CN107997766A

CN107997766A - 步态测试仪

Info

Publication number: CN107997766A
Application number: CN201610929203.8A
Authority: CN
Inventors: 钱景鸿
Original assignee: Shanghai Sesame Blossom Medical Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Sesame bloom medical devices (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-05-08

Abstract

本发明公开了一种步态测试仪，包含有一护具，该护具是供使用者穿戴于膝关节处，将膝关节包裹，所述护具上固定有四个步态数据传感器，其中第一及第二步态数据传感器分别位于膝盖上方左右两侧，第三及第四步态数据传感器分别膝盖下方左右两侧，且四个步态数据传感器均位于腿的外侧面；四个步态数据传感器之间的距离是相对固定的。所述的四个步态数据传感器，每个均包含有一个MCU、六轴陀螺仪、位置传感器、重力加速度器以及蓝牙通讯装置，并通过纽扣电池供电。本发明通过穿戴于使用者身上的测试仪能在真实生活中采集测试使用者行走时膝关节的相关数据，通过对这些数据进行分析可以帮助分析使用者行走的步态是否科学，对膝关节可能造成的长远影响。

Description

步态测试仪

技术领域

本发明涉及运动医学分析，特别是涉及一种步态测试仪，对使用者行走或跑步过程中膝关节运动的数据进行采集分析确定膝关节受到的压力，分析使用者行走方式对膝关节可能产生的长远影响。

背景技术

步行(或跑步)是最常见的运动方式，步态分析(gait measurement)被用于对个体走路能力的评估、计划、治疗。尤其是步态分析是治疗的基础，对腿部受伤或者疾病的患者的行走姿态收集及运动学、生物学、神经重建重塑等结合，以利于给出合理的治疗方案和对应的治疗设备使用。步态分析的主要手段是运用人体带上带有颜色标点的护具如护膝、在跑步机上匀速走动或者跑动，在侧方用摄像机拍摄整个过程，记录带有颜色标点的运动轨迹从而计算并判断测试者关节可能存在的隐患。目前现有测量分析步态的方法有以下几种：

1.足迹法：是使用肉眼观察，做一些简单的时间空间记录。在地上撒上石灰粉，让待测者在撒有石灰粉的地面上行走同时记录待测者行走的距离和时间。行走完成后观察和测量撒有石灰粉地面上的脚印，从而得出步态分析的结果。这种方法存在很多明显的缺陷，比如：准备时间长；需要耗费大量人力；分析以主观为主，准确度较低；得到的数据较少；临床报告手工填写，费时费力且容易出错。

2.视频法：通过视频设备(CCD摄像头)将人体行走过程摄取下来，然后逐帧逐点的进行点阵分析，其优点是设备简单，受试者步态比较自然，但由于其分析定位主要依靠人工，对操作要求比较高，误差比较大，而且只能进行二维平面分析，三维空间分析的精确度得不到保证。

3.红外光型：通过红外摄像头接受体表标记点发射或者反射的红外光线，并根据相应的模型分析发，进行三维重建，从而得出人体各部分的三维运动轨迹。其优点是技术成熟，数据结果精确，操作简单快捷；缺点是对贴反光点的位置有要求，贴得不准会直接影响测量结果；在测量过程中不能有异物挡在反光点和摄像头之间，包括被测人员自身，所以被测人员旁边不能有陪同或者搀扶人员。否则影响数据采集；对环境要求比较高，需要配备好一个面积较大的房间，摄像头安装好角度后，不能随意变动；价格昂贵，操作流程负责，多数在实验室使用，很少看见在临床使用，在一定程度上限制了期推广。

4.超声波型：超声波型的原理与红外光型相似，由人体体表携带的超声波发射探头发出超声波，经周围的超声波接收探头接受，根据一定的模型设置，进行三维重建，得出人体的三维运动轨迹。其优点是设备价格相对低廉，操作也相对简单，数据也比较精确；但是超声波容易反射，必须消除周围物体的干扰，对周围环境要求较高，同时由于标记点体积较大，人体一次携带的标记点数量有一定的限制，仅适宜进行人体节段性分析。

步态测量是运动医学中重要的手段，但是介于目前的手段，数据很难在真实的行走环境中进行准确有效的采集。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种步态测试仪，对使用者的行走数据进行测试分析。

