CN105286804B - 一种可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，包括空心圆筒状的装置本体，设置于装置本体上的表面肌电检测模块、压力检测模块、膝关节角度检测模块和数据传输模块；表面肌电检测适于对股四头肌和腘绳肌的表面肌电信号进行采集处理，得到肌肉收缩过程中的表面肌电数据；压力检测模块适于对下肢与接触面的压力进行检测处理，得到下肢与接触面的压力数据；膝关节角度检测模块适于对膝关节屈伸过程中关节角度进行检测处理，得到膝关节屈伸过程中关节角度数据；数据传输模块对应于股骨外侧踝位置设置，将表面肌电数据、压力数据和关节角度数据实时传输到数据分析终端。本发明适于对尚不具备步行能力而只能爬行的婴幼儿进行膝爬运动生理参数检测。
Description
技术领域
本发明属于婴幼儿生理参数检测领域，具体涉及一种可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置。
背景技术
步态分析系统，是检测人肢体宏观运动最常用的设备，主要用于检测动物神经中枢，指导动物身体四肢运动的行为检测装置，动物在步态运动的区域上运动时，运动姿态，及四肢的反应情况，通过计算机采集一系列数据，作为研究康复运动的科研仪器。
作为步态分析系统的三维步态分析系统，其主要由三维动作捕捉系统、三维测力台、无线表面肌电仪、足底压力组成。三维步态分析系统采集人体在步行过程中各个关节点的精确三维坐标，足底与支撑面之间的压力(垂直、左右、前后三个方向的力)，并结合表面肌电系统采集的肌电信号，通过专业的步态分析软件进行三维重建与模型分析，从而得到人体运动时的步态参数。
但是，本发明的发明人经过研究发现，现有的三维步态分析系统，是适于对具备步行能力的儿童及成人进行实时检测分析的系统，且已用于临床儿童及成人步态分析；但对于不具备步行能力而只能爬行的婴幼儿，目前尚没有一种能客观、实时检测和分析其运动过程生理参数的装置。
发明内容
针对现有技术中的三维步态分析系统是适于对具备步行能力的儿童及成人步行功能进行实时检测分析的系统，而对于不具备步行能力而只能爬行的婴幼儿不适用的技术问题，本发明提供一种可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，包括呈空心圆筒状的装置本体，以及设置于所述装置本体上的表面肌电检测模块、压力检测模块、膝关节角度检测模块和数据传输模块；其中，
所述表面肌电检测模块对应于大腿处设置，适于对股四头肌和腘绳肌的表面肌电信号进行采集处理，得到肌肉收缩过程中的表面肌电数据，并将该表面肌电数据传输到数据传输模块；
所述压力检测模块对应于膝盖与地面接触位置设置，适于对下肢与接触面的压力进行检测处理，得到下肢与接触面的压力数据，并将该压力数据传输到数据传输模块；
所述膝关节角度检测模块对应于腘窝处设置，适于对膝关节屈伸过程中关节角度进行检测处理，得到膝关节屈伸过程中关节角度数据，并将该关节角度数据传输到数据传输模块；
所述数据传输模块对应于股骨外侧踝位置设置，适于将所述表面肌电数据、压力数据和关节角度数据实时传输到数据分析终端。
本发明提供的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，当穿戴后，表面肌电检测模块可对股四头肌和腘绳肌的表面肌电信号进行检测，压力检测模块可对下肢与接触面的压力进行检测，膝关节角度检测模块可对膝关节屈伸过程中关节角度进行检测，然后通过数据传输模块将分别检测到的表面肌电数据、压力数据和关节角度数据实时传输到数据分析终端进行分析，因此该检测装置可适于不具备步行能力的婴幼儿，即该检测装置适用于对不具备步行能力而只能爬行的婴幼儿进行膝爬运动生理参数检测，并对运动过程中的生理参数能客观、实时检测和分析。
进一步，所述表面肌电检测模块包括：用于采集股四头肌和腘绳肌表面肌电信号的表面肌电采集电极，以及依次对所述表面肌电信号进行处理的前级放大电路、滤波电路、50Hz工频陷波电路、电平抬升电路和模数转换器。
进一步，所述压力检测模块包括可将压力转换为电压模拟信号的压力传感器，以及对所述电压模拟信号进行模数转换的模数转换器。
进一步，所述压力传感器选用Interlink Electronics公司生产的型号为FSR406的压力传感器。
进一步，所述膝关节角度检测模块包括：可贴附于腘窝处的弹性基底，均匀涂抹于该弹性基底上并可利用应变效应将膝关节屈伸引起的形变转换为电阻变化的纳米金线材料，以及依次对纳米金线材料引起的电阻变化进行处理的电桥电路、放大电路和模数转换器。
进一步，所述弹性基底为PET或橡胶。
进一步，所述弹性基底的厚度为3-5毫米，纳米金线材料的厚度为0.3-0.5毫米。
进一步，所述表面肌电数据、压力数据和关节角度数据均通过SPI传输到数据传输模块。
进一步，所述数据传输模块为无线数据传输模块或有线数据传输模块。
进一步，所述无线数据传输模块为蓝牙传输模块。
附图说明
图1是本发明提供的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置原理示意图。
