阅读说明：本技术 四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置及方法 (Four-degree-of-freedom dynamic balance capability test device and method under human body electrical stimulation ) 是由 周籽佑 陈凯 毛文泽 于 2020-03-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置及方法。本发明包括摆动台、摆动机构、下护板、上护栏、触控平台、电流发生器。对摆动台进行进行复位,从电流发生器中产生电流,摆动台摆动过程中通过传感器得到测试周期内所有时刻的压力中心的坐标信息,将周期内所有时刻的压力中心的坐标信息输出,通过小波分解转换为不同尺度下的小波信号并进行功率谱密度分析,根据功率谱密度图判断病患的患病状况。本发明适用范围广泛在保证强度的要求下,结构简单,容易操作,设备轻便,成本低。本发明能实现四自由度摆动且有电流刺激功能,满足更多的人体平衡实验所要求的实验条件；同时提供有效可靠的人体压力中心摆动信号处理与分析办法。(The invention discloses a four-degree-of-freedom dynamic balance capability test device and method under human body electrical stimulation. The invention comprises a swing table, a swing mechanism, a lower guard plate, an upper guardrail, a touch platform and a current generator. Resetting the swing table, generating current from the current generator, obtaining coordinate information of pressure centers at all times in a test period through a sensor in the swing process of the swing table, outputting the coordinate information of the pressure centers at all times in the period, converting the coordinate information into wavelet signals under different scales through wavelet decomposition, performing power spectral density analysis, and judging the illness state of the patient according to a power spectral density diagram. The invention has wide application range, simple structure, easy operation, light equipment and low cost under the requirement of ensuring the strength. The invention can realize four-degree-of-freedom swing and has a current stimulation function, thereby meeting more experimental conditions required by human body balance experiments; and meanwhile, an effective and reliable human body pressure center swing signal processing and analyzing method is provided.)

四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置及方法

技术领域

本发明属于动态检测设备技术领域，涉及一种四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置及方法。

背景技术

脑卒中，又称脑血管病，是一种发病急、后遗症严重的脑血液循环障碍的临床合症。众多研究报告显示，脑卒中具有发病率高、致死率高和致残率高的“三高”特点，传统意义上多发于40岁以上的中老年人群，而近年来有发病年轻化趋势。脑血管病患者可发生意识障碍和肢体瘫痪等症状，是目前人类致死致残的最主要原因之一。因此预防跌倒，评估病患的平衡控制能力有非常重要的现实意义。目前市面上测试脑卒中类患者的平衡能力普遍采用三维测力平台系统进行评估。

其中电刺激是电疗中采取的一种常用的手段，电疗利用不同类型电流治疗疾病，是物理治疗方法中最常用的方法之一。在临床上常用低频脉冲电流治疗周围神经疾病、各种肌肉萎缩、中枢神经功能失调从而改善人体的平衡能力。对患者进行电刺激后平衡能力改善程度的评价非常重要，能够为临床治疗提供参考。目前市面上还没有满足要求的设备，且大部分平衡测试台的摆动的自由度少，不能很好满足测试要求，这就使得研制一台价格低廉，自由度高的实验平台非常有必要。

