人體平衡能力評估方法研究及系統(tǒng)實現(xiàn)

成 霞，谷玉海,，陳耀祖，蘇 鵬，徐小力

(北京信息科技大學 a.現(xiàn)代測控教育部重點實驗室； b.機電工程學院， 北京 100192)

人體平衡能力是指人保持自身身體處于某種狀態(tài)或受到外力作用時能自動恢復至平衡狀態(tài)的能力[1]。人體平衡能力是人體自身平衡功能強弱的客觀表現(xiàn)，體現(xiàn)運動穩(wěn)定性的控制力[2]。平衡是人能進行各種運動的前提，良好的人體平衡能力是日常生活中各類活動的基本保障[3]。若人體平衡能力出現(xiàn)問題，輕則導致患者在日常生活中過于小心產(chǎn)生危機跌倒的心理[4]或?qū)⒂绊懭梭w的自由行動能力；重則會限制或喪失自主活動能力，導致患者的日常生活質(zhì)量嚴重下降[5-6]。因此，研究人體平衡能力評估系統(tǒng)不僅能客觀、定量、精確地評估人體自身平衡能力的強弱，而且可為平衡障礙診斷、運動康復訓練等提供科學依據(jù)。

1 平衡能力的評估方法

人體站立平衡能力對人的日常生活非常重要， 170多年前就有學者對人體平衡能力進行研究。然而，由于人體站立生物調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的復雜性與不確定性，導致對人體平衡能力的準確評估存在重重困難。對人體平衡能力評估的方法按照其提出的順序與時間大致分為三類：傳統(tǒng)的觀察法、量表評估法和人體平衡測試儀器法[7]。

1) 傳統(tǒng)的觀察法。不借助外部儀器，醫(yī)生根據(jù)觀察測試者在不同條件下做出的保持自身平衡的能力進行評估。這種方法成本較低，且只能用來簡略評估測試者的平衡能力，不能得到精確的測試結(jié)果。傳統(tǒng)的觀察法種類繁多，普遍使用的3種檢測方法有閉目直立檢查法、強化Romberg檢查法以及單腿直立檢查法。閉目直立檢查法一般從靜止和運動兩種狀態(tài)來評估測試者的平衡能力。靜止狀態(tài)主要從以下幾個方面評估人體平衡能力：雙腳并攏靜止站立時睜閉眼前后身體的晃動狀態(tài)；坐位時的睜閉眼狀態(tài)；單足交替站立時身體的穩(wěn)定性。運動狀態(tài)主要從以下幾個方面評估人體平衡能力：移動身體時，身體保持平衡；在不同的條件下行走，直線、圓圈、跨過標記物等環(huán)境下行走；側(cè)向走，倒退走等[8]。該方法對人體平衡能力的測量過于簡略，缺乏評定標準和量化，不能精確地反映出人體自身平衡能力的強弱，所以該方法只能粗略地挑選出疑似患者。

2) 量表評估法。普遍使用的一般有Berg平衡量表法、Tinnetti量表法測試。

Berg平衡量表法是通過訪問專業(yè)醫(yī)生和測試者，經(jīng)過記錄、整理與分析一系列數(shù)據(jù)后綜合建立的從多個方面評價人體平衡能力的工具[9]。Berg平衡量表法包含14項平衡能力測試，醫(yī)生根據(jù)測試者做各個任務(wù)時的反應(yīng)與恢復自身平衡狀態(tài)所需時間來評估測試者的平衡能力，例如站、坐、單腳站立、轉(zhuǎn)身一周、坐站轉(zhuǎn)移等活動。每個測試的分值范圍為0～4，共14項測試，總分為56分。得分在46～56區(qū)間表明測試者平衡能力良好，得分低于46則被認為具有較大跌倒風險[10]。

Tinnetti量表法測試總分為28分，該方法主要有站立測試與行走測試。得分越高表示測試者的平衡穩(wěn)定性越好，得分低于24則表示人體平衡功能有可能出現(xiàn)障礙。

量表法雖然測試過程簡單、用時短，但評分具有主觀性，且分數(shù)難以界定，存在“天花板”效應(yīng)[11]，因此無法得到精確的測評結(jié)果。

3) 人體平衡測試儀器法。測力平臺是平衡測試儀器的一部分。當測試者站立在測力平臺上時，壓力傳感器采集到的隨身體微小晃動而變化的人體重心點數(shù)據(jù)實時地顯示在上位機屏幕上，并通過對重心數(shù)據(jù)的一系列處理與分析最終以圖表的形式顯示出來。其結(jié)果可用來評估測試者的平衡能力。

