[發(fā)明專利]基于光纖微彎壓力傳感的帕金森病人步態(tài)分析系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010420743.X
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111631722B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余霞;安東來;陳旭;唐舟卓;李文卓;夏心悅
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;A61B5/00;G16H50/30;G16H40/67;G16H10/60;G16H10/20;G16H30/20;H04L29/08
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 吳小燦;張濤

1.一種時(shí)域與頻域相結(jié)合的步態(tài)處理方法，其特征在于，包括利用基于光纖微彎壓力傳感的帕金森病人步態(tài)分析的系統(tǒng)執(zhí)行以下步驟：

步驟1，數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用Butterworth低通濾波器對原始壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波以去除噪點(diǎn)的干擾；

步驟2，找出波形的最高峰值序列f_datamax(i)及其對應(yīng)的時(shí)間序列f_timemax(i)和最低谷值序列f_datamin(i)及其對應(yīng)的時(shí)間序列f_timemin(i)，i是正整數(shù)；

步驟3，提取具體的時(shí)域步態(tài)特征參數(shù)，包括左右腳的壓力峰值、步頻、支撐相時(shí)間、擺動(dòng)相時(shí)間和步態(tài)周期比例的參數(shù)序列；

步驟4，濾除信號中的直流分量，避免直流分量對后續(xù)功率譜峰值的提取產(chǎn)生影響；

步驟5，采用將加窗處理與平均處理相結(jié)合的韋爾奇Welch法估算原始數(shù)據(jù)序列的功率譜密度值；

步驟6，提取功率譜的主導(dǎo)頻率值，即功率譜曲線峰值處對應(yīng)的頻率值；

所述步驟5包括：

(1)功率譜密度公式定義如下：

式中，F(xiàn)(w)是原始序列的傅里葉變換函數(shù)，T表示原始序列的周期，在功率譜曲線的實(shí)際計(jì)算中用已觀測的一組數(shù)據(jù)估計(jì)信號的功率譜；

(2)對采集的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行分段，把長度為N的信號序號x(n)分為L段，每段序列長度為M，之后對每段分別計(jì)算功率譜后取平均以減小隨機(jī)起伏現(xiàn)象；

(3)選擇合適的窗函數(shù)與分段后的數(shù)據(jù)序列相乘，通過使用窗函數(shù)減小信號截?cái)鄡啥说耐蛔儯?/p>

(4)分別計(jì)算步驟5得到的各段數(shù)據(jù)的功率譜，對每一段經(jīng)過加窗處理的數(shù)據(jù)x(n),n＝1,2…,M，n為正整數(shù)，M為每一段序列的長度，利用其離散傅里葉變換估計(jì)其功率譜，計(jì)算公式為：

式中x(n)為經(jīng)加窗處理后的數(shù)據(jù)序列，M為序列長度，P(i)為第i段序列的的功率譜估計(jì)值，i為正整數(shù)；

(5)對求出的L段數(shù)據(jù)的功率譜進(jìn)行平均，得到數(shù)據(jù)最終的功率譜值，即

式中i是正整數(shù)，i＝1,2,…,L，L為原數(shù)據(jù)序列所分的段數(shù)，為最終的功率譜值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)域與頻域相結(jié)合的步態(tài)處理方法，其特征在于，所述基于光纖微彎壓力傳感的帕金森病人步態(tài)分析的系統(tǒng)，包括柔性壓力裝置，所述柔性壓力裝置包括左腳鞋墊和右腳鞋墊，所述左腳鞋墊的跟部下方設(shè)置有左變形器，所述右腳鞋墊的跟部下方設(shè)置有右變形器，所述左變形器內(nèi)設(shè)置有左腳微彎壓力傳感光纖，所述右變形器內(nèi)設(shè)置有右腳微彎壓力傳感光纖，所述左腳微彎壓力傳感光纖的一端和所述右腳微彎壓力傳感光纖的一端分別通過分光器連接激光器，所述左腳微彎壓力傳感光纖的另一端通過左探測器連接中央處理器的第一信號輸入管腳，所述右腳微彎壓力傳感光纖的另一端通過右探測器連接所述中央處理器的第二信號輸入管腳，所述中央處理器連接服務(wù)器，所述服務(wù)器連接手機(jī)APP軟件客戶端；

所述中央處理器采用Arduino yun板，所述Arduino yun板上的A0管腳為所述第一信號輸入管腳，所述Arduino yun板上的A1管腳為所述第二信號輸入管腳，所述Arduino yun板對探測器傳送過來的足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和無線遠(yuǎn)程傳輸，所述服務(wù)器對所述Arduinoyun板處理后的足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行步態(tài)分析后將步態(tài)分析結(jié)果信息傳輸給所述手機(jī)APP軟件客戶端以在所述手機(jī)APP軟件界面上顯示；

所述激光器與所述分光器之間采用耦合器連接，所述左變形器和右變形器均包括上下鋸齒咬合結(jié)構(gòu)，微彎壓力傳感光纖位于所述上下鋸齒咬合結(jié)構(gòu)的咬合面上，當(dāng)變形器受到壓力時(shí)，光纖因受到擠壓而發(fā)生相應(yīng)的微彎，造成光纖光信號的微彎損耗，由所述探測器將微彎損耗的光纖光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳送給所述Arduino yun板；所述左變形器和右變形器均包括燕尾槽與燕尾體相嵌合的可拆卸結(jié)構(gòu)，所述變形器的材料為復(fù)模工藝制作的邵氏硬度為70度的軟膠。