CN110141240B - 一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪 - Google Patents

一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪 Download PDF

Info

Publication number
CN110141240B
CN110141240B CN201910485335.XA CN201910485335A CN110141240B CN 110141240 B CN110141240 B CN 110141240B CN 201910485335 A CN201910485335 A CN 201910485335A CN 110141240 B CN110141240 B CN 110141240B
Authority
CN
China
Prior art keywords
data
spine
attitude
angle
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201910485335.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110141240A (zh
Inventor
杨金显
王亚平
张颖
钱伟
王蒙蒙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN201910485335.XA priority Critical patent/CN110141240B/zh
Publication of CN110141240A publication Critical patent/CN110141240A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110141240B publication Critical patent/CN110141240B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
    • A61B5/0004—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network characterised by the type of physiological signal transmitted
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
    • A61B5/1071—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof measuring angles, e.g. using goniometers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1113—Local tracking of patients, e.g. in a hospital or private home
    • A61B5/1114—Tracking parts of the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4538—Evaluating a particular part of the muscoloskeletal system or a particular medical condition
    • A61B5/4566—Evaluating the spine
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于磁/惯性数据的脊柱测量仪，其特征在于，该脊柱测量仪包括智能终端测量单元和分析报告单元；智能终端测量单元包括磁/惯性数据采集模块、数据处理和姿态融合解算模块、显示模块、传输模块和供电模块，该智能终端测量单元实现数据采集、处理、姿态融合解算和显示功能，可单独使用；分析报告单元硬件采用便携式笔记本电脑，采用USB串口接收和蓝牙无线接收数据，显示界面采用Processing IDE程序编程，其功能包括接收和保存磁场强度、加速度、角速度、温度和智能终端融合解算脊柱姿态数据；实时显示每个脊柱的三维姿态图。该脊柱测量仪结构简单，小巧便携，操作简单，使用方便，可广泛应用于各种姿态测量场合，具有较长的使用寿命。

Description

一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种基于磁/惯性器件的脊柱电子测量仪。
背景技术
脊椎对人体是至关重要的，一旦脊柱出现变形会引发诸多症状，最为常见的有头部、颈部、前胸等关键位置出现疼痛现象，甚至还会出现大小便失禁，头晕、心慌等，最为严重的会出现瘫痪。
脊柱变形是脊柱疾病的致病根源，早期测量早期矫正是至关重要的，目前采用的三种测量方法：Cobb角、Jackson生理应力曲线、Harrison后切线法，都是基于脊柱成像的基础上测量的，如X射线、CT扫描技术，这些测量方法患者必须得去相关的医疗机构，并且有一定的辐射性，测量成本较高，并且由于工作与日常生活的因素，不方便去测量。
