用于检测人的步行的系统和方法 【技术领域】
本发明涉及用于检测人的步行的系统和方法， 或者， 换句话说， 用于通过包括一系 列步伐的运动的模式而检测人的运动的系统和方法。背景技术
用于分析人的运动的系统在生物医学领域中日趋广泛， 尤其是用于分析人的身体 活动。
对人的行走活动的检测所提供的信息使得例如估计人的能量消耗、 评价人的久坐 水平或估计在外科手术或药物处置之后的身体机能的质量或丢失成为可能。
Najafi， B.、 Aminian， K.、 Paraschiv-Ionescu A.、 Loew， F.、 Bula C.J. 以 及 Robert ， P. 的 标 题 为 “Ambulatory system for human motion analysis using a kinematic sensor ： monitoring of daily physical activity in the elderly， ” Biomedical Engineering， IEEE Transactions on， 2003 年 6 月、 第 50 卷、 no.6、 第 711-723 页的文献描述 2A1G 运动传感器 ( 双轴加速度计和单轴陀螺测试仪 )， 该运动传 感器佩戴在人的躯干上， 并且， 由 0.62-5.00Hz 带通滤波器对垂直加速度信号进行滤波。在 经滤波的信号上寻找到至少三个高于阈值的等间隔发生的峰值振幅。 难以先验地设置通用 阈值， 这显著地涉及这样的系统的可靠性的缺乏。 Bernard Auvinet、 Gilles Berrut、 Claude Touzard、 Laurent Moutel、 Nadine Collet、 Denis Chaleil 以 及 Eric Barrey 的 标 题 为 “Reference data for normal subjects obtained with an accelerometric device” ， Gait & Posture、 2002 年 10 月、 第 16 卷、 第 2 期、 第 124-134 页的文献描述对被认为是大体上周期性活动的行走活动的频 率分析， 其以取决于行走速度的频率产生功率峰值。对垂直加速度信号的偶次谐波和奇次 谐波之间的比的研究使研究步行的稳定性成为可能。这并不涉及检测行走活动， 而涉及在 已知人在行走时对人的行走活动进行分析或描绘特性。
M.Sekine、 T.Tamura、 T.Togawa 以 及 Y.Fukui 的 标 题 为 “Classification of waist-acceleration signals in a continuous walking record” ， Medical Engineering & Physics 22(4)(2000)， 第 285-291 页的文献描述使用小波变换而在代表人的步行的信号 中区分人是否在水平表面上行走、 爬楼梯或下楼。该文献的内容并不使检测行走活动成为 可能。
发明内容
本发明的目的是， 在人的走动信号的记录中检测该人的行走活动。
根据本发明的一个方面， 提出了一种用于检测人的步行的系统， 该系统布置有包 括双轴或三轴运动传感器的壳体。该壳体适合于附着到所述人的身体的上部， 从而所述传 感器的第一测量轴适于提供代表所述身体的前后轴或垂直轴的度量， 并且， 从而所述传感 器的第二测量轴适于提供代表所述身体的中侧轴的度量， 所述系统还布置有用于分析由所述传感器递送的测量结果的分析装置。所述分析装置包括 ：
- 处理装置， 其用于在时间窗口上处理由所述传感器递送的测量信号， 所述处理装 置包括用于搜索所述信号中的主频的装置， 和
- 检测装置， 其用于在第一测量轴的信号的主频和第二测量轴的主频之间或由所 述传感器传输的测量结果的向量的欧几里得范数的主频和第二测量轴的信号的主频之间 的比大体上等于二时， 检测人的步行。
这样的系统使以降低的成本且在用户佩戴该系统时几乎没有不适感的情况下， 以 鲁棒且自动的方式检测人的步行成为可能。
例如， 时间窗口是滑动窗口。
因此， 该系统甚至在相当大的处理期期间都是极其精确的。
在一个实施例中， 所述运动传感器是三轴的， 所述传感器的第一测量轴与所述身 体的前后轴重合， 所述传感器的第二测量轴与所述身体的中侧轴重合， 并且， 所述传感器的 第三测量轴与所述身体的垂直轴重合， 所述检测装置适合于检测第一测量轴的信号的主频 和第二测量轴的主频之间或第三测量轴的信号的主频和第二测量轴的主频之间或由所述 传感器传输的测量结果的向量的欧几里得范数的主频和第二测量轴的信号的主频之间的 大体上等于二的比。
因此， 改进检测的精度。
根据一个实施例， 该系统还包括高通滤波器。
因此， 去除由运动传感器传输的信号的相应的连续分量， 以便能够以高精度检测 主频。
在一个实施例中， 该系统还包括例如具有 0.5 和 10Hz 的频带的带通滤波器。
因此， 大大地制约与步行无关的信噪或频率的影响。
根据一个实施例， 所述分析装置在所述壳体的内部或外部， 并且， 所述运动传感器 包括用于将其测量结果传输至该分析装置的有线或无线的传输装置。
分析装置可以并入壳体中或安装在远程库上， 并且， 来自壳体的输出信号无论是 否被分析， 都能够利用线或不利用线传输。
所述运动传感器可以是双轴或三轴加速度计、 双轴或三轴磁强计或双轴或三轴陀 螺测试仪。
本发明利用所有这些类型的运动传感器来工作。
例如， 滑动时间窗口持续五秒， 在偏移一秒的两个连续的窗口之间存在着四秒的 部分重叠。
这些值特别适合于人的步行。
根据一个实施方式， 用于搜索由运动传感器传输的信号的主频的所述装置适合于 在每个时间窗口中通过谱分析而执行对主频的搜索。例如， 该谱分析能够是谱图类型的。
使用与切趾窗口卷积的信号的傅里叶变换模的平方的谱图是一种搜索主频的简 单、 可靠且低成本的方法， 所述主频即与最大信号功率相对应的频率。
用于搜索主频的所述装置可以适合于将对沿着第二轴 vML 的主频的搜索限制在 0.25Hz 和 1Hz 之间的频率。
用于搜索主频的所述装置可以适合于在第一轴与前后轴重合时， 将对沿着第一轴的主频的搜索限制在预定的频率范围中的频率。该频率范围能够以沿着第二轴的主频 fML Hz 增加 0.2Hz 和 3Hz 为边界 ([fML+0.2 ； 3])。
优选， 该范围可以以沿着第二轴的主频 fML 增加 0.25Hz 和 2Hz 为边界 ([fML+0.25 ； 2])。
用于搜索主频的所述装置可以适合于在第一轴与垂直轴重合时， 将对沿着第一轴 的主频的搜索限制在预定的频率范围中所包括的频率。 该频率范围可以以沿着第二轴的主 频 fML Hz 增加 0.2Hz 和 3Hz 为边界 ([fML+0.2 ； 3])。
用于搜索主频的所述装置可以适合于将对针对由所述运动传感器传输的测量结 果的向量的欧几里得范数的主频的搜索限制在预定的频率范围中所包括的频率。 该频率范 围可以以沿着第二轴的主频 fML Hz 增加 0.2Hz 和 3Hz 为边界 ([fML+0.2 ； 3])。
所有这些值特别适合于步行活动。
根据一个实施例， 所述检测装置适合于当在至少一个轴上的至少一个频率下的信 号功率也高于阈值时， 检测方差内的大体上等于二的所述主频的比。
换句话说， 仅针对在至少一个轴上的至少一个频率下具有的功率高于所确定的阈 值的窗口而确定或使用这样的比， 该阈值能够被称为功率阈值。例如在测试阶段期间先验 地确定或实验地调整该功率阈值。 不但可能将至少一个频率的功率的条件应用于至少一个轴， 而且还应用于所有 轴。应当指出， 当该功率条件应用于各种轴时， 每个功率阈值可以互不相同。
根据特定的实施例， 所述确定装置适合于当主频在至少一个轴上具有高于阈值功 率的功率时， 确定与给定的时间窗口相对应的主频的比。
可能将该阈值条件仅应用于主频或者同样地应用于其他定义的频率或频带。
应当指出， 该功率阈值标准还可以应用于测量向量的欧几里得范数。对于每个时 间窗口， 例如主频的 ( 多个 ) 频率被验证为具有高于功率阈值的功率。
功率阈值可以先验地或通过在例如解剖校准的未发生任何事情的时隙中预先确 定而设置。
根据一个实施例， 所述壳体适合于附着到所述人的躯干或骶骨。
当壳体附着到躯干时， 躯干的振动幅度较高， 这改进系统的精度。
对骶骨的附着特别容易且谨慎， 例如借助于带。
根据本发明的另一方面， 也提出一种用于基于由双轴或三轴运动传感器对沿着所 述传感器的第一测量轴和沿着所述传感器的第二测量轴的运动进行的测量而检测人的步 行的方法， 第一测量轴适于提供代表所述人的身体的前后轴或垂直轴的度量， 第二测量轴 适于提供代表所述身体的中侧轴的度量， 其中 ：
- 在时间窗口上处理由所述运动传感器递送的测量信号， 所述处理包括搜索所述 信号中的主频， 以及
- 在第一测量轴的信号的主频和第二测量轴的主频之间或由所述传感器传输的测 量结果的向量的欧几里得范数的主频和第二测量轴的信号的主频之间的比大体上等于二 时， 检测所述人的步行。
例如， 在滑动时间窗口上执行处理。
附图说明 在研究作为非限制性的示例而描述并由附图图解说明的许多实施例的基础上， 将 更好地理解本发明， 其中 ：
- 图 1 示意地图解说明根据本发明的一个方面的系统的一个实施例 ；
- 图 2 示意地表示人及其前后、 垂直以及中侧解剖轴 ；
- 图 3 图解说明根据图 1 的由系统进行的测量结果的示例， 其中， 运动传感器是双 轴加速度计 ；
- 图 4 和 5 图解说明分析装置的运行 ；
- 图 6a 和 6b 图解说明根据本发明的一个方面的系统的第一实施例 ；
- 图 7a、 7b 以及 7c 图解说明根据本发明的一个方面的系统的第二实施例 ；
- 图 8a 和 8b 图解说明根据本发明的一个方面的系统的第三实施例 ；
- 图 9a 和 9b 图解说明根据本发明的一个方面的系统的第四实施例 ； 以及
- 图 10a 和 10b 图解说明根据本发明的一个方面的系统的第五实施例。
具体实施方式 在所有附图中， 具有相同的标记的元件是相似的。
如在图 1 中所图解说明的， 用于检测人的步行的系统包括壳体 BT， 该壳体 BT 包括 双轴或三轴运动传感器 CM。壳体 BT 适合于附着到所述人的身体的上部， 在该实例中， 借助 于弹性附着带 CEF， 从而所述运动传感器的第一测量轴适于提供代表所述身体的前后轴 AP 或垂直轴 VT 的度量， 并且， 所述运动传感器的第二测量轴适于提供代表所述身体的中侧轴 ML 的度量。作为变型， 任何其他附着装置都可以是合适的。
例如， 运动传感器的第一测量轴可以与身体的前后轴 AP 或垂直轴 VT 重合， 并且， 运动传感器的第二测量轴可以与身体的中侧轴 ML 重合。
该重合可以例如通过解剖校准来实现， 例如通过要求附着有壳体 BT 的人靠墙尽 可能地站直几秒。该系统以已知的方式确定应用于测量的旋转矩阵， 以便给予简化为中侧 轴 ML、 前后轴 AP 或垂直轴 VT 的测量结果。运动传感器 CM 还提供有传输模块 MTR， 以便将 测量结果通过在该示例中为无线传输的传输而传输至外部站 SE， 在这种情况下， 外部站 SE 为膝上型计算机。
作为变型， 传输能够通过线而进行。 运动传感器可以是例如双轴或三轴加速度计、 双轴或三轴磁强计或者双轴或三轴陀螺测试仪。
然而， 在剩余的描述中， 以非限制性的方式， 运动传感器 CM 是双轴加速度计， 其第 一测量轴与人的身体的前后轴 AP 重合， 并且， 第二测量轴与人的身体的中侧轴 ML 重合。
作为变型， 加速度计的第二测量轴可以与人的身体的中侧轴 ML 重合， 并且， 第一 测量轴可以与人的身体的垂直轴 VT 重合。
膝上型计算机 SE 包括用于分析由加速度计 CM 传输的数据的分析模块 MA。 作为变 型， 分析模块可以并入壳体 BT 中。
分析模块适合于在低于或等于 1kHz 且典型地为 10 至 200Hz 的数量级的采样频率 下对从加速度计 CM 接收的信号进行采样。
分析模块 MA 包括用于处理由加速度计 CM 递送的测量信号的处理模块 MT。
作为变型， 在诸如三轴加速度计的三轴运动传感器 CM 的情况下， 有可能执行解剖 校准， 从而加速度计的第一测量轴与人的身体的前后轴 AP 重合， 加速度计的第二测量轴与 人的身体的中侧轴 ML 重合， 并且， 加速度计的第三测量轴与人的身体的垂直轴 VT 重合。在 这种情况下， 检测模块适合于检测第一测量轴的信号的主频和第二测量轴的主频之间的比 或者第三测量轴的信号的主频和第二测量轴的主频之间的比或者由所述传感器传输的测 量结果的向量的欧几里得范数和第二测量轴的信号的主频之间的比大体上等于二。于是， 这给予改进的检测精度。
大体上等于 2 的比意指例如 1.7 和 2.3 之间的比， 并且， 优选为 1.9 和 2.1 之间。
可以预先确定该比， 但同样可以试验地调整该比， 尤其是在测试阶段期间。然后， 当人在行走时， 对该比所取的各种值精确地进行分析， 然后， 确定在算法中使用的临界值。 考虑到与假阳性 ( 当人不在行走时， 设备发出他在行走的信号 ) 或假阴性 ( 当人在行走时， 设备指示他不在行走 ) 相关联的风险， 该确定尤其可以统计的方式进行。
处理模块 MT 可以包括高通滤波器 FPH， 这使去除由加速度计 CM 传输的信号的相应 的连续分量成为可能， 以便以高精度检测主频。
处理模块 MT 还可以包括带通滤波器， 以便大大地限制与行走无关的信噪或频率 的影响。 此外， 处理模块 MT 包括用于通过谱分析而搜索由运动传感器传输的信号的主频 MRFD 的模块。 包含根据频率而估计信号的功率的谱分析是一种用于搜索信号的主频的在计 算方面简单且低成本的已知的方法。 “主频” 被理解为与信号的功率密度的最大值相对应的 频率。当然， 作为变型， 可以设想任何其他搜索主频 MRFD 的方法。例如， 谱分析不但可以通 过使用傅里叶变换来执行， 而且也可以通过例如小波变换、 更适合于非平稳信号的技术的 本领域技术人员已知的其他技术来执行。
分析模块 MA 还包括检测模块 MD， 该检测模块 MD 用于在第一测量轴的信号的主频 和第二测量轴的主频之间， 或者由所述传感器传输的测量结果的向量的欧几里得范数的主 频和第二测量轴的信号的主频之间的比大体上等于二时， 检测人的步行。
本发明在不需要运动传感器 CM 的物理校准的情况下工作， 或者， 换句话说， 根据 本发明的系统基于以数值单元或伏特表示的原始数据工作， 并且， 运动传感器 CM 的增益和 位移的知识并非必要。如果决定不将伏特转换为物理单位 ( 例如， 对于加速度计而言， m/ 2 s )， 最小功率阈值的概念可以基于对休息状态下的人的测量而不基于运动学上的数据而 决定。
图 2 示意地图解说明人及其三个解剖轴， 即中侧轴 ML、 前后轴 AP 以及垂直轴 VT， 其取向为使得三面体 (ML、 VT、 AP) 是直接三面体。身体的中侧轴 ML 取向为从身体的左部至 身体的右部， 前后轴 AP 取向为从身体的后部至身体的前部， 并且， 垂直轴取向为从身体的 上部至身体的下部。
最佳地， 壳体可以放在躯干上或骶骨上。
带通滤波器 FPB 可以例如是在特别适合于行走的 0.5 和 10Hz 之间的频带中进行 滤波的 4 阶巴特沃斯滤波器。
信号被分成用于分析的时间窗口， 时间窗口优选为滑动时间窗口， 例如， 被分成五 秒的窗口， 在偏移一秒的两个连续的窗口之间存在着四秒的部分重叠。 然后， 对于每个时间
窗口， 寻找信号的主频。
用于通过对谱图类型的谱分析而搜索主频 MRFD 的模块可以适于将对沿着第一轴 的主频 fML 的搜索限制在 0.25Hz 和 1Hz 之间的频率。
用于通过谱分析而搜索主频 MRFD 的模块也可以适于在第一轴与前后轴 AP 重合时 将对沿着第一轴的主频的搜索限制在沿着第二轴的主频 fML Hz 增加 0.2Hz 和 3Hz 之间的频 率或沿着第二轴的主频 fML Hz 增加 0.25Hz 和 2Hz 之间的频率 ([fML+0.25 ； 2])。
用于通过谱分析而搜索主频 MRFD 的模块还可以适于在第一轴与垂直轴 VT 重合时 将对沿着第一轴的主频的搜索限制在沿着第二轴的主频 fML Hz 增加 0.2Hz 和 3Hz 之间的频 率。
用于通过谱分析而搜索主频 MRFD 的模块还可以适于将对针对由所述运动传感器 CM 传输的测量结果的向量的欧几里得范数的主频的搜索限制在沿着第二轴的主频 fML Hz 增加 0.2Hz 和 3Hz 之间的频率。
所有这些对主频的搜索的限制特别适合于行走， 并且， 使限制所使用的计算时间 和内存大小成为可能。
此外， 测试表明， 对其中制约主频搜索的这样的频率范围的选择通过显著地降低 假阳性或假阴性的风险而使增加可靠性且甚至稳定性成为可能。
图 3 示出根据时间的由根据本发明的一个方面的壳体 BT 传输的信号 SML 和 SAP 的 示例， 该壳体 BT 布置有双轴加速度计 CM， 其第一测量轴与前后轴 AP 重合， 其第二测量轴与 中侧轴 ML 重合。壳体 BT 例如放在其活动被监测的人的骶骨上。
图 4 针对图 3 的数据的情况而表示与信号 SML 和 SAP 相对应的根据时间的主频 fML 和 fAP、 由用于对主频 MRFD 进行搜索的模块通过滑动窗口计算主频 fML 和 fAP。
图 5 针对图 3 和 4 的情况而表示由行走检测模块 MD 基于主频 fML 和 fAP 的比而进 行的计算。然后， 该系统检测与初始时刻 0s 相对应的时刻和与初始时刻之后 182s 相对应 的时刻之间的行走活动， 以及在与初始时刻之后 221s 相对应的时刻重新开始的行走活动。
在用户佩戴根据本发明的一个方面的行走检测系统的下列示范性的实施例中， 用 户在各种测试期间采取不动或移动的各种姿态。
在该实例中， 在 200Hz 的采样率下进行测量。在持续 10s 的滑动窗口上， 将这些数 据聚集在一起， 其中， 两个连续的窗口之间重叠 90％。 由 4 阶 IIR 巴特沃斯滤波器将带通滤 波 [0.1Hz ； 10Hz] 应用于这些测量结果。通过计算所测量的信号乘以切趾窗口的乘积的傅 里叶变换模的平方而执行每个窗口的谱分析， 从而使达到谱图成为可能。在每个窗口上确 定第二轴上的主频 fML。
在这些示例中， 对于每个测量轴， 在频率值的相应的优选范围中确定主频 ： fML 在 0.25Hz 和 1Hz 之间， 并且， fAP 在 fML+0.25 和 2Hz 之间。
图 6a 和 6b 图解说明第一示例。图 6a 图解说明利用在带上佩戴的根据本发明的 一个方面的系统来进行的记录。该检测不受沿着中侧轴 ML 测量的信号的功率的影响而起 动。图 6a 表示根据窗口指数的主频 fML 和 fAP。它们是相应地沿着中侧轴 ML 和前后轴 AP 针 对每个时间窗口而确定的主频。
图 6b 表示针对每个时间窗口的主频 fAP 和 fML 之间的比。在该示例中， 人仅在时间 窗口 160 和 210 之间行走。与这些时间窗口相对应的比大约处于值 2。因此， 该测试使确定阈值成为可能， 该 阈值大体上等于 2， 在该示例中， 例如， 等于 1.9， 高于该阈值， 则认为人正在行走。可以根据 该类型的测试或通过已知的统计分析技术而手动地确定该阈值， 从而使估计假阳性和假阴 性的风险成为可能。
现在， 图解说明阈值大体上等于 2， 就是说， 接近 2， 但并不严格等于 2， 在实验测试 期间能够进行调整。该调整可以是手动的， 或者例如通过确定 fAP 和 fML 之间的比的统计分 布， 并且， 通过估计该分布的某些参数， 例如在假设分布为正态的情况下的平均值和标准偏 差， 而自动地生成该调整。
图 7a、 7b 以及图 7c 图解说明在带上携带行走监测系统的第二示例。例如在沿着 中侧轴 ML 测量的信号上强加所测量的信号的功率阈值。 在此， 功率阈值设置在 0.01g2(g ＝ 9.81m·s-2)， 低于该功率阈值， 则不试图检测比 fAP/fML。在根据窗口指数的功率的图 7a 中 表示该功率。在该实例中， 功率单位是重力常数的平方。因此， 该曲线表示针对每个时间窗 口沿着中侧轴 ML 确定的主频的功率。
图 7b 仅包含仅针对具有沿着中侧轴 ML 测量的信号的时间窗口的沿着前后轴 AP 的主频 fAP， 该信号的功率高于所提到的阈值。在该示例中， 用户在时间窗口 155 和 210 之 间以及时间窗口 102 和 107 之间行走。 在图 7c 中， 针对每个与用户的步行相对应的窗口， 获得大体上等于 2 的比， 就是 说， 在 1.8 和 2.2 之间。在该实例中， 阈值能够设置在 1.8 或 1.9。将功率标准应用于沿着 中侧轴 ML 测量的信号或沿着前后轴 AP 测量的信号， 或者同时应用于这些信号， 而且， 阈值 能够不同。
图 8a 和图 8b 图解说明第三示例， 对于第三示例， 图 8b 表示由所述传感器 CM 传输 的测量结果的向量的欧几里得范数的主频和第二测量轴的信号的主频 fML 的比。
在图 9a、 9b 和 10a、 10b 中相应地图解说明两个其他示范性的实施例， 系统相应地 附着到带和躯干。
这些示例示出用户在时间窗口 150 和 200 之间行走。在这两个示例中特别清楚地 图解说明， 无论系统放在身体的上部的什么地方， 系统都极其可靠。
本发明使以低成本且以高精度检测人的行走活动成为可能。
尽管本发明特别地描述了行走阶段的检测， 但是该检测也能够应用于跑步阶段， 则调整用于搜索主频的频率范围。
此外， 本发明并不强制物理地校准运动传感器。