這種方法可以使測試者根據(jù)上位機屏幕顯示的重心偏移情況自行調(diào)整重心的軌跡方向；通過上位機的實時顯示，醫(yī)生可及時掌握測試者的平衡能力情況；也可根據(jù)測試結(jié)果對測試者的平衡能力進行定量評估和準確分析。

2 平衡測試指標及計算方法

平衡測試儀器主要由測力平臺、放大濾波器、單片機、計算機裝置以及顯示裝置等設(shè)備組成。平衡測試儀系統(tǒng)工作原理如圖1所示。測試者站立于測力平臺上，測力平臺下方的壓力傳感器感受到壓力的變化，將壓力信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號；經(jīng)過濾波和放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[12]傳送至單片機；單片機處理之后通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，上位機系統(tǒng)根據(jù)力矩平衡原理對數(shù)字信號進行實時處理與分析，獲得人體重心坐標，并實時顯示在上位機顯示屏上；同時繪制出重心移動軌跡線，并對測試過程中上位機保存的人體重心數(shù)據(jù)進行處理與計算，得到的測試結(jié)果能更定量、精確地評估人體平衡能力。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

根據(jù)前人對人體平衡能力的研究，選取最常用且有效的平衡指標作為測試指標，各測試指標如下：

1) 重心移動軌跡長度(Lng)：指在指定時間內(nèi)采集到的人體重心點的移動軌跡長度，其總值越大，表明測試過程中測試者身體晃動幅度越大或重心偏離身體重心位置的幅度越大，也說明測試者的自身平衡穩(wěn)定性差。(xi,yi)表示ti時刻人體重心在測力平臺上的坐標，連續(xù)采集測試者重心數(shù)據(jù)并記錄n個重心的坐標，則重心軌跡總長度為：

(1)

(2)

3) 單位面積軌跡長度(Lng/Area)。指重心移動軌跡長度與軌跡面積的比值，反映測試者在維持自身平衡時對姿態(tài)的細微控制能力。當自身控制能力減弱時，該值也隨之減小[13]。

(3)

4) 左右動搖徑(Dx)。指重心點在左右方向上的最大擺動范圍，擺動范圍越大說明平衡穩(wěn)定性越差，即

Dx=xmax-xmin

(4)

5) 前后動搖徑(Dy)。指重心點在前后方向上的最大擺動范圍,擺動范圍越大說明平衡穩(wěn)定性越差，即

Dy=ymax-ymin

(5)

6) 動搖徑比(D)。指左右動搖徑與前后動搖徑的比值，比值越大說明平衡穩(wěn)定性越差，即

(6)

7)X、Y方向平均差。通過計算x、y方向平均差的值來反映測試者在x方向和y方向的人體平衡能力，其計算式為：

(7)

(8)

通過比較ADx與ADy值的大小，確定重心搖擺的程度，值越小說明重心在該方向的平衡能力越好。

8) 位移方差評估。獲得測試者的一系列重心坐標，通過計算位移方差值來評估人體的平衡能力。

(9)

其中：n表示重心點投影個數(shù)；x1…xn表示橫坐標；x表示位移平均值。

表1 統(tǒng)計四川省科委重點項目得到的數(shù)據(jù)結(jié)論

為方便處理和管理數(shù)據(jù)，在對上述公式進行計算之前，首先在單片機內(nèi)對采集到的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，將預處理所得數(shù)據(jù)限定在[-1,1]范圍，從而消除極個別特殊數(shù)據(jù)導致的不良影響，使得測試結(jié)果更精確。

對人體平衡測試儀器系統(tǒng)獲得的重心動搖數(shù)據(jù)，結(jié)合測試時間，進行如圖2所示的人體平衡能力分析。

圖2 人體平衡能力分析流程框圖

測試者站在測力平臺上時，測力平臺下方的12個壓力傳感器將采集到的壓力信號轉(zhuǎn)化為力學信號，經(jīng)過硬件模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過串口通信傳輸至上位機，上位機系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)力矩平衡原理計算出每個重心點的坐標，按時間順序依次在上位機屏幕上實時顯示重心點并繪制出重心移動軌跡線。根據(jù)實時顯示并記錄下的投影重心數(shù)據(jù)信息(如圖3所示)以及采樣時間，計算出各個評價指標的值，并在計算出的指標的基礎(chǔ)上，分析測試者平衡能力。

