一種基于步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征的帕金森患者行走能力評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)、生物醫(yī)學工程、模式識別等領(lǐng)域，特別涉及一種基于步態(tài) 時空參數(shù)和三維力特征的帕金森患者行走能力評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 帕金森病（Parkinson's disease, PD)又稱震顫麻痹綜合征，是一種常見的神經(jīng)科 疾病，其中老年人群是帕金森疾病的主要罹患人群。目前，我國有超過100萬的帕金森疾病 患者。隨著世界人口進入老齡化時代，帕金森疾病的形勢越來越嚴峻。帕金森患者臨床表 現(xiàn)主要為震顫、步行障礙、肌強直和運動遲緩，其中，步行障礙及運動遲緩是帕金森患者比 車父明顯的特征，占帕金森首發(fā)癥狀的30%。作為帕金森患者重要的臨床病癥，步彳丁障礙及運 動遲緩是評價帕金森患者病情的重要指標。研宄表明：與正常人相比，帕金森患者表現(xiàn)出較 小的步速、較短的步長和步態(tài)周期，正常行走過程中節(jié)奏喪失、變異性增大等特點。
[0003] 現(xiàn)有的步態(tài)分析方法主要有：基于紅外高速攝像機的運動分析系統(tǒng)、超聲波步態(tài) 分析系統(tǒng)和基于足底傳感器的步態(tài)分析系統(tǒng)。這些方法都存在步態(tài)特征單一的缺點且參數(shù) 計算精度較低，其中，基于紅外高速攝像機的步態(tài)分析系統(tǒng)會存在光線遮擋導致參數(shù)提取 不準確的情況，而超聲波步態(tài)分析系統(tǒng)則普遍存在參數(shù)計算精度較低的缺點。目前，針對帕 金森患者的臨床步態(tài)評估主要采用目測法，該方法主要依靠醫(yī)師的觀察和經(jīng)驗，其缺點是 在臨床工作中常可見到不同醫(yī)師對同一患者的步態(tài)障礙評估存在較大差異的現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種系統(tǒng)的、科學的帕金森患 者tx走能力評估方法，解決目如臨床上針對帕金森患者步態(tài)評估方法存在的不足，具有測 試流程簡單，易操作，基于多模態(tài)的信息融合，特征信息全面，評估方法可靠，結(jié)果準確等特 點，可廣泛應用于各大醫(yī)療機構(gòu)中針對帕金森患者的行走能力評估。同時，該方法還具有較 好的擴展性，針對其他類型患者的步態(tài)評估也具有一定的參考作用。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種基于步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征的帕金森患者行走能 力評估方法，其特征在于：利用柔性陣列壓力傳感器和三維力測試平臺構(gòu)建的步態(tài)通道獲 取帕金森患者正常行走過程中的足底壓力數(shù)據(jù)和三維力數(shù)據(jù)；然后分別對患者的足底壓力 數(shù)據(jù)和三維力數(shù)據(jù)進行分析處理，提取步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征參數(shù)；最后應用模糊算 法對步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征參數(shù)進行分類，從而實現(xiàn)患者的行走能力評估。該方法的 具體流程為：足底壓力數(shù)據(jù)、三維力數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)處理與特征參數(shù)提取，行走能力評估。
[0006] 所述足底壓力數(shù)據(jù)、三維力數(shù)據(jù)獲取是指：利用自主研發(fā)的步態(tài)通道作為數(shù)據(jù)獲 取平臺，實時采集和存儲帕金森患者在正常行走過程中的足底壓力數(shù)據(jù)和三維力數(shù)據(jù)；
[0007] 所述足底壓力數(shù)據(jù)處理是指：對獲取的足底壓力數(shù)據(jù)依次進行數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)聚 類分割和左右腳類型識別等處理，獲取患者的單腳足底壓力數(shù)據(jù)信息；
