[發明專利]一種穿戴式多維步態分析系統及方法

有效

• 申請號: 202110574316.1
• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN113273999B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 張娟娟;韓建達;陳建宇;靖智搏
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;A61B5/103;A61B5/389;A61B5/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江聯合專利商標代理有限公司 23213
• 代理人: 高志光

一種穿戴式多維步態分析系統及方法，包含慣性測量傳感器、壓力傳感器、表面肌電傳感器、數據路由器和上位機；傳感器測量得到的數據通過無線方式經數據路由器發送給上位機。分析方法包含：傳感器穿戴，壓力傳感器安裝在鞋內，慣性測量傳感器分別安裝在腰部、大腿、小腿和足部上，表面肌電傳感器分別安裝在肌肉皮膚表面；步態數據測量，受試者行走，所有的傳感器均通過微處理器將數據以無線方式發送給上位機；預處理，上位機采集通過數據路由器接收來自壓力傳感器、慣性測量傳感器和表面肌電傳感器的數據，并對數據進行濾波和解算；多維步態分析，根據所述變量進行多維度步態分析。本發明能多維度分析穿戴者的步態行為與運動機制。

技術領域

本發明屬于可穿戴設計技術領域，涉及一種穿戴式多維步態分析系統及方法，可用于運動檢測、生物力學測量和醫學步態分析。

背景技術

隨著經濟社會的發展與人口老齡化的增加，人們越來越重視自身的健康問題。步態分析主要用于運動健康領域，主要對人體的運動能力進行評估，例如可以用于偏癱、帕金森、腦癱、關節置換患者行走能力的量化評估，幫助醫生制定合適的治療方案和康復訓練；同時還可以用于高水平運動員的運動訓練，輔助開發外骨骼、智能假肢等設備。

步態分析一般包括三個方面：運動學分析、動力學分析和生理學分析。運動學分析一般測量人體的肢體姿態與關節角度，分析人的行走模式與運動特征；動力學分析通過運動學數據和地反力數據，計算各個關節關節力矩，從而分析運動行為下關節的受力大小；生理學分析通過測量人體的肌肉電信號，從肌肉層面解釋運動模式的形成原理。當前的步態分析系統可分為固定式和穿戴式兩種。固定式步態分析系統已經比較成熟，一般采用動作捕捉系統和六維力跑臺測量運動學和地反力數據，再通過生物力學軟件進行逆運動學和逆動力學求解得到關節角度和關節力矩，測量精度較高但價格昂貴，且體積龐大無法移動；隨著智能穿戴技術的興起，穿戴式步態分析系統逐漸發展，但現有的穿戴式步態分析系統往往存在一些局限性。一些穿戴式步態分析系統只含有單一類型傳感器，無法測量步態運動的多維信息，

經專利文獻檢索：發明專利申請CN110638462A所涉及的系統只含有足底壓力傳感器，無法獲得步態的運動學信息；發明專利申請CN108697377A所述涉及的系統只含有慣性傳感器，無法測量運動的地反力信息。另外一些穿戴式步態分析系統采用多傳感器方案，但僅單純的提取傳感器各自特征，例如發明專利申請CN109730687A使用壓力傳感器和慣性傳感器，發明專利CN105631195B使用柔性傳感器和慣性傳感器，這些系統往往只能足部以及小腿的運動學分析和地反力分析，無法結合運動學數據和地反力數據進行全下肢的動力學分析以及生理學分析。

發明內容

本發明為克服現有技術，提供一種穿戴式多維步態分析系統及方法。該系統能夠采集穿戴者的肢體姿態、地反力、肌電數據，從而進行運動學、動力學、生理學多層次的步態評估，本發明方法能多維度分析穿戴者的步態行為與運動機制，為運動功能障礙患者的治療和康復提供指導依據。

一種穿戴式多維步態分析系統，包含測量下肢運動姿態的慣性測量傳感器和測量足底壓力的壓力傳感器；還包含數據路由器、上位機和測量肌肉收縮的表面肌電傳感器；所述慣性測量傳感器、壓力傳感器、表面肌電傳感器測量得到的數據通過無線方式發送給數據路由器，上位機與數據路由器相連，用于對數據路由器采集到的數據進行預處理、分析和計算。

一種穿戴式多維步態分析方法，包含如下步驟：

傳感器穿戴，兩個壓力傳感器放置在兩個鞋內，壓力傳感器的信號排線沿腳后跟從鞋后伸出，連接至腳腕處的數據采集盒；慣性測量傳感器分別安裝在腰部、兩側大腿、兩側小腿和兩側足部上；多對表面肌電傳感器分別安裝在比目魚肌、脛骨前肌、股直肌和股二頭肌處表面；

步態數據測量，受試者行走，所有的傳感器均通過微處理器將數據以無線方式發送給上位機；

預處理，上位機采集通過數據路由器接收來自壓力傳感器、慣性測量傳感器和表面肌電傳感器的數據，首先對傳感器數據進行預處理獲得步態分析需要的變量；