CN1689513A - 人体关节运动姿态测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体关节运动姿态测量仪。该测量仪包括至少一个测量单元，该测量单元包括若干传感器，一个根据所述至少一个测量单元的测量信号计算人体关节部位运动姿态的计算机，一个用于将测量单元的信号传输到计算机的集线器。测量单元的传感器选自加速度计、磁强计和陀螺中的至少一种。本发明的测量仪完全是数字化电子仪器，测量过程快速准确。并且可测量旋转、屈伸和侧屈运动三种运动姿态，而且同时测量关节两端骨骼的运动姿态，消除了关节两端骨骼的互相牵连运动对测量结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于医疗卫生领域，更具体地说，本发明涉及人体关节运动姿态和运动范围的测量仪器。
背景技术
人体有206块骨头组成，几乎每两片骨骼之间都有关节链接。人体的主要关节有：颈椎、属关节、肘关节、手关节、髋关节、膝关节、足关节等。目前，医学上对关节疾病的主要诊断方法还只限于透视、拍片和目测等少数手段，透视、拍片不能进行动态测量，目测不容易量化。
通常，在没有固定的情况下，人体的运动会使关节两端连接的骨骼互相牵连。比如，测量人体的头颈部运动时，躯干有时也有牵连运动，而在颈椎病的临床检查中，所关心的是人体头颈部相对于躯干的相对运动。现有的测量仪器无法在同一时刻测量到关节两端的骨骼的运动，因此无法准确的测量到关节两端的骨骼的相对运动，例如在测量人体的头颈部运动时无法消除躯干运动对头颈部姿态测量的影响。
测量关节运动姿态提供关节运动姿态和关节两侧骨骼相对姿态，为各种关节疾病提供辅助诊断数据。以颈椎关节测量为例，在颈椎病的临床检查中，经常要测量颈椎的活动度即人体躯干固定不动时人体头部的活动范围。通过对头部运动范围和运动姿态过程的测量和监控，对颈椎的一些病变进行诊断。同时，在颈椎疾病治疗的前后，也需要对头颈部的运动进行定量的测量，以评价治疗的效果。
随着传感器器件以及信号处理技术的发展，传感器在众多测量领域中广泛应用。但是迄今为止，尚未有将传感器器件应用于人体关节运动姿态测量的技术被公开。
本申请人在申请号为“01110135.0”的中国专利“基于微机电技术的微型导航系统”中提供了一种由三轴磁强计和三轴加速度计组成的传感器测量载体姿态的方法，该专利在本申请中引入作为参考。在该方法中，用三轴加速度计测量重力加速度g在载体坐标系上三个正交轴的分量，用三轴磁强计测量地磁感应强度h在载体坐标系上三个正交轴的分量，根据重力加速度g和地磁感应强度h在地理坐标系中的表示，利用表述地理坐标系和载体坐标系之间相互转换关系的方向余弦矩阵建立方程组，最后求得载体的姿态角。当载体的以一定姿态平稳运动时，利用该方法测量得到的姿态角精度较高。但是当载体以加速度运动时或者在运动过程中受到扰动时，例如飞行器在飞行过程中受气流影响而具有某种加速度时，则三轴加速度计测量的加速度中既包括重力加速度还包括有载体的运动加速度，此时利用该方法计算得到的姿态角就具有相当大的误差。
本申请人在申请号为“200410004660.3”的中国专利申请“一种载体姿态测量方法及其系统”中提供了一种可用于飞行器的载体姿态测量方法和系统，该专利在本申请中也引入作为参考。在该申请中，采用三个加速度计、三个磁强计和三个速率陀螺共九个传感器来构成姿态测量的传感器组，并根据这些传感器测量的信号来计算飞行器的姿态角。在进行姿态解算时，采用了包括卡尔曼滤波内在的算法进行数据处理，用稳定的陀螺信号来减小运动加速度对系统的影响，而且不存在陀螺的积分漂移问题，从而得到更精确和更稳定的飞行器姿态角，且可以实现飞行器的全姿态测量。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种人体关节运动姿态测量仪，该测量仪采用传感器和数据处理装置进行人体关节部位运动姿态的测量；本发明的目的之二在于提供一种人体关节运动姿态测量仪，该测量仪可以消除人体的关节部位两端骨骼互相牵连的影响，从而测量出关节部位两端骨骼的相对运动姿态。
为了实现上述目的，本发明提供一种人体关节运动姿态测量仪，包括：
至少一个测量单元，该测量单元包括若干传感器；所述测量单元的传感器选自加速度计、磁强计和陀螺中的至少一种。所述测量单元的传感器沿一坐标系的三个正交轴布置；
一个计算机，用于根据所述至少一个测量单元的测量信号处理计算；
一个集线器，用于将测量单元的信号传输到计算机。
所述测量单元还包括：一个A/D转换器，对所述传感器的测量信号进行数模转换；一个微处理器，接收A/D转换器输出的数字信号，并将所述数字信号转换后输出到所述集线器。
所述测量单元还包括与所述传感器连接的滤波电路和/或放大电路。
所述测量单元中的传感器为微传感器。
所述至少一个的测量单元包括第一和第二测量单元；所述第一测量单元在工作时固定于人体关节两端中的一端，所述第二测量单元在工作时固定于人体关节两端中的另一端。
所述集线器包括一种或多种端口驱动芯片，所述端口驱动芯片将测量单元输出的信号传输至所述计算机相应的通讯端口。
所述集线器还包括：微处理器，将各测量单元输出的信号转换为端口驱动芯片可以识别的信号；稳压电路，用于向集线器中的部件提供所需要的电压信号。
所述集线器包括一与所述磁强计连接的复位电路，用于向磁强计提供复位信号。
本发明具有如下优点：
1)本发明的人体关节运动姿态测量仪可同时测量人体关节的旋转、屈伸和侧屈运动三种运动姿态。
2)本发明的人体关节运动姿态测量仪可同时测量人体关节一端骨骼和关节另一端骨骼的运动姿态，可得到关节两边的相对运动姿态，从而消除了关节两端相互牵连的影响。
3)本发明采用全固态的微传感器作为检测人体关节部位运动的敏感器件，具有固态结构、体积小、重量轻、精度高和功耗低的特点。
4)本发明的人体关节运动姿态测量仪完全是数字化电子仪器，测量快速且准确。
附图说明
图1是本发明的人体关节运动姿态测量仪中测量单元的一个实施例的组成示意图；
图2是图1的测量单元中的传感器分布示意图；
图3是本发明的人体头颈部运动姿态测量仪的组成示意图；
图4是本发明的人体关节运动姿态测量仪中测量单元的另一个实施例的组成示意图；
图5是图3的测量单元中的传感器分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1示出了本发明的人体关节运动姿态测量仪中测量单元的一个实施例，包括三轴加速度计传感器和三轴磁强计传感器、传感器外围的滤波和放大电路，以及具有A/D转换器的微处理器。三轴加速度计包括X轴加速度计11、Y轴加速度计12和Z轴加速度计13，三轴磁强计包括X轴磁强计21、Y轴磁强计22和Z轴磁强计23。测量单元坐标系X-Y-Z是建立在测量单元上的三轴正交坐标系，加速度计和磁强计在测量单元坐标系的分布如图2所示，X轴加速度计11、Y轴加速度计12和Z轴加速度计13分别沿测量单元坐标系的三个正交轴X-Y-Z平行配置，用于分别测量重力加速度G在测量单元坐标系三个正交轴X-Y-Z上的分量。X轴磁强计21、Y轴磁强计22和Z轴磁强计23分别沿测量单元坐标系的三个正交轴X-Y-Z平行配置，用于分别测量地磁感应强度H在测量单元坐标系三个正交轴X-Y-Z上的分量。
返回图1，三轴加速度计11、12和13以及三轴磁强计21、22和23的输出为模拟的电压信号，分别经过第一放大电路31和第二放大电路32放大，再经第一滤波电路41和第二滤波电路42对信号进行滤波，用于滤去传感器输出信号中的高频噪声，获取有效信号。A/D转换器50将模拟的电压信号转化为数字信号送入微处理器60。微处理器60将数字信号转换为一定格式的数据形式输出，例如在一个实施例中，微处理器60将信号转换为串行数据输出。
图4示出了测量单元的另一个实施例，与图1相比，测量单元中的传感器增加了三轴速率陀螺，包括X轴速率陀螺101、Y轴速率陀螺102和Z轴速率陀螺103。三轴速率陀螺101、102和103的输出也是模拟的电压信号，经第三滤波电路43对信号进行滤波。由于速率陀螺101、102和103的电压输出范围一般已满足A/D转换器50的输入要求，因此第三滤波电路43输出的信号直接进入A/D转换器50转化为数字信号。如图5所示，与三轴加速度计11、12和13和三轴磁强计21、22和23相似，X轴速率陀螺101、Y轴速率陀螺102和Z轴速率陀螺103也分别沿测量单元坐标系的三个正交轴X-Y-Z平行配置，用于测量测量单元的加速度在测量单元坐标系三个正交轴X-Y-Z上的分量。
应当理解，基于本申请的发明思想，本领域的技术人员可根据实际需要对测量单元中传感器的类型和数量作出变化，并不局限于上述的两个实施例。例如，在只需要测量人体关节姿态的部分参数时，可以只单独使用加速度计或磁强计或陀螺，也可以只在测量单元坐标系X-Y-Z的一个或两个坐标轴上布置传感器。
图1和图4所示的测量单元在工作时固定在人体上，因此该测量单元的重量需要尽可能的轻。为此，在本发明的一个实施例中，图1和图4所示测量单元中的传感器采用微机电传感器，这种传感器是在单晶硅、石英晶体、铌酸锂等电光材料芯片上应用光刻、腐蚀、沉积、离子注入、键合等微机械加工技术生产而成，具有体积小、质量轻、功耗小的特点。此外，A/D转换器50和微处理器60集成在一起，采用集成A/D转换器的微处理器。
在实际应用时，图1和图4所示测量单元的各部件集中布置在一个壳体内，该壳体具有信号输出口，以便将测量单元的测量信号通过该输出口输出。在图3所示的一个实施例中，测量单元的信号输出口与一个集线器80通过电缆连接。
图3是采用图1或图4的测量单元构成的人体关节运动姿态测量仪，包括两个测量单元71和72、集线器80和计算机90。在图3的实施例中，采用了具有图1或图4所示结构的两个测量单元：第一姿态测量单元71和第二测量单元72。本发明的测量仪在工作时，第一姿态测量单元71和第二姿态测量单元72分别固定在人体关节部位的两端，采用两个测量单元的好处是可以测量出人体的关节部位两端骨骼的相对运动姿态。例如在测量人体头颈部的运动姿态时，第一姿态测量单元71固定在人体的头部上，测量人体头部的运动姿态；第二姿态测量单元72固定在人体的躯干上，测量人体躯干的运动姿态；这样融合人体头部和躯干的姿态数据，就可以测量出人体的头部相对于躯干的相对运动姿态，从而消除躯干运动对头部运动的影响。很容易理解，在不考虑关节两端骨骼的牵连运动的影响时，本发明的人体关节运动姿态测量仪也可以只有一个测量单元；当要考虑多个关节的牵连运动时，本发明的人体关节运动姿态测量仪也可以包括两个以上的测量单元。
在图3中，集线器80主要是起测量单元71、72和计算机90之间信号传输的中继作用。集线器80与测量单元71、72以及计算机90之间分别通过电缆连接，以便将测量单元71、72的输出信号传输至计算机90。因此，集线器80内主要包括微处理器81和一个或者多个端口驱动芯片，微处理器81将测量单元71和72输入的信号转换为端口驱动芯片可识别的信号格式，以便支持集线器80与计算机90的多种数据传输方式。
在图3的实施例中，端口驱动芯片包括串口驱动芯片(RS232)82和UBS驱动芯片83。在一个实施例中，测量单元71、72的测量信号从图2的微处理器60以串行数据的形式输入到集线器80，该测量信号可通过串口驱动芯片82直接输入到计算机90的串口，也可以通过微处理器81转换格式后通过USB驱动芯片83输入到计算机90的USB口。
在图3中，集线器80还包括一复位电路84，用于消除环境高磁场效应对传感器中的磁强计21、22和23的灵敏度的影响，对传感器进行重置。复位电路84由MOSFET管及其外围电路组成，电路进入复位状态时，当接到上位计算机90的复位指令由微处理器81输出频率为10Hz、占空比为1的复位脉冲信号，由复位电路84进行功率放大后，驱动磁强计内部的复位电阻对测量单元71和72内的磁强计21、22和23进行复位。
在图3中，集线器80还包括一稳压电路85，为整个电路各个部分提供高质量的稳压电源。
图3所示的集线器80的各个组成部分可集中布置在一个壳体内，该壳体具有信号输入口和输出口，其信号输入口通过电缆与测量单元71和72连接，其信号输出口可以是串口和/或USB口，通过电缆与计算机90连接。
在图3中，计算机90上存储有通过传感器的测量信号进行关节运动姿态解算的专用软件。在本发明中，当测量单元为图1所示的结构时，其姿态解算的算法已在引用的申请号为“01110135.0”的中国专利“基于微机电技术的微型导航系统”中公开；当测量单元为图4所示的结构时，其姿态解算算法已在引用的申请号为“200410004660.3”的中国专利申请“一种载体姿态测量方法及其系统”中公开，在此不再赘述。通过上述算法，可以计算出测量单元的坐标系X-Y-Z相对于一个地理坐标系北-东-地(即N-E-D)的旋转角ψ、屈伸角θ和侧屈角γ，通过这些姿态角即可获得测量单元所在位置的骨骼的姿态角。
在一个实施例中，本发明的人体关节运动姿态测量仪用于颈椎关节的人体头颈部的运动姿态测量仪。在该实施例中，将测量单元71固定在人体头部，调整测量单元71，使得测量单元71的坐标系X-Y-Z与人体头部的矢状轴、冠状轴和垂直轴重合。这里人体头部的矢状轴、冠状轴和垂直轴一般来说与地理坐标系N-E-D并不重合，而上述的姿态解算算法得到的旋转角ψ、屈伸角θ和侧屈角γ是测量单元坐标系X-Y-Z相对于地理坐标系N-E-D的姿态角，也就是说，在初始状态时，人体头部旋转角ψ、屈伸角θ和侧屈角γ并不为零。但是显而易见地，由于在实际测量时所关心的是人体头部相对于其初始状态的相对姿态角，因此初始值不为零的姿态角并不影响测量仪的工作。进一步地，还可以采用计算机90上的专用软件进行零位调整，在初始状态时将人体头部旋转角ψ、屈伸角θ和侧屈角γ置为零，这样的操作对于本领域的技术人员来说是显而易见的。当头部运动时，测量单元71的坐标系X-Y-Z随之运动，根据测量单元71内的传感器的测量信号，计算机90即可测得人体头部的姿态角。同理的，将测量单元72固定在人体躯干上，使得测量单元72的坐标系X-Y-Z与人体躯干的矢状轴、冠状轴、垂直轴重合，计算机90可测得人体躯干的姿态角。进一步的，通过测得的人体头部和躯干的姿态，相对角解算方法，计算机90还可以获得人体头部相对于躯干的运动姿态。计算机90上的专用软件不仅显示实时测量的头部旋转、屈伸、侧屈三个角度运动姿态角度，还显示头部的运动轨迹与角度变化曲线及运动角度范围，并存储测量用户的信息和所有的测量数据结果并可以接入打印机将数据打印输出。
Claims (10)
1、一种人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，包括：
至少一个测量单元，该测量单元包括若干传感器；
一个计算机，用于根据所述至少一个测量单元的测量信号处理计算；
一个集线器，用于将测量单元的信号传输到计算机。
2、根据权利要求1所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述测量单元的传感器选自加速度计、磁强计和陀螺中的至少一种。
3、根据权利要求1所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述测量单元的传感器沿一坐标系的三个正交轴布置。
4、根据权利要求1所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述测量单元还包括：
一个A/D转换器，对所述传感器的测量信号进行数模转换；
一个微处理器，接收A/D转换器输出的数字信号，并将所述数字信号转换后输出到所述集线器。
5、根据权利要求4所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述测量单元还包括与所述传感器连接的滤波电路和/或放大电路。
6、根据权利要求1所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述测量单元中的传感器为微传感器。
7、根据权利要求1所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述至少一个的测量单元包括第一和第二测量单元；所述第一测量单元在工作时固定于人体关节两端中的一端，所述第二测量单元在工作时固定于人体关节两端中的另一端。
8、根据权利要求1所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述集线器包括一种或多种端口驱动芯片，所述端口驱动芯片将测量单元输出的信号传输至所述计算机相应的通讯端口。
9、根据权利要求1所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述集线器还包括：
微处理器，将各测量单元输出的信号转换为端口驱动芯片可以识别的信号；
稳压电路，用于向集线器中的部件提供所需要的电压信号。
10、根据权利要求2所述的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，所述集线器包括一与所述磁强计连接的复位电路，用于向磁强计提供复位信号。
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