本發(fā)明屬于平衡性檢測技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于Wii Balance board的平衡性檢測方法。

背景技術(shù)：

視覺誘導(dǎo)暈動(visually induced motion sickness,VIMS)是部分人在觀看3D視頻時(shí)會引起頭暈、目眩、惡心等生理不適現(xiàn)象。在3D、虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)等技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，這種現(xiàn)象已經(jīng)成為影響用戶體驗(yàn)的極大障礙，因此解決問題成為了當(dāng)務(wù)之急。暈動作為人體的一項(xiàng)生理現(xiàn)象涉及及其復(fù)雜的生理反應(yīng)，目前還沒有研究對這一生理現(xiàn)象給與詳細(xì)的分析說明。暈動的一個(gè)顯著現(xiàn)象就是人體的平衡性變差，而人的平衡能力是一個(gè)復(fù)雜的大腦功能。它在人們的日常生活中有著重要的作用并且在一些體育運(yùn)動中也是重要的競技比拼，通常優(yōu)秀的運(yùn)動員都具有更好的平衡能力。平衡能力對于有平衡性問題的患病者(中風(fēng)、帕金森疾病等)也是極其重要的，平衡能力受損可能導(dǎo)致跌倒，這是老年人意外死亡的一個(gè)主要致病原因。因此研究測量人體的平衡性不管是在VIMS中還是在其他方面都具有重要意義。

在現(xiàn)有技術(shù)中，平衡板Wii Balance Board(WBB)是一個(gè)非常良好的平衡性測量工具。WBB不僅有非常高的可靠性和精確的靈敏度，而且價(jià)格低廉、簡單實(shí)用。在測試過程中，通過Matlab程序采集平衡板上的壓力中心(center of pressure,CoP)和傳感器信息等，然后對采集到的信息經(jīng)過中心化處理，選取理想的時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的分析。大部分的研究一般采用平均CoP路徑速率和平均絕對搖擺距離這兩個(gè)指標(biāo)作為衡量平衡性的參數(shù)，本發(fā)明在這兩個(gè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上提出了另外三個(gè)指標(biāo)：CoP主要域面積(doamin_area)、CoP標(biāo)準(zhǔn)差、CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差，總共選了五個(gè)受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本發(fā)明提出的三種指標(biāo)校之前的兩個(gè)指標(biāo)有更高的表征能力，都能很好的描述當(dāng)前受試者經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后平衡性明顯的變動，結(jié)合他們的主觀問卷可以更具體的說明受試者的暈動大小情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于Wii Balance board的平衡性檢測方法，通過五個(gè)平衡性指標(biāo)來判斷測試者的平衡性變動，具有簡單易行且判斷精準(zhǔn)等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種基于Wii Balance board的平衡性檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、通過balance board測量獲取平衡信息

對測試者使用Wii Balance board測量不同狀態(tài)下的身體平衡性，并通過matlab程序記錄下人體的壓力中心點(diǎn)(center of pressure，CoP)和時(shí)間戳，并寫入記錄文件；

(2)、計(jì)算平衡性指標(biāo)

從記錄文件中選取某一狀態(tài)下1min內(nèi)所有的CoP點(diǎn)，再計(jì)算該狀態(tài)下的平衡性指標(biāo)；

(2.1)主要域面積domain_area

求所有CoP點(diǎn)在x、y軸的坐標(biāo)均值，得到虛擬中心點(diǎn)，再求每一個(gè)CoP點(diǎn)到虛擬中心點(diǎn)的距離值；

將所有的距離值從小到大排序并存儲在數(shù)組sorted_data[]中，以排序后的第k個(gè)距離值為半徑求圓的面積，得到主要域面積domain_area；

sorted_data[]＝sort(data[])

domain_area＝π×(sorted_data[λ×num])²

其中，sorted()為排序函數(shù)，λ是參數(shù)因子；

(2.2)CoP標(biāo)準(zhǔn)差std_CoP

計(jì)算所有CoP點(diǎn)在x、y軸分量的標(biāo)準(zhǔn)差std_{CoP_x}、std_{CoP_y}，再計(jì)算所有CoP點(diǎn)的CoP標(biāo)準(zhǔn)差std_CoP；

其中，n表示CoP點(diǎn)個(gè)數(shù)，x_i,y_i分別表示第i個(gè)CoP點(diǎn)的坐標(biāo)值，表示虛擬中心點(diǎn)的坐標(biāo)值；

(2.3)CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差

求相鄰CoP點(diǎn)的速率vel_i；

其中，dis()是求兩點(diǎn)距離函數(shù)，time_i是第i個(gè)時(shí)間戳，vel_i是第i個(gè)速率值；

計(jì)算CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差vel_std：

其中，是所有相鄰CoP點(diǎn)的速率的平均值；

(2.4)、平均CoP路徑速率vel_mean

(2.5)、平均絕對CoP搖擺距離sway_dis_mean

其中，表示虛擬中心點(diǎn)；

(3)總體平衡性指標(biāo)balance_index

其中，r_j為各個(gè)指標(biāo)與視覺暈動的相關(guān)性系數(shù)，index_j為對應(yīng)的平衡性指標(biāo)；

(4)、按照步驟(2)和步驟(3)所述方法，計(jì)算出測試者其余狀態(tài)下的總體平衡性指標(biāo)，再根據(jù)各個(gè)狀態(tài)下的總體平衡性指標(biāo)判斷測試者的身體平衡性。

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明基于Wii Balance board的平衡性檢測方法，經(jīng)過嚴(yán)格的篩選條件選出合格的受試者進(jìn)行試驗(yàn)，使用WBB采集受試者實(shí)驗(yàn)前后不同姿勢的平衡信息并通過matlab程序記錄下來。選擇相同量的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行中心化處理，對處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的平衡指標(biāo)，計(jì)算完成后得到不同指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)前后變動量，再結(jié)合受試者的暈動等級變化量進(jìn)行相關(guān)性分析，從而得到不同平衡指標(biāo)的權(quán)重參與總的平衡指標(biāo)的計(jì)算，最后得到總的平衡指標(biāo)可以科學(xué)合理表征平衡性的變動情況。

同時(shí)，本發(fā)明基于Wii Balance board的平衡性檢測方法還具有以下有益效果：

(1)、本發(fā)明提出的平衡性指標(biāo)可以從不同方面進(jìn)行平衡性的衡量，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的平衡指標(biāo)單一的困境，并通過相關(guān)性分析有效地結(jié)合了各個(gè)指標(biāo)，提出總體指標(biāo)能更科學(xué)合理地衡量平衡性的變動情況。

(2)、本發(fā)明的提出極大的促進(jìn)了平衡板用于科學(xué)研究和人民生活，對于此平衡性指標(biāo)體系的構(gòu)建，測量平衡性變得簡單快捷。平衡板的易用性和娛樂性，深受人們喜愛；結(jié)合本發(fā)明可以推出簡單易用的平衡性檢測工具，方便平衡性不佳的患者進(jìn)行有效地康復(fù)治療，也可以用于體育運(yùn)動人員的訓(xùn)練檢測，極大的有益人們的身體健康，提高人民生活質(zhì)量。

附圖說明

圖1是平衡板Wii Balance board的測試裝置圖；

圖2是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的動態(tài)駕駛模擬器示意圖；

圖3是引起VIMS的評估性實(shí)驗(yàn)過程示意圖；

圖4是實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理流程圖；

圖5是實(shí)驗(yàn)前后不同姿勢下CoP點(diǎn)的軌跡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

實(shí)施例

圖1是平衡板Wii Balance board的測試裝置圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，Wii Balance Board(WBB)在測量平衡性上有著優(yōu)秀的性能和穩(wěn)定的可靠性，WBB通過藍(lán)牙連接電腦，其采樣頻率30HZ，在其堅(jiān)固的平衡板下面有四個(gè)壓力傳感器，位于四角。

測試時(shí)，CoP的坐標(biāo)位置可以通過4個(gè)壓力傳感器計(jì)算出來。如圖1所示，假設(shè)4個(gè)壓力傳感器的受力分別表示為f_TL,f_TR,f_BL和f_BL,(單位：kg)；平衡板的尺寸是W×H(cm)，在本實(shí)施例中，取H＝22.8cm，W＝43.3cm。因此，CoP(x,y)的坐標(biāo)可以通過下式計(jì)算：

通常，在指定時(shí)間內(nèi)更小的CoP擺動意味著更好的平衡能力。為了有更好的可重復(fù)性，在所有測試我們使用同一設(shè)備。

在本實(shí)施例中，選五個(gè)年輕的健康試驗(yàn)者參與平衡測試。入選標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按照以下原則：無任何精神病、心理疾病、孕者、精神病史、重大下肢病理、長期藥物治療或者吸毒史、或任何影響站立平衡性的疾病如肥胖癥的健康人。最后測試者準(zhǔn)備在上平衡板的時(shí)候，安靜的站立合適的時(shí)間(一般為30-40秒)確保他的重心保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平。

其次，在本實(shí)施例中，平衡測量選取六種不同的姿勢：雙腿睜眼站立(OB)和雙腿閉眼站立(CB)、左腿睜眼站立(OL)和右腿睜眼站立(OR)、左腿閉眼站立(CL)和右腿閉眼站立(CR)。要求測試者在六個(gè)測試姿勢期間雙手垂直放在身體的兩側(cè)。當(dāng)參與者進(jìn)行雙腿測試時(shí)要求拖鞋并將雙腳放在平衡板上面的腳部區(qū)域，他們的雙手放松的放在身體的兩側(cè)，支撐的腿在測試期間要挺直。單腿站立的時(shí)候抬起的腳距離平衡板大約10cm,在測試期間抬起的腳和制成的腿期間不能有接觸。

下面本發(fā)明基于Wii Balance board的平衡性檢測方法進(jìn)行詳細(xì)說明，包括以下步驟：

(1)、通過balance board測量獲取平衡信息

對測試者使用Wii Balance board測量6種狀態(tài)下的身體平衡性，并通過matlab程序記錄下每種狀態(tài)下人體的壓力中心點(diǎn)(center of pressure，CoP)和時(shí)間戳，并寫入記錄文件；

(2)、計(jì)算平衡性指標(biāo)

從記錄文件中選取第一種狀態(tài)(雙腿睜眼站立)下1min內(nèi)所有的CoP點(diǎn)，在本實(shí)施例中，WBB的采樣頻率30HZ，因此會選取1800個(gè)CoP點(diǎn)，再計(jì)算該狀態(tài)下的平衡性指標(biāo)；

(2.1)主要域面積domain_area

主要域面積是針對CoP移動情況，為了排除離群點(diǎn)的偏離誤差而提出的一個(gè)衡量平衡性的指標(biāo)，具體計(jì)算為：

求所有CoP點(diǎn)在x、y軸的坐標(biāo)均值，得到虛擬中心點(diǎn)，再求每一個(gè)CoP點(diǎn)到虛擬中心點(diǎn)的距離值；

將所有的距離值從小到大排序并存儲在數(shù)組data[]中，以排序后的第k個(gè)距離值為半徑求圓的面積，得到主要域面積domain_area；

sorted_data[]＝sort(data[])

domain_area＝π×(sorted_data[λ×num])²

其中，sort()為排序函數(shù)，λ是參數(shù)因子,取值0.8～1.0，本實(shí)施例中取λ為0.9，num是距離值的數(shù)據(jù)總量；k＝λ×num；

在本實(shí)施例中，第k個(gè)距離值一般選取所有距離值的80％～100％之間的值，在本實(shí)施例中，選取90％處的值；

(2.2)CoP標(biāo)準(zhǔn)差std_CoP

CoP標(biāo)準(zhǔn)差是表征CoP離散情況的指標(biāo)，該指標(biāo)也在一定程度上反應(yīng)平衡能力的好壞。計(jì)算方法：計(jì)算所有CoP點(diǎn)在x、y軸分量的標(biāo)準(zhǔn)差std_{CoP_x}、std_{CoP_y}，再計(jì)算所有CoP點(diǎn)的CoP標(biāo)準(zhǔn)差std_CoP；

其中，n＝1800表示CoP點(diǎn)個(gè)數(shù)，x_i,y_i分別表示第i個(gè)CoP點(diǎn)的坐標(biāo)值，表示虛擬中心點(diǎn)的坐標(biāo)值；

