CN103025240A - 用于身体安装的装置的自动取向校准 - Google Patents

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Abstract

为了消除姿势检测装置对令人厌倦的复杂校准过程的需求，提供了用于确定身体安装或植入的装置（1）相对于身体（2）的取向的措施，所述装置（1）具有取向检测单元，其中，采用取向检测单元在一定时间期内的不受控制的输出连同在身体参考系（xb，yb，zb）中定义的一个或多个参考条件来确定装置的相对取向，并由此实现校准。

Description

用于身体安装的装置的自动取向校准
技术领域
本发明涉及用于植入或身体安装的装置相对于身体的取向的自动校准的装置、系统和方法。此外，本发明还涉及采用所述装置进行用户的姿势检测。
背景技术
随着一般的医院病房和家庭当中的患者监护变得越来越普遍，还必须对获得监测参数所处的情况进行自动评估。例如，身体姿势对心率、呼吸率等具有高度影响，因而应当根据患者的姿势对这些参数进行评估。此外，一些药物或医学装置的应用要取决于患者的活动或身体姿势。因而，身体姿势变成了医学监测或者提供诸如心脏起搏、药物输送等装置辅助治疗的重要参数。
为了确定用户的身体姿势，一般而言，采用身体安装或植入的装置中包含的三维加速度计。加速度计不仅对实际加速度敏感，而且对重力场敏感。因此，在没有大的加速度的情况下，加速度计的输出反映其相对于地球重力场的方向的取向，至少对于不仅在高频范围内灵敏的加速度计类型而言是这样。因而，所述加速度计输出的DC分量受到重力的高度地支配。一般根据重力测量加速度。因此，相对于地球表面静息的加速度计将指示向上的1g，因为地球表面上的任何点都是相对于局域惯性坐标系向上加速的。优选采用DC加速度计确定相对于地球表面的取向，具体而言，DC加速度计在低频范围内具有优越的确定加速度计的取向的性能，例如，电容加速度计、小的微机电系统（MEMS）、压电－电阻加速度计等。
因而，附着至人体的加速度计提供了不仅与这些部分的加速度相关的信息，还提供了与其相对于重力的取向相关的信息。可以采用这些取向描述姿势，例如，站立、坐下、躺卧、仰卧、俯卧等。就身体姿势而言，身体的最具区分性的部分是躯干或身躯，即，胸部和腹部的组合。
然而，要想确定身体姿势，必须首先确定结合了三维加速度计的装置相对于身体的取向。如图1所示，针对人体的躯干定义的三维坐标系（b坐标系：xb，yb，zb）与针对附着至人体的加速度计或加速度计量装置定义的三维坐标系（a坐标系：xa，ya，za）一般不对准，它们具有不同的取向。这可能归因于身体的弯曲，例如，胸部的弯曲，也可能归因于放置的不准确。为了以能够实现相应的应用所需的详细程度的充分可靠性来确定加速度计坐标系（a系统：xa，ya，za）相对于人体坐标系（b系统：xb，yb，zb）的取向，已知四类校准：1.目测检查，2.额外测量，3.校准过程，4.根据加速度计输出的校准。
第一校准方法是在加速度计装置附着在身体上的过程中或者是在其后发生的，其中，可以通过目测检查来评估所述装置的相对取向。其需要本领域技术人员在场，并且需要预留时间。此外，对于大部分应用而言，这些方法的准确度和精确度水平可能不够。
作为目测检查的备选，可以采用一些额外的测量装置定量地确定相对装置取向，例如，角度和距离测量或者照相机观测。这一类别尤其要求这样的额外装置的可获得性和熟练应用以及可用时间（在大多数情况下）。另一种可能性是假定充分的对准。然而这要求放置过程中的技能和注意力。并且，由于身体弯曲等原因理想的放置是不可能的。因而，偏差可能导致不断的姿势错误辨识。
对于第三种校准流程而言，可以在使加速度计量装置附着至人体的同时要求接受测量的人接连采取一组不同的明确定义的姿势。借助已知的这组姿势和在这一过程中记录的加速度计量输出，能够以足够的可靠度确定相对的装置取向，从而至少辨别出该过程中的姿势。然而，这一类中的方法的要求包括对象的配合，以及能够采取一定范围内的姿势，还需要有可用的时间。
最后一类可以是针对不需要任何额外资源的方法界定的，即，仅采用一定时间期内的不受控制的加速度计输出来确定相对装置取向。可以采用不同的加速度计量信号特征来识别姿势的具体特征。此外，这些方法可能要结合具有环境和对象特异性的知识，例如，典型的不同姿势的普及。本发明属于这一类。
在美国专利No.6044297中描述了属于这一类的另一种方法。在这种方法中，检测所谓的活动计数（超过特定阈值的加速度计量峰值）。假定这些计数仅发生在直立姿势当中。所述方法还假定直立姿势的检测构成了充分的装置取向校准，因为既不要求需要进一步校准的装置附着，也不需要对非直立姿势的更为详细的辨别。此外，所述加速度计量峰值主要涉及中强身体活动中的周期性加速度，例如，行走、跑步和骑车。因此，这一方法不太适合评估强度较低的身体活动类型，例如，在座位或者床上的活动。
发明内容
本发明的一个目的在于提供适于减少与现有装置相关的对人、时间和/或额外设备资源方面的要求的装置、系统和方法，以及姿势检测应用中的装置取向校准方法，同时提供用于在三维空间内准确、廉价而快速地检测相对于身体的装置取向的措施。本发明的另一目的在于确定对象的身体姿势。
所述目的是通过独立权利要求的特征实现的。更具体而言，本发明基于这样一种见地，即，取向检测单元测得的取向数据中的姿势不仅能够通过其对应的重力方向来识别，还能够通过一些其他特征来识别。因而，取向检测单元在一定时间期内的不受控制的输出连同在身体参考系中定义的一个或多个参考条件应当足以确定取向检测单元的相对取向，因而足以用于校准。
在本发明的一个方面中，提供了一种能够确定相对于身体的装置取向的能植入或者能身体安装的装置。所述装置包括三维（即，三轴）取向检测单元，其能够测量其三个轴中的每者相对于其参考系的取向数据。另外，所述装置包括控制单元，以便利用测得的取向数据以及在身体参考系中定义的至少一个预定参考条件来确定装置相对于身体的取向。因而，在最优选的实施例中，取向检测单元在不需要任何条件或假设的情况下在其参考系内测量取向数据。所述控制单元可以将在所述身体参考系中定义的至少一个参考条件应用于测得的取向数据，并利用所述参考条件在测得的取向数据中识别或计算身体参考系的第一轴和第二轴。因而，所述控制单元能够通过利用所述参考条件和所测得的取向数据确定身体参考系与取向检测单元的参考系之间的变换关系来确定装置相对于身体的取向。
优选地，所述装置还包括用于经由有线或无线通信发送和/或接收信号的通信单元。例如，所述装置可以将原始和/或处理的取向数据和/或所确定的相对装置取向发送给外部装置，例如，计算机、PDA、移动通信终端等。此外，所述装置可以包括用于存储数据、所确定的相对装置取向、参考条件、约束条件、假设条件等的存储器。
所述参考条件应当允许确定所述取向检测单元的参考系与身体参考系之间的唯一关系。这样的参考条件可能涉及与身体姿势有关的特定活动模式、考虑用户的情况或身体条件的特定身体姿势流行度、特定身体姿势的不存在或者可能性微乎其微（头朝下）等。优选根据测量情况或应用来设定参考条件。通过在身体坐标系中定义参考条件，定义了在取向检测单元的参考系和身体坐标系内测得的数据之间的关系。当然，可以交换在身体参考系中定义参考条件和在取向检测单元的参考系内测量取向数据的步骤的顺序。因而，根据本发明，仅采用包含在身体安装或植入的装置内的三维取向检测单元的输出信号和有关测量情况的一般信息来自动校准装置相对于身体的三维取向。所得到的优点是能够在不对人、时间和/或额外设备做出严格要求的情况下应用姿势检测。
为了确定装置相对于身体的取向，可以确定身体参考系和取向检测单元的参考系之间的变换关系。出于此，可以假定两坐标系的原点重合。在这种情况下，从一个坐标系向另一坐标系的变换将涉及旋转。此外，可以存储所确定的变换关系，从而校准用于确定身体姿势的取向数据。
所述取向检测单元可以包括三维加速度计或者能够确定其相对于重力场的位置的任何其他三维装置。这里，“三维”是指具有三个感测轴，从而针对这些轴中的每者确定值。之后，将所述三个值结合起来，以指示三维坐标系中的点。
优选地，所述参考条件包括身体坐标系内的参考姿势或参考姿势范围，其具有至少一个预定特征。例如，参考姿势可以是直立站立、仰卧等。参考姿势范围的范例可以是从仰卧到站立或坐起的所有姿势。参考姿势或参考姿势范围的预定特征可能涉及这一姿势或姿势范围的尤其高或尤其低的普及度和/或涉及特殊的活动模式。例如，可以假定直立姿势比其他姿势伴随更高的活动。并且，相对于用户的情况而言，某些姿势更具可能性并且比其他的姿势具有更高的普遍性。例如，卧床不起的人大部分时间都是躺着的。因而，通过根据一个或多个参考条件定义测量情况将简化测量数据的校准或解释。
在优选实施例中，所述控制单元还适于利用预定特征在根据取向检测单元的参考系测得的取向数据中识别所述参考姿势或参考姿势范围。例如，如果参考条件是指具有高度的活动性的直立姿势，那么可以将具有高度的活动性的一串数据点识别为涉及直立姿势。利用这些措施能够使身体参考系的一个轴与取向检测单元的参考系的相应轴对准。对于一些应用而言，识别身体安装的装置沿某一轴的相对位置就足够了。
优选地，除了参考条件之外，还能够定义至少一个额外的约束条件或假设条件，从而加速并简化取向确定过程。例如，可以假定完全不存在某些姿势（倒立），假设某一参考姿势或参考姿势范围与某一普遍性和/或活动相关等。
此外，所述控制单元可以适于计算测得的取向数据的统计参数，例如，预定时间间隔内的测得的取向数据的平均值。之后，可以将这一时间间隔内的数据的平均值（或者均值或中值）存储或者标绘成取向检测单元的参考系中的点。可以根据所述应用调整这一时间间隔。此外，所述时间间隔可以是重叠的，并且/或者具有不同的大小。优选地，还确定这一时间间隔内的方差和/或协方差和/或标准偏差，从而估算姿势变化的出现和强度，从而估算用户的活动。
