專利名稱：人體平衡功能檢測方法與訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人體平衡功能定量檢測方法和人體平衡功能康復(fù)訓(xùn)練的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
平衡功能檢查是指檢查在維持身體平衡方面起作用的視覺系統(tǒng)、迷走神經(jīng)系統(tǒng)、本體感覺系統(tǒng)等平衡反射系統(tǒng)的功能，以及檢查控制上述系統(tǒng)的小腦、腦干功能。人體平衡功能定量檢測包括重心動(dòng)搖檢查，這是人體平衡檢查的主要方法之一，將直立(直坐)姿勢時(shí)所表現(xiàn)的身體重心動(dòng)搖進(jìn)行描記，并將描記結(jié)果進(jìn)行測量、分析。依據(jù)動(dòng)搖的記錄，不僅可以綜合把握平衡障礙，評(píng)價(jià)平衡障礙的程度、疾病經(jīng)過、治療效果，還可以進(jìn)一步捕捉維持身體平衡功能的平衡反射系統(tǒng)以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的障礙，把握眩暈、平衡障礙病例的病態(tài)，進(jìn)行病灶診斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要實(shí)現(xiàn)對人體平衡功能定量檢測，尤其是對人體的直立、直坐的平衡功能以及對手指振顫的功能的定量檢測，并提供康復(fù)功能系統(tǒng)，其中可獨(dú)立使用的檢測部分可用于患者自身的康復(fù)功能訓(xùn)練。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的人體平衡功能定量檢測的方法，通過直立、直坐和手指壓力檢測板完成人體直立的雙足壓力、坐壓力或手壓力信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換部件，壓力檢測板的下面有四個(gè)(或八個(gè))壓力傳感器，對稱分布于平板的四個(gè)角(或八個(gè)方位)，當(dāng)壓力作用于平板時(shí)，四個(gè)角(或八個(gè)方位)的傳感器即給出與壓力相關(guān)的一定大小的電信號(hào)，將這些信號(hào)通過換算即可求得作用于平板(檢測板)上瞬時(shí)壓力的中心位置，把這些隨時(shí)變化的中心位置坐標(biāo)逐點(diǎn)記錄或通過顯示板顯示出來，即可對平衡功能進(jìn)行各種分析或通過顯示板的顯示進(jìn)行訓(xùn)練。檢測板受力的坐標(biāo)原點(diǎn)為檢測板中心，A(x1，y1)、B(x2，y2)。
人體平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)包括人體平衡壓力信號(hào)檢測裝置、重心位置的實(shí)時(shí)顯示、平衡功能顯示面板和電路，人體平衡壓力信號(hào)檢測裝置構(gòu)成如下包括座立、直立或指壓的壓力檢測板，檢測板的下面有四個(gè)(或八個(gè))壓力傳感器，對稱分布于平板的四個(gè)角(或八個(gè)方位)，當(dāng)壓力作用于平板時(shí)，四個(gè)角(或八個(gè)方位)的傳感器即給出與壓力相關(guān)的一定大小的電信號(hào)，壓力傳感器的輸出連接多路模擬開關(guān)電路、多路模擬開關(guān)電路連接A/D轉(zhuǎn)換電路并接微處理器的輸入端口，由微處理器及連接的存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)處理電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，微處理器的輸出端口通過I/O輸出電路連接發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，平衡功能顯示面板和電路由發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，平衡功能顯示面板由發(fā)光二極管陣列和數(shù)碼管構(gòu)成。發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路連接發(fā)光二極管。
人體平衡功能定量顯示面板(顯示屏)由發(fā)光二極管陣列和數(shù)碼管構(gòu)成，數(shù)碼管用來顯示總重量。而發(fā)光二極管陣列用來顯示重心偏移情況。由許多個(gè)二極管構(gòu)成陣列，患者根據(jù)點(diǎn)亮的二極管位置的變化判斷自身重心的偏移。
