CN101612044A - 穿戴式人体手臂震颤检测装置及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及穿戴式人体手臂震颤检测装置及其信号处理方法，该装置由震颤信号检测系统和震颤信号处理系统组成；所述震颤信号检测系统包括肘关节震颤检测系统、腕关节震颤检测系统和手部震颤检测系统，检测系统采用独立模块结构，其中的DSP处理器单元与各自的传感器模块、无线通信单元和供电单元相联接；所述震颤信号处理系统包括DSP中央处理器和与之相连的无线通信单元和显示器；检测系统中的DSP处理器单元经无线通信单元与所述震颤信号处理系统中的DSP中央处理器联接。震颤信号处理方法，采用“两阶段”自适应滤波算法，获取患者手臂的正常运动信息和震颤运动信息。该装置采用肘－腕－手式穿戴结构，实时检测震颤患者的手臂震颤信息。
Description
技术领域
本发明属于人体生理检测设备，尤其涉及一种具有无线通信、穿戴方便、能够实时检测人体手臂震颤运动的穿戴式人体手臂震颤检测装置及其信号处理方法。
背景技术
震颤是一种不自主的、有节律性的、近似正弦往返摆动的肢体运动。40岁以上的中老年人有5％的人患有震颤疾病，特别是帕金森氏病，为近一二十年发病率呈上升趋势的常见病。震颤常见与人的肢体特别是手臂，影响精细动作、书写和餐饮，严重时可对病人的日常生活、工作、社会交往等带来诸多不便。
手臂震颤度是一种能够客观评价人体手臂震颤程度的定量指标，这个指标是根据人体手臂能传递人体重要医学信息的特性而发明的，可用作健康检查、体能测试、康复评定，以及心理测试的一项新的重要指标。手臂震颤度需要有专用的仪器进行客观的测定，为了便于普及应用，检测设备和测试过程应尽可能简便可靠。
目前为止，国内外有关于人体手臂震颤检测设备的研究相对较少，市场上还未出现商用的人体手臂震颤检测装置。上海交通大学、大连理工大学、清华大学在20世纪80年代进行了有关于手臂稳定度的相关研究，分别设计出简易的手臂稳定度检测装置。但这些装置体积庞大、无法满足“便携式”要求；所采用的传感器种类过少，检测功能过于简单，而检测过程过于复杂。Harry C.Powell等人在《IEEETRANSACTIONS ON BIOMEDICAL CIRCUITS AND SYSTEMS》2009年4月第3卷第2期刊登的论文“On-Body Inertial Sensing and Signal Processing for Clinical Assessment ofTremor”公布一种检测震颤运动的装置TEMPO，是目前该领域最先进的实验室研究成果；该装置采用MEMS加速度传感器作为采集装置，利用无线通信模块传输数据，可以测量手臂腕部和腰部的震颤运动信息。
现有技术中的人体手臂震颤检测装置存在如下问题：1.所采用的传感器种类过少，获取的信息不足，无法获取用于衡量手臂震颤度的肘部、腕部和手部的角速度信息以及倾角信息，不能充分反映人体手臂震颤运动特征；2.震颤信号的处理方法过于简化，无法实时获取反映震颤运动的震频、频谱等相关参数；3.检测过程过于复杂，检测功能又过于简化；4.无法满足“便携式”要求，无法普及实用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，公布一种穿戴式人体手臂震颤检测装置及其信号处理方法，实时检测震颤患者的震颤运动信息；确定手臂震颤度，为医生诊断震颤患者的病情提供诊断依据；同时，该装置也可以为震颤运动的抑制提供参考信息。
本发明的技术方案是：穿戴式人体手臂震颤检测装置，该装置由震颤信号检测系统和震颤信号处理系统组成；所述震颤信号检测系统包括肘关节震颤检测系统、腕关节震颤检测系统和手部震颤检测系统，检测系统采用独立模块结构，其中的DSP处理器单元与各自的传感器模块、无线通信单元和供电单元相联接；所述震颤信号处理系统包括DSP中央处理器和与之相连的无线通信单元和显示器；检测系统中的DSP处理器单元经无线通信单元与所述震颤信号处理系统中的DSP中央处理器单元联接。
震颤信号处理方法，采用“两阶段”自适应滤波算法，获取患者手臂的正常运动信息和震颤运动信息；
所述肘关节震颤检测系统的传感器模块包括依次连接的多轴向加速度传感器、多轴向陀螺仪、多轴向倾角仪；
