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验证一个简单的机械加速度计(计步器)估计的步行活动
E.J.巴锡,H.M.达洛索1，P.H.菲特姆1，欧文2和J.M.帕特里克1
- 英国诺丁汉医学院生理和药理学系女王医疗中心，诺丁汉克利夫顿大道NG72UH
- 英国奈斯威尔医院心血管流行病科，邓迪
摘要：一个小的（28克）机械加速度计已经通过它控制的台架试验包括两试验台的设计、测试重复垂直振荡。加速度计的三位数提供了最高为99.9单位的累积得分。这一点上与一个独立的数所带来的即时振荡和发现线性时间(r = 0.996)和可重复的测试(系数有效变异plusmn; 1.5%)相同。灵敏度范围分布在6.2/10000到7.4/ 10000间。相关的反应是最大应用加速度(从振荡的振幅和频率计算并假设他们是正弦)和独立使用的振幅和频率。阈值最大加速度小于2.2m并且响应在4.2m时达到了峰值。在实地研究行走时加速度计被牢固地系在可以重复产生垂直加速度的臀部腰带上。与一个装在脚后跟的电阻衰减器独立统计的步数相比，加速度计校准后的评分没有显著差异。意味着主要的差别在于(0.29plusmn;0.67标准差)103年轻组(n = 8,平均年龄39岁)和(0.46plusmn;1.08,方差)103的一群年长的女性(n = 6,平均年龄65岁)的步数上。一天适当步数在10times;103的是年轻人而每周步数在50times;103的是老年人。左右屁股同时记录的分数没有显著的不同，在年轻的群体中平均差为（1.08plusmn; 0.8）103步在每天10times;103的步数而老年人(3.5plusmn;10.4)103步是累积6天每天步数是40times;103。因此计步器可被当作估计长期行走步数的好伙伴。
关键词：计步器;步行运动;加速度传感器;日常活动;应用
1 介绍
对于许多老年人或久坐不动的人来说走路是他们唯一锻炼耐力的活动。因此它应该可以被准确地测量。对行走过程中反应引力的加速的机械设备比如简单的机械计步器提供了一个客观的统计步数的方法，价格便宜并且在社会上可被接受。步行活动可以以这种方式监控许多天来表示这个测量方法比测量一两天要好。这个计步器被设计用来显示用来取代飞机上的加速度计的弹簧钟摆的运动输出比例。步行产生了对臀部的垂直加速度（本尼迪克和麦斯豪尔 1915;卡瓦尼亚等人.1963；卡瓦尼亚和马加利亚 1966）而安装在臀部的计步器应该做出反应因而提供一个对步数的累积计数比例。以有效性和可靠性著称的Yamasa(日本)计步器在英国销售，同时数字步行者（斯坦纳,布伦特福德 ,GB）已经被在小型试验（A区域）和日常行走以及自发性活动的野外调查（B区域）中验证过了。这项工作中的一部分已经在以前被报告过了（欧文和帕特里克1982）。
计步器Yamasa“数字步行者”重28g，直径50mm，深度20mm。它可以被穿在腰带上。这个原理是（见图1）在垂直平面上相对于携带者臀部的加速运动以及通过连接涡轮机械显示三位数字的工作来驱使齿轮的2g的钟摆。最大值可以在99.9的0.05个单位上下浮动并且它有一个重置装置。这个显示是为了记录英里旅行做出了步长上的调整。在我们的研究中步伐调整最大值固定于计步器的最大反映值。这个显示被认为与脚步数的统计有关。
分析：除非另有说明，平均值在标准值上下浮动一个单位是被允许的，相关系数是皮尔森积差，比较是通过学生配对测试进行的，重复实验中的差异体现于于第一次实验的平均值百分比的差异的标准差。
图1 计步器的原理。钟摆(A)用于暂停而在其末端是主杠杆臂（B）被弹簧（C）约束着。弹簧会使主杠杆臂复原在每一次向下移位后。钟摆通过磷青铜带（E）驱使齿轮（D），并且 秒带（F）提供了一个逃避机理来确保一种方式的移动。轮子驱动蠕虫（不可见）连接来显示轮子（G）。
1.1 台架测试
这些测试的目的是为了用相同的计步器来重复步行中的加速度为了测试他们行为中的三个方面。首先测试他们对于随着时间推移相同的重复加速度的反应的稳定性，第二，来调查它们对一系列加速度的反应，来找出需要使它们运动的极限加速度，第三测试它们对于施加在另一场合的相同加速度的反应。两个装备被用来在垂直平面上（近似于正弦曲线的）对附加的计步器施加循环变动。假设计步器会对最大加速度作出反应并且计算值为r，t=周期(s)；r=半径(m)。日常行走中腰中的移动被认为近似于在最大加速度下的简单谐波运动被计算在0.5到0.8s-2(康德散德 1960; 卡瓦尼亚等人.1963;卡瓦尼亚和马加丽亚1966)。
