一种针对小体型动物的步态分析系统的制作方法

专利名称：一种针对小体型动物的步态分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及运动功能及康复测试领域，更具体地说是涉及一种能够精确测量和分
析小体型动物(如鼠、猫、鸡等)步态特征的系统。
背景技术：
步态是指人、动物或机器在运动过程中，肢体/组件在时间和空间上的协调关系， 它是运动学和行为学分析的一个重要参数。步态分析是利用生物力学的概念、方法、手段和 已知的解剖学、生理学知识，借助现代计算机技术和图形图像技术，对行走的功能状态进行 分析的研究方法。 人体的步态分析应用范围较广泛，如病人的神经损伤或运动系统损伤后，可以通 过多种手段进行修复或代偿，但愈后效果如何，往往需通过病人的步态分析来评价。通常， 新的修复或代偿技术在用于临床前，必须先经过动物，特别是大鼠的实验进行测试或验证， 对于治疗关节炎等疾病的特效药也需先通过大鼠实验。因此，大鼠的步态分析有很重要的 实用意义，不仅可以评价大鼠的行为能力、运动功能和认知能力，对于研究神经官能症、脑 瘫、糖尿病等疾病的机理、预防、治疗也有重要意义，因此针对大鼠的步态分析系统已经是 开展相关科学研究的重要设备。 目前，已有研究者(Frank Hamers)根据光的全内发射原理设计出了一种测量大鼠 步态的装置"CatWalk"，但这种装置需要使用高速同步摄像机来捕捉被测对象的足迹，其测 量精度与相机的配置有关，而且标定时需要大量已知力的数据提供对照，需耗费大量时间。
另外一些用三维应变片制成的大鼠步态测量装置，除了同样用到高速同步摄像机 外，主要集中于动物的单足接触反力的测试上，而不能测试整个身体的重心偏移。此外，目 前针对大鼠的步态分析装置，往往忽略了大鼠的活动特性，没有预设轨道，不能使其按照人 的意图行走，从而加大了测量的难度。

发明内容
大鼠的步态分析装置广泛应用于神经官能症、脑瘫、糖尿病、关节炎等疾病的机 理、预防、治疗等方面，可以满足针对运动神经系统损伤、疾病的新诊疗手段和新药物的测 试，针对上述目前大鼠步态分析装置存在测量参数不全面、测量装置复杂、测量方法繁琐等 缺点，本发明提供了一种测量小体型动物尤其是大鼠的步态特征的系统，能够实现对小体 型动物(如鼠、猫、鸡等)的多个步态参数做出定量评价，包括步长、步频、步序、肢间距离、 压力、重心偏移等，能通过预设的轨道对大鼠的爬行行为进行诱导和控制，并测量大鼠在斜 坡或单纯后肢着地状态下的步态参数，在保证精度的同时降低了成本，减小了设备空间。
定位及压力测量装置用于实时采集大鼠的足迹并测量四肢的接触压力。采用基于 互电容的多点触摸屏作为整个装置踏板与大鼠四肢的接触面，将其无缝隙紧贴固定在一层 透明玻璃板上。多点触摸屏包括互电容电路和电容传感电路，触摸屏中两层被模压的正交 线路交叉构成了一个个电容耦合节点，节点处会产生互电容。当外界与触摸屏节点有接触存在时互电容会减小，据此就可以判断接触存在，电容传感电路通过检测行列交叉处节点 的互电容(也就是耦合电容Cm)的变化来实现对接触点位置的识别。多点触摸屏的信号输 出端接后续调理电路，进行处理分析。 当大鼠的四肢接触触摸屏的节点时，节点处的耦合电容发生变化，耦合电容的变 化使得互电容电路中传感线携带的电流发生变化。电容传感电路记录了出现电流变化的节 点的位置以及电流变化。根据检测到的电流变化大小，通过标定可以转化成接触压力的大 小。 定位及压力测量装置后续的信号处理部分，包括滤波器、放大器、A/D转换器等。滤 波器用于消除互电容电路中的寄生电容。