四无线通信模块的输入端用于接收所述摆动幅度测量模块和所述生理参数测量模块测量的数据，所述数据整合处理单元的输入端连接至所述第四无线通信模块的第一输出端，所述显示单元的第一输入端连接至所述第四无线通信模块的第二输出端，所述显示单元的第二输入端连接至所述数据整合处理单元的输出端。

更进一步地，使用时，所述躯干测量单元的佩戴部位是腰间，所述手臂测量单元的佩戴部位是双上臂下部，所述生理参数测量模块的佩戴部位是手腕。

本发明还提供了一种基于上述的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置的人体平衡功能测评方法，包括下述步骤：

(1)获得人体躯干前后摆动角加速度，人体躯干上下移动线性加速度，双侧手臂左右摆动角加速度以及人体的生理参数；

(2)将步骤(1)的数据进行融合处理，并根据处理后的结果综合评判人体平衡功能。

更进一步地，若任意一脚移动，则测试结果为“跌倒，平衡能力分数为零”；若双脚均未移动，则生成测试结果报表并打印，测试结束。

本发明通过在三维空间内测量人体重心的变化幅度，可以准确得到平衡功能测量结果；通过测量双侧手臂与躯干部位在翻转方向(即Roll，运动方向是围绕X轴旋转)的夹角，得到人体重心在翻转方向的精确变化幅度，提高了测量装置的灵敏性；通过整合与人体重心变化同时获得的人体生理参数即心率和血压的变化幅度值，增加了一项客观评估人体维持稳定性的指标，进一步提高平衡功能测量结果准确性。本装置操作简单，较易掌握使用方法；该装置对检测场所无条件限制(例如磁场、光线等)，扩大了检测地点的使用范围；因采用MEMS传感器，故装置整体体积小、质量轻，便于移动携带，很大程度上提高了装置使用的灵活性；MEMS传感器价格便宜，所以装置成本低，易于在各类规模的医疗机构中推广使用。

附图说明

图1为本发明采用的姿态角示意图；

图2为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中单元节点设备的外部结构示意图；

图3为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中穿戴躯干测量单元、手臂测量单元和生理参数测量模块的测试部位和穿戴方法的简易示意图；

图4为本发明中实施例的干扰视觉的示意图；

图5为本发明中实施例的干扰本体觉的示意图；

图6为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中躯干测量单元的结构框图；

图7为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中手臂测量单元的结构框图；

图8为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中生理参数测量模块的结构框图；

图9为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中终端模块的结构框图；

图10为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中躯干测量单元的数据采集过程的实现流程图；

图11为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中手臂测量单元的数据采集过程的实现流程图；

图12为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中生理参数测量模块的数据采集过程的实现流程图；

图13为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中终端模块的数据采集过程的实现流程图；

图14为本发明方法的具体实现步骤。

其中：001为单元节点设备盒外壳，002为单元节点弹性绑带，003为单元节点设备充电接口，004为单元节点设备启动/停止按键，005为单元节点设备启动LED显示灯，006为单元节点设备电源不足LED显示灯，100为躯干测量单元，110为运动传感器组合，101为第一单轴陀螺仪，102为单轴加速度计，103为第一微处理器，104为第一无线通信模块，105为第一电源模块，200为手臂测量单元，201为第二单轴陀螺仪，202为第二微处理器，203为第二无线通信模块，204为第二电源模块，300为生理参数测量模块，310为生理传感器组合，301为心率传感器，302为血压传感器，303为第三微处理器，304为第三无线通信模块，305为第三电源模块，400为终端模块，401为终端显示单元，402为数据整合处理单元，403为第四无线通信模块，500为干扰视觉的虚拟现实眼镜，600为干扰本体觉的厚体海绵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

通过大量临床检查发现，在进行平衡功能检测的人群中，多数人会通过降低身体的重心、增加双臂的摆动等姿势来补偿维持平衡的功能，从而达到身体的平衡。忽视这些动作的变化幅度，很大程度上会影响平衡功能测量结果的准确性。现有相关发明只测量了人体重心前后左右晃动，没有测量重心上下移动，本发明在三维空间内测量人体重心变化，提高了测量结果的准确性；并且在测量人体重心左右晃动时，现有相关发明是测量躯干与地面角度的变化，装置灵敏性不高，本发明通过测量双臂与躯干之间夹角变化，提高了装置的灵敏性。

