基于WiiBalanceboard的平衡性检测方法

摘要

本发明公开了一种基于Wii Balance board的平衡性检测方法，经过严格的筛选条件选出合格的受试者进行试验，使用WBB采集受试者实验前后不同姿势的平衡信息并通过matlab程序记录下来。选择相同量的记录数据进行中心化处理，对处理后的数据计算相应的平衡指标，计算完成后得到不同指标的实验前后变动量，再结合受试者的晕动等级变化量进行相关性分析，从而得到不同平衡指标的权重参与总的平衡指标的计算，最后得到总的平衡指标可以科学合理表征平衡性的变动情况。

说明书

技术领域

本发明属于平衡性检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于Wii Balanceboard的平衡性检测方法。

背景技术

视觉诱导晕动(visually induced motion sickness,VIMS)是部分人在观看3D视频时会引起头晕、目眩、恶心等生理不适现象。在3D、虚拟现实(Virtual Reality,VR)等技术飞速发展的当下，这种现象已经成为影响用户体验的极大障碍，因此解决问题成为了当务之急。晕动作为人体的一项生理现象涉及及其复杂的生理反应，目前还没有研究对这一生理现象给与详细的分析说明。晕动的一个显著现象就是人体的平衡性变差，而人的平衡能力是一个复杂的大脑功能。它在人们的日常生活中有着重要的作用并且在一些体育运动中也是重要的竞技比拼，通常优秀的运动员都具有更好的平衡能力。平衡能力对于有平衡性问题的患病者(中风、帕金森疾病等)也是极其重要的，平衡能力受损可能导致跌倒，这是老年人意外死亡的一个主要致病原因。因此研究测量人体的平衡性不管是在VIMS中还是在其他方面都具有重要意义。

在现有技术中，平衡板Wii Balance Board(WBB)是一个非常良好的平衡性测量工具。WBB不仅有非常高的可靠性和精确的灵敏度，而且价格低廉、简单实用。在测试过程中，通过Matlab程序采集平衡板上的压力中心(center of pressure,CoP)和传感器信息等，然后对采集到的信息经过中心化处理，选取理想的时间段数据进行精确的分析。大部分的研究一般采用平均CoP路径速率和平均绝对摇摆距离这两个指标作为衡量平衡性的参数，本发明在这两个指标的基础上提出了另外三个指标：CoP主要域面积(doamin_area)、CoP标准差、CoP速率标准差，总共选了五个受试者进行实验，结果表明本发明提出的三种指标校之前的两个指标有更高的表征能力，都能很好的描述当前受试者经过实验后平衡性明显的变动，结合他们的主观问卷可以更具体的说明受试者的晕动大小情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Wii Balance board的平衡性检测方法，通过五个平衡性指标来判断测试者的平衡性变动，具有简单易行且判断精准等特点。

为实现上述发明目的，本发明一种基于Wii Balance board的平衡性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、通过balance board测量获取平衡信息

对测试者使用Wii Balance board测量不同状态下的身体平衡性，并通过matlab程序记录下人体的压力中心点(center of pressure，CoP)和时间戳，并写入记录文件；

(2)、计算平衡性指标

从记录文件中选取某一状态下1min内所有的CoP点，再计算该状态下的平衡性指标；

(2.1)主要域面积domain_area

求所有CoP点在x、y轴的坐标均值，得到虚拟中心点，再求每一个CoP点到虚拟中心点的距离值；

将所有的距离值从小到大排序并存储在数组sorted_data[]中，以排序后的第k个距离值为半径求圆的面积，得到主要域面积domain_area；

sorted_data[]＝sort(data[])

