專利名稱：步態(tài)分析的制作方法
步態(tài)分析本發(fā)明涉及分析步態(tài)的方法和系統(tǒng)。分析步態(tài)時經(jīng)常期望普遍地監(jiān)測步態(tài)模式，即，與依靠對象在攝像機(jī)前踏車上(treadmill)行走形成對比，在對象的自然的環(huán)境中監(jiān)測步態(tài);漠式。 已知的普遍的步態(tài)分析系統(tǒng)通常將傳感器放置在對象的腳踝、膝部或腰 部，目的在于根據(jù)腿部運(yùn)動記錄步態(tài)模式。然而，由于傳感器位置的不同， 這些系統(tǒng)往往不能提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果或需要大量的校準(zhǔn)來測定可預(yù)測 的步態(tài)模式，例如在受傷后不正常的步態(tài);漠式。發(fā)明人令人驚訝地發(fā)現(xiàn)使用放置在對象頭部的加速計(jì)，例如使用耳 機(jī)，可執(zhí)行有效的步態(tài)分析。這樣的耳機(jī)可被普遍地佩戴，并可例如在傷 后恢復(fù)的研究中或有關(guān)運(yùn)動的研究中，為步態(tài)分析提供對象的步態(tài)的準(zhǔn)確 的測量結(jié)果。本發(fā)明在獨(dú)立權(quán)利要求1和10中提出。另外，本發(fā)明的實(shí)施方式的 可選擇的特征在剩余的權(quán)利要求中提出。分析可包括通過將由檢測的頭部加速度得到的特征波形(signature)與 一個或更多基線(baseline)特征波形比較，測定步態(tài)模式的確定的類型。分 析還可包括通過存儲由加速度信號得到的特征波形，監(jiān)測對象的步態(tài)才莫式 的歷史發(fā)展，并將以后的特征波形與一個或更多存儲的特征波形比4支(因 此存儲的特征波形起基線的作用)。優(yōu)選地，加速度傳感器在對象處于直立的姿勢時，在基本上垂直的方 向感測頭部加速度。認(rèn)為此過程在對象行走或跑步期間，其腳部對地面沖 擊時，測量了通過脊柱傳播到頭部的沖擊波。加速度傳感器可以用多種方式安裝在頭部，例如其可在放置在外耳內(nèi) 的耳機(jī)中，在耳附近和耳后佩戴的助聽器樣式的夾子(clip)中，或在佩 戴在耳垂上的耳夾或耳環(huán)中?？蛇x擇地，加速度傳感器可固定到另外形式的頭部用具(gear)，例如，頭巾或帽子、助聽器或眼鏡，且加速度傳感器可 在某些應(yīng)用中通過外科手術(shù)片直入?？墒褂枚喾N技術(shù)，例如傅立葉變換或小波分析，由加速度信號得到特 征波形。特征波形可以多種方式分析，如下面更加詳細(xì)地描述的，所述方 式包括計(jì)算特征波形的熵、將熵用作自組織映射(SOM)或時空自組織映 射(STSOM)的輸入。本發(fā)明的示例性的實(shí)施方式現(xiàn)參考附圖描述，其中

圖1A至C示意性地顯示了將加速度傳感器附于對象的頭部的多種不 同的方式；圖2A至C顯示了利用本發(fā)明的實(shí)施方式獲得的、對象受傷之前和之 后以及恢復(fù)后的加速度數(shù)據(jù)；以及圖3A至C顯示了相應(yīng)的傅立葉變換的曲線。圖1A至C示出了用于測量頭部加速度的加速度傳感器的三種不同的 殼體(housing) (A:耳塞；B:耳后夾；C:耳夾或耳環(huán))。在殼體內(nèi)設(shè)置加 速度傳感器，耦合到用于將加速度信號傳輸?shù)椒治鲞@些信號的處理單元的 裝置。另外，如下面所詳細(xì)描述的，殼體也可容納用于處理這些加速度信 號的裝置。此處理的結(jié)果隨即或者傳輸?shù)教幚韱卧獊磉M(jìn)一步處理，或者可 存儲在數(shù)字存儲裝置，比如殼體內(nèi)的閃存上。盡管圖1A-C顯示了將加速 度傳感器安裝在對象的耳部上的不同的方式，^^將傳感器安裝在頭部的可 選擇的裝置也是可以構(gòu)想的，例如安裝在頭巾或帽子上，或結(jié)合在一副眼 鏡或頭戴耳機(jī)中。加速度傳感器可沿著一個或更多軸，例如當(dāng)對象站直時與水平線對準(zhǔn) 的軸以及與垂直線對準(zhǔn)的軸，測量加速度。當(dāng)然，也可使用三軸的加速計(jì)。應(yīng)理解，殼體也可容納更多的運(yùn)動傳感器，比如回轉(zhuǎn)器(gyroscope)或 滾珠(ball)或杠桿開關(guān)傳感器。此外，使用任何類型的運(yùn)動傳感器來測定頭 部運(yùn)動的步態(tài)分析也是可以構(gòu)想的。圖2A至C顯示了如所描述的佩戴的這樣的加速度傳感器的兩軸的每 軸的輸出，用深色跡線(trace)顯示水平分量而用較淺的跡線顯示垂直分量。 圖2A至C中曲線圖的y軸顯示了以任意單位測量到的加速度，而x軸表 示以50Hz的取樣頻率的連續(xù)的樣本。跡線的循環(huán)特征清楚地表明，每幅 圖都顯示了幾個腳步(footstep)循環(huán)。本實(shí)施方式使用頭部加速度的垂直分量(圖2A至C中較淺的跡線) 來分析步態(tài)。認(rèn)為此加速度信號代表在行走或跑步期間，腳部沖擊J4面時， 沿脊柱向上傳播的沖擊波。此沖擊波已被發(fā)現(xiàn)富有關(guān)于對象的步態(tài)才莫式的化息。例如，對于健康的對象，正如在顯示健康的對象的加速度跡線的圖2A 中可看到的，步態(tài)模式往往是高度地重復(fù)的。相比之下，在顯示腳踝受傷 后的對象的加速度跡線的圖2B中，可以看到受傷后，特別是對于垂直加 速度(較淺跡線)，加速度跡線變得更加多變。認(rèn)為這種情況與當(dāng)對象用 傷腿行走時的保護(hù)行為有關(guān)，例如對象將腳放下時腳趾先著地而不是腳跟 先著地，隨后進(jìn)行如正常行走時腳步的起伏。圖2C顯示了來自相同的對象的恢復(fù)后的加速度跡線，很顯然，規(guī)律 性的重復(fù)特征，特別是垂直加速度跡線的重復(fù)特征已被恢復(fù)?；谏厦娴陌l(fā)現(xiàn)，代表受傷的步態(tài)模式的測定(或者， 一般地，不同 于基線步態(tài)模式的步態(tài)模式的測定)可通過對上述的加速度信號的適當(dāng)?shù)?分析而實(shí)現(xiàn)。在一個實(shí)施方式中，使用傅立葉變換分析垂直的加速度信號， 例如，使用具有1024個樣本的滑動窗口的快速傅立葉變換(FFT )算法計(jì) 算垂直的加速度信號。不正常的步態(tài)模式可隨即根據(jù)頻率含量測定。圖3A至C顯示了圖2A至C的各自加速度測量結(jié)果的FFT。 y軸以 任意單位為單位而x軸以(25/512 ) Hz，即，約0.05Hz為單位。盡管FFT 的能量的絕對值(沿y軸作圖)將依賴于以下因素比如與通過脊柱傳播 的沖擊波相關(guān)的加速度傳感器的精確方向和加速度傳感器在頭部的位置， 以及步態(tài)的整個步調(diào)，但曲線清楚地包含了關(guān)于不同頻率下的FFT的能量 的相對量值中的步態(tài)模式類型的信息。很顯然FFT峰的相對量值已經(jīng)改變。如可從圖3A中看到的，健康的對象的加速度信號的FFT顯示了多個
衰減的諧波。相比之下，腿傷數(shù)據(jù)(圖3B)顯示了更廣泛的頻率含量，在這些頻率含量中頻譜沒有圖3A的明確定義的峰，且不一致的諧波指示不 正常的步態(tài)。圖3C顯示了相同對象恢復(fù)后的加速度數(shù)據(jù)的FFT,且可看 出，很大程度上，傷前模式已經(jīng)恢復(fù)。概括來說，指示步態(tài)模式的特征波形可由加速度數(shù)據(jù)得到，并用以將 步態(tài)模式分類為例如由以上數(shù)據(jù)表明的上述正常的或受傷的步態(tài)才莫式。在 上面的實(shí)例中，特征波形為傅立葉變換。應(yīng)理解，計(jì)算特征波形的其他的 方法同樣地可以構(gòu)想。例如，可利用小波分析計(jì)算特征波形，例如通過傳 遞經(jīng)過小波變換(例如， 一階Debauchies)的數(shù)據(jù)，并隨即使用變換后的 數(shù)據(jù)作為例如SOM的分類器的輸入。例如，只有小波變換的第一個高頻 分量可用來作為分類器的輸入。一旦特征波形如上面描述的被得到，其可被自動地分析以便測定步態(tài) -漠式中的改變。 一方面，期望測定所述步態(tài)才莫式是否接近期望的步態(tài);漢式。 例如在訓(xùn)練運(yùn)動員方面，這非常有用。為了此目的，獲得從對象例如運(yùn)動 員的加速度數(shù)據(jù)得到的特征波形，并與從代表期望行為的基線數(shù)據(jù)獲得的 基線特征波形比較。作為結(jié)果的信息可隨即用以在運(yùn)動員的訓(xùn)練時幫助運(yùn) 動員，例如幫助長跑運(yùn)動員調(diào)整其腿部的運(yùn)動。另一方面，期望使用上面的分析來測定對象隨著時間過去的改變。例 如，這在普遍的健康監(jiān)測方面非常有用，在普遍的健康監(jiān)測中，病人的步態(tài)^^莫式可^皮監(jiān)測，這l"吏得到當(dāng)測定出指示損傷的步態(tài)^t式的改變時，可告 知醫(yī)生或保健專業(yè)人員。例如，可用來測定特征波形中的改變的一種測量方法是計(jì)算特征波形 的熵。在參考圖3A至C描述的FFT的實(shí)施例中，很明顯受傷數(shù)據(jù)的熵值 會遠(yuǎn)大于正常數(shù)據(jù)的熵值。一種比較并分類特征波形的方法是將特征波形用作自組織映射 (SOM)的輸入。例如，在前四個諧波處的FFT的能量可用作SOM的輸 入矢量。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將意識到SOM對于數(shù)據(jù)分析和分類的作用， 且如上所述的分析特征波形的SOM的實(shí)現(xiàn)完全是本領(lǐng)域的普通:^支術(shù)人員 力所能及的。簡要地，在用來允許SOM確定的足夠長時間的訓(xùn)練期間， 向SOM提供由上面描述的特征波形得到的輸入矢量。隨后，SOM的輸出 單元的啟動可隨即用來將數(shù)據(jù)分類。例如，已發(fā)現(xiàn)在來自圖2和圖3的對 象的訓(xùn)練過的SOM數(shù)據(jù)可在受傷前啟動單元的第一子集而在受傷后啟動 單元的第二子集。在上述的實(shí)施方式中，使用滑動窗口 FFT計(jì)算了特征波形。同樣地， 作為結(jié)杲的特征波形將隨時間變化，這使得SOM的多于一個的單元將隨 時間的過去而被啟動。如果期望分析由特征波形得到的輸入矢量的隨時間 變化的特征，則可使用在此作為引用而并入的共同未決專利申請 WO2006/097734中描述的可選擇的分析技術(shù)。所述申請描述了下面稱為時 空SOM ( STSOM)的SOM的一種配置，其中，依賴于第一層SOM的輸 出的時間變化的測量，向第二層SOM供給測量原始輸入矢量中的特征的 時間變化的變換后的輸入矢量。如在常規(guī)的SOM中，第二時間層SOM的 輸出可隨即用來基于時間結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。簡要地，使用STSOM對數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分類包括(a) 定義指示在時間窗口內(nèi)的傳感器信號的時間變化的選^^奪變量；(b) 定義選擇變量的選擇標(biāo)準(zhǔn)；(c )將選擇變量的值與選擇標(biāo)準(zhǔn)比較以選擇自組織映射的輸入表示， 并根據(jù)所選擇的輸入表示從時間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)樣本得到輸入；以及(d)相應(yīng)于所選擇的輸入表示法，將輸入應(yīng)用于自組織映射并基于 自組織映射的得到的輸出單元，對數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分類。例如，選擇變量可基于SOM的輸出單元的時間變化性計(jì)算。訓(xùn)練STSOM可包括(a )計(jì)算代表時間窗口內(nèi)的動態(tài)數(shù)據(jù)記錄的特征的時間變化的所得到 的表示；(b) 將所得到的表示用作第二自組織映射的輸入；以及(c) 根據(jù)訓(xùn)練算法，更新自組織映射的參數(shù)。訓(xùn)練可能包括基于時間變化的測量將訓(xùn)練數(shù)據(jù)劃分為靜態(tài)記錄和動 態(tài)記錄的預(yù)備步驟。訓(xùn)練STSOM和將其用于分類的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可在上述的公開的專利申請中找到。應(yīng)理解，上面描述的實(shí)施方式的傳感器信號也可用于人的姿勢分析及 /或行為識別。另外，上面描述的系統(tǒng)可以是傳感裝置的身體傳感器網(wǎng)絡(luò)的 主要部分，其中在身體上分布的多種傳感裝置通過無線通信鏈路連接。
權(quán)利要求
1. 一種分析步態(tài)的方法，包括測量表示步態(tài)被分析的對象的頭部的加速度的信號，以及將變換應(yīng)用于所測量到的信號以計(jì)算表示所述對象的所述步態(tài)的步態(tài)特征波形。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包^fe將所述步態(tài)特征波形與基 線特4i波形比41以測定其間的差別。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中一個或更多的特征波形隨著時間 的過去被存儲以及所述基線特征波形表示一個或更多存儲的特征波形，以 便監(jiān)測隨著時間的過去所述步態(tài)特征波形中的改變。
4. 如權(quán)利要求l、權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的方法，其中當(dāng)所述 對象處于直立的姿勢時，測量到的特征波形代表在基本上垂直的方向上的 力口速度。
5. 如先前的權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述變換為傅立葉 變換。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述特征波形包括前n個諧波的 能量的值。
7. 如權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述變換為小波分析。
8. 如先前的權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述特征波形用作 自組織映射或時空自組織映射的輸入。
9. 如先前的權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，包括計(jì)算所述特征波形 的熵，并使用計(jì)算得到的熵比較特征波形。
10. —種步態(tài)分析系統(tǒng)，包括加速度傳感器以及分析器，所述加速度 傳感器安裝在適于固定到人的頭部的傳感器殼體中，所述分析器可操作地 耦合到傳感器并可操作以接收表示來自頭部加速度的輸出，且對所述頭部 加速度應(yīng)用變換來計(jì)算表示步態(tài)模式的步態(tài)特征波形。
11. 如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其一步包括可操作以將所述特征波形 與基線特征波形比較以便測定其間的差別的比較器。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括存儲器，所述存儲器用 于存儲其中基線代表一個或更多存儲的特征波形的一個或更多特征波形， 以使得所述比較器可用來監(jiān)測隨著時間的過去所述特征波形的改變。
13. 如權(quán)利要求10至12的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所迷殼體適于被 安裝，以使得當(dāng)所述對象處于直立的姿勢時，所述輸出表示在基本上垂直 的方向上的頭部加速度。
14. 如權(quán)利要求10至13的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其^^皮包括在所述殼體中。
15. 如權(quán)利要求10至14的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述殼體包括耳塞、耳后夾、耳環(huán)、耳夾、助聽器或一副眼^:。
16. 如權(quán)利要求10至15的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所迷殼體被固定 到頭巾、帽子或其他的頭部用具。
17. 如權(quán)利要求10至16的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所迷變換為傅立 葉變換。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述特征波形包括前n個諧波 的能量的值。
19. 如權(quán)利要求10至16的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所迷變換為小波 分析。
20. 如權(quán)利要求10至19的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括另外的 分析器，所述分析器包括可操作以接收作為輸入的所迷特征波形的自組織 映射或時空自組織映射。
全文摘要
一種用于通過在垂直方向測量頭部加速度來分析對象的步態(tài)模式的方法和系統(tǒng)。系統(tǒng)包括安裝在對象頭部的加速計(jì)。分析包括根據(jù)加速度數(shù)據(jù)計(jì)算特征波形，使用傅立葉變換，包括第一個諧波的能量以及將特征波形與基線特征波形比較。基線特征波形是以前存儲的特征波形的代表。完成比較以便隨著時間的過去監(jiān)測步態(tài)特征波形的改變。特征波形的熵可用以執(zhí)行比較。自組織映射用來將測量到的步態(tài)信號分類。
文檔編號G06K9/00GK101394788SQ200780007944
公開日2009年3月25日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月2日
發(fā)明者盧秉禮, 楊廣中 申請人:帝國創(chuàng)新有限公司