动静态平衡评估方法及评估系统与流程

1.本发明涉及一种动静态平衡评估方法及评估系统，属于康复训练技术领域。


背景技术：

2.平衡控制是一种复杂的运动, 人行走和站立、以及各种动作都依赖于正确的平衡能力才能顺利完成，人体姿势平衡的维持是个复杂的过程，依赖于中枢系统对视觉、本体感觉和前庭觉信息的协调和对运动效应的控制。据统计，我国脑血管病、帕金森病、颅脑外伤、脊髓损伤年发病率逐年增加，这些疾病和损伤会造成平衡功能障碍乃至残疾，而平衡功能障碍是主要致残因素，平衡功能及下肢功能在内的训练是改善平衡控制的重要方式，在进行下肢平衡训练前和平衡训练后需要对患者进行平衡能力评估。
3.现有的平衡训练与评估系统中，静态平衡评估系统和动态平衡评估系统是分立的两个系统，现有静态平衡评估系统只能进行静态平衡评估，无法实现动态平衡评估，而动态平衡评估系统虽然也能进行静态平衡评估，但其动态机构采用的传感器较多，机电控制系统较为复杂，不能直观地评估得到受检者的平衡能力；另外，动态平衡评估系统的检测方式不能准确反应下肢对外界环境变化的反应能力，因而动态平衡的评估不够准确。


技术实现要素：

4.本发明针对背景技术中的不足，提供一种动静态平衡评估方法与评估系统，可以简单直观地评估出受检者的平衡能力，动态平衡评估系统可以更准确的反应受检者的平衡能力，能够综合静态平衡指标和动态平衡指标进行评估，可以全面反应受检者的平衡能力。
5.为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：一种动静态平衡评估方法，包括如下步骤：s1，静态平衡能力评估模式下，以踏板的中心为原点，以踏板的上表面为xy平面建立坐标系；s2，重力传感器对称的安装在坐标为a(x1,0)、b(0,y2)、c(x3,0)、d(0,y4)的位置上，f1、f2、f3和f4为重力传感器分别受到的力，由重力传感器的坐标及重力传感器分别受到的力计算受检者的重心在踏板上的投影坐标(x,y)；s3，根据一定时间内记录的受检者重心在踏板上投影坐标(x,y)生成重心轨迹数据；s4，主控系统根据所述重心轨迹数据对受检者进行静态平衡能力评估；s5，选择动平衡能力评估的平衡方式，并调整踏板的软硬程度，为动态平衡能力评估做准备；s6，在动态平衡能力评估模式下，踏板可以自由活动，具有前后和左右两个自由度，踏板上设有两路高精度倾角传感器用以测量其两个自由度的角度，由此可以得到一定时间内记录的角度数据；s7, 主控系统根据步骤s6中的角度数据对受检者进行动态平衡能力评估；
s8，结合静态平衡能力评估和动态平衡能力评估的结果对受检者的平衡能力进行综合评估。
6.进一步地，在步骤s2中，受检者重心在踏板上投影坐标(x,y)的计算方法如下：根据力学原理，测力平台的平衡条件为：
7.由于传感器的对称分布，即x3=-x1，y2=-y4，将其代入上式得到人体重心在踏板上投影坐标(x,y)：。
8.进一步地，采用气动控制系统实现动态平衡能力评估模式和静态平衡能力评估模式的切换；在静态平衡能力评估模式下，踏板处于水平固定状态，主控系统根据重力轨迹数据计算得到人体重心动摇的静态平衡能力评估指标，所述静态平衡能力评估指标包括平均重心坐标、轨迹长度、重心包络面积和最大动摇径；在动态平衡能力评估模式下，将角度数据采集后，作为动态平衡能力评估指标。
9.进一步地，所述静态平衡能力评估指标的计算过程如下：1）平均重心坐标（），
10.其中n为采样点数；2）重心包络面积enva，主控系统内的数据处理模块根据包络面积改进算法计算出m个凸包点，并分割成m-2个三角形，可知第i个三角形的边长，则所有三角形的面积之和即为重心包络面积：；3）x、y方向上的最大动摇径分别为：dx，dy，；4）动摇总轨迹长lng，。
11.进一步地，在动态平衡能力评估模式下，动平衡能力评估的平衡方式包括单自由
