CN106419929B - 帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置 - Google Patents

帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置。它包括可穿戴式无线人体三维关节角度采集设备、内置于设备内部的信号采集处理与通信系统、上位收集数据单元以及电脑端实时显示与存储软件。本系统用于测量健全人或帕金森病患者的关节运动数据，通过对采集数据的处理，可以自动评估出受试者是否患有帕金森病，并可以对帕金森病患者姿态平衡稳定性进行量化分级，有助于诊断帕金森病的患病程度，为患者康复治疗提供准确的数据支持。关节角度采集设备穿戴于人体各个主关节上，通过完成指定的实验动作，完成患病评估。其可穿戴式的特点具有更强的环境适应性和实用性。

Description

帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置
技术领域
本发明涉及一种帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，属于医疗检测与评估技术领域。
背景技术
帕金森病（Parkinson’s Disease，PD），又名帕金森综合征，是世界上第二大常见的神经系统退化疾病，也是一种临床常见的老年神经进行性疾病。帕金森病的症状通常出现在60岁左右，它影响着65岁以上近2%的老人，每年新发病例近十万人。全球大概有一千万的人被诊断出患有该病， 400万患者中有170-220万人在中国，并且还呈现出年轻化趋势，预计到2030年中国帕金森病患者将达到500万。帕金森病已严重影响患者的日常生活质量，对社会和家庭带来的巨大的压力。
帕金森病是由多巴胺能神经元进行性缺失、死亡所致，临床主要表现为静止性震颤、肌强直、动作迟缓及姿势平衡障碍等。其中姿势平衡障碍指的是人体平衡能力出现障碍，如姿势不稳和步态失调等，轻度平衡机能障碍导致步行困难，中度障碍导致无法站立，重度障碍导致无法坐立。姿势平衡障碍威胁着帕金森病患者的生活独立性和品质，增加了跌倒的风险和跌倒后的伤害。
目前常用的平衡性和步态的临床评估方法，多为医生测量的量表，在评估阶段具有个体差异性和医生的主观性，尚缺乏客观性、标准性和高精度的测量方法。同时对帕金森病患者也缺乏跌倒风险的识别方法。可穿戴式传感器可为研究人员和临床医生提供一种客观的评估工具。
因此，亟需设计一种帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，以实现对患者病情的诊断，并为医生对患者病情诊断和康复提供依据。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，设计一种帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，该装置可定量的检测和评估帕金森病患者的姿势平衡相关参数，为医生提供患者的平衡能力评估的参考，并预测出跌倒事故和发出提示警告，为患者减少跌倒事故。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，包括帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，包括8个信号采集处理与通信系统、一个上位收集数据单元以及一个电脑端，其特征在于：所述信号采集系统处理与通信系统无线通信连接上位收集数据单元，上位收集数据单元连接电脑端；每一个信号采集处理与通信系统是由一个电源管理模块连接一个运动参数测量模块、一个控制器模块和一个无线通信模块，并且运动参数测量模块经微控制器模块连接无线通信模块构成；该系统内置于一个可穿戴式无线人体三维关节角度采集设备本体中。所述三维关节角度采集设备本体包括信号采集处理与通信系统的电路安装盒和弹性绑带；所述电路安装盒紧贴在人体胸前、腰前、左右两侧大腿的近膝关节的股骨前侧、左右两侧小腿的近踝关节的胫骨前侧、左右两侧脚背，用于采集人体骨骼运动参数；所述弹性绑带紧贴在人体骨骼上，电路安装盒紧固在弹性绑带上。
进一步地，所述信号采集处理与通信系统，由运动参数测量模块、电源管理模块、微控制器模块、无线通信模块组成。所述运动参数测量模块，用于实时测量所穿戴处骨骼的运动参数，包括骨骼运动的3轴加速度、3轴角速度、地磁场3轴分矢量；电源管理模块，用于管理锂电池工作，防止锂电池过充电、过放电、过电流及短路，并稳压出系统供电电源；所述微控制器模块，用于获取运动参数测量模块采集到的9轴运动参数及控制其采集频率，并通过算法处理计算出相对于地理坐标系的姿态角度，包括航偏角、俯仰角和翻滚角，还通过模数转换获取当前锂电池剩余电量；所述无线通信模块，用于将设备编号、采集数据时间、人体运动参数及姿态角、锂电池剩余电量等数据通过无线的方式发送给上位收集数据单元。
