人体平衡能力评估方法研究及系统实现

成 霞，谷玉海,，陈耀祖，苏 鹏，徐小力

(北京信息科技大学 a.现代测控教育部重点实验室； b.机电工程学院， 北京 100192)

人体平衡能力是指人保持自身身体处于某种状态或受到外力作用时能自动恢复至平衡状态的能力[1]。人体平衡能力是人体自身平衡功能强弱的客观表现，体现运动稳定性的控制力[2]。平衡是人能进行各种运动的前提，良好的人体平衡能力是日常生活中各类活动的基本保障[3]。若人体平衡能力出现问题，轻则导致患者在日常生活中过于小心产生危机跌倒的心理[4]或将影响人体的自由行动能力；重则会限制或丧失自主活动能力，导致患者的日常生活质量严重下降[5-6]。因此，研究人体平衡能力评估系统不仅能客观、定量、精确地评估人体自身平衡能力的强弱，而且可为平衡障碍诊断、运动康复训练等提供科学依据。

1 平衡能力的评估方法

人体站立平衡能力对人的日常生活非常重要， 170多年前就有学者对人体平衡能力进行研究。然而，由于人体站立生物调节系统存在的复杂性与不确定性，导致对人体平衡能力的准确评估存在重重困难。对人体平衡能力评估的方法按照其提出的顺序与时间大致分为三类：传统的观察法、量表评估法和人体平衡测试仪器法[7]。

1) 传统的观察法。不借助外部仪器，医生根据观察测试者在不同条件下做出的保持自身平衡的能力进行评估。这种方法成本较低，且只能用来简略评估测试者的平衡能力，不能得到精确的测试结果。传统的观察法种类繁多，普遍使用的3种检测方法有闭目直立检查法、强化Romberg检查法以及单腿直立检查法。闭目直立检查法一般从静止和运动两种状态来评估测试者的平衡能力。静止状态主要从以下几个方面评估人体平衡能力：双脚并拢静止站立时睁闭眼前后身体的晃动状态；坐位时的睁闭眼状态；单足交替站立时身体的稳定性。运动状态主要从以下几个方面评估人体平衡能力：移动身体时，身体保持平衡；在不同的条件下行走，直线、圆圈、跨过标记物等环境下行走；侧向走，倒退走等[8]。该方法对人体平衡能力的测量过于简略，缺乏评定标准和量化，不能精确地反映出人体自身平衡能力的强弱，所以该方法只能粗略地挑选出疑似患者。

2) 量表评估法。普遍使用的一般有Berg平衡量表法、Tinnetti量表法测试。

Berg平衡量表法是通过访问专业医生和测试者，经过记录、整理与分析一系列数据后综合建立的从多个方面评价人体平衡能力的工具[9]。Berg平衡量表法包含14项平衡能力测试，医生根据测试者做各个任务时的反应与恢复自身平衡状态所需时间来评估测试者的平衡能力，例如站、坐、单脚站立、转身一周、坐站转移等活动。每个测试的分值范围为0～4，共14项测试，总分为56分。得分在46～56区间表明测试者平衡能力良好，得分低于46则被认为具有较大跌倒风险[10]。

Tinnetti量表法测试总分为28分，该方法主要有站立测试与行走测试。得分越高表示测试者的平衡稳定性越好，得分低于24则表示人体平衡功能有可能出现障碍。

量表法虽然测试过程简单、用时短，但评分具有主观性，且分数难以界定，存在“天花板”效应[11]，因此无法得到精确的测评结果。

3) 人体平衡测试仪器法。测力平台是平衡测试仪器的一部分。当测试者站立在测力平台上时，压力传感器采集到的随身体微小晃动而变化的人体重心点数据实时地显示在上位机屏幕上，并通过对重心数据的一系列处理与分析最终以图表的形式显示出来。其结果可用来评估测试者的平衡能力。

这种方法可以使测试者根据上位机屏幕显示的重心偏移情况自行调整重心的轨迹方向；通过上位机的实时显示，医生可及时掌握测试者的平衡能力情况；也可根据测试结果对测试者的平衡能力进行定量评估和准确分析。

2 平衡测试指标及计算方法

平衡测试仪器主要由测力平台、放大滤波器、单片机、计算机装置以及显示装置等设备组成。平衡测试仪系统工作原理如图1所示。测试者站立于测力平台上，测力平台下方的压力传感器感受到压力的变化，将压力信号转换为相应的电压信号；经过滤波和放大后，由A/D转换器将模拟信号转换成数字信号[12]传送至单片机；单片机处理之后通过串口通讯将数据传输至上位机，上位机系统根据力矩平衡原理对数字信号进行实时处理与分析，获得人体重心坐标，并实时显示在上位机显示屏上；同时绘制出重心移动轨迹线，并对测试过程中上位机保存的人体重心数据进行处理与计算，得到的测试结果能更定量、精确地评估人体平衡能力。

图1 系统工作原理框图

根据前人对人体平衡能力的研究，选取最常用且有效的平衡指标作为测试指标，各测试指标如下：

1) 重心移动轨迹长度(Lng)：指在指定时间内采集到的人体重心点的移动轨迹长度，其总值越大，表明测试过程中测试者身体晃动幅度越大或重心偏离身体重心位置的幅度越大，也说明测试者的自身平衡稳定性差。(xi,yi)表示ti时刻人体重心在测力平台上的坐标，连续采集测试者重心数据并记录n个重心的坐标，则重心轨迹总长度为：

(1)

(2)

3) 单位面积轨迹长度(Lng/Area)。指重心移动轨迹长度与轨迹面积的比值，反映测试者在维持自身平衡时对姿态的细微控制能力。当自身控制能力减弱时，该值也随之减小[13]。

(3)

4) 左右动摇径(Dx)。指重心点在左右方向上的最大摆动范围，摆动范围越大说明平衡稳定性越差，即

Dx=xmax-xmin

(4)

5) 前后动摇径(Dy)。指重心点在前后方向上的最大摆动范围,摆动范围越大说明平衡稳定性越差，即

Dy=ymax-ymin

(5)

6) 动摇径比(D)。指左右动摇径与前后动摇径的比值，比值越大说明平衡稳定性越差，即

(6)

7)X、Y方向平均差。通过计算x、y方向平均差的值来反映测试者在x方向和y方向的人体平衡能力，其计算式为：

(7)

(8)

通过比较ADx与ADy值的大小，确定重心摇摆的程度，值越小说明重心在该方向的平衡能力越好。

8) 位移方差评估。获得测试者的一系列重心坐标，通过计算位移方差值来评估人体的平衡能力。

(9)

其中：n表示重心点投影个数；x1…xn表示横坐标；x表示位移平均值。

表1 统计四川省科委重点项目得到的数据结论

为方便处理和管理数据，在对上述公式进行计算之前，首先在单片机内对采集到的数据进行归一化处理，将预处理所得数据限定在[-1,1]范围，从而消除极个别特殊数据导致的不良影响，使得测试结果更精确。

对人体平衡测试仪器系统获得的重心动摇数据，结合测试时间，进行如图2所示的人体平衡能力分析。

图2 人体平衡能力分析流程框图

测试者站在测力平台上时，测力平台下方的12个压力传感器将采集到的压力信号转化为力学信号，经过硬件模块转化为数字信号，通过串口通信传输至上位机，上位机系统内部根据力矩平衡原理计算出每个重心点的坐标，按时间顺序依次在上位机屏幕上实时显示重心点并绘制出重心移动轨迹线。根据实时显示并记录下的投影重心数据信息(如图3所示)以及采样时间，计算出各个评价指标的值，并在计算出的指标的基础上，分析测试者平衡能力。

图3 重心坐标点信息截图

3 实验与分析

3.1 测试对象

所有测试者均为身体康健、无任何影响平衡功能疾病的志愿者。选取20名身体健康的大学生和20名老年人作为测试者，其中男、女各10人，根据年龄段将其分为青年组和老年组。青年组整体年龄在22～27岁，身高老年组整体年龄在60～70岁，测试者的基本信息如表2所示。

表2 测试者基本信息

3.2 测试方法

进行平衡测试时，要求测试者在安静、明亮度合适、温度适宜、无噪音的环境静坐10 min以适应。然后站立在测力平台上方，点击“开始”按钮之后双眼平视前方，如图4所示。测试者目视前方，心情平和，注意力集中，全身处于放松状态保持身体稳定，测试进行30 s，期间避免给测试者下指令或问话等一切干扰性行为。若测试过程中，被测者被突然打断或者测试数据异常，休息5 min之后再进行测试，以确保数据的可用性。

图4 实验现场照片

3.3 测试结果与分析

3.3.1测试指标分析

40名测试者按顺序依次通过测试，采集到测试者在测试过程中重心的实时运动轨迹。根据采集到的足底压力信号将其转化成相应的数据信息，最后根据采集到的数据信息与采样时间进行各个测试指标的计算与分析。测试指标各数据如表3所示。

由表3可以得出：青年组的重心移动轨迹长(Lng)略小于老年组，说明在测试过程中青年组人体晃动频率比老年组低，偏离中心位置的幅度小，人体稳定性整体上比老年组好；青年组的轨迹面积(Area)小于老年组，反映出青年组比老年组的人体摇摆程度低；当人体自身的控制能力减弱时，单位面积轨迹长(Lng/Area)减小，老年组的单位面积轨迹长小于青年组，表明老年组比青年组的控制能力弱；从左右动摇半径(Dx)、前后动摇半径(Dy)以及动摇径比(D)这三方面进行对比，发现老年组测试所得值普遍高于青年组，说明老年组比青年组的重心浮动范围大；平均差数值(ADx,ADy)越小，说明该方向上的平衡能力越好，通过对比x、y方向的平均差数值来看，青年组比老年组的数值均偏小，故青年组的平衡能力强于老年组；位移方差值(S2)在(4.88,5.61)，说明人的平衡能力良好，位移方差值在(5.61,6)，说明人的平衡能力正常，青年组的平衡能力属于良好等级，老年组的平衡能力属于正常等级。由此可以得出结论，青年组比老年组的整体平衡能力要好。

表3 各测试指标结果

3.3.2重心运动轨迹线分析

从青年组和老年组中分别随机选取1张重心运动轨迹线图用来分析。取横轴为x轴，纵轴为y轴，以两轴交点作为原点，建立直角坐标系。通过观察图5、6可以得出：图5的重心轨迹线围绕圆点运动且左右、前后几乎均匀分布，重心轨迹线滑动幅度较小，比较稳定，可以看出图5的重心运动轨迹属于中心型，说明被测者平衡能力较强；图6的重心轨迹线并非均匀分布在圆点周围，它在x正半轴上较突出，且重心轨迹线滑动幅度较大，由此可以推断出被测者平衡能力存在一定程度的障碍，建议及时就医查明原因，防止发生意外。从重心运动轨迹线角度分析，青年组的平衡能力普遍比老年组的平衡控制能力强。

图5 青年组重心运动轨迹线

图6 老年组重心运动轨迹线

4 结论

设计了一种新的评估人体平衡能力的系统，将传统评价指标与平均差以及方位差相结合评估测试者的平衡能力，并在人体平衡测试仪器系统中给予实现。系统基于人体重心位移(CoP) 测量方法，将系统硬件与软件相结合，采用串口通讯以及QT界面设计技术，量化分析与评估测试者的平衡能力，达到可视化的效果。该系统主要用于人体静态条件下平衡能力的评估，实验结果表明该系统可以客观、定量、精确地评估人体的平衡能力，且能实时检测人体重心位置，对平衡能力缺陷疾病的预防与治疗都有重要意义，为人体平衡仪在医学中的应用提供了新思路，具有较好的技术应用前景。