用于测量动态视觉、前庭和体感能力的系统、设备和方法

摘要

一种用于做出组合的前庭和体感功能评定的设备，该设备包括：便携式底座单元，其包括：可移动平台，其围绕旋转轴线至少部分地可旋转；在使用中，用户双脚站立在可移动平台上；可调节停止机构，其用于调节可移动平台相对于水平面在至少一个方向上可以旋转的程度；以及控制器，其用于基于控制信号来控制可调节停止机构以选择性地调节可移动平台旋转多个离散可测量量中的一个的程度；由用户佩戴的视觉遮挡头戴机，该头戴机包括用于响应于前庭功能测试来记录前庭功能反应的装置。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于测量动态视觉、前庭和体感能力的系统、设备和方法。更特别地，但绝非排他性地，由该设备做出的评定可以用于预测用户的运动能力和未来软组织损伤的潜在性。本发明的实施例还可以用作提高前庭和体感敏锐度能力的康复工具。

背景技术

体感系统是感觉神经系统的一部分，涉及对触摸、压力、疼痛、温度、位置、运动和振动的有意识感知。体感能力(其包括本体感觉和触觉两者)构成所有人类运动活动的基础，并且可能是人类运动表现的关键组成部分。

体感能力已被证明：受损伤及康复的影响(损伤后更糟并且随着康复而变化)；指示老年人跌倒风险(体感评分较差与跌倒风险增加相关联)；并且可以指示运动表现天赋(运动员评分更好与表现排名更好相关联)。

踝关节运动程度辨别力评定(AMEDA)系统是由本发明人之一Gordon Waddington于1995年开发的，其用于评定体感能力。AMEDA系统使得能够通过评定个体在没有视觉输入的情况下检测踝关节处进行的运动程度的微小差异的能力来评定人类体感能力。AMEDA方法已被证明具有比现有的体感评定方法更好的生态效度和相对更好的测试效度和数据效度。

虽然原始的AMEDA确实提供了优于其他现有评定系统的益处，但它无法辨别用户的视觉和前庭贡献。它也没能力测量外感受低效率。本发明人已发现，此类因素的结合将大大提高体感能力评定。

发明内容

根据第一方面，提供了一种用于评定用户的踝关节运动程度辨别力的设备，该设备包括：便携式底座单元，其包括：固定平台；可移动平台，其设置成邻近固定平台并且围绕旋转轴线至少部分地可旋转；在使用中，用户以均匀的承重站位站立在便携式底座单元上，其中第一只脚放在固定平台上且另一只脚放在可移动平台上，使得另一只脚的长轴与可移动平台的旋转轴线对齐；可调节停止机构，其用于调节可移动平台相对于水平面在至少一个方向上可以旋转的程度；以及控制器，其用于基于控制信号来控制可调节停止机构以将可移动平台旋转的程度选择性地调节多个离散预定义量中的一个；以及由用户佩戴的视觉遮挡头戴机，该视觉遮挡头戴机包括用于感测在由可调节停止机构做出的调节之后的用户反应的感测装置，该用户反应被利用来评定用户的踝关节运动辨别力。

在实施例中，感测装置包括用于确定由用户实现的预定义视觉反应的一个或多个传感器，该预定视觉反应代表用户对由可调节停止机构实现的旋转程度的辨识。

在实施例中，头戴机进一步配置有用于响应于由可调节停止机构做出的调节来向用户呈现指令的显示器。

在实施例中，全视觉遮挡头戴机进一步包括前庭功能反应记录装置，该前庭功能反应记录装置用于记录用户在由可调节停止机构做出的调节之后或响应于经由头戴机指示的测试的前庭功能反应。