domain_area＝π×(sorted_data[λ×num])²

其中，sorted()为排序函数，λ是参数因子；

(2.2)CoP标准差std_CoP

计算所有CoP点在x、y轴分量的标准差std_{CoP_x}、std_{CoP_y}，再计算所有CoP点的CoP标准差std_CoP；

其中，n表示CoP点个数，x_i,y_i分别表示第i个CoP点的坐标值，表示虚拟中心点的坐标值；

(2.3)CoP速率标准差

求相邻CoP点的速率vel_i；

其中，dis()是求两点距离函数，time_i是第i个时间戳，vel_i是第i个速率值；

计算CoP速率标准差vel_std：

其中，是所有相邻CoP点的速率的平均值；

(2.4)、平均CoP路径速率vel_mean

(2.5)、平均绝对CoP摇摆距离sway_dis_mean

其中，表示虚拟中心点；

(3)总体平衡性指标balance_index

其中，r_j为各个指标与视觉晕动的相关性系数，index_j为对应的平衡性指标；

(4)、按照步骤(2)和步骤(3)所述方法，计算出测试者其余状态下的总体平衡性指标，再根据各个状态下的总体平衡性指标判断测试者的身体平衡性。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于Wii Balance board的平衡性检测方法，经过严格的筛选条件选出合格的受试者进行试验，使用WBB采集受试者实验前后不同姿势的平衡信息并通过matlab程序记录下来。选择相同量的记录数据进行中心化处理，对处理后的数据计算相应的平衡指标，计算完成后得到不同指标的实验前后变动量，再结合受试者的晕动等级变化量进行相关性分析，从而得到不同平衡指标的权重参与总的平衡指标的计算，最后得到总的平衡指标可以科学合理表征平衡性的变动情况。

同时，本发明基于Wii Balance board的平衡性检测方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明提出的平衡性指标可以从不同方面进行平衡性的衡量，弥补了传统的平衡指标单一的困境，并通过相关性分析有效地结合了各个指标，提出总体指标能更科学合理地衡量平衡性的变动情况。

(2)、本发明的提出极大的促进了平衡板用于科学研究和人民生活，对于此平衡性指标体系的构建，测量平衡性变得简单快捷。平衡板的易用性和娱乐性，深受人们喜爱；结合本发明可以推出简单易用的平衡性检测工具，方便平衡性不佳的患者进行有效地康复治疗，也可以用于体育运动人员的训练检测，极大的有益人们的身体健康，提高人民生活质量。

附图说明

图1是平衡板Wii Balance board的测试装置图；

图2是基于虚拟现实的动态驾驶模拟器示意图；

图3是引起VIMS的评估性实验过程示意图；

图4是实验过程和数据处理流程图；

图5是实验前后不同姿势下CoP点的轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是平衡板Wii Balance board的测试装置图。

在本实施例中，如图1所示，Wii Balance Board(WBB)在测量平衡性上有着优秀的性能和稳定的可靠性，WBB通过蓝牙连接电脑，其采样频率30HZ，在其坚固的平衡板下面有四个压力传感器，位于四角。

测试时，CoP的坐标位置可以通过4个压力传感器计算出来。如图1所示，假设4个压力传感器的受力分别表示为f_TL,f_TR,f_BL和f_BL,(单位：kg)；平衡板的尺寸是W×H(cm)，在本实施例中，取H＝22.8cm，W＝43.3cm。因此，CoP(x,y)的坐标可以通过下式计算：

通常，在指定时间内更小的CoP摆动意味着更好的平衡能力。为了有更好的可重复性，在所有测试我们使用同一设备。

在本实施例中，选五个年轻的健康试验者参与平衡测试。入选标准应按照以下原则：无任何精神病、心理疾病、孕者、精神病史、重大下肢病理、长期药物治疗或者吸毒史、或任何影响站立平衡性的疾病如肥胖症的健康人。最后测试者准备在上平衡板的时候，安静的站立合适的时间(一般为30-40秒)确保他的重心保持在一个相对稳定的水平。

其次，在本实施例中，平衡测量选取六种不同的姿势：双腿睁眼站立(OB)和双腿闭眼站立(CB)、左腿睁眼站立(OL)和右腿睁眼站立(OR)、左腿闭眼站立(CL)和右腿闭眼站立(CR)。要求测试者在六个测试姿势期间双手垂直放在身体的两侧。当参与者进行双腿测试时要求拖鞋并将双脚放在平衡板上面的脚部区域，他们的双手放松的放在身体的两侧，支撑的腿在测试期间要挺直。单腿站立的时候抬起的脚距离平衡板大约10cm,在测试期间抬起的脚和制成的腿期间不能有接触。

