基于COP偏移量視覺(jué)反饋的人體姿態(tài)鎮(zhèn)定

裴立力 李洪誼 伏云發(fā) 李江濤

1(中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016)

2(山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院，太原 030006)

3(中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

4(中國(guó)電信太原分公司，太原 030002)

引言

人體姿態(tài)鎮(zhèn)定，源自英文stabilization of posture及 postural stabilization，其“鎮(zhèn)定”含義與控制領(lǐng)域類似，是指人體控制及調(diào)整自身姿態(tài)，以達(dá)到穩(wěn)定姿態(tài)或改善姿態(tài)穩(wěn)定性的目的。人體姿態(tài)鎮(zhèn)定，在老年人平衡輔助、體育運(yùn)動(dòng)平衡保持及下肢殘障人士康復(fù)運(yùn)動(dòng)理療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在人體姿態(tài)鎮(zhèn)定的眾多影響因素當(dāng)中，視覺(jué)的作用尤為突出[1-3]。視覺(jué)反饋技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)充了視覺(jué)的姿態(tài)感知功能，將由姿態(tài)測(cè)量?jī)x器測(cè)得的人體姿態(tài)狀況以視覺(jué)信號(hào)的形式反饋給人體[4-6]，其對(duì)人體姿態(tài)的鎮(zhèn)定作用成為當(dāng)前姿態(tài)控制研究的熱點(diǎn)[4-9]。

然而，目前關(guān)于視覺(jué)反饋對(duì)人體姿態(tài)鎮(zhèn)定作用的研究多集中于疾病康復(fù)與平衡能力改善，研究者大多關(guān)注于視覺(jué)反饋對(duì)諸如帕金森與中風(fēng)病人等病變或術(shù)后人群人體姿態(tài)控制的作用[7-9]，對(duì)健康人體視覺(jué)反饋的姿態(tài)影響研究較少，而關(guān)于健康人體的研究是發(fā)掘人體姿態(tài)控制機(jī)制的必要環(huán)節(jié)，對(duì)于合理設(shè)計(jì)疾病康復(fù)訓(xùn)練方法和平衡能力恢復(fù)方案具有重要的指導(dǎo)作用。Rougier曾將人體足底壓力中心(center of pressure，COP)運(yùn)動(dòng)軌跡通過(guò)顯示器反饋給健康青年人，并發(fā)現(xiàn)其COP位移方差顯著減小[10]。但Rougier采用的這種視覺(jué)反饋方式要求被試對(duì)象通過(guò)COP相鄰點(diǎn)的相對(duì)位置差異來(lái)判斷自身姿態(tài)狀態(tài)，反饋信息不夠明確，增加了被試對(duì)象的負(fù)擔(dān);且相對(duì)位置差異對(duì)于COP的整體漂移不敏感，COP信息利用得不充分。Cawsey研究視覺(jué)反饋增益范圍時(shí)，在COP運(yùn)動(dòng)軌跡基礎(chǔ)上增加了姿態(tài)平衡點(diǎn)顯示[2]，其姿態(tài)反饋信息比 Rougier明確;但Cawsey未描述其反饋信號(hào)的具體形式，且其實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，難以排除被試對(duì)象疲勞及自身特性變化等因素對(duì)視覺(jué)反饋?zhàn)藨B(tài)鎮(zhèn)定作用的影響。

針對(duì)上述研究的不足，為充分利用COP信息，筆者設(shè)計(jì)了基于COP偏移量的視覺(jué)反饋指示器，通過(guò)對(duì)比、分析健康青年人在靜態(tài)與視覺(jué)反饋兩種視覺(jué)條件下人體姿態(tài)搖擺特性的變化，揭示視覺(jué)反饋對(duì)人體姿態(tài)控制的鎮(zhèn)定作用及其發(fā)生機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 被試對(duì)象

12名健康青年志愿者(女性2名，男性10名)參與了姿態(tài)測(cè)試。被試對(duì)象年齡(26.4±2.6)歲，身高(170.1±6.3)cm，體重(66.2±9.1)kg。所有被試對(duì)象均無(wú)姿態(tài)及與之相關(guān)的肌肉、骨骼、神經(jīng)疾病，視力正?；虺C正視力正常。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所批準(zhǔn)，所有被試對(duì)象對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均知情同意。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

姿態(tài)實(shí)驗(yàn)在2.5 m×4.0 m的封閉實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)環(huán)境及設(shè)備如圖1所示。視覺(jué)場(chǎng)景由固定于天花板的投影儀(Toshiba TDP-T355)投射到懸掛于墻壁的投影屏幕(1.5 m×2.0 m)上，被試對(duì)象面對(duì)投影屏幕站立在與屏幕水平相距2.2 m處的測(cè)力臺(tái)(Kistler 9286BA)上，測(cè)力系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡(NI PCI-6229)與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連。

1.3 視覺(jué)條件

在靜態(tài)條件下，視覺(jué)場(chǎng)景由1.5 m×2.0 m的黑色背景與直徑160 mm的白色目標(biāo)圓斑(視角范圍約為3.7°)組成(見圖2(a))，目標(biāo)圓斑固定于黑色背景之上。在視覺(jué)反饋條件下，視覺(jué)場(chǎng)景中增加了與目標(biāo)圓斑相同半徑的藍(lán)色參考圓環(huán)，目標(biāo)圓斑與參考圓環(huán)構(gòu)成視覺(jué)反饋指示器(見圖2(b))，圓環(huán)標(biāo)記COP參考位置固定于黑色背景之上;圓斑位置由軟件控制，依據(jù)測(cè)力臺(tái)測(cè)得的當(dāng)前姿態(tài)信息，可跟隨被試對(duì)象COP變化而運(yùn)動(dòng)，跟隨速率與姿態(tài)信號(hào)采樣率一致。該指示器可明確指示當(dāng)前COP位置相對(duì)于參考位置的偏移量，而參考位置由特定時(shí)段的COP位置均值計(jì)算，可適應(yīng)不同被試對(duì)象姿態(tài)控制特性的差異。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及設(shè)備((1)：投影屏幕;(2)：測(cè)力臺(tái);(3)：主機(jī);(4)：投影儀;(5)：被試;(6)：主試)Fig.1 Schematic representation of experimental environment and apparatus((1)：Screen;(2)：Force platform;(3)：Computer;(4)：Projector;(5)：Subject;(6)：Experimenter)

圖2 視覺(jué)場(chǎng)景示意。(a)靜態(tài);(b)視覺(jué)反饋Fig.2 Schematic representation of static and feedback visual scenes.(a)Static;(b)Feedback

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

被試對(duì)象光腳站立在測(cè)力臺(tái)上，雙腳分開與肩同寬，雙手自然懸垂身體兩側(cè)，雙眼水平注視投影屏幕上的目標(biāo)圓斑，如圖1所示。

在靜態(tài)視場(chǎng)條件下，要求被試對(duì)象盡量保持身體直立靜止，雙眼始終注視固定目標(biāo)圓斑。

在視覺(jué)反饋條件下，測(cè)試前5 s，目標(biāo)圓斑靜止，要求被試對(duì)象盡量保持身體直立靜止，雙眼注視固定圓斑;5 s結(jié)束時(shí)，計(jì)算前 5 s COP均值，位置COPref作為參考位置;5 s結(jié)束后，目標(biāo)圓斑依照被試對(duì)象當(dāng)前COP相對(duì)于COPref的偏移量運(yùn)動(dòng)。目標(biāo)圓斑的上下(左右)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于當(dāng)前COP向前(向左)或向后(向右)偏離 COPref，圓斑運(yùn)動(dòng)幅度正比于COP相對(duì)COPref的偏離量。在目標(biāo)圓斑運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求被試對(duì)象盡量利用踝關(guān)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)自身姿態(tài)控制目標(biāo)圓斑，使其盡量與參考圓環(huán)重合。

正式測(cè)試開始前，被試對(duì)象須進(jìn)行多次練習(xí)，以確保其完全領(lǐng)會(huì)并能嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)驗(yàn)要求。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩種視覺(jué)條件各重復(fù)5次，同一被試對(duì)象共需完成10組測(cè)試，測(cè)試順序隨機(jī)。每組測(cè)試時(shí)長(zhǎng)設(shè)為70 s，測(cè)試完畢要求被試對(duì)象坐下休息至少1 min，測(cè)試數(shù)目過(guò)半后，被試對(duì)象休息3 min以上。

1.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析

姿態(tài)數(shù)據(jù)采集程序基于LabView 8.5 DAQmx編寫，每一測(cè)試均全程記錄人體姿態(tài)搖擺COP的運(yùn)動(dòng)軌跡，采樣頻率設(shè)為1 kHz。

測(cè)試完成后，原始COP序列經(jīng)由截止頻率6 Hz的四階ChebyshevⅡ型低通濾波器來(lái)濾波，該濾波器的通帶無(wú)紋波特性可有效保護(hù)低頻段姿態(tài)信息。此外，為剔除實(shí)驗(yàn)中不確定因素(如姿態(tài)控制中的瞬態(tài)現(xiàn)象、被試對(duì)象對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束的預(yù)期等)的影響，僅截取中間60 s(第8 s～第68 s)的COP數(shù)據(jù)作為有效姿態(tài)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析。

采用姿態(tài)穩(wěn)定性推薦參數(shù)COP位移均方根(RMS)和平均速度(MV)，在前后(AP)、左右(ML)方向及位移平面(PL)考察人體姿態(tài)控制位移及速度特性。位移計(jì)算公式為

式中，i=AP，ML，PL，n=1，…，N，N=60000(本節(jié)n，N 均取該值)，xi[n]為濾波后的 COP 軌跡對(duì)其均值點(diǎn)COPref的偏移序列。速度計(jì)算公式為

式中，j=AP、ML，T=60 s。

為考察人體姿態(tài)搖擺范圍的變化，采用了面積參數(shù)——95% 置信橢圓面積 EA[11]，有

利用中位頻率 MPF(median power frequency)[11]，在AP和ML方向上考察了兩種視覺(jué)條件下人體姿態(tài)控制的頻率特性，有

式中，Δf=1/60 Hz為頻率分辨率，M為使得下式成立的最小整數(shù)，即

式中，psd[m]為 xAP[n]或 xML[n]的功率譜密度。

依據(jù)上述表達(dá)式計(jì)算每一測(cè)試對(duì)應(yīng)的姿態(tài)參數(shù)，取同一被試各視覺(jué)條件下5次重復(fù)測(cè)試的姿態(tài)參數(shù)平均值，作為同一被試兩種視覺(jué)條件下的姿態(tài)控制特性參數(shù)值;利用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，查驗(yàn)兩種視覺(jué)條件下各特性參數(shù)的差異顯著性(顯著性水平設(shè)為α=0.05);取全體被試對(duì)象各特性參數(shù)的平均值，計(jì)算各特性參數(shù)均值變化率的百分比，有

式中，PAfb、PAst分別為全體被試對(duì)象在視覺(jué)反饋與靜態(tài)視覺(jué)條件下的各姿態(tài)控制特性參數(shù)的均值。

2 結(jié)果

2.1 人體姿態(tài)搖擺位移特性變化

圖3展示了兩種視覺(jué)狀態(tài)下人體姿態(tài)搖擺位移均方根的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖可知，與靜態(tài)視覺(jué)條件相比，在視覺(jué)反饋條件下，COP偏移序列位移均方根在AP、ML方向及平面 PL上均顯著減小。該結(jié)果表明，視覺(jué)反饋有助于有效抑制COP變化幅度。

圖3 兩種視覺(jué)狀態(tài)下位移均方根對(duì)比Fig.3 Root mean square comparison between static and visual feedback conditions(* ：P＜ 0.05;＊＊：P＜0.01)

2.2 人體姿態(tài)搖擺速度特性變化

圖4對(duì)比了兩種視覺(jué)條件下人體姿態(tài)搖擺平均速度統(tǒng)計(jì)特性的變化。由圖可見，與靜態(tài)條件相比，視覺(jué)反饋使得 COP位移的平均速度在 AP、ML方向及平面PL上均顯著增大。這一結(jié)果表明，視覺(jué)反饋的引入可加快人體對(duì)自身姿態(tài)的調(diào)節(jié)。

圖4 兩種視覺(jué)狀態(tài)下平均速度對(duì)比Fig.4 Mean velocity comparison between static and visual feedback conditions(*：P＜0.05;＊＊：P＜0.01)

2.3 人體姿態(tài)搖擺范圍變化

圖5給出了兩種視覺(jué)狀態(tài)下人體姿態(tài)搖擺的95%置信橢圓對(duì)比，其中的COP偏移曲線取自被試對(duì)象2的第3次重復(fù)測(cè)試。由圖5可以清晰地觀察到，與靜態(tài)視覺(jué)條件相比，視覺(jué)反饋條件下的95%置信橢圓明顯減小，在AP及ML方向上橢圓覆蓋范圍均減小一半左右。

圖5 兩種視覺(jué)狀態(tài)下95%置信橢圓對(duì)比。(a)靜態(tài);(b)視覺(jué)反饋Fig.5 Example of COP deviation and 95%confidence ellipse.(a)Static;(b)Feedback

全體被試對(duì)象姿態(tài)搖擺95%置信橢圓面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6右側(cè)坐標(biāo)所示。由該圖可見，與靜態(tài)視覺(jué)條件相比，在視覺(jué)反饋條件下95%置信橢圓面積EA顯著減小。這表明：視覺(jué)反饋信息有助于抑制COP的大幅運(yùn)動(dòng)，減小了人體姿態(tài)搖擺的范圍。

2.4 人體姿態(tài)搖擺頻率特性變化

圖6左側(cè)坐標(biāo)給出了兩種視覺(jué)條件下COP偏移序列中位頻率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。該結(jié)果顯示，在視覺(jué)反饋條件下，AP及ML方向上的中位頻率均有顯著提高，表明視覺(jué)反饋的引入使得人體姿態(tài)搖擺頻率由低頻向高頻方向移動(dòng)，這與前述COP偏移序列平均速度的增大一致。

圖6 兩種視覺(jué)狀態(tài)下的中位頻率及95%置信橢圓面積對(duì)比Fig.6 Comparison of median power frequency and 95%confidence ellipse area between static and feedback conditions(＊＊：P＜0.01;＊＊＊：P＜0.001)

2.5 人體姿態(tài)特性參數(shù)均值變化率

表1列出了由式(6)計(jì)算的各特性參數(shù)均值的變化率：平均速度和位移均方根均在AP、ML方向和平面PL上考察其變化;95%置信橢圓參數(shù)為面積量，僅在平面 PL上考察其變化;對(duì)于中位頻率，由于姿態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試長(zhǎng)度限制了頻率分辨率，使其在平面PL上難以分辨，故只考察其AP及ML方向上的變化。表1結(jié)果顯示，平均速度、位移均方值及置信橢圓面積在前后方向上的變化率均大于左右方向上的變化率。

表1 人體姿態(tài)特性參數(shù)的均值變化率Tab.1 Percentage change of means of the postural parameters

3 討論

3.1 視覺(jué)反饋對(duì)人體姿態(tài)控制的鎮(zhèn)定作用

COP偏移序列位移均方根與置信橢圓均是普遍公認(rèn)的描述人體站立姿態(tài)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在基于COP偏移量的視覺(jué)反饋指示器的提示下，被試對(duì)象COP偏移序列位移均方根與95%置信橢圓面積均顯著減小。該結(jié)果表明，在視覺(jué)反饋狀態(tài)下，人體姿態(tài)搖擺的幅度和范圍均得到了明顯抑制。從抑制人體姿態(tài)搖擺的意義上來(lái)說(shuō)，視覺(jué)反饋顯著增強(qiáng)了人體對(duì)自身姿態(tài)搖擺的控制，有效改善了人體姿態(tài)控制的穩(wěn)定性，體現(xiàn)了視覺(jué)反饋對(duì)人體姿態(tài)控制的鎮(zhèn)定作用。

3.2 視覺(jué)反饋?zhàn)藨B(tài)鎮(zhèn)定作用的方向差異

對(duì)比前后方向與左右方向上的平均速度、位移均方根及中位頻率的差異顯著性及變化率，可以發(fā)現(xiàn)：兩種視覺(jué)條件下人體姿態(tài)搖擺的差異，在前后方向上比在左右方向上表現(xiàn)得更為明顯。

視覺(jué)反饋?zhàn)藨B(tài)影響上述方向的差異，可能與本姿態(tài)實(shí)驗(yàn)考察的雙足站立方式有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)采用兩腳分離的站立姿態(tài)，這種站姿可以在左右方向上提供更穩(wěn)定的支撐，而前后方向上人體姿態(tài)的穩(wěn)定性則相對(duì)較差。因此，視覺(jué)反饋提供的人體姿態(tài)搖擺信息，在前后方向上更能補(bǔ)償人體自身姿態(tài)感知的不足，進(jìn)而使視覺(jué)反饋對(duì)人體姿態(tài)控制的鎮(zhèn)定作用在前后方向上表現(xiàn)得更為突出。

3.3 視覺(jué)反饋?zhàn)藨B(tài)鎮(zhèn)定作用的產(chǎn)生機(jī)制推斷

由圖6和表1給出的中位頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，在視覺(jué)反饋條件下，人體姿態(tài)控制頻率在前后方向與左右方向上均有顯著提高，且提高幅度較大。與此同時(shí)，圖4和表1的平均速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在視覺(jué)反饋條件下，人體姿態(tài)控制調(diào)節(jié)速度顯著增大。據(jù)此推斷，視覺(jué)反饋的姿態(tài)鎮(zhèn)定作用極可能與姿態(tài)控制頻率的提高有關(guān)。視覺(jué)反饋提供由姿態(tài)測(cè)量設(shè)備獲取的姿態(tài)信息，可克服人體自身姿態(tài)感知靈敏度與精度的制約，幫助人體更及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取當(dāng)時(shí)姿態(tài)的狀況，進(jìn)而促使人體加快自身姿態(tài)調(diào)整節(jié)奏，采取更為有效的姿態(tài)控制策略，在產(chǎn)生較大姿態(tài)搖擺之前，及時(shí)糾正姿態(tài)偏差，達(dá)到鎮(zhèn)定姿態(tài)的效果。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了視覺(jué)反饋指示器，并以此考察了視覺(jué)反饋對(duì)靜止直立人體姿態(tài)控制的鎮(zhèn)定作用。研究發(fā)現(xiàn)：基于COP偏移量的視覺(jué)反饋，可有效地減小人體姿態(tài)搖擺幅度，縮小搖擺范圍，對(duì)人體姿態(tài)控制有明顯的鎮(zhèn)定作用;并且，這種鎮(zhèn)定作用表現(xiàn)出方向差異性，在前后方向上鎮(zhèn)定作用表現(xiàn)得更為明顯;視覺(jué)反饋?zhàn)藨B(tài)鎮(zhèn)定作用的產(chǎn)生可能與人體姿態(tài)控制頻率的提高有關(guān)。本研究結(jié)果可為臨床康復(fù)與平衡能力恢復(fù)的訓(xùn)練提供借鑒。

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