一种步态分析系统及分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种步态分析系统及分析方法，其中，所述步态分析系统，包括智能终端和两信号采集系统，所述信号采集系统包括载体、压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、MCU以及电池；所述MCU与智能终端通过蓝牙通讯无线连接；所述分析方法的分析过程如下：1）对采集到的压力信号进行两次滤波；2）进行起始触地信号检测，获得起始压力阈值Th，然后进行中间阈值检测，最后判断站立结束阈值；3）建立笛卡尔直角坐标系；4）求解当前压力中心点点位（x，y）；5）计算前掌、后跟内外翻系数；6）对称性SI判断；7）变异度CVt判断；8）内、外八字判断；9）足弓指数AI判断。本发明专利技术能够更全面、准确地分析出步态信息。

【技术实现步骤摘要】
一种步态分析系统及分析方法
本专利技术涉及步态分析
，尤其涉及一种步态分析系统及分析方法。
技术介绍
步态是人体结构与功能、运动调节系统、行为及心理活动在行走时的外在表现，但是，其中某个系统或某些方面的功能障碍，都可引起步态异常。据调查显示，50％-60％的轻运动人群由于运动过程中步态不正确而患有不同程度的膝盖伤(统称跑步伤)；发育期行走姿态异常直接影响儿童成长阶段骨骼腿部甚至脊柱发育；步态异常具有对某些疾病有提示意义，如糖尿病足、下肢关节炎、下肢肌无力。通过步态分析可以实现对某些疾病的预防以及辅助性治疗。步态分析是固体力学在生物系统(即生物力学)的典型范例。步态判断与分析，是一门高尖端的专业医疗学科，目前尚处于科研级，监测设备门槛高，专业度也极高，人们享用设备的成本也相当高，例如德国的Proxomed、美国的Biodex等步态测试设备。目前尚没有消费级步态监测产品，能通过个体数据指导健康运动及临床辅助诊疗的产品。因此，提供一种方便，快捷，精准的步态分析方法，为医生、运动教练、用户自己提供客观的步态分析依据及康复治疗、矫正或运动改善后的效果评估，已经刻不容缓。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种步态分析系统及分析方法，能够更全面、准确地分析出步态信息。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种步态分析系统，其特征在于：包括具有蓝牙通讯功能的智能终端和两信号采集系统，所述信号采集系统包括载体、压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、MCU以及电池；所述载体的形状与鞋垫的形状一致；所述压力传感器采用薄膜电阻式压力片，并为若干个，其中，载体对应足跟、跖趾关节及大拇指处分布的压力传感器间距为4mmX4mm，载体对应足弓处分布的压力传感器间距为20mmX20mm，载体其余区域的压力传感器间距为10mmX10mm；所述加速度传感器、角速度传感器、MCU和电池设于一电路板上，该电路板位于载体对应足弓位置处，并设于压力传感器与载体之间；所述压力传感器、加速度传感器、角速度传感器均与MCU相连，所述电池为各个电子元件供电；所述MCU具有A/D转换功能、串口通信功能以及蓝牙通信功能，并与智能终端通过蓝牙通讯无线连接；所述智能终端接收到MCU发送的数据后，处理得到步态信息。进一步地，所述智能终端在处理过程中，分别对两信号采集系统传输的数据进行处理，其具体处理过程如下：1)对采集到的压力信号进行两次滤波：先经过一个10Hz的低通滤波器滤除高频噪声，然后通过一个1Hz的高通滤波器滤除基线漂移；2)进行起始触地信号检测，获得起始压力阈值Th，然后进行中间阈值检测，最后判断站立结束阈值，其中，中间阈值包括两个峰值和一个谷值；起始阈值和结束阈值之间的时间差值为站立相St，起始阈值与前一个起始阈值之间的时间差值记为一个步态周期Gt；3)建立笛卡尔直角坐标系，通过该笛卡尔直角坐标系，能够反映出载体与地面接触时各个压力传感器的位置；其中，X轴代表各压力传感器与原点的水平距离，Y轴代表各压力传感器与原点的垂直距离；4)根据步骤3)建立的笛卡尔直角坐标系，根据当前状态：(X1，Y1)，(X2，Y2)，……，(Xn，Yn)为某一时刻各压力传感器在笛卡尔坐标系