CN109549649A - 一种检测颈部活动的可穿戴式设备 - Google Patents

Abstract

一种检测颈部活动的可穿戴式设备，包括主单元和参考单元，主单元放置于使用者头部，用于采集、处理人体的运动信息，包括人体的颈部活动信息和其它运动信息，参考单元放置于使用者躯干处，用于采集人体除颈部活动信息以外的其它信息，包括行走、跑步、上下楼、弯腰与转身的运动信息并将这些信息传递给主单元进行处理，主单元用采集到的人体运动信息减去参考单元采集到的其它运动信息，获得颈部活动信息，如果主单元在一定时间范围内未识别到颈部有效运动，则提醒使用者适当进行颈部运动。

Description

一种检测颈部活动的可穿戴式设备

技术领域

本发明涉及用于颈椎病预防的一种检测颈部活动的可穿戴式设备，可以固定或临时安 装在眼镜上，可用于移动健康、体感网与传感网等领域。

背景技术

长时间保持一个头部、颈部姿势是导致颈椎病的主要原因之一。随着社会工作方式的 改变，越来越多的工作却需要工作者保持长时间的固定姿势。此外，随着娱乐、交流等方 式的改变，人们操作智能手机、平板电脑时也会长时间的使头部、颈部保持一个姿势。目前，患有颈椎病的人数在不断上升，且呈现年轻化的趋势，甚或有中小学生罹患颈椎病的报道见诸媒体。

颈椎病的发病机制复杂，预防方式多样。不论是从颈椎的结构，颈部肌肉的生理功能， 还是从颈部肌肉与颈椎病的密切联系来看，运动疗法都有其生理基础，检测颈部的活动具 有重要的生理意义，且较多学者及专家均已通过临床实践验证运动疗法在预防、治疗颈椎 病中起到的关键作用。同时，运动锻炼方法由于操作简便、效果好、安全经济等优势，在 颈椎病的预防中已经得到了较广泛的认可，而目前得到普遍认可的基本有效颈部运动可分 为前屈后伸、左右侧屈、左右旋转和左右回环等。

如何检测此类有效运动成为了人们探索的方向。传统的颈部运动测量方法主要是通过 立体视觉、CT数据、X线成像、压力传感、重力传感、加速度传感等方式，来确定头部、颈部的位置和运动，测量方式多样，目前尚无得到普遍认可的方式，各方式各有优点和侧重点，也均存在着一定的限制。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种检测颈部活动的可穿戴式设备，采用加速度传感器 作为信号检测模块，对加速度传感器采集到的颈部活动信号进行分析，当使用者缺乏颈部 活动时，该设备可向使用者发送提醒信号。

本发明采用的技术方案如下：一种检测颈部活动的可穿戴式设备，其特征在于：包括 主单元和参考单元；主单元放置于使用者头部，用于采集、处理人体的运动信息，包括人体的颈部活动信息和其它运动信息，参考单元放置于使用者躯干处，用于采集人体除颈部活动信息以外的其它信息，包括行走、跑步、上下楼、弯腰与转身的运动信息，并将这些 信息传递给主单元，主单元用采集到的人体运动信息减去参考单元采集到的其它运动信 息，获得颈部活动信息；

主单元包括加速度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯模块、电源模块和提 醒模块；加速度传感器模块与信号控制与处理模块双向交互连接，信号控制与处理模块与 无线通讯模块双向交互连接并与提醒模块单向连接，电源模块向加速度传感器模块、信号 控制与处理模块、无线通讯模块和提醒模块供电并接受信号控制与处理模块的控制指令； 加速度传感器模块在信号控制与处理模块的控制下开始或停止采集信号，将采集到的x、 y、z三轴加速度和角加速度传递给信号控制与处理模块，信号控制与处理模块的作用一是控制整个主单元的工作，二是通过无线通讯模块控制主单元和参考单元在同一时段内采集信息或停止，三是通过将主单元的采集到的人体运动信息与无线通讯模块接收到的参考单元采集到的其它运动信息相减，从而得到纯粹的颈部活动信息，进而提取颈部活动的特征数据，对颈部活动进行识别；无线通讯模块在信号控制与处理模块的控制下，完成与上位机包括手机、平板电脑或电脑的通讯；电源模块包含电池与充电管理两部分；提醒模块在信号控制与处理模块控制下工作，当信号控制与处理模块识别到使用者缺乏颈部运动时，通过提醒模块提醒使用者适当进行颈部运动，提醒模块工作至设定时长或收到外部停止信号时，提醒模块停止工作；

