基于多模態(tài)的人體靜態(tài)平衡能力定量評(píng)估方法

王曉麗， 高 唯

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

平衡能力作為人體生理機(jī)能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在人們?nèi)粘Ｉ畹母黜?xiàng)活動(dòng)中起著強(qiáng)有力的保障作用。平衡能力中的站立平衡可以為平衡能力的評(píng)估提供重要的信息，在預(yù)測(cè)老年人的跌倒以及各種平衡障礙的測(cè)定時(shí)常用的是量表法，但此種方法純屬主觀評(píng)定[1]。 客觀的平衡功能評(píng)測(cè)需要價(jià)格比較貴重的測(cè)試儀，因此，在臨床應(yīng)用中大規(guī)模推廣極為困難，而且對(duì)于人體的輕微擺動(dòng)很難確認(rèn)[2]。 本文除了使用測(cè)力板這種測(cè)量?jī)x之外還外加了肌電信號(hào)測(cè)試儀，以獲得站立平衡過(guò)程中人體的下肢肌電信息，旨在給出更有效的平衡能力評(píng)估方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 平衡測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)由一塊測(cè)力板、肌電測(cè)試儀、無(wú)線通信模塊、顯示終端(筆記本電腦)組成。 在測(cè)力板的4 個(gè)方位角分別有一個(gè)壓力傳感器，能夠提供即時(shí)的壓力數(shù)據(jù)。 肌電測(cè)試儀采用4 通道，分別采集脛骨前肌和腓腸肌。顯示終端運(yùn)行采集的數(shù)據(jù)與分析軟件。 使用壓力分布檢測(cè)平臺(tái)裝置，采用量程為8N/CM2 的傳感器，且數(shù)量為1 點(diǎn)/ CM2，人體站到力檢測(cè)平臺(tái)上時(shí)可以快速采集人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡，采集的模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D 模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后傳送至上位機(jī)模塊。 由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)；另外，采用MP150 型多導(dǎo)電生理記錄儀采集儀獲取信號(hào)。 該設(shè)備采用非入侵式電極片采集表面肌電信號(hào)，設(shè)備主要由兩部分組成，分別是拾電電極和儀器放大器組成的肌電拾電頭部分，和由濾波放大和A/D 輸出組成的二次信號(hào)處理部分，可把肌電信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

1.2 參與對(duì)象

所有受試者均為身體健康、無(wú)肢體及神經(jīng)方面疾病的正常人。 受試的青年組與老年組基本資料如表1所示。 將20 名健康大學(xué)生和20 名老年人作為本研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)平衡能力測(cè)試板采集40 名實(shí)驗(yàn)人員的靜態(tài)平衡過(guò)程COP 數(shù)據(jù)，繪制人體重心移動(dòng)軌跡。

測(cè)試前向受試者講述注意事項(xiàng)和要求，保證檢測(cè)環(huán)境的安靜，所有設(shè)備在測(cè)試前均使用已知質(zhì)量的物體進(jìn)行精度校正。 開始靜態(tài)測(cè)試前的注意事項(xiàng)：①測(cè)試前受試者需將身上大于100 g 的物體(如錢包、手機(jī)等物)取出，以免影響測(cè)試的準(zhǔn)確性；②受試者需按照壓力板圖示位置雙手垂于身體兩側(cè)自然站立在壓力板上；③眼睛向前方平視。 受試者第一次睜眼站立10 s，然后相同條件下閉眼站立10 s，按照睜眼-閉眼循環(huán)獲取3 次數(shù)據(jù)，所有受試者隨機(jī)抽取進(jìn)行測(cè)試，直到所有人完成。

表1 受試者基本資料

2 多模態(tài)信號(hào)采集

2.1 表面肌電信號(hào)采集

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脛骨前肌和腓腸肌表面肌電信號(hào)在維持平衡過(guò)程中信號(hào)變化都較明顯。 腓腸肌位于小腿的后側(cè)，在人體直立和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起重要作用，脛骨前肌位于小腿前側(cè)靠外，主要參與踝關(guān)節(jié)活動(dòng)，最終選用脛骨前肌和腓腸肌的表面肌電信號(hào)進(jìn)行后續(xù)分析。 表面肌電信號(hào)采集圖如圖2 所示。

圖2 表面肌電信號(hào)采集圖

由表面肌電信號(hào)采集圖可以明顯看出，當(dāng)人直立站立的時(shí)候，人體表面肌電信號(hào)發(fā)生了微小的電壓變化，其幅值在40 V 左右；但當(dāng)人原地發(fā)生輕微搖擺時(shí)，肌電信號(hào)就發(fā)生了數(shù)十倍的變化，從圖2 中可以明顯看出肌電信號(hào)的變化情況。

2.2 壓力中心信號(hào)采集

由靜態(tài)平衡模型可知，人體可通過(guò)主動(dòng)改變壓力中心位置維持平衡，本文使用的壓力分布檢測(cè)平臺(tái)裝置，它具有便宜、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，該平衡板是由對(duì)稱分布在四周的壓力傳感器組成，并通過(guò)藍(lán)牙將4 個(gè)壓力傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)。

圖3 壓力中心信號(hào)采集圖

由圖3 可知：老年人平衡穩(wěn)定性要比青年人差，COPx 波動(dòng)性大，即在長(zhǎng)時(shí)間站立時(shí)，穩(wěn)定自身的平衡能力下降較快。 男性的COPx 曲線較女性相比更加平緩，因此男性在坐立過(guò)程中對(duì)于自身平衡的控制力明顯優(yōu)于女性。

3 多模態(tài)信號(hào)處理

3.1 基于功率譜密度的人體靜態(tài)平衡評(píng)測(cè)

