CN113100789B - 一种膝关节内外侧受力实时分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种膝关节内外侧受力实时分析系统，涉及人体健康监测技术领域。系统包括数据采集系统、数据传输系统、多源信号实时分析系统以及客户端APP，数据采集系统采集的数据由数据传输系统发送给多源信号实时分析系统后，多源信号实时分析系统对膝关节内外侧受力情况进行实时分析，并将分析结果发送给客户端APP进行实时展示，大大提高了监测的实时性，对于人体关节疾病诊断、为矫形设备提供控制依据、矫形效果评估、术后评估等方面具有重要意义。

Description

一种膝关节内外侧受力实时分析系统
技术领域
本发明涉及人体健康监测技术领域，特别是涉及一种膝关节内外侧受力实时分析系统。
背景技术
目前我国已经进入老龄化社会，预计2040年我国65周岁及以上人口将占总人口的21.8％；加上生活水平提高导致中国肥胖人群显著增加，以及运动员长期高强度训练和比赛、长期体力劳动者以及工伤、交通事故等，导致关节软骨退化、骨性关节炎等关节疾病，骨性关节病发病率逐年上升，年轻化趋势明显。因此人体运动生物力学分析、关节疾病诊疗设备、助力及助残穿戴装备等科研方向成为研究热点。
目前对于病人膝关节疾病诊断的方式主要是通过X光片、核磁共振等影像学手段，膝关节受力分析主要通过基于三维运动捕捉系统的步态实验分析，这种受力分析方式需要安装多台光学捕捉设备，因此占地面积大，设备价格昂贵；而且需要先进行步态实验得到实验数据，再利用生物力学分析软件进行动力学求解，不具有实时性。
发明内容
本发明提供了一种膝关节内外侧受力实时分析系统，可以解决现有技术中的问题。
本发明提供了一种膝关节内外侧受力实时分析系统，包括数据采集系统、数据传输系统、多源信号实时分析系统以及客户端APP；
所述数据采集系统包括IMU数据采集设备、GRF数据采集设备和EMG数据采集设备，所述IMU数据采集设备用于采集用户身体各处的惯性数据，所述GRF数据采集设备用于采集用户足底压力数据，所述EMG数据采集设备用于实时采集肌肉的肌电信号；
所述数据传输系统将数据采集系统采集的数据传输给多源信号实时分析系统；
所述多源信号实时分析系统根据惯性数据，通过基于传感器坐标系和人体关节坐标系的矩阵变换，求解得到下肢实时姿态；然后，所述多源信号实时分析系统根据下肢实时姿态以及足底压力数据进行实时动力学分析，得到膝关节力和力矩数据；所述多源信号实时分析系统利用肌电信号求解得到肌肉力、力矩数据，根据膝关节力、力矩数据和肌肉力、力矩数据进行肌肉特性综合评估，得到各块肌肉的权重分析结果；
所述多源信号实时分析系统根据后续处理得到的膝关节力、力矩数据以及保存的各块肌肉权重分析结果，进行膝关节动态受力分析，得到的分析结果由所述数据传输系统实时传输至客户端APP；
所述客户端APP接收到膝关节动态受力分析结果后，通过膝关节生理学模型实时显示相应的关节力、关节力矩、分布特性数据及其变化规律。
优选地，在用户首次进行膝关节受力分析时，所述IMU数据采集设备、GRF数据采集设备、EMG数据采集设备分别采集惯性数据、足底压力数据和肌电信号，并由所述多源信号实时分析系统分析得到各块肌肉的权重分析结果；
在用户再次进行膝关节受力分析时，所述IMU数据采集设备和GRF数据采集设备分别采集惯性数据和足底压力数据，由所述多源信号实时分析系统进行膝关节动态受力分析。
优选地，所述数据传输系统通过蓝牙将分析结果传输至客户端APP。
优选地，所述客户端APP安装在手机或者电脑中。
本发明中的一种膝关节内外侧受力实时分析系统，具有以下优点：
1、人体关节受力实时预测；
2、便携/可穿戴性—不再局限于运动捕捉系统；
3、预测/计算结果电脑、手机APP实时图显，配合手机软件中的膝关节模型实现膝关节动态受力可视化、数字化、动态化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中实时分析系统的组成示意图；
图2为实时分析系统的数据处理过程。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1和图2，本发明提供了一种膝关节内外侧受力实时分析系统，该系统包括：数据采集系统、数据传输系统、多源信号实时分析系统以及客户端APP。
所述数据采集系统包括IMU(惯性测量单元)数据采集设备、GRF(足底地面反作用力)数据采集设备和EMG(肌电图)数据采集设备。所述IMU数据采集设备分别佩戴在用户的腹部前侧、大腿外侧中点和小腿外侧中点，用于采集用户身体各处的惯性数据。所述GRF数据采集设备安装在用户的鞋底，用于采集用户足底压力数据，包括压力大小和方向。所述EMG数据采集设备佩戴在用户膝关节上下股四头肌等主要肌肉处，用于实时采集相应肌肉处的肌电信号。
