CN115778393B - 一种人体组织刚度测量的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人体组织刚度测量的方法及系统，包括第一位移传感器、连接件、第二位移传感器、变送器及终端；第一位移传感器具有第一检测头，第一检测头包括压缩轴、高刚度弹簧和压头；高刚度弹簧套接在压缩轴上，压头安装在压缩轴端部；第一位移传感器外侧套接上套筒、低刚度弹簧和下套筒，上套筒通过低刚度弹簧与下套筒连接固定；下套筒下端面与压头底面齐平；第二位移传感器具有第二检测头，第二检测头通过连接件与下套筒相连；第一位移传感器和第二位移传感器将采集到的位移量模拟信号传送至变送器，变送器将位移量模拟信号转换成数字信号后传输至终端。本发明方便携带，测量精准，容错率大，应用范围广，极具有实用性。
Description
技术领域
本发明涉及肌肉组织检测领域，具体涉及一种人体组织刚度测量的方法及系统。
背景技术
近年来，随着人们物质生活的提升与改善，人们越来越重视自己的身体健康，对疾病的预防和治疗的观念逐渐深入人心，而疾病的产生往往会引起组织刚度的变化，例如：癌症通常表现为：脂肪内组织硬块过多，骨胶原内组织系数异常，相对正常值增大或减小，或一些囊肿呈现出十分柔软的结构，因此人体组织刚度是人体身体健康的一个重要指标，定时监测组织刚度对预防和治疗疾病有着决定性的影响。另外，运动员也可根据组织刚度的变化来指导肌肉的强化训练，为此人们试图寻找一种检测方法来对组织刚度进行一些定量测量。
虽然现在出现了一些可对肌肉组织进行检测的仪器，但是有的仪器过于笨重，有的仪器只能检测人体某些部位，有些仪器测量结果误差过大，均未能切实地解决人们的需求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种人体组织刚度测量的方法及系统，其方便携带，相比于传统压力/位移方法，该测量系统的压力差/位移差具有更高的精准度，另外，该测量系统可以用于几乎人体所有组织的刚度测量，适用范围广。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种人体组织刚度测量系统，所述包括第一位移传感器、连接件、第二位移传感器、变送器及终端；
所述第一位移传感器具有第一检测头，所述第一检测头包括压缩轴、高刚度弹簧和压头；所述压缩轴安装在所述第一位移传感器的连接端，所述高刚度弹簧套接在所述压缩轴上，所述压头安装在所述压缩轴端部；
所述第一位移传感器外侧套接上套筒、低刚度弹簧和下套筒，所述上套筒通过所述低刚度弹簧与所述下套筒连接固定；所述下套筒下端面与所述压头底面齐平；
所述第二位移传感器具有第二检测头，所述第二检测头端部通过所述连接件与所述下套筒相连；
所述第一位移传感器和所述第二位移传感器分别与所述变送器相连，将采集到的位移量模拟信号传送至所述变送器，所述变送器将所述位移量模拟信号转换成数字信号后传输至所述终端。
进一步地，所述终端上设有用于采集位移量数字信号的上位机程序。
进一步地，所述第一检测头还包括垫片，所述垫片套在所述压缩轴上，所述高刚度弹簧上端通过所述垫片与所述连接端相接。
进一步地，所述垫片的下表面、所述上套筒底面和所述下套筒顶面上分别设有卡槽，所述高刚度弹簧上端安装在所述垫片的所述卡槽内，所述低刚度弹簧两端分别安装在所述上套筒底面和所述下套筒顶面的所述卡槽内。
进一步地，所述第二位移传感器的所述第二检测头包括压缩轴，所述压缩轴上的螺纹部与所述连接件螺纹连接。
进一步地，所述第一位移传感器与所述变送器、所述第二位移传感器与所述变送器、以及所述变送器与所述终端分别通过缆线相连。
进一步地，所述变送器包括RS485通讯接口，所述变送器通过所述RS485通讯接口与所述终端缆线相接。
本发明还公开了一种根据上述中任一项所述的人体组织刚度测量系统的测量方法，对待测组织进行刚度测量的所述测量方法包括如下步骤：