下面本发明基于Wii Balance board的平衡性检测方法进行详细说明，包括以下步骤：

(1)、通过balance board测量获取平衡信息

对测试者使用Wii Balance board测量6种状态下的身体平衡性，并通过matlab程序记录下每种状态下人体的压力中心点(center of pressure，CoP)和时间戳，并写入记录文件；

(2)、计算平衡性指标

从记录文件中选取第一种状态(双腿睁眼站立)下1min内所有的CoP点，在本实施例中，WBB的采样频率30HZ，因此会选取1800个CoP点，再计算该状态下的平衡性指标；

(2.1)主要域面积domain_area

主要域面积是针对CoP移动情况，为了排除离群点的偏离误差而提出的一个衡量平衡性的指标，具体计算为：

求所有CoP点在x、y轴的坐标均值，得到虚拟中心点，再求每一个CoP点到虚拟中心点的距离值；

将所有的距离值从小到大排序并存储在数组data[]中，以排序后的第k个距离值为半径求圆的面积，得到主要域面积domain_area；

sorted_data[]＝sort(data[])

domain_area＝π×(sorted_data[λ×num])²

其中，sort()为排序函数，λ是参数因子,取值0.8～1.0，本实施例中取λ为0.9，num是距离值的数据总量；k＝λ×num；

在本实施例中，第k个距离值一般选取所有距离值的80％～100％之间的值，在本实施例中，选取90％处的值；

(2.2)CoP标准差std_CoP

CoP标准差是表征CoP离散情况的指标，该指标也在一定程度上反应平衡能力的好坏。计算方法：计算所有CoP点在x、y轴分量的标准差std_{CoP_x}、std_{CoP_y}，再计算所有CoP点的CoP标准差std_CoP；

其中，n＝1800表示CoP点个数，x_i,y_i分别表示第i个CoP点的坐标值，表示虚拟中心点的坐标值；

(2.3)CoP速率标准差

CoP速率标准差是衡量CoP速率变化快慢的一个指标，速率变化越快说明平衡能力越弱。计算方法：求相邻CoP点的速率vel_i；

其中，dis()是求两点距离函数，time_i是第i个时间戳，vel_i是第i个速率值；计算CoP速率标准差vel_std：

其中，是所有相邻CoP点的速率的平均值；

(2.4)、平均CoP路径速率vel_mean

对所有的CoP点求其顺序相邻的距离之和后再除以时间

(2.5)、平均绝对CoP摇摆距离sway_dis_mean

对所有CoP点与均值点(虚拟中心点)的距离求和再求平均值；

其中，表示虚拟中心点；

(3)总体平衡性指标balance_index

其中，r_j为各个指标与视觉晕动的相关性系数，index_j为对应的平衡性指标；其中，r_j满足：

其中，X_k为样本k的平衡指标变化统计量，Y_k为样本k的晕动等级变动统计量，是各自统计量的平均值；m为受试者不同测量状态下的样本总量；

在本实施例中，选取5个受试者，每个受试者选取2个状态，则m＝10；

(4)、按照步骤(2)和步骤(3)所述方法，计算出测试者其余状态下的总体平衡性指标，再根据各个状态下的总体平衡性指标判断测试者的身体平衡性。

实验验证

如图2所示，建立一个基于虚拟现实的动态驾驶模拟器，它是由一个运动的驾驶室和180°的基于VR情景的投影屏组成，它能够刺激视觉和前庭神经系统产生VIMS。对于VIMS评估设计了一个三段式的实验方案，如图3所示。