在另一优选实施例中，所述控制单元可以适于对测得的取向数据执行聚类分析，因为可以假定典型的姿势是按照数据点的聚类发生的。可以基于分层算法、基于密度的算法、基于相关性的算法或者其他算法执行聚类分析。例如，可以通过参考系中的数据点之间的最大距离定义聚类。
在一个实施例中，针对取向检测单元的每一轴单独处理测得的取向数据，从而得到指示三维参考系中的点的三维值。
优选地，通过设置相继数据点之间的最大空间距离，在数据分析中过滤出快速变化的姿势。因此，将不会对姿势变换构成错误的理解。
优选地，所述控制单元可以适于按照预定时间间隔，并且/或者在通过信号或特殊事件触发时，重复相对于身体的装置取向的确定。由于植入装置可能在长向标度上改变其相对于身体的位置，因而这一做法尤其有利。对于可以卸下，因而在每次再戴上时改变其位置的身体安装的装置而言，这一点更加重要。然而，极为优选的做法是，使所述装置附着到身体上后使得其不太可能在测量过程中改变其位置，因为假定身体参考系和取向检测单元的参考系的取向是随时间变化的。例如，触发新的校准的事件可以是开启所述装置，将所述装置附着到身体上，对输入单元进行操作等。或者或此外，周期性地并且/或者按照固定的时间点执行校准，例如，每天或者每天早上两次校准。通过这些方法，确保了所确定的相对于身体的装置取向的准确度，并使其保持非常可靠。
在所有实施例中，可以连续地或者按照某些时间间隔测量取向数据。在采用所述装置之前对此加以设定。
在尤其优选的实施例中，所述装置适用于确定身体姿势。对此，采用所确定的相对装置取向将在取向检测单元的参考系中测得的测量取向数据变换到身体参考系中，从而获得相对于地球的重力场的身体姿势（即，绝对身体姿势）。可以将所确定的身体姿势用到临床报警或信息系统中，从而向用户提供与姿势相关的反馈（例如，在做身体锻炼活动时），并且/或者控制起搏器和/或装置辅助药物输送等。例如，在确定用户站立或行走时，可以将起搏器调节为具有较高的频率。
优选地，实时并且/或者连续地确定身体姿势。或者，也可以设定为采用某些时间间隔或者按照某些时间点确定身体姿势。此外，还可以离线确定身体姿势，即，在记录取向数据之后确定。然而，对于一些应用而言，身体姿势可能是没有关系的，而重要的只是身体安装的装置相对于身体的相对取向。这样的应用的范例在于监测植入装置的位置或取向。
在本发明的另一方面中，提供了一种确定装置相对于身体的取向的系统，其中，所述装置能植入或者能安装到身体上，并且包括能够针对与取向检测单元对应的参考系中的三个轴中的每者测量取向数据的三维取向检测单元。此外，所述系统包括能够采用测得的取向数据和在身体参考系中定义的预定参考条件确定相对于身体的相对装置取向的控制单元。所述控制单元和装置能够进行有线和/或无线通信，从而沿一个或两个方向传输数据和信号。优选地，根据上述实施例中的任何一个配置所述装置。
在本发明的另一方面中，提供了一种通过确定装置相对于身体的取向而校准姿势检测装置的方法，所述装置安装或者植入到身体内并且包括三维（即，三轴）取向检测单元，其中，在身体参考系中定义至少一个参考条件，在取向检测单元的参考系中针对取向检测单元的三个轴中的每者测量取向数据，利用参考条件和所测得的取向数据确定所述装置相对于身体的取向。或者，提供了一种用于通过确定姿势检测装置相对于身体的取向而对所述装置进行校准的方法，所述装置安装或者植入到身体内，并且包括三维取向检测单元，其中，所述方法包括如下步骤：通过取向检测单元在所述取向检测单元的参考系内获得取向数据；向测得的取向数据应用在身体参考系中定义的至少一个参考条件；利用所述参考条件在测得的取向数据中识别所述身体参考系的第一轴和第二轴；以及利用所述参考条件和所述测得的取向数据确定所述身体参考系与所述取向检测单元的参考系之间的变换关系，由此确定所述装置相对于身体的取向。这里，应当明确，所述两个轴是识别或者计算出的而不仅仅是通过假设定义的。此外，所述数据是在没有任何参考条件的情况下测得的。
在本发明的另一方面中，提供了一种计算机可读介质，其能够在计算机上执行，以便对能植入或者能身体安装的具有三维取向检测单元的装置测得的取向数据进行处理，从而根据本发明的前述实施例的任何一个所述确定所述装置相对于身体的相对取向。
附图说明
通过参考附图对实施例所做的详细说明将得到本发明的其他特征和优点。
图1图示了相对于身体参考系（xb，yb，zb）的身体安装的装置的参考系（xa，ya，za）。
图2示出了yb在xa-ya平面以及ya-za平面内的投影。
图3示出了表示为三维坐标系内的数据点的测量取向数据。
图4示出了识别了与垂直于投影面的方向对准的直立身体姿势的测量取向数据。
图5示出了针对横向姿势的测量取向数据的对准。
图6示出了变换到身体参考系内的测量取向数据，其中，识别了五种不同的姿势。
图7是图示了根据本发明的方法的优选实施例的流程图。
图8是图示了图7的“创建图”子过程的实施例的流程图。
图9是图示了图8的“一般聚类检测”子过程的实施例的流程图。
图10是图示了图8的“高活动性聚类检测”子过程的实施例的流程图。
图11是图示了图8的“在a系统中识别yb”子过程的实施例的流程图。
图12是图示了图8的“在a系统中识别xb”的实施例的流程图。
图13图示了xb位置的估算，其是根据图12的“在a系统中识别xb”子过程的部分。
具体实施方式
在图1中示出了安装或者植入到身体2内的装置1。例如，可以将所述装置集成或者包含在植入物内，例如，起搏器、药物输送控制装置、用于监测呼吸率、心率和/或血压等的患者监测装置等。或者，可以采用束带等将所述装置固定到胸部或腹部周围或者可以将其集成到另一装置内，例如，集成到心脏或呼吸率监测装置内。所述装置包括三维取向检测单元，例如，三维加速度计。这里，“三维”是指沿取向检测单元的三个轴进行感测。将取向检测单元固定包含在装置1中，从而可以将取向检测单元的参考系（a系统：xa，ya，za）看作是装置1的参考系。如图1所示，使装置1的a系统与身体参考系（b系统：xb，yb，zb）对准。在所示的范例中，选择b系统（xb，yb，zb），从而使yb从驱干向上指向头部，xb从躯干的中心指向左臂，zb表示与另外两个轴垂直的第三轴。然而，参考系的选择以及它们的轴的选择是任意的。为了确定装置1相对于身体2的相对取向以及确定身体姿势，必须将在装置1的a系统（xa，ya，za）中测得的取向数据变换到身体2的b系统（xb，yb，zb）内。优选将装置1安装为，使加速度计相对于身体参考系的轴yb的向上/向下的倾斜低于45°。
如前所述，所述取向检测单元可以包括或者可以实现为三维加速度计，例如，压电－电阻加速度计、电容加速度计或其他加速度计，所述加速度计对于低频而言具有充分高的灵敏度。然而，除了加速度计以外，也可以采用能够确定自身相对于地球重力场的三维取向的任何其他机构。在不损害一般性的情况下，将在这里描述根据本发明的取向检测单元的功能，在下文中所述取向检测单元是指作为加速度计的取向检测单元。此外，大体将“姿势”定义为重力相对于身体参考系（xb，yb，zb）的方向。将姿势表示为单位g球上的点，因为在静息状态下加速度计将输出1g。此外，假定至少对于足够长的时间标度而言装置1的a系统（xa，ya，za）相对于b系统（xb，yb，zb）具有不随时间变化的相对取向。可以认为两参考系的原点在加速度计量方面是等同的。换言之，b系统（xb，yb，zb）是指驱干的参考系，装置1植入或者附着至躯干，从而使装置1基本上相对于躯干不动。
所述能植入或者能身体安装的姿势检测装置1优选包括控制单元，所述控制单元适于通过确定相对于身体2的相对装置取向来执行自动校准，如下文所述。此外，装置1可以包括用于与外部装置交换信号或数据的通信单元，例如，计算机、PDA、监测装置或控制单元。例如，所述装置可以发射或者接收加速度计测得的取向数据、经处理的取向数据、所确定的相对装置取向、诸如时间间隔的参数、条件、假设、约束条件等。用户或者临床医师可以利用外部装置输入设置、参数等。因而，能够将装置1集成到采用所确定的装置1相对于身体2的相对取向或者所确定的身体姿势的临床警报或信息系统、患者监测系统或者起搏器或药物输送系统中。此外，所述能植入或者能身体安装的装置1可以包括用于存储所测得的或者经处理的取向数据、参考条件以及参数等的存储器。
对于包括加速度计、控制单元、存储机构和通信单元的装置1的备选，姿势检测装置1也可以仅包括加速度计和用于与诸如计算机、PDA或微控制器的外部控制单元进行有线或无线通信的通信单元。可以在装置1中，或者可以在外部控制单元中提供存储机构。这一实施例的优点在于能够降低装置1的尺寸和重量及其制造成本。然而，装置应用的灵活性也被降低，因为只有在与外部控制单元进行通信时才能执行姿势检测或校准。在所述系统中，可以包括报警单元，例如，如果所监测的心率超过了针对装置1确定的身体姿势设定的某一阈值，那么该单元发出警报。
根据本发明的基本思想，加速度计量信号中的姿势不仅可以通过其对应的重力方向加以识别，也可以通过一些其他的特征进行识别。两个重要的特征是（1）其普遍性以及（2）其相关的身体活动水平。这两种特征可能随对象和环境条件而存在差别。
如前所述，在没有大的加速度的情况下，加速度计的输出一般仅指示重力的方向。然而，在受到加速时，加速度对应于装置1附着的身体部分的加速度，因而加速度对应于用户的身体活动的方面。因此，已知在较高的频带内测得的取向数据的信号幅度的测度提供了对象的身体活动水平的清楚指示。在这一背景下信号幅度的常用测度是信号方差。
在大多数情况下，能够预计不同的姿势具有不同的普遍性。根据情况，一些姿势可能是很少发生的（例如，前倾），甚至根本不存在（例如，倒立）。如果可以预先得到这样的信息，那么可以将其用到自动装置取向校准方法中。在更加常用的姿势中，可以预计身体活动水平通常高于或者低于特殊姿势（组）中的平均水平。具体而言，在大多数情况下，横向姿势（即，仰卧、侧卧、俯卧）通常与较低的身体活动水平相关，而竖立姿势则通常与较高的身体活动水平相关。即使在对象没有行走、跑步或者骑车，而只是坐着的时候，后一种相关性仍然是可辨识的。这一效果可以归因于，与其他姿势相比，人体在直立姿势下通常不能得到很好的支撑，因此稳定性较差。这一降低的稳定性将至少通过加速度计量信号方差反映在较高的活动水平中。
图2分别图示了yb在xa-ya平面和ya-za平面内的投影，如虚线箭头所示。由于在静息状态下，加速度为1g，因而静息姿势将处于具有1g的半径的单位球的表面上。还分别示出了xb-zb平面与xa-ya平面和ya-za平面的交线。根据定义，这一xb-zb平面垂直于yb，并与该轴相交于原点处。可以针对xa-za平面绘制类似的图示，但是其不会含有任何额外的信息。
在图3中，将身体安装的装置1中包含的加速度计在大约三个小时内测得的全长取向数据示为三维坐标系中的每秒平均值。可以假定典型的姿势将作为聚类发生。此外，这些聚类或姿势的相对取向是固定的。例如，如果直立姿势对应于b系统中的（0，1，0），仰卧姿势对应于b系统中的（0，0，1），那么根据定义坐标系（1，0，0）对应于左侧卧或者右侧卧。此外，可以相对于姿势的普遍性做出额外的假设：例如，倒立姿势是非预期的，左侧卧或者右侧卧的特定姿势比直立或者仰卧姿势的出现频率低。实际上，如果测量时间长到足以对聚类进行分辨，而且采取了宽的不同姿势范围，那么这样就可能足以找到装置的a系统（xa，ya，za）和身体的b系统（xb，yb，zb）之间的变换关系了。然而，为了加快校准，即，较快相对装置取向的确定，提出了如下根据本发明的校准方法的实施例。
首先，在b系统（xb，yb，zb）中定义参考条件。在当前的范例中，假定直立姿势具有尤其高的活动性。那么，在充分长的时间内记录加速度计测量的全长取向数据。如图3所示，可以针对预定时间间隔，例如，在每秒对测得的数据求平均。此外，可以通过计算方差、协方差、标准偏差等针对每一平均数据获得活动性信息。优选地，针对特定时间间隔计算测得的取向数据的方差。现在，考虑参考条件，将唯一具有高活动性的聚类识别为直立姿势。之后，可以对所述数据进行变换，从而使具有高活动性的聚类与对应于直立姿势的b系统（xb，yb，zb）的轴对准，在所述范例中将该轴示为yb。例如，执行这一操作的方式可以是取得所述高活动性聚类的平均值、中值或者中心，并对所有的取向数据点进行旋转，直到所述高活动性聚类的中心位于身体参考系的yb轴上为止。
可以通过设置点之间的最小平均（或者中值）距离来定义聚类，其中，可以在进一步的分析中省去非所述聚类的部分的点。可以通过取得对应于这一聚类的点的平均值或中值而找到这一聚类中心。可以通过设置最低活动水平，即，最低标准偏差或方差识别具有高活动性水平的点。有可能将快速变化的姿势从分析中省去，从而加速并简化所述过程。可以通过设置相继的点之间的最大空间距离来实现这一目的。
在使所有的数据点发生旋转从而使识别的直立姿势处于（0，1，0）点上时，可以将三维笛卡尔视图变换为二维极坐标视图，如图4所示。直立姿势处于所述中心处，因而yb处于所述中心处，从而使yb指向投影面之外。现在，仍然要确定“右侧卧”、“左侧卧”、“仰卧”、“俯卧”姿势的位置。由于用户几乎不可能在“侧卧”或“俯卧”与“直立”之间的中间姿势上停留很长时间，因而接近直立姿势的频繁的中间姿势将识别仰卧姿势的方向。换言之，终止于直立姿势的姿势变化将总是开始于仰卧姿势。此外，人在仰卧姿势上所用的时间一般要比在俯卧姿势上用的时间长得多。在图4的极坐标图中将这些变换示为位于中心（直立姿势）与单位g球的圆周之间的数据点，因为仰卧姿势应当具有1g的加速度值（静息时），而姿势变化大部分具有小于1g的值。通过识别极坐标视图中的中心区带以外的最常见的角度或中值角，以及使所有的点发生旋转，从而使这一角度与b系统（xb，yb，zb）中对应于仰卧姿势的zb对准完成了在所述装置的a系统（xa，ya，za）中测得的取向数据向身体的b系统（xb，yb，zb）的变换。在图5中对此给出了图示。
图6在身体的b系统（xb，yb，zb）的极坐标视图中图示了对准的取向数据，其中，绘出了对应于“直立”、“俯卧”、“右侧卧”、“仰卧”和“左侧卧”姿势的段。示出了人体模型，从而采用方括号中的b系统（xb，yb，zb）的相应的三维坐标图示了不同的姿势。如图所示，重力g指向投影面内。
在图7中示出了根据本发明的自动校准方法的另一示范性实施例，其中，所述参考条件包括在b系统（xb，yb，zb）中定义的参考姿势或参考姿势范围，并且对实时加速度计输出进行相应地处理，从而将相对装置取向输出确定为“最终图”。
对于这一实施例而言，有关一般测量情况的信息必须使得参考姿势或者姿势范围能够被预先识别出来，并被输入到分析系统内（S700）。要求这一参考姿势（范围）沿xb和/或zb具有非零分量。除了通过xb和/或zb中的值定义以外，还可以将参考姿势（范围）限制在yb中的特定范围内。在下文描述的实施例中，这一姿势（范围）与在yb内具有相同的分量的其他姿势相比具有尤其高的普遍性。这样的参考姿势范围的范例是“直立”和“仰卧”之间的姿势范围，即，处于yb=1和zb=1之间。这一范例适用于普通病房内的住院患者的情况：这里，能够预计这一姿势范围比具有相同的yb值的其他姿势，例如，“直立”与俯卧、左侧卧或右侧卧之间的中间姿势具有高得多的普遍性。或者，参考姿势（范围）可以具有独特的低普遍性或者独特的普遍性模式。然而，在这种情况下，必须调整“在a系统中识别xb”的过程（S860）。
一旦将所述参考姿势（范围）识别为参考条件，就必须将其登记（S700）到校准控制软件内，所述软件能够在加速度计量装置1内的部件上运行，或者能够在诸如计算机的外部装置上运行，或者在二者上运行。在后两种情况下，需要一些用于在所述加速度计量装置1和计算机系统之间进行有线或者无线通信的机构。
在图7中呈现了校准控制例程的设计。除了可以预先输入（S700）的参考姿势信息之外，这一系统的唯一输入就是取向数据（S710）。在这一范例中，取向数据涉及实时加速度计输出信号，所述信号是在使加速度计量装置1附着在身体2上的时候产生的。在一定时间内记录所述信号（S720），尔后将所记录的信号和参考姿势信息馈送给“创建图”过程（S800）。这一过程创建的图由yb和xb在a系统的坐标内的位置构成。作为xb的位置的替代，可以将zb的位置包含到校准图内。可以做出任意一种选择，因为任何第三个轴的位置都完全由另外两个轴的位置定义。因而，在“创建图”过程（S800）中确定装置1的a系统与身体2的b系统之间的变换关系。在创建之后，可以存储所述图（S740）。任选地，可以针对预先存储的图（如果有的话）检验一致性，所述预先存储的图是先前由较短的记录创建的。如果发现了充分的一致性，那么将该图提供为最终的图（S750），并结束校准（S760）。否则，在一定时间内继续取向数据的记录，尔后创建新的图（S800）。作为一旦获得了足够的数据就生成校准图并通过迭代过程确定最终的图的系统的替代，可以定义在结束了数据采集之后生成这样的图的系统。这一替代方案在实时姿势探测应用当中没什么用，但是其在仅以离线方式应用姿势检测的应用当中能够满足需要。在更加简单的实施例中，所述校准过程甚至可以仅由“创建图”过程（S800）构成。
在图8中示出了“创建图”过程（S800）本身的设计。其输入为参考姿势信息（S700）和所记录的加速度计输出（S720）。开始的步骤是按照某一时间间隔，例如，按照数据的每一秒计算取向数据的平均值（S810）和方差（S820）。所述间隔也可以是重叠的。可以采取每一轴的平均信号值作为所述平均值，因而其由三个元（的向量）构成，可以以三个单独的轴的数据的方差的平均值作为所述方差。或者，可以将所述方差计算为来自所述三个轴的信号的向量和的大小的方差。其将隐含着抑制了旋转对所述方差的影响。显然，可以采用任何其他信号幅度的测度来替代信号方差，例如，标准偏差。此外，可以在计算方差和平均值（S820，S810）之前指向滤波步骤，从而有选择地考虑特定的频率范围。在另一实施例中，平均值和方差的计算（S810，S820）可以位于例程的更高层次上，即，处于控制例程中的记录步骤（S720）之前。这一替代方案将要求更加实时一些的处理能力，但是其将节省“创建图”过程（S800）中的处理能力，并且将减少所要存储的数据量。
在“创建图”过程（S800）中，定义其他四个子过程，即，“一般聚类检测”（S830）、“高活动性聚类检测”（S840）、“在a系统中识别xb”（S860）以及“在a系统中识别yb”（S850），在图9到13中对其给出了图示。
在图9中示出了“一般聚类检测”子过程（S830）的设计。首先，将三维数据平均值（其构成了三维空间内的点）归一化（S910）到单位球（即，中心处于加速度计量零点上，半径为1g的球）的表面上。任选地，可以在归一化（S910）之前选择与这一表面具有小的距离的点，因而将舍弃受到大的加速度影响的一些点。之后，选择（S920）与其前一点和下一点具有小的空间距离的点，从而舍弃快速变化的姿势。也可以在归一化步骤（S910）之前完成这一步骤（S920），或者可以省略这一步骤。最后，从剩余的点中选择与所有的其他剩余点具有小的中值距离的点（S930）。一般可以通过各种方式计算距离，例如，作为欧几里德距离或者单位g球表面内的距离。这些选定的点被认为是聚类的，照此将其作为装置1的a系统中的聚类点的列表馈送（S940）到“在a系统中识别xb”子过程中（S860）。