在实施例中，前庭功能反应记录装置包括用于记录佩戴者头部相对于重力水平线的位置的倾角计和/或加速度计。

在实施例中，便携式底座单元进一步包括用于测量可移动平台的倾斜角度的倾角计。

根据第二方面，提供了一种用于做出组合的前庭和体感功能评定的设备，该设备包括：便携式底座单元，其包括：固定平台；可移动平台，其围绕旋转轴线至少部分地可旋转；在使用中，用户以均匀的承重站位站立在便携式底座单元上，其中第一只脚放在固定平台上且另一只脚放在可移动平台上，使得另一只脚的长轴与可移动平台的旋转轴线对齐；可调节停止机构，其用于调节可移动平台相对于水平面的旋转角度；以及控制器，其用于控制可调节停止机构以将可移动平台旋转的程度选择性地调节多个离散可测量量中的一个；由用户佩戴的视觉遮挡头戴机，该头戴机包括用于记录用户的与前庭功能测试相关联的前庭功能反应的装置。

在实施例中，前庭功能反应记录装置包括倾角计和/或加速度计。

在实施例中，前庭功能测试包括通过头戴机或者可移动平台向用户呈现刺激，并且其中，倾角计和/或加速度计的输出被利用来确定用户头部与真垂线的偏差。

在实施例中，全遮挡头戴机包括用于显示与前庭功能测试相关联的指令和/或反馈的显示器。

在实施例中，前庭功能测试与由可调节停止机构做出的调节相关联。

根据进一步的方面，提供了一种用于做出组合的前庭和体感功能评定的设备，该设备包括：便携式底座单元，其包括：可移动平台，其围绕旋转轴线至少部分地可旋转；在使用中，用户双脚站立在可移动平台上；可调节停止机构，其用于调节可移动平台相对于水平面在至少一个方向上可以旋转的程度；以及控制器，其用于基于控制信号来控制可调节停止机构以将可移动平台旋转的程度选择性地调节多个离散可测量量中的一个；由用户佩戴的视觉遮挡头戴机，该头戴机包括用于促进前庭功能测试的装置。

在实施例中，该装置包括倾角计和/或加速度计。

在实施例中，全遮挡头戴机包括用于显示与前庭功能测试相关联的指令和/或反馈的显示器。

在实施例中，前庭功能测试与由可调节停止机构做出的调节相关联。

根据又一方面，提供了一种用于评定用户的踝关节运动程度辨别力的设备，该设备包括：便携式底座单元，其包括：固定平台；可移动平台，其设置成邻近固定平台并且围绕旋转轴线至少部分地可旋转；在使用中，用户以均匀的承重站位站立在便携式底座单元上，其中第一只脚放在固定平台上且另一只脚放在可移动平台上，使得另一只脚的长轴与可移动平台的旋转轴线对齐；可调节停止机构，其用于调节可移动平台相对于水平面在单个方向上可以旋转的程度；以及控制器，其用于基于控制信号来控制可调节停止机构以将可移动平台旋转的程度选择性地调节多个离散可测量量中的一个从而做出体感评定。

在一个实施例中，该设备进一步包括用于接收与前庭功能测试相关联的用户输入和/或反应的手持式装置。

根据更进一步的方面，提供了一种用于做出前庭评定的设备，该设备包括：便携式底座单元，其包括：可移动平台，其围绕旋转轴线至少部分地可旋转，在使用中，用户双脚站立在可移动平台上；倾角计，其联接至可移动平台并且能够记录代表可移动平台的旋转角度的数据；控制器，其用于接收由倾角计输出的数据并用于记录用户在评定期期间能够在不超过预定义旋转角度的情况下在可移动平台上保持其平衡的时间，由控制器接收并记录的数据被利用于生成前庭反应评分；由用户佩戴的视觉遮挡头戴机。

在实施例中，头戴机包括用于在评定期期间向用户显示数据以用于生成视觉反应评分的显示装置。

在实施例中，在前庭评定的一个阶段，用户站立，双脚分开与肩同宽并直接定位在可移动平台的旋转轴线之上。在前庭评定的另一个阶段，用户站立在可移动平台上，双脚分开与肩同宽并横跨可移动平台的旋转轴线。

在实施例中，该设备进一步包括用于接收与利用视觉遮挡头戴机的前庭功能评定相关的用户输入和/或反应的手持式装置，并且其中，用户输入和/或反应附加地被利用于生成前庭反应评分。

