預(yù)防跌倒系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：預(yù)防跌倒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種預(yù)防跌倒系統(tǒng)，尤其涉及一種監(jiān)測(cè)相對(duì)于用戶身體下部的用戶質(zhì) 心的預(yù)防跌倒系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
跌倒每年影響數(shù)百萬(wàn)人并導(dǎo)致重要的損傷，尤其是在老年人群中。實(shí)際上，據(jù)估計(jì) 跌倒是老年人前三大死亡原因之一。跌倒是指身體突然、不受控制地且無(wú)意識(shí)地向下位移到地面。當(dāng)前有一些可用的 跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)檢測(cè)這些跌倒并允許用戶在跌倒發(fā)生時(shí)獲得手動(dòng)或自動(dòng)的援助。 示范性的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)可以包括個(gè)人幫助按鈕(PHB)或佩戴式和/或基于環(huán)境的自動(dòng)檢測(cè) 系統(tǒng)。自動(dòng)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)包括一個(gè)或一組連續(xù)測(cè)量用戶運(yùn)動(dòng)的傳感器，以及將測(cè)得或經(jīng) 處理的信號(hào)與預(yù)定閾值比較以檢測(cè)跌倒的處理器。具體而言，自動(dòng)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)存儲(chǔ)各預(yù) 定閾值和/或各分類模式組成的集合(下文稱之為參數(shù)集)。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，從傳感器(例 如加速度計(jì))獲得的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)將進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換和處理，然后與那些參數(shù)集進(jìn)行比較以確定 是否發(fā)生了跌倒事件。很多跌倒檢測(cè)系統(tǒng)還計(jì)算跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的取向變化(因此還檢測(cè)用戶的取向變 化)，并檢測(cè)跌倒事件期間與地面的撞擊。這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于缺乏充分的可靠性。此外，這些系統(tǒng)實(shí)際上并沒(méi)有預(yù)防跌倒， 而只是在用戶已經(jīng)跌倒的情況下提供警告或警報(bào)。但是，對(duì)于那些在行走過(guò)程中不安全的用戶(例如，所述不安全性是由對(duì)跌倒的 恐懼或者肌肉疲勞引起或增強(qiáng)的)，或頻繁進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)的用戶，即他們?cè)谛凶叩臅r(shí)候攜帶 物品，與其孫子或?qū)O女交談等，或?qū)τ谀切┰诠饩€暗淡的地方、潮濕或地面不平坦(例如松 散的地毯、電線、玩具、工具和其他危害)的地方運(yùn)動(dòng)的用戶，或正在接收藥物治療，而藥物 治療可能會(huì)影響到平衡或集中力的用戶，能夠得到預(yù)防跌倒系統(tǒng)的輔助，這減小了跌倒的 實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)，或至少幫助他們避免處于更高跌倒風(fēng)險(xiǎn)的情況下，使他們感到更安全。WO 2008/059418描述了一種用于預(yù)防用戶跌倒的系統(tǒng)，其包括若干個(gè)可附著到至 少一個(gè)下半身肢段的傳感器，其中，所述傳感器適于測(cè)量至少一個(gè)下半身肢段的運(yùn)動(dòng)，并適 于將所述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào)，所述系統(tǒng)還包括適于從相應(yīng)傳感器接收所述信號(hào)的控制器，所 述控制器觀測(cè)所述信號(hào)作為至少一個(gè)下半身肢段的實(shí)際體位序列，并將實(shí)際序列與隨時(shí)間 變化的預(yù)定體位序列(預(yù)定序列與低跌倒風(fēng)險(xiǎn)有關(guān))進(jìn)行比較，以在所述實(shí)際序列偏離預(yù) 定序列(一定程度)時(shí)確定存在高跌倒風(fēng)險(xiǎn)。于是，這種系統(tǒng)提供了一種指示何時(shí)很可能發(fā)生跌倒的方法，在用戶足部軌跡有 偏差時(shí)風(fēng)險(xiǎn)加大。本發(fā)明的目的在于提供一種用于預(yù)防跌倒的系統(tǒng)，其改進(jìn)上述系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
