CN104398260A - 一种踝关节角度测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种踝关节角度测量系统，包括一个电源模块、一个双自由度角度传感器、一个信号处理模块、一个带无线发射的信号采集模块、一个无线接收模块和一个PC处理显示模块，所述双自由度角度传感器安装在两条相互连接的长度可调的柔性绑带上，所述双自由度角度传感器通过一个传感器校准模板实现校准。本发明能精确地测量出踝关节在空间中的位置，从而能够根据两个自由度上的电信号大小来反映踝关节背屈、跖屈、内翻、外翻的角度大小，通过对角度的分析得出踝关节的运动情况或者对踝关节做出功能诊断和康复评估，本发明不受使用环境的限制，既能测量人体行走过程中踝关节的动态角度，也能测量卧床病人踝关节的静态角度，且本发明的结构简单、使用方便舒适、适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，具体是涉及一种踝关节角度测量系统。
背景技术
人体踝关节可以在矢状面和水平面两个自由度内运动，矢状面内的运动称为背屈和跖屈，水平面内的运动称为内翻和外翻。以人体正常站立时踝关节的位置为零点，脚背向上屈称为背屈，向下屈称为跖屈，向身体内侧翻称为内翻，向身体外侧翻称为外翻。踝关节的角度可以反应踝关节的运动状况，在各种下肢助力系统的实时控制中发挥重要的作用；也可以用于踝关节康复功能的评估，尤其对于中风患者踝关节的康复训练有重大意义。
目前，国内外针对踝关节角度测量的装置和系统并不多，而且大多结构复杂，设计采用硬性材料，不方便使用，亲和性较差。特别是对于行动不方便的病人，大部分装置更是无法在病床上使用，使用的局限性很大，而且无法方便、快捷、准确地完成踝关节角度的测量。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种使用方便舒适、结构简单、测量准度高的踝关节角度测量系统。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的踝关节角度测量系统，其特点是包括电源模块及依次通过信号连接的一个高灵敏度的双自由度角度传感器、一个信号处理模块、一个带无线发射的信号采集模块、一个无线接收模块和一个PC处理显示模块，其中所述双自由度角度传感器安装在两条相互连接的长度可调的柔性绑带上，且所述双自由度角度传感器通过一个传感器校准模板实现校准。
其中，上述信号处理模块包括依次通过信号连接的两路差分放大模块、两路二级放大模块和滤波模块，其中所述两路差分放大模块与双自由度角度传感器信号连接，所述滤波模块与带无线发射的信号采集模块信号连接。
为了使本发明的使用更加可靠，本发明还包括有用于保护双自由度角度传感器不受损坏的电路保护模块。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明所用的双自由度角度传感器能精确地测量出踝关节在空间中的位置（角度），从而能够方便地根据两个自由度上的电信号大小来反应踝关节背屈、跖屈、内翻、外翻的角度大小；
2、本发明可实时连续测量、记录踝关节在静止或运动时背屈、跖屈、内翻、外翻的角度，通过分析踝关节两个自由度方向上的角度得出踝关节运动的运动情况或者对踝关节做出功能诊断和康复评估；
3、本发明可对角度传感器进行两种校准：绝对校准和人工校准。绝对校准指将传感器放置在两个自由度方向上均为0度的校准模板上，处理软件将此刻的角度值设置为角度传感器的参考0点；人工校准指使用者可以将角度传感器所处的任一位置设置为角度传感器的参考0点，从而丰富测量结果的多样性；
4、本发明不受使用环境的限制，既能用于测量人体行走过程中踝关节的动态角度，也能测量卧床病人踝关节的静态角度，适用于人体左、右踝关节。在人体下肢助力装置的应用中，能实时测量出踝关节的角度，为判断人体足部的运动状态提供很大的帮助；在步态控制的应用中，能为步态监测提供直接的帮助；在临床诊断的应用中也能发挥重要作用，医生通过病人踝关节背屈、跖屈、内翻、外翻能达到的最大角度来判断踝关节的功能，对比正常人的踝关节情况，制定更详细、更精确、更具疗效的治疗方案；在康复领域也有重要的意义，治疗师对病人踝关节进行康复治疗，通过踝关节的动态角度对康复效果进行评估，提高康复治疗的疗效；
5、本发明适用于绝大部分人，能用于测量左侧或右侧的踝关节的角度。而且，本发明可应用于多个方面，如机器人系统，踝关节的实时角度为各种控制方案提供反馈信息；在康复治疗方面，医生利用踝关节的角度可对病人踝关节进行功能诊断，制定康复治疗方案，依据踝关节所能达到的角度对康复效果进行评估。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的结构方框图。
图2是本发明双自由度角度传感器其中一方向的模型示意图。
图3是本发明双自由度角度传感器另一方向的模型示意图。
图4是本发明角度传感器安装位置示意图。
图5是本发明信号处理模块的电路原理图。
图6是本发明的软件处理流程图。
具体实施方式