人体在维持平衡的过程中不仅需要考虑人体重心幅度变化大小，还需要考虑心理因素对人体平衡能力的影响，因为心理因素或者精神源性因素对平衡功能会产生较大影响。人体在维持平衡过程中，当身体晃动到心理层面上认为濒临跌倒的时候，心理会骤然紧张，生理参数会随之产生较大变化，比如心跳骤然加快、血压骤然升高，这种心理变化能够反应机体应急状态。换句话说，静止或者运动状态下出现失平衡倾向的机体将通过平衡中枢反射来维持机体的平衡状态，同时心理或精神上也会相应发生变化，而这种反射可以导致两种结果：倾倒或者维持平衡。忽视心理因素或者精神源性因素，会一定程度影响平衡功能测量结果的准确性。现有相关发明没有涉及这方面内容，本发明通过准确捕捉心理因素变化，既衡量了机体反应能力的变化，也增加了一项客观评估人体维持稳定性指标。

本发明提供了一种整合生理参数监测的平衡功能测评装置及方法。该装置和方法不仅可以在三维空间内测量人体重心变化，提高测量结果的准确性；还通过测量双臂和躯干的夹角大小变化，提高了测量装置的灵敏性。而且通过分析与人体重心变化幅度值同时测量得到的人体心率和血压变化幅度值，把心理因素变化作为一项客观评估人体维持稳定性指标，进一步提高平衡功能测量结果的准确性。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种整合生理参数监测的平衡功能测评装置的技术方案。该装置包括摆动幅度测量模块、生理参数测量模块和终端模块，其中摆动幅度测量模块分为两个子单元，分别是：躯干测量单元和手臂测量单元。

平衡功能检测过程中，人体主要是通过前后左右摆动和重心下移(下蹲运动)来维持人体平衡。所以检测装置不仅需要考虑人体重心在二维平面上的晃动，而且需要考虑人体重心在重力方向(Z轴)的运动，即需要考虑三维空间内重心的变化。因为人体在维持平衡时躯干部位左右摆动变化幅度较小，而人体左右摆动时双臂与躯干之间的夹角变化幅度相对较大，所以双臂是需要考虑的重要部位。本发明测量人体左右摆动幅度是通过测量双侧手臂与躯干部位在翻转方向(即Roll，运动方向是围绕X轴旋转)的夹角大小变化得到人体重心在翻转方向的角度大小变化，大大提高了测量装置的灵敏性。

躯干测量单元使用一个由俯仰方向(即Pitch，运动方向是围绕Y轴旋转)的单轴陀螺仪和重力方向(Z轴方向)的单轴加速度计组成的运动传感器组合来测量人体躯干的晃动幅度。其中俯仰方向的单轴陀螺仪用来测量躯干前后摆动的幅度大小，重力方向(Z轴方向)的单轴加速度计用来测量人体重心下移的幅度大小，结合手臂测量单元就可以测量出人体重心在三维空间的变化幅度。躯干测量单元，是由俯仰方向的单轴陀螺仪、重力方向(Z轴方向)的单轴加速度计、微处理器、无线通讯模块(采用无线通信技术，例如Zigbee、Wifi等)和电源模块组成。躯干测量单元的佩戴部位是腰间。

手臂测量单元使用一个翻转方向的单轴陀螺仪来测量人体双臂的晃动幅度，即用单轴陀螺仪作为手臂测量单元的传感器单元。使用翻转方向的单轴陀螺仪测量双臂左右方向摆动幅度的大小，可以得到双侧手臂与躯干部位在翻转方向的夹角大小变化。手臂测量单元，是由翻转方向的单轴陀螺仪、微处理器、无线通讯模块(采用无线通信技术，例如Zigbee、Wifi等)和电源模块组成。手臂测量单元的佩戴部位是双上臂下部。