預(yù)防跌倒系統(tǒng)能夠基于檢測(cè)跌倒風(fēng)險(xiǎn)的暫時(shí)增加，這種暫時(shí)增加可以作為用戶步 態(tài)穩(wěn)定性或其他參數(shù)減小被觀測(cè)到。于是，本發(fā)明提供了一種預(yù)防跌倒系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于監(jiān) 測(cè)相對(duì)于用戶身體下部的用戶身體質(zhì)心(CoM)的軌跡。因此，盡管在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，腳軌跡的更大偏差或偏離引起風(fēng)險(xiǎn)加大的檢測(cè)結(jié) 果，但是本發(fā)明提出，如果用戶身體的質(zhì)心同時(shí)也顯著改變，這才會(huì)引起風(fēng)險(xiǎn)加大的檢測(cè)結(jié) 果。于是，本發(fā)明能夠區(qū)別可能由不規(guī)則表面(這增大了支撐面的變化，但未必增大質(zhì)心的 變化)導(dǎo)致的步態(tài)變化。相反，如果支撐面沒(méi)有對(duì)應(yīng)的變化增大，用戶身體質(zhì)心軌跡的變化 增大引起本發(fā)明中風(fēng)險(xiǎn)加大的檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于預(yù)防用戶跌倒的系統(tǒng)，包括用于附著到 身體相應(yīng)部分的一個(gè)或多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器適于測(cè)量所述身體相應(yīng)部分的運(yùn)動(dòng)并將所 述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào)；以及控制器，所述控制器適于接收一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)，并通過(guò)從一個(gè) 或多個(gè)所述信號(hào)估計(jì)相對(duì)于身體下部的軌跡的用戶質(zhì)心的軌跡來(lái)確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，控制器通過(guò)直接估計(jì)相對(duì)于身體下部軌跡的用戶質(zhì)心 軌跡(例如，直接估計(jì)兩個(gè)軌跡之間的差異)來(lái)確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。在備選實(shí)施例中，控制器通 過(guò)獨(dú)立估計(jì)兩個(gè)軌跡并隨后比較它們來(lái)確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種預(yù)防用戶跌倒的方法，所述方法包括將一個(gè) 或多個(gè)傳感器附著到所述用戶身體的相應(yīng)部分；每個(gè)傳感器測(cè)量所述身體相應(yīng)部分的運(yùn)動(dòng) 并將所述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào)；以及通過(guò)從一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)估計(jì)相對(duì)于身體下部軌跡的用 戶質(zhì)心的軌跡確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種包括計(jì)算機(jī)代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì) 算機(jī)代碼當(dāng)在計(jì)算機(jī)或處理器上被運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行以下步驟從附著于用戶身體相應(yīng)部分的 一個(gè)或多個(gè)傳感器接收一個(gè)或多個(gè)信號(hào)，每個(gè)傳感器測(cè)量所述身體相應(yīng)部分的運(yùn)動(dòng)并將所 述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào)；以及通過(guò)從所述一個(gè)或多個(gè)信號(hào)估計(jì)相對(duì)于身體下部軌跡的所述用戶 的質(zhì)心的軌跡確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。


現(xiàn)在將僅參考附圖通過(guò)舉例的方式來(lái)描述本發(fā)明，在附圖中圖l(a)、l(b)和1(c)示出了質(zhì)心、支撐面和動(dòng)態(tài)支撐面的概念；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的預(yù)防跌倒系統(tǒng)；圖3示出了圖2的預(yù)防跌倒系統(tǒng)的方框圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的預(yù)防跌倒系統(tǒng)；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的預(yù)防跌倒系統(tǒng)；以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的方法。