根据进一步的方面，提供了一种用于评定用户的踝关节运动程度辨别力的设备，该设备包括：底座单元，其包括：固定平台；可移动平台，其设置成邻近固定平台并且围绕旋转轴线至少部分地可旋转；在使用中，用户以均匀的承重站位站立在便携式底座单元上，其中第一只脚放在固定平台上且另一只脚放在可移动平台上，使得另一只脚的长轴与可移动平台的旋转轴线对齐；可调节停止机构，其用于调节可移动平台相对于水平面旋转可以的程度；以及控制器，其用于控制可调节停止机构以选择性地调节可移动平台旋转的程度；以及由用户佩戴的视觉装置。

在实施例中，该设备进一步包括用于记录在由可调节停止机构做出的调节之后的用户反应的装置，该用户反应包括在对可移动平台做出的旋转调节之后用户感觉到的该调节的指示，并且其中，用户反应被利用来评定用户的踝关节运动辨别力。用于记录用户反应的装置可以包括由用户操作的手持式装置。该装置可以替代性地结合到用户佩戴的视觉遮挡装置中，并且被配置成使得它基于由用户做出的眼球运动来感测用户反应。

附图说明

现在将仅通过示例参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是用于实施本发明的实施例的系统的示意图，该系统包括底座单元、头戴机和远程控制单元；

图2是图1中所示的便携式底座单元的分解图；

图3示出了操作图1的设备的用户；

图4是由图1的头戴机实施的示例用户界面；

图5和图6是展示用于使用图4的设备执行视觉和前庭评定的各种站位的视图；以及

图7是展示根据实施例的可以如何组合视觉、前庭和体感数据以确定综合表现评分的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了根据本发明的实施例的实施设备10的系统1的示意性展示。如将在后续段落中详细描述的，设备10使得能够评定各种视觉、前庭和体感参数。由设备10做出的评定可以有利地用于测量对人类运动表现能力的体感贡献，进而可以对该体感贡献进行评估以提供用户的运动能力以及他们的受伤潜在性的指示。

根据所展示的实施例，设备10包括用于执行体感评定的底座单元12。头戴机14可由用户佩戴，以用于记录与体感评定相关联的用户反应、以及用于执行与体感评定相关的前庭功能评定(如将在后续段落中更详细描述的)。提供了远程控制单元16，其用于接收来自底座单元12和头戴机14的传感器输出数据、以及用于生成控制信号(例如，用于控制底座单元12内的可移动平台停止位置、头戴机14的显示等)。远程控制单元16可以附加地与手持式遥控器15通信，该手持式遥控器允许用户记录对各种评定的反应(即，附加于或替代于听觉反应或经由头戴机14记录的反应)。手持式遥控器15可以包括用于记录用户反应的任何合适的输入器件。根据所展示的实施例，遥控器包括分配给预定义反应的可压下按钮。根据所展示的实施例，传感器数据、用户反应和控制信号通过蓝牙连接进行无线通信，不过将理解，这些通信可以使用任何合适的有线或无线连接/通信协议进行。

更详细而言，并且附加参考图2的分解图，底座单元12包括长形外壳体18。根据所展示的实施例，底座单元12优选地被尺寸确定和成形为以便容易可携带。固定平台部分20定位成邻近壳体18的第一端部21和第二端部23。为了促进不打滑(grip)，在每个端部21、23处，在被限定于平台部分20的上表面中的相应地成形的凹部中提供了防滑垫20a。可移动平台22(也称为“摇摆板组件”)定位成邻近单元12的中心并且具有处于与平台部分20的上表面齐平的用橡胶处理的纹理化上表面。