图2是本发明提供的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置结构示意图。
图3是本发明提供的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置使用状态示意图。
图中，1、装置本体；2、表面肌电检测模块；21、表面肌电采集电极；22、表面肌电信号处理电路；3、压力检测模块；31、压力传感器；32、压力信号处理电路；4、膝关节角度检测模块；41、膝关节角度传感器；42、膝关节角度信号处理电路；5、数据传输模块。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1和图2所示，本发明公开一种可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，包括呈空心圆筒状的装置本体1，以及设置于所述装置本体1上的表面肌电检测模块2、压力检测模块3、膝关节角度检测模块4和数据传输模块5；其中，
所述表面肌电检测模块2对应于大腿处设置，适于对股四头肌和腘绳肌的表面肌电信号进行采集处理，得到肌肉收缩过程中的表面肌电数据，并将该表面肌电数据传输到数据传输模块5；
所述压力检测模块3对应于膝盖与地面接触位置设置，适于对下肢与接触面的压力进行检测处理，得到下肢与接触面的压力数据，并将该压力数据传输到数据传输模块5；
所述膝关节角度检测模块4对应于腘窝处设置，适于对膝关节屈伸过程中关节角度进行检测处理，得到膝关节屈伸过程中关节角度数据，并将该关节角度数据传输到数据传输模块5；
所述数据传输模块5对应于股骨外侧踝位置设置，适于将所述表面肌电数据、压力数据和关节角度数据实时传输到数据分析终端。
本发明提供的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，当穿戴后，表面肌电检测模块可对股四头肌和腘绳肌的表面肌电信号进行检测，压力检测模块可对下肢与接触面的压力进行检测，膝关节角度检测模块可对膝关节屈伸过程中关节角度进行检测，然后通过数据传输模块将分别检测到的表面肌电数据、压力数据和关节角度数据实时传输到数据分析终端进行分析，因此该检测装置可适于不具备步行能力的婴幼儿，即该检测装置适用于对不具备步行能力而只能爬行的婴幼儿进行膝爬运动生理参数检测，并对运动过程中的生理参数能客观、实时检测和分析。
作为具体实施例，所述装置本体1的外观呈空心圆筒状，由柔软材质制成，类似于护膝，便于穿戴。
作为具体实施例，请参考图3所示，所述表面肌电检测模块2包括：用于采集股四头肌和腘绳肌表面肌电信号的表面肌电采集电极21，以及对所述表面肌电信号进行处理的表面肌电信号处理电路22，该表面肌电信号处理电路22包括依次连接的前级放大电路、滤波电路、50Hz工频陷波电路、电平抬升电路和模数转换器。具体地，所述表面肌电采集电极21贴附于目标肌肉股四头肌和腘绳肌的表面，分别用于采集股四头肌和腘绳肌的表面肌电信号，该表面肌电信号依次经过前级放大电路、滤波电路、50Hz工频陷波电路、电平抬升电路和模数转换器进行处理后，得到肌肉收缩过程中的表面肌电数据，并将该数据通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)传输到数据传输模块5；其中，所述前级放大电路、滤波电路、50Hz工频陷波电路、电平抬升电路和模数转换器已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。作为一种实施方式，所述表面肌电采集电极21具体可以选择JK-1型一次性心电电极，其材料通常为银/氯化银，采集性能良好；同时，一次性采集电极使用方便，适用于婴幼儿生理信号检测。
作为具体实施例，请参考图3所示，所述压力检测模块3包括可将压力转换为电压模拟信号的压力传感器31，以及对所述电压模拟信号进行处理的压力信号处理电路32，该压力信号处理电路32具体采用模数转换器，通过该模数转换器对所述电压模拟信号进行模数转换。具体地，所述压力传感器31选用Interlink Electronics公司生产的FSR压力传感器，该公司的FSR是一种聚合体薄膜，施加在FSR压力传感器薄膜区域的压力值变化能够转换成电阻值的变化，压力越大，电阻越低，从而获取压力信息。本发明的发明人经过研究后认为，考虑到婴幼儿肢体较小，为了增加接触面积，优先选用面积较大的FSR406型压力传感器。FSR压力传感器将压力转换为电信号，具体通过电阻值变化转换为电压模拟信号，再经过模数转换器转换后，得到下肢与接触面的压力数据，并将该数据通过SPI传输到数据传输模块5。
