CN109820516B - 一种人体运动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种人体运动监测系统，包括信号发生器、激光器、第一传导光纤、感应光纤、第二传导光纤、光电探测器、信号解调处理器及穿戴装置；信号发生器与激光器电路连接，信号发生器用于产生调制信号以驱动激光器输出激光脉冲信号；感应光纤为柔性传感光纤，穿戴装置可穿戴于人体的活动关节处，感应光纤固定于穿戴装置上，并可随人体的关节活动而产生弯折形变。该人体运动监测系统可以准确反映及监测人体各活动关节处的运动特征，而且可进行量化评价。这些运动特征对于评价帕金森、震颤等运动障碍疾病，具有十分重要的价值。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种人体运动监测系统。
背景技术
帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一类由于脑黑质致密部多巴胺神经元选择性变性、缺失，神经胶质细胞增生，神经元α-突触共核蛋白(α-Syn)沉积和路易小体(LB)出现为特征的特发性神经变性疾病。由于多巴胺神经元缺乏，出现特征性的运动障碍，如震颤、运动迟缓、步态异常等。估计世界上有约10,000,000帕金森病患者，而且这个数字还在不断增长。每年美国新发病例约60,000例。我国65岁以上人群帕金森患病率约1.7％，目前至少有3,000,000例患者。脑深部电刺激技术(DBS)应用于帕金森病治疗后，此病的治疗效果得到了显著提高。但是目前的临床症状评价手段不够精确，一定程度上影响了DBS治疗的效率和效果。
在脑电极植入过程中及术后程控的系列治疗中，对帕金森运动症状的量化评价极其重要，是判断植入电极准确性、程控参数设置的重要依据。目前帕金森运动症状评价主要依赖临床量表，如统一帕金森病评定量表(Movement Disorder Society-sponsoredrevision of the UnifiedParkinson Disease Rating Scale,MDS-UPDRS)、NMS症状评定量表、MoCA量表等进行评估。尽管量表的评价者间一致性良好，可以全面、准确反应疾病严重程度，已成为帕金森病情评估的金标准。但量表的运动功能评价多是基于大概的、定性的估计。
对于帕金森运动症状评价，最重要的是进行UPDRS量表评价。但是在UPDRS-III量表评估中，难以给出准确的打分，而且对每个分值内细微差别，量表显得过于粗糙，难以给出记录。例如手部震颤评价中，手部震颤按照震颤幅度小于1cm，1-3cm，或超过3cm分别评分。事实上，临床很难对震颤的幅度进行精确测量，评分时大都是评价者根据所见患者肢体震颤的幅度，大概估计进行打分。又如，对运动迟缓评价，根据动作轻微、轻度、中度、严重变缓来进行评分，显然缺乏客观的可测量数据支撑，受到评价者主观判断影响。还有拍打试验、站立试验等，均为定性估计。而且在一个评分范围内的轻微变化，量表也不敏感，难以量化评价。
因此，如何能够对人体的运动状况进行准确识别，从而达到更加精确化的程控参数调节，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种人体运动监测系统，该人体运动监测系统可以准确反映及监测人体各活动关节处的运动特征，而且可进行量化评价。这些运动特征对于评价帕金森、震颤等运动障碍疾病，具有十分重要的价值。
本发明是通过以下技术方案实现的，一种人体运动监测系统，包括信号发生器、激光器、第一传导光纤、感应光纤、第二传导光纤、光电探测器、信号解调处理器及穿戴装置；所述信号发生器与所述激光器电路连接，所述信号发生器用于产生调制信号以驱动所述激光器输出激光脉冲信号；所述第一传导光纤一端与所述激光器电路连接，另一端与所述感应光纤连接；所述感应光纤为柔性传感光纤，且其一端与所述第一传导光纤连接，另一端与所述第二传导光纤连接，所述第二传导光纤的另一端与所述光电探测器的一端连接，所述光电探测器的另一端与所述信号解调处理器连接；所述穿戴装置可穿戴于人体的活动关节处，所述感应光纤固定于所述穿戴装置上，并可随人体的关节活动而产生弯折形变。
