基于無線體域網(wǎng)的可穿戴式多節(jié)點三維運動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)療輔助領(lǐng)域的設(shè)備，具體是一種基于無線體域網(wǎng)的可穿戴式多節(jié)點三維運動監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]運動是人體的一項重要生理功能，人體因肢體殘障、或神經(jīng)與肌肉骨骼系統(tǒng)受損、或老年疾病如腦卒中、帕金森病等因素作用都易導致運動障礙或喪失，因此實現(xiàn)對人體運動的實時監(jiān)測與評估是臨床診療與康復訓練的重要手段，相關(guān)系列產(chǎn)品在臨床中也愈益發(fā)揮著重要作用。
[0003]為了實現(xiàn)臨床對人體運動障礙的診斷和評估，人體運動監(jiān)測系統(tǒng)的一個基本要求是能夠精確采集人體多節(jié)段、多關(guān)節(jié)、多自由度的運動軌跡，監(jiān)測和分析人體的運動特征。目前面向臨床應(yīng)用的主要設(shè)備是應(yīng)用三維運動光學捕捉技術(shù)，實現(xiàn)高精度的運動采集和分析，該領(lǐng)域知名的產(chǎn)品有英國Vi con公司開發(fā)的Vi con三維運動捕捉系統(tǒng)、ND I公司開發(fā)的Optotrak步態(tài)/姿勢分析系統(tǒng)。該類設(shè)備由數(shù)個高精度攝像頭組成，攝像頭通過捕捉置于運動對象表面標記點發(fā)出的紅外光或反射光，采集和記錄運動軌跡。由于此類設(shè)備價格昂貴，對測量環(huán)境有光學干擾低、運動表面不受阻擋等苛刻要求，使用時需多名助手參與，且操控復雜，目前我國只有少量大型醫(yī)院擁有。
[0004]近年來，隨著無線通信與微電子技術(shù)的發(fā)展，基于微電子技術(shù)(MEMS)開發(fā)的可穿戴式三維運動無線捕捉系統(tǒng)已開始應(yīng)用于人體運動的監(jiān)測。該類系統(tǒng)通常由運動傳感器節(jié)點和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，其中傳感器節(jié)點集成了嵌入式微處理器、采集運動學信息的微電子慣性傳感器(加速計、回轉(zhuǎn)儀)。運動傳感器節(jié)點采集的運動學數(shù)據(jù)通過藍牙等無線通信方式發(fā)送到移動智能終端或遠程終端。
[0005]然而對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前研發(fā)的可穿戴式運動監(jiān)測系統(tǒng)通常只能實時采集和監(jiān)測一個節(jié)點的運動數(shù)據(jù)，且傳感器節(jié)點與智能移動終端之間可達的運動數(shù)據(jù)頻率未見有報道。由于人體運動涉及全身多運動關(guān)節(jié)和節(jié)段，為了滿足臨床對運動障礙診斷和評估的需求，需要同步采集運動系統(tǒng)多節(jié)段、多關(guān)節(jié)、多自由度的三維空間運動信息。
[0006]中國專利文獻號CN201420292155，公開日2014-10-15，公開了一種“運動監(jiān)測系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由生理信號采集系統(tǒng)、加速度采集模塊、中心處理模塊及決策支持計算機，中心處理模塊將采集的生理和運動數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)化成得到人體運動時生理指標和位移變化，通過藍牙模塊發(fā)送到?jīng)Q策支持計算機。該系統(tǒng)未涉及人體多節(jié)點運動信息的同步采集。
[0007]中國專利文獻號CN201410766297，公開日2015-04-08，公開了一種“新型腳步運動監(jiān)測系統(tǒng)”，監(jiān)測部分嵌入到鞋底后端內(nèi)部預留的空間位置，移動終端裝有APP應(yīng)用軟件，腳步監(jiān)測裝置監(jiān)測腳步的多種運動狀態(tài)并將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行保存，同時將所述監(jiān)測數(shù)據(jù)通過藍牙傳送到所述移動終端的APP應(yīng)用軟件進行更新，所述監(jiān)測數(shù)據(jù)包括運動時間、靜止時間、運動步伐數(shù)、運動速度、運動距離、運動軌跡及所處位置的海拔高度。同樣，該技術(shù)只涉及對足部單一節(jié)點的運動監(jiān)測，無法同時獲得身體其它各部位的運動信息。
[0008]中國專利文獻號0~103105176六，公開(公告)日2013.05.15，公開了一種基于]\?]^傳感器的運動跟蹤系統(tǒng)及方法，運動跟蹤系統(tǒng)包括:上位機、多個藍牙主機、及設(shè)置在每個節(jié)點上的感測裝置，感測裝置包括:MEMS傳感單元，用于每隔預設(shè)時間采集一次被跟蹤物相應(yīng)節(jié)點的運動參數(shù);數(shù)據(jù)處理單元，用于對所采集的運動參數(shù)進行融合處理，以獲得被跟蹤物相應(yīng)節(jié)點的運動信息，并將運動信息通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送至相應(yīng)的藍牙從機;藍牙從機，用于將所接收的運動信息轉(zhuǎn)換為藍牙信號，并利用藍牙協(xié)議將藍牙信號發(fā)送至相應(yīng)的藍牙主機;上位機，用于從多個藍牙主機收集并匯總各個節(jié)點所對應(yīng)的藍牙信號，以生成被跟蹤物的運動信息。但該技術(shù)與本發(fā)明相比，其不足之處和缺陷在于:該技術(shù)采用每隔預設(shè)時間采集一次被跟蹤物相應(yīng)節(jié)點的數(shù)據(jù)，但未表明預設(shè)時間，無法判斷數(shù)據(jù)采集的實時性能。其次，該技術(shù)未見有對采集數(shù)據(jù)在實現(xiàn)藍牙通信時的完整性處理，如未見有對傳輸數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)添加任何標記信息，以檢查數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量或判斷數(shù)據(jù)有無丟失。最后，該技術(shù)側(cè)重于對運動節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和傳輸過程，未見有對運動姿態(tài)信息處理和在移動終端上的三維可視化顯示功能，較難滿足臨床對人體運動障礙診斷和評估的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對智能終端機上實時同步采集體域網(wǎng)中多節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)的問題，提出一種基于無線體域網(wǎng)的可穿戴式多節(jié)點三維運動監(jiān)測系統(tǒng)，可實時同步采集和監(jiān)測人體多節(jié)段、多關(guān)節(jié)、多自由度的運動數(shù)據(jù)，采集的運動數(shù)據(jù)經(jīng)過姿態(tài)解算后，通過藍牙通信方式傳輸?shù)揭苿又悄芙K端，其中多節(jié)點數(shù)據(jù)采集頻率可達900Hz以上，應(yīng)用姿態(tài)解算后的人體運動姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出速率可達150Hz，滿足實時監(jiān)測人體完整運動狀況的需求。其次，針對多節(jié)點運動數(shù)據(jù)特性，通過建立相應(yīng)的多節(jié)點采集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、在內(nèi)存中開辟對應(yīng)大小的動態(tài)數(shù)組，以及充分利用讀寫鎖的特性，保證了實時采集數(shù)據(jù)的準確性和完整性。最后通過建立多個在系統(tǒng)后臺負責不同任務(wù)的線程，實現(xiàn)三維運動監(jiān)測系統(tǒng)多節(jié)點數(shù)據(jù)采集、藍牙通訊、姿態(tài)解算處理和在移動終端上的可視化功能，以滿足臨床對人體運動障礙診斷和評估的需求。
[0010]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0011]本發(fā)明涉及一種基于無線體域網(wǎng)的可穿戴式多節(jié)點三維運動監(jiān)測系統(tǒng)，包括:含有傳感器、節(jié)點微控制器和藍牙收發(fā)模塊的傳感器節(jié)點和設(shè)置于移動終端上的多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊及可視化模塊，其中:移動終端通過藍牙方式與多個傳感器節(jié)點建立一對多的通信網(wǎng)絡(luò)。
[0012]所述的傳感器內(nèi)設(shè)有三軸加速度計和三軸陀螺儀，實時采集人體各節(jié)段或各關(guān)節(jié)在X、Y、Z三個方向的加速度和角速度數(shù)據(jù)，并通過12C的總線協(xié)議傳輸至節(jié)點微控制器，節(jié)點微控制器通過UART接口將壓縮并打上時間戳后的數(shù)據(jù)包傳輸給藍牙收發(fā)模塊。
[0013]所述的多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊采用多線程架構(gòu)方式進行多節(jié)點數(shù)據(jù)處理，對多個傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行解析處理，可視化模塊顯示多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊的處理結(jié)果。
[0014]所述的解析處理包括:
[0015]—、對各個節(jié)點數(shù)據(jù)分時依次處理，得到每個節(jié)點單獨的時空參數(shù)和姿態(tài)信息；
[0016]二、多個節(jié)點數(shù)據(jù)的融合處理，得到這些節(jié)點相互依賴的姿態(tài)信息，如兩個節(jié)段之間的角度(即關(guān)節(jié)角)。
[0017]所述的姿態(tài)信息，通過基于卡爾曼濾波的姿態(tài)算法實現(xiàn)，提高了姿態(tài)解算準確度。
[0018]所述的多節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型包括:起始標記、節(jié)點編號、傳感器數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容、時間戳和結(jié)束標記，其中:起始標記標示數(shù)據(jù)幀的起始，節(jié)點編號為傳感器節(jié)點的唯一不可重復編號，傳感器數(shù)據(jù)類型由傳感器類型及傳感器采用的控制模式組成，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含了經(jīng)過節(jié)點微控制器處理的傳感器所得數(shù)據(jù)，時間戳包含了發(fā)送該數(shù)據(jù)幀時單片機所經(jīng)過的時間，結(jié)束標記表示了數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。
[0019]所述的節(jié)點微控制器用于保存來自于節(jié)點的原始數(shù)據(jù)并對其進行處理，即對采集到的加速度和角速度數(shù)據(jù)進行壓縮處理，為其添加起始標記、節(jié)點編號、傳感器數(shù)據(jù)類型、時間戳和結(jié)束標記后生成數(shù)據(jù)包，傳輸至藍牙收發(fā)模塊。
[0020]所述的藍牙收發(fā)模塊包括:數(shù)據(jù)發(fā)送單元及數(shù)據(jù)接收單元，其中:數(shù)據(jù)發(fā)送單元通過建立好的藍牙連接，將來自節(jié)點微控制器的數(shù)據(jù)幀發(fā)送至指定的移動終端，數(shù)據(jù)接收單元接收來自移動終端發(fā)送的控制幀，轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點微控制器并根據(jù)控制幀內(nèi)容進行工作狀態(tài)調(diào)整。
[0021]所述的工作狀態(tài)調(diào)整是指:調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送單元的波特率和發(fā)射功率、調(diào)整待檢測傳感器的種類及其信息采集速率、節(jié)點微控制器的工作方式和處理模式。
[0022]所述的多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)設(shè)有用于存放移動終端收到來自傳感器節(jié)點的