鄒　亞, 汪　豐, 喬子晏, 高帥鋒, 毛成潔

(1. 東南大學 生物科學與醫(yī)學工程學院, 江蘇 南京　210096;

2. 蘇州大學 附屬第二醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科, 江蘇 蘇州　215004)

?

基于慣性傳感器的人體平衡功能的定量分析

鄒亞1, 汪豐1, 喬子晏1, 高帥鋒1, 毛成潔2

(1. 東南大學 生物科學與醫(yī)學工程學院, 江蘇 南京210096;

2. 蘇州大學 附屬第二醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科, 江蘇 蘇州215004)

摘要:設計一套簡單、穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng),用于評價人體的平衡功能.采用基于穿戴式慣性傳感器技術,采集人體在靜止和運動時的加速度和角速度數(shù)據(jù),利用所采集到的數(shù)據(jù)計算評估指標,用于人體平衡功能的評價.實驗統(tǒng)計結(jié)果表明,人體重心的擺動面積、擺動軌跡、擺動角度、完成動作的時間、信號幅度的范圍和完成動作努力的次數(shù)等指標在不同測試人群之間具有明顯的差異性,而且這些指標的特異性和敏感度也較好.認為所設計的系統(tǒng)能夠為人體平衡功能的評價提供客觀真實的理論依據(jù).

關鍵詞:平衡功能; 加速度; 角速度; 帕金森

人體平衡功能是指身體的重心在偏離穩(wěn)定位置時,無意識地、自發(fā)地重新恢復重心穩(wěn)定的能力,是人體順利完成其他各項活動的基礎和重要保障,與人們的日常生活自理能力密切相關.因此,對人體平衡功能進行深入的分析與研究,具有重要的意義.

目前,有關人體平衡功能的評定方法主要包括觀察法、量表評分法和平衡儀法[1-2].然而,由于觀察法過于粗略主觀和缺乏量化,因此主要被用于對具有平衡功能障礙的患者進行粗略的篩選;量表法雖然易于量化,不需專門設備即可評分,但是操作相對煩瑣,屬于主觀評定;隨著計算機輔助技術的發(fā)展和廣泛使用,人體平衡功能的評估和康復訓練有了新的發(fā)展,平衡儀不僅可以客觀、定量地反映人體的平衡功能,而且能夠針對患者的運動功能障礙進行訓練治療,但是由于價格過高而不利于推廣使用.

近年來,隨著電子器件微型化和低功耗技術的發(fā)展,采用慣性傳感器技術來獲取人體運動信息的方法越來越受到人們的青睞[3-4].在現(xiàn)有技術的基礎上,本文設計了一套基于三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀的人體平衡功能評估系統(tǒng).為了更好地分析說明該種方法的有效性,筆者分別對健康青年、健康老人和帕金森病(Parkinson’s disease,PD)患者三組人群進行測試,結(jié)果表明,本文所提出的方法能夠有效地用于人體平衡的功能評價.

1系統(tǒng)硬件設計

本文設計的人體平衡功能評估系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端兩個部分.其中數(shù)據(jù)接收端通過USB接口和電腦相連,數(shù)據(jù)采集發(fā)送端佩戴于人體腰部中心背側(cè)位置.系統(tǒng)硬件結(jié)構主要包括控制器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊、無線通信模塊和傳感器模塊五個部分,系統(tǒng)結(jié)構和實物圖如圖1所示.其中,傳感器模塊主要由MPU6050芯片和外圍電路構成.MPU6050芯片是全球首例整合性六軸運動處理組件,它集成了三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器.另外,MPU6050芯片體積小、靈敏度高,用戶可程式控制MPU6050的角速度和加速度感測范圍,使用方便.本文選用的加速度和角速度測量量程分別為±4g和±800°/s,加速度和角速度數(shù)據(jù)的采樣率統(tǒng)一為100 Hz.系統(tǒng)的無線通訊模塊選擇使用基于ZigBee技術的無線通信方式.ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的可靠、高性價比、短距離、低復雜度和低功耗的網(wǎng)絡應用技術,其通信距離可達幾十至幾百米,通信速率可達250 Kbps.本文ZigBee選擇TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片,它優(yōu)良的無線傳輸可靠性和強大的抗干擾能力,決定了它可以滿足短距離無線傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)囊?

