人體平衡功能檢測方法與訓練系統的製作方法
2023-10-07 22:23:29 1
專利名稱：人體平衡功能檢測方法與訓練系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種人體平衡功能定量檢測方法和人體平衡功能康復訓練的系統。
背景技術：
平衡功能檢查是指檢查在維持身體平衡方面起作用的視覺系統、迷走神經系統、本體感覺系統等平衡反射系統的功能，以及檢查控制上述系統的小腦、腦幹功能。人體平衡功能定量檢測包括重心動搖檢查，這是人體平衡檢查的主要方法之一，將直立(直坐)姿勢時所表現的身體重心動搖進行描記，並將描記結果進行測量、分析。依據動搖的記錄，不僅可以綜合把握平衡障礙，評價平衡障礙的程度、疾病經過、治療效果，還可以進一步捕捉維持身體平衡功能的平衡反射系統以及中樞神經系統的障礙，把握眩暈、平衡障礙病例的病態，進行病灶診斷。
發明內容
本發明的目的是要實現對人體平衡功能定量檢測，尤其是對人體的直立、直坐的平衡功能以及對手指振顫的功能的定量檢測，並提供康復功能系統，其中可獨立使用的檢測部分可用於患者自身的康復功能訓練。
本發明是這樣實現的人體平衡功能定量檢測的方法，通過直立、直坐和手指壓力檢測板完成人體直立的雙足壓力、坐壓力或手壓力信息轉換成電壓信號的能量轉換部件，壓力檢測板的下面有四個(或八個)壓力傳感器，對稱分布於平板的四個角(或八個方位)，當壓力作用於平板時，四個角(或八個方位)的傳感器即給出與壓力相關的一定大小的電信號，將這些信號通過換算即可求得作用於平板(檢測板)上瞬時壓力的中心位置，把這些隨時變化的中心位置坐標逐點記錄或通過顯示板顯示出來，即可對平衡功能進行各種分析或通過顯示板的顯示進行訓練。檢測板受力的坐標原點為檢測板中心，A(x1，y1)、B(x2，y2)。
人體平衡功能康復訓練系統包括人體平衡壓力信號檢測裝置、重心位置的實時顯示、平衡功能顯示面板和電路，人體平衡壓力信號檢測裝置構成如下包括座立、直立或指壓的壓力檢測板，檢測板的下面有四個(或八個)壓力傳感器，對稱分布於平板的四個角(或八個方位)，當壓力作用於平板時，四個角(或八個方位)的傳感器即給出與壓力相關的一定大小的電信號，壓力傳感器的輸出連接多路模擬開關電路、多路模擬開關電路連接A/D轉換電路並接微處理器的輸入埠，由微處理器及連接的存儲器作為數據處理電路和數據存儲電路，微處理器的輸出埠通過I/O輸出電路連接發光二極體的驅動電路，平衡功能顯示面板和電路由發光二極體的驅動電路，平衡功能顯示面板由發光二極體陣列和數碼管構成。發光二極體的驅動電路連接發光二極體。
人體平衡功能定量顯示面板(顯示屏)由發光二極體陣列和數碼管構成，數碼管用來顯示總重量。而發光二極體陣列用來顯示重心偏移情況。由許多個二極體構成陣列，患者根據點亮的二極體位置的變化判斷自身重心的偏移。
檢測系統的目的一是顯示壓力中心(重心)的坐標，這部分由條狀發光二級管來完成；二是顯示實際壓力的大小(直立檢測時即體重)，這部分的顯示可由四位數碼管來完成。根據視覺反饋原理，患者可以根據數碼管的亮度條指示來調整自身的重心位置，從而實現康復功能的訓練。
雙腳時，控制面板部分，每隻腳都有對應的發光二極體陣列，可以分別觀察每隻腳的情況。而分析部分，可以選擇觀察方式，即單腳，還是雙腳總重心。
分析軟體、分析結果的列印。整個系統大體上分為檢測、參數分析兩個部分。
可獨立使用的檢測部分主要由顯示屏、壓力檢測板構成。座立、直立或指壓的壓力檢測板使用時的壓力信號輸出連接多路模擬開關電路、微處理器的輸入埠，由微處理器作為數據處理和數據存儲，檢測部分自成體系，具有完整的數據檢測和簡單處理顯示功能，能夠完成檢測與初步分析，可以脫離計算機獨立使用。這樣的結構可大大降低檢測部分的成本，而有望進入家庭。患者可以根據檢測部分顯示屏顯示重心的實時變化情況，利用生物反饋原理進行經常性的康復訓練。檢測部分的數據存儲功能允許患者在家中把通過檢測部分獲得的平衡功能的量化信息存入數據盒，數據盒數據可以通過多種方式(直接送交數據盒、通過區域網或電信網傳送數據盒中的數據)反饋給醫院，再由整個系統中的參數分析部分做出詳細分析，從而實現遠程醫療的功能，大大方便對患者的治療與分析。
