使用移动设备中的三轴加速度计/陀螺仪进行步态测量

相关申请的交叉引用

本申请要求了2014年2月17日提交的美国临时专利申请号61/940,801和2015年2月16日提交的美国非临时专利申请号14/622,933的优先权权益，这两篇专利申请均通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及使用移动设备中的三轴加速度计/陀螺仪进行步态测量的方法。具体而言，本发明涉及使用移动设备中的三轴加速度计/陀螺仪进行步态测量以监测并改善运动主体的物理运动的方法。

背景技术

步态分析(行走和奔跑形式的研究)对生物力学的研究至关重要。其被用于监测并改善身体协调性和运动性并用于生物特征识别。传统的步态分析使用具有置于主体身体各个部分上的多个发光二极管(LED)和反射标志物的精心制作的光电设备。高速摄影机被用于捕获连续帧。由于繁琐的设备，数据不能通过无线发送并且测量必须在受控的实验室环境中进行，这不仅受限于更现实的情况，而且也可能对进行小于自然姿态的物理运动的主体具有影响。有用的信息是通过帧分析使用帧提取并随后仅在测量完成后进行复杂的算法。本发明的目标在于提供结合了简单数据分析算法的简易步态测量装置。所述测量并不受限于带有精心制作的设备的环境。它可以在任何情况下进行并且可用于所有类型的物理活动。所述分析能够以数秒的方式进行以显露出所有三个运动轴中步态和姿势形式二者的图形演示以及被称为动态失稳指数(DII)的定量数据，其是主体在运动的同时为保持平衡所施加的功率水平的度量。该合并信息在许多领域中得到了广泛应用。

本申请的该部分中或任何其他部分中的任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考文献可用作本申请的现有技术。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供使用移动设备中的三轴加速度计/陀螺仪进行步态测量的方法。具体而言，本发明涉及使用移动设备中的三轴加速度计/陀螺仪进行步态测量以监测并改善运动主体的物理运动的方法。在本发明的第一个方面，提供了用于步态测量和诊断的简单数据分析算法。

在本发明的第二个方面，提供了用于表征主体运动的方法，该方法包括使用三轴加速度计制定：基于所述主体的行走(Walking)、升沉(Heaving)和横向(Lateral)运动的测量的信号，以及指示由所述主体在所述运动期间为保持平衡所分配的功率水平的量化指标。

在本发明的第二个方面的第一个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述三轴加速度计被置于所述主体的重心上。

在本发明的第二个方面的第二个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述主体可以是人或动物。

在本发明的第二个方面的第三个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号用于监测、诊断和改善所述主体的运动性能。

在本发明的第二个方面的第四个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号用于通过所述主体的运动监测所述主体的身体康复进展和/或身体健康。

在本发明的第二个方面的第五个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用在所述主体的假体的设计和/或适宜性中。

在本发明的第二个方面的第六个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用作所述主体的生物特征识别符。

在本发明的第二个方面的第七个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被作为标识符用于所述主体的身体损伤分析，包括但不限于用于动物的动觉问题的诊断。

在本发明的第二个方面的第八个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被作为标识符用于选择具有更佳运动形式的主体。

在本发明的第二个方面的第九个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用在所述主体的鞋类设计中。

在本发明的第二个方面的第十个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用作匹配和选择所述主体的鞋类的标识符。

在本发明的第二个方面的第十一个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用在所述主体的健身器材的设计中。

在本发明的第二个方面的第十二个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用在所述主体的背包和其他形式的携带式行李的设计中。

