基于Android的人體平衡能力測(cè)試系統(tǒng)研究

樊 萌，任福漢，李文強(qiáng)，樊永生

(1.中北大學(xué) 大數(shù)據(jù)學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051；3.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

平衡能力是指人體在受到外部干擾時(shí)，通過協(xié)調(diào)自身的神經(jīng)、肌肉、關(guān)節(jié)等，能夠使身體回到平衡狀態(tài)[1]的能力.平衡能力在日常生活中起到了舉足輕重的作用，人類的各種行為活動(dòng)都需要通過平衡能力實(shí)現(xiàn).人體平衡能力也是選拔運(yùn)動(dòng)員、檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果、優(yōu)化訓(xùn)練計(jì)劃的一個(gè)重要指標(biāo)；對(duì)于腦卒中、頸椎病、帕金森等患者，通過對(duì)病患進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的人體平衡能力測(cè)試，可以有效地輔助醫(yī)師做出正確的醫(yī)學(xué)診斷，制定康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃，檢驗(yàn)康復(fù)效果[2-3].

現(xiàn)階段在臨床中普遍被人接受的方法為Berg平衡能力測(cè)量法[4]，通過患者主動(dòng)施力或醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者施力進(jìn)行測(cè)量，但是由于是人為施力，存在個(gè)體差異，隨機(jī)性較大.目前國(guó)內(nèi)主流的定量檢測(cè)平衡能力的方法為基于靜態(tài)姿勢(shì)描記圖法[5]，由于其功能相對(duì)單一，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以客觀反映人體的真正平衡能力水平.在被動(dòng)平衡能力檢測(cè)方面，國(guó)外有學(xué)者提出了將隨機(jī)振動(dòng)脈沖形式的位移加入被測(cè)者足底，通過力平臺(tái)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析被測(cè)人員的平衡功能狀態(tài)[6-7].本文提出一種人體平衡能力智能測(cè)試方法，患者和健康人群均可通過測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行自我檢測(cè)，在測(cè)試結(jié)束后及時(shí)得到準(zhǔn)確的自身測(cè)試報(bào)告，測(cè)試數(shù)據(jù)可保存至個(gè)人專屬數(shù)據(jù)庫(kù)，方便患者檢驗(yàn)自身平衡能力變化，也有益于健康人群進(jìn)行有效預(yù)防.

1 測(cè)試原理

人在站立不動(dòng)時(shí)，人體重心會(huì)在一定范圍內(nèi)不規(guī)則移動(dòng)，若移動(dòng)范圍較小，則人體平衡能力較好，移動(dòng)范圍較大，則平衡能力不好[8].因此，通過測(cè)量人體站立時(shí)重心移動(dòng)范圍，就可測(cè)定人體平衡能力.人體平衡能力與先天因素和后天疾病都有關(guān)系.

1.1 影響因素

人體平衡能力是人體重要的生理機(jī)能之一，它是指人體維持自身穩(wěn)定性的能力，如人體維持某種姿勢(shì)不變或者受到外力作用時(shí)人體能夠保持機(jī)體平衡[9].在生理學(xué)方面，人體平衡能力的維持主要依賴于視覺、前庭器官和本體感受系統(tǒng)的信息輸入以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)所有信息的整合與對(duì)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)器的控制[10].首先，運(yùn)動(dòng)環(huán)境、運(yùn)動(dòng)方向等信息通過視覺處理后傳遞到中樞神經(jīng)；人體自身的空間位移信息被前庭覺獲取，中樞神經(jīng)通過前庭覺獲取到上述信息并進(jìn)行相應(yīng)的處理；軀體感覺則是通過人體肌肉、韌帶和關(guān)節(jié)等體現(xiàn)，中樞神經(jīng)通過軀體感覺獲取軀體各部位的位置、狀態(tài)信息，從而控制軀體運(yùn)動(dòng)[11].以上三類本體感覺對(duì)維持自身平衡起著至關(guān)重要的作用，任一位置發(fā)生異常，都會(huì)使人體失去平衡，導(dǎo)致人在站立時(shí)重心坐標(biāo)出現(xiàn)大幅度擺動(dòng).

