PT103551A

PT103551A - Sistema para monitorização cinética do corpo

Info

Publication number: PT103551A
Application number: PT10355106A
Authority: PT
Inventors: Jose Augusto Afonso; Jose Higino Gomes Correia; Helder Raul Peixoto Da Silva; Luis Alexandre Machado Da Rocha
Original assignee: Univ Do Minho
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-02-29
Also published as: WO2008018810B1; WO2008018810A2; WO2008018810A3

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM SISTEMA SENSORIAL PARA MONITORIZAÇÃO DA POSTURA, ORIENTAÇÃO E MOVIMENTO DO CORPO NO ESPAÇO A TRÊS DIMENSÕES, DIFERENCIANDO OS VÁRIOS ESTADOS ESTACIONÁRIOS E OS ESTADOS TRANSITÓRIOS EM QUE O UTILIZADOR SE PODE ENCONTRAR. MÓDULOS SENSORIAIS SÃO COMPOSTOS POR ACELERÓMETROS DE TRÊS EIXOS, SENSORES MAGNÉTICOS DE TRÊS EIXOS E ELECTRÓNICA DE INTERFACE. O DISPOSITIVO É ENCAPSULADO PODENDO SER USADO EM AMBIENTES ADVERSOS E INÓSPITOS. OS DADOS MONITORIZADOS PELOS MÓDULOS SENSORIAIS SÃO TRANSMITIDOS EM TEMPO REAL, PELO DISPOSITIVO LOCAL DE COMUNICAÇÃO, PARA O DISPOSITIVO CENTRAL DE COMUNICAÇÃO, USANDO UM EMISSOR/RECEPTOR RF DE 2,4 GHZ. COMO APLICAÇÕES GERAIS DA ANÁLISE DOS DADOS MONITORIZADOS, PODE-SE CITAR A RECTIFICAÇÃO DE UMA MÁ POSTURA CORPORAL POR PARTE DO UTILIZADOR, EVITANDO LESÕES, A DIMINUIÇÃO DO TEMPO DO PROCESSO DE CURA NUMA TERAPIA, OU A SIMPLES MONITORIZAÇÃO DA ACTIVIDADE FÍSICA DO UTILIZADOR. SENDO ESTE DISPOSITIVO COMPACTO E ENCAPSULADO, PODE SER USADO PARA MONITORIZAR E AVALIAR O MOVIMENTO DE ATLETAS EM ACTIVIDADE FÍSICA, COMO POR EXEMPLO UM NADADOR.

Description

1

DESCRIÇÃO "SISTEMA PARA MONITORIZAÇÃO CINÉTICA DO CORPO" Âmbito da invenção A presente invenção está genericamente relacionada com sensores. Mais particularmente, com um sistema para aquisição de dados da postura, orientação e movimento do corpo humano. O âmbito de aplicação da invenção inclui a monitorização e avaliação da actividade física de atletas, bem como na evolução de terapias aplicadas em seres vivos.

Estado da técnica articulações de seres seres humanos, é muito como por exemplo na A monitorização de movimentos das vivos, com especial incidência nos útil para várias aplicações, monitorização da postura do corpo.

Sensores electrónicos têm sido desenvolvidos para medição de ângulos entre várias partes do corpo e ângulos de movimento de articulações, como é descrito no documento U.S. 6,871,413. Este documento descreve um dispositivo que contém inclinómetros, um cabo e pontos de conexão. Cada inclinómetro contém pares de acelerómetros orientados ortogonalmente um com o outro, conversores A/D, um multiplexador, um regulador de tensão e um microprocessador. O microprocessador calcula o ângulo de cada inclinómetro em relação a outro inclinómetro. No entanto, este sistema não consegue medir ângulos perpendiculares ao campo gravítico. 0 documento de patente U.S. 2003/0158699 divulga inclinómetros que incluem três acelerómetros e três magnetómetros ortogonais que são usados para medir os 2 campos magnéticos e gravitacional da Terra, a partir dos guais os ângulos de pitch, roll e yaw são calculados. Filtros passa-baixo são usados para minimizar efeitos de inércia nos acelerómetros que pudessem interferir na exactidão das medições. Esta invenção permite múltiplos dispositivos agregados a um único barramento. A patente U.S. 2003/0158699 também descreve os sensores de orientação para o cálculo do pitch, roll e yaw a partir dos campos magnético e gravitacional da Terra. Este dispositivo consegue medir ângulos de 0 a 360 graus nos eixos do yaw e pitch e de -70 a +70 graus no eixo do roll. A saida yaw é compensada por erros do pitch e roll usando algoritmos embebidos. No entanto, os sistemas destas duas patentes não fazem a correcção da componente vertical do campo magnético. A limitação do movimento a um ângulo máximo prescrito é dada pelos documentos U.S. 5,823,975, U.S. 4,958,145, U.S. 5,089,808, e U.S. 5,128,655. Estes documentos descrevem dispositivos de limitação que permitem restringir o movimento a um ângulo máximo durante a reabilitação de um utilizador. O documento U.S. 5,823,975 divulga um dispositivo de comunicação para proporcionar informação do estado e progresso em que se encontra o utilizador. Os dispositivos estão equipados de um alarme visual ou vibratório para que o utilizador não exceda os limites prescritos do movimento a efectuar, tendo uma resposta imediata a respeito do respectivo movimento. No entanto, os dispositivos descritos neste documento não detectam qual a postura, o movimento e orientação do corpo do utilizador em que se encontra, apenas avisa se um ângulo de inclinação foi excedido. 3 O documento U.S. 5,593,431 descreve como se determina qual a postura física que o utilizador está a ter em relação ao campo gravitacionai da Terra. Consiste num dispositivo com dois ou três acelerómetros DC tendo os eixos de medida montados ortogonalmente dentro de um encapsulamento. Quando implantado o dispositivo, estes eixos estão alinhados com os eixos do corpo do utilizador. Os sinais de actividade e de posição do corpo do utilizador monitorizados pelos sensores podem ser guardados e/ou usados para monitorar o efeito da terapia no utilizador. Este dispositivo proporciona leituras multi-eixo, posição estável e monitorização da actividade física ao longo de dois eixos ortogonais, permitindo assim distinguir a postura do utilizador quando repousa e em actividade física. No entanto, este dispositivo não consegue medir ângulos perpendiculares ao campo gravítico. Além disso, não pode ser utilizado em ambientes adversos e inóspitos. 0 documento U.S. 2005/0126026 descreve um sistema sensorial que distingue as posições de sentado, de abaixar e de verticalidade, sendo estes dados guardados num dispositivo de armazenamento em função do tempo. Tem a capacidade de detectar e indicar pouca/muita actividade relativamente à prescrita, quando uma articulação se encontra parada há muito tempo, ou actividades repetitivas que possam causar lesões. A presente invenção, ao contrário dos documentos apresentados anteriormente, permite a correcção do campo magnético, visto este ter diferentes valores em diferentes locais e não ser paralelo ao plano de referência horizontal da Terra. Esta correcção constitui uma vantagem significativa porque permite eliminar o factor de erro 4 associado à influência do campo magnético terrestre, permitindo fornecer valores reais de monitorização. A comunicação entre os módulos sensoriais pode ser feita utilizando uma interface série ou uma rede de radiofrequência (RF), sendo os dados, medidos pelos sensores, enviados em tempo real para o dispositivo central de comunicação. Os módulos sensoriais e o dispositivo local de comunicação da presente invenção poderão ainda incluir um encapsulamento que permite que sejam usados em ambientes adversos e inóspitos.

Sumário da invenção 0 principal objectivo da presente invenção é construir um sistema para aquisição de dados da postura, orientação e movimento do corpo humano com uma resolução de 1 grau no espaço a três dimensões.

Um dos objectivos desta invenção é criar um sistema que distinga as posições de sentado, de abaixar/levantar e de verticalidade/horizontalidade do utilizador, diferenciando para cada posição referida os diferentes tipos de postura que o utilizador pode ter. 0 sistema detecta e avisa o utilizador quando se encontra há bastante tempo numa determinada posição, parado, e/ou com pouca actividade e também detecta e avisa da ocorrência de actividades repetitivas por parte do utilizador.

Este sistema faz a correcção do campo magnético, visto este não estar paralelo ao plano de referência horizontal da

Terra. 5 5 comunicação permite que (aquáticos,

Os módulos sensoriais e o dispositivo local de da presente invenção têm um encapsulamento que sejam usados em ambientes adversos e inóspitos condições climatéricas instáveis, etc.). ão ar a

Os módulos sensoriais e o dispositivo local de comunicaç têm uma dimensão pequena e compacta de modo a assegur conforto e flexibilidade para o utilizador, permitindo fácil execução da actividade física.

Uma vantagem da presente invenção é a opção de usar comunicação sem fios (radiofrequência), sendo a potência consumida destes sensores muito baixa.

Os módulos sensoriais e o dispositivo local de comunicação podem ser integrados numa base têxtil (fato, camisa, calça, etc.).

Estes e outros objectos, características e vantagens da presente invenção caracterizam um dispositivo para ser colocado num ser vivo, contendo sensores, uma unidade de processamento e um sistema de armazenamento de dados no caso de ocorrer falha no envio dos dados para a estação central de comunicação, visto que os dados são enviados em tempo real. O sistema pode ser usado para monitorização até 60 utilizadores em simultâneo para o mesmo dispositivo central de comunicação.

Breve descrição dos desenhos

Muitos dos aspectos da invenção podem ser melhor compreendidos com referência a alguns desenhos sobre a mesma. Os componentes nos desenhos não estão 6 necessariamente à escala, em vez disso é colocada ênfase na clara ilustração dos princípios da presente invenção. Os desenhos estão incluídos sem qualquer carácter limitativo e apenas com o objectivo de permitir uma melhor compreensão da descrição seguinte:

Figura la:

Esquemático da disposição dos sensores no corpo do utilizador com comunicação por fios.

Figura lb:

Esquemático da disposição dos sensores no corpo do utilizador com comunicação sem fios.

Figura 2:

Diagrama de blocos de um módulo sensorial.

Figura 3:

Sistema de eixos de acordo com a figura 1.

Figura 4a:

Sistema completo da presente invenção (comunicação por fios).

Figura 4b:

Sistema completo da presente invenção (comunicação sem fios) .

Figura 5:

Diagrama de blocos do dispositivo local/central de comunicação. 7

Descrição detalhada da invenção 0 sistema sensorial (figura 4a e 4b) presente nesta invenção faz a monitorização da postura, orientação e movimento do corpo no espaço a três dimensões, em tempo real, diferenciando os vários tipos de postura que o utilizador pode ter, quando sentado, a abaixar/levantar e na vertical/horizontal.

Os presentes inventores desenvolveram um sistema electrónico que monitoriza a posição e a postura do corpo, em tempo real. Com esta monitorização em tempo real consegue-se, por exemplo, que o utilizador rectifique a sua postura corporal de modo a não ocorrer uma lesão. Numa sessão de terapia, permite que o utilizador rectifique o exercício que está a efectuar, para uma melhor evolução no processo de cura. Permite ainda monitorizar movimentos e exercícios de maneira a que um ângulo máximo prescrito não seja excedido. Também pode ser utilizado para avaliar o movimento e a postura de um atleta em actividade física, por exemplo, um nadador. Isto é possível devido ao sistema ser compacto, podendo ser encapsulado, permitindo o seu uso em ambientes adversos. 0 sistema (figura 4a e 4b) contém uma rede de módulos de sensores (17) ligados à unidade local de processamento (16,6) utilizando uma interface série (12), figura 4a, ou ligados à unidade central de processamento (15) utilizando uma rede de radiof requência (RF) (13,19), figura 4b. Os dados recolhidos pelos sensores são: • transmitidos pelo dispositivo local de comunicação (16,6) em tempo real, por radiof requência (RF) (19), para o dispositivo central de comunicação (15, figura 5) , no caso da figura 4a; • transmitidos pelos módulos sensoriais (17) em tempo real, por radiof requência (RF) (13), para o dispositivo central de comunicação (15, figura 5), no caso da figura 4b.

Tanto a força gravitacional como o campo magnético da Terra são usados para detectar a postura do corpo e membros. A força gravitacional é usada para detecção da inclinação enquanto que o campo magnético da Terra é usado para medir a rotação do corpo em relação ao eixo perpendicular ao campo gravitico. A inclinação de um membro ou do corpo é medida usando acelerómetros de três eixos (7), figura 2. Estes medem a diferença angular da posição do acelerómetro em relação ao campo gravitico. 0 mesmo se passa com a rotação, sendo usados magnetómetros de três eixos (8), que medem a diferença angular entre a posição do magnetómetro e do campo magnético da Terra. Usando acelerómetros (7) e magnetómetros (8) nos módulos sensoriais, figura 2, conseguimos medir a rotação e inclinação de cada membro ou de partes do corpo.

Especial atenção foi dada quanto à localização dos módulos sensoriais no corpo, devido às acelerações causadas pelos movimentos dos membros. Para minimizar este efeito, os acelerómetros são colocados no centro de rotação dos braços (ombros ) d,2) e pernas (anca ) (3,4), onde a aceleração causada pela rotação dos membros é zero, como podemos ver na figura la e lb. Desta maneira os ângulos de rotação são facilmente obtidos a partir da leitura dos acelerómetros. 9 A rede de sensores é compreendida por módulos sensoriais. Cada módulo (figura 2) contém um acelerómetro de três eixos (7) e um magnetómetro de três eixos (8) que são usados para se obter os ângulos de pítch (Θ), roll {φ) e yaw (φ) para cada articulação (figura la e lb) . O módulo (5) , figura la e lb, preferencialmente colocado nas costas, monitoriza a inclinação e orientação da coluna e actua como módulo de referência para os outros sensores. Calculando a diferença dos ângulos medidos nos ombros e nas ancas em relação ao módulo de referência, os ângulos destas articulações são encontrados.

Dados o campo gravit acionai, }* = {αχ,α ,az), e o campo magnético, )n = {mx,my,mz), e usando o sistema de eixos retratado na figura 3, os ângulos de pitch [Θ) e roll (φ) para o módulo de referência (5) são dados por / φ - arctan \ (I) - f Θ = arctan v

Os ângulos podem ser calculados até aos 360 graus, tendo em conta os sinais relativos a cada um deles. As leituras dos sensores magnéticos podem ser compensadas para o roll e pítch no plano horizontal (referência horizontal da Terra) utilizando as equações Xh = mz cos @~mx sin θήηφ- my sin Θ cos φ (II) · YH = mx cos q>-my sin φ O ângulo de yaw (φ ) é calculado pela equação ( X 10φ = arctan \ Η (III) . A equação (II) é válida se o vector do campo magnético está no plano de referência horizontal da Terra, o que não é o caso, porque o vector magnético aponta para norte magnético, mas possui uma componente no eixo vertical. Para resolver esta situação, as medidas do sensor magnético são rodadas ao longo de um eixo situado no plano paralelo em relação à superfície da Terra e rodadas de 90 graus da componente horizontal do campo magnético da Terra. 0 vector de rotação § = {ax,ay,az)x{mx,my,mz) (IV) corresponde gravítico e magnético e o ay,az).(mx,my,mz)] (V) é obtido ao produto externo dos campos ângulo de rotação a = — -arccos[(ax, do ângulo entre os campos gravítico e magnético. Depois de calcular o vector de rotação e o ângulo, a matriz de rotação é dada por v2xu + c vyvxu-vzs Vzvxti + vys II s vxvyu + vzs v2u + c VzVyU-VxS (VI) . yxvzu-vys vyvzu + vxs v2zu + c onde s = sin(or) , c = cos(a) e u = 1- cos(a) As leituras obtidas pelos sensores magnéticos compensadas pela equação Kot=M^ (VII).

Com esta operação de rotação do vector magnético para o plano horizontal, os ângulos de roll e pitch são compensados pela equação Xh = mnAz cos9-mrotx ήΆθύηφ-m^ sin Θοο%φ YH = mrot, cosφ-m^ sin<p (VIII). 11 A figura 2 apresenta o diagrama de blocos de um módulo sensorial. O módulo é um micro sistema híbrido com sensores. Devido à pequena dimensão, ao baixo consumo e ao uso de materiais e técnicas Standard utilizados na industria de semicondutores, o fabrico dos módulos sensoriais prevê-se de baixo custo económico quando fabricado em grandes volumes de produção.

Sendo o movimento dos membros humanos de 5Hz para movimentos gerados internamente, filtros passa-baixo de 2a ordem (9) , com frequência de corte de 40Hz, são colocados na saída dos sensores (7,8) de modo a reduzir o ruído e melhorar a resolução das medições. A medição diferencial também elimina qualquer interferência magnética do campo magnético da Terra.

Um sensor magnético 3D (8) , composto por três sensores magnetoresistivos com pontes de wheatstone (alinhadas nos três eixos), é ligado directamente a um bloco de processamento de sinal (10) , enquanto o acelerómetro (7) é ligado ao filtro passa-baixo de 2a ordem (9). 0 bloco de processamento de sinal é constituído por três amplificadores de instrumentação que convertem as alterações nas pontes magnetoresistivas em tensão. Os filtros de 2a ordem (9) são feitos usando amplificadores de transcondutância que são muito apropriados para implementar filtros em desenho de circuitos integrados, devido à sua pequena dimensão comparativamente com a grande área ocupada pelos condensadores e resistências usadas nos filtros passivos. 12

Os sinais, depois de serem filtrados, são convertidos em sinais digitais por um conversor analógico digital (ADC) (11) - digitais são enviados microprocessador (18) (16) . por do

No caso da figura 4a, os sinais interface série (12) para o dispositivo local de comunicação

Os dados monitorizados recebidos pelo dispositivo local de comunicação são guardados na unidade de armazenamento (memória flash) (20), e enviados por RF (19) para o dispositivo central de comunicação (15), figura 5, em tempo real, a uma frequência de amostragem entre 1 e 50 Hz. Na ocorrência de falha na transmissão dos dados, estes são retransmitidos para o dispositivo central de comunicação.

No caso da figura 4b, os sinais digitais são enviados directamente, por transmissão RF (13), para o microprocessador (18) do dispositivo central de comunicação (16) .

Os dados, depois de recebidos no dispositivo central de comunicação, figura 5, são monitorizados/analisados num PC (14) para possíveis acções/modificações, por exemplo, na avaliação da actividade física ou na evolução de terapias em seres vivos.

Deve ficar claro que as concretizações da presente invenção descritas anteriormente são simplesmente possíveis exemplos de implementação, meramente estabelecidos para um claro entendimento dos princípios da invenção. Muitas variações e modificações podem ser efectuadas às concretizações referidas anteriormente sem que se desviem substancialmente do espírito e princípio da invenção. Todas essas 13 13 âmbito pelas modificações e variações devem ser incluídas no desta divulgação e presente invenção e protegidas reivindicações seguintes.

Lisboa, 7 de Agosto de 2006

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento, de corpos no espaço, constituído por módulos sensoriais, unidade de processamento, unidade de armazenamento e unidade de comunicação, caracterizado por incluir um dispositivo o qual aplica um método para correcção da componente vertical do campo magnético terrestre que inclui os seguintes passos: definição dos dados do campo gravitacional, Jj· = {ax,a ,az), e do campo magnético, )n = {mx,my,fnz); determinação dos ângulos de pítch [Θ) e roll [<p) através da equação (I); Θ = arctan 2 , 2 ay +ax , φ = arctan (I) determinação do factor de correcção através do vector de rotação (IV) que corresponde ao produto externo dos campos gravítico e magnético e o ângulo de rotação (V) que corresponde ao ângulo entre os campos gravítico e magnético; V = (ax,ay,az)x(mx,m mz) (IV) (V) π a =--arccos 2 aplicação do factor de correcção com a matriz de rotação dada por (VI), em que as leituras obtidas pelos sensores magnéticos são compensadas pela equação (VII) ; 2h) rot vlu+c VyV,U~VzS vzvxu + vys vxvyu + vzs v2yu + c VzVyU~VxS vxvyu-vys VyVzU+VX v2zu + c onde s = sin(a) , Mrot& c = cos(tt) e u = 1 - cos(a) (VI) (VII) - compensação do ângulo yaw (φ ) para movimentos de roll (φ) e pitch (Θ) pela equação (VIII) e o seu valor é determinado pela equação (III) ; XH = mrots cos 0 - mror sin 0 sin φ - sin 0cosfp (VIII) YH = mrc:,: ^ψ-^ro^ sin φ y \ ±H_ Yh) / (III) φ = arctan v

2. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um dos módulos sensoriais (módulo de referência) estar localizado, na zona do tronco.

3. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os módulos sensoriais estarem localizados em zonas do corpo onde a aceleração linear causada pela rotação dos membros é zero.

4. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os módulos sensoriais terem um consumo inferior a 50 mW, fornecido por pilhas ou bateria. 3

5. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os módulos sensoriais serem compactos, possuindo volume inferior a 5 cm3 .

6. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a unidade de comunicação ser constituída por um dispositivo central de comunicação e um ou mais dispositivos locais de comunicação.

7. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por os módulos sensoriais registarem a sua posição em relação aos campos gravítico e magnético da Terra e transmitirem os dados através do dispositivo local de comunicação para o dispositivo central postura, orientação e de comunicação, fornecendo movimento do corpo.

8. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o dispositivo local de comunicação enviar os dados de monitorização para o dispositivo central de comunicação em tempo real, a uma frequência de amostragem entre 1 e 50 Hz. postura, orientação e com a reivindicação 6, locais de comunicação sensoriais, de forma a directamente com o

9. Sistema para monitorização da movimento do corpo humano de acordo caracterizado por os dispositivos poderem estar integrados nos módulos permitir a comunicação sem fios, dispositivo central de comunicação. 4

10. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 9, caract eri zado por a comunicação sem fios ser feita por radiofrequência (RF) a 2,4 GHz, permitindo conectividade com dispositivos de uso pessoal (telemóvel, PDA, computador portátil, etc.).

11. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a unidade de armazenamento armazenar os dados monitorizados, reenviando-os posteriormente para o dispositivo central de comunicação em caso de ocorrência de falha na transmissão de dados.

12. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os módulos sensoriais e os dispositivos de comunicação serem encapsulados com materiais herméticos, podendo ser usados em ambientes adversos e inóspitos.

13. Sistema para monitorização da postura, orientação e movimento do corpo humano de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o módulo de referência, os módulos sensoriais e o dispositivo local de comunicação poderem ser incorporados em base têxtil. Lisboa, 7 de Agosto de 2006