本發(fā)明涉及一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，屬于靜電場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
膝關(guān)節(jié)疾病其外在表現(xiàn)為患者膝關(guān)節(jié)的可屈曲角度不同，屈曲角度可直接反映相關(guān)疾病的康復(fù)情況，但目前對(duì)膝關(guān)節(jié)患者康復(fù)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)一般依靠醫(yī)生與病人一對(duì)一或者一對(duì)多的指導(dǎo)，該種監(jiān)測(cè)方式不但受到時(shí)間、地點(diǎn)和成本的限制，而且傳統(tǒng)的測(cè)量手段如通用膝關(guān)節(jié)屈曲角度量角器等會(huì)受到主觀因素的影響。而基于紅外雙目視覺(jué)的成像和運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的成本均較高且需要在人體表面設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)或放置追蹤器，之后還需要配合復(fù)雜的圖像處理算法來(lái)完成康復(fù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。且紅外視覺(jué)成像系統(tǒng)容易受到室內(nèi)紅外源的干擾，虛警率較高；運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)在攝像頭死角區(qū)域無(wú)法發(fā)揮作用。因而操作簡(jiǎn)便、成本低廉并且適合各種場(chǎng)合(如病房，家中)的康復(fù)監(jiān)測(cè)裝置具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
靜電探測(cè)技術(shù)利用運(yùn)動(dòng)中物體所帶的靜電實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別?！皌riboelectrificationofhouseflies(muscadomesticl.)walkingonsyntheticdielectricsurfaces”mcgonigledf,jacksoncwanddavidsonjl2002j.electrostat.54167-177中首次提出對(duì)爬行中的昆蟲(chóng)進(jìn)行靜電探測(cè)的方法。受此啟發(fā)，“electrificationofhumanbodybywalking”fickert2006j.electrostat.6410-16通過(guò)安裝在人身體上的靜電計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)中人體電勢(shì)的變化進(jìn)行了研究。由于一切運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)帶上靜電，因此將靜電探測(cè)方法應(yīng)用于識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是可行的。
人無(wú)論處于何種環(huán)境，身體都會(huì)因?yàn)楦鞣N原因帶有一定量的靜電荷。行走時(shí)腳步與地面的摩擦和接觸分離是其中非常重要的一個(gè)原因。當(dāng)人在行走過(guò)程中，身體所帶電荷量會(huì)隨著步伐而改變，從而導(dǎo)致身體周?chē)妶?chǎng)也會(huì)隨著步伐節(jié)律做相應(yīng)的變化。這就為靜電探測(cè)人體步行運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了可能。
步行是人體通過(guò)和地面的相互作用，在一定的空間里，經(jīng)歷一定時(shí)間的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。步行是周期性的動(dòng)作，在一個(gè)步行周期中根據(jù)腿部的運(yùn)動(dòng)特征，下肢的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為支撐期與擺動(dòng)期。支撐期指人體腳部接觸地面的時(shí)期，即從腳跟觸地直至腳尖離地所持續(xù)的時(shí)間；擺動(dòng)期指人體腳部位于地面上的時(shí)期，即從腳尖離地直至腳跟著地所持續(xù)的時(shí)間。正常行走時(shí)對(duì)指定的下肢而言，處于支撐期與擺動(dòng)期的時(shí)間分別占步行周期的60％與40％，而當(dāng)人體膝關(guān)節(jié)受損時(shí)，由于膝關(guān)節(jié)受到了不同程度的束縛，導(dǎo)致人體行走時(shí)步態(tài)周期時(shí)間增長(zhǎng)，且膝關(guān)節(jié)受損腳在步態(tài)周期中的支撐期縮短，擺動(dòng)期延長(zhǎng)，同時(shí)正常腳在步態(tài)周期中的支撐期延長(zhǎng)，擺動(dòng)期縮短，出現(xiàn)了受限腳擺動(dòng)期頻率減慢而支撐期頻率加快，正常腳擺動(dòng)期頻率加快而支撐期頻率減慢的現(xiàn)象。該種現(xiàn)象會(huì)反映在患者步行的靜電感應(yīng)信號(hào)上，為監(jiān)測(cè)其康復(fù)狀態(tài)提供了可能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是利用靜電探測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)膝關(guān)節(jié)受損患者在康復(fù)過(guò)程中其膝關(guān)節(jié)屈曲角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本發(fā)明通過(guò)非接觸式靜電探測(cè)電極獲取患者在病房或家中走路的靜電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理及消噪后得到人體步行運(yùn)動(dòng)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)識(shí)別，從而確定患者此時(shí)的膝關(guān)節(jié)屈曲角度。本發(fā)明公開(kāi)了一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，該裝置可用于膝關(guān)節(jié)疾病康復(fù)醫(yī)療監(jiān)測(cè)，可降低下肢康復(fù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低其設(shè)計(jì)成本。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
