CN109171657A - 髌骨健康状态实时感知与诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感知与诊断系统，尤其是一种髌骨健康状态实时感知与诊断系统，属于髌骨诊断的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述髌骨健康状态实时感知与诊断系统，包括能置于待诊断髌骨部位的惯性传感器组以及与所述惯性传感器组电连接的感知诊断处理器，所述惯性传感器组包括至少一个惯性传感器，所述惯性传感器组能将所检测髌骨的振动信号传输至感知诊断处理器内，感知诊断处理器根据髌骨的振动信号判断并输出髌骨是否健康。本发明能帮助医生快速准确地对髌骨健康状态进行诊断，减少诊疗费用，操作简单，缩短诊断时间，使用方便，安全可靠。

Description

髌骨健康状态实时感知与诊断系统

技术领域

本发明涉及一种感知与诊断系统，尤其是一种髌骨健康状态实时感知与诊断系统，属于髌骨诊断的技术领域。

背景技术

目前，市场上越来越多人遭受髌骨疼痛的折磨，可市场上至今还没有切实有效的诊断设备能快速准确诊病人的病因。

在对髌骨健康状态进行诊断时，目前多采用X射线、CT检查以及核磁共振的方式。X射线是穿透性很强的射线，通过使用X射线对人体内部进行透视或摄影进行检查，X射线的诊断原理是在穿透人体不同组织结构时，由于被吸收的程度不同，到达荧屏或胶片上的X线量有差异，形成明暗或黑白对比不同的影响。

CT检查的原理与X线检查类似，不同的是X线对人体某部进行断层扫描，获得人体被检部位的断面或立体图像，通过电脑计算后处理为二次成像。而CT检查扫描速度快，器官和结构显影清晰，广泛应用于临床。但是，CT检查的费用比X线摄片贵，而且辐射剂量通常高于单次X射线摄片。

磁共振成像是指在特殊的磁场中，利用磁共振现象所产生的信号重建人体图像的成像技术，它没有放射辐射，没有骨性伪影，能多方面、多参数成像，具有高度的软组织分辨能力。缺点费用相对比较昂贵，检查时间比较长，大约需要半小时。

X射线成像，计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)为无创检测主要是软骨病变(如果存在严重缺陷)提供了一些希望，但对功能完整性(如软化，硬度，和裂隙)软骨诊断作用没有多大意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种髌骨健康状态实时感知与诊断系统，其能帮助医生快速准确地对髌骨健康状态进行诊断，减少诊疗费用，操作简单，缩短诊断时间，使用方便，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述髌骨健康状态实时感知与诊断系统，包括能置于待诊断髌骨部位的惯性传感器组以及与所述惯性传感器组电连接的感知诊断处理器，所述惯性传感器组包括至少一个惯性传感器，所述惯性传感器组能将所检测髌骨的振动信号传输至感知诊断处理器内，感知诊断处理器根据髌骨的振动信号判断并输出髌骨是否健康。

髌骨的非健康状态包括髌骨健康、关节软骨退化、半月板病以及软骨软化症；

感知诊断处理器分析髌骨振动信号的频率能量范围，当髌骨振动信号不存在频率能量集中时，感知诊断处理器判断髌骨的健康状态为髌骨健康；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为300Hz～600Hz时，感知诊断处理器判断髌骨的非健康状态为关节软骨退化；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为0～200Hz时，感知诊断处理器判断髌骨的非健康状态为半月板病；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为0～100Hz时，感知诊断处理器判断髌骨的非健康状态为软骨软化症。

还包括获取髌骨振动时声音的声音传感器组，所述声音传感器组包括至少为一个声音传感器，所述声音传感器组与感知诊断处理器电连接，所述声音传感器组能将采集髌骨振动产生的声音信号传输至感知诊断处理器内，感知诊断处理器根据振动信号以及声音信号判断并输出髌骨是否健康。

还包括用于测量髌骨弯曲角度的角速度传感器组，所述角速度传感器组包括至少一个角速度传感器，所述角速度传感器组与感知诊断处理器电连接，角速度传感器组能将采集髌骨弯曲的角速度信号传输至感知诊断处理器内，感知诊断处理器能根据振动信号、声音信号以及角速度信号判断并输出髌骨是否健康。

