CN105575239B - 一种骨折复位训练模型角度检测装置及其方法 - Google Patents
一种骨折复位训练模型角度检测装置及其方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种骨折复位训练模型角度检测方法，主要是通过分析九轴惯性传感模块(包含XYZ三轴的加速度计，XYZ三轴的磁场计以及XYZ三轴的陀螺仪三个传感器，三个传感器的XYZ轴共轴或者近似共轴，它们可以是各自独立的芯片焊接到一块电路板上，也可以是其中两个或者三个组合封装成一个芯片)的数据，构建磁场方向和重力方向共同决定的绝对坐标系以及采用动态数据修正算法，计算出静态和动态条件下二者的相对姿态。将两个九轴惯性传感模块同时固定在折断的骨骼模型的两端，即可用该方法计算出两段骨骼的姿态差异，特别是能实时给出在训练过程中骨骼模型两段骨骼之间的成角移位、旋转移位等信息，进而评估骨折的程度以及复位治疗的效果。
Description
技术领域
本发明涉及传感器检测及医学教学领域,具体指对固体断面两端位置复原效果(如模拟骨折复位、固定)的检测装置及方法。
背景技术
骨折的复位与固定是一项重要的医学课题。轻度的骨折可以通过手法复位，并进行适当的固定，以保证骨骼的愈合及运动功能的恢复，严重的骨折需要手术复位。对于骨科医生来说，不管是手法复位还是手术复位，都需要积累相当的经验才能更好地实施。而现有的对医护人员进行的骨折固定复位训练基本是通过书本讲解、观看解剖模型、正常人身体上模拟训练、积累对病人处理经验等方式。由于初学者缺乏经验,在正常人身上又无法得到骨折时的处理经验,而通过在病人身上积累经验一方面易对病人造成更多不必要的痛苦,病人不易接受；另一方面对一些不常见的病例难以获得经验。近年来兴起的模拟人技术则有望解决这个问题,通过模拟人实体模型对人体解剖结构和病症的模拟,使得受训者能够重复得到接近真实病例的体验，同时通过一定的传感技术实时检测操作信息并传递给受训者，从而构建一个人-机闭环的训练***，为相关医学技术的培训提供了科学可靠的平台。
专利公开号为CN101984327A的专利文献中公布了一种采用加速度计组合对骨折模型角度进行检测的装置与方法。其检测装置体积小巧，方便安装，基本不影响断裂物的外形和相关操作；首次采用栅格触点式变阻器作为两点间距离传感装置，检测分离移位、缩短移位，特别是侧方移位的复位情况；断面复原的旋转、成角、缩短、分离、侧方移位等均能得到实时的检测，并能够通过智能评估软件对复原效果给出实时的数值量化判断，大大提高了模型的训练效果。
但是，仅仅使用加速度计来进行角度检测存在一些问题。
一是，角度检测的精度有限。虽然检测精度有较大的提高，但是该技术方案采用加速度计来测角度一方面采用的是近似计算，在角度较小时精度尚可，角度较大时误差增大；另一方面，该技术方案检测角度存在一定的盲区，即在某些特定条件(如加速度计的两个轴与重力方向垂直)下，检测误差急剧增大，方法失效。为了避免这一情况，必须对使用该方法进行检测进行诸多限制，包括传感器安装、骨折复位训练的流程等等都必须按照特定方式执行。
二是，只能对静态角度进行检测，而骨折复位训练过程是一个动态过程，在骨骼运动过程中，该方法不能准确进行检测。
三是，检测时使用流程繁琐，可操作性差。由于检测方法本身的缺陷，利用相关装置和方法进行训练时，必须依照相应的使用流程，而判断角度的流程相对复杂繁琐，可操作性较差。
发明内容
针对现有技术，本发明提供一种精度更高、使用更方便的骨折复位模型角度动态检测方法，该方法可以为骨科医生的采用人体模型进行骨折复位训练提供更加精确、快捷的评估，该方法也可用于骨科病人主动式康复训练。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种骨折复位训练模型角度检测装置，包括骨骼模型和六轴惯性传感模块，所述骨骼模型具有骨折断裂处，所述骨折断裂处将骨骼模型分为第一部分实体和第二部分实体，所述第一部分实体的骨折断裂处的端面为第一断裂端面，所述第二部分实体的骨折断裂处的端面为第二断裂端面，该检测装置还包括两个六轴惯性传感模块，两个六轴惯性传感模块包括第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块，所述第一六轴惯性传感模块安装在第一部分实体上、且靠近第一断裂端面的一端，所述第二六轴惯性传感模块安装在第二部分实体上、且靠近第二断裂端面的一端；每个六轴惯性传感模块包括一个三轴加速度计和一个三轴磁场计，每个六轴惯性传感模块由一个集成有所述三轴加速度计功能和三轴磁场计功能的一个电子芯片构成或是由两个分别具有三轴加速度计或者三轴磁场计的独立电子芯片组合而成；所述三轴加速度计的XYZ轴和三轴磁场计的XYZ三轴方向分别两两一致。
本发明中一种骨折复位训练模型角度检测方法，是利用上述骨折复位训练模型角度检测装置，上位机可接收第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块采集到的数据计算成角和旋转角从而实现静态角度检测；根据所述成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，从而用于指导骨折复位训练；
所述成角是指所述骨骼模型的第一部分实体的长度方向中心轴和第二部分实体的长度方向中心轴之间小于180°的夹角θ,设骨骼模型长度方向的中心轴与三轴加速度计和三轴磁场计的X轴方向一致，则该夹角θ的计算公式为：
公式(1)中，为第一六轴惯性传感模块的X1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二六轴惯性传感模块的X2轴在GHE坐标系下的坐标；GHE坐标系为根据重力、磁场在第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块上的作用通过坐标变换建立的一个空间绝对坐标系；其中：x1g、x1h、和x1e分别表示第一六轴惯性传感模块的X1轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值,x2g、x2h和x2e分别表示第二六轴惯性传感模块的X2轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值；
所述旋转角是指所述骨骼模型上第一断裂端面绕第一六轴惯性传感模块的X1轴旋转角度及第二断裂端面绕第二六轴惯性传感模块的X2轴旋转角度之差；
T＝A2-A1 (2)
式(2)的计算可以通过X轴与Y、Z轴中任意一个轴的数据进行计算；我们以采用Z轴数据进行计算为例A1是参考轴Xc与第一六轴惯性传感模块的Z1轴的夹角，A2是参考轴Xc与第二六轴惯性传感模块的Z2轴的夹角；
式(3)和式(4)中，所述参考轴Xc为第一六轴惯性传感模块的X1轴与第二六轴惯性传感模块的X2轴的叉乘，即Xc＝X1╳X2，所述参考轴Xc与第一六轴惯性传感模块的X1轴垂直，所述参考轴Xc与第二六轴惯性传感模块的X2轴垂直，所述参考轴Xc与第一六轴惯性传感模块的Z1轴及第二六轴惯性传感模块的Z2轴在同一个平面内。