具體實(shí)施例方式如上所述，本發(fā)明提供了一種預(yù)防跌倒的系統(tǒng)，其基于監(jiān)測(cè)相對(duì)于用戶身體下部 的用戶身體質(zhì)心(CoM)的軌跡檢測(cè)跌倒風(fēng)險(xiǎn)的暫時(shí)性增加。在下文中，要將“軌跡”理解為是指表示為位置序列的相關(guān)部分通過(guò)空間所循的路徑。由于(暫時(shí))跌倒風(fēng)險(xiǎn)是從與軌跡相關(guān)的某種距離度量導(dǎo)出的，要將速度理解為包括 在“軌跡”中，以便校正速度可能對(duì)所選距離度量造成的影響(如果有的話)。例如，如果測(cè) 試到質(zhì)心在特定區(qū)域之內(nèi)運(yùn)動(dòng)，假設(shè)質(zhì)心伴隨有將向內(nèi)進(jìn)行的速度，那么質(zhì)心可能物理地 在該區(qū)域之外運(yùn)動(dòng)。質(zhì)心的“軌跡”在該區(qū)域之內(nèi)(盡管可能估計(jì)距離度量超過(guò)臨界值)。 反之亦然，在該區(qū)域之內(nèi)物理運(yùn)動(dòng)但表現(xiàn)出向外的強(qiáng)速度的質(zhì)心可能會(huì)被估計(jì)成處在區(qū)域 之外的軌跡上。這些校正對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。用戶身體的質(zhì)心(CoM)和支撐面(BoS)的概念，連同壓力中心(CoP)，是現(xiàn)有技術(shù) 中公知的。它們用于對(duì)人站立時(shí)維持平衡的方式進(jìn)行建模。質(zhì)心是定義能夠代表全身平移 運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)的力學(xué)量。它還是身體在自由空間中旋轉(zhuǎn)所圍繞的點(diǎn)。對(duì)于人體而言，CoM位于 骨盆附近。于是，優(yōu)選將用于估計(jì)CoM軌跡的傳感器靠近骨盆進(jìn)行附著。支撐面(BoQ是為站立，即為靜態(tài)狀況定義的，大致是由環(huán)繞雙腳的四邊形形狀 覆蓋的區(qū)域。如果質(zhì)心停留在支撐面之內(nèi)，站立的人就是穩(wěn)定的。人通過(guò)改變地面上的壓力點(diǎn) 來(lái)維持該穩(wěn)定性。這引入了壓力中心(CoP)的概念。通常，將直立的人建模為倒立的擺，其 中腳踝代表鉸鏈。在CoM處作用的重力以及在CoP處作用的地面反作用力(GRF)繞這些鉸 鏈產(chǎn)生力矩，讓人前后擺動(dòng)。在圖1(a)和1(b)中示出了這些概念。如果GRF的力矩不能 平衡重力力矩，那么人將會(huì)跌倒。如果CoM(Xm)延伸到BoS之外(且人未將移動(dòng)腿，這是站 立姿勢(shì)的假設(shè))，幾乎肯定會(huì)發(fā)生這種情況。人在行走時(shí)的支撐面并不是那么清楚地定義的。出于本發(fā)明的目的，將動(dòng)態(tài)支撐 面(即，運(yùn)動(dòng)，例如行走期間的支撐面)定義為由步寬(Was)和步長(zhǎng)(LP跨越的表面，如 圖1(c)所示。于是，本發(fā)明基于如下認(rèn)知偏差或偏離是跌倒的必要度量，但其自身不保證是確 定跌倒風(fēng)險(xiǎn)的充分度量。偏差或偏離提供了關(guān)于運(yùn)動(dòng)自身穩(wěn)定性，即運(yùn)動(dòng)模式穩(wěn)定性的信 息。本發(fā)明在其從潛在擾動(dòng)恢復(fù)能力方面說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，即，從質(zhì)心移動(dòng)到支撐面之外 的“無(wú)可返回點(diǎn)”開(kāi)始還有多少余量。在測(cè)量跌倒的平均風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，步態(tài)偏差就足以估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)， 因?yàn)榭梢约僭O(shè)恒定的BoS。然而，在測(cè)量動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，并非總滿足這種假設(shè)，必須要測(cè)量相對(duì) 于支撐面的質(zhì)心的軌跡。于是，通過(guò)以下方式確定跌倒的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)每一步估計(jì)步長(zhǎng)(LiJj)和步寬(Wa s)，認(rèn)為它們共同給出瞬時(shí)BoS ；確定在該步期間質(zhì)心走過(guò)的軌跡(或由包括相對(duì)于人面對(duì) /運(yùn)動(dòng)方向的正向和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的軌跡的二維擴(kuò)展形成的CoM穿越的表面面積；如果在一步 形成的軌跡周?chē)?huà)出矩形，其給出一表面)；并從CoM和BoS軌跡之間的動(dòng)態(tài)距離，尤其是 從ICoM-BoSl的最小值，確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。由于不能以絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量位置，因此在簡(jiǎn)單實(shí)施中 假設(shè)BoS和CoM兩者的中心是對(duì)準(zhǔn)的。不過(guò)，可以使用更精細(xì)的算法來(lái)細(xì)化這種估計(jì)。比較CoM和BoS兩者邊界的位置，查看(i)是否BoS包含CoM ；以及(ii)從CoM邊界到BoS邊界的余量或距離。對(duì)于點(diǎn)(i)，可能偶爾會(huì)發(fā)現(xiàn)在行走期間CoM位于BoS外部，但這并非表示跌倒風(fēng) 險(xiǎn)高。對(duì)于點(diǎn)(ii)，將小余量解釋為表示跌倒風(fēng)險(xiǎn)增加，其中“小”相對(duì)于該用戶的通常余
量而言。
6
