本發(fā)明涉及傳感測試領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖光柵和壓力傳感器的步態(tài)測試系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

步行(walking)是指通過雙腳的交互動作移行機體的人類特征活動，是人類運動的基本方式。步態(tài)(gait)是人類步行時的姿態(tài)，人體通過髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)和腳趾的一系列連續(xù)活動，使得人的身體沿著具體方向移行的過程。正常人的步態(tài)具有周期性，方向性，協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性等特點，而行為習(xí)慣，職業(yè)，教育，年齡及性別的差異也會影響步態(tài)的行為特征。

步態(tài)的控制機理十分復(fù)雜，主要由體內(nèi)中樞命令，身體平衡協(xié)調(diào)控制，及下肢各關(guān)節(jié)、肌肉的協(xié)同運動，并且也會受到人體上肢的姿勢影響。步態(tài)分析旨在研究步行的運動規(guī)律，通過檢測并分析人體下肢的運動學(xué)和生物力學(xué)，能夠作為康復(fù)評估的指標(biāo)，用于臨床診斷患者的康復(fù)情況，有效判斷運動障礙疾病患者的治療和康復(fù)。

在行走過程中，從人體足部腳跟著地開始，到該腳跟再次著地，構(gòu)成一個完整的步態(tài)周期。對下肢而言，一個完整的步態(tài)周期活動包括支撐態(tài)和擺動態(tài)，支撐態(tài)又可細分為腳跟著地、支撐中期、腳跟離地等動作階段；擺動態(tài)又可細分為預(yù)擺動、擺動中期和擺動尾期。支撐態(tài)的持續(xù)時間大約占整個步態(tài)周期的60％，并且支撐態(tài)的大部分時間都是單足支撐。步行與跑步的關(guān)鍵差別在于步行有雙足支撐態(tài)雙足支撐態(tài)，一般是一側(cè)足處于腳跟著地或支撐中期，對側(cè)足處于腳跟離地狀態(tài)。腳跟著地態(tài)是指腳跟著地切腳掌離地的狀態(tài)，占整個步態(tài)周期的10％～12％，整個過程中，重心由腳跟向全足移動。

支撐中期是指腳掌和腳跟同時著地，此時對側(cè)足處于擺動態(tài)，正常步速時占整個步態(tài)周期的38％～40％，身體重心逐漸偏向?qū)?cè)足。腳跟離地是指腳掌著地切腳跟離地的狀態(tài)，占整個步態(tài)周期的10％～12％，重心移到對側(cè)足。擺動態(tài)的持續(xù)時間占整個步態(tài)周期的40％，指整個足部離開地面向前邁步到再次落地。預(yù)擺動指足部離開地面早期時段的活動，動作包括剛離開地面和屈髖帶動屈膝，加速肢體向前擺動，占整個步態(tài)周期的13％～15％.，擺動中期是指足部在空中由身后逐漸向身前移動的過程，占整個步態(tài)周期的10％，擺動尾期是指足部在落地之前的活動，主要動作是下肢向前做減速運動，準(zhǔn)備足部著地，占整個步態(tài)周期的15％。

因為步態(tài)具有其自身的獨特性，步態(tài)測試近十幾年來被廣泛關(guān)注和研究，步態(tài)的測試系統(tǒng)和方法、特征提取、步態(tài)識別是關(guān)注的焦點。

基于視覺的計算機圖像處理、和基于非視覺的壓力傳感器處理是常用的步態(tài)測試方法。

利用計算機圖像處理是最早對步態(tài)進行測試的方法之一，但由于相關(guān)圖像處理技術(shù)的制約，導(dǎo)致利用計算機圖像進行步態(tài)測試過程中，存在以下問題：a、難以判斷步態(tài)特征是否為本人步態(tài)，當(dāng)處理數(shù)據(jù)較多時，不能將患者信息一一對準(zhǔn)，造成處理結(jié)果難度較大；b、圖像提取的質(zhì)量受外部環(huán)境影響較大，難以得到準(zhǔn)確的步態(tài)信息，導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確性較低。

利用壓力傳感器處理時，由于壓力傳感器只能用于腳底等能夠直接產(chǎn)生接觸壓力的部位，難以用于測試關(guān)節(jié)、肌肉等部位，因此，采集數(shù)據(jù)的對象較少，導(dǎo)致測試準(zhǔn)確度較低，制約了壓力傳感器的使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖光柵和壓力傳感器的步態(tài)測試系統(tǒng)和方法，能夠得到精確度較高的測試結(jié)果，且測試數(shù)據(jù)不受外部環(huán)境影響，準(zhǔn)確度較高。

