CN117202848A - 运动能力测试系统 - Google Patents
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Abstract
描述了一种运动能力测试系统。该运动能力测试系统包括：可绕旋转轴旋转的模拟钥匙部分；与所述模拟钥匙部分机械连接的旋转阻力负载；以及与所述模拟钥匙部分连接且用于测量施加至该模拟钥匙部分的作用力和/或扭矩的传感器子系统。
Description
技术领域
本发明涉及用于在对象进行运动灵活度测试过程中采集该对象的动力学数据的运动能力测试系统。
背景技术
在临床和康复领域，评估日常生活活动(ADL)中人体运动的表现为关键环节之一。目前，有多种临床测试用于在人体执行ADL任务时进行运动评估，而且所使用的仪器多种多样：上至复杂的设备，下至简单的测试套件。
对于具有运动障碍的人(如中风后幸存的人)而言，其中一种最为可靠和准确的方法为通过运动捕捉技术，在障碍程度和功能水平方面对人体运动进行客观评价，以对恢复水平进行跟踪，并确定治疗效果。该技术可利用红外反射标记和专用相机在时变三维运动数据中捕捉对象的姿势。此类专用相机能够发射红外线，并捕捉标记反射回的红外线。此外，通过使用相关算法，可以获得每一个标记在三维空间中的坐标位置和时间。然而，运动捕捉技术较为昂贵，而且主要在相关机构和医院环境内使用。这一技术的其中一项缺点在于，其仅提供运动学数据，但是由于人体运动还涉及动力学数据，因此仅凭运动学数据可能还不足以进行人体运动的评估。虽然测力台用于评估行走过程中的用力状况，然而其无法用于评估上肢的运动表现。此外，反射标记在穿着于对象身体上后，会造成患者不便。
因此，大多数治疗医师选择在社区环境中使用上肢动作研究测试(ActionResearch Arm Test，ARAT)或沃尔夫运动功能测试(Wolf Motor Function Test，WMFT)等测试套件。ARAT测试为一种包含19个项目的观察性措施，供治疗医师及其他医护人员针对中风后恢复、脑损伤及多发性硬化症患者，评估其上肢在协调性、灵活性及功能方面的表现。ARAT分为抓、握、捏及大幅动作这四个难度逐步递减的任务。各任务中的表现采用4分评分制，最低为表示无动作的0分，最高为表示正常运动的3分。WMFT为一种基于时间的测试方法，分为15个用于评估上肢表现的任务，各项目采用类似的5分评分制。在ARAT和WMFT测试中，治疗医师在测试过程中目视观察对象的身体姿势，并随后根据自身判断，对对象的运动状况打分。
然而，此类标准化临床评估方法存在若干问题。首先，此类标准化临床评估倾向于以总分或总的估计值评判患者的表现，从而导致力度控制变化等信息的丢失。其次，由于取决于治疗医师的观察，因此此类测试方法在发现运动能力表现的细微变化以及检测患者异常方面缺乏敏感性。再次，此类测试方法太过依赖治疗医师的判断及目视观察，从而可能导致结果之间存在较大差异。
如上所述，现有评估测试方法总体存在如下限制：(1)运动捕捉系统等具有高精度和高可靠性的设备太过昂贵，无法用于社区测试；(2)现有临床测试及评分方法依赖于测试人员在执行ARAT和WMFT测试当中的经验；(3)小型测试套件缺乏动力学数据，无法在不同患者之间共享；(4)临床测试使用的评分方式难以与运动学数据相关联。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种运动能力测试系统。该运动能力测试系统包括：可绕旋转轴旋转的模拟钥匙部分；与所述模拟钥匙部分机械连接的旋转阻力负载；以及与所述模拟钥匙部分连接且用于测量施加至该模拟钥匙部分的作用力和/或扭矩的传感器子系统。