在上述技术方案的基础上，本发明还有以下进一步的技术方案。
进一步，所述监测系统还包括光纤耦合器，所述激光器包括第一激光器和第二激光器；所述光纤耦合器的一端与所述第一激光器和第二激光器电路连接，另一端与所述第一传导光纤连接；所述信号发生器产生两个正交的调制信号分别驱动所述第一激光器和第二激光器输出两种不同波长的激光脉冲信号；所述第一激光器和所述第二激光器输出的两束激光脉冲信号经所述光纤耦合器合束后，输出至所述第一传导光纤。
进一步，所述感应光纤由纳米金颗粒和聚二甲基硅氧烷多聚体材料制成。
进一步，所述信号发生器产生的两个调制信号是方波信号或余弦信号。
进一步，所述第一激光器及所述第二激光器均为带尾纤的激光器；并且所述第一激光器和所述第二激光器输出的两个波长分别在所述感应光纤的吸收波长范围内、外。
进一步，所述光纤耦合器为50:50光纤耦合器或光纤波分复用器。
进一步，所述第一传导光纤和/或所述第二传导光纤为石英光纤。
进一步，其特征在于，所述监测系统还包括信号分析处理模块，所述信号分析处理模块与所述信号解调处理器电路连接。
进一步，所述信号分析处理模块包括显示器，所述显示器用于显示经所述信号分析处理模块处理后的数据信息。
进一步，所述穿戴装置为设有单根所述感应光纤的手套、袜套、袖套、膝套、腕套、踝套或肘套；或者所述穿戴装置为设有多根所述感应光纤的上衣、裤子或者套装，且多根所述感应光纤分布布置。
本发明所提供的运动监测系统，根据特定波长的吸光度与光纤应变量的线性关系，通过测量透射光强变化实现应变传感。此外，为了消除激光器功率波动及其他环境因素的影响，本发明提出利用具有双波长信号进行差分检测，并通过引入频分复用、解复用技术进行信号调制、解调，从而无需进行光谱探测，极大地简化了传感器结构、降低了系统成本。该运动监测系统可适用于人体运动康复监测、动作捕捉与人造皮肤及人体内部活动监测等生物力学领域。
附图说明
图1为本发明公开的一种人体运动监测系统的具体实施方式的模块原理示意图；
图2为本发明公开的一种人体运动监测系统的具体实施方式的结构原理示意图；
图3为本发明公开的一种人体运动监测系统的具体实施方式的测试结果示意图；
其中，图中的件号表示为：
1、信号发生器，2、第一激光器，3、第二激光器，4、光纤耦合器，5、第一传导光纤，6、感应光纤，7、第二传导光纤，8、光电探测器，9、信号解调处理器，10、穿戴装置，11、数据采集卡，12、信号分析处理模块。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1至图3，图1为本发明公开的一种人体运动监测系统的具体实施方式的模块原理示意图；图2为本发明公开的一种人体运动监测系统的具体实施方式的结构原理示意图；图3为本发明公开的一种人体运动监测系统的具体实施方式的测试结果示意图。
如图1和图2所示，本发明所提供的一种人体运动监测系统，包括信号发生器1、激光器、第一传导光纤5、感应光纤6、第二传导光纤7、光电探测器8、信号解调处理器9及穿戴装置10；所述信号发生器1与所述激光器电路连接，所述信号发生器1用于产生调制信号以驱动所述激光器输出激光脉冲信号；所述第一传导光纤5一端与所述激光器电路连接，另一端与所述感应光纤6连接；所述感应光纤6一端与所述第一传导光纤5连接，另一端与所述第二传导光纤7连接，所述第二传导光纤7的另一端与所述光电探测器8的一端连接，所述光电探测器8的另一端与所述信号解调处理器9连接；所述穿戴装置10可穿戴于人体的活动关节处，所述感应光纤6固定于所述穿戴装置10上，并可随人体的关节活动而产生弯折形变。
在该监测系统中，信号发生器1可以产生调制信号，驱动所述激光器产生激光脉冲信号，激光脉冲信号再经第一传导光纤5到达所述感应光纤6；携带传感信息的光信号经第二传导光纤7后由光电探测器8探测转化为电信号，再由信号解调处理器9结合信号发生器1的输出信号进行解调，经进一步差分处理得到传感信息。感应光纤6为一种非常柔软的、可极大程度延展的特殊制备光纤，其内部含有金纳米颗粒，发生形变后对光路内特定波长光线的吸光度发生改变，利用这种柔软、可延展、可改变内部光线吸光度的特性，将其固定于穿戴装置10上，当穿戴装置10穿戴于人体后，感应光纤6可随人体的动作产生形变，进而可以将运动信号经处理后，反推传感光纤形变量，进而用于运动特征的评价。
