專利名稱：功率測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量運動過程中使用的功率或力量的方法和裝置，且更具體地涉及測量運動的垂直部分中使用的功率或力量。
背景技術(shù)：
跌倒是老年人的最大健康風險因素之一。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大于65歲的人群中大約三分之一每年至少跌倒一次。很多這類跌倒可以通過及早確認跌倒風險以及應用有效且靶定的跌倒預防程序而得以避免。基于力量和平衡訓練(SBT)的跌倒預防試驗已經(jīng)顯示可以降低老年人跌倒的風險。平衡性能度量可以被用作跌倒風險的早期指標并且被用于度量跌倒預防程序的進展。特別地，從坐到站立(STQ轉(zhuǎn)換已經(jīng)被確認為這方面的重要運動。本領(lǐng)域?qū)＜冶容^用于預防跌倒的從坐到站立轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的功率的圖和心血管紊亂情況下的ECG圖。在日常生活中，每個人在一天中多次執(zhí)行STS轉(zhuǎn)換。常規(guī)地，僅臨床測量系統(tǒng)(諸如包括測力板和光學標記系統(tǒng)的那些測量系統(tǒng))允許從坐到站立轉(zhuǎn)換過程中的功率的精確量化。在這些測量系統(tǒng)中，測力板提供垂直地面反作用力，而光學標記系統(tǒng)提供三維位移的度量。這兩種測量值的組合被用于量化從坐到站立轉(zhuǎn)換過程中的功率。這些測量系統(tǒng)具有一些缺點。首先，它們是臨床設(shè)備，這需要用戶到門診部去。它們需要大量勞動來準備和執(zhí)行測量(特別是在大量光學標記需要被附接到身體的特定部分上的情況下)。另外，它們僅提供用戶的平衡性能的快照，其中，由于臨床設(shè)置，用戶通常執(zhí)行得超過平均能力。此外，這些測量系統(tǒng)涉及對用戶來說相當麻煩的程序。因此需要測量諸如從坐到站立轉(zhuǎn)換的垂直運動過程中所使用的功率的方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)對于用戶操作來說是容易和簡單的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于估計用戶在執(zhí)行運動的垂直分量時使用的功率的裝置，該裝置包括加速計，該加速計用于附接到用戶并且用于測量所述用戶經(jīng)受的加速度；該裝置還包括處理器，該處理器被配置為接收來自附接到所述用戶的所述加速計的加速度的測量值；根據(jù)所接收的測量值估計垂直加速度；以及根據(jù)所述垂直加速度估計所使用的功率。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于估計用戶在執(zhí)行運動的垂直分量時使用的功率的方法，該方法包括從附接到所述用戶的加速計獲得所述用戶在執(zhí)行所述運動時經(jīng)受的垂直加速度的測量值；以及根據(jù)所述垂直加速度的測量值確定所使用的功率的估計值。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種計算機程序產(chǎn)品，其包括計算機程序代碼，所述計算機程序代碼在與附接到用戶的加速計相關(guān)聯(lián)的計算機或處理器上執(zhí)行時通過以下步驟估計用戶在執(zhí)行運動的垂直分量時使用的功率從所述加速計接收測量值；根據(jù)所接收的測量值確定所述用戶在執(zhí)行所述運動時經(jīng)受的垂直加速度；以及根據(jù)所述垂直加速度的測量值確定所使用的功率的估計值。


現(xiàn)在將僅以示例方式通過參考以下附圖來描述本發(fā)明的實施例，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明附接到用戶的傳感器單元；圖2更詳細地示出所述傳感器單元；圖3示出作用于用戶上以及用戶在執(zhí)行從坐到站立轉(zhuǎn)換時施加的加速度和力；圖4是舉例說明根據(jù)所測量的加速度計算加速度計的取向的圖表；以及圖5是舉例說明根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟的流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供一種傳感器單元2，該傳感器單元通過一些附接裝置6被附接到用戶4的身體，優(yōu)選為身體的軀干，如骨盆或胸骨上，所述附接裝置6例如為帶子或繩子(或者在單元2為垂飾形式時為頸索)。