CN106901748A - 一种基于加速度传感器的关节活动度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度传感器的关节活动度测量装置，包括传感器模块、微处理器、电源模块、蓝牙发射模块、接收模块和移动终端。传感器单元用于检测关节运动时的加速度信号和角速度信号，通过微处理器和无线传发射模块将加速度信号和角速度信号传输至移动终端，移动终端整合加速度信号和角速度信号得出关节运动的空间轨迹，通过最小二乘法拟合轨迹圆弧的圆心位置并计算关节活动度。本发明体积小、灵敏度高、成本低，克服了临床手工测量精度低、速度慢的缺点。

Description

一种基于加速度传感器的关节活动度测量装置

技术领域

本发明涉及一种新的医疗测量器械，具体地说是一种关节活动度测量仪。

背景技术

关节活动度即关节的活动范围，关节活动范围的测量是评定肌肉、骨骼、神经病损的基本步骤，是评定关节运动功能损害的范围与程度的指标之一。

目前临床上主要使用关节角度尺或圆盘量角器来测量关节活动度。关节角度尺和圆盘量角器由活动臂、固定臂和活动中心组成。在使用量角器测量关节活动度时存在一些不可避免的问题。首先，量角器的放置会受到人体软组织的影响，而且由不同测量人员放置时测量结果也会不同；其次，角度显示不规范、刻度误差、制作工艺等也会降低测量结果的准确性。目前，视频、图像和光学打点标记等方法也被用于关节活动度的测量，但上述三种方法易受外界环境干扰且所需设备价格昂贵，不利于临床推广。

因此如何方便、快捷的采集人体关节角度信息成为临床上一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有的关节活动度测量方法的不足，提供了一种基于加速度传感器的关节活动度的测量装置，它能够实时检测人体关节角度信息。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于加速度传感器的关节活动度测量装置，包括：传感器模块、微处理器、电源模块、蓝牙发射模块、接收模块和移动终端。所述的传感器模块包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，分别对人体运动过程中的加速度信号和角速度信号进行检测，两个传感器通过I2C总线将采集到的信号发送给微处理器；所述的微处理器对传感器传过来的信号进行数字滤波，并将这些数据传输至蓝牙发射模块；所述的蓝牙发射模块将采集到的信号发送到接收模块；所述的电源模块负责整个系统的供电；所述的接收模块对接受到的数据进行整合，传输至移动终端；所述移动终端对得到的传感器信号进行分析处理，得到关节运动过程中佩戴的传感器的运动轨迹并计算关节活动度，显示关节运动过程中角度变化并绘制位移-时间曲线。所述移动终端为智能手机，医生可通过手机直接查看病人关节运动参数；所述智能手机可存储病人信息，并通过WIFI将病人信息自动上传到医院数据库，便于跟踪治疗和评估病人的康复效果。

所述的传感器模块、微处理器、电源模块和蓝牙发射模块被封装在安装外壳内构成传感器单元，并外接绑带使其成为可穿戴设备。

所述外壳上嵌入安装电源开关和指示灯，所述电源开关用于控制电源模块供电，所述指示灯用于指示传感器工作状态。

一种基于加速度传感器的关节活动度测量装置，其测量步骤如下：

(1)根据人体解剖学特点和关节活动类型，将传感器单元穿戴在人体不同部位；

(2)关节活动度测量装置所有系统上电，完成初始化，移动终端发出开始指令，接收传感器信号；

(3)移动终端对采集到的加速度信号做积分运算，得出其运动的空间轨迹，计算关节活动度。

(4)关节活动度的计算方法：关节运动轨迹为一圆弧，设起点为A，终点为B，利用最小二乘法拟合得圆弧的圆心位置，由此可知轨迹圆弧的弦长和半径，可求得关节运动轨迹的弧度，即为关节活动度。