參數分析部分由計算機軟體實現。參數分析部分主要對檢測部分採集的反映平衡功能的原始數據進行分析，給出具有評測和診斷意義的生理醫學指標，這些指標不僅可以直接反映人體平衡功能，還可以作為診斷其它病變，如神經系統病變的重要參考。分析軟體可以運行在Windows平臺，有良好的人機界面。為方便醫生使用和管理，本系統有資料庫管理的功能和診斷結果列印功能。
在坐位壓力板，手指壓力檢測壓力隨時間的變化檢測手指振顫，單腳直立重心動搖和平衡功能檢測與分析。通過分析重心或壓力振顫的實時變化情況，可利用生物反饋原理進行經常性的康復訓練。檢測部分的數據存儲功能允許患者在家中把通過檢測部分獲得的平衡功能的量化信息存入數據盒，方便對患者的治療與分析；將坐位、手指振顫、單腳直立方式的平衡功能檢測置入家居場所。
本發明的特點是1)增加了坐位、手指振顫、單腳直立方式的平衡功能檢測與分析。並且雙腳直立方式檢測時，可以觀察每隻腳的重心動搖情況和人體總重心動搖情況。
2)具有直觀的控制面板實時顯示重心偏移的情況，便於病人利用視覺反饋進行平衡功能的康復訓練。
3)分析參數中增加了ST(擺動的均方根)、DA(重心左右、前後、內外偏移的百分比)以及重心分布的時間和區域。
四
圖1是本發明人體平衡功能檢測訓練系統框2是本發明檢測部分框3是本發明顯示面板框4是本發明分析功能框5是本發明檢測的波形6是本發明重心軌跡圖分析結果圖7是本發明功率譜分析結果圖8是本發明顯示屏結構示意9是本發明檢測板受力情況分析圖五具體實施方式
參見附圖整個系統大體上分為檢測、參數分析兩個部分。總體結構框圖如圖1所示。檢測系統的電路結構主要由多路模擬開關、A/D轉換電路、數據處理電路和數據存儲電路組成，如圖2所示。壓力傳感器的型號有多種，採用壓電陶瓷傳感器多路模擬開關電路4051，A/D轉換電路的型號典型的是微處理器的型號可採用89C51型，微處理器的輸出埠通過I/O輸出電路8255連接發光二極體的驅動電路。
檢測部分的顯示面板部分主要由發光二極體陣列和數碼管構成。顯示面板電路數碼管用來顯示總重量。而發光二極體陣列用來顯示重心偏移情況。由許多個二極體構成陣列，患者根據點亮的二極體位置的變化判斷自身重心的偏移。
雙腳時，控制面板部分，每隻腳都有對應的發光二極體陣列(有四條陣列？)，可以分別觀察每隻腳的情況。而分析部分，可以選擇觀察方式，即單腳，還是雙腳總重心。
其目的一是顯示壓力中心(重心)的坐標，這部分由條狀發光二級管來完成；二是顯示實際壓力的大小(直立檢測時即體重)，這部分的顯示可由四位數碼管來完成。根據視覺反饋原理，患者可以根據數碼管的亮度條指示來調整自身的重心位置，從而實現康復功能的訓練。顯示面板的結構如圖3所示。根據檢測部分獲取的重心動搖數據，可以進行分析，分析功能框圖如圖4所示。由檢測部分獲取的一定時間反映重心連續變化的數據，可以繪製出重心軌跡圖。基於該圖可以定性的判斷動搖類型，具體分為求心型、前後型、左右型、瀰漫型、多中心型等。其中有些動搖類型是神經系統特定部位損害的特徵性動搖。軟體分析框圖中，將圖4分析功能框圖還包括ST、DA部分的說明。對應直立、手指、坐位三種方式，分析參數相同。
依據重心軌跡圖進行計算可以得出外周面積、矩形面積等參數。從動搖面積能夠綜合把握平衡障礙的程度。軌跡長分析總軌跡長和單位面積軌跡長，其中單位面積軌跡長可以用來衡量本體感覺姿勢控制。分析提示人體平衡功能隨年齡逐步完善，20～50歲間最穩定，隨後逐漸減退，至70歲以後降低明顯。
