CN105496418A

CN105496418A - 一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统

Info

Publication number: CN105496418A
Application number: CN201610019645.9A
Authority: CN
Inventors: 宫亚南; 张旭; 李嫣然; 陈香
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2016-04-20

Abstract

本发明公开了一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统，其包括：臂带与上位机；其中：所述臂带，用于捕获上肢动作执行中的运动信号和肌肉活动电信号，并通过无线传输的方式传输给上位机；所述上位机，用于控制臂带进行数据采集以及对所述臂带传输的数据进行存储，并通过人工智能算法，从所述臂带传输的数据中提取出运动特征，结合相应的评估方法，对测试者的上肢运动功能进行评估。本发明公开的系统具有体积小，方便携带，简单易操作的优点。

Description

一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统

技术领域

本发明涉及运动功能评估技术领域，尤其涉及一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统。

背景技术

在传统的上肢运动功能评估方法中，国内外主要采用的量表的方法(如Fugl-Meyer量表)，由评估者按照表中条目对待测试者的运动功能进行逐一评估。然而，这种基于量表的临床评估方式存在费时费力、主观性强、对评估者的经验具有高度依赖性等问题。

考虑到上肢的灵巧性、参与日常生活的重要性，对某些上肢运动功能缺失者进行上肢运动功能评估显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统，具有体积小，方便携带，简单易操作的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

1、一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统，其特征在于，包括：臂带与上位机；其中：

所述臂带，用于捕获上肢动作执行中的运动信号和肌肉活动电信号，并通过无线传输的方式传输给上位机；

所述上位机，用于控制臂带进行数据采集以及对所述臂带传输的数据进行存储，并通过人工智能算法，从所述臂带传输的数据中提取出运动特征，结合相应的评估方法，对测试者的上肢运动功能进行评估。

进一步的，所述臂带包括：设置在弹性绑带上的微型惯性传感器模块、表面肌电传感器模块、信号调理模块、微处理器、无线传输模块、电池及电源管理模块以及LED显示模块；

所述微型惯性传感器模块包括：加速度计、陀螺仪与磁力计，用于捕获上肢的运动信号；所述上肢的运动信号包括前臂和上臂摆动轨迹、朝向以及肩关节、肘关节伸屈运动；

所述表面肌电传感器模块，用于采集上臂肱二头肌、肱三头肌、前臂、手指手腕伸屈肌群活动的肌肉活动信号，所采集的肌肉活动信号用于分析腕关节和手指的活动状态以及相应肌群收缩的状态；

所采集到的运动信号与肌肉活动信号经过信号调理模块进行放大与滤波处理，再以一定的采样率进行采样，并转化为数字信号后传输给微处理器；

所述微处理器对接收到的数据进行打包处理后，经过无线传输模块向外传输；

所述电池，用于为微型惯性传感器模块、表面肌电传感器模块、信号调理模块、微处理器、无线传输模块以及LED显示模块供电；

所述电源管理模块，用于对电池进行管理，用以满足元件对各级电压的需求

所述LED显示模块，用于监测运动信号与肌肉活动信号的采集过程。

进一步的，所述臂带的数量为两个或两个以上。

进一步的，所述上位机包括：微处理器、无线收发模块、数据分析、处理与评估模块、存储模块、人机交互模块以及音视频模块；其中：

所述微处理器，用于响应人机交互模块的操作请求控制臂带进行数据采集，以及将无线收发模块接收的数据进行预处理后传输给数据分析、处理与评估模块；

所述无线收发模块，用于接收所述臂带传输的数据以及控制臂带数据采集指令的发送；

所述数据分析、处理与评估模块，用于通过人工智能算法，从所述臂带传输的数据中提取出运动特征，结合相应的评估方法，对测试者的上肢运动功能进行评估；

所述人机交互模块，用于实现单次评估和历史记录查询两种功能；所述单次评估功能通过演示定量评估运动症状的范式动作，引导测试者参与测试，并记录测试时间，显示单项评估及整体评估结果；历史记录查询功能用于查询已保存的测试时间及对应的单项和整体评估结果；

所述存储模块，用于存储臂带传输的数据、范式动作集、评估时的参考标准数据以及评估结果；

所述音视频模块，用于实现范式动作的演示。

进一步的，所述范式动作集包括：屈腕、伸腕、肩屈曲90度、肘伸直、肩外展90度、前臂旋前、手指指鼻、翻卡片、模拟拧螺丝、摸后肩、伸臂抓球、手心向下、伸臂柱握状抓圆柱、手心朝向身体一侧及连续快速屈肘三次中的一个或多个。

进一步的，所述评估时的参考标准数据通过如下方式获取：

预先采集运动功能健全的健康测试者数据，从中提取与运动功能相关的特征值，包括：运动信号的规范化波形、肌肉活动信号的积分值、过零率、中值频率、熵值等，作为评估时的参考标准数据。