(5)移动终端存储并显示关节活动度和位移-时间曲线，并将病人关节活动信息通过WIFI上传至医院数据库。

本发明相对于现有关节活动度测量技术具有以下显著有益效果：

(1)本发明的关节活动信息通过蓝牙发送到信号处理系统，避免了导线连接给测量过程带来的不便和不适，通过集成高性能低价格的MEMS器件，实现了便携性和低成本。

(2)相比于光学打点标记和视频图像的测量方法，该装置即使在无光环境下也能精确测量关节活动信息，受周围环境影响小，适应性强。

(3)传感器单元穿戴在病人身上，测量结果显示于智能手机的屏幕，实现智能检测，解放医生双手，提高医生工作效率。

附图说明

图1是本发明系统总体结构示意图。

图2是本发明安装示意图。

图3是本发明的信号处理算法流程图。

图4是肩关节前屈活动度测量方法示意图。

图5是关节活动度计算原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1是本发明系统总体结构示意图，包括传感器模块、微处理器、电源模块、蓝牙传输模块和移动终端。所述的检测模块包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪。所述的三轴加速度传感器可检测关节运动时的加速度信号。对物体的运动加速度进行二重积分可求得物体的运动位移，本发明中采用三轴加速度传感器，测量不同关节的活动度时，根据人体解剖学特点和关节活动类型将传感器单元穿戴在不同的部位。在人体关节运动过程中不断高频检测运动过程中的三维加速度信息，并对三组运动加速度不断进行积分运算，计算得关节运动的瞬时运动速度和累计的空间运动轨迹。

所述的三轴加速度传感器输出的加速度信号基于加速度传感器的载体坐标系OX_bY_bZ_b。空间绝对坐标系为OXYZ。可采用连续选装的方法，从一个直角坐标系到另一个直角坐标系。所述的三轴陀螺仪输出运动过程中的角速度信息，通过角速度信号来计算旋转矩阵。为避免欧拉角法出现的“奇点”现象，本发明采用四元数法。

通过蓝牙将检测到的加速度信号和角速度信号传输至移动终端，移动终端对得到的加速信号和角速度信号进行卡尔曼滤波，滤波后的角速度信号作为输入，计算得到旋转矩阵。通过旋转矩阵不断对运动坐标系下采集到的加速度信号进行坐标转换，将其从载体坐标系转换至空间绝对坐标系。运用自适应补偿算法，对加速地信号的值进行补偿，进行一次积分得到速度，再对速度进行一次补偿，对补偿后的速度积分得到位移数据。检测出运动的起始位置和终点位置，计算活动度并绘制位移-时间曲线，如图3所示。

实施案例1：肩关节前屈活动度测量

按以下步骤进行：

(1)对传感器进行校准。

(1)受测者标准姿势站立，按图2所示将封装好的传感器单元通过绑带固定在上肢上臂中部。

(2)测试主试发出测试开始口令，受测者按图4所示充分伸展肘部并保持上臂在矢状面内运动。受测者胳膊抬起过程中应尽量保持身体直立，肩部和身体其他部位保持不动。

(3)移动终端通过所述的接收模块接收来自加速度传感器和陀螺仪的加速度信号和角速度信号，并得到运动过程中传感器单元的运动轨迹，检测得到运动起点和终点，计算出关节活动度，于智能手机屏幕上显示测量结果并绘制位移-时间曲线。

图5提供了关节活动度的计算原理，计算公式为：

。

Claims (3)

1.一种基于加速度传感器的人体关节活动度测量装置，其特征在于：包括传感器模块、微处理器、电源模块、蓝牙发射模块、接收模块和移动终端；所述的传感器模块包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，分别对人体运动过程中的加速度信号和角速度信号进行检测，两个传感器通过I2C总线将采集到的信号发送给微处理器；所述的微处理器对传感器传过来的信号进行数字滤波，将这些数据传输至蓝牙发射模块；所述的蓝牙发射模块将采集到的信号发送到接收模块；所述的电源模块负责整个系统的供电；所述的传感器模块、微处理器、电源模块和蓝牙发射模块被封装在安装外壳内构成传感器单元，并外接绑带实现可穿戴；所述的安装外壳嵌入安装电源开关和指示灯，所述电源开关用于控制电源模块供电，所述指示灯用于指示传感器工作状态；所述的接收模块对接受到的数据进行整合，传输至移动终端；所述移动终端对得到的传感器信号进行分析处理，得到关节运动的运动轨迹并计算关节活动度，显示关节运动信息；所述移动终端为智能手机。

2.如权利1所述的移动终端运用自适应补偿算法，对接收到的加速度信号的值进行补偿，对加速度信号进行一次积分运算得到速度，再对速度进行一次补偿，对补偿后的速度积分得到位移数据，计算得出加速度传感器运动的空间轨迹；对整合加速度信号和角速度信号得到关节运动的空间轨迹，设起点A和终点B，从起点A到终点B的运动轨迹为一弧形，得到弦长的值，运用最小二乘法拟合出圆弧半径R和圆心位置，已知三角形三边长，求出关节活动度。

3.如权利2所述的移动终端为智能手机，对接受到测量信号进行处理得到关节活动度，存储计算结果并显示于手机屏幕，并通过WIFI将病人信息自动上传到医院数据库内。