数字信号处理器可以滤除原始数据的噪声事件， 同时计算触摸屏上每次接触的边界，进而确定每次接触点的坐标，并将其传送到控制器。运 算放大电路实现信号的放大，使其达到被识别和处理的幅度。A/D转换器用于将模拟信号转 换成数字信号，并将转换结果暂存于片外存储单元，然后通过串行通信接口传送到计算机 进行处理与显示。 三维测力装置用于实时测量大鼠四肢与步态分析系统的踏板接触时宏观的垂直 支撑力和水平面横纵两个方向的作用力以及作用在踏板面上的三维等效力矩等参数，以用 于进一步分析得到重心偏移参数。在多点触摸屏下层附一层厚度为2 4mm的透明玻璃 板，构成整个步态系统的踏板，透明玻璃板的四个角下端分别放置一个三维力传感器，传感 器安装在测力装置的底座上，保持踏板的水平。当上层踏板受力后，四个传感器分别把测得 的力转化成电信号，并传到下一层信号处理单元。 三维测力传感器受力后产生X、Y、Z三个方向的应变信号，由三通道放大器对应变 信号进行放大，调整放大器的非线性误差及衰减系数，以保证应变量放大后的电压变化在 士5伏范围之间。经放大后的应变量放大信号经A/D板进行模数转换，转换后得到的数据为 十进制，通过对测力装置的标定即可得到所需要的力值。 从多点触摸屏和三维力传感器同步采集的信号被传送到数据分析显示部分，完成 参数提取分析以及图形显示等功能。对于三维测力装置采集的信号，采样程序对X、Y、Z三 个通道进行监控，依次采到X、 Y、 Z三个方向的力值。其中垂直力FZ是宏观支撑力，前后向 摩擦力FY起制动和驱动作用，横向力FX表征身体晃动、平衡能力。采样过程由0++语言程 序执行，并控制采样频率和时间。最终显示的数据可以包括大鼠行走过程中测力装置测出 的Z方向压力 时间曲线的极值、X、Y方向压力 时间曲线的峰值、正负峰值之差和功率谱 指标等。绘制X、 Y、 Z三个方向的力值FX、 FY、 FZ与时间t的三条曲线，并可以对曲线放大 和压縮处理，以便于更细致观察曲线特征。可根据公式进一步计算出X方向和Y方向的力 矩及在X-Y平面的重心偏移等参数，并进行显示。 轨道装置用于对大鼠的爬行行为进行控制和诱导。在踏板上放置不透明的挡板通
道，可以是直行通道、直角转弯通道或S形转弯通道等。通道的宽度略宽于大鼠身体的宽
度。轨道与测量装置踏板表面不接触，以免产生接触力，可以在轨道始末端通过螺丝将其固
定在踏板的边框上。在轨道装置末端还可悬空放置一个高度约为6cm的小平台，供大鼠将
前肢附着在上面，用于检测大鼠单纯后肢着地时的重心轨迹偏移等参数。 另外，可以调高装置一侧两个底座的高度，将整个装置倾斜一定角度，用于测量大
鼠爬坡时的步态参数。倾斜后的装置在定位和压力的测量上不受影响，但三维力信号的数据分析过程需做重新校准，排除上层踏板自身的重力对三维传感器的影响。此部分计算过 程的实现通过修改数据分析部分完成。 在数据分析显示部分添加信息管理系统，为受试大鼠设计包括如下信息的测试报 告受试大鼠编号、体重、体长、术前诊断、术前测试结果、术后诊断、术后测试结果、测试日 期、实验人姓名等，提高人机交互功能，方便实验人员的操作。 根据本发明的一个方面，提供了一种针对小型动物(如鼠、猫、鸡等)的步态分析 系统，其特征在于包括 —个定位及压力测量装置，用于捕捉测试对象的足迹并测量其脚掌的接触压力， —个三维测力装置，用于采集测试对象静止或行走中的三维力数据， —个信号处理部分，用于对采集的所述三维力等数据进行处理， —个数据分析显示部分，用于对所述信号处理部分处理后的数据进行分析显示。
本发明与现有大鼠步态分析装置相比有如下有益效果 1、将多点触摸屏用于四肢定位和压力测量，与三维测力装置的结构和功能结合，