圖1　系統(tǒng)結(jié)構和實物圖

2實驗范式動作設計

根據(jù)人體平衡的定義,可以將平衡分為靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡.現(xiàn)有的基于慣性傳感器技術評價人體平衡功能的方法,主要是通過使用單個加速度傳感器來定量分析人體的靜態(tài)平衡[5],因此很難對人體的平衡能力做出綜合系統(tǒng)的評價.為了解決以上問題,本文設計了一套完整的實驗范式動作,既可以用來評估人體的靜態(tài)平衡又可以評估人體的動態(tài)平衡.

實驗時,測試對象首先按照實驗要求佩戴好傳感器數(shù)據(jù)采集端,然后根據(jù)醫(yī)生的指令進行相應的實驗動作.本文設計的實驗范式動作主要包括兩個部分:①靜態(tài)平衡測量.測試對象分別完成2 min的睜眼靜止站立實驗和閉眼靜止站立實驗.②動態(tài)平衡測量.測試對象雙手交叉于胸前,以最自然的速度連續(xù)完成5次由坐到站和由站到坐實驗動作.

3系統(tǒng)評價指標分析

平衡能力是確保人類保持穩(wěn)定的站立、行走,以及完成更復雜動作的基本能力.本文對人體平衡能力的評估主要是通過采集測試對象執(zhí)行指定實驗范式動作時的加速度和角速度數(shù)據(jù),進而進行分析計算實現(xiàn)的.

3.1　靜態(tài)平衡評價指標分析

人體靜態(tài)平衡是指身體不動時,維持身體處于某種姿勢的能力.目前,主流的測量人體靜態(tài)平衡的方法就是重心擺動測量法[6].它可以客觀、定量、細致地描述身體重心擺動的程度和性質(zhì),為臨床醫(yī)生提供高效、準確的評價依據(jù).但現(xiàn)有技術主要是采用單個加速度傳感器進行重心擺動加速度的測量,本文在現(xiàn)有加速度傳感器的基礎上又增加了角速度傳感器,而且對數(shù)據(jù)的分析處理進行了改進.結(jié)合測試對象睜眼靜止站立和閉眼靜止站立的加速度和角速度數(shù)據(jù),本文分析計算的靜態(tài)平衡評估指標主要包括:重心擺動的面積、重心擺動的軌跡長、重心在各個方向上的擺動角度、重心在不同方向的偏移程度、睜閉眼擺動面積的比值和重心擺動的平滑度等[7-10].

重心擺動的包絡面積EA是重心移動的實際形狀.通過記錄重心擺動面積的大小可以從整體判斷平衡障礙的程度,面積愈小,說明平衡的控制愈好.本文通過統(tǒng)計重心擺動經(jīng)過的最小單位面積塊Smin的個數(shù)n來計算重心擺動的包絡面積,如式(1)所示.PD患者、健康老人和健康青年在閉眼狀態(tài)下的重心擺動包絡面積如圖2所示.

(1)

圖2　不同人群的擺動面積

重心擺動的軌跡長PL是指一定時間內(nèi)重心擺動路線的總長度.它反映身體自發(fā)擺動的程度,擺動軌跡越長,說明身體擺動的越劇烈,如式(2)所示.

(2)

式中:Xi為前后方向的i時刻的加速度信號;Yi為左右方向的i時刻的加速度信號.另外,結(jié)合上面計算的擺動包絡面積,本文還計算了單位面積軌跡長度,即總軌跡長度與擺動包絡面積的比值.

重心擺動的角度是有關擺動角度的分析.本文主要計算重心在前后左右四個方向上的擺動總角度這四個參數(shù),其中向左方向擺動總角度LA和向右方向擺動總角度RA的計算如式(3)和式(4)所示.

(3)

(4)

式中的Wi為i時刻的角速度信號,Δt為0.02s.向前和向后方向擺動總角度的計算與向左和向右方向擺動總角度的計算原理相同,具體可參照式(3)和式(4).擺動總角度反映了身體在不同方向的傾斜程度和上下體之間的平衡程度.

重心偏移的程度DE是重心位移坐標相對于重心平均位置的偏移,反映身體重心偏移的方向及程度.偏移程度越大,人體重心動搖就越劇烈.式(5)中的XM為左右方向加速度信號的均值,YM為前后方向加速度信號的均值.

本次大豐收·云圖杯“中國最美柑橘果園評比大賽”啟動儀式的成功舉行，就彰顯了新型服務平臺的發(fā)展勢頭。僅用了一個星期的時間進行推廣和宣傳，就召集了近千名柑橘種植農(nóng)戶。這既體現(xiàn)了雙方產(chǎn)品和服務的質(zhì)量，同時也彰顯了平臺的推廣力度。

(5)

睜閉眼包絡面積比AR是測試對象睜眼站立的擺動包絡面積與閉眼站立的擺動包絡面積的比值,結(jié)合上面的單位面積軌跡長,對于判斷平衡障礙的病因具有重要的診斷價值.