本发明中还提出了另外一种骨折复位训练模型角度检测装置，包括骨骼模型和九轴惯性传感模块，所述骨骼模型具有沿骨骼模型长轴设置的中心轴和骨折断裂处，所述骨折断裂处将骨骼模型分为第一部分实体和第二部分实体，所述第一部分实体的骨折断裂处的端面为第一断裂端面，所述第二部分实体的骨折断裂处的端面为第二断裂端面，该检测装置还包括两个九轴惯性传感模块，该检测装置还包括两个九轴惯性传感模块，两个九轴惯性传感模块包括第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块，所述第一九轴惯性传感模块安装在第一部分实体上、且靠近第一断裂端面的一端，所述第二九轴惯性传感模块安装在第二部分实体上、且靠近第二断裂端面的一端；每个九轴惯性传感模块包括一个三轴加速度计、一个三轴磁场计以及一个三轴陀螺仪，每个九轴惯性传感模块由一个集成有三轴加速度计、三轴磁场计以及三轴陀螺仪三个功能的电子芯片构成或是由三个相互独立功能的电子芯片构成，或是任意两个功能的集成电子芯片与第三个独立功能的电子芯片的组合；所述三轴加速度计、三轴磁场计以及三轴陀螺仪的XYZ三轴方向均完全一致；所述骨骼模型的中心轴与三轴加速度计的任意一个轴方向一致。
与上述一种骨折复位训练模型角度检测装置对应的检测方法中所涉及到的成角θ是指所述骨骼模型的第一部分实体的长度方向中心轴和第二部分实体的长度方向中心轴之间小于180°的夹角；旋转角T是指所述骨骼模型上第一断裂端面绕第一九轴惯性传感模块的X1轴旋转角度及第二断裂端面绕第二九轴惯性传感模块的X2轴旋转角度之差，该检测方法包括以下步骤：
步骤一、初始化，包括：零点设置、动态数据校正定时器设定和姿态四元数初始化计算；其中：零点设置：按照将第一部分实体的第一断裂端面与第二部分实体的第二断裂端面重合，两个实体形成未断裂的完整的骨骼模型时，第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的XYZ轴两两一致的位置进行安装，此时两个九轴惯性传感模块成角、旋转角均为零；或：任意安装第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块之后，再将骨骼模型复位，静止状态下记录第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的姿态，再通过姿态变换，使第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的XYZ轴两两一致，即通过计算将成角、旋转角归零；动态数据校正定时器设定：设定在动态下成角和旋转角角度计算时，定时采用第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中三轴加速度计、三轴磁场计数据校正的时间间隔；姿态四元数初始化计算：将上述零点设置完成后的第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的姿态与参考的绝对坐标系对比，计算将该姿态下第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的姿态转换四元数q1和q2；
步骤二、数据采集：从第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块采集到三轴加速度、三轴磁场强度、三轴角速度数据；
步骤三、判断当前骨骼模型的状态：当步骤二采集到的三轴加速度、三轴磁场强度和三轴角速度的数据同时满足下述公式(5)、公式(6)、公式(7)和公式(8)的条件时，则判定该骨骼模型是处于静态，否则，判定该骨骼模型是处于动态；
式(5)至式(8)中，M1是第一九轴惯性传感模块的加速度阈值，M2是第二九轴惯性传感模块的加速度阈值，N1是第一九轴惯性传感模块的角速度阈值，N2是第二九轴惯性传感模块的角速度阈值，ax1，ay1，az1分别表示第一九轴惯性传感模块中三轴加速度计X1，Y1，Z1轴加速度值，ax2，ay2，az2分别表示第二九轴惯性传感模块中三轴加速度计X2，Y2，Z2轴加速度值，vx1，vy1，vz1分别表示第一九轴惯性传感模块中三轴陀螺仪X1，Y1，Z1轴角速度值，vx2，vy2，vz2分别表示第二九轴惯性传感模块中三轴陀螺仪X2，Y2，Z2轴角速度值；
步骤四、根据步骤三的判断结果实现角度的实时测量有下述两种情形之一：
一种情形是：骨骼模型是处于静态时，角度测量的步骤如下：
步骤1-1、上位机接收第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴加速度计和三轴磁场计采集到的数据计算静态下的成角θ和旋转角T，
公式(9)中，为第一九轴惯性传感模块的X1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二九轴惯性传感模块的X2轴在GHE坐标系下的坐标；GHE坐标系为根据重力、磁场在第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块上的作用通过坐标变换建立的一个空间绝对坐标系；其中：x1g、x1h、和x1e分别表示第一九轴惯性传感模块的X1轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值,x2g、x2h和x2e分别表示第二九轴惯性传感模块的X2轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值；
T＝A2-A1 (10)
式(10)中，A1是参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Y1轴或Z1轴的夹角，A2是参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的Y2轴或Z2轴的夹角；以参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Z1轴及参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的Z2轴的夹角为例：
式(11)和式(12)中，所述参考轴Xc为第一九轴惯性传感模块的X1轴与第二九轴惯性传感模块的X2轴的叉乘，即Xc＝X1╳X2，所述参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的X1轴垂直，所述参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的X2轴垂直，第一九轴惯性传感模块的Z1轴与第二九轴惯性传感模块的Z2轴在同一个平面内；为第一九轴惯性传感模块的Z1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二九轴惯性传感模块的Z2轴在GHE坐标系下的坐标；为Xc参考轴在GHE坐标系下的坐标；
