專利名稱：人體平衡機能測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于嵌入式計算機領(lǐng)域，涉及一種人體平衡機能測試儀。
背景技術(shù)：
當人靜止站立時，實際是不可能保持絕對靜止的，人體重心會始終進行幅度不等 的晃動，這是自我意識所無法控制的，稱為生理性姿勢動搖，這種重心動搖的程度與人體的 平衡功能直接相關(guān)。平衡功能屬于人體神經(jīng)運動系統(tǒng)的一項重要功能，許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病 均表現(xiàn)出不同程度的平衡功能障礙，對平衡能力的測量是評價神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者物理治療 效果與康復情況的重要依據(jù)，也是特殊職業(yè)人員(競技類運動員、宇航員、飛行員、潛水員 等)選拔的評價指標和輔助訓練成果的反饋。同時，平衡機能測量在老年人身體狀況變化 的監(jiān)測、疾病預防，以及國民身體素質(zhì)鑒定、國家老齡化趨勢評價等方面起著重要作用。本 發(fā)明設(shè)計完成了對人體平衡機能進行測試與評價的計算機系統(tǒng)，能夠測量平衡機能數(shù)據(jù)， 繪制出測試者靜態(tài)姿勢圖(重心移動軌跡的實時曲線)，并對人體平衡機能給出定量評價。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種人體平衡機能測試儀，能夠完成對人體重心 移動情況的實時測量、分析、評價、存儲、顯示和報表輸出。本發(fā)明的技術(shù)方案人體平衡機能測試儀，包括傳感器測力平臺、數(shù)據(jù)采集電路和綜合評價程序三個 部分，前兩個部分為測試儀的硬件部分，綜合評價程序是測試儀的軟件部分，在PC機上運 行。傳感器測力平臺為一塊等邊三角形鐵板，厚度10mm，邊長600mm，在鐵板下方三個 頂點處各安裝有一個2gl型電阻應(yīng)變片傳感器，負責采集人體重心移動信號。數(shù)據(jù)采集電 路為基于MSP430單片機的電路板，設(shè)計有三路完全相同的放大電路，均為三級放大，負責 將傳感器傳送的電壓信號放大到單片機量程能夠接受的范圍內(nèi)。第一級放大采用AD623放 大器，放大倍數(shù)為22. 3倍；第二級放大采用0P07放大器，放大倍數(shù)為1倍；第三級放大仍采 用0P07放大器，放大倍數(shù)為9. 4倍，三級放大總倍數(shù)為209. 62倍。數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計有串 口和USB接口，用來將數(shù)字化之后的電壓信號傳輸?shù)竭\行于PC機的綜合評價程序。綜合評價程序包括測試管理、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)管理三個模塊。(1)測試管理模塊由測試者管理、測試記錄管理和定量評價算法三個子模塊組成。 測試者管理子模塊實現(xiàn)了對測試者信息的增、刪、改、查功能，并提供測試界面，可對測試者 進行6項測試，分別為雙足睜眼、雙足閉眼、線性步睜眼、線性步閉眼、單足睜眼以及單足 閉眼。測試記錄管理子模塊實現(xiàn)了對測試記錄的增、刪、改、查功能；定量評價算法是綜合 評價程序的主體，它將數(shù)據(jù)采集電路上傳的電壓信號數(shù)字量轉(zhuǎn)換為兩維直角坐標系的坐標 值，進而計算得到測試者重心的擺動軌跡長度L、擺動面積A、動搖優(yōu)勢程度W和擺動角度Q 等4項指標，令Eval為4項指標的乘積，得公式(1)
Eval = LXAXffXQ(1)然后對各類型人群進行實際測量，根據(jù)公式( 計算測試者平衡能力得分Mark = ^ -j^ar^ χ(Eval-Evalwai) + Markmm(2)
Evalmm -Evalmsil公式O)中，Evalfflax為各測量者中的指標乘積最大值，Markfflin為該測試者的平衡 能力得分，由測試人員指定；Evalmin為各測量者中的指標乘積最小值，Markmax為該測試者的 平衡能力得分，由測試人員指定。對于任意測試者，通過實測計算出的其Eval值，代入公式 (2)即可求得其平衡能力得分。(2)系統(tǒng)管理模塊由系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)連接和系統(tǒng)校準三個子模塊組成。系統(tǒng)設(shè)置 子模塊負責對綜合評價程序的各部分進行設(shè)置；系統(tǒng)連接子模塊提供了硬件接口的驅(qū)動程 序，負責將PC機與數(shù)據(jù)采集電路進行連接，可選的連接方式有串口連接與USB連接方式；系 統(tǒng)校準子模塊負責對傳感器進行校準。