專利名稱：測量步態運動學信息的系統和方法
技術領域：
本發明涉及運動監測系統和方法，尤其涉及用于測量步態運動性信息的系統。
背景技術：
對于運動者來說，了解他/她在運動時的心率和速度信息是有價值的。當前的心率和速度監測器不是基于加速度傳感器就是基于GPS技術。基于加速度傳感器的心率和速度監測器由用于測量心率的胸帶、嵌有加速計以測量速度的的足墊以及用以顯示分別從胸帶和足墊接收到的心率和速度信息的腕表。由于腕表將接收來自胸帶(心率信息)和足墊(速度和距離信息)兩種信號，因此該方法具有RF干擾問題的缺點。當兩個或多個心率和速度監測器使用者聚到一起時問題將變得更壞，并且可能導致不準確讀數。
發明內容
根據上述背景，本發明的目的是提供一種替代的步態運動學測量裝置。
根據本發明的目的，一實施例是用于在提供了受試者的運動期間測量步態運動學信息的系統，該系統包括適于固定到受試者身體軀干上的固定部件(例如但不限于胸帶)；連接到固定部件的加速度傳感器，其用于感測受試者身體軀干的垂直加速度；以及與加速度傳感器相耦合的微處理器。該微處理器適合于接收來自加速度傳感器的垂直加速度數據，計算并導出受試者通過的速度和距離，并傳達該速度和距離信息。
在一種實現中，根據本發明的系統還包括耦合到微處理器的無線發射單元，其用于發送步態運動學信息。還提供包括接收單元的接收裝置，其用于接收步態運動學信息。在最優選實施例中，接收裝置提供有無線接收器和用于顯示步態運動學信息的顯示單元。在一更優選實施例中，接收裝置適于戴在受試者手腕上，諸如改進的腕表，或者戴在受試者的耳朵上，諸如耳塞。
在另一優選實施例中，根據本發明的系統還包括同樣固定在胸帶上并耦合到微處理器的心率監測裝置。心率監測系統可以為傳統系統，包括測量受試者心電圖(ECG)信號的一組電極，并且能夠將ECG信號轉換成數字脈沖并將該數字脈沖作為心率值傳達給受試者。
在第二實施例的優選實現中，也提供了耦合到微處理器的無線發射單元來用于發送步態運動學信息，同時提供了包括接收單元的接收裝置來用于接收步態運動學信息。該接收裝置還可以是例如前一實施例中所述的腕部裝置或耳部裝置。
在兩個實施例中，該無線發射裝置可以但并限于是射頻發射器，紅外發射器；聲納發射器；射頻發射器或紅外發射器。
在本發明的第三實施例中，提供了根據數字垂直加速度數據來計算速度和距離信息的方法，該方法包括下面步驟獲得運動時受試者身體軀干的垂直加速度數據；以及基于垂直加速度數據和從受試者進行的校準事件獲得的一段預定距離的校準參數來計算由該受試者通過的速度和距離。
在具體實現示例中，可使用以下步驟來計算由受試者通過的速度和距離1.使數字垂直加速度數據經過低通濾波以產生濾波的加速度數據；2.通過計算來自當前時間采樣與來自前一時間采樣的濾波的加速度數據之間的差來計算加速度的變化；3.累加一段時間的加速度變化以達到累加的加速度變化率；4.通過用幅度偏移補償系數和時間偏移補償系數乘以累加的加速度變化率，并且除以一個基于校準參數的校準常數來計算受試人通過的距離，其中所述校準參數是從受試者進行的校準事件獲得的一段預定距離的校準參數；并且
5.通過用步驟(4)中計算的距離除以測量的時間周期來計算受試人通過的速度。
可通過計算固定時間間隔Tc內的活動時間Tac、Tc減去Tac并用所得結果除以Tc，來導出時間偏移補償系數。
可通過以下步驟來導出校準參數1.測量受試者通過固定距離所花費的時間以獲得校準時間周期；2.累加校準時間周期內的加速度變化以達到加速度的校準變化；以及3.用加速度的校準變化除以校準時間周期以獲得校準系數。
根據如下所述的等式(4)可導出幅度偏移補償系數，即，用累加的加速度變化率除以固定時間間隔Tc，再用結果除以加速度校準值，將所得結果加1，并將所得總和除以2。
用加速度的校準變化除以校準時間周期還可進一步導出加速度校準值。
上述本發明的實施例之一提供了一種解決方案，即，將心率測量設備和加速度傳感器組合到可穿在身體軀干上的一個單元中。該單元還把諸如心率、受試者通過的速度和距離之類的步態運動學信息發送到接收裝置，達到以視覺或聽覺形式通知受試者有關運動學信息的目的。這是優于其中具有心率和速度傳感器的傳統步態運動學測量裝置的一個明顯優勢，即因為設置在胸帶上的同一單元能測量兩個參數，因此只需將單一發送信號發送到諸如腕表或耳塞的接收裝置。在使用安裝在鞋上的速度測量系統的傳統系統中，由胸上心率監測器和鞋上的速度監測器產生的信號可能彼此干擾。
本發明的另一優勢在于不用把裝置安裝在使用者的鞋上。因此如果胸帶上也安裝速度監測器，則使用者不必把另一裝置安裝在鞋上。而且，一旦執行了胸帶上的校準，無需任何方式的再校準。相反，當使用新鞋時，傳統的鞋上監測器通常需要再校準。
圖1是本發明的實施例A的示意圖。
圖2是本發明的實施例B的示意圖。
圖3是根據本發明一實施例的系統框圖。
圖4A是根據本發明另一實施例的算法的主流程圖。
圖4B是本發明同一實施例的速度/距離算法的流程圖。
圖5A是根據本發明同一實施例獲得的跑步時的加速度波形圖。
圖5B是從圖5A獲得的低通濾波后的加速度波形圖。
圖5C是根據等式(1)從圖5B計算出的加速度信號變化率圖。
圖6A是在2秒間隔中數據包發送的示圖。
圖6B是數據幀中數據位格式的示圖。
具體實施例方式
除非另有說明，如這里和權利要求中使用的“耦合”或“連接”是指通過一個或多個電氣裝置直接或間接地電耦合或電連接。
如圖1和2所示，在本發明優選實施例中的系統包括一個胸帶和諸如腕表或耳塞的接收裝置。加速度傳感器放置于胸帶20中，因此心跳、速度以及距離讀數都在胸帶處計算，并且讀數要么以包編碼的格式發送到腕表22(如圖1所示的實施例A)，要么作為聲音信息發送到耳塞24(如圖2所示的實施例B)。
在如圖3所示的胸帶中的系統的優選實施例中，心電圖裝置(ECG)26適合于檢測ECG信號，該ECG信號隨后被放大器28放大并被施密特觸發器模塊30轉換成數字脈沖，并且隨后被發送到微處理器中央處理單元(MCU)32。與此分開地，加速度傳感器34收集垂直加速度信息，該垂直加速度信息在被發送到MCU 32之間通過模數轉換器(ADC)36。ADC對輸入的加速度波形以50Hz采樣率采樣。MCU將數據傳送到用于腕表的無線發射器38或用于耳塞的無線發射器39，隨后所述無線發射器分別把該數據發送到用于腕表的無線接收器43或用于耳塞的無線接收器41。在一實施例中，該數據被處理為聲音信息，并且該音頻信號被直接發送到耳塞24并輸出到可戴在使用者耳朵上的揚聲器42。在另一實施例中，該數據以數據包的形式被發送到安裝在腕表22中用于腕表的無線接收器43。該腕表22提供有第二MCU 44，該第二MCU 44將把步態運動學信息顯示在顯示裝置48上。本發明裝置可進一步包括Lap/會話(Lap/session)存儲器50和可PC下載的下載模塊46。每一存儲器可包括如總時間、平均和最大速度、總距離以及平均和最大心率的信息。
首先來說明如圖4A所示的整個方法，只要為優選實施例的胸帶安裝上電池，它就在步驟001中準備檢查狀態從而確定胸帶是否在胸上。一旦該裝置感測到胸帶被穿戴在受試人的胸上，則該系統在步驟002開始檢測心率，并且在步驟003檢測加速度信號，隨后在步驟004基于稍后所述的某一算法來計算受試者的心率值和距離或速度。以2秒間隔，該胸帶在步驟005中通過無線發射裝置將心率值和速度/距離信息發送到顯示裝置48或直接發送到耳塞24。
現在來說明通過胸帶裝置20的MCU 32來計算速度/距離信息的整個算法，首先在圖4B的步驟006中對加速度波形進行低通濾波以去除高頻噪聲。低通濾波器的帶寬可以在0-16Hz范圍內。在接下的步驟007中，通過把當前加速度與為重力加速度g的一部分的閾值作比較，該系統確定使用者是否在運動中。一旦檢測到使用者的運動，基于低通濾波之后獲得的加速度波形，在步驟008根據式(1)計算差值Adi，其中Adi＝Ai-Ai-1(1)1.Adi為加速度信號變化率序列。
2.Ai和Ai-1分別為時間i和時間i-1的加速度。
一旦獲得加速度信號變化率Adi，則在步驟009該系統開始記錄每一周期加速度波形中的時間參數Tc和Tac，其中Tc為用于測量Adi的固定時間間隔，而Tac為當受試者運動時的活動時間，并且為Adi的絕對值高于門限的Tc內那些時間間隔的累加。
隨后基于記錄時間Tc和Adi在步驟010中計算Tc時間間隔中的加速度變化率STc。
STc=Σi=0TcAdi---(2)]]>Adi為加速度信號變化率序列。
Tc為計算周期；STc為Tc周期內加速度信號變化率序列的總和。
時間Tc內受試者通過的速度VTc和距離DTc正比于STc。然而，為了減小誤差，本發明計算施加于STc的幾個補償系數以準確測量速度和距離。
首先，在步驟011中大體上基于Tc和Tac來計算時間偏移補償系數Kt以消除加速度波形基線偏移的影響。
Kt=1-TacTc---(3)]]>其中Kt為時間偏移補償系數。
Tc為計算周期；Tac為Tc內的活動時間。
另外，基于下面公式在步驟012計算幅度補償系數KaKa=12(1+STCAcal*Tc)---(4)]]>其中Ka為幅度偏移補償系數。
STc為Tc周期內加速度信號變化率序列的總和。
Tc為計算周期；Acal為稍后所述的校準參數。
最后，在步驟013利用下面算式來計算實際速度VTc和距離DTcDTc=Ka*(1-Kt)*STcKcal---(5)]]>VTc=Ka*(1-Kt)*STcKcal*Tc---(6)]]>其中DTc為Tc周期內的實際距離VTc為Tc周期內的實際速度STc為Tc周期內加速度信號變化率序列的總和；Kt為時間偏移補償系數。
Ka為幅度偏移補償系數。
Kcal為校準常數。
上面算式中的校準參數Kcal，Acal，是在要求使用者穿上胸帶并且跑動某一距離D(如400m)的校準期間內計算的，并且在該校準周期Tcal期間，記錄并分析整個加速度波形。基于該加速度波形，計算下面的系數Scal=Σi=0Tcal(Ai-Ai-1)---(7)]]>其中Scal為Tcal內加速度信號變化率的總和；Ai為加速度波形；Tcal為受試者跑動距離D的總時間；隨后，如下計算其它系數Kcal和AcalKcal=ScalD---(8)]]>其中D為已知距離。
Acal=ScalTcal---(9)]]>現在給出特定示例以示出該算法如何計算運動的人的距離和速度。
當穿著本發明的胸帶系統20的使用者運動時，加速度傳感器34產生加速度波形。模數轉換器36隨后以每秒50Hz的頻率將該波形數字化處理，并且隨后將其饋送到MCU 32。圖5A示出了當受試者跑步時典型加速度波形。圖5B示出了經過低通濾波后的同一波形。該低通濾波器的帶寬為0到16Hz。圖5C示出了如由式(1)計算的加速度信號變化率Adi的絕對值。該圖示出了從時間采樣4020開始到時間采樣4040結束的計算周期Tc。在這一段周期中，通過累加那些加速度信號變化率Adi的絕對值高于門限的時間間隔，該算法確定活動時間Tac。在本實施例中，將門限設為0.06g，如圖5C所示的線60，其中g為重力加速度常數。在此具體情況下，Tac為兩段不相交的間隔(即線62到線66和線68到線64)的總和。
為解決RF干擾問題，在本發明的一實施例中，藉此來自胸帶的心率、距離和速度信息被發送到腕表，該信息作為數據包以例如每2秒鐘的固定間隔被發送。而且為保證本發明能經受幾個使用者在很近的距離內穿著相似裝置的多使用者環境的干擾，該數據包還包括諸如使用者ID代碼的附加信息、和數據包糾錯位。圖6A示出了在2秒鐘間隔內的數據包發送，而圖6B進一步示出了數據幀中的數據位格式。在圖6B中，數據包不但包括心率值和受試者通過的速度和距離，而且還包括ID代碼和奇偶校驗位。當接收到損壞的包時，接收器對糾錯位進行解碼并通過使腕表顯示器48中的一些圖表閃爍來警告使用者有外部干擾。該顯示器將保持當前顯示直到再次接收到清晰信號為止。
因此結合特定示例充分說明了本發明的優選實施例。盡管本說明針對具體實施例和示例，但是顯然對于本領域技術人員來說通過改變這些特定細節可以實踐本發明。因此本發明并不限制于這里所述的例如，根據使用者的需要，發射器和接收器可以有許多形式，同時還可以根據需要構成數據格式。
權利要求
1.一種用于測量受試者運動期間的步態運動學信息的系統，包括a)適于固定在受試者身體軀干上的固定部件；b)與所述固定部件連接的加速度傳感器，其用于感測所述受試者身體軀干的垂直加速度；c)與所述加速度傳感器耦合的微處理器，配置所述微處理器以從所述加速度傳感器接收所述垂直加速度數據，計算并導出所述受試者通過的速度和距離，并傳達所述速度和距離信息。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括與所述微處理器耦合的無線發射單元，其用于發送所述步態運動學信息；和包括接收單元的接收裝置，其用于接收所述步態運動學信息。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述接收裝置適于連接到所述受試者的手腕，并且所述接收裝置包括無線接收器和用于顯示所述步態運動學信息的顯示單元。
4.根據權利要求2所述的系統，其中所述接收裝置適于戴在所述受試者的耳朵上，并且所述接收裝置包括無線接收器和用于將所述步態運動學信息可聽見地發送到所述受試者的耳塞。
5.根據權利要求1所述的系統，還包括固定在所述固定部件并與所述微處理器耦合的心率監測裝置。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述心率監測裝置包括測量所述受試者的心電圖(ECG)信號的一組電極，所述心率監測裝置還能將所述ECG信號轉換成數字脈沖并能將所述數字脈沖作為所述心率值傳送到所述受試者。
7.根據權利要求5所述的系統，還包括與所述微處理器耦合的無線發射單元，其用于發送所述步態運動學信息；和包括接收單元的接收裝置，其用于接收所述步態運動學信息。
8.根據權利要求7所述的系統，其中所述接收裝置適于連接到所述受試者的手腕，并且所述接收裝置包括無線接收器和用于顯示所述步態運動學信息的顯示單元。
9.根據權利要求7所述的系統，其中所述接收裝置適于戴在所述受試者的耳朵上，并且所述接收裝置包括無線接收器和用于將所述步態運動學信息可聽見地發送到所述受試者的耳塞。
10.根據權利要求7所述的系統，其中將所述步態運動學信息以數據包形式從所述發射單元發送到所述接收裝置的所述接收單元。
11.根據權利要求8所述的系統，其中所述數據包還包括ID和糾錯位，以防止無線發射期間的數據發送錯誤。
12.根據權利要求2所述的系統，其中所述無線發射裝置為射頻發射器，紅外發射器；聲納發射器；射頻發射器或紅外發射器。
13.根據權利要求7所述的系統，其中所述無線發射裝置為射頻發射器，紅外發射器；聲納發射器；射頻發射器或紅外發射器。
14.一種計算速度和距離信息的方法，包括下面步驟a)獲得運動期間受試者身體軀干的所述垂直加速度數據；并且b)基于所述垂直加速度數據和從所述受試者通過一段預定距離進行的校準事件而獲得的校準參數來計算所述受試者通過的速度和距離。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述計算步驟包括a)使所述垂直加速度數據經過低通濾波以產生濾波的加速度數據；b)通過計算來自當前時間采樣與來自前一時間采樣的所述濾波的加速度數據之間的差來計算加速度的變化；c)累加一段時間的所述加速度變化以達到累加的加速度變化率；d)通過用所述累加的加速度變化率乘以幅度偏移補償系數和時間偏移補償系數，并且除以一個基于校準參數的校準常數來計算所述受試人通過的所述距離，其中所述校準參數是由所述受試者通過一段預定距離進行的校準事件而獲得的；并且e)通過用步驟(d)中計算的所述距離除以測量的時間周期來計算所述受試人通過的所述速度。
16.根據權利要求15所述的方法，其中可通過計算固定時間間隔Tc內的活動時間Tac，Tc減去Tac，并用所得結果除以Tc，來導出所述時間偏移補償系數。
17.根據權利要求15所述的方法，其中通過以下步驟來導出所述校準參數a)測量所述受試者通過固定距離所花費的時間以獲得校準時間周期；b)累加校準時間周期內的加速度變化以達到加速度的校準變化；并且c)用所述加速度的校準變化除以所述校準時間周期以獲得所述校準系數。
18.根據權利要求15所述的方法，其中根據式(4)用所述累加的加速度變化率除以固定時間間隔Tc，再用結果除以加速度校準值，將所得結果加1，并將所得總和除以2，來導出所述幅度偏移補償系數。
19.根據權利要求18所述的方法，其中用所述加速度的校準變化除以所述校準時間周期來導出所述加速度校準值。
全文摘要
一種用于測量受試者運動期間的步態運動學信息的系統，包括適于固定在受試者身體軀干上的固定部件；與固定部件連接的加速度傳感器，其用于感測受試者身體軀干的垂直加速度；以及與加速度傳感器耦合的微處理器，其適用于從加速度傳感器接收垂直加速度數據，計算導出受試者通過的速度和距離，并傳達該速度和距離信息。在優選實施例中，還提供了心率監測裝置。
文檔編號G08C17/02GK1931090SQ200610109980
公開日2007年3月21日 申請日期2006年8月25日 優先權日2005年9月16日
發明者陳煒文, 梁文雄 申請人:萬威科研有限公司