S1、在测量之前，先获取高刚度弹簧和低刚度弹簧的刚度系数kh、kl；
S2、手持第二位移传感器上端和上套筒的位置，向待测组织垂直按压，下套筒和压头同时与所测组织按压接触；
S3、下套筒和压头接触组织后，第一位移传感器直接测量高刚度弹簧压缩量Δh，第二位移传感器通过下套筒，间接测量低刚度弹簧压缩量Δl；第一位移传感器和第二位移传感器将测量的压缩量传送至变送器；
S4、变送器将接收的压缩量模拟信号进行放大、滤波和模数转换处理，形成数字信号，并传输至终端；
S5、终端在获取高刚度弹簧和低刚度弹簧的压缩量Δh、Δl和刚度系数kh、kl后，计算压头和下套筒与所测组织接触后所受的高刚度侧所受力FH、低刚度侧所受力FL；终端根据如下公式计算组织刚度k0：
进一步地，所述高刚度弹簧和低刚度弹簧的刚度系数kh、kl，kh≥5kl。
进一步地，在步骤S5中，根据胡克定律计算高刚度侧所受力FH和低刚度侧所受力FL；
高刚度侧所受力
其中，kh为高刚度弹簧刚度，Δh为高刚度弹簧压缩量，k0为组织刚度，为高刚度侧组织形变量，/>为高刚度侧组织所受力；
低刚度侧所受力
其中，kl为低刚度弹簧刚度，Δl为低刚度弹簧压缩量，为低刚度侧组织形变量，/>为低刚度侧组织所受力。
本发明的有益效果：
本发明具有方便携带、测量精准、容错率大及适用范围广等特点，在临床方面有很大实用性。本发明不仅可以用来监测组织损伤程度及恢复程度，还可以指导治疗强度、频次和用药剂量及间隔，对临床治疗的效果及效率有很大程度的提升，可以用来模拟肌肉训练，以便制定更好的肌肉训练计划。
本发明通过压力差/位移差计算组织刚度，相比于传统的压力/位移方法计算方法具有更高的精准度。另外，本发明可以几乎用于人体所有组织的刚度测量，本发明通过高刚度弹簧的设置，可使所测组织产生更大形变，因此，可以测得更深层的组织刚度，大大扩大了本发明的适用范围。
本发明在终端上设置的上位机程序具有识别、移除离散点的功能，大大减小测量系统的误差，使得本发明容错率大。
另外，本发明的两个位移传感器采用并联设计，本发明通过下套筒与连接件将压力传递至第二位移传感器与低刚度弹簧，通过压头将压力传递至高刚度弹簧和第一位移传感器，减少测量系统内部的摩擦，进而得到更精准的弹簧压缩量。
附图说明
图1为本发明人体组织刚度测量系统的示意图；
图2为本发明人体组织刚度测量系统的原理图。
其中：1-第一位移传感器、2-低刚度弹簧、3-连接件、4-下套筒、5-垫片、6-高刚度弹簧、7-压头、8-上套筒、9-第二位移传感器、10-第一缆线、11-第一缆线头、12-第二缆线、13-第二缆线头、14-变送器、15-第三缆线、16-第三缆线头、17-终端、18-螺纹部。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本申请文件中的上、下、左、右、内、外、前端、后端、头部、尾部等方位或位置关系用语是基于附图所示的方位或位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例记载了一种人体组织刚度测量的方法及系统，其通过对压力差和位移差的监测来计算肌肉组织的刚度，可用于对人体组织及其他动物肌肉刚度的监测及肌肉模拟训练等。
如图1所示，该人体组织刚度测量系统包括第一位移传感器1、连接件3、第二位移传感器9、变送器14及终端17。第一位移传感器1和第二位移传感器9分别安装在连接件3上，第一位移传感器1和第二位移传感器9分别具有第一检测头和第二检测头，并通过各自缆线与变送器14相连，将采集到的位移量模拟信号传送至变送器14，位移量模拟信号经过变送器14放大、滤波和模数转换等处理成数字信号后传输至终端17。
第一位移传感器1为接触式位移传感器，第一检测头包括压缩轴、垫片5、高刚度弹簧6和压头7。压缩轴安装在第一位移传感器1的连接端，且与连接端形成阶梯，压缩轴为可伸缩调节结构，如其可包括上筒、连接弹簧和下轴，下轴可进出上筒，且下轴顶端通过连接弹簧与上筒内侧顶端相连，按压第一位移传感器1时，下轴压进上筒内，在压力减小后，在连接弹簧作用下下轴伸出上筒，由此调节压缩轴长度，垫片5套在压缩轴上，垫片5的上表面紧贴连接端面，下表面具有卡槽，通过卡槽与套接在压缩轴上的高刚度弹簧6上端相接，高刚度弹簧6的下端面与安装在压缩轴端部的压头7上表面相接，第一位移传感器1通过压头7的下表面与肌肉组织的按压接触，直接测量被压缩的人体组织形变量。该第一位移传感器1在测量的初始状态时，高刚度弹簧6保持原长。本实施例中，因高刚度弹簧6上端安装在垫片5上，在按压过程中可减少对第一位移传感器1的磨损，且更换方便，有利于延长第一位移传感器1的使用寿命。压头7为小型可拆卸的接触式压头，如可通过螺纹连接将压头7与压缩轴连接，拆装便捷。
在第一位移传感器1外面套接上套筒8、低刚度弹簧2和下套筒4，上套筒8通过低刚度弹簧2与下套筒4连接固定，其中，上套筒8内部顶端与第一位移传感器1的上端连接，下套筒4下端面与压头7底面齐平。第一位移传感器1下压时，上套筒8、低刚度弹簧2和下套筒4随之一起下压，下套筒4与压头7同时接触人体组织。
另外，上套筒8的顶面具有通孔，第一位移传感器1的第一缆线10由通孔伸出，并通过第一缆线头11与变送器14相连。
本实施例中上套筒8和下套筒4为塑料件，可降低该测量系统的质量。上套筒8底面和下套筒4顶面上均设有卡槽，方便固定低刚度弹簧2。
在连接件3上开有安装孔和内螺纹孔，第一位移传感器1穿过安装孔，且通过下套筒4外侧与连接件3连接固定，第二位移传感器9与第一位移传感器1为相同类型的传感器，其具有第二检测头，第二检测头包括压缩轴、垫片5和高刚度弹簧6，压缩轴端部不安装压头7，通过压缩轴上的螺纹部18与连接件3的内螺纹孔螺纹连接。第二位移传感器9通过连接件3与下套筒4相连，在按压过程中根据下套筒4的位移间接测量低刚度弹簧2的压缩形变量。
第二位移传感器9的第二缆线12通过第二缆线头13与变送器14相连，变送器14通过第三缆线15的第三缆线头16连接终端17。
终端17为电子信息接收控制设备，变送器14采用RS485通讯接口，便于与更多的电子信息接收控制设备相连，如电子信息接收控制设备可采用计算机、手机、iPad等控制设备。
在终端17上设有用于采集位移量数字信号的上位机程序，用户通过终端17的上位机程序来控制人体组织刚度测量系统测量组织刚度。上位机程序流程为：
1、通过位移传感器自带的modbus指令实时采集带有高刚度弹簧6和低刚度弹簧2压缩量的字符串指令，上位机程序非连续采集字符串指令，采集频率为10HZ-30HZ；获取字符串指令后，测量系统将负脉冲信号分别反馈至第一位移传感器1和第二位移传感器9，保证测量系统的同步控制；
所述的负脉冲信号由字符串指令转换而成，转换过程：高刚度弹簧6和低刚度弹簧2同时产生形变并开始受力，高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的压缩量为字符串指令，当高刚度弹簧受力至1N时，上位机程序压力差、位移差进行调零，此调零信号即为负脉冲信号。
2、上位机程序将所采集到的字符串指令进行无关字符删减、字符串数值转换和单位转换等处理，获得高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的压缩量数值；
3、在上位机程序中建立坐标系，并根据高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的压缩量数值计算高刚度弹簧6和低刚度弹簧2各自所受压力，将“人体组织的刚度系数＝高刚度弹簧6和低刚度弹簧2所受压力差值/高刚度弹簧6和低刚度弹簧2压缩量差值”输入上位机程序；
在终端17上显示，人体组织的刚度系数，并组合高刚度弹簧6和低刚度弹簧2所受压力差值和高刚度弹簧6和低刚度弹簧2压缩量差值，将高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的所受压力差值和压缩量差值显示在XY坐标图上，差值构成波形曲线，所测组织的刚度系数即为XY坐标图上波形曲线各点的斜率；
4、上位机程序过滤采集的高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的压缩量数值，移除偏离波形曲线较远的点，可导出所测得的压力差值-压缩量差值曲线的原始数据。
由于本上位机程序的采集频率为10HZ-30HZ，属于间断采集，显示的XY坐标图为散点图，上位机程序中提供了多种曲线拟合方法，如多项式曲线拟合、对数拟合、指数拟合、S形曲线拟合等，通过曲线拟合方法对最终得到的压力差-位移差曲线进行拟合，方便对波形曲线进行非线性分析。
优选地，曲线拟合方法为四阶多项式曲线拟合，获得的拟合系数精确性R2＞0.999。四阶多项式曲线拟合的算法方程式：Y＝aX4+bX3+cX2+dX1+e；式中X表示位移差值，Y表示压力差值，a、b、c、d、e表示拟合系数(可根据上述方程式及n个X、Y值计算获得)，当每条曲线使用四阶多项式曲线拟合后，曲线的非线性信息可以被5个拟合系数a、b、c、d、e组合表征，通过观察拟合系数来诊断组织的病变。
利用此人体组织刚度测量系统对人体组织进行刚度测量，如图2所示，测量方法如下：
1、在测量之前，先获取高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的刚度系数kh、kl，所用的高刚度弹簧6和低刚度弹簧2需满足kh≥5kl的测量要求；
2、手持第二位移传感器9上端和上套筒8的位置，向待测组织垂直按压，下套筒4和压头7同时与所测组织按压接触；
3、下套筒4和压头7接触组织后，第一位移传感器1直接测量高刚度弹簧6被压缩的位移量，即高刚度弹簧压缩量Δh，第二位移传感器9通过连接件3与下套筒4相连，间接测量低刚度弹簧2被压缩的位移量，即低刚度弹簧压缩量Δl；第一位移传感器1和第二位移传感器9将测量的位移量传送至变送器14；
由于下套筒4和第一位移传感器1的压头7与所测组织接触面所受的力不同，以及高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的刚度系数不同，因高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的压缩量可能不同；
4、变送器14将接收的位移量模拟信号(即高刚度弹簧压缩量Δh和低刚度弹簧压缩量Δl)进行放大、滤波和模数转换处理，形成数字信号，并传输至终端17；
5、终端17在获取高刚度弹簧6和低刚度弹簧2的压缩量Δh、Δl和刚度系数kh、kl后，根据胡克定律计算第一位移传感器1的压头7和下套筒4与所测组织接触后所受的力FH、FL；
由胡克定律可知，高刚度侧(即第一位移传感器1的压头7)所受力FH：
其中，kh为高刚度弹簧刚度，Δh为高刚度弹簧压缩量，k0为组织刚度，为高刚度侧组织形变量，/>为高刚度侧组织所受力。
低刚度侧(即下套筒4)所受力FL：
其中，kl为低刚度弹簧刚度，Δl为低刚度弹簧压缩量，为低刚度侧组织形变量，/>为低刚度侧组织所受力。
高刚度弹簧压缩量与高刚度侧组织形变量之和与低刚度弹簧压缩量与低刚度侧组织形变量之和相等。
结合上述①②③式，所测组织刚度：
本实施例中所测组织刚度不受人体组织刚度测量系统下压的推进距离影响，可加快检测速度，且精确性高，操作便捷。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种人体组织刚度测量系统，其特征在于，包括第一位移传感器(1)、连接件(3)、第二位移传感器(9)、变送器(14)及终端(17)；
所述第一位移传感器(1)具有第一检测头，所述第一检测头包括压缩轴、高刚度弹簧(6)和压头(7)；所述压缩轴安装在所述第一位移传感器(1)的连接端，所述高刚度弹簧(6)套接在所述压缩轴上，所述压头(7)安装在所述压缩轴端部；
所述第一位移传感器(1)外侧套接上套筒(8)、低刚度弹簧(2)和下套筒(4)，所述上套筒(8)通过所述低刚度弹簧(2)与所述下套筒(4)连接固定；所述下套筒(4)下端面与所述压头(7)底面齐平；
所述第二位移传感器(9)具有第二检测头，所述第二检测头端部通过所述连接件(3)与所述下套筒(4)相连；
所述第一位移传感器(1)和所述第二位移传感器(9)分别与所述变送器(14)相连，将采集到的位移量模拟信号传送至所述变送器(14)，所述变送器(14)将所述位移量模拟信号转换成数字信号后传输至所述终端(17)。
2.根据权利要求1所述的人体组织刚度测量系统，其特征在于，所述终端(17)上设有用于采集位移量数字信号的上位机程序。
3.根据权利要求1所述的人体组织刚度测量系统，其特征在于，所述第一检测头还包括垫片(5)，所述垫片(5)套在所述压缩轴上，所述高刚度弹簧(6)上端通过所述垫片(5)与所述连接端相接。
4.根据权利要求3所述的人体组织刚度测量系统，其特征在于，所述垫片(5)的下表面、所述上套筒(8)底面和所述下套筒(4)顶面上分别设有卡槽，所述高刚度弹簧(6)上端安装在所述垫片(5)的所述卡槽内，所述低刚度弹簧(2)两端分别安装在所述上套筒(8)底面和所述下套筒(4)顶面的所述卡槽内。
5.根据权利要求1所述的人体组织刚度测量系统，其特征在于，所述第二位移传感器(9)的所述第二检测头包括压缩轴，所述压缩轴上的螺纹部(18)与所述连接件(3)螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的人体组织刚度测量系统，其特征在于，所述第一位移传感器(1)与所述变送器(14)、所述第二位移传感器(9)与所述变送器(14)、以及所述变送器(14)与所述终端(17)分别通过缆线相连。
7.根据权利要求6所述的人体组织刚度测量系统，其特征在于，所述变送器(14)包括RS485通讯接口，所述变送器(14)通过所述RS485通讯接口与所述终端(17)缆线相接。
8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的人体组织刚度测量系统的测量方法，其特征在于，对待测组织进行刚度测量的所述测量方法包括如下步骤：
S1、在测量之前，先获取高刚度弹簧(6)和低刚度弹簧(2)的刚度系数kh、kl；
S2、手持第二位移传感器(9)上端和上套筒(8)的位置，向待测组织垂直按压，下套筒(4)和压头(7)同时与所测组织按压接触；
S3、下套筒(4)和压头(7)接触组织后，第一位移传感器(1)直接测量高刚度弹簧压缩量Δh，第二位移传感器(9)通过下套筒(4)，间接测量低刚度弹簧压缩量Δl；第一位移传感器(1)和第二位移传感器(9)将测量的压缩量传送至变送器(14)；
S4、变送器(14)将接收的压缩量模拟信号进行放大、滤波和模数转换处理，形成数字信号，并传输至终端(17)；
S5、终端(17)在获取高刚度弹簧(6)和低刚度弹簧(2)的压缩量Δh、Δl和刚度系数kh、kl后，计算压头(7)和下套筒(4)与所测组织接触后所受的高刚度侧所受力FH、低刚度侧所受力FL；终端(17)根据如下公式计算组织刚度k0：
9.根据权利要求8所述的人体组织刚度测量系统的测量方法，其特征在于，所述高刚度弹簧(6)和低刚度弹簧(2)的刚度系数kh、kl，kh≥5kl。
10.根据权利要求8所述的人体组织刚度测量系统的测量方法，其特征在于，在步骤S5中，根据胡克定律计算高刚度侧所受力FH和低刚度侧所受力FL；
高刚度侧所受力
其中，kh为高刚度弹簧刚度，Δh为高刚度弹簧压缩量，k0为组织刚度，为高刚度侧组织形变量，/>为高刚度侧组织所受力；
低刚度侧所受力
其中，kl为低刚度弹簧刚度，Δl为低刚度弹簧压缩量，为低刚度侧组织形变量，为低刚度侧组织所受力。
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