本发明使用生理参数的监测数据来准确捕捉心理因素的变化，作为一项客观评估人体维持稳定性的指标。本发明检测获得的生理参数数据是与前两类测量单元输出数据在时间上是同步的，其具体内容是心率和血压的变化幅度值。生理参数测量模块采用心率传感器和血压传感器来测量生理参数。心率变化幅度越大则说明心理变化越大，即心理因素对维持平衡能力的影响越大。血压变化幅度也是如此。生理参数测量模块，是由心率传感器、血压传感器、微处理器、无线通讯模块(采用无线通信技术，例如Zigbee、Wifi等)和电源模块组成。生理参数测量模块的佩戴部位是手腕。

终端模块是由数据整合处理单元、终端显示单元和无线通讯模块(采用无线通信技术，例如Zigbee、Wifi等)组成。

数据整合处理单元是将分别佩戴于腰间、双上臂下部、手腕的躯干测量单元、手臂测量单元和生理参数测量模块的输出信号数据进行融合集成，得到最终的整体平衡能力检测结果。其中，由躯干测量单元和手臂测量单元组成的摆动幅度测量模块的数据按照线性权重方法融合，即躯干测量单元和手臂测量单元的数据之和，等于人体重心变化数据；生理参数测量模块的数据融合是利用卡尔曼滤波实现心率信号和血压信号的预处理、特征提取、特征选择分类，将两者的特征进行融合，形成新的特征向量，输入到神经网络模型(例如模糊神经网络模型、反向传播算法神经网络模型等)中，得到该模型的输出结果，即为当前心理状况的评价数据。然后对随时间同步发生变化的重心变化数据与心理状况评价数据进行分析，其结果既可以衡量机体反应能力的变化，也增加了一项客观评估人体维持稳定性指标。该单元用软件实现，由终端处理器来执行，终端不限于计算机，可以是智能手机、平板电脑等等。

终端显示单元是将测量结果用数据和图形的方式显示出来。终端显示单元包括两种显示模式，分别是各个单元测量结果数据显示和整体平衡能力检测结果数据显示。单元测量结果数据显示可以展现单个测量单元的输出数据。例如，可以显示躯干测量单元的输出数据，即单个陀螺仪数据和单个加速度计数据；可以显示双侧手臂测量单元的输出数据，即单轴陀螺仪数据；可以显示生理参数测量模块的输出数据，即心率和血压的数值，以及处理后得到的心率和血压变化幅度值。整体平衡能力检测结果数据显示可以展示出经过数据整合处理单元后的输出数据，即由四个单元数据经过融合集成所得到的最终整体平衡能力检测结果。该单元由软件实现，位于终端设备上，不限于计算机，可以是智能手机、平板电脑等等。

按照本发明，提供了一种整合生理参数监测的平衡功能测评方法，该方法包括：

装置佩戴步骤，即把躯干测量单元佩戴在腰部，把手臂测量单元佩戴在双上臂下部处，把生理参数测量模块佩戴在手腕处。

眼镜佩戴步骤，即把干扰视觉的虚拟现实眼镜佩戴在眼部。

站立步骤，即双脚站立在干扰本体觉的厚体海绵上，双臂自然下垂。

平衡功能测试步骤，即观看虚拟现实眼镜里播放一段长度约为三分钟左右的3D视频，本发明装置通过各个单元的传感器获得人体相应部位的信号数据并进行整理融合。

结果输出步骤，即测试结束后，本装置输出人体平衡能力测试结果。若任意一脚移动，则测试结果为“跌倒，平衡能力分数为零”；若双脚均未移动，则显示测量结果。测量结果显示有两种模式。模式一为各个测量单元结果数据显示，可以显示单个或多个部位的测量单元输出数据；模式二为整体平衡能力检测结果数据显示，可以显示各个测量单元的数据经过数据整合处理单元后得到的最终整体平衡能力检测结果。通过结果不仅可以判断患者前庭受损程度，而且可以通过中枢代偿状态评估，选择和设计适合患者的前庭康复治疗最佳方案。