进一步地，在对帕金森患者进行数据信号采集时，需要将患者站立时的下肢进行简化，并建立刚体模型；由腰部的传感器所产生的前后摇晃角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
和左右摇晃角
Figure 56637DEST_PATH_IMAGE002
来推算出腰部处的前后摇摆距离Dx和左右摇摆距离Dy：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 973777DEST_PATH_IMAGE004
为腰部传感器到地面的实际高度。但是人体站立的过程需要通过踝关节和膝关节不断调整来保持身体的平衡；因此是一个不断调整的过程，需要通过小腿长和小腿角度
Figure 86407DEST_PATH_IMAGE006
、大腿长
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
和大腿角度
Figure 339927DEST_PATH_IMAGE008
对
Figure 100073DEST_PATH_IMAGE004
的值进行补偿。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
其中为COM处传感器到地面的测量高度，即腰高。
进一步地，所述上位收集数据单元，由无线通信模块、微控制器模块、USB通信模块组成。所述无线通信模块，用于收集所有下位三维关节角度采集设备回传的数据；微控制模块，用于获取回传的数据，并将数据打包加密通过USB接口发送给电脑端；USB通信模块，作为连接上位收集数据单元和电脑端的中间媒介，方便数据发送给电脑端，以便完成后续的数据分析和存储。
进一步地，所述运动参数测量模块为9轴姿态传感器，包括3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴地磁场分矢量。
进一步地，所述电源管理模块采用管理锂电池充电放电保护等功能的芯片。
进一步地，所述微控制器采用STM32系列微控制器。
进一步地，所述无线通信模块采用WIFI模块或2.4G无线通信模块。
与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，可用于测量健全人或帕金森病患者的关节运动数据，通过算法处理采集数据，可以自动评估出受试者是否患有帕金森病，并可以对帕金森病患者姿态平衡稳定性进行量化分级，有助于诊断帕金森病的患病程度，为患者康复治疗提供准确的数据支持。关节角度采集设备穿戴于指定的人体关节上，通过完成指定的实验动作，完成患病评估。而且，该设备具有质量轻、可穿戴的特点，对进行受试者无创诊断，还具有预警跌倒的作用，减少了人工评估的步骤和误诊的几率。
附图说明
图1是本发明所述的三维关节角度采集设备本体的结构示意图。
图2是本发明所述的可穿戴设备绑定人体的结构示意图。
图3是本发明所述的内置于设备本体的信号采集处理与通信系统的结构示意图。
图4是本发明所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置的结构示意图。
图5是本发明所述的简单式人体下肢刚体模型。
图6是本发明所述的补偿式人体下肢刚体模型。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
实施例一：
参见图4、图3、图2和图1，本帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，包括8个信号采集处理与通信系统（12）、一个上位收集数据单元（13）以及一个电脑端（14），其特征在于：所述信号采集系统处理与通信系统（12）无线通信连接上位收集数据单元（13），上位收集数据单元（13）连接电脑端（14）；每一个信号采集处理与通信系统（12）是由一个电源管理模块（12-1）连接一个运动参数测量模块（12-2）、一个控制器模块（12-3）和一个无线通信模块（12-4），并且运动参数测量模块（12-2）经微控制器模块（12-3）连接无线通信模块（12-4）构成；该系统内置于一个可穿戴式无线人体三维关节角度采集设备本体中。所述三维关节角度采集设备本体包括信号采集处理与通信系统的电路安装盒（1）和弹性绑带（2）；所述电路安装盒紧贴在人体胸前（4）、腰前（5）、左右两侧大腿的近膝关节的股骨前侧（6）（7）、左右两侧小腿的近踝关节的胫骨前侧（8）（9）、左右两侧脚背（10）（11），用于采集人体骨骼运动参数；所述弹性绑带（2）紧贴在人体骨骼上，电路安装盒（1）紧固在弹性绑带（2）上。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述信号采集处理与通信系统（12），由运动参数测量模块（12-2）、电源管理模块（12-1）、微控制器模块（12-3）、无线通信模块（12-4）组成。所述运动参数测量模块（12-2），用于实时测量所穿戴处骨骼的运动参数，包括骨骼运动的3轴加速度、3轴角速度、地磁场3轴分矢量；电源管理模块（12-1），用于管理锂电池工作，防止锂电池过充电、过放电、过电流及短路，并稳压出系统供电电源；所述微控制器模块（12-3），用于获取运动参数测量模块采集到的9轴运动参数及控制其采集频率，并通过算法处理计算出相对于地理坐标系的姿态角度，包括航偏角、俯仰角和翻滚角，还通过模数转换获取当前锂电池剩余电量；所述无线通信模块（12-4），用于将设备编号、采集数据时间、人体运动参数及姿态角、锂电池剩余电量等数据通过无线的方式发送给上位收集数据单元（13）。
实施例三：本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：
所述上位收集数据单元（13），由无线通信模块（13-1）、微控制器模块（13-2）、USB通信模块（13-3）组成。所述无线通信模块（13-1），用于收集所有下位三维关节角度采集设备回传的数据；微控制模块（13-2），用于获取回传的数据，并将数据打包加密通过USB接口发送给电脑端；USB通信模块（13-3），作为连接上位收集数据单元和电脑端的中间媒介，方便数据发送给电脑端（14），以便完成后续的数据分析和存储。
所述运动参数测量模块（12-2）为9轴姿态传感器，包括3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴地磁场分矢量。
所述电源管理模块（12-1）采用管理锂电池充电放电保护等功能的芯片。
所述微控制器（12-3）采用STM32系列微控制器。
所述无线通信模块（12-4）采用WIFI模块或2.4G无线通信模块。
上述帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，其诊断与评估的实现方式是：所述可穿戴式无线人体三维关节角度采集设备本体通过弹性绑带（1）穿戴于受试者图2所示的身体部位，受试者还需要完成以下制定的动作：双手环抱于胸前，两脚分开自然站立5秒，两脚合拢站立5秒，正步方式抬起右腿静止5秒，正步方式抬起左腿静止5秒，从无扶手椅子上站立，正常直行5米，90度右转，正常直行5米，180度右转，正常直行5米， 90度左转，正常直行5米，180度右转，静止结束这一整套制定的实验动作，8个信号采集处理与通信系统（12）将受试者的关节运动数据以无线通信方式发送至上位收集数据单元（13），并将数据整合完毕再一次转发给电脑端（14），通过电脑的评估软件，对受试者的运动参数做出评估，作为医生诊断患者的参考。
上述帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，可用于测量健全人或帕金森病患者的关节运动数据，通过算法处理采集数据，可以自动评估出受试者是否患有帕金森病，并可以对帕金森病患者姿态平衡稳定性进行量化分级，有助于诊断帕金森病的患病程度，为患者康复治疗提供准确的数据支持。关节角度采集设备穿戴于指定的人体关节上，通过完成指定的实验动作，完成患病评估。而且，该设备具有质量轻、可穿戴的特点，对进行受试者无创诊断，还具有预警跌倒的作用，减少了人工评估的步骤和误诊的几率。

Claims (8)

1.一种帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，包括8个信号采集处理与通信系统（12）、一个上位收集数据单元（13）以及一个电脑端（14），其特征在于：所述信号采集处理与通信系统（12）无线通信连接上位收集数据单元（13），上位收集数据单元（13）连接电脑端（14）；每一个信号采集处理与通信系统（12）是由一个电源管理模块（12-1）连接一个运动参数测量模块（12-2）、一个第一控制器模块（12-3）和一个第一无线通信模块（12-4），并且运动参数测量模块（12-2）经第一控制器模块（12-3）连接第一无线通信模块（12-4）构成；每个信号采集处理与通信系统（12）分别内置于一个可穿戴式无线人体三维关节角度采集设备本体中；所述三维关节角度采集设备本体包括信号采集处理与通信系统的电路安装盒（1）和弹性绑带（2）；所述电路安装盒紧贴在人体胸前（4）、腰前（5）、左右两侧大腿的近膝关节的股骨前侧（6、 7）、左右两侧小腿的近踝关节的胫骨前侧（8、 9）、左右两侧脚背（10、11），用于采集人体骨骼运动参数；所述弹性绑带（2）紧贴在人体骨骼上，电路安装盒（1）紧固在弹性绑带（2）上；
在对帕金森患者进行数据信号采集时，需要将患者站立时的下肢进行简化，并建立刚体模型；由腰部的传感器所产生的前后摇晃角φ和左右摇晃角θ来推算出腰部处的前后摇摆距离和左右摇摆距离
