基于WBSN的老年人步态评估方法的研究

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作为物联网(InternetofThings)的神经末梢,无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)已经把触角伸到了人们生活的每一个角落。而无线传感器网络的重要分支,无线体域网(WirelessBodySensorNetwork,WBSN)甚至把触角蔓延到了人们的身体上。近年来,随着嵌入式技术、MEMS技术、传感器技术、无线通信技术的发展,很多传感器网络节点可以做到体积小、重量轻、功能强等,从而可以穿戴在人们的身体上。这些传感器网络节点能够采集身体重要的生理信息(如ECG、血氧、温度、血糖、血压、脉率等)、人体运动信息以及人体所在的环境信息,收集并处理这些信息并将它们传输到身体之外的数据中心,经过分析处理可以为人们提供身体诊断、治疗、评估等的依据。  老年人跌倒发生率高、后果严重,是老年人伤残和死亡的重要原因之一。老年人跌倒完全是可以预防和控制的。由于平衡和步态的损害与跌倒有密切关系,对老年人进行平衡和步态的评测非常重要,这可以有效预测老年人的跌倒风险。通过预测跌倒的危险性,我们可以及时介入治疗训练,从而有效预防跌倒的发生。  Tinetti步态和平衡测试是老年人跌倒风险评估中一种方便、容易操作的方法。传统方法是人为来完成的,费时、费力、效率低而且人为估算误差较大。本论文结合传统步态评测工具与现代信息技术,通过设计基于体域网的老年人步态评估方案,实现对老年人步态的自动评测。  本论文设计了基于无线体域网的老年人步态评估方案的硬件系统,该硬件系统包括了传感单元、无线单元、电源管理单元、主控电路单元等。传感单元包括了电容传感器模块、光电传感器模块、加速度陀螺仪传感器模块。无线单元主要负责整个无线体域网的数据交互,包括四个节点,其中三个从节点和一个主节点。从节点分别嵌入到了两只鞋子与腰部设备中,用于采集步态评测时的所有相关信息。主节点与上位机PC相连,用于把收集的传感信息数据上传给上位机,并对整个无线网络进行管理。设计中也给出了步态评测鞋以及腰部节点的样机模型,包括各个传感器的安装位置以及安装方向。  本论文同时给出了整个系统平台的软件设计,包括底层单片机驱动程序设计、无线网络程序设计、上位机程序设计。底层单片机驱动程序主要完成对传感器数据的读取、预处理、打包等操作。底层单片机驱动还包括与无线传输单元数据交互的驱动程序。无线网络程序是基于TI公司的SimpliciTI协议栈来完成的,主要是来维持整个无线体域网系统的拓扑结构以及与底层单片机、上位机之间的数据交互。上位机的程序给操作人员提供人机接口,控制整个评测系统,并对无线接收来的传感器数据进行实时显示,结合软件算法显示评测结果。  论文还介绍了利用步态评测系统实现Tinetti步态评测表的相关算法。首先对与步态评测项有关的敏感参数的确定,主要是确定加速度、陀螺仪的敏感轴以及电容传感器的变化范围等,并基于这些敏感参数分析了利用本方案进行步态评测的可行性。由于后续分析的需要,在处理数据前,对数据进行了预处理操作,主要是设计了FIR数字滤波器等。同时也对多传感器融合技术进行了介绍,给出了相关的融合技术的层次以及融合技术的相关方法。最后尝试性的对步态评测系统进行了实验,验证了系统的可行性。
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