在本发明中，由于EMG数据采集设备在腿部穿戴不方便，穿戴需要找准肌肉，所以日常穿戴难度大。因此用户首次进行膝关节受力分析时，佩戴所述EMG数据采集设备，并采集得到肌电信号，同时通过IMU数据采集设备和GRF数据采集设备分别采集惯性数据和足底压力数据。后面再进行膝关节受力分析时，仅需要通过IMU数据采集设备和GRF数据采集设备采集惯性数据和足底压力数据，不需要每次都穿戴EMG数据采集设备。
所述IMU数据采集设备、GRF数据采集设备和EMG数据采集设备采集的数据均由数据传输系统通过有线的方式传输给多源信号实时分析系统。
所述多源信号实时分析系统包括微控制系统，所述微控制系统接收数据采集系统发送的数据后对数据进行保存。
所述微控制系统根据惯性数据，通过基于传感器坐标系和人体关节坐标系的矩阵变换，解算得到下肢实时姿态。然后，所述微控制系统根据下肢实时姿态以及足底压力数据进行实时动力学分析，得到膝关节力和力矩等数据。所述微控制系统利用肌电信号求解得到肌肉力、力矩等数据，根据膝关节力和力矩等数据和肌肉力、力矩等数据进行肌肉特性综合评估，得到各块肌肉的权重分析结果，完成人体运动系统个性化评估与标定。接着，所述微控制系统保存得到的各块肌肉权重分析结果，作为后续处理的输入数据。
首次数据采集完成后，所述IMU数据采集设备和GRF数据采集设备分别采集用户的惯性数据和足底压力数据，由所述数据传输系统发送给多源信号实时分析系统。所述微控制系统再根据惯性数据进行姿态解算得到下肢实时姿态，并根据下肢实时姿态和足底压力数据进行动力学分析，得到膝关节力、力矩等数据。
所述微控制系统根据膝关节力、力矩等数据以及保存的各块肌肉权重分析结果，进行膝关节动态受力分析，得到的分析结果由数据传输系统通过无线的方式实时传输至客户端APP。所述客户端APP中内置有膝关节生理学模型，当接收到膝关节动态受力分析结果后所述客户端APP中的膝关节生理学模型实时显示相应的关节力、关节力矩、分布特性等数据及其变化规律。
在本实施例中，所述数据传输系统通过蓝牙将分析结果传输至客户端APP，所述客户端APP可以安装在手机或者电脑中。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种膝关节内外侧受力实时分析系统，其特征在于，包括数据采集系统、数据传输系统、多源信号实时分析系统以及客户端APP；
所述数据采集系统包括IMU数据采集设备、GRF数据采集设备和EMG数据采集设备，所述IMU数据采集设备用于采集用户身体各处的惯性数据，所述GRF数据采集设备用于采集用户足底压力数据，所述EMG数据采集设备用于实时采集肌肉的肌电信号；
所述数据传输系统将数据采集系统采集的数据传输给多源信号实时分析系统；
所述多源信号实时分析系统包括微控制系统，所述多源信号实时分析系统根据惯性数据，通过基于传感器坐标系和人体关节坐标系的矩阵变换，求解得到下肢实时姿态；然后，所述多源信号实时分析系统根据下肢实时姿态以及足底压力数据进行实时动力学分析，得到膝关节力和膝关节力矩数据；所述多源信号实时分析系统利用肌电信号求解得到肌肉力、肌肉力矩数据，根据膝关节力、膝关节力矩数据和肌肉力、肌肉力矩数据进行肌肉特性综合评估，得到各块肌肉的权重分析结果，所述微控制系统保存得到的各块肌肉权重分析结果，作为后续处理的输入数据；
所述多源信号实时分析系统根据后续处理得到的膝关节力、膝关节力矩数据以及保存的各块肌肉权重分析结果，进行膝关节动态受力分析，得到的分析结果由所述数据传输系统实时传输至客户端APP；
在用户首次进行膝关节受力分析时，所述IMU数据采集设备、GRF数据采集设备、EMG数据采集设备分别采集惯性数据、足底压力数据和肌电信号，并由所述多源信号实时分析系统分析得到各块肌肉的权重分析结果；
在用户再次进行膝关节受力分析时，仅需要通过IMU数据采集设备和GRF数据采集设备采集惯性数据和足底压力数据，不需要每次都穿戴EMG数据采集设备，由所述多源信号实时分析系统进行膝关节动态受力分析；
所述客户端APP接收到膝关节动态受力分析结果后，通过膝关节生理学模型实时显示相应的关节力、关节力矩、分布特性数据及其变化规律。
2.如权利要求1所述的一种膝关节内外侧受力实时分析系统，其特征在于，所述数据传输系统通过蓝牙将分析结果传输至客户端APP。
3.如权利要求1所述的一种膝关节内外侧受力实时分析系统，其特征在于，所述客户端APP安装在手机或者电脑中。
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