CN103211577A - 一种上肢舒适性的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种上肢舒适性检测装置，包括：表面肌电部，用于检测上肢的表面肌电信号；关节角度部，用于检测上肢的关节角度；表面压力部，用于检测上肢的表面接触压力信号；人体角度部，用于检测上肢的人体肩肘角度；计算机，用于分析数据，得到分析结果；以及显示屏，用于显示分析结果。

Description

一种上肢舒适性的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种上肢舒适性测试装置。

背景技术

在过去的二十年间腹腔镜手术已经可以被大部分人所接受，然而由于使用的医疗器械以及手术室环境存在的限制，医生们在手术中很有可能长期被强制处于一种不舒服甚至对自己身体会造成伤害的姿势中，这种情况极有可能导致其身体某一部位患上WMSD（与职业有关骨骼肌肉疾病，Work-related Musculoskeletal Disorders）。医生进行手术前要进行良好的训练，这就需要有设备良好的实验室以及合理的训练程序。目前很少有研究关注模拟手术室中的人因工程学设计，因而大量存在着很多设计不合理的模拟手术实验室，因此研究怎样用人因工程学的方法去配置模拟手术室是十分必要的。据此，需要对操作器械进行模拟腹腔镜手术中的医生的上肢舒适性进行测试和评价，而基于此测试装置和测试方法，可以对模拟手术室的人因工程学设计提供有利的数据支持。

通常的，以下参数可以用来表征上肢舒适性。第一，表面肌电信号。表面肌电信号是从粘在覆盖肌肉的皮肤上的电极中测得的肌肉电活动的信号。大量研究表明肌电信号偏向低频肌肉活动，且其幅值随肌肉疲劳程度增加而增加，因此表面肌电信号可以作为局部肌肉疲劳程度的客观指标，通过检测人体手部的表面肌电信号并进行分析，能够作为手部舒适性进行评价的一项参数。第二，表面接触压力。其反映了人体手部在完成特定工作时手与器械的手柄的挤压力。如果表面接触压力超过一定范围，会导致手部血流不畅，从而可能影响到神经，人体手部因此可能会受到伤害，因此表面接触压力是评价手部舒适性的另一项重要参数。第三，关节角度信号。人体各个关节部位，如手指、手腕、肘部、肩部等都有一定的工作角度范围，频繁的在工作角度范围外的角度下进行操作，会导致上肢的累积性伤害。第四，人体肩部肘部的角度参数。其也可以反映人体上肢在完成特定工作时的舒适性水平。

发明内容

为了解决目前缺乏针对模拟手术室尤其是模拟腹腔镜手术室中操作器械时人体上肢舒适性的检测装置的问题，本发明提供了一种上肢舒适性的检测装置及其检测方法，该装置比较全面的采集了上肢舒适性评价所需的四个参数，通过此装置准确客观的对上肢舒适性进行评价。

为了达到以上目的，本发明采用了以下技术方案：

一种对操作器械时操作员的上肢的舒适性进行检测得到舒适性参数的上肢舒适性检测装置，其特征在于，包括：

表面肌电部，用于检测上肢的表面肌电信号，含有六个表面肌电电极、一个表面肌电调理模块、一个数据采集卡、连接表面肌电电极和表面肌电调理模块以及数据采集卡的第一连接输送部；

关节角度部，用于检测上肢的关节角度，含有二个关节角度测量传感器、一个通用放大器、上述的一个数据采集卡、连接关节角度测量传感器和通用放大器以及数据采集卡的第二连接输送部；

表面压力部，用于检测上肢的表面接触压力信号，含有三个压力传感器、三个分压模块、一个压力信号调理模块、连接压力传感器和分压模块以及压力信号调理模的第三连接输送部；

人体角度部，用于检测上肢的人体肩肘角度，含有二个标志点、一个摄像头；

计算机，用于分析数据，得到分析结果；以及

显示屏，用于显示分析结果；

其中，六个表面肌电电极置于上肢的前臂部位，采用表面肌电电极采集前臂的表面肌电模拟信号，第一连接输送部将表面肌电模拟信号依次送入表面肌电调理模块和数据采集卡，表面肌电调理模块对表面肌电模拟信号进行滤波和信号放大，得到放大的表面肌电模拟信号，数据采集卡将放大的表面肌电模拟信号转换成表面肌电数字信号，

二个关节角度传感器分别置于上肢的手腕关节和手指关节部位，采用关节角度测量传感器采集手腕关节和手指关节的关节角度模拟信号，第二连接输送部依次将关节角度模拟信号送入通用放大器和数据采集卡，通用放大器对关节角度模拟信号进行滤波和信号放大，得到放大的关节角度模拟信号，数据采集卡将放大的关节角度模拟信号转换成关节角度数字信号，

