一種運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用可穿戴技術(shù)將傳感器集成并佩戴于被檢測者手掌部；利用跟隨示范運動的方式，獲取被檢測者的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)；通過無線數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)分析模塊；利用相關(guān)分析對運動狀態(tài)進行分析和評估；最終將被檢測者運動協(xié)調(diào)能力的評估結(jié)果數(shù)值化，并進行可視化顯示，最終實現(xiàn)對運動協(xié)調(diào)能力的簡便檢測。
【專利說明】一種運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)，具體涉及利用可穿戴生物傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)，檢測被檢測者的運動協(xié)調(diào)能力。
【背景技術(shù)】[0002]運動協(xié)調(diào)能力指身體各個部分在運動過程中在時間和空間方面相互配合，合理有效地完成動作的能力。運動協(xié)調(diào)能力是反映身體素質(zhì)的一個重要方面，尤其在兒童發(fā)育期間，運動協(xié)調(diào)能力直接影響到兒童的行為、學(xué)習(xí)、運動、社交等各方面。因此，對人群特別是兒童群體進行運動協(xié)調(diào)能力檢測具有重要的現(xiàn)實意義。有別于在醫(yī)院實施的針對于個別患者的專業(yè)檢查，在學(xué)校、工礦、企事業(yè)單位實施的針對于大樣本人群的篩查性檢測具有巨大的社會價值，對處于成長發(fā)育階段的兒童群體進行早期檢測尤其具有意義。本發(fā)明的著眼點就是開發(fā)一種適合于這樣的大樣本兒童人群的運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)。
[0003]現(xiàn)有的針對于大樣本兒童人群的運動協(xié)調(diào)能力檢測主要是根據(jù)第四版精神疾病診斷手冊DSM-1V，采用發(fā)育性協(xié)調(diào)障礙問卷(DCDQ)，或Conners評價量表等問卷量表法由父母、教師分別對測驗內(nèi)容進行問卷式主觀評估(張云，3-6歲兒童動作協(xié)調(diào)能力測試方法與發(fā)展特征問題的探討，西安體育學(xué)院學(xué)報，27，5，pp.603-606，626，2010 ;花靜，朱美紅等，兒童運動協(xié)調(diào)能力與生長發(fā)育水平的關(guān)聯(lián)性研究，中華兒科雜志，49，11，pp.843-847，2011)。由于采用主觀評估，上述問卷量表法很難排除主觀性。也有一些通過實際運動測驗來評估運動協(xié)調(diào)能力的方法，如兒童運動評定成套測驗(MABC)，該方法通過讓被檢測者完成“踮腳走步”、“單手彈/接球”等實際運動來測驗其運動協(xié)調(diào)能力，由檢測人員觀察被檢測者的各項運動完成情況，最終打分進行評估，這樣的測驗依然很難排除主觀性(花靜，吳擢春等，兒童運動協(xié)調(diào)能力成套評估工具的應(yīng)用性研究，中華流行病學(xué)雜志，33，10,pp.1010-1015,2012。)。因此，現(xiàn)有的運動協(xié)調(diào)能力測驗方法都具有相當程度的主觀性。
[0004]此外，現(xiàn)有的測驗方法所采用的問卷式量表法，問卷涉及內(nèi)容繁多，完成問卷耗時長；問卷完成人需對問卷內(nèi)容充分理解方能有效回答，對問卷完成人的閱讀理解能力有所要求，限制了檢測的適用人群；另一個重要的問題是，由于問卷中不可避免地反復(fù)涉及對運動協(xié)調(diào)能力各個方面的評價。通過測驗本身，一方面，被檢測者極有可能了解到測驗?zāi)康氖菫榱嗽u估自己的運動協(xié)調(diào)能力，使得某些運動協(xié)調(diào)能力存在問題的被檢測者產(chǎn)生心理上的抵觸、自卑等負面情緒，從而影響測驗效果；另一方面，通過被檢測者的父母、老師等他人完成問卷，同樣會暴露測驗?zāi)康模赡軙斐杀粰z測者個人隱私(即運動協(xié)調(diào)能力方面可能存在問題)的泄露。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]現(xiàn)有的運動協(xié)調(diào)能力檢測系統(tǒng)普遍使用問卷量表法，缺乏客觀性和隱私保護。