根据所展示的实施例，可移动平台22具有铝构造的矩形轮廓，但可以由具有合适性质的任何材料组成。如图所示，可移动平台22的纵向轴线与外壳体18的纵向轴线对齐。可移动平台22被配置成安置在外壳体18的凹陷的上部分24内，该上部分具有与可移动平台22相同的矩形轮廓。该凹陷部分的上表面背离其中点(即，朝向凹部的每个端部)向下倾斜，因此在可移动平台22的对应部分下方产生空隙25。安装在凹陷部分24内的万向接头26居中地设置在可移动平台22下方，从而允许它枢转到任一空隙25中(即，围绕平台的横轴线在任一方向上旋转)。

倾角计27和加速度计28附接至可移动平台22或设置在该可移动平台内。来自倾角计27和加速度计28的读数通过电联接的蓝牙模块29无线地传达到远程控制单元16。将理解，倾角计输出可以用于确定板的相对位置，而加速度计输出可以用于确定从一个位置到另一个位置的速度变化。

可调节停止机构位于底座单元12的副框架13中以用于调节可移动平台22可以旋转到任一空隙25中的程度。因此，可以根据需要为平台容易地设定在任一方向上的特定旋转角度以进行评定。在这种情况下，停止机构包括一对凸轮30，它们安装到副框架13上并且各自可通过开口31旋转入和旋转出对应的空隙25。每个凸轮30联接至伺服马达组件32以实现其旋转。凸轮30是可旋转的，以允许为可移动平台22设定各种离散的停止点，因此当可移动平台从水平线旋转时提供一系列预定义的踝关节运动范围(如将在后续段落中更详细描述的)。伺服马达组件32电连接至蓝牙模块29以用于接收来自远程控制单元16的无线控制信号。在这点上，可以控制远程控制单元16发出控制信号以用于选择性地调节任一凸轮30的旋转，从而实现可移动平台22的期望的停止位置。如将在后续段落中描述的，期望的停止位置可以经由远程控制单元16手动输入，或者基于控制序列自动选择。

返回至图1，由用户佩戴的头戴机14采用视觉遮挡头戴机的形式，其包括视觉显示器14a和感测装置14b，该感测装置用于感测在可移动平台22的旋转调节之后的用户反应。根据一个实施例，感测装置包括眼球跟踪器14b，该眼球跟踪器具有用于确定由用户实现的预定义视觉反应(即，它代表用户对可移动板位置的辨识)的一个或多个传感器。例如，用户可能将他们的目光引导到显示屏幕上的特定点，该特定点记录了相对于水平线的预定义可移动板角度(例如，1度、2度、3度等)。作为另一个示例，用户可以注视显示屏幕14a的特定点以指示相对于先前调节而更小或更大的调节角度。在特定实施例中，远程控制单元16可以用计算机程序进行编程，该计算机程序响应于由用户供应的正确答案的数量而迭代地产生停止位置序列以使得能够生成动态运动序列，因此优化体感测试功能。在又一替代性实施例中，头戴机14可以主要用于阻挡住外部刺激，在这种情况下，用户可以简单地用语言表达他们已感测到的调节/角度，然后记录该用语言表达的输出(由评定员手动记录或者通过由头戴机或其他合适的设备实施的语音辨识软件和硬件自动记录)。作为又一替代方案，用户可以经由手持式遥控器15来记录他们的反应。头戴机14可以附加地配置有用于记录用户头部相对于重力水平线的位置的倾角计和/或加速度计。

附加参考图3，基本的体感评定涉及用户以均匀的承重站位站立在便携式底座单元12上，其中一只脚放在固定平台20中的一个上且另一只脚放在可移动平台22的中线上，使得每只脚的长轴与可移动平台22的横轴线对齐。可以控制凸轮30以便设定可移动平台22在任一方向上的最大旋转角度。将理解，可以控制凸轮30，使得可移动平台22可以只在单个方向上旋转，具体取决于正实施的特定评定。然后，针对(against)实际板角度来评估用户记录的输出(经由头戴机14在听觉上记录或者由手持式遥控器15记录)以生成体感评分。体感评分可以例如是代表用户记录的输出将与实际值的密切程度的百分比评分。替代性地，体感评分可以根据参与者在反应曲线下使用信号检测分析生成区域所计算的每一对邻近运动程度之间的辨别来确定。将理解，可以导出和应用各种体感能力评分，具体取决于期望的实施方式。