校准平台一用于大部分台架测试。这是一个可以连接三个计步器的垂直安装旋转器(加勒德)。（见图2）计步器安装的半径和自转周期都可以被改变（分别为4——10cm和0.9——2.0s）提供0.5到5.0m s-2。这个时期通过用一个提前时间计数器和被转盘边缘一个小的不透明标志影响的光束的光电管检查转盘旋转的次数。
图2 图一在合适位置有改进的电唱机和三个计步器的转盘校准平台2.第二个需要校准平台提供一系列高于5.0m s-2的最大加速度。它是可以在瓶颈上附加八个加速度计的烧瓶振动器（格里芬）。这个烧瓶提供了一个时间在0.3到0.1s最大加速度从1.3到12.0m s-2的一个固定的垂直位移。
2 结论
随着时间的推移。计步器显示和独立计数之间的关系成高度线性。一个典型的r值读书时每隔半小时收集到的值为0.996的固定的加速度。
敏感度敏感性被用来显示从制造商每经历过1000次0.18到0.74的范围。计步器随后被在0.5——0.9的范围内调整（见下文）
一系列加速度的反应。在图一中对8个计步器旋转60——90分钟的反应被调查在至少6个最大加速度（1.0——5.0m s-2）的范围中。本研究显示出计步器对下面以个阈值加速度完全没有反应，并且一系列加速度高速线性的增长直到达到峰值。一个典型的例子如图3所示。在对曲线的线性部分的四个数据点分析之后从线性回归来说最适合的线是用来计算在计步器数据从零点的增长得出了平均值为1.2plusmn;0.46m s-2。这个临界加速度在实验中阈值被计算出来之后得到了验证。一个零分的记录在所有情况中被保持。在线性上升的阶段大部分情况平台阶段都是急速的。这个阶段时平均值为3.8plusmn;0.43m s-2。
图3 一个计步器在最大加速度范围内的响应。空心圆被用于以线性回归计算出最佳拟合线分析（D灰线）。在4m s-2以上的实心点被用来计算高原敏感性（实线)。未闭合方形用于计算没有反应的加速度。
窗体底端
从在4.0到5.0m s-2范围平均至少7个有价值的记录获得了敏感性平台阶段每个计步器，这似乎是在一个高原上的所有情况。7个值标准偏差是稳定的范围在0.0006到0.01。8个计步器的平均灵敏度范围在0.63到0.68个单位/ 1000器件周期里。
在此后的时间里校准了4和4.8m s-2之间的加速度。第二批从供货商批发的（类似的但不相同的设计）9个计步器发现有一个类似的阈值，一个陡峭的上升响应加速阶段，并从图中可以判断平台反应时以较低的加速度达到（2.6plusmn;0.44m s-2）。敏感性和稳定性是相似的。
使用摇瓶的评估的响应范围更高。图4显示了“峰值”的反应其实并不平坦，但敏感性随着增长的加速度持续加快。这“高原”的增长速度是通过10个计步器的检查发现较小的。
图4 一个计步器的敏感性之间的关系和加速应用。实心圆-钻机1和打开圈-钻机2。使周期和幅度的组合在重叠的钻机中产生加速度范围是完全不同的（见文本），但没有产生从计步器产生的微分响应
从0.01到0.1的计步器显示单元约每m s-2加速度变化.通过对以上计步器的研究复测的额重现性似乎是好的。这是在进一步评估49个计步器，在4个不同的场合从二批常规校准在4.8m s-2计步器未经校准就运行。范围从0.62到0.74单位/1000钻机周期和变化系数的敏感性范围重新校准的范围以平均值为1.5plusmn;1.4%（n=48）从0.5%到3.7%为止。偶然性地一个计步器改变了其灵敏度从而获得了一个新的稳定价值。这发生在第一次和第二次校准被改变的18%并且保持稳定在2%一下的49个测试中的一个。这省略了分析。这种变化可能是有此次试验中的物质颗粒造成的。
有没有明显的选择性的影响计步器是否加速度响应变化幅度不同的幅度（使用一个固定的时间）或按期（使用固定幅度）内钻机的范围（见图4）。计步器在计算最大的加速度时以预期的方式回应了变化不管振幅和周期的组合使用获得它或者使用装置，至少在加速度范围内这是常见的范围（1.5——5.0m s-2)。
