一种步态分析方法、系统以及改善行走障碍的装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种步态分析方法、系统以及改善行走障碍的装置，方法包括：获取惯性传感器采集的三轴加速度数据和三轴角速度数据并获取压力传感器采集的压力数据；对三轴加速度数据和三轴角速度数据进行四元数运算，得到与地面坐标系对应的三轴加速度和三轴欧拉角；根据三轴加速度数据和压力数据识别脚部的摆动状态和静止状态；根据三轴加速度、三轴欧拉角以及脚部的摆动状态和静止状态进行分析，得到与直线行走过程、转弯过程、脚与地面夹角和脚部震颤相关的步态参数；将步态参数上传至服务器。本发明专利技术可以提供患者脚部客观全面的运动数据，为制定康复治疗计划和评定康复疗效提供客观依据，运动数据的采集不受场地限制可以减轻医生与患者的负担。医生与患者的负担。医生与患者的负担。

【技术实现步骤摘要】
一种步态分析方法、系统以及改善行走障碍的装置


[0001]本专利技术涉及步态分析
，具体涉及一种步态分析方法、系统以及改善行走障碍的装置。

技术介绍

[0002]在如今的医疗体系中，医生往往需要通过观看患者的步态，来判断帕金森患者症状的严重程度。其采用的具体方法为实时监测观察患者的步行状态，比如步长、步速、转弯时的速度等，通过这些判断患者的症状轻重，从而对患者制定不同的治疗计划，或者评价患者的康复程度。为制定康复治疗计划和评定康复疗效提供客观依据。现有的这种方式需要医生用肉眼进行观察，每个医生得到的结论会有些许差别，缺少客观性；医生需要随时对患者的步行状况进行和观察，需要花费大量的时间，且会增加医生的工作负担；对患者来说，步态分析的过程需要在医院中进行，就医的路途中需要花费大量的时间精力，增加了患者的负担。
[0003]因此，如何为医生提供患者脚部客观全面的运动数据，并减轻医生与患者的负担，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术实施例提供一种步态分析方法、系统以及改善行走障碍的装置，解决现有的技术问题。
[0005]为解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种步态分析方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]获取惯性传感器采集的三轴加速度数据和三轴角速度数据；
[0008]对三轴加速度数据和三轴角速度数据进行四元数运算，得到与地面坐标系对应的三轴加速度和三轴欧拉角；
[0009]识别脚部的摆动状态和静止状态；
[0010]根据三轴加速度、三轴欧拉角以及脚部的摆动状态和静止状态进行分析，得到与直线行走过程、转弯过程、脚与地面夹角和脚部震颤相关的步态参数；
[0011]将步态参数的类型以及与步态参数相对应的数值上传至服务器。
[0012]一实施例中，所述识别脚部的摆动状态和静止状态包括：
[0013]设定临界动作阈值并通过状态变量stationary表示，当状态变量stationary为1时，表明脚部处于静止状态，当状态变量stationary为0，表明脚部处于摆动状态；
[0014]对三轴加速度进行预处理得到加速度信号，令加速度信号超过临界动作阈值视为摆动状态，加速度信号低于临界动作阈值视为静止状态，得到第一状态变量stationary1；
[0015]获取压力传感器采集的压力数据，令压力数据超过临界动作阈值视为摆动状态，压力数据低于临界动作阈值视为静止状态，得到第二状态变量stationary2；
[0016]对第一状态变量stationary1和第二状态变量stationary2进行或运算，根据运算
idx
start
对应的欧拉角euler(idx
start
)差值的和并取均值，得到步态参数中的转弯角度 angle_turn；
[0034]计算转弯步数turn_n中每一步转弯过程数据点的个数N
i
与采样频率fs的比值，得到每步转弯时间；计算转弯角度angle_turn与每步转弯时间的比值并取均值，得到步态参数中的转弯速度angle_turn_vel。
[0035]一实施例中，所述根据差分欧拉角euler
diff
中所有的极大值点idx_peaks
pos
和所有的极小值点idx_peaks
neg
进行分析，得到每一步的起始点idx
start
和结束点idx
end
包括：
[0036]删除极大值点idx_peaks
pos
中峰值小于第一峰值阈值的极值点和极小值点 idx_peaks
neg
中峰值大于第二峰值阈值的极值点；
[0037]将极大值点idx_peaks
pos
或极小值点idx_peaks
neg
之间周期间隔小于设定周期阈值的分为一组，将每组中极大值点idx_peaks
pos
或极小值点idx_peaks
neg
峰值绝对值最大的进行保留；
[0038]选取任意一个极大值点idx_peaks
pos
和任意一个极小值点idx_peaks
neg
之间的数据片段作为步态判断片段；
[0039]若步态判断片段中连续出现差分欧拉角euler
diff
的值小于第四阈值且数量小于N个的数据点，则选取的极大值点idx_peaks
pos
和极小值点idx_peaks
neg
是在同一步中产生；
[0040]判断同一步中极大值点idx_peaks
pos
和极小值点idx_peaks
neg
的先后顺序；
[0041]根据排序在先的极大值点idx_peaks
pos
或极小值点idx_peaks
neg
向左寻找差分欧拉角euler
diff
的值连续小于第四阈值且数量超过M个的数据点，并选取首先发现的数据点作为这一步的起始点idx
start
；
[0042]根据排序在后的极大值点idx_peaks
pos
或极小值点idx_peaks
neg
向右寻找差分欧拉角euler
diff
的值连续小于第四阈值且数量超过M个的数据点，并选取首先发现的数据点作为这一步的结束点idx
end
。
[0043]一实施例中，所述脚与地面夹角相关的步态参数获得方法包括：
[0044]选取三轴角速度数据进行四元数运算后得到的Z轴方向的欧拉角euler
z
；
[0045]提取状态变量stationary为0时对应的Z轴方向的欧拉角euler
z
的数据，得到若干数据片段euler
i
(i＝1，2，3，...，step_n)；
[0046]提取每个数据片段euler
i
中的最大值并计算其平均值，得到步态参数中的脚跟着地角度angle_heel_strike；
[0047]提取每个数据片段euler
i
中的最小值并计算其平均值，得到步态参数中的脚趾离地角度angle_toe_off；
[0048]计算每一步的脚跟着地点的索引idx
angle_heel_strike
与脚趾离地点的索引 idx
angle_toe_off
的差值，得到脚部摆动过程的数据长度，然后计算脚部摆动过程的数据长度占每一步整体的数据长度N
i
的大小，得到步态参数中的摆动相swing_phase；
[0049]计算除去脚部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种步态分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取惯性传感器采集的三轴加速度数据和三轴角速度数据；对三轴加速度数据和三轴角速度数据进行四元数运算，得到与地面坐标系对应的三轴加速度和三轴欧拉角；识别脚部的摆动状态和静止状态；根据三轴加速度、三轴欧拉角以及脚部的摆动状态和静止状态进行分析，得到与直线行走过程、转弯过程、脚与地面夹角和脚部震颤相关的步态参数；将步态参数的类型以及与步态参数相对应的数值上传至服务器。2.如权利要求1所述的一种步态分析方法，其特征在于，所述识别脚部的摆动状态和静止状态包括：设定临界动作阈值并通过状态变量stationary表示，当状态变量stationary为1时，表明脚部处于静止状态，当状态变量stationary为0，表明脚部处于摆动状态；对三轴加速度进行预处理得到加速度信号，令加速度信号超过临界动作阈值视为摆动状态，加速度信号低于临界动作阈值视为静止状态，得到第一状态变量stationary1；获取压力传感器采集的压力数据，令压力数据超过临界动作阈值视为摆动状态，压力数据低于临界动作阈值视为静止状态，得到第二状态变量stationary2；对第一状态变量stationary1和第二状态变量stationary2进行或运算，根据运算结果识别脚部的摆动状态和静止状态。3.如权利要求2所述的一种步态分析方法，其特征在于，所述对三轴加速度进行预处理，得到加速度信号包括：计算三轴加速度的矢量和，得到原始加速度信号；对原始加速度信号进行高通滤波处理，截止频率设为0.01Hz，得到一次滤波加速度信号；对一次滤波加速度信号进行绝对值运算后进行低通滤波处理，截止频率设为5Hz，得到最终的加速度信号。4.如权利要求2所述的一种步态分析方法，其特征在于，所述直线行走过程相关的步态参数获得方法包括：对状态变量stationary进行一阶差分运算，得到差分向量stationary
diff
；将数值为
‑
1的差分向量stationary
diff
识别为每一步起始的时刻，将数值为1的差分向量stationary
diff
识别为每一步结束的时刻，分别统计数值为
‑
1和1的差分向量stationary
diff
的数量；选取统计结果中的最小值，得到步态参数中的步数step_n；选取差分向量stationary
diff
所有数值为
‑
1的起始点idx
start
以及差分向量stationary
diff
所有数值为1的结束点idx
end
；计算从起始点idx
start
至结束点idx
end
对应的速度vel；根据起始点idx
start
之前每一时刻的速度vel计算得到每一步的起始位置pos
i,start
，根据结束点idx
end
之前每一时刻的速度vel计算得到每一步的结束位置pos
i,end
；计算结束位置pos
i,end
与起始位置pos
i,start
的差值，得到步态参数中的步长step_length；计算每一步摆动过程的起始点idx
i,start
到下一步的起始点idx
i+1,start
的数据长度，得到每一步的数据长度N
i
；计算每一步的数据长度N
i
与采样率fs的比值并取平均值，得到摆动周期step_T；计算摆动周期step_T的倒数，得到步态参数中的步频step_freq；
计算单位时间内在采样频率fs下总的步长step_length与总的数据长度N的比值，得到步态参数中的步速step_vel；计算所有步长step_length的标准差与步长step_length的比值，得到步态参数中的步态变异系数step_SD。5.如权利要求1所述的一种步态分析方法，其特征在于，所述转弯过程相关的步态参数获得方法包括：选取三轴角速度数据进行四元数运算后得到的X轴方向的欧拉角euler
x
；对欧拉角euler
x
进行一阶差分运算，得到差分欧拉角euler
diff
；提取差分欧拉角euler
diff
中所有的极大值点idx_peaks
pos
和极小值点idx_peaks
neg
；根据差分欧拉角peaks
diff
中所有的极大值点idx_peaks
pos
和所有的极小值点idx_peaks
neg
进行分析，得到每一步的起始点idx
start
和结束点idx
end
；计算结束点idx
end
对应的欧拉角euler(idx
end
)与起始点idx
start
对应的欧拉角euler(idx
start
)的差值，得到角度差值Δ；按照若角度差值Δ的绝对值低于第一阈值，则将极大值点idx_peaks
pos
和极小值点idx_peaks
neg
剔除；若角度差值Δ超过第二阈值，则将极小值点idx_peaks
neg
剔除；若角度差值Δ低于第三阈值，则将极大值点idx_peaks
pos
剔除的规则遍历所有得到的每一步的起始点idx
start
和结束点idx
end
，统计剩余的极大值点idx_peaks
pos
和极小值点idx_peaks
neg
的总数，得到步态参数中的转弯步数turn_n；计算转弯步数turn_n中每一步结束点idx
end
对应的欧拉角eul...

【专利技术属性】
技术研发人员：王开亮，陈彪，冯军，胡威，孟源，
申请(专利权)人：北京戴来科技有限公司，
类型：发明
国别省市：