重心擺動的平滑度S用來描述身體擺動幅度的連續(xù)性.式(6)中的XLR為左右方向的加速度信號,XFR為前后方向的加速度信號.

(6)

3.2　動態(tài)平衡評價指標分析

動態(tài)平衡是指人體在進行各種自主運動時能重新獲得穩(wěn)定狀態(tài)的能力.目前,臨床上廣泛使用的評價人體動態(tài)平衡的方法是量表法.本文參照Berg量表和Tinetti量表的實驗設計和醫(yī)院專家的建議,經(jīng)過多次實驗測量,發(fā)現(xiàn)反復起坐實驗能夠較全面地反映人體動態(tài)平衡的功能.根據(jù)實驗采集到的加速度和角速度數(shù)據(jù),本文主要分析計算的參數(shù)包括:完成動作轉(zhuǎn)換所用的時間,每次完成從坐到站動作努力的次數(shù),加速度和角速度信號的幅度范圍,完成動作期間信號的波動性和擬合直線的斜率[11-14].其中,針對信號波動性RMS的計算,本文采用式(7)的方法.

(7)

另外,身體擺動角度的計算本文采用式(8)的梯形積分法,式中的θ0為起始時刻的角度,Δt為0.02 s.

(8)

帕金森患者連續(xù)完成五次從坐到站和從站到坐實驗動作的加速度信號如圖3所示.由圖3可知,1~5為完成從坐到站和從站到坐兩個實驗動作的加速度信號,6~10為下一個完成從坐到站和從站到坐實驗動作的加速度信號,其中1~3和6~8為完成從坐到站動作的加速度信號,3~5和8~10為完成從站到坐動作的加速度信號.由1~3和6~8的加速度信號可知,這兩次完成從坐到站動作的努力次數(shù)都為一次.對于一些帕金森患者而言,完成從坐到站動作并不是很容易的事,本文在實驗數(shù)據(jù)采集過程中有采集到患者需要努力

圖3　帕金森患者反復起坐的加速度曲線

兩次以上才能完成從坐到站動作的數(shù)據(jù),這種情況主要是由于帕金森患者身體僵直和運動時肢體凍結(jié)造成的.另外,患者完成從坐到站動作的直線斜率為1~2段信號經(jīng)過直線擬合后所得直線的斜率;類似的,患者完成從站到坐動作的直線斜率為4~5段信號經(jīng)過直線擬合后所得直線的斜率.有關直線擬合的方法本文統(tǒng)一使用最小二乘法.

4實驗結(jié)果分析

表1　靜態(tài)平衡評估參數(shù)計算結(jié)果

表2　動態(tài)平衡評估參數(shù)計算結(jié)果

對比分析健康青年、健康老人和帕金森患者三組人群的靜態(tài)平衡指標可知,三組人群靜止站立時重心的擺動面積、擺動軌跡長度、擺動角度和擺動偏移程度四個參數(shù)都滿足:帕金森患者>健康老人>健康青年,而且擺動面積和擺動角度這兩個參數(shù)在三組人群中差異性較明顯.另外,帕金森患者睜閉眼站立的重心擺動面積差異最大,這可能是由于帕金森病對患者視覺系統(tǒng)的影響造成的.綜合分析以上靜態(tài)平衡指標可知,基于穿戴式慣性傳感器評價人體靜態(tài)平衡的方法可以做出定量、客觀的評價結(jié)果,而且評價方法簡便易行,可以用于長期跟蹤評價患者平衡功能的恢復.

對比分析健康青年、健康老人和帕金森患者三組人群的動態(tài)平衡指標可知,帕金森患者完成動作轉(zhuǎn)換的時間和完成動作努力的次數(shù)明顯大于健康老人和健康青年,而健康老人和健康青年完成動作轉(zhuǎn)換努力的次數(shù)差異并不明顯,這完全符合帕金森患者運動遲緩和肌肉僵直的臨床特征,而且隨著帕金森患者病情嚴重程度的增加,患者完成動作努力的次數(shù)明顯大于健康老人.另外,完成實驗范式動作期間,患者的擺動幅度和擺動面積的值也大于健康人,這充分說明了帕金森患者為了保持身體的平衡,需要做出更大幅度和力度的動作.最后,完成動作的時間、完成動作的信號幅度范圍和擬合直線的斜率這三個參數(shù)可以很好地突出測試對象完成動作的自然程度,根據(jù)實驗結(jié)果可知,帕金森患者完成動作的自然程度普遍偏低.

綜合分析以上靜動態(tài)平衡指標的實驗結(jié)果可知,基于慣性傳感器的平衡功能評價法可以突出不同測試對象之間的差異性,有助于輔助醫(yī)生進一步研究患者平衡功能減退的病理發(fā)生機制,同時可以在臨床癥狀前期采取有效的干預措施,延緩患者平衡功能減退的發(fā)生和發(fā)展,為人體平衡功能的評價和康復治療提供理論依據(jù).

5結(jié)論

本文設計的穿戴式傳感器系統(tǒng),通過使用加速度和角速度傳感器采集測試對象完成靜止站立和反復起坐實驗范式動作的數(shù)據(jù),進而分析計算如上所述的靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡評估參數(shù),最終用于評價人體的平衡功能.實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)不僅可以穩(wěn)定可靠地采集實驗數(shù)據(jù),而且利用加速度和角速度分析計算的指標能夠客觀、真實地反映人體的平衡功能,具有很好的特異性和敏感度.另外,該系統(tǒng)不僅體積輕巧,而且不受環(huán)境和場地的限制,使用方便,能夠為康復治療提供新的思路.

參考文獻:

[ 1 ] Moe-Nilssen R, Helbostad J L. Trunk Accelerometry as a Measure of Balance Control during Quiet Standing[J]. Gait & Posture, 2002,16(1):60-68.

[ 2 ] Karlsson A, Frykberg G. Correlations between Force Plate Measures for Assessment of Balance[J]. Clinical Biomechanics, 2000,15(5):365-369.

[ 3 ] Rocchi L, Chiari L, Cappello A. Feature Selection of Stabilometric Parameters Based on Principal Component Analysis[J]. Medical and Biological Engineering and Computing, 2004,42(1):71-79.

[ 4 ] Salarian A, Horak F B, Zampieri C, et al. iTUG, a Sensitive and Reliable Measure of Mobility[J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2010,18(3):303-310.

[ 5 ] Kerr G, Morrison S, Silburn P. Coupling between Limb Tremor and Postural Sway in Parkinson’s Disease[J]. Movement Disorders, 2008,23(3):386-394.

[ 6 ] Horak F B, Mancini M. Objective Biomarkers of Balance and Gait for Parkinson’s Disease Using Body-Worn Sensors[J]. Movement Disorders, 2013,28(11):1544-1551.

[ 7 ] Mancini M, Salarian A, Carlson-Kuhta P, et al. ISway: a Sensitive, Valid and Reliable Measure of Postural Control[J]. J Neuroeng Rehabil, 2012,9(1):59-67.

[ 8 ] Mancini M, Horak F B, Zampieri C, et al. Trunk Accelerometry Reveals Postural Instability in Untreated Parkinson’s Disease[J]. Parkinsonism & Related Disorders, 2011,17(7): 557-562.

[ 9 ] Prieto T E, Myklebust J B, Hoffmann R G, et al. Measures of Postural Steadiness: Differences between Healthy Young and Elderly Adults[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1996,43(9):956-966.

[10] Maetzler W, Mancini M, Liepelt-Scarfone I, et al. Impaired Trunk Stability in Individuals at High Risk for Parkinson’s Disease[J]. PLOS One, 2012,7(3):e32240.

[11] O’Sullivan M, Blake C, Cunningham C, et al. Correlation of Accelerometry with Clinical Balance Tests in Older Fallers and Non-Fallers[J]. Age and Ageing, 2009,38(3):308-313.

[12] Zampieri C, Salarian A, Carlson-Kuhta P, et al. The Instrumented Timed up and Go Test: Potential Outcome Measure for Disease Modifying Therapies in Parkinson’s Disease[J]. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry, 2010,81(2):171-176.

[13] Palmerini L, Mellone S, Avanzolini G, et al. Quantification of Motor Impairment in Parkinson's Disease Using an Instrumented Timed up and Go Test[J]. Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, 2013,21(4):664-673.

[14] Weiss A, Herman T, Plotnik M, et al. Can an Accelerometer Enhance the Utility of the Timed Up & Go Test when Evaluating Patients with Parkinson’s Disease?[J]. Medical Engineering & Physics, 2010,32(2):119-125.

【責任編輯: 祝穎】

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

中圖分類號:TH 824.4; TP 212.1

文獻標志碼:A

作者簡介:鄒亞(1988-),男,江蘇徐州人,東南大學碩士研究生.

文章編號:2095-5456(2015)01-0044-05