可穿戴傳感信息融合的精細(xì)步態(tài)相位分割系統(tǒng)研究

龔樸郅

引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國的下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者約有1.9億。解決下肢康復(fù)問題刻不容緩。可穿戴式健康監(jiān)測產(chǎn)品能在非臨床環(huán)境下完成對受測者多項(xiàng)生理指標(biāo)的獲取，并通過內(nèi)置的處理器系統(tǒng)對受測者的健康狀況完成大致的評估?？纱┐魇讲綉B(tài)相位分割系統(tǒng)，通過提取人體行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，評估測試者下肢的健康水平，為下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者的疾病預(yù)測、輔助診斷和康復(fù)治療提供了一種方案。

有研究者通過測量髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)，將步態(tài)劃分為左腿支撐、右腿支撐、左右腿支撐、左右腿擺動(dòng)四個(gè)相位[1]。另外，通過收集腿部和腳面的角度數(shù)據(jù)以及足底壓力數(shù)據(jù)，并設(shè)置合適的閾值完成步態(tài)相位的識(shí)別[2]。加州伯克利大學(xué)的研究者使用模糊推理方法將步態(tài)分隔為六個(gè)相位[3]。這些方法和技術(shù)為步態(tài)相位識(shí)別提供了多種途徑，并可以根據(jù)不同的研究目的和應(yīng)用需求進(jìn)行選擇和應(yīng)用。

一、步態(tài)相位分割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文搭建了一套可穿戴傳感信息融合的精細(xì)步態(tài)相位分割系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過壓力傳感器，膝關(guān)節(jié)的角度傳感器，小腿的姿態(tài)角傳感器等采集設(shè)備，對人體的足底壓力、關(guān)節(jié)角度等步態(tài)信號進(jìn)行準(zhǔn)確地采集，得到信息將其顯示在自制的上位機(jī)界面上。采集并預(yù)處理壓力傳感器、角度傳感器等的數(shù)據(jù)，設(shè)定模糊規(guī)則以完成模糊推理，并結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)步態(tài)相位的分割與輸出，達(dá)到對檢測人員步態(tài)特點(diǎn)的高準(zhǔn)確率檢測。步態(tài)相位的分割識(shí)別方案總體框如圖1：

圖1 步態(tài)相位的分割識(shí)別方案

二、步態(tài)相位及步態(tài)數(shù)據(jù)采集

（一）步態(tài)相位劃分

步行是具有周期性的運(yùn)動(dòng)，為了傳遞更多信息和制定控制策略，本文將一個(gè)步態(tài)周期分為5個(gè)部分，分別用GP1、GP2、GP3、GP4、GP5來表示[4]（GP0表示站立）。GP1表示支撐前期，此時(shí)單側(cè)足跟觸地，是行走的開始。GP2表示支撐中期，此時(shí)腳掌觸地作為支撐。GP3表示支撐后期，此時(shí)單側(cè)足尖觸地。GP3結(jié)束后代表該側(cè)支撐期結(jié)束。GP4表示擺動(dòng)前期，此時(shí)單側(cè)足底離地，向前擺動(dòng)。GP5表示擺動(dòng)后期，此時(shí)單側(cè)足跟觸地，代表一個(gè)步行周期的結(jié)束。

以單側(cè)腳為例：GP1支撐前期，從足跟觸地開始，足底壓力由足跟變大到全腳底。GP2支撐中期，足底壓力由全腳底逐漸減小至足尖壓力，直至單側(cè)足尖觸地。GP3支撐后期，足底壓力由足尖壓力逐漸減小至0，至全腳離地。GP4擺動(dòng)前期，全腳離地，足底無壓力。GP5擺動(dòng)后期，足底壓力由0逐漸增大。

（二）足底壓力的標(biāo)定和采集

足底薄膜式壓力傳感器的每個(gè)感應(yīng)單元可視為一個(gè)壓力可變電阻，傳感器在受到壓力時(shí)，電阻隨壓力增大而減小，其壓阻特性表現(xiàn)為電阻與壓力呈反比例變化，電阻倒數(shù)與壓力近似線性關(guān)系。通過信號濾波電路和信號放大電路將阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出，即可實(shí)現(xiàn)線性測定。由于壓力為零時(shí)阻值為較大的定值，因此電壓僅是較小的值，即線性測定存在一定的死區(qū)。取其中一個(gè)進(jìn)行標(biāo)定：用墊片固定傳感器受力兩端，每增加0.5kg測定一次，得到電壓與壓力有如下的近似映射關(guān)系：