在本发明的第二个方面的第十三个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述方法是在软件中实现的。

在本发明的第二个方面的第十四个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述方法是在硬件中实现的。

本领域技术人员将理解的是，除了那些具体的描述，此处所述发明易于进行变化和修改。

本发明包括所有这样的变化和修改。本发明还包括说明书中所提及或指出的所有单独或组合的步骤和特征，以及任何和所有组合的步骤或特征或任何两个或两个以上的步骤或特征。

在整篇说明书中，除非上下文另有要求，否则单词“包括(comprise)”或其变体例如“包含(comprises)”或“含有(comprising)”将被理解为暗示包括所说明的整数或整数组，但不排除任何其他整数或整数组。还需指出的是，在本公开文本中，并且特别是在权利要求书和/或段落中，术语例如“包括(comprises)”、“包含(comprised)”、“含有(comprising)”等可具有美国专利法中归属的含义；例如，它们可意指“包括(includes)”、“包含(included)”、“含有(including)”等；并且术语例如“基本上由......组成”和“大概由......组成”具有美国专利法中赋予它们的含义，例如，它们允许未明确列举的元素，但排除现有技术中存在的或影响本发明的基本或新颖性的元素。

此外，在整篇说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则单词“包括(include)”或其变体例如“包含(includes)”或“含有(including)”将被理解为暗示包括所说明的整数或整数组但不排除任何其他整数或整数组。

本文所用的所选术语的其他定义可见于本发明的详细描述中以及整个申请中。除非另有定义，否则本文使用所用的所有其他技术术语的含义与本发明所属领域中普通技术人员通常理解的含义相同。

通过随后的描述的综述，本发明的其他方面和优点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

结合附图，通过本发明的以下描述，本发明的上述目标和特征以及其它目标和特征将变得显而易见，其中：

图1示出了测量过程中将设备置于人上和与运动相关联的三个波形；

图2示出了在时间t₁测量的笛卡尔坐标中的加速度。这三个轴X、Y、Z分别代表摇摆、升沉和浪涌运动；

图3示出了在时间t₂测量的加速度向量及其与向量的关系，所述向量对应于所测试主体的重心的运动；

图4示出了所测试主体的重心的运动的向量的轨迹；

图5示出了沿所测试主体的三个轴测量的加速度的原始数据；

图6示出了典型的行走(Walking)升沉(Heaving)横向(Lateral)运动信号(WHLS)图案和所测试主体的三个方向的视图；

图7a示出了一名27岁男性的WHLS，其中动态不稳定指数(DII)为259；

图7b示出了一名68岁男性的WHLS，其中DII为416，并且YX视图中的不对称性是由于右膝盖疲软造成的；

图7c示出了一名23岁男性的WHLS，其中DII为1186，并且所测试主体从未进行锻炼并且有肥胖史；

图8a示出了一名24岁穿两只鞋的男性的WHLS，所述DII为754；

图8b示出了图8a中同一主体仅穿一只鞋子行走的WHLS，所述DII为914；

图8c示出了图8a中同一主体不穿鞋子行走的WHLS，所述DII为617；

图9a示出了一名40岁女性穿平跟鞋子的WHLS，所述DII为246；

图9b示出了除了穿两只高跟鞋之外图9a中同一主体的WHLS，所述DII为567；

图10a示出了一名24岁男性双肩背6kg背包的WHLS；所述DII为355；

图10b示出了一名24岁男性单肩背6kg背包的WHLS；所述DII为796；

图11a示出了一名24岁女性行走的WHLS；所述DII为279；

图11b示出了图11a同一主体上楼梯的WHLS，所述DII为274；

图11c示出了图11a同一主体下楼梯的WHLS，所述DII为1501；

图12示出了一名27岁男性的WHLS的浪涌/升沉视图，其中圆形特征指示所消耗的步态运动；以及

图13示出了通过将加速计嵌入在智能手机背面上所测量的狗的2D WHLS图案。

具体实施方式

本发明并不限于本文所述的任何具体实施方案的范围。下述实施方案仅作为示例给出。

在本发明的第一个方面，提供了一种用于步态测量和诊断的简单数据分析算法。

在本发明的第二个方面，提供了一种用于表征主体运动的方法，包括使用三轴加速度计以公式表示出(formulate)：基于所述主体的行走(Walking)、升沉(Heaving)和横向(Lateral)运动的测量的信号，以及指示所述主体在所述运动期间为保持平衡所分配的功率水平的量化指标。