(2.3)CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差

CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差是衡量CoP速率變化快慢的一個(gè)指標(biāo)，速率變化越快說明平衡能力越弱。計(jì)算方法：求相鄰CoP點(diǎn)的速率vel_i；

其中，dis()是求兩點(diǎn)距離函數(shù)，time_i是第i個(gè)時(shí)間戳，vel_i是第i個(gè)速率值；計(jì)算CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差vel_std：

其中，是所有相鄰CoP點(diǎn)的速率的平均值；

(2.4)、平均CoP路徑速率vel_mean

對所有的CoP點(diǎn)求其順序相鄰的距離之和后再除以時(shí)間

(2.5)、平均絕對CoP搖擺距離sway_dis_mean

對所有CoP點(diǎn)與均值點(diǎn)(虛擬中心點(diǎn))的距離求和再求平均值；

其中，表示虛擬中心點(diǎn)；

(3)總體平衡性指標(biāo)balance_index

其中，r_j為各個(gè)指標(biāo)與視覺暈動的相關(guān)性系數(shù)，index_j為對應(yīng)的平衡性指標(biāo)；其中，r_j滿足：

其中，X_k為樣本k的平衡指標(biāo)變化統(tǒng)計(jì)量，Y_k為樣本k的暈動等級變動統(tǒng)計(jì)量，是各自統(tǒng)計(jì)量的平均值；m為受試者不同測量狀態(tài)下的樣本總量；

在本實(shí)施例中，選取5個(gè)受試者，每個(gè)受試者選取2個(gè)狀態(tài)，則m＝10；

(4)、按照步驟(2)和步驟(3)所述方法，計(jì)算出測試者其余狀態(tài)下的總體平衡性指標(biāo)，再根據(jù)各個(gè)狀態(tài)下的總體平衡性指標(biāo)判斷測試者的身體平衡性。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖2所示，建立一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的動態(tài)駕駛模擬器，它是由一個(gè)運(yùn)動的駕駛室和180°的基于VR情景的投影屏組成，它能夠刺激視覺和前庭神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生VIMS。對于VIMS評估設(shè)計(jì)了一個(gè)三段式的實(shí)驗(yàn)方案，如圖3所示。

第一部分是初始部分，受試者保持一個(gè)安靜的狀態(tài)站立在平衡板上，睜眼狀態(tài)記錄1min,閉眼狀態(tài)記錄1min，記錄受試者在正常狀態(tài)下的平衡性狀況。

第二部分是VIMS的產(chǎn)生部分，這部分駕駛的是一長段彎曲路段，這很容易引起受試者的暈動癥。在駕駛期間受試者的暈動等級會漸漸提升。

第三部分是當(dāng)受試者感到不舒服時(shí)就停止駕駛，停止后對受試者進(jìn)行平衡測量，受試者依然保持一個(gè)安靜的站立狀態(tài)在平衡板上，記錄睜眼站立狀態(tài)和閉眼站立狀態(tài)各一分鐘。

在整個(gè)過程中受試者的暈動等級也進(jìn)行相應(yīng)的記錄通過主觀問卷，暈動等級分為五級：正常(0級)、微弱(1級)、一般(2級)、強(qiáng)烈(3級)、無法忍受(4級)。整體實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)測量了五個(gè)受試者，我們通過收集的CoP數(shù)據(jù)模擬出CoP的軌跡圖，從而可以更加清楚的看出人體壓力中心的變化情況。圖5所示是第一個(gè)受試者實(shí)驗(yàn)前后的CoP軌跡圖，圖5-a是駕駛之前睜眼測量軌跡圖，圖5-b是駕駛之前閉眼測量軌跡圖，圖5-c是駕駛之后睜眼測量軌跡圖，圖5-d是駕駛之后閉眼測量軌跡圖。其他受試者的情況與之類似，通過觀察CoP軌跡圖我們能明顯發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)后的CoP軌跡范圍較之實(shí)驗(yàn)前有明顯的增大。因此我們可以肯定的是實(shí)驗(yàn)確實(shí)對受試者產(chǎn)生了生理影響，從而降低了其平衡能力。

要具體說明平衡能力的變化大小，我們可以通過計(jì)算出我們的平衡性指標(biāo)然后和受試者的主觀問卷結(jié)合起來說明問題，表1展示了五個(gè)指標(biāo)的平衡數(shù)據(jù)變動情況。由表1可以看出實(shí)驗(yàn)前后受試者的暈動程度有明顯差異，而且隨著暈動等級的增大，各項(xiàng)平衡指標(biāo)一般性的會趨向增大，增大的程度會因人而異；當(dāng)然所有的指標(biāo)變化并不都是一致的，因?yàn)橄馜omain_area、平均搖擺距離和CoP標(biāo)準(zhǔn)差是從CoP的變動范圍層面進(jìn)行考量，而CoP路徑速率和CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差是從CoP的速度層面進(jìn)行考量的。人體平衡性的變化也是從這兩個(gè)方面來展示的，每個(gè)人的變化側(cè)重點(diǎn)不同。一般暈動時(shí)，部分人的壓力中心可以保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的范圍，但其CoP速率卻會出現(xiàn)較大的波動。001號受試者就是暈動等級出現(xiàn)較大變化時(shí)，但范圍層面的幾個(gè)指標(biāo)僅出現(xiàn)微弱變化，而CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差卻出現(xiàn)較大變化；而更多的受試者一般在CoP范圍和CoP速率變化兩個(gè)層面變動。另外，我們注意到閉眼狀態(tài)的暈動級別低于睜眼狀態(tài)，那是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是先測試受試者的睜眼狀態(tài)然后是閉眼狀態(tài)，因此在測量閉眼狀態(tài)時(shí)受試者的暈動情況有所緩解。

表1是受試者的五大平衡性指標(biāo)變動情況

表1

為了能夠更加清楚直觀的說明每個(gè)受試者實(shí)驗(yàn)前后指標(biāo)的變動大小情況，我們對每組實(shí)驗(yàn)前后指標(biāo)變化進(jìn)行了比較，結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)知，當(dāng)發(fā)生暈動時(shí)指標(biāo)數(shù)據(jù)總體變大。暈動等級是通過問卷調(diào)查的形式得到的且每個(gè)人暈動感的承受能力不同，因此我們看到指標(biāo)的變化量和暈動等級不是那么的一致。正如001號的OA-OB狀態(tài)和002的CA-CB狀態(tài)所示，雖然二者的指標(biāo)變化類似但各自暈動的結(jié)果卻截然不同。因此在本次實(shí)驗(yàn)中并不能精確考量客觀指標(biāo)數(shù)據(jù)和主觀感受之間的直接的對應(yīng)關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)只是通過主觀等級來印證我們的客觀指標(biāo)數(shù)據(jù)確實(shí)可以衡量平衡性的變動情況。為了清楚五個(gè)指標(biāo)指示結(jié)果的重要性，對五個(gè)指標(biāo)和暈動結(jié)果做相關(guān)性分析。結(jié)果表明Domain_area與暈動等級呈顯著性正相關(guān)(r＝0.813^**，顯著性水平0.01),CoP標(biāo)準(zhǔn)差與暈動等級呈平和正相關(guān)(r＝0.562)，CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差與暈動等級的相關(guān)系數(shù)r＝0.483，CoP路徑速率與暈動等級的相關(guān)系數(shù)r＝0.402，平均搖擺距離與暈動等級的相關(guān)系數(shù)r＝0.365(一般當(dāng)相關(guān)系數(shù)r處于0.33到0.7時(shí)，我們認(rèn)為是平和正相關(guān))。因此依據(jù)相關(guān)性大小對平衡性指標(biāo)的重要程度排序依次為：主要域面積(domain_area)、CoP標(biāo)準(zhǔn)差、CoP速率標(biāo)準(zhǔn)差、CoP路徑速率、平均搖擺距離。另外，根據(jù)各指標(biāo)的相關(guān)性大小可以計(jì)算一個(gè)總的平衡加權(quán)指標(biāo)balance_index，通過它觀察平衡性變動情況，進(jìn)一步判斷測試者的平衡性。

表2是受試者的五大平衡指標(biāo)實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)；

表2

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。