视觉功能对直立站位的贡献可以附加地通过使用户将光标保持在头戴机显示器14a的场内来评定，该光标尽可能密切对齐到显示在头戴机显示器场的中心的固定目标线。显示器的示例场在图4中示出，其中目标线由附图标记50表示且光标由附图标记52表示。头戴机14被编程为使得光标52在头戴机显示器场内的相对位置同时与倾角计27的位置挂钩，该倾角计附接至便携式底座单元12的可移动平台22。头戴机背景显示和目标线50以底座单元12的表面的水平线为基准。

一种形式的组合的前庭、体感评定分两个阶段执行。在第一阶段，为进行前后评定，用户站立在可移动平台22上，双脚分开与肩同宽并直接定位在可移动平台22的旋转轴线之上(即，使得每只脚的长轴垂直于可移动平台的旋转轴线对齐，在这种情况下，旋转轴线为横轴线)。这在图5中最佳地示出。在此位置中，用户的身体正在进行俯仰运动。一旦经适当地定位，就需要用户在平台22上保持平衡以在某个预定义时间(例如，20秒)内在预定义限度内保持其位置尽可能接近水平线。远程控制单元16记录稳定性度量以便进行第一次评定。在此示例中，稳定性度量是用户能够将可移动平台22保持在水平线的2.5度以内的时间(基于从倾角计27输出的数据来确定)。也可以记录和评估从加速度计输出的数据。

在第二评定阶段，指示用户站立在可移动平台22上，双脚分开与肩同宽并横跨旋转轴线，使得他们的脚与可移动平台22的旋转轴线对齐(见图6)。在此位置中，用户的身体正在进行翻滚运动。然后，远程控制单元16记录与针对第一阶段相同的稳定性度量(即，用户能够将可移动平台保持在水平线的2.5度以内的时间)。再次，可以记录第二阶段的加速度数据。然后，远程控制单元16确定两个阶段的平均稳定性量度(使用从倾角计和加速度计输出的数据)并针对规范数据集提供反馈评分。将理解，反馈评分可以仅基于阶段评定度量中的一个，不过这可能导致不太有意义的输出。

在特定实施例中，头戴机14还可以被配置成测量一种形式的前庭功能。在这点上，传感器装置14b包括头戴机内的校准到每个用户的红外(IR)眼球跟踪相机。校准软件可以例如涉及用户在四个关键方向上看着绿点；右、上、左、下。举例来说，一种形式的前庭功能可以通过做出眼睛注视评估来评定，其示例描述于下文。在此评定中，要求用户保持他们的头部不动并直视前方。评定以显示在头戴机显示器14a上的深色背景开始。在评定期间，在头戴机显示器14a上显示移动目标，并且由IR相机14b记录受试者瞳孔响应于目标的位置变化的运动并将该运动传达到远程控制单元16以供后续评估。

在特定实施例中，头戴机14还可以被配置成测量附加形式的前庭功能。在这点上，传感器装置包括联接至头戴机14的倾角计和/或加速度计，该倾角计和/或加速度计测量用户头部的位置。向用户呈现刺激，该刺激可以是视觉的(通过头戴机显示器为视觉的)或体感的(通过平台)，并要求用户将他们的头部保持在直立位置中。测量头部位置与真垂线的偏差并将该偏差传达到远程控制单元16以供后续评估。

在附加的和/或替代性的前庭功能评定中，手持式遥控器15可以被利用于记录与经由头戴机14呈现的测试相关联的用户输入。例如，可以要求用户使用遥控器15来将头戴机显示器中所示的线定向成使得它与地球水平线对齐。对于组合的前庭体感评定，可以要求用户使用手持式遥控器15将头戴机显示器中所示的线定向成等于可移动平台22的位置。