还包括用于采集髌骨所受压力的压力传感器组，所述压力传感器组包括至少一个压力传感器，所述压力传感器组与感知诊断处理器电连接，压力传感器组能将采集髌骨所受的压力信号传输至感知诊断处理器内，感知诊断处理器能根据振动信号、声音信号、角速度信号以及压力信号判断并输出髌骨是否健康。

本发明的优点：利用惯性传感器组采集振动信号，利用声音传感器组采集声音信号，利用压力传感器组采集压力信号，利用角速度传感器组采集角速度信号，感知诊断处理器能利用振动信号、声音信号、压力信号以及角速度信号判断髌骨的健康状态，从而能帮助医生快速准确地对髌骨健康状态进行诊断，减少诊疗费用，操作简单，缩短诊断时间，使用方便，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明的结构框图。

附图标记说明：1-惯性传感器、2-声音传感器、3-压力传感器、4-角速度传感器、5-待检髌骨、6-感知诊断处理器、7-惯性传感器组、8-声音传感器组、9-压力传感器组以及10-角速度传感器组。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示：为了为了快速准确地对髌骨健康状态进行诊断，减少诊疗费用，操作简单，缩短诊断时间，本发明包括能置于待诊断髌骨部位的惯性传感器组7以及与所述惯性传感器组7电连接的感知诊断处理器6，所述惯性传感器组7包括至少一个惯性传感器1，所述惯性传感器组7能将所检测髌骨的振动信号传输至感知诊断处理器6内，感知诊断处理器6根据髌骨的振动信号判断并输出髌骨是否健康。

具体地，髌骨是人体最容易受到伤害的部位，髌骨经过长时间不合理使用，遭受磨损和撕裂，两个软骨之间润滑表面遭到破坏。使得润滑流体薄膜变得非常薄。软骨表面的退化，导致膝盖的减震垫(半月板)粗糙，继发性撕裂，裂开或磨损会使两膝关节之间与髌骨发生摩擦，摩擦产生振动。振动会有振动信号的产生。经过大量的测试与对比发现健康的髌骨与病变的髌骨产生的振动信号与频率各不相同。这种差异源于与骨骼不平坦表面产生的额外摩擦。因为特定频率的持续时间越长，幅度(dB)越高。患者的软骨，表面不平坦，不平坦的表面会产生更高的频率，所以如果与健康膝盖相比，则其在较高频率处转换为较高幅度(dB)，在较低频率处转换为较低幅度(dB)。同时经过对比发现，对应髌骨疾病的不同，髌骨产生振动的频率也各不相同。振动频率的不同，能够反映出各种膝关节损伤疾病的特征与状态。

本发明实施例中，感知诊断处理器6判断并输出髌骨是否健康具体是指髌骨为健康或非健康的两种状态情况。具体实施时，感知诊断处理器6根据惯性传感器1检测振动信号是否频率集中判断髌骨为健康状态或非健康状态。

此外，对于非健康状态的髌骨，髌骨的状态包括髌骨健康、关节软骨退化、半月板病以及软骨软化症；感知诊断处理器6分析髌骨振动信号的频率能量范围，当髌骨振动信号不存在频率能量集中时，感知诊断处理器6判断髌骨的健康状态为髌骨健康；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为300Hz～600Hz时，感知诊断处理器6判断髌骨的非健康状态为关节软骨退化；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为0～200Hz时，感知诊断处理器6判断髌骨的非健康状态为半月板病；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为0～100Hz时，感知诊断处理器6判断髌骨的非健康状态为软骨软化症。具体实施时，当判断髌骨为非健康状态后，再对振动信号进行进一步处理，以得到频率能量集中范围，从而能判断非健康状态的具体类型，具体对振动信号处理得到频率能量集中范围的技术手段可以根据需要进行选择，此处不再赘述。

