本發(fā)明屬于醫(yī)療康復(fù)設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種新型的穿戴式手部外骨骼力-位移實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)及檢測方法。
背景技術(shù)：
：許多意外事故和疾病，如外傷、腦卒中等可能會導(dǎo)致人手的感覺和運(yùn)動功能喪失。其中腦卒中后遺癥患者的手在后期往往因肌肉痙攣，形成一個(gè)屈曲的半握拳姿勢，手功能的康復(fù)最為困難?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐證明：有效的肢體訓(xùn)練可以防止手功能患者肌肉的“廢用性”萎縮，而人手康復(fù)外骨骼可以改進(jìn)傳統(tǒng)的康復(fù)治療手段和提高康復(fù)治療效果。人手康復(fù)外骨骼的主要功能是輔助手外傷患者進(jìn)行術(shù)后的康復(fù)訓(xùn)練，依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學(xué)(evidencebasedmedicine，ebm)和連續(xù)被動運(yùn)動(continuouspassivemotion，cpm)理論，可以使患者在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)健康。如圖1所示，手部外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用可穿戴的手套形式，穿戴在人手外部，一般包括手部外骨骼動力輸出機(jī)構(gòu)101、手指驅(qū)動機(jī)構(gòu)102和控制系統(tǒng)盒。其工作方式是通過動力輸出機(jī)構(gòu)101分別與五個(gè)手指驅(qū)動機(jī)構(gòu)102連接，驅(qū)動手指進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。手部外骨骼不僅可以對患者的手施加精確的力和運(yùn)動控制，還可以實(shí)時(shí)記錄詳實(shí)的患者信息和治療數(shù)據(jù)，并將信息可視化，為臨床康復(fù)醫(yī)生提供客觀、準(zhǔn)確、直觀的治療和評價(jià)參數(shù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的主要目的在于提供一種新型的穿戴式手部外骨骼力-位移實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)及檢測方法，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測相應(yīng)手指所受的驅(qū)動力和所能達(dá)到的位移，在提高工作效率的同時(shí)也提高了檢測的準(zhǔn)確性。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種新型的穿戴式手部外骨骼的力-位移實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，所述手部外骨骼穿戴在患病手部，其特征在于，包括：穿戴在患病手部的彈性壓力衣手套；位于彈性壓力衣手套內(nèi)且固定在患病手部待檢測位置的壓力傳感器和角度傳感器；與壓力傳感器和角度傳感器信號連接的計(jì)算機(jī)。優(yōu)選地，所述壓力傳感器通過壓力采集部件與計(jì)算機(jī)信號連接，所述角度傳感器通過角度檢測部件與計(jì)算機(jī)信號連接。優(yōu)選地，所述壓力傳感器設(shè)置在患病手部的手指的中節(jié)指骨上，角度傳感器設(shè)置在患病手部的手指的pip關(guān)節(jié)處。優(yōu)選地，所述檢測系統(tǒng)還能夠根據(jù)獲得的壓力值和角位移對患病手部進(jìn)行評估。本發(fā)明還提供了一種基于上述檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：對壓力傳感器和角度傳感器反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定；步驟2：對獲得的壓力值和角位移進(jìn)行初步處理以消除噪聲；步驟3：對步驟2得到的壓力值和角位移進(jìn)行處理得到患病手部的手指上每個(gè)指骨的所受的驅(qū)動力和每個(gè)關(guān)節(jié)屈曲/伸展的角位移；優(yōu)選地，在步驟3中，采用二次插值法對步驟2中獲得的壓力值進(jìn)行處理。優(yōu)選地，在步驟3中，采用線性插值法對步驟2中獲得的角度值進(jìn)行處理。優(yōu)選地，還包括步驟4：通過步驟3得到的驅(qū)動力與角位移的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行評估患病手部是否符合人手生物力學(xué)安全性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：該檢測系統(tǒng)通過檢測手指所受的驅(qū)動力以及手指屈曲/伸展的角位移來對患病手指的恢復(fù)狀況進(jìn)行評估，采用自動檢測技術(shù)，采集效率高，采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，并能夠迅速評估出患者手部是否符合人手生物力學(xué)安全性，具有效率高，準(zhǔn)確性高，安全性高的優(yōu)點(diǎn)。附圖說明圖1是根據(jù)本發(fā)明的所采用的手部外骨骼圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的原理圖圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的某手指受力的示意圖具體實(shí)施方式以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實(shí)施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。如圖1所示，該檢測系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)8、角度傳感器1、壓力傳感器3、彈性壓力衣手套2、手部外骨骼、壓力采集部件5、角度檢測部件6，所述彈性壓力衣手套2穿戴在患病手部，3個(gè)壓力傳感器3和3個(gè)角度傳感器1分別位于在手套內(nèi)并固定在患病手部的檢測位置，所述壓力傳感器3與壓力采集部件5信號連接，所述角度傳感器1與角度檢測部件6信號連接，所述壓力采集部件5和角度檢測部件6分別通過具有多個(gè)接口的hub與計(jì)算機(jī)8信號連接，手部外骨骼4佩戴在患病手部上。通過手部外骨骼4帶動患病手部的手指運(yùn)動進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，在訓(xùn)練的過程中壓力傳感器3和角度傳感器1將檢測的數(shù)據(jù)反饋的計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)收集的壓力和角度數(shù)據(jù)對關(guān)節(jié)恢復(fù)狀況做出相應(yīng)的評估。