一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统和方法与流程

本发明涉及传感测试领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明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，本发明采取的技术方案是：

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，本发明的优点在于：

(1)本发明的一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统，包括光纤传感测试模块和电压力传感测试模块，其中光纤传感测试模块能够得到被测试者关节、心脏、手腕、脚踝、脚底等处所产生的压力变化，且该变化能够全面的反应被测试者在测试时的步态信息以及心跳等信息，并将光纤传感测试模块得到的压力数据、电压力传感测试模块得到的压力数据进行比对，以得到较准确的压力结果，同时，由于光纤传感测试模块所采集的信号为光信号，不受电磁干扰，能够排除外部环境的影响，准确度较高，同时，根据实时数据绘制坐标轴，根据坐标轴的变化能够准确获知患者在测试过程中的步态是否正常，有较强的直观性，为机器运动，医疗康复等领域提供有效的数据。

附图说明

图1为本发明实施例中基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统的结构示意图；

图2为光纤光栅传感单元数据传输的结构示意图；

图3为电压力传感单元数据传输的结构示意图；

图4为本发明实施例中基于光纤光栅和压力传感器的步态测试方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供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，光信号处理模块，电压力传感测试模块和数字信号处理模块。

光纤传感测试模块通过光信号处理模块与数字信号处理模块连接，电压力传感测试模块与数字信号处理模块连接，上位机软件测试分析模块与数字信号处理模块连接。

参见图2所示，光纤传感测试模块固定于被测试者相应之处(通常为关节、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)，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数据信息，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。

参见图3所示，电压力传感测试模块固定于被测试者相应之处(通常为脚底，能够直接产生纵向压力之处)，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。

上位机软件测试分析模块用于接收、显示、存储并分析光信号波长漂移数据和压力数据信息。

本实施例中的，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力传感器。在实际使用中，光纤光栅传感单元和电压力传感单元的数量根据实际需要设置，本实施例中，光纤光栅传感单元的数量为四个，且选用光纤光栅传感器，电压力传感单元的数量为两个，每个单元包含两个电压力传感器和信号输出电路。

在实际使用中，将光纤光栅传感单元和电压力传感单元固定在被测试者所需要测试的部位后，被测试者开始匀速运动，光纤光栅传感单元和电压力传感单元将各自所采集的数据实时传输给上位机软件测试分析模块。

由于光纤光栅传感单元能够得到被测试者心脏、脚踝、关节、足底、等处因运动而产生的压力变化，且该变化能够全面的反应被测试者在测试时的步态信息以及心跳等信息，并将光纤光栅传感单元得到的压力数据、电压力传感单元得到的压力数据进行比对，以得到较准确的压力结果，排除外部环境的影响，同时，根据实时数据绘制坐标轴，根据坐标轴的变化能够准确获知患者在测试过程中的步态是否正常，精确度较高。

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。

光纤光栅传感器利用内部光信号的波长因外部应力作用而发生漂移的原理，当被测试者运动时，固定有光纤的身体部位肌肉产生伸缩，对光纤产生应力作用，光纤光栅传感器内部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，探测器单元用于将所述光信号对应的解调成电压信号并输出至数字信号处理模块。

在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场(主要是应力和温度)的作用下，对光波进行调制，得到调制光波；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射(或透射)，经由连接器进入接收通道而被探测器单元接收、解调并输出。由于探测器单元接收的光波包含了外场作用的信息，因而探测器单元对光波进行分析，可以检测出光波相对应的光谱相关变化，由此可获得外场信息的细致描述。

参见图2所示，具体为：在传感过程中，光源发出的光信号进入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器内部的传感光栅对光信号进行调制，在外力的作用下光信号(与光纤光栅传感器不受外部应力时的波长值相比)波长发生漂移，通过传感光栅反射被探测器单元接收解调并输出至数字信号处理单元。

光纤光栅传感器置于被测者脚底时，由于脚底与地面周期性的按压时，光纤光栅传感器内部的光信号波长随着按压会发生周期性的波长漂移，并且按压力度不同，波长漂移的幅度不同，通过观察测试波长的漂移幅度，可以判断被测试者的步态特征。

光纤光栅传感器置于被侧者双下肢、脚踝、关节时，当被测者在运动时，其相应之处的肌肉会随着运动而发生周期性的伸缩，肌肉伸缩会导致光纤光栅传感器的光信号波长发生漂移，并且肌肉的位置和伸缩幅度不同，波长漂移的幅度不同，通过观察测试波长的漂移幅度，可以判断被测试者的步态特征。

参见如图3所示，电压力传感器用于实时采集被测试者运动过程中足底压力，并将采集的压力数据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存储并分析压力数据，同时，根据压力数据绘制坐标图像，以便于观察步态特征的变化。

在实际测试时，四路电压力传感器分别固定在被测试者双足的前脚掌和后脚跟，被测试者在运动时，双脚与地面周期性的按压。当电压力传感器受到挤压时，自身阻值会增大，其检测电路输出的模拟电压值会随着压力增大而增大。

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。

该算法处理步骤如下：通过前期测试校准得到压力传感器的电压值和压力值之间的关系表达式y1＝a1×x1+b1，x1为采集电压值，a1、b1为已知系数，当ad采集单元采集到模拟电压值并转换成数字信号后，带入上述关系表达式，实时计算出对应压力值y1。

上位机软件测试分析模块还用于将光纤传感测试模块所采集的数据与电压力传感器测试模块所采集的数据进行比对，以不同的物理量反应被测试者步态运动，并根据比对结果选择出结果较准确的数据。

参见图3所示，数字信号处理单元用于对ad采集以后的模拟电压信号进行算法处理，电压力传感单元将压力值转变成电压值后需要进行校准还原，因此需要利用数字信号处理单元中的高速现场可编程逻辑门阵列fpga、高速数字信号处理芯片dsp和高速存储芯片ddr3来对实时的数字信号进行处理。fpga利用内部的缓冲器和高速总线将数据存储至ddr3，dsp将fpga存储在ddr3内的数据读取出来，进行算法处理，处理完毕后将数据传输至ddr3存储，fpga再将dsp存储在ddr3内的数据读取出，传输至usb传输单元。当fpga将数据存储至ddr3完毕后，可以继续接收4路ad传输来的数字信号，dsp处理完一次数据，存储至ddr3后，继续读取fpga存储在ddr3上的新的数据。

上位机软件测试分析模块将电压力传感单元测试平台和光纤传感测试平台上传的数据进行归类解析后，在坐标轴上分别绘制出经过解析后的电压力传感单元测试平台上传的数据得出压力和模拟电压值，以及光纤传感测试平台上传的压力和波长漂移值，并保存。

参见图4所示，本发明还提供一种光纤和电压力传感的步态测试方法。

该方法包括以下步骤：

s1、前期准备：

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：将不同重量的标准砝码(1kg、2kg、5kg、10kg、20kg、50kg、100kg)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：将标准砝码(1kg、2kg、5kg、10kg、20kg、50kg、100kg)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。

s2、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。

s3、使带有光纤传感测试模块，电压力传感测试模块的受试者在测试平台上以3～6km/h(本实施例中为5km/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采集的信号。

s4、将光纤光栅传感器和压力传感器所采集的信号实时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对上述数据进行存储和分析。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。