傳感器單元2被用于根據(jù)用戶4的身體的加速度的測量值確定在身體運動過程中所使用的功率或力量，該身體運動涉及在垂直方向的運動，例如從坐到站立(STQ轉(zhuǎn)換，其中用戶4從坐姿站起。傳感器單元2確定執(zhí)行運動的垂直分量所使用的功率或力量。傳感器單元2可以計算在整個垂直運動過程中所使用的功率或力量，但是在可替代的實施例中，傳感器單元2 可以被用于確定垂直運動的某些部分過程中的功率或力量。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元2的優(yōu)選實施例。傳感器單元2包括加速度計 8，該加速度計測量沿著三個正交軸的加速度并且提供對應的信號。這些信號被提供給處理器10以進行分析。傳感器單元2還包括存儲器12和發(fā)射器或收發(fā)器電路14。存儲器12 被用于存儲來自加速度計8的測量值，并且用于存儲處理器10的分析結(jié)果。發(fā)射器或收發(fā)器電路14被用于發(fā)送分析結(jié)果至遠程單元或計算機，在此處它們可以被用戶4或健康護理提供者查看或研究。優(yōu)選地，加速度計8是微機電系統(tǒng)(MEMQ加速度計8。在本文所描述的計算垂直方向運動中所使用的功率或力量的方法中，功率或力量是在固定參考系(例如地球)中計算的。作為該方法的一部分，有必要確定用戶4在垂直運動過程中所經(jīng)受的垂直加速度。在本發(fā)明的這一實施例中，僅根據(jù)下面描述的算法通過加速度計8的測量值來計算垂直加速度。在一些(較不優(yōu)選的)實施例中，傳感器單元2包括除加速度計8之外的用于確定傳感器單元2的取向(或取向變化)的一個或多個其他傳感器，諸如陀螺儀和/或磁力計。在這一實施例中，不必執(zhí)行下面描述的算法，因為陀螺儀和/或磁力計可以提供對傳感器單元2的取向的指示，可以利用所確定的取向?qū)碜约铀俣扔?的測量值轉(zhuǎn)換到固定參考系中，并且可以確定垂直加速度。
圖3示出在垂直方向的運動中途的用戶4的側(cè)視圖，該運動具體為從坐到站立 (STS)轉(zhuǎn)換。如圖所示，傳感器單元2被附接到用戶4的胸骨上。由于加速度計8被固定在傳感器單元2中，傳感器單元2和加速度計8的取向在 STS運動過程中改變，并且傳感器單元2被顯示為與垂直方向偏離角度θ。因此，為了獲得(固定參考系中)垂直方向的加速度，有必要針對這些取向變化補償來自加速度計8的測量值。圖4是由加速度計8測量的加速度A的測量值的圖示。加速度計8測量在三維上作用于其上的加速度Α，并且提供指示沿著三個正交軸(標示為xa、ya和za)的加速度A的信號給處理器10。在該圖中，加速度A具有分別沿著三個軸測量的分量Ax、Ay和Az0對于承受小的加速度或不承受加速度(除了重力)的加速度計8，加速度計8所經(jīng)受的加速度A將基本對應于重力加速度。因此，根據(jù)這一假設(shè)，有可能將加速度A與重力聯(lián)系起來，而重力的方向在固定參考系中是已知的?？梢酝ㄟ^計算加速度A與具有最大加速度幅值的加速度計8的軸之間的角度來估計加速度計8的取向。 為了估計加速度計8的取向，測量作用于加速度計8上的加速度，并且向處理器10 提供指示沿著加速度計8的三個正交軸(分別為xa、ya和za)的加速度分量(Ax、Ay和Az) 的信號。處理器10計算加速度A的每個分量的幅值并且對它們進行比較以識別具有最大幅值的分量。在下面，具有最大幅值的分量的軸(xa、ya或za)被表示為za’，而另兩個軸被表示為xa’和ya’。以此方式，無論加速度計8的初始位置如何，都有可能確定加速度計8的取向。例如，雖然可能希望Za軸對應于固定參考系中的垂直取向軸，但加速度計8可能不是以此方式附接到用戶4(可能是ya軸最接近地對應于固定參考系中的垂直取向軸)。應該注意到，在圖4中具有最大加速度分量的軸是za，因此這一軸被表示為za’，且最大加速度分量是Az。然后處理器10確定加速度A與具有最大加速度分量的軸(za’ )之間的角度。因此，從圖4可以看出角度θ由下式給出 如果加速度的所有分量均為零(即Ax = Ay = Az = 0)，則不能夠估計θ和所述取向。在這種情況下，加速度計8處于自由下落。因此，由于是利用重力作為參考系來確定該角度θ，該角度θ可以被視為指示加速度計8和傳感器單元2的取向。由于加速度計8相對于固定參考系是自由運動的，因此期望檢查由加速度的快速變化導致的局部不穩(wěn)定性。以此方式，有可能補償所確定的取向中由這些加速度快速變化導致的誤差。特別地，通過由處理器10計算在一段時間內(nèi)的加速度A的分量的范數(shù)的方差來檢查局部不穩(wěn)定性。
從加速度計8獲得代表在多個采樣時刻處的加速度的多個信號。這些采樣時刻優(yōu)選發(fā)生在采樣時刻i的之前和之后，其中在采樣時刻i計算加速度計8的取向。利用下式計算加速度A的分量的范數(shù)的方差
局部—不穩(wěn)定性(i) = var"(-JAM)2+Ay(J)2+Az(J)2)> (2)其中a是在計算加速度計8的取向所處于的采樣時刻之后的采樣時刻的個數(shù)，b是在計算加速度計8的取向所處于的采樣時刻之前的采樣時刻的個數(shù)，且α是指示加速度快速變化的值。α的值選自范圍15-20m/s2，而a禾Π b的值在10附近。一旦計算出角度θ，處理器10確定相對于固定參考系在垂直方向的加速度。再次參考圖3，用戶4在從坐到站立轉(zhuǎn)換的中途，且傳感器單元2和加速度計8朝向從垂直方向起的角度θ處。圖中顯示了具有最大加速度分量(Az)的軸。根據(jù)下式計算垂直方向的加速度acc_vert = (Az_gcos θ ) cos θ +g，如果 θ > 0 或者存在局部不穩(wěn)定性 (3)acc_vert = (gcos θ -Az) cos θ +g，如果θ < 0或者不存在局部不穩(wěn)定性 (4)其中g(shù)是由垂直方向的重力引起的加速度的幅值。應該認識到在圖3和圖4中θ
< 0?？梢允褂脠D5所示的方法來計算垂直方向的運動中所使用的功率或力量。在步驟101中，從加速度計8獲得用戶4在垂直方向(在固定參考系中)所經(jīng)受的加速度的一系列測量值或估計值。如上所述，垂直方向的加速度的估計值可以從僅有的傳感器為加速度計8的傳感器單元2獲得，或者從包括加速度計、陀螺儀和/或磁力計的傳感器單元2獲得。在優(yōu)選的實施例中，垂直加速度可以被低通濾波，例如通過具有大約為2Hz的截止頻率的Butterworth濾波器。然后，在步驟103中，根據(jù)下式估計如圖3所示的作為時間的函數(shù)的垂直地面反作
用力Fgr Fgr (t) = (acc_vert (t) +g)(5)其中g(shù)是由重力引起的加速度，且m是用戶4的質(zhì)量。接著，在步驟105中，垂直加速度的這一系列測量值或估計值相對于時間被積分以獲得運動過程中的垂直速度。因此，根據(jù)下式確定垂直速度vel_Vert(t)vel_vert(t) = / (acc_vert (t)) dt(6)該積分的起點和終點是根據(jù)來自加速度計8的測量值確定的。該起點可以被識別為垂直加速度在處于穩(wěn)定狀態(tài)的時間段之后開始變化時的點(例如垂直加速度可能從零值或從重力開始變化)。該終點可以被識別為垂直加速度在一段運動之后恢復穩(wěn)定狀態(tài)時的點(例如垂直加速度可能返回到零或重力)。處理器10可以通過檢查垂直加速度的測量值來確定該起點和終點。最后，在步驟107中，利用下式來計算在垂直運動過程中所使用的功率功率(t)= Fgr(t)*vel_vert(t)(7)根據(jù)垂直加速度的這一系列測量值所確定的地面反作用力和功率形成時間序列，該時間序列可以被繪制成隨時間變化的圖。然后也可能確定最大瞬時功率或功率的最大負載率。應該認識到，所述方法的唯一輸入是垂直加速度的測量值的集合。因此，代替分離地執(zhí)行步驟103、105和107，這些步驟可以被組合成功率在其中被估計的單個步驟。在這種情況下，處理器10將對下式求值功率(t) = m*(acc_vert(t)+g)* / (acc_vert (t)) dt (8)根據(jù)本發(fā)明的方法可以被用于包括加速度計的任何在體傳感器單元，例如跌倒檢測器和用于活動監(jiān)測和評估的裝置，以便估計或確定在從坐到站立轉(zhuǎn)換中所使用的功率。 這一功率估計可以提供用于評估平衡性能和跌倒風險的物理性能度量。在家庭健康護理情況下，這一方法將使得家庭健康護理提供者能夠以不顯眼的方式監(jiān)測用戶平衡性能或跌倒風險。由于功率估計基于測量用戶4的質(zhì)心的運動，可以通過將傳感器單元2放置得盡可能接近用戶4的質(zhì)心來提高功率估計的精確度。例如，傳感器單元2優(yōu)選被放置為靠近用戶4的骨盆或下軀干?？梢酝ㄟ^在用戶4的身體的兩個或更多個部分處提供加速度計來獲得對功率估計的進一步改善。例如，這可以通過提供兩個傳感器單元2來實現(xiàn)，一個傳感器單元2被放置在胸骨處，而另一個傳感器單元2被放置在骨盆處。在這一實施例中，傳感器單元2中的一個將需要接收來自另一個或多個傳感器單元2的測量值以便計算所使用的功率。在特定垂直運動過程中，這些傳感器單元2將記錄不同的加速度，因此加速度計測量值的加權(quán)平均被計算以在功率估計算法中使用。有效的是，加速度的加權(quán)平均代表作用于用戶4的實際質(zhì)心位置上的加速度。優(yōu)選地，這一加權(quán)平均由下式給出a質(zhì)心=B*a骨盆+C*a胸骨(9)其中B和C為常數(shù)。在一個實施例中，常數(shù)B和C分別具有值0.603和0. 397，如Winter，D.A.在 "Biomechanics and Motor Control of Human Movement，，中所描述的。在本發(fā)明的可替代實施例中，代替在傳感器單元2的處理器10中處理加速度測量值，傳感器單元2或多個傳感器單元2可以測量加速度，并且將這些測量值發(fā)送到分離的基礎(chǔ)單元，該基礎(chǔ)單元執(zhí)行必要的計算以估計在運動過程中所使用的功率。由于傳感器單元2小巧且易于使用，它可以在較長時間段內(nèi)(相比臨床設(shè)置中可能的時間段)被使用以量化在諸如從坐到站立轉(zhuǎn)換的特定類型的身體運動過程中的功率或力量。該功率或力量可以被以不顯眼的方式測量，并且上述方法提供與臨床測量系統(tǒng)類似的精確度。雖然已經(jīng)在附圖和前面的說明書中詳細地圖示和描述了本發(fā)明，但這種圖示和描述應視為是圖解性的或示例性的而非限制性的；本發(fā)明并不局限于所公開的實施例。通過研究附圖、公開內(nèi)容和隨附的權(quán)利要求，實踐要求保護的發(fā)明的技術(shù)人員可以理解并想到所公開實施例的各種變形。在權(quán)利要求中，詞語“包括”并不排除其他元件或步驟，且不定冠詞“一”或“一個”并不排除多個。單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)權(quán)利要求中所述的若干項的功能。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中記載某些措施的事實并不指示不能使用這些措施的組合來取得優(yōu)勢。計算機程序可以被存儲/分布在適當?shù)慕橘|(zhì)上，諸如光學存儲介質(zhì)或與其他硬件一起提供或作為其他硬件的一部分的固態(tài)介質(zhì)，但是也可以以其他形式分布，例如通過互聯(lián)網(wǎng)或其他有線或無線電信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的任何參考標記不應被解讀為限制其范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于估計用戶在執(zhí)行運動的垂直分量時使用的功率的裝置，該裝置包括 加速度計，其用于附接到用戶并且用于測量所述用戶經(jīng)受的加速度；該裝置還包括 處理器，其被配置為-接收來自附接到所述用戶的所述加速度計的所述加速度的測量值； -根據(jù)所接收的測量值估計垂直加速度；以及 -根據(jù)所述垂直加速度估計所使用的功率。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述處理器被配置為通過對下式求值來根據(jù)所述垂直加速度估計所使用的功率功率(t) = m*(acc_vert(t)+g)* / (acc_vert (t)) dt其中m是所述用戶的質(zhì)量，advert (t)是在時間t時的垂直加速度，且g是由于重力引起的加速度。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述處理器被配置為通過以下操作根據(jù)所述垂直加速度估計所使用的功率-估計來自地面的反作用力，該估計是根據(jù)所述垂直加速度的估計值確定的； -通過在執(zhí)行所述運動花費的時間上對所述垂直加速度的估計值積分來估計垂直速度；以及-根據(jù)所述地面反作用力的估計值和所述垂直速度的估計值來估計所使用的功率。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述處理器被配置為通過將所述地面反作用力的估計值乘以所述垂直速度的估計值來估計所使用的功率。