所述腕关节震颤检测系统的传感器模块包括依次连接的多轴向加速度传感器、多轴向陀螺仪、多轴向倾角仪；
所述手部震颤检测系统的传感器模块包括依次连接的三个多轴向加速度传感器，分别用于测量食指、中指以及无名指的加速度信息；
所述震颤信号检测系统设有与PC机通信的USB接口；
所述震颤信号处理系统设有与PC机通信的USB接口；
所述震颤信号处理系统设有用于保存手臂运动数据的存储模块。
所述震颤信号处理系统设有语言报读器，与显示器配合使用，报出患者手臂正常运动和震颤运动的相关参数。
所述“两阶段”自适应滤波算法，分为两个阶段；第一阶段，采用“Kalman滤波算法”，滤除高频的震颤运动信号，剩余信号就是低频的正常运动信号；第二阶段，正常运动信号已经被滤除，剩余信号是震颤运动信号，利用“扩展加权傅立叶变换算法”估算震颤参数，如震颤幅度、时变频率等参数；
根据患者的需求，所述震颤信号检测系统可以为肘关节震颤检测系统、腕关节震颤检测系统、手部震颤检测系统的任意一种或两种的组合，也可以包含全部；
所述穿戴式人体手臂震颤检测装置采用肘-腕-手式穿戴结构，肘关节震颤检测系统，腕关节震颤检测系统、手部震颤检测系统、信号处理系统分别穿套在患者手臂的肘关节、腕关节、手部和前臂。
本发明的优点与积极效果：
其一，安装多种类型传感器，震颤运动检测功能强大。该装置既能检测手臂的俯仰角、翻滚角、偏移等倾角信息，肘关节和腕关节的角速度等信息，也能检测人体手臂运动的加速度信息，功能丰富。
其二，模块化设计，使用灵活。所述震颤信号检测装置可以为肘关节震颤检测系统、腕关节震颤检测系统、手部震颤检测系统的任意一种、两种或全部。
其三，操作简单、实用化程度高。该装置操作简单，不需要操作柄、键盘等复杂的操作装置，便于实用。
其四，结构简单、穿戴方便。该装置采用肘-腕-手式“穿套”结构，穿戴方便。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的震颤信号检测系统；
图3为本发明的“两阶段”自适应滤波算法；
图4为穿戴式人体手臂震颤检测装置的穿戴效果图；
图5为本发明的系统操作流程图；
其中，000为震颤信号处理系统；001为DSP中央处理器，002为无线通信单元，003为存储模块，004为USB接口，005为显示器，006为语音报读器器，007为供电单元；100为震颤信号检测系统；110为肘关节震颤检测系统，111为加速度传感器，112为陀螺仪，113为倾角仪，114为USB接口，115为DSP处理器，116为无线通信单元，117为供电单元；120为腕关节震颤检测系统，121为加速度传感器，122为陀螺仪，123为倾角仪，124为USB接口，125为DSP处理器，126为无线通信单元，127为供电单元；130为手部震颤检测系统，131为加速度传感器，132为加速度传感器，133为加速度传感器，134为USB接口，135为DSP处理器，136为无线通信单元，137为供电单元；200为“两阶段”自适应滤波算法，201为“Kalman滤波算法”，202为“扩展加权傅立叶变换”算法；300为人体手臂；
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，穿戴式人体手臂震颤检测装置包括震颤信号检测系统100和震颤信号处理系统000。
如图1所示，本发明中的震颤信号处理系统000包括DSP中央处理器001和与之相连的无线通信单元002、存储模块003、USB接口004、显示器005、语音报读器006和供电单元007；无线通信单元002接收震颤信号检测系统100获取的手臂运动信息；DSP中央处理器001对这些运动信息进行处理，获取手臂震颤运动的相关参数；同时，显示器005和语言报读器006发出提示，报出患者手臂正常运动和震颤运动的相关参数；USB接口004用于与PC计算机之间的通信，以便于将数据导入PC计算机中；供电单元007用于提供3.3V或5V直流电源，以满足震颤信号处理系统的供电需要。
如图2所示，本发明中的震颤信号检测系统100包括肘关节震颤检测系统110、腕关节震颤检测系统120、手部震颤检测系统130。