本发明通过在三维空间内测量人体重心的变化幅度，可以准确得到平衡功能测量结果；通过测量双侧手臂与躯干部位在翻转方向的夹角，得到人体重心在翻转方向的精确变化幅度，提高了测量装置的灵敏性；通过整合与人体重心变化同时获得的人体生理参数即心率和血压的变化幅度值，增加了一项客观评估人体维持稳定性的指标，进一步提高平衡能力测量结果准确性。本装置操作简单，较易掌握使用方法；该装置对检测场所无条件限制(例如磁场、光线等)，扩大了检测地点的使用范围；因采用MEMS传感器，故装置整体体积小、质量轻，便于移动携带，很大程度上提高了装置使用的灵活性；MEMS传感器价格便宜，所以装置成本低，易于在各类规模的医疗机构中推广使用。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，将结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，为本发明采用的姿态角示意图。图1(a)是标准坐标轴方向，x轴代表前后方向，y轴代表左右方向，z轴代表上下方向。图1(b)是坐标轴发生了俯仰方向(即Pitch，运动方向是围绕Y轴旋转)的偏移，即y轴不变，x轴有前后方向变化，导致x轴和z轴组成的平面在前后方向发生偏移，偏移角度为θ1。图1(c)是坐标轴发生了翻转方向(即Roll，运动方向是围绕X轴旋转)的偏移，即x轴不变，y轴有左右方向变化，导致y轴和z轴组成的平面在左右方向发生偏移，偏移角度为θ2。图1(b)和(c)中的坐标轴偏移在本发明中都有涉及，分别对应人体及其部位的前后晃动和左右晃动。

如图2所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中单元节点设备的外部结构示意图，是躯干测量单元100、手臂测量单元200和生理参数测量模块300的外部结构。所有佩戴在人体躯干、双上臂下部和手腕部位的设备都采用此设备盒的外部结构设计。从图2可知，单元节点设备包括单元节点设备盒外壳001、单元节点弹性绑带002、单元节点设备充电接口003、单元节点设备启动/停止按键004、单元节点设备启动LED显示灯005和单元节点设备电源不足LED显示灯006。单元节点设备由可以调节长度的单元节点弹性绑带002固定在身体某部位。当需要使用单元节点设备时，按下单元节点设备启动/停止按键004，同时单元节点设备启动LED显示灯005自动打开；当不需要使用单元节点设备盒时，再次按下单元节点设备启动/停止按键004，同时单元节点设备启动LED显示灯005自动关闭。若单元节点设备盒电源不足，则单元节点设备电源不足LED显示灯006自动打开，这时需要把单元节点设备充电接口003连接到外部电源；若电源充足，则单元节点设备电源不足LED显示灯006自动关闭。

如图3所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中穿戴躯干测量单元100、手臂测量单元200和生理参数测量模块300的测试部位和穿戴方法的简易示意图。通过临床检查发现：躯干和手臂是人体重心改变需要考虑的重要部位。在本发明中，把躯干测量单元100佩戴在人体腰间，把手臂测量单元200佩戴在双上臂下部。通过测量双侧手臂与躯干部位在翻转方向的夹角变化幅度，得到人体重心在翻转方向的变化幅度。人体在维持平衡的过程中不仅需要考虑人体重心幅度变化大小，还需要考虑心理因素对人体平衡能力的影响，本发明根据生理参数的监测数据来反映心理因素对平衡功能的影响。从图3可知，把生理参数测量模块300佩戴在手腕处来测量生理参数即心率和血压。躯干测量单元100、手臂测量单元200和生理参数测量模块300通过可以调节长度的单元节点弹性绑带002分别固定在人体相应部位。

如图4所示，为本发明中实施例的干扰视觉的示意图。因为人体的平衡能力主要与人体的前庭觉、视觉和本体觉有关。要想测量前庭功能是否正常，就需要排除视觉对平衡功能的维持作用。在实施例中，通过佩戴虚拟现实眼镜500来干扰视觉，以排除视觉对维持平衡的影响。

如图5所示，为本发明中实施例的干扰本体觉的示意图。因为人体的平衡能力主要与人体的前庭觉、视觉和本体觉有关。要想测量前庭功能是否正常，不仅需要排除视觉对平衡功能的维持作用，而且需要排除本体觉对平衡功能的维持作用。在实施例中，通过站立在厚体海绵600上来干扰本体觉，以排除本体觉对维持平衡的影响。