圖3 重心坐標點信息截圖

3 實驗與分析

3.1 測試對象

所有測試者均為身體康健、無任何影響平衡功能疾病的志愿者。選取20名身體健康的大學生和20名老年人作為測試者，其中男、女各10人，根據(jù)年齡段將其分為青年組和老年組。青年組整體年齡在22～27歲，身高老年組整體年齡在60～70歲，測試者的基本信息如表2所示。

表2 測試者基本信息

3.2 測試方法

進行平衡測試時，要求測試者在安靜、明亮度合適、溫度適宜、無噪音的環(huán)境靜坐10 min以適應(yīng)。然后站立在測力平臺上方，點擊“開始”按鈕之后雙眼平視前方，如圖4所示。測試者目視前方，心情平和，注意力集中，全身處于放松狀態(tài)保持身體穩(wěn)定，測試進行30 s，期間避免給測試者下指令或問話等一切干擾性行為。若測試過程中，被測者被突然打斷或者測試數(shù)據(jù)異常，休息5 min之后再進行測試，以確保數(shù)據(jù)的可用性。

圖4 實驗現(xiàn)場照片

3.3 測試結(jié)果與分析

3.3.1測試指標分析

40名測試者按順序依次通過測試，采集到測試者在測試過程中重心的實時運動軌跡。根據(jù)采集到的足底壓力信號將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，最后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息與采樣時間進行各個測試指標的計算與分析。測試指標各數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可以得出：青年組的重心移動軌跡長(Lng)略小于老年組，說明在測試過程中青年組人體晃動頻率比老年組低，偏離中心位置的幅度小，人體穩(wěn)定性整體上比老年組好；青年組的軌跡面積(Area)小于老年組，反映出青年組比老年組的人體搖擺程度低；當人體自身的控制能力減弱時，單位面積軌跡長(Lng/Area)減小，老年組的單位面積軌跡長小于青年組，表明老年組比青年組的控制能力弱；從左右動搖半徑(Dx)、前后動搖半徑(Dy)以及動搖徑比(D)這三方面進行對比，發(fā)現(xiàn)老年組測試所得值普遍高于青年組，說明老年組比青年組的重心浮動范圍大；平均差數(shù)值(ADx,ADy)越小，說明該方向上的平衡能力越好，通過對比x、y方向的平均差數(shù)值來看，青年組比老年組的數(shù)值均偏小，故青年組的平衡能力強于老年組；位移方差值(S2)在(4.88,5.61)，說明人的平衡能力良好，位移方差值在(5.61,6)，說明人的平衡能力正常，青年組的平衡能力屬于良好等級，老年組的平衡能力屬于正常等級。由此可以得出結(jié)論，青年組比老年組的整體平衡能力要好。

表3 各測試指標結(jié)果

3.3.2重心運動軌跡線分析

從青年組和老年組中分別隨機選取1張重心運動軌跡線圖用來分析。取橫軸為x軸，縱軸為y軸，以兩軸交點作為原點，建立直角坐標系。通過觀察圖5、6可以得出：圖5的重心軌跡線圍繞圓點運動且左右、前后幾乎均勻分布，重心軌跡線滑動幅度較小，比較穩(wěn)定，可以看出圖5的重心運動軌跡屬于中心型，說明被測者平衡能力較強；圖6的重心軌跡線并非均勻分布在圓點周圍，它在x正半軸上較突出，且重心軌跡線滑動幅度較大，由此可以推斷出被測者平衡能力存在一定程度的障礙，建議及時就醫(yī)查明原因，防止發(fā)生意外。從重心運動軌跡線角度分析，青年組的平衡能力普遍比老年組的平衡控制能力強。

圖5 青年組重心運動軌跡線

圖6 老年組重心運動軌跡線

4 結(jié)論

設(shè)計了一種新的評估人體平衡能力的系統(tǒng)，將傳統(tǒng)評價指標與平均差以及方位差相結(jié)合評估測試者的平衡能力，并在人體平衡測試儀器系統(tǒng)中給予實現(xiàn)。系統(tǒng)基于人體重心位移(CoP) 測量方法，將系統(tǒng)硬件與軟件相結(jié)合，采用串口通訊以及QT界面設(shè)計技術(shù)，量化分析與評估測試者的平衡能力，達到可視化的效果。該系統(tǒng)主要用于人體靜態(tài)條件下平衡能力的評估，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以客觀、定量、精確地評估人體的平衡能力，且能實時檢測人體重心位置，對平衡能力缺陷疾病的預防與治療都有重要意義，為人體平衡儀在醫(yī)學中的應(yīng)用提供了新思路，具有較好的技術(shù)應(yīng)用前景。