把重心動搖數據看作隨機信號，並對它進行功率譜估計。頻率範圍一般選取0.02Hz～10Hz。國際基準建議分析各個頻段(0.02Hz～0.2HZ、0.2Hz～2HZ、2HZ～10HZ)在功率譜中所佔的比例。功率譜能夠反映某些疾病以及具體損害的部位，如單側迷走神經障礙的患者在左右動搖方向0.08Hz～0.2Hz成分較大；雙側迷走神經功能障礙在前後動搖方向0.2Hz～0.6Hz的成分較大；小腦損害的患者左右動搖方向0.1Hz～02Hz的成分較大。
以下是分析系統工作流程
(1)病人基本信息管理用戶可以通過病人基本信息管理工具來訪問病人資料庫，包括病人記錄的增加、修改、刪除、查詢等基本資料庫的操作。
(2)數據採集用戶可以選擇數據採集的模式(包括「直立」、「直坐」、「手指」等)、波形顯示的掃描速度以及採集時間。數據採集與波形顯示同步進行，採集結束可以自動存儲。
(3)數據回放因為數據的存儲是無損的，所以可以不失真地回放以前採集的數據。操作上具有縮放顯示、時間測量等功能。(圖5)(4)分析結果給出重心軌跡圖以及各項參數(圖6)。
對每個方向波形做功率譜分析(圖7)。
圖8是系統形成的產品結構圖。系統形成的產品由檢查顯示單元、直立式檢查裝置、直坐式檢查裝置、手壓式檢查裝置、PC主機、液晶顯示器、彩色噴墨印表機等組成。
壓力中心計算檢測板是完成將人體直立的雙足壓力、坐壓力或手壓力信息轉換成電壓信號的能量轉換部件，其基本原理是壓力檢測板的下面有四個壓力傳感器，對稱分布於平板的四個角，當壓力作用於平板時，四個角的傳感器即給出一定大小的電信號，將這些信號通過換算即可求得作用於平板(檢測板)上瞬時壓力的中心位置，把這些隨時變化的中心位置坐標逐點記錄或通過顯示板顯示出來，即可對平衡功能進行各種分析或通過顯練。
檢測板受力如圖1所示，坐標原點設為檢測板中心，A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)、D(x4，y4)分別為四個傳感器的位置。根據力學原理，維持檢測板平衡條件為F＝f1+f2+f3+f4(1)FX＝f1x1+f2x2+f3x3+f4x4(2)FY＝f1y1+f2y2+f3y3+f4y4(3)圖中E(X，Y)為外部壓力相對於檢測板的坐標，即等效壓力中心位置。
如圖9檢測板受力情況由於傳感器對稱分布，即x2＝-x1、x2＝-x1、x4＝x1、y2＝y1、y3＝-y1、y4＝-y1，將其代入(2)、(3)式得X=(f1+f4)-(f2+f3)f1+f2+f3+f4x1---(4)]]>Y=(f1+f2)-(f3+f4)f1+f2+f3+f4y1---(5)]]>其中f1、f2、f3、f4分別是隨時間變化的，所以，X、Y值也是一組隨時間變化的函數，即X＝X(t)、Y＝Y(t)，將各個時刻的E(X，Y)值的電信號記錄下來，即可獲得外部壓力的中心位置在檢測板上移動的信息。再將其逐點描出，即可獲得壓力中心移動曲線或軌跡圖。
為了消去其實際尺寸對所研究問題的影響，對上面(4)、(5)式分別進行歸一化，則歸一化後E點(外部壓力中心位置)的坐標為X=(f1+f4)-(f2+f3)f1+f2+f3+f4---(6)]]>Y=(f1+f2)-(f3+f4)f1+f2+f3+f4---(7)]]>(6)式和(7)式即是外部坐壓力中心相對檢測板位置的坐標表達式。
圖8所示顯示壓力中心(重心)的坐標，這部分由條狀發光二級管來完成。屏顯示結構中雙腳時每隻腳都有對應的發光二極體陣列，分別觀察每隻腳的情況。是屏顯示結構為十字形發光二極體陣列。每隻腳均有為十字形發光二極體陣列，中心位置對應著腳的中心，並設有雙腳合一的十字發光二極體陣列。
權利要求
1.人體平衡功能定量檢測的方法，其特徵是通過直立、直坐和手指壓力檢測板完成人體直立的雙足壓力、坐壓力或手壓力信息轉換成電壓信號的能量轉換部件，壓力檢測板的下面有四個(或八個)壓力傳感器，對稱分布於平板的四個角(或八個方位)，當壓力作用於平板時，四個角(或八個方位)的傳感器即給出與壓力相關的一定大小的電信號，將這些信號通過換算即可求得作用於平板(檢測板)上瞬時壓力的中心位置，把這些隨時變化的中心位置坐標逐點記錄或通過顯示板顯示出來，即可對平衡功能進行各種分析或通過顯示板的顯示進行訓練。