(3)數(shù)據(jù)管理模塊基于MySQL數(shù)據(jù)庫，由數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)還原和數(shù)據(jù)顯示三個子模 塊組成。數(shù)據(jù)備份子模塊負責將程序中的全部數(shù)據(jù)備份到數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)還原子模塊負責將 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)還原到程序中；數(shù)據(jù)顯示子模塊的功能是繪制測試者靜態(tài)姿勢圖，并將定 量評價算法求得的測試者平衡能力得分顯示出來，同時提供打印服務(wù)。人體平衡機能測試儀的連接及運行方式如下測力平臺的每個傳感器有4條引出線，包括電源線和地線各1條、差分信號線2 條，三個傳感器合計12條線。將這12條線連接至數(shù)據(jù)采集電路的輸入端，并用USB傳輸線 或者串口傳輸線將數(shù)據(jù)采集電路連接至PC機的相應(yīng)通信接口。系統(tǒng)運行時，接通數(shù)據(jù)采集 電路電源，并在PC機端啟動綜合評價程序，按照硬件的實際通訊方式選擇串口連接或USB 連接，為測試者建立用戶信息，然后即可開始測試。系統(tǒng)工作的具體過程為測力平臺三個頂點的傳感器分別檢測到壓力情況，將其 轉(zhuǎn)換為微小電壓信號后傳送給數(shù)據(jù)采集電路，信號經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波后，傳送 至PC機的綜合評價程序，并保存在數(shù)據(jù)庫中，然后根據(jù)定量評價算法對該測試者的平衡能 力給出定量評價。在測量過程中，綜合評價程序還將繪制測試者的靜態(tài)姿勢圖。本發(fā)明的有益效果在于可以測量測試者重心動搖的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)繪制靜 態(tài)姿勢圖，并給出測試者平衡能力的定量評價。測試者個人信息和測試數(shù)據(jù)可保存在PC機 數(shù)據(jù)庫中，以供隨時查詢。該系統(tǒng)使用方便，維護簡單，成本低廉，具有較好的經(jīng)濟性。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中1測力平臺；2電阻應(yīng)變片傳感器；3三組傳感器輸出信號線；4數(shù)據(jù)采集電 路；5放大電路；6MSP430單片機；7USB或串口通信線纜；8運行綜合評價程序的PC機。圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集電路的單路三級放大電路原理圖。圖3是本發(fā)明PC機綜合評價程序軟件結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式以下結(jié)合發(fā)明內(nèi)容和說明書附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
。
(1)傳感器測力平臺人體平衡機能測試儀的傳感器測力平臺為一塊等邊三角形鐵板，厚度10mm，邊長 600mm，在鐵板下方的三個頂點處各安放有一個橋形的2gl電阻應(yīng)變片傳感器。傳感器的兩 個端點用螺絲與上方鐵板固定，傳感器的中部通過螺絲向下接地。每個傳感器引出4條線， 分別為一條電源線、一條地線，以及兩條差分信號線，這四條線連接到數(shù)據(jù)采集電路。當測 試者直立于測力平臺之上時，鐵板受到向下的壓力，導致傳感器發(fā)生形變，即會產(chǎn)生微小的 電壓信號，測試者重心移動時，三個傳感器的輸出也相應(yīng)變化，根據(jù)三個值的差異即可計算 出測試者重心的當前位置。(2)數(shù)據(jù)采集電路人體平衡機能測試儀的數(shù)據(jù)采集電路以MSP430單片機為核心，實現(xiàn)信號放大、數(shù) 據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸三個功能。信號放大部分負責采集和放大傳感器輸出信號，由完全相同 的三路三級放大電路組成，每路放大電路對應(yīng)一路傳感器輸出信號，單路放大電路原理圖 如圖2所示。放大電路第一級采用高精度單電源儀表放大器AD623，設(shè)計放大倍數(shù)為22. 