三个压力传感器置于上肢的手掌部位，采用压力传感器得到表面压力，第三连接输送部依次将表面压力模拟信号传输到分压模块和压力信号调理模块，分压模块对表面压力模拟信号进行分压，得到分压后的表面压力模拟信号，压力信号调理模块将分压后的表面压力模拟信号进行滤波和信号放大，并将其转换成表面压力数字信号，

二个标志点分别置于上肢的手肘和手腕部位，摄像头用于采集操作员操作器械的视频信号，

计算机接收表面肌电数字信号、关节角度数字信号、表面压力数字信号，并进行数据分析，得到三种数字信号分析结果，计算机还用于接收视频信号，基于视频信号对标志点进行追踪，并计算得到肘部和肩部的角度参数，

显示屏显示三种数字信号分析结果和肘部和肩部的角度参数。

一种用本发明的上肢舒适性检测装置来对上肢的舒适性进行检测的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将六个表面肌电电极置于上肢的前臂部位，将二个角度关节传感器分别置于上肢的手腕关节和手指关节，将三个压力传感器置于上肢的手掌部位，将二个标志点置于上肢的手肘和手腕部位；

b.让操作员操作器械，采用表面肌电部、关节角度部、表面压力部和分别采集表面肌电模拟信号、关节角度模拟信号、表面压力模拟信号并将其转换成三种数字信号，采用人体角度部采集视频信号；

c.采用计算机接收三种数字信号并进行分析并得到分析结果，采用计算机接收视频信号且基于视频信号对标志点进行追踪，并计算得到肘部和肩部的角度参数；

d.显示屏显示分析结果和肘部和肩部的角度参数。

发明的作用与效果

本发明涉及的上肢舒适性检测装置是一套通过多参数、多通道数据采集进行分析的装置，通过采集上肢动作过程中人体前臂的表面肌电模拟信号、手与器械手柄的表面接触压力模拟信号、手指与手腕的关节弯曲角度模拟信号，转换成数字信号并进行分析，并采用摄像头拍摄下实验的全过程，通过计算机上的软件追踪计算出实验过程中操作员的肩部肘部的角度参数。实验结束后，让操作员填写已设计好的调查问卷，获取其上肢舒适度的主观感受与装置检测结果相比较。因此本装置全面客观地反应出参加模拟腹腔镜手术的医生在进行手术时上肢的舒适水平，为模拟手术室的设计提供更加科学全面的数据支持，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的一种上肢舒适性检测装置的构造示意图

图2为采用本发明的上肢舒适性检测装置进行上肢舒适性检测的控制流程框图

具体实施方式

以下，参照附图对本发明涉及的一种上肢舒适性检测装置及其检测方法做详细阐述。

图1是本发明的一种上肢舒适性检测装置的构造示意图。

如图1所示，本发明的上肢舒适性检测装置包括：

表面肌电部，用于检测上肢的表面肌电信号，含有六个表面肌电电极10、一个表面肌电调理模块11（EMG100C）、一个数据采集卡12（USB-6210）、六个表面肌电电极10都通过屏蔽电缆线连接到表面肌电调理模块11上，表面肌电调理模块11通过导线与数据采集卡12相连接；

关节角度部，用于检测上肢的关节角度，含有二个关节角度测量传感器13（TSD130A、TSD130E）、一个通用放大器14（DA100C）、一个上述的数据采集卡12、二个关节角度测量传感器13通过屏蔽电缆线连接到通用放大器14上，通用放大器14通过导线与上述的数据采集卡12相连接；

表面压力部，用于检测上肢的表面接触压力信号，含有三个压力传感器15（FSR400）、三个分压模块16（1121）、一个压力信号调理模块17（1018-PhidgetInterfaceKit8/8/8），每个压力传感器15分别通过屏蔽电缆线与一个分压模块16相连接，三个分压模块16分别通过屏蔽电缆线与压力信号调理模块17相连接；

人体角度部，用于检测上肢的人体肩肘角度，含有二个标志点18、一个摄像头19（MicronTracker H3-60）；

计算机20，用于分析数据，得到分析结果；以及

显示屏21，用于显示分析结果；

其中，六个表面肌电电极10置于上肢的前臂部位，采用表面肌电电极10采集前臂的表面肌电模拟信号，表面肌电模拟信号依次被送入表面肌电调理模块11和数据采集卡12，表面肌电调理模块11对表面肌电模拟信号进行滤波和信号放大，得到放大的表面肌电模拟信号，数据采集卡12将放大的表面肌电模拟信号转换成表面肌电数字信号，