使用以上评定中的一种或多种输出的视觉、前庭和体感评定数据可以进行组合，以使用如图7中示意性地展示的数据简化过程来产生单个综合表现评分(CPS)。

在单个评分中组合并呈现此原始数据可以提供一种可容易解释的量度，从而避免信息过载的潜在性。将理解，评分可以由远程控制单元或某种其他合适的计算机处理布置结构(arrangement)来计算。

更详细而言，在步骤S1处，收集视觉、前庭和体感数据并将其输入到数据简化过程，在该数据简化过程中，数据被压缩(步骤S2)。举例来说，可以使用主成分分析(PCA)来减少原始输入数据。如本领域技术人员将理解的，PCA是一种用于通过将原始数据映射到较低维空间中来识别数据中的模式的技术。将所得简化数据作为输入提供给支持向量机(SVM)机器学习分类器，在步骤S4处，该支持向量机机器学习分类器计算CPS。

使用头戴机14来记录用户反应具有几个显著的优点。首先，头戴机14遮挡了用户的视线，由此防止会对评定产生不利影响的外部刺激。头戴机14还允许用户在体感评定期间直立站立并阻止用户看着便携式底座单元12，看着便携式底座单元再次会对评定产生不利影响。头戴机14还提供用于记录用户反应的高效且快速的界面。

将理解，如上文所描述的远程控制单元16可以采用具有用于与便携式底座单元12和头戴机14通信的适当软件和硬件的任何合适的计算布置结构的形式。例如，远程控制单元可以采用计算机平板、膝上型计算机等的形式。在另一种形式中，远程控制单元16可以直接联接或结合至便携式单元12、手持式遥控器15或头戴机14中的任一者中。还将理解，单元12可以仅在单元的一侧上配置有固定平台，而不脱离本发明的范围。

将理解，可移动平台22的旋转轴线将典型地与底座单元12的长轴或者短轴对齐。然而，将理解，这不是必需的，并且取向轴线可以相对于底座单元12成一定角度。

本文所描述的设备和方法不限于本文所描述的特定实施例，而是，方法的操作和/或各种设备的部件/模块可以与本文所描述的其他操作和/或部件/模块独立和分开利用。进一步，所描述的操作和/或部件/模块也可以在其他系统、方法和/或设备中定义或结合使用，并且不限于仅使用如本文所描述的系统、方法和存储介质来实践。

本披露的实施例可以在由一台或多台计算机或其他装置执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，比如程序部件或模块。本披露的各方面可以用任何数量和组织的部件或模块来实施。例如，本披露的各方面不限于特定的计算机可执行指令或附图中所展示和本文所描述的特定部件或模块。本披露的替代性实施例可以包括不同的计算机可执行指令或部件，其具有比本文所展示和描述的功能更多或更少的功能。

计算机或控制器(比如，本文所描述的那些计算机或控制器)包括至少一个处理器或处理单元和系统存储器。计算机或控制器典型地具有至少某种形式的计算机可读介质。作为示例而非限制，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括易失性和非易失性介质、可移除和非可移除介质，这些介质在用于存储信息(比如，计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施。通信介质典型地在调制的数据信号(比如，载波或其他传送机构)中体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据，并且包括任何信息递送介质。本领域技术人员熟悉调制的数据信号，其使它的特性中的一者或多者以在信号中编码信息的方式被设定或改变。以上任一者的组合也被包括在计算机可读介质的范围内。

另外，尽管已参考本实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以做出变更、改变和改进，并且其要素和步骤可以用等同物代替，而不脱离本发明的范围。进一步，可以做出许多修改以使本发明适应特定情况，而不背离其中心范围。尽管上文并未明确描述此类变更、改变、修改和改进，但它们仍旨在并暗示在本发明的范围和精神内。因此，上文所描述的实施例将不被视为在任何方面为限制性的。

在以下权利要求中以及在本发明的前述描述中，除了在上下文由于表达语言或必要的暗示而另有要求的情况下之外，词语“包括(comprise)”或比如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”之类的变化以包括性意义使用，即，指定所陈述的特征的存在，但不排除进一步特征在本发明的各种实施例中的存在或添加。