在發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)增加時(shí)，可以警告用戶更加小心，或休息一下，例如坐一會(huì)兒。這種風(fēng) 險(xiǎn)增大也可能累積，并被提供給護(hù)理人員，護(hù)理人員可以使用該信息為用戶提供進(jìn)一步建 議或處理。圖2示出了經(jīng)由帶子或其他附著裝置6附著到用戶4的根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的 預(yù)防跌倒系統(tǒng)1。在這一實(shí)施例中，系統(tǒng)1包括單一單元2，其優(yōu)選附著到用戶身體的一部 分，使得單元2中的傳感器能夠測(cè)量行走模式的周期性。于是，可以將單元2附著在用戶身 體4的軀干或上部，例如在頭部周?chē)?。在更低位?例如在腿上)，行走信號(hào)(即行走導(dǎo)致 的加速度)將更強(qiáng)。例如，在腳上，在這只腳的站立階段期間將僅觀察到重力，允許將速度 設(shè)置為零，無(wú)需從其他裝置估計(jì)速度。然而，在將單元2附著到上部時(shí)，行走信號(hào)的周期性 將會(huì)加倍，因?yàn)閮蓷l腿同等地對(duì)信號(hào)波形做出貢獻(xiàn)(在每只腳碰到地面時(shí)上部將登記加速 度)。在這一實(shí)施例中，單元2包括按鈕8，如果用戶跌倒并需要援助，用戶4能夠操作按 鈕8向呼叫中心或其他援助單位發(fā)送報(bào)警信號(hào)。圖3更詳細(xì)地示出了系統(tǒng)1的單元2。單元2包括一個(gè)或多個(gè)用于監(jiān)測(cè)用戶4運(yùn) 動(dòng)的傳感器10以及處理器12，處理器12用于分析來(lái)自傳感器10的信號(hào)以確定用戶4是處 在增大的跌倒風(fēng)險(xiǎn)中，將要跌倒還是用戶4已經(jīng)跌倒。傳感器10通常包括加速度計(jì)，用于 測(cè)量系統(tǒng)1經(jīng)受的加速度。一個(gè)或多個(gè)傳感器10可以包括除加速度計(jì)之外的傳感器，例如陀螺儀(用于確定 單元2的取向)、空氣壓力傳感器(用于幫助確定用戶跌倒時(shí)單元2的高度變化)、鞋墊壓 力傳感器(在將單元2放在腳上時(shí))、肌電圖(EMG)傳感器、磁強(qiáng)計(jì)(用于測(cè)量相對(duì)于地球 磁場(chǎng)的單元2的取向變化)以及溫度傳感器?？梢园ㄝo助估計(jì)位置的其他傳感器。可以從以球坐標(biāo)系表達(dá)的加速度計(jì)信號(hào)的 二重積分估計(jì)位置。這種積分需要速度和位置的邊界條件。由于測(cè)量每一步，因此可以任意 地選擇每步的起始位置為零。如上所述，當(dāng)在腳上測(cè)量時(shí)，在站立階段期間，已知起始速度 為零。在其他測(cè)量位置，要進(jìn)行估計(jì)，例如，可以利用倒立擺模型(例如，如Zijlstra Hof, Gait PosturelS (2003) 1_10中所述)，可能要求平均側(cè)向速度為零，從腳上步進(jìn)時(shí)間的測(cè)得 步長(zhǎng)導(dǎo)出該估計(jì)。在這一實(shí)施例中，觀察行走模式的偏差。這可以是統(tǒng)計(jì)學(xué)中定義的傳統(tǒng)偏差，但 也可以是非線性度量，例如最大Lyapunov指數(shù)或Floquet乘子(例如，如J. B. Dingwell 等人，Chaos 10 (4), 2000,848-863 的"Nonlineartime series analysis of normal and pathological human walking”中所述)。這些度量表示模式自身有多么穩(wěn)定。在這一實(shí) 施例中，假設(shè)BoS未改變很大，因此CoM的大偏離將表示跌倒風(fēng)險(xiǎn)增加。圖4示出了本發(fā)明的第二更優(yōu)選實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，系統(tǒng)1包括如前所述 的單元2，現(xiàn)在優(yōu)選將單元2附著在用戶4的質(zhì)心處或附近(盡管也可以將其附著到用戶頭 部或上軀體)，這意味著單元2中的加速度計(jì)10能夠測(cè)量作用于用戶4的質(zhì)心的加速度。 在這一實(shí)施例中，系統(tǒng)1還包括第二單元20，優(yōu)選地，可能經(jīng)由帶子或其他附著裝置將第二 單元20附著到用戶4的腿、踝、腳、腳跟或腳趾上，或者可以將單元20并入短襪或鞋子中供 用戶穿戴，例如作為鞋子的一部分或作為鞋墊。第二單元20包括相應(yīng)的加速度計(jì)，使得其 能夠測(cè)量腿或腳經(jīng)受的加速度。第二單元20還可以包括結(jié)合第一實(shí)施例上文所述的其他傳感器。于是，在這一兩個(gè)傳感器的實(shí)施例中，靠近骨盆附著的傳感器測(cè)量CoM的運(yùn)動(dòng)，附 著到腳上(例如在鞋子中)的傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)BoS。在這一實(shí)施例中，假設(shè)用戶4的步態(tài)具有完美的反階段對(duì)稱性，這意味著，如果 例如將傳感器附著到左腳，那么估計(jì)右腳的信號(hào)是來(lái)自左腳的測(cè)得信號(hào)的對(duì)稱對(duì)應(yīng)信號(hào) (即，在橫向方向上是鏡像的，但在矢狀方向上是相同的)，但時(shí)間偏移半個(gè)周期。如果，例如，從臨床觀察已知用戶4具有不對(duì)稱步態(tài)，可以相應(yīng)地調(diào)整左右互換。