其中F為其中一個(gè)壓力傳感器的壓力，U為其輸出的電壓值，換算后得：

將感應(yīng)單元分為足尖受力區(qū)（鞋墊前側(cè)8個(gè)壓力測試點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均）、足掌外側(cè)受力區(qū)（鞋墊中間6個(gè)壓力測試點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均）以及足跟受力區(qū)（鞋墊后側(cè)4個(gè)壓力測試點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均）三部分，由于各部分的壓力比例不同，因此可以根據(jù)壓力分布信息準(zhǔn)確識(shí)別步態(tài)相位并反映步態(tài)相位變化。

（三）膝關(guān)節(jié)角度采集

膝關(guān)節(jié)角度傳感器是由一種可變電阻組成的可用于測量彎曲角度或偏移量的裝置，電阻覆蓋在Flex傳感器的外部，不同的彎曲程度會(huì)改變傳感器相應(yīng)的阻值，且電阻值與彎曲度成正比。角度傳感器將彎曲量轉(zhuǎn)換為模擬電壓值輸出，可通過嵌入式系統(tǒng)內(nèi)置的ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀入，因此可通過觀察電壓變化來監(jiān)測膝關(guān)節(jié)的彎曲方向和曲率。

穿戴設(shè)備測量時(shí)，測得的步態(tài)事件如圖2所示。小波谷代表測試者腳尖離地，大波谷代表測試者腳跟觸地，大波峰對應(yīng)的是擺動(dòng)中期（GP2）。

圖2 步態(tài)事件位置點(diǎn)

未彎曲的傳感器，即平面角度傳感器的電阻值約為10KΩ，每5°測量一次阻值，彎曲度傳感器的彎曲角度與其測量的阻值近似呈線性關(guān)系。

（四）小腿的姿態(tài)角數(shù)據(jù)采集

基于模糊算法，將步態(tài)周期分為支撐前期、支撐中期、支撐后期、擺動(dòng)前期和擺動(dòng)后期共5個(gè)時(shí)期，每一時(shí)期為一種步態(tài)相位，每一個(gè)步態(tài)相位都是由三個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)共同決定的。采用集成式的姿態(tài)角傳感器分別采集大腿和小腿的運(yùn)動(dòng)信息，再將采集到的信息傳輸給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，最后將曲線輸出和保存。傾斜角傳感器與主控板STM32F103之間的通信為IIC通信，傾斜角傳感器采用尋址方式編碼。

傳感器采集到的數(shù)據(jù)波動(dòng)大，本系統(tǒng)采用數(shù)字卡爾曼濾波進(jìn)行濾波，對其實(shí)時(shí)角度的計(jì)算進(jìn)行降噪。測試結(jié)果顯示，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的曲線基本平滑，無明顯可見噪點(diǎn)，說明卡爾曼濾波有一定效果。另外曲線的特征趨勢與文獻(xiàn)中的研究結(jié)果基本符合，證實(shí)了安裝在大腿上的慣性傳感器的設(shè)置、解算和處理過程基本無誤，可以用于下一步的實(shí)驗(yàn)研究。

三、基于模糊理論的步態(tài)相位分割

（一）步態(tài)數(shù)據(jù)的歸一化

本文針對通過測力板及動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)價(jià)格昂貴、處理周期較長和角度傳感器、IMU九軸傳感器在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下通用性不強(qiáng)的缺陷，采用基于模糊推理的步態(tài)分割算法。

由于實(shí)驗(yàn)人員各異，導(dǎo)致多份數(shù)據(jù)對比的標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一，所以在步態(tài)相位分割過程之前，需要進(jìn)行步態(tài)數(shù)據(jù)的歸一化：以右腳足跟為例，在該部位有4個(gè)壓力傳感器，在預(yù)采集過程中取得所采集壓力的最大值Fmax與最小值Fmin來作為歸一化處理的上下限，之后在對受測者進(jìn)行步態(tài)數(shù)據(jù)采集與相位分割時(shí)，所測的壓力值F通過隸屬度函數(shù)Fi=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)得到比例系數(shù)Fi。歸一化可以有效規(guī)避因?yàn)閭€(gè)體差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)融合過程中的不準(zhǔn)確性。

