CN102078195A - 人体平衡机能测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体平衡机能测试仪，属于嵌入式计算机领域。该仪器包括传感器测力平台、数据采集电路、综合评价程序三个组成部分。传感器测力平台为等边三角形铁板，在三个顶点处各安装有一个电阻应变片传感器。数据采集电路采用了三组放大电路，每组电路均为三级放大，放大倍数分别为22.3倍、1倍、9.4倍，放大电路的输出直接送到MSP430单片机的模数转换端口，经模数转换后的数字量被传输至PC机的综合评价程序，由该程序对数据进行进一步处理，根据定量评价算法计算得到测试者平衡能力的得分，并输出打印报表。同时，综合评价程序还可绘制静态姿势图，并可连接到MySQL数据库，完成测设者信息和测试数据的增删改查功能。本发明在医疗康复、运动员选拔等领域有重要作用。

Description

人体平衡机能测试仪

技术领域

本发明属于嵌入式计算机领域，涉及一种人体平衡机能测试仪。

背景技术

当人静止站立时，实际是不可能保持绝对静止的，人体重心会始终进行幅度不等的晃动，这是自我意识所无法控制的，称为生理性姿势动摇，这种重心动摇的程度与人体的平衡功能直接相关。平衡功能属于人体神经运动系统的一项重要功能，许多神经系统疾病均表现出不同程度的平衡功能障碍，对平衡能力的测量是评价神经系统疾病患者物理治疗效果与康复情况的重要依据，也是特殊职业人员(竞技类运动员、宇航员、飞行员、潜水员等)选拔的评价指标和辅助训练成果的反馈。同时，平衡机能测量在老年人身体状况变化的监测、疾病预防，以及国民身体素质鉴定、国家老龄化趋势评价等方面起着重要作用。本发明设计完成了对人体平衡机能进行测试与评价的计算机系统，能够测量平衡机能数据，绘制出测试者静态姿势图(重心移动轨迹的实时曲线)，并对人体平衡机能给出定量评价。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种人体平衡机能测试仪，能够完成对人体重心移动情况的实时测量、分析、评价、存储、显示和报表输出。

本发明的技术方案：

人体平衡机能测试仪，包括传感器测力平台、数据采集电路和综合评价程序三个部分，前两个部分为测试仪的硬件部分，综合评价程序是测试仪的软件部分，在PC机上运行。

传感器测力平台为一块等边三角形铁板，厚度10mm，边长600mm，在铁板下方三个顶点处各安装有一个2g1型电阻应变片传感器，负责采集人体重心移动信号。数据采集电路为基于MSP430单片机的电路板，设计有三路完全相同的放大电路，均为三级放大，负责将传感器传送的电压信号放大到单片机量程能够接受的范围内。第一级放大采用AD623放大器，放大倍数为22.3倍；第二级放大采用OP07放大器，放大倍数为1倍；第三级放大仍采用OP07放大器，放大倍数为9.4倍，三级放大总倍数为209.62倍。数据采集电路设计有串口和USB接口，用来将数字化之后的电压信号传输到运行于PC机的综合评价程序。

综合评价程序包括测试管理、系统管理和数据管理三个模块。

(1)测试管理模块由测试者管理、测试记录管理和定量评价算法三个子模块组成。测试者管理子模块实现了对测试者信息的增、删、改、查功能，并提供测试界面，可对测试者进行6项测试，分别为：双足睁眼、双足闭眼、线性步睁眼、线性步闭眼、单足睁眼以及单足闭眼。测试记录管理子模块实现了对测试记录的增、删、改、查功能；定量评价算法是综合评价程序的主体，它将数据采集电路上传的电压信号数字量转换为两维直角坐标系的坐标值，进而计算得到测试者重心的摆动轨迹长度L、摆动面积A、动摇优势程度W和摆动角度Q等4项指标，令Eval为4项指标的乘积，得公式(1)：

Eval＝L×A×W×Q                            (1)

然后对各类型人群进行实际测量，根据公式(2)计算测试者平衡能力得分：

$\mathrm{Mark}=\frac{{\mathrm{Mark}}_{\max }-{\mathrm{Mark}}_{\min }}{{\mathrm{Eval}}_{\min }-{\mathrm{Eval}}_{\max }}\×(\mathrm{Eval}-{\mathrm{Eval}}_{\max })+{\mathrm{Mark}}_{\min }---\left(2\right)$

公式(2)中，Eval_max为各测量者中的指标乘积最大值，Mark_min为该测试者的平衡能力得分，由测试人员指定；Eval_min为各测量者中的指标乘积最小值，Mark_max为该测试者的平衡能力得分，由测试人员指定。对于任意测试者，通过实测计算出的其Eval值，代入公式(2)即可求得其平衡能力得分。

(2)系统管理模块由系统设置、系统连接和系统校准三个子模块组成。系统设置子模块负责对综合评价程序的各部分进行设置；系统连接子模块提供了硬件接口的驱动程序，负责将PC机与数据采集电路进行连接，可选的连接方式有串口连接与USB连接方式；系统校准子模块负责对传感器进行校准。

(3)数据管理模块基于MySQL数据库，由数据备份、数据还原和数据显示三个子模块组成。数据备份子模块负责将程序中的全部数据备份到数据库；数据还原子模块负责将数据库中的数据还原到程序中；数据显示子模块的功能是绘制测试者静态姿势图，并将定量评价算法求得的测试者平衡能力得分显示出来，同时提供打印服务。

人体平衡机能测试仪的连接及运行方式如下：

测力平台的每个传感器有4条引出线，包括电源线和地线各1条、差分信号线2条，三个传感器合计12条线。将这12条线连接至数据采集电路的输入端，并用USB传输线或者串口传输线将数据采集电路连接至PC机的相应通信接口。系统运行时，接通数据采集电路电源，并在PC机端启动综合评价程序，按照硬件的实际通讯方式选择串口连接或USB连接，为测试者建立用户信息，然后即可开始测试。

系统工作的具体过程为：测力平台三个顶点的传感器分别检测到压力情况，将其转换为微小电压信号后传送给数据采集电路，信号经过放大、模数转换和数字滤波后，传送至PC机的综合评价程序，并保存在数据库中，然后根据定量评价算法对该测试者的平衡能力给出定量评价。在测量过程中，综合评价程序还将绘制测试者的静态姿势图。

本发明的有益效果在于可以测量测试者重心动摇的实时数据，根据该数据绘制静态姿势图，并给出测试者平衡能力的定量评价。测试者个人信息和测试数据可保存在PC机数据库中，以供随时查询。该系统使用方便，维护简单，成本低廉，具有较好的经济性。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

其中：1测力平台；2电阻应变片传感器；3三组传感器输出信号线；4数据采集电路；5放大电路；6MSP430单片机；7USB或串口通信线缆；8运行综合评价程序的PC机。

图2是本发明数据采集电路的单路三级放大电路原理图。

图3是本发明PC机综合评价程序软件结构图。

具体实施方式

以下结合发明内容和说明书附图详细说明本发明的具体实施方式。

(1)传感器测力平台

人体平衡机能测试仪的传感器测力平台为一块等边三角形铁板，厚度10mm，边长600mm，在铁板下方的三个顶点处各安放有一个桥形的2g1电阻应变片传感器。传感器的两个端点用螺丝与上方铁板固定，传感器的中部通过螺丝向下接地。每个传感器引出4条线，分别为一条电源线、一条地线，以及两条差分信号线，这四条线连接到数据采集电路。当测试者直立于测力平台之上时，铁板受到向下的压力，导致传感器发生形变，即会产生微小的电压信号，测试者重心移动时，三个传感器的输出也相应变化，根据三个值的差异即可计算出测试者重心的当前位置。

(2)数据采集电路

人体平衡机能测试仪的数据采集电路以MSP430单片机为核心，实现信号放大、数据处理和数据传输三个功能。信号放大部分负责采集和放大传感器输出信号，由完全相同的三路三级放大电路组成，每路放大电路对应一路传感器输出信号，单路放大电路原理图如图2所示。放大电路第一级采用高精度单电源仪表放大器AD623，设计放大倍数为22.3倍；中间级采用OP07射极跟随器作为缓冲级，放大倍数为1倍；末级仍采用OP07作为多级放大输出级，放大倍数为9.4倍。多级放大电路的输出直接送MSP430单片机的多功能IO口：P6.4、P6.5、P6.6，这三个接口具有12位模数转换功能。

MSP430单片机的多功能I/O口完成对信号的模数转换之后，要进行数字滤波操作，具体为对每10个数据，去掉两个最大值，再去掉两个最小值，对剩余的6个数据求取平均值，作为最终得到的代表压力信号的数字量。此后，通过串口或USB接口将该数字量传送给PC机的综合评价程序进行进一步处理。

(3)综合评价程序

人体平衡机能测试仪的综合评价程序负责接收数据采集电路上传的数据，根据定量评价算法对数据进行分析、计算、显示和存储，该程序软件架构如图3所示，包括测试管理模块、系统管理模块和数据管理模块三个部分。

测试管理模块由测试者管理、测试记录管理和定量评价算法三个子模块组成。测试者管理子模块能够添加新测试者，删除不再需要的测试者，修改测试者各项信息，根据姓名、测试时间等关键字查询测试者全部信息。测试者管理子模块的另一个功能是提供了程序测试的操作界面，可对测试者进行6项测试，分别测试被测者双足睁眼、双足闭眼、线性步睁眼、线性步闭眼、单足睁眼以及单足闭眼时的重心位置数据。测试记录管理子模块能够添加新测试记录，删除不再需要的测试记录，根据测试者姓名、测试时间等关键字查询测试记录。定量评价算法负责将数据采集电路上传的数据转换为代表测试者平衡能力的评价值，是综合评价程序的核心功能。

系统管理模块由系统设置、系统连接和系统校准三个子模块组成。系统设置子模块负责对综合评价程序的各部分功能进行设置，主要设置被测者双足睁眼、双足闭眼、线性步睁眼、线性步闭眼、单足睁眼以及单足闭眼等6项测试持续的时间；系统连接子模块负责选择PC机与数据采集电路的硬件连接方式，可选项为串口连接和USB连接，该模块也提供了相应驱动程序；系统校准子模块负责对传感器进行校准，校准时，需要准备10kg的标准砝码和80kg的标准砝码，对每一个传感器分别校准。

数据管理模块由数据备份、数据还原和数据显示三个子模块组成。数据备份子模块可根据用户的选择，将测试者信息和测试数据的一部分或全部备份到数据库或excel表格中；数据还原子模块可根据用户的需要，将指定信息从数据库或excel中还原到程序中；数据显示子模块能够根据定量评价算法计算得到的位置信息实时绘制测试者的静态姿势图，并显示测试者的平衡能力得分，以及输出打印报告。

(4)定量评价算法

定量评价算法由3个部分组成：坐标变换部分、平衡指标计算部分以及评价结果计算部分。坐标变换部分接收数据采集电路上传的三路电压信号，将三路电压信号转换为两维直角坐标系上的点，即测试者的位置信息坐标值，完成从三角形铁板上重心位置到直角坐标系的映射。平衡指标计算部分根据测试者在直角坐标系中的坐标移动情况，分别计算测试者重心的摆动轨迹长度、摆动面积、摆动角度和动摇优势程度等4项指标。评价结果计算部分根据前述4项指标计算测试者平衡能力最终得分。这些指标与测试者的平衡能力直接相关，指标值越大，平衡能力越差，反之则越好。根据公式(1)，令Eval为四项指标的乘积，对各类型人群进行实际测量，计算出每位测试者的Eval值，设其中最大值为Eval_max，另其对应的平衡能力得分为Mark_min；设其中最小值为Eval_min，另其对应的平衡能力得分为Mark_max。以Eval为横轴，以测试者得分为纵轴，由(Eval_max，Mark_min)和(Eval_min，Mark_max)两点可以确定一条直线，该直线方程即为公式(2)。对于任意测试者，通过实测计算出其Eval值，进而可根据公式(2)求得其平衡能力得分。

Claims (1)

1.一种人体平衡机能测试仪，由三个部分组成，分别为：传感器测力平台、数据采集电路、综合评价程序，其特征在于：

传感器测力平台采用一块边长为600mm的等边三角形铁板，厚度10mm，三个顶点处各安装一个2g1型电阻应变片传感器。数据采集电路设计有三路完全相同的放大电路，每一路放大电路均为三级放大，输入级采用了AD623仪表放大器，放大倍数为22.3倍；中间级采用OP07构成射随器；末级采用OP07构成输出级，放大倍数为9.4倍。数据采集模块的控制器采用MSP430单片机，单片机的P6.4、P6.5、P6.6三个多功能IO口选择模数转换功能，分别对每一路放大电路的输出进行模数转换，转换得到的数字量可通过串口或USB接口发送到PC机综合评价程序。

PC机综合评价程序采用MySQL数据库，具有数据传输、分析、评价、存储、显示和打印报表输出等几个功能。该综合评价程序分为测试管理、系统管理和数据管理三个模块。测试管理模块分为测试者管理、测试记录管理、定量评价算法等三个子模块；系统管理模块分为系统设置、系统连接和系统校准三个子模块；数据管理模块分为数据备份、数据还原和数据显示三个子模块。

该综合评价程序的核心部分为定量评价算法，它将数据采集电路上传的电压信号数字量转换为两维直角坐标系的坐标值，进而计算得到测试者重心的摆动轨迹长度L、摆动面积A、动摇优势程度W和摆动角度Q等四项指标，令Eval为该四项指标的乘积，得公式(1)：

Eval＝L×A×W×Q                           (1)

然后对各类型人群进行实际测量，根据公式(2)计算测试者平衡能力得分：

$\mathrm{Mark}=\frac{{\mathrm{Mark}}_{\max }-{\mathrm{Mark}}_{\min }}{\mathrm{Eva}{l}_{\min }-{\mathrm{Eval}}_{\max }}\×(\mathrm{Eval}-{\mathrm{Eval}}_{\max })+{\mathrm{Mark}}_{\min }---\left(2\right)$

公式(2)中，Evalmax为各测量者中的指标乘积最大值，Markmin为该测试者的平衡能力得分，由测试人员指定；Evalmin为各测量者中的指标乘积最小值，Markmax为该测试者的平衡能力得分，由测试人员指定。对于任意测试者，通过实测计算出的其Eval值，代入公式(2)即可求得其平衡能力得分。

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