功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)是指當(dāng)波的頻譜密度乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)南禂?shù)后將得到每單位頻率波攜帶的功率，曲線的橫軸是頻率值，縱軸是功率譜密度值[3]。 本研究中功率譜研究的對(duì)象是人體靜態(tài)平衡[4]過(guò)程中的能量信號(hào)。 采用的功率譜密度輸入?yún)?shù)是COP(重心投影點(diǎn))到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離來(lái)計(jì)算功率譜密度。

首先，將人體的COP 平衡數(shù)據(jù)用Matlab 軟件打開。 被測(cè)者的人體COP 運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4 所示。 人體靜態(tài)站立時(shí)，COP 點(diǎn)圍繞著中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡不規(guī)則。 COP 運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)范圍最大為200 mm2。 但明顯看出越靠近重心，COP 越稠密。 由此可知：正常能夠維持人體平衡的人，其COP 值應(yīng)該是在投影重心上。

圖4 被測(cè)者人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 功率譜分布圖

將采集到的人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)代入到功率譜密度公式中，得到功率譜分布圖。

圖5 中，功率譜密度單調(diào)遞減，并且其主要分布區(qū)域集中在最初部分。 采用頻率分段原則，將頻率分為：(0，0.3)Hz、(0.3，2)Hz 和(2，6)Hz，將功率譜百分比構(gòu)成作為測(cè)評(píng)老年人和青年人的平衡能力的指標(biāo)。

功率譜密度表/%

由表2 可以看出：PSD 值隨著頻率的變化而變化，絕大部分集中在低頻區(qū)域，能夠體現(xiàn)人體平衡能力指標(biāo)的數(shù)值顯然應(yīng)該由低頻段的PSD 控制；另外，由睜眼和閉眼所得的數(shù)據(jù)來(lái)看，睜眼時(shí)候的平衡能力大多數(shù)要比閉眼時(shí)候的平衡能力強(qiáng)，但也有特殊情況存在，不是絕對(duì)的結(jié)果。 可知視覺(jué)干擾不是決定平衡能力的必要條件；從表2 中可以看出，在頻率低的時(shí)候青年組的PSD 比老年組的要高，但在頻率高的時(shí)候青年組的PSD 比老年組的要低。

3.2 基于多尺度熵的特征提取

多尺度熵[5]的目標(biāo)是評(píng)估時(shí)間序列的復(fù)雜性。 通過(guò)粗?jǐn)帱c(diǎn)方法產(chǎn)生多時(shí)間尺度序列，計(jì)算多時(shí)間尺度序列的樣本熵將得到時(shí)間尺度和時(shí)間尺度序列樣本熵值的函數(shù)。 圖6 的曲線是COP-X 信號(hào)計(jì)算出來(lái)的多尺度熵，在圖6 中一共8 個(gè)時(shí)間尺度。

采用復(fù)雜度值CI 將多尺度熵曲線進(jìn)行求面積和，變?yōu)橐痪S特征向量，取此曲線面積作為特征值，多尺度熵CI 計(jì)算公式為(1)，對(duì)從1 至J 尺度范圍內(nèi)面積積分。

圖6 某名青年人平衡功能實(shí)驗(yàn)者閉眼站立海綿墊采集范式下的COP-X 多尺度熵曲線

每個(gè)實(shí)驗(yàn)者在某一實(shí)驗(yàn)采集范式下重復(fù)3 次采集多模態(tài)數(shù)據(jù)，采集的時(shí)間長(zhǎng)度30 s，其中一次多模態(tài)數(shù)據(jù)將被作為分類器的驗(yàn)證集，兩次數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集。 共10 名實(shí)驗(yàn)者，平衡功能為老年人、青年人各為5 名，本小節(jié)以閉眼站立海綿墊采集范式為例，其他采集范式也同樣分析。 閉眼站立海綿墊采集范式共有20 組多模態(tài)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，每種平衡狀況下的多模態(tài)數(shù)據(jù)各為10 組。 由復(fù)雜度值CI 的定義可知，每個(gè)通道的信號(hào)將轉(zhuǎn)化為一個(gè)復(fù)雜度值CI 并作為特征向量中的一維，一組多模態(tài)數(shù)據(jù)[6]共可轉(zhuǎn)化為4 個(gè)通道，如表2 所示，每種平衡狀況的數(shù)據(jù)將產(chǎn)生10 個(gè)4 維特征向量，因無(wú)法將4 維特征向量在一張圖中呈現(xiàn)，現(xiàn)以相關(guān)的兩個(gè)通道兩兩顯示兩種平衡狀況多尺度熵值分布圖。 具體如圖7 所示。其中，脛骨前肌的表面肌電信號(hào)表示為sEMG-1，腓腸長(zhǎng)肌的表面肌電信號(hào)表示為sEMG-2。

圖7 3 種平衡狀況實(shí)驗(yàn)者的兩路表面肌電集號(hào)和壓力中心信號(hào)多尺度熵特征值分布圖

由圖7 可知：基于多尺度熵方法的特征值成發(fā)散狀，但又有規(guī)律可循，可在圖7 中看出特征值化為兩大區(qū)域，而且老年人和青年人的特征值存在著差異，前者比后者弱，說(shuō)明年齡的增長(zhǎng)會(huì)造成特征值減弱。

表3 各通道多尺度熵特征值統(tǒng)計(jì)特性(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)PSD 百分比的分析來(lái)評(píng)價(jià)人體靜態(tài)平衡能力的穩(wěn)定性，并且加上視覺(jué)干擾信息，以及性別和年齡等干擾因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，此方法可以準(zhǔn)確地測(cè)試出人體平衡的靜態(tài)穩(wěn)定性，提出了重要的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估人體的靜態(tài)平衡能力。 并且為老人的防跌倒提供了重要的理論參考。