发明内容

本发明的目的就是提供一种四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置，包括摆动台(1)、摆动机构(2)、下护板(3)、上护栏(4)、触控平台(5)、电流发生器(6)；所述的摆动台(1)表面光滑，其内部封装了四个力传感器，排列于四个角；在摆动台(1)下设置有一块铝合金钢板，用螺栓与摆动台(1)铆接，铝合金钢板下表面连接有摆动机构(2)；护栏由上护栏(4)和下护板(3)两部分组成，其中上护栏(4)由钢制圆管组成三面围栏，下护板(3)是带有底板的用铝板围制的三面挡板，且下护板(3)的三面挡板上焊接有与上护栏(4)中钢制圆管围栏相配合的钢管，使得上护栏(4)的钢管能够插入下护板(3)，从而起到方便拆卸的作用，在上护栏顶部设置有用于绑安全带的钢管结构(4-1)；上护栏上还设置有抓手(4-2)；整个摆动机构和护栏用四个置于底板四个角位置的万向调节脚支撑；所述的电流发生器(6)与触控平台(5)置于摆动台(1)与护栏的侧边，其中电流是通过安装于触控平台下方的电流发生器(6)产生，且通过触控平台(5)上方的触摸式屏幕进行控制，通过触控平台调节产生的电流的强度大小与刺激时间，同时触控平台还能控制摆动台(1)的摆动方向和摆动时间；触控平台是用四个布置于平台底部四个角的万向调节脚支撑于地面的。

进一步的，所述的摆动机构(2)包括转接台(2-1)、伺服电动推杆(2-2)和传动装置(2-3)，四个伺服电动推杆(2-2)与四个传动装置(2-3)配合连接，分别设置在正方形的摆动台(1)下方对应的四条边上；转接台(2-1)的上表面与铝合金钢板下表面相连接；

转接台(2-1)是通过法兰盘(2-1-2)将限位器(2-1-3)与球面轴承座(2-1-1)连接组成，起到支撑作用，同时确保测力台的多自由度摆动；传动装置(2-3)包括八个硅胶脚(2-7)与四根连杆，八个硅胶脚分别对应设置在四根连杆的两端；其中位于连杆上方的四个硅胶脚用螺丝铆接在铝合金钢板下表面，且分别置于铝合金钢板下表面四条边中间位置，距离边缘处5-10cm；位于连杆下方的四个硅胶脚与四根连杆通过万向节铰链，且设置在底板上表面，具体设置在底板四条边靠左位置，距离边缘处5-10cm；四个连杆一端通过鱼眼轴承(2-5)与伺服电动推杆(2-2)相连接，伺服电动推杆(2-2)的另一端通过支撑座(2-6)连接到底板上，且位置布置于底板的四个角，用螺丝螺母固定。

进一步的，所述的触控平台(5)和电流发生器(6)的型号分别为Micorsoft/微软SurfacePro7和DPS-305CF。

进一步的，本发明装置工作过程如下：

工作时，伺服电动推杆(2-2)在驱动电机(2-4)的驱动下实现伸缩运动，从而带动传动装置(2-3)转动，并通过控制摆动台的四个伺服电动推杆做不同状态的运动，实现摆动台不同运动方式，具体是：当要求实现摆动台前后方向摆动时，此时摆动台的左右两个伺服电动推杆不工作且保持在复位状态即推杆伸长到最大伸长长度的一半，其中位于前部的电动推杆在驱动电机的驱动下缩回到气缸内，位于后部的电动推杆伸长，从而使得摆动台向前倾；当前部电动推杆缩回到极限位置时，后部的电动推杆此时也伸长到了极限位置；然后前部电动推杆由缩变伸，后部电动推杆由伸变成缩，从而实现摆动台由前倾转变为后倾；前后电动推杆循环的做上述运动可以实现摆动台前后方向周期性摆动；和前后摆动一样的原理，通过控制左右两个电动推杆的一伸一缩可以实现摆动台左右方向周期性摆动。

四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤1、接通总电源让动态摆动台(1)和电流发生器(6)通电，操作触控平台(5)上方的触摸式屏幕，对动态摆动台(1)进行复位，使得摆动台处于水平位置；此时摆动台处于参考坐标系(X,Y,Z)中；测试者站立于平衡台上，且对测试者的身体上指定位置粘贴从电流发生器(6)引出的电极片，在触控平台(5)上选择电刺激挡位对测试者进行指定强度的电刺激；