为解决上述问题，本发明所述的步态测试仪，包含有一护具，该护具是穿置于膝盖处，将膝盖包裹，所述护具上固定有四个步态数据传感器，其中第一及第二步态数据传感器分别位于膝盖上方左右两侧，第三及第四步态数据传感器分别膝盖下方左右两侧，且四个步态数据传感器均位于腿的外侧面；四个步态数据传感器之间的距离是相对固定的。

进一步地，所述的四个步态数据传感器，每个均包含有一个MCU、六轴陀螺仪、位置传感器、重力加速度器以及蓝牙通讯装置，并通过薄膜型或纽扣电池供电。

进一步地，所述的六轴陀螺仪和重力加速度器监测采集到使用者的行走运动数据，将数据传给MCU，MCU将数据处理之后提供给蓝牙通讯装置，以与外部进行数据通讯。

进一步地，所述的四个步态数据传感器，其中，位于膝盖上方的第一及第二传感器之间的距离为4±0.5厘米，位于膝盖下方的第三及第四步态数据传感器之间的距离也为4±0.5厘米；第一及第三步态数据传感器之间的距离，以及第二与第四步态数据传感器之间的距离均为12±1厘米。

进一步地，所述四个步态数据传感器通过外部装置采用蓝牙远程启动，启动后四个传感器的MCU时钟将被统一。

进一步地，步态测试仪启动后，在使用者行走或跑步时，带动传感器运动，通过陀螺仪和重力加速度器的数据来进行计算四个步态数据传感器的运动数据并进行记录，

MCU的采样频率为5～20Hz。

进一步地，所述的位置传感器，以监测四个步态数据传感器彼此之间由于不断摆动而产生的间距变化，并通过MCU对间距的变化对测试结果的影响进行补偿，以消除***误差。

进一步地，所述的四个步态数据传感器采集的数据通过蓝牙传输给计算机***，将采样时间同步后计算步态数据传感器的位移数据从而确定膝关节受到的压力变化曲线；数据传输是在运动结束后将存储在步态数据传感器中的数据读出，或者通过外部的接收装置，在运动过程中实时地进行传输。

进一步地，所述的位置传感器，是感应并记录四个步态数据传感器在使用者运动过程中的甩动导致四个步态数据传感器的初始相对位置发生变化，并将该相对位置变化的数据发送到MCU，由MCU内置的纠错算法来减小或消除相对位置的变化导致的***误差，提高精确度。

进一步地，所述的外部装置为智能手机、智能手表或智能腕带，通过应用程序控制，与传感器采用蓝牙连接进行数据或指令的通信。

本发明所述的步态测试仪，可以很方便地穿戴于使用者身上，广泛地运用在真实生活环境中，不干扰使用者本身的生活或工作，时刻记录使用者的行走数据，能更准确地为使用者判断膝关节的受力情况，可以大大提高膝关节预防医学的分析质量。

附图说明

图1是本发明步态测试仪的工作状态示意图。

图2是本发明步态测试仪的单个传感器的结构原理框图。

具体实施方式

本发明所述的步态测试仪，如图1所示，包含有一护具，该护具类似于护膝，是供使用者穿戴于膝关节处，将膝关节包裹，所述护具上固定有第一至第四共四个步态数据传感器，其中第一及第二步态数据传感器分别位于膝关节上方左右两侧(分别对应于图中的A、B步态数据传感器)，第三及第四步态数据传感器分别膝关节下方左右两侧(分别对应于图中的C、D步态数据传感器)，且4个传感器均位于腿的外侧面；四个步态数据传感器之间的距离是相对固定的。其中，位于膝盖上方的第一及第二步态数据传感器之间的距离为4厘米(即A、B之间的距离)，位于膝盖下方的第三及第四步态数据传感器之间的距离也为4厘米(即C、D之间的距离)，允许有±0.5厘米的误差。第一及第三步态数据传感器之间的距离(即A、C之间的距离)，以及第二与第四传感器之间的垂直距离(即B、D之间的距离)均设定为12厘米，允许有±1厘米的误差。

所述的四个步态数据传感器，如图2所示，每个步态数据传感器均包含有一个MCU、六轴陀螺仪、重力加速度器、位置传感器以及蓝牙通讯装置，并通过纽扣电池或者薄膜型电池供电。重力感应器，感应的是加速度数据，是受力的方向和大小。六轴陀螺仪，感应的是方向数据，测量相对角度。

