張 延 余紅英 戚藝雪 萬 吉

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原030051）

0 簡介

人體平衡能力研究是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界相對(duì)活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域，已經(jīng)涉及到醫(yī)學(xué)、體育學(xué)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科。為了維持人體站立姿勢(shì)的平衡與穩(wěn)定[1]，中央神經(jīng)系統(tǒng)就必需時(shí)時(shí)根據(jù)視覺系統(tǒng)、本體感覺系統(tǒng)和前庭系統(tǒng)提供的感覺信息對(duì)相應(yīng)的關(guān)節(jié)與骨肉進(jìn)行不斷的調(diào)整[2]。隨著社會(huì)進(jìn)步，人人們?nèi)找骊P(guān)注自身的健康和生活質(zhì)量，因而迫切的需要一種有效的方法來評(píng)估自身的平衡能力[3]。

1 方法

平衡能力評(píng)估系統(tǒng)由受力平臺(tái)，CCD 攝像頭，上位機(jī)和VC++6.0軟件系統(tǒng)組成，受力平臺(tái)上安裝激光頭和攝像頭，攝像頭將屏幕上的激光點(diǎn)的圖像傳遞給上位機(jī)進(jìn)行識(shí)別與分析。

1.1 接收數(shù)據(jù)

為了能夠接收到攝像機(jī)傳過來的圖像主要是利用OpenCV 來完成這個(gè)過程，OpenCV 是一個(gè)開放源代碼的計(jì)算機(jī)視覺庫，它由一系列C 函數(shù)和少量C++ 類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法[4]。

1.2 上位機(jī)處理

圖像預(yù)處理主要目的是為了改善圖像的質(zhì)量，預(yù)處理操作主要包括：

1.2.1 灰度化

灰度圖像是R、G、B 三個(gè)分量相同的一種特殊的彩色圖像，一個(gè)像素點(diǎn)的變化范圍為255 種，所以在數(shù)字圖象處理中一般先將各種格式的圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖像以使后續(xù)的圖像的計(jì)算量變得少一些[5]。

1.2.2 高斯濾波

高斯濾波是一種線性平滑濾波，適用于消除高斯噪聲，廣泛應(yīng)用于圖像處理的減噪過程，采用高斯濾波處理方式，即對(duì)圖像進(jìn)行核大小為param1×param2 的高斯卷積[6]，公式如下：

其中n = param1 對(duì)應(yīng)水平核,n = param2 對(duì)應(yīng)垂直核。

1.2.3 圖像減影

激光點(diǎn)的提取是整個(gè)圖像處理部分的關(guān)鍵。點(diǎn)的提取過程實(shí)質(zhì)是圖像檢測(cè)和分割的過程。采取圖像減影的方法能很好的滿足激光點(diǎn)分割的要求，其基本數(shù)學(xué)算法如下[7]：

（2）式中g(shù)lp（x，y）為點(diǎn)圖，glb（x，y）為背景圖，glr（x，y）為差影圖。

1.3 檢測(cè)與評(píng)估

cvPoint(r.x,r.y) 是OpenCV 的基本數(shù)據(jù)類型之一，表示一個(gè)坐標(biāo)為整數(shù)的二維點(diǎn)，系統(tǒng)取得點(diǎn)的坐標(biāo)后。通過計(jì)算位移方差值來評(píng)估人體平衡性能。

其中，n 表示某一半軸上投影點(diǎn)數(shù)目，x1…xn表示每個(gè)投影點(diǎn)的位移，m 表示位移平均值。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 仿真環(huán)境

仿真軟件運(yùn)行環(huán)境為WindowsXP 下的Visual C++6.0，攝像頭通過USB 與上位通信。

2.2 仿真結(jié)果

在圖1 中，我們可以看到軟件系統(tǒng)能夠識(shí)別并且定位到每個(gè)激光點(diǎn)的坐標(biāo)，之后在中央處中繪制出激光點(diǎn)的移動(dòng)軌跡，在圖中我們看見開始測(cè)試時(shí)重心的位移在較大范圍內(nèi)變動(dòng)，待穩(wěn)定姿態(tài)后，重心的位移量減小，并集中在原點(diǎn)附近。測(cè)試結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算出每個(gè)方向上的重心位移方差值s2，即UP、DW、LT 和RT。

表1 為實(shí)驗(yàn)在不同條件下對(duì)一個(gè)正常成年人測(cè)得的多組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中位移方差越小代表重心的搖晃程度越小，人體的姿態(tài)保持得就越穩(wěn)定，即一個(gè)人的平衡能力就越好。

表2 是四川省科委的重點(diǎn)項(xiàng)目《人體靜態(tài)平衡功能測(cè)試儀及定量指標(biāo)》中得出的數(shù)據(jù)指標(biāo)，通過對(duì)比可以看出本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在一定程度上比較接近，驗(yàn)證了本軟件系統(tǒng)的理論上的可行性和實(shí)驗(yàn)上的正確性。

條件 時(shí)間(s) Y 正半軸位移方差Y 負(fù)半軸位移方差X 正半軸位移方差X 負(fù)半軸位移方差 評(píng)估睜眼 10s 5.23 5.39 5.87 5.35 正常睜眼 15s 4.89 4.74 4.58 5.01 正常閉眼 10s 4.97 5.26 5.78 6.25 正常閉眼 15s 5.27 5.69 5.25 5.82 正常

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3 總結(jié)

在本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)新的測(cè)試人體平衡能力的方法，即通過用激光點(diǎn)在屏幕上的位移來取代壓力中心的位移，經(jīng)過圖像處理技術(shù)，將激光點(diǎn)提取，計(jì)算出4 軸方向上的位移方差值以評(píng)估平衡能力，此平衡能力測(cè)試分析系統(tǒng)是針對(duì)于人體靜態(tài)條件下的平衡力測(cè)試，是以壓力中心位移(CoP)為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，通過一段時(shí)間的應(yīng)用，其能滿足一般大眾對(duì)自身平衡能力評(píng)價(jià)的要求，也展現(xiàn)出其簡單可靠的優(yōu)點(diǎn)，相信未來在康復(fù)醫(yī)學(xué)中與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中也能有著廣泛的應(yīng)用。

［1］劉海斌,元文學(xué),孟昭莉.人體平衡能力測(cè)試儀器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究[J].吉林體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（6）：67-68.

［2］BODE RK, HEINEMANN AW. Course of functional improvement after stoke，spinal cord injury, and traumatic brain injury[J].Arch Phys Med Rehabil, 2002(83)：100-106.

［3］CAMICIOLI R, PANZER VP, KAYE J, Balance in the healthy elderly：posturography and clinical assessment[J]. Arch Neurol. 1997(54)： 976-981.

［4］DALY JJ,RUFF RL,HAYCOOK K,et al,Feasibility of gait training for acute stroke patients using FNS with implanted electrodes[J].JNeurol Sci.2000(179)：103-107.

［5］BERG KO, WOOD -DAUPHINEE S, WILLIAMS JI, The Balance Scale：reliability assessment with elderly residents and patients with acute stroke[J].Scand J Rehabil Med.1995(27)：27-36.

［6］MICHEL R, REJEAN H, Screening older adults at risk of falling with the Tinetti balance scale[J]. The Lancet. 2000(359)： 1001-1002.

［7］LISTON RAL, BROUWER BJ, Reliability and validity of measures obtained from stroke patient using the Balance Master[J]. Arch Phys Med Rehabil. 1996(77)：425-430.