一种人体步态评测系统及方法

1.一种人体步态评测系统，其特征在于，该系统包括：信息采集模块，无线通信模块和数据分析终端，其中，
所述信息采集模块用以测量和处理双脚以及腰部的三维加速度信号，通过所述无线通信模块接收所述数据分析终端发送的指令，并将处理后的三维加速度信号通过所述无线通信模块发送给所述数据分析终端；
所述数据分析终端用于与所述信息采集模块进行数据交互并对所述信息采集模块无线上传的处理后的三维加速度信号进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息，结合医学上的Tinetti评测表中确定待评测对象的步态信息是否正常，并将评测结果通过人机交互界面呈现给用户；
所述无线通信模块用以进行所述信息采集模块与所述数据分析终端之间的数据交换；
所述信息采集模块由三个信息采集节点以及数据处理子模块组成，所述三个信息采集节点分别固定在被评测对象的双脚和腰部，其中，所述信息采集节点用于测量被评测部位的三维加速度信号；所述数据处理子模块用于对所述三维加速度信号进行滤波、时频变换和积分处理；每个信息采集节点都包括三轴加速度计及其外围电路以及无线收发模块；其中，
所述三轴加速度计用于测量被评测部位的三维加速度信号；
所述外围电路包括电源供电电路和硬件信号处理电路，所述电源供电电路用于对三轴加速度计进行供电，所述硬件信号处理电路用于对三轴加速度计测量得到的三维加速度信号进行电容电阻RC滤波；
所述信息采集节点将经过RC滤波的三维加速度信号发送给所述数据处理子模块，所述数据处理子模块对接收到的三维加速度信号进行处理后，再将处理后的三维加速度信号发送回相应的信息采集节点；
所述无线收发模块用于将所述数据处理子模块处理后返回的三维加速度信号通过所述无线通信模块发送到所述数据分析终端，并通过所述无线通信模块接收所述数据分析终端发来的反馈以及控制指令。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理子模块对所述三维加速度信号进行的滤波、时频变换和积分处理进一步为：
采用低通滤波算法，滤去三维加速度信号中的高频噪声干扰信号；
将经过低通滤波的时域加速度信号变成频域信号，得到加速度信号的频率信息；
对经过滤波的加速度信号进行一次积分运算和水平、垂直方向上的二次积分运算，得到被评测部位的速度和水平、垂直方向上的位移。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，对所述处理后的三维加速度信号进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息进一步包括：
根据所述加速度信号的频率信息得到步频和步行周期；
根据三维加速度信号经过所述一次积分处理后的信号得到步速；
根据三维加速度信号经过水平方向上的二次积分处理后的信号得到步长和步宽；
根据三维加速度信号经过垂直方向上的二次积分处理后的信号得到步幅；
从得到的这些步态特征量中分析得到待评测对象的步态信息：起始步态信息、步伐的长度与高度、步态的均匀度、步态的连续性、直线行走的偏离度、步行距离。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述Tinetti评测表包括以下评测信息：
两脚相对位置、步伐是否一致、步伐是否均匀。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据分析终端为传统的PC机、智能手机或者平板电脑；所述无线通信模块为无线通信网络。
6.一种使用权利要求1所述的人体步态评测系统对人体步态进行评测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，在对人体步态进行评测前，用绷带把三个信息采集节点分别固定在被评测对象的双脚和腰部，保证这三个信息采集节点在步态评测过程中相对于所固定的部位不会滑动；
步骤2，打开设备电源，让被评测对象正常站立一段时间，等待由数据分析终端发出评测准备指令；
步骤3，所述数据分析终端发出评测准备指令，所述信息采集模块接收到所述评测准备指令后，执行初始化操作，确定信息采集节点的初始状态，并把初始状态信息发送到数据分析终端，所述初始状态信息包括：当前信息采集模块中的时间信息和加速度信号的初始输出；
步骤4，评测者在确定信息采集节点初始状态信息无误后向被评测对象发出评测开始指令，被评测对象在收到评测开始指令后，开始沿直线行走，同时信息采集节点收到所述数据分析终端发出的采集指令，开始对被评测对象的三维加速度信号进行采集，采集到的信号经过RC滤波以及数据处理子模块处理后通过无线通信模块实时传输给所述数据分析终端进行存储；
步骤5，被评测对象在直线行走一段距离时，所述数据分析终端发出评测结束指令，信号采集节点收到该指令后停止信号的采集与上传，同时关闭信号采集节点电源，将信息采集节点从被评测对象身上卸载下来；
