樊 萌，任福漢，李文強，樊永生

(1.中北大學 大數(shù)據(jù)學院，山西 太原 030051；2.中北大學 電氣與控制工程學院，山西 太原 030051；3.中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

0 引 言

平衡能力是指人體在受到外部干擾時，通過協(xié)調(diào)自身的神經(jīng)、肌肉、關(guān)節(jié)等，能夠使身體回到平衡狀態(tài)[1]的能力.平衡能力在日常生活中起到了舉足輕重的作用，人類的各種行為活動都需要通過平衡能力實現(xiàn).人體平衡能力也是選拔運動員、檢驗運動員訓練效果、優(yōu)化訓練計劃的一個重要指標；對于腦卒中、頸椎病、帕金森等患者，通過對病患進行科學、準確的人體平衡能力測試，可以有效地輔助醫(yī)師做出正確的醫(yī)學診斷，制定康復訓練計劃，檢驗康復效果[2-3].

現(xiàn)階段在臨床中普遍被人接受的方法為Berg平衡能力測量法[4]，通過患者主動施力或醫(yī)護人員對患者施力進行測量，但是由于是人為施力，存在個體差異，隨機性較大.目前國內(nèi)主流的定量檢測平衡能力的方法為基于靜態(tài)姿勢描記圖法[5]，由于其功能相對單一，評價標準難以客觀反映人體的真正平衡能力水平.在被動平衡能力檢測方面，國外有學者提出了將隨機振動脈沖形式的位移加入被測者足底，通過力平臺采集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析被測人員的平衡功能狀態(tài)[6-7].本文提出一種人體平衡能力智能測試方法，患者和健康人群均可通過測試系統(tǒng)的測試項目進行自我檢測，在測試結(jié)束后及時得到準確的自身測試報告，測試數(shù)據(jù)可保存至個人專屬數(shù)據(jù)庫，方便患者檢驗自身平衡能力變化，也有益于健康人群進行有效預防.

1 測試原理

人在站立不動時，人體重心會在一定范圍內(nèi)不規(guī)則移動，若移動范圍較小，則人體平衡能力較好，移動范圍較大，則平衡能力不好[8].因此，通過測量人體站立時重心移動范圍，就可測定人體平衡能力.人體平衡能力與先天因素和后天疾病都有關(guān)系.

1.1 影響因素

人體平衡能力是人體重要的生理機能之一，它是指人體維持自身穩(wěn)定性的能力，如人體維持某種姿勢不變或者受到外力作用時人體能夠保持機體平衡[9].在生理學方面，人體平衡能力的維持主要依賴于視覺、前庭器官和本體感受系統(tǒng)的信息輸入以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)對所有信息的整合與對運動效應器的控制[10].首先，運動環(huán)境、運動方向等信息通過視覺處理后傳遞到中樞神經(jīng)；人體自身的空間位移信息被前庭覺獲取，中樞神經(jīng)通過前庭覺獲取到上述信息并進行相應的處理；軀體感覺則是通過人體肌肉、韌帶和關(guān)節(jié)等體現(xiàn)，中樞神經(jīng)通過軀體感覺獲取軀體各部位的位置、狀態(tài)信息，從而控制軀體運動[11].以上三類本體感覺對維持自身平衡起著至關(guān)重要的作用，任一位置發(fā)生異常，都會使人體失去平衡，導致人在站立時重心坐標出現(xiàn)大幅度擺動.

1.2 人體重心坐標測試原理

測量人體站立時重心移動范圍可判定人體平衡能力.重心坐標測試原理如圖1 所示.以測試平臺幾何中心作為原點O，左右兩邊中點連線所在直線為X軸，過原點垂直于X軸的所在直線為Y軸.A、B、C、D四個壓力傳感器以原點為中心，對稱分布于測試平臺，4個壓力傳感器坐標分別為(a,b)，(-a,b)，(-a,-b)，(a,-b).

圖1 測試平臺受力示意圖

設人體重力為G，重心在測試平臺上的投影點坐標為(x,y)，F(xiàn)A,FB,FC,FD為壓力傳感器所受壓力，它們的合力與重力大小相等.只考慮力的大小有

G=FA+FB+FC+FD.

(1)

根據(jù)力矩平衡公式可得

FA*a+FB*(-a)+FC*(-a)+

FD*a=G*x,

(2)

FA*b+FB*b+FC*(-b)+

FD*(-b)=G*y.

(3)

由式(2),(3)可得人體重心在測試平臺上投影點坐標公式為

(4)

(5)

1.3 重心軌跡包絡面積

每隔固定一段時間對重心投影點坐標進行一次測試，根據(jù)所得的重心投影點繪出坐標軌跡，軌跡線上的點為人體重心發(fā)生變化時可能經(jīng)過的位置.所以，在計算包絡面積時需要將各個重心投影點的坐標以及重心投影點軌跡線考慮在內(nèi).本文采取計算最小凸邊形的方法來計算包絡面積.假設各個重心投影點和軌跡線如圖2 所示，由圖2 可得其最小凸邊形如圖3 所示(最小凸邊形由虛線繪制)，其包括了所有的重心投影點和軌跡線上的點.

圖2 重心投影點及其移動軌跡

圖3 重心投影點集最小凸邊形

計算圖3 中的最小凸邊形的算法如下：

計算步驟1：

1)依據(jù)重心投影點坐標y軸的值進行升序排序，若y軸的值相等，則對比x軸的值，x軸較小的點在前.取y最小值的重心投影點，記為P1(x1,y1).

2)連接P1與其他重心投影點Pi，分別計算線段P1Pi與P1所在直線的夾角，將線段依據(jù)夾角大小進行升序排序，夾角相等的情況下，將線段較短的置前.依據(jù)上述規(guī)則排序后，將線段另一端點Pi，按P2…Pn標號，坐標依次為P2(x2,y2)…Pn(xn,yn).

3)從i=1開始判斷凸點，依次檢查相鄰的三個點Pi,Pi+1,Pi+2，連接Pi和Pi+1，得到直線L，判斷Pi+2是否位于直線L的左邊，若位于左邊則表示Pi+1為凸點，對其保留，并令i=i+1，繼續(xù)判斷其他點；若位于右邊或直線上，則Pi+1為凹點，刪除Pi+1點，回退到上一個點重新判斷，具體判斷方法如算法2所示；將點集中所有的點進行遍歷判斷，保留下來的點構(gòu)成了重心投影點集的最小凸邊形.

計算步驟2：

Pi+1凹凸性判斷：假設Pi、Pi+1、Pi+2三個點的坐標分別為(xi,yi)，(xi+1,yi+1)，(xi+2,yi+2)，計算凹凸判別變量K的值

K=xi+1yi+2-xi+2yi+1+xi+2yi-xiyi+2+

xiyi+1-xi+1yi.

(6)

當K>0時,表示Pi+2位于直線PiPi+1左邊，Pi+1為凸點；當K<0,表示Pi+2位于直線PiPi+1右邊，Pi+1為凹點，刪除Pi+1；當K=0時,表示Pi+2在直線PiPi+1上，Pi+1為中性點，本文中選擇刪除該點.

通過組合三角形法計算最小凸邊形的面積，可得重心軌跡包絡面積.

計算步驟3：

已知三角形的三個點分別為a(x1,y1)，b(x2,y2)，c(x3,y3)，其面積公式為

x3)(y1-y3)|.

(7)

以P1(x1,y1)為公共點，把最小凸邊形劃分為(n-2)個三角形，計算這(n-2)個三角形的面積，并進行累加得到最小凸邊形面積，計算公式為

(xi-1-xi)(y1-yi)|.

(8)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程圖

2.1 系統(tǒng)組成

嵌入式測試系統(tǒng)通過壓力傳感器與陀螺儀采集人體重心坐標以及軀體角度數(shù)據(jù)，由STM32進行數(shù)據(jù)分析，并將數(shù)據(jù)通過串口通信，上傳至Android客戶端人機交互系統(tǒng)實時向測試者展示，與此同時，Android客戶端通過Socket上傳至醫(yī)師監(jiān)控系統(tǒng)，由醫(yī)師監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)保存至MySql數(shù)據(jù)庫.系統(tǒng)組成如圖4 所示.

圖4 系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)主要包括測試、訓練、查詢?nèi)齻€功能.具體系統(tǒng)流程如圖5 所示.

用戶打開測試系統(tǒng)后，系統(tǒng)首先進行初始化，初始化完成后由用戶進行功能選擇：當用戶選擇訓練功能時，壓力傳感器與陀螺儀采集數(shù)據(jù)后，由嵌入式系統(tǒng)計算相關(guān)數(shù)據(jù)，并且通過與數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進行對比，分析患者平衡能力是否有改善，之后將數(shù)據(jù)在Android客戶端實時顯示；當用戶選擇測試功能時，壓力傳感器與陀螺儀會進行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)通過力矩平衡原理進行計算得出重心坐標，隨后通過包絡面積算法計算重心坐標移動范圍，系統(tǒng)將依據(jù)相關(guān)測試指標對比測試數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控端，保存至MySQL數(shù)據(jù)庫中，在Android客戶端，用戶可與實時查看測試結(jié)果；當用戶選擇查詢功能時，Android客戶端需要獲取用戶ID和密碼進行驗證，驗證成功后連接MySQL數(shù)據(jù)庫并在數(shù)據(jù)庫中查找測試數(shù)據(jù)，隨后將歷史測試數(shù)據(jù)顯示于客戶端.

