记录人体步态信息的微型测量装置的制作方法

专利名称：记录人体步态信息的微型测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种记录人体步态信息的微型测量装置，特别涉及一种 记录人体步态频率、相位、与地接触力量等参数从而获取人体运动生理信息 的人体步态信息微型测量装置。
背景技术：
对人体或动物行走、奔跑状态进行长时监测和评估， 一直是多个领域共 同关注的课题。恰当地解读出其中的规律，具有重要的医学生理学意义。迄 今，对人体行走、奔跑等状态的监测和评估，主要局限于实验室或医院，通 常体现为一个短时的测试行为，所获得的信息仅代表被测者受检当时的状
态；在此过程中，受试者需要在周身设置多路传感器及导线(包括电学或光 路信号线)，测试过程十分麻烦。
关于测量人体步态的技术，归纳起来，基本不外乎如下几类(l)电学 装置人体直立于踏板上，踏板可呈静止或运动状态，其上设置有各类传感 器，这样，人体通过在踏板上模拟各种运动方式，造成对踏板的作用，于是 传感器采集到踏板上对应的状态参数响应，通过数据连线传输到计算机上， 显示于屏幕，由此可分析人体的运动特性；(2)光学装置此类方法通过摄 影装置将人体的运动状态直接拍摄下来，通过所编制的计算机图像解读软件 来加以分析，从中提炼出人体的步态信息；(3)声学装置通过声学传感器 测量人体的运动状态，之后通过数据分析提炼出人体的步态参数。
不难看出，上述这些方法，均有一个共同特点，即依赖于一套完备的测 试仪器及计算机分析系统，整套测试装置体积通常庞大，测量费用高，测试 过程复杂，操作困难，用于大规模人体测试受到很大限制。因此，这类系统 目前主要仅用于实验目的，难以推广到具有医学诊断目的的个体化、随意化 的步态测量和分析上。
剖析起来，造成上述现状的原因主要是缺乏微型化、低成本化及便携化 测试仪器。实际上，这一技术瓶颈在将测量和分析过程分开处理后可以得到 圓满克服。发明内容
本实用新型的目的是克服现有的人体步态生理参数监测装置过于庞大、 不易携带、无法对人体进行长时无干扰、无间断监测的缺陷，提供一种微型、 低成本、方便携带的人体步态信息测量装置。
为了实现上述目的，本实用新型提供了 一种记录人体步态信息的微型测
量装置，其特征在于，包括
基底，用于封装和支撑各部件； 传感器，用于采集人体步态信息；
数据采集器，与所述传感器电连接，用于釆集传感器所测量数据； 数据存储器，与所述数据采集器电连接，用于存储采集器采集到的数据； 控制器，与所述数据存储器电连接，用于控制采集、存储及与外接计算 才几通讯过程；
计算机接口，用于与外部计算机连接；和
电源，与所述数据采集器电连接，用于为整个测量装置提供工作能源； 其中，所述数据采集器、数据存储器、控制器和计算机接口都设置在所 述基底上。
上述技术方案中，所述传感器还与所述计算机接口电连接。 上述技术方案中，所述电源为微型电源，所述的微型电源为钮扣电池、 干电池、温差电池或压电电池。
上述技术方案中，所述的传感器为压电传感器。 上述技术方案中，所述的数据采集器为A/D转换电路。 进一步地，所述传感器的数量大于1个，所述数据采集器对每个传感器 都有独立的数据采集通道。
进一步地，所述数据釆集器为集成化的A/D转换电路。 上述技术方案中，所述的数据存储器为紫外线可擦除可编程只读存储 器、电可擦写存储器、快闪存储器、静态读写存储器或动态读写存储器。 上述技术方案中，所述的控制器为微型嵌入式PLC可编程逻辑控制器。 上述技术方案中，所述的计算机接口为有线接口或无线接口，所述的有 线接口包括USB、串口、并口、 PCI/SCSI/SATA/ATA/ISA/AGP、 IEEE802. 2、 I EEE 802,3、 IEEE 802.5、 Modem/RJ-11、 MemSlot、 PCMCIA和PS/2;所述的 无线接口包括IEEE802. lla/b/g/n、 IEEE802. 15/16、红外接口、 GSM/GPRS接口和CDMA/WCDMA/CDMA2000/TDS-CDMA接口 。
