基于慣性傳感器的人體平衡功能的定量分析

鄒　亞, 汪　豐, 喬子晏, 高帥鋒, 毛成潔

(1. 東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 江蘇 南京　210096;

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

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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(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 江蘇 南京210096;

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

摘要:設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng),用于評(píng)價(jià)人體的平衡功能.采用基于穿戴式慣性傳感器技術(shù),采集人體在靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度和角速度數(shù)據(jù),利用所采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算評(píng)估指標(biāo),用于人體平衡功能的評(píng)價(jià).實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,人體重心的擺動(dòng)面積、擺動(dòng)軌跡、擺動(dòng)角度、完成動(dòng)作的時(shí)間、信號(hào)幅度的范圍和完成動(dòng)作努力的次數(shù)等指標(biāo)在不同測(cè)試人群之間具有明顯的差異性,而且這些指標(biāo)的特異性和敏感度也較好.認(rèn)為所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?yàn)槿梭w平衡功能的評(píng)價(jià)提供客觀真實(shí)的理論依據(jù).

關(guān)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(shí),無意識(shí)地、自發(fā)地重新恢復(fù)重心穩(wěn)定的能力,是人體順利完成其他各項(xiàng)活動(dòng)的基礎(chǔ)和重要保障,與人們的日常生活自理能力密切相關(guān).因此,對(duì)人體平衡功能進(jìn)行深入的分析與研究,具有重要的意義.

目前,有關(guān)人體平衡功能的評(píng)定方法主要包括觀察法、量表評(píng)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(duì)具有平衡功能障礙的患者進(jìn)行粗略的篩選;量表法雖然易于量化,不需專門設(shè)備即可評(píng)分,但是操作相對(duì)煩瑣,屬于主觀評(píng)定;隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展和廣泛使用,人體平衡功能的評(píng)估和康復(fù)訓(xùn)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(duì)患者的運(yùn)動(dòng)功能障礙進(jìn)行訓(xùn)練治療,但是由于價(jià)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(shù)的發(fā)展,采用慣性傳感器技術(shù)來獲取人體運(yùn)動(dòng)信息的方法越來越受到人們的青睞[3-4].在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)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(píng)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(duì)健康青年、健康老人和帕金森病(Parkinson’s disease,PD)患者三組人群進(jìn)行測(cè)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(píng)價(jià).

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的人體平衡功能評(píng)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(gè)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(gòu)主要包括控制器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、無線通信模塊和傳感器模塊五個(gè)部分,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)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(gòu)成.MPU6050芯片是全球首例整合性六軸運(yùn)動(dòng)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(cè)范圍,使用方便.本文選用的加速度和角速度測(cè)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(shù)的無線通信方式.ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的可靠、高性價(jià)比、短距離、低復(fù)雜度和低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù),其通信距離可達(dá)幾十至幾百米,通信速率可達(dá)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(qiáng)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(gòu)和實(shí)物圖

2實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作設(shè)計(jì)

根據(jù)人體平衡的定義,可以將平衡分為靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡.現(xiàn)有的基于慣性傳感器技術(shù)評(píng)價(jià)人體平衡功能的方法,主要是通過使用單個(gè)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(duì)人體的平衡能力做出綜合系統(tǒng)的評(píng)價(jià).為了解決以上問題,本文設(shè)計(jì)了一套完整的實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作,既可以用來評(píng)估人體的靜態(tài)平衡又可以評(píng)估人體的動(dòng)態(tài)平衡.

實(shí)驗(yàn)時(shí),測(cè)試對(duì)象首先按照實(shí)驗(yàn)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(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作.本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作主要包括兩個(gè)部分:①靜態(tài)平衡測(cè)量.測(cè)試對(duì)象分別完成2 min的睜眼靜止站立實(shí)驗(yàn)和閉眼靜止站立實(shí)驗(yàn).②動(dòng)態(tài)平衡測(cè)量.測(cè)試對(duì)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(shí)驗(yàn)動(dòng)作.

3系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(fù)雜動(dòng)作的基本能力.本文對(duì)人體平衡能力的評(píng)估主要是通過采集測(cè)試對(duì)象執(zhí)行指定實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作時(shí)的加速度和角速度數(shù)據(jù),進(jìn)而進(jìn)行分析計(jì)算實(shí)現(xiàn)的.

3.1　靜態(tài)平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

人體靜態(tài)平衡是指身體不動(dòng)時(shí),維持身體處于某種姿勢(shì)的能力.目前,主流的測(cè)量人體靜態(tài)平衡的方法就是重心擺動(dòng)測(cè)量法[6].它可以客觀、定量、細(xì)致地描述身體重心擺動(dòng)的程度和性質(zhì),為臨床醫(yī)生提供高效、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)依據(jù).但現(xiàn)有技術(shù)主要是采用單個(gè)加速度傳感器進(jìn)行重心擺動(dòng)加速度的測(cè)量,本文在現(xiàn)有加速度傳感器的基礎(chǔ)上又增加了角速度傳感器,而且對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理進(jìn)行了改進(jìn).結(jié)合測(cè)試對(duì)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(jì)算的靜態(tài)平衡評(píng)估指標(biāo)主要包括:重心擺動(dòng)的面積、重心擺動(dòng)的軌跡長(zhǎng)、重心在各個(gè)方向上的擺動(dòng)角度、重心在不同方向的偏移程度、睜閉眼擺動(dòng)面積的比值和重心擺動(dòng)的平滑度等[7-10].

重心擺動(dòng)的包絡(luò)面積EA是重心移動(dòng)的實(shí)際形狀.通過記錄重心擺動(dòng)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(jì)重心擺動(dòng)經(jīng)過的最小單位面積塊Smin的個(gè)數(shù)n來計(jì)算重心擺動(dòng)的包絡(luò)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(dòng)包絡(luò)面積如圖2所示.

(1)

圖2　不同人群的擺動(dòng)面積

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

(2)

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

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

(3)

(4)

式中的Wi為i時(shí)刻的角速度信號(hào),Δt為0.02s.向前和向后方向擺動(dòng)總角度的計(jì)算與向左和向右方向擺動(dòng)總角度的計(jì)算原理相同,具體可參照式(3)和式(4).擺動(dòng)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(biāo)相對(duì)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(dòng)搖就越劇烈.式(5)中的XM為左右方向加速度信號(hào)的均值,YM為前后方向加速度信號(hào)的均值.

本次大豐收·云圖杯“中國(guó)最美柑橘果園評(píng)比大賽”啟動(dòng)儀式的成功舉行，就彰顯了新型服務(wù)平臺(tái)的發(fā)展勢(shì)頭。僅用了一個(gè)星期的時(shí)間進(jìn)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(wù)的質(zhì)量，同時(shí)也彰顯了平臺(tái)的推廣力度。

(5)

睜閉眼包絡(luò)面積比AR是測(cè)試對(duì)象睜眼站立的擺動(dòng)包絡(luò)面積與閉眼站立的擺動(dòng)包絡(luò)面積的比值,結(jié)合上面的單位面積軌跡長(zhǎng),對(duì)于判斷平衡障礙的病因具有重要的診斷價(jià)值.

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

(6)

3.2　動(dòng)態(tài)平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

動(dòng)態(tài)平衡是指人體在進(jìn)行各種自主運(yùn)動(dòng)時(shí)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(píng)價(jià)人體動(dòng)態(tài)平衡的方法是量表法.本文參照Berg量表和Tinetti量表的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和醫(yī)院專家的建議,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)反復(fù)起坐實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^全面地反映人體動(dòng)態(tài)平衡的功能.根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集到的加速度和角速度數(shù)據(jù),本文主要分析計(jì)算的參數(shù)包括:完成動(dòng)作轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間,每次完成從坐到站動(dòng)作努力的次數(shù),加速度和角速度信號(hào)的幅度范圍,完成動(dòng)作期間信號(hào)的波動(dòng)性和擬合直線的斜率[11-14].其中,針對(duì)信號(hào)波動(dòng)性RMS的計(jì)算,本文采用式(7)的方法.

(7)

另外,身體擺動(dòng)角度的計(jì)算本文采用式(8)的梯形積分法,式中的θ0為起始時(shí)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(shí)驗(yàn)動(dòng)作的加速度信號(hào)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(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)作的加速度信號(hào),6~10為下一個(gè)完成從坐到站和從站到坐實(shí)驗(yàn)動(dòng)作的加速度信號(hào),其中1~3和6~8為完成從坐到站動(dòng)作的加速度信號(hào),3~5和8~10為完成從站到坐動(dòng)作的加速度信號(hào).由1~3和6~8的加速度信號(hào)可知,這兩次完成從坐到站動(dòng)作的努力次數(shù)都為一次.對(duì)于一些帕金森患者而言,完成從坐到站動(dòng)作并不是很容易的事,本文在實(shí)驗(yàn)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(fù)起坐的加速度曲線

兩次以上才能完成從坐到站動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)肢體凍結(jié)造成的.另外,患者完成從坐到站動(dòng)作的直線斜率為1~2段信號(hào)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(dòng)作的直線斜率為4~5段信號(hào)經(jīng)過直線擬合后所得直線的斜率.有關(guān)直線擬合的方法本文統(tǒng)一使用最小二乘法.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表1　靜態(tài)平衡評(píng)估參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2　動(dòng)態(tài)平衡評(píng)估參數(shù)計(jì)算結(jié)果

對(duì)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(biāo)可知,三組人群靜止站立時(shí)重心的擺動(dòng)面積、擺動(dòng)軌跡長(zhǎng)度、擺動(dòng)角度和擺動(dòng)偏移程度四個(gè)參數(shù)都滿足:帕金森患者>健康老人>健康青年,而且擺動(dòng)面積和擺動(dòng)角度這兩個(gè)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(dòng)面積差異最大,這可能是由于帕金森病對(duì)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(biāo)可知,基于穿戴式慣性傳感器評(píng)價(jià)人體靜態(tài)平衡的方法可以做出定量、客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果,而且評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)便易行,可以用于長(zhǎng)期跟蹤評(píng)價(jià)患者平衡功能的恢復(fù).

對(duì)比分析健康青年、健康老人和帕金森患者三組人群的動(dòng)態(tài)平衡指標(biāo)可知,帕金森患者完成動(dòng)作轉(zhuǎn)換的時(shí)間和完成動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)遲緩和肌肉僵直的臨床特征,而且隨著帕金森患者病情嚴(yán)重程度的增加,患者完成動(dòng)作努力的次數(shù)明顯大于健康老人.另外,完成實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作期間,患者的擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)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(dòng)作.最后,完成動(dòng)作的時(shí)間、完成動(dòng)作的信號(hào)幅度范圍和擬合直線的斜率這三個(gè)參數(shù)可以很好地突出測(cè)試對(duì)象完成動(dòng)作的自然程度,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,帕金森患者完成動(dòng)作的自然程度普遍偏低.

綜合分析以上靜動(dòng)態(tài)平衡指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,基于慣性傳感器的平衡功能評(píng)價(jià)法可以突出不同測(cè)試對(duì)象之間的差異性,有助于輔助醫(yī)生進(jìn)一步研究患者平衡功能減退的病理發(fā)生機(jī)制,同時(shí)可以在臨床癥狀前期采取有效的干預(yù)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(píng)價(jià)和康復(fù)治療提供理論依據(jù).

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(cè)試對(duì)象完成靜止站立和反復(fù)起坐實(shí)驗(yàn)范式動(dòng)作的數(shù)據(jù),進(jìn)而分析計(jì)算如上所述的靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡評(píng)估參數(shù),最終用于評(píng)價(jià)人體的平衡功能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)不僅可以穩(wěn)定可靠地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而且利用加速度和角速度分析計(jì)算的指標(biāo)能夠客觀、真實(shí)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(chǎng)地的限制,使用方便,能夠?yàn)榭祻?fù)治療提供新的思路.

參考文獻(xiàn):

[ 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(zé)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(hào):TH 824.4; TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡(jiǎn)介:鄒亞(1988-),男,江蘇徐州人,東南大學(xué)碩士研究生.

文章編號(hào):2095-5456(2015)01-0044-05