本发明中的肘关节震颤检测系统110包括DSP处理器115和与之相连的加速度传感器111、陀螺仪112、倾角仪113、USB接口114、DSP处理器115、无线通信单元116、供电单元117；加速度传感器111、陀螺仪112、倾角仪113分别用于采集肘关节震颤运动的加速度信息、角速度信息以及倾角信息；DSP处理器115对这些运动信息进行滤波、放大以及数字化处理；无线通信单元116用于传输DSP处理器115处理后的数据；USB接口114用于与PC计算机之间的通信，以便于将数据导入PC计算机中；供电单元117用于提供3.3V或5V直流电源，以满足整个肘关节震颤检测系统的供电需要。
本发明中的腕关节震颤检测系统120包括DSP处理器125和与之相连的加速度传感器121、陀螺仪122、倾角仪123、USB接口124、DSP处理器125、无线通信单元126、供电单元127；加速度传感器121、陀螺仪122、倾角仪123分别用于采集腕关节震颤运动的加速度信息、角速度信息以及倾角信息；DSP处理器125对这些运动信息进行滤波、放大以及数字化处理；无线通信单元126用于传输DSP处理器125处理后的数据；USB接口124用于与PC计算机之间的通信，以便于将数据导入PC计算机中；供电单元127用于提供3.3V或5V直流电源，以满足整个腕关节震颤检测系统的供电需要。
本发明中的手部震颤检测系统130包括DSP处理器135和与之相连的加速度传感器131、加速度传感器132、加速度传感器133、USB接口134、DSP处理器135、无线通信单元136、供电单元137；加速度传感器131、加速度传感器132、加速度传感器133分别用于采集患者食指、中指、无名指的加速度信息；DSP处理器135对这些运动信息进行滤波、放大以及数字化处理；无线通信单元136用于传输DSP处理器135处理后的数据；USB接口134用于与PC计算机之间的通信，以便于将数据导入PC计算机中；供电单元137用于提供3.3V或5V直流电源，以满足整个肘关节震颤检测系统的供电需要。
根据患者的需求，所述震颤信号检测系统100可以为肘关节震颤检测系统110、腕关节震颤检测系统120、手部震颤检测系统130的任意一种或两种的组合，也可以包含全部；
如图3所示，本发明中的震颤信号处理方法200包括两个阶段；第一阶段采用“Kalman滤波算法”(201)，滤除高频的震颤运动信号，剩余信号是低频的正常运动信号；第二阶段，低频的正常运动信号已经被滤除，剩余信号是高频的震颤运动信号，利用“扩展加权傅立叶变换算法”(202)估算震颤参数，如幅度、时变频率、频谱等震颤参数。
实施例：
本实施例中，震颤信号检测系统100包括肘关节震颤信号检测系统110、腕关节震颤信号检测系统120和手部震颤信号检测系统130。
本实施例中，加速度传感器111、加速度传感器121、加速度传感器131、加速度传感器132和加速度传感器133采用Freescale公司的三轴加速度传感器MMA7260；陀螺仪112、陀螺仪122采用日本Murata公司的三轴陀螺仪GYROSTARENC-03M，这种芯片采用表面封装形式，具有体积小，功耗小，性能优良，便于集成等特点；倾角仪113、倾角仪123采用美国克尔斯博科技公司的CXTA三轴倾角计；DSP中央处理器001、DSP处理器115、DSP处理器125和DSP处理器135采用TI公司的TMS320VC5402，利用该型号DSP集成度高，处理速度快，性能稳定，可扩展性强等特点；与DSP处理器相连的无线通信单元002、116、126、136均采用以Bluecore02为内核的BCM-05芯片，这种芯片体积小，功耗低，满足蓝牙1.1规范，用于震颤信号检测系统001与震颤信号处理系统000之间的数据传输。
工作流程：如图4所示，将本发明提出的肘关节震颤检测系统110、腕关节震颤检测系统120和手部震颤检测系统130通过柔性链接机构安装在人体手臂的肘关节、腕关节和手部，震颤信号处理系统000固定在人体前臂。如图5所示，在实际生活中，当患者穿戴本发明中的穿戴式人体手臂震颤检测装置进行写字、抬臂等日常活动时，使用者开机后(步骤400)，启动各单元系统，各单元进行初始化，进入工作状态(步骤401)；各单元系统自检(步骤402)；如果自检发现异常(步骤403)？，则各单元下电(步骤413)，停止工作(步骤414)；如果自检正常(步骤403)？