在本发明的第二个方面的第一个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述三轴加速度计被置于所述主体的重心上。

在本发明的第二个方面的第二个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述主体可以是人或动物。

在本发明的第二个方面的第三个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号用于监测、诊断和改善所述主体的运动性能。

在本发明的第二个方面的第四个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号用于通过所述主体的运动监测所述主体的身体康复进展和/或身体健康。

在本发明的第二个方面的第五个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用在所述主体的假体的设计和/或适宜性中。

在本发明的第二个方面的第六个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用作所述主体的生物特征识别符。

在本发明的第二个方面的第七个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被作为标识符用于所述主体的身体损伤分析，包括但不限于用于动物的动觉问题的诊断。

在本发明的第二个方面的第八个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被作为标识符用于选择具有更佳运动形式的主体。

在本发明的第二个方面的第九个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用在所述主体的鞋类设计中。

在本发明的第二个方面的第十个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用作匹配和选择所述主体的鞋类的标识符。

在本发明的第二个方面的第十一个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用在所述主体的健身器材的设计中。

在本发明的第二个方面的第十二个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述信号被用在所述主体的背包和其他形式的携带式行李的设计中。

在本发明的第二个方面的第十三个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述方法是在软件中实现的。

在本发明的第二个方面的第十四个实施方案中，提供了用于表征主体运动的方法，其中所述方法是在硬件中实现的。

行走(Walking)、升沉(Heaving)、横向(Lateral)运动信号(WHLS)

在本发明的一个实施方案中，提供了利用嵌入在智能手机中的三轴加速度计或具有电源和数据采集组件的独立的三轴加速器包装的实时诊断技术。在大多数情况下，其中所述平移运动占主导地位，所述三轴加速度计数据就足够了。然而，对于更精确的测量而言，三轴加速度计/陀螺仪装置应被用于采集所有六个自由度的运动(三个平移：摇摆(sway)、浪涌(surge)、升沉(heave)和三个旋转：俯仰(pitch)、翻滚(roll)和旋转(yaw))。在奔跑或行走时，主体在所有三个方向上周期性运动：图1所示的升沉(heave)(上/下(up/down))、摇摆(sway)(侧/侧(side/side))和浪涌(surge)(前进/后退(forward/backward))。考虑到沿这些方向的加速度的变化，升沉(heave)(上/下(up/down))和摇摆(sway)(侧/侧(side/side))加速行为像横波(即垂直于运动方向的幅度)，而浪涌(surge)(向前/向后(forward/backward))加速度行为像纵波(平行于运动方向的幅度)。因此，奔跑或行走的运动可表示为这三个波形的线性组合。作为测量位移的替换，测量更相关和直接测试的量是加速度。在测试过程中，传感器单元将通过表带被安装在主体重心上。对于人体，其将被紧紧贴于腰部中央。在100Hz下进行数据采集速率。在测试组中，主体将被指示在约20秒的短时间内进行物理活动，例如行走、奔跑、上下楼梯等。最初五秒和最后五秒期间采集的数据将被弃掉，因为它们不处于稳定状态，只有在稳定状态下采集的数据将被使用。每组数据由三个加速度值α_1x、α_1y和α_1z组成，并且示于图2中，对应于沿各自的轴的三个加速度分量。每个分量的幅度将在笛卡尔坐标系中作图。该图相当于在极坐标系中绘制净总加速度向量的时间演变轨迹。这将产生三维轨迹，命名为WHLS(行走(Walking)、升沉(Heaving)和横向(Lateral)运动信号)。对每个个体来说其形状都是唯一的。三轴加速度计的灵敏度为约0.003g(g＝9.8m/s²)，可实现50毫秒时间间隔内位移0.001m的分辨率极限。由于人的身体状况，例如背部疼痛、腰膝酸软、无力、鞋不舒服、背着负载等，高灵敏度能够显示轻微的运动异常。本发明的实施方案已编制了从事各种身体活动的各类个体的编纂数据。

