CN109602424A - 颈椎三维活动度智能测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明一种颈椎三维活动度智能测量仪，包括仪器本体、无线通讯模块和终端，仪器本体包括呈半球形的头环水平环和头环垂直环及枕部保护环，头环水平环和枕部保护环的两端分别通过水平尺度旋钮调节机构连接以围成一与头部大小相匹配的头围，头环垂直环的两端分别固定在对应的水平尺度旋钮调节机构中，头环垂直环上设有垂直尺度旋钮调节机构，头环垂直环的中间位置处固定有姿态传感器/九轴陀螺仪，头环水平环底部中间位置处设有鼻翼架，姿态传感器/九轴陀螺仪通过无线通讯模块与终端通讯连接；姿态传感器/九轴陀螺仪用于监测颈椎三维空间姿态变化并输出三维姿态方位数据；终端用于通过无线通讯模块接收三维姿态方位数据并通过终端显示器显示。
Description
技术领域
本发明涉及颈椎三维活动度测量技术领域，特别是涉及一种颈椎三维活动度智能测量仪。
背景技术
随着我国人口老龄化程度的日益加深，以及智能手机、笔记本电脑等便携电子设备的广泛应用，颈椎病的发病率呈明显上升趋势。颈椎病患主要表现为颈肩部酸痛不适、双手麻无力、肢体活动受限、足底踩棉花感等，继而对患者工作及生活造成不同程度的影响。颈椎活动度(Cervical range of motion，CROM)是指颈椎在矢状面、冠状面和水平面等三个维度平面的运动，包括前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋和右旋6个自由度。由于大多数颈椎病患者均会引起不同程度的颈椎活动度的病理性改变，因而颈椎活动度常被用于初筛颈椎疾患的患者。在颈椎外科领域，颈椎活动度的测量是对颈椎进行性活动度的检查，常用于对颈椎病的辅助诊断、判断颈椎功能丧失的程度及对颈椎手术治疗效果的评估，是评价颈椎动态活动功能的重要指标。
目前，临床及实验研究中采用的颈椎活动度测量工具和方法主要包括：简单目测、机械工具(尺、量角器、水平仪、罗盘)测量、影像学测量(颈椎X线、CT)、CROM仪、电磁式动作分析仪、超声运动分析仪、电罗盘测量法等。现有测量仪器或方法存在诸多缺点：1、机械测量方法复杂，操作流程繁琐；2、物理测量仪器精度低，仪器使用周期短，易磨损，数据准确性差；3、影像学测量辐射剂量大，对机体损伤较大；4、运动分析仪后续运算过程复杂，测算费用较高；5、颈椎复杂的解剖结构和耦合运动模式，使不同维度在单一方向上的测量产生一定程度的维度误差。既往的颈椎活动度测量设备因存在上述缺陷，在实际运用过程中使所测得数据精准度低，可靠性差，可重复性不高，无法进行多次反复测量结果的对比，难以真实有效地反映颈椎的动态活动功能，同时因其用户体验较差，无法被测试者和受试者广泛地接纳，因而在临床上难以得到很好推广及应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种颈椎三维活动度智能测量仪。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供一种颈椎三维活动度智能测量仪，其特点在于，其包括仪器本体、无线通讯模块和终端，所述仪器本体包括头环水平环、头环垂直环和枕部保护环，所述头环水平环和头环垂直环呈半球形，所述头环水平环和枕部保护环的两端分别通过用于根据头部大小进行调节的水平尺度旋钮调节机构连接以围成一与头部大小相匹配的头围，所述头环垂直环的两端分别固定在对应的水平尺度旋钮调节机构中，所述头环垂直环上设置有用于调节头顶松紧度的垂直尺度旋钮调节机构，所述头环垂直环的中间位置处固定有姿态传感器/九轴陀螺仪，所述头环水平环的底部中间位置处开设有鼻翼架，所述姿态传感器/九轴陀螺仪通过无线通讯模块与终端通讯连接。
所述姿态传感器/九轴陀螺仪用于监测颈椎三维空间姿态变化并实时输出三维姿态方位数据，所述三维姿态方位数据包括横滚角、仰俯角及偏航角。
所述终端用于通过无线通讯模块实时接收三维姿态方位数据并通过终端的显示器显示。
较佳地，所述终端用于将接收的三维姿态方位数据分类归为X轴横滚角α、Y轴俯仰角β及Z轴偏航角γ。
基于X轴横滚角α，所述终端用于判断是否α≥0，若α≥0则定义为α1，若α＜0则定义为α2，取连续测量到的α1中的最大值，输出为“左侧屈”最终测量角度，取连续测量到的α2中的最小值的绝对值，输出为“右侧屈”最终测量角度。
基于Y轴俯仰角β，所述终端用于判断是否β≥0，若β≥0则定义为β1，若β＜0则定义为β2，取连续测量到的β1中的最大值，输出为“前屈”最终测量角度，取连续测量到的β2中的最小值的绝对值，输出为“后伸”最终测量角度。
基于Z轴俯仰角γ，所述终端用于判断是否γ≥0，若γ≥0则定义为γ1，若γ＜0则定义为γ2，取连续测量到的γ1中的最大值，输出为“左旋”最终测量角度，取连续测量到的γ2中的最小值的绝对值，输出为“右旋”最终测量角度。
较佳地，所述头环水平环的外表面固定有透视镜，所述头环水平环对应人的眼睛的位置处采用透明材料。
较佳地，所述枕部保护环的内衬为记忆棉。
较佳地，所述姿态传感器/九轴陀螺仪采用Senodia陀螺仪、Alubi姿势传感陀螺仪或Wit智能陀螺仪。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
1、本设计通过采用最新的姿态传感器/九轴陀螺仪，使原本分离的三个维度、六个方向上的活动度数据监测同时同步呈现，减少因分次测量、读数而造成的人为误差。
2、本设计所采用市面上先进的姿态传感器/九轴陀螺仪传感模块，具有体积小、质量轻、测量便捷高效等优点，最大程度地减少在测量过程中因测量仪器笨重而影响颈椎的自由活动。
3、本设计传感器测量过程简捷高效、数据重复性佳，无需人为过分矫正测量者头部中立位，极大方便受试者及测试者的应用，提供更为智能的用户体验，便于临床推广应用。
4、本设计所采用的姿态传感器/九轴陀螺仪传感器在测量全程中无辐射、安全性高，可靠性强，患者重复测量依从性好，可广泛应用于病房评估、门诊随访及生物力学等基础研究。
5、本设计在测量过程中具有实时数据显示、动态数据分析处理、精准结果同步呈现、数据自动记忆等功能。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的颈椎三维活动度智能测量仪的结构示意图。
图2为本发明较佳实施例的颈椎三维活动度智能测量仪实际测量应用示意图。
图3为本发明较佳实施例的颈椎三维活动度智能测量仪终端显示器输出示意图。
图4为本发明较佳实施例的颈椎三维活动度智能测量仪工作流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种颈椎三维活动度智能测量仪，其包括仪器本体、无线通讯模块和终端，所述仪器本体包括头环水平环1、头环垂直环2和枕部保护环3，所述头环水平环1和头环垂直环2呈半球形，所述头环水平环1和枕部保护环3的两端分别通过用于根据头部大小进行调节的水平尺度旋钮调节机构4连接以围成一与头部大小相匹配的头围，所述头环垂直环2的两端分别固定在对应的水平尺度旋钮调节机构4中，所述头环垂直环2上设置有用于调节头顶松紧度的垂直尺度旋钮调节机构5，所述头环垂直环2的中间位置处固定有姿态传感器/九轴陀螺仪6，所述头环水平环1的底部中间位置处开设有鼻翼架7，所述头环水平环1的外表面固定有透视镜 8，所述头环水平环1对应人的眼睛的位置处采用透明材料。所述姿态传感器/九轴陀螺仪6通过无线通讯模块与终端通讯连接。
所述姿态传感器/九轴陀螺仪6用于监测颈椎三维空间姿态变化并输出三维姿态方位数据；所述终端用于通过无线通讯模块接收三维姿态方位数据并通过终端的显示器显示。
头环水平环1和头环垂直环2分别设有水平尺度旋钮调节机构4和垂直尺度旋钮调节机构5，可在不同方位调节头部容积大小以适应不同大小的个体头围的佩戴。水平尺度旋钮调节机构4和垂直尺度旋钮调节机构5如何调节头环水平环1和头环垂直环2的大小是现有技术。
鼻翼架7根据人体工程学设计，配合头环水平环1和头环垂直环2的大小调节，使整个头环与受试者头部紧密贴合，使陀螺仪传感器在整个测试过程中保持相对位置的固定。
枕部保护环3内衬为记忆棉，便于受试者舒适佩戴头环，给予受试者最佳的用户体验。
头环垂直环2顶部安装有一姿态传感器/九轴陀螺仪，姿态传感器是基于 MEMS(Microelectro Mechanical Systems)技术的高性能三维运动姿态测量系统，其核心传感装置为集三轴陀螺仪、三轴加速度计及三轴磁力计于一体的九轴陀螺仪。陀螺仪用来测量惯性空间在载体中的角速度，通过角速率对时间积分即可得到相应角度值。为了降低因温度变化、摩擦力、不稳定力矩等因素造成的测量漂移误差，结合加速度计所测量的动态和静态线性加速度，基于卡尔曼滤波、粒子滤波、互补滤波等特殊数据融合技术，运用欧拉角法、方向余弦法和四元数法等常用融合姿态算法，实时输出零漂移三维姿态方位数据(横滚角、仰俯角及偏航角)。磁力计的融合设计是对偏航角和重力方向正交误差的误差矫正。因此，本设计所采用的基于九轴陀螺仪为核心，结合滤波技术和姿态解算算法，在颈椎多维复合运动下精准、高效、便捷地获取三个维度六个方向的实时角度变化数据。姿态传感器/九轴陀螺仪通过无线蓝牙通讯技术与终端显示器相连接，可实现精准终端控制和数据实时采集。终端显示器可选用无线笔记本、平板及智能手机等智能设备。
本发明基于九轴陀螺仪监测原理及姿态数据基本解算算法，设计出数据处理、分析、输出的操作控制系统。可通过个人智能手机或者电脑，实现测量过程精确控制和数据实时采集。在本发明中，九轴陀螺仪传感器利用角动量守恒原理，智能高效地对颈椎三维立体空间变化数据的实时测量，并经过卡尔曼滤波技术、姿态解算及进一步综合分析处理，同时输出三个维度的俯仰角(冠状面)、横滚角(矢状面)及航向角(水平面)。颈椎三维活动度智能测量仪可在颈椎动态活动过程中同时进行三个维度、六组数据的实时测量，数据同步呈现于终端显示器，测量精度高，误差小，效率佳，可重复性高。可广泛应用于颈椎病的临床评估及相关基础研究。
传感器可采用市面上常见的姿态传感器/九轴陀螺仪传感模块，例如： Senodia陀螺仪、Alubi姿势传感陀螺仪、Wit智能陀螺仪等。
如图2所示，本颈椎三维活动度测量仪使用流程如下：受试者坐于椅子上，背靠椅背，可用绑带适当固定受试者躯体。将测量仪置于受试者头部，调节水平尺度旋钮调节机构4和垂直尺度旋钮调节机构5，使头环大小适合受试者佩戴。
测试开始，开启姿态传感器/九轴陀螺仪6上开关，通过无线通讯模块连接终端。嘱受试者抬头收下颌平视前方，测试者在控制终端上按下“开始键”，终端自动确立相对中立位(三个维度的实时角度变化/六个方向的最终测量数据清零)。测量开始，测试者口述或同步行动引导受试者依次做低头、仰头、左侧屈、右侧屈、左旋转及右旋转六个方向的头部正常运动(活动到最大限度)。终端显示器实时显示头部虚拟空间位置变化及三维角度变化。整个头部运动结束后，按下“结束键”，六个方向的最终测量数据最终确定，系统同时自动记录测量结果。统一受试者再次测量时，按下“Reset键”，相对中立位重新确立，数据即时清零，测量重新开始。测试结束后，通过数据回看键(向前、向后)进行数据回顾及结果提取。
如图3所示，左侧界面：数据显示界面，弧形框实时显示三个维度的角度变化；方形框显示三个维度六个方向的最终测量数据。显示界面下方五个按键分别为：开始键、Reset键(数据清零/相对中立位设置)、数据回看键(向前)、数据回看键(向后)、结束键。
右侧界面：虚拟三维空间显示界面，实时显示传感器虚拟相对空间位置的变化。
如图4所示，数据分析、处理、输出流程如下：测试开始，姿态传感器 /九轴陀螺仪监测颈椎三维空间姿态变化，通过数据融合技术及姿态解算算法，实时输出三维姿态方位数据(横滚角、仰俯角及偏航角)。终端通过无线蓝牙传输技术实时接收所监测的数据，分类归为横滚角α(X轴)、俯仰角β(Y轴)及偏航角γ(Z轴)。以X轴横滚角α为例，判断α≥0？若α≥0则定义为α1，若α＜0则定义为α2，取连续测量到的α1中的最大值，输出为“左侧屈”最终测量角度；取连续测量到的α2中的最小值的绝对值，输出为“右侧屈”最终测量角度。如图4，同理，Y轴俯仰角β的测量分析处理，判断β≥0？若β≥0则定义为β1，若β＜0则定义为β2，取连续测量到的β1中的最大值，输出为“前屈”最终测量角度；取连续测量到的β2中的最小值的绝对值，输出为“后伸”最终测量角度。类似的，Z轴俯仰角γ的测量分析处理，判断γ≥0？若γ≥0则定义为γ1，若γ＜0则定义为γ2，取连续测量到的γ1中的最大值，输出为“左旋”最终测量角度；取连续测量到的γ2中的最小值的绝对值，输出为“右旋”最终测量角度。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种颈椎三维活动度智能测量仪，其特征在于，其包括仪器本体、无线通讯模块和终端，所述仪器本体包括头环水平环、头环垂直环和枕部保护环，所述头环水平环和头环垂直环呈半球形，所述头环水平环和枕部保护环的两端分别通过用于根据头部大小进行调节的水平尺度旋钮调节机构连接以围成一与头部大小相匹配的头围，所述头环垂直环的两端分别固定在对应的水平尺度旋钮调节机构中，所述头环垂直环上设置有用于调节头顶松紧度的垂直尺度旋钮调节机构，所述头环垂直环的中间位置处固定有姿态传感器/九轴陀螺仪，所述头环水平环的底部中间位置处开设有鼻翼架，所述姿态传感器/九轴陀螺仪通过无线通讯模块与终端通讯连接；
所述姿态传感器/九轴陀螺仪用于监测颈椎三维空间姿态变化并实时输出三维姿态方位数据，所述三维姿态方位数据包括横滚角、仰俯角及偏航角；
所述终端用于通过无线通讯模块实时接收三维姿态方位数据并通过终端的显示器显示。
2.如权利要求1所述的颈椎三维活动度智能测量仪，其特征在于，所述终端用于将接收的三维姿态方位数据分类归为X轴横滚角α、Y轴俯仰角β及Z轴偏航角γ；
基于X轴横滚角α，所述终端用于判断是否α≥0，若α≥0则定义为α1，若α＜0则定义为α2，取连续测量到的α1中的最大值，输出为“左侧屈”最终测量角度，取连续测量到的α2中的最小值的绝对值，输出为“右侧屈”最终测量角度；
基于Y轴俯仰角β，所述终端用于判断是否β≥0，若β≥0则定义为β1，若β＜0则定义为β2，取连续测量到的β1中的最大值，输出为“前屈”最终测量角度，取连续测量到的β2中的最小值的绝对值，输出为“后伸”最终测量角度；
基于Z轴俯仰角γ，所述终端用于判断是否γ≥0，若γ≥0则定义为γ1，若γ＜0则定义为γ2，取连续测量到的γ1中的最大值，输出为“左旋”最终测量角度，取连续测量到的γ2中的最小值的绝对值，输出为“右旋”最终测量角度。
3.如权利要求1所述的颈椎三维活动度智能测量仪，其特征在于，所述头环水平环的外表面固定有透视镜，所述头环水平环对应人的眼睛的位置处采用透明材料。
4.如权利要求1所述的颈椎三维活动度智能测量仪，其特征在于，所述枕部保护环的内衬为记忆棉。
5.如权利要求1所述的颈椎三维活动度智能测量仪，其特征在于，所述姿态传感器/九轴陀螺仪采用Senodia陀螺仪、Alubi姿势传感陀螺仪或Wit智能陀螺仪。
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