中的坐标点，P1，P2，……，Pn为对应压力传感器的压力值，求解当前压力中心点点位(x，y)：其中，x＝(x1*p1+x2*p2+……+xn*pn)/(p1+p2+……+pn),y＝(y1*p1+y2*p2+……+yn*pn)/(p1+p2+……+pn)；5)计算前掌、后跟内外翻系数：根据采集到的压力数据，计算前脚掌内外侧的压力比：式中：Pf表示前掌内外翻系数，Fm为前掌内侧压力值，Fl为前掌外侧压力值；如果Pf小于50％则表示前掌外翻，Pf在50～70％之间表示正常，Pf大于70％则表示前掌内翻；后跟内外侧的压力比：式中：Ph表示后跟内外翻系数，Hm为后跟内侧压力值，Hl为后跟外侧压力值；Ph小于40％表示后跟外翻，Ph在40～60％为正常范围，Ph大于60％则表示后跟内翻；6)对称性SI判断：式中：XL表示左脚摆动相时长，XR表示右脚摆动相时长，SI变化区间为0～100，其中，SI<15％则视为正常值，如果SI>25％则视为异常；7)变异度CVt判断：式中：SDt表示一段时间内左脚或者右脚站立相的标准差，MNt表示一段时间内左脚或右脚站立相的平均值，其中，CVt在3～5％表示稳定性好，CVt超过12％则表示稳定性差；8)内、外八字判断：根据角速度传感器采集的行走过程中的前进角的度数进行判定，其中，前进角小于5°则判定为内八字，5～15°为正常值，大于15°则判定为外八字；9)足弓指数AI判断：式中，Sn为非足弓区域压力总和，Sa为足弓区域压力总和；其中，AI<21％，表示足弓过高，如果AI>28％则表示足弓过低，21～28％之间为正常范围。进一步地，所述信号采集系统还包括一Flash存储器，所述Flash存储器也设于电路板上，并与MCU相连。进一步地，所述MCU采用DA14580芯片，所述加速度传感器采用LIS3DH芯片。一种基于上述步态分析系统的分析方法，分别对两信号采集系统传输的数据进行处理，其具体处理过程如下：1)对采集到的压力信号进行两次滤波：先经过一个10Hz的低通滤波器滤除高频噪声，然后通过一个1Hz的高通滤波器滤除基线漂移；2)进行起始触地信号检测，获得起始压力阈值Th，然后进行中间阈值检测，最后判断站立结束阈值，其中，中间阈值包括两个峰值和一个谷值；起始阈值和结束阈值之间的时间差值为站立相St，起始阈值与前一个起始阈值之间的时间差值记为一个步态周期Gt；3)建立笛卡尔直角坐标系，通过该笛卡尔直角坐标系，能够反映出载体与地面接触时各个压力传感器的位置；其中，X轴代表各压力传感器与原点的水平距离，Y轴代表各压力传感器与原点的垂直距离；4)根据步骤3)建立的笛卡尔直角坐标系，根据当前状态：(X1，Y1)，(X2，Y2)，……，(Xn，Yn)为某一时刻各压力传感器在笛卡尔坐标系中的坐标点，P1，P2，……，Pn为对应压力传感器的压力值，求解当前压力中心点点位(x，y)：其中，x＝(x1*p1+x2*p2+……+xn*pn)/(p1+p2+……+pn),y＝(y1*p1+y2*p2+……+yn*pn)/(p1+p2+……+pn)；5)计算前掌、后跟内外翻系数：根据采集到的压力数据，计算前脚掌内外侧的压力比：式中：Pf表示前掌内外翻系数，Fm为前掌内侧压力值，Fl为前掌外侧压力值；如果Pf小于50％则表示前掌外翻，Pf在50～70％之间表示正常，Pf大于70％则表示前掌内翻；后跟内外侧的压力比：式中：Ph表示后跟内外翻系数，Hm为后跟内侧压力值，Hl为后跟外侧压力值；Ph小于40％表示后跟外翻，Ph在40～60％为正常范围，Ph大于60％则表示后跟内翻；6)对称性SI判断：式中：XL表示左脚摆动相时长，XR表示右脚摆动相时长，SI变化区间为0～100，其中，SI<15％则视为正常值，如果SI>25％则视为异常；7)变异度CVt判断：式中：SDt表示一段时间内左脚或者右脚站立相的标准差，MNt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步态分析系统，其特征在于：包括具有蓝牙通讯功能的智能终端和两信号采集系统，所述信号采集系统包括载体、压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、MCU以及电池；所述载体的形状与鞋垫的形状一致；所述压力传感器采用薄膜电阻式压力片，并为若干个，其中，载体对应足跟、跖趾关节及大拇指处分布的压力传感器间距为4mmX4mm，载体对应足弓处分布的压力传感器间距为20mmX20mm，载体其余区域的压力传感器间距为10mmX10mm；所述加速度传感器、角速度传感器、MCU和电池设于一电路板上，该电路板位于载体对应足弓位置处，并设于压力传感器与载体之间；所述压力传感器、加速度传感器、角速度传感器均与MCU相连，所述电池为各个电子元件供电；所述MCU具有A/D转换功能、串口通信功能以及蓝牙通信功能，并与智能终端通过蓝牙通讯无线连接；所述智能终端接收到MCU发送的数据后，处理得到步态信息。

