用于分類哺乳動物的身體方位的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的設備。該設備包括用于在身體上一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體位置的裝置(10,11)，其中用于測量的所述裝置包括至少一個位置傳感器。該設備包括：用于提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)的裝置(12)；用于至少暫時存儲所述數(shù)據(jù)的裝置(15)；用于處理所述數(shù)據(jù)以提供所述身體方位的分類的裝置(13,14)。此外，本發(fā)明還公開了一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的方法。
【專利說明】用于分類晡乳動物的身體方位的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于確定和分類脊椎哺乳動物的身體方位的裝置和方法。本發(fā)明尤其適于在給定點處對受試人的姿勢進行適時分類，其在文中會有描述。然而，應當理解的是，本發(fā)明并不因此局限于這種應用。對受試人的姿勢進行分類包括確定受試主體是坐下、站立還是躺下。身體方位可包含更深層面的細節(jié)，包括筆直地坐、懶散地坐、跪著等，以及包括走路和跑步等的動態(tài)身體方位。
[0002]本發(fā)明涉及國際專利申請PCT/AU2005/000743中描述的方法和裝置，其通過交叉引用而合并于此。
[0003]在本文中，使用有關哺乳動物身體的方位、站立、坐下以及躺下這些詞語涉及到哺乳動物身體的對準或狀態(tài)，直立的、筆直的或坐著的姿勢，和/或水平的、斜倚的或蜷縮的方位。
【背景技術】
[0004]在許多涉及評估人類或其他哺乳動物的身體移動的應用中，如康復、應變或負荷監(jiān)測、運動評估以及工作場所的設計與構造中，通過了解人類或哺乳動物的大體方位可以提高對活動進行評估的能力。這是因為通常作用于軀干或身體的任意肢體的力可明顯受身體的方位影響。
[0005]例如，當身體從一個方位向另一個方位移動時(例如從坐下到站立或從站立到坐下)，會發(fā)生許多生理和生物力學的變化。就生物力學而言，這種運動可導致多種解剖學特征的角位移相對于一個或多個參考平面的變化。因此，身體方位的識別需要測量相對于參考系的角位移。角位移可通過使用位置傳感器來測量，如通過提供參照重力的位置的加速計、提供參照地球磁場的位置`的磁力計、陀螺儀和/或光纖傳感器來測量。本發(fā)明可使用位置傳感器來檢測哺乳動物身體上一個或多個點(如脊柱上的一個或多個點)的角位移，并可使用該位移來識別各種身體方位。
[0006]相關技術簡介
[0007]據(jù)報道，很多基于安放于身體上的傳感器的技術已用于身體方位或由人作出的當前活動的自動識別。通常，這些技術通過將傳感器的輸出與對應于一組希望的姿勢的一組在先特征(si gnature )輸出進行匹配來計算姿勢的概率。
[0008]然而，現(xiàn)有技術還有許多不足，其包括:
[0009](a)現(xiàn)有技術不能通過放置在脊柱上的位置傳感器來獲得身體方位；
[0010](b)現(xiàn)有技術可能是計算密集的，并且需要基于PC的離線處理；
[0011](c) 一些現(xiàn)有技術的準確性在區(qū)別不同的靜止位置如站立位置和就坐位置方面相對比較差；
[0012](d) 一些現(xiàn)有技術依賴過渡檢測，例如從坐到站或從站到坐的檢測，這在系統(tǒng)連續(xù)檢測當前姿勢的場合中具有不能實時分類的缺陷。錯過一次過渡可導致長期的錯誤分類狀態(tài)；[0013](e)現(xiàn)有技術需要針對每個主體進行系統(tǒng)校準，以使針對各種身體方位的特征值可以得到調節(jié)；
[0014](f) 一些現(xiàn)有技術系統(tǒng)是基于汞的?；诠南到y(tǒng)的缺點包括汞自身的有害性質和動態(tài)運動期間傳感器內的汞的濺出(這會導致錯誤讀數(shù)和嚴重的校準過程)。
[0015]本發(fā)明可解決現(xiàn)有技術的缺點，或者至少可向用戶提供一個選擇。

【發(fā)明內容】

[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的設備，所述設備包括:
[0017]用于在身體上的一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體位置的裝置，其中，用于測量的所述裝置包括至少一個位置傳感器；
[0018] 用于提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)的裝置；
[0019]用于至少暫時存儲所述數(shù)據(jù)的裝置；以及