檢測系統(tǒng)的目的一是顯示壓力中心(重心)的坐標(biāo)，這部分由條狀發(fā)光二級(jí)管來完成；二是顯示實(shí)際壓力的大小(直立檢測時(shí)即體重)，這部分的顯示可由四位數(shù)碼管來完成。根據(jù)視覺反饋原理，患者可以根據(jù)數(shù)碼管的亮度條指示來調(diào)整自身的重心位置，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)功能的訓(xùn)練。
雙腳時(shí)，控制面板部分，每只腳都有對應(yīng)的發(fā)光二極管陣列，可以分別觀察每只腳的情況。而分析部分，可以選擇觀察方式，即單腳，還是雙腳總重心。
分析軟件、分析結(jié)果的打印。整個(gè)系統(tǒng)大體上分為檢測、參數(shù)分析兩個(gè)部分。
可獨(dú)立使用的檢測部分主要由顯示屏、壓力檢測板構(gòu)成。座立、直立或指壓的壓力檢測板使用時(shí)的壓力信號(hào)輸出連接多路模擬開關(guān)電路、微處理器的輸入端口，由微處理器作為數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，檢測部分自成體系，具有完整的數(shù)據(jù)檢測和簡單處理顯示功能，能夠完成檢測與初步分析，可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立使用。這樣的結(jié)構(gòu)可大大降低檢測部分的成本，而有望進(jìn)入家庭?；颊呖梢愿鶕?jù)檢測部分顯示屏顯示重心的實(shí)時(shí)變化情況，利用生物反饋原理進(jìn)行經(jīng)常性的康復(fù)訓(xùn)練。檢測部分的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能允許患者在家中把通過檢測部分獲得的平衡功能的量化信息存入數(shù)據(jù)盒，數(shù)據(jù)盒數(shù)據(jù)可以通過多種方式(直接送交數(shù)據(jù)盒、通過局域網(wǎng)或電信網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)盒中的數(shù)據(jù))反饋給醫(yī)院，再由整個(gè)系統(tǒng)中的參數(shù)分析部分做出詳細(xì)分析，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療的功能，大大方便對患者的治療與分析。
參數(shù)分析部分由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。參數(shù)分析部分主要對檢測部分采集的反映平衡功能的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出具有評(píng)測和診斷意義的生理醫(yī)學(xué)指標(biāo)，這些指標(biāo)不僅可以直接反映人體平衡功能，還可以作為診斷其它病變，如神經(jīng)系統(tǒng)病變的重要參考。分析軟件可以運(yùn)行在Windows平臺(tái)，有良好的人機(jī)界面。為方便醫(yī)生使用和管理，本系統(tǒng)有數(shù)據(jù)庫管理的功能和診斷結(jié)果打印功能。
在坐位壓力板，手指壓力檢測壓力隨時(shí)間的變化檢測手指振顫，單腳直立重心動(dòng)搖和平衡功能檢測與分析。通過分析重心或壓力振顫的實(shí)時(shí)變化情況，可利用生物反饋原理進(jìn)行經(jīng)常性的康復(fù)訓(xùn)練。檢測部分的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能允許患者在家中把通過檢測部分獲得的平衡功能的量化信息存入數(shù)據(jù)盒，方便對患者的治療與分析；將坐位、手指振顫、單腳直立方式的平衡功能檢測置入家居場所。
本發(fā)明的特點(diǎn)是1)增加了坐位、手指振顫、單腳直立方式的平衡功能檢測與分析。并且雙腳直立方式檢測時(shí)，可以觀察每只腳的重心動(dòng)搖情況和人體總重心動(dòng)搖情況。
2)具有直觀的控制面板實(shí)時(shí)顯示重心偏移的情況，便于病人利用視覺反饋進(jìn)行平衡功能的康復(fù)訓(xùn)練。
3)分析參數(shù)中增加了ST(擺動(dòng)的均方根)、DA(重心左右、前后、內(nèi)外偏移的百分比)以及重心分布的時(shí)間和區(qū)域。
四

圖1是本發(fā)明人體平衡功能檢測訓(xùn)練系統(tǒng)框2是本發(fā)明檢測部分框3是本發(fā)明顯示面板框4是本發(fā)明分析功能框5是本發(fā)明檢測的波形6是本發(fā)明重心軌跡圖分析結(jié)果圖7是本發(fā)明功率譜分析結(jié)果圖8是本發(fā)明顯示屏結(jié)構(gòu)示意9是本發(fā)明檢測板受力情況分析圖五具體實(shí)施方式
