[发明专利]一种人体平衡功能定量评估系统

权利要求书

1.一种人体平衡功能定量评估系统，其特征在于，基于在执行虚拟瞄准任务过程中人体自身佩戴的加速度传感器组的数据，通过非线性动力学方法和功能网络分析方法定量估计得到人体平衡功能，包括：动态本体感觉的实时定量评估结果E(k)和躯体动态运动链薄弱指数W(k)；其中，虚拟瞄准任务的执行方式为：人体穿戴加速度传感器组并观察显示器，通过不断调整躯体姿态，使显示器中显示的二维光点与目标靶点重合；所述的人体平衡功能定量评价系统由1)加速度传感模块M1，2)躯体运动姿态检测模块M2，3)显示交互模块M3，4)平衡能力评估模块M4组成；其中，M1由5路加速度传感器组F_i(i＝1，2，...，5)构成，分别穿戴于人体的腹部核心肌群、左右踝关节和左右腕关节处，其中，每路F_i由间距为L的一对加速度传感器组成，分别实时检测并记录所穿戴部位在运动过程中的加速度信号和输出至躯体运动姿态检测模块M2；M2由三维位置估计模块M21和二维光点变换模块M22组成，其中，M21负责根据加速度传感模块M1输出的加速度信号估计得到躯体三维空间位置进而M22负责将三维空间位置变换为二维光点并将输出至显示交互模块M3，输出至平衡能力评估模块M4；M3由游戏视频生成模块M31，显示模块M32和设定初始化模块M33构成；其中，游戏视频生成模块M31负责生成初始化动作样例视频V1和含有目标靶点的游戏视频V2；显示模块M32由显示器E组成，负责在使用者对评估系统进行初始化过程中，显示M31生成的初始化动作样例视频V1，并在使用者执行虚拟瞄准任务的过程中，在游戏视频V2中叠加显示M2生成的二维光点设定初始化模块M33包含游戏模式和游戏难度两个设定参数，其中游戏模式参数为Mode1或Mode2，游戏难度参数为Level1或Level2；M4由存储模块M41，非线性动力学分析模块M42和功能网络分析模块M43构成，根据躯体运动姿态检测模块M2得到的二维光点数据，得到动态本体感觉的实时定量评估结果E(k)和躯体动态运动链薄弱指数W(k)。

2.如权利要求1所述的三维位置估计模块M21，其特征在于，根据加速度信号估计三维空间位置，具体方法为：

(1)对于每路加速度传感器组F_i中的两个加速度传感器获得的实时加速度信号和进行频域卡尔曼滤波，得到和

(2)对和进行高通滤波，得到和

(3)将两个加速度传感器的固定间距L作为正则化约束，对和积分得到两个加速度传感器的当前空间位置和计算方法如下：

将作为加速度传感器组F_i对应的三维空间位置。

3.如权利要求1所述的二维光点变换模块M22，其特征在于，将三维空间位置变换为二维光点所采用的变换方法具体为：

(1)在显示模块M32的屏幕E的二维显示空间内建立坐标系其中，为屏幕内向右方向对应的单位向量，为屏幕内向下方向对应的单位向量，坐标原点为E的屏幕中心；

(2)游戏模式为Mode1时：在人体所在的三维空间内建立三维坐标系，其中，由M33的初始化过程计算得到，为人体的正右方向对应的单位向量，为人体的正下方向对应的单位向量，为人体的正前方向对应的单位向量，目标平面Area由和张成；

(3)游戏模式为Mode2时：在人体所在的三维空间内建立三维坐标系，其中，由M33的初始化过程计算得到，为人体的左右方向对应的单位向量，为人体的上下方向对应的单位向量，不需要特殊定义，目标平面Area由和张成；

(4)游戏模式为Mode1时：由在目标平面Area上的投影确定，投影过程如下：

其中，Stride为初始化获得的人体步幅，和Stride的单位为米，ResM和ResN分别为显示器E的屏幕的左右方向和上下方向的分辨率；

(5)游戏模式为Mode2时：由在目标平面Area上的投影确定，投影过程如下：

其中，的单位为米，ResM和ResN分别为显示器E的屏幕的左右方向和上下方向的分辨率；

(6)游戏模式为Mode2时：使用者控制二维光点的过程中，可以对左右运动颠倒或上下运动颠倒的情况进行手动翻转。