态包含步长、步调、步幅、步宽等，从而提供准确步态数据系统。 在此基础上可以进一步获得相应的人体重心移动轨迹曲线，即通过足底压力在脚底区域的 分布图，计算行走过程中每个时刻的压力的中心点所处的脚底位置，也就是重心在脚底的 投射点，从而得到整个行走过程中的重心投射位置的制动轨迹，更加直观地判定对老年人 的跌倒风险进行预测。
[0046] 所述的数据显示模块可以将采集到各路足底压力信号实时显示在上位机屏幕，同 时可以将计算所得步态数据依次显示，从而对老年人行走的步态品质做一个直观的检测， 在行走品质出现偏差时，预测老年人跌倒的风险值超过设定阈值的时候，给予预警。
[0047] 下面对本发明的操作过程做进一步详细描述：
[0048] 本发明的系统组成框图如图1所示，分为数据采集部分，上位机处理部分和计算 结果三个部分。具体主要分为六个模块，分别为压力传感器模块、信号采集模块、无线传输 模块、上位机处理模块、数据分析模块和数据显示模块六个部分。下面将按此六个模块展开 说明具体的实施方式。
[0049] 对于压力传感器模块，本发明在每一只鞋上布置了六个薄膜传感器，最终薄膜压 力传感器在鞋垫上的布局样式如图2所示。考虑到压力传感器位于脚部位置，因此传感器 厚度要求要小，不能影响正常的行走。由于Flexiforce尺寸很薄，且具有很好的弯曲性能， 将其布置在压力鞋垫本体中进行足底压力测量时，几乎不会影响原来的足底压力分布状 况。因此选择了美国Tekscan Flexiforce的电阻式压力传感器，型号为A201，传感区域直 径为9. 5_，厚度为0. 208_。在此采用6个传感器来检测受力情况，通过导线连接至绑在 腰间的信号采集模块。
[0050] 对于信号采集模块，在运算放大器的选择上也挑选单电源供电、集成度高、低功耗 的元件，还需放大器为单通道电源放大器，具有极低的失调电压、宽信号带宽以及低输入电 压和电源噪声，本设计选择型号为MCP6001的运算放大器。并且通过I/O 口连接到STM32 单片机上。供电电源来自便携式电池供电，并通过电路板中的电源转换模块输出的电源。
[0051] 对于无线传输模块，本发明需要将采集到的数据无线发送给上位机数据处理模 块，这样可以减少测试中的连线问题。蓝牙模块也集成在电路板上，在可穿戴的设备中本设 计对于距离没有很高的要求，所以蓝牙传输满足本设计的要求，蓝牙无线通信协议是公知 常识，方便简单。将数据传到上位机进行处理，在传回PC机的过程串口通过STM32单片机 进行数据交换。在电路板中集成了总多电路模块，串口通信的接口也包含其中，电源转换模 块中需要将电压转换成处理器所需的标准电压，还包含晶振电路等。整个信号采集和无线 传输模块集成在一块电路板上，与电池一起放置在绝缘盒子里，绑在腰间，随着测试者行走 过程中，实时测量采集发送数据回上位机。
[0052] 对于上位机数据处理模块，系统软件流程图如图4所示，依次采集鞋垫传感器系 统中的12个压力传感器的压力信息，然后通过蓝牙传输发送给上位机。上位机将采集到的 多路足底压力数据经同步确定每一路压力信号的时间差和双足交替支撑的时间间隔，从而 确定行走步态的右脚单独支撑时间，双脚支撑时间，左脚单独支撑时间，计算出左右脚支撑 和摆腿的比例。再根据不同压力传感器放置的位置，估算出步长、步调、步幅、步宽等信息， 从而获得准确步态数据系统。
[0053] 对于数据分析模块，系统软件根据采集的信息进一步评估跌倒风险，例如根据现 有预处理所得的时间和空间的步态参数，可以有效地评估左右两边行走是否平衡，支撑过 程是否平衡，在处理数据时，可通过神经网络、模糊控制等方式，从而评估出行走的品质，当 某些指标超出正常人步态参数的范围时，预测测试者跌倒风险较大。除了对步态品质的专 业评估，本发明还添加了更加直观的压力中心投影算法，绘制出相应的人体重心在足底投 影的移动轨迹。人体重心轨迹的变化与足底压力存在密切的关系，根据公式将每一个的压 力传感器的坐标和每一个压力传感器的压力值相乘后进行求和，再将每个计算值加权平均 获得重心的位置坐标，最终可以获得相应的人体重心移动轨迹曲线。压力中心投影算法公 式如下所示：
[0056] Xp y;:第i个压力传感器的坐标值。
[0057] 匕,1:第i个传感器的压力值。
[0058] xOT，心。卩:人体重心移动轨迹的坐标值。
[0059] 人体重心轨迹的变化能够反映更加直观地人体在行走过程中的稳定性，将采集的 压力数据通过压力中心投影算法绘制出人体重心移动轨迹，人体中心移动轨迹不同可以预 测多种典型的跌倒风险。第一，人体在行走过程中，如果重心轨迹不能顺利地从一只脚移动 到另一只脚，说明另一只脚的支撑能力减弱，存在较高的跌倒风险。第二，如果重心轨迹在 一个步态周期不断地在两只脚来回移动，说明此时测试者身体左右晃动幅度较大，平衡能 力较差，存在较高的跌倒风险。第三，如果重心轨迹在某一只脚不能顺次前移，而是反复前 后移动，说明测试者身体前后晃动幅度较大，行走的推进能力不足，存在较高的跌倒风险。 根据这些异于正常步态的信息，该设备可以预测出较高的跌倒风险，从而及时提醒测试者， 稳定行走，减少跌倒的风险。
[0060] 对于数据显示模块，本发明采用MATLAB的⑶I界面设计处理。首先可以实时显示 采集的原始足底多路压力信号，平且区别显示出来。第二，可以显示通过数据分析而得的多 个步态参数值。第三，可以显示本发明提出的人体行走过程中，重心投影轨迹，同时设定各 个参数和轨迹的正常范围阈值，超出阈值给予跌倒高风险预警。
【主权项】
1. 一种用于预测老年人跌倒风险的系统，其特征在于，包括压力传感器模块：用于检 测人体的脚底压力信息；信号采集模块：用于将脚底压力信息转换为电压信号；上位机处 理模块：用于接收电压信号并将其转换为脚底压力数据；数据分析模块：对上位机处理模 块获得的脚底压力数据进行计算分析得到人体步态数据，并通过步态数据评估跌倒风险， 具体为采用人体步态数据与正常人步态数据进行比较，当步态数据超出正常人步态数据范 围时，跌倒风险较大。2. 根据权利要求1所述的一种用于预测老年人跌倒风险的系统，其特征在于，所述系 统还包括无线传输模块：用于将信号采集模块得到的电压信号通过蓝牙传送至上位机处理 丰旲块。3. 根据权利要求1所述的一种用于预测老年人跌倒风险的系统，其特征在于，所述压 力传感器模块包括两个设置有若干压力传感器的鞋垫，每个鞋垫上的压力传感器不少于两 个。4. 根据权利要求3所述的一种用于预测老年人跌倒风险的系统，其特征在于，所述数 据分析模块还能够根据脚底压力数据和步态数据获得人体重心移动轨迹曲线，并通过人体 重心移动轨迹曲线评估跌倒风险，具体为采用用户人体重心移动轨迹曲线与正常人人体重 心移动轨迹曲线进行比较，当人体重心移动轨迹曲线超出正常人人体重心移动轨迹曲线范 围时，跌倒风险较大。5. 根据权利要求4所述的一种用于预测老年人跌倒风险的系统，其特征在于，所述人 体重心移动轨迹曲线通过压力中心投影算法获得，压力中心投影算法公式如下： Μχ=Σγ^211yC0P=Μχ/ΣΡΖι1 My=Σχ^211xC0P=Μγ/ΣΡΖι1 其中，Xi，yi表示第i个压力传感器的坐标值；FZii表示第i个传感器的压力值；XOT，yc〇p表示人体重心移动轨迹的坐标值。6. 根据权利要求3所述的一种用于预测老年人跌倒风险的系统，其特征在于，所述系 统还包括数据显示模块，所述数据显示模块能够实时显示上位机处理模块获得的脚底压力 信息、步态数据以及人体重心移动轨迹曲线。7. 根据权利要求6所述的一种用于预测老年人跌倒风险的系统，其特征在于，所述数 据显示模块中设有预警装置，预警装置中设置有步态数据以及人体重心移动轨迹曲线的正 常范围阈值，当步态数据或人体重心移动轨迹曲线超出对应的正常范围阈值时，预警装置 能够发出跌倒高风险预警。8. -种用于预测老年人跌倒风险的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一：采集人体的脚底压力信息； 步骤二：对脚底压力信息进行计算分析得到人体步态数据，并根据脚底压力信息和步 态数据获得人体重心移动轨迹曲线； 步骤三：采用人体步态数据和人体重心移动轨迹曲线与正常人步态数据和正常人人体 重心移动轨迹曲线分别进行比较，当步态数据或人体重心移动轨迹曲线超出对应的正常范 围时，跌倒风险较大。9. 根据权利要求8所述的一种用于预测老年人跌倒风险的方法，其特征在于，步骤一 中采用两个设置有若干压力传感器的鞋垫采集人体的脚底压力信息，且每个鞋垫上的压力 传感器不少于两个。10.根据权利要求9所述的一种用于预测老年人跌倒风险的方法，其特征在于，所述人 体重心移动轨迹曲线通过压力中心投影算法获得，压力中心投影算法公式如下： Μχ=Σγ^211yC0P=Μχ/ΣΡΖι1 My=Σχ^211xC0P=Μγ/ΣΡΖι1 其中，Xi，yi表示第i个压力传感器的坐标值；FZii表示第i个传感器的压力值；XOT，yc〇p表示人体重心移动轨迹的坐标值。
【专利摘要】本发明公开了一种用于预测老年人跌倒风险的系统及方法，包括压力传感器模块：用于检测人体的脚底压力信息；信号采集模块：用于将脚底压力信息转换为电压信号；上位机处理模块：用于接收电压信号并将其转换为脚底压力信息；数据分析模块：对上位机处理模块获得的脚底压力信息进行计算分析得到人体步态数据，并通过步态数据评估跌倒风险，具体为采用人体步态数据与正常人步态数据进行比较，当步态数据超出正常人步态数据范围时，跌倒风险较大。本发明能够获得老年人摔倒风险数据，方便快捷地预测老年人的步态平衡和跌倒风险。
【IPC分类】A61B5/11
【公开号】CN105286874
【申请号】CN201510740004
【发明人】王萍, 茹锋, 闫茂德, 黄鹤, 赵毅
【申请人】长安大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月3日