步骤6，所述数据分析终端对评测过程中接收到的被评测对象的步态数据进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息，结合医学上的Tinetti评测表确定待评测对象的步态信息是否正常，并通过所述数据分析终端的人机交互界面将评测结果呈现给被评测对象。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数据处理子模块对所述三维加速度信号的处理为对所述三维加速度信号进行滤波、时频变换和积分，其中，所述滤波为，采用低通滤波算法，滤去三维加速度信号中的高频噪声干扰信号；
所述时频变换为，将经过低通滤波的时域加速度信号变成频域信号，得到加速度信号的频率信息；
所述积分为，对经过滤波的加速度信号进行一次积分运算和水平、垂直方向上的二次积分运算，得到被评测部位的速度和水平、垂直方向上的位移。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤6中，对所述步态数据进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息进一步包括：
根据所述加速度信号的频率信息得到步频和步行周期；
根据三维加速度信号经过所述一次积分处理后的信号得到步速；
根据三维加速度信号经过水平方向上的二次积分处理后的信号得到步长和步宽；
根据三维加速度信号经过垂直方向上的二次积分处理后的信号得到步幅；
从得到的这些步态特征量中分析得到待评测对象的步态信息：起始步态信息、步伐的长度与高度、步态的均匀度、步态的连续性、直线行走的偏离度、步行距离。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述Tinetti评测表包括以下评测信息：
两脚相对位置、步伐是否一致、步伐是否均匀。

一种人体步态评测系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及无线网络数据融合以及数字信号处理技术领域，尤其是一种人体步态评测系统及方法，用于对老年人的跌倒风险进行评估。\n背景技术\n[0002] 人体步态信息是人日常行走时的足部特征信息，通常包括起始步态、步伐的长度和高度、步态均匀度、步态连续性、步行距离、步行偏离度等特征。通过分析这些数据，可以对人体步态进行评测，来揭示人体步态异常的环节、影响因素以及对跌倒等情况进行评估。\n传统的步态评测方法是通过受测者和测试者站在一起，在大厅行走，用肉眼观察来实现的。\n这种方法影响因素较多，智能化程度不够，而且实现起来不方便。\n[0003] 公开号为CN202086479的专利申请描述了一种人体步态分析系统，其通过电子步垫采集人体步态特征，并将采集到的人体步态特征转化为数据信号，通过数据分析装置分析电子步垫的数据信号来反映人体步态特征。但是这种系统使用起来比较复杂，不便携，且不能反映人体步态的三维参数，所以功能有限。\n[0004] 公开号为CN101694499的专利申请描述了一种基于行人步态检测的步速测量和传输的系统和方法，该系统通过两轴加速度感知人体步态加速度数据，并从中提取步态特征，检测出运动瞬时速度，平均速度，移动距离，运动时间及移动步数。该方法只给出了与步态相关的有限参数，至于起始步态信息、步伐的长度与高度、步态的均匀度、步态的连续性、直线行走的偏离度等无法给出，而这些参数却是步态评测的重要参数。\n发明内容\n[0005] 为了实现智能化的步态评测，本发明提供一种人体步态评测系统及方法，本发明不仅能够监测人体步态信息，而且还能够分析人体步态信息并给出评测结果，可用于对特殊人群进行步态评估。本发明为智能化评测，实时出结果而且成本低廉，操作简单。\n[0006] 根据本发明的一方面，提出一种人体步态评测系统，其特征在于，该系统包括：信息采集模块，无线通信模块和数据分析终端，其中，\n[0007] 所述信息采集模块用以测量和处理双脚以及腰部的三维加速度信号，通过所述无线通信模块接收所述数据分析终端发送的指令，并将处理后的三维加速度信号通过所述无线通信模块发送给所述数据分析终端；\n[0008] 所述数据分析终端用于与所述信息采集模块进行数据交互并对所述信息采集模块无线上传的处理后的三维加速度信号进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息，结合医学上的Tinetti评测表中确定待评测对象的步态信息是否正常，并将评测结果通过人机交互界面呈现给用户；\n[0009] 所述无线通信模块用以进行所述信号采集模块与所述数据分析终端之间的数据交换；\n[0010] 所述信息采集模块由三个信息采集节点以及数据处理子模块组成，所述三个信息采集节点分别固定在被评测对象的双脚和腰部，其中，所述信息采集节点用于测量被评测部位的三维加速度信号；所述数据处理子模块用于对所述三维加速度信号进行滤波、时频变换和积分处理。