总结以上测试的结果。这些测试已经显示了了Yamasa电子步行者机械计步器有单独稳定的敏感性并且当处于垂直最大加速度时呈现随时间的线性响应。但是有些计步器之间的敏感性有些差异所以个人的校准时必要的。此外，偶然的敏感性变化使得实验前后有必要进行重新校准。增加加速度的响应有一个极限值低于2m s-2，在2到4m s-2之间敏感性增加呈陡峭的线性并且其稳定性在高原反应上的增加是轻微的.此响应变化从一个计步器到另一个计步器。行走过程中臀部的最大加速度位于这个范围内，这些结果表明假若它们被校准，这些计步器将会对长时间的步行给出一个有用的客观的统计数目。
2.1 实地研究
这些研究的目的有三个。整齐建立了计步器的响应稳定性在使用过程中的校准因素正常日常活动中的持续磨损前后比较10天。其次，检查计步器分别戴在两个臀部的分数之间的关系。这些分数对散步时对臀部的最大加速度反应可靠在协议后校准应该是合理的，除非在受试者的步态是一个系统性。第三，机械计步器的分数和在脚跟下使用压力敏感垫子独立测量的步数的关系。
方法：这些问题的答案来自若干领域研究与志愿者的主题。这个医学院的伦理研究获得委员会和知情同意。所有计步器在之前已被校准并在之后立即使用。
2.1.1 实地研究一
接受实验者为11名较为积极的医学院教职工，平均年龄在29 9.5岁之间（5名男性和6名女性）。
每个人连续五天在他们醒着的时候（16小时）戴着两个计步器（臀部一边一个）。这项研究，每天在两个臀部上各戴着一个计步器再进行5天。每个计步器被夹在松紧腰带内的一个袋子里，并且已经被系上带子。这确保了受测试者在站立时计步器仍然位于髋关节。这样做也防止了可能会影响敏感度的机械损伤。重置按钮已被切断来避免使用计步器时意外复位。每个受测试者晚上从腰带上取下计步器，在不把计步器从口袋中取出的情况下用圆珠笔记下分数并且重置计步器。第二组24名受测试女性受测试对象的年龄在67plusmn;6.4岁左右，她们主动分成两组，在日常生活中穿戴两个计步器（一个在一个髋关节）连续6天以上但每天晚上不充值计步器的步数。为了减少重设的重置记录错误，因为每天的成绩都比预计的低。本周的累积成绩被一个观察者记录。
2.1.2 实地研究二
一组来自于医学院的受测试者（3名男性，5名女性），平均年龄在39plusmn;8.5岁，稳步走户外速度在3.3 - 5.3km/h的范围内三三两两平均3.9km ，同时穿着两个机械计步器（一计步器在一个髋关节）和一个跟碳垫声传感器（巴伯等人1967）。一组6名年龄在60岁至70岁之间的女性受试者重复3.2km的路程。碳板的脚步由于传感器产生电阻变化在行走过程中的脚跟罢工的压力被记录在一个小的录音带录音机（牛津仪器，测量4.24），并提供一个独立可靠计数的足迹。每一个不同的阻力曲线从碳垫传感器的一步（一只脚）转换成一个标准的磁带播放脉冲，然后通过先进的数字累积计数器。计数是运行在一式三份和协议总是在3%。
2.1.3 实地研究一的结果
11名在正常的日常活动佩戴计步器10天的青年受试者的结果被用来在该领域评估变化的敏感性（见表1）。
表2 灵敏度的计步器比较（标准校准程序）之前和之后的10天中连续使用正常的日常活动（灵敏度=读/ 1000台振荡）
表2 在正常的日常活动中，同时记录从右和左髋的校准的步进分数并比较所有的stepscore值在千位以上* = P＜0.05
在使用后系统的敏感性没有发生变化，与绝对敏感度值比较差异小，除了一个主题，在计步器有一个大的的变化（18和36%）。经过进一步分析这个结果被排除。这种变化有时是由于
丢弃或处理。这可能是引起青铜带荧光粉位置的变化的原因，钟摆每一个摆动驱动着不同数量主齿轮的牙齿。这可以通过改变磷的位置手动调整青铜带或弹簧的拉力。这些“自发”的敏感变化使其本质校准前和每个计步器在使用后并清除数据，不管灵敏度是否发生了明显的变化。在10个年轻人进行了评估超过10天和对24个成年人评估超过6天以此探究两个计步器得分之间的关系。两组测试者穿戴两个计步器，每个在一个髋关节上，进行一天的正常的活动。
左右计步器的差异在年轻群体中较小但在成年人中较大（见表2和图5）。每一个主题，左，右髋系统分数之间的差异被分别地进行了探讨。10名受试者中有2个表现为显著差异，在5天里以右边髋关节为准评分（Plt;0.05，n=5）。
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