參見附圖整個(gè)系統(tǒng)大體上分為檢測、參數(shù)分析兩個(gè)部分?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。檢測系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)主要由多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)處理電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成，如圖2所示。壓力傳感器的型號(hào)有多種，采用壓電陶瓷傳感器多路模擬開關(guān)電路4051，A/D轉(zhuǎn)換電路的型號(hào)典型的是微處理器的型號(hào)可采用89C51型，微處理器的輸出端口通過I/O輸出電路8255連接發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路。
檢測部分的顯示面板部分主要由發(fā)光二極管陣列和數(shù)碼管構(gòu)成。顯示面板電路數(shù)碼管用來顯示總重量。而發(fā)光二極管陣列用來顯示重心偏移情況。由許多個(gè)二極管構(gòu)成陣列，患者根據(jù)點(diǎn)亮的二極管位置的變化判斷自身重心的偏移。
雙腳時(shí)，控制面板部分，每只腳都有對應(yīng)的發(fā)光二極管陣列(有四條陣列？)，可以分別觀察每只腳的情況。而分析部分，可以選擇觀察方式，即單腳，還是雙腳總重心。
其目的一是顯示壓力中心(重心)的坐標(biāo)，這部分由條狀發(fā)光二級(jí)管來完成；二是顯示實(shí)際壓力的大小(直立檢測時(shí)即體重)，這部分的顯示可由四位數(shù)碼管來完成。根據(jù)視覺反饋原理，患者可以根據(jù)數(shù)碼管的亮度條指示來調(diào)整自身的重心位置，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)功能的訓(xùn)練。顯示面板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)檢測部分獲取的重心動(dòng)搖數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行分析，分析功能框圖如圖4所示。由檢測部分獲取的一定時(shí)間反映重心連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，可以繪制出重心軌跡圖?；谠搱D可以定性的判斷動(dòng)搖類型，具體分為求心型、前后型、左右型、彌漫型、多中心型等。其中有些動(dòng)搖類型是神經(jīng)系統(tǒng)特定部位損害的特征性動(dòng)搖。軟件分析框圖中，將圖4分析功能框圖還包括ST、DA部分的說明。對應(yīng)直立、手指、坐位三種方式，分析參數(shù)相同。
依據(jù)重心軌跡圖進(jìn)行計(jì)算可以得出外周面積、矩形面積等參數(shù)。從動(dòng)搖面積能夠綜合把握平衡障礙的程度。軌跡長分析總軌跡長和單位面積軌跡長，其中單位面積軌跡長可以用來衡量本體感覺姿勢控制。分析提示人體平衡功能隨年齡逐步完善，20～50歲間最穩(wěn)定，隨后逐漸減退，至70歲以后降低明顯。
把重心動(dòng)搖數(shù)據(jù)看作隨機(jī)信號(hào)，并對它進(jìn)行功率譜估計(jì)。頻率范圍一般選取0.02Hz～10Hz。國際基準(zhǔn)建議分析各個(gè)頻段(0.02Hz～0.2HZ、0.2Hz～2HZ、2HZ～10HZ)在功率譜中所占的比例。功率譜能夠反映某些疾病以及具體損害的部位，如單側(cè)迷走神經(jīng)障礙的患者在左右動(dòng)搖方向0.08Hz～0.2Hz成分較大；雙側(cè)迷走神經(jīng)功能障礙在前后動(dòng)搖方向0.2Hz～0.6Hz的成分較大；小腦損害的患者左右動(dòng)搖方向0.1Hz～02Hz的成分較大。
以下是分析系統(tǒng)工作流程
(1)病人基本信息管理用戶可以通過病人基本信息管理工具來訪問病人數(shù)據(jù)庫，包括病人記錄的增加、修改、刪除、查詢等基本數(shù)據(jù)庫的操作。
(2)數(shù)據(jù)采集用戶可以選擇數(shù)據(jù)采集的模式(包括“直立”、“直坐”、“手指”等)、波形顯示的掃描速度以及采集時(shí)間。數(shù)據(jù)采集與波形顯示同步進(jìn)行，采集結(jié)束可以自動(dòng)存儲(chǔ)。
(3)數(shù)據(jù)回放因?yàn)閿?shù)據(jù)的存儲(chǔ)是無損的，所以可以不失真地回放以前采集的數(shù)據(jù)。操作上具有縮放顯示、時(shí)間測量等功能。(圖5)(4)分析結(jié)果給出重心軌跡圖以及各項(xiàng)參數(shù)(圖6)。
對每個(gè)方向波形做功率譜分析(圖7)。
圖8是系統(tǒng)形成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)形成的產(chǎn)品由檢查顯示單元、直立式檢查裝置、直坐式檢查裝置、手壓式檢查裝置、PC主機(jī)、液晶顯示器、彩色噴墨打印機(jī)等組成。