能够实现对大鼠的多个步态参数做出定量评价，包括步序、步频、步长、肢间距离、压力、三
维力、重心偏移等，更全面得评价大鼠的运动功能或损伤后的康复状况； 2、能通过预设的轨道对大鼠的爬行行为进行诱导和控制； 3、能测量大鼠在斜坡或单纯后肢着地状态下的步态参数； 4、测量精度高，安装使用方便，设备占用空间小； 5、能够自动记录分析步态参数。


图1是根据本发明的一个实施例的小型动物步态分析系统的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的多点触摸屏识别足印的一个示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的轨道装置的示意图。
具体实施例方式
如图1所示，根据本发明的一个实施例的小体型动物步态分析系统包括多点触摸 屏1和透明玻璃板2组成的踏板、三维力传感器3、底座4、轨道5、信号同步采集部分6、信 号处理部分7、数据分析显示部分8等。 根据本发明的一个实施例，小体型动物步态分析系统的踏板包括多点触摸屏1和 透明玻璃板2两部分，且多点触摸屏1附着在透明玻璃板2上。踏板的四个底脚分别对称 安装有一个三维力传感器3 ;传感器3固定在底座4上，底座4和踏板处于水平位置。轨道 5为不透明的双侧挡板或圆筒通道，与多点触摸屏1不接触，保持空间的隔离，将其两端固 定在踏板的边框上。多点触摸屏1和三维力传感器3的输出信号通过信号处理部分7后经 串行通信传送到数据分析显示部分8中。通过编制的程序对输入信号进行采样处理，根据 步态分析的公式计算出步长、步频、肢间距离、压力、三维力、重心偏移等，并通过曲线图等 方式显示。 如图2所示，根据本发明的一个实施例，诸如大鼠的测试对象的四肢足迹的定位 识别及四肢接触压力的测量通过多点触摸屏1实现，具体实施方式
如下根据本发明的一个实施例，多点触摸屏1为基于互电容的多点触摸屏，且其以无缝隙的方式附着在一层透 明玻璃板2上。在互电容电路中，透明导电介质被模压在两个不同的层上形成一组空间分 离的线，驱动线形成在第一层上，传感线形成在第二层上，驱动线和传感线方向正交，从而 构成了一个个电容耦合节点，节点处会产生互电容(包括行列感应单元之间的边缘电容， 行列交叉重叠处产生的耦合电容)。当外界与节点有接触存在时互电容会减小，据此就可以
判断接触存在，电容传感电路通过检测行列交叉处节点的互电容(也就是耦合电容Cm)的 变化来实现对接触点位置的识别。 大鼠四肢踩在多点触摸屏1上，触摸屏1内部受力的节点耦合电容发生变化，耦合 电容的变化使得互电容电路中传感线携带的电流发生变化。电容传感电路记录了出现电流 变化的节点的位置以及电流变化。通过后置电路的滤波、放大、A/D转换等处理后，将整个 触摸屏作为一个三维直角坐标系(X、Y方向为水平方向，Z方向为竖直方向)，每个节点都有 对应的水平坐标，以此通过确定节点的坐标完成对大鼠四肢接触位置的定位。
根据本发明的一个实施例，根据四肢的坐标位置可以计算前肢间距离(FBW)、后肢 间距离(HBW)和左/右侧前、后爪心间距离(DLFHF0， DRFHF0)等。设多点触摸屏1的每个 节点代表的面积为a，通过被识别的接触点相加，即可得到大鼠四肢接触面积的大小和形 状。步长(SL)通过检测到的同一只脚相邻两次的位置点坐标相减得到，例如左前肢迈出一 步后落地的位置点与迈出前位置点的差值即为一个步长。步频通过一定时间内同一只脚与 多点触摸屏l接触的次数确定。通过计时器记录大鼠连续爬行一段距离所需的时间，当大 鼠从轨道5起始点开始爬行时计时，无间断爬行到轨道5终点时停止计时，若大鼠中途有停 顿则取消计时，重新测试。 