3 倍；中間級采用0P07射極跟隨器作為緩沖級，放大倍數(shù)為1倍；末級仍采用0P07作為多級 放大輸出級，放大倍數(shù)為9. 4倍。多級放大電路的輸出直接送MSP430單片機的多功能IO 口 P6.4、P6. 5、P6.6，這三個接口具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。MSP430單片機的多功能I/O 口完成對信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，要進行數(shù)字濾波操 作，具體為對每10個數(shù)據(jù)，去掉兩個最大值，再去掉兩個最小值，對剩余的6個數(shù)據(jù)求取平 均值，作為最終得到的代表壓力信號的數(shù)字量。此后，通過串口或USB接口將該數(shù)字量傳送 給PC機的綜合評價程序進行進一步處理。(3)綜合評價程序人體平衡機能測試儀的綜合評價程序負責接收數(shù)據(jù)采集電路上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)定 量評價算法對數(shù)據(jù)進行分析、計算、顯示和存儲，該程序軟件架構(gòu)如圖3所示，包括測試管 理模塊、系統(tǒng)管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊三個部分。測試管理模塊由測試者管理、測試記錄管理和定量評價算法三個子模塊組成。測 試者管理子模塊能夠添加新測試者，刪除不再需要的測試者，修改測試者各項信息，根據(jù)姓 名、測試時間等關(guān)鍵字查詢測試者全部信息。測試者管理子模塊的另一個功能是提供了程 序測試的操作界面，可對測試者進行6項測試，分別測試被測者雙足睜眼、雙足閉眼、線性 步睜眼、線性步閉眼、單足睜眼以及單足閉眼時的重心位置數(shù)據(jù)。測試記錄管理子模塊能夠 添加新測試記錄，刪除不再需要的測試記錄，根據(jù)測試者姓名、測試時間等關(guān)鍵字查詢測試 記錄。定量評價算法負責將數(shù)據(jù)采集電路上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為代表測試者平衡能力的評價 值，是綜合評價程序的核心功能。系統(tǒng)管理模塊由系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)連接和系統(tǒng)校準三個子模塊組成。系統(tǒng)設(shè)置子模 塊負責對綜合評價程序的各部分功能進行設(shè)置，主要設(shè)置被測者雙足睜眼、雙足閉眼、線性 步睜眼、線性步閉眼、單足睜眼以及單足閉眼等6項測試持續(xù)的時間；系統(tǒng)連接子模塊負責 選擇PC機與數(shù)據(jù)采集電路的硬件連接方式，可選項為串口連接和USB連接，該模塊也提供 了相應(yīng)驅(qū)動程序；系統(tǒng)校準子模塊負責對傳感器進行校準，校準時，需要準備IOkg的標準 砝碼和80kg的標準砝碼，對每一個傳感器分別校準。數(shù)據(jù)管理模塊由數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)還原和數(shù)據(jù)顯示三個子模塊組成。數(shù)據(jù)備份子模塊可根據(jù)用戶的選擇，將測試者信息和測試數(shù)據(jù)的一部分或全部備份到數(shù)據(jù)庫或excel表 格中；數(shù)據(jù)還原子模塊可根據(jù)用戶的需要，將指定信息從數(shù)據(jù)庫或excel中還原到程序中； 數(shù)據(jù)顯示子模塊能夠根據(jù)定量評價算法計算得到的位置信息實時繪制測試者的靜態(tài)姿勢 圖，并顯示測試者的平衡能力得分，以及輸出打印報告。(4)定量評價算法定量評價算法由3個部分組成坐標變換部分、平衡指標計算部分以及評價結(jié)果 計算部分。坐標變換部分接收數(shù)據(jù)采集電路上傳的三路電壓信號，將三路電壓信號轉(zhuǎn)換為 兩維直角坐標系上的點，即測試者的位置信息坐標值，完成從三角形鐵板上重心位置到直 角坐標系的映射。平衡指標計算部分根據(jù)測試者在直角坐標系中的坐標移動情況，分別計 算測試者重心的擺動軌跡長度、擺動面積、擺動角度和動搖優(yōu)勢程度等4項指標。評價結(jié)果 計算部分根據(jù)前述4項指標計算測試者平衡能力最終得分。這些指標與測試者的平衡能力 直接相關(guān)，指標值越大，平衡能力越差，反之則越好。根據(jù)公式(1)，令Eval為四項指標的 乘積，對各類型人群進行實際測量，計算出每位測試者的Eval值，設(shè)其中最大值為Evalmax， 另其對應(yīng)的平衡能力得分為Markmin ；設(shè)其中最小值為Evalmin，另其對應(yīng)的平衡能力得分為 Markmax。以Eval為橫軸，以測試者得分為縱軸，由(Evalmax，Markmin)和(Evalmin，Markmax)兩 點可以確定一條直線，該直線方程即為公式O)。對于任意測試者，通過實測計算出其Eval 值，進而可根據(jù)公式( 求得其平衡能力得分。