本發(fā)明公開(kāi)一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，該裝置由探測(cè)電極，探測(cè)電路、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)分析模塊、電源、顯示屏及網(wǎng)絡(luò)模塊組成，其具體運(yùn)行步驟如下：
步驟一：探測(cè)電極通過(guò)接口連接到主體裝置上，通過(guò)靜電感應(yīng)的方式監(jiān)測(cè)一定范圍內(nèi)由人體腳部運(yùn)動(dòng)引起的靜電場(chǎng)變化信號(hào)；
步驟二：探測(cè)電路通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理及消噪處理，去除信號(hào)中工頻及高頻信號(hào)的干擾；
步驟三：信號(hào)處理電路對(duì)消噪過(guò)的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行主成分分析，得到信號(hào)的主成分矩陣；
步驟四：數(shù)據(jù)分析模塊基于預(yù)設(shè)的膝關(guān)節(jié)多種屈曲角度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫(kù)，利用k最鄰算法對(duì)特征矩陣進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，得到該次測(cè)試信號(hào)對(duì)應(yīng)的屈曲角度。
所述一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：所述探測(cè)電路需對(duì)探測(cè)極板獲得的信號(hào)進(jìn)行電荷放大、電流電壓轉(zhuǎn)換、50hz工頻陷波和10hz低通濾波操作；探測(cè)極板用于獲取靜電感應(yīng)電荷量，電荷量的變化會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過(guò)t型反饋網(wǎng)絡(luò)組成的微電流放大電路后得到可被測(cè)量的電壓值，之后該信號(hào)經(jīng)過(guò)50hz工頻陷波和10hz低通濾波去除工頻噪聲及高頻信號(hào)干擾后，得到表征人體步行運(yùn)動(dòng)的電信號(hào)。
步驟三中的信號(hào)處理電路所涉及的頻譜分析為：對(duì)步驟二采集到的步行靜電信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到該段信號(hào)其頻域信息。所涉及的主成分分析過(guò)程為：
設(shè)得到的步態(tài)靜電信號(hào)數(shù)據(jù)矩陣為x∈rn×m，其pca模型表示為：
x＝t1p1t+t2p2t+…+tkpkt+e
其中，k為保留的主元數(shù)，k≤m，ti(i＝1…k)為主元，pi(i＝1…k)為負(fù)荷向量，e為殘差。
根據(jù)主成分分析的基本原理，可將人體步態(tài)靜電信號(hào)的主成分分析計(jì)算步驟歸納如下：
1.計(jì)算n×p階樣本數(shù)據(jù)矩陣x相關(guān)系數(shù)矩陣。
2.計(jì)算特征值和特征向量。對(duì)樣本相關(guān)系數(shù)矩陣r進(jìn)行特征分解，得到特征值和特征向量。
3.計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率。前m個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率大于某個(gè)閾值(在此選用80％)時(shí)可以認(rèn)為主成分個(gè)數(shù)為m。
4.計(jì)算pca得分矩陣得到新的特征變量。
利用pca可對(duì)步態(tài)靜電信號(hào)進(jìn)行降維處理得到主成分矩陣。
步驟四所涉及的識(shí)別過(guò)程為：在識(shí)別前需利用膝關(guān)節(jié)屈曲角度約束器作為控制屈曲角度的基準(zhǔn)，采集人體多組不同約束角度情況下的步行靜電信號(hào)，利用標(biāo)準(zhǔn)的約束角度信號(hào)建立標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫(kù)。測(cè)試中得到測(cè)試數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行預(yù)處理和主成分分析(pca降維)，得到測(cè)試數(shù)據(jù)的主成分矩陣。③選擇一種距離計(jì)算方式(此處選擇夾角余弦距離)，計(jì)算測(cè)試樣本主成分矩陣到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同約束角度主成分矩陣的相對(duì)距離。④然后選定距離閾值，并將距離小于距離閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)取出。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)即為在閾值范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與測(cè)試樣本最鄰近的點(diǎn)。⑤選出k個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)頻率最多的類(lèi)別作為識(shí)別分類(lèi)，將測(cè)試樣本歸為該類(lèi)別樣本，假設(shè)本次測(cè)試的得出的識(shí)別分類(lèi)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫(kù)中的h類(lèi)，即本次行走過(guò)程中膝關(guān)節(jié)屈曲角度可判斷為h類(lèi)在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)屈曲角度。
由于該裝置所采用的靜電探測(cè)技術(shù)不會(huì)受到遮擋物的影響，且能夠低功耗全天候運(yùn)行，所以通過(guò)非接觸式靜電探測(cè)技術(shù)進(jìn)行膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)具有可續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
有益效果：
1、本發(fā)明的一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，可以通過(guò)非接觸式靜電探測(cè)技術(shù)測(cè)量被測(cè)試人員行走時(shí)的膝關(guān)節(jié)屈曲角度，通過(guò)屈曲角度的識(shí)別可得到患者此時(shí)的康復(fù)狀態(tài)。而非接觸式的方法保證了該裝置不會(huì)對(duì)被探測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生過(guò)多干預(yù)與影響，可測(cè)量人體最自然狀態(tài)下的步行最大屈曲角度。
2、本發(fā)明的一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，由于利用了靜電感應(yīng)信號(hào)傳播過(guò)程中受遮擋物阻礙小的特點(diǎn)，具有測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
3、本發(fā)明的一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，由于采用了被動(dòng)式靜電探測(cè)方法，其不受光線影響，具有全天候的監(jiān)測(cè)能力。
附圖說(shuō)明
圖1是一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置組成圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。
本發(fā)明公開(kāi)一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，該裝置由探測(cè)電極，探測(cè)電路、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)分析模塊、電源、顯示屏及網(wǎng)絡(luò)模塊組成，其具體運(yùn)行步驟如下：
步驟一：探測(cè)電極通過(guò)接口連接到主體裝置上，通過(guò)靜電感應(yīng)的方式監(jiān)測(cè)一定范圍內(nèi)由人體腳部運(yùn)動(dòng)引起的靜電場(chǎng)變化信號(hào)；
步驟二：探測(cè)電路通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理及消噪處理，去除信號(hào)中工頻及高頻信號(hào)的干擾；
步驟三：信號(hào)處理電路對(duì)消噪過(guò)的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行主成分分析，得到信號(hào)的主成分矩陣；
步驟四：數(shù)據(jù)分析模塊基于預(yù)設(shè)的膝關(guān)節(jié)多種屈曲角度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫(kù)，利用k最鄰算法對(duì)特征矩陣進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，得到該次測(cè)試信號(hào)對(duì)應(yīng)的屈曲角度。
所述一種基于腳部靜電的膝關(guān)節(jié)屈曲角度監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：所述探測(cè)電路需對(duì)探測(cè)極板獲得的信號(hào)進(jìn)行電荷放大、電流電壓轉(zhuǎn)換、50hz工頻陷波和10hz低通濾波操作；探測(cè)極板用于獲取靜電感應(yīng)電荷量，電荷量的變化會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過(guò)t型反饋網(wǎng)絡(luò)組成的微電流放大電路后得到可被測(cè)量的電壓值，之后該信號(hào)經(jīng)過(guò)50hz工頻陷波和10hz低通濾波去除工頻噪聲及高頻信號(hào)干擾后，得到表征人體步行運(yùn)動(dòng)的電信號(hào)。
步驟三中的信號(hào)處理電路所涉及的頻譜分析為：對(duì)步驟二采集到的步行靜電信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到該段信號(hào)其頻域信息。所涉及的主成分分析過(guò)程為：
設(shè)得到的步態(tài)靜電信號(hào)數(shù)據(jù)矩陣為x∈rn×m，其pca模型表示為：
x＝t1p1t+t2p2t+…+tkpkt+e
其中，k為保留的主元數(shù)，k≤m，ti(i＝1…k)為主元，pi(i＝1…k)為負(fù)荷向量，e為殘差。
根據(jù)主成分分析的基本原理，可將人體步態(tài)靜電信號(hào)的主成分分析計(jì)算步驟歸納如下：
1.計(jì)算n×p階樣本數(shù)據(jù)矩陣x相關(guān)系數(shù)矩陣。
2.計(jì)算特征值和特征向量。對(duì)樣本相關(guān)系數(shù)矩陣r進(jìn)行特征分解，得到特征值和特征向量。
3.計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率。前m個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率大于某個(gè)閾值(在此選用80％)時(shí)可以認(rèn)為主成分個(gè)數(shù)為m。
4.計(jì)算pca得分矩陣得到新的特征變量。
利用pca可對(duì)步態(tài)靜電信號(hào)進(jìn)行降維處理得到主成分矩陣。
步驟四所涉及的識(shí)別過(guò)程為：在識(shí)別前需利用膝關(guān)節(jié)屈曲角度約束器作為控制屈曲角度的基準(zhǔn)，采集人體多組不同約束角度情況下的步行靜電信號(hào)，利用標(biāo)準(zhǔn)的約束角度信號(hào)建立標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫(kù)。測(cè)試中得到測(cè)試數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行預(yù)處理和主成分分析(pca降維)，得到測(cè)試數(shù)據(jù)的主成分矩陣。③選擇一種距離計(jì)算方式(此處選擇夾角余弦距離)，計(jì)算測(cè)試樣本主成分矩陣到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同約束角度主成分矩陣的相對(duì)距離。④然后選定距離閾值，并將距離小于距離閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)取出。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)即為在閾值范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與測(cè)試樣本最鄰近的點(diǎn)。⑤選出k個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)頻率最多的類(lèi)別作為識(shí)別分類(lèi)，將測(cè)試樣本歸為該類(lèi)別樣本，假設(shè)本次測(cè)試的得出的識(shí)別分類(lèi)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫(kù)中的h類(lèi)，即本次行走過(guò)程中膝關(guān)節(jié)屈曲角度可判斷為h類(lèi)在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)屈曲角度。
本發(fā)明保護(hù)范圍不僅局限于本實(shí)施例，本實(shí)施例用于解釋本發(fā)明，凡與本發(fā)明在相同原理和構(gòu)思條件下的變更或修改均在本發(fā)明公開(kāi)的保護(hù)范圍之內(nèi)。