如图6所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中躯干测量单元100的结构框图。在平衡能力检测过程中，人体通过躯干的摆动来维持身体平衡，同时通过降低身体重心，即躯干的上下移动，来维持身体平衡。从图6可知，躯干测量单元100包括运动传感器组合110、第一微处理器103、第一无线通信模块104和第一电源模块105，其中运动传感器组合110包括第一单轴陀螺仪101和单轴加速度计102。第一单轴陀螺仪101测量人体躯干前后摆动角加速度大小，即俯仰角加速度大小；单轴加速度计102测量人体躯干上下移动线性加速度大小；第一微处理器103接收来自第一单轴陀螺仪101和单轴加速度计102的数据信息，经过数据处理后，发送到第一无线通信模块104；第一无线通信模块104用于传输第一微处理器103与第四无线通信模块403之间的数据和命令，其具体功能包括：将第一微处理器103输出的传感器数据和问询命令传送给第四无线通信模块403；若第四无线通信模块403发送反馈命令给第一无线通信模块104，则表示第四无线通信模块403继续接受传感器数据；如果经过三次问询，第一无线通信模块104还未收到第四无线通信模块403发送的反馈命令，则躯干测量单元100恢复低功耗待机状态；第一电源模块105为运动传感器组合110、第一微处理器103和第一无线通信模块104提供电源，保证正常工作电压。

如图7所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中手臂测量单元200的结构框图。在平衡能力检测过程中，人体通过双上臂下部的左右摆动来维持水平面的身体平衡。通过测量双侧手臂与躯干部位在翻转方向的夹角，得到人体重心在翻转方向的变化幅度。从图7可知，手臂测量单元200包括第二单轴陀螺仪201、第二微处理器202、第二无线通信模块203和第二电源模块204。第二单轴陀螺仪201测量双上臂下部左右摆动角加速度大小，即翻转角加速度大小；第二微处理器202接收来自单轴陀螺仪201的数据信息，发送到第二无线通信模块203；第二无线通信模块203用于传输第二微处理器202与第四无线通信模块403之间的数据和命令，其具体功能包括：将第二微处理器202输出的传感器数据和问询命令传送给第四无线通信模块403；若第四无线通信模块403发送反馈命令给第二无线通信模块203，则表示第四无线通信模块403继续接受传感器数据；如果经过三次问询，第二无线通信模块203还未收到第四无线通信模块403发送的反馈命令，则手臂测量单元200恢复低功耗待机状态；第二电源模块204为第二单轴陀螺仪201、第二微处理器202和第二无线通信模块203提供电源，保证正常工作电压。

如图8所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中生理参数测量模块300的结构框图。在平衡能力检测过程中，生理参数的监测数据反映了人体的平衡能力。从图8可知，生理参数测量模块300包括生理传感器组合310、第三微处理器303、第三无线通信模块304和第三电源模块305，其中生理传感器组合310包括心率传感器301和血压传感器302。心率传感器301测量心率，血压传感器302测量血压；第三微处理器303接收来自心率传感器301和血压传感器302的数据信息，经过数据处理后，得到心率和血压的变化幅度值，发送到第三无线通信模块304；第三无线通信模块304用于传输第三微处理器303与第四无线通信模块403之间的数据和命令，其具体功能包括：将第三微处理器303输出的传感器数据和问询命令传送给第四无线通信模块403；若第四无线通信模块403发送反馈命令给第三无线通信模块304，则表示第四无线通信模块403继续接受传感器数据；如果经过三次问询，第三无线通信模块304还未收到第四无线通信模块403发送的反馈命令，则生理参数测量模块300恢复低功耗待机状态；第三电源模块305为生理传感器组合310、第三微处理器303和第三无线通信模块304提供电源，保证正常工作电压。

如图9所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中终端模块400的结构框图。终端模块400包括终端显示单元401、数据整合处理单元402和第四无线通信模块403。终端模块400的第四无线通信模块403接收来自第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304发送的数据信息，不仅直接发送给终端显示单元401，同时也发送给数据整合处理单元402，经过数据融合后再发送给终端显示单元401。在数据整合处理单元402进行数据融合的过程中，由躯干测量单元和手臂测量单元组成的摆动幅度测量模块的数据按照线性权重方法融合，即躯干测量单元和手臂测量单元的数据之和，等于人体重心变化数据；生理参数测量模块的数据融合是利用卡尔曼滤波实现心率信号和血压信号的预处理、特征提取、特征选择分类，将两者的特征进行融合，形成新的特征向量，输入到神经网络模型(例如模糊神经网络模型、反向传播算法神经网络模型等)中，得到该模型的输出结果，即为当前心理状况的评价数据。然后对随时间同步发生变化的重心变化数据与心理状况评价数据进行分析，其结果既可以衡量机体反应能力的变化，也增加了一项客观评估人体维持稳定性指标。终端显示单元401和数据整合处理单元402用软件实现，由终端处理器来执行，终端不限于计算机，可以是智能手机、平板电脑等等。

如图10所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中躯干测量单元100的数据采集过程的实现流程图。具体步骤为：躯干测量单元100低功耗待机；接收到终端模块400发来的信号；躯干测量单元100开机；躯干测量单元100初始化；更新第一单轴陀螺仪101和单轴加速度计102数据；第一微处理器103接收数据后处理获得姿态角加速度和线性加速度数据；经过第一无线通信模块104把数据发送给终端模块400。如果第一无线通信模块104收到终端模块400的回应信号，则再次更新第一单轴陀螺仪101和单轴加速度计102数据，获得下一时间点的姿态角加速度和线性加速度数据；躯干测量单元100询问终端模块400有无回应信号，如果问询次数在三次以内，收到终端模块400的回应信号，则初始化躯干测量单元100，准备继续接受来自传感器的数据；如果连续三次未收到终端模块400的回应信号，则躯干测量单元100恢复低功耗待机状态。

如图11所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中手臂测量单元200的数据采集过程的实现流程图。具体步骤为：手臂测量单元200低功耗待机；接收到终端模块400发来的信号；手臂测量单元200开机；手臂测量单元200初始化；更新第二单轴陀螺仪201数据；第二微处理器202接收数据后获得姿态角加速度数据；经过第二无线通信模块203把数据发送给终端模块400。如果第二无线通信模块203收到终端模块400的回应信号，则再次更新第二单轴陀螺仪201数据，获得下一时间点的姿态角加速度；手臂测量单元200询问终端模块400有无回应信号，如果问询次数在三次以内，收到终端模块400的回应信号，则初始化手臂测量单元200；如果连续三次未收到终端模块400的回应信号，则手臂测量单元200恢复低功耗待机状态。

如图12所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中生理参数测量模块300的数据采集过程的实现流程图。具体步骤为：生理参数测量模块300低功耗待机；接收到终端模块400发来的信号；生理参数测量模块300开机；生理参数测量模块300初始化；更新心率传感器301数据和血压传感器302数据；微处理器303接收数据后处理获得心率和血压的变化幅度数据；经过第三无线通信模块304把数据发送给终端模块400。如果第三无线通信模块304收到终端模块400的回应信号，则再次更新心率传感器301数据和血压传感器302数据，获得下一时间点的心率和血压的变化幅度数据；生理参数测量模块300询问终端模块400有无回应信号，如果问询次数在三次以内，收到终端模块400的回应信号，则初始化生理参数测量模块300；如果连续三次未收到终端模块400的回应信号，则生理参数测量模块300恢复低功耗待机状态。

如图13所示，为本发明提供的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置中终端模块400的数据采集过程的实现流程图。具体步骤为：终端模块400初始化；把USB接口的第四无线通信模块403连接到终端***，终端不限于计算机，可以是智能手机、平板电脑等等；如果第四无线通信模块403接收到第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304发来的数据，则处理数据，如果未接收到数据，则第四无线通信模块403恢复到连接状态；处理完数据后，如果接收到终端(不限于计算机，可以是智能手机、平板电脑等等)命令，则处理命令，如果没有接收到命令，则继续接收第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304发来的数据。

如图14所示，为本发明提供的整合生理参数监测的平衡功能测评方法的具体实现步骤：

步骤一：开始，装置启动，装置初始化。

打开躯干测量单元100、手臂测量单元200、生理参数测量模块300和终端模块400的电源，检查所有数据是否初始化。检查第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304是否与第四无线通信模块403正常连接通信。

