一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统和方法，涉及传感测试领域，包括上位机软件测试分析模块，光纤传感测试模块，电压力传感测试模块、光信号处理模块和数字信号处理模块；光纤传感测试模块用于记录被测试者运动时光信号波长漂移的信息数据，将该信息通过光信号处理模块、数字信号处理模块传输至上位机软件测试分析模块；电压力传感测试模块用于记录被测试者运动时产生的压力数据信息，将该信息通过数字信号处理模块传输至上位机软件测试分析模块；上位机软件测试分析模块用于接收、存储并分析光信号波长漂移数据和压力数据信息。本发明专利技术能够得到精确度较高的测试结果，且测试数据不受外部环境影响，准确度较高。

Gait testing system and method based on fiber grating and pressure sensor

The invention discloses a fiber grating pressure sensor and gait testing system and method based on sensor, relates to the field test, including PC software testing analysis module, optical fiber sensor module, electric pressure sensor module, optical signal processing module and digital signal processing module; optical fiber sensor module is used to record the test data the movement time signal wavelength shift of the optical signal processing module through the information transmission to the PC software testing analysis module and digital signal processing module; electric pressure sensing module is used to test the pressure data information records were tested by the movement of the information transmitted to the host computer through the module of software testing and analysis module of digital signal processing; the PC software testing analysis module is used for receiving, storage and analysis of optical signal and wavelength drift data Pressure data information. The invention can obtain the test result with higher precision, and the test data is not affected by the external environment, and the accuracy is higher.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统和方法
本专利技术涉及传感测试领域，具体涉及一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统和方法。
技术介绍
步行(walking)是指通过双脚的交互动作移行机体的人类特征活动，是人类运动的基本方式。步态(gait)是人类步行时的姿态，人体通过髋关节，膝关节，踝关节和脚趾的一系列连续活动，使得人的身体沿着具体方向移行的过程。正常人的步态具有周期性，方向性，协调性和稳定性等特点，而行为习惯，职业，教育，年龄及性别的差异也会影响步态的行为特征。步态的控制机理十分复杂，主要由体内中枢命令，身体平衡协调控制，及下肢各关节、肌肉的协同运动，并且也会受到人体上肢的姿势影响。步态分析旨在研究步行的运动规律，通过检测并分析人体下肢的运动学和生物力学，能够作为康复评估的指标，用于临床诊断患者的康复情况，有效判断运动障碍疾病患者的治疗和康复。在行走过程中，从人体足部脚跟着地开始，到该脚跟再次着地，构成一个完整的步态周期。对下肢而言，一个完整的步态周期活动包括支撑态和摆动态，支撑态又可细分为脚跟着地、支撑中期、脚跟离地等动作阶段；摆动态又可细分为预摆动、摆动中期和摆动尾期。支撑态的持续时间大约占整个步态周期的60％，并且支撑态的大部分时间都是单足支撑。步行与跑步的关键差别在于步行有双足支撑态双足支撑态，一般是一侧足处于脚跟着地或支撑中期，对侧足处于脚跟离地状态。脚跟着地态是指脚跟着地切脚掌离地的状态，占整个步态周期的10％～12％，整个过程中，重心由脚跟向全足移动。支撑中期是指脚掌和脚跟同时着地，此时对侧足处于摆动态，正常步速时占整个步态周期的38％～40％，身体重心逐渐偏向对侧足。脚跟离地是指脚掌着地切脚跟离地的状态，占整个步态周期的10％～12％，重心移到对侧足。摆动态的持续时间占整个步态周期的40％，指整个足部离开地面向前迈步到再次落地。预摆动指足部离开地面早期时段的活动，动作包括刚离开地面和屈髋带动屈膝，加速肢体向前摆动，占整个步态周期的13％～15％.，摆动中期是指足部在空中由身后逐渐向身前移动的过程，占整个步态周期的10％，摆动尾期是指足部在落地之前的活动，主要动作是下肢向前做减速运动，准备足部着地，占整个步态周期的15％。因为步态具有其自身的独特性，步态测试近十几年来被广泛关注和研究，步态的测试系统和方法、特征提取、步态识别是关注的焦点。基于视觉的计算机图像处理、和基于非视觉的压力传感器处理是常用的步态测试方法。利用计算机图像处理是最早对步态进行测试的方法之一，但由于相关图像处理技术的制约，导致利用计算机图像进行步态测试过程中，存在以下问题：a、难以判断步态特征是否为本人步态，当处理数据较多时，不能将患者信息一一对准，造成处理结果难度较大；b、图像提取的质量受外部环境影响较大，难以得到准确的步态信息，导致结果的准确性较低。利用压力传感器处理时，由于压力传感器只能用于脚底等能够直接产生接触压力的部位，难以用于测试关节、肌肉等部位，因此，采集数据的对象较少，导致测试准确度较低，制约了压力传感器的使用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统和方法，能够得到精确度较高的测试结果，且测试数据不受外部环境影响，准确度较高。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，包括上位机软件测试分析模块，光纤传感测试模块，电压力传感测试模块、光信号处理模块和数字信号处理模块；所述光纤传感测试模块固定于被测试者相应之处，并用于记录被测试者运动时，导致光纤传感器内部光信号波长发生漂移的信息数据，并将该光信号波长漂移数据信息通过光信号处理模块、数字信号处理模块后传输至上位机软件测试分析模块；所述电压力传感测试模块固定于被测试者相应之处，并用于记录被测试者运动时，电压力传感器受到挤压时产生的压力数据信息，并将压力数据信息通过数字信号处理模块后传输至上位机软件测试分析模块；所述上位机软件测试分析模块用于接收、存储并分析光信号波长漂移数据和压力数据信息。上述技术方案的基础上，所述光纤传感测试模块的固定之处为被测试者的关节、心脏、手腕、脚踝、脚底等存在压力变化之处，或者大腿、小腿、上臂等肌肉伸缩处，其中心脏、手腕处为脉搏脉动产生的细微压力变化，或者大腿、小腿、上臂的肌肉伸缩均会导致光纤传感器内部光信号波长发生漂移。上述技术方案的基础上，所述电压力传感测试模块固定之处为被测试者的脚底等能够直接产生纵向压力之处。上述技术方案的基础上，所述光纤传感测试模块包括若干光纤光栅传感单元，每个光纤光栅传感单元均包括至少两路光纤光栅传感器；电压力传感测试模块包括若干电压力传感单元，每个电压力传感单元均包括至少两路电压路传感器。上述技术方案的基础上，所述光纤传感测试模块包括四个光纤光栅传感单元；所述电压力传感测试模块包括两个电压力传感单元，且每个电压力传感单元均包括两个电压力传感器和信号输出电路。上述技术方案的基础上，所述光信号处理模块包括光信号调解单元和探测器单元，所有光纤光栅传感单元均与光信号处理模块相连接；所述光纤光栅传感器将所检测的光信号传输至光信号解调单元，光信号解调单元用于将所述光纤光栅传感器的光信号波长进行编码后传输至探测器单元，所述探测器单元用于将所述所述光信号对应的波长解调成电压信号并输出至数字信号处理模块。上述技术方案的基础上，所述数字信号处理模块包括AD采集单元、数字信号计算单元和信号输出单元，AD采集单元用于将压力传感器或探测器单元的模拟电压信号转变成数字信号并传输至数字信号处理单元，数字信号处理单元将数字信号进行算法处理后经由信号输出单元传输至上位机软件测试分析模块。一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试方法，该方法包括以下步骤：S1、将光纤传感测试模块，电压力传感测试模块固定在受试者的相应之处，包括足部，腿部、手肘、心脏、脚踝、关节、足底等；S2、使带有光纤传感测试模块，所述电压力传感测试模块的受试者在测试平台上以3～6km/h的速度匀速运动至少5分钟实时采集受试者测试位置的光纤光栅传感器和压力传感器所探测的信号；S3、将光纤光栅传感器和压力传感器所探测的信号实时传输至上位机模块，上位机模块对上述数据进行存储和分析。上述技术方案的基础上，所述电压力传感测试模块的受试者在测试平台上的运动速度为5km/h。上述技术方案的基础上，所述步骤S1之前还包括以下步骤：a、利用砝码检测出电压力传感单元所受压力值和电压力传感单元检测电路输出模拟电压值对应关系：将至少三个不同重量的标准砝码分别放置在压力传感器上，读出并记录压力传感器电压值；b、每组砝码测试对应一个压力y1和输出模拟电压值x1，通过多次测试，计算出y1＝a1×x1+b1中系数a1、b1值，建立压力-重量方程；c、利用应力检测装置测试出光纤传感检测平台内部光信号波长漂移和压力的对应关系：将至少三个标准砝码分别放置在光纤光栅应力传感器上，读取并记录每组砝码对应的光纤光栅应力传感器波长漂移值；d、根据不同砝码相对应的波长漂移值，按公式y2＝a2×x2+b2，计算出中系数a2、b2值，建立波长漂移-重量方程。在与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，其特征在于：包括上位机软件测试分析模块，光纤传感测试模块，电压力传感测试模块、光信号处理模块和数字信号处理模块；所述光纤传感测试模块固定于被测试者相应之处，并用于记录被测试者运动时，导致光纤传感器内部光信号波长发生漂移的信息数据，并将该光信号波长漂移数据信息通过光信号处理模块、数字信号处理模块后传输至上位机软件测试分析模块；所述电压力传感测试模块固定于被测试者相应之处，并用于记录被测试者运动时，电压力传感器受到挤压时产生的压力数据信息，并将压力数据信息通过数字信号处理模块后传输至上位机软件测试分析模块；所述上位机软件测试分析模块用于接收、存储并分析光信号波长漂移数据和压力数据信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，其特征在于：包括上位机软件测试分析模块，光纤传感测试模块，电压力传感测试模块、光信号处理模块和数字信号处理模块；所述光纤传感测试模块固定于被测试者相应之处，并用于记录被测试者运动时，导致光纤传感器内部光信号波长发生漂移的信息数据，并将该光信号波长漂移数据信息通过光信号处理模块、数字信号处理模块后传输至上位机软件测试分析模块；所述电压力传感测试模块固定于被测试者相应之处，并用于记录被测试者运动时，电压力传感器受到挤压时产生的压力数据信息，并将压力数据信息通过数字信号处理模块后传输至上位机软件测试分析模块；所述上位机软件测试分析模块用于接收、存储并分析光信号波长漂移数据和压力数据信息。2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，其特征在于：所述光纤传感测试模块的固定之处为被测试者的关节、心脏、手腕、脚踝、脚底等存在压力变化之处，或者大腿、小腿、上臂等肌肉伸缩处，其中心脏、手腕处为脉搏脉动产生的细微压力变化，或者大腿、小腿、上臂的肌肉伸缩均会导致光纤传感器内部光信号波长发生漂移。3.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，其特征在于：所述电压力传感测试模块固定之处为被测试者的脚底等能够直接产生纵向压力之处。4.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，其特征在于：所述光纤传感测试模块包括若干光纤光栅传感单元，每个光纤光栅传感单元均包括至少两路光纤光栅传感器；电压力传感测试模块包括若干电压力传感单元，每个电压力传感单元均包括至少两路电压路传感器。5.如权利要求4所述的一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，其特征在于：所述光纤传感测试模块包括四个光纤光栅传感单元；所述电压力传感测试模块包括两个电压力传感单元，且每个电压力传感单元均包括两个电压力传感器和信号输出电路。6.如权利要求1至4中任一项所述的一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，其特征在于：所述光信号处理模块包括光信号调解单元和探测器单元，所有光纤光栅传感单元均与光信号处理模块相连接；所述光纤光栅传感器将所检测的光信号传输至光信号解...

【专利技术属性】
技术研发人员：余烈，丁磊，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42