Способ измерения длительностей отдельных шагов левой и правой ноги
Владельцы патента RU 2752373:
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» (RU)
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (RU)
Настоящее изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в повышении точности определения длительностей отдельных шагов по сигналам с датчиков мобильного устройства за счёт более точного детектирования границ шагов во временной области. Технический результат достигается за счёт того, что посредством акселерометра и микрофона, содержащихся в вычислительном устройстве, осуществляют регистрацию ускорения и уровня звука при ходьбе по прямой линии, выполняемой пользователем в течение заранее заданного времени; осуществляют формирование двух последовательностей зарегистрированных данных и их последующую совместную обработку, посредством вычислительного устройства, причем последовательности регистрируемых данных представляют собой синхронно зарегистрированные отсчеты значений с датчиков акселерометра и микрофона; формируют двумерную корреляционную функцию сигнала с вертикальной оси акселерометра и модели эталонного шага; осуществляют обработку сигнала с микрофона вычислительного устройства для уточнения временных координат, соответствующих обнаруженным локальным максимумам двумерной корреляционной функции; последовательности собранных данных с акселерометра и микрофона накладываются друг на друга; на основе наложенных друг на друга данных вычисляются длительности отдельных шагов как интервалы времени между смежными границами. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к областям вычислительной техники и медицины, а именно неврологии, травматологии и ортопедии, в частности, к способам измерения длительности шагов левой и правой ноги пользователя. Изобретение может быть использовано для диагностики нарушений и заболеваний опорно-двигательного аппарата и центральной нервной системы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известно решение, выбранное в качестве наиболее близкого аналога, RU 2657194 C1. Данное решение относится к области медицины, а именно травматологии и ортопедии, и может использоваться для диагностики сколиоза В данном решении раскрыт способ диагностики сколиоза, заключающийся в регистрации с помощью акселерометров, находящихся в мобильном телефоне, установленном на теле пациента, ускорения движения пациента при ходьбе по прямой, осуществляемой пациентом не менее 10-15 сек, при этом ускорение движущегося пациента регистрируют в 3-х плоскостях: горизонтальной, фронтальной и сагиттальной, отличающийся тем, что телефон устанавливают в области передней поверхности крыла подвздошной кости, и, используя компьютерную программу, установленную в телефон, формируют 3 последовательности зарегистрированных данных, характеризующих изменение ускорения движения пациента во времени при ходьбе в каждой из трех плоскостей, после чего преобразуют сформированные 3 последовательности в три последовательности данных, характеризующих зависимость амплитуды колебаний тела пациента от частоты в каждой из трех плоскостей, и выявляют значения частот, соответствующих максимальным значениям амплитуды колебаний тела пациента в каждой из трех преобразованных последовательностей, и при отличии максимального значения частоты колебаний тела пациента, полученного во фронтальной плоскости, от полученных максимальных значений частот колебаний, выявленных в двух других плоскостях, более чем на 0,1 Гц диагностируют сколиоз.
Вышеуказанное техническое решение направлено на решение проблемы повышения точности диагностики сколиоза при регистрации ускорения движения пациента. Однако стоит отметить, что в известном уровне техники отсутствует количественная оценка длительностей отдельных шагов.
Предлагаемое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных решений тем, что не требует использования специализированного оборудования и визита пользователя в медицинское учреждение, при этом обеспечивая качественное определение длительностей отдельных шагов по сигналам с датчиков мобильного устройства, за счёт более точного детектирования границ шагов во временной области.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное решение, является создание способа измерения длительности шагов левой и правой ноги пользователя. Дополнительные варианты реализации настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах изобретения.
Технический результат заключается в повышении точности определения длительностей отдельных шагов по сигналам с датчиков мобильного устройства за счёт более точного детектирования границ шагов во временной области.
