基于惯性传感器的人体平衡功能的定量分析

邹　亚, 汪　丰, 乔子晏, 高帅锋, 毛成洁

(1. 东南大学 生物科学与医学工程学院, 江苏 南京　210096;

2. 苏州大学 附属第二医院 神经内科, 江苏 苏州　215004)



基于惯性传感器的人体平衡功能的定量分析

邹亚1, 汪丰1, 乔子晏1, 高帅锋1, 毛成洁2

(1. 东南大学 生物科学与医学工程学院, 江苏 南京210096;

2. 苏州大学 附属第二医院 神经内科, 江苏 苏州215004)

摘要:设计一套简单、稳定、可靠的系统,用于评价人体的平衡功能.采用基于穿戴式惯性传感器技术,采集人体在静止和运动时的加速度和角速度数据,利用所采集到的数据计算评估指标,用于人体平衡功能的评价.实验统计结果表明,人体重心的摆动面积、摆动轨迹、摆动角度、完成动作的时间、信号幅度的范围和完成动作努力的次数等指标在不同测试人群之间具有明显的差异性,而且这些指标的特异性和敏感度也较好.认为所设计的系统能够为人体平衡功能的评价提供客观真实的理论依据.

关键词:平衡功能; 加速度; 角速度; 帕金森

人体平衡功能是指身体的重心在偏离稳定位置时,无意识地、自发地重新恢复重心稳定的能力,是人体顺利完成其他各项活动的基础和重要保障,与人们的日常生活自理能力密切相关.因此,对人体平衡功能进行深入的分析与研究,具有重要的意义.

目前,有关人体平衡功能的评定方法主要包括观察法、量表评分法和平衡仪法[1-2].然而,由于观察法过于粗略主观和缺乏量化,因此主要被用于对具有平衡功能障碍的患者进行粗略的筛选;量表法虽然易于量化,不需专门设备即可评分,但是操作相对烦琐,属于主观评定;随着计算机辅助技术的发展和广泛使用,人体平衡功能的评估和康复训练有了新的发展,平衡仪不仅可以客观、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,但是由于价格过高而不利于推广使用.

近年来,随着电子器件微型化和低功耗技术的发展,采用惯性传感器技术来获取人体运动信息的方法越来越受到人们的青睐[3-4].在现有技术的基础上,本文设计了一套基于三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的人体平衡功能评估系统.为了更好地分析说明该种方法的有效性,笔者分别对健康青年、健康老人和帕金森病(Parkinson’s disease,PD)患者三组人群进行测试,结果表明,本文所提出的方法能够有效地用于人体平衡的功能评价.

1系统硬件设计

本文设计的人体平衡功能评估系统包括数据采集发送端和数据接收端两个部分.其中数据接收端通过USB接口和电脑相连,数据采集发送端佩戴于人体腰部中心背侧位置.系统硬件结构主要包括控制器模块、数据存储模块、电源模块、无线通信模块和传感器模块五个部分,系统结构和实物图如图1所示.其中,传感器模块主要由MPU6050芯片和外围电路构成.MPU6050芯片是全球首例整合性六轴运动处理组件,它集成了三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器.另外,MPU6050芯片体积小、灵敏度高,用户可程式控制MPU6050的角速度和加速度感测范围,使用方便.本文选用的加速度和角速度测量量程分别为±4g和±800°/s,加速度和角速度数据的采样率统一为100 Hz.系统的无线通讯模块选择使用基于ZigBee技术的无线通信方式.ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的可靠、高性价比、短距离、低复杂度和低功耗的网络应用技术,其通信距离可达几十至几百米,通信速率可达250 Kbps.本文ZigBee选择TI公司生产的CC2530芯片,它优良的无线传输可靠性和强大的抗干扰能力,决定了它可以满足短距离无线传感器数据采集和传输的要求.

图1　系统结构和实物图

2实验范式动作设计

根据人体平衡的定义,可以将平衡分为静态平衡和动态平衡.现有的基于惯性传感器技术评价人体平衡功能的方法,主要是通过使用单个加速度传感器来定量分析人体的静态平衡[5],因此很难对人体的平衡能力做出综合系统的评价.为了解决以上问题,本文设计了一套完整的实验范式动作,既可以用来评估人体的静态平衡又可以评估人体的动态平衡.

实验时,测试对象首先按照实验要求佩戴好传感器数据采集端,然后根据医生的指令进行相应的实验动作.本文设计的实验范式动作主要包括两个部分:①静态平衡测量.测试对象分别完成2 min的睁眼静止站立实验和闭眼静止站立实验.②动态平衡测量.测试对象双手交叉于胸前,以最自然的速度连续完成5次由坐到站和由站到坐实验动作.