圖5示出了本發(fā)明的第三更優(yōu)選實(shí)施例。在這一實(shí)施例中有第三單元22，提供第 三單元22以附著到用戶4的另一條腿或另一只腳，同樣是通過(guò)帶子或其他附著裝置，或者 并入短襪或鞋子中。要認(rèn)識(shí)到，從能夠提供用戶何時(shí)處于更大跌倒風(fēng)險(xiǎn)的可靠標(biāo)識(shí)方面，而不是從用 戶舒適性方面(用戶一般更喜歡盡可能少的傳感器和單元)來(lái)講，以上實(shí)施例是“優(yōu)選的”。單元2的處理器12如下所述和如圖6所示地處理來(lái)自傳感器的信號(hào)。首先，處理器12檢測(cè)人是否處于穩(wěn)定狀態(tài)站立或行走(步驟101)。對(duì)于站立時(shí) 的穩(wěn)定狀態(tài)，信號(hào)必須要在某一平均值附近變動(dòng)。對(duì)于行走時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)，信號(hào)必須在合理 極限之內(nèi)是周期性的。極限周期應(yīng)當(dāng)是可檢測(cè)到的(即，在某種多維空間中繪示其隨時(shí)間 變化的信號(hào)參數(shù)時(shí)的重復(fù)模式)。在站立時(shí)，一只腳或雙腳的傳感器應(yīng)當(dāng)相對(duì)處于靜止(因 此檢測(cè)不到加速度)。在單元在CoM位置處包括空氣壓力傳感器的實(shí)施例中，傳感器的高 度為直立的姿勢(shì)提供了額外支持。由于人是站立的，因此沒(méi)有對(duì)BoS的進(jìn)一步估計(jì)，僅監(jiān)測(cè) CoM的偏差，如在單一傳感器方案中那樣。在行走時(shí)，使用穩(wěn)態(tài)信號(hào)的周期性描繪各個(gè)周期(腳步)。例如，在腳跟每次撞擊 時(shí)，由于殘余腳速度的吸收，將會(huì)有更大的加速度?？梢允褂眠@個(gè)峰值來(lái)描繪腳步邊界。通 常，在CoM，通過(guò)觀察加速度矢量的范數(shù)可更好檢測(cè)峰值。在BoS，通過(guò)觀察加速度的導(dǎo)數(shù)的 (范數(shù))可更好檢測(cè)峰值。如果傳感器未進(jìn)行時(shí)間同步，對(duì)兩個(gè)傳感器信號(hào)獨(dú)立進(jìn)行同步， 實(shí)際可以使用這一峰值來(lái)對(duì)傳感器進(jìn)行同步。否則，使用時(shí)間同步，可以使用不同傳感器得 到的腳跟撞擊時(shí)間來(lái)細(xì)化周期描繪。另一種方法是測(cè)量垂直位移并觀察高度返回其基準(zhǔn)高 度的時(shí)刻。必須要對(duì)漂移和重力進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。第二步驟(步驟10 是估計(jì)傳感器的位置。這是通過(guò)對(duì)加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行二重積 分實(shí)現(xiàn)的，因此，由于加速度計(jì)信號(hào)的偏移(由于重力，加上對(duì)傳感器取向的不正確估計(jì)， 常常會(huì)有偏移)，結(jié)果可能容易漂移?？梢岳盟枥L的周期邊界以及模式為穩(wěn)態(tài)這一事實(shí) 來(lái)補(bǔ)償漂移。平均垂直速度需要是零，因?yàn)楦叨葲](méi)有變化。平均前行(運(yùn)動(dòng))速度需要是 常數(shù)，因?yàn)榧僭O(shè)用戶在以恒定腳步行走。這個(gè)常數(shù)不是事先知道的，可能會(huì)隨著時(shí)間變化。通過(guò)從一個(gè)周期邊界到下一周期邊界對(duì)加速度計(jì)信號(hào)積分獲得速度。將第一周期 的初始速度設(shè)置為零(或任何其他適當(dāng)?shù)闹?。對(duì)在前面周期中獲得的速度使用低通濾波 器來(lái)估計(jì)下一周期中的速度。例如，利用移動(dòng)平均值過(guò)濾器在每一步之后，將速度更新為 先前所用值和新發(fā)現(xiàn)值的加權(quán)平均V|i= (1-)*ν10 + α*ν}Λ#ο α通常為0.10。這一 ν新被 用作在下一周期積分的初始速度。由于速度能夠改變，因此不能用于補(bǔ)償測(cè)得加速度中的 漂移。于是，為了提供補(bǔ)償漂移的機(jī)制，需要平均加速度在每一步都為零。這與需要恒定速 度是一致的在恒定速度下，加速度的積分變?yōu)榱悖?，平均加速度為零?br> 在每個(gè)周期(每一步)開(kāi)始時(shí)將每個(gè)傳感器的位置(即，優(yōu)選在CoM處以及在兩 條腿或兩只腳上)設(shè)置為零，使得步長(zhǎng)和步寬是完整積分的結(jié)果。更確切地說(shuō)，將整個(gè)腳步 周期上的最大值取做對(duì)長(zhǎng)和寬的估計(jì)。從這些位置計(jì)算CoM和BoS的(直線)軌跡。在開(kāi) 始時(shí)，將軌跡的中心彼此對(duì)準(zhǔn)?？梢栽诿恳徊皆俅芜M(jìn)行這種對(duì)準(zhǔn)，但也可以使用移動(dòng)平均值 或類似過(guò)濾器調(diào)整中心。在備選實(shí)施例中，并非BoS具有針對(duì)腳步的特定表面面積，而是可以假設(shè)在腳步 自身期間BoS的表面面積是動(dòng)態(tài)的，即，在擺動(dòng)腿通過(guò)站立腿時(shí)它處于最小。在用戶穩(wěn)定的 所有時(shí)間內(nèi)，CoM必須要位于該BoS之內(nèi)。