為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種基于光纖光柵和壓力傳感器的步態(tài)測試系統(tǒng)，包括上位機軟件測試分析模塊，光纖傳感測試模塊，電壓力傳感測試模塊、光信號處理模塊和數(shù)字信號處理模塊；

所述光纖傳感測試模塊固定于被測試者相應(yīng)之處，并用于記錄被測試者運動時，導(dǎo)致光纖傳感器內(nèi)部光信號波長發(fā)生漂移的信息數(shù)據(jù)，并將該光信號波長漂移數(shù)據(jù)信息通過光信號處理模塊、數(shù)字信號處理模塊后傳輸至上位機軟件測試分析模塊；

所述電壓力傳感測試模塊固定于被測試者相應(yīng)之處，并用于記錄被測試者運動時，電壓力傳感器受到擠壓時產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)信息，并將壓力數(shù)據(jù)信息通過數(shù)字信號處理模塊后傳輸至上位機軟件測試分析模塊；

所述上位機軟件測試分析模塊用于接收、存儲并分析光信號波長漂移數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)信息。

上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述光纖傳感測試模塊的固定之處為被測試者的關(guān)節(jié)、心臟、手腕、腳踝、腳底等存在壓力變化之處，或者大腿、小腿、上臂等肌肉伸縮處，其中心臟、手腕處為脈搏脈動產(chǎn)生的細微壓力變化，或者大腿、小腿、上臂的肌肉伸縮均會導(dǎo)致光纖傳感器內(nèi)部光信號波長發(fā)生漂移。

上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述電壓力傳感測試模塊固定之處為被測試者的腳底等能夠直接產(chǎn)生縱向壓力之處。

上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述光纖傳感測試模塊包括若干光纖光柵傳感單元，每個光纖光柵傳感單元均包括至少兩路光纖光柵傳感器；電壓力傳感測試模塊包括若干電壓力傳感單元，每個電壓力傳感單元均包括至少兩路電壓路傳感器。

上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述光纖傳感測試模塊包括四個光纖光柵傳感單元；所述電壓力傳感測試模塊包括兩個電壓力傳感單元，且每個電壓力傳感單元均包括兩個電壓力傳感器和信號輸出電路。

上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述光信號處理模塊包括光信號調(diào)解單元和探測器單元，所有光纖光柵傳感單元均與光信號處理模塊相連接；

所述光纖光柵傳感器將所檢測的光信號傳輸至光信號解調(diào)單元，光信號解調(diào)單元用于將所述光纖光柵傳感器的光信號波長進行編碼后傳輸至探測器單元，所述探測器單元用于將所述所述光信號對應(yīng)的波長解調(diào)成電壓信號并輸出至數(shù)字信號處理模塊。

上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述數(shù)字信號處理模塊包括ad采集單元、數(shù)字信號計算單元和信號輸出單元，ad采集單元用于將壓力傳感器或探測器單元的模擬電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號并傳輸至數(shù)字信號處理單元，數(shù)字信號處理單元將數(shù)字信號進行算法處理后經(jīng)由信號輸出單元傳輸至上位機軟件測試分析模塊。

一種基于光纖光柵和壓力傳感器的步態(tài)測試方法，該方法包括以下步驟：

s1、將光纖傳感測試模塊，電壓力傳感測試模塊固定在受試者的相應(yīng)之處，包括足部，腿部、手肘、心臟、腳踝、關(guān)節(jié)、足底等；

s2、使帶有光纖傳感測試模塊，所述電壓力傳感測試模塊的受試者在測試平臺上以3～6km/h的速度勻速運動至少5分鐘實時采集受試者測試位置的光纖光柵傳感器和壓力傳感器所探測的信號；

s3、將光纖光柵傳感器和壓力傳感器所探測的信號實時傳輸至上位機模塊，上位機模塊對上述數(shù)據(jù)進行存儲和分析。

上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述電壓力傳感測試模塊的受試者在測試平臺上的運動速度為5km/h。