作为具体实施例，请参考图3所示，所述膝关节角度检测模块4包括膝关节角度传感器41和膝关节角度信号处理电路42，所述膝关节角度传感器41包括可贴附于腘窝处的弹性基底，均匀涂抹于该弹性基底上并可利用应变效应将膝关节屈伸引起的形变转换为电阻变化的纳米金线材料；所述膝关节角度信号处理电路42包括依次对纳米金线材料引起的电阻变化进行处理的电桥电路、放大电路和模数转换器。具体地，纳米金线材料(goldnanowires)的电阻值可随其形变程度而发生改变，利用这种应变效应，即通过超薄纳米金线材料的形变来检测膝关节的屈伸。作为一种实施方式，将纳米金线材料均匀涂抹于弹性基底上，然后将弹性基底贴附于FSR压力传感器(即膝盖)对侧的腘窝处，膝关节的弯曲会带来弹性基底上纳米金线材料的屈曲形变，进而引起其电阻的增大；相反的，膝关节的伸展会带来基底上纳米金线材料伸展复原，进而引起其电阻的相应减小。这种电阻的变化经过电桥电路后引起输出电压的改变，该输出电压再经过放大电路和模数转换器处理后，得到膝关节屈伸过程中关节角度数据，并将该数据通过SPI传输到数据传输模块5。其中，所述电桥电路、放大电路和模数转换器已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
作为具体实施例，所述弹性基底为耐折性好、回弹性好的PET或橡胶等，由此可以更好地与腘窝处表面进行配合，贴附更紧密。
作为具体实施例，所述弹性基底的厚度为3-5毫米，纳米金线材料的厚度为0.3-0.5毫米，由此可以有效提高屈伸检测灵敏度，适用于不规则运动较多的婴幼儿爬行。
作为具体实施例，所述数据传输模块14选用无线数据传输模块或有线数据传输模块；其中，所述无线数据传输模块可以采用蓝牙传输模块或Wifi传输模块等，所述有线传输模块可以选用专用数据传输线等。优选地，所述无线数据传输模块14为蓝牙传输模块，蓝牙是一种开放性的技术规范，工作在全球通用的2.4GHz频段即ISM频段，可实现短距离无线通信，通过蓝牙同步，可以实时将采集到的表面肌电数据、压力数据和关节角度数据实时传输到数据分析终端例如PC机中。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，其特征在于，包括呈空心圆筒状的装置本体，以及设置于所述装置本体上的表面肌电检测模块、压力检测模块、膝关节角度检测模块和数据传输模块；其中，
所述表面肌电检测模块对应于大腿处设置，适于对股四头肌和腘绳肌的表面肌电信号进行采集处理，得到肌肉收缩过程中的表面肌电数据，并将该表面肌电数据传输到数据传输模块；
所述压力检测模块对应于膝盖与地面接触位置设置，适于对下肢与接触面的压力进行检测处理，得到下肢与接触面的压力数据，并将该压力数据传输到数据传输模块；
所述膝关节角度检测模块对应于腘窝处设置，适于对膝关节屈伸过程中关节角度进行检测处理，得到膝关节屈伸过程中关节角度数据，并将该关节角度数据传输到数据传输模块；
所述数据传输模块对应于股骨外侧踝位置设置，适于将所述表面肌电数据、压力数据和关节角度数据实时传输到数据分析终端；
所述膝关节角度检测模块包括：可贴附于腘窝处的弹性基底，均匀涂抹于该弹性基底上并可利用应变效应将膝关节屈伸引起的形变转换为电阻变化的纳米金线材料，以及依次对纳米金线材料引起的电阻变化进行处理的电桥电路、放大电路和模数转换器；
所述弹性基底的厚度为3-5毫米，纳米金线材料的厚度为0.3-0.5毫米。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，其特征在于，所述表面肌电检测模块包括：用于采集股四头肌和腘绳肌表面肌电信号的表面肌电采集电极，以及依次对所述表面肌电信号进行处理的前级放大电路、滤波电路、50Hz工频陷波电路、电平抬升电路和模数转换器。
3.根据权利要求1所述的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，其特征在于，所述压力检测模块包括可将压力转换为电压模拟信号的压力传感器，以及对所述电压模拟信号进行模数转换的模数转换器。
4.根据权利要求3所述的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，其特征在于，所述压力传感器选用Interlink Electronics公司生产的型号为FSR406的压力传感器。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，其特征在于，所述弹性基底为PET或橡胶。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，其特征在于，所述表面肌电数据、压力数据和关节角度数据均通过SPI传输到数据传输模块。
7.根据权利要求1所述的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，其特征在于，所述数据传输模块为无线数据传输模块或有线数据传输模块。
8.根据权利要求7所述的可穿戴式膝爬运动生理参数检测装置，其特征在于，所述无线数据传输模块为蓝牙传输模块。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181130 Termination date: 20191204 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |