專利名稱：一種基于微型傳感器的交互式上肢康復(fù)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種基于微型傳感器的交互式上肢康復(fù)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及腦癱、中風(fēng)、意外等引起的偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域，尤其涉及用于具有交互性和反饋的數(shù)字康復(fù)設(shè)備的方法和裝置。
背景技術(shù)：
[0002]由于中風(fēng)、腦癱、意外等引起的偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練的傳統(tǒng)方法是醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行一對(duì)一的指導(dǎo)，利用傳統(tǒng)康復(fù)器械進(jìn)行訓(xùn)練，并根據(jù)其主觀臨床經(jīng)驗(yàn)對(duì)患肢康復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種訓(xùn)練方式存在諸多問題。首先，一名醫(yī)師在大多數(shù)情況下只能同時(shí)對(duì)一名患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，效率低下，治療效果多取決于醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)和水平；其次，不能精確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)(運(yùn)動(dòng)速度、軌跡、關(guān)節(jié)角度等)，不利于治療方案的確定和改進(jìn)；再次，康復(fù)訓(xùn)練的執(zhí)行情況沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，難以客觀定量，不利于偏癱患者康復(fù)醫(yī)療的深入研究；最后，不能向患者提供實(shí)時(shí)直觀的反饋信息，訓(xùn)練過程缺乏吸引力，患者多被動(dòng)接受治療，參與治療的主動(dòng)性不夠。[0003]為了能夠更好地管理和控制康復(fù)過程，提高患者的主動(dòng)性和參與性，從而提高康復(fù)訓(xùn)練的效率，有不少相應(yīng)的工作。如申請(qǐng)?zhí)枮?00410056143.0的中國(guó)專利“人體康復(fù)過程自動(dòng)識(shí)別方法及裝置”，通過攝像機(jī)采集康復(fù)對(duì)象的坐、站姿勢(shì)或上、下肢等運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)，并經(jīng)采集到的監(jiān)測(cè)參數(shù)等信息通過人體康復(fù)過程自動(dòng)識(shí)別模塊生成康復(fù)指數(shù)，從而為醫(yī)務(wù)人員實(shí)施治療提供輔助信息。申請(qǐng)?zhí)枮?010010136388.X的專利公開了 “一種智能康復(fù)系統(tǒng)及運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)跟蹤的方法”，提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的運(yùn)動(dòng)跟蹤的方法，并將之應(yīng)用于肢體康復(fù)。這兩種基于視覺技術(shù)康復(fù)方法，由于其固有的缺陷-遮擋、和跟蹤肢體運(yùn)動(dòng)精度不夠，達(dá)不到定量的目的。[0004]專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910099275.4的專利“基于虛擬現(xiàn)實(shí)的殘障人士康復(fù)系統(tǒng)”，公開了一種包括功能性電刺激模塊、運(yùn)動(dòng)捕獲模塊和虛擬現(xiàn)實(shí)模塊的殘障人士康復(fù)系統(tǒng)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為患者提供針對(duì)運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)效果的視、聽等多模式的反饋信息，來激發(fā)和維持患者重復(fù)練習(xí)的動(dòng)機(jī)。但發(fā)明中并未對(duì)如何進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕獲和康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行情況的評(píng)估給出理想的解決方案。[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?00910086474.1的專利“人體運(yùn)動(dòng)捕獲三維再現(xiàn)系統(tǒng)及其方法”提出了基于多個(gè)微型傳感器人體運(yùn)動(dòng)捕獲的方法以及三維顯示方法。本實(shí)用新型是將該發(fā)明中的人體運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)，可以說是基于該技術(shù)的應(yīng)用發(fā)明。本實(shí)用新型中，通過基于多個(gè)微型傳感器的人·體運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)，精確、實(shí)時(shí)地跟蹤患者上肢的運(yùn)動(dòng)，并建立功能評(píng)估方法，從而對(duì)患者上肢康復(fù)過程進(jìn)行精確評(píng)估和管理。同時(shí)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)、交互游戲等提高患者康復(fù)訓(xùn)練的主動(dòng)性，提高康復(fù)的效率。發(fā)明內(nèi)容[0006]本實(shí)用新型利用基于微型傳感器的信息融合和運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)，研發(fā)出交互式上肢康復(fù)設(shè)備，使得康復(fù)訓(xùn)練可以在醫(yī)院、康復(fù)中心、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心和家庭中進(jìn)行。