Заявленный результат достигается за счет осуществления способа измерения длительности шагов левой и правой ноги пользователя, который содержит этапы, на которых:
посредством акселерометра и микрофона, содержащихся в вычислительном устройстве, осуществляют регистрацию ускорения и уровня звука при ходьбе по прямой линии, выполняемой пользователем в течение заранее заданного времени;
осуществляют формирование двух последовательностей зарегистрированных данных и их последующую совместную обработку, посредством вычислительного устройства, причем последовательности регистрируемых данных представляют собой синхронно зарегистрированные отсчеты значений с датчиков акселерометра и микрофона;
формируют двумерную корреляционную функцию сигнала с вертикальной оси акселерометра и модели эталонного шага;
осуществляют обработку сигнала с микрофона вычислительного устройства для уточнения временных координат, соответствующих обнаруженным локальным максимумам двумерной корреляционной функции;
последовательности собранных данных с акселерометра и микрофона накладываются друг на друга;
на основе наложенных друг на друга данных, вычисляются длительности отдельных шагов как интервалы времени между смежными границами.
В частном варианте реализации описываемого решения, значения с акселерометра снимаются с частотой не ниже 40 Гц с его вертикально расположенной оси и дополняются метками времени в микросекундах, прошедшего с начала снятия данных.
В частном варианте реализации описываемого решения, значения с микрофона снимаются с частотой не менее 8 кГц и записываются в звуковой файл.
В другом частном варианте реализации описываемого решения, заранее заданное время это по меньшей мере 30 секунд.
В другом частном варианте реализации описываемого решения, модель эталонного шага представляет собой зависимость вертикального ускорения от времени на интервале одного шага пользователя без нарушений двигательной активности.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:
Фиг. 1, иллюстрирует схему вычислительного устройства.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту будет очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.
Способ измерения отдельных длительностей шагов левой и правой ноги заключается в регистрации с помощью акселерометра и микрофона мобильного устройства, установленного на поясе испытуемого, ускорения и уровня звука при ходьбе по прямой линии, осуществляемой испытуемым в течение нескольких секунд, и использовании программы в мобильном устройстве для формирования двух последовательностей зарегистрированных данных и их последующей совместной обработки.
Две последовательности регистрируемых данных представляют собой записываемые синхронно отсчеты значений с датчиков акселерометра и микрофона. Значения с акселерометра снимаются с частотой не ниже 40 Гц с его вертикально расположенной оси и дополняются метками времени в микросекундах, прошедших с начала записи.
Значения с микрофона снимаются с частотой не менее 8 кГц и записываются в звуковой файл.
Следующим этапом производится обработка последовательностей, зарегистрированных данных.
В первую очередь формируется двумерная корреляционная функция сигнала с вертикальной оси акселерометра и модели эталонного шага. Модель эталонного шага представляет собой зависимость вертикального ускорения от времени на интервале одного шага человека без нарушений двигательной активности. Первым измерением двумерной корреляционной функции является временной сдвиг модели эталонного шага относительно начала сигнала акселерометра, вторым измерением – временной масштаб модели эталонного шага. На двумерной корреляционной функции осуществляется обнаружение множества координат локальных максимумов в измерении временного сдвига модели.
Далее происходит обработка сигнала с микрофона мобильного устройства для уточнения временных координат, соответствующих обнаруженным локальным максимумам. Для этого для каждой обнаруженной координаты временного сдвига извлекаются отсчеты сигнала с микрофона мобильного устройства, попадающие во временной диапазон шириной 50 мс с центром в значении временного сдвига, и определяется значение времени, соответствующего абсолютному максимуму в извлеченной последовательности отсчетов с микрофона. Интервалы между полученными значениями времени соответствуют искомым длительностям отдельных шагов. Обработка последовательностей зарегистрированных данных может осуществляться непосредственно на вычислительном устройстве, либо сторонней ЭВМ.
Корреляционная функция строится по двум сигналам: записанный сигнал с вертикальной оси акселерометра и модель эталонного шага. Для измерения функции используются: временной сдвиг модели и временной масштаб модели. При формировании двумерной корреляционной функции одним из измерений, является временной сдвиг двух коррелируемых сигналов относительно друг друга. То есть временной сдвиг – это аргумент двумерной корреляционной функции. По результатам поиска координат ее локальных максимумов определяются значения соответствующих им аргументов функции (аргументы = координаты), т.е. значения временного сдвига.
Осуществление способа.
