本發(fā)明涉及一種人體平衡指標智能檢測裝置，具體地說是涉及一種基于體感傳感器和足底壓力的人體平衡性評估系統(tǒng)及評估方法。

背景技術(shù)：

人體平衡能力是指人體維持自身穩(wěn)定性的能力，包括維持某種姿勢的能力，或者受到外力作用時，調(diào)控機體保持平衡的能力。平衡能力是人體重要的生理機能之一，也是人體運動機能的重要指標。平衡能力障礙主要表現(xiàn)為站立或行走不穩(wěn)，容易摔倒。對于老年人和下肢功能受損人群而言，其摔倒會對家庭及社會造成很大負擔。因此，監(jiān)測和評估人體的平衡能力對于預防意外摔倒、下肢疾病的診斷及康復訓練效果的評估具有重要作用。

目前，臨床上普遍采用的人體平衡測量方法主要包括觀察法和量表法等。觀察法是根據(jù)測試者保持某種姿勢的時間長短，由醫(yī)生根據(jù)測試情況和經(jīng)驗給出平衡測試結(jié)論。量表法則是由測試者按照要求做一系列動作和姿勢，醫(yī)生根據(jù)動作完成情況及標準，通過查表給出相應(yīng)等級或分數(shù)，最后根據(jù)得分情況給出測試結(jié)論。這兩種方法為臨床平衡性的檢查和治療提供了一定依據(jù)，但上述方法得出的結(jié)論多依賴于測試者和醫(yī)生，相對于機器測量評估而言，主觀性較強，不同人的測量結(jié)果和感受具有較大差異，限制了平衡能力的客觀量化評價。

Kinect可實現(xiàn)人體關(guān)節(jié)活動地跟蹤與上肢的康復訓練(CN 102824176 B)，但其無法檢測人體的細微擺動，對于下肢機能障礙人群的檢測靈敏度不足。傳統(tǒng)的基于Kinect的人體跌倒檢測(CN 105719429 A)通過肢體節(jié)點的圖像變化從而實現(xiàn)人體質(zhì)心的檢測，但是其只適用于人體跌倒過程檢測及提醒，無法提供跌倒前的預警及跌倒風險評估。

而基于加速度傳感器及足底壓力檢測的平衡檢測系統(tǒng)(CN 105534500 A)缺乏對受試者運動姿態(tài)及幅度的主動控制，不能區(qū)分是由軀干還是下肢問題導致的平衡失調(diào)，也不能對人體平衡機能提供量化等級的評估。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一是提供一種人體平衡性評估系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有平衡性評估系統(tǒng)監(jiān)測靈敏度不足，量化評估主觀性強等問題。

本發(fā)明的目的之二是提供一種人體平衡性評估方法，以解決現(xiàn)有評估方法客觀性差、不能提供量化等級評估等問題。

本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的：

一種人體平衡性評估系統(tǒng)，包括：

人機交互模塊，包括體感傳感器和人機交互終端；所述人機交互終端設(shè)置有虛擬應(yīng)用場景，用于實現(xiàn)人體與應(yīng)用場景的體感交互，所述體感傳感器用于實時獲取所述人體的骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標；

動作對比模塊，獲取所述人機交互模塊的人體骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標信息，計算出人體關(guān)節(jié)張開角度；

足底壓力檢測模塊，包括足底壓力傳感器、信號采集傳輸電路及分析電路；用以獲取足底壓力分布數(shù)據(jù)，實時計算人體足底的壓力中心；以及

平衡指標量化模塊，利用所述動作對比模塊所獲得的人體關(guān)節(jié)張開角度和所述足底壓力檢測模塊所獲得的足底壓力中心量化評估人體的平衡能力。

所述平衡指標量化模塊自所述動作對比模塊獲取關(guān)節(jié)張開角度，判斷人體的動作與預設(shè)場景標準動作匹配程度，自所述足底壓力檢測模塊獲取足底壓力中心，計算足底壓力中心的偏移程度，并根據(jù)足底壓力中心的偏移程度量化評估人體的平衡能力。

本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的：

一種人體平衡性評估方法，包括下述步驟：

(1)在人機交互終端設(shè)置應(yīng)用場景，被測試人體與應(yīng)用場景交互動作，由體感傳感器實時記錄人體在交互動作過程中的人體骨架模型相應(yīng)關(guān)節(jié)節(jié)點的三維坐標，由置于足底的壓力傳感器實時測量記錄足底壓力；

(2)根據(jù)人體骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標計算出人體的關(guān)節(jié)張開角度，并以此判斷人體的動作與預設(shè)場景的匹配程度；

(3)如果人體動作不符合標準，再次進行步驟(1)和(2)，直至動作符合標準；如果始終不能達到標準動作的要求，則另選難度系數(shù)低的標準動作，重復步驟(1)和(2)，直至動作符合標準；待人體動作符合標準后，對足底壓力數(shù)值進行野值剔除和二階差分濾波處理，然后計算足底壓力中心；

(4)根據(jù)足底壓力中心偏移的程度評估人體的平衡能力。

所述步驟(1)中，被測試人體與應(yīng)用場景的交互動作為：被測試人體雙腳不能移動，以軀干及上肢的移動來摘取虛擬應(yīng)用場景中前方高處的水果。

所述步驟(1)中，根據(jù)被測試人體的肢體機能障礙程度選擇不同的應(yīng)用場景，從而使交互動作難度不同。

所述步驟(2)中，根據(jù)人體骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標計算出人體關(guān)節(jié)張開角度的方法為：

以測試者兩腳間距離的中點為原點，人體前方為X軸，左側(cè)為Y軸，垂直向上為Z軸建立直角坐標系，從體感傳感器獲取左手腕、右手腕、左手肘、右手肘、左肩、右肩、左膝、右膝、左踝、右踝的三維空間坐標，分別設(shè)為L、M、N、O、P、Q、R、S、T、U，左手肘關(guān)節(jié)張開的角度計算公式如下：

∠LNP＝arccos(cosθ)×180/π

其中，表示將兩個向量進行點乘運算。

所述步驟(3)中，對足底壓力數(shù)值進行野值剔除和二階差分濾波處理，其中所述二階差分濾波處理為：

r_t＝X_t+2-X_t+1-X_t+X_t-1

其中，x_t是原始信號，濾r_t處理后信號，下標t為采樣時間。

所述步驟(3)中，足底壓力中心計算方法為：

其中，(Xp,Yp)為壓力中心，F(xiàn)_i為足底(x_i,y_i)處測得的壓力。

預設(shè)多個不同的場景進行測試，得到適合不同人群的不同難度系數(shù)動作，從而得到量化平衡指標。

兩足是整個人體最重要的支撐，肢體的任何細微變動均會產(chǎn)生足底壓力分布的明顯變化。通過控制人體肢體的姿態(tài)及幅度，在足底均可產(chǎn)生重心的偏移運動。只有平衡機能完好的人群，足底重心的自我調(diào)整才會比較迅速合理。平衡機能障礙的人群，在肢體動作誘導非平衡狀態(tài)的情形下，足底重心會存在明顯偏移并且不能保持穩(wěn)定。在不同幅度肢體動作姿態(tài)下監(jiān)測足底壓力分布狀態(tài)，對于量化評估人體平衡能力具有重要的意義。

本發(fā)明將體感傳感器與足底壓力傳感器相結(jié)合，針對不同平衡障礙人群通過設(shè)計不同難度的標準動作，并同時測量足底壓力分布變化，利用信息融合的方法提高了系統(tǒng)的平衡能力評估的可靠性，具有廣泛的應(yīng)用價值。

本發(fā)明創(chuàng)造性地將體感傳感器引入人體動平衡評估中，利用體感傳感器記錄的人體骨架模型的坐標運動狀態(tài)，結(jié)合游戲場景設(shè)置，增加了上肢動作的人機互動性和人的主觀能動性。與傳統(tǒng)的基于步態(tài)及姿態(tài)的人體平衡機能評估相比較，該方法利用預設(shè)的不同難度動作評估人體平衡控制能力，能夠提供精細的人體平衡功能量化評級。

附圖說明

圖1為人體平衡性評估系統(tǒng)的構(gòu)成圖。

圖2為本發(fā)明的人體平衡性評估方法的流程圖。

圖3為本發(fā)明的人體平衡性評估系統(tǒng)及人體平衡性評估方法中，人體的關(guān)節(jié)及足底壓力探測位置示意圖。

圖4為關(guān)節(jié)張開角度計算的流程圖。

圖5為平衡指標量化流程圖。

圖6為志愿者1兩足站立時的平衡機能測試數(shù)據(jù)圖。

圖7為志愿者1做圖5預設(shè)的場景動作時，所得到的平衡機能測試數(shù)據(jù)圖。

圖8為志愿者2做圖5預設(shè)的場景動作時，所得到的平衡機能測試數(shù)據(jù)圖。

圖中，1為左手腕關(guān)節(jié)，2為左手肘關(guān)節(jié)，3為左肩關(guān)節(jié)，4為關(guān)節(jié)脊柱，5為右手腕關(guān)節(jié)，6為右手肘關(guān)節(jié)，7為右肩關(guān)節(jié)，8為左節(jié)左膝，9為右關(guān)節(jié)膝，10為右腳踝關(guān)節(jié)，11為左腳踝關(guān)節(jié)，12為左足底壓力傳感器，13為右足底壓力傳感器；91為人機交互模塊，911為人機交互終端，912為體感傳感器，92為足底壓力檢測模塊，921為足底壓力傳感器，922為信號采集傳輸電路，923為分析電路，93為動作對比模塊，94為平衡指標量化模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1所示，人體平衡性評估系統(tǒng)包括人機交互模塊91、動作對比模塊93、足底壓力檢測模塊92和平衡指標量化模塊94。

人機交互模塊91包括體感傳感器912(Kinect傳感器)和人機交互終端911；人機交互終端911為設(shè)有人機交互界面的計算機并且安裝有采用C#編程語言開發(fā)的趣味性摘水果應(yīng)用程序場景。該程序可以在人機交互界面形成趣味性摘水果的虛擬應(yīng)用場景，用于實現(xiàn)人體與應(yīng)用場景的動作交互。在動作交互過程中，人體骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標被體感傳感器912獲取。

足底壓力檢測模塊92包括足底壓力傳感器921、信號采集傳輸電路922及分析電路923。足底壓力傳感器921包括穿戴式柔性壓力傳感器，受試者將該穿戴式柔性壓力傳感器置于鞋內(nèi)足底，信號采集傳輸電路922將來自壓力傳感器的實時的足底壓力分布數(shù)據(jù)采集傳輸至分析電路923，分析電路923實時計算足底壓力中心。

動作對比模塊93自人機交互模塊獲取人體骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標信息，計算出人體各活動關(guān)節(jié)張開角度。

平衡指標量化模塊94，利用動作對比模塊所獲得的關(guān)節(jié)張開角度和足底壓力檢測模塊所獲得的足底壓力中心量化評估人體的平衡能力。

如圖2所示，人體平衡性評估方法包括下述步驟：

(1)按照圖3所示人體關(guān)節(jié)及足底設(shè)置探測位置，在人機交互終端設(shè)置應(yīng)用場景，測試開始時，測試者保持站立姿勢不動，測試過程中，測試者雙腳不能移動，利用身體上肢的移動來摘取虛擬應(yīng)用程序場景中的前方高處的水果，測試者人體與應(yīng)用場景交互動作，由體感傳感器實時記錄人體在交互動作過程中的人體骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標，由置于足底的壓力傳感器實時測量記錄足底壓力。

根據(jù)被測試者人體的肢體機能障礙程度選擇不同的應(yīng)用場景，從而使交互動作難度不同。

(2)根據(jù)人體骨架模型人體骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標計算出人體的關(guān)節(jié)張開/彎曲角度，并以此判斷人體的動作是否標準。

(2a)根據(jù)人體骨架模型相應(yīng)節(jié)點的三維坐標計算出人體關(guān)節(jié)張開角度：

以測試者兩腳間距離的中點為原點，人體前方為X軸，左側(cè)為Y軸，垂直向上為Z軸建立直角坐標系，從體感傳感器獲取左手腕、右手腕、左手肘、右手肘、左肩、右肩、左膝、右膝、左踝、右踝的三維空間坐標，分別設(shè)為L、M、N、O、P、Q、R、S、T、U，如左手肘關(guān)節(jié)張開的角度計算公式如下：

∠LNP＝arccos(cosθ)×180/π

其中，表示將兩個向量進行點乘運算。

再按照上述計算方法，計算人體其他關(guān)節(jié)的張開角度。

(2b)體感傳感器(Kinect傳感器)判斷測試者的動作是否標準。

在以測試者兩腳間距離的中點為原點，人體前方為X軸，左側(cè)為Y軸，垂直向上為Z軸建立的直角坐標系中，根據(jù)Kinect記錄的人體骨架模型的關(guān)節(jié)張開/彎曲角度，評估實際動作姿態(tài)、幅度與預設(shè)目標的匹配程度，判斷人體的動作是否標準。

如果人體的動作不標準，則再次進行步驟(1)和(2)，直至人體動作符合標準；如果始終不能達到標準動作的要求，則另選難度系數(shù)低的標準動作，重復步驟(1)和(2)，待人體動作符合標準后，則進行下一步。

(3)對足底壓力數(shù)值進行野值剔除和二階差分濾波處理，然后計算足底壓力中心。

對所采集的足底壓力信號進行預處理，然后利用預處理的數(shù)據(jù)采用壓力中心計算方法得到足底壓力中心軌跡，從而得到在以兩腳間距離的中點為原點，人體前方為X軸，左側(cè)為Y軸，向上為Z軸的直角坐標系中，足底壓力中心偏移原點的偏移量，即壓力中心偏移的程度量。

預處理過程包括野值剔除和二階差分濾波處理，其中，二階差分濾波為：

r_t＝X_t+2-X_t+1-X_t+X_t-1

其中，x_t為原始信號，r_t為處理后的信號，下標t為采樣時間。

壓力中心計算方法為：

其中，(Xp,Yp)為壓力中心，F(xiàn)_i為足底(x_i,y_i)處測得的壓力。

(4)根據(jù)足底壓力中心偏移的程度評估人體的平衡能力并輸出結(jié)果。

在對某一個體進行量化平衡指標時，應(yīng)預設(shè)多個不同的場景，進行多次測試，一般應(yīng)至少設(shè)置三個不同場景并分別進行測試。

按圖5所示，分別計算不同預設(shè)場景下的足底壓力中心偏移量。再根據(jù)足底壓力中心偏移量和動作規(guī)范性進行量化評級，偏移量越大越頻繁，人體動態(tài)平衡機能越差。

具體實施例

利用本發(fā)明的方法，對不同志愿者進行測試，圖6～8示出了所測試志愿者的平衡機能數(shù)據(jù)。在志愿者1兩足站立的情況下，通過置于足底的壓力傳感器測量分布壓力，并計算足底中心沿人體左右方向(Y軸)的偏移量，兩足站立穩(wěn)定性均較好，無偏移，如圖6所示。在志愿者2兩足站立的情況下，所測試的平衡機能數(shù)據(jù)與圖6相同。隨后，志愿者1和志愿者2分別做圖5預設(shè)的相同場景動作，分別測量并計算足底中心偏移量，其結(jié)果如圖7、8所示。從圖中可以看出，兩者Y軸均產(chǎn)生明顯的偏移，并且偏移量及偏移頻率不同。圖7、8所示的志愿者1、志愿者2的Y軸偏移量均方差值分別為0.03843、0.05062。可見，對于直立狀態(tài)無法區(qū)分的重心偏移，通過本發(fā)明的預設(shè)場景動作誘導，可以測量得到明顯的差異，對人體機能評估的靈敏度大大提高。

本發(fā)明的人體平衡性評估系統(tǒng)，采用穿戴式柔性壓力傳感器及無線檢測傳輸系統(tǒng)，受試者將穿戴式設(shè)備置于鞋內(nèi)足底，在位于Kinect傳感器正前方的探測區(qū)域即可自由走動測量動態(tài)壓力分布及運動姿態(tài)信息。通過制造不同難度級別非平衡肢體姿態(tài)動作環(huán)境，評估人體平衡控制能力。對于不同程度肢體機能障礙人群，利用所編寫的趣味性摘水果應(yīng)用程序場景，并設(shè)計不同難度的動作，以根據(jù)被測主體的具體情況來主動選擇不同種類的肢體動作姿態(tài)及幅度，利用Kinect檢測實際動作與設(shè)計的標準動作的匹配程度，同時檢測足底壓力分布變化情況，從而實現(xiàn)平衡控制能力的量化評估。