随着姿态测量技术的发展，出现了电子脊柱测量仪，如瑞士的Idiag SpinalMouse和以色列的SpineScanTM，其测量原理是一样的，基于相对于大地水平的角度测量，也即是三维重力感应技术；由于测量角度是根据三个轴向上的重力分量计算的，必定会受重力提取精度的影响；由于一次只能测量脊柱一个角度，要想其它角度测量时，就必需得更改为其它测量模式，导致测量操作繁琐；还有一种脊柱电子测量仪采用电阻式应变计或应变片，而应变是用来测量应力变化的，一般测量微小变化，而脊柱可能大角度的变化，所以在测量原理上可能存在一些问题；另外，由于这些电子脊柱测量仪由主机、工控机、打印机组成，还不能很好的做到便携。
发明内容
近年来，随着MEMS技术的发展，MEMS器件以其成本低、体积小、寿命长、集成化、抗冲击能力强和可靠性高等优势，成为脊柱姿态测量的首选器件。
本发明的目的在于通过由MEMS磁强计和MEMS惯性器件构建磁/惯性测量系统，通过由测量系统构成的智能测量终端脊在脊柱上滑动时的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场数据，通过融合解算测量数据，高精度的解算出每个脊椎的三个角度(冠状面角、矢状面角、横切面角)，进而就能获得整个脊柱的姿态和姿态变化。
脊柱测量仪包括两个单元：智能终端测量单元和分析报告单元。
智能终端测量单元包括：MEMS磁/惯性数据采集模块、数据处理和姿态融合解算模块、显示模块、传输模块和供电模块，该智能终端测量单元实现数据采集、处理、姿态融合解算和显示功能，可单独使用。
MEMS磁/惯性数据采集模块包括三轴磁强计、三轴加速度计、三轴陀螺仪和温度计，采集的三轴磁场强度、三轴加速度、三轴角速度和温度数据，通过高速采集卡或SPI接口把数据传输到数据处理和姿态解算模块。
数据处理和姿态融合解算模块也即是脊柱姿态测量的核心模块，硬件上由高速的嵌入式处理器、静/动态存储器、micro SD卡、外围辅助电子元件构成，采集数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏静态误差补偿，采用统计卡尔曼滤波进行动态误差处理，最后根据处理后的磁场强度、加速度和角速度数据进行融合解算出姿态，并把原始磁场强度、加速度、角速度、温度和脊柱融合解算姿态数据记录到SD卡中。
显示模块采用为SPI接口的4线TFT真彩屏，显示脊椎的三个角度——冠状面角(后凸角)、矢状面角(侧弯角)、横切面角(侧凸角)。
传输模块采用USB串口和蓝牙双模式传输，实现有线和无线传输，蓝牙无线传输采用一对于加密模式，把原始磁场强度、加速度、角速度、温度和脊柱融合解算姿态数据传输到分析报告单元。
供电模块采用锂电池。
分析报告单元硬件采用便携式笔记本电脑，采用USB串口接收和蓝牙无线接收数据，显示界面采用Processing IDE程序编程，其功能包括：
(1)接收和保存磁场强度、加速度、角速度、温度和智能终端融合解算脊柱姿态数据；
(2)实时显示每个脊椎的三维姿态，并保存记录到专用数据库；
(3)实时显示脊柱的三维姿态图，并与正常脊柱姿态图作对比；
(4)相关医护人员或研究人员可远程获取，进行脊柱姿态诊断分析研究。
脊柱测量仪的姿态解算步骤如下。
参照医疗行业人定义人体姿态坐标系，来表示脊柱三个角度——冠状面角(后凸角)、矢状面角(侧凸角)、横切面角(侧弯角)。
定义脊柱测量仪坐标系和脊柱坐标系b一致，设一向量P依次绕脊柱z、y、x轴旋转，旋转后的向量P'与之前的向量P的关系为P'＝RxRyRzP，其中
Figure GDA0003139745070000021
RxRyRz就是地理坐标系n与脊柱(测量)坐标系b之间的旋转关系，即姿态矩阵：
Figure GDA0003139745070000022
姿态矩阵也可用四元数表示：
Figure GDA0003139745070000031
四元数微分方程：
Figure GDA0003139745070000032
可采用一阶龙格库塔法进行求解得：
Figure GDA0003139745070000033
其中
Figure GDA0003139745070000034
为四元数一阶微分，Q为四元数，ω为角速度，ωx、ωy和ωz分别为x、y和z轴的角速度，t为采样时刻，T为采样周期。
姿态角与四元数的关系为
Figure GDA0003139745070000035
由于脊柱姿态测量应以大地水平坐标系为参考，而侧弯基准参考没有要求，因为实际中脊柱侧弯角的测量，测量侧弯的增量即可。
脊柱相对大地水平角度即后凸角和侧凸角，要想获得后凸角和侧凸角需要知道脊柱坐标系三轴上的重力加速度分量，可通过姿态矩阵乘以重力矢量获得
Figure GDA0003139745070000036
其中g为重力加速度，gxc,gyc,gzc为计算的脊柱坐标系三个轴向上的重力加速度分量。
计算脊柱坐标系三个轴向上重力加速度分量
Figure GDA0003139745070000037
由于姿态矩阵
Figure GDA0003139745070000038
存在误差，gxc,gyc,gzc就存在误差，所以直接采用了测量仪中的加速度计数据来计算后凸角θa和侧凸角γa为
Figure GDA0003139745070000039