該設(shè)備包括運(yùn)動(dòng)傳感器模塊100、數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200和分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300和康復(fù)中心的網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400。其中數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200實(shí)時(shí)采集和記錄患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)上肢的運(yùn)動(dòng)信息，并通過有線或無線的方式發(fā)送到分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300。分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過其動(dòng)作分析和評(píng)估子模塊301對(duì)患者的動(dòng)作和康復(fù)任務(wù)完成情況給出評(píng)估。據(jù)此，康復(fù)方案生成子模塊302自動(dòng)生成或由康復(fù)治療師人工設(shè)定患者應(yīng)當(dāng)完成的動(dòng)作列表以及每個(gè)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)參數(shù)?？祻?fù)訓(xùn)練、評(píng)估和反饋?zhàn)幽K303通過虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫、視頻、聲音等方式展示每個(gè)動(dòng)作或任務(wù)的要求，患者根據(jù)設(shè)備的要求完成相應(yīng)的訓(xùn)練動(dòng)作或任務(wù)。這也可以以交互游戲的方式，將相應(yīng)的訓(xùn)練動(dòng)作或任務(wù)嵌入交互式游戲之中，以提高患者訓(xùn)練的積極性。同時(shí)，分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300也包含了患者信息管理子模塊304，提供了數(shù)據(jù)管理功能，可保存患者的整個(gè)訓(xùn)練過程的數(shù)據(jù)，從而可以跟蹤康復(fù)全過程，為醫(yī)生和患者實(shí)施和改進(jìn)康復(fù)訓(xùn)練方案提供準(zhǔn)確的信息?？祻?fù)動(dòng)作庫子模塊305存儲(chǔ)有康復(fù)評(píng)估和訓(xùn)練的基本動(dòng)作，以及相應(yīng)的三維顯示和游戲場(chǎng)景。分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300也通過網(wǎng)絡(luò)，與康復(fù)中心服務(wù)器相聯(lián)，使用服務(wù)器上的網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400，康復(fù)師可以通過通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離查看患者康復(fù)訓(xùn)練情況，指導(dǎo)患者自行進(jìn)行訓(xùn)練。[0007]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，一個(gè)示范性實(shí)施例為用于指導(dǎo)和評(píng)估用戶上肢康復(fù)過程的交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備?；颊叩幕贾┐鬟\(yùn)動(dòng)傳感器模塊100，并完成要求的任務(wù)和動(dòng)作。設(shè)備可根據(jù)患者任務(wù)和動(dòng)作完成情況，評(píng)估患者當(dāng)前運(yùn)動(dòng)功能，自動(dòng)生成康復(fù)計(jì)劃或由康復(fù)師設(shè)訓(xùn)練任務(wù)序列或動(dòng)作序列。康復(fù)訓(xùn)練中，動(dòng)作或任務(wù)通過虛擬場(chǎng)景、動(dòng)畫、視頻及聲音等方式呈現(xiàn)，或以交互游戲場(chǎng)景的方式呈現(xiàn)，設(shè)備捕獲和分析患者完成動(dòng)作或任務(wù)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，對(duì)患者的完成情況進(jìn)行評(píng)估并給出反饋。同時(shí)，記錄訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)，完成康復(fù)過程的監(jiān)控和管理，從而為醫(yī)生改進(jìn)訓(xùn)練方案、指導(dǎo)患者進(jìn)行訓(xùn)練提供定量、智能、可視化平臺(tái)。[0008]根據(jù)本實(shí)用新型該方面的一個(gè)實(shí)施例，交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊100包含一個(gè)或多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包含如加速度傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)等微型傳感器·，用來采集相應(yīng)上肢肢體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。實(shí)用新型中提到的上肢肢體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包含且不限于上肢及肩關(guān)節(jié)在上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)各自由度的加速度、角速度、速度、位移、方位、位置以及運(yùn)動(dòng)軌跡等。[0009]根據(jù)本實(shí)用新型該方面的一個(gè)實(shí)施例，交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備包含一個(gè)或多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處包含如加速度傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)等微型傳感器，用來采集相應(yīng)上肢肢體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)外，還包含表面肌電傳感器，采集特定肌肉的表面肌電信號(hào)，分析相應(yīng)肌肉的激勵(lì)情況，相關(guān)肌肉的激勵(lì)時(shí)序，以及運(yùn)動(dòng)狀況和肌肉激勵(lì)和時(shí)序的相關(guān)性和關(guān)系。[0010]交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200，與微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊100連接，采集并通過藍(lán)牙發(fā)送傳感器模塊采集的上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)到分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300，以及對(duì)微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊100進(jìn)行控制。[0011]交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備的分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300，還包含患者信息管理子模塊304，它錄入患者信息以及患者的損傷等級(jí)，記錄每次康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)和評(píng)估結(jié)果，以及其它相應(yīng)信息。分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300同時(shí)還包含一個(gè)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作、任務(wù)庫子模塊305。庫中有一個(gè)動(dòng)作、任務(wù)集合，以及相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估程序、可視化三維圖形、以及訓(xùn)練游戲場(chǎng)景。動(dòng)作分析和評(píng)估子模塊301對(duì)患者所完成的一系列動(dòng)作進(jìn)行評(píng)估后，使用患者上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估結(jié)果，借助于康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作、任務(wù)庫，康復(fù)方案生成模塊302自動(dòng)生成或由醫(yī)生設(shè)定康復(fù)方案，該方案包含一系列將由患者執(zhí)行的訓(xùn)練動(dòng)作或任務(wù)。根據(jù)康復(fù)方案，患者在康復(fù)訓(xùn)練、評(píng)估和反饋?zhàn)幽K303引導(dǎo)下，根據(jù)要求完成訓(xùn)練動(dòng)作或任務(wù)?？祻?fù)訓(xùn)練、評(píng)估和反饋?zhàn)幽K303接收和分析運(yùn)動(dòng)傳感器的信號(hào)，一方面在屏幕上得虛擬場(chǎng)景中三維重現(xiàn)患者的上肢運(yùn)動(dòng)，使得患者身臨其境地完成訓(xùn)練動(dòng)作或任務(wù)。另一方面對(duì)患者的動(dòng)作或任務(wù)完成情況給出評(píng)定，實(shí)時(shí)的反饋給患者和醫(yī)生。同時(shí)記錄下訓(xùn)練數(shù)據(jù)以方便進(jìn)行康復(fù)過程管理。[0012]交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備在患者端的康復(fù)系統(tǒng)中分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300通過網(wǎng)絡(luò)與康復(fù)中心的網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400相聯(lián)。網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400中的康復(fù)動(dòng)作庫405與所有患者端的康復(fù)系統(tǒng)中的康復(fù)動(dòng)作庫305 —樣。一旦網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400中的康復(fù)動(dòng)作庫405有所更新，將馬上同步更新所有患者康復(fù)動(dòng)作庫305。網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400中的患者信息庫404保存有所有患者的信息。任何患者端的康復(fù)系統(tǒng)中分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300中的患者信息管理子模塊304中的信息更新，將通過客戶端和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫同步的機(jī)制進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。通過康復(fù)中心服務(wù)器中的網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400中的康復(fù)指導(dǎo)子模塊401，康復(fù)師可以及時(shí)了解任何患者的康復(fù)情況，甚至可以在康復(fù)中心服務(wù)器上再現(xiàn)患者康復(fù)訓(xùn)練屏幕。根據(jù)這些資料，康復(fù)師可以在網(wǎng)上通過語音、文字、視頻等對(duì)患者進(jìn)行指導(dǎo)。同樣，在眾多患者的完整的康復(fù)資料的基礎(chǔ)上，康復(fù)專家們可以從事深入的康復(fù)研究工作。[0013]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施例，傳感器之間、傳感器與數(shù)據(jù)獲取與傳輸模塊間，可通過無線方式連接。例如紅外、藍(lán)牙、Zigbee等。也可通過有線方式進(jìn)行連接，如USB方式等。[0014]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施例，數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200包含一個(gè)主控裝置，各傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)直接通過有線方式或無線方式傳輸?shù)街骺匮b置，主控裝置將數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過無線方式，或有線方式傳輸?shù)椒治?、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300。[0015]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面的另一個(gè)實(shí)施例，微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊100由佩戴在上肢各肢體的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成。微型傳感器節(jié)點(diǎn)采集所對(duì)應(yīng)肢體的加速度、角速度以及磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，在預(yù)處理之后，融合三個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，估計(jì)出該肢體的三維方位角，并將數(shù)據(jù)和估計(jì)出的三維方位角通過有線方式或無線方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200，進(jìn)而傳輸?shù)椒治?、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300。`[0016]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施例，數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200通過無線方式，例如藍(lán)牙(Bluetooth )或者無線局域網(wǎng)(W1-Fi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭M(jìn)而傳輸?shù)椒治?、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300。


[0017]圖1是本實(shí)用新型交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備的邏輯方框圖。[0018]圖中100-微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊，200-數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊，300-分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊，400-網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊。[0019]圖2是交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備中患者端康復(fù)系統(tǒng)的分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300與康復(fù)中心服務(wù)器上的網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400的交互。[0020]圖3是本實(shí)用新型交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例中微型傳感器節(jié)點(diǎn)的位置和穿戴方法示意圖。[0021]圖4(a)和(b)分別示出交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備中采集患者上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的傳感器模塊100和數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200的主要系統(tǒng)組成框圖。[0022]圖5示出了多傳感器信息融合實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)跟蹤的方框圖。[0023]圖6示出使用交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的流程圖。
具體實(shí)施方式
[0024]通過參照
以下結(jié)合附圖所進(jìn)行的實(shí)施例詳細(xì)描述將會(huì)獲得本實(shí)用新型的方法和裝置的更全面的理解。值得注意的是，在此所采用的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”意指關(guān)于該實(shí)施例所描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特征包含在本實(shí)用新型的至少一個(gè)實(shí)施例中。說明書中不同地方出現(xiàn)的術(shù)語“在一個(gè)實(shí)施例中”不必全部指同一實(shí)施例。下面實(shí)施例的詳細(xì)描述是要解釋而非限制本實(shí)用新型。本實(shí)用新型的范圍由附加的權(quán)利要求書限定。[0025]圖1是一種交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備的邏輯方框圖。它包括微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊100，數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200，分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300，以及網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400。[0026]圖2是交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備中患者端康復(fù)系統(tǒng)的分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300與康復(fù)中心服務(wù)器上的網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊400的交互。[0027]傳感器布局[0028]圖3示出了用于在使用交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備時(shí)傳感器布局圖。該設(shè)備的運(yùn)動(dòng)傳感器裝置包含了 I個(gè)或多個(gè)諸如圖3所示的傳感器節(jié)點(diǎn)、以及數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200，以及嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)以和主控板的特制的訓(xùn)練服。