该运动能力测试系统能够根据所述传感器子系统生成的信号监测钥匙旋转任务。
在一种实施方式中，所述模拟钥匙部分包括钥匙柄，所述传感器子系统包括设于所述钥匙柄内且用于测量施加至该钥钥匙柄的捏力的负载传感器。如此，可使得所述传感器子系统能够测量捏力。所述钥匙柄可包括两个平坦部分，而所述负载传感器可设于所述两个平坦部分之间。
所述运动能力测试系统可进一步包括与所述钥匙部分机械连接且自所述旋转轴径向延伸的臂部，其中，所述传感器子系统包括安装于偏离所述旋转轴的一位置且用于测量所述臂部施加的作用力的第一负载传感器。如此，可使得所述传感器子系统能够测量旋转力。所述第一负载传感器可安装于完成钥匙旋转动作的旋转位置处。
所述运动能力测试系统可进一步包括安装于偏离所述旋转轴的一位置且用于测量所述臂部施加的作用力的第二负载传感器。所述第一负载传感器可安装于沿第一旋转方向完成钥匙旋转动作的旋转位置处，所述第二负载传感器可安装于沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向完成钥匙旋转动作的旋转位置处。
在一种实施方式中，所述传感器子系统可包括与所述模拟钥匙部分机械连接且用于测量施加至该模拟钥匙部分的绕所述旋转轴的扭矩的扭矩传感器。
所述旋转阻力负载可实施为锁和钥匙。如此，在操作所述模拟钥匙部分的过程中，该阻力负载可对应于真实的锁和钥匙。
在一种实施方式中，所述运动能力测试系统还包括用于从所述传感器子系统采集信号且根据来自所述传感器子系统的该信号生成对象的动力学数据的数据采集单元。
在一种实施方式中，所述运动能力测试系统还包括用于将所述对象的所述动力学数据与由运动捕捉系统捕捉的该对象的运动学数据进行同步的数据同步单元。
附图说明
以下，参考附图，以非限制性举例的方式描述本发明的实施方式。附图中：
图1A至图1C所示为根据本发明实施方式的运动能力测试系统；
图2A和图2B所示为可用于本发明实施方式中的钥匙、锁芯及锁板的实施例；
图3A所示为根据本发明实施方式的运动能力测试系统的模拟钥匙部分；
图3B所示为负载传感器在图3A所示模拟钥匙部分的钥匙柄部分中的设置方式；
图3C所示为本发明实施方式中使用的微型负载传感器实施例；
图4A和图4B所示为根据本发明实施方式的运动能力测试系统；
图5为用于将根据本发明实施方式的运动能力测试系统捕捉的动力学数据与运动捕捉系统捕捉的运动学数据进行关联的系统的框图。
具体实施方式
本发明提供一种运动能力测试系统，用于对患者在执行旋转锁内钥匙这一任务时的运动能力进行量化。该运动能力测试系统可用作沃尔夫运动功能测试(Wolf MotorFunctionTest，WMFT)的一个组成部分。沃尔夫运动功能测试包含15项任务，用于通过计时的单关节或多关节运动以及功能任务，对上肢的运动能力进行量化。旋转锁内钥匙为所述15项任务的一部分。这一测试用于观察患者能否在保持接触的情况下捏住钥匙并将其左右旋转到底。然而，沃尔夫运动功能测试采用的评分方法无法展示任何异常行为的细节。本发明的运动能力测试系统可在患者执行旋转锁内钥匙这一任务的过程中，实现扭矩和作用力等参数的测量。
图1A至图1C所示为根据本发明实施方式的运动能力测试系统。该运动能力测试系统包括图1A所示的旋转组件。该旋转组件与如图1B所示的锁板相连，该锁板用作旋转阻力负载。该旋转组件安装于如图1C所示的框架上。