[0020]用于處理所述數(shù)據(jù)以提供所述身體方位的分類的裝置。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的設備，所述設備包括:
[0022]位置傳感器，其設置成用于在身體上的一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體的位置，并且用于提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)；
[0023]與位置傳感器耦合的非易失存儲裝置，其設置成用于存儲所述數(shù)據(jù)；以及
[0024]與位置傳感器耦合的處理器，其設置成用于處理所述數(shù)據(jù)以提供身體方位的所述分類。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的方法，所述方法包括:
[0026]在身體上的一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體的位置，其中所述測量由至少一個位置傳感器來執(zhí)行；
[0027]提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)；
[0028]至少暫時存儲所述數(shù)據(jù)；以及
[0029]處理所述數(shù)據(jù)以提供身體方位的所述分類。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的方法，所述方法包括:
[0031]使用至少一個位置傳感器來在身體上的一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體的位置，并且提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)；
[0032]將所述數(shù)據(jù)存儲在非易失存儲裝置中；以及
[0033]由處理器來處理所述數(shù)據(jù)以提供身體方位的所述分類。
[0034]身體上的點或每個點可定位在脊椎哺乳動物的脊柱上。該過程可實時執(zhí)行以提高分類的準確性和/或有效性。
[0035]用于處理的裝置可包括適于執(zhí)行用于評估身體方位的算法的數(shù)字處理器。該算法可包括動態(tài)分類器和靜態(tài)分類器。該算法可包括過渡分類器以提高分類的準確性。該算法可包括自適應模塊。該算法可基于給主要身體方位(包括站、坐、躺以及動態(tài)的動作(運動中的動作))分配類別特征來評估身體方位。該算法可包括用以根據(jù)與每個姿勢相關的特征或模式的辨識來識別姿勢的邏輯樹。與每個姿勢相關的特征或模式可由在訓練或學習階段所獲得的一組規(guī)則來確定。該算法可包括無監(jiān)督學習，其用以基于針對個體所感測的當前數(shù)據(jù)修改先前所學習的與個體的姿勢相關的特征或模式。
[0036]該位置傳感器或各個位置傳感器可應用于哺乳動物的腰椎上。各個位置傳感器可包括加速計、陀螺儀以及磁力計 中的至少一個。該位置傳感器可沿三個正交軸測量角位移。
[0037]該數(shù)據(jù)可用于導出屈伸平面中的位移。作為附加或備選，該數(shù)據(jù)可用于導出側屈平面中的位移。該數(shù)據(jù)可用于導出身體的旋轉度。每個測量裝置可包括至少一個用于將模擬數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字數(shù)據(jù)的AD轉換器。這種AD轉換可在存儲數(shù)據(jù)之前進行。
[0038]用于測量位置的裝置可測量側屈平面或側-側彎曲平面中的位移。用于測量位置的裝置還可測量屈伸平面或前-后彎曲平面中的位移。用于測量位置的裝置可包括用于測量旋轉度的裝置。旋轉度的測量可從一個或多個加速計、一個或多個磁力計、肌肉活動和/或一個或多個陀螺儀獲得。
[0039]該位置傳感器或每個位置傳感器可包括至少一個加速計。該加速計或每個加速計可測量與之相聯(lián)系的身體或身體部分的線性加速度。每個加速計可包括用于測量同時沿一個、兩個或三個正交軸的加速度的結構?？赏ㄟ^本領域公知的集成處理來導出針對每個加速計的位移數(shù)據(jù)。作為備選或附加，可從一個或多個加速計獲得數(shù)據(jù)以提供相對于如重力定義的方向的參考方向的角位移或位置。該設備可包括用于從如通過計算前向傾斜角度與側面傾斜角度得到的加速度數(shù)據(jù)中獲得角位置的結構。該設備可包括用于獲得身體部分的旋轉位置的結構，如陀螺儀。作為備選或附加，可從一個或多個磁力計中獲得數(shù)據(jù)以提供相對于如由地球磁力場定義的方向的參考方向的角位移或位置。
[0040]加速計數(shù)據(jù)轉換為位置數(shù)據(jù)