在這里，數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200也稱主控模塊。在圖2中，5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過有線連接，并嵌入于訓(xùn)練服上?；颊叽┖糜?xùn)練服后，5個(gè)傳感器被分別位于脊柱近腰處、患側(cè)肩胛骨處、患側(cè)大臂、患側(cè)小臂以及患側(cè)手背處，分別采集相應(yīng)肢體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，估計(jì)其三維方位角，并可以計(jì)算出肩胛骨關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)以及腕關(guān)節(jié)的多自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過一條或多條線路與主控模塊連接。主控模塊可根據(jù)需要固定在訓(xùn)練服其他位置。[0029]圖3中所示的結(jié)構(gòu)示出了獲取單臂及肩胛骨時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的布局。根據(jù)康復(fù)部位或任務(wù)的不同，可以根據(jù)需要調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和位置。為了實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)的捕獲和康復(fù)訓(xùn)練，傳感器節(jié) 點(diǎn)的布局有如下幾種形式:[0030]I)在脊柱、患側(cè)肩胛骨、患側(cè)上臂、患側(cè)前臂、患側(cè)手背放置傳感器節(jié)點(diǎn)，可推導(dǎo)和計(jì)算出相應(yīng)肢體三維方位角，并計(jì)算出患側(cè)肩部關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的角度和位置變化等數(shù)據(jù)，從而捕獲患側(cè)上肢的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而進(jìn)行患側(cè)上肢和肩部的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和評(píng)估，可訓(xùn)練上肢各種基本動(dòng)作和夠物任務(wù)等。[0031]2)在脊柱、患側(cè)肩胛骨、患側(cè)上臂、患側(cè)前臂、患側(cè)手背以及患側(cè)手指各指節(jié)段放置傳感器節(jié)點(diǎn)，從測(cè)量到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可推導(dǎo)和計(jì)算出相應(yīng)肢體三維方位角，并計(jì)算出患側(cè)肩部關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的角度和位置變化等數(shù)據(jù)，在I)的基礎(chǔ)上，還可訓(xùn)練抓握動(dòng)作和任務(wù)等。[0032]盡管這里給出了傳感器節(jié)點(diǎn)的幾種擺放方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和布局可發(fā)生變化，這些變化均落入本實(shí)用新型范圍內(nèi)。[0033]進(jìn)行上述運(yùn)動(dòng)捕獲的傳感器節(jié)點(diǎn)可包含三軸加速度傳感器，三軸陀螺儀，也可同時(shí)包含三軸磁力計(jì)。[0034]在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，微型傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微機(jī)電(MEMS)的集成模塊，或一個(gè)嵌入式模塊，包含一個(gè)控制器或中央處理器(CPU)，一個(gè)電源管理器，一個(gè)三軸加速度傳感器、一個(gè)三軸陀螺儀以及一個(gè)三軸磁力計(jì)。其中，三軸加速度傳感器能夠同時(shí)感應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度和地球重力加速度，三軸陀螺儀可以感應(yīng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度，三軸磁力計(jì)可感應(yīng)其所在位置地磁場(chǎng)的強(qiáng)度。控制器或中央處理器以一定的采樣率采集這三個(gè)傳感器的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過去噪聲和校正等預(yù)處理后，或直接送往數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200，或進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和三維方位角估計(jì)，估計(jì)出相應(yīng)肢體的三維方位角，再送往數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200。[0035]雖然圖3中的數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200通過衣服固定在近腰部的位置，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200可根據(jù)實(shí)際需要固定在人體的其他部位。同時(shí)，各種替代的傳感器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)均落入本實(shí)用新型范圍內(nèi)。[0036]微型傳感器模塊100和數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[0037]—種基于傳感器的交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備中的微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊100和數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊200，即主控板的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別示于圖4(a)和圖4(b)。[0038]每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)有一個(gè)控制器/處理器、一個(gè)陀螺儀、一個(gè)磁力計(jì)、一個(gè)加速度計(jì)，以及一個(gè)電源管理器組成。三個(gè)傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，通過IIC 口與控制器相聯(lián)，控制器以一定的采樣率(如每秒100次)讀取傳感器數(shù)據(jù)，然后使用SPI協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制板。[0039]每一個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)由于所用傳感器的差異和在電路板中的位置差異，在工作前都需要校準(zhǔn)。首先使傳感器節(jié)點(diǎn)在六個(gè)方向上采集陀螺儀，磁和加速度數(shù)據(jù)，由于這六個(gè)方向上數(shù)據(jù)的不相關(guān)性，使用校正程序就可以獲得加速度和磁分別在X，1，Z方向的scale和bias，和角速度在X，y, z方向的bias。然后將獲得的傳感器的參數(shù)值燒寫到傳感器的flash中。有了這些傳感器的校正參數(shù)，傳感器中的固件程序根據(jù)這些參數(shù)對(duì)實(shí)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而保證傳感器采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。[0040]傳感器節(jié)點(diǎn)在獲得由加速度計(jì)，磁力計(jì)和陀螺儀三個(gè)傳感器采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后，要對(duì)這三種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和估值。在運(yùn)動(dòng)估計(jì)中，考慮這三種傳感器的抗干擾能力和提供的數(shù)據(jù)信息的權(quán)重，采用基于卡爾曼濾波的信息融合算法獲得四元數(shù)和歐拉角來對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)單元進(jìn)行估值。[0041]主控板主要由控制器芯片，電源模塊和無線傳輸模塊組成(如藍(lán)牙、WIFI)。主控板分為多路，每一路可連接N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。主控板會(huì)自動(dòng)檢測(cè)傳感器個(gè)數(shù)并為每一個(gè)傳感器分配一個(gè)獨(dú)立的地址，然后按照一定的頻率使用SPI協(xié)議采集所有傳感器的數(shù)據(jù)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)完成后使用USART協(xié)議將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙或WIFI模塊發(fā)送給上位機(jī)中的分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊300。[0042]數(shù)據(jù)預(yù)處理和校正[0043]在對(duì)由微型傳感 器節(jié)點(diǎn)采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合和運(yùn)動(dòng)捕獲之前，先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括校準(zhǔn)和低通濾波。由于傳感器誤差的存在，從傳感器直接采集的數(shù)據(jù)并不是準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此要對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。傳感器的誤差主要分為偏置誤差，比例因子誤差，耦合誤差，基于此三個(gè)誤差，交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備中建立傳感器的誤差模型如下:Yi = S^T^Ui+bi1:傳感器類型Y1:傳感器輸出S1:靈敏度矩陣T1:正交矩陣U1:真實(shí)測(cè)量值bj:偏置本專利根據(jù)加速計(jì)，陀螺儀，磁力計(jì)的3個(gè)固有特性來校準(zhǔn)傳感器:(pi):靜止時(shí)，加速計(jì)在不同方位的輸出模值不變，等于本地重力加速度；(P2):相同地方磁力計(jì)輸出模值不變，等于本地地磁；(P3):加速計(jì)和磁力計(jì)的輸出隨陀螺儀同步變化，三者依賴于一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此校準(zhǔn)后的加速計(jì)和陀螺儀可以作為新的基準(zhǔn)來校準(zhǔn)陀螺儀。基于以上三個(gè)屬性，構(gòu)建傳感器輸出值和真 實(shí)值之間的目標(biāo)函數(shù)(Cost Function):CF ⑷) = ZL(lke/||2-||M!_|2)2其中K表示采集訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不同方位數(shù)。傳感器的校準(zhǔn)參數(shù)Θ應(yīng)該使目標(biāo)函數(shù)CF( Θ )最小。本實(shí)用新型采用牛頓優(yōu)化算法來求解目標(biāo)函數(shù)的最小化問題。對(duì)傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后，通過低通濾波對(duì)數(shù)據(jù)平滑去噪。到此對(duì)于由傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)束，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合及運(yùn)動(dòng)捕獲。多傳感器數(shù)據(jù)融合和運(yùn)動(dòng)捕獲本實(shí)用新型同時(shí)提出了一套多傳感器數(shù)據(jù)融合和運(yùn)動(dòng)捕獲方法。圖5示出了多傳感器數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)單一肢體運(yùn)動(dòng)參數(shù)估值的流程圖。由于三維加速度傳感器直接測(cè)量的數(shù)據(jù)為加速度，而我們需要的是速度和位移。三維陀螺儀直接測(cè)量的數(shù)據(jù)是角速度，但是設(shè)備中需要的是角度。直接通過積分加速度計(jì)輸出計(jì)算速度、位移以及直接積分陀螺儀輸出得角度不但有未知積分常數(shù)，而且會(huì)產(chǎn)生很大的漂移。另外，由于溫度等因素也會(huì)在估計(jì)過程中引起較大的漂移。同時(shí)，人體上肢的運(yùn)動(dòng)具有較大的非線性和不確定性。因此在本實(shí)用新型中的一個(gè)實(shí)施例交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備中提出了擴(kuò)展貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論，即采用圖5示出的自適應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)估計(jì)方法，融合三個(gè)微型傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地估計(jì)三維角度，推導(dǎo)出速度、位移、運(yùn)動(dòng)軌跡等。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，有模型空間、狀態(tài)空間以及觀測(cè)空間。其中，模型空間指人體上肢的運(yùn)動(dòng)模式，例如，肩關(guān)節(jié)前旋模式、后旋模式等，在相同運(yùn)動(dòng)模式下，上肢的運(yùn)動(dòng)有相近的加速度變化趨勢(shì)、角度變化模式等，但在不同運(yùn)動(dòng)模式下差別較大。狀態(tài)空間中，將上肢各關(guān)節(jié)相對(duì)于關(guān)節(jié)初始位置旋轉(zhuǎn)后的四元數(shù)作為狀態(tài)。四元數(shù)是一種超復(fù)數(shù)，可以表示物體的旋轉(zhuǎn)。觀測(cè)空間中，觀測(cè)數(shù)據(jù)包括三個(gè)軸的加速度數(shù)據(jù)、三個(gè)軸的角速度以及三維的磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了減小傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)肢體三維方位角估值的漂移，本融合通過基于UKF(Unscented Kalman Filter)的多模型數(shù)據(jù)融合算法來融合傳感器的輸出值,得到實(shí)時(shí)的傳感器姿態(tài)信息。UKF是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的一種，狀態(tài)空間中，將上肢各關(guān)節(jié)相對(duì)于關(guān)節(jié)初始位置旋轉(zhuǎn)后的四元數(shù)作為狀態(tài)。觀測(cè)空間中，觀測(cè)數(shù)據(jù)包括三個(gè)軸的加速度數(shù)據(jù)、三個(gè)軸的角速度以及三維的磁場(chǎng)強(qiáng)度。如圖5所示，由陀螺儀的輸出積分得到的方位角估值，與由加速度傳感器中的重力加速度方向和磁力計(jì)中的地磁方向融合，以達(dá)到減少漂移的目的。然而，由于加速度傳感器中存在肢體運(yùn)動(dòng)加速度，它與重力加速度混在一起；磁力計(jì)中的地磁往往會(huì)受到各種干擾。因此，在融合陀螺儀、加速度和磁力計(jì)這三種傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，它們的權(quán)重應(yīng)該根據(jù)它們受干擾的程度，也即可信度，來實(shí)時(shí)調(diào)整。這就是所謂的“自適應(yīng)多傳感器數(shù)據(jù)融合”。得到單個(gè)肢體的方位估計(jì)后，根據(jù)上肢運(yùn)動(dòng)模型把單個(gè)傳感器的跟蹤擴(kuò)展到多個(gè)傳感器，并以此建立人體上肢運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，這是本專利的第二級(jí)數(shù)據(jù)融合。這部分?jǐn)?shù)據(jù)融合主要包括坐標(biāo)系的映射和層次結(jié)構(gòu)模型的建立。在本專利的上肢運(yùn)動(dòng)跟蹤設(shè)備中有3個(gè)坐標(biāo)系，分別是全局坐標(biāo)系(Global Coordinate System),身體坐標(biāo)系(Body CoordinateSystem)和傳感器坐標(biāo)系(Sensor Coordinate System)。其中，全局坐標(biāo)系是參考坐標(biāo)系，固定不變，身體坐標(biāo)系是上肢關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)系，而傳感器坐標(biāo)系是傳感器所在的坐標(biāo)系。一級(jí)數(shù)據(jù)融合得到的四元數(shù)表征的是傳感器坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)，本實(shí)用新型通過固定起始姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)傳感器坐標(biāo)系，身體坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系間的映射。上肢的層次結(jié)構(gòu)模型，即一個(gè)父關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)其相應(yīng)關(guān)聯(lián)子關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。在本專利上肢模型中，腰部節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，它的子節(jié)點(diǎn)為肩關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)的子節(jié)點(diǎn)為肘關(guān)節(jié)，而肘關(guān)節(jié)的子節(jié)點(diǎn)為腕關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)為手臂模型的末端，子關(guān)節(jié)的位置可以根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型求得:Cplo — GpU0+GB (Ju^Bsu5I=GBqu其中，Gplo:子節(jié)點(diǎn)LO的位置；Gpuq:父節(jié)點(diǎn)UO的位置；GBqll:父節(jié)點(diǎn)UO的姿態(tài)四元數(shù)；
Bsu:關(guān)節(jié)LO和UO間的長(zhǎng)度向量。康復(fù)訓(xùn)練評(píng)估交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備對(duì)于訓(xùn)練動(dòng)作、任務(wù)的評(píng)估包含兩個(gè)方面:橫向評(píng)估，指根據(jù)一次訓(xùn)練動(dòng)作或任務(wù)中用戶的完成情況，對(duì)其訓(xùn)練效果和完成情況進(jìn)行數(shù)字化的度量，并與給定的標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行比較，從而對(duì)單個(gè)的動(dòng)作或任務(wù)給出評(píng)估；縱向評(píng)估，指對(duì)比當(dāng)次完成情況與歷史完成情況，從而對(duì)患者當(dāng)前的康復(fù)狀況進(jìn)行評(píng)估，并通過圖表等交互方式給出評(píng)估結(jié)果。具體的評(píng)估辦法介紹如下:在交互式上肢數(shù)字康復(fù)設(shè)備中，橫向評(píng)估主要從兩個(gè)方面進(jìn)行。第一，根據(jù)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度量表(Active Range Of Motion)對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)缺失能力進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)量表，選定一系列動(dòng)作來評(píng)估病人的關(guān)節(jié)活動(dòng)度，每進(jìn)入一個(gè)動(dòng)作列表，三維顯示界面播放該動(dòng)作的要求說明，然后病人依照要求做相應(yīng)的動(dòng)作，動(dòng)作完成后，系統(tǒng)評(píng)估動(dòng)作的有效性，若有效則給出運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的活動(dòng)度，否則提示病人出錯(cuò)信息。動(dòng)作有效性從四方面來衡量:起始位置，軀干代償，動(dòng)作完成保持時(shí)間，患者動(dòng)作速度?；颊咄瓿伤袆?dòng)作后，通過與常人標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)活動(dòng)度的對(duì)比得到患者的運(yùn)動(dòng)缺失能力指標(biāo):
權(quán)利要求1.一種基于微型傳感器的交互式上肢康復(fù)設(shè)備，其特征在于: 該設(shè)備包括微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊(100)、數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊(200)、上位機(jī)、康復(fù)中心服務(wù)器； 所述微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊(100 )包含一個(gè)或多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，嵌入服裝中，穿戴后每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)牢固地附著在上肢的各肢體上，測(cè)量和估值相應(yīng)肢體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)； 所述數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊(200)從各微型傳感器節(jié)點(diǎn)獲取相應(yīng)肢體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以無線或有線方式送往上位機(jī)； 所述康復(fù)中心服務(wù)器與上位機(jī)信息同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微型傳感器的交互式上肢康復(fù)設(shè)備，其特征在于:所述微型運(yùn)動(dòng)傳感器模塊(100)包含一個(gè)以上微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過訓(xùn)練服牢固地固定在脊柱、患側(cè)肩胛骨、患側(cè)上臂、患側(cè)前臂、患側(cè)手背位置，并通過手套放置在患側(cè)手指各指節(jié)段； 所述微型傳感器節(jié)點(diǎn)包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)、能量計(jì)、表面肌電傳感器等中的一個(gè)、幾個(gè)或全部，表面肌電傳感器可以是傳感器陣列，以檢測(cè)相應(yīng)肌肉運(yùn)動(dòng)單元的激勵(lì)狀 態(tài)和時(shí)序。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于微型傳感器的交互式上肢康復(fù)設(shè)備，其包括采集患者上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的微型傳感器模塊(100)、數(shù)據(jù)獲取和傳輸模塊(200)、分析、評(píng)估和訓(xùn)練模塊(300)以及網(wǎng)上康復(fù)指導(dǎo)模塊(400)。該設(shè)備采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)、精確的捕獲患者上肢的運(yùn)動(dòng)，對(duì)其上肢功能以及康復(fù)訓(xùn)練過程進(jìn)行數(shù)字化度量和評(píng)估，使康復(fù)醫(yī)生可以精確的跟蹤和控制康復(fù)過程，及時(shí)、有針對(duì)性的實(shí)施和調(diào)整康復(fù)方案，提高康復(fù)訓(xùn)練效率。同時(shí)，通過多種手段可視化患者康復(fù)訓(xùn)練過程，定量評(píng)估完成情況，及時(shí)反饋信息。并能直觀地了解康復(fù)進(jìn)展，提高患者康復(fù)訓(xùn)練的主動(dòng)性和積極性。通過網(wǎng)絡(luò)，患者可以在社區(qū)和家庭進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，并同時(shí)獲得康復(fù)醫(yī)師的指導(dǎo)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK203149575SQ20112056196
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者吳健康, 黃帥, 董梁, 王韶鋒 申請(qǐng)人:無錫微感科技有限公司