Мобильное устройство с датчиками (акселерометр и микрофон) жестко фиксируется на поясе испытуемого. Это обосновано тем, что колебание устройства относительно таза вносит дополнительные помехи в сигнал ускорения. Кроме этого, такое колебание вызывает трение, которое вносит помехи в сигнал с микрофона.
Пользователь жестко фиксирует на поясе мобильное (вычислительное) устройство с установленной программой, выполненной с возможностью одновременного считывания данных с акселерометра и микрофона устройства. При реализации способа необходимо использование обуви с твердым каблуком, либо размещение на подошве твердого элемента, формирующего в процессе ходьбы звук при соприкосновении пятки с поверхностью земли. В программе на мобильном устройстве испытуемый нажимает кнопку начала записи и после специального сигнала программы начинает самостоятельную ходьбу по прямой линии без помощи других людей, устройств или приспособлений. Через 40 секунд (допустимо не менее 30 секунд), после следующего специального сигнала программы, испытуемый прекращает ходьбу.
После нажатия на кнопку начала записи реальные данные начинают записываться не сразу, а только спустя фиксированное время (возможно установление любого времени для подготовки), чтобы пользователь после нажатия на кнопку успел принять положение для начала ходьбы, прежде чем начнется фиксация данных через акселерометр и микрофон. По истечении заранее заданного фиксированного времени, раздается звуковой сигнал, который сигнализирует пользователю о том, что данные с датчиков начали записываться. Данные с акселерометра и микрофона синхронно записываются в два соответствующих файла (один – файл данных с акселерометра, второй – звуковой файл с микрофона).
Производится одновременная запись сигналов с датчиков акселерометра и микрофона мобильного устройства. Акселерометр должен обладать диапазоном измерения значений ускорений от -2g до +2g для оси, размещаемой во время записи вертикально. Звук щелчка, формируемый во время касания каблука поверхности, носит локализованный во времени и, соответственно, широкий по частоте характер – для записи такого сигнала подходят микрофоны мобильных устройств без предъявления специальных технических требований.
Полученный сигнал с акселерометра представляет из себя зависимость проекции ускорения, придаваемого устройству во время ходьбы пользователя, на вертикальную пространственную ось от времени. Сигнал с микрофона — уровень звука, который доходит до микрофона устройства в зависимости от времени. Оба сигнала при этом должны быть синхронизированы во времени.
Во время ходьбы по прямой, в течение не менее 30 секунд, при помощи программы формируется две последовательности данных: данные вертикального ускорения и данные уровня звука. Формируемые последовательности данных должны быть синхронизированы во времени. В этом случае при помощи сигнала с микрофона можно выделить точные моменты начала циклов шагов в сигнале с акселерометра. Это позволяет сформировать модель шага, в которой начальные отсчеты соответствуют начальной фазе шага.
Из сигнала с акселерометра формируется последовательность данных числовых отсчётов вертикальных ускорений, из сигнала с микрофона — последовательность данных числовых отсчётов уровня звука.
Корреляционным алгоритмом на основе расположения локальных максимумов двумерной корреляционной функции выделяются границы шагов в последовательности данных с акселерометра. После этого последовательности данных акселерометра и микрофона накладываются друг на друга, и происходит уточнение границ шагов на основе локальных максимумов в последовательности данных с микрофона.
Далее на основе выделенных границ вычисляются длительности отдельных шагов как интервалы времени между смежными границами.
На Фиг. 1 далее будет представлена общая схема вычислительного устройства (100), обеспечивающего обработку данных, необходимую для реализации заявленного решения.
В общем случае устройство (100) содержит такие компоненты, как: один или более процессоров (101), по меньшей мере одну память (102), средство хранения данных (103), интерфейсы ввода/вывода (104), средство В/В (105), средства сетевого взаимодействия (106).
Процессор (101) устройства выполняет основные вычислительные операции, необходимые для функционирования устройства (100) или функциональности одного или более его компонентов. Процессор (101) исполняет необходимые машиночитаемые команды, содержащиеся в оперативной памяти (102).