在图10中呈现了“高活动性聚类检测”子过程（S840）的设计。在这一子过程（S840）中，输入所计算出的信号平均值（S810）和方差（S820）。这一子过程（S840）中的前两个步骤（S1010，S1020）是类似的，并且有可能与“一般聚类检测”子过程（S830）中的步骤（S910，S920）等同（取决于参数）。因而，如果是等同的，那么对于这两个子过程而言也可以将这些步骤合并，即，能够使步骤S910与S1010一起执行，S920和S1020类似。在另一步骤（S1030）中，基于在S820中计算的数据方差信息选择具有高方差的点。之后，通过选择与所有其他剩余的具有高方差的点具有小的中值距离的点来定义聚类（S1040）。这一步骤（S1040）又与“一般聚类检测”子过程（S840）中的最后步骤（S940）类似或等同（取决于参数）。将作为聚类高活动性数据点的列表的“高活动性聚类检测”子过程（S840）的输出馈送（S1050）至“在a系统中识别yb”子过程（S850）。
在图11中呈现了“在a系统中识别yb”子过程（S850）的设计。其开始于由所述聚类高活动性点的列表计算中值点（或者均值或平均值点）（S1110）。计算所有点的三个坐标的中值作为所述中值点，因而其本身是具有三维位置的点。接下来，将这一中值点归一化至单位g球（S1120），之后将其提供为yb在a系统中的估算位置（S1130），并将其输送至“在a系统中识别xb”子过程（S860）。由于将xb-zb平面定义为与yb垂直，并与加速度计量原点相交，因而在“在a系统中识别yb”子过程中还识别了xb-zb平面。
现在，为了在“在a系统中识别xb”子过程（S860）中使b系统的另外两个轴与a系统的相应的轴对准，必须确定xb和xa在xb-zb平面上的投影之间的角度。在图12中示出了“在a系统中识别xb”子过程（S860）的设计。首先，采用所估算的yb在a系统中的位置（S1130）从a系统中的聚类点列表中选择（S1210）属于所述yb值（或者属于yb值的范围）的那些点，其中，所述yb值（yb值范围）是由参考姿势（或者参考姿势范围；S700）指定的。作为从聚类点列表中进行选择的替代，可以从所有点的列表或者基于中间选择标准选择的点的列表中选择所述点。由于处于yb的相关范围内的这些点应当沿xb和/或zb具有由参考姿势（范围）指定的非零分量，因而它们将不会落到yb轴本身上，但是可以将它们局限到沿yb的有限值范围内。因而，计算这些点在xb-zb平面上的投影和xa在xb-zb平面上的投影之间的中值角α（S1220）。从这一角中减去xb-zb平面中参考姿势（范围）和xb之间的预定角β（S1230）。接着在xb-zb平面内从xa的投影上减去所得到的角（S1240）。输出（相对于1g的大小受到了归一化的）是xb在a系统中的估算位置（S1250）。在图13中进一步示出了这些步骤。
图13示出了xb在a系统中的位置的估值，其中，α是与参考姿势（范围）相关的点在xb-zb平面上的投影和xa在xb-zb平面上的投影之间的中值角，β是参考姿势（范围）和b系统中的xb之间的预定角。然而，作为将xa投影到xb-zb平面上的替代，也可以投影za或者xa和za的组合。
在确定了装置1的a系统和身体2的b系统之间的变换关系的情况下就完成了装置1的校准。现在能够利用所述变换关系将测得的取向数据变换到身体2的b系统内，从而实时或者离线确定身体姿势。
优选预先定义并且由用户或者监管者输入根据前述实施例中的任何一个的方法的参数，例如，用于计算所述平均值、中值或方差等的时间间隔、参考条件、参考姿势或参考姿势范围、约束条件、假设条件、重复校准的时间间隔或条件等。然而，也可以在取向数据的测量过程中或者其后定义这些参数，从而进行离线姿势检测。此外，请注意根据本发明的方法的实施例中的步骤的顺序并非旨在具有强制性。因而，在适当并且可能的情况下可以改变所述步骤的顺序。一般而言，除了中值之外，可以采用替代的中心值测度，例如，平均值或均值。类似地，除了方差之外，可以采取任何替代的大小测度，例如，标准偏差。可以针对可能的相对装置取向定义各种约束条件（硬件的或软件的），其能够实现更有效率的和/或更加快速的执行系统设计。在校准控制例程中，可以结合只有在记录数据中满足了特定标准（例如，覆盖时间、姿势范围、方差水平等）之后才开始处理的步骤。此外，可以在根据本发明的方法之一中包含常见的伴随一般的数据分析的其他步骤，例如，滤波步骤。
根据本发明，一定时间周期内的不受控制的加速度计输出连同参考条件，例如信号幅度测度（例如，信号方差）可能足以识别直立姿势的相对方向，并将直立姿势的相对取向与横向姿势（例如，仰卧，侧卧或者俯卧）的相对取向区分开。此外，信号幅度测度与姿势普遍性测度和/或有关测量情况的其他一般信息的结合可能足以在接下来完成身体安装的装置1的三维取向相对于身体2的校准。因而，提出了在不需要技能熟练人员、额外时间或者复杂的校准要求的情况下对姿势检测装置进行自动校准的措施。当在一般医院病房、护疗养院或者私人家庭中采用所述姿势检测装置时，例如，对于加速度计量装置实施的用于监测呼吸率或心率的姿势检测而言，所述自动校准尤其有利。然而，在任何可能对姿势检测感兴趣的情况下本发明都可能具有相关性。范例包括临床警报或信息系统、家庭情况下的患者监测、一般的健康监测、人机工程、理疗、康复训练、运动和计算机游戏。应当指出，姿势检测可以在各种背景了解应用中起到重要作用。理论上，可能存在这样的应用，其中，姿势检测是无关紧要的，但是有关相对装置取向的信息是所考虑的（例如，因为生命器官的相对位置很重要）。这时，本发明也可以提供解决方案。

Claims (15)

1.一种用于确定其相对于身体（2）的取向的能植入或者能安装到所述身体（2）上的装置，包括：
-三维取向检测单元，其适于在所述取向检测单元的参考系（xa，ya，za）中测量取向数据；以及
-控制单元，其适于通过利用在身体参考系（xb，yb，zb）中定义的至少一个预定参考条件和所测得的取向数据确定所述身体参考系（xb，yb，zb）与所述取向检测单元的参考系（xa，ya，za）之间的变换关系，来确定所述装置（1）相对于所述身体（2）的相对取向。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取向检测单元包括三维加速度计。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述参考条件包括在所述身体参考系（xb，yb，zb）中定义的具有至少一个预定特征的参考姿势和/或参考姿势范围。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述参考姿势或者参考姿势范围的所述至少一个预定特征涉及相对于其他姿势的高或低普遍性水平和/或高或低活动性水平。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述控制单元还适于在所述取向检测单元的参考系（xa，ya，za）中利用所述预定特征在所测得的取向数据中识别所述参考姿势和/或参考姿势范围。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，能够定义至少一个或多个约束条件和/或假设条件以确定所述取向。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述控制单元适于通过设置相继数据点之间的最大空间距离来过滤快速变化的姿势。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述控制单元还适于计算所测得的取向数据的至少一个统计参数。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述控制单元还适于对所测得的取向数据执行聚类分析，和/或针对所述取向检测单元的参考系（xa，ya，za）的每一轴对所测得的取向数据进行单独处理，从而得到三维值。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述控制单元适于按照预定时间间隔和/或在受到信号触发时重复进行对所述装置相对于所述身体（2）的取向的确定，并且/或者，其中，所述三维取向检测单元适于连续测量所述取向数据。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述装置适用于通过利用所确定的变换关系将所测得的取向数据变换到所述身体参考系（xb，yb，zb）中，来确定所述身体（2）的姿势。
12.根据权利要求11所述的装置，在临床警报或信息系统中采用所确定的身体姿势来提供姿势相关的反馈并且/或者对起搏器和/或装置辅助药物输送加以控制。
13.一种用于确定装置（1）相对于身体（2）的取向的系统，括：
-能植入或者能安装到所述身体（2）上并且具有三维取向检测单元的装置（1），所述三维取向检测单元能够在所述取向检测单元的参考系（xa，ya，za）中测量取向数据；以及
-控制单元，其能够通过利用在身体参考系（xb，yb，zb）中定义的预定参考条件和所测得的取向数据确定所述身体参考系（xb，yb，zb）与所述取向检测单元的参考系（xa，ya，za）之间的变换关系，来确定所述装置（1）相对于所述身体（2）的取向；
-其中，所述控制单元和所述装置（1）进行有线或者无线通信，从而实现单向或者双向数据传输。
14.一种用于确定身体安装或者植入的装置（1）相对于身体（2）的取向的方法，所述装置（1）具有三维取向检测单元，所述方法包括：
-获得由所述取向检测单元在所述取向检测单元的参考系（xa，ya，za）中测得的取向数据；
-在身体参考系（xb，yb，zb）中定义至少一个参考条件；以及
-通过利用所述参考条件和所测得的取向数据确定所述身体参考系（xb，yb，zb）与所述取向检测单元的参考系（xa，ya，za）之间的变换关系，来确定所述装置（1）相对于所述身体（2）的取向。
15.一种能够与计算机以及能植入或者能安装到身体（2）上并且包括三维取向检测单元的装置（1）一起使用的计算机可读介质，所述介质存储有计算机程序，所述计算机程序在由处理器运行时，适于执行根据权利要求14所述的方法。
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