Figure 845113DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 771481DEST_PATH_IMAGE004
Figure 117011DEST_PATH_IMAGE006
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为腰部传感器到地面的实际高度；但是人体站立的过程需要通过踝关节和膝关节不断调整来保持身体的平衡；因此是一个不断调整的过程，需要通过小腿长
Figure 65562DEST_PATH_IMAGE008
和小腿角度
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、大腿长
Figure 530041DEST_PATH_IMAGE010
和大腿角度
Figure DEST_PATH_IMAGE011
对
Figure 526816DEST_PATH_IMAGE007
的值进行补偿；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure DEST_PATH_IMAGE015
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中
Figure 848076DEST_PATH_IMAGE018
为腰部的传感器到地面的测量高度，从而得到腰高测量值；所述
Figure DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 930301DEST_PATH_IMAGE020
分别为小腿长和大腿长在竖直方向上的投影长度。
2.如权利要求1所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，其特征在于：所述运动参数测量模块（12-2），用于实时测量所穿戴处骨骼的运动参数，包括骨骼运动的3轴加速度、3轴角速度、地磁场3轴分矢量；电源管理模块（12-1），用于管理锂电池工作，防止锂电池过充电、过放电、过电流及短路，并稳压出系统供电电源；所述第一控制器模块（12-3），用于获取运动参数测量模块采集到的9轴运动参数及控制其采集频率，并通过算法处理计算出相对于地理坐标系的姿态角度，包括航偏角、俯仰角和翻滚角，还通过模数转换获取当前锂电池剩余电量；所述第一无线通信模块（12-4），用于将所述人体三维关节角度采集设备编号、采集数据时间、人体运动参数、锂电池剩余电量数据通过无线的方式发送给上位收集数据单元（13）；所述上位收集数据单元（13），由第二无线通信模块（13-1）、第二控制模块（13-2）、USB通信模块（13-3）组成；所述第二无线通信模块（13-1），用于收集所有信号采集处理与通信系统回传的数据；第二控制模块（13-2），用于获取回传的数据，并将数据打包加密通过USB接口发送给电脑端；USB通信模块（13-3），作为连接上位收集数据单元和电脑端的中间媒介，方便数据发送给电脑端（14），以便完成后续的数据分析和存储。
3.如权利要求2所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，其特征在于：所述运动参数测量模块（12-2）为9轴姿态传感器，包括3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴地磁场分矢量计。
4.如权利要求2所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，其特征在于：所述电源管理模块（12-1）采用管理锂电池充电放电保护功能的芯片。
5.如权利要求2所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，其特征在于：所述第一控制器模块（12-3）采用STM32系列微控制器。
6.如权利要求1所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，其特征在于：下肢运动参数传感器模块设置于左右两侧小腿的近踝关节的胫骨前侧（8、9）、左右两侧脚背（10、11），所述下肢运动参数传感器模块为6轴姿态传感器，包括3轴加速度计和3轴陀螺仪，用于检测患者行走时脚踝部位的角度信息和加速度信息。
7.如权利要求2所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，其特征在于：所述第一无线通信模块（12-4）采用WIFI模块或2.4G无线通信模块。
8.如权利要求2所述的帕金森病患者姿态平衡稳定性的定量检测装置，其特征在于：所述上位收集数据单元（13）为智能手机或平板电脑。
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