进一步的，所述对测试者的上肢运动功能进行评估包括：

在单次评估时，由测试者执行范式动作，并从采集到的数据中提取出与运动功能相关的特征值，通过运用动态时间规整或计算相关系数法，或隐马尔可夫模型法，或动态贝叶斯模型求测试者特征值与参考标准之间的差异或相似性，将所有动作的相似性综合作为评估指标，评估测试者的上肢功能。

进一步的，历史记录查询功能通过借助图表，对选择的单项评估和整体评估的评估结果及评估时间进行显示，实现对测试者的长期监测。

进一步的，所述上位机为笔记本电脑、智能手机或平板电脑。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过臂带与上位机的协同工作可以方便的对待测试者的上肢运动功能进行评估，同时，还可以查看历史评估结果从而便于了解待测试者的上肢运动功能情况；另外，该系统设备体积小，方便携带。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的臂带内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的上位机的内部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的处理、分析与评估示过程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统，如图1所示，其主要包括：臂带100与上位机200；其中：

所述臂带100，用于捕获上肢动作执行中的运动信号和肌肉活动电信号，并通过无线传输的方式传输给上位机200；

所述上位机200，用于控制臂带100进行数据采集以及对所述臂带100传输的数据进行存储，并通过人工智能算法，从所述臂带传输的数据中提取出运动特征，结合相应的评估方法，对测试者的上肢运动功能进行评估。

如图2所示，所述臂带主要包括：设置在弹性绑带上的微型惯性传感器模块、表面肌电传感器模块、信号调理模块、微处理器、无线传输模块、电池及电源管理模块以及LED显示模块；

所述微型惯性传感器模块包括：加速度计、陀螺仪与磁力计，主要放置在手腕处、肱二头肌的肌腹处，用于捕获上肢的运动信号；所述上肢的运动信号包括前臂和上臂摆动轨迹、朝向以及肩关节、肘关节伸屈运动；

所述表面肌电传感器模块，用于采集上臂肱二头肌、肱三头肌、前臂、手指手腕伸屈肌群活动的肌肉活动信号，所采集的肌肉活动信号用于分析腕关节和手指的活动状态以及相应肌群收缩的状态；本发明实施例中，所述表面肌电传感器模块可采用差分电极，所述差分式电极可有效的减少共模干扰，同时采用零电位作为参考点位，可减少噪声以及工频干扰。

所述微处理器对接收到的数据进行打包处理后，经过无线传输模块(可以为wifi模块或者蓝牙模块)向外传输；

所述电池，用于为微型惯性传感器模块、表面肌电传感器模块、信号调理模块、微处理器、无线传输模块以及LED显示模块供电；所述电池可以为锂电池，锂电池供电具有重量轻、容量高、体积小、安全可靠、使用寿命长等特点。

所述电源管理模块，用于对电池进行管理，用以满足元件对各级电压的需求；

所述LED显示模块，用于监测运动信号与肌肉活动信号的采集过程。其中LED通过GPIO与微处理器连接，而以下所述LED常亮可指LED无闪烁频率或者LED灯以人眼不可察觉的频率闪烁所致。当系统上电后，系统上电指示灯亮，说明系统已上电，也可根据LED灯亮度强弱，判断系统电压是否正常；当信号采集开始后，若微型惯性传感器正常采集以及传输运动状态信号，则运动传感器信号采集指示灯常亮，反之，运动状态信号采集出现异常；若表面肌电传感器正常采集以及传输肌肉的表面肌电信号，则肌电信号采集指示灯常亮，反之，表面肌电信号采集过程出现异常；当微处理器将采集数据通过无线发送到上位机的接收模块时，若数据发送正常，则无线通讯指示灯常亮，若出现无线信号传输缓慢或传输期间出现较大丢包等，无线通讯指示灯亮灭异常。

本发明实施例中，所述臂带的数量为两个或两个以上，可根据需要调节臂带的具体位置以及数目。

如图3所示，所述上位机包括：微处理器、无线收发模块、数据分析、处理与评估模块、存储模块、人机交互模块以及音视频模块；其中：

所述无线收发模块(可以为Wi-Fi模块或者蓝牙模块)，用于接收所述臂带传输的数据以及控制臂带数据采集指令的发送；

所述音视频模块，用于实现范式动作的演示。

所述微处理器，用于响应人机交互模块的操作请求控制臂带进行数据采集，以及将无线收发模块接收的数据进行预处理后传输给数据分析、处理与评估模块。

本发明实施例中，所述上位机为笔记本电脑、智能手机或者平板电脑。

本发明实施例中，音视频模块需要与范式动作集配套存在。具体的，音视频模块通过增强现实技术、视频播放、3D动画等形式播放范式动作，并配以文字、图片或语音等多媒体形式讲解每个动作的执行要求，引导待测试者完成数据采集过程。在测试过程中，待测试者可根据需要开始或停止测试，测试动作没有顺序，可依次完成测试动作，也可选择某个测试动作，若测试过程中完成动作不规范，可选择相应动作进行重复测试，通过手动选择是否保存当次的实时数据以及评估结果。