圖5 系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)果分析

3.1 硬件部分展示

人體平衡能力測試儀采用的核心壓力傳感器HX711原理圖如圖6 所示.

人體平衡能力測試儀的成品硬件PCB圖如圖7 所示.

圖6 壓力傳感器HX711原理圖

圖7 人體平衡能力測試儀的成品硬件PCB圖

3.2 系統(tǒng)展示

人體平衡能力測試系統(tǒng)整體如圖8 所示.

圖8 系統(tǒng)整體展示

3.3 測試數(shù)據(jù)指標

表1 測試指標參考范圍

3.4 靜物測試

用靜止物體測試時，由于靜止物體的重心位置是固定，所以各類測試指標理論上應為固定值.由此可以通過對靜止物體進行平衡測試來測定系統(tǒng)誤差大小以及測試結(jié)果的準確性.本文對10，20，30，40，50，60 kg六種標準重量塊各進行了多次重復實驗，測試指標為包絡面積(mm2).測試結(jié)果如表2 所示.

靜物測試時，包絡面積理論上應為零，但在放置重量塊時，由于壓力傳感器本身的電壓波動以及HX711的測量誤差導致存在系統(tǒng)擾動，使得測試結(jié)果存在一定的誤差.由表2 可以看出，隨著被測物體重量的增加，系統(tǒng)誤差越來越小.被測物體為60 kg時，計算所得的包絡面積為1.80 mm2(此為多次測量平均值).我國健康成年人經(jīng)過平衡測試，平均包絡面積值約是300 mm2[12]，測量的系統(tǒng)誤差值是標準值的0.6%，測試結(jié)果較為準確.多次測量同一重量物體，其測量偏差均值較小，并且隨著被測物體質(zhì)量增加，偏差均值下降，驗證了測試系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性.

表2 靜物測試實驗結(jié)果

3.5 人體測試

本測試為典型的雙足睜眼測試，實驗對象為健康狀況良好的24歲男性，其身高175 cm，體重66 kg.被測對象需要在每次測試時在平臺靜止站立30 s，3 min后進行下一次重復實驗.以Area(包絡面積/ mm2)、SDx(X軸方向標準差)、SDy(Y軸方向標準差)、vx(X軸方向移動速度/mm·s-1)、vy(Y軸方向移動速度/mm·s-1)、Lng(運動軌跡長度/mm)為測試指標[13-14].SDx計算式為

(9)

式中：N為總測試次數(shù)；vx為X軸方向移動速度；μx為多次測試X軸方向移動速度的平均值；SDy計算式為

(10)

式中：vy為Y軸方向移動速度；μy為多次測試Y軸方向移動速度的平均值；Lng計算式為

(11)

式中：xi為被測者重心坐標x值；yi為被測者重心坐標y值，由于測試過程中，被測人員重心坐標點非常密集，所以重心坐標點描繪的曲線長度可近似為n個點依次連接距離長度之和.

測試結(jié)果如表3 所示.

對比我國成年人平衡測試指標，顯然被測男子的各項測試指標都在正常范圍內(nèi)，平衡能力良好.由表3可得，多測試后，偏差均值降低.

表3 人體測試結(jié)果

表4 為與基于力平臺的平衡能力測試系統(tǒng)[15]中的雙足睜眼測試數(shù)據(jù)的對比，實驗中被測人員身高177cm，體重68kg.與本文中被測試者身高體重相近，對比可得本系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性.

表4 人體測試結(jié)果對比

圖9 為某次雙足睜眼測試在客戶端顯示的測試結(jié)果.

圖9 Android客戶端測試結(jié)果

醫(yī)師端電腦的監(jiān)測結(jié)果如圖10 所示.

圖10 醫(yī)師端電腦監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)控端顯示的測試報告如圖11 所示.

圖11 測試報告

4 結(jié) 論

本文研究了力矩平衡原理、包絡面積算法在人體平衡能力測試中的應用，并利用STM32、Android與PC聯(lián)合研制了人體平衡能力智能測試系統(tǒng).根據(jù)力矩平衡原理測試人體重心移動軌跡、計算人體重心包絡面積，實現(xiàn)人體平衡能力的可視化測試，對運動員選拔、病人康復訓練有重要意義.根據(jù)系統(tǒng)的功能需求制定了平衡能力測試體系，確定了測試方法和測試指標，設計了相應測試項目以及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).試驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的準確性與穩(wěn)定性，可以幫助醫(yī)生判斷測試者平衡能力的好壞以及影響因素.下一步計劃搭建云數(shù)據(jù)庫，將測試者的數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫，增加測試數(shù)據(jù)數(shù)量，以便于分析人體平衡能力的各項指標.