本实用新型的记录人体步态信息的微型测量装置可置于鞋底或鞋垫之 下，通过测量脚底与地面的动态冲击力，从而对人体运动过程中的步态实施 记录，也可以分别或同时在膝关节或髋关节等部位设置多个本实用新型的测 量装置，通过同时对人体各个部位信息的组合分析，可以得出并可以电影方 式重现出整个人体运动状态的完整信息。因此，本实用新型提供的记录人体 步态信息的#:型测量装置不受特定使用方式的限制。
我们知道，人体运动的频率、相位及幅度大小，代表着其自身的活动强 度、脚底与地面的撞击力、奔跑或步行状态等。因此，通过设置于人体不同 部位如脚底、膝关节或髋关节等部位的多个步态测量装置的传感器(而每一 部位传感器可还可根据需要设置在多个特定部位)的联合测试，采集并综合 分析这几类参数，可以得出对整个人体运动状态的完整信息。
近年来，随着计算机、微系统技术、大容量微存储技术与传感技术的飞 速发展，使得方便而灵活地对海量动态信息进行釆集并实现事后综合分析不 再成为一件难事。而与此同时，用于执行任务的器件价格得以大大降低，这 使得人们能以一种相对筒便的方式完整记录自身在正常生活状态或荷载状 态、病变状态、运动状态等情况下的步态信息，之后再借助于计算机对数据 予以复现成为可能。因此，本实用新型将人体步态信息的测量和分析过程分 开处理，通过设置于鞋垫之下或身体各部位的人体步态测量装置对人体运动 信息进行长期监测，即可弥补短时测量和评估的不足。由此可大大降低测量 的成本。
本实用新型可根据需要对人体行走及奔跑信号进行采集，之后再通过连 接计算机，利用预先编制好的计算机软件对数据予以回放及评估，从而得出
人体运动状态的更完整合理的结论。实际上，人体步态信号携带有脚底与地 面的冲击力、体重甚至是代谢状况等信息，由此发展的测量装置在许多行业 均可望发挥重要作用。比如，用于老年人、残疾人、儿童活动状况(包括婴 儿蹒跚学步)评估，军队拉练、体育训练强度、体能测试，以及人体特殊状 态下的运动生理学，如登山、旅游、马拉松、滑雪、滑冰、舞蹈、甚至是宇 航员在太空、月球行走时的步行力测试，实现人体运动状态的全程自测化(D o it yourself-DIY)等；在体育运动中，该测量装置甚至可用于记录田径 比赛成绩并分析运动员比赛过程中的详细步态及生理状况等，相当于运动员 随身携带的记分器。甚至，基于这种压电芯片的测量装置还可设计成胶嚢式，以口服方式吞咽到消化道中，从而测取并记录消化道各部位如腔体及肠道等 的蠕动频率，以提供人体消化方面的宝贵信息，完成采集任务的测量装置最 终沿直肠排泄出。
本实用新型的优点在于
1、 本实用新型的记录人体步态信息的微型测量装置将人体步态信息的 记录和显示、处理设备相分离，具有体积小、易携带的优点，可实现对人体 步态参数全天时的监测与记录。
2、 本实用新型的记录人体步态信息的微型测量装置成本低，易推广。
3、 本实用新型的记录人体步态信息的微型测量装置可供用户自由选择 对人体的步态信号、行走姿态、活动状况、平衡感等多种生理信息的监测与 记录，具有应用广泛、使用方便等优点。
4、 本实用新型提供的记录人体步态信息的微型测量装置由于压电传感 器的高灵敏性，在几乎所有需要长时记录应力、应变信息的相关场合均有重 要用途。


以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中
图1为本实用新型的记录人体步态信息的微型测量装置结构图。
图面说明
1 基底 2 压电传感器 3 数据采集器
4数据存储器 5 控制器 33 微型电源
6 计算机接口
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述 图1为本实用新型的记录人体步态信息的微型测量装置的一个实施例， 该记录人体步态信息的微型测量装置包括用于封装和支撑所有部件的基底 1,用于采集人体步态信息的压电传感器2，用于获取传感器所测量数据的数 据釆集器3，用于存储采集器采集到的数据的数据存储器4，用于控制采集、 存储及与计算机通讯的控制器5，用于与外部计算机连接的计算机接口 6和 电源(图中未示出)。
一般来说，基底1长度在10毫米到500毫米之间，宽在10毫米到500毫米之间，厚度在0. 1毫米到100毫米之间。所述基底1的材料优选具有抗 冲击震动，且耐酸、^喊、湿腐蚀的材料如聚四氟乙烯、钛、丙烯腈-丁二烯-
苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰亚氨等。根据需要，在基底l的表面还可以涂覆 具有电磁屏蔽功能的材料，如以石墨和羰基铁作为电磁屏蔽涂料，或以不 锈钢纤维作为填料，分别与ABS和各种聚合物复合可制得电磁屏蔽用导电性 高分子复合材料。本实施例中的基底长5cm，宽3cm,厚0. 5cm，采用ABS 材料制作，表面涂覆有羰基铁等类电磁屏蔽材料。
压电传感器2是基于材料的压电效应制成的，当压电材料受到力作用而 发生变形时，会产生电的效应；当机械力撤掉之后，材料本身又会重新回到 不带电的状态。本实用新型中采用压电传感器测量人体运动状态下各部位运 动状态尤其是脚底与地面接触时的动态加速度、压力、振动和冲击，包括体 育比赛中人体的爆发力等信息，既可测量强烈的脚与地面接触力学量，也可 检测微小的压力，因而能充分反映人体运动的情形。通过所记录和存储的压 电信号频率及强度，可随后通过计算机软件完整评估人体在特定时段下的活 动状态，整个测量过程对人体运动状态无任何干扰。压电传感器2是成熟器 件，可从市场上直接购买，常用型号为由石英、酒石酸钾钠、磷酸二氮胺、 钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅(PZT)、铌酸盐系压电陶资、铌镁酸铅压电陶资 等制成。本实施例中所采用的压电传感器个数可在1-50个之间，用以记录 脚底不同部位与地面接触的力学量及其先后顺序，从而形成对人体步态的完 整分析。为此，压电传感器2可与基底固定在一起，也可呈分离的情况，前 者可分别布置于所述基底的不同部位，后种情形则可将传感器固定于鞋垫的 各个位置(或身体其他部位)，当然，无论哪种情况，压电传感器2的另一 端均与所述的数据采集器3和计算机接口 6电连接。若左右脚鞋底同时布置 测量装置，还可同时记录和评估人体双脚走路的差异性。
数据釆集器3采集由压电传感器2得到的动态力学信息，并将该信息做 模数转换。数据采集器3为集成化的A/D转换电路。当与数据采集器3所连 接的压电传感器2的数量大于1个时，数据釆集器3对于每个压电传感器都 有独立的数据采集通道以及相关的处理器件。
数据存储器4存储模数转换后的力学信息，数据存储器4有多种实现方 式，包括紫外线可擦除可编程只读存储器(EPR0M)、电可擦写存储器(EE PR0M)、快闪存储器(Flash Memory )、静态读写存储器(SRAM )、动态读写 存储器(DRAM )等，数据存储器4可做成U盘或SD卡。本实施例中的数据存储器采用快闪存储器，并制作成U盘的形式。
控制器5用于控制采集、存储数据及与计算机通讯的过程，本实施例中
的控制器5釆用微型嵌入式PLC可编程逻辑控制器。通过对可编程逻辑控制 器的编程操作，可实现控制器5所要实现的各项功能。