本发明实施例中，每次测试时都会记录测试的时间及时间长度。记录测试时间并以此作为时间戳，对单项评估的实时数据、评估结果以及整体评估的评估结果进行存储，用于历史记录的查询。而测试时间长度作为一项评估标准，结合其他评估标准，对测试者上肢运动功能进行综合评估。

本发明实施例中，所述范式动作集包括：屈腕、伸腕、肩屈曲90度、肘伸直、肩外展90度、前臂旋前、手指指鼻、翻卡片、模拟拧螺丝、摸后肩、伸臂抓球、手心向下、伸臂柱握状抓圆柱、手心朝向身体一侧及连续快速屈肘三次中的一个或多个。主要考察包括肩关节、肘关节、腕关节、手指在内的各个关节的活动度和肌肉在运动中的收缩状态，系统通过测试者完成该范式动作集过程中获取的数据评估其上肢的运动功能。这些动作基本覆盖了上肢主要关节的运动并与日常生活所要求的上肢运动功能密切关联。

本发明实施例中，评估过程如图4所示，在初始阶段，需要预先采集运动功能健全的健康测试者数据，从中提取与运动功能相关的特征值，包括：运动信号的规范化波形、肌肉活动信号的积分值、过零率、中值频率、熵值等，作为评估时的参考标准数据。

在测试阶段(即单次评估阶段)，由测试者执行范式动作，并从采集到的数据中提取出与运动功能相关的特征值，通过运用相关系数方法、动态时间规整方法以及神经网络方法求测试者特征值与参考标准之间的差异或相似性，将该相似性作为评估指标，评估测试者的上肢功能。

在本实施例中，范式动作均在坐姿状态下完成，动作开始、结束时，上肢是呈90度屈肘状态，前臂保持中立位放置状态。依照动作执行要求，根据上位机范式动作演示，完成相应的评估动作，每个动作做3次。

在测试阶段，上位机的分析评估过程中：通过微型惯性传感器采集的运动信息推算出臂带所在的肢体部位(前臂、上臂)的运动轨迹，主要与肩关节和肘关节相关；通过对前臂和上臂肌肉的表面肌电信号提取包络值，推算出肘关节、腕关节和手指运动时序，两者结合可以对上肢主要关节的运动状态进行描述。运用动态时间规整或计算相关系数法，或隐马尔可夫模型法，或动态贝叶斯模型等方法，评估患者动作特征与标准参考特征的相关程度，作为评估的一部分。

另外，从两类传感器采集的数据中提取出与运动障碍相关的特征，如某些通道的熵值等，通过聚类或者计算患者数据与标准参考数据之间距离的方法给出评估结果的第二部分，综合上述两部分的评估，并结合动作的完成时间、完成流畅程度等完成对每一个动作的评估，最后综合这11个动作，给出一份全面的评估分析结果。

本发明实施例中，历史记录查询功能通过借助图表，对选择的单项评估和整体评估的评估结果及评估时间进行显示，从而实现对测试者的长期监测。具体来说，可通过借助折线图，对单项评估和整体评估的评估结果及评估时间进行显示，其中，X轴表示评估时间，Y轴表示评估结果；

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种臂带式可穿戴的上肢运动功能评估系统，其特征在于，包括：臂带与上位机；其中：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述臂带包括：设置在弹性绑带上的微型惯性传感器模块、表面肌电传感器模块、信号调理模块、微处理器、无线传输模块、电池及电源管理模块以及LED显示模块；

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述臂带的数量为两个或两个以上。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机包括：微处理器、无线收发模块、数据分析、处理与评估模块、存储模块、人机交互模块以及音视频模块；其中：

所述音视频模块，用于实现范式动作的演示。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述范式动作集包括：屈腕、伸腕、肩屈曲90度、肘伸直、肩外展90度、前臂旋前、手指指鼻、翻卡片、模拟拧螺丝、摸后肩、伸臂抓球、手心向下、伸臂柱握状抓圆柱、手心朝向身体一侧及连续快速屈肘三次中的一个或多个。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述评估时的参考标准数据通过如下方式获取：

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述对测试者的上肢运动功能进行评估包括：

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，历史记录查询功能通过借助图表，对选择的单项评估和整体评估的评估结果及评估时间进行显示，实现对测试者的长期监测。

9.根据权利要求1、4、5、6、7或8所述的系统，其特征在于，所述上位机为笔记本电脑、智能手机或平板电脑。