【技术特征摘要】
1.一种步态分析系统，其特征在于：包括具有蓝牙通讯功能的智能终端和两信号采集系统，所述信号采集系统包括载体、压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、MCU以及电池；所述载体的形状与鞋垫的形状一致；所述压力传感器采用薄膜电阻式压力片，并为若干个，其中，载体对应足跟、跖趾关节及大拇指处分布的压力传感器间距为4mmX4mm，载体对应足弓处分布的压力传感器间距为20mmX20mm，载体其余区域的压力传感器间距为10mmX10mm；所述加速度传感器、角速度传感器、MCU和电池设于一电路板上，该电路板位于载体对应足弓位置处，并设于压力传感器与载体之间；所述压力传感器、加速度传感器、角速度传感器均与MCU相连，所述电池为各个电子元件供电；所述MCU具有A/D转换功能、串口通信功能以及蓝牙通信功能，并与智能终端通过蓝牙通讯无线连接；所述智能终端接收到MCU发送的数据后，处理得到步态信息。2.根据权利要求1所述的一种步态分析系统，其特征在于：所述智能终端在处理过程中，分别对两信号采集系统传输的数据进行处理，其具体处理过程如下：1)对采集到的压力信号进行两次滤波：先经过一个10Hz的低通滤波器滤除高频噪声，然后通过一个1Hz的高通滤波器滤除基线漂移；2)进行起始触地信号检测，获得起始压力阈值Th，然后进行中间阈值检测，最后判断站立结束阈值，其中，中间阈值包括两个峰值和一个谷值；起始阈值和结束阈值之间的时间差值为站立相St，起始阈值与前一个起始阈值之间的时间差值记为一个步态周期Gt；3)建立笛卡尔直角坐标系，通过该笛卡尔直角坐标系，能够反映出载体与地面接触时各个压力传感器的位置；其中，X轴代表各压力传感器与原点的水平距离，Y轴代表各压力传感器与原点的垂直距离；4)根据步骤3)建立的笛卡尔直角坐标系，根据当前状态：(X1，Y1)，(X2，Y2)，……，(Xn，Yn)为某一时刻各压力传感器在笛卡尔坐标系中的坐标点，P1，P2，……，Pn为对应压力传感器的压力值，求解当前压力中心点点位(x，y)：其中，x＝(x1*p1+x2*p2+……+xn*pn)/(p1+p2+……+pn),y＝(y1*p1+y2*p2+……+yn*pn)/(p1+p2+……+pn)；5)计算前掌、后跟内外翻系数：根据采集到的压力数据，计算前脚掌内外侧的压力比：式中：Pf表示前掌内外翻系数，Fm为前掌内侧压力值，Fl为前掌外侧压力值；如果Pf小于50％则表示前掌外翻，Pf在50～70％之间表示正常，Pf大于70％则表示前掌内翻；后跟内外侧的压力比：式中：Ph表示后跟内外翻系数，Hm为后跟内侧压力值，Hl为后跟外侧压力值；Ph小于40％表示后跟外翻，Ph在40～60％为正常范围，Ph大于60％则表示后跟内翻；6)对称性SI判断：式中：XL表示左脚摆动相时长，XR表示右脚摆动相时长，SI变化区间为0～100，其中，SI<15％则视为正常值，如果SI>25％则视为异常；7)变异度CVt判断：式中：SDt表示一段时间内左脚或者右脚站立相的标准差，MNt表示一段时间内左脚或右脚站立相的平均值，其中，CVt在3～5％表示稳定性好，CVt超过12％则表示稳定性差；8)内、外八字判断：根据角速度传感器采集的行走过程中的前进角的度数进行判定，其中，前进角小于5°则判定为内八字，5～15°为正常值，大于15°则判...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙汝倩，鲍明泽，
申请(专利权)人：重庆小爱科技有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50