二个关节角度传感器13分别置于上肢的手腕关节和手指关节部位，采用关节角度测量传感器13采集手腕关节和手指关节的关节角度模拟信号，关节角度模拟信号依次被送入通用放大器14和数据采集卡12，通用放大器14对关节角度模拟信号进行滤波和信号放大，得到放大的关节角度模拟信号，数据采集卡12将放大的关节角度模拟信号转换成关节角度数字信号，

三个压力传感器15置于上肢的手掌部位，采用压力传感器15得到表面压力，表面压力模拟信号依次被传输到分压模块16和压力信号调理模块17，分压模块16对表面压力模拟信号进行分压，得到分压后的表面压力模拟信号，压力信号调理模块17将分压后的表面压力模拟信号进行滤波和信号放大，并将其转换成表面压力数字信号，

二个标志点18分别置于上肢的手肘和手腕部位，摄像头19用于采集操作员操作器械的视频信号，

通过通讯电缆线将数据采集卡和计算机20连接起来，将表面肌电数字信号和关节角度数字信号传输进计算机20，压力信号调节模块17通过USB电缆线同计算机20相连，USB电缆线将压力数字信号传输进计算机20，摄像头19直接与计算机20相连，将视频信号输送进计算机20，

计算机20接收表面肌电数字信号、关节角度数字信号、表面压力数字信号，并进行数字信号分析，得到三种数字信号分析结果，计算机20还用于接收视频信号，基于视频信号对标志点18进行追踪，并计算得到肘部和肩部的角度参数，

显示屏21显示三种数字信号分析结果和肘部和肩部的角度参数。

图2是采用本发明的上肢舒适性检测装置进行上肢舒适性检测的控制流程框图。

用酒精和生理盐水擦拭皮肤表面，将六个一次性表面肌电贴片电极贴附在需要上肢的前臂部位，将二个角度关节传感器分别置于上肢的手腕关节和手指关节，将三个薄膜压力传感器置于上肢的手掌部位，将二个标志点置于上肢的手肘和手腕部位；

将表面肌电信号调理模块4中的肌电放大器增益设置在2000，高通滤波器设置在1Hz，低通滤波器设置在100Hz，让操作员操作器械，表面肌电电极采集前臂的表面肌电模拟信号，表面肌电模拟信号依次被送入表面肌电调理模块和数据采集卡，表面肌电调理模块对表面肌电模拟信号进行滤波和信号放大，得到放大的表面肌电模拟信号，数据采集卡将放大的表面肌电模拟信号转换成表面肌电数字信号；关节角度测量传感器采集手腕关节和手指关节的关节角度模拟信号，关节角度模拟信号依次被送入通用放大器和数据采集卡，通用放大器对关节角度模拟信号进行滤波和信号放大，得到放大的关节角度模拟信号，数据采集卡将放大的关节角度模拟信号转换成关节角度数字信号；采用压力传感器得到表面压力，表面压力模拟信号通依次被传输到分压模块和压力信号调理模块，分压模块对表面压力模拟信号进行分压，得到分压后的表面压力模拟信号，压力信号调理模块将分压后的表面压力模拟信号进行滤波和信号放大，并将其转换成表面压力数字信号；二个标志点分别置于上肢的手肘和手腕部位，摄像头用于采集操作员操作器械的视频信号。

计算机的运行环境为：2G内存、240G硬盘的联想计算机，操作系统为WindowsXP+SP3中文版，采用LabVIEW 2011编制软件。计算机接收表面肌电数字信号、关节角度数字信号、表面压力数字信号，并进行数字信号分析，得到三种数字信号分析结果，计算机还用于接收视频信号，基于视频信号对标志点进行追踪，并计算得到肘部和肩部的角度参数，显示屏显示三种数字信号分析结果和肘部和肩部的角度参数。

检测结束后，让所述操作员填写已设计好的调查问卷。通过所述调查问卷的形式来收集所述操作员的主观感受，可与通过上肢舒适性装置所检测得到的结果相比较。

在该实验中，操作员进行模拟操作，利用该检测装置采集操作员前臂的表面肌电信号，手与器械的表面接触压力，以及操作过程中上肢各关节的活动范围，并对整个实验室过程录像，将采集到的数据传入计算机，通过软件对数据进行分析处理，得出操作过程中的手部舒适性评价，全面客观地反应出人体上肢舒适性的水平。

实施例的作用与效果

实施例中涉及的上肢舒适性检测装置是一套通过多参数、多通道数据采集进行分析的装置，通过采集上肢动作过程中人体前臂的表面肌电模拟信号、手与器械手柄的表面接触压力模拟信号、手指与手腕的关节弯曲角度模拟信号，转换成数字信号并进行分析，并采用摄像头拍摄下实验的全过程，通过计算机上的软件追踪计算出实验过程中操作员的肩部肘部的角度参数。实验结束后，让操作员填写已设计好的调查问卷，获取其上肢舒适度的主观感受与装置检测结果相比较。因此本装置全面客观地反应出参加模拟腹腔镜手术的医生在进行手术时上肢的舒适水平，为模拟手术室的设计提供更加科学全面的数据支持。

Claims (2)

1.一种对操作器械时操作员的上肢的舒适性进行检测得到舒适性参数的上肢舒适性检测装置，其特征在于，包括：

表面肌电部，用于检测所述上肢的表面肌电信号，含有六个表面肌电电极、一个表面肌电调理模块、一个数据采集卡、连接所述表面肌电电极和所述表面肌电调理模块以及所述数据采集卡的第一连接输送部；

关节角度部，用于检测所述上肢的关节角度，含有二个关节角度测量传感器、一个通用放大器、所述一个数据采集卡、连接所述关节角度测量传感器和所述通用放大器以及所述数据采集卡的第二连接输送部；

表面压力部，用于检测所述上肢的表面接触压力信号，含有三个压力传感器、三个分压模块、一个压力信号调理模块、连接所述压力传感器和所述分压模块以及所述压力信号调理模的第三连接输送部；

人体角度部，用于检测所述上肢的人体肩肘角度，含有二个标志点、一个摄像头；

计算机，用于分析数据，得到分析结果；以及

显示屏，用于显示分析结果；

其中，所述六个表面肌电电极置于所述上肢的前臂部位，采用所述表面肌电电极采集所述前臂的表面肌电模拟信号，所述第一连接输送部将所述表面肌电模拟信号依次送入所述表面肌电调理模块和所述数据采集卡，所述表面肌电调理模块对所述表面肌电模拟信号进行滤波和信号放大，得到放大的表面肌电模拟信号，所述数据采集卡将所述放大的表面肌电模拟信号转换成表面肌电数字信号，

所述二个关节角度传感器分别置于所述上肢的手腕关节和手指关节部位，采用所述关节角度测量传感器采集所述手腕关节和所述手指关节的关节角度模拟信号，所述第二连接输送部依次将所述关节角度模拟信号送入所述通用放大器和所述数据采集卡，所述通用放大器对所述关节角度模拟信号进行滤波和信号放大，得到放大的关节角度模拟信号，所述数据采集卡将所述放大的关节角度模拟信号转换成关节角度数字信号，

所述三个压力传感器置于所述上肢的手掌部位，采用所述压力传感器得到所述表面压力，所述第三连接输送部依次将所述表面压力模拟信号传输到所述分压模块和所述压力信号调理模块，所述分压模块对所述表面压力模拟信号进行分压，得到分压后的表面压力模拟信号，所述压力信号调理模块将所述分压后的表面压力模拟信号进行滤波和信号放大，并将其转换成表面压力数字信号，

所述二个标志点分别置于所述上肢的手肘和手腕部位，所述摄像头用于采集所述操作员操作所述器械的视频信号，

所述计算机接收所述表面肌电数字信号、所述关节角度数字信号、所述表面压力数字信号，并进行数字信号分析，得到三种数字信号分析结果，所述计算机还用于接收所述视频信号，基于所述视频信号对所述标志点进行追踪，并计算得到肘部和肩部的角度参数，

所述显示屏显示所述三种数字信号分析结果和所述肘部和肩部的角度参数。

2.一种用如权利要求1所述的上肢舒适性检测装置来对上肢的舒适性进行检测的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将六个所述表面肌电电极置于所述上肢的前臂部位，将二个所述角度关节传感器分别置于所述上肢的所述手腕关节和所述手指关节，将三个所述压力传感器置于所述上肢的所述手掌部位，将二个所述标志点置于所述上肢的所述手肘和所述手腕部位；

b.让所述操作员操作所述器械，采用所述表面肌电部、所述关节角度部、所述表面压力部和分别采集所述表面肌电模拟信号、所述关节角度模拟信号、表面压力模拟信号并将其转换成所述三种数字信号，采用所述人体角度部采集所述视频信号；

c.采用所述计算机接收所述三种数字信号并进行分析并得到所述分析结果，采用所述计算机接收所述视频信号且基于所述视频信号对所述标志点进行追踪，并计算得到肘部和肩部的角度参数；

d.所述显示屏显示所述分析结果和所述肘部和肩部的角度参数。

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