第一部分是初始部分，受试者保持一个安静的状态站立在平衡板上，睁眼状态记录1min,闭眼状态记录1min，记录受试者在正常状态下的平衡性状况。

第二部分是VIMS的产生部分，这部分驾驶的是一长段弯曲路段，这很容易引起受试者的晕动症。在驾驶期间受试者的晕动等级会渐渐提升。

第三部分是当受试者感到不舒服时就停止驾驶，停止后对受试者进行平衡测量，受试者依然保持一个安静的站立状态在平衡板上，记录睁眼站立状态和闭眼站立状态各一分钟。

在整个过程中受试者的晕动等级也进行相应的记录通过主观问卷，晕动等级分为五级：正常(0级)、微弱(1级)、一般(2级)、强烈(3级)、无法忍受(4级)。整体实验过程和数据处理流程图如图4所示。

实验测量了五个受试者，我们通过收集的CoP数据模拟出CoP的轨迹图，从而可以更加清楚的看出人体压力中心的变化情况。图5所示是第一个受试者实验前后的CoP轨迹图，图5-a是驾驶之前睁眼测量轨迹图，图5-b是驾驶之前闭眼测量轨迹图，图5-c是驾驶之后睁眼测量轨迹图，图5-d是驾驶之后闭眼测量轨迹图。其他受试者的情况与之类似，通过观察CoP轨迹图我们能明显发现，实验后的CoP轨迹范围较之实验前有明显的增大。因此我们可以肯定的是实验确实对受试者产生了生理影响，从而降低了其平衡能力。

要具体说明平衡能力的变化大小，我们可以通过计算出我们的平衡性指标然后和受试者的主观问卷结合起来说明问题，表1展示了五个指标的平衡数据变动情况。由表1可以看出实验前后受试者的晕动程度有明显差异，而且随着晕动等级的增大，各项平衡指标一般性的会趋向增大，增大的程度会因人而异；当然所有的指标变化并不都是一致的，因为像Domain_area、平均摇摆距离和CoP标准差是从CoP的变动范围层面进行考量，而CoP路径速率和CoP速率标准差是从CoP的速度层面进行考量的。人体平衡性的变化也是从这两个方面来展示的，每个人的变化侧重点不同。一般晕动时，部分人的压力中心可以保持在一个相对稳定的范围，但其CoP速率却会出现较大的波动。001号受试者就是晕动等级出现较大变化时，但范围层面的几个指标仅出现微弱变化，而CoP速率标准差却出现较大变化；而更多的受试者一般在CoP范围和CoP速率变化两个层面变动。另外，我们注意到闭眼状态的晕动级别低于睁眼状态，那是因为实验是先测试受试者的睁眼状态然后是闭眼状态，因此在测量闭眼状态时受试者的晕动情况有所缓解。

表1是受试者的五大平衡性指标变动情况

表1

为了能够更加清楚直观的说明每个受试者实验前后指标的变动大小情况，我们对每组实验前后指标变化进行了比较，结果如表2所示。从表中数据知，当发生晕动时指标数据总体变大。晕动等级是通过问卷调查的形式得到的且每个人晕动感的承受能力不同，因此我们看到指标的变化量和晕动等级不是那么的一致。正如001号的OA-OB状态和002的CA-CB状态所示，虽然二者的指标变化类似但各自晕动的结果却截然不同。因此在本次实验中并不能精确考量客观指标数据和主观感受之间的直接的对应关系，本实验只是通过主观等级来印证我们的客观指标数据确实可以衡量平衡性的变动情况。为了清楚五个指标指示结果的重要性，对五个指标和晕动结果做相关性分析。结果表明Domain_area与晕动等级呈显著性正相关(r＝0.813^**，显著性水平0.01),CoP标准差与晕动等级呈平和正相关(r＝0.562)，CoP速率标准差与晕动等级的相关系数r＝0.483，CoP路径速率与晕动等级的相关系数r＝0.402，平均摇摆距离与晕动等级的相关系数r＝0.365(一般当相关系数r处于0.33到0.7时，我们认为是平和正相关)。因此依据相关性大小对平衡性指标的重要程度排序依次为：主要域面积(domain_area)、CoP标准差、CoP速率标准差、CoP路径速率、平均摇摆距离。另外，根据各指标的相关性大小可以计算一个总的平衡加权指标balance_index，通过它观察平衡性变动情况，进一步判断测试者的平衡性。

表2是受试者的五大平衡指标实验前后数据；

表2

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。