在該檢測系統(tǒng)中，外骨骼的控制系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)置了外骨骼驅(qū)動手指pip關(guān)節(jié)屈曲/伸展的范圍，同時(shí)設(shè)置了限位裝置，以確?；际株P(guān)節(jié)活動度不會超出表1中的運(yùn)動范圍。表1正常成人手指活動范圍手指關(guān)節(jié)運(yùn)動方式活動范圍(度)近端指間關(guān)節(jié)pip屈曲/伸展0～110遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)dip屈曲/伸展0～70所述壓力采集部件5和角度檢測部件6的作用就是將壓力傳感器3和角度傳感器1的模擬信號轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)8可接收的數(shù)字信號。壓力采集部件5和角度檢測部件6可以同時(shí)采集數(shù)據(jù)也可以分開采集數(shù)據(jù)。在本實(shí)施例中，壓力傳感器3分別固定在拇指、食指和中指的中節(jié)指骨上用以檢測每個(gè)手指的中節(jié)指骨所受到的實(shí)時(shí)壓力，角度傳感器1分別固定在拇指、食指和中指的pip關(guān)節(jié)(pip，proximalinterphalangealpoint，近端指間關(guān)節(jié))處用以檢測pip關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)的屈曲/伸展角度。進(jìn)而通過實(shí)時(shí)采集到的壓力值和角度值就可以得到在設(shè)定的角度變化的范圍內(nèi)，pip關(guān)節(jié)在不同角度時(shí)中節(jié)指骨所受到的壓力并在計(jì)算機(jī)內(nèi)顯示壓力-角度曲線，計(jì)算機(jī)8通過不同角度所對應(yīng)的壓力與正常人的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較做出評估。計(jì)算機(jī)8的操作系統(tǒng)為windows7以上版本，并且在計(jì)算機(jī)中安裝有基于labview2014的檢測軟件。角度傳感器1的主要參數(shù)如下：1)彎曲傳感器厚度＜0.43mm；2)工作溫度-35℃-80℃之間；3)測量精度：校正前＞±8％fs，校正后＜6％fs；4)支持多達(dá)八個(gè)通道的模擬數(shù)據(jù)輸入或四個(gè)通道的差壓信號輸入；5)采樣頻率＞100hz；6)usb供電，不需外接供電。壓力傳感器3的主要參數(shù)如下：1)測試用的薄膜傳感器厚度＜0.3mm；2)量程110n；3)工作溫度-9℃-60℃之間4)八路獨(dú)立usb采集通道usb、handle；5)usb供電，八通道數(shù)據(jù)通過usb、hub傳到電腦；6)測量精度：校正前＞±8％fs，校正后＜6％fs；7)采樣頻率＞100hz。針對上述檢測系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了相應(yīng)的檢測方法：步驟1：系統(tǒng)標(biāo)定由于壓力采集部件5和角度檢測部件6采集的數(shù)據(jù)并不是壓力值和角度值，而是電壓等相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過標(biāo)定將電壓等相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力值和角度值。對壓力采集部件5進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，將標(biāo)定砝碼置于壓力傳感器3上，壓力采集部件5采集數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)定砝碼的重量與壓力采集部件5采集的數(shù)據(jù)確定壓力采集部件5采集到的數(shù)據(jù)與壓力之間的關(guān)系式。對角度檢測部件6進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，通過量角器將健康人手的pip關(guān)節(jié)分別彎曲為30°、60°和90°，角度檢測部件6采集數(shù)據(jù)，根據(jù)在不同角度時(shí)角度檢測部件6采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出屈曲/伸展角度與檢測部件6所采集的數(shù)據(jù)對應(yīng)的關(guān)系式。步驟2：角度和中節(jié)指骨壓力數(shù)據(jù)采集角度檢測部件6和壓力采集部件5采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，以消除噪聲；步驟3：數(shù)據(jù)處理為了得到更加準(zhǔn)確的中節(jié)指骨所受到的壓力，對測得的每個(gè)手指的中節(jié)指骨的壓力值采用基于二次插值法進(jìn)行處理得到每個(gè)手指的中節(jié)指骨所受到的壓力ffinger(如圖3所示)，然后計(jì)算出每個(gè)手指的各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動力：τfinger＝j(luò)tffinger式中ffinger＝[fxfyfz]t-中節(jié)指骨坐標(biāo)系中中節(jié)指骨所受的三維力向量(n)；τfinger＝(τ0τ1τ2τ3)，其中τ0為手掌基坐標(biāo)系關(guān)節(jié)驅(qū)動力，τ1、τ2、τ3為手指mcp、pip和dip的關(guān)節(jié)驅(qū)動力(n)；j為手指所受驅(qū)動力的雅可比矩陣。為了得到更加準(zhǔn)確的pip關(guān)節(jié)的屈曲/伸展角度，采用線性插值法對測得的手指的pip關(guān)節(jié)的屈曲/伸展角度進(jìn)行處理。近端指間關(guān)節(jié)pip的關(guān)節(jié)屈曲/伸展角度θ2和遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)dip的關(guān)節(jié)屈曲/伸展角度θ3之間存在如下生物力學(xué)上的約束關(guān)系：進(jìn)而通過測量的關(guān)節(jié)屈曲/伸展角度θ2能夠得到屈曲/伸展角度θ3。步驟4：結(jié)果評估將步驟3計(jì)算的實(shí)時(shí)的驅(qū)動力與正常人手指所需的驅(qū)動力在同樣屈曲/伸展角度下進(jìn)行比較，進(jìn)而評估人手主動、被動康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的關(guān)節(jié)角位移的大小是否符合人手生物力學(xué)的安全性。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。當(dāng)前第1頁12