度平衡方式和双自由度平衡方式，单自由度平衡方式可以实现踏板左右或前后的单自由度活动，从而进行左右或前后的单自由度平衡能力评估，双自由度平衡方式可以实现踏板左右和前后的双自由度活动，从而进行左右和前后的双自由度平衡能力评估。
12.进一步地，踏板的下表面设有气囊，通过调整气囊的压力可以调整踏板的软硬度。
13.进一步地，在静态平衡能力评估模式下根据受检者的静态平衡指标绘制成静态平衡能力的同心圆雷达图，在动态平衡能力评估模式下根据受检者的动态平衡指标绘制成动态平衡能力的同心圆雷达图；将正常人的各项平衡指标的正常值作为参考范围，以各项指标参考范围的最大值为依据绘制成雷达图中心圆标准线；将受检者的同心圆雷达图与正常人的雷达图同心圆标准线进行比较，结果超出雷达图同心圆标准线越多表示功能障碍越明显。
14.一种动静态平衡评估系统，包括主控系统、气动控制系统、踏板、测力平台和ui互动平台；主控系统用于数据的采集、控制静态平衡能力评估模式和动态平衡能力评估模式之间的切换、任务管理以及与ui互动平台进行双向通信。
15.进一步地，主控系统通过气动控制系统控制气缸伸缩实现踏板在静态平衡能力评估模式和动态平衡能力评估模式之间的切换；踏板的下表面设有气囊，踏板下端的前后左右位置均设有一个气缸；在静态平衡能力评估模式下，踏板下面的四个气缸顶起，将踏板固定；在动态平衡能力评估模式下，在前后气缸顶起、左右气缸收缩的时，可以对受检者进行左右方向动态平衡能力的评估，在前后气缸收缩、左右气缸顶起时，可以对受检者进行前后方向动态平衡能力的评估，在前后左右气缸均收缩时，可以对受检者进行前后左右四个方向动平衡能力的评估。
16.进一步地，测力平台根据一定时间内记录的重心坐标生成重心轨迹数据，并将重心轨迹数据上传到主控系统，主控系统根据重力轨迹数据计算得到人体重心动摇的静态平衡能力评估指标；在动态平衡能力评估模式下，倾角传感器将角度数据上传至主控系统，用于动态平衡能力的评估。
17.本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：1.当进行动态平衡能力评估时，以踏板中心为原点建立坐标系，得到受检者的重心轨迹，主控系统根据所述重心轨迹数据对受检者进行静态平衡能力评估；当进行动态平衡能力评估时，根据一定时间内记录的踏板的角度数据，主控系统对受检者进行动态平衡能力评估；最终分别生成同心圆雷达图，将受检者的同心圆雷达图与正常人的雷达图同心圆标准线进行比较，结果超出雷达图同心圆标准线越多表示功能障碍越明显，从而可以简单直观地评估出受检者的平衡能力；2. 在静态平衡能力评估模式下，主控系统根据重力轨迹数据计算得到人体重心动摇的静态平衡能力评估指标，静态平衡能力评估指标包括平均重心坐标、轨迹长度、重心包络面积和最大动摇径，有所建坐标系可以获得受检者重心在踏板上的投影坐标，进而可以比较简便的计算出静态平衡能力评估指标，对受检者的静态平衡能力进行准确评估；
3.在动态平衡能力评估模式下，踏板可以自由活动，具有前后和左右两个自由度，踏板上设有两路高精度倾角传感器测量其两个自由度的角度，由此可以得到一定时间内记录的角度数据；受检者站在动态的踏板上进行评估，能够测评机体感觉和运动器官对外界环境变化的反应能力和人脑感知的综合能力；4.主控系统根据所述重心轨迹数据对受检者进行静态平衡能力评估，主控系统根据角度数据对受检者进行动态平衡能力评估，结合二者的评估结果对受检者的平衡能力进行综合评估，可以全面反应受检者的平衡能力。
18.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
19.图1是本发明动静态平衡评估方法的逻辑原理图；图2是本发明中以踏板的上表面为xy平面建立的坐标系的示意图；图3是本发明中的重心包络面积图；图4是本发明中动静态平衡评估系统的通信模型。
具体实施方式
20.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