\n[0011] 根据本发明的另一方面，本发明还提出一种使用权利要求1所述的人体步态评测系统对人体步态进行评测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：\n[0012] 步骤1，在对人体步态进行评测前，用绷带把三个信息采集节点分别固定在被评测对象的双脚和腰部，保证这三个信息采集节点在步态评测过程中相对于所固定的部位不会滑动；\n[0013] 步骤2，打开设备电源，让被评测对象正常站立一段时间，等待由数据分析终端发出评测准备指令；\n[0014] 步骤3，所述数据分析终端发出评测准备指令，所述信息采集模块接收到所述评测准备指令后，执行初始化操作，确定信息采集节点的初始状态，并把初始状态信息发送到数据分析终端，所述初始状态信息包括：当前信息采集模块中的时间信息和加速度信号的初始输出；\n[0015] 步骤4，评测者在确定信息采集节点初始状态信息无误后向被评测对象发出评测开始指令，被评测对象在收到评测开始指令后，开始沿直线行走，同时信息采集节点收到所述数据分析终端发出的采集指令，开始对被评测对象的三维加速度信号进行采集，采集到的信号经过RC滤波以及数据处理子模块处理后通过无线通信模块实时传输给所述数据分析终端进行存储；\n[0016] 步骤5，被评测对象在直线行走一段距离时，所述数据分析终端发出评测结束指令，信号采集节点收到该指令后停止信号的采集与上传，同时关闭信号采集节点电源，将信息采集节点从被评测对象身上卸载下来；\n[0017] 步骤6，所述数据分析终端对评测过程中接收到的被评测对象的步态数据进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息，结合医学上的Tinetti评测表确定待评测对象的步态信息是否正常，并通过所述数据分析终端的人机交互界面将评测结果呈现给被评测对象。\n[0018] 本发明的有益效果是，可以智能化的评测人体步态信息，方便对老人等特殊人群的跌倒风险进行评估，其结构简单，成本低廉，操作方便。\n附图说明\n[0019] 图1是本发明人体步态评测系统的结构示意图。\n[0020] 图2是本发明人体步态评测方法的流程图。\n具体实施方式\n[0021] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。\n[0022] 图1为本发明人体步态评测系统的结构示意图，如图1所示，本发明的人体步态评测系统包括：信息采集模块，无线通信模块和数据分析终端。\n[0023] 其中，所述信息采集模块用以测量和处理双脚以及腰部的三维加速度信号，通过所述无线通信模块接收所述数据分析终端发送的指令，并将处理后的三维加速度信号通过所述无线通信模块发送给所述数据分析终端；\n[0024] 所述信息采集模块由三个信息采集节点：独立节点1、独立节点2、独立节点3，以及数据处理子模块组成，所述信息采集节点用于测量被评测部位的三维加速度信号；所述数据处理子模块用于对所述三维加速度信号进行滤波、时频变换和积分处理。具体地，所述三个信息采集节点分别固定在被评测对象的双脚和腰部，每个信息采集节点都包括三轴加速度计及其外围电路以及无线收发模块；其中，所述三轴加速度计用于测量被评测部位的三维加速度信号；所述外围电路包括电源供电电路和硬件信号处理电路，所述电源供电电路用于对三轴加速度计进行供电，所述硬件信号处理电路用于对三轴加速度计测量得到的三维加速度信号进行电容电阻RC滤波，以滤除其中的噪声。\n[0025] 所述三个信息采集节点将经过RC滤波的三维加速度信号发送给所述数据处理子模块，所述数据处理子模块对接收到的三维加速度信号进行滤波、时频变换、积分等处理，以便于接下来所述数据分析终端能够从处理后的三维加速度信号中得到被评测部位，即信息采集节点所在的部位的步态信息，然后再将处理后的三维加速度信号发送回相应的信息采集节点；\n[0026] 其中，对三维加速度信号进行滤波主要是采用低通滤波算法，滤去三维加速度信号中的高频噪声干扰信号；时频变换主要是将经过低通滤波的时域加速度信号变成频域信号，得到加速度信号的频率信息；积分处理主要是对经过低通滤波的加速度信号进行一次和二次积分运算，得到被评测部位的速度和位移信息，进一步地，对经过滤波的加速度信号在水平和垂直方向上分别进行二次积分运算，可以得出待评测对象在水平和垂直方向上的位移。所述低通滤波算法、时频变换算法和积分处理算法在现有技术中均非常常见，在此不作赘述。\n[0027] 所述无线收发模块，用于将所述数据处理子模块处理后返回的三维加速度信号通过所述无线通信模块发送到所述数据分析终端，并通过所述无线通信模块接收所述数据分析终端发来的反馈以及控制指令。\n[0028] 所述数据分析终端用于与所述信息采集模块进行数据交互并对所述信息采集模块无线上传的处理后的三维加速度信号进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息，结合医学上的Tinetti评测表中两脚相对位置、步伐是否一致、步伐是否均匀等评测信息确定待评测对象的步态信息是否正常，并将评测结果通过人机交互界面呈现给用户。\n[0029] 对处理后的三维加速度信号进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息包括：根据三维加速度信号经过所述时频变换得到的三维加速度信号的频率信息得到步频和步行周期；根据三维加速度信号经过所述一次积分处理后的信号得到步速；根据三维加速度信号经过所述二次积分处理后的信号得到步长、步幅和步宽，进一步地，根据三维加速度信号经过水平方向上的二次积分处理后的信号得到步长和步宽，根据三维加速度信号经过垂直方向上的二次积分处理后的信号得到步幅；从上述得到的步态特征量中经过简单的数学运算可以得到待评测对象的起始步态信息(比如是否犹豫、是否尝试了几次才迈出脚步等信息)、步伐的长度与高度(由步长和步幅可以得到)、步态的均匀度(由步频可以得到)、步态的连续性(由步速可以得到)、直线行走的偏离度(由步宽可以得到)、步行距离(由步速和步行周期可以得到)等步态信息。\n[0030] 所述数据分析终端为传统的PC机、智能手机或者平板电脑。\n[0031] 所述无线通信模块用以进行所述信号采集模块与所述数据分析终端之间的数据交换，所述无线通信模块可以是无线局域网络(Bluetooth、ZigBee等)等无线通信网络。\n[0032] 本发明同时还提出一种使用所述人体步态评测系统对人体步态进行评测的方法，该方法包括以下步骤：\n[0033] 步骤1，在对人体步态进行评测前，用绷带把三个信息采集节点分别固定在图1所示的三个位置上，即被评测对象的双脚和腰部，保证这三个信息采集节点在步态评测过程中相对于节点固定的部位不会滑动；\n[0034] 步骤2，打开设备电源，让被评测对象正常站立一段时间，比如30秒，等待由数据分析终端发出评测准备指令；\n[0035] 步骤3，所述数据分析终端发出评测准备指令，所述信息采集模块接收到所述评测准备指令后，执行初始化操作，确定信息采集节点的初始状态，并把初始状态信息发送到数据分析终端；\n[0036] 所述初始状态信息包括当前信息采集模块中的时间信息和加速度信号的初始输出。\n[0037] 步骤4，评测者在确定信息采集节点初始状态信息无误后向被评测对象发出评测开始指令，被评测对象在收到评测开始指令后，开始沿直线行走，同时信息采集节点收到所述数据分析终端发出的采集指令，开始对被评测对象的三维加速度信号进行采集，采集到的信号经过数据处理子模块处理后通过无线通信模块实时传输给所述数据分析终端进行存储；\n[0038] 所述数据处理子模块对所述三维加速度信号的处理为对所述三维加速度信号进行滤波、时频变换和积分。\n[0039] 其中，对三维加速度信号进行滤波主要是采用低通滤波算法，滤去三维加速度信号中的高频噪声干扰信号；时频变换主要是将经过滤波的时域加速度信号变成频域信号，得到加速度信号的频率信息；积分处理主要是对经过滤波的加速度信号进行一次和二次积分运算，得到速度和位移信息，进一步地，对经过滤波的加速度信号在水平和垂直方向上分别进行二次积分运算，可以得出待评测对象在水平和垂直方向上的位移。\n[0040] 进一步地，在利用数据处理子模块对三维加速度信号进行处理之前，还包括对所述三维加速度信号进行RC滤波，以滤除其中的噪声的步骤。步骤5，被评测对象在直线行走一段距离时，比如50米，所述数据分析终端发出评测结束指令，信号采集节点收到该指令后停止信号的采集与上传，同时关闭信号采集节点电源，将信息采集节点从被评测对象身上卸载下来；\n[0041] 步骤6，所述数据分析终端对评测过程中接收到的被评测对象的步态数据进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息，结合医学上的Tinetti评测表确定待评测对象的步态信息是否正常，并通过所述数据分析终端的人机交互界面将评测结果呈现给被评测对象。\n[0042] 对所述步态数据进行分析得到待评测对象的步态特征量和步态信息包括：根据三维加速度信号经过所述时频变换得到的三维加速度信号的频率信息得到步频和步行周期；\n根据三维加速度信号经过所述一次积分处理后的信号得到步速；根据三维加速度信号经过所述二次积分处理后的信号得到步长、步幅和步宽，进一步地，根据三维加速度信号经过水平方向上的二次积分处理后的信号得到步长和步宽，根据三维加速度信号经过垂直方向上的二次积分处理后的信号得到步幅；从上述得到的步态特征量中经过简单的数学运算可以得到待评测对象的起始步态信息(比如是否犹豫、是否尝试了几次才迈出脚步等信息)、步伐的长度与高度(由步长和步幅可以得到)、步态的均匀度(由步频可以得到)、步态的连续性(由步速可以得到)、直线行走的偏离度(由步宽可以得到)、步行距离(由步速和步行周期可以得到)等步态信息。\n[0043] 所述Tinetti评测表包括两脚相对位置、步伐是否一致、步伐是否均匀等评测信息。\n[0044] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。