在這種情況下，必須要對(duì)準(zhǔn)CoM和BoS軌跡的中 點(diǎn)，不能假設(shè)起始位置是相等的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這個(gè)模型是簡(jiǎn)化的，可以進(jìn) 一步細(xì)化。具體而言，CoM可以臨時(shí)位于BoS之外，并表示相對(duì)低的跌倒風(fēng)險(xiǎn)，條件是CoM 具有充分大速度將其送回BoS中?；蛘撸绻鸆oM在BoS之內(nèi)，但具有較高的“向外，，速度 (即遠(yuǎn)離BoS的中心)，跌倒的風(fēng)險(xiǎn)較高。如上所述，可以將CoM或BoS的這種速度效應(yīng)并 入軌跡估計(jì)中。可以同等地獨(dú)立處理它。應(yīng)當(dāng)在水平平面中進(jìn)行積分。因此，必須要對(duì)來(lái)自加速度計(jì)的信號(hào)的什么分量處 于水平方向做出估計(jì)。這又需要知道傳感器的取向。可以從傳感器的直流(DC)分量估計(jì) 取向，直流分量是因?yàn)橹亓σ鸬?，或者，在預(yù)防跌倒系統(tǒng)2中有其他傳感器時(shí)，是因?yàn)槠?他傳感器，例如磁強(qiáng)計(jì)和/或陀螺儀引起的。在備選實(shí)施例中，對(duì)于質(zhì)心的位置而言，可以監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)傳感器的垂直軌跡并例如 利用倒立擺模型將其轉(zhuǎn)換成水平位移。在第三步(步驟10 中，處理器12估計(jì)相對(duì)于支撐面的質(zhì)心位置。如上所述，支 撐面被定位為步長(zhǎng)L步乘以步寬W動(dòng)態(tài)。假設(shè)CoM和BoS的原點(diǎn)是對(duì)準(zhǔn)的，并可以通過(guò)低 通濾波器調(diào)整它們。對(duì)于步寬而言，可以假設(shè)額外的DC腳步(偏移)寬度以表示兩腳之間的自然間 距。例如20-30cm。不過(guò)，原則上，精確的偏移寬度不重要，因?yàn)?，如果系統(tǒng)2在相對(duì)意義上， 而非絕對(duì)意義上測(cè)試模式的偏離，將發(fā)出跌倒風(fēng)險(xiǎn)增大的警告。如果處理器確定CoM正在擴(kuò)展地接近BoS，即，如果兩個(gè)表面都到達(dá)類似尺寸(因 此ICoM-BoSl小于閾值)，或CoM位于BoS外部，則向用戶發(fā)出警報(bào)(步驟107)，以警告用 戶他們處在增加的跌倒風(fēng)險(xiǎn)下。警報(bào)可以是可聽(tīng)或可見(jiàn)信號(hào)，但也可以是另一種形式，例如 振動(dòng)或其他觸覺(jué)?？梢耘c業(yè)務(wù)提供商或護(hù)理人員溝通事件的發(fā)生或發(fā)生率。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可以通過(guò)如下方式來(lái)改進(jìn)處理器12執(zhí)行以檢測(cè)跌倒 風(fēng)險(xiǎn)增加的算法獨(dú)立處理左右腳步，以細(xì)化確定BoS時(shí)使用的步長(zhǎng)，或獨(dú)立考慮雙支撐階 段(雙支撐階段是步態(tài)中雙腳都觸地的時(shí)期)。在這個(gè)階段期間，可以使用為站立定義的靜 態(tài)穩(wěn)定性度量。在那個(gè)意義上，可以將跌倒風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分成兩個(gè)部分一個(gè)是在雙支撐階段中估 計(jì)的，第二個(gè)是在擺腿期間估計(jì)的。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可以擴(kuò)展預(yù)防跌倒系統(tǒng)，使其能夠用于具有某種形式 的行走輔助，例如拐棍兒或支架的用戶。在這些實(shí)施例中，測(cè)量用戶雙腳以及拐棍或支架跨 越的(動(dòng)態(tài))面積作為BoS。可以在拐棍兒或支架上而不是在用戶身上固定單元?？梢栽?算法中進(jìn)行校正，用于在雙腳和拐棍或支架上分割用戶的體重。在有支架的情況下，用戶將 向前屈身，這意味著CoM的位置偏移。而且，由于支架支撐力的緣故，CoM的位置將移動(dòng)到軀干的另一位置，優(yōu)選的附著位置將會(huì)變化。如上所述，除了加速度計(jì)之外，可以使用其他傳感器?？梢允褂猛勇輧x以方便估計(jì) 傳感器的取向?？梢允褂么艔?qiáng)計(jì)補(bǔ)充由重力指示的DC方向信息?？梢栽黾覧MG傳感器以 觀測(cè)肌肉活動(dòng)，從而提供統(tǒng)計(jì)擾動(dòng)能力的更好估計(jì)(即，EMG傳感器能夠估計(jì)反應(yīng)速度和強(qiáng) 度)?？赡苡^測(cè)到疲勞，這表示跌倒的風(fēng)險(xiǎn)增加。另一種措施可以是觀測(cè)CoP，例如使用用 戶鞋子中的壓力傳感器。這些壓力傳感器可用于通過(guò)計(jì)算與CoP運(yùn)動(dòng)相反的力矩來(lái)細(xì)化穩(wěn) 定性估計(jì)。在雙支撐階段期間這可能會(huì)尤其有用。鞋墊(鞋中)壓力傳感器也可以用于估 計(jì)腳步邊界(腳跟撞擊和腳趾離開(kāi))。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，沒(méi)有獨(dú)立觀測(cè)CoM和BoS，而是可以監(jiān)測(cè)組合信號(hào) CoM-BoS的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性可以是CoM和BoS之間的距離，但也可以是距離的偏差。