Память (102), как правило, выполнена в виде ОЗУ и содержит необходимую программную логику, обеспечивающую требуемый функционал.
Средство хранения данных (103) может выполняться в виде HDD, SSD дисков, рейд массива, сетевого хранилища, флэш-памяти, оптических накопителей информации (CD, DVD, MD, Blue-Ray дисков) и т.п. Средство (103) позволяет выполнять долгосрочное хранение различного вида информации, например, вышеупомянутых файлов с наборами данных пользователей, базы данных, содержащих записи измеренных для каждого пользователя временных интервалов, идентификаторов пользователей и т.п.
Интерфейсы (104) представляют собой стандартные средства для подключения и работы с серверной частью, например, USB, RS232, RJ45, LPT, COM, HDMI, PS/2, Lightning, FireWire и т.п.
Выбор интерфейсов (104) зависит от конкретного исполнения устройства (100), которое может представлять собой персональный компьютер, мейнфрейм, серверный кластер, тонкий клиент, смартфон, ноутбук и т.п.
В качестве средств В/В данных (105) в любом воплощении системы, реализующей описываемый способ, должна использоваться клавиатура, либо любое средство позволяющее взаимодействовать с интерфейсом. Аппаратное исполнение клавиатуры может быть любым известным: это может быть, как встроенная клавиатура, используемая на ноутбуке или нетбуке, так и обособленное устройство, подключенное к настольному компьютеру, серверу или иному компьютерному устройству. Подключение при этом может быть, как проводным, при котором соединительный кабель клавиатуры подключен к порту PS/2 или USB, расположенному на системном блоке настольного компьютера, так и беспроводным, при котором клавиатура осуществляет обмен данными по каналу беспроводной связи, например, радиоканалу, с базовой станцией, которая, в свою очередь, непосредственно подключена к системному блоку, например, к одному из USB-портов. Помимо клавиатуры, в составе средств В/В данных также может использоваться: джойстик, дисплей (сенсорный дисплей), проектор, тачпад, манипулятор мышь, трекбол, световое перо, динамики, микрофон и т.п.
Средства сетевого взаимодействия (106) выбираются из устройства, обеспечивающего сетевой прием и передачу данных, например, Ethernet карта, WLAN/Wi-Fi модуль, Bluetooth модуль, BLE модуль, NFC модуль, IrDa, RFID модуль, GSM модем и т.п. С помощью средств (105) обеспечивается организация обмена данными по проводному или беспроводному каналу передачи данных, например, WAN, PAN, ЛВС (LAN), Интранет, Интернет, WLAN, WMAN или GSM.
Компоненты устройства (100) сопряжены посредством общей шины передачи данных (110).
В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.
1. Способ измерения длительности шагов левой и правой ног пользователя, содержащий этапы, на которых:
посредством акселерометра и микрофона, содержащихся в вычислительном устройстве, осуществляют регистрацию ускорения и уровня звука при ходьбе по прямой линии, выполняемой пользователем в течение заранее заданного времени;
осуществляют формирование двух последовательностей зарегистрированных данных и их последующую совместную обработку, посредством вычислительного устройства, причем последовательности регистрируемых данных представляют собой синхронно зарегистрированные отсчеты значений с датчиков акселерометра и микрофона;
формируют двумерную корреляционную функцию сигнала с вертикальной оси акселерометра и модели эталонного шага;
осуществляют обработку сигнала с микрофона вычислительного устройства для уточнения временных координат, соответствующих обнаруженным локальным максимумам двумерной корреляционной функции;
последовательности собранных данных с акселерометра и микрофона накладываются друг на друга;
на основе наложенных друг на друга данных вычисляются длительности отдельных шагов как интервалы времени между смежными границами.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения с акселерометра снимаются с частотой не ниже 40 Гц с его вертикально расположенной оси и дополняются метками времени в микросекундах, прошедшего с начала снятия данных.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения с микрофона снимаются с частотой не менее 8 кГц и записываются в звуковой файл.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заранее заданное время составляет по меньшей мере 30 секунд.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что модель эталонного шага представляет собой зависимость вертикального ускорения от времени на интервале одного шага пользователя без нарушений двигательной активности.