[0041]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，位置數(shù)據(jù)可通過至少一個加速計傳感器而獲取。每個加速計可檢測PCB板上的微芯片內安裝的小塊的加速度。當PCB板和加速計從一個位置移動到另一個位置時，該塊可經(jīng)歷運動開始時的加速度和運動停止時的減速度。加速計可以將該塊的運動轉換成以最原始形式表示數(shù)據(jù)的電壓信號(通常為mV級)。
[0042]由于合力G是三維的，因此可采用三軸三角學，其中X是橫軸，y是縱軸，而z是“穿過頁面”軸。采用3D畢達哥拉斯和反正切公式，可推導出兩個角度以給出加速計的位置。單獨一個加速計只可以給出運動的方向，但是當有兩個加速計的時候，兩個加速計的角度之間的差可表示出一個加速計相對于另一個加速計的位置(角度)變化。這可允許該設備在三維坐標軸內在任意時刻實時計算脊柱的角位置。
[0043]可使用以下表達式來從加速計中導出角變化。
[0044]ep+o=lg fp+o=-lg 其中:
[0045]e=針對Ig的毫伏數(shù) f=針對一Ig的毫伏數(shù) P=增益(放大器)
[0046]O=偏移量
[0047]求解P和ο:
[0048]ep+o-fp-o=2g (e-f) p=2g
[0049]P ~e_f ep+o=lg o_\g_ep 或者 fp+o=_lg o=~\g-Jp
[0050]注意:應當針對每個軸來計算P和O的值。[0051]
【權利要求】
1.一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的設備，所述設備包括: 用于在身體上一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體位置的裝置，其中，用于測量的所述裝置包括至少一個位置傳感器； 用于提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)的裝置； 用于至少暫時存儲所述數(shù)據(jù)的裝置；以及 用于處理所述數(shù)據(jù)以提供所述身體方位的分類的裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，每個點設在哺乳動物的脊椎上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的設備，其中，用于處理的所述裝置包括用于評估身體方位的算法。
4.根據(jù)權利要求3所述的設備，其中，所述算法包含動態(tài)分類器和靜態(tài)分類器。
5.據(jù)權利要求3或4所述的設備，其中，所述算法包括過渡分類器以提高所述分類的準確性。
6.根據(jù)前述任一項權利要求所述的設備，其中，所述處理實時執(zhí)行以提高所述分類的準確性。
7.根據(jù)權利要求3至6中任一項所述的設備，其中，所述算法適于基于將類別特征分配給包括站、坐和躺的基本身體方位來評估所述身體方位。
8.根據(jù)權利要求3至7中任一項所述的設備，其中，所述算法包括基于與每種姿勢相關的特征或模式的認知來識別姿勢的邏輯樹。`
9.根據(jù)權利要求8所述的設備，其中，由訓練階段中獲取的一組規(guī)則來確定與每種姿勢相關的特征或模式。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的設備，其中，借助無監(jiān)督分類器來修改與每種姿勢相關的特征或模式。
11.根據(jù)權利要求10所述的設備，其中，所述無監(jiān)督分類器收集所述數(shù)據(jù)，并基于在d維空間中到所對應聚類的中心的距離來更新特征或模式，其中d是定義特征的變量數(shù)。
12.根據(jù)前述任一項權利要求所述的設備，其中，每個位置傳感器包括加速計、陀螺儀和磁力計中的至少一個。
13.根據(jù)權利要求12所述的設備，其中，所述位置傳感器適于沿三個正交軸測量角位移。
14.根據(jù)前述任一項權利要求所述的設備，其中，所述數(shù)據(jù)用于導出屈伸平面中的位移。
15.根據(jù)前述任一項權利要求所述的設備，其中，所述數(shù)據(jù)用于導出側屈平面中的位移。
16.根據(jù)前述任一項權利要求所述的設備，其中，所述數(shù)據(jù)用于導出所述身體的旋轉度。
17.根據(jù)前述任一項權利要求所述的設備，其中，每個測量裝置包括至少一個用于將模擬數(shù)據(jù)轉換到數(shù)字域的AD轉換器。
18.根據(jù)權利要求17所述的設備，其中，所述AD轉換在存儲所述數(shù)據(jù)前進行。
19.一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的方法，所述方法包括: 在身體上一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體的位置，其中所述測量由至少一個位置傳感器執(zhí)行； 提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)； 至少暫時性地存儲所述數(shù)據(jù)；以及 處理所述數(shù)據(jù)以提供身體方位的所述分類。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中，每個點都位于哺乳動物的脊椎上。
21.根據(jù)權利要求19或20所述的方法，其中，通過用于評估身體方位的算法來執(zhí)行所述處理。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中，所述算法包含動態(tài)分類器和靜態(tài)分類器。
23.根據(jù)權利要求21或22所述的方法，其中，所述算法包含過渡分類器以增加所述分類的準確性。
24.根據(jù)權利要求19至23中任一項所述的方法，其中，所述處理實時執(zhí)行以增加所述分類的準確性。
25.根據(jù)權利要求21至24中任一項所述的方法，其中，所述算法適于基于將類別特征分配給包括站、坐和躺的基本身體方位來評估所述身體方位。
26.根據(jù)權利要求2 1至25中任一項所述的方法，其中，所述算法包括用以基于關于每種姿勢的特征或模式的認知來識別姿勢的邏輯樹。
27.根據(jù)權利要求26所述的方法，其中，由訓練階段中獲取的一組規(guī)則來確定與每種姿勢相關的特征或模式。
28.根據(jù)權利要求26或27所述的方法，其中，包括借助于無監(jiān)督分類器來修改與每種姿勢相關的特征或模式。
29.根據(jù)權利要求28所述的方法，其中，所述無監(jiān)督分類器收集所述數(shù)據(jù)，并基于d維空間中到所對應聚類的中心的距離來更新特征或模式，其中d是定義特征的變量數(shù)。
30.根據(jù)權利要求19至29中任一項所述的方法，其中，每個位置傳感器包括加速計、陀螺儀和磁力計中的至少一個。
31.根據(jù)權利要求30所述的方法，其中，所述位置傳感器適于沿三個正交軸測量角位移。
32.根據(jù)權利要求19至31中任一項所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)用于導出側屈平面中的位移。
33.根據(jù)權利要求19至32中任一項所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)用于導出屈伸平面中的位移。
34.根據(jù)權利要求19至33中任一項所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)用于導出所述身體的旋轉度。
35.根據(jù)權利要求19至34中任一項所述的方法，其中，每個測量步驟包括將模擬數(shù)據(jù)轉換至數(shù)字域。
36.根據(jù)權利要求35所述的方法，其中，在存儲所述數(shù)據(jù)前將數(shù)據(jù)轉換至數(shù)字域。
37.一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的設備，所述設備包括: 位置傳感器，其配置成用于在身體上一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體的位置，并用于提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)； 與位置傳感器耦合的非易失存儲裝置，其設置成用于存儲所述數(shù)據(jù)；以及與位置傳感器耦合的處理器，其設置成用于處理所述數(shù)據(jù)以提供身體方位的所述分類。
38.一種用于提供哺乳動物的身體方位的分類的方法，所述方法包括: 采用至少一個位置傳感器來在身體上一個或多個點處測量相對于參考系的所述身體的位置，并且提供表示所述位置的第一數(shù)據(jù)； 在非易失存儲裝置中存儲所述數(shù)據(jù)；以及 通過處理器來處理所述數(shù)據(jù)以提供身體方位的所述分類。
39.一種基本如這里參考附圖描述的用于提供脊椎哺乳動物的身體方位的分類的設備。
40.一種基本如這里參考附圖描述的用于提供脊椎哺乳動物的身體方位的分類的方法。`
【文檔編號】A61B5/103GK103533888SQ201280017642
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年2月9日 優(yōu)先權日:2011年2月10日
【發(fā)明者】穆罕默德·歐麥爾, 安德魯·詹姆斯·朗奇, 丹尼爾·馬修·朗奇 申請人:多薩威（澳大利亞）私人有限公司