權(quán)利要求
1. 一種人體平衡機能測試儀，由三個部分組成，分別為傳感器測力平臺、數(shù)據(jù)采集電 路、綜合評價程序，其特征在于傳感器測力平臺采用一塊邊長為600mm的等邊三角形鐵板，厚度10mm，三個頂點處各 安裝一個2gl型電阻應(yīng)變片傳感器。數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計有三路完全相同的放大電路，每一 路放大電路均為三級放大，輸入級采用了 AD623儀表放大器，放大倍數(shù)為22. 3倍；中間級采 用0P07構(gòu)成射隨器；末級采用0P07構(gòu)成輸出級，放大倍數(shù)為9. 4倍。數(shù)據(jù)采集模塊的控制 器采用MSP430單片機，單片機的P6. 4、P6. 5、P6. 6三個多功能IO 口選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，分 別對每一路放大電路的輸出進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量可通過串口或USB接口發(fā)送 到PC機綜合評價程序。PC機綜合評價程序采用MySQL數(shù)據(jù)庫，具有數(shù)據(jù)傳輸、分析、評價、存儲、顯示和打印報 表輸出等幾個功能。該綜合評價程序分為測試管理、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)管理三個模塊。測試 管理模塊分為測試者管理、測試記錄管理、定量評價算法等三個子模塊；系統(tǒng)管理模塊分為 系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)連接和系統(tǒng)校準三個子模塊；數(shù)據(jù)管理模塊分為數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)還原和數(shù)據(jù) 顯示三個子模塊。該綜合評價程序的核心部分為定量評價算法，它將數(shù)據(jù)采集電路上傳的電壓信號數(shù)字 量轉(zhuǎn)換為兩維直角坐標系的坐標值，進而計算得到測試者重心的擺動軌跡長度L、擺動面積 A、動搖優(yōu)勢程度W和擺動角度Q等四項指標，令Eval為該四項指標的乘積，得公式(1) Eval = LXAXffXQ(1)然后對各類型人群進行實際測量，根據(jù)公式( 計算測試者平衡能力得分Mark = 二瞧 (制-Evalmax ) + Markmm^vaZmin -Evalma⑵公式O)中，Evalmax為各測量者中的指標乘積最大值，Markmin為該測試者的平衡能 力得分，由測試人員指定；Evalmin為各測量者中的指標乘積最小值，Markmax為該測試者 的平衡能力得分，由測試人員指定。對于任意測試者，通過實測計算出的其Eval值，代入公 式O)即可求得其平衡能力得分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種人體平衡機能測試儀，屬于嵌入式計算機領(lǐng)域。該儀器包括傳感器測力平臺、數(shù)據(jù)采集電路、綜合評價程序三個組成部分。傳感器測力平臺為等邊三角形鐵板，在三個頂點處各安裝有一個電阻應(yīng)變片傳感器。數(shù)據(jù)采集電路采用了三組放大電路，每組電路均為三級放大，放大倍數(shù)分別為22.3倍、1倍、9.4倍，放大電路的輸出直接送到MSP430單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量被傳輸至PC機的綜合評價程序，由該程序?qū)?shù)據(jù)進行進一步處理，根據(jù)定量評價算法計算得到測試者平衡能力的得分，并輸出打印報表。同時，綜合評價程序還可繪制靜態(tài)姿勢圖，并可連接到MySQL數(shù)據(jù)庫，完成測設(shè)者信息和測試數(shù)據(jù)的增刪改查功能。本發(fā)明在醫(yī)療康復、運動員選拔等領(lǐng)域有重要作用。
文檔編號A61B5/11GK102078195SQ20101053181
公開日2011年6月1日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者王孝良, 賴曉晨, 陳鑫 申請人:大連理工大學