上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述步驟s1之前還包括以下步驟：

a、利用砝碼檢測出電壓力傳感單元所受壓力值和電壓力傳感單元檢測電路輸出模擬電壓值對應(yīng)關(guān)系：將至少三個不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼分別放置在壓力傳感器上，讀出并記錄壓力傳感器電壓值；

b、每組砝碼測試對應(yīng)一個壓力y1和輸出模擬電壓值x1，通過多次測試，計算出y1＝a1×x1+b1中系數(shù)a1、b1值，建立壓力-重量方程；

c、利用應(yīng)力檢測裝置測試出光纖傳感檢測平臺內(nèi)部光信號波長漂移和壓力的對應(yīng)關(guān)系：將至少三個標(biāo)準(zhǔn)砝碼分別放置在光纖光柵應(yīng)力傳感器上，讀取并記錄每組砝碼對應(yīng)的光纖光柵應(yīng)力傳感器波長漂移值；

d、根據(jù)不同砝碼相對應(yīng)的波長漂移值，按公式y(tǒng)2＝a2×x2+b2，計算出中系數(shù)a2、b2值，建立波長漂移-重量方程。在

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明的一種基于光纖光柵和壓力傳感器的步態(tài)測試系統(tǒng)，包括光纖傳感測試模塊和電壓力傳感測試模塊，其中光纖傳感測試模塊能夠得到被測試者關(guān)節(jié)、心臟、手腕、腳踝、腳底等處所產(chǎn)生的壓力變化，且該變化能夠全面的反應(yīng)被測試者在測試時的步態(tài)信息以及心跳等信息，并將光纖傳感測試模塊得到的壓力數(shù)據(jù)、電壓力傳感測試模塊得到的壓力數(shù)據(jù)進行比對，以得到較準(zhǔn)確的壓力結(jié)果，同時，由于光纖傳感測試模塊所采集的信號為光信號，不受電磁干擾，能夠排除外部環(huán)境的影響，準(zhǔn)確度較高，同時，根據(jù)實時數(shù)據(jù)繪制坐標(biāo)軸，根據(jù)坐標(biāo)軸的變化能夠準(zhǔn)確獲知患者在測試過程中的步態(tài)是否正常，有較強的直觀性，為機器運動，醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域提供有效的數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中基于光纖光柵和壓力傳感器的步態(tài)測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為光纖光柵傳感單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為電壓力傳感單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中基于光纖光柵和壓力傳感器的步態(tài)測試方法的流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參見圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種基于光纖光柵和壓力傳感器的步態(tài)測試系統(tǒng)，包括上位機軟件測試分析模塊，光纖傳感測試模塊，光信號處理模塊，電壓力傳感測試模塊和數(shù)字信號處理模塊。

光纖傳感測試模塊通過光信號處理模塊與數(shù)字信號處理模塊連接，電壓力傳感測試模塊與數(shù)字信號處理模塊連接，上位機軟件測試分析模塊與數(shù)字信號處理模塊連接。

參見圖2所示，光纖傳感測試模塊固定于被測試者相應(yīng)之處(通常為關(guān)節(jié)、心臟、手腕、腳踝、腳底等存在壓力變化之處，或者大腿、小腿、上臂等肌肉伸縮處，其中心臟、手腕處為脈搏脈動產(chǎn)生的細微壓力變化，或者大腿、小腿、上臂的肌肉伸縮均會導(dǎo)致光纖傳感器內(nèi)部光信號波長發(fā)生漂移)，并用于記錄被測試者運動時，導(dǎo)致光纖傳感器內(nèi)部光信號波長發(fā)生漂移的數(shù)據(jù)信息，并將該光信號波長漂移數(shù)據(jù)信息通過光信號處理模塊、數(shù)字信號處理模塊后傳輸至上位機軟件測試分析模塊。

參見圖3所示，電壓力傳感測試模塊固定于被測試者相應(yīng)之處(通常為腳底，能夠直接產(chǎn)生縱向壓力之處)，并用于記錄被測試者運動時，電壓力傳感器受到擠壓時產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)信息，并將壓力數(shù)據(jù)信息通過數(shù)字信號處理模塊后傳輸至上位機軟件測試分析模塊。

上位機軟件測試分析模塊用于接收、顯示、存儲并分析光信號波長漂移數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)信息。

本實施例中的，光纖傳感測試模塊包括若干光纖光柵傳感單元，每個光纖光柵傳感單元均包括至少兩路光纖光柵傳感器；電壓力傳感測試模塊包括若干電壓力傳感單元，每個電壓力傳感單元均包括至少兩路電壓力傳感器。在實際使用中，光纖光柵傳感單元和電壓力傳感單元的數(shù)量根據(jù)實際需要設(shè)置，本實施例中，光纖光柵傳感單元的數(shù)量為四個，且選用光纖光柵傳感器，電壓力傳感單元的數(shù)量為兩個，每個單元包含兩個電壓力傳感器和信號輸出電路。