所述四个步态数据传感器通过外部装置采用蓝牙远程启动，启动后四个步态数据传感器的MCU时钟将与外部装置进行统一。外部装置可以为智能手机、智能手表或智能腕带等一类的手持或可穿戴设备，通过应用程序控制，与传感器采用蓝牙连接进行数据或指令的通信。

步态测试仪启动后，在使用者行走或跑步时，带动步态数据传感器运动，通过六轴陀螺仪和重力加速度器的数据来进行感应四个步态数据传感器的运动数据并进行记录，MCU的采样频率为5～20Hz。六轴陀螺仪和重力加速度器监测采集到使用者的行走运动数据，将数据传给MCU，MCU将数据处理之后提供给蓝牙通讯装置，以与外部设备进行数据通讯。采样数据的传输是在运动结束后将存储在传感器中的数据读出，或者通过外部的接收装置，在运动过程中实时地进行传输。

所述的四个步态数据传感器采集的数据通过蓝牙传输给外部装置，或者计算机***，***将采样数据的采样时间同步后计算传感器的位移数据从而确定膝关节受到的压力变化曲线。这些数据将提供给运动医学的专用算法***来分析使用者的行走姿态是否科学，对膝关节可能造成的长远影响。

另外，由于运动中不停的摆动，原先固定位置的四个传感器的相对位置不可避免地会发生位移，使得原先设定好的传感器之间的间距发生变化，而这会导致采样数据在后期***进行数据分析处理时产生***误差，即测得的数据不准确，因此，为消除或减小误差，所述的四个步态数据传感器，每一个还均包含有位置传感器，用于测量各采集点的相对位置距离，即感应四个传感器之间的相对位置。位置传感器记录并发送给MCU四个步态数据传感器相对距离的变化。MCU在处理相对距离变化大的异常时，MCU内置纠正算法对间距的变化对测试结果的影响进行补偿，以消除***误差。缺省算法是丢弃异常单点数据，计算多次步态有效测量结果做平滑值，与实时测量有效值同时在智能终端上呈现，便于专业人员分析。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种步态测试仪，其特征在于：包含有一护具，该护具是供使用者穿戴于膝关节处，将膝关节包裹，所述护具上固定有四个步态数据传感器，其中第一及第二步态数据传感器分别位于膝盖上方左右两侧，第三及第四步态传感器分别膝盖下方左右两侧，且四个步态数据传感器均位于腿的外侧面；四个步态数据传感器之间的距离是相对固定的；所述的四个步态数据传感器，每个均包含有一个MCU、陀螺仪、位置传感器、重力加速度器以及蓝牙通讯装置，并通过电池供电。

2.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：所述的六轴陀螺仪和重力加速度器监测采集到使用者的行走运动数据，将数据传给MCU，MCU将数据处理之后提供给蓝牙通讯装置，以与外部进行数据通讯。

3.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：所述的四个传感器，其中，位于膝盖上方的第一及第二传感器之间的距离为4±0.5厘米，位于膝盖下方的第三及第四传感器之间的距离也为4±0.5厘米；第一及第三传感器之间的距离，以及第二与第四传感器之间的垂直距离均为12±1厘米。

4.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：所述的电池为薄膜型电池或纽扣电池。

5.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：所述四个步态数据传感器通过外部装置采用蓝牙远程启动，启动后四个步态数据传感器的MCU时钟将被统一。

6.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：步态测试仪启动后，在使用者行走或跑步时，带动步态数据传感器运动，通过陀螺仪和重力加速度器的数据来进行计算四个步态数据传感器的运动数据并进行记录，MCU的采样频率为5～20Hz。

7.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：所述的位置传感器，是感应并记录四个步态数据传感器在使用者运动过程中的甩动导致四个步态数据传感器的初始相对位置发生变化，并将该相对位置变化的数据发送到MCU，由MCU内置的纠错算法来减小或消除相对位置的变化导致的***误差，提高精确度。

8.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：所述的四个步态数据传感器采集的数据通过蓝牙传输给计算机***，将采样时间同步后计算传感器的位移数据从而确定膝关节受到的压力变化曲线；数据传输是在运动结束后将存储在传感器中的数据读出，或者通过外部的接收装置，在运动过程中实时地进行传输。

9.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：所述的陀螺仪为六轴陀螺仪。

10.如权利要求1所述的步态测试仪，其特征在于：所述的外部装置为智能手机、智能手表或智能腕带，通过应用程序控制，与传感器采用蓝牙连接进行数据或指令的通信。