本发明实施例中，将惯性传感器组7贴装在待检髌骨5部位，通过惯性传感器组7检测待检髌骨5的振动信号，感知诊断处理器6对振动信号进行分析处理，以得到振动信号的频率能力集中范围，从而能根据频率能量集中范围判断待检髌骨5的健康状态或非健康状态。

感知诊断处理器6可以采用现有常用的微处理器芯片，感知诊断处理器6输出的健康状态可以通过显示屏直接输出，或者将诊断的结果传输至相应的输出设备上，以由输出设备进行输出显示，具体可以根据需要进行选择，此处不再赘述。

针对多髌骨发病的同种信号特征，可以使用多个相同的惯性传感器1以提升对髌骨状态的检测性能，特别是髌骨动作的特征提取有非常复杂的环境噪声，由于监测的困难，许多极端情况下，单个的惯性传感器1可能无法工作或者无法提取有用的信息，这时布设多个惯性传感器1并使感知诊断处理器6交叉访问多个惯性传感器1检测的振动信号，从而利用多个惯性传感器1能提高对髌骨健康状态诊断系统的鲁棒性。具体实施时，当有多个惯性传感器1时，可以计算所有惯性传感器1检测说的数据的平均值作为测量值。

具体实施时，感知诊断处理器6在采集惯性传感器1的振动信号后，采用本技术领域手段对振动信号处理后，能得到振动信号的频率能力集中范围，从而感知诊断处理器6能判断并输出髌骨的健康状态。由上述说明可知，非健康状态信号能量有比较集中的现象，利用希尔伯特-黄变换对信号进行分析。在信号希尔伯特变换谱上设置N个面积相等的时频块，把每个时频块能量标记为M，而将整个时频面的总能量记为E，计算每个时频块的能量在总能量中的概率为P_i＝M_i/E。当有集中现象时，某个概率就会相对大一些。由此得出髌骨是否为健康状态，继而能为判断髌骨在非健康状态下的具体情况提供依据。

进一步地，还包括获取髌骨振动时声音的声音传感器组8，所述声音传感器组8包括至少一个声音传感器2，所述声音传感器组8与感知诊断处理器6电连接，所述声音传感器组8能将采集髌骨振动产生的声音信号传输至感知诊断处理器6内，感知诊断处理器6根据振动信号以及声音信号判断并输出髌骨是否健康。

本发明实施例中，受限于频率响应范围和幅度的动态变化，只靠惯性传感器组7采集到的信息或许不完整。因此，本发明实施例中，增加声音传感器组8采集的声音信号用来补充完整的信息。所有的声音都是振动产生，但并不是所有振动产生的声音都能被检测到。人体膝关节是个复杂的结构，当髌骨出现异常时会与周围的组织(膝关节处的肌肉、组织液、软骨等)产生摩擦，同时会产生声音信号，与软骨的摩擦是声音的主要来源，比如髌骨受损，有弯曲的半月板，它会在弯曲时产生一个尖锐的声音，延伸时产生一个尖锐的声音。肌肉也是声音的来源，作用于膝关节屈伸的肌肉以及颞下颌关节咀嚼肌的肌肉可能在收缩期间产生声音。经过对比分析发现，病变的声音信号与正常的膝关节处的组织产生的声音信号不同。经过大量的实验研究表明，声音信号的功率随着髌骨损伤(表面摩擦越大)增大而增大。声音信号频率分析结果显示与疾病的种类密切相关。声音信号的频率分析与计算过程同惯性传感器组7的振动信号处理过程一致，虽然仅利用声音传感器组8的声音信号也能够单独诊断出髌骨是否健康，但为了提高诊断准确性，与振动信息并不是简单的重复叠加，而是信息相互补充，提高系统诊断的准确性。

声音传感器组8与惯性传感器组7进行并行分布，测量出的声音信号与得到的振动信号进行融合，经过“K-out-of-N”算法，其中，N为惯性传感器组7与声音传感器组8所测的全部有效数据，K为振动信号与声音信号判决一致的数量。具体实施时，设置一个阈值u₁，当K/N>u₁时，则认为本次测量准确，否则提示测量出现失误，需要重新测量。利用重新测量的振动信号以及声音信号，感知诊断处理器6能判断出髌骨是否健康，即能大幅度提高确诊率。起到事半功倍的效果。

与此同时，可以通过使用两个(一对)声音传感器2和一个差分放大器连接，其中一个声音传感器2朝向膝盖，另一个声音传感器翻转180度以记录环境噪音，用这种技术使背景噪音显著降至最低，感知诊断处理器6记录了膝关节的声音信号，并表明通过使用膝关节声音信号的自相关函数等统计参数，将声音信号转化为髌骨声音特征信号，从而能为判断髌骨是否健康提供有效的依据。具体实施时，对声音信号处理过程与振动信号处理过程相似，利用希尔伯特变换-黄变换来显示频域能量是否有集中现象，来确定髌骨是否处于是否健康。

进一步地，还包括用于测量髌骨弯曲角度的角速度传感器组10，所述角速度传感器组10包括至少一个角速度传感器4，所述角速度传感器组10与感知诊断处理器6电连接，角速度传感器组10能将采集髌骨弯曲的角速度信号传输至感知诊断处理器6内，感知诊断处理器6能根据振动信号、声音信号以及角速度信号判断并输出髌骨是否健康。

本发明实施例中，测量髌骨振动与声音信号时，为了增强测量信号的强度，同时需要测量髌骨弯曲的角度以及测量运动过程中肢体角度，大量实验表明，当在几秒时间间内将腿从0度移动到135度，获取髌骨的振动信号和声音信号的能量时，发现信号的峰值振幅与均方根的值受运动速度的影响十分明显。对信号特征提取作用明显。通过角速度传感器组10获取腿弯曲的角度与角速度。为了是测试准确，设置一个阈值u₂(经过大量实验表明，为有效提高正确率，病人弯曲时间最长不得超过四(T)秒，即u₂≤4(T))，当受试者的弯曲膝盖时，角速度小于u₂时显示测量失败，需要重新测量。角速度传感器4被放置在膝盖的外侧。它作为附加信息，无法单独测量出疾病种类，但是它能表明数据的是否有效，提高数据质量，减少不必要的错误数据，提高诊断疾病的正确率与效率。

针对髌骨发病信号的特征的检测，髌骨弯曲的角度与速度不同，对采集到的由峰值振幅和均方根值反应的信号的能量造成影响明显，这对病情的诊断与时间的把握至关重要，但是由于受人为因素影响较大，单个传感器无法有效记录数据，所以可以布设n个(n≥2)角速度传感器4，提高髌骨系统的可靠性。

进一步地，还包括用于采集髌骨所受压力的压力传感器组9，所述压力传感器组9包括至少一个压力传感器3，所述压力传感器组9与感知诊断处理器6电连接，压力传感器组9能将采集髌骨所受的压力信号传输至感知诊断处理器6内，感知诊断处理器6能根据振动信号、声音信号、角速度信号以及压力信号判断并输出髌骨是否健康。

本发明实施例中，为准确诊断髌骨是否健康，发现髌骨振动信号、声音信号与髌骨所受压力也有关系。压力传感器组9无法单独测量出髌骨疾病的结果，但是作为附加信息必不可少，当惯性传感器1、声音传感器2、角速度传感器4测量髌骨时确保他们与皮肤直接接触，设置一个阈值u₃(经过大量实验，根据实际传感器重量进行判决，应该大于所有传感器的1.1倍)，当检测到皮肤所受压力小于u₃时，提示传感器没有固定牢固，需要重新固定。为采集到的信号归一化处理、提高诊断系统的确诊率做铺垫。

同时当肌肉受力较大时，增大肌肉与组织间摩擦，软骨之间润滑表面受力收缩，会强烈影响声音信号与振动信号。由于同时髌骨受力也越大，因此，振动信号、声音信号的功率在测量时就会增大，疾病相关信号特征就会更加明显。通过一个或多个压力传感器3，从而保证在测量髌骨的振动信号和声音信号时，同时测量出髌骨的所受的压力信号。把四种传感器测量的信号进行融合，使得髌骨诊断系统，确诊率大幅度提高。

患者进行诊断时，患者受到的压力对膝关节是有影响的，对患者进行测试时，髌骨弯曲和伸展期间，不同的肌肉共同完成实现这个动作。肌肉需要有力的收缩，髌骨由于摩擦产生膝盖声音可能变得相对较大，产生更多的信息。由于外部环境复杂，为了方便记录数据，可以布设n个(n≥2)压力传感器3。

本发明分别采用一种类型传感器，布设一个或多个采集节点，通过多个传感器来补偿某个传感器的缺陷。诊断系统可以借助以上四类传感器中的某一类(每一类布置一个或多个采集点)单独进行诊断。特别的，可以使用四类传感器的不同组合和全组合来融合诊断髌骨是否健康，不同类型的传感器基于不同视角、不同时间、不同数据组合。

基于多种类型多个节点传感器采集的数据，多种类型传感器相互协作，各自能力相互补充，并采用多传感器信息融合来处理有用数据和无用数据，以评估和修正来自不同传感器的采集数据，基于其相关性加以利用，并联合诊断。多种类型传感器(异构传感器)的联合提供了困难诊断中可靠而有效的健康状态评估。不同类型传感数据、不同位置的传感数据(主要是惯性、声音、角速度、压力)、不同时间的传感数据提高髌骨诊断系统的正确率和缩短诊断时间。

Claims (5)

1.一种髌骨健康状态实时感知与诊断系统，其特征是：包括能置于待诊断髌骨部位的惯性传感器组(7)以及与所述惯性传感器组(7)电连接的感知诊断处理器(6)，所述惯性传感器组(7)包括至少一个惯性传感器(1)，所述惯性传感器组(7)能将所检测髌骨的振动信号传输至感知诊断处理器(6)内，感知诊断处理器(6)根据髌骨的振动信号判断并输出髌骨是否健康。

2.根据权利要求1所述的髌骨健康状态实时感知与诊断系统，其特征是：髌骨的非健康状态包括髌骨健康、关节软骨退化、半月板病以及软骨软化症；

感知诊断处理器(6)分析髌骨振动信号的频率能量范围，当髌骨振动信号不存在频率能量集中时，感知诊断处理器(6)判断髌骨的健康状态为髌骨健康；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为300Hz～600Hz时，感知诊断处理器(6)判断髌骨的非健康状态为关节软骨退化；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为0～200Hz时，感知诊断处理器(6)判断髌骨的非健康状态为半月板病；当髌骨振动信号的频率能量集中范围为0～100Hz时，感知诊断处理器(6)判断髌骨的非健康状态为软骨软化症。

3.根据权利要求1所述的髌骨健康状态实时感知与诊断系统，其特征是：还包括获取髌骨振动时声音的声音传感器组(8)，所述声音传感器组(8)包括至少为一个声音传感器(2)，所述声音传感器组(8)与感知诊断处理器(6)电连接，所述声音传感器组(8)能将采集髌骨振动产生的声音信号传输至感知诊断处理器(6)内，感知诊断处理器(6)根据振动信号以及声音信号判断并输出髌骨是否健康。

4.根据权利要求3所述的髌骨健康状态实时感知与诊断系统，其特征是：还包括用于测量髌骨弯曲角度的角速度传感器组(10)，所述角速度传感器组(10)包括至少一个角速度传感器(4)，所述角速度传感器组(10)与感知诊断处理器(6)电连接，角速度传感器组(10)能将采集髌骨弯曲的角速度信号传输至感知诊断处理器(6)内，感知诊断处理器(6)能根据振动信号、声音信号以及角速度信号判断并输出髌骨是否健康。

5.根据权利要求4所述的髌骨健康状态实时感知与诊断系统，其特征是：还包括用于采集髌骨所受压力的压力传感器组(9)，所述压力传感器组(9)包括至少一个压力传感器(3)，所述压力传感器组(9)与感知诊断处理器(6)电连接，压力传感器组(9)能将采集髌骨所受的压力信号传输至感知诊断处理器(6)内，感知诊断处理器(6)能根据振动信号、声音信号、角速度信号以及压力信号判断并输出髌骨是否健康。