因?yàn)橹T如行走的生理過(guò)程表現(xiàn)出非線性特性，所以更精密的分析將來(lái)自于觀測(cè)對(duì)應(yīng)的(非 線性)量。具體而言，最大Lyapimov指數(shù)和Floquet乘子是有用的量。例如，并非觀測(cè)CoM 和BoS相對(duì)于彼此的位置軌跡，而是比較在CoM和BoS位置處測(cè)量的最大Lyapimov指數(shù)。 直接從傳感器信號(hào)估計(jì)指數(shù)，即，不需要二重積分。盡管已經(jīng)在附圖和說(shuō)明書(shū)中詳細(xì)示出和描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)將這樣的圖示和 說(shuō)明看作是示范性或示例性的，而不是限定性的；本發(fā)明不限于所公開(kāi)的實(shí)施例。通過(guò)研究附圖、說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)，實(shí)踐所要求保護(hù)的發(fā)明的本領(lǐng)域技術(shù)人員 能夠理解并實(shí)施針對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的變型。在權(quán)利要求中，“包括” 一詞不排除其他元件 或步驟，不定冠詞“一”不排除多個(gè)元件或步驟?？梢酝ㄟ^(guò)單個(gè)處理器或其他單元實(shí)現(xiàn)權(quán)利 要求中記載的幾個(gè)項(xiàng)目的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載某些措施不表示不能有 利地采用這些措施的組合?？梢詫⒂?jì)算機(jī)程序存儲(chǔ)/分布在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)當(dāng)中，例如，所述介 質(zhì)可以是光存儲(chǔ)介質(zhì)或者與其他硬件一起提供的或者作為其他硬件的部分的固體介質(zhì)，但 是，也可以使所述計(jì)算機(jī)程序通過(guò)其他形式分布，例如，通過(guò)因特網(wǎng)或者其他有線或無(wú)線電 信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被視為具有限制范圍的作用。
權(quán)利要求
1.一種用于預(yù)防用戶(4)跌倒的系統(tǒng)，包括用于附著到身體的相應(yīng)部分的一個(gè)或多個(gè)傳感器0，20，22)，每個(gè)傳感器(2，20，22) 適于測(cè)量所述身體的所述相應(yīng)部分的運(yùn)動(dòng)并將所述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào)；以及控制器(12)，所述控制器適于接收一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)，并通過(guò)從一個(gè)或多個(gè)所述信 號(hào)估計(jì)相對(duì)于所述身體的下部的軌跡的所述用戶(4)的質(zhì)心的軌跡來(lái)確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器(12)適于通過(guò)如下方式確定所述跌 倒風(fēng)險(xiǎn)從一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)估計(jì)所述用戶(4)的質(zhì)心的所述軌跡；從一個(gè)或多個(gè)所述 信號(hào)估計(jì)所述身體的所述下部的所述軌跡；以及比較所估計(jì)的軌跡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述身體的所述下部的所述軌跡包括所述用 戶(4)的支撐面的軌跡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述用戶(4)的支撐面是由所述用戶⑷行走時(shí) 的步寬和步長(zhǎng)界定的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器(12)適于從所述質(zhì)心的所 述軌跡和所述身體的所述下部的所述軌跡之間的距離確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器(12)適于在所述質(zhì)心位于所述身體 的所述下部的所述軌跡外部時(shí)確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)更高。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器(12)適于在所述質(zhì)心和所述身 體的所述下部的所述軌跡之間的距離小于閾值時(shí)確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)更高。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述閾值是從所述用戶(4)對(duì)所述系統(tǒng)的先前使 用情況確定的。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述身體的所述下部包括所述 用戶(4)的雙腿、雙踝、雙腳或雙腳跟之一或兩者。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器O)中 的至少一個(gè)附著到所述用戶的身體的上部，例如頭部、上軀體或下軀體。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括附著到所述用戶 的身體的上部以測(cè)量所述身體的該部分的運(yùn)動(dòng)的傳感器O)，并且所述控制器(1 適于從 表示所述用戶的身體的所述上部的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)估計(jì)所述用戶(4)的質(zhì)心的所述軌跡。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器(12)還適于從所測(cè)得的所述身體 的所述上部的運(yùn)動(dòng)估計(jì)所述身體的所述下部的所述軌跡。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括附著到所述用戶的身體的下部 以測(cè)量所述身體該部分的運(yùn)動(dòng)的至少一個(gè)其他傳感器00，22)，并且所述控制器(1 適于 從表示所述用戶的身體的所述下部的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)估計(jì)所述身體的所述下部的所述軌跡。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)其他傳感器(20，22)用于附著到 所述用戶(4)的腿、踝、腳、腳跟或腳趾。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器(2， 20,22)包括加速度計(jì)，并且所述軌跡是通過(guò)對(duì)來(lái)自所述加速度計(jì)的信號(hào)進(jìn)行積分而估計(jì) 的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1到14中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器(2， 20，22)包括加速度計(jì)，并且所述控制器適于通過(guò)從一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)計(jì)算Lyapimov指數(shù)或Floquet乘子來(lái)估計(jì)相對(duì)于所述身體的所述下部的所述軌跡的所述用戶(4)的質(zhì)心的 所述軌跡。
17.一種預(yù)防用戶跌倒的方法，所述方法包括-將一個(gè)或多個(gè)傳感器附著到所述用戶的身體的相應(yīng)部分；-每個(gè)傳感器測(cè)量所述身體的所述相應(yīng)部分的運(yùn)動(dòng)并將所述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào)(101)；以及-通過(guò)從一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)估計(jì)相對(duì)于所述身體的下部的軌跡的所述用戶的質(zhì)心的 軌跡確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)(103，105，107)。
18.—種包括計(jì)算機(jī)代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)代碼當(dāng)在計(jì)算機(jī)或處理器上 被運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行以下步驟-從附著到用戶身體的相應(yīng)部分的一個(gè)或多個(gè)傳感器接收一個(gè)或多個(gè)信號(hào)，每個(gè)傳感 器測(cè)量所述身體的所述相應(yīng)部分的運(yùn)動(dòng)并將所述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào)；以及-通過(guò)從所述一個(gè)或多個(gè)信號(hào)估計(jì)相對(duì)于所述身體的下部的軌跡的所述用戶的質(zhì)心的 軌跡確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)(103，105，107)。
全文摘要
提供了一種用于預(yù)防用戶跌倒的系統(tǒng)，包括用于附著到身體相應(yīng)部分的一個(gè)或多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器適于測(cè)量所述身體相應(yīng)部分的運(yùn)動(dòng)并將所述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào)；以及控制器，所述控制器適于接收一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)，并通過(guò)從一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)估計(jì)相對(duì)于身體下部的軌跡的所述用戶的質(zhì)心的軌跡來(lái)確定跌倒風(fēng)險(xiǎn)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102144248SQ200980134385
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者W·R·T·坦恩卡特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司