2.由權利要求1所述的人體平衡功能定量檢測的方法，其特徵是檢測板受力的坐標原點為檢測板中心，A(x1，y1)、B(x2，y2)。
3.由權利要求1所述的人體平衡功能定量檢測的方法，其特徵是A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)、D(x4，y4)分別為四個傳感器的位置，設E(X，Y)為外部壓力相對於檢測板的坐標，即等效壓力中心位置。由於傳感器對稱分布，即x2＝-x1、x3＝-x1、x4＝x1、y2＝y1、y3＝-y1、y4＝-y1，將其代入(2)、(3)式得X=(f1+f4)-(f2+f3)f1+f2+f3+f4x1---(4)]]>Y=(f1+f2)-(f3+f4)f1+f2+f3+f4y1---(5)]]>其中f1、f2、f3、f4分別是隨時間變化的，所以，X、Y值也是一組隨時間變化的函數，即X＝X(t)、Y＝Y(t)，將各個時刻的E(X，Y)值的電信號記錄下來，即可獲得外部壓力的中心位置在檢測板上移動的信息；對上面(4)、(5)式分別進行歸一化，則歸一化後E點(外部壓力中心位置)的坐標為X=(f1+f4)-(f2+f3)f1+f2+f3+f4---(6)]]>Y=(f1+f2)-(f3+f4)f1+f2+f3+f4---(7)]]>(6)式和(7)式即是外部坐壓力中心相對檢測板位置的坐標表達式。
4.人體平衡功能康復訓練系統，其特徵是包括人體平衡壓力信號檢測裝置、重心位置的實時顯示、平衡功能顯示面板和電路，人體平衡壓力信號檢測裝置構成如下包括座立、直立或指壓的壓力檢測板，檢測板的下面有四個(或八個)壓力傳感器，對稱分布於平板的四個角(或八個方位)，當壓力作用於平板時，四個角(或八個方位)的傳感器即給出與壓力相關的一定大小的電信號，壓力傳感器的輸出連接多路模擬開關電路、多路模擬開關電路連接A/D轉換電路並接微處理器的輸入埠，由微處理器及連接的存儲器作為數據處理電路和數據存儲電路，微處理器的輸出埠通過I/O輸出電路連接發光二極體的驅動電路，平衡功能顯示面板和電路由發光二極體的驅動電路，平衡功能顯示面板由發光二極體陣列和數碼管構成。發光二極體的驅動電路連接發光二極體。
5.由權利要求3所述的人體平衡功能康復訓練系統，其特徵是發光二極體陣列用來顯示重心偏移情況。
6.由權利要求3所述的人體平衡功能康復訓練系統，其特徵是顯示壓力中心(重心)的坐標，這部分由條狀發光二級管來完成。
7.由權利要求3所述的人體平衡功能康復訓練系統，其特徵是屏顯示結構中雙腳時每隻腳都有對應的發光二極體陣列，分別觀察每隻腳的情況。
8.由權利要求3所述的人體平衡功能康復訓練系統，其特徵是屏顯示結構為十字形發光二極體陣列。
9.由權利要求3所述的人體平衡功能康復訓練系統，其特徵是每隻腳均有為十字形發光二極體陣列，中心位置對應著腳的中心，並設有雙腳合一的十字發光二極體陣列。
全文摘要
人體平衡功能定量檢測的方法，通過直立、直坐和手指壓力檢測板完成人體直立的雙足壓力、坐壓力或手壓力信息轉換成電壓信號的能量轉換部件，壓力檢測板的下面有四個(或八個)壓力傳感器，對稱分布於平板的四個角(或八個方位)，當壓力作用於平板時，四個角(或八個方位)的傳感器即給出與壓力相關的一定大小的電信號，將這些信號通過換算即可求得作用於平板(檢測板)上瞬時壓力的中心位置，把這些隨時變化的中心位置坐標逐點記錄或通過顯示板顯示出來，即可對平衡功能進行各種分析或通過顯示板的顯示進行訓練。
文檔編號A61B5/00GK1771886SQ20051009416
公開日2006年5月17日 申請日期2005年8月31日 優先權日2005年8月31日
發明者寧新寶, 卞春華, 司峻峰, 陳蘊, 陳穎, 黃曉林 申請人:南京大學