一种多参数生物信息测试平台及测试方法

专利名称：一种多参数生物信息测试平台及测试方法
技术领域：
本发明涉及人机工程学、人体步态特征分析、运动康复、拟人机器人、个性化工业
产品设计、虚拟现实等领域，尤其是一种多参数生物信息测试平台及测试方法。
背景技术：
多维测力平台、压力分布、表面肌电和高速影像系统是运动生物力学研究的主要 通用工具。上述仪器提供了丰富的运动生物力学信息，为相关研究工作提供了量化、客观的 基础数据。但在使用过程中也暴露出一些问题，主要体现在以下几点 1、一个运动生物力学实验室或某个具体研究任务需要由多台检测设备来获取人 体信息，而目前这些设备来自世界各国制造厂商，采购成本高、维护难度大、相互兼容性不 足； 2、各设备独立运行，相互之间没有统一的数据交换协议，多方面信息难以集成在 一个统一的框架下进行综合处理、分析和解释； 3、各设备之间缺乏同步触发机制，难以实现多源数据的同步采集，不利于运动生 物力学的深入研究。例如，我们在利用数字跑道对运动员进行技术分析诊断时发现，将A时 刻的地面反作用力信息、B时刻的足底压力信息和C时刻的躯干姿态进行对照分析，几乎不 可能建立正确的力/运动模型、神经控制模型，因此技术诊断的合理性和全面性受到极大 限制。类似困扰在进行基于步态特征的身份识别研究过程中更加突出。
人体是一个复杂的巨系统，其运动生物力学参量具有非线性、时变形和个体差异 性等特征，各种参量之间存在并行、反馈及控制等复杂的耦合关系。需要采用多种信息获取 方法，在时域同步采集多源信息并进行融合处理，才有可能把握运动本质规律，为相关研究 和应用提供理论支撑。当前运动生物力学信息获取方法难以全面、深入的揭示人体运动过 程中复杂的力学特性和行为状态特征，能否同步获取完备的人体运动状态信息，已成为运 动生物力学研究的关键问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种多参数生物信息测试平台及测试方法，为相关研究和应 用提供理论和平台支撑。本发明包括搭建的总长9米、测试区3米的生物力学通道，在一台 中心计算机统一控制下，各子功能仪器经以太网接口连接，经时钟同步服务器实现各参数 时域精确同步，各单元集成为测试通道；各单元设备也可配置自主分析软件和人机接口 ，形 成独立仪器。其中时钟服务器模块、步态触觉信息单元、十六导表面肌电单元、加速度测试 单元、心率/脉搏测试单元均采用我们自行研制的具有完全知识产权的装置，也可采用相 近功能的第三方设备单元。 本发明的功能单元硬件系统构成如下 —种多参数生物信息测试平台，包括由高速影像采集单元、多套步态触觉信息测 试单元的级联、表面肌电采集单元、加速度/角度测试单元、心率/脉搏测试单元集成的生物力学测试通道，其特征在于在一台中心计算机的统一控制下，各单元经以太网接口连 接，经过时钟服务器实现各单元测量生物特征参数的时域精确同步，集成各单元设备配置 成综合测试平台，各单元设备也可配置自主分析软件和人机接口 ，形成独立仪器；计算机中 集成所有数据，提取运动生物力学、生理学综合信息，建立综合生物信息特征数据库；计算 机中集成有上述的数据的分析软件； 所述高速影像采集单元集成多个高速摄像头组成高速影像采集分析装置，实现人 体末端、躯干、质心等特征部位的运动学信息检测，与各其它单元同步采集的人体步态触觉 信息、表面肌电信息和加速度、角速度信息进行比对分析，揭示人体动作外形与内部受力之 间的关联性； 所述的步态触觉信息测试单元包括多维测力平台；多维测力平台具有与之一体化 的柔性阵列化传感器、基于FPGA架构的可同步采集三维测力台信号和压力分布传感器信 号的高速数据采集系统、大容量数据缓存、通信接口协议、时钟同步协议；多个多维测力平 台依次级联构成步态特征测试通道，用于完整获取一个人正常周步的地面反作用力信息、 足底与地面的接触特征等动力学信息，足弓/步相角等生理特征信息，步频/步距/速度/ 加速度等运动学信息； 所述表面肌电采集单元用于人运动、行走过程相关肌群的生物电信号检测和时频 域分析，为动作分析、运动评估、运动损伤预测等提供数据支持； 所述加速度/角度测试单元采用加速度与角速度传感器，用于运动、行走过程人
体各部位，如大腿、小腿、足部、中心等的运动姿态和运动节奏等运动参数检测； 所述心率/脉搏测试单元监测行走、运动过程中，心率/脉搏的变化情况，对同一
个体在不同身体机能、能量消耗和代谢水平情况下的人体力学特征与行为特征分析提供基