所述的电刺激挡位一共二十挡，电流从小到大依此是一挡到二十挡，每增加一个挡位电流大小增加0.1mA，其中最小挡电流为0.1mA、最大挡电流为2mA；

步骤2、在触控平台(5)上点击“动态M/L”，摆动台左右方向以正弦规律x＝Asinθ摆动；测试者站立于摆动台上，测得此时测试者的实时坐标(X_t1,Y_t1,Z_t1)，其中测试频率500Hz；将该时间段内测得的所有实时坐标(X_t1,Y_t1,Z_t1)作为压力中心点的摆动信号；

步骤3、在触控平台(5)上点击“动态A/P”，摆动台前后方向以正弦规律x＝Asinθ摆动；测试者站立于摆动台上，测得此时测试者的实时坐标(X_t2,Y_t2,Z_t2)，其中测试频率500Hz；将该时间段内测得的所有实时坐标(X_t1,Y_t1,Z_t1)作为压力中心点的摆动信号；

步骤4、触控平台(5)将步骤2和步骤3中得到的所有压力中心点的摆动信号，采用db6小波进行分解，得到d8、d9、a9尺度下的小波分解图；然后计算测试者在d8、d9、a9尺度下分解得到的摆动信号的功率谱密度图；将得到的功率谱密度曲线通过上位机求得在0-1.5Hz的频率范围内与横坐标所包络面积的面积值，通过比较电刺激前后测试者的功率谱密度曲线所包络的面积值大小，判断进行电刺激治疗后测试者的平衡功能是否得到改善。

进一步的，所述的摆动台每5～10秒完成摇摆一次；所述的测试周期为1～3分钟；所述的电动推杆行程为100mm。

进一步的，所述的传动机构各部件间通过螺栓螺母连接。

进一步的，所述的摆动台相对水平面±3°～15°摇摆。

本发明所述的小波分解具体实现步骤为：

设一个平方可积函数为ψ(t)，且将其称之为母函数，把母函数ψ(t)进行伸缩和平移处理得到：

ψ_a,b(t)是小波分解的一个序列，a为伸缩因子；b为平移因子；ψ为母小波。将测试到的试验者的压力中心摆动实时坐标所组成的时域信息设为函数f(t)；f(t)∈L²(R)的连续小波变换为：

W_f(a,b)＝＜f,

利用公式：

进行小波重构得到试验者的压力中心摆动信号的小波分解结果。

本发明转接台是由法兰盘通过限位器与球面轴承座连接组成，起到支撑作用，同时确保测力台的多自由度摆动。本发明护栏是由上下可拆卸的两部分组成。

本发明有益效果如下：

本发明的摆动平台采用电动推杆带动，其中配置于前后的电动推杆能够带动测力台左右方向的摆动，配置于左右的电动推杆可以带动测力台前后方向摆动，摆动的角速度ω和摆动幅度A均可以调节，因此适用范围广泛。直流电源产生的电流的范围为0-8mA，调节量程是0.1mA，且大小是通过控制电脑控制。整个装置在保证强度的要求下，结构简单，容易操作，设备轻便，同时缩短了制造周期，降低成本。摆动装置中间采用镂空设计，既可以防止电动推杆与转接台和挡板发生干涉，又可以减轻重量。在信号的处理上，在采集的测试者压力中心的坐标信息的基础上，通过将压力中心的摆动信号进行小波分析，分解成三个不同小波尺度下的信号，然后利用功率谱密度分析得到各尺度下信号的功率谱密度图；通过对比患者两次压力中心小波分析后的不同尺度下的功率谱密度大小，判断其不同方向扰动下的不同关节平衡调节能力的恢复情况。本发明具有以下优点：1.在保证了平台稳定性和安全性的基础上，提供了一种更精确的测试实验方法；2.平衡台能实现四自由度摆动且有电流刺激功能，能够满足更多的人体平衡实验所要求的实验条件；3.提供了一种有效可靠的人体压力中心摆动信号处理与分析办法。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为摆动机构的结构示意图；

图3为摆动机构中伺服电动推杆与传动装置配合的结构示意图；

图4为摆动机构中转接台的结构示意图；

图5为运动坐标系相对参考坐标系的旋转角度示意图；

图6为实施例中测试者不同方向的扰动下的小波分析图；

图7为实施例中测试者各小波尺度下信号的功率谱密度图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～4所示,四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置，包括摆动台(1)、摆动机构(2)、下护板(3)、上护栏(4)、触控平台(5)、电流发生器(6)，如图1所示；所述的摆动台(1)表面光滑，其内部封装了四个力传感器，排列于四个角；在摆动台(1)下设置有一块铝合金钢板，用螺栓与摆动台(1)铆接，铝合金钢板下表面连接有摆动机构(2)；护栏由上护栏(4)和下护板(3)两部分组成，其中上护栏(4)由钢制圆管组成三面围栏，下护板(3)是带有底板的用铝板围制的三面挡板，且下护板(3)的三面挡板上焊接有与上护栏(4)中钢制圆管围栏相配合的钢管，使得上护栏(4)的钢管能够插入下护板(3)，从而起到方便拆卸的作用，在上护栏顶部设置有用于绑安全带的钢管结构(4-1)；上护栏上还设置有抓手(4-2)；整个摆动机构和护栏用四个置于底板四个角位置的万向调节脚支撑；所述的电流发生器(6)与触控平台(5)置于摆动台(1)与护栏的侧边，其中电流是通过安装于触控平台下方的电流发生器(6)产生，且通过触控平台(5)上方的触摸式屏幕进行控制，通过触控平台调节产生的电流的强度大小与刺激时间，同时触控平台还能控制摆动台(1)的摆动方向和摆动时间；触控平台是用四个布置于平台底部四个角的万向调节脚支撑于地面的。

如图2所示，摆动机构(2)包括转接台(2-1)、伺服电动推杆(2-2)和传动装置(2-3)，四个伺服电动推杆(2-2)与四个传动装置(2-3)配合连接，分别设置在正方形的摆动台(1)下方对应的四条边上；转接台(2-1)的上表面与铝合金钢板下表面相连接；

如图3和4所示，转接台(2-1)是通过法兰盘(2-1-2)将限位器(2-1-3)与球面轴承座(2-1-1)连接组成，起到支撑作用，同时确保测力台的多自由度摆动；传动装置(2-3)包括八个硅胶脚(2-7)与四根连杆，八个硅胶脚分别对应设置在四根连杆的两端；其中位于连杆上方的四个硅胶脚用螺丝铆接在铝合金钢板下表面，且分别置于铝合金钢板下表面四条边中间位置，距离边缘处5-10cm；位于连杆下方的四个硅胶脚与四根连杆通过万向节铰链，且设置在底板上表面，具体设置在底板四条边靠左位置，距离边缘处5-10cm；四个连杆一端通过鱼眼轴承(2-5)与伺服电动推杆(2-2)相连接，伺服电动推杆(2-2)的另一端通过支撑座(2-6)连接到底板上，且位置布置于底板的四个角，用螺丝螺母固定。

所述触控平台(5)和电流发生器(6)的型号分别为Micorsoft/微软SurfacePro7和DPS-305CF。

本发明装置工作过程如下：

工作时，伺服电动推杆(2-2)在驱动电机(2-4)的驱动下实现伸缩运动，从而带动传动装置(2-3)转动，并通过控制摆动台的四个伺服电动推杆做不同状态的运动，实现摆动台不同运动方式，具体是：当要求实现摆动台前后方向摆动时，此时摆动台的左右两个伺服电动推杆不工作且保持在复位状态即推杆伸长到最大伸长长度的一半，其中位于前部的电动推杆在驱动电机的驱动下缩回到气缸内，位于后部的电动推杆伸长，从而使得摆动台向前倾；当前部电动推杆缩回到极限位置时，后部的电动推杆此时也伸长到了极限位置；然后前部电动推杆由缩变伸，后部电动推杆由伸变成缩，从而实现摆动台由前倾转变为后倾；前后电动推杆循环的做上述运动可以实现摆动台前后方向周期性摆动；和前后摆动一样的原理，通过控制左右两个电动推杆的一伸一缩可以实现摆动台左右方向周期性摆动。

基于上述装置，一种四自由度的人体电刺激下动态平衡能力测试装置的测试方法，其步骤如下：

第一步、接通装置总电源让动态摆动平台和电刺激模块通电，操作触摸式触控平台(5)，对摆动台1复位，使得摆动平衡处于水平位置；此时摆动台处于如图5所示的参考坐标系(X,Y,Z)中。测试者站立于平衡台上，且对测试者的身体上指定位置粘贴从电流发生器(6)引出的电极片，在触控平台(5)上选择电刺激挡位对测试者进行指定强度的电刺激(电刺激挡位一共二十挡，电流从小到大依此是一挡到二十挡，每增加一个挡位电流大小增加0.1mA，其中最小挡电流为0.1mA、最大挡电流为2mA)。本次测试中所采用的电流刺激大小为0.5mA。

第二步、在触控平台上点击“动态M/L”，摆动台1左右方向以正弦规律x＝Asinθ摆动。测试者站立于摆动台1上，摆动台1的参考坐标系为(X,Y,Z)，测得此时患者的实时坐标(X_t1,Y_t1,Z_t1)，其中测试频率500Hz，将该时间段内测得的所有实时坐标(X_t1,Y_t1,Z_t1)作为压力中心点的摆动信号。如图5所示，在t时刻下的坐标系相对于参考坐标系产生角度θ＝ωt的改变，θ＝±5°。本次测试中摆动台1摇摆规律为12秒摇摆一次，测试周期为1分钟，共得到3万组坐标信息。

第三步、在触控平台上点击“动态A/P”，摆动台1前后方向以正弦规律x＝Asinθ摆动。测试者站立于摆动台1上，测得此时患者的实时坐标(X_t2,Y_t2,Z_t2)，其中测试频率500Hz；将该时间段内测得的所有实时坐标(X_t1,Y_t1,Z_t1)作为压力中心点的摆动信号。在t时刻下的坐标系相对于参考坐标系产生角度θ＝ωt的改变，θ＝±5°。本次测试中摆动台1摇摆规律为12秒摇摆一次，测试周期为1分钟，共得到3万组坐标信息。

第四步、触控平台(5)将步骤2和步骤3中得到的所有压力中心点的摆动信号，采用db6小波进行分解，得到d8、d9、a9尺度下的小波分解图；然后计算测试者在d8、d9、a9尺度下分解得到的摆动信号的功率谱密度图；将得到的功率谱密度曲线通过上位机求得在0-1.5Hz的频率范围内与横坐标所包络面积的面积值，通过比较电刺激前后测试者的功率谱密度曲线所包络的面积值大小，判断进行电刺激治疗后测试者的平衡功能是否得到改善。如图6所示的两种摇摆条件下d8、d9、a9尺度下的小波分解图。分析测试者在d8、d9、a9尺度下分解得到的信号的功率谱密度图如图7所示。根据小波分解后的功率谱密度图判断病患的患病状况。功率谱密度图中各条线的平均坐标值越小，说明患者重心摆动能量越低，患者的平衡能力越好。通过这种方法可以非常精准的测试出患者在进行电刺激治疗后平衡功能是否得到改善。

所述的测力板每5～10秒完成摇摆一次。

所述的测试周期为1～3分钟。

所述的铝板与底板周围设置有挡板。

所述的挡板采用任意材料的板材。

所述的传动机构各部件间通过螺栓螺母连接。

所述的电动推杆行程为100mm。

所述的直流电源为电流可调控。

所述的测力板相对水平面±3°～15°摇摆。