在一种优选的具体实施方式中，为到更为精确的运动数据，所述监测系统还包括光纤耦合器4，所述激光器包括第一激光器2和第二激光器3；所述光纤耦合器4的一端与所述第一激光器2和第二激光器3电路连接，另一端与所述第一传导光纤5连接；所述信号发生器1产生两个正交的调制信号分别驱动所述第一激光器2和第二激光器3输出两种不同波长的激光脉冲信号；所述第一激光器2和所述第二激光器3输出的两束激光脉冲信号经所述光纤耦合器4合束后，输出至所述第一传导光纤5。
在该具体实施方式中，信号发生器1产生两个正交的调制信号(f0和f1)分别驱动两台不同输出波长(λ0和λ1)的激光器即第一激光器2和第二激光器3产生激光脉冲信号，其中λ0作为测量波长，对应于感应光纤6的金纳米颗粒等离子体共振吸收峰波长，λ1作为参考波长，在传感器的吸收谱外。两束激光脉冲经光纤耦合器4合束，再经第一传导光纤5到达感应光纤6；携带传感信息的光信号经第二传导光纤7后由光电探测器8探测转化为电信号，再由信号解调处理器9结合信号发生器1的输出信号(f0和f1)进行解调，经进一步差分处理得到传感信息。
由于感应光纤6安装于穿戴装置10上，需要进行反复的形变，所以所述感应光纤6可由纳米金颗粒和聚二甲基硅氧烷多聚体材料制成，这样可以使得感应光纤6具有良好的延展性，超高灵敏度和可重复性，进而可以提高监测系统的精确度以及使用寿命。
简而言之，感应光纤发生形变后(伸展或压缩)，其内金纳米颗粒在光路上的分布密度和数量发生改变，导致测量波长λ0吸光度发生改变，进而在下游的信号解调处理器处计算到吸光度的改变，并反推可以得到测量光纤形变特征。此特性可以敏感地得到测量光纤形变量，对形变速率、长度等进行精确解调。利用此项特征，可以安装于穿戴设备上，穿戴于关节周围，获得关节运动的幅度、速度等基本参数，用于运动障碍疾病患者的运动分析。
结合图1和图2，第一激光器2和第二激光器3分别对应参考光和测量光的光源。感应光纤6中的金纳米颗粒对于特定波长λ0处存在吸收峰，因此选择发射波长在λ0处的激光器，和发射波长为λ1(吸收谱之外，作为参考波长)的激光器作为光纤传感器的光源。也即所述第一激光器2和所述第二激光器3输出的两个波长分别在所述感应光纤6的吸收波长范围内、外，另外，作为优选，所述第一激光器2及所述第二激光器3均为带尾纤的激光器。
通过基于Labview编程的数据采集卡11(DAQ，National Instrument)的数模转换器对两个激光器的发射光进行振幅调制，调制信号频率分别为f0和f1(为了避免出现混频现象f0和f1不能为整数倍关系，优选方波信号或余弦信号)。频率为f0的方波信号或余弦信号和频率为f1的方波信号或余弦信号是调制信号。经过调制后的光信号经过50:50的光纤耦合器4入射到第一传导光纤5、感应光纤6、第二传导光纤7，再由光电探测器8测量，检测到的信号由数据采集卡11(DAQ)卡进行采样。DAQ的数模转换器通道DAC0和DAC1分别对应频率为f0的信号和频率为f1的信号。经过调制后的光信号经过50：50的光纤耦合器4入射到有机光纤里，作为优选，第一传导光纤5和第二传导光纤7可以为多模石英光纤。
经过光纤的透射光由光电探测器8测量。数据采集卡11(DAQ)的模数转换器通道ADC对应光电探测器8的输出信号。DAQ将采集的信号传到信号分析处理模块12，一般该信号分析处理模块12为计算机系统，并且包括显示器，利用Labview编程对一定采样时间内的采集信号做傅里叶变换，得到f0和f1处的两个尖峰，寻找峰值作差得到差分信号。差分信号即是与应变量成线性关系的吸光度的相对值。最后，通过显示器可以将数据处理结果进行显示。
图2所示的穿戴装置10的具体实施例为手套，感应光纤6固定于指关节的位置，因此，该监测系统可以监测人的手指做怕打动作，可以获得准确的、定量的人手运动数据。
如图3所示，图3-a显示的是帕金森患者运动曲线，运动曲线显示出不平滑、频率减缓、顿挫的特征，图3-b为正常人，运动频率快速，曲线均匀光滑。图3-c可见帕金森患者(浅色线)运动频率主成分小于1Hz，正常人(深色线)主频率接近10Hz。由此可以看出，使用本发明所提供的监测系统，可以准确的反应人手进行怕打动作的运动特征，而且可量化评价。
作为本发明的其它具体实施例，穿戴装置10还可以为袜套、袖套、膝套、腕套、踝套或肘套中的一种，甚或多个部位分布集成到一套衣服、裤子或其他类型穿着服装中，覆盖手指、手掌、肘关节、肩关节、髋关节、膝关节、踝关节、颈部、腰部等部位，以获得这些关节运动参数，分析手掌屈伸、手指运动、上臂运动、足踝运动、屈膝、行走、颈部腰部旋转等(几乎满足所有关节的)运动特征。
传统运动障碍疾病评价方法，是病人来到诊室就医时，医生给予评价。此种方法属于抽样调查，只是在某日某时间点对患者进行评价。而帕金森等运动障碍疾病症状本身具有波动性，抽样调查难免不能反应疾病整体情况。本发明所提供的人体运动监测系统，可以利用可穿戴设备，方便的进行各种运动监测，同时可以准确、长时程评价患者运动症状，更有利于精细化评价，为将来的疾病监测、治疗提供最基本的数据支撑。
综上所述，本发明所公开的一种人体运动监测系统，可以很高的精度衡量运动特征，将来也可以作为一种新的医疗诊断设备，为运动障碍患者提供精确的病情评价，指导药物、手术以及术后程控治疗。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种人体运动监测系统，其特征在于，包括信号发生器、激光器、第一传导光纤、感应光纤、第二传导光纤、光电探测器、信号解调处理器及穿戴装置；
所述信号发生器与所述激光器电路连接，所述信号发生器用于产生调制信号以驱动所述激光器输出激光脉冲信号；
所述第一传导光纤一端与所述激光器电路连接，另一端与所述感应光纤连接；
所述感应光纤为柔性传感光纤，且其一端与所述第一传导光纤连接，另一端与所述第二传导光纤连接，所述第二传导光纤的另一端与所述光电探测器的一端连接，所述光电探测器的另一端与所述信号解调处理器连接；
所述穿戴装置可穿戴于人体的活动关节处，所述感应光纤固定于所述穿戴装置上，并可随人体的关节活动而产生弯折形变；
所述感应光纤由纳米金颗粒和聚二甲基硅氧烷多聚体材料制成；
所述监测系统还包括光纤耦合器，所述激光器包括第一激光器和第二激光器；
所述光纤耦合器的一端与所述第一激光器和第二激光器电路连接，另一端与所述第一传导光纤连接；
信号发生器产生两个正交的调制信号分别驱动两台不同输出波长λ0和λ1的激光器即第一激光器和第二激光器产生激光脉冲信号，其中λ0作为测量波长，对应于感应光纤的金纳米颗粒等离子体共振吸收峰波长，λ1作为参考波长，在传感器的吸收谱外；
两束激光脉冲经光纤耦合器合束，再经第一传导光纤到达感应光纤；携带传感信息的光信号经第二传导光纤后由光电探测器探测转化为电信号，再由信号解调处理器结合信号发生器1的输出信号进行解调，经进一步差分处理得到传感信息；
所述穿戴装置为设有单根所述感应光纤的手套、袜套、袖套、膝套、腕套、踝套或肘套；
或者所述穿戴装置为设有多根所述感应光纤的上衣、裤子或者套装，且多根所述感应光纤分布布置。
2.根据权利要求1所述的一种人体运动监测系统，其特征在于，所述信号发生器产生的两个调制信号是方波信号或余弦信号。
3.根据权利要求1所述的一种人体运动监测系统，其特征在于，所述第一激光器及所述第二激光器均为带尾纤的激光器；并且所述第一激光器和所述第二激光器输出的两个波长分别在所述感应光纤的吸收波长范围内、外。
4.根据权利要求1所述的一种人体运动监测系统，其特征在于，所述光纤耦合器为50:50光纤耦合器或光纤波分复用器。
5.根据权利要求1所述的一种人体运动监测系统，其特征在于，所述第一传导光纤和/或所述第二传导光纤为石英光纤。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种人体运动监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括信号分析处理模块，所述信号分析处理模块与所述信号解调处理器电路连接。
7.根据权利要求6所述的一种人体运动监测系统，其特征在于，所述信号分析处理模块包括显示器，所述显示器用于显示经所述信号分析处理模块处理后的数据信息。
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