CN105266817B - 一种基于织物传感器的上肢功能运动监测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于织物传感器的上肢功能运动监测***，包括：信号发生装置，包括带有信号传输线的导电织物，导电织物与纽扣电池连接；导电织物与人体上肢肘关节紧贴，上肢运动对导电织物进行拉伸，使导电织物两端的电压信号发生变化；信号采集与传输装置，采集所述电压信号，并发送至信号接收与显示装置；信号接收与显示装置，接收所述电压信号，并对其进行功能运动表征，同时实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。本发明还提供了一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法。本发明成本低廉，稳固性好，具有高灵敏度、强适应能力，同时敏感元件能够很好地集成到日常穿着的服装上，可为人体上肢运动的生物力学分析提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于聚吡咯导电机织物为传感元件的上肢运动监测***及方法，属于可穿戴智能纺织品技术领域。
背景技术
肢体运动状态测试在康复医学、体育运动等领域都有着重要的应用。例如，在一些体育训练中，运动信号被用来识别运动员在训练中的不足，从而有目的地指导后期训练；在康复医学领域，运动信号被用来检测病人的康复过程。目前，由加速计、柔性电测角计、摄像机组成的运动捕捉***已被用于监测人体运动。研制成功的产品有英国牛津(Oxford)公司自80年代推出的一系列VICON运动分析***，在许多发达国家得到了广泛应用。这套***是基于摄像机的，目前有700多套各种型号在实验室里和各种医院、康复中心里运作。美国的PeakPerformance Technologies Inc.在过去的近20年也推出了一系列的商用Peak Motus运动测量***，该***同样是基于摄像机的，也取得了广泛的应用。虽然这样的***能够准确的测量人体的动作，但它的便携性和隐蔽性差，不方便使用。同时，这些组件为刚性或无弹性材料，如被固定在服装上会影响人们穿着的舒适性。
不同传感原理和传感材料的传感监测技术已被应用于人体运动姿态***的开发。国内外已有部分专利技术和学术文献被公开，如发明专利“一种姿态识别方法及姿态识别控制***”(公开号：CN102799263A)，该专利对摄像装置采集的肢体动作图像进行预处理，提取出仅包含肢体动作区域的图像数据；提取图像数据的肢体动作特征，确定肢体摆放姿势，判断肢体运动状态。本发明免去了红外感光手套或者传感器对用户的限制，方便了用户操作；但其只能在特定的地点进行测试，不能对人体运动进行实时监测。专利“肢体运动监测***”(公开号：CN 101522101A)中采用微型运动传感器、光子织物、嵌入织物的微型压力传感器以及肌肉活动传感器搭建了一个肢体运动监测***。该***结构复杂，嵌入织物的传感器会影响织物的舒适性进而影响测试结果。
除此之外，《传感技术学报》2008年第7期发表论文“基于机织结构的柔性应变传感器的设计与分析”，作者以导电纱线与绝缘纱线组合的机织结构设计了并联式与串联式的应变传感器，通过实验发现，如果机织物中的导电纱线为并联式，理论上可用于任意尺寸物体的大应变检测，若为串联式，则仅适用于较小尺寸物体的大应变检测。文章只是对两种不同结构下传感器的应变敏感性进行了讨论，并没有应用到肢体进行实测。《SyntheticMetals》2005年第155卷第3期发表论文“Conducting polymer coated lycra”，文中采用聚吡咯莱卡织物作为一个动态电路元件组成一个电路，长条状导电织物覆盖在膝盖上，随着膝盖的弯曲导电织物电阻发生变化。根据电阻变化的大小，电路中的发生器发出不同的声音，通过声音的不同大小来反映膝盖的弯曲程度。作者对肢体的运动测试只是一个定性的评价，且提出的条状导电织物仅能反应弯曲程度，不能全面反应肢体的全方位运动。