[发明专利]一种穿戴式多维步态分析系统及方法

说明书

一种穿戴式多维步态分析系统及方法，包含惯性测量传感器、压力传感器、表面肌电传感器、数据路由器和上位机；传感器测量得到的数据通过无线方式经数据路由器发送给上位机。分析方法包含：传感器穿戴，压力传感器安装在鞋内，惯性测量传感器分别安装在腰部、大腿、小腿和足部上，表面肌电传感器分别安装在肌肉皮肤表面；步态数据测量，受试者行走，所有的传感器均通过微处理器将数据以无线方式发送给上位机；预处理，上位机采集通过数据路由器接收来自压力传感器、惯性测量传感器和表面肌电传感器的数据，并对数据进行滤波和解算；多维步态分析，根据所述变量进行多维度步态分析。本发明能多维度分析穿戴者的步态行为与运动机制。

技术领域

本发明属于可穿戴设计技术领域，涉及一种穿戴式多维步态分析系统及方法，可用于运动检测、生物力学测量和医学步态分析。

背景技术

随着经济社会的发展与人口老龄化的增加，人们越来越重视自身的健康问题。步态分析主要用于运动健康领域，主要对人体的运动能力进行评估，例如可以用于偏瘫、帕金森、脑瘫、关节置换患者行走能力的量化评估，帮助医生制定合适的治疗方案和康复训练；同时还可以用于高水平运动员的运动训练，辅助开发外骨骼、智能假肢等设备。

步态分析一般包括三个方面：运动学分析、动力学分析和生理学分析。运动学分析一般测量人体的肢体姿态与关节角度，分析人的行走模式与运动特征；动力学分析通过运动学数据和地反力数据，计算各个关节关节力矩，从而分析运动行为下关节的受力大小；生理学分析通过测量人体的肌肉电信号，从肌肉层面解释运动模式的形成原理。当前的步态分析系统可分为固定式和穿戴式两种。固定式步态分析系统已经比较成熟，一般采用动作捕捉系统和六维力跑台测量运动学和地反力数据，再通过生物力学软件进行逆运动学和逆动力学求解得到关节角度和关节力矩，测量精度较高但价格昂贵，且体积庞大无法移动；随着智能穿戴技术的兴起，穿戴式步态分析系统逐渐发展，但现有的穿戴式步态分析系统往往存在一些局限性。一些穿戴式步态分析系统只含有单一类型传感器，无法测量步态运动的多维信息，

经专利文献检索：发明专利申请CN110638462A所涉及的系统只含有足底压力传感器，无法获得步态的运动学信息；发明专利申请CN108697377A所述涉及的系统只含有惯性传感器，无法测量运动的地反力信息。另外一些穿戴式步态分析系统采用多传感器方案，但仅单纯的提取传感器各自特征，例如发明专利申请CN109730687A使用压力传感器和惯性传感器，发明专利CN105631195B使用柔性传感器和惯性传感器，这些系统往往只能足部以及小腿的运动学分析和地反力分析，无法结合运动学数据和地反力数据进行全下肢的动力学分析以及生理学分析。

发明内容

本发明为克服现有技术，提供一种穿戴式多维步态分析系统及方法。该系统能够采集穿戴者的肢体姿态、地反力、肌电数据，从而进行运动学、动力学、生理学多层次的步态评估，本发明方法能多维度分析穿戴者的步态行为与运动机制，为运动功能障碍患者的治疗和康复提供指导依据。

一种穿戴式多维步态分析系统，包含测量下肢运动姿态的惯性测量传感器和测量足底压力的压力传感器；还包含数据路由器、上位机和测量肌肉收缩的表面肌电传感器；所述惯性测量传感器、压力传感器、表面肌电传感器测量得到的数据通过无线方式发送给数据路由器，上位机与数据路由器相连，用于对数据路由器采集到的数据进行预处理、分析和计算。

一种穿戴式多维步态分析方法，包含如下步骤：

传感器穿戴，两个压力传感器放置在两个鞋内，压力传感器的信号排线沿脚后跟从鞋后伸出，连接至脚腕处的数据采集盒；惯性测量传感器分别安装在腰部、两侧大腿、两侧小腿和两侧足部上；多对表面肌电传感器分别安装在比目鱼肌、胫骨前肌、股直肌和股二头肌处表面；

步态数据测量，受试者行走，所有的传感器均通过微处理器将数据以无线方式发送给上位机；

预处理，上位机采集通过数据路由器接收来自压力传感器、惯性测量传感器和表面肌电传感器的数据，首先对传感器数据进行预处理获得步态分析需要的变量；