础数据支持，也为动态心肺能力评估、运动损伤预测等提供数据支持。 所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于所述的各单元内部采用CAN 或USB转以太网的方式对外通过高速以太网接口传输指令和数据。 所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于计算机中的集成分析软件其 各单元可配置自主分析软件和人机接口 ，作为独立的分析仪器。
所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于所述步态触觉信息测试单元 中柔性阵列化传感器的点阵间隔为0. 6*0. 6厘米或其他密度大小；点阵数为96*64。
所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于包括有5套步态触觉信息测 试单元，各步态触觉信息单元级联构成测试平台。 所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于所述的步态触觉信息测试单 元采用多功能力学传感器自动标定系统对所述阵列化传感器进行自动逐点标定，以提高检 测精度，实现大面积接触力信息获取，。 所述的多参数生物信息测试平台的多参数生物信息的测试方法，其特征在于采 用权利要求(1)所述的一种多参数生物信息测试平台，将表面肌电采集单元、加速度与角 速度传感器、心率/脉搏测试单元佩带在人体上，人体在多套步态触觉信息测试单元的级 联后、多个多维测力平台构成的步态特征测试通道行走，并通过高速影像采集单元采集人 体的动作外形，采集到的数据通过CAN或USB转以太网的方式传送至计算机中进行分析；
计算机中集成的分析软件对所有单元的同步数据有机集成，通过计算机的外接设
5备可构建人机界面，在计算机中建立人体的综合运动模型，进行数据的对比性分析和关联耦合性分析，提取人体运动过程中的共性特征和个性特征数据；计算机中集成的分析软件具有统一的模板，可定制的采集模式和单元通道数选择，在实现所有单元同步集成的基础上，各单元也可以独立采集数据；集成分析软件中建立人体综合生物信息特征数据库，为相关理论研究和应用开发提供数据平台；集成分析软件中提供数据导出接口，供第三方软件使用；集成分析软件中预留标准文本数据导入接口，可以获取第三方仪器采集的数据进行分析。 本发明采用多功能力学传感器自动标定子系统对步态触觉信息测试单元中的大面积阵列化传感器进行自动逐点标定. 同步时钟服务器设置独立的时钟服务器，忽略导线传输延迟(双绞线5ns/m)，校时模式下，各节点工况相同，忽略接受程序延时。
系统通信接口 步态触觉测试单元采用有线连接，肌电、加速度等便携采集盒采用无线传输。其中各子仪器对外集成高速以太网接口，内部可采用CAN转以太网的方式。
本发明的集成分析软件的构成如下 (1)统一的数据采集与分析模板可定制系统的采集模式和单元通道数选择，在
实现功能单元同步集成的基础上，各功能子单元也可以独立采集数据。
(2)各子功能单元配置自主分析软件和人机接口 ，可作为独立的分析仪器。
(3)所有功能单元的同步数据有机集成，构建融合友好的人机界面，建立人体的综
合运动模型，进行数据的对比性分析和关联耦合性分析，提取人体运动过程中的共性特征
和个性特征数据。
(4)建立人体综合生物信息特征数据库，每条测试通道的测试数据可以实时传输
到中心数据库服务器，为相关理论研究和应用开发提供数据平台。
(5)提供数据导出接口，供第三方软件使用。 (6)预留标准文本(如C3D文件)数据导入接口，可以获取第三方仪器采集的数据进行分析。 本发明相对于现有技术的创新点是 其一，首次将各种单元检测技术进行功能级有机集成，形成多参数运动生物力学综合测试平台，同步采集人体运动过程中的运动学、动力学和生理学参数，多源信息在统一软件平台中综合分析，全面展示人体的力学特性和行为特征。 其二，采用逐点标定方式提高检测精度，实现大面积接触力信息获取，为人体科学研究提供了新的信息采集设备，从而拓展、深化其研究内涵。 其三，各子系统实现精确的时钟同步，采用并行采集、异步传输的方式，以较低的成本实现了诸多物理参量的同步信息获取。 其四，综合运用多维宏观测力和柔性微观测力技术，采用级联方式构建步态特征测试通道，在运动生物力学领域首次实现了完整周步动力学信息获取。


图1是本发明系统结构图。
图2是本发明各功能单元集成结构图。
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图3是本发明计算机中集成分析软件结构图。
图4是本发明同步时钟服务器校时流程图。
具体实施例方式
结合附图给出本发明的一个具体实施例。 —种多参数生物信息测试平台，包括由高速影像采集单元、5套步态触觉信息测试单元的级联、表面肌电采集单元、加速度/角度测试单元、心率/脉搏测试单元集成的生物力学测试通道，在一台中心计算机的统一控制下，各单元经以太网接口连接，经过时钟服务器实现各单元测量生物特征参数的时域精确同步，集成各单元设备配置成综合测试平台，各单元设备也可配置自主分析软件和人机接口 ，形成独立仪器；计算机中集成所有数据，提取运动生物力学、生理学综合信息，建立综合生物信息特征数据库；计算机中集成有上述的数据的分析软件；所述高速影像采集单元集成多个高速摄像头组成高速影像采集分析装置，实现人体末端、躯干、质心等特征部位的运动学信息检测，与各其它单元同步采集的人体步态触觉信息、表面肌电信息和加速度、角速度信息进行比对分析，揭示人体动作外形与内部受力之间的关联性；步态触觉信息测试单元包括多维测力平台；多维测力平台具有与之一体化的柔性阵列化传感器、基于FPGA架构的可同步采集三维测力台信号和压力分布传感器信号的高速数据采集系统、大容量数据缓存、通信接口协议、时钟同步协议；多个多维测力平台依次级联构成步态特征测试通道，用于完整获取一个人正常周步的地面反作用力信息、足底与地面的接触特征等动力学信息，足弓/步相角等生理特征信息，步频/步距/速度/加速度等运动学信息；表面肌电采集单元用于人运动、行走过程相关肌群的生物电信号检测和时频域分析，为动作分析、运动评估、运动损伤预测等提供数据支持；加速度/角度测试单元采用加速度与角速度传感器，用于运动、行走过程人体各部位，如大腿、小腿、足部、中心等的运动姿态和运动节奏等运动参数检测；心率/脉搏测试单元监测行走、运动过程中，心率/脉搏的变化情况，对同一个体在不同身体机能、能量消耗和代谢水平情况下的人体力学特征与行为特征分析提供基础数据支持，也为动态心肺能力评估、运动损伤预测等提供数据支持。各单元内部采用CAN或USB转以太网的方式对外通过高速以太网接口传输指令和数据。计算机中的集成分析软件其各单元可配置自主分析软件和人机接口 ，作为独立的分析仪器。步态触觉信息测试单元中柔性阵列化传感器的点阵间隔为0. 6*0. 6厘米或其他密度大小；点阵数为96*64。 由于本测试通道具有较高的采样频率，并且5套步态触觉测试单元级联之后的柔性传感阵列数量巨大，每秒钟需要传输的数据量非常之大，在没有足够大的底层缓存的情况下，普通的USB传输方式满足不了传输要求，采用图1中的协议转化卡，各子功能单元经过通信转换协议之后通过高速以太网接口与中心计算机实现交互。本系统的硬件方案可考虑分成2个步骤，第一步实现功能，第二步方案优化升级。第一步方案中图1中的协议转换卡可以采用CAN(或USB)到以太网的结网通信，步态触觉采集单元、肌电测试单元、加速度测试单元、心血管检测单元均以CAN方式与上层通信；第二步方案中，以太网接口直接集成到采集单元中，便携采集盒以无线形式实现，步态触觉以有线方式实现。高速影像数据经同步后直接与上层分析软件通信。 显然，本领域的技术人员可以对本发明的各功能单元测量装置及其测量方法进行
7各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于 本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种多参数生物信息测试平台，包括由高速影像采集单元、多套步态触觉信息测试单元的级联、表面肌电采集单元、加速度/角度测试单元、心率/脉搏测试单元集成的生物力学测试通道，其特征在于在一台中心计算机的统一控制下，各单元经以太网接口连接，经过时钟服务器实现各单元测量生物特征参数的时域精确同步，集成各单元设备配置成综合测试平台，各单元设备也可配置自主分析软件和人机接口，形成独立仪器；计算机中集成所有数据，提取运动生物力学、生理学综合信息，建立综合生物信息特征数据库；计算机中集成有上述的数据的分析软件；所述高速影像采集单元集成多个高速摄像头组成高速影像采集分析装置，实现人体末端、躯干、质心等特征部位的运动学信息检测，与各其它单元同步采集的人体步态触觉信息、表面肌电信息和加速度、角速度信息进行比对分析，揭示人体动作外形与内部受力之间的关联性；所述的步态触觉信息测试单元包括多维测力平台；多维测力平台具有与之一体化的柔性阵列化传感器、基于FPGA架构的可同步采集三维测力台信号和压力分布传感器信号的高速数据采集系统、大容量数据缓存、通信接口协议、时钟同步协议；多个多维测力平台依次级联构成步态特征测试通道，用于完整获取一个人正常周步的地面反作用力信息、足底与地面的接触特征等动力学信息，足弓/步相角等生理特征信息，步频/步距/速度/加速度等运动学信息；所述表面肌电采集单元用于人运动、行走过程相关肌群的生物电信号检测和时频域分析，为动作分析、运动评估、运动损伤预测等提供数据支持；所述加速度/角度测试单元采用加速度与角速度传感器，用于运动、行走过程人体各部位，如大腿、小腿、足部、中心等的运动姿态和运动节奏等运动参数检测；所述心率/脉搏测试单元监测行走、运动过程中，心率/脉搏的变化情况，对同一个体在不同身体机能、能量消耗和代谢水平情况下的人体力学特征与行为特征分析提供基础数据支持，也为动态心肺能力评估、运动损伤预测等提供数据支持。
2. 根据权利要求1所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于所述的各单元 内部采用CAN或USB转以太网的方式对外通过高速以太网接口传输指令和数据。
3. 根据权利要求1所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于计算机中的集 成分析软件其各单元可配置自主分析软件和人机接口 ，作为独立的分析仪器。
4. 根据权利要求1所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于所述步态触觉 信息测试单元中柔性阵列化传感器的点阵间隔为0. 6*0. 6厘米或其他密度大小；点阵数为 96承64。
5. 根据权利要求1所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于包括有5套步 态触觉信息测试单元，各步态触觉信息单元级联构成测试平台。
6. 根据权利要求1所述的一种多参数生物信息测试平台，其特征在于所述的步态触 觉信息测试单元采用多功能力学传感器自动标定系统对所述阵列化传感器进行自动逐点 标定，以提高检测精度，实现大面积接触力信息获取，。
7. —种基于权利要求1所述的多参数生物信息测试平台的多参数生物信息的测试方法，其特征在于采用权利要求(1)所述的一种多参数生物信息测试平台，将表面肌电采集单元、加速度与角速度传感器、心率/脉搏测试单元佩带在人体上，人体在多套步态触觉信息测试单元的级联后、多个多维测力平台构成的步态特征测试通道行走，并通过高速影像 采集单元采集人体的动作外形，采集到的数据通过CAN或USB转以太网的方式传送至计算 机中进行分析；计算机中集成的分析软件对所有单元的同步数据有机集成，通过计算机的外接设备可 构建人机界面，在计算机中建立人体的综合运动模型，进行数据的对比性分析和关联耦合 性分析，提取人体运动过程中的共性特征和个性特征数据；计算机中集成的分析软件具有 统一的模板，可定制的采集模式和单元通道数选择，在实现所有单元同步集成的基础上，各 单元也可以独立采集数据；集成分析软件中建立人体综合生物信息特征数据库，为相关理 论研究和应用开发提供数据平台；集成分析软件中提供数据导出接口，供第三方软件使用； 集成分析软件中预留标准文本数据导入接口 ，可以获取第三方仪器采集的数据进行分析。
全文摘要
本发明公开一种多参数生物信息测试平台及测试方法，以运动人体为测试对象，同步采集各环节运动学参数、人体与支撑面宏观作用力、足底压力分布特征、身体肌群生物电信息等，并监测人体心肺机能动态变化特征，为相关研究和应用提供理论和平台支撑。本发明包生物测试通道和集成分析软件，测试通道包括同步时钟服务器、步态触觉信息测试单元、表面肌电采集单元、高速影像采集单元、加速度/角度测试单元、心率/脉搏测试单元。在一台中心计算机统一控制下，各子功能仪器经以太网接口实现互联，经时钟同步服务器实现各参数时域精确同步形成综合测试平台；各单元设备也可配置自主分析软件和人机接口，形成独立仪器。为步态分析、体育科研、运动机能与健康评估、基础试验等方面提供一种多源生物信息获取集成测试装置和测试方法。
文档编号A61B5/0205GK101692977SQ20091018485
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者周旭, 孙向阳, 孙怡宁, 戚功美, 杨先军, 潘磊 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院;