一种针对神经退行性疾病患者的动态平衡测评装置及方法

本发明属于动态平衡检测设备，涉及一种针对神经退行性疾病患者的动态平衡测评装置及平衡能力指标提取方法的设计。

背景技术：

1、人体平衡能力是指感知身体重心并通过肢体等运动将身体重心控制在支撑面内的能力，良好的平衡能力是进行各种日常活动的基本条件，更是进行体育运动的前提保证。老年人的平衡功能在60岁以后，由于生理功能的退行性变化而明显下降，每10年大概下降16％或更多，容易出现跌倒的情况。退行性病变是导致老年人平衡能力下降的主要原因，比如脑卒中等神经系统疾病患者的平衡能力远较正常人差，对这类患者进行平衡能力测量可以作为患病程度和治疗效果的一个检测指标。因此，探寻一种能够准确有效评估神经退行性疾病患者平衡能力的测评装置及相应平衡指标的提取在临床上具有非常重要的指导作用。目前最普遍的是利用三维测力平台系统来评定神经退行性疾病患者的平衡能力。

2、身体未受干扰下安静站立期间的平衡被称为静态平衡，而维持和恢复内部或外部干扰的平衡被称为动态平衡。人体平衡姿态控制能力的外在表现为使身体的重心(cog)在小范围内摆动，控制能力好，则摆动越小，反之亦然。因此，可通过测量cog轨迹评估人体平衡能力。值得指出的是，直接测量cog的变化相当困难，故一般研究皆通过间接测量进行衡定。重力的表现形式为人体对支撑平面的压力，将cog在支撑面上的投影记为压力中心(cop)。当cog出现晃动时，相应的cop也会出现同步变化，换言之，cop轨迹可反映身体晃动的特征。因此，采用测力平台测量cop已成为研究者研究姿态控制、衡量人体平衡能力的普遍研究方法。

3、随着运动生物力学的发展以及在相关领域的应用需要，越来越多的研究人员开始从事该类测量设备及算法的研究，在平台的灵敏性和稳定性方面有了很大提高，但目前现有的三维测力平台大多是静置于平面上的，平衡算法和分析也是基于静态。基于静态平衡下的平衡区分指标对神经退行性疾病患者的平衡能力判别准确度有限，因此设计一种动态的人体平衡测评装置及提取平衡区分指标对临床上判断神经退行性疾病患者平衡等级具有非常重要的指导作用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种针对神经退行性疾病患者的动态平衡测评装置及方法。

2、一种针对神经退行性疾病患者的动态平衡测评装置，包括测力板、摆动平面、底座、电动推杆机构、支撑杆、数据传输模块和上位机。所述的测力板是上表面为光滑平面的平板，测力板的四个角均设有力传感器，测力板下表面设置有摆动平面；所述的摆动平面下表面中部设置有与摆动平面平行设置的中部摆动支架；所述的底座两侧设置有对称分布的支撑架，所述的两侧的支撑架一端与中部摆动支架的两端转动连接，另一端与底座固定连接，实现对测力板和摆动平面的支撑。所述的电动推杆机构，包括直流电机和伸缩杆，电动推杆机构的底部与底座固定铰链连接，伸缩杆的伸出端与摆动平面的一侧铰链连接。整个电动推杆机构工作原理为在直流电机带动下伸缩杆做伸缩运动，从而带动测力板和摆动平面相对水平面±5°摇摆。所述的数据传输模块用于将测力板上的力传感器信号上传至上位机，通过上位机进行平衡等级认定。

3、在一实施例中，所述的测力板上表面还设置有测力盖板，以保护测力板，测力板与测力盖板作为测力平台，用于支撑人体站立。

4、在一实施例中，动态平衡测评装置还设置有封装板、防护栏和安全梯；所述的封装板用于对电动推杆机构进行封装，防止电动推杆机构裸露在外；所述的防护栏围绕动态平衡测评装置设置，防护栏底部固定在底座上，用于保证测试者安全；所述的安全梯设置在底座的一侧，位于安全梯一侧的防护栏设置有能够开合的闸门，用于帮助测试者站上测力板；

5、一种针对神经退行性疾病患者的动态平衡测评方法，方法基于动态平衡测评装置，包括以下步骤：

6、步骤一、接通动态平衡测评装置电源，对动态平衡测评装置进行复位，使测力板与地面平行；

7、步骤二、启动动态平衡测评装置，通过电动推杆机构带动测力板以正弦规律x＝asinθ做摇摆运动，得到一个测试周期内所有时刻的力传感器信号输出。

8、步骤三、上位机将步骤二中得到的所有时刻运动坐标系下的信号输出转换为参考坐标系下的信号输出。

9、步骤四、上位机通过力学关系，基于步骤三中得到的所有时刻的信号输出在参考坐标系下的对应信号输出分析计算得到所有时刻的压力中心cop在参考坐标系上的平面坐标。

10、步骤五、上位机将步骤四中得到的所有cop点绘制在平面极坐标图上，得动态平衡下cop变化轨迹图；计算三个平衡能力参数指标用于对神经退行性疾病患者的平衡能力进行分级。

11、步骤六、基于每个患者的动态平衡能力参数进行平衡等级认定。

12、进一步的，步骤一具体操作如下：

13、接通动态平衡测评装置电源，对动态平衡测评装置进行复位，使测力板与地面平行；此时测力板所在的坐标系为参考坐标系(x1,y1,z1)，坐标原点为测力板中心。测试者站立在测力平台上，上位机实时监测测力板；通过设置在测力板上的四个力传感器输出的组合，可得到初始坐标下的六路信号输出为：

14、

15、其中，力f和力矩m的单位分别为n和n·m，下标x1,y1,z1分别代表沿摆动平面短边方向，沿摆动平面长边方向，垂直于摆动平面方向。由此计算压力中心cop的平面坐标：

16、

17、其中,h为测力盖板的厚度。

18、进一步的，步骤二具体操作如下：

19、启动动态平衡测评装置，测力板以正弦规律x＝asinθ做摇摆运动。设t时刻下测力板的运动坐标系为(xt,yt,zt)，坐标原点为测力板中心，在t时刻下的坐标系相对于参考坐标系产生角度θ的改变。

20、将动态平衡测评装置的平台结构由空间图形转化为平面三角形abd，其中a点为中部摆动支架与支撑架铰点，b为伸缩杆顶端与摆动平面铰点，d为电动推杆机构的底部与底座固定铰点，c点为伸缩杆底端。θ为摆动平面与水平方向的锐夹角；x为伸缩杆的伸出量bc；a为伸缩杆底端c到铰点d的距离cd，故x+a＝bd；b为ab的距离；c为ac初始长度。则在三角形abd中，由余弦定理得伸缩杆伸出量x与摆动平面转动角度θ之间的函数为：

21、

22、当θ为正时，摆动平面左高右低；当θ为负时，摆动平面左低右高。伸缩杆的伸出量x由电机的电压控制，能够视情况调节。

23、上位机通过力传感器实时监测测力板在运动坐标系内的力与力矩；得到在t时刻下的信号输出为：

24、

25、得到一个测试周期50s内所有时刻的信号输出，其中测力板每10～15秒完成摇摆一次，测力板摆动一次得到5000～7500组信号输出。

26、进一步的，步骤三具体操作如下：

27、将运动坐标系下的信号输出转换为参考坐标系下的信号输出的关系式如下：

28、

29、其中，下标t表示t时刻，t时刻的信号输出在参考坐标系下的对应信号输出为：

30、

31、进一步的，步骤四具体操作如下：

32、所有时刻的压力中心cop在参考坐标系上的平面坐标的计算公式如下：

33、

34、其中,h为测力盖板的厚度。

35、进一步的，步骤五具体操作如下：

36、在统计分析之前，对获得的cop点经过四阶butterworth低通滤波处理，截止频率设置为8hz。在平衡测试中，测力板中心位置的坐标原点是cop点的起始点。由于每次收集的cop点的起始点不同，因此在实际计算前，以x和y方向上cop的平均坐标值作为偏移值进行移除，即

37、选择了三个平衡能力参数指标用于对神经退行性疾病患者的平衡能力进行分级：(1)cop摇摆轨迹的长度lgt(l)，(2)cop摇摆轨迹在x、y方向的摆动半径(rx、ry)，(3)压力中心cop轨迹包络面积(s)，并通过上述三个平衡能力参数指标来评估人体的平衡能力。计算公式分别如下：

38、

39、其中n为一个测试周期50s内测得的数据个数，下标i表示第i个数据相应的对应值。

40、包络面积指的是在一个测试周期内采集的cop点轨迹游走的总共面积，表征了身体摆动范围的大小，包络面积的计算思路是：首先搜索cop轨迹的外轮廓点，这些外轮廓点构成一个包含所有cop点的凸多边形，接着计算该凸多边形面积即为cop的包络面积。具体算法如下：输入轨迹平面上第i个cop点的坐标(xi,yi)，

41、(1)按纵坐标y值的大小将所有cop点重新排序，并以p1,p2,...,pn重新标记，记最小y坐标点为p1，如果有两个相同的最小y值，则比较这两个坐标的横坐标x的大小，选择其中x较小的点作为p1；

42、(2)把其余坐标点按直线p1pi与p1所在水平线所构成的夹角值按升序排序，若夹角相同，则按p1pi的距离从小到大排序，直至完成余下各个点p2,...,pn的重新编号；

43、(3)使用矢量法逐次检查相邻3个点pi,pi+1,pi+2，若∠pi+2pi+1pi…＜180°，则将pi前进到pi+1进行下一轮检查；若∠pi+2pi+1pi…＞180°，则去除顶点pi+1，将后续所有顶点编号前移一个，即将原顶点pi+2重新编号成顶点pi+1，以此类推。然后继续逐次检查相邻3个顶点直至检查完所有顶点停止。由于角度计算较为繁琐，可将角度计算以及其与180°比较转化成坐标数值计算，具体做法如下：

44、已知三相邻cop点pi(xi,yi)，pi+1(xi+1,yi+1)，pi+2(xi+2,yi+2)，令：

45、t＝(xiyi+1-yixi+1)+(xi+1yi+2-yi+1xi+2)+(xi+2yi-yi+2xi)，

46、t即为凹凸点的判别量，当t＞0时，则pi+1为凸点；当t＜0，则pi+1为凹点，当t＝0，则pi+1为中性点，计算过程中将凹点和中性点删除。从i＝1开始计算t值并对pi+1点进行凹凸点的判别。

47、(4)当遍历了所有点之后，余下的点就是凸多边形的顶点。

48、已知凸多边形顶点的坐标值，结合以下三角法公式计算出包络面积：

49、

50、式中，si-2从i＝3开始计算(下标i代表第i个凸多边形顶点)，遍历至凸多边形顶点的最后一点。最后将所有si-2的值累加得到总包络面积s。

51、进一步的，步骤六具体操作如下：

52、分别计算得到每个患者的动态平衡能力参数后，将各个患者的各个平衡能力参数分别进行归一化处理：

53、

54、式中n'为参数原值(分别为l，rx，ry，s)，nmin为所有测试者中相应参数的最小值，nmax为所有测试者中相应参数的最大值，n为归一化之后的值。

55、经过归一化再求各平衡能力参数的加权值其中加权值j大于或等于j1认定平衡能力为ⅰ级；值为j1到j2之间的病人认定为平衡能力为ⅱ级；值为j2到j3之间的病人认定为平衡能力为ⅲ级；值为j3到j4之间的病人认定为平衡能力为ⅳ级；值小于j4的病人认定为平衡能力为ⅴ级。

56、进一步的，对于脑卒中患者：加权值j大于或等于0.35时认定平衡能力为ⅰ级；值为0.25到0.35之间的病人认定为平衡能力为ⅱ级；值为0.20到0.25之间的病人认定为平衡能力为ⅲ级；值为0.05到0.20之间的病人认定为平衡能力为ⅳ级；值小于0.05的病人认定为平衡能力为ⅴ级。

57、本发明有益效果如下：

58、本发明的动态平衡测评装置采用直流电机带动，角速度ω和摆动幅度a均可以调节，因此适用范围广泛。整个装置材料采用铝合金，在保证强度的要求下，结构简单，容易操作，设备轻便，同时缩短了制造周期，降低成本。摆动装置中间采用镂空设计，既可以防止电机触碰上板，又可以减轻重量。计算方法基于动态平衡测评装置，在数据处理中，在原坐标系基础上，只需测量出坐标轴之间相对转动的角度，将所得转换矩阵带入几何关系式和力学公式中，就可得到在动态平衡测评装置下的压力中心坐标。在保证了平台稳定性和安全性的基础上，提供了一种更精确的测试实验方法。

59、本发明研发的人体动态平衡测评装置是采集摆动后人体压力中心轨迹的设备，并通过设计的平衡能力参数对患者平衡能力进行判断，解决了现有的基于静态平衡下的平衡区分指标对神经退行性疾病患者的平衡能力判别准确度有限的问题，提高了神经退行性疾病患者的平衡能力判别准确度。