在實際使用中，將光纖光柵傳感單元和電壓力傳感單元固定在被測試者所需要測試的部位后，被測試者開始勻速運動，光纖光柵傳感單元和電壓力傳感單元將各自所采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機軟件測試分析模塊。

由于光纖光柵傳感單元能夠得到被測試者心臟、腳踝、關(guān)節(jié)、足底、等處因運動而產(chǎn)生的壓力變化，且該變化能夠全面的反應(yīng)被測試者在測試時的步態(tài)信息以及心跳等信息，并將光纖光柵傳感單元得到的壓力數(shù)據(jù)、電壓力傳感單元得到的壓力數(shù)據(jù)進行比對，以得到較準(zhǔn)確的壓力結(jié)果，排除外部環(huán)境的影響，同時，根據(jù)實時數(shù)據(jù)繪制坐標(biāo)軸，根據(jù)坐標(biāo)軸的變化能夠準(zhǔn)確獲知患者在測試過程中的步態(tài)是否正常，精確度較高。

光信號處理模塊包括光信號調(diào)解單元和探測器單元，所有光纖光柵傳感單元均與光信號處理模塊相連接。

光纖光柵傳感器利用內(nèi)部光信號的波長因外部應(yīng)力作用而發(fā)生漂移的原理，當(dāng)被測試者運動時，固定有光纖的身體部位肌肉產(chǎn)生伸縮，對光纖產(chǎn)生應(yīng)力作用，光纖光柵傳感器內(nèi)部光信號傳輸至光信號解調(diào)單元。

光信號解調(diào)單元用于將所述光纖光柵傳感器的光信號波長進行編碼后傳輸至探測器單元，探測器單元用于將所述光信號對應(yīng)的解調(diào)成電壓信號并輸出至數(shù)字信號處理模塊。

在傳感過程中，光源發(fā)出的光波由傳輸通道經(jīng)連接器進入傳感光柵，傳感光柵在外場(主要是應(yīng)力和溫度)的作用下，對光波進行調(diào)制，得到調(diào)制光波；接著，帶有外場信息的調(diào)制光波被傳感光柵反射(或透射)，經(jīng)由連接器進入接收通道而被探測器單元接收、解調(diào)并輸出。由于探測器單元接收的光波包含了外場作用的信息，因而探測器單元對光波進行分析，可以檢測出光波相對應(yīng)的光譜相關(guān)變化，由此可獲得外場信息的細致描述。

參見圖2所示，具體為：在傳感過程中，光源發(fā)出的光信號進入光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器內(nèi)部的傳感光柵對光信號進行調(diào)制，在外力的作用下光信號(與光纖光柵傳感器不受外部應(yīng)力時的波長值相比)波長發(fā)生漂移，通過傳感光柵反射被探測器單元接收解調(diào)并輸出至數(shù)字信號處理單元。

光纖光柵傳感器置于被測者腳底時，由于腳底與地面周期性的按壓時，光纖光柵傳感器內(nèi)部的光信號波長隨著按壓會發(fā)生周期性的波長漂移，并且按壓力度不同，波長漂移的幅度不同，通過觀察測試波長的漂移幅度，可以判斷被測試者的步態(tài)特征。

光纖光柵傳感器置于被側(cè)者雙下肢、腳踝、關(guān)節(jié)時，當(dāng)被測者在運動時，其相應(yīng)之處的肌肉會隨著運動而發(fā)生周期性的伸縮，肌肉伸縮會導(dǎo)致光纖光柵傳感器的光信號波長發(fā)生漂移，并且肌肉的位置和伸縮幅度不同，波長漂移的幅度不同，通過觀察測試波長的漂移幅度，可以判斷被測試者的步態(tài)特征。

參見如圖3所示，電壓力傳感器用于實時采集被測試者運動過程中足底壓力，并將采集的壓力數(shù)據(jù)傳輸至上位機軟件測試分析模塊，上位機軟件測試分析模塊存儲并分析壓力數(shù)據(jù)，同時，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)繪制坐標(biāo)圖像，以便于觀察步態(tài)特征的變化。

在實際測試時，四路電壓力傳感器分別固定在被測試者雙足的前腳掌和后腳跟，被測試者在運動時，雙腳與地面周期性的按壓。當(dāng)電壓力傳感器受到擠壓時，自身阻值會增大，其檢測電路輸出的模擬電壓值會隨著壓力增大而增大。

數(shù)字信號處理模塊包括ad采集單元、數(shù)字信號計算單元和信號輸出單元，ad采集單元用于將壓力傳感器或探測器單元的模擬電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號并傳輸至數(shù)字信號處理單元，數(shù)字信號處理單元將數(shù)字信號進行算法處理后經(jīng)由信號輸出單元傳輸至上位機軟件測試分析模塊。

