[发明专利]一种人体平衡功能定量评估系统

说明书

本发明公开了一种基于反馈控制过程的人体平衡功能定量评估系统，该系统由加速度传感模块、躯体运动姿态检测模块、显示交互模块和平衡能力评估模块组成，使用者通过执行虚拟瞄准任务使人体部分躯体维持在特定角度和方位，同时通过人体佩戴的加速度传感器对部分躯体空间位置进行检测，并采用线性动力学方法和功能网络分析方法对传感器数据进行处理得到动态本体感觉的实时定量评估结果和动态运动链躯体薄弱指数。本发明具有优良的便携性，能够对包括人体动态本体感觉和动态运动链躯体薄弱指数在内的涉及人体上下肢体与核心肌群的平衡功能进行定量评估，帮助躯体损伤和躯体术后患者估计自身康复程度。

技术领域

本发明属于生物力学领域，尤其涉及一种人体平衡功能定量评估系统。

背景技术

平衡能力是人体执行站立、行走等功能的基本保障，从生物力学研究的角度看，动态地将部分躯体维持在特定的角度和方位是一个典型的非平稳、非线性的反馈控制动力学过程。人体反馈控制是一个视觉、本体感觉、肌肉和韧带力量等多因素共同参与的复杂过程，在躯体损伤患者和躯体术后患者的康复过程中，肌肉韧带的控制会逐步适应新的力学环境和生理特征的改变，患者的平衡能力逐渐上升，患者的反馈控制能力也得到恢复。因此，实时定量地对患者的反馈控制能力进行评价，进而反映患者的平衡能力和康复程度，对患者的康复具有十分重要的临床意义。

针对医疗康复的问题，主要有以下现行方案：如中国发明专利201710714823.4，为患者设计了一种医疗康复用跑步机，帮助患者锻炼腿部肌肉，但该方法在患者锻炼的过程中无法提供康复相关的定量指标，一方面难以衡量患者的康复程度，另一方面也可能导致患者在缺乏结果反馈的康复过程中逐渐失去对康复锻炼的兴趣；如中国实用新型专利201820708380.8，借助上肢功能障碍患者上肢动态肌力的反馈，提供了一个上肢功能评估康复训练系统，但该方法仅能评估上肢功能，适用性不足。

发明内容

本发明针对上述问题以及现有技术的不足，公开了一种人体平衡功能定量评估系统。本发明基于反馈控制过程，通过执行虚拟瞄准任务使人体部分躯体维持在特定角度和方位，同时通过人体自身佩戴的加速度传感器对部分躯体空间位置进行检测，并采用非线性动力学方法和功能网络分析方法对传感器数据进行处理得到动态本体感觉的实时定量评估结果和躯体动态运动链薄弱指数；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。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案如下：

所述的人体平衡功能的定量评估系统由加速度传感模块M1、躯体运动姿态检测模块M2、显示交互模块M3和平衡能力评估模块M4组成；

加速度传感模块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；

躯体运动姿态检测模块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，三维位置估计模块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；

显示交互模块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；