5.如權(quán)利要求3或4所述的裝置，其中，所述處理器被配置為根據(jù)下式估計所述來自地面的反作用力Fgr (t) = (acc_vert (t) +g) * m其中m是所述用戶的質(zhì)量，且acc_vert(t)是時間t時的垂直加速度。
6.如權(quán)利要求3、4或5所述的裝置，其中，所述處理器被配置為根據(jù)下式估計所述垂直速度vel_vert(t) = / (acc_vert(t))dt 其中acc_vert(t)是時間t時的垂直加速度。
7.如任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述處理器被配置為通過以下操作根據(jù)所接收的測量值估計所述垂直加速度-根據(jù)所接收的測量值估計所述加速度計的取向；以及 -利用所估計的取向識別所接收的測量值中的垂直加速度。
8.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的裝置，其中，所述裝置還包括與所述加速度計相關(guān)聯(lián)的陀螺儀和/或磁力計，且其中，所述處理器被配置為通過以下操作根據(jù)所接收的測量值估計所述垂直加速度-根據(jù)從所述陀螺儀和/或磁力計接收的測量值估計所述加速度計的取向；以及 -利用所估計的取向識別所接收的測量值中的垂直加速度。
9.如任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述處理器和加速度計被集成到用于附接到所述用戶的單個單元中。
10.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的裝置，其中，所述裝置包括用于附接到所述用戶的身體的各個部分的多個加速度計。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述處理器被配置為從附接到所述用戶的所述多個加速度計接收所述加速度的測量值，并且根據(jù)所述測量值確定所述用戶的質(zhì)心的加速度的估計值。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述用戶的質(zhì)心的加速度的所述估計值是根據(jù)來自所述多個加速度計的所述測量值的加權(quán)平均確定的。
13.如任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述裝置用于估計用戶在執(zhí)行從坐到站立轉(zhuǎn)換時所使用的功率。
14.一種用于估計用戶在執(zhí)行運動的垂直分量時使用的功率的方法，該方法包括-從附接到所述用戶的加速度計獲得所述用戶在執(zhí)行所述運動時經(jīng)受的垂直加速度的測量值；以及-根據(jù)所述垂直加速度的測量值確定所使用的功率的估計值。
15.一種計算機程序產(chǎn)品，其包括計算機程序代碼，所述計算機程序代碼在與附接到用戶的加速度計相關(guān)聯(lián)的計算機或處理器上執(zhí)行時通過以下操作估計用戶在執(zhí)行運動的垂直分量時使用的功率-從所述加速度計接收測量值；-根據(jù)所接收的測量值確定所述用戶在執(zhí)行所述運動時經(jīng)受的垂直加速度；以及-根據(jù)所述垂直加速度的測量值確定所使用的功率的估計值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于估計用戶在執(zhí)行運動的垂直分量時使用的功率的裝置，該裝置包括用于附接到用戶并且用于測量用戶經(jīng)受的加速度的加速度計；該裝置還包括處理器，該處理器被配置為接收來自附接到用戶的加速度計的加速度的測量值；根據(jù)所接收的測量值估計垂直加速度；以及根據(jù)該垂直加速度估計所使用的功率。
文檔編號A63B23/02GK102164532SQ200980137308
公開日2011年8月24日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者H·巴爾杜斯, S·施倫博姆, W·澤爾斯特拉 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司