該算法處理步驟如下：通過前期測試校準(zhǔn)得到壓力傳感器的電壓值和壓力值之間的關(guān)系表達式y(tǒng)1＝a1×x1+b1，x1為采集電壓值，a1、b1為已知系數(shù)，當(dāng)ad采集單元采集到模擬電壓值并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，帶入上述關(guān)系表達式，實時計算出對應(yīng)壓力值y1。

上位機軟件測試分析模塊還用于將光纖傳感測試模塊所采集的數(shù)據(jù)與電壓力傳感器測試模塊所采集的數(shù)據(jù)進行比對，以不同的物理量反應(yīng)被測試者步態(tài)運動，并根據(jù)比對結(jié)果選擇出結(jié)果較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

參見圖3所示，數(shù)字信號處理單元用于對ad采集以后的模擬電壓信號進行算法處理，電壓力傳感單元將壓力值轉(zhuǎn)變成電壓值后需要進行校準(zhǔn)還原，因此需要利用數(shù)字信號處理單元中的高速現(xiàn)場可編程邏輯門陣列fpga、高速數(shù)字信號處理芯片dsp和高速存儲芯片ddr3來對實時的數(shù)字信號進行處理。fpga利用內(nèi)部的緩沖器和高速總線將數(shù)據(jù)存儲至ddr3，dsp將fpga存儲在ddr3內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取出來，進行算法處理，處理完畢后將數(shù)據(jù)傳輸至ddr3存儲，fpga再將dsp存儲在ddr3內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取出，傳輸至usb傳輸單元。當(dāng)fpga將數(shù)據(jù)存儲至ddr3完畢后，可以繼續(xù)接收4路ad傳輸來的數(shù)字信號，dsp處理完一次數(shù)據(jù)，存儲至ddr3后，繼續(xù)讀取fpga存儲在ddr3上的新的數(shù)據(jù)。

上位機軟件測試分析模塊將電壓力傳感單元測試平臺和光纖傳感測試平臺上傳的數(shù)據(jù)進行歸類解析后，在坐標(biāo)軸上分別繪制出經(jīng)過解析后的電壓力傳感單元測試平臺上傳的數(shù)據(jù)得出壓力和模擬電壓值，以及光纖傳感測試平臺上傳的壓力和波長漂移值，并保存。

參見圖4所示，本發(fā)明還提供一種光纖和電壓力傳感的步態(tài)測試方法。

該方法包括以下步驟：

s1、前期準(zhǔn)備：

a、利用砝碼檢測出電壓力傳感單元所受壓力值和電壓力傳感單元檢測電路輸出模擬電壓值對應(yīng)關(guān)系：將不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼(1kg、2kg、5kg、10kg、20kg、50kg、100kg)分別放置在壓力傳感器上，讀出并記錄壓力傳感器電壓值。

b、每組砝碼測試對應(yīng)一個壓力y1和輸出模擬電壓值x1，通過多次測試，計算出y1＝a1×x1+b1中系數(shù)a1、b1值，建立壓力-重量方程。

c、利用應(yīng)力檢測裝置測試出光纖傳感檢測平臺內(nèi)部光信號波長漂移和壓力的對應(yīng)關(guān)系：將標(biāo)準(zhǔn)砝碼(1kg、2kg、5kg、10kg、20kg、50kg、100kg)分別放置在光纖光柵應(yīng)力傳感器上，讀取并記錄每組砝碼對應(yīng)的光纖光柵應(yīng)力傳感器波長漂移值。

d、根據(jù)不同砝碼相對應(yīng)的波長漂移值，按公式y(tǒng)2＝a2×x2+b2，計算出中系數(shù)a2、b2值，建立波長漂移-重量方程。

s2、將光纖傳感測試模塊，電壓力傳感測試模塊固定在受試者的相應(yīng)之處，包括足部，腿部、手肘、心臟、腳踝、關(guān)節(jié)、足底等。

s3、使帶有光纖傳感測試模塊，電壓力傳感測試模塊的受試者在測試平臺上以3～6km/h(本實施例中為5km/h)的速度勻速運動至少5分鐘實時采集受試者測試位置的光纖光柵傳感器和壓力傳感器所采集的信號。

s4、將光纖光柵傳感器和壓力傳感器所采集的信號實時傳輸至上位機軟件測試分析模塊，上位機軟件測試分析模塊對上述數(shù)據(jù)進行存儲和分析。

本發(fā)明不局限于上述實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。