步骤1-2、对第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴陀螺仪的积分数据归零，并根据三轴加速度计和三轴磁场计数据计算第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的姿态转换四元数，最后输出静态下的成角、旋转角的数值，从而实现静态角度检测；根据所述成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，用于指导骨折复位训练；
另一种情形是：骨骼模型是处于动态时，实现角度检测的步骤如下：
步骤2-1、首先用第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴陀螺仪的角速度数据计算并更新第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的四元数，然后判断定时器是否到时间，定时器到时间后，用两个九轴惯性传感模块中的三轴加速度计和三轴磁场计采集到的数据修正四元数，并将定时器归零；
步骤2-2、根据修正后的四元数将九轴传感模块采集到的数据从九轴传感模块自身的坐标系转换为绝对坐标系，然后计算动态下的成角和旋转角，最后输出动态下的成角和旋转角的数值，从而实现动态角度检测；
公式(13)中，为第一九轴惯性传感模块中的X1轴在绝对坐标系下的坐标表示，为第二九轴惯性传感模块中的X2轴在绝对坐标系下的坐标表示；
式(14)中，所述参考轴Xc为为第一九轴惯性传感模块的X1轴与第二九轴惯性传感模块的X2轴的叉乘，即Xc＝X1╳X2，所述参考轴Xc与骨折断裂处一端面上的第一九轴惯性传感模块的X1轴垂直，所述参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的X2轴垂直，所述参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Z1轴及第二九轴惯性传感模块的Z2轴在同一个平面内；为参考轴Xc在绝对坐标系下的坐标表示；
最后输出动态下的成角和旋转角的数值，并循环执行步骤二至步骤四，从而实现连续实时的动态角度检测；根据所述动态下的成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，用于指导骨折复位训练。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)检测更加精确，能直接给出角度信息；CN101984327A专利文献披露的技术方案中对复位角度信息如成角移位、旋转移位等是估算的，精度难以保证，且存在某些姿态下的失效，而本发明给出的角度计算结果是通过严格推导，获得的是精确计算的结果，由于多个传感器的联合运用，角度计算没有任何盲区，在所有的姿态下都是有效的。
(2)使用和判断骨折复位程度的步骤更简单、实用。从原理上来说本发明对任意姿态下的角度计算都是准确的，因而在用于判断骨折复位程度时，不需要避开特定的姿态，不需要经过繁琐的步骤，可以直接得到角度信息并判断复位效果，比CN101984327A专利文献披露的技术方案的使用更方便、实用。
总之，本发明应用小型传感器组合实现对骨骼断裂两端成角、旋转移位角度或者关节角度的高精度、无盲区的检测,检测精度只依赖于传感器的精度,与传感器的姿态、位置关系无关。该方法实现了角度动态检测，简化了骨折或者脱臼复位检测的流程，因而能大大提高检测精度和模型的训练效果。
附图说明
图1是地磁场、重力场与传感模块坐标系的关系；
图2是GHE参考坐标系构成示意图；
图3是本发明实施例1和2中成角的定义示意图；
图4是本发明实施例1和2中旋转角的定义和计算示意图；
图5是本发明实施例2角度检测流程图；
图6是本发明实施例3中骨骼模型初始状态示意图；
图7是本发明实施例3中骨骼模型的成角移位示意图；
图8是本发明实施例3中骨骼模型的旋转移位示意图；
图9是本发明实施例3中骨骼模型的复合移位示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明描述了一种用于训练骨科医生进行骨折复位治疗的骨折复位模型角度检测装置及其检测方法。其技术要点是将两个六轴或九轴传感模块同时粘附在折断的骨头模型的两端，然后计算出断裂面两端的两段骨头的姿态差异，特别是能给出与人体解剖结构直接对应的角度信息，进而评估骨折的程度以及复位治疗的效果。
实施例1：静态角度检测
本发明一种骨折复位训练模型角度检测装置的实施例1的结构是，包括骨骼模型和两个六轴惯性传感模块，所述骨骼模型具有骨折断裂处，所述骨折断裂处将骨骼模型分为第一部分实体和第二部分实体，所述第一部分实体的骨折断裂处的端面为第一断裂端面，所述第二部分实体的骨折断裂处的端面为第二断裂端面。
采用实施例1实现静态角度检测的基本原理如下：
当骨骼模型处于静态时，角度检测是根据两个六轴惯性传感模块检测的加速度、磁场强度等参数，经过建立一定的坐标系模型，通过数学推导得到的。该实施例1检测装置中包括两个六轴惯性传感模块，两个六轴惯性传感模块包括第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块，所述第一六轴惯性传感模块安装在第一部分实体上、且靠近第一断裂端面的一端，所述第二六轴惯性传感模块安装在第二部分实体上、且靠近第二断裂端面的一端。每个六轴惯性传感模块包括一个三轴加速度计和一个三轴磁场计，每个六轴惯性传感模块由一个集成有所述三轴加速度计功能和三轴磁场计功能的一个电子芯片构成或是由两个分别具有三轴加速度计或者三轴磁场计的独立电子芯片组合而成；所述三轴加速度计的XYZ轴和三轴磁场计的XYZ三轴方向分别两两一致。
下面介绍由六轴惯性传感模块的检测数据计算角度的具体的推导过程。
1.GHE参考坐标系的确立
如图1所示，当一个六轴惯性传感模块放置在地表某点时，如无磁场干扰，它会同时受到重力和地磁场的作用。计六轴传感模块的互相垂直的坐标轴X，Y，Z方向分别为X0，Y0，Z0。六轴传感模块中的加速度传感器和磁场传感器会分别测量重力和磁场强度在X0，Y0，Z0方向的分量。如图1所示，将重力(G)在X0，Y0，Z0轴上的分量计作xg，yg，zg，并定义向量G＝(xg,yg,zg)。将地磁场强度(M)在X0，Y0，Z0上的分量计作xm，ym，zm，并定义向量M＝(xm,ym,zm)。六轴传感模块测量完成后将G和M向量传递给计算芯片。本发明中将用加粗字母例如G和上箭头形式例如表示向量，即带有方向的量，而其它表示标量，即可认为表示某一数值。向量的点乘用·表示，向量的叉乘用×表示
