據(jù)，則總體傳輸速率可達900Hz。應用本系統(tǒng)在移動終端上實現(xiàn)的運動監(jiān)測分析和三維可視化模塊，可準確識別人體的步態(tài)周期，其識別準確率可達91 %。在實驗室環(huán)境下，由本系統(tǒng)識別的跌倒次數(shù)，實際檢測率超過98%。
[0061]上述具體實施可由本領域技術人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對其進行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護范圍以權利要求書為準且不由上述具體實施所限，在其范圍內(nèi)的各個實現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。
【主權項】
1.一種基于無線體域網(wǎng)的可穿戴式多節(jié)點三維運動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，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； 所述的傳感器內(nèi)設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I2C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； 所述的多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊采用多線程架構方式進行多節(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)處理模塊的處理結果。2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的解析處理包括: 一、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； 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； 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)，從而提高了姿態(tài)解算準確度； 所述的多節(jié)點數(shù)據(jù)結構類型包括: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，結束標記表示了數(shù)據(jù)幀的結束。3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，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，生成數(shù)據(jù)包并傳輸至藍牙收發(fā)模塊。4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，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。5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征是，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。6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)設有用于存放移動終端收到來自傳感器節(jié)點的原始數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)幀的原始數(shù)據(jù)單元，以及用于存放經(jīng)分析處理后生成的有序的生理或運動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲單元。7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的原始數(shù)據(jù)單元和數(shù)據(jù)存儲單元均設有讀寫鎖，即讀模式鎖定時可以共享，寫模式鎖定時則為獨占。8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的可視化模塊是指:在移動終端上，應用Open GL-ES的圖形程序接口技術，渲染和繪制具有景深場景的界面，以立方塊的空間姿態(tài)代表所監(jiān)測身體節(jié)段的空間姿態(tài)，實現(xiàn)了移動終端上的人體姿態(tài)展示；以點圖形式，實時繪制加速度數(shù)據(jù)的波形;根據(jù)加速度在一個步態(tài)周期內(nèi)的數(shù)值變化特征，通過設定動態(tài)閾值的方法，計算步態(tài)周期和步態(tài)時空參數(shù)，包括步頻、步長、跨步時間等，在移動終端界面上實時顯示;通過設計跌倒識別算法，判別跌倒發(fā)生狀態(tài)和次數(shù)，在移動終端界面上實時顯示。9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的多線程架構方式是指:兩個藍牙通訊線程、兩個數(shù)據(jù)處理線程及一個界面顯示線程，其中:兩個藍牙通訊線程中一個是用于與對應傳感器節(jié)點的藍牙芯片進行連接的藍牙連接線程，另一個是用于接收該傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)并向該節(jié)點發(fā)送工作狀態(tài)調(diào)整指令的藍牙收發(fā)線程;兩個數(shù)據(jù)處理線程中一個是用于讀取并處理來自傳感器節(jié)點的原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲線程，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的幀頭，對數(shù)據(jù)幀進行解析得到帶有時間戳的有序的加速度、角速度等運動數(shù)據(jù)，并存入帶有時間戳的有序數(shù)據(jù)單元，另一個是用于讀取解析的運動數(shù)據(jù)的運動姿態(tài)解算線程，結合姿態(tài)算法得到運動時空參數(shù)和姿態(tài)信息；界面顯示線程用于顯示經(jīng)過分析處理后的運動數(shù)據(jù)、時空參數(shù)和姿態(tài)?目息O10.—種基于上述任一權利要求所述系統(tǒng)的三維運動監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)傳感器節(jié)點將傳感器得到的運動或生理數(shù)據(jù)通過節(jié)點微控制器進行數(shù)據(jù)壓縮處理以及為數(shù)據(jù)加上起始標記、節(jié)點編號、傳感器數(shù)據(jù)類型、時間戳和結束標記;節(jié)點微控制器檢測藍牙收發(fā)模塊接收到的數(shù)據(jù)包，判斷其內(nèi)是否包含正確的控制幀； 2)移動終端搜索判斷是否有上電的傳感器節(jié)點。當發(fā)現(xiàn)上電的傳感器節(jié)點時，則進入數(shù)據(jù)接收及處理模型，每隔一個搜索周期搜索藍牙設備的情況，當有其他傳感器節(jié)點存在時，分別為多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊的原始數(shù)據(jù)單元和數(shù)據(jù)存儲單元各分配一個讀寫鎖； 3)多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊通過藍牙連接線程，以Mac地址為準與傳感器節(jié)點的藍牙收發(fā)模塊相連，待連接后返回藍牙套接字并注銷藍牙連接線程； 4)數(shù)據(jù)存儲線程循環(huán)讀取socket流的內(nèi)容，為原始數(shù)據(jù)單元加上寫鎖，并將其存儲至第一動態(tài)數(shù)組內(nèi)；運動姿態(tài)解算線程循環(huán)檢測原始數(shù)據(jù)單元的狀態(tài)，當原始數(shù)據(jù)單元的寫鎖被釋放時，則為原始數(shù)據(jù)單元加上讀鎖并讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容，將該數(shù)據(jù)內(nèi)容去除幀頭、幀尾和解壓數(shù)據(jù)內(nèi)容處理后，為第二動態(tài)數(shù)組加上寫鎖并按序存入數(shù)據(jù)存儲單元中，然后解開資源的寫鎖;最后多節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊按需開辟相應的線程，讀取存放處理后的有序數(shù)據(jù)單元，為其加上寫鎖； 5)根據(jù)采集獲取的傳感器節(jié)點的加速度變化特征，通過設定加速度的動態(tài)閾值，判斷人體步態(tài)周期，計算步態(tài)時空參數(shù);根據(jù)采集獲取的腰背部節(jié)點的加速度數(shù)據(jù)，判斷人體跌倒過程中的三種狀態(tài)，即失重、超重和靜止狀態(tài)。11.根據(jù)權利要求10所述的三維運動監(jiān)測方法，其特征是，步驟4中當動態(tài)數(shù)組超出閾值時，以隊列方式刪去最早存放于動態(tài)數(shù)組中的數(shù)據(jù)，以確保不會造成過大的內(nèi)存消耗。12.根據(jù)權利要求111所述的三維運動監(jiān)測方法，其特征是，刪去的數(shù)據(jù)大小與超出閾值部分相同。13.根據(jù)權利要求10所述的三維運動監(jiān)測方法，其特征是，步驟4中數(shù)據(jù)存儲線程每運行完成一次存儲操作后，解開原始數(shù)據(jù)單元的寫鎖并進入睡眠狀態(tài)。14.根據(jù)權利要求13所述的三維運動監(jiān)測方法，其特征是，所述的睡眠狀態(tài)的時間與是否出現(xiàn)數(shù)組越界及越界數(shù)量負相關，與實時性的要求正相關。15.根據(jù)權利要求10所述的三維運動監(jiān)測方法，其特征是，所述的動態(tài)閾值設定為50次采樣點數(shù)中的加速度均值，動態(tài)閾值每采樣50次會更新一次。
【專利摘要】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，通過建立相應的多節(jié)點采集數(shù)據(jù)結構、在內(nèi)存中開辟對應大小的動態(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。
【IPC分類】A61B5/11
【公開號】CN105686833
【申請?zhí)枴緾N201610021740
【發(fā)明人】顧冬云, 施黃駿, 王凱
【申請人】上海交通大學
【公開日】2016年6月22日
【申請日】2016年1月13日