当然也是存在误差的，需要融合处理。
对一个姿态测量系统来说，可以高速采样但做不到高速解算，因此利用每[0 T]的采样间隔内，进行大量采集加速度计、陀螺仪和磁强计x、y和z轴的加速度
Figure GDA0003139745070000041
三轴角速度
Figure GDA0003139745070000042
和三轴磁场数据
Figure GDA0003139745070000043
根据
Figure GDA0003139745070000044
其中d为周期内的采集数据，
Figure GDA0003139745070000045
为采集数据均值，n为采集数据数，分别计算采集数据
Figure GDA0003139745070000046
的方差为
Figure GDA0003139745070000047
和
Figure GDA0003139745070000048
一个周期内由陀螺仪数据计算的姿态增量
Figure GDA0003139745070000049
的方差没有改变，方差还是
Figure GDA00031397450700000410
融合解算初始值确定：如果磁数据正常，则初始值为
Figure GDA00031397450700000411
ψm通过磁数据计算获得；如果磁数据异常或无磁数据，侧弯初始值无法确定，先假定ψ为0，即初始值为
Figure GDA00031397450700000412
更新由陀螺仪数据计算的角度：
Figure GDA00031397450700000413
其中θg,γg,ψg为由角速度数据解算的角度，θgl,γgl,ψgl为上一次由角速度数据解算的角度，也可采用四元数姿态角度更新解算。
更新融合解算的角度：
Figure GDA00031397450700000414
其中
Figure GDA00031397450700000415
融合系数。
磁强计数据正常时更新融合系数：
Figure GDA0003139745070000051
其中
Figure GDA0003139745070000052
Figure GDA0003139745070000053
和
Figure GDA0003139745070000054
分别为θa、γa和ψm的均方差。
如果磁数据异常或无磁数据时，侧弯角融合解算的角度ψ采用x和y轴的加速度进行校正补偿。
如果姿态矩阵
Figure GDA0003139745070000055
准确，则计算的三轴重力加速度矢量
Figure GDA0003139745070000056
和加速度计三个轴向上输出的加速度矢量
Figure GDA0003139745070000057
方向完全是一致的，但姿态矩阵存在误差，设侧弯角误差为Δψ，该误差正比于矢量
Figure GDA0003139745070000058
和矢量
Figure GDA0003139745070000059
的叉乘中的ax*gyc-ay*gxc项，设为ez，设比例系数为
Figure GDA00031397450700000510
则
Figure GDA00031397450700000511
p1为静态误差系数，p2为动态误差系数。
Figure GDA00031397450700000512
值的确定：开机工作到再放置30s，记录这段每个解算周期内的姿态变化值Δψ、误差ez和误差积分值
Figure GDA00031397450700000513
即
Figure GDA00031397450700000514
采用递推最小二乘法拟合出
Figure GDA00031397450700000515
则z轴角速度为
Figure GDA00031397450700000516
其中n为30s内姿态的解算次数、
Figure GDA00031397450700000517
为z轴平均角速度，dT即采样周期T。
侧弯角为ψ＝ψgl+ωzdT，其中
Figure GDA00031397450700000518
则磁数据异常或无磁数据时
Figure GDA0003139745070000061
如果姿态数据存在一个方向变化，说明去除零偏不完全，可进行常值系数补偿，也可进行转台标定来补偿。
该脊柱测量仪结构简单，小巧便携，操作简单，使用方便，可广泛应用于各种姿态测量场合，具有较长的使用寿命。
附图说明
图1是脊柱坐标系定义。
图2是本发明测量仪的系统结构组成。
图3是本发明的姿态融合解算流程。
具体实施方式
一种基于磁/惯性数据的脊柱测量仪，通过由MEMS磁强计和MEMS惯性器件构建磁/惯性测量系统，通过由测量系统构成的智能测量终端脊在脊柱上滑动时的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场数据，通过融合解算测量数据，高精度的解算出每个脊椎的三个角度(冠状面角、矢状面角、横切面角)，进而就能获得整个脊柱的姿态及其变化，以下结合附图说明本发明的具体实施。
脊柱测量仪包括两个单元：智能终端测量单元和分析报告单元，如图1所示。
MEMS器件以其成本低、体积小、寿命长、集成化、抗冲击能力强和可靠性高等优势，成为脊柱智能终端测量单元的首选器件。
如图1，智能终端测量单元包括：MEMS磁/惯性数据采集模块、数据处理和姿态融合解算模块、显示模块、传输模块和供电模块，该智能终端测量单元实现数据采集、处理、姿态融合解算和显示功能，可单独使用。
