基于三軸加速度計的中老年足部訓(xùn)練系統(tǒng)*

李俊國，嚴榮國，王佳玉，邱小燁，李永洋

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

慢性下肢靜脈潰瘍是由于下肢靜脈回流機制障礙引起的創(chuàng)傷，導(dǎo)致血液回流受阻，靜脈血壓升高，主要表現(xiàn)為下肢局部凹陷性水腫、色素沉著、傷口滲液，對中老年患者的健康造成嚴重影響，增加患者經(jīng)濟負擔[1-5]。因此，中老年人平時要注重健康運動，預(yù)防此類疾病的發(fā)生，對于已經(jīng)患有此類疾病的患者應(yīng)該適當?shù)剡M行合理的足部訓(xùn)練，從而減輕病癥。

目前，國內(nèi)外對慢性下肢靜脈潰瘍的治療措施主要為保守治療和外科手術(shù)治療：保守治療通常是臥床高抬患肢，壓力治療，藥物治療以及進行下肢鍛煉等；外科手術(shù)治療通過彩超或靜脈CT血管成像，明確潰瘍病因，個體化選擇手術(shù)方案。許多下肢靜脈潰瘍患者存在下肢肌泵功能減弱的情況，適當?shù)墓δ苠憻捒筛纳葡轮鲃恿W(xué)環(huán)境，促進潰瘍的愈合。本研究設(shè)計中老年足部訓(xùn)練系統(tǒng)就是一種通過有效合理的鍛煉方式，達到減輕或治療靜脈潰瘍的目的。

2 設(shè)計原理與實現(xiàn)方法

2.1 足部訓(xùn)練系統(tǒng)

足部訓(xùn)練系統(tǒng)由三軸加速度計ADXL335、單片機(下位機)ATmega32L、基于TI公司的CC2541F256芯片研發(fā)的低功耗無線藍牙模塊B-0004、紐扣電池CR2032、按鍵開關(guān)和計算機(上位機)組成，見圖1(a)。將各模塊封裝在一塊體積較小的塑料盒中，通過雙面尼龍搭扣(Velcro)粘貼在患者腳部踇趾所在拖鞋位置的正上方，見圖1(b)?；颊咴谶M行足部訓(xùn)練時，三軸加速度計能夠采集分析足部運動三個方向的加速度變化特性，低功耗單片機通過AD轉(zhuǎn)換將這些采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，利用串口通信以及無線藍牙模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上位機，并進行數(shù)據(jù)處理、特征提取、顯示等操作。

(a) 系統(tǒng)整體框架

(b) 傳感器的放置

2.2 波形處理基本理論

小波變換是一種有效的多尺度的信號分析工具，因其良好的時空分辨能力在信號的波形定位、頻率特征提取等方面有很好的應(yīng)用[6-8]。對此，希望通過小波變換實時提取足部潰瘍患者訓(xùn)練信號的節(jié)律。

(1)對含有噪聲的下肢潰瘍訓(xùn)練信號進行小波變換時，先選擇比較合適的小波分解層次和合適的小波基函數(shù)，得到相應(yīng)層次的小波分解系數(shù)。

(2)對小波分解系數(shù)進行閾值處理。在去噪過程中，可根據(jù)信號自身的特征結(jié)合閾值方法的特點選取最適合的閾值[9-11]。

(3)利用去噪后的小波系數(shù)進行信號的重構(gòu)。

設(shè)包含噪聲的信號模型為：

f(t)=x(t)+m(t)

(1)

其中：f(t)表示包含噪聲的下肢潰瘍訓(xùn)練信號，x(t)表示真實的足部潰瘍訓(xùn)練信號，m(t)表示高斯白噪聲信號。則信號f(t)連續(xù)小波變換為：

(2)

通過Mallat算法實現(xiàn)采樣信號的二進制離散小波變換，將采樣的離散信號f(n)進行小波變換，并且按照不同的頻率通道進行多級分解，若把φj,k(t)用H和L構(gòu)成的濾波器組表示，其中H為高通濾波器組，表示為：H={hj}{j∈Z},L是低通濾波器組，表示為G={gj}(j∈Z)，可將f(n)分解為：

A(j)(n)=∑jeZgjA(j-1)(n-2j-1l)

(3)

D(j)(n)=∑jeZhjA(j-1)(n-2j-1l)

IEi,t=α0+α1MPi,t-1+α2Levi,t+α3Roei,t+α4Cashi,t+α5Sizei,t+α6Cfoi,t

(4)

這里的A(0)(n)表示離散的采樣加速度信號f(n)(n∈Z)，各級D(j)(n)表示f(n)(n∈Z)在尺度j下的離散細節(jié)信號，各級A(j)(n)表示f(n)(n∈Z)在尺度j下的近似信號。

3 實驗測試與分析

圖2(a)是由三軸加速度計ADXL335、單片機ATmega32L和低功耗藍牙B-0004組成的實物圖；圖2(b)是iPhone 5C平臺上App應(yīng)用程序界面，該圖顯示的是受試者所做的繞足跟擺動訓(xùn)練。

3.1 足部訓(xùn)練波形處理

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照圖1(b)所示，將該系統(tǒng)粘貼在患者腳部踇趾所在拖鞋位置的正上方。根據(jù)加速度原理，當ADXL335水平擺放時，z軸方向加速度為1 g或-1 g；側(cè)著擺放時，y軸方向加速度約為1 g或-1 g；立著擺放時，x軸方向加速度為1 g或-1 g(重力加速度=1 g)。因此，在受試者不做任何訓(xùn)練，x軸、y軸、z軸方向均應(yīng)該存在初始加速度值，此裝置加速度的初始值為Ax=-0.19 g，Ay=-0.33 g，Az=-0.80 g，見圖3。

圖3是受試者在做足跟不離原地，前足像雨刮器一樣做繞足跟擺動訓(xùn)練，訓(xùn)練時的x軸、y軸和z軸的加速度波形，共20個往返擺動。由于足部在x軸方向擺動，x軸方向加速度波動較大，見圖3(a)，而y軸方向、z軸方向加速度波動均較小，見圖3(b)和圖3(c)。因此，對于該訓(xùn)練練習(xí)，選擇x軸方向的加速度為有效數(shù)據(jù)。

(a) 下位機系統(tǒng)

(b) iPhone App界面

圖3 繞足跟擺動訓(xùn)練時的加速度波形

將該x軸方向加速度提取出來，見圖4(a)。在做繞足跟來回擺動時，存在速度的加速和減速，而且存在速度的換向及抖動。具體來說，圖4(a)中A、B兩處為足部某個方向換向運動時加速度的抖動，C、E兩處為另外一個方向換向時加速度的抖動情況，中間點D處為運動過程中的加速度抖動情況。這樣的抖動對于計算足部來回擺動的頻率會產(chǎn)生較大的影響，需要做一定的處理。

圖4 加速度信號及其小波重構(gòu)

圖4(b)是采用小波分解和重構(gòu)以后形成的加速度信號，主要包括：

(1)小波基的選擇：分別選用Haar、db7、db8、db9小波基，對加速度信號進行處理。相對于Haar、db7、db8小波基而言，db9小波基能夠更好的表現(xiàn)出足部訓(xùn)練的周期性。db9小波基與db7、db8小波基相比，db9具有良好的正則性，能夠使得重構(gòu)后的信號更光滑，能更加敏感地捕捉到波峰的位置，避免峰值的漏檢[12]。所以db9是最適合足部潰瘍訓(xùn)練信號分析的小波基。

(3)峰值檢測：足部訓(xùn)練信號峰值的提取是計算其他特征的基礎(chǔ)，特別是在信號處理方面。能否準確快速地檢測到訓(xùn)練信號的峰值，對足部訓(xùn)練信號的分析非常重要。在足部訓(xùn)練信號開始和結(jié)束部分，可能由于足部微小的抖動，使得加速度發(fā)生微小變化，會產(chǎn)生幅度很小的波形，這些信號雖不是噪聲但也不是需要的[13]。為了方便準確獲得有效的足部擺動次數(shù)，需通過峰值檢測來進一步處理。

(4)搜索波形中所有的極大值和極小值：

A=Xmax-Xmin

(5)

(6)

式中Xmax和Xmin是足部潰瘍訓(xùn)練信號的一對相鄰極值。從圖(4)可以看出，經(jīng)過小波變換處理過的足部潰瘍信號是很光滑的，所以可以用極大值和極小值來代替它的峰值和谷值。A表示波峰和波谷的差值，根據(jù)在做足部訓(xùn)練時的實際情況，當時A≤0.025，表示幅度很小，可以忽略，圖4(b)中的A、B、C、D、E處均存在該偽值。當A>0.025時，表示足部在做訓(xùn)練。K表示該系統(tǒng)在訓(xùn)練時，加速度能夠達到的最大的峰峰值，P表示足部潰瘍訓(xùn)練的強度。通過對波形的峰值檢測，舍棄由于足部微小的抖動引起變化的加速度，可以有效地采集受試者進行足部訓(xùn)練的擺動次數(shù)。

根據(jù)加速度信號及其波形的特征，提取了如下特征[14]。

(1)正向平均訓(xùn)練強度。定義為該訓(xùn)練正向加速度極大值的均值。選取訓(xùn)練過程中，波形處理后的極大值，見圖4(b)中的A、C，對其進行取平均值?？梢耘袛啾敬斡?xùn)練，受試者正向訓(xùn)練的加速度以及幅度。

(2)反向平均訓(xùn)練強度。定義為該訓(xùn)練反向加速度極小值的均值。選取訓(xùn)練過程中，波形處理后的極小值，見圖4(b)中的B、D、E，對其進行取平均值。可以判斷本次訓(xùn)練，受試者負向訓(xùn)練的加速度以及幅度。

(3)訓(xùn)練持續(xù)時間。定義為該訓(xùn)練達到疲勞時所花的時間。在訓(xùn)練時，一般采取每次的訓(xùn)練持續(xù)時間為20 s。

(4)訓(xùn)練次數(shù)。定義為在做該訓(xùn)練達到疲勞時，往返擺動的次數(shù)。在訓(xùn)練時，一般按照1次/s的頻率進行訓(xùn)練，在每個固定訓(xùn)練時間周期內(nèi)，大約足部擺動訓(xùn)練次數(shù)為20次。

(5)訓(xùn)練頻率。定義為在做該訓(xùn)練達到疲勞時，往返擺動的次數(shù)除以該訓(xùn)練持續(xù)的時間。

3.2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證該系統(tǒng)的可靠性，對受試者進行了10次訓(xùn)練，每次共20個往返的繞足后跟的擺動訓(xùn)練，測量結(jié)果見表1。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)信息，可以看出對于正常受試者，正向平均訓(xùn)練強度為0.04±0.05 g，反向平均訓(xùn)練強度為0.52±0.04 g，通過受試者的平均訓(xùn)練強度，可以判斷受試者在訓(xùn)練時擺動訓(xùn)練的幅度以及加速度，這里正向平均訓(xùn)練強度接近于0，是由于加速度傳感器初始擺放在拖鞋腳部踇趾正上方造成，它是一個相對量。20個往返訓(xùn)練持續(xù)時間平均為17.1±0.88 s，計算訓(xùn)練次數(shù)為20.4±0.70，訓(xùn)練頻率為0.84次/s。訓(xùn)練強度的大小決定著小腿后部肌肉群的鍛煉強度，而訓(xùn)練頻率、訓(xùn)練次數(shù)則決定著肌肉群的鍛煉時長。對于患有足部潰瘍的患者，需要設(shè)計合理的訓(xùn)練方案，起初的訓(xùn)練強度略低，訓(xùn)練次數(shù)及訓(xùn)練頻率也略低。隨著訓(xùn)練周期的不斷增長，根據(jù)患者的康復(fù)情況，需要適當?shù)卦黾佑?xùn)練強度、訓(xùn)練頻率以及訓(xùn)練次數(shù)，從而有效地改善患者的足部潰瘍。

表1 正常受試者繞足跟擺動訓(xùn)練統(tǒng)計結(jié)果

通過計算，10次訓(xùn)練共200個往返的繞足后跟的擺動訓(xùn)練，通過小波變換采集到的擺動訓(xùn)練次數(shù)為204，計算正確率為98%，可以判斷利用小波變換進行波形處理，具有較高的可靠性和準確性。以上特征還將為患者做訓(xùn)練時的參考，如一段時間內(nèi)訓(xùn)練強度過低，也就是患者足部擺動幅度過低、擺動頻率過低，將發(fā)出語音提示，提醒患者加強足部擺動的幅度和頻率。通過實驗結(jié)果，此足部訓(xùn)練系統(tǒng)能夠提高潰瘍患者訓(xùn)練效率，以期望達到促進下肢靜脈血液、改善潰瘍面的目的。

4 結(jié)論

本設(shè)計作為一種基于三軸加速度計的可穿戴足部訓(xùn)練檢測設(shè)備，對足部潰瘍患者訓(xùn)練采集的加速度信號通過采用小波變換，峰值檢測等有效措施進行處理，能快速且有效的檢測患者做訓(xùn)練足部擺動的次數(shù)。試驗表明，該裝置對運動的時間、強度、頻率檢測精度較高，能夠準確地了解運動情況，具有較高的可靠性和實用性。