本發(fā)明利用可穿戴生物傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)，設(shè)計出一種新型運動協(xié)調(diào)能力檢測的軟硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測被檢測者的運動協(xié)調(diào)能力，具有簡便、快速、客觀、隱私性好等優(yōu)點。[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:基于可穿戴技術(shù)，將磁感應(yīng)、加速度以及角速度傳感器集成到被檢測者身體之上；設(shè)計評估運動協(xié)調(diào)能力的測驗方案和測驗指標，獲取被檢測者運動協(xié)調(diào)能力數(shù)據(jù)；通過藍牙技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C并做信號處理；對被檢測者的運動協(xié)調(diào)能力做出數(shù)值化評估，并最終將測驗結(jié)果可視化。系統(tǒng)由如下幾個模塊組成:
[0007]I)測驗?zāi)K
[0008]測驗?zāi)K將測驗內(nèi)容在顯示器上顯示，要求被檢測者跟隨測驗內(nèi)容完成相應(yīng)的運動。
[0009]2)傳感器模塊
[0010]被檢測者跟隨測驗內(nèi)容完成相應(yīng)的運動時，利用傳感器模塊采集被檢測者的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用3種傳感器獲取被檢測者雙手運動軌跡和速度。利用電路集成技術(shù)，將各種傳感器集成為傳感器模塊。
[0011]3)數(shù)據(jù)傳輸模塊
[0012]在數(shù)據(jù)傳輸模塊，利用藍牙無線傳輸方式，將由傳感器模塊獲得的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)分析模塊。
[0013]4)數(shù)據(jù)分析模塊
[0014]基于數(shù)據(jù)傳輸模塊獲得被檢測者的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用相干系數(shù)分析被檢測者的運動狀態(tài)。
[0015]6)結(jié)果顯示模塊
[0016]基于分析結(jié)果，將被檢測者的運動協(xié)調(diào)能力數(shù)值化、直觀化地顯示。
[0017]本發(fā)明相比較現(xiàn)有的運動協(xié)調(diào)能力檢測方法，其顯著優(yōu)點在于:
[0018](I)本方法采用運動跟隨的方法進行測驗，方式簡單易行，檢測耗時短。
[0019](2)對被檢測者的年齡、教育程度、心理狀態(tài)等的依賴程度低。
[0020](3)本方法直接采集被檢測者的運動數(shù)據(jù)進行評估，有效避免主觀判斷帶來的主觀性，保證了測驗結(jié)果的客觀性。
[0021](4)本方法的測驗以游戲的形式實施，內(nèi)容簡單有趣易于實施，被檢測者本人或他人無法從測驗內(nèi)容中了解到測驗?zāi)康?，從而有效保護被檢測者的個人隱私。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0023]圖2是本發(fā)明開發(fā)的測驗?zāi)K中的測驗內(nèi)容。
[0024]圖3是測驗實景圖。
[0025]圖4是本發(fā)明開發(fā)的傳感器模塊和數(shù)據(jù)模塊集成為運動數(shù)據(jù)采集終端。
[0026]圖5是本發(fā)明開發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模塊中數(shù)據(jù)包格式。
[0027]圖6是本發(fā)明開發(fā)的數(shù)據(jù)分析模塊中的數(shù)據(jù)顯示界面。
[0028]圖7是本發(fā)明開發(fā)的數(shù)據(jù)分析模塊中的運動協(xié)調(diào)能力評估界面。
[0029]圖8是不同測驗人群的運動協(xié)調(diào)能力測驗結(jié)果?！揪唧w實施方式】
[0030]本發(fā)明提出的運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)由5個模塊組成(圖1)，結(jié)合圖例詳細說明:
[0031]I)測驗?zāi)K
[0032]本發(fā)明采用運動跟隨的方法來測驗被檢測者雙手運動的協(xié)調(diào)能力。在測驗?zāi)K中，系統(tǒng)首先向被檢測者提示:被檢測者將進行一個運動跟隨游戲，當顯示器上展現(xiàn)雙手運動的示范動作時，要求被檢測者觀察示范動作并盡量按照示范動作做出同樣運動軌跡和運動速度的動作。
[0033]測驗?zāi)K的測驗內(nèi)容如圖2所示。顯示器中央顯示的為左右兩手的鏡像畫面，左手按逆時針，右手按順時針在冠狀面內(nèi)從O至120度再從120至O度范圍內(nèi)反復(fù)做手掌旋轉(zhuǎn)運動，左右手運動速度相同。圖3為測驗實景圖，在測驗中，要求被檢測者無論是角度還是速度都要盡量按照顯示的示范動作做相同的運動。通過傳感器模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，被檢測者的雙手運動狀態(tài)數(shù)據(jù)被采集和傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析模塊。
[0034]2)傳感器模塊
[0035]本發(fā)明采用3軸數(shù)字磁感應(yīng)傳感器HMC5883來感知被檢測者雙手手掌的空間3維位置，通過雙手手掌的空間3維位置得出手掌的空間運動軌跡。采用3軸加速度傳感器LIS3DH和3軸數(shù)字角速度傳感器ITG3200來感知被檢測者雙手手掌的運動速度。上述3種傳感器分別采集空間X、Y、Z方向的3維數(shù)據(jù)，利用電路集成技術(shù)將上述3種傳感器集成(圖4)?；诳纱┐髟O(shè)備的設(shè)計方法，將傳感器模塊穿戴于被檢測者雙手手掌部位，傳感器模塊位于手掌背處(圖3)。在本發(fā)明中，由于需要分別測驗雙手手掌的運動，因此，系統(tǒng)具有兩個獨立的傳感器模塊分別安放于被檢測者的雙手，當被檢測者的手掌運動時，傳感器模塊可分別對被檢測者雙手手掌的空間3維坐標及運動速度的數(shù)據(jù)進行采集和保存。
[0036]3)數(shù)據(jù)傳輸模塊
[0037]傳感器采集的數(shù)據(jù)以16進制格式表示。數(shù)據(jù)包格式如圖5所示，數(shù)據(jù)包由20字節(jié)的數(shù)據(jù)構(gòu)成，第I字節(jié)為字母“Α”，第2字節(jié)為校驗和，校驗和的解算方法是:將數(shù)據(jù)包20個字節(jié)累加，判斷以16進制表示的末兩位是否為零，若為零，則說明校驗和正確，數(shù)據(jù)正確完整；否則表示出現(xiàn)藍牙通信誤碼，數(shù)據(jù)無效應(yīng)予以丟棄。第3至第20字節(jié)為Χ、Υ、Ζ軸方向的加速度、角速度、磁感應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包經(jīng)由藍牙進行無線傳輸，數(shù)據(jù)接收端(計算機)采用藍牙串口模塊將數(shù)據(jù)以虛擬串口的形式讀入計算機。傳感器模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊集成為構(gòu)成Η4.5*W3.5*D2.0cm的運動數(shù)據(jù)采集終端。
[0038]4)數(shù)據(jù)分析模塊
[0039]數(shù)據(jù)分析模塊功能由兩部分組成:[0040]a)按照數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)傳輸格式分別讀取左右手各自的X、Y和Z軸方向的加速度、角速度、磁感應(yīng)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果分左右手分別顯示(圖6)。
[0041]b)以3軸磁感應(yīng)數(shù)據(jù)表征雙手運動的空間位置，從而得到雙手運動的運動軌跡。分別計算左右手的運動軌跡與示范運動的運動軌跡之間的相關(guān)系數(shù)作為左右手各自的運動準確性指標和Ak ;以3軸加速度傳感器和3軸數(shù)字角速度傳感器獲取的加速度和角速度來表征雙手運動的速度，分別計算左右手的運動速度與示范運動的運動速度之間的相關(guān)系數(shù)作為左右手各自的運動安定性指標&和Sk ;計算左右兩手的運動速度之間的相關(guān)系數(shù)作為運動同步性指標Cu^將左右手各自的準確性、安定性和同步性指標的平均值作為衡量運動協(xié)調(diào)能力的最終分值Score = (Al+Ae+Sl+Se+Cle)/50
[0042]5)結(jié)果顯示模塊
[0043]基于數(shù)據(jù)分析模塊的分析結(jié)果，將運動準確性kL和Ακ、安定性&和Sk和同步性指標Cui分左右手在3維雷達圖(radar chart)中顯示(如圖7)。并將運動協(xié)調(diào)能力的最終分值Score的數(shù)值顯示。同時，將上述分析結(jié)果與被檢測者的個人信息保存至Excel表格文件中。利用外接打印機可以將上述結(jié)果打印顯示。測驗人員可以選擇是否將分析結(jié)果呈現(xiàn)給被檢測者，以確保對被檢測者的信息屏蔽。
[0044]為了驗證系統(tǒng)的實用性和有效性，圖8顯示了利用該系統(tǒng)對成年健康被檢測者、健康兒童、發(fā)育性協(xié) 調(diào)障礙(DCD)兒童各20名被檢測者的運動協(xié)調(diào)能力測驗的平均結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)成年健康被檢測者的運動協(xié)調(diào)能力最高，D⑶兒童的運動協(xié)調(diào)能力指標明顯低于健康兒童，這一結(jié)果與傳統(tǒng)問卷量表法所得結(jié)果吻合，顯示了本發(fā)明提出的系統(tǒng)具有很好的實用性和有效性。
【權(quán)利要求】
1.一種運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)由測驗?zāi)K、傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、結(jié)果顯示模塊組成；測驗?zāi)K顯示測驗內(nèi)容；基于可穿戴設(shè)備的設(shè)計方法，利用配有魔術(shù)貼的搭扣帶將傳感器模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊固定于被檢測者的左右兩手手掌背部；被檢測者跟隨測驗?zāi)K顯示的示范動作進行運動，傳感器模塊采集被檢測者的運動數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)傳輸模塊將運動數(shù)據(jù)無線傳輸至數(shù)據(jù)分析模塊，通過數(shù)據(jù)分析模塊對被檢測者運動數(shù)據(jù)進行分析從而對被檢測者的運動協(xié)調(diào)能力進行定量評估，最終利用結(jié)果顯示模塊將檢測結(jié)果可視化顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)，其特征在于:在所述測驗?zāi)K中，顯示器的中央顯示測驗內(nèi)容，測驗內(nèi)容為左右手的運動鏡像畫面，即左手按逆時針，右手按順時針在冠狀面內(nèi)從O至120度再從120至O度范圍內(nèi)反復(fù)做手掌旋轉(zhuǎn)運動；在測驗中，要求被檢測者跟隨顯示的示范動作做相同的運動，被檢測者的雙手運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)由傳感器模塊采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感器模塊包括3軸數(shù)字磁感應(yīng)傳感器、3軸加速度傳感器和3軸數(shù)字角速度傳感器，分別獲取被檢測者運動過程中雙手的空間坐標、加速度和角速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)，其特征在于:在所述數(shù)據(jù)分析模塊中，以3軸數(shù)字磁感應(yīng)傳感器表征雙手運動的空間坐標，從而得到雙手運動的運動軌跡；以3軸加速度傳感器和3軸數(shù)字角速度傳感器獲取的加速度和角速度來表征雙手運動的速度；分別計算左右手運動軌跡與示范運動軌跡之間的相關(guān)系數(shù)作為左右手各自的運動準確性指標總和Ακ;分別計算左右手的運動速度與示范運動的運動速度的相關(guān)系數(shù)作為左右手各自的運動安定性指標和Sk ;計算左右兩手的運動速度之間的相關(guān)系數(shù)作為運動同步性指標Cui ;最后，計算左右手各自的準確性、安定性和同步性指標的平均值作為衡量運動協(xié)調(diào)能力的分值Score = (Al+Ak+Sl+Sk+ClR)/5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運動協(xié)調(diào)能力簡便檢測系統(tǒng)，其特征在于:在所述結(jié)果顯示模塊中，將由數(shù)據(jù)分析模塊獲得的準確性Al和Ak、安定性&和Sk和同步性Cui等指標在雷達圖上以3坐標軸顯示，并同時將運動協(xié)調(diào)能力的分值Score顯示；上述結(jié)果除了可以在顯示器上顯示之外，還可以同時在`打印機輸出。
【文檔編號】A61B5/00GK103690148SQ201310722251
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】葛盛, 禹東川 申請人:東南大學(xué)