1.2 人體重心坐標(biāo)測(cè)試原理

測(cè)量人體站立時(shí)重心移動(dòng)范圍可判定人體平衡能力.重心坐標(biāo)測(cè)試原理如圖1 所示.以測(cè)試平臺(tái)幾何中心作為原點(diǎn)O，左右兩邊中點(diǎn)連線所在直線為X軸，過原點(diǎn)垂直于X軸的所在直線為Y軸.A、B、C、D四個(gè)壓力傳感器以原點(diǎn)為中心，對(duì)稱分布于測(cè)試平臺(tái)，4個(gè)壓力傳感器坐標(biāo)分別為(a,b)，(-a,b)，(-a,-b)，(a,-b).

圖1 測(cè)試平臺(tái)受力示意圖

設(shè)人體重力為G，重心在測(cè)試平臺(tái)上的投影點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)，F(xiàn)A,FB,FC,FD為壓力傳感器所受壓力，它們的合力與重力大小相等.只考慮力的大小有

G=FA+FB+FC+FD.

(1)

根據(jù)力矩平衡公式可得

FA*a+FB*(-a)+FC*(-a)+

FD*a=G*x,

(2)

FA*b+FB*b+FC*(-b)+

FD*(-b)=G*y.

(3)

由式(2),(3)可得人體重心在測(cè)試平臺(tái)上投影點(diǎn)坐標(biāo)公式為

(4)

(5)

1.3 重心軌跡包絡(luò)面積

每隔固定一段時(shí)間對(duì)重心投影點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行一次測(cè)試，根據(jù)所得的重心投影點(diǎn)繪出坐標(biāo)軌跡，軌跡線上的點(diǎn)為人體重心發(fā)生變化時(shí)可能經(jīng)過的位置.所以，在計(jì)算包絡(luò)面積時(shí)需要將各個(gè)重心投影點(diǎn)的坐標(biāo)以及重心投影點(diǎn)軌跡線考慮在內(nèi).本文采取計(jì)算最小凸邊形的方法來計(jì)算包絡(luò)面積.假設(shè)各個(gè)重心投影點(diǎn)和軌跡線如圖2 所示，由圖2 可得其最小凸邊形如圖3 所示(最小凸邊形由虛線繪制)，其包括了所有的重心投影點(diǎn)和軌跡線上的點(diǎn).

圖2 重心投影點(diǎn)及其移動(dòng)軌跡

圖3 重心投影點(diǎn)集最小凸邊形

計(jì)算圖3 中的最小凸邊形的算法如下：

計(jì)算步驟1：

1)依據(jù)重心投影點(diǎn)坐標(biāo)y軸的值進(jìn)行升序排序，若y軸的值相等，則對(duì)比x軸的值，x軸較小的點(diǎn)在前.取y最小值的重心投影點(diǎn)，記為P1(x1,y1).

2)連接P1與其他重心投影點(diǎn)Pi，分別計(jì)算線段P1Pi與P1所在直線的夾角，將線段依據(jù)夾角大小進(jìn)行升序排序，夾角相等的情況下，將線段較短的置前.依據(jù)上述規(guī)則排序后，將線段另一端點(diǎn)Pi，按P2…Pn標(biāo)號(hào)，坐標(biāo)依次為P2(x2,y2)…Pn(xn,yn).

3)從i=1開始判斷凸點(diǎn)，依次檢查相鄰的三個(gè)點(diǎn)Pi,Pi+1,Pi+2，連接Pi和Pi+1，得到直線L，判斷Pi+2是否位于直線L的左邊，若位于左邊則表示Pi+1為凸點(diǎn)，對(duì)其保留，并令i=i+1，繼續(xù)判斷其他點(diǎn)；若位于右邊或直線上，則Pi+1為凹點(diǎn)，刪除Pi+1點(diǎn)，回退到上一個(gè)點(diǎn)重新判斷，具體判斷方法如算法2所示；將點(diǎn)集中所有的點(diǎn)進(jìn)行遍歷判斷，保留下來的點(diǎn)構(gòu)成了重心投影點(diǎn)集的最小凸邊形.

計(jì)算步驟2：

Pi+1凹凸性判斷：假設(shè)Pi、Pi+1、Pi+2三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(xi,yi)，(xi+1,yi+1)，(xi+2,yi+2)，計(jì)算凹凸判別變量K的值

K=xi+1yi+2-xi+2yi+1+xi+2yi-xiyi+2+

xiyi+1-xi+1yi.

(6)

當(dāng)K>0時(shí),表示Pi+2位于直線PiPi+1左邊，Pi+1為凸點(diǎn)；當(dāng)K<0,表示Pi+2位于直線PiPi+1右邊，Pi+1為凹點(diǎn)，刪除Pi+1；當(dāng)K=0時(shí),表示Pi+2在直線PiPi+1上，Pi+1為中性點(diǎn)，本文中選擇刪除該點(diǎn).

通過組合三角形法計(jì)算最小凸邊形的面積，可得重心軌跡包絡(luò)面積.

計(jì)算步驟3：

已知三角形的三個(gè)點(diǎn)分別為a(x1,y1)，b(x2,y2)，c(x3,y3)，其面積公式為

x3)(y1-y3)|.

(7)

以P1(x1,y1)為公共點(diǎn)，把最小凸邊形劃分為(n-2)個(gè)三角形，計(jì)算這(n-2)個(gè)三角形的面積，并進(jìn)行累加得到最小凸邊形面積，計(jì)算公式為

(xi-1-xi)(y1-yi)|.

(8)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程圖

2.1 系統(tǒng)組成

嵌入式測(cè)試系統(tǒng)通過壓力傳感器與陀螺儀采集人體重心坐標(biāo)以及軀體角度數(shù)據(jù)，由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將數(shù)據(jù)通過串口通信，上傳至Android客戶端人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)時(shí)向測(cè)試者展示，與此同時(shí)，Android客戶端通過Socket上傳至醫(yī)師監(jiān)控系統(tǒng)，由醫(yī)師監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)保存至MySql數(shù)據(jù)庫(kù).系統(tǒng)組成如圖4 所示.

圖4 系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)主要包括測(cè)試、訓(xùn)練、查詢?nèi)齻€(gè)功能.具體系統(tǒng)流程如圖5 所示.

用戶打開測(cè)試系統(tǒng)后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，初始化完成后由用戶進(jìn)行功能選擇：當(dāng)用戶選擇訓(xùn)練功能時(shí)，壓力傳感器與陀螺儀采集數(shù)據(jù)后，由嵌入式系統(tǒng)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，并且通過與數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析患者平衡能力是否有改善，之后將數(shù)據(jù)在Android客戶端實(shí)時(shí)顯示；當(dāng)用戶選擇測(cè)試功能時(shí)，壓力傳感器與陀螺儀會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)通過力矩平衡原理進(jìn)行計(jì)算得出重心坐標(biāo)，隨后通過包絡(luò)面積算法計(jì)算重心坐標(biāo)移動(dòng)范圍，系統(tǒng)將依據(jù)相關(guān)測(cè)試指標(biāo)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控端，保存至MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，在Android客戶端，用戶可與實(shí)時(shí)查看測(cè)試結(jié)果；當(dāng)用戶選擇查詢功能時(shí)，Android客戶端需要獲取用戶ID和密碼進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)并在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找測(cè)試數(shù)據(jù)，隨后將歷史測(cè)試數(shù)據(jù)顯示于客戶端.

圖5 系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)果分析

3.1 硬件部分展示

人體平衡能力測(cè)試儀采用的核心壓力傳感器HX711原理圖如圖6 所示.

人體平衡能力測(cè)試儀的成品硬件PCB圖如圖7 所示.

圖6 壓力傳感器HX711原理圖

圖7 人體平衡能力測(cè)試儀的成品硬件PCB圖

3.2 系統(tǒng)展示

人體平衡能力測(cè)試系統(tǒng)整體如圖8 所示.

圖8 系統(tǒng)整體展示

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)指標(biāo)

表1 測(cè)試指標(biāo)參考范圍

3.4 靜物測(cè)試

用靜止物體測(cè)試時(shí)，由于靜止物體的重心位置是固定，所以各類測(cè)試指標(biāo)理論上應(yīng)為固定值.由此可以通過對(duì)靜止物體進(jìn)行平衡測(cè)試來測(cè)定系統(tǒng)誤差大小以及測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性.本文對(duì)10，20，30，40，50，60 kg六種標(biāo)準(zhǔn)重量塊各進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試指標(biāo)為包絡(luò)面積(mm2).測(cè)試結(jié)果如表2 所示.

靜物測(cè)試時(shí)，包絡(luò)面積理論上應(yīng)為零，但在放置重量塊時(shí)，由于壓力傳感器本身的電壓波動(dòng)以及HX711的測(cè)量誤差導(dǎo)致存在系統(tǒng)擾動(dòng)，使得測(cè)試結(jié)果存在一定的誤差.由表2 可以看出，隨著被測(cè)物體重量的增加，系統(tǒng)誤差越來越小.被測(cè)物體為60 kg時(shí)，計(jì)算所得的包絡(luò)面積為1.80 mm2(此為多次測(cè)量平均值).我國(guó)健康成年人經(jīng)過平衡測(cè)試，平均包絡(luò)面積值約是300 mm2[12]，測(cè)量的系統(tǒng)誤差值是標(biāo)準(zhǔn)值的0.6%，測(cè)試結(jié)果較為準(zhǔn)確.多次測(cè)量同一重量物體，其測(cè)量偏差均值較小，并且隨著被測(cè)物體質(zhì)量增加，偏差均值下降，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性.

表2 靜物測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.5 人體測(cè)試

本測(cè)試為典型的雙足睜眼測(cè)試，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為健康狀況良好的24歲男性，其身高175 cm，體重66 kg.被測(cè)對(duì)象需要在每次測(cè)試時(shí)在平臺(tái)靜止站立30 s，3 min后進(jìn)行下一次重復(fù)實(shí)驗(yàn).以Area(包絡(luò)面積/ mm2)、SDx(X軸方向標(biāo)準(zhǔn)差)、SDy(Y軸方向標(biāo)準(zhǔn)差)、vx(X軸方向移動(dòng)速度/mm·s-1)、vy(Y軸方向移動(dòng)速度/mm·s-1)、Lng(運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度/mm)為測(cè)試指標(biāo)[13-14].SDx計(jì)算式為

(9)

式中：N為總測(cè)試次數(shù)；vx為X軸方向移動(dòng)速度；μx為多次測(cè)試X軸方向移動(dòng)速度的平均值；SDy計(jì)算式為

(10)

式中：vy為Y軸方向移動(dòng)速度；μy為多次測(cè)試Y軸方向移動(dòng)速度的平均值；Lng計(jì)算式為

(11)

式中：xi為被測(cè)者重心坐標(biāo)x值；yi為被測(cè)者重心坐標(biāo)y值，由于測(cè)試過程中，被測(cè)人員重心坐標(biāo)點(diǎn)非常密集，所以重心坐標(biāo)點(diǎn)描繪的曲線長(zhǎng)度可近似為n個(gè)點(diǎn)依次連接距離長(zhǎng)度之和.

測(cè)試結(jié)果如表3 所示.

對(duì)比我國(guó)成年人平衡測(cè)試指標(biāo)，顯然被測(cè)男子的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)都在正常范圍內(nèi)，平衡能力良好.由表3可得，多測(cè)試后，偏差均值降低.

表3 人體測(cè)試結(jié)果

表4 為與基于力平臺(tái)的平衡能力測(cè)試系統(tǒng)[15]中的雙足睜眼測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中被測(cè)人員身高177cm，體重68kg.與本文中被測(cè)試者身高體重相近，對(duì)比可得本系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性.

表4 人體測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖9 為某次雙足睜眼測(cè)試在客戶端顯示的測(cè)試結(jié)果.

圖9 Android客戶端測(cè)試結(jié)果

醫(yī)師端電腦的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10 所示.

圖10 醫(yī)師端電腦監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)控端顯示的測(cè)試報(bào)告如圖11 所示.

圖11 測(cè)試報(bào)告

4 結(jié) 論

本文研究了力矩平衡原理、包絡(luò)面積算法在人體平衡能力測(cè)試中的應(yīng)用，并利用STM32、Android與PC聯(lián)合研制了人體平衡能力智能測(cè)試系統(tǒng).根據(jù)力矩平衡原理測(cè)試人體重心移動(dòng)軌跡、計(jì)算人體重心包絡(luò)面積，實(shí)現(xiàn)人體平衡能力的可視化測(cè)試，對(duì)運(yùn)動(dòng)員選拔、病人康復(fù)訓(xùn)練有重要意義.根據(jù)系統(tǒng)的功能需求制定了平衡能力測(cè)試體系，確定了測(cè)試方法和測(cè)試指標(biāo)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)測(cè)試項(xiàng)目以及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，可以幫助醫(yī)生判斷測(cè)試者平衡能力的好壞以及影響因素.下一步計(jì)劃搭建云數(shù)據(jù)庫(kù)，將測(cè)試者的數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫(kù)，增加測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)量，以便于分析人體平衡能力的各項(xiàng)指標(biāo).