，则震颤信号检测系统100开始工作(步骤404)；肘关节震颤检测系统110、腕关节震颤检测系统120、手部震颤检测系统130分别获取患者手臂的肘关节、腕关节和手指的三维加速度信息、三维角速度信息、三维倾角信息，分别利用各部分DSP处理器进行滤波、放大和数字化处理(步骤405)；这些信息分别通过无线通信单元116、126、136传输到震颤信号处理系统000(步骤406)；无线通信单元002获取手臂运动信息(步骤407)，经过二次滤波处理，传输到DSP中央处理器001(步骤408)；“两阶段”自适应滤波算法是一种特殊算法，能够分离患者手臂的正常运动信息和震颤运动信息(步骤409)；如果停止指令(步骤510)，则各单元下电(步骤413)，工作结束(步骤414)；如果不停止指令，获取震颤运动的震频、振幅、频谱等参数(步骤411)；经过变换处理，最终得到人体手臂震颤度(步骤412)。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。
Claims (11)
1、穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：该装置由震颤信号检测系统和震颤信号处理系统组成；所述震颤信号检测系统包括肘关节震颤检测系统、腕关节震颤检测系统和手部震颤检测系统，检测系统采用独立模块结构，其中的DSP处理器单元与各自的传感器模块、无线通信单元和供电单元相联接；所述震颤信号处理系统包括DSP中央处理器和与之相连的无线通信单元和显示器；检测系统中的DSP处理器单元经无线通信单元与所述震颤信号处理系统中的DSP中央处理器单元联接。
2、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：所述肘关节震颤检测系统的传感器模块包括依次连接的多轴向加速度传感器、多轴向陀螺仪、多轴向倾角仪。
3、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：所述腕关节震颤检测系统的传感器模块包括依次连接的多轴向加速度传感器、多轴向陀螺仪、多轴向倾角仪。
4、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：所述手部震颤检测系统的传感器模块包括依次连接的三个多轴向加速度传感器，分别用于测量食指、中指以及无名指的加速度信息。
5、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：所述震颤信号检测系统设有与PC机通信的USB接口。
6、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：所述震颤信号处理系统设有与PC机通信的USB接口。
7、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：所述震颤信号处理系统设有用于保存手臂运动数据的存储模块。
8、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：所述震颤信号处理系统设有语言报读器，与显示器配合使用，报出患者手臂正常运动和震颤运动的相关参数。
9、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：所述震颤信号检测系统可以为肘关节震颤检测系统、腕关节震颤检测系统、手部震颤检测系统的任意一种或两种的组合，也可以包含全部。
10、根据权利要求1所述的穿戴式人体手臂震颤检测装置，其特征在于：该装置采用肘-腕-手式穿戴结构，肘关节震颤检测系统、腕关节震颤检测系统、手部震颤检测系统、震颤信号处理系统分别穿套在患者手臂的肘关节、腕关节、手部和前臂。
11、根据权利要求1所述装置的信号处理方法，其特征在于：该方法采用“两阶段”自适应滤波算法，获取患者手臂的正常运动信息和震颤运动信息；所述“两阶段”自适应滤波算法，分为两个阶段；第一阶段，采用“Kalman滤波算法”，滤除高频的震颤运动信号，剩余信号是低频的正常运动信号；第二阶段，正常运动信号已经被滤除，剩余信号是震颤运动信号，利用“扩展加权傅立叶变换算法”估算震颤参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20091230 |