[0008] 所述步態(tài)時空參數(shù)提取是指：對經(jīng)過足底壓力數(shù)據(jù)處理后的單腳足底壓力數(shù)據(jù)信 息提取步態(tài)特征，根據(jù)帕金森患者的步態(tài)特征，提取步態(tài)時空參數(shù)；
[0009] 所述三維力數(shù)據(jù)特征提取是指：針對三維力中Z軸的垂直剪切力曲線創(chuàng)建一個長 度為100的時間窗口，通過將窗口每次向后移動一步并依次計算前后兩個窗口中的曲線部 分的皮爾森相關(guān)系數(shù)，以相關(guān)系數(shù)的平均數(shù)作為步態(tài)的三維力特征；
[0010] 所述行走能力評估是指：應用模糊算法對步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征參數(shù)進行分 類，從而實現(xiàn)患者的行走能力評估；
[0011] 所述的足底壓力數(shù)據(jù)，是指患者正常行走過程中通過柔性陣列壓力傳感器實時獲 取的足底壓力信息，其中每個柔性壓力傳感器獲取的足底壓力信息主要由壓力時間、壓力 行值、壓力列值和壓力大小組成。
[0012] 所述的步態(tài)通道是指由柔性陣列壓力傳感器單元模塊和三維測力平臺構(gòu)成的倒U 型通道。其中，柔性陣列壓力傳感器單元模塊構(gòu)成倒U型通道的第一個直道部分（GCl)和 彎道部分（GC2)。直道部分（GCl)由5個柔性陣列壓力傳感器單元模塊排列而成，每個柔性 陣列壓力傳感器單元模塊的規(guī)格為60cm*60cm，用來獲取患者正常行走過程中的直行信息； 彎道部分（GC2)是由4個柔性陣列壓力傳感器單元模塊組成，彎道部分的第二個柔性陣列 壓力傳感器單元模塊較其他單元模塊略長些，規(guī)格為60cm*72cm，以求更好的捕獲患者轉(zhuǎn)彎 時的步態(tài)信息。三維測力平臺構(gòu)成倒U型通道的第二個直道部分，三維測力平臺中測力臺 單元模塊的排列方式與柔性陣列壓力傳感器單元模塊構(gòu)成的直道部分（GC2)相對稱，規(guī)格 同樣同為60cm*6〇 Cm，用來獲取患者行走過程中的三維力數(shù)據(jù)；
[0013] 所述足底壓力數(shù)據(jù)、三維力數(shù)據(jù)獲取的步驟如下：
[0014] (1)讓患者或者其監(jiān)護人閱讀測試知情同意書，詳細了解測試內(nèi)容、測試步驟和測 試目的等相關(guān)說明并簽字同意；
[0015] (2)對患者身高、體重等信息進行測量，并記錄下患者詳細的個人信息；
[0016] (3)在無人攙扶的情況下，讓患者以正常速度通過步態(tài)通道，實時采集和存儲該過 程中患者的足底壓力數(shù)據(jù)和三維力數(shù)據(jù)。
[0017] 所述足底壓力數(shù)據(jù)處理的步驟如下：
[0018] (1)應用一種加入時間窗的時空自適應窗體中心加權(quán)的中值均值濾波算法對采集 的每一幀足底壓力數(shù)據(jù)進行去噪處理，濾除噪聲的影響；
[0019] (2)對去噪后的足底壓力數(shù)據(jù)應用基于連通域的圖像聚類分割算法進行聚類分 害J，獲取患者所有單腳的完整數(shù)據(jù)幀的足底壓力數(shù)據(jù)，其中單腳的足底壓力數(shù)據(jù)主要包括 單腳的起止時間戳、矩形坐標范圍等信息；
[0020] (3)分別對獲取的每個單腳的足底壓力數(shù)據(jù)提取其足印邊界點數(shù)據(jù)進行擬合，根 據(jù)左右腳邊界曲線的特點，進行左右腳類型識別，確定單腳的足底壓力數(shù)據(jù)的類別。
[0021] 所述步態(tài)時空參數(shù)提取的步驟如下：
[0022] (1)根據(jù)患者左右腳的足底壓力數(shù)據(jù)計算其步態(tài)時空參數(shù)。根據(jù)帕金森患者的步 態(tài)特征，主要提取以下11個步態(tài)參數(shù)：步速、周期、步長、擺動時間、雙支撐時間、步頻、平衡 系數(shù)、左腳著地時間、右腳著地時間、彎道步數(shù)和彎道行走時間；
[0023] (2)對提取的步態(tài)時空參數(shù)進行篩選。應用GA遺傳算法篩選出最佳步態(tài)參數(shù)：步 速、平衡系數(shù)、雙支撐時間、步長、彎道步數(shù)和彎道行走時間。
[0024] 所述行走能力評估的步驟如下：
[0025] (1)根據(jù)提取的步態(tài)時空參數(shù)以及三維力特征參數(shù)確定各個參數(shù)的模糊隸屬度函 數(shù)，采用三角形的模糊隸屬度函數(shù)，各個參數(shù)的模糊隸屬度函數(shù)的閾值由30名行走能力不 同的患者步態(tài)數(shù)據(jù)確定；
[0026] (2)根據(jù)提取的步態(tài)時空參數(shù)、三維力特征參數(shù)及各個參數(shù)對應的模糊隸屬度函 數(shù)，制定模糊規(guī)則，并確定模糊水平的隸屬度函數(shù)，建立一個多輸入單輸出的模糊分類器， 根據(jù)模糊分類器輸出的模糊度水平實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類，最終實現(xiàn)患者的行走能力評估。
[0027] 與目前現(xiàn)有的評估方法相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0028] (1)采用自主設計的步態(tài)通道數(shù)據(jù)采集平臺，測試過程中僅需要患者沿該步態(tài)通 道正常行走既可，測試流程簡單，實施難度低；
[0029] (2)采用了數(shù)據(jù)去噪算法、聚類分割算法、腳型識別算法等數(shù)據(jù)處理方法，評估流 程較為科學；
[0030] (3)提取的步態(tài)特征融合了足底壓力數(shù)據(jù)和三維力數(shù)據(jù)，信息全面，可信度高；
[0031] (4)綜合步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征參數(shù)構(gòu)建的模糊隸屬度函數(shù)及模糊分類器對 步態(tài)進行評估，評估結(jié)果準確；
[0032] (5)此外，本發(fā)明采用的方法流程具有普適性，擴展性好等特點，稍加修改即可應 用于其他類型患者的步態(tài)評估。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明中自主研發(fā)的步態(tài)通道結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為帕金森患者在正常行走過程的三維力曲線示意圖，其中虛線表示X軸的橫 向剪切力，點劃線表示y軸的縱向剪切力，實線表示z軸的垂直剪切力；
[0035] 圖3為人在正常行走過程的步態(tài)周期示意圖；
[0036] 圖4為正常步態(tài)下左右腳時間序列示意圖；
[0037] 圖5為部分步態(tài)特征參數(shù)的模糊隸屬度函數(shù)示意圖，其中a為步速的模糊隸屬度 函數(shù)，b為雙支撐時間的模糊隸屬度函數(shù)，c為平衡系數(shù)的模糊隸屬度函數(shù)，d為步長的模糊 隸屬度函數(shù)。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0039] 實施例1 :本發(fā)明是以帕金森患者步態(tài)信息為出發(fā)點，以提取患者步態(tài)特征參數(shù)、 評估患者正常行走能力為目的，提出了一種基于步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征的帕金森患者 行走能力評估方法，該方法的特征在于：利用柔性陣列壓力傳感器和三維力測試平臺構(gòu)建 的步態(tài)通道獲取帕金森患者正常行走過程中的足底壓力數(shù)據(jù)和三維力數(shù)據(jù)；然后分別對患 者的足底壓力數(shù)據(jù)和三維力數(shù)據(jù)進行分析處理，提取步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征參數(shù)；最 后應用模糊算法對步態(tài)時空參數(shù)和三維力特征參數(shù)進行分類，從而實現(xiàn)患者的行走能力評 估。該方法的具體流程為：足底壓力數(shù)據(jù)、三維力數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)處理與特征參數(shù)提取，行走 能力評估。
[0040] 如圖1所示，針對帕金森患者的步態(tài)特征，本發(fā)明設計了數(shù)據(jù)采集平臺，即步態(tài)通 道，該通道由柔性陣列壓力傳感器單元模塊和三維測力平臺構(gòu)成的倒U型通道。其中，柔性 陣列壓力傳感器單元模塊構(gòu)成倒U型通道的第一個直道部分（GCl)和彎道部分（GC2)。直 道部分（GCl)由5個柔性陣列壓力傳感器單元模塊排列而成，每個柔性陣列壓力傳感器單 元模塊的規(guī)格為60cm*6〇 Cm，用來獲取患者正常行走過程中的直行信息；彎道部分（GC2)是 由4個柔