步骤二：判断测试者是否是第一次进行测试

如果是第一次，则添加输入测试者基本资料，例如：姓名、年龄、性别、身高、体重等信息；如果不是第一次，则在已有的人员记录中查询对应的测试者信息。

步骤三：指导测试者按照指定动作进行测试。

把躯干测量单元100佩戴在腰间；把手臂测量单元200分别佩戴在双上臂下部；把生理参数测量模块300佩戴在手腕处；佩戴干扰视觉的虚拟现实眼镜500；双脚自然站立在干扰本体觉的厚海绵600上，双臂自然下垂。

步骤四：人体各部位的测量单元同步采集。

分别位于人体四个部位的躯干测量单元100、手臂测量单元200和生理参数测量模块300同步采集数据，同步发送给第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304。

步骤五：实时采集、融合、存储和显示测试过程中的数据。

终端模块400的第四无线通信模块403实时采集、接收来自第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304发来的数据。终端显示单元401不仅可以把各个测量单元数据结果分别用数字和图形等方式显示出来，而且可以通过数据整合处理单元402，对各个测量单元数据进行整合与处理，得到整体测量结果数据，然后用数字和图形等方式显示出来。各个测量单元数据结果和整体数据结果都存储在终端数据库内。

步骤六：分析数据得到评估结果。

指定动作测试结束后，可以根据已建立的正常人群平衡能力评估模型，把最终整体平衡能力测量结果与正常人群进行对比性分析，对平衡功能障碍症状进行量化评估。并将评估结果存储在数据库中。

步骤七：判别该次数据采集是否结束？

如果发现测试者并未按照指定动作要求完成测试，则数据采集未结束，需要再次回到步骤三，重新调整测试者的指定动作后采集数据；数据采集结束，生成报表并打印，测试结束。

实施例

打开躯干测量单元100、手臂测量单元200、生理参数测量模块300和终端模块400的电源，检查所有数据是否初始化，检查第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304是否与第四无线通信模块403正常连接通信。如果测试者第一次进行测试，添加输入测试者基本资料，例如：姓名、年龄、性别、身高、体重等信息，将其存入终端模块400的数据库中。然后将躯干测量单元100固定在腰间；把手臂测量单元200分别固定在双上臂下部；把生理参数测量模块300固定在手腕处；佩戴干扰视觉的虚拟现实眼镜500；双脚自然站立在干扰本体觉的厚海绵600上，双臂自然下垂。测试者准备动作完成后，虚拟现实眼镜500内开始播放一段长达三分钟的3D视频。当视频开始播放时，位于人体四个部位的躯干测量单元100、手臂测量单元200和生理参数测量模块300同步采集数据，并且同步发送数据给第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304。终端模块400的第四无线通信模块403实时接收来自第一无线通信模块104、第二无线通信模块203和第三无线通信模块304发来的数据。终端显示单元401不仅可以把各个测量单元数据结果分别显示出来；而且可以通过数据整合处理单元402，对各个测量单元数据进行融合和处理，得到整体数据结果，然后显示出来。各个测量单元数据结果和整体数据结果都存储在终端数据库内。输出结果显示有两种模式：模式一为各个单元测量结果，以数据和图形等方式显示单个或多个部位的测试单元输出数据；模式二为整体平衡能力测量结果，以数据和图形等方式显示经过数据整合处理单元402得到的最终整体平衡能力测量结果数据。指定动作测试结束后，将最终整体平衡能力测量结果数据与已建立的正常人群平衡能力评估模型，进行对比性分析，对平衡障碍症状进行量化评估，并将评估结果存储在数据库中。若测试者任意一脚移动，则测试结果为“跌倒，平衡能力分数为零”，可以选择再次按照指定动作进行测试，也可以结束测试；若双脚均未移动，则数据采集结束，最后生成报表并打印，测试结束。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均应视为本发明的保护范围；不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换，也应涵盖在本发明的范围之内。本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置，其特征在于，包括摆动幅度测量模块、生理参数测量模块和终端模块；

所述摆动幅度测量模块包括用于测量人体躯干前后摆动角加速度和人体躯干上下移动线性加速度的躯干测量单元(100)，以及用于测量双侧手臂左右摆动角加速度的手臂测量单元(200)；