21.如图1所示，本发明提供一种动静态平衡评估方法，评估时受检者站在踏板1上，具体包括如下步骤：s1,以踏板1的中心为原点，以踏板1的上表面为xy平面建立坐标系，如图2所示；s2,计算受检者的重心在踏板1上投影坐标(x,y)；动静态平衡设备的踏板1上设有四个重力传感器2，重力传感器2对称的安装在坐标为a(x1,0)、b(0,y2)、c(x3,0)、d(0,y4)的位置上，图2中f表示受检者站立在踏板1上时对踏板1施加的力，重心在踏板1上的投影坐标为(x,y)，f1、f2、f3和f4为重力传感器2分别受到的力，则受检者的重心在踏板1上投影坐标(x,y)的计算方法如下：根据力学原理，测力平台的平衡条件为：
22.由于传感器的对称分布，即x3=-x1，y2=-y4，将其代入上式得到人体重心在踏板1上投影坐标(x,y)：
23.s3，根据一定时间内记录的重心在踏板1上投影坐标(x,y)生成重心轨迹数据；s4，主控系统根据所述重心轨迹数据对受检者进行静态平衡能力评估；s5，选择动平衡能力评估的平衡方式，并调整踏板1的软硬程度，为动态平衡能力评估做准备；s6，在进行动态平衡能力评估时，踏板1可以自由活动，具有前后和左右两个自由度，踏板1上设有两路高精度倾角传感器用以测量其两个自由度的角度，由此可以得到一定时间内记录的角度数据；s7, 主控系统根据步骤s6中的角度数据对受检者进行动态平衡能力评估；s8，结合静态平衡能力评估和动态平衡能力评估的结果对受检者的平衡能力进行综合评估。
24.本系统包括动态平衡能力评估模式和静态平衡能力评估模式，采用气动控制系统实现动态平衡能力评估模式和静态平衡能力评估模式的切换。
25.在静态平衡能力评估模式下，踏板1处于水平固定状态，受检者双脚站立在踏板1上，保持静止姿势，此时人体基本处于自身平衡点位中心的微小晃动状态，这种生理性动摇可以反应人体姿势的可控反射能力。主控系统根据重力轨迹数据计算得到人体重心动摇的静态平衡能力评估指标，包括平均重心坐标、轨迹长度、重心包络面积和最大动摇径，所述静态平衡能力评估指标的计算过程如下：1）平均重心坐标（），
26.其中n为采样点数。
27.2）重心包络面积enva（如图3所示），重心包络面积图是一个凸多边形，所述凸多边形是囊括了所有重心点集的最小简单凸多边形，主控系统内的数据处理模块根据包络面积改进算法计算出m个凸包点（p1，p2，p3，p4，p5，
……
，pm），并分割成m-2个三角形，可知第i个三角形的边长，则所有三角形的面积之和即为重心包络面积：
28.3）x（左右）、y（前后）方向上的最大动摇径分别为：dx，dy，
29.4）动摇总轨迹长lng，
30.在动态平衡能力评估模式下，受检者双脚站立在踏板1上进行动态评估，动平衡能力评估的平衡方式包括单自由度平衡方式和双自由度平衡方式，单自由度平衡方式可以实现踏板1左右或前后的单自由度活动，从而进行左右或前后的单自由度平衡能力评估，双自由度平衡方式可以实现踏板1左右和前后的双自由度活动，从而进行左右和前后的双自由
度平衡能力评估，踏板1的下表面设有气囊，通过调整气囊的压力可以调整踏板1的软硬度。
31.在进行动平衡评估时，先选择踏板1的平衡方式，并调整气囊压力，从而调整人踩在踏板1上的硬度，以适应不同患者练习，踏板1具有前后和左右两个自由度，两个自由度的倾角范围均在-15
°
（
±
0.5
°
）～ +15
°
(
±
0.5
°
)之间，由两路高精度倾角传感器测量其两个自由度的角度，将角度数据采集后，通过串口传给主控系统，作为动态平衡能力评估指标，动态平衡测试主要反应了机体感觉和运动器官对外界环境变化的反应能力和人脑感知的综合能力。
32.在静态平衡能力评估模式下根据受检者的静态平衡指标绘制成静态平衡能力的同心圆雷达图，在动态平衡能力评估模式下根据受检者的动态平衡指标绘制成动态平衡能力的同心圆雷达图。将正常人的各项平衡指标的正常值作为参考范围，以各项指标参考范围的最大值为依据绘制成雷达图中心圆标准线。将受检者的同心圆雷达图与正常人的雷达图同心圆标准线进行比较，结果超出雷达图中心圆标准线越多表示功能障碍越明显，从而简单直观地评估出受检者的平衡能力。
33.本发明还提供一种动静态平衡评估系统，如图4所示，包括主控系统、气动控制系统、踏板1、测力平台和ui互动平台。
34.主控系统用于数据的采集、控制静态平衡能力评估模式和动态平衡能力评估模式之间的切换、任务管理以及与ui互动平台进行双向通信。
35.主控系统通过气动控制系统控制气缸3伸缩实现踏板1在静态平衡能力评估模式和动态平衡能力评估模式之间的切换。
36.踏板1的下表面设有气囊，踏板1下端的前后左右位置均设有一个气缸3。
37.在静态平衡能力评估模式下，踏板1下面的四个气缸3顶起，将踏板1固定；在动态平衡能力评估模式下，在前后气缸3顶起、左右气缸3收缩时，可以对受检者进行左右方向动态平衡能力的评估，在前后气缸3收缩、左右气缸3顶起时，可以对受检者进行前后方向动态平衡能力的评估，在前后左右气缸3均收缩时，可以对受检者进行前后左右四个方向动平衡能力的评估。
38.在静态平衡能力评估模式下，测力平台根据一定时间内记录的重心坐标生成重心轨迹数据，并将重心轨迹数据上传到主控系统，主控系统根据重力轨迹数据计算得到人体重心动摇的静态平衡能力评估指标，用于静态平衡能力的评估。
39.在动态平衡能力评估模式下，倾角传感器将角度数据上传至主控系统，作为动态平衡能力评估指标，用于动态平衡能力的评估。
40.医生通过ui互动平台分析所得的平衡评估指标，观察重心、角度数据生成的同心圆雷达图，对受检者的动态平衡能力和静态平衡能力进行评估，进而更全面地反应受检者的平衡能力。此外在动静态平衡的训练中，ui互动平台还可以调动情景互动和游戏增加患者的训练体验。
41.以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种动静态平衡评估方法，其特征在于：包括如下步骤：s1，静态平衡能力评估模式下，以踏板(1)的中心为原点，以踏板(1)的上表面为xy平面建立坐标系；s2，重力传感器对称的安装在坐标为a(x1,0)、b(0,y2)、c(x3,0)、d(0,y4)的位置上，f1、f2、f3和f4为重力传感器分别受到的力，由重力传感器的坐标及重力传感器分别受到的力计算受检者的重心在踏板(1)上的投影坐标(x,y)；s3，根据一定时间内记录的受检者重心在踏板(1)上投影坐标(x,y)生成重心轨迹数据；s4，主控系统根据所述重心轨迹数据对受检者进行静态平衡能力评估；s5，选择动平衡能力评估的平衡方式，并调整踏板(1)的软硬程度，为动态平衡能力评估做准备；s6，在动态平衡能力评估模式下，踏板(1)可以自由活动，具有前后和左右两个自由度，踏板(1)上设有两路高精度倾角传感器用以测量其两个自由度的角度，由此可以得到一定时间内记录的角度数据；s7, 主控系统根据步骤s6中的角度数据对受检者进行动态平衡能力评估；s8，结合静态平衡能力评估和动态平衡能力评估的结果对受检者的平衡能力进行综合评估。2.如权利要求1所述的一种动静态平衡评估方法，其特征在于：在步骤s2中，受检者重心在踏板(1)上投影坐标(x,y)的计算方法如下：根据力学原理，测力平台的平衡条件为：，由于传感器的对称分布，即x3=-x1，y2=-y4，将其代入上式得到人体重心在踏板(1)上的投影坐标(x,y)：。3.如权利要求2所述的一种动静态平衡评估方法，其特征在于：采用气动控制系统实现动态平衡能力评估模式和静态平衡能力评估模式的切换；在静态平衡能力评估模式下，踏板(1)处于水平固定状态，主控系统根据重力轨迹数据计算得到人体重心动摇的静态平衡能力评估指标，所述静态平衡能力评估指标包括平均重心坐标、轨迹长度、重心包络面积和最大动摇径；在动态平衡能力评估模式下，将角度数据采集后，作为动态平衡能力评估指标。4.如权利要求3所述的一种动静态平衡评估方法，其特征在于：所述静态平衡能力评估
指标的计算过程如下：1）平均重心坐标（），，其中n为采样点数；2）重心包络面积enva，主控系统内的数据处理模块根据包络面积改进算法计算出m个凸包点，并分割成m-2个三角形，可知第i个三角形的边长，则所有三角形的面积之和即为重心包络面积：；3）x、y方向上的最大动摇径分别为：dx，dy，；4）动摇总轨迹长lng，。5.如权利要求1所述的一种动静态平衡评估方法，其特征在于：在动态平衡能力评估模式下，动平衡能力评估的平衡方式包括单自由度平衡方式和双自由度平衡方式，单自由度平衡方式可以实现踏板(1)左右或前后的单自由度活动，从而进行左右或前后的单自由度平衡能力评估，双自由度平衡方式可以实现踏板(1)左右和前后的双自由度活动，从而进行左右和前后的双自由度平衡能力评估。6.如权利要求1所述的一种动静态平衡评估方法，其特征在于：踏板(1)的下表面设有气囊，通过调整气囊的压力可以调整踏板(1)的软硬度。7.如权利要求3所述的一种动静态平衡评估方法，其特征在于：在静态平衡能力评估模式下根据受检者的静态平衡指标绘制成静态平衡能力的同心圆雷达图，在动态平衡能力评估模式下根据受检者的动态平衡指标绘制成动态平衡能力的同心圆雷达图；将正常人的各项平衡指标的正常值作为参考范围，以各项指标参考范围的最大值为依据绘制成雷达图中心圆标准线；将受检者的同心圆雷达图与正常人的雷达图同心圆标准线进行比较，结果超出雷达图同心圆标准线越多表示功能障碍越明显。8.一种动静态平衡评估系统，用于实现如权利要求1-7任意一项所述的一种动静态平衡评估方法，其特征在于：包括主控系统、气动控制系统、踏板(1)、测力平台和ui互动平台；主控系统用于数据的采集、控制静态平衡能力评估模式和动态平衡能力评估模式之间的切换、任务管理以及与ui互动平台进行双向通信。
9.如权利要求8所述的一种动静态平衡评估系统，其特征在于：主控系统通过气动控制系统控制气缸(3)伸缩实现踏板(1)在静态平衡能力评估模式和动态平衡能力评估模式之间的切换；踏板(1)的下表面设有气囊，踏板(1)下端的前后左右位置均设有一个气缸(3)；在静态平衡能力评估模式下，踏板(1)下面的四个气缸(3)顶起，将踏板(1)固定；在动态平衡能力评估模式下，在前后气缸(3)顶起、左右气缸(3)收缩的时，可以对受检者进行左右方向动态平衡能力的评估，在前后气缸(3)收缩、左右气缸(3)顶起时，可以对受检者进行前后方向动态平衡能力的评估，在前后左右气缸(3)均收缩时，可以对受检者进行前后左右四个方向动平衡能力的评估。10.如权利要求8所述的一种动静态平衡评估系统，其特征在于：测力平台根据一定时间内记录的重心坐标生成重心轨迹数据，并将重心轨迹数据上传到主控系统，主控系统根据重力轨迹数据计算得到人体重心动摇的静态平衡能力评估指标；在动态平衡能力评估模式下，倾角传感器将角度数据上传至主控系统，用于动态平衡能力的评估。

技术总结
本发明公开了一种动静态平衡评估方法及评估系统，属于康复训练技术领域，包括如下步骤：以踏板的中心为原点，以踏板的上表面为XY平面建立坐标系；根据一定时间内记录的受检者重心在踏板上投影坐标(X,Y)生成重心轨迹数据；在动态平衡能力评估模式下，踏板可以自由活动，具有前后和左右两个自由度，由此可以得到一定时间内记录的角度数据；主控系统根据角度数据对受检者进行动态平衡能力评估；结合静态平衡能力评估和动态平衡能力评估的结果对受检者的平衡能力进行综合评估。本发明可以简单直观地评估出受检者的平衡能力，能够综合静态平衡指标和动态平衡指标进行评估，可以全面反应受检者的平衡能力。反应受检者的平衡能力。反应受检者的平衡能力。


技术研发人员：刘剑伟 陈永源 吴昶霖 修林功 陈雷 程素华 谢寅闯 张国强
受保护的技术使用者：山东泽普医疗科技有限公司
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/9/7