根据本发明的一个实施例，通过多点触摸屏1传感电路中传感线的电流变化值对 接触压力进行换算标定的方法如下可将已知质量的砝码放在触摸屏上，假设每个节点处 的受力是均匀的，将每个接触节点面积与节点位置处的电流变化积分，可求出电流变化与 压力的对应关系。 或者，可以按照多点触摸屏的数据手册，直接根据触摸压力公式，通过电流变化求 出触摸压力。这样，可以实现用触摸屏测量大鼠四肢接触踏板所产生的垂直力分量值。
根据本发明的一个实施例，大鼠爬行过程中的三维力及重心偏移等步态参数通过 三维测力装置测量，具体实施方式
如下装置踏板的四角下方分别安装一个三维力传感器 3，大鼠四肢的接触力通过踏板传到传感器3，传感器3的量程由大鼠的体重决定，为0 ION，分辨率为lmN。传感器受力后产生X、 Y、 Z三个方向的应变信号，由三通道放大器对应 变信号进行0 1000倍的放大，调整放大器的非线性误差及衰减系数，以保证应变量放大 后的电压变化在士5伏范围之间。经放大后的信号经A/D板进行模数转换，转换后得到的 数据为十进制，通过对测力装置的标定即可得到实际的力值。通过数据分析显示部分的采 样程序对X、 Y、 Z三个通道进行监控，可以依次采到X、 Y、 Z三个方向的力分量值，需控制采 样频率和时间。 根据本发明的一个实施例，通过USB接口将采集并处理过的信号传送到计算机， 经过数据分析显示部分8的分析，最终显示出相应的数据和曲线。该数据分析显示部分8包 括数据监控部分、步态参数提取分析部分以及图形显示部分等功能部分。作为一种具体实 施方式，可以通过在处理器上进行0++语言编程，来实现该部分。最终显示的数据包括诸如大鼠行走过程中三维测力装置测出的Z方向(竖直方向)压力 时间曲线的极值、X、 Y方 向(水平方向)压力 时间曲线的峰值、正负峰值之差和功率谱指标等。可以绘制X、Y、Z 三个方向的分力值FX、 FY、 FZ与时间t的三条曲线(F-t曲线)，根据要求可绘制任意一段 时间内的F-t曲线，并能对曲线放大和压縮处理，以便于更细致观察曲线特征。可根据公式 进一步计算出X方向和Y方向的力矩及在X-Y平面的重心偏移等参数，并进行显示。
如图3所示，根据本发明的一个实施例，鉴于大鼠在踏板表面的行走路线不确定， 可以在踏板上放置不透明的挡板或圆筒轨道，用于对大鼠的爬行行为进行控制和诱导。轨 道5可以为直行通道、直角转弯通道或S形转弯通道。通道的宽度略宽于大鼠身体的宽度。 轨道5与踏板表面不接触，而是通过螺丝固定在踏板四周的边框上，且可以在踏板表面横 向移动。轨道5还可包括一个悬空放置的高度约为6cm的小平台9，可供大鼠将前肢附着在 上面，用于检测大鼠单纯后肢着地时的压力、重心偏移等参数。为保证大鼠能够不间断得从 轨道的起点爬到终点，可以在轨道终点放置食物作为引诱。 如图1所示，根据本发明的一个实施例，可以将整个装置倾斜一定角度a ，用于测 量大鼠爬坡时的步态参数。调高装置一侧两个底座的高度，使其与地面成角度a ，倾斜后装 置的足迹定位测量不受影响，测得的压力值实际为与踏板垂直方向的分力。三维力信号的 数据分析过程需重新进行，要排除上层踏板自身的重力对三维传感器的影响。在一个具体 实施方式中，此部分计算过程可通过处理器上的相关软件编程实现。 根据本发明的一个实施例，在所述数据分析显示部分8中添加信息管理部分，为 受试大鼠设计包括如下信息的测试报告编号、体重、体长、术前诊断、术前测试结果、术后 诊断、术后测试结果、测试日期等。这样方便不同时间测试时的信息储存，提高人机交互功 能，方便实验人员的操作。 应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性 的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种 改变、变形、和/或修正。
附图标号说明 1、多点触摸屏；2、透明玻璃板；3、三维力传感器；4、底座；5、轨道；
6、信号同步采集部分；7、信号处理部分8、数据分析显示部分；
9、小平台。
权利要求
一种针对步态分析系统，其特征在于包括一个定位及压力测量装置，用于捕捉测试对象的足迹并测量其脚掌的接触压力，一个三维测力装置，用于采集与测试对象的接触有关的三维力数据，一个信号处理部分，用于对采集的所述三维力数据进行处理，一个数据分析显示部分，用于对所述信号处理部分处理后的数据进行分析显示。
2. 根据权利要求1所述的步态分析系统，其特征在于所述定位及压力测量装置包括 一个基于互电容的多点触摸屏，用于采集测试对象脚掌接触位置的互电容变化信号， 后续电路，用于将所述电容变化信号转换成接触压力值信号。
3. 根据权利要求2所述的步态分析系统，其特征在于进一步包括一个踏板，所述踏板包括所述多点触摸屏与紧贴所述多点触摸屏下方的一层透明玻璃 板，以及在所述踏板四角的每一个角的下方对称设置的一个三维力传感器，所述三维力传感器 用于采集三维力信号。
4. 根据权利要求1所述的步态分析系统，其特征在于所述踏板的表面上设置有轨道装 置，用于对测试对象的爬行行为实施诱导和控制。
5. 根据权利要求4所述的步态分析系统，其特征在于所述轨道装置包括一个位置可移 动的多种类型组合挡板通道，能提供不同的行走路线。
6. 根据权利要求5所述的步态分析系统，其中所述测试对象可以是大鼠，且其特征在于在所述轨道装置末端悬空放置有一个高出所述通道底部的小平台，供大鼠将前肢附着在 上面，用于检测大鼠单纯后肢着地时的重心偏移等参数。
7. 根据权利要求3所述的步态分析系统，其特征在于所述信号处理单元包括对三维力 等数据进行滤波、放大、A/D转换处理，经过转换处理的所述三维力等数据通过串行通信接 口被传送到所述数据分析显示部分进行分析，求出重心偏移等步态参数。
8. 根据权利要求7所述的步态分析系统，其特征在于进一步包括一个用于进行图形显 示的显示单元，且所述信号处理部分进一步包括用于进行数据采集的采样部分、监控部分、 用于驱动所述显示单元的显示部分。
9. 根据权利要求1-5中任何一项所述的步态分析系统，其特征在于整个装置可以倾斜 一定角度，用于测量测试对象爬坡时的步态参数。
全文摘要
本发明提供了一种针对小体型动物(如鼠、猫、鸡等)的步态分析系统，包括定位及压力测量装置，用于实时采集测试对象的足迹及接触压力；三维测力装置，用于测量测试对象静止和行走过程中的三维力等参数；轨道装置，用于对测试对象的爬行行为实施诱导和控制；信号处理部分，用于对捕捉的原始信号进行放大、滤波、模数转换等处理；数据分析显示部分，根据测量到的数据进一步计算出步长、步频、重心偏移等步态参数并显示结果。本发明能够实现对测试对象的步态做出定量评价，包括步频、步长、肢间距离、压力、重心偏移等步态参数，并能通过预设的轨道测量测试对象在斜坡或单纯后肢着地状态下的步态参数。
文档编号A61B5/11GK101716078SQ20091024283
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者孙联文, 张萌, 李德玉, 李晓光, 李淑宇, 杨阳, 樊瑜波, 牛海军, 蒲放 申请人:北京航空航天大学