更精确地，如图2中所示，向量是在时间t₁采集的三个分量α_1x、α_1y和α_1z的总和。一段时间间隔Δt₁₂之后在时间点t₂进行第二组数据采集。该组新的加速度分量被标记为α_2x、α_2y和α_2z。这些分量的向量总和是向量如图3所示。因此，在此时间间隔过程中，所述测试主体的重心的加速度向量是其中向量这将在整个运动中继续并且向量将最终形成连续的跟踪以代表运动的测试主体的重心在图4所示的加速度坐标空间中的轨迹。根据牛顿运动定律，如果主体沿直线以恒定速度运动时，那么每个周期的所有向量的净总和必须等于零或者然而测试的主体的重心的运动的总加速度或是有限的。结果可用于评估与步态有关的有价值的信息。数据分析可分为两部分：(1)加速轨迹3D图形轨迹或行走(Walking)升沉(Heaving)横向(Lateral)运动信号(WHLS)和(2)与主体在运动过程中保持平衡的能力相关的定量结果。

图5示出了沿三个轴的原始加速度数据的曲线图。该数据，当在3D极坐标系中绘制时，产生行走期间的加速度向量轨迹的3D痕迹，如图6a所示。来自三个不同方向的2D视图也示于图6b中。该图案被命名为“行走(Walking)升沉(Heaving)横向(Lateral)运动信号”或WHLS。对于每个个体和对于不同的运动而言它是独一无二的。它可用于生物特征识别和步态损伤的诊断。传统的步态测量仅仅依赖于分析周期运动的振幅和频率。不同运动之间的相位关系被忽略，从而漏掉有价值的生物力学信息。这种方法考虑了沿三个轴的周期性运动之间的相对相位差，以揭开大量有用的信息，包括与步态相关的细微的不规则的特征。

下面的图示出了具有相同运动(即行走)的不同个体或具有不同运动(例如，正常行走对比上楼梯，背部承重负载或没有承重负载)或穿有不同的鞋例如低跟的鞋、高跟鞋等的同一个体的WHLS图案的集合。独特性明确支持使用这种图案用于生物特征识别和许多其他应用。

重要的特征包括以下内容。

对比图7a、7b和7c：

这三张WHLS图案表明年龄和身体健康(physical fitness)水平不同的个体之间的差异。图7a中的个体是一名27岁的男性的锻炼和均衡饮食的常规方案。他的身体健康反映在紧张的和明确的WHLS图案中。另一个突出的特征见于X/Y(或横向运动/升沉)视图中，其显示出左侧和右侧的几乎对称和可替代的升沉运动。图7b示出了一名68岁男性的WHLS图案。该图案很少明确定义。很显然左右运动之间不对称，特别是在Y-X曲线图中。该行为是由于左膝疲软造成的。已监测该主体的该独特特征中的任何显著的变化10个月以上。图7c示出了一名23岁身材完全走形并已表现出肥胖信号的男性的WHLS。健康(fitness)缺乏反映在图案上为所定义的松散和病态。这组结果表明WHLS可以用作一种评估个体健康的简单方法。

对比图8a、b、c：

这些WHLS图案描述了在不同的行走条件下的同一个体。图8a代表双脚穿鞋在正常行走状态下所拍的2D WHLS图案。图8b是主体在相同条件下仅穿一只鞋所拍的WHLS图案。结果，这种不平衡立即转化成其中周期性图案不再可识别的混乱的WHLS图案。然而，当同一主体脱掉两只鞋行走时，基本上恢复平衡，同时WHLS图案如图8c所示。显著的变化表明高灵敏度的WHLS可以用作一种检测由于脚和鞋不舒服引起的任何步态损伤的工具。

对比图9a、b：

这两个WHLS图案描述了一名中年妇女脚穿平跟鞋(图7a)和脚穿高跟鞋行走。该主体很少穿高跟鞋。结果表明穿高跟鞋时为保持平衡所需的功率水平要高得多(为5倍)。这指出WHLS图案的有效性可以作为一种设计鞋履的有效方法。