所述生理参数测量模块(300)用于测量人体的生理参数；

所述终端模块(400)用于根据所述摆动幅度测量模块测量的数据以及所述生理参数测量模块测量的数据综合评判人体平衡功能。

2.如权利要求1所述的人体平衡功能测评装置，其特征在于，所述躯干测量单元(100)包括依次连接的运动传感器组合(110)、第一微处理器(103)和第一无线通信模块(104)，以及用于给所述运动传感器组合(110)、第一微处理器(103)和第一无线通信模块(104)提供工作电源的第一电源模块(105)；

所述运动传感器组合(110)用于测量人体躯干前后摆动角加速度大小和人体躯干上下移动线性加速度大小；

所述第一微处理器(103)用于对所述运动传感器组合测量的数据进行处理；

所述第一无线通信模块(104)用于将处理后的数据传输给所述终端模块，同时将所述终端模块的控制指令传输给所述第一微处理器(103)。

3.如权利要求2所述的人体平衡功能测评装置，其特征在于，所述运动传感器组合(110)包括用于测量人体躯干前后摆动角加速度大小的第一单轴陀螺仪(101)和用于测量人体躯干上下移动线性加速度大小的单轴加速度计(102)。

4.如权利要求1-3任一项所述的人体平衡功能测评装置，其特征在于，所述手臂测量单元(200)包括依次连接的第二单轴陀螺仪(201)、第二微处理器(202)和第二无线通信模块(203)，以及用于给所述第二单轴陀螺仪(201)、第二微处理器(202)和第二无线通信模块(203)提供工作电源的第二电源模块(204)；

所述第二单轴陀螺仪(201)用于测量双侧手臂左右摆动角加速度大小；

所述第二微处理器(202)用于对所述第二单轴陀螺仪测量的数据进行处理；

所述第二无线通信模块(203)用于将处理后的数据传输给所述终端模块，同时将所述终端模块的控制指令传输给所述第二微处理器(202)。

5.如权利要求1-4任一项所述的人体平衡功能测评装置，其特征在于，所述生理参数测量模块(300)包括依次连接的生理传感器组合(310)、第三微处理器(303)和第三无线通信模块(304)，以及用于给所述生理传感器组合(310)、第三微处理器(303)和第三无线通信模块(304)提供工作电源的第三电源模块(305)；

所述生理传感器组合(310)用于测量人体的生理参数；

所述第三微处理器(303)用于对所述生理传感器组合(310)测量的数据进行处理；

所述第三无线通信模块(304)用于将处理后的数据传输给所述终端模块，同时将所述终端模块的控制指令传输给所述第三微处理器(303)。

6.如权利要求5所述的人体平衡功能测评装置，其特征在于，所述生理传感器组合(310)包括用于测量心率的心率传感器(301)和用于测量血压的血压传感器(302)。

7.如权利要求1-6任一项所述的人体平衡功能测评装置，其特征在于，所述终端模块(400)包括终端显示单元(401)、数据整合处理单元(402)和第四无线通信模块(403)；

所述第四无线通信模块(403)的输入端用于接收所述摆动幅度测量模块和所述生理参数测量模块测量的数据，所述数据整合处理单元的输入端连接至所述第四无线通信模块(403)的第一输出端，所述终端显示单元(401)的第一输入端连接至所述第四无线通信模块(403)的第二输出端，所述终端显示单元(401)的第二输入端连接至所述数据整合处理单元(402)的输出端。

8.如权利要求1-6任一项所述的人体平衡功能测评装置，其特征在于，使用时，所述躯干测量单元(100)的佩戴部位是腰间，所述手臂测量单元(200)的佩戴部位是双上臂下部，所述生理参数测量模块(300)的佩戴部位是手腕。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的整合生理参数监测的人体平衡功能测评装置的人体平衡功能测评方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)获得人体躯干前后摆动角加速度，人体躯干上下移动线性加速度，双侧手臂左右摆动角加速度以及人体的生理参数；

(2)将步骤(1)的数据进行融合处理，并根据处理后的结果综合评判人体平衡功能。

10.如权利要求9所述的人体平衡功能测评方法，其特征在于，若任意一脚移动，则测试结果为“跌倒，平衡能力分数为零”；若双脚均未移动，则生成测试结果报表并打印，测试结束。