壓力中心計(jì)算檢測板是完成將人體直立的雙足壓力、坐壓力或手壓力信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換部件，其基本原理是壓力檢測板的下面有四個(gè)壓力傳感器，對稱分布于平板的四個(gè)角，當(dāng)壓力作用于平板時(shí)，四個(gè)角的傳感器即給出一定大小的電信號(hào)，將這些信號(hào)通過換算即可求得作用于平板(檢測板)上瞬時(shí)壓力的中心位置，把這些隨時(shí)變化的中心位置坐標(biāo)逐點(diǎn)記錄或通過顯示板顯示出來，即可對平衡功能進(jìn)行各種分析或通過顯練。
檢測板受力如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)為檢測板中心，A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)、D(x4，y4)分別為四個(gè)傳感器的位置。根據(jù)力學(xué)原理，維持檢測板平衡條件為F＝f1+f2+f3+f4(1)FX＝f1x1+f2x2+f3x3+f4x4(2)FY＝f1y1+f2y2+f3y3+f4y4(3)圖中E(X，Y)為外部壓力相對于檢測板的坐標(biāo)，即等效壓力中心位置。
如圖9檢測板受力情況由于傳感器對稱分布，即x2＝-x1、x2＝-x1、x4＝x1、y2＝y(tǒng)1、y3＝-y1、y4＝-y1，將其代入(2)、(3)式得X=(f1+f4)-(f2+f3)f1+f2+f3+f4x1---(4)]]>Y=(f1+f2)-(f3+f4)f1+f2+f3+f4y1---(5)]]>其中f1、f2、f3、f4分別是隨時(shí)間變化的，所以，X、Y值也是一組隨時(shí)間變化的函數(shù)，即X＝X(t)、Y＝Y(jié)(t)，將各個(gè)時(shí)刻的E(X，Y)值的電信號(hào)記錄下來，即可獲得外部壓力的中心位置在檢測板上移動(dòng)的信息。再將其逐點(diǎn)描出，即可獲得壓力中心移動(dòng)曲線或軌跡圖。
為了消去其實(shí)際尺寸對所研究問題的影響，對上面(4)、(5)式分別進(jìn)行歸一化，則歸一化后E點(diǎn)(外部壓力中心位置)的坐標(biāo)為X=(f1+f4)-(f2+f3)f1+f2+f3+f4---(6)]]>Y=(f1+f2)-(f3+f4)f1+f2+f3+f4---(7)]]>(6)式和(7)式即是外部坐壓力中心相對檢測板位置的坐標(biāo)表達(dá)式。
圖8所示顯示壓力中心(重心)的坐標(biāo)，這部分由條狀發(fā)光二級(jí)管來完成。屏顯示結(jié)構(gòu)中雙腳時(shí)每只腳都有對應(yīng)的發(fā)光二極管陣列，分別觀察每只腳的情況。是屏顯示結(jié)構(gòu)為十字形發(fā)光二極管陣列。每只腳均有為十字形發(fā)光二極管陣列，中心位置對應(yīng)著腳的中心，并設(shè)有雙腳合一的十字發(fā)光二極管陣列。
權(quán)利要求
1.人體平衡功能定量檢測的方法，其特征是通過直立、直坐和手指壓力檢測板完成人體直立的雙足壓力、坐壓力或手壓力信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換部件，壓力檢測板的下面有四個(gè)(或八個(gè))壓力傳感器，對稱分布于平板的四個(gè)角(或八個(gè)方位)，當(dāng)壓力作用于平板時(shí)，四個(gè)角(或八個(gè)方位)的傳感器即給出與壓力相關(guān)的一定大小的電信號(hào)，將這些信號(hào)通過換算即可求得作用于平板(檢測板)上瞬時(shí)壓力的中心位置，把這些隨時(shí)變化的中心位置坐標(biāo)逐點(diǎn)記錄或通過顯示板顯示出來，即可對平衡功能進(jìn)行各種分析或通過顯示板的顯示進(jìn)行訓(xùn)練。
2.由權(quán)利要求1所述的人體平衡功能定量檢測的方法，其特征是檢測板受力的坐標(biāo)原點(diǎn)為檢測板中心，A(x1，y1)、B(x2，y2)。
3.由權(quán)利要求1所述的人體平衡功能定量檢測的方法，其特征是A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)、D(x4，y4)分別為四個(gè)傳感器的位置，設(shè)E(X，Y)為外部壓力相對于檢測板的坐標(biāo)，即等效壓力中心位置。由于傳感器對稱分布，即x2＝-x1、x3＝-x1、x4＝x1、y2＝y(tǒng)1、y3＝-y1、y4＝-y1，將其代入(2)、(3)式得X=(f1+f4)-(f2+f3)f1+f2+f3+f4x1---(4)]]>Y=(f1+f2)-(f3+f4)f1+f2+f3+f4y1---(5)]]>其中f1、f2、f3、f4分別是隨時(shí)間變化的，所以，X、Y值也是一組隨時(shí)間變化的函數(shù)，即X＝X(t)、Y＝Y(jié)(t)，將各個(gè)時(shí)刻的E(X，Y)值的電信號(hào)記錄下來，即可獲得外部壓力的中心位置在檢測板上移動(dòng)的信息；對上面(4)、(5)式分別進(jìn)行歸一化，則歸一化后E點(diǎn)(外部壓力中心位置)的坐標(biāo)為X=(f1+f4)-(f2+f3)f1+f2+f3+f4---(6)]]>Y=(f1+f2)-(f3+f4)f1+f2+f3+f4---(7)]]>(6)式和(7)式即是外部坐壓力中心相對檢測板位置的坐標(biāo)表達(dá)式。
4.人體平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是包括人體平衡壓力信號(hào)檢測裝置、重心位置的實(shí)時(shí)顯示、平衡功能顯示面板和電路，人體平衡壓力信號(hào)檢測裝置構(gòu)成如下包括座立、直立或指壓的壓力檢測板，檢測板的下面有四個(gè)(或八個(gè))壓力傳感器，對稱分布于平板的四個(gè)角(或八個(gè)方位)，當(dāng)壓力作用于平板時(shí)，四個(gè)角(或八個(gè)方位)的傳感器即給出與壓力相關(guān)的一定大小的電信號(hào)，壓力傳感器的輸出連接多路模擬開關(guān)電路、多路模擬開關(guān)電路連接A/D轉(zhuǎn)換電路并接微處理器的輸入端口，由微處理器及連接的存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)處理電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，微處理器的輸出端口通過I/O輸出電路連接發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，平衡功能顯示面板和電路由發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，平衡功能顯示面板由發(fā)光二極管陣列和數(shù)碼管構(gòu)成。發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路連接發(fā)光二極管。
5.由權(quán)利要求3所述的人體平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是發(fā)光二極管陣列用來顯示重心偏移情況。
6.由權(quán)利要求3所述的人體平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是顯示壓力中心(重心)的坐標(biāo)，這部分由條狀發(fā)光二級(jí)管來完成。
7.由權(quán)利要求3所述的人體平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是屏顯示結(jié)構(gòu)中雙腳時(shí)每只腳都有對應(yīng)的發(fā)光二極管陣列，分別觀察每只腳的情況。
8.由權(quán)利要求3所述的人體平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是屏顯示結(jié)構(gòu)為十字形發(fā)光二極管陣列。
9.由權(quán)利要求3所述的人體平衡功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是每只腳均有為十字形發(fā)光二極管陣列，中心位置對應(yīng)著腳的中心，并設(shè)有雙腳合一的十字發(fā)光二極管陣列。
全文摘要
人體平衡功能定量檢測的方法，通過直立、直坐和手指壓力檢測板完成人體直立的雙足壓力、坐壓力或手壓力信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換部件，壓力檢測板的下面有四個(gè)(或八個(gè))壓力傳感器，對稱分布于平板的四個(gè)角(或八個(gè)方位)，當(dāng)壓力作用于平板時(shí)，四個(gè)角(或八個(gè)方位)的傳感器即給出與壓力相關(guān)的一定大小的電信號(hào)，將這些信號(hào)通過換算即可求得作用于平板(檢測板)上瞬時(shí)壓力的中心位置，把這些隨時(shí)變化的中心位置坐標(biāo)逐點(diǎn)記錄或通過顯示板顯示出來，即可對平衡功能進(jìn)行各種分析或通過顯示板的顯示進(jìn)行訓(xùn)練。
文檔編號(hào)A61B5/00GK1771886SQ20051009416
公開日2006年5月17日 申請日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者寧新寶, 卞春華, 司峻峰, 陳蘊(yùn), 陳穎, 黃曉林 申請人:南京大學(xué)