（二）模糊推理

本系統(tǒng)使用模糊推理算法融合傳感器信息。首先對歸一化的傳感器數(shù)值選擇隸屬度函數(shù)，數(shù)值映射到“正大（PB）、正小（PS）、零?。╖E）、負(fù)?。∟S）、負(fù)大（NB）”的模糊集合。

基于角度傳感器的模糊推理有如下過程：設(shè)θ為膝關(guān)節(jié)彎曲角度，dθ為膝關(guān)節(jié)彎曲角度的變化量，dp為小腿的姿態(tài)角。以小腿垂直地面為基準(zhǔn)，當(dāng)膝蓋與小腿的連線超前于膝蓋與地面的法線，θ取正，當(dāng)膝蓋與小腿的連線落后于膝蓋與地面的法線，θ取負(fù)。將θ歸一化至[-1,1]。推理規(guī)則如下：

基于壓力傳感器的模糊推理有如下過程：設(shè)Ffront 為足尖壓力，F(xiàn)middle 為足掌壓力，F(xiàn)back 為足跟壓力。將Ffront,Fmiddle,Fback歸一化至[0,1]。推理規(guī)則如下：

決策層加權(quán)融合采用以下方式：當(dāng)SWP的模糊推理結(jié)果和SPP的模糊推理結(jié)果一致或不沖突時(shí)，輸入的結(jié)果以SWP為準(zhǔn)。當(dāng)SWP的模糊推理結(jié)果和SPP的模糊推理結(jié)果產(chǎn)生沖突時(shí)，定義一個(gè)無效的相位（GP6）。

（三）有限狀態(tài)機(jī)與模糊推理算法的融合

由于在步行過程中可能會(huì)突然轉(zhuǎn)變步態(tài)，需要從新的狀態(tài)開始步行周期，所以使用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）來表示步態(tài)的轉(zhuǎn)換。為了防止瞬時(shí)步態(tài)變化導(dǎo)致系統(tǒng)對步態(tài)的誤判，只有多次采集的數(shù)據(jù)滿足步態(tài)轉(zhuǎn)變的條件時(shí)才進(jìn)行狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。同時(shí)設(shè)置GP6狀態(tài)來表示無效狀態(tài)，當(dāng)步態(tài)轉(zhuǎn)換到GP6狀態(tài)后，結(jié)束此步態(tài)周期，保證步態(tài)分割系統(tǒng)的魯棒性。

圖3 本系統(tǒng)FSM示意圖

四、算法結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證步態(tài)分割算法的準(zhǔn)確性和普適性，以平地行走為例，利用上位機(jī)接收濾波數(shù)據(jù)，融合推理輸出數(shù)據(jù)并分割步態(tài)相位。通過傳感器的數(shù)據(jù)，我們可以以一種直觀的方式來區(qū)分支撐相和擺動(dòng)相。在支撐相的過程中，我們可以將其分為三個(gè)階段。第一階段是GP1，從足跟著地開始，足底的壓力逐漸增大，直到覆蓋整個(gè)腳底。接下來是GP2，足底的壓力逐漸減小，從腳底逐漸轉(zhuǎn)移到足尖，直到單側(cè)足尖著地。最后是GP3，足底的壓力從足尖逐漸減小到零，直到整個(gè)腳完全離開地面。進(jìn)入擺動(dòng)相后，我們同樣可以將其分為兩個(gè)階段。首先是GP4，整個(gè)腳完全離開地面，足底沒有任何壓力。然后是GP5，足底的壓力從零開始逐漸增大，直到足跟著地。

多次采集平地行走的數(shù)據(jù)，得到各步態(tài)相位所占一個(gè)步態(tài)周期的比例如表1：

表1 步態(tài)相位占比

總結(jié)

此項(xiàng)目基于壓力傳感器、角度傳感器、姿態(tài)角傳感器等采集模塊、無線傳輸模塊以及步態(tài)預(yù)測系統(tǒng)構(gòu)建，硬件搭建成本較低。此外，整個(gè)系統(tǒng)穿戴在受測者的腿部和足底，通過調(diào)節(jié)松緊帶，適用于各種體格的人群。采用模糊推理和FSM相融合的相位分割法，更加精準(zhǔn)地劃分步態(tài)相位，從而將為異常步態(tài)的判別提供了判斷標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可提取步態(tài)惡化病人的步態(tài)特征，進(jìn)一步用于疾病診斷與康復(fù)治療。