如图1A所示，所述运动能力测试系统的旋转组件110安装于安装板112上，并由X-Y调节块114和高度调节块116支承。旋转组件110包括具有钥匙柄部分122的模拟钥匙部分(simulated key portion)120。模拟钥匙部分120能够绕旋转轴124旋转。X-Y调节块114上安装有支承块126。支承块126使得旋转组件110的模拟钥匙部分120和其他部分能够绕旋转轴124旋转。连接部分128将模拟钥匙部分120连接至扭矩传感器130。旋转组件110上安装有自扭矩传感器130延伸而出的臂部132。臂部132自旋转轴124径向延伸。高度调节块116的两侧均安装负载传感器134。
如图1B所示，旋转组件110的连接部分140夹紧插入锁板150的锁芯内的钥匙152。锁板150由运动能力测试系统的框架支承。
如图1C所示，运动能力测试系统100包括框架，该框架包括主框部分102，框架支承部分104以及锁板支承部分106。框架支承部分104构成与地面接触的底座。主框部分102自框架支承部分104向上延伸，并支承供旋转组件110安装于其上的安装板112。锁板支承部分106与主框部分102连接，并以使得锁板150的钥匙孔位于旋转组件的旋转轴124上的方式支承锁板150。
主框部分可按照如下方式设置：模拟钥匙部分120位于97cm的高度，以模拟公寓和建筑物的常见门锁高度。
如以下结合图3A至图3C进一步详细所述，钥匙柄部分122设有负载传感器，用于测量对象在操作运动能力测试系统100时施加的捏力。
在使用过程中，运动能力测试系统100可在对象进行旋转锁内钥匙这一练习时，实现对施加至模拟钥匙部分120上的扭矩和作用力的测量。其中，对象捏住模拟钥匙部分120的钥匙柄部分122。在进行测量在旋转模拟钥匙部分120的过程中对象拇指和食指所施加的捏力的练习时，钥匙柄部分122的负载传感器测量施加在钥匙柄部分上的捏力。
随着对象旋转模拟钥匙部分120，旋转组件110绕旋转轴124旋转，从而使得钥匙152在锁板150内旋转。通过这一方式，锁板150即作为旋转阻力负载，提供针对对象所施加的旋转力的阻力。如此，由于阻力本身由锁提供，因此运动能力测试系统100便可精确地模拟旋转锁内钥匙这一动作。在旋转组件110旋转的过程中，扭矩传感器130测量对象所施加的扭矩。即使当钥匙已经旋转到底时，对象仍可继续进一步施加扭矩。设置臂部132的原因正在于此：当钥匙在锁板150内旋转到底时，臂部132与安装于高度调节块116上的负载传感器134接触。需要注意的是，高度调节块116的两侧分别安装负载传感器134，从而使得臂部132在钥匙沿顺时针方向旋转到底时与其中一个负载传感器接触，并在钥匙沿逆时针方向旋转到底时与另一负载传感器接触。
安装于钥匙柄部分122内的负载传感器，扭矩传感器130以及安装于高度调节块116上的负载传感器134可视为在旋转锁内钥匙这一测试过程中生成动力学数据的传感器子系统。
图2A和图2B所示为可用于本发明实施方式中的钥匙、锁芯及锁板的实施例。
图2A所示为钥匙和锁芯。钥匙210具有钥匙柄部分212和钥匙齿部分214。锁芯220具有带钥匙孔224的芯柱部分222和壳体部分226。芯柱部分222与致动器228连接。在将钥匙齿部分214插入锁芯220的钥匙孔224内后，使用者可捏住钥匙柄部分214并使芯柱部分222相对于壳体部分226旋转，从而将锁锁住或打开。与此同时，致动器228相对于壳体部分226移动，从而实现对锁舌的驱动。
图2B所示为锁板。锁板250具有容纳锁芯222的开孔252。当钥匙210在锁芯220内旋转时，致动器228发生移动，从而驱动锁舌254。进一步如图2B所示，门框上装有锁片256，以容纳锁板250的锁舌254。锁片256在本发明实施方式中并不常用。