如图1-图6所示，本发明所述的踝关节角度测量系统，包括电源模块及依次通过信号连接的一个高灵敏度的双自由度角度传感器、一个信号处理模块、一个带无线发射的信号采集模块、一个无线接收模块和一个PC处理显示模块，其中双自由度角度传感器安装在两条相互连接的长度可调的柔性绑带上，且双自由度角度传感器通过一个传感器校准模板实现校准，而电源模块给所述的双自由度传感器及其它各模块供电，相互连接的两条柔性绑带的使用长度以及位置可根据需要进行调整。而且，信号处理模块包括依次通过信号连接的两路差分放大模块、两路二级放大模块和滤波模块，其中两路差分放大模块与双自由度角度传感器信号连接，滤波模块则与带无线发射的信号采集模块信号连接。为了使本发明的使用更加可靠，本发明还包括有用于保护双自由度角度传感器不受损坏的电路保护模块。
如图2及图3所示，双自由度角度传感器的两端A、B，分别安装在两条柔性绑带上。如图4所示，两条柔性绑带分别绑在人体踝关节上端、外侧、小腿末端的位置和踝关节下端、脚掌中间、外侧的位置，且两条柔性绑带之间的使用长度及安装位置可根据不同人踝关节实际大小的情况进行调整。双自由度角度传感器通过A、B端之间的相对位置（图2和图3中的 和）来反应与角度相关的电信号。此外，双自由度角度传感器亦可直接安装在踝关节旋转轴上，直接测出踝关节的旋转角度。
信号处理模块对双自由度角度传感器传来的微弱电信号进行滤波放大处理，信号采集模块实时采集处理过的电信号，并通过无线的形式发送给连接在PC端的无线接收模块，PC处理显示模块上的处理软件对接收来的数据进行分析处理，最终显示出踝关节背屈、跖屈、内翻、外翻的角度。
位于各个区域的应力压力传感器输出的电信号经常选择处理后直接通过微处理器的AD采集模块进行处理，转化为有关压力的信号通过上述微处理器的无线发射模块发送给主机，供主机进一步的分析使用，主机因实际需求而选择。
本发明的工作原理是：启动踝关节角度测量系统的软件部分，并打开硬件部分电源，将双自由度角度传感器的两端正确放置在传感器校准模板上，在软件里对双自由度角度传感器测量的角度值进行绝对0点校准。校准完成后，将双自由度角度传感器的两端A、B,分别安装在两个条柔性绑带的安装槽上。选定要测量的踝关节，如图4所示，将装有角度传感器A端的柔性绑带安装在踝关节的上端，传感器A端对准踝关节上端、外侧、小腿末端的位置，传感器B端对准踝关节下端、脚掌中间、外侧的位置。依据不同人踝关节的大小情况，调节柔性绑带的使用长度和位置，并绑紧。亦或者将角度传感器安装在踝关节的旋转轴上（如图2和图3中圆圈位置），直接反映踝关节角度。所选用的角度传感器具有响应快速、灵敏、测量精度高的特点，能够反映出踝关节在矢状面和水平面内与角度相关的电信号，同时该角度传感器轻巧、体积小，不会对人体造成不适感，更不会妨碍踝关节的速运动。
双自由度角度传感器以及处理电路的工作电压均为5V直流电，硬件部分正常工作的情况下绿色提示灯会常亮，如果不正常工作，则红色提示灯会亮起。开始测量后，角度传感器的两端跟随踝关节的运动而运动，相对于校准后的绝对0点有一个相对位移，产生相应大小的电信号。角度传感器能测量两个自由度方向上的角度，因此会产生两路与角度相关的该电信号，两路电信号先后经过一级差分放大和二级单端放大，然后进行滤波处理，由无线发射模块将处理后的两路电信号（数据）发送到连接在PC上的无线接收模块（如图5所示）。电路具有过压保护的功能，能有效保护角度传感器不受损坏。
对数据在测量软件上设置工作参数，包括要测量的踝关节（左或右）和校准模式（绝对或人工），软件读取无线接收模块的数据，对设置的参数进行判定，再对数据进行分析，判断数据是否异常。如果数据异常，则亮起异常提示灯，提醒检查角度传感器的安装位置和参数的设置是否正确，如果数据正常，再将数据按相应的计算公式换算成的踝关节角度，并显示出来。如需要用到人工校准模式，绝对校准之后，在测量软件上选择人工校准选项，即以踝关节当前所处的位置为新的0参考点，方便在不同体态下的测量。测量软件还带有角度传感器性能评估的功能，能计算出传感器测量数据的平均误差、标准差等性能评估指标。如图6所示，为本发明的软件处理流程图。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (3)
1.一种踝关节角度测量系统，其特征在于包括电源模块及依次通过信号连接的一个高灵敏度的双自由度角度传感器、一个信号处理模块、一个带无线发射的信号采集模块、一个无线接收模块和一个PC处理显示模块，其中所述双自由度角度传感器安装在两条相互连接的长度可调的柔性绑带上，且所述双自由度角度传感器通过一个传感器校准模板实现校准。
2.根据权利要求1所述踝关节角度测量系统，其特征在于上述信号处理模块包括依次通过信号连接的两路差分放大模块、两路二级放大模块和滤波模块，其中所述两路差分放大模块与双自由度角度传感器信号连接，所述滤波模块与带无线发射的信号采集模块信号连接。
3.根据权利要求1所述踝关节角度测量系统，其特征在于还包括有用于保护双自由度角度传感器不受损坏的电路保护模块。
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