如图2所示，计算芯片在接收到重力向量G和磁场强度向量M后，计算G和M的向量积(即叉乘)，得到X0Y0Z0坐标系中，同时垂直于G向量和M向量的另一个向量H，即H＝G×M。然后计算G与H的向量积(即叉乘)，得到X0Y0Z0坐标系中，同时垂直于G和H向量的另一个向量E，即E＝G×H。最后将G，H，E三个向量做归一化(即将G，E，H向量分别除以他们的模|G|，|H|，|E|)，得到三个两两垂直的单位向量G0，H0，E0。由G0H0E0确定的坐标系即为该***的参考坐标系。该坐标系完全由芯片/模块所在位置的地磁场强度和重力方向决定，为一个空间绝对坐标系。
2.在空间绝对坐标系中表示传感模块的姿态
在获得空间绝对坐标系GHE后，只需用GHE坐标系表示芯片/模块的XYZ三根轴，即可得到传感模块的空间姿态信息。具体方法是计算X0，Y0，Z0各自在G0，H0，E0上的投影，然后以这个投影的长度作为其在GHE坐标系下的坐标。以计算芯片/模块的Z轴(即传感模块上芯片的上表面正对的方向)的单位向量Z0在GHE坐标系下的坐标为例，如第一步所述已知GHE坐标系的三个基底在XYZ坐标系下的表示分别为G0，H0，E0，而Z0在XYZ坐标系下的表示为(0，0，1)，由向量投影的计算公式可知，Z0在G，H，E轴上的投影为：
即，Z0的在GHE坐标系下的表示为Z0GHE＝(zg,zh,ze)，同理可得X0在GHE坐标系下的表示为X0GHE＝(xg,xh,xe),Y0在GHE坐标系下的表示为Y0GHE＝(yg,yh,ye)。
由于GHE坐标系在一个小范围的空间中是由地磁场强度和重力唯一决定的，即就是，任意传感模块在当期距离较近时(<1km)，无论其姿态如何，其获得的GHE坐标系是一致的。借由GHE坐标的这一个特性，可以计算出一个传感模块的绝对姿态，也可以计算出多块传感模块的相对姿态关系。利用上述骨折复位训练模型角度检测装置，上位机接收第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块采集到的数据计算成角和旋转角从而实现静态角度检测；根据所述成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，从而用于指导骨折复位训练。
3.利用多块传感模块在空间绝对坐标系中的姿态计算其姿态的相对关系
计算两个六轴惯性传感模块的空间姿态相对关系时需要先对被测物和安装方法做如下假设：
(a)两个六轴惯性传感模块分别装在首尾接近但不相连的2根长条形坚硬被测物上，传感模块的X方向平行于被测物的长轴方向。
(b)初始状态下，两个六轴惯性传感模块同轴，XYZ方向均一致；或者根据计算二者的姿态，通过坐标变换使二者同轴。
3.1计算成角
所述成角是指所述骨骼模型的第一部分实体的长度方向中心轴和第二部分实体的长度方向中心轴之间小于180°的夹角θ,设骨骼模型长度方向的中心轴与三轴加速度计和三轴磁场计的X轴方向一致，当两个端面同轴时，成角为0。根据这个定义，成角可以表征被测物折断的程度(如图3中θ角)，而其可以被安装在被测物头尾的两个六轴惯性传感模块的X轴所成的夹角所检测，因此，本发明中，具体方法如下：
式(1)中，为第一六轴惯性传感模块的X1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二六轴惯性传感模块的X2轴在GHE坐标系下的坐标；GHE坐标系为根据重力、磁场在第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块上的作用通过坐标变换建立的一个空间绝对坐标系；其中：x1g，x1h和x1e分别表示第一六轴惯性传感模块的X1轴数据在GHE坐标系中G轴，H轴和E轴方向上的分量数值,x2g，x2h和x2e分别表示第二六轴惯性传感模块的X2轴数据在GHE坐标系中G轴，H轴和E轴方向上的分量数值。
3.2计算旋转角
旋转角T的定义为被测物的在两个端面之间，绕中心轴旋转过的角度的总和。所述旋转角是指所述骨骼模型上第一断裂端面绕第一六轴惯性传感模块的X1轴旋转角度及第二断裂端面绕第二六轴惯性传感模块的X2轴旋转角度之差；可以采用Y轴或者Z轴数据进行计算。本发明以采用Z轴数据进行计算为例，A1是参考轴Xc与第一六轴惯性传感模块的Z1轴的夹角，A2是参考轴Xc与第二六轴惯性传感模块的Z2轴的夹角。当旋转角小于180度时，旋转角可以用安装在被测物的两块传感模块的X轴与参考轴Zc的夹角(如图4所示)。参考轴Xc为两个端面的X轴的叉乘，即
Xc＝X1×X2
因此Xc轴与X1与X2都垂直，且根据叉乘的右手定则可知Xc轴与两端传感模块的Z轴均在同一个平面中。计算Xc与安装在端面1上的传感模块的Z1轴的夹角:
然后，计算Xc与安装在端面2上的传感模块的Z2轴的夹角:
将A2与A1相减即可计算出旋转角T：
上述成角、旋转角的计算结果可以通过上位机软件等以一定形式呈现给受训者，从而给予受训者训练骨折复位过程中，看不到的肢体内部断裂骨骼的相对位置信息，更好地进行训练。成角移位、旋转移位以及侧方移位、缩短移位、分离移位等是骨折中常见的移位形式。而成角移位与旋转移位复位的程度对于复位质量有重要影响。本发明的成角与旋转角的计算方法可用于成角移位、旋转移位角度的快速、实时检测，从而用于指导骨折复位训练。
实施例2：动态角度检测：
本发明骨折复位训练模型角度检测装置实施例2的结构是将上述实施例1中的两个六轴惯性传感模块更换为两个九轴惯性传感模块，每个九轴惯性传感模块包括一个三轴加速度计、一个三轴磁场计以及一个三轴陀螺仪，每个九轴惯性传感模块由一个集成有三轴加速度计、三轴磁场计以及三轴陀螺仪三个功能的电子芯片构成或是由三个相互独立功能的电子芯片构成，或是任意两个功能的集成电子芯片与第三个独立功能的电子芯片的组合；所述三轴加速度计、三轴磁场计以及三轴陀螺仪的XYZ三轴方向均完全一致；所述骨骼模型的中心轴与三轴加速度计的任意一个轴方向一致。动态角度检测主要采用对陀螺仪数据进行积分、计算四元数再计算成角、旋转角的方法，并通过静态角度检测方法对动态角度检测数据进行校正。利用实施例2的骨折复位训练模型角度检测装置进行角度检测过程中，涉及到的成角θ和旋转角T与实施例1中的相关概念相同。
由于物体在运动过程中(动态)，不仅受到重力影响，通常还会受到其他力的作用，从而产生一个加速度，从而物体的合加速度a不等于重力加速度g，因此运动时加速度计测得的数据不是重力场单独作用的结果，静态角度检测方法不适用。而陀螺仪的X，Y，Z方向数据为角速度，只有在运动过程中才会产生角速度，因此陀螺仪只适用于动态角度检测。然而由于两次数值积分计算过程极易累积误差，产生漂移，动态角度的测量精度取决于传感器本身的精度，以及是否对累积误差进行适当校正。本发明采用陀螺仪姿态迭代+磁场和重力收敛的姿态算法对骨折断面两端分别计算各自的姿态，再根据得到的姿态四元数q1和q2计算各自跟大地坐标系的旋转矩阵，计算出两端在初始绝对坐标系(通常为大地坐标系，即X、Y轴水平，Z轴竖直向上，与重力方向相反。后文都采用“大地坐标系”这一表述)中的姿态表示，以同样的原理计算成角和旋转角。定时地用加速度计、磁场强度计的数据对动态数据进行校正，从而提高动态角度检测精度。
为进行四元数运算，首先角速度矩阵可以表示成四元数为(粗体表示矩阵，下同)
ωb＝[0 ωx ωy ωz]
其中各部分的角速度(ωx，ωy，ωz)为为陀螺仪的输出，由处理器从传感器读出。姿态四元数q
q＝q(0)+iq(1)+jq(2)+kq(3)
而姿态四元数的更新算法如下：
此处qest，t-1为上一时刻相对大地坐标系的四元数，为四元数乘法运算，Δt为两次采样的时间间隔，qω，t为本时刻的姿态四元数,q′ω，t为姿态四元数的导数。
对于两个惯性模块，各自的四元数及旋转矩阵是不一样的，
q1＝q1(0)+iq1(1)+jq1(2)+kq1 (3)
q2＝q2(0)+iq2(1)+jq2(2)+kq2 (3)
第一九轴惯性传感模块相对于大地坐标系(XnYnZn)的旋转矩阵：
第二九轴惯性传感模块相对于大地坐标系(XnYnZn)的旋转矩阵：
第一九轴惯性传感模块自身坐标系(X1Y1Z1)相对于大地坐标系(XnYnZn)的转换关系为：
因而两个九轴惯性传感模块的坐标(表示向量)在统一的大地坐标系的表示为：
本发明中定义两个模块的坐标系X轴和Z轴分别定义如图4所示，其中X轴的方向与所在骨骼模型的长轴方向一致。则旋转角T为：
其中Xc＝X1×X2是向量X1与X2的叉乘，Xc的方向满足右手定则，与Z1，Z2均位于同一平面内。
而骨折断面成角的计算，则是：
本发明实施例2实现角度检测的具体流程如图5所示：首先在骨折模型的断裂处两端分别安装一个九轴惯性传感模块，将两个九轴惯性传感模块固定在骨骼模型上；然后在进行零点设置。零点设置可以在安装时就确保两个九轴惯性传感模块在骨骼模型完全复位(恢复到骨折发生前的正常骨骼形态)时，两个九轴惯性传感模块的XYZ轴两两完全一致(如图6所示)；也可以在任意安装之后，再将骨骼模型完全复位，静止，记录此时的两个九轴惯性传感模块的姿态，再通过姿态变换，将其中一个模块的姿态变换到与另一个九轴惯性传感模块的姿态完全一致，而此时，该姿态变换是后续所有采集到的数据都要进行的预处理步骤。零点设置可以是在出厂交给用户前一次设置好，在用户使用过程中不需要再进行设置。
采用上述具有两个九轴惯性传感模块的角度检测装置进行角度检测的步骤如下：
步骤一、初始化，包括：零点设置、动态数据校正定时器设定和姿态四元数初始化计算；其中：
零点设置：按照将第一部分实体的第一断裂端面与第二部分实体的第二断裂端面重合，两个实体形成未断裂的完整的骨骼模型时，第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的XYZ轴两两一致的位置进行安装，此时两个九轴惯性传感模块成角、旋转角均为零；或：任意安装第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块之后，再将骨骼模型复位，静止状态下记录第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的姿态，再通过姿态变换，使第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的XYZ轴两两一致，即通过计算将成角、旋转角归零；
动态数据校正定时器设定：设定在动态下成角和旋转角角度计算时，定时采用第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中三轴加速度计、三轴磁场计数据校正的时间间隔；
姿态四元数初始化计算：将上述零点设置完成后的第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的姿态与参考的绝对坐标系对比，计算将该姿态下第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的姿态转换四元数q1和q2；
步骤二、数据采集：从第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块采集到三轴加速度、三轴磁场强度、三轴角速度数据；
步骤三、判断当前骨骼模型的状态：当步骤二采集到的三轴加速度、三轴磁场强度和三轴角速度的数据同时满足下述公式(5)、公式(6)、公式(7)和公式(8)的条件时，则判定该骨骼模型是处于静态，否则，判定该骨骼模型是处于动态；
式(5)至式(8)中，M1是第一九轴惯性传感模块的加速度阈值，M2是第二九轴惯性传感模块的加速度阈值，N1是第一九轴惯性传感模块的角速度阈值，N2是第二九轴惯性传感模块的角速度阈值，ax1，ay1，az1分别表示第一九轴惯性传感模块中三轴加速度计X1，Y1，Z1轴加速度值，ax2，ay2，az2分别表示第二九轴惯性传感模块中三轴加速度计X2，Y2，Z2轴加速度值，vx1，vy1，vz1分别表示第一九轴惯性传感模块中三轴陀螺仪X1，Y1，Z1轴角速度值，vx2，vy2，vz2分别表示第二九轴惯性传感模块中三轴陀螺仪X2，Y2，Z2轴角速度值；
步骤四、根据步骤三的判断结果实现角度的实时测量有下述两种情形之一：
一种情形是：骨骼模型是处于静态时，角度测量的步骤如下：
步骤1-1、上位机接收第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴加速度计和三轴磁场计采集到的数据计算静态下的成角θ和旋转角T，
公式(9)中，为第一九轴惯性传感模块的X1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二九轴惯性传感模块的X2轴在GHE坐标系下的坐标；GHE坐标系为根据重力、磁场在第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块上的作用通过坐标变换建立的一个空间绝对坐标系；其中：x1g、x1h、和x1e分别表示第一九轴惯性传感模块的X1轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值,x2g、x2h和x2e分别表示第二九轴惯性传感模块的X2轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值；
T＝A2-A1 (10)
式(42)中，A1是参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Y1轴或Z1轴的夹角，A2是参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的Y2轴或Z2轴的夹角；以参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Z1轴及参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的Z2轴的夹角为例：
式(11)和式(12)中，所述参考轴Xc为第一九轴惯性传感模块的X1轴与第二九轴惯性传感模块的X2轴的叉乘，即Xc＝X1╳X2，所述参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的X1轴垂直，所述参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的X2轴垂直，所述参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Z1轴及第二九轴惯性传感模块的Z2轴在同一个平面内；为第一九轴惯性传感模块的Z1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二九轴惯性传感模块的Z2轴在GHE坐标系下的坐标；为Xc参考轴在GHE坐标系下的坐标；
步骤1-2、对第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴陀螺仪的积分数据归零，并根据三轴加速度计和三轴磁场计数据计算第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的姿态转换四元数，最后输出静态下的成角、旋转角的数值，从而实现静态角度检测；根据所述成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，用于指导骨折复位训练；
另一种情形是：骨骼模型是处于动态时，实现角度检测的步骤如下：
步骤2-1、首先用第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴陀螺仪的角速度数据计算并更新第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的四元数，然后判断定时器是否到时间，定时器到时间后，用两个九轴惯性传感模块中的三轴加速度计和三轴磁场计采集到的数据修正四元数，并将定时器归零；
步骤2-2、根据修正后的四元数将九轴传感模块采集到的数据从九轴传感模块自身的坐标系转换为绝对坐标系，然后计算动态下的成角和旋转角，最后输出动态下的成角和旋转角的数值，从而实现动态角度检测；
公式(13)中，为第一九轴惯性传感模块中的X1轴在绝对坐标系下的坐标表示，为第二九轴惯性传感模块中的X2轴在绝对坐标系下的坐标表示；
式(14)中，所述参考轴Xc为为第一九轴惯性传感模块的X1轴与第二九轴惯性传感模块的X2轴的叉乘，即Xc＝X1╳X2，所述参考轴Xc与骨折断裂处一端面上的第一九轴惯性传感模块的X1轴垂直，所述参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的X2轴垂直，所述参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Z1轴及第二九轴惯性传感模块的Z2轴在同一个平面内；为参考轴Xc在绝对坐标系下的坐标表示；
最后输出动态下的成角和旋转角的数值，并循环执行步骤二至步骤四，从而实现连续实时的动态角度检测；根据所述动态下的成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，用于指导骨折复位训练。
静态动态同时存在的情形：
静态时，首先将坐标转换为GHE坐标系，然后按照前述计算方法计算静态成角，计算静态旋转角。对陀螺仪的积分数据归零，并根据加速度计、磁场强度计数据重置四元数，最后输出成角、旋转角数值。
如果判断结果是处于动态时，首先用陀螺仪的角速度数据更新四元数，然后判断定时器是否到时间，如果到时间，用加速度计、磁场计数据修正四元数，并将定时器归零；如果没到，定时器继续计时。再根据四元数将坐标系转换为大地坐标系，然后计算动态成角，计算动态旋转角，最后输出成角、旋转角数值。
最终输出结果只有一对成角、旋转角，即成角、旋转角的值在任意时刻分别只有一个。而前述的数据采集到计算角度的过程是不断循环直至用户关闭该程序。利用输出的成角、旋转角数据，可以进一步开发软件，用于骨折复位情况的判断。
实施例3：以人体肱骨干骨折模型为例，介绍模型检测原理的应用。
如图6所示，1为肱骨模型近端，2为肱骨模型远端，3为近端九轴惯性传感模块，4为远端九轴惯性传感模块。近端九轴惯性传感模块3和远端九轴惯性传感模块4的三轴加速度计坐标系分别用X1Y1Z1，X2Y2Z2表示，此时近端九轴惯性传感模块3和远端九轴惯性传感模块4的姿态相同，坐标系方向完全一致。其中，x，z方向均由箭头所指方向指示，而y方向则为垂直于画面向里。相应的，磁场强度、重力场的方向与传感模块实时的姿态有关，根据前述方法计算GHE坐标系及坐标值。因而，在静止状态下(如前述以加速度、角速度分别大于某一较小值为判断标准)，不管是重力还是磁场强度在各个方向上的分量均相同，近端九轴惯性传感模块3和远端九轴惯性传感模块4所代表的骨骼模型断面两端之间的成角移位、旋转移位均为零。
如图7所示，骨折之后，肱骨近端与远端在肌肉牵拉下在肱骨干方向成一定的角度，即形成成角移位。此时，近端九轴惯性传感模块3相对于远端九轴惯性传感模块4姿态变化，近端九轴惯性传感模块3的y1方向不变，但是x1、z1方向旋转了一定角度，此角度即为成角移位的角度。相应的，重力、磁场强度在x1、z1方向上的分量也产生变化。根据近端九轴惯性传感模块3此时的x1、z1方向上的分量值，用前述方法，成角的计算如下：
如图8所示，旋转移位发生在骨骼在肌肉牵拉下围绕肱骨干发生旋转，此时，远端九轴惯性传感模块4相对于近端九轴惯性传感模块3的姿态发生变化，远端九轴惯性传感模块4的x2方向与近端九轴惯性传感模块4的x1方向一致，但是远端九轴惯性传感模块4的z2，y2方向均围绕x轴旋转一定角度，此角度即为旋转移位的角度值。相应远端九轴惯性传感模块4的z2，y2方向上重力、磁场强度分量会发生变化，根据两个惯性传感模块检测的数值，可以按前述方法对此时的旋转移位角度T计算：
在动态条件下(如前述以加速度、角速度分别大于或者等于某一较小值为判断标准)角度的计算。此时采用陀螺仪积分并计算出的姿态四元数q1和q2，然后用旋转矩阵将模块的坐标(如磁场强度数据)转换到大地坐标系，骨折断面成角的计算为：
旋转角T为
式中计算方法由前述步骤实现。
在骨折时，旋转移位与成角移位常常同时发生，形成复合移位，如图9所示，两个惯性传感器的坐标系三个轴均不同轴，重力、磁场强度的分量均产生变化，不论是在静态还是动态条件下，同样的计算方法可以把这两个角度移位都计算出来。
本发明的方法还可以用于人体关节角度的检测，将两个惯性传感模块分别贴附安装在人体关节(比如膝关节)的两端肌肉、脂肪组织较少部位，将关节两端的分别当作本发明中骨折模型断裂的两端，即可将检测、计算出的角度与人体关节的角度对应。如可将本发明检测的成角对应到关节的伸展/屈曲角度，将本发明检测的旋转角对应到关节的外旋/内旋角度，则可以用来实时检测人体关节的相应角度变化。对人体关节角度变化的检测可进一步用于步态检测、运动康复等领域。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种骨折复位训练模型角度检测装置，包括骨骼模型和上位机，所述骨骼模型具有骨折断裂处，所述骨折断裂处将骨骼模型分为第一部分实体和第二部分实体，所述第一部分实体的骨折断裂处的端面为第一断裂端面，所述第二部分实体的骨折断裂处的端面为第二断裂端面，其特征在于：
该检测装置还包括两个六轴惯性传感模块，两个六轴惯性传感模块包括第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块，所述第一六轴惯性传感模块安装在第一部分实体上、且靠近第一断裂端面的一端，所述第二六轴惯性传感模块安装在第二部分实体上、且靠近第二断裂端面的一端；
每个六轴惯性传感模块包括一个三轴加速度计和一个三轴磁场计，每个六轴惯性传感模块由一个集成有所述三轴加速度计功能和三轴磁场计功能的一个电子芯片构成或是由两个分别具有三轴加速度计或者三轴磁场计的独立电子芯片组合而成；所述三轴加速度计的XYZ轴和三轴磁场计的XYZ三轴方向分别两两一致。
2.一种骨折复位训练模型角度检测方法，其特征在于，利用如权利要求1所述骨折复位训练模型角度检测装置，上位机接收第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块采集到的数据计算成角和旋转角从而实现静态角度检测；根据所述成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，从而用于指导骨折复位训练；
所述成角是指所述骨骼模型的第一部分实体的长度方向中心轴和第二部分实体的长度方向中心轴之间小于180°的夹角θ,设骨骼模型长度方向的中心轴与三轴加速度计和三轴磁场计的X轴方向一致，则该夹角θ的计算公式为：
公式(1)中，为第一六轴惯性传感模块的X1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二六轴惯性传感模块的X2轴在GHE坐标系下的坐标；GHE坐标系为根据重力、磁场在第一六轴惯性传感模块和第二六轴惯性传感模块上的作用通过坐标变换建立的一个空间绝对坐标系；其中：x1g、x1h、和x1e分别表示第一六轴惯性传感模块的X1轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值,x2g、x2h和x2e分别表示第二六轴惯性传感模块的X2轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值；
所述旋转角是指所述骨骼模型上第一断裂端面绕第一六轴惯性传感模块的X1轴旋转角度及第二断裂端面绕第二六轴惯性传感模块的X2轴旋转角度之差；
T＝A2-A1 (2)
式(2)的计算可以通过X轴与Y、Z轴中任意一个轴的数据进行计算；我们以采用Z轴数据进行计算为例；A1是参考轴Xc与第一六轴惯性传感模块的Z1轴的夹角，A2是参考轴Xc与第二六轴惯性传感模块的Z2轴的夹角；
式(3)和式(4)中，所述参考轴Xc为第一六轴惯性传感模块的X1轴与第二六轴惯性传感模块的X2轴的叉乘，即Xc＝X1╳X2，所述参考轴Xc与第一六轴惯性传感模块的X1轴垂直，所述参考轴Xc与第二六轴惯性传感模块的X2轴垂直，Xc与第一六轴惯性传感模块的Z1轴及第二六轴惯性传感模块的Z2轴在同一个平面内。
3.一种骨折复位训练模型角度检测装置，包括骨骼模型，所述骨骼模型具有沿骨骼模型长轴设置的中心轴和骨折断裂处，所述骨折断裂处将骨骼模型分为第一部分实体和第二部分实体，所述第一部分实体的骨折断裂处的端面为第一断裂端面，所述第二部分实体的骨折断裂处的端面为第二断裂端面，其特征在于：
该检测装置还包括两个九轴惯性传感模块，两个九轴惯性传感模块包括第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块，所述第一九轴惯性传感模块安装在第一部分实体上、且靠近第一断裂端面的一端，所述第二九轴惯性传感模块安装在第二部分实体上、且靠近第二断裂端面的一端；
每个九轴惯性传感模块包括一个三轴加速度计、一个三轴磁场计以及一个三轴陀螺仪，每个九轴惯性传感模块由一个集成有三轴加速度计、三轴磁场计以及三轴陀螺仪三个功能的电子芯片构成或是由三个相互独立功能的电子芯片构成，或是任意两个功能的集成电子芯片与第三个独立功能的电子芯片的组合；所述三轴加速度计、三轴磁场计以及三轴陀螺仪的XYZ三轴方向均完全一致。
4.一种骨折复位训练模型角度检测方法，其特征在于，利用如权利要求3所述骨折复位训练模型角度检测装置，设骨骼模型长度方向中心轴与三轴加速度计和三轴磁场计的X轴方向一致，该检测方法中涉及到的成角θ是指所述骨骼模型的第一部分实体的长度方向中心轴和第二部分实体的长度方向中心轴之间小于180°的夹角；旋转角T是指所述骨骼模型上第一断裂端面绕第一九轴惯性传感模块的X1轴旋转角度及第二断裂端面绕第二九轴惯性传感模块的X2轴旋转角度之差，该检测方法包括以下步骤：
步骤一、初始化，包括：零点设置、动态数据校正定时器设定和姿态四元数初始化计算；其中：
零点设置：按照将第一部分实体的第一断裂端面与第二部分实体的第二断裂端面重合，两个实体形成未断裂的完整的骨骼模型时，第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的XYZ轴两两一致的位置进行安装，此时两个九轴惯性传感模块成角、旋转角均为零；或：任意安装第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块之后，再将骨骼模型复位，静止状态下记录第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的姿态，再通过姿态变换，使第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的XYZ轴两两一致，即通过计算将成角、旋转角归零；
动态数据校正定时器设定：设定在动态下成角和旋转角角度计算时，定时采用第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中三轴加速度计、三轴磁场计数据校正的时间间隔；
姿态四元数初始化计算：将上述零点设置完成后的第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块的姿态与参考的绝对坐标系对比，计算将该姿态下第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的姿态转换四元数q1和q2；
步骤二、数据采集：从第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块采集到三轴加速度、三轴磁场强度、三轴角速度数据；
步骤三、判断当前骨骼模型的状态：当步骤二采集到的三轴加速度和三轴角速度的数据同时满足下述公式(5)、公式(6)、公式(7)和公式(8)的条件时，则判定该骨骼模型是处于静态，否则，判定该骨骼模型是处于动态；
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式(5)至式(8)中，M1是第一九轴惯性传感模块的加速度阈值，M2是第二九轴惯性传感模块的加速度阈值，N1是第一九轴惯性传感模块的角速度阈值，N2是第二九轴惯性传感模块的角速度阈值，ax1，ay1，az1分别表示第一九轴惯性传感模块中三轴加速度计X1，Y1，Z1轴加速度值，ax2，ay2，az2分别表示第二九轴惯性传感模块中三轴加速度计X2，Y2，Z2轴加速度值，vx1，vy1，vz1分别表示第一九轴惯性传感模块中三轴陀螺仪X1，Y1，Z1轴角速度值，vx2，vy2，vz2分别表示第二九轴惯性传感模块中三轴陀螺仪X2，Y2，Z2轴角速度值；
步骤四、根据步骤三的判断结果实现角度的实时测量有下述两种情形之一：
一种情形是：骨骼模型是处于静态时，角度测量的步骤如下：
步骤1-1、上位机接收第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴加速度计和三轴磁场计采集到的数据计算静态下的成角θ和旋转角T，
公式(9)中，为第一九轴惯性传感模块的X1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二九轴惯性传感模块的X2轴在GHE坐标系下的坐标；GHE坐标系为根据重力、磁场在第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块上的作用通过坐标变换建立的一个空间绝对坐标系；其中：x1g、x1h、和x1e分别表示第一九轴惯性传感模块的X1轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值,x2g、x2h和x2e分别表示第二九轴惯性传感模块的X2轴数据在GHE坐标系中G轴、H轴和E轴方向上的分量数值；
T＝A2-A1 (10)
式(10)中，A1是参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Y1轴或Z1轴的夹角，A2是参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的Y2轴或Z2轴的夹角；以参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Z1轴及参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的Z2轴的夹角为例：
式(11)和式(12)中，所述参考轴Xc为第一九轴惯性传感模块的X1轴与第二九轴惯性传感模块的X2轴的叉乘，即Xc＝X1╳X2，所述参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的X1轴垂直，所述参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的X2轴也垂直，第一九轴惯性传感模块的Z1轴与第二九轴惯性传感模块的Z2轴在同一个平面内；为第一九轴惯性传感模块的Z1轴在GHE坐标系下的坐标；为第二九轴惯性传感模块的Z2轴在GHE坐标系下的坐标；为Xc参考轴在GHE坐标系下的坐标；
步骤1-2、对第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴陀螺仪的积分数据归零，并根据三轴加速度计和三轴磁场计数据计算第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的姿态转换四元数，最后输出静态下的成角、旋转角的数值，从而实现静态角度检测；根据所述成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，用于指导骨折复位训练；
另一种情形是：骨骼模型是处于动态时，实现角度检测的步骤如下：
步骤2-1、首先用第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块中的三轴陀螺仪的角速度数据计算并更新第一九轴惯性传感模块和第二九轴惯性传感模块自身XYZ坐标系转换到绝对坐标系的四元数，然后判断定时器是否到时间，定时器到时间后，用两个九轴惯性传感模块中的三轴加速度计和三轴磁场计采集到的数据修正四元数，并将定时器归零；
步骤2-2、根据修正后的四元数将九轴传感模块采集到的数据从九轴传感模块自身的坐标系转换为绝对坐标系，然后计算动态下的成角和旋转角，最后输出动态下的成角和旋转角的数值，从而实现动态角度检测；
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<mi>&theta;</mi>
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<mi>arccos</mi>
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<mo>(</mo>
<mn>13</mn>
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</mrow>
</mrow>
公式(13)中，为第一九轴惯性传感模块中的X1轴在绝对坐标系下的坐标表示，为第二九轴惯性传感模块中的X2轴在绝对坐标系下的坐标表示；
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<mi>T</mi>
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<mn>14</mn>
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</mrow>
式(14)中，所述参考轴Xc为为第一九轴惯性传感模块的X1轴与第二九轴惯性传感模块的X2轴的叉乘，即Xc＝X1╳X2，所述参考轴Xc与骨折断裂处一端面上的第一九轴惯性传感模块的X1轴垂直，所述参考轴Xc与第二九轴惯性传感模块的X2轴也垂直，所述参考轴Xc与第一九轴惯性传感模块的Z1轴与第二九轴惯性传感模块的Z2轴在同一个平面内；为参考轴Xc在绝对坐标系下的坐标表示；
最后输出动态下的成角和旋转角的数值，并循环执行步骤二至步骤四，从而实现连续实时的动态角度检测；根据所述动态下的成角与旋转角的计算结果实时检测成角移位和旋转移位，用于指导骨折复位训练。
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