对比图10a、b：

这两张图描述了双肩(图10a)携带或单肩(图10b)悬挂携带6kg负载背包的人的WHLS图案。结果清楚地表明双肩图案更有效并且更健康。这种方法可用于改善背包设计。

对比图11a、b、c

这三组2D WHLS图案系统地对比了人正常行走(图11a)、上楼梯(图11b)和下楼梯(图11c)。结果表明其与需要高功率水平维持步态的下降运动之间具有显著的差异。另一个值得指出的特征是下降WHLS的X/Y视图。与正常行走的情况类似，它也具有对应于周期性腿运动的两指状特征。然而，它们的极性相反，因为它们朝下，而不是正常行走时朝上。这是由于正常行走时脚跟/趾动作造成的，但是该动作在上升运动时不存在。

WHLS数据的定量分析-动态不稳定指数(DII)

为了进一步理解WHLS图案，本发明的一个实施方案提供了一种算法来计算维持步态所需要的功率水平的量。为了实用目的被调整到零至几千之间范围的值被命名为动态不稳定指数(DII)。对于相同的速度，低DII信号为更健康并且步态更有效。高DII意味着相反。该算法通过沿加速度轨迹进行双重积分从WHLS图案减去功率需求。

详细过程的描述

对于每个时间间隔，在试验中个体的重心沿加速度向量前进。对于非常短的时间间隔，加速度可被假定为具有线性时间依赖性，即其中k_ij是加速度-时间空间中的向量的斜率。斜率k_ij可以由向量和的坐标来测定，并且为：

$>k_{ij}=\frac{{[{(a_{xj}-a_{xi})}^2+{(a_{yj}-a_{yi})}^2+{(a_{zj}-a_{zi})}^2]}^{\frac{1}{2}}}{{\mathrm{\Delta t}}_{ij}}$>

可以通过进行双积分来获得重心在时间间隔Δt_ij过程中行进的距离S_ij，这恰好是数据率的倒数：

$>S_{ij}=\int {\int }_{t_i}^{t_j}{\overrightarrow{A}}_{ij}dtdt=\frac{1}{6}{k}_{ij}{{\mathrm{\Delta t}}_{ij}}^3$>

通过将代入最后方程的双重积分，可以通过以下计算所述距离：

$>S_{ij}=\frac{1}{6}{k}_{ij}{{\mathrm{\Delta t}}_{ij}}^3$>

因此，可以通过以下获得在此期间完成的工作量：

$>W_{ij}=F\left(t\right)S_{ij}=\frac{F\left(t\right)k_{ij}{{\mathrm{\Delta t}}_{ij}}^3}{6}$>

为了简化的目的，由于时间间隔较短，所以假设力F独立于时间，并且简单地说F＝m＜a＞，其中m是重量，＜a＞是此时间间隔过程中的平均加速度。因此，在此期间所进行的总的工作或能量消耗可通过获取与沿轨迹的各个区段相关联的力的总和来获得。为了方便起见，本发明的一个实施方案进一步将该值除以总测量时间。结果是个体在测试中保持平衡所需的功率水平。为了使结果在适当的范围内，一般情况下本发明的该实施方案将该数值乘以常数得到约1000的范围。它被命名为动态失稳指数(DII)。较高的DII表示维持步态需要较高的功率水平并且与较差身体健康(physical fitness)相关联，反之亦然。各种情况下的一些代表性DIIs在表1中列出，以供参考。计算时间只是几分之一秒。其幅度提供步态质量的定量测量。

表1.各种情况的一些代表性DIIs

本文描述的测量使用证明对研究人类步态足够的100Hz的数据率。然而，如果步态由例如马奔腾的突然尖峰组成时，必须使用具有较高数据率的装置。虽然分析算法仍然相同。

该分析指出理想的步态是在每个循环过程中消耗最小能量的那个。WHLS图案应当是平滑的，没有任何额外的特征。图12中所示的实施例描述了WHLS轨迹的ZY视图(即浪涌(surge)/升沉(heave))，这远不是平滑的椭圆形或圆形。它在代表所消耗的能量的运动的位置A具有一大特征。通过将WHLS测量和帧-帧运动分析相结合，有可能找出此特征的原因并将其消除。因此，这种方法可用作一种改善人的步态的有效和系统的工具。

本发明也可应用于测量动物的步态。图13示出了通过将加速度计嵌入在智能手机背面上用于测量狗的2D WHLS图案。在WHLS测量中，狗以5.6公里/小时在奔跑机上奔跑，比人的速度快2公里/小时。由于在结构上(anatomic)和动觉(kinesthetic)上的差异，其也存在一些独特的特征。首先，狗的摇摆频率是升沉和浪涌频率的一半，而对于人而言，所有三个动作的频率相同。其次，在升沉/摇摆分量中在许多人的WHLS可见的“分裂叉”模式显示出浪涌(surge)/摇摆(sway)分量的狗的步态。在这种特殊情况下，测量清楚地表明，狗的步态是高度不对称的，并且倾向于右侧。第三，WHLS的侧视图，或者浪涌(surge)/升沉(heave)分量，示出了在长时期内步幅与步幅之间具有非常小的变化，具有显著的一致性。在很多人的WHLS中发现形状是光滑的没有不规则的特征。这是最可取的奔跑WHLS。这种测量表明本发明用于衡量动物步态的用途。应用可见于选择和训练赛马中。本发明还可用于兽医诊断不能口头交流的病畜的动觉问题。

本发明具有不同应用的许多实施方案，例如：

·通过Wi-Fi实时监测和指导来监测和指导所有运动水平的人的运行方式。

·通过数字和图形显示定量监测患者的物理康复计划的进展。

·监测患有可阻碍运动的条件的患者的身体健康。

·监测肢体伤残患者的步态并改善假体的设计。

·记录清醒测试的数字化证据。

·通过便携式设备实时改善慢跑/行走的形式。

·在奔跑者腰部(lower back)(即重心)佩戴便携式设备(例如具有3轴加速度计的智能手机)来收集加速度数据和运行形式，同时锻炼。

·实时计算WHLS(行走(Walking)、升沉(Heaving)和横向(Lateral)运动信号)。

·对比所测得的WHLS和理想的WHLS并找出差异，并实时指导矫正步态。

·从现有的数据库找出理想的奔跑形式，以确定纠正这种差异的方法。

·声音命令奔跑者纠正他/她的奔跑形式。

·提供用于选择纯种赛马的科学依据。

·记录并用作生物特征识别符。

·新鞋的设计。

·新背包和其他形式的行李箱的设计。

·设计将产生最高的效率并对身体伤害最小的健身器材。

·开发软件包，使其可用作仅用手持装置的独立步态监测。

·帮助客户选择最适合的并最舒适的鞋子。

·方便兽医查明动物动觉的问题，尽管没有患者和医生之间的语言交流。

工业应用性

本发明公开了使用移动设备中的三轴加速度计/陀螺仪进行步态测量的方法，具体而言，本发明涉及使用移动设备中的三轴加速度计/陀螺仪进行步态测量用于监测并改善运动主体的物理运动的方法。

如果需要的话，在此讨论的不同功能可以不同的顺序和/或彼此同时进行。此外，如果需要的话，一个或更多个上述功能可以是任选的或者可以进行组合。

尽管参照各个实施方案和实施例已经描述了前述发明，但是应当理解的是，在下列权利要求书及其等同物中所表达的其他实施方案也属于本发明的范围。此外，上述的具体实施例被解释为仅仅是说明性的，而不是以任何方式限制对公开文本的理解。无需进一步详尽说明，据信本领域技术人员可基于本文的描述最充分地利用本发明。本文引用的所有出版物在此通过引用整体并入本文。