3系统评价指标分析

平衡能力是确保人类保持稳定的站立、行走,以及完成更复杂动作的基本能力.本文对人体平衡能力的评估主要是通过采集测试对象执行指定实验范式动作时的加速度和角速度数据,进而进行分析计算实现的.

3.1　静态平衡评价指标分析

人体静态平衡是指身体不动时,维持身体处于某种姿势的能力.目前,主流的测量人体静态平衡的方法就是重心摆动测量法[6].它可以客观、定量、细致地描述身体重心摆动的程度和性质,为临床医生提供高效、准确的评价依据.但现有技术主要是采用单个加速度传感器进行重心摆动加速度的测量,本文在现有加速度传感器的基础上又增加了角速度传感器,而且对数据的分析处理进行了改进.结合测试对象睁眼静止站立和闭眼静止站立的加速度和角速度数据,本文分析计算的静态平衡评估指标主要包括:重心摆动的面积、重心摆动的轨迹长、重心在各个方向上的摆动角度、重心在不同方向的偏移程度、睁闭眼摆动面积的比值和重心摆动的平滑度等[7-10].

重心摆动的包络面积EA是重心移动的实际形状.通过记录重心摆动面积的大小可以从整体判断平衡障碍的程度,面积愈小,说明平衡的控制愈好.本文通过统计重心摆动经过的最小单位面积块Smin的个数n来计算重心摆动的包络面积,如式(1)所示.PD患者、健康老人和健康青年在闭眼状态下的重心摆动包络面积如图2所示.

(1)

图2　不同人群的摆动面积

重心摆动的轨迹长PL是指一定时间内重心摆动路线的总长度.它反映身体自发摆动的程度,摆动轨迹越长,说明身体摆动的越剧烈,如式(2)所示.

(2)

式中:Xi为前后方向的i时刻的加速度信号;Yi为左右方向的i时刻的加速度信号.另外,结合上面计算的摆动包络面积,本文还计算了单位面积轨迹长度,即总轨迹长度与摆动包络面积的比值.

重心摆动的角度是有关摆动角度的分析.本文主要计算重心在前后左右四个方向上的摆动总角度这四个参数,其中向左方向摆动总角度LA和向右方向摆动总角度RA的计算如式(3)和式(4)所示.

(3)

(4)

式中的Wi为i时刻的角速度信号,Δt为0.02s.向前和向后方向摆动总角度的计算与向左和向右方向摆动总角度的计算原理相同,具体可参照式(3)和式(4).摆动总角度反映了身体在不同方向的倾斜程度和上下体之间的平衡程度.

重心偏移的程度DE是重心位移坐标相对于重心平均位置的偏移,反映身体重心偏移的方向及程度.偏移程度越大,人体重心动摇就越剧烈.式(5)中的XM为左右方向加速度信号的均值,YM为前后方向加速度信号的均值.

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(5)

睁闭眼包络面积比AR是测试对象睁眼站立的摆动包络面积与闭眼站立的摆动包络面积的比值,结合上面的单位面积轨迹长,对于判断平衡障碍的病因具有重要的诊断价值.

重心摆动的平滑度S用来描述身体摆动幅度的连续性.式(6)中的XLR为左右方向的加速度信号,XFR为前后方向的加速度信号.

(6)

3.2　动态平衡评价指标分析

动态平衡是指人体在进行各种自主运动时能重新获得稳定状态的能力.目前,临床上广泛使用的评价人体动态平衡的方法是量表法.本文参照Berg量表和Tinetti量表的实验设计和医院专家的建议,经过多次实验测量,发现反复起坐实验能够较全面地反映人体动态平衡的功能.根据实验采集到的加速度和角速度数据,本文主要分析计算的参数包括:完成动作转换所用的时间,每次完成从坐到站动作努力的次数,加速度和角速度信号的幅度范围,完成动作期间信号的波动性和拟合直线的斜率[11-14].其中,针对信号波动性RMS的计算,本文采用式(7)的方法.

(7)

另外,身体摆动角度的计算本文采用式(8)的梯形积分法,式中的θ0为起始时刻的角度,Δt为0.02 s.

(8)

帕金森患者连续完成五次从坐到站和从站到坐实验动作的加速度信号如图3所示.由图3可知,1~5为完成从坐到站和从站到坐两个实验动作的加速度信号,6~10为下一个完成从坐到站和从站到坐实验动作的加速度信号,其中1~3和6~8为完成从坐到站动作的加速度信号,3~5和8~10为完成从站到坐动作的加速度信号.由1~3和6~8的加速度信号可知,这两次完成从坐到站动作的努力次数都为一次.对于一些帕金森患者而言,完成从坐到站动作并不是很容易的事,本文在实验数据采集过程中有采集到患者需要努力

图3　帕金森患者反复起坐的加速度曲线

两次以上才能完成从坐到站动作的数据,这种情况主要是由于帕金森患者身体僵直和运动时肢体冻结造成的.另外,患者完成从坐到站动作的直线斜率为1~2段信号经过直线拟合后所得直线的斜率;类似的,患者完成从站到坐动作的直线斜率为4~5段信号经过直线拟合后所得直线的斜率.有关直线拟合的方法本文统一使用最小二乘法.

4实验结果分析

表1　静态平衡评估参数计算结果

表2　动态平衡评估参数计算结果

对比分析健康青年、健康老人和帕金森患者三组人群的静态平衡指标可知,三组人群静止站立时重心的摆动面积、摆动轨迹长度、摆动角度和摆动偏移程度四个参数都满足:帕金森患者>健康老人>健康青年,而且摆动面积和摆动角度这两个参数在三组人群中差异性较明显.另外,帕金森患者睁闭眼站立的重心摆动面积差异最大,这可能是由于帕金森病对患者视觉系统的影响造成的.综合分析以上静态平衡指标可知,基于穿戴式惯性传感器评价人体静态平衡的方法可以做出定量、客观的评价结果,而且评价方法简便易行,可以用于长期跟踪评价患者平衡功能的恢复.

对比分析健康青年、健康老人和帕金森患者三组人群的动态平衡指标可知,帕金森患者完成动作转换的时间和完成动作努力的次数明显大于健康老人和健康青年,而健康老人和健康青年完成动作转换努力的次数差异并不明显,这完全符合帕金森患者运动迟缓和肌肉僵直的临床特征,而且随着帕金森患者病情严重程度的增加,患者完成动作努力的次数明显大于健康老人.另外,完成实验范式动作期间,患者的摆动幅度和摆动面积的值也大于健康人,这充分说明了帕金森患者为了保持身体的平衡,需要做出更大幅度和力度的动作.最后,完成动作的时间、完成动作的信号幅度范围和拟合直线的斜率这三个参数可以很好地突出测试对象完成动作的自然程度,根据实验结果可知,帕金森患者完成动作的自然程度普遍偏低.

综合分析以上静动态平衡指标的实验结果可知,基于惯性传感器的平衡功能评价法可以突出不同测试对象之间的差异性,有助于辅助医生进一步研究患者平衡功能减退的病理发生机制,同时可以在临床症状前期采取有效的干预措施,延缓患者平衡功能减退的发生和发展,为人体平衡功能的评价和康复治疗提供理论依据.

5结论

本文设计的穿戴式传感器系统,通过使用加速度和角速度传感器采集测试对象完成静止站立和反复起坐实验范式动作的数据,进而分析计算如上所述的静态平衡和动态平衡评估参数,最终用于评价人体的平衡功能.实验结果表明:该系统不仅可以稳定可靠地采集实验数据,而且利用加速度和角速度分析计算的指标能够客观、真实地反映人体的平衡功能,具有很好的特异性和敏感度.另外,该系统不仅体积轻巧,而且不受环境和场地的限制,使用方便,能够为康复治疗提供新的思路.

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【责任编辑: 祝颖】

Quantitative Analysis of Body Balance Function Based on Inertial Sensors

ZouYa1,WangFeng1,QiaoZiyan1,GaoShuaifeng1,MaoChengjie2

(1. School of Biological Science & Medical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. The Second Hospital Affiliated to Suzhou University, Suzhou 215004, China)

Abstract:Based on the wearable inertial sensor technology, the human body’s acceleration and angular velocity data are collected when they are at rest or in exercise, to calculate the assessment indicators. A simple and reliable system for evaluating the body’s balance function was designed to evaluate the balance function of human body. The experimental results show that the index, including swing area, swing trajectory, swing angle, the amplitude range of the signal, number of times of efforts to complete the action and so on, between different test groups have significant differences, and the specificity and sensitivity of these indicators are good. The designed system can provide a true and objective theoretical basis for evaluating the human balance function.

Key words:balance function; acceleration; angular velocity; Parkinson

收稿日期:2014-09-29

中图分类号:TH 824.4; TP 212.1

文献标志码:A

作者简介:邹亚(1988-),男,江苏徐州人,东南大学硕士研究生.

文章编号:2095-5456(2015)01-0044-05