图3A所示为根据本发明实施方式的运动能力测试系统的模拟钥匙部分。模拟钥匙部分122具有柱体部分310和钥匙柄部分320，该钥匙柄部分具有第一平坦部分322和第二平坦部分324。第一平坦部分322和第二平坦部分324设置为构成钥匙柄部分320的相对两面。钥匙柄部分的尺寸和厚度选择为与钥匙的钥匙柄部分的尺寸和厚度相对应。如图3B所示，第一平坦部分322和第二平坦部分324之间设有微型负载传感器。
图3B所示为负载传感器在图3A所示模拟钥匙部分的钥匙柄部分中的设置方式。图3B中未示出模拟钥匙部分122的第一平坦部分322。如图3B所示，微型负载传感器330设置于第一平坦部分322和第二平坦部分324之间。微型负载传感器330在钥匙旋转测试过程中测量对象拇指和食指所施加的捏力。
图3C所示为本发明实施方式中使用的微型负载传感器实施例。如图3C所示，该微型负载传感器具有主体部分332以及设于主体部分上的感测元件334。感测元件334测量施加在微型负载传感器330上的作用力。导线336从主体部分332延伸而出，微型负载传感器330生成表示施加在微型负载传感器330上的作用力的信号，并将该信号传递至导线336上。
图4A和图4B所示为根据本发明实施方式的运动能力测试系统。图4A和图4B所示运动能力测试系统400与图1A至图1C所示运动能力测试系统100的区别在于，其不使用扭矩传感器，而是仅测量捏力和旋转力。
如图4A所示，运动能力测试系统400包括旋转组件。在该实施方式中，旋转组件由安装于主框部分402上的支承块426支承。旋转组件包括具有钥匙柄部分422的模拟钥匙部分420。模拟钥匙部分420能够绕旋转轴旋转，支承块426使得旋转组件的模拟钥匙部分420和其他部分能够绕旋转轴旋转。臂部432安装在旋转组件上。臂部432自旋转轴径向延伸。负载传感器34以偏离旋转轴的方式安装。连接部分440夹紧插入锁板450的锁芯内的钥匙。锁板450由运动能力测试系统400的框架的锁板支承部分406支承。
如图4B所示，运动能力测试系统400包括框架，该框架包括主框部分402，框架支承部分404以及锁板支承部分406。框架支承部分404构成与地面接触的底座。主框部分402自框架支承部分404向上延伸，并支承支承块426，该支承块进一步支承旋转组件。锁板支承部分406与主框部分402连接，并以使得锁板450的钥匙孔位于旋转组件的旋转轴上的方式支承锁板450。
主框部分可按照如下方式设置：模拟钥匙部分420位于97cm的高度，以模拟公寓和建筑物的常见门锁高度。
运动能力测试系统可用于采集数据，以供存储于针对上半身任务和下半身任务采集的运动学和动力学数据的数据库中。此类任务选自标准化临床评估工具，或者代表伸手抓物、旋转锁内钥匙及行走等日常功能活动。利用数据库的大量样本，能够发现正常运动模式中的变化，以为数据驱动型医疗保健与康复服务以及机器学习模型的构建提供足够多的数据。
运动能力测试系统采集的数据既可直接使用，也可与运动捕捉系统中的运动学数据相关联，以丰富运动数据库中的信息。数据关联后，本设备可用于社区环境，以采集患者数据。所采集的数据由作为基线水平的数据库分析，以使得治疗医师了解患者的运动与正常人的运动相比之下如何，以及恢复状况如何。
图5为用于将根据本发明实施方式的运动能力测试系统捕捉的动力学数据与运动捕捉系统捕捉的运动学数据进行关联的系统的框图。如图5所示，运动能力测试系统510包括捏力传感器512，旋转力传感器514以及扭矩传感器516。捏力传感器512可对应于如以上结合图3A至图3C所述的模拟钥匙部分的钥匙柄部分中设置的负载传感器。旋转力传感器514可对应于如以上结合图1A所述的负载传感器134或如以上结合图4A所述的负载传感器434。扭矩传感器516可对应于如以上结合图1A所述的扭矩传感器130。
捏力传感器512、旋转力传感器514以及扭矩传感器516均与放大器520相连。放大器520与钥匙传感器中枢522相连。钥匙传感器中枢522通过局域网(LAN)连接与工作站传感器中枢524连接。工作站传感器中枢524通过尼尔-康塞曼卡口(Bayonet Neill-Concelman)连接与数据采集单元(DAQ)526连接。数据采集单元526利用各传感器的感测信号生成同步传感器数据。
数据采集单元526的输出端连接至台式计算机530。台式计算机530基于源自运动捕捉系统540的运动捕捉数据分析上述同步传感器数据。运动捕捉系统在对象完成运动任务的过程中捕捉对象的运动学数据。这一运动学数据与动力学数据(如来自负载传感器的压力数据以及来自触摸传感器的计时数据)同步，以生成整合的运动学及动力学数据550。完成同步后，触摸传感器的数据可直接代用为时间参数测量值，无需使用运动捕捉系统。
数据关联后，本设备可直接用于社区环境，以采集患者数据，无需使用运动捕捉系统。可对所采集的数据进行分析，以使得治疗医师了解患者的运动与正常人的运动相比之下如何，以及恢复状态如何。
虽然上文中已对例示实施方式进行了描述，但是本领域技术人员应该理解的是，在本发明的范围和精神之内，还可对这些实施方式做出多种形式的改动。
Claims (11)
1.一种运动能力测试系统，其特征在于，包括：
可绕旋转轴旋转的模拟钥匙部分；
与所述模拟钥匙部分机械连接的旋转阻力负载；以及
与所述模拟钥匙部分连接且用于测量施加至所述模拟钥匙部分的作用力和/或扭矩的传感器子系统。
2.根据权利要求1所述的运动能力测试系统，其特征在于，所述模拟钥匙部分包括钥匙柄，所述传感器子系统包括设置于所述钥匙柄内且用于测量施加至所述钥匙柄的捏力的负载传感器。
3.根据权利要求2所述的运动能力测试系统，其特征在于，所述钥匙柄包括两个平坦部分，其中，所述负载传感器设置于所述两个平坦部分之间。
4.根据前述任何一项权利要求所述的运动能力测试系统，其特征在于，还包括与所述钥匙部分机械连接且自所述旋转轴径向延伸的臂部，其中，所述传感器子系统包括安装于偏离所述旋转轴的一位置且用于测量所述臂部施加的作用力的第一负载传感器。
5.根据权利要求4所述的运动能力测试系统，其特征在于，所述第一负载传感器安装于完成钥匙旋转动作的旋转位置处。
6.根据权利要求4所述的运动能力测试系统，其特征在于，还包括安装于偏离所述旋转轴的一位置且用于测量所述臂部施加的作用力的第二负载传感器。
7.根据权利要求6所述的运动能力测试系统，其特征在于，所述第一负载传感器安装于沿第一旋转方向完成钥匙旋转动作的旋转位置处，所述第二负载传感器安装于沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向完成钥匙旋转动作的旋转位置处。
8.根据前述任何一项权利要求所述的运动能力测试系统，其特征在于，所述传感器子系统包括与所述模拟钥匙部分机械连接且用于测量施加至所述模拟钥匙部分的绕所述旋转轴的扭矩的扭矩传感器。
9.根据前述任何一项权利要求所述的运动能力测试系统，其特征在于，所述旋转阻力负载为锁和钥匙。
10.根据前述任何一项权利要求所述的运动能力测试系统，其特征在于，还包括用于从所述传感器子系统采集信号且根据来自所述传感器子系统的所述信号生成对象的动力学数据的数据采集单元。
11.根据权利要求10所述的运动能力测试系统，其特征在于，还包括用于将所述对象的所述动力学数据与由运动捕捉系统捕捉的所述对象的运动学数据进行同步的数据同步单元。
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