MEMS磁/惯性数据采集模块包括三轴磁强计、三轴加速度计、三轴陀螺仪和温度计，采集的三轴磁场强度、三轴加速度、三轴角速度和温度数据，通过高速采集卡或SPI接口把数据传输到数据处理和姿态解算模块。
MEMS磁/惯性数据采集模块可采用分立器件构成，即三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计和温度计，分立器件性能会好一些，但会存在不正交误差，考虑此因素采用集成化的MEMS ADIS16405BMLZ器件，内部包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力仪，尺寸为23mm×23mm×23mm，分辨率为14位，带宽为350Hz，三轴陀螺仪测量范围为±75°/s—±300°/s，RMS噪声为0.03°/sec/√Hz，三轴加速计测量范围±18g，工作温度范围为-40℃至+105℃，SPI通讯接口。
数据处理和姿态融合解算模块也即是脊柱姿态测量的核心模块，硬件上由350M～500MHz时钟频率的ARM1176JZ嵌入式处理器，ROM/RAM存储器、SD卡、外围辅助电子元件构成，采集数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏静态误差补偿，采用统计卡尔曼滤波进行动态误差处理，最后根据处理后的磁场强度、加速度和角速度数据融合解算出脊柱姿态，并把原始磁场强度、加速度、角速度、温度和脊柱融合解算姿态数据记录到SD卡中。
显示模块采用为SPI接口的4线TFT真彩屏，显示脊椎的三个角度——冠状面角(后凸角)、矢状面角(侧弯角)、横切面角(侧凸角)。
传输模块采用USB串口和蓝牙双模式传输，实现有线和无线传输，蓝牙无线传输采用一对于加密模式，把原始磁场强度、加速度、角速度、温度和脊柱融合解算姿态数据传输到分析报告单元。
供电模块采用锂电池。
分析报告单元硬件采用便携式笔记本电脑，采用USB串口接收和蓝牙无线接收数据，显示界面采用Processing IDE程序编程，其功能包括：
(1)接收和保存磁场强度、加速度、角速度、温度和智能终端融合解算脊柱姿态数据；
(2)实时显示每个脊椎的三维姿态，并保存记录到专用数据库；
(3)实时显示脊柱的三维姿态图，并与正常脊柱姿态图作对比；
(4)相关医护人员或研究人员可远程获取，进行脊柱姿态诊断分析研究。
脊柱测量仪的姿态解算流程如图3所示。
参照医疗行业人定义体姿态坐标系，如图2所示，脊柱三个角度——冠状面角(后凸角)、矢状面角(侧凸角)、横切面角(侧弯角)。
定义脊柱测量仪坐标系和脊柱坐标系一致，设一向量P依次绕脊柱z、y、x旋转，旋转后的向量P'与之前的向量P的关系为P'＝RxRyRzP，其中
Figure GDA0003139745070000071
RxRyRz就是地理坐标系与脊柱(测量)坐标之间的旋转关系，即姿态矩阵：
Figure GDA0003139745070000072
姿态矩阵也可用四元数表示：
Figure GDA0003139745070000073
四元数微分方程：
Figure GDA0003139745070000081
可采用一阶龙格库塔法进行求解得：
Figure GDA0003139745070000082
其中T为采样周期。
由于脊柱姿态测量应以大地水平坐标系为参考，而侧弯基准参考没有要求，因为实际中脊柱侧弯角的测量，测量侧弯的增量即可。
脊柱相对大地水平角度即后凸角和侧凸角，要想获得后凸角和侧凸角需要知道脊柱坐标系三轴上的重力加速度分量，可通过姿态矩阵乘以重力矢量获得
Figure GDA0003139745070000083
其中g为重力加速度，gxc,gyc,gzc为计算的脊柱坐标系三个轴向上的重力加速度分量。
计算脊柱坐标系三个轴向上重力加速度分量
Figure GDA0003139745070000084
由于姿态矩阵
Figure GDA0003139745070000085
存在误差，gxc,gyc,gzc就存在误差，所以直接采用了测量仪中的加速度计数据来计算后凸角θa和侧凸角γa为
Figure GDA0003139745070000086
当然也是存在误差的，需要融合处理。
对一个姿态测量系统来说，可以高速采样但做不到高速解算，因此利用每[0 T]的采样间隔内大量采集加速度计、陀螺仪和磁强计的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场数据，根据
Figure GDA0003139745070000087
其中d为周期内的采集数据，
Figure GDA0003139745070000088
为采集数据均值，n为采集数据数，分别计算采集数据
Figure GDA0003139745070000089
的方差为
Figure GDA0003139745070000091
和
Figure GDA0003139745070000092
一个周期内由陀螺仪数据计算的姿态增量
Figure GDA0003139745070000093
的方差没有改变，方差还是
Figure GDA0003139745070000094
融合解算初始值确定：如果磁数据正常，则初始值为
Figure GDA0003139745070000095
ψm通过磁数据计算获得；如果磁数据异常或无磁数据，侧弯初始值无法确定，先假定ψ为0，即初始值为
Figure GDA0003139745070000096
更新由陀螺仪数据计算的角度：
Figure GDA0003139745070000097
其中θg,γg,ψg为由角速度数据解算的角度，θgl,γgl,ψgl为上一次由角速度数据解算的角度，也可采用四元数姿态更新解算。
更新融合解算的角度：
Figure GDA0003139745070000098
其中
Figure GDA0003139745070000099
融合系数。
磁强计数据正常时更新融合系数：
Figure GDA00031397450700000910
其中
Figure GDA00031397450700000911
如果磁数据异常或无磁数据时，侧弯角融合解算的角度ψ采用x和y轴的加速度进行校正补偿。
如果姿态矩阵
Figure GDA0003139745070000101
准确，则计算的三轴重力加速度矢量
Figure GDA0003139745070000102
和加速度计三个轴向上输出的加速度矢量
Figure GDA0003139745070000103
方向完全是一致的，但姿态矩阵存在误差，设侧弯角误差为Δψ，该误差正比于矢量
Figure GDA0003139745070000104
和矢量
Figure GDA0003139745070000105
的叉乘中的ax*gyc-ay*gxc项，设为ez，设比例系数为
Figure GDA0003139745070000106
则
Figure GDA0003139745070000107
p1为静态误差系数，p2为动态误差系数。
Figure GDA0003139745070000108
值的确定：从开机工作到再放置30s，系统自动记录这段每个解算周期内的姿态变化值Δψ、误差ez和误差积分值
Figure GDA0003139745070000109
即
Figure GDA00031397450700001010
采用递推最小二乘法拟合出
Figure GDA00031397450700001011
则z轴角速度为
Figure GDA00031397450700001012
侧弯角为ψ＝ψgl+ωzdT，其中
Figure GDA00031397450700001013
则磁数据异常或无磁数据时
Figure GDA00031397450700001014
如果姿态数据存在一个方向变化，说明去除零偏不完全，可进行常值系数补偿，也可进行转台标定来补偿。
最后说明的是以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，可以对本发明进行修改或更换，而不脱离本技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪，其特征在于脊柱姿态解算步骤：
(1)参照医疗行业人定义体姿态坐标系，脊柱三个角度——后凸角θ、侧凸角γ、侧弯角ψ，脊柱测量仪坐标系和地理坐标系的关系，即姿态矩阵
Figure FDA0003255731080000011
姿态矩阵也可用四元数表示：
Figure FDA0003255731080000012
其中b为脊柱坐标系和n为地理坐标系；
(2)四元数微分方程：
Figure FDA0003255731080000013
可采用一阶龙格库塔法进行求解得：
Figure FDA0003255731080000014
其中
Figure FDA0003255731080000015
为四元数一阶微分，Q为四元数，ω为角速度，ωx、ωy和ωz分别为x、y和z轴的角速度，t为采样时刻，T为采样周期；
(3)脊柱坐标系三轴上的重力加速度分量，可通过姿态矩阵乘以重力矢量获得
Figure FDA0003255731080000016
其中g为重力加速度，gxc,gyc,gzc为计算的脊柱坐标系三个轴向上的重力加速度分量；
(4)计算脊柱坐标系三个轴向上重力加速度分量
Figure FDA0003255731080000017
直接采用了测量仪中的加速度计数据来计算后凸角θa和侧凸角γa为
Figure FDA0003255731080000018
(5)利用每[0 T]的采样间隔内大量采集加速度计、陀螺仪和磁强计x、y和z轴的加速度
Figure FDA0003255731080000019
三轴角速度
Figure FDA00032557310800000110
和三轴磁场数据
Figure FDA00032557310800000111
根据
Figure FDA00032557310800000112
其中d为周期内的采集数据，
Figure FDA00032557310800000113
为采集数据均值，n为采集数据数，分别计算采集数据
Figure FDA0003255731080000021
的方差为
Figure FDA0003255731080000022
一个周期内由陀螺仪数据计算的姿态增量
Figure FDA0003255731080000023
的方差没有改变，方差还是
Figure FDA0003255731080000024
(6)融合解算初始值确定：如果磁数据正常，则初始值为
Figure FDA0003255731080000025
ψm通过磁数据计算获得；如果磁数据异常或无磁数据，侧弯初始值无法确定，可假定ψ为0，即初始值为
Figure FDA0003255731080000026
(7)更新由陀螺仪数据计算的角度：
Figure FDA0003255731080000027
其中θg,γg,ψg为由角速度数据解算的角度，θgl,γgl,ψgl为上一次由角速度数据解算的角度，也可采用四元数姿态更新解算；
(8)更新融合解算的角度：
Figure FDA0003255731080000028
其中
Figure FDA0003255731080000029
融合系数；
(9)磁强计数据正常时更新融合系数：
Figure FDA00032557310800000210
其中
Figure FDA00032557310800000211
Figure FDA00032557310800000212
和
Figure FDA00032557310800000213
分别为θa、γa和ψm的均方差；
(10)如果磁数据异常或无磁数据时，侧弯角融合解算的角度ψ采用x和y轴的加速度进行校正补偿；如果姿态矩阵
Figure FDA0003255731080000031
准确，则计算的三轴重力加速度矢量
Figure FDA0003255731080000032
和加速度计三个轴向上输出的加速度矢量
Figure FDA0003255731080000033
方向完全是一致的，但姿态矩阵存在误差，设侧弯角误差为Δψ，该误差正比于矢量
Figure FDA0003255731080000034
和矢量
Figure FDA0003255731080000035
的叉乘中的ax*gyc-ay*gxc项，设为ez，设比例系数为
Figure FDA0003255731080000036
则
Figure FDA0003255731080000037
p1为静态误差系数，p2为动态误差系数；
(11)
Figure FDA0003255731080000038
值的确定：从开机工作到再放置30s，系统自动记录这段每个解算周期内的姿态变化值Δψ、误差ez和误差积分值
Figure FDA0003255731080000039
即
Figure FDA00032557310800000310
采用递推最小二乘法拟合出
Figure FDA00032557310800000311
则z轴角速度为
Figure FDA00032557310800000312
其中n为30s内姿态的解算次数、
Figure FDA00032557310800000313
为z轴平均角速度，dT即采样周期T；
(12)侧弯角为ψ＝ψgl+ωzdT，则磁数据异常或无磁数据时
Figure FDA00032557310800000314
(13)如果姿态数据存在一个方向变化，说明去除零偏不完全，可进行常值系数补偿，也可进行转台标定来补偿。
CN201910485335.XA 2019-06-05 2019-06-05 一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪 Expired - Fee Related CN110141240B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910485335.XA CN110141240B (zh) 2019-06-05 2019-06-05 一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910485335.XA CN110141240B (zh) 2019-06-05 2019-06-05 一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110141240A CN110141240A (zh) 2019-08-20
CN110141240B true CN110141240B (zh) 2021-11-05

Family

ID=67590415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910485335.XA Expired - Fee Related CN110141240B (zh) 2019-06-05 2019-06-05 一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110141240B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110772257A (zh) * 2019-10-31 2020-02-11 朱志斌 手持式脊柱静态曲率的检测装置
CN113703519A (zh) * 2020-05-21 2021-11-26 北京小米移动软件有限公司 折叠屏姿态确定方法、装置及存储介质
CN111631687B (zh) * 2020-06-10 2022-11-29 魏嘉林 智能脊柱检测系统、检测仪及检测方法
CN112902954A (zh) * 2021-03-05 2021-06-04 上海竹格智能传感技术有限公司 塔架晃动传感器和塔架晃动角度测量方法
CN113017610B (zh) * 2021-05-26 2021-10-08 北京诺亦腾科技有限公司 一种脊柱数据的测量方法、装置及存储介质

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107478223A (zh) * 2016-06-08 2017-12-15 南京理工大学 一种基于四元数和卡尔曼滤波的人体姿态解算方法
CN107131865A (zh) * 2017-06-13 2017-09-05 广州辛群科技有限公司 角度检测装置
CN107830871B (zh) * 2017-10-12 2020-10-27 歌尔科技有限公司 一种补偿陀螺仪角速度数据的方法、装置、陀螺仪和系统
CN108398128B (zh) * 2018-01-22 2021-08-24 北京大学深圳研究生院 一种姿态角的融合解算方法和装置
CN108836351B (zh) * 2018-06-24 2021-10-08 北京旷景科技有限公司 穿戴式躯干姿态监测系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN110141240A (zh) 2019-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110141240B (zh) 一种基于磁/惯性器件的脊柱测量仪
Bo et al. Joint angle estimation in rehabilitation with inertial sensors and its integration with Kinect
Lee et al. A real-time gyroscopic system for three-dimensional measurement of lumbar spine motion
CN104127187B (zh) 用于帕金森病人主要症状定量检测的可穿戴系统
Goodvin et al. Development of a real-time three-dimensional spinal motion measurement system for clinical practice
CN111133318B (zh) 考虑受试者相关变量和/或身体定位的传感器校准
US20170265800A1 (en) Apparatus and Method for Monitoring Rehabilitation from Joint Surgery
RU2627634C2 (ru) Устройство для мониторинга пользователя и способ для калибровки устройства
CN110101388B (zh) 一种基于mimu的便携脊柱测量仪及方法
CA2545486A1 (en) A system for detecting and analyzing body motion
CN210582487U (zh) 颈椎三维活动度智能测量仪
KR101438714B1 (ko) 척추 자세 평가 시스템 및 평가 데이터 생성 방법
EP3325916B1 (en) Method and apparatus for unambiguously determining orientation of a human head in 3d geometric modeling
CN112446162B (zh) 一种基于姿态识别的椎间盘应力测量装置及方法
EP2231013B1 (en) Integrated unit for monitoring motion in space
CN109602424A (zh) 颈椎三维活动度智能测量仪
CN111657958A (zh) 一种可穿戴式脊柱健康定量测评装置及其测量方法
CN108088431B (zh) 一种自校正电子罗盘及其校正方法
CN109945889A (zh) 一种基于双姿态传感器的关节角度测量方法
CN213345647U (zh) 一种可穿戴式脊柱健康定量测评装置
Hermanis et al. Grid shaped accelerometer network for surface shape recognition
CN114343615A (zh) 一种脊椎侧弯手术中的姿态测量系统
CN2735933Y (zh) 基于传感器的人体关节运动姿态测量仪
CN113171077A (zh) 一种用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置和方法
JP7180216B2 (ja) 生体情報解析装置、生体情報解析方法、および生体情報解析システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for 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: 20211105

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee