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人体运动时不同部位加速度的相关性分析

高远雾  
【摘要】:研究背景运动检测设备中的传感器一般用加速度传感器,加速度传感器可以测出人体的加速度波形,而人体不同部位佩戴加速度传感器测得的加速度波形不同。佩戴加速度计的部位可以从两个方面去考虑,一方面要考虑的是佩戴的方便性,如在人体的腕部、或者容易佩戴的衣服上面,但是这些部位不一定是最能反映人体的运动状态的,腕部的自由度比较大,不一定能够代表全身的运动,而衣服上容易受外界干扰不一定能反映人体的运动。另一方面是要求佩戴部位尽可能的准确的测得人体的运动强度,如在人体靠近重心部位的腰部,能很好地反映人体重心位置的运动状态。但是不能反映人体重心部位基本不动的一些运动,如自行车运动,或单纯上肢的运动,腰部的加速度值不能很好的反映这些项目。因此,测量得到的加速度波形与加速度的佩戴位置及做何种运动是有关的。人体进行同一运动,加速度计放置于不同部位,将得到不同的加速度波形,人体进行同一运动,在不同的时间完成,也会得到不同的加速度波形。但不同的加速度波形间又有一定的相似性,并且我们通常用两个波形相关性系数来表明这两个波形的相似程度。研究目的寻找加速度计的放置部位,以相关性系数较大的部位为选择的标准。我们通过在人体多个部位佩戴三维加速度计测得在多种运动方式下的不同部位的三维加速度数据,并运用相关性计算的方法探究以下四个方面:1.同一个人在不同时间同一种运动方式身体多个部位佩戴加速度计测得的三维加速度波形的相关性。2.同一个人不同的运动方式身体多个部位测得的三维加速度波形的相关性。3.行走时同一个人同一部位不同时间同一种运动方式身体的三维加速度波形的相关性。4.不同的人行走时同一部位的三维加速度波形的相关性。研究方法实验一使用Noraxon公司四个无线三维加速度计分别佩戴在外衣的左上胸别校徽的位置,右侧髂嵴,右侧鞋底,左侧鞋底。一个无线心电测试仪器用于测试心电。实验共进行四次,一名受试者在同一地方分4天上午进行走、跑、跳、骑自行车、上楼梯五个项目测试。并对四次实验的加速度数据分别做相关性计算以评定其不同部位佩戴加速度计测得的波形的相关性高低。在实验一的基础上选取一种活动行走进行实验二作进一步详细的探究。实验二实验仪器为Delsys公司的16个无线三维加速度计,量程选择1.5g,采样频率选择296Hz。受试者为上海体育学院的4名男性。16个无线三维加速度计由身体上部向身体下部分别佩戴在前额正中一个,枕部正中一个,胸部锁骨中线与第七肋的交点左右各一个,外上衣的左右胸上部各一个,左右髂嵴各一个,手腕外侧左右各一个,左右大腿前方裤子上各一个,左右踝关节外侧各一个,左右足弓部下方鞋底中各一个,共计16个部位。4名受试者每天3次行走约30秒,连续2天。研究结果1.实验一中4次实验的资料的步态周期平均值分别与总的平均值做相关性计算。以走为例的第一次实验的五个步态周期的平均值与四次实验的总的步态周期平均值作相关性计算,4次实验中不同部位采集的数据的相关性系数均大于0.95,数据较为稳定。2.实验一各项目之间比较走,跑,上楼梯四个部位佩戴加速度的相关性都很高,而对于跳来说,右髋部佩戴加速度计相关性较高,胸部向前方向上相关性较低,其余方向较高,左右鞋相关性相当不如髋部高。而对于骑自行车相关性都不如其它项目高,但四个部位比较而言,左右鞋相关性高于右侧髂嵴、上胸部外衣处,右侧髂嵴和上胸部外衣上相关性相当。3.实验二同一个人身体多个部位在行走中每个步态周期之间加速度曲线相关性系数都较高。4.实验二行走中各部位之间的相关系数的平均值依然很稳定,相关性系数较高,只有手腕处的相关性系数稍低,可能手臂摆臂的自由性比较强导致相关性系数稍低。5.实验二行走中不同的受试者之间的相关系数有的较高,有的较低,即不同的人在行走的时候可能有的人之间的相似性较高,而有的人之间的相似性较低。这个可能是由于个体的差异造成的,某些人行走的动作比较像故他们之间的相关性系数较高,而另外的一些人行走的动作不太像或者部分相像说明他们之间的相关性系数较低。研究结论从两个实验中我们得到如下的结论。1.若是单纯从记录步数视角考虑,那么身体各部位均可佩戴加速度计,且测量数据都能保证较高的准确性。2.基于数据准确性及可靠性的考虑,加速度计不宜放置于衣服表面。3.基于不同人群及所从事的运动项目的不同,那么加速度计应放置于鞋底,进而可获得较为稳定的数据:若是考虑将加速度计佩戴得更加方便,也可将加速度计置于手腕处,但是其稳定性较鞋底中有所降低。


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