《Journal of neuroengineering and rehabilitation》2005年第2卷第1期发表了论文“Wearable conductive fiber sensors for multi-axis human joint anglemeasurements”，介绍了一种能够连续长期地监测人体关节运动的技术，该技术就是将一根导电纱线贴附在织物上，随着关节的弯曲导电纱线会伸长，从而导致其电阻增加，通过电阻的变换来反映关节的运动。《Sensors》2014年第14卷第3期发表了论文“A Textile-BasedWearable Sensing Device Designed for Monitoring the Flexion Angle of Elbowand Knee Movements”，文中采用弹性纱线制作了弹性导电带，基于弹性导电带组装了一个用于检测人体手肘和膝盖运动角度的检测***。通过实验发现该***能够很好地反映手肘与膝盖的运动角度，随着运动角度的增加，导电弹性带的电阻几乎成线性增加。这些研究所述检测方法由于传感元件的一维化，只能反应肢体的弯曲运动——这种单一运动。此外，这些研究所述测试方法中往往采用如粘贴式、筘式等固定导电织物与信号采集设备之间的信号引出线，在肢体的反复弯曲运动中都存在容易松动甚至脱落的问题。
综上所述，从肢体运动检测的现行方法、专利陈述及研究报告所提方法来看，存在两方面不足：要么传感元件及信号传输线的材料刚性远远超过常规服装用材料，不满足面向可穿戴医疗实时监测模式的柔性化、隐蔽性、舒适性；要么所监测的运动模式单一，不能真实反应肢体运动过程，诸如弯曲和旋转。鉴于现有肢体功能运动监测技术在长时可穿戴医疗监测应用中的不足，本发明将利用导电纺织材料作为传感元件来监测人体运动，并解决传感元件固定、信号传输线的易脱落、易松动等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于导电织机物作为传感元件的人体运动状态测试***及方法，适用于肢体功能运动状态监测。该织物传感器具有与服装一样的材质特性，能够完美地与服装集成从而实现一体化。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于织物传感器的上肢功能运动监测***，其特征在于：包括：
信号发生装置，包括带有信号传输线的导电织物，导电织物与纽扣电池连接；导电织物与人体上肢肘关节紧贴，上肢运动对导电织物进行拉伸，使导电织物两端的电压信号发生变化；
信号采集与传输装置，采集所述信号传输线传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置；
信号接收与显示装置，接收信号采集与传输装置发来的电压信号，并对其进行功能运动表征，同时实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。
优选地，所述信号发生装置中，导电织物为由聚吡咯单体与棉氨混纺织物经原位聚合法制成的聚吡咯导电织物，信号传输线为导电纱。
优选地，所述导电织物的尺寸满足把整个肘关节包覆；所述导电织物的伸长量不小于30％。
优选地，所述信号传输线为构成导电织物的纱线，其通过缝编或刺绣方式引入导电织物中。
优选地，所述信号采集与传输装置通过无线进行信号采集与传输。
本发明还提供了一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，采用上述的上肢功能运动监测***，步骤为：
步骤1：把导电织物缝合在紧身衣上，使导电织物以一定张力贴附于人体上肢肘关节上面；导电织物与纽扣电池连接；
步骤2：人体上肢运动时，肘关节及紧身衣带动导电织物产生变形，导电织物的变形会使得其电阻发生变化，因而导电织物两端的电压信号相应变化；
步骤3：信号采集与传输装置采集信号传输线传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置；
步骤4：信号接收与显示装置，接收信号采集与传输装置发来的电压信号并转换成数字信号，通过所述信号的变化趋势与变化大小判断肢体的运动状态，实时显示在显示装置的交互界面上
优选地，所述步骤1中，紧身衣的弹性至少超过导电织物的两倍。
优选地，不同方向的运动导致导电织物在不同方向上受到拉伸，从而电阻的方向性变化及大小显示了人体上肢运动方向和运动强度。
优选地，所述步骤4中，肢体运动状态的判断方法如下：
当导电织物两端的电压减小时，上肢在做弯曲运动；
当导电织物两端的电压增大时，上肢在做伸直运动；
上肢的运动快慢通过单位时间内电压信号变化的波形数反映出来；
上肢的弯曲角度大小通过电压的变化大小计算得出。
优选地，所述上肢的弯曲角度大小具体计算方法如下：
假设人体肘关节为标准的圆形，其半径为r；则手臂弯曲角度为θ弧度时，导电织物沿某一方向的伸长为ΔL＝r×θ，则导电织物的方向应变ε＝ΔL/L＝rθ/L，L是导电织物的初始长度；则导电织物在该方向的电阻变化为ΔR＝GεR0，其中G为导电织物的应变敏感系数，ε为织物的应变量，R0是导电织物的初始方向电阻；则θ＝ΔR·L/G·rR0。
本发明提供的***克服了现有技术的不足，加强了传感器的稳固性，同时敏感元件能够很好地集成到日常穿着的服装上，从而实现穿戴舒适性以及隐蔽性。并且，数据的传输实现了无线化，能够保证测试者在舒适的状态下进行测试，可为人体上肢运动的生物力学分析提供依据。本发明利用织物本身的特性，以织物作为传感器具有高灵敏度、强适应能力，可以在人体运动时，实时监测肢体的运动状态，制作成本低廉，实用而且适合广大群众，具有推广可行性。
附图说明
图1为上肢运动监测示意图；
图2为肘关节弯曲对表面织物拉伸示意图；
图3为导电织物方向拉伸变化示意图；
图4为上肢运动监测***示意图；
图5为上肢弯曲角度与织物电阻关系示意图；
图6为上肢弯曲运动的动态测试示意图；
图7为上肢间歇弯曲运动示意图；
图8为上肢扭转运动的动态测试示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以几个优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
结合图1，本发明采用导电机织物作为核心传感装置，导电纱3为信号传输线，通过把导电织物2缝合在弹性至少超过导电织物两倍的紧身衣1上，即确保以一定张力贴附于人体上肢肘关节上面，组成上肢功能运动监测***，实现上肢多方向功能运动一体化监测。
导电织物2为聚吡咯原位化学聚合形成。在材料上，本发明选用无毒的吡咯单体与拉伸性能良好棉氨混纺的织物经原位聚合法制成聚吡咯导电织物，作为人体运动监测的敏感单元。敏感单元为织物结构，简单轻便，也使其在监测过程中具有很好的舒适性。此外，棉织物具有良好的穿着舒适性，适于与皮肤直接接触；氨纶耐用且具有较高回弹性，使得传感器在不同运动频率下都能保持良好的弹性和可重复性。总之，本发明通过上肢运动对聚吡咯导电机织物进行拉伸，产生的电信号经过转换进而反映出上肢的运动，在不影响运动监测的同时，增加了传感器的舒适性与隐蔽性，使长时间的实时监测成为可能。为了满足多方向的运动监测，导电织物的尺寸要满足把整个肘关节包覆，这样才能捕捉到关节各个方向的运动信号。在膝关节正常的运动过程中，其周围的织物会有20％～30％的伸长。而对于肘关节来说，其周围织物的伸长要比膝关节小。因此，为保障穿戴舒适和监测准确性，所选择的导电织物要求满足的伸长量达30％。
本发明所述肢体功能运动监测原理是：在人体上肢运动时，肘关节及紧身弹力服带动导电织物产生变形，而导电织物的变形就会使得其电阻发生变化，通过电阻的变化反应上肢功能运动姿态。导电织物源于服装用面料，满足长时穿戴的舒适性和与其依附体一体化要求。
本发明所述肢体多方向性功能运动同步一体化监测原理是：基于所述导电织物的导电各向异性，不同方向的运动导致导电织物在不同方向上受到拉伸，从而电阻的方向性变化及大小显示了运动方向和运动强度。这一功能运动监测原理及具体运动方向和强度可公式化，其构成信号分析***的核心算法，具体表述如下：
如图2所示，假设人体肘关节为标准的圆形，其半径为r。那么，其手臂弯曲角度为θ(弧度)时，织物沿某一方向的伸长为ΔL＝r×θ，则织物的方向应变ε＝ΔL/L＝rθ/L，L是导电织物的初始长度。则导电织物在该方向的电阻变化为ΔR＝GεR0，其中G为导电织物的应变敏感系数，可以通过实验测试计算得出，文中选用的导电织物其应变敏感系数为2.7左右；ε为织物的应变量；R0是导电织物的初始方向电阻。那么，上肢运动角度和大小就可通过导电织物的方向电阻变化大小推断，具体计算公式为θ＝ΔR·L/G·rR0其中，ΔR是导电织物电阻的变化值。于是，因为不同的运动形式对织物各方向上的拉伸变形不一样，从而使得各方向上的电阻变化不一样，如图3所示，当织物方向2上受到拉力F拉伸时，在方向2与方向1上会产生不同的变形，且形变ΔL1＞ΔL2a+ΔL2b。本发明可通过单方向上的电阻变化来反映上肢的弯曲角度，对于不同的运动形式，可以通过多方向上的电阻变化的差值来反映。
本发明所述导电纱信号传输线为弹力镀银导电纱，要求弹性比低于导电织物，一般采用构成导电织物的纱线，其通过缝编或刺绣方式引入聚吡咯导电机织物中，作为信号输出引线，解决了现有测试中信号引线固结和容易松动、脱落的难题。
结合图4，本发明所述上肢功能运动监测***除了上述传感装置和信号传输线组成的信号发生装置A以外，主要还有信号采集与传输装置B、信号接收与显示装置C。信号发生装置A是由一块带有信号传输线的聚吡咯导电机织物所构成，聚吡咯导电机织物与纽扣电池连接；信号采集与传输装置B为一个蓝牙数据采集模块，其采集信号引线传入的信号，并通过蓝牙发送至信号接收与显示装置C。信号接收与显示装置C为带有信号分析***的PC机，PC机接收到的电压信号经信号分析***进行功能运动表征，并实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。
PC端通过信号分析***将电压信号转换成数字信号，显示在显示装置的交互界面上。通过信号的变化趋势与变化大小可以来判断肢体的运动状态，如当织物两端的电压减小时，上肢在做弯曲运动；反之，当织物两端电压增大时，上肢在做伸直运动；而上肢的弯曲角度大小则可以通过电压的变化大小以及上述公式来计算得出；上肢的运动快慢则可以通过单位时间内电压信号变化的波形数反映出来。如果要判别不同的运动形式，可以通过不同方向上电阻变化的差值以及电信号的变化趋势综合加以判断。
下面结合几个具体的测试实施例说明本测试***的性能。
实施例1
肢体在准静态不同弯曲角度下织物电阻的响应。
当手臂自然下垂时弯曲角度为0°，上肢弯曲角度以20°为增量或减量，先从0°增大到120°，测试5个循环，计算在5个循环下每个角度对应电阻的平均值。通过线性拟合得出角度——电阻方程，如图5所示，其中拟合差值平方和(R2)等于0.95，这说明不同角度下织物电阻响应的线性度良好。
实施例2
上肢以不同速度做循环弯曲运动，蓝牙数据采集卡连续采集导电织物两端的电压变化。通过电压的变化来反映上肢的运动。如图6所示，手臂分别以三种不同的速度弯曲运动，从图6(a)～图6(c)弯曲速度依次增加。从图6中可以看出，随着手臂弯曲织物两端电压减小，手臂伸直电压增大。同时，当速度增加时，相同时间内的波形数增加。这说明，通过这样一个测试***，不仅能反映上肢弯曲运动的趋势，通过单位时间内的波形数还能反映出运动的快慢程度。
实施例3
上肢做间歇的弯曲运动，上肢首先做几个循环的弯曲运动，然后手臂成自然下垂状态一段时间，接着继续做循环弯曲运动。从图7中可以看出，当手臂做弯曲运动时电压信号产生波形；图7中P处表示当手臂静止时，电压信号几乎成直线不产生任何变化。这说明该测试方法能够反映出肢体的运动状态。
实施例4
之前以柔性织物传感器来测试肢体运动时，都是用来表征肢体简单的弯曲运动。而对于上肢而言，除了弯曲运动外，日常生活中常见的运动还有肢体的旋转运动。图8为采用上述测试装置，监测的上肢旋转运动时导电织物两顿的电压信号。相对于弯曲运动，它有不同的变化趋势以及变化幅度。
从上述实施例中可以看出，通过本发明提供的方法能够测试出上肢的弯曲以及旋转运动。对于人体上肢来说，还存在这样两个运动的复合运动，现有方法都是以导电织物一个方向上的电信号来反映肢体的运动，而导电织物还有一个方向上的电信号没有利用。如果要测试这样一个复合运动，可以利用上述测试装置同时测试织物两个方向上的电信号，通过两个方向上电信号的变化及其差异性算法能够反映这样一个更为复杂的复合运动。
Claims (7)
1.一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于，采用基于织物传感器的上肢功能运动监测***，基于织物传感器的上肢功能运动监测***包括：
信号发生装置(A)，包括带有信号传输线(3)的导电织物(2)，导电织物(2)与纽扣电池连接；导电织物(2)与人体上肢肘关节紧贴，上肢运动对导电织物(2)进行拉伸，使导电织物(2)两端的电压信号发生变化；
信号采集与传输装置(B)，采集所述信号传输线(3)传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置(C)；
信号接收与显示装置(C)，接收信号采集与传输装置(B)发来的电压信号，并对其进行功能运动表征，同时实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像；
基于织物传感器的上肢功能运动监测方法的步骤为：
步骤1：把导电织物(2)缝合在紧身衣(1)上，使导电织物(2)以一定张力贴附于人体上肢肘关节上面；导电织物(2)与纽扣电池连接；
步骤2：人体上肢运动时，肘关节及紧身衣(1)带动导电织物(2)产生变形，导电织物(2)的变形会使得其电阻发生变化，因而导电织物(2)两端的电压信号相应变化；
步骤3：信号采集与传输装置(B)采集信号传输线(3)传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置(C)；
步骤4：信号接收与显示装置(C)，接收信号采集与传输装置(B)发来的电压信号并转换成数字信号，通过所述信号的变化趋势与变化大小判断肢体的运动状态，实时显示在显示装置的交互界面上；
步骤4中，肢体运动状态的判断方法如下：
当导电织物(2)两端的电压减小时，上肢在做弯曲运动；
当导电织物(2)两端的电压增大时，上肢在做伸直运动；
上肢的运动快慢通过单位时间内电压信号变化的波形数反映出来；
上肢的弯曲角度大小通过电压的变化大小计算得出；
所述上肢的弯曲角度大小具体计算方法如下：
假设人体肘关节为标准的圆形，其半径为r；则手臂弯曲角度为θ弧度时，导电织物(2)沿某一方向的伸长为ΔL＝r×θ，则导电织物(2)的方向应变ε＝ΔL/L＝rθ/L，L是导电织物的初始长度；则导电织物(2)在该方向的电阻变化为ΔR＝GεR0，其中G为导电织物的应变敏感系数，ε为织物的应变量，R0是导电织物的初始方向电阻；则θ＝ΔR·L/G·rR0。
2.如权利要求1所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于：所述信号发生装置(A)中，导电织物(2)为由聚吡咯单体与棉氨混纺织物经原位聚合法制成的聚吡咯导电织物，信号传输线(3)为导电纱。
3.如权利要求1所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于：所述导电织物(2)的尺寸满足把整个肘关节包覆；所述导电织物(2)的伸长量不小于30％。
4.如权利要求1或3所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于：所述信号传输线(3)为构成导电织物(2)的纱线，其通过缝编或刺绣方式引入导电织物(2)中。
5.如权利要求2所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于：所述信号采集与传输装置(B)通过无线进行信号采集与传输。
6.如权利要求1所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于：所述步骤1中，紧身衣(1)的弹性至少超过导电织物(2)两倍。
7.如权利要求1所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于：不同方向的运动导致导电织物(2)在不同方向上受到拉伸，从而电阻的方向性变化及大小显示了人体上肢运动方向和运动强度。
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