计算机接口 6用来实现与外部计算机的连接，本实施例中使用USB接口， 当然，计算机接口 6有多种实现方式，包括有线方式和无线方式，当计算机 接口6采用有线方式时，可借助于USB、串口、并口、 PCI/SCSI/SATA/ATA/ ISA/AGP、 IEEE802.2、 IEEE 802.3、 IEEE 802.5、 Modem/RJ-11、 MemSlot、 PCMCIA、 PS/2等多种方式实现；当计算机接口 6采用无线方式时，可通过I EEE802. lla/b/g/n、 IEEE802. 15/16、红外接口、 GSM/GPRS接口、 CDMA/WCD MA/CDMA2000/TDS-CDMA接口等方式实现。
在本实施例中，人体步态信息测量装置带有微型电源33，由微型电源3 3为整个测量装置提供工作时所需的电能。所述的微型电源33可以是可充电 型钮扣电池、干电池、光电池、温差电池，也可以是利用人体与地面接触后 基于压电效应提供电源的压电电池，本实施例中选用可充电型纽扣电池。
本实用新型中用于数据处理及显示的装置为随处可见的用户已预先购 置的计算机及显示装置，即二者与本实用新型的记录装置呈分离状态。为完 成数据的追溯，本实用新型还带有预先编制好的可对存储于记录装置中的数 据进行读取、处理及显示的计算机软件。该软件可在Windows下运行，具有 良好用户界面，可显示全时段人体步态曲线以及由此重构出的运动状态、活 动强度及特点等信息，并能局部放大及处理，可对潜在的问题做出判断和预 测，所记录数据可分门别类存储到编制好的数据库中，软件本身具有专家系 统功能。
采用上述实施例中的记录人体步态信息的微型测量装置对人体步态参 数进行记录的具体过程如下
步骤a、设定测试方式。将本实用新型的记录人体步态信息的微型测量 装置通过其计算机接口与外接的计算机相连接，通过预先编制好的软件设定 测量装置的数据采集方式，所述的数据采集方式包括所要记录数据的总量、 采样频率、数据存储及数据刷新方式；
步骤b、确定所要检测记录的信号。根据所要检测的脚底位置及步态参 数的种类，确定所要使用的传感器、测量部位及记录卡数量；步骤C、将所选定纟效型测量装置的压电传感器的4文感头固定于鞋垫背面 相应部位，或按特殊要求固定于鞋内部的特定位置，传感器的另一端则电连 接至记录人体步态信息的微型测量装置，该测量装置可固定在置于鞋垫下有 一定承重人体重量的部位，开通微电源开关，即可对所选定部位的步态信号 进行测量和记录。若需测定其他部位如膝关节、髋关节的参数，只需在对应 位置固定该装置即可。
步骤d、完成数据记录后，可将测量装置从鞋垫下或特定部位取出，再 次与计算机连接，运行驱动软件，即可将记录数据传入台式机或笔记本中。 通过计算机软件对记录信息进行评估并给出诊断结果。
总之，本实用新型提供的人体步态信息测量装置有别于以往的步态分析 和测试装置那样需要同时记录和对数据进行分析与显示，而是将所有显示及 分析功能全部省略，以最大限度地减小测量装置体积和降低成本，而将这些 功能交由计算机及其附属系统完成，相当于飞机上常用的黑匣子数据记录 器。这实际上提出了一种新概念型的低成本步态诊断方法，由此可引申出新 的人体运动监测模式，预计会在今后的日常生活和特殊领域中发挥关键作 用，相关产品可望推进到社区、家庭乃至个人使用，在体育、军用、机器人 及动物测试等行业也有重要用途。
本实用新型有助于倡导一种新的完整了解自身运动状态的理念，使得低 成本全时记录人体自身重要生理参数一一步态信号等并加以解读成为可能。 该技术预期产生的社会效应可能体现为如下态势，如老人、儿童、工作压力 大的上班族，每天上班前要作的第一件事，可能是将记录有前一天自身步态
数据的微型测量装置通过USB接口插入计算机，通过运行计算机软件以图形 方式显示出来，并由软件对健康状况予以评估和预测。所以，本实用新型相 当于人体运动状态的"气候监测"及"天气预报"系统，由此可引申出"芯 片上的步态^^居i己录4义——Walking Data Recorder on a Chip"冲既念。在 医疗卫生系统中，该4支术还特别有利于对大量运动疾病状况加以长时监护并 作出准确判断，家长可利用这种步态参数记录器记录小孩在一天的活动强 度，获得传统方法无法获取的信息；有运动障碍或风湿疾病者可利用该器件 完成对运动过程的监控等。预计该记录器在临床诊断及监护上具有独特价 值。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非 限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本 实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围 当中。
权利要求1、一种记录人体步态信息的微型测量装置，其特征在于，包括基底，用于封装和支撑各部件；传感器，用于采集人体步态信息；数据采集器，与所述传感器电连接，用于采集传感器所测量数据；数据存储器，与所述数据采集器电连接，用于存储采集器采集到的数据；控制器，与所述数据存储器电连接，用于控制采集、存储及与外接计算机通讯过程；计算机接口，用于与外部计算机连接；和电源，与所述数据采集器电连接，用于为整个测量装置提供工作能源；其中，所述数据采集器、数据存储器、控制器和计算机接口都设置在所述基底上。
2、 根据权利要求1所述的记录人体步态信息的微型测量装置，其特征 在于，所述传感器还与所述计算机接口电连接。
3、 根据权利要求1所述的记录人体步态信息的微型测量装置，其特征 在于，所述电源为4丑扣电池、干电池、温差电池或压电电池。
4、 根据权利要求1所述的记录人体步态信息的微型测量装置，其特征 在于，所述的传感器为压电传感器。
5、 根据权利要求1所述的记录人体步态信息的微型测量装置，其特征 在于，所述的数据采集器为A/D转换电路。
6、 根据权利要求1所述的记录人体步态信息的微型测量装置，其特征 在于，包括多个传感器，所述数据采集器对每个传感器都有独立的数据采集 通道。
7、 根据权利要求1所述的记录人体步态信息的微型测量装置，其特征 在于，所述的数据存储器为紫外线可擦除可编程只读存储器、电可擦写存储 器、快闪存储器、静态读写存储器或动态读写存储器。
8、 根据权利要求1所述的记录人体步态信息的微型测量装置，其特征 在于，所述的控制器为微型嵌入式PLC可编程逻辑控制器。
9、 根据权利要求1所述的记录人体步态信息的微型测量装置，其特征 在于，所述的计算机接口为有线接口或无线接口。
专利摘要本实用新型提供了一种记录人体步态信息的微型测量装置，包括基底，用于封装和支撑各部件；传感器，用于采集人体步态信息；数据采集器，与所述传感器电连接，用于采集传感器所测量数据；数据存储器，与所述数据采集器电连接，用于存储采集器采集到的数据；控制器，与所述数据存储器电连接，用于控制采集、存储及与外接计算机通讯过程；计算机接口，用于与外部计算机连接；和电源，与所述数据采集器电连接，用于为整个测量装置提供工作能源；其中，所述数据采集器、数据存储器、控制器和计算机接口都设置在所述基底上；本实用新型将人体步态信息的记录和显示、处理设备相分离，具有成本低，易推广、体积小、易携带的优点。
文档编号A61B5/05GK201135440SQ20072016986
公开日2008年10月22日 申请日期2007年7月24日 优先权日2007年7月24日
发明者静 刘 申请人:中国科学院理化技术研究所