参考单元包括加速度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯模块和电源模块， 其中加速度传感器模块、无线通讯模块和电源模块的结构与主单元中相应模块的结构相 同，区别在于参考单元中的信号控制与处理模块与主单元不同，只控制参考单元的工作， 不设置同步与后续的信号处理，加速度传感器模块与信号控制与处理模块双向交互连接， 信号控制与处理模块与无线通讯模块双向交互连接，电源模块向加速度传感器模块、信号 控制与处理模块、无线通讯模块供电并接受信号控制与处理模块的控制指令；加速度传感 器模块在信号控制与处理模块的控制下开始或停止采集信号，将采集到的躯干部分x、y、 z三轴加速度和角加速度传递给信号控制与处理模块并通过无线通讯模块发送给主单元 的信号控制与处理模块进行颈部活动信息的纯粹化处理，同时参考单元通过无线通讯模块 接收主单元信号控制与处理模块通过主单元无线通讯模块发送的信息采集或停止采集的 指令，该指令通过参考单元信号控制与处理模块通知参考单元加速度传感器模块。

所述主单元的信号控制与处理模块对主单元和参考单元采集到的运动信息需进行预 处理，包括滤波降噪与去除重力加速度。

所述主单元的信号控制与处理模块得到的运动信息中包含了所需要的有效颈部活动 信息和其他无效颈部运动信息，为识别有效运动，采用深度学习的方式进行有效颈部运动 的识别。

所述主单元的信号控制与处理模块在处理和验证运动信息数据的同时，一方面通过主 单元的无线通讯模块与上位机进行通讯，保证数据的即时性和安全性，另一方面会在设置 的一定时间内不断监测是否有颈部有效运动，若超过设定时间还未出现有效运动，则向提 醒模块发出开始信号，提醒模块开始工作，提醒使用者适当进行颈部运动。

所述主单元放置于使用者头部，可采用一体固定或活动固定的方式设置在眼镜架的一 侧，眼镜架的另一侧设置配重。

采用一体固定方式时，在眼镜出厂前可将主单元和配重与眼镜架制成一个整体；采用 活动固定方式时，可通过挂钩将主单元和配重分别悬挂在眼镜架两侧。

所述参考单元可放置于使用者的上衣口袋内或固定在领口或佩戴于胸前。

附图说明

图1a、1b分别是主单元与参考单元的结构框图；

图2是本发明的工作流程图；

图3是颈部活动数据采集图；

图4是主单元与配重采用倒“U”型安装挂架的活动固定示意图；

图5是主单元与配重单元采用倒“U”型安装挂架在眼镜上的实体图；

图6是主单元与配重单元与眼镜制成一体的实体图。

具体实施方式

如图1a、1b所示，本发明检测颈部活动的可穿戴式设备包括主单元和参考单元。

主单元为信息处理单元，放置于使用者头部，用于采集、处理人体的运动信息，此运 动信息里包含使用者的颈部活动信息，同时也包含使用者的其他运动信息，如行走、跑步、 上下楼、弯腰与转身等。主单元包括加速度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯 模块、电源模块和提醒模块；加速度传感器模块与信号控制与处理模块双向交互连接，信 号控制与处理模块与无线通讯模块双向交互连接并与提醒模块单向连接，电源模块向加速 度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯模块和提醒模块供电并接受信号控制与处 理模块的控制指令，加速度传感器模块在信号控制与处理模块的控制下开始或停止采集信 号，将采集到的x、y、z三轴加速度和角加速度等参数传递给信号控制与处理模块，信号 控制与处理模块的作用一是控制整个主单元的工作，并同步主单元与参考单元采集到的加 速度信号，通过将主单元的采集到的人体运动信息与参考单元采集到的其它运动信息相 减，从而得到纯粹的颈部活动信息，进而提取颈部活动的特征数据，对颈部活动进行识别； 无线通讯模块在信号控制与处理模块的控制下，完成与上位机(手机、平板电脑、电脑等) 的通讯。电源模块包含电池与充电管理两部分。提醒模块在信号控制与处理模块控制下工 作，当信号控制与处理模块识别到使用者缺乏颈部运动时，通过提醒模块提醒使用者适当 进行颈部运动，提醒模块工作至设定时长或收到外部停止信号时，提醒模块停止工作。

参考单元放置于使用者躯干处，用于采集人体除颈部活动信息以外的其它信息(躯干 运动信息)，包括行走、跑步、上下楼、弯腰与转身的运动信息，并将这些信息传递给主 单元进行处理，主单元用采集到的人体运动信息减去参考单元采集到的其它运动信息以抵 消非颈部运动的干扰，以获得较为单纯颈部活动信息。参考单元包括加速度传感器模块、 信号控制与处理模块、无线通讯模块和电源模块，其中加速度传感器模块、无线通讯模块 和电源模块。模块的结构与主单元中相应模块的结构相同，区别在于参考单元中的信号控 制与处理模块与主单元不同，只控制参考单元的工作，不进行同步与后续的信号处理，加 速度传感器模块与信号控制与处理模块双向交互连接，信号控制与处理模块与无线通讯模 块双向交互连接，电源模块向加速度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯模块供 电并接受信号控制与处理模块的控制指令；加速度传感器模块在信号控制与处理模块的控 制下开始或停止采集信号，将采集到的躯干部分x、y、z三轴加速度和角加速度等参数传 递给信号控制与处理模块并通过无线通讯模块发送给主单元的信号控制与处理模块进行 颈部活动信息的纯粹化处理。

主单元与参考单元的加速度传感器模块分别采集使用者运动信息，采集到的运动信息 包含x、y、z三轴的加速度、角加速度等参数。主单元与参考单元采集到的运动信息统一 同步地传输给主单元的信号控制与处理模块。主单元的信号控制与处理模块对主单元采集 到的运动信息和参考单元采集到的运动信息相减进行去干扰化，将不属于颈部运动的其他 运动信息，如行走、跑步、上下楼、弯腰与转身等去除，获得颈部运动数据。

主单元的信号控制与处理模块对主单元、参考单元采集到的运动信息需进行预处理， 包括滤波降噪与去除重力加速度两个部分。

主单元的信号控制与处理模块得到的运动信息中包含了所需要的有效颈部活动信息 数据和使用者的其他无效颈部运动信息数据。为识别有效运动，本发明采用深度学习的方 式进行有效颈部运动的识别。

主单元的信号控制与处理模块在处理和验证运动信息数据的同时，一方面通过无线通 讯模块与上位机进行通讯，保证数据的即时性和安全性，另一方面会在设置的一定时间内 不断监测是否有颈部有效运动，若超过设定时间还未出现有效运动，则向提醒模块发出开 始信号，提醒模块开始工作，提醒使用者适当进行颈部运动。

本发明提出的检测颈部活动的可穿戴式设备，可以作为额外装置，当使用者需要使用 时随时附加安装在眼镜之上，在不需要时从眼镜上取下；也可作为眼镜的一部分，在眼镜 出厂前即与眼镜框成为一个整体，作为功能性眼镜框直接进入市场。

本发明实用方便，可以固定或临时安装在眼镜上，可实时、连续进行颈部活动检测， 且能通过参考单元消除无效运动的干扰，保证颈部有效运动检测的准确性。当使用者缺乏 颈部活动时，可向使用者发送提醒信号进行适量颈部运动，防止长时间办公导致颈椎酸痛 以致颈椎病的发生。

如图2，本发明检测颈部活动的可穿戴式设备的工作过程：电源开启，开始计时，主单元与参考单元的加速度传感器模块分别开始采集使用者运动数据，参考单元的无线通讯模块将参考单元采集到的信息实时传输给主单元的信号控制与处理模块，模块对主单元采集到的运动信息和参考单元采集到的运动信息相减得到颈部运动数据，并在模块内进行数据初步处理与验证，在实时传输给上位机保存的同时判断是否有颈部有效运动数据，若有，表明使用者进行了有效颈部运动，可以重新开始计时和运动数据采集；若无，则判断计时是否达到设定的时间(如30分钟)，若未超过30分钟，则继续采集运动数据，无需重新 计时；若已达到设定时间，则说明使用者已连续30分钟未进行有效颈部运动，则启动提 醒模块提醒使用者进行颈部运动，同时重新开始计时和运动数据采集。

如图3所示，主单元与配重单元可固定在一个倒“U”型的安装挂件上，通过此安装挂 件与眼镜框相连。配重单元仅作为外置或集成装置使眼镜两侧平衡，重量与主单元相同， 无其他功能。

如图4所示，将带有主单元与配重单元的倒“U”型安装挂架对称挂在眼镜框的两侧眼 镜腿上，主单元与配重单元在眼镜外侧，以避免佩戴不舒适。由于本发明提出的设备重量 可以做到很轻，因此给使用者带来的影响较小。

如图5所示，也可将本发明的主单元与配重单元，在眼镜框生产过程中，直接与眼镜 框集成为一个整体，即将主单元和配重单元分别嵌入两侧眼镜腿前部，无需额外安装即可 直接作为一种整体性功能性眼镜框成品进行使用。

如图6所示，参考单元的放置方式多种多样，可因人而异，只需保持其固定在驱干处 即可保证其采集躯干运动信息，以实现去干扰化。

本发明检测颈部活动的可穿戴式设备的使用方法：

步骤一：使用者将主单元与配重单元安装固定在眼镜腿上，或直接佩戴整体性功能性 眼镜框成品，并将参考单元放置于躯干处任意位置，如领口、上衣口袋等。

步骤二：使用者进行正常日常活动，加速度传感器开始采集使用者的运动信息，并实 时传输给信号控制与处理模块。

步骤三：主单元的信号控制与处理模块实时处理使用者的运动信息，通过减去参考单 元检测到的干扰信息，得到颈部运动信息。

步骤四：通过深度学习提取运动数据的特征量，验证是否包含颈部有效运动，检测数 据实时通过无线通讯模块传送到上位机。

步骤五：若主单元信号控制与处理模块一定时间范围内未识别到颈部有效运动，则向 提醒模块发出开始信号，提醒模块开始工作，提醒使用者适当进行颈部运动。

其中，所述有效颈部运动包含前屈后伸、左右侧屈、左右旋转和左右回环等，可以是 以上动作的一个或者多个，可以是间隔或者连续动作。

通过上述的技术方案，可实时、连续、准确地进行颈部运动监测，并采用参考单元消 除无效运动干扰。当使用者缺乏颈部活动时，可向使用者发送提醒信号进行适量颈部运动， 防止长时间办公导致颈椎酸痛以致颈椎病的发生。

Claims (7)

1.一种检测颈部活动的可穿戴式设备，其特征在于：包括主单元和参考单元；主单元放置于使用者头部，用于采集、处理人体的运动信息，包括人体的颈部活动信息和其它运动信息，参考单元放置于使用者躯干处，用于采集人体除颈部活动信息以外的其它信息，包括行走、跑步、上下楼、弯腰与转身的运动信息，并将这些信息传递给主单元，主单元用采集到的人体运动信息减去参考单元采集到的其它运动信息，获得颈部活动信息；

主单元包括加速度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯模块、电源模块和提醒模块；加速度传感器模块与信号控制与处理模块双向交互连接，信号控制与处理模块与无线通讯模块双向交互连接并与提醒模块单向连接，电源模块向加速度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯模块和提醒模块供电并接受信号控制与处理模块的控制指令；加速度传感器模块在信号控制与处理模块的控制下开始或停止采集信号，将采集到的x、y、z三轴加速度和角加速度传递给信号控制与处理模块，信号控制与处理模块的作用一是控制整个主单元的工作，二是通过无线通讯模块控制主单元和参考单元在同一时段内采集信息或停止，三是通过将主单元的采集到的人体运动信息与无线通讯模块接收到的参考单元采集到的其它运动信息相减，从而得到纯粹的颈部活动信息，进而提取颈部活动的特征数据，对颈部活动进行识别；无线通讯模块在信号控制与处理模块的控制下，完成与上位机包括手机、平板电脑或电脑的通讯；电源模块包含电池与充电管理两部分；提醒模块在信号控制与处理模块控制下工作，当信号控制与处理模块识别到使用者缺乏颈部运动时，通过提醒模块提醒使用者适当进行颈部运动，提醒模块工作至设定时长或收到外部停止信号时，提醒模块停止工作；

参考单元包括加速度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯模块和电源模块，其中加速度传感器模块、无线通讯模块和电源模块的结构与主单元中相应模块的结构相同，区别在于参考单元中的信号控制与处理模块与主单元不同，只控制参考单元的工作，不设置同步与后续的信号处理，加速度传感器模块与信号控制与处理模块双向交互连接，信号控制与处理模块与无线通讯模块双向交互连接，电源模块向加速度传感器模块、信号控制与处理模块、无线通讯模块供电并接受信号控制与处理模块的控制指令；加速度传感器模块在信号控制与处理模块的控制下开始或停止采集信号，将采集到的躯干部分x、y、z三轴加速度和角加速度传递给信号控制与处理模块并通过无线通讯模块发送给主单元的信号控制与处理模块进行颈部活动信息的纯粹化处理，同时参考单元通过无线通讯模块接收主单元信号控制与处理模块通过主单元无线通讯模块发送的信息采集或停止采集的指令，该指令通过参考单元信号控制与处理模块通知参考单元加速度传感器模块。

2.根据权利要求1所述的检测颈部活动的可穿戴式设备，其特征在于：所述主单元的信号控制与处理模块对主单元和参考单元采集到的运动信息需进行预处理，包括滤波降噪与去除重力加速度。

3.根据权利要求1或2所述的检测颈部活动的可穿戴式设备，其特征在于：所述主单元的信号控制与处理模块得到的运动信息中包含了所需要的有效颈部活动信息和其他无效颈部运动信息，为识别有效运动，采用深度学习的方式进行有效颈部运动的识别。

4.根据权利要求3所述的检测颈部活动的可穿戴式设备，其特征在于：所述主单元的信号控制与处理模块在处理和验证运动信息数据的同时，一方面通过主单元的无线通讯模块与上位机进行通讯，保证数据的即时性和安全性，另一方面会在设置的一定时间内不断监测是否有颈部有效运动，若超过设定时间还未出现有效运动，则向提醒模块发出开始信号，提醒模块开始工作，提醒使用者适当进行颈部运动。

5.根据权利要求1所述的检测颈部活动的可穿戴式设备，其特征在于：所述主单元放置于使用者头部，采用一体固定或活动固定的方式设置在眼镜架的一侧，眼镜架的另一侧设置配重。

6.根据权利要求5所述的检测颈部活动的可穿戴式设备，其特征在于：采用一体固定方式时，在眼镜出厂前将主单元和配重与眼镜架制成一个整体；采用活动固定方式时，通过挂钩将主单元和配重分别悬挂在眼镜架两侧。

7.根据权利要求1所述的检测颈部活动的可穿戴式设备，其特征在于：所述参考单元放置于使用者的上衣口袋内或固定在领口或佩戴于胸前。