CN108354609B - 一种关节角度测量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种关节角度测量的方法及装置，该装置其包括频率可调节的电源、第一隔离电路、第二隔离电路、信号预处理模块、MCU模块、第三隔离模块以及安装于待测肢体上的发送电极、接收电极；所述频率可调节的电源一输出经第一隔离电路与发射电极输入连接；所述接收电极输出经第二隔离电路与所述信号预处理模块输入连接；所述信号预处理模块输出与所述MCU模块一输入连接；所述频率可调节的电源另一输出经第三隔离电路与所述MCU模块另一输入连接。硬件要求相对较低，操作也相对比较简单，用户可以单独使用，无需其他人员帮忙，可以获得较好的用户体验；具有便携性和实时性也是它的两大优势。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种关节角度测量的方法及装置。
背景技术
现有的肢体关节角度测量方法大体有两种，一是视频法，二是惯性传感器法。视频法是利用图象处理技术对人体各个姿态进行分析，图像的采集可由多个摄像机进行拍摄，或者由单个摄像机在相对于人体的各个不同的角度拍摄来完成。通过对采集的序列图像进行分析和重建来分析运动状态、位置信息，通过位置信息可确定某个肢体的关节角度。这种方法对拍摄设备中的重构算法精度的要求较高，检测精度和运算实时性难以平衡。惯性传感器包括加速度计和角速度传感器以及它们惯性测量单元和磁传感器的姿态参考***，可用于人体运动的测量和分析。在使用惯性传感器测量时，传感器不断地采集人体的运动过程中各个部位的信息，并传递给计算机，计算机根据所获得的位置信号的信息计算，显示人体在运动过程中的各项参数，并且可以得出肢体关节的夹角。这种方法通过两个或两个以上的标记点进行实时重构，其穿戴式处理芯片的运算复杂度高。从生理学角度来说，当肢体摆动到不同角度时，关节角度产生变化，肌肉群的收缩程度不同，导致导电特性发生改变，则信号的人体传输增益值会呈现差异。本发明设计了一个通过人体信号传输增益值来测量肢体关节角度的装置与方法，利用信号增益值来判断此时的关节夹角，能够为居家康复治疗和精准康复训练提供有效途径，也能够为体感游戏的用户提供较好的游戏体验。
专利（申请号200920176773.X）给出了一种医用关节角度测量装置，包括测量器、数据线和数据处理器。测量器包括壳体、角度传感器和偏心重锤，数据处理器包括数据处理芯片和数据显示芯片。专利（申请号201120210419.1）给出了一种关节角度测量装置，此装置包括固定测量臂、固定活动测量臂、中心轴、角度测量仪及语音单元。活动测量臂另一端与固定测量臂一端通过中心轴连接。专利（201621484960.0）搭建了一个人体关节角度测量***，它包括第一三轴加速度检测模块，第二三轴加速度检测模块，控制模块、无线通讯模块、电源模块以及移动终端。
发明内容
本发明的目的是提供一种关节角度测量的方法及装置。
本发明采用以下技术方案：一种关节角度测量的方法，其包括以下步骤：步骤S1：将发送电极、接收电极放置在待测量肢体上；通过一频率可调的恒压源或恒流源向人体输入恒压信号Vt或恒流信号It，经过第一隔离电路，通过一对发送电极输入到人体；接收电极以差分方式接收输出信号；差分方式测量避免收发信号共地，测量到的输出端电压即为电压的相对变化量；输入信号也经过第三隔离电路，进入MCU模块连接；步骤S2：输出信号经过人体的传输后，依次通过第二隔离电路、一信号预处理模块；输出至所述MCU模块；步骤S3：MCU模块对输入信号、输出信号进行处理后，同时进入MCU模块的运算单元，计算出实时的关节夹角，并通过I/O接口与人机交互模块交换数据；步骤S4：所述MCU模块通过无线传输模块与终端进行通讯。
在本发明一实施例中，步骤S1中通过发送电极向人体某一肢体部位输入多频恒压信号Vt或恒流信号It，当输入为恒压信号Vt；步骤S3中MCU模块中根据公式G = 20lg(Vr/ Vt)计算出在此角度下的信号增益值G；Vr为输出信号对多次的实验数据进行分析计算并取平均值，得出在不同频率下，关节角度θ与人体信号传输增益的计算公式为G = aθ+ b，则θ =(G - b)/a；a、b为常数。
在本发明一实施例中，对关节夹角、信号传输增益值的关系曲线进行曲线拟合，得出线性关系，从而明确了a、b参数的值。
较佳的，-0.15<a<-0.06，-40<b<-20。
本发明还提供一种关节角度测量的装置，其包括频率可调节的电源、第一隔离电路、第二隔离电路、信号预处理模块、MCU模块、第三隔离模块以及安装于待测肢体上的发送电极、接收电极；所述频率可调节的电源一输出经第一隔离电路与发射电极输入连接；所述接收电极输出经第二隔离电路与所述信号预处理模块输入连接；所述信号预处理模块输出与所述MCU模块一输入连接；所述频率可调节的电源另一输出经第三隔离电路与所述MCU模块另一输入连接。
在本发明一实施例中，所述信号预处理模块包括一差分运算放大器及一滤波器；所述差分运算放大器输入接第二隔离电路输出；所述差分运算放大器输出接滤波器输入。
在本发明一实施例中，MCU模块包括一运算单元、第一AD模块及第二AD模块；所述信号预处理模块输出经第一AD模块与所述运算单元一输入连接；所述运算单元另一输入与第二AD模块输出连接；第二AD模块输入与第三隔离电路输出连接；所述运算单元输出一传输单元输入连接。
在本发明一实施例中，还包括一人机交互模块；所述人机交互模块通过一I/O接口与所述MCU模块连接，人机交互模块中包括按键和显示屏，所述按键打开开关或者选择频率，显示屏用以显示角度信息。
在本发明一实施例中，MCU模块还包括一无线传输模块；MCU模块通过所述无线传输模块与终端进行数据通讯。
在本发明一实施例中，频率可调节的电源为频率可调节的恒压源或恒流源。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：硬件要求相对较低，操作也相对比较简单，用户可以单独使用，无需其他人员帮忙，可以获得较好的用户体验；具有便携性和实时性也是它的两大优势。
附图说明
图1为本发明的主要原理框图。
图2为采用本发明装置的不同频率下信号传输增益值与关节夹角的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
一种关节角度测量的方法，其包括以下步骤：步骤S1：将发送电极、接收电极放置在待测量肢体上；通过一频率可调的恒压源或恒流源向人体输入恒压信号Vt或恒流信号It，经过第一隔离电路，通过一对发送电极输入到人体；接收电极以差分方式接收输出信号；差分方式测量避免收发信号共地，测量到的输出端电压即为电压的相对变化量；输入信号也经过第三隔离电路，进入MCU模块连接；步骤S2：输出信号经过人体的传输后，依次通过第二隔离电路、一信号预处理模块；输出至所述MCU模块；步骤S3：MCU模块对输入信号、输出信号进行处理后，同时进入MCU模块的运算单元，计算出实时的关节夹角，并通过I/O接口与人机交互模块交换数据；步骤S4：所述MCU模块通过无线传输模块与终端进行通讯。
在本发明一实施例中，步骤S1中通过发送电极向人体某一肢体部位输入多频恒压信号Vt或恒流信号It，当输入为恒压信号Vt；步骤S3中MCU模块中根据公式G = 20lg(Vr/ Vt)计算出在此角度下的信号增益值G；Vr为输出信号对多次的实验数据进行分析计算并取平均值，得出在不同频率下，关节角度θ与人体信号传输增益的计算公式为G = aθ+ b，则θ=(G - b)/a；a、b为常数。
在本发明一实施例中，对关节夹角、信号传输增益值的关系曲线进行曲线拟合，得出线性关系，从而明确了a、b参数的值。
较佳的，-0.15<a<-0.06，-40<b<-20。
本发明还提供一种关节角度测量的装置，其包括频率可调节的电源、第一隔离电路、第二隔离电路、信号预处理模块、MCU模块、第三隔离模块以及安装于待测肢体上的发送电极、接收电极；所述频率可调节的电源一输出经第一隔离电路与发射电极输入连接；所述接收电极输出经第二隔离电路与所述信号预处理模块输入连接；所述信号预处理模块输出与所述MCU模块一输入连接；所述频率可调节的电源另一输出经第三隔离电路与所述MCU模块另一输入连接。
在本发明一实施例中，所述信号预处理模块包括一差分运算放大器及一滤波器；所述差分运算放大器输入接第二隔离电路输出；所述差分运算放大器输出接滤波器输入。
在本发明一实施例中，MCU模块包括一运算单元、第一AD模块及第二AD模块；所述信号预处理模块输出经第一AD模块与所述运算单元一输入连接；所述运算单元另一输入与第二AD模块输出连接；第二AD模块输入与第三隔离电路输出连接；所述运算单元输出一传输单元输入连接。
在本发明一实施例中，还包括一人机交互模块；所述人机交互模块通过一I/O接口与所述MCU模块连接，人机交互模块中包括按键和显示屏，所述按键打开开关或者选择频率，显示屏用以显示角度信息。
在本发明一实施例中，MCU模块还包括一无线传输模块；MCU模块通过所述无线传输模块与终端进行数据通讯。较佳的，无线通讯模式为wifi或蓝牙，终端为平板电脑或者手机。
在本发明一实施例中，频率可调节的电源为频率可调节的恒压源或恒流源。
图1为本发明一实施例的主要原理框图。
本发明通过频率可调的恒压源/恒流源输入信号，输入端的电压值为Vt，接收端通过一对电极以差分方式接收信号。差分方式测量可以避免收发信号共地，测量到的输出端电压即为电压的相对变化量。输入信号经过人体的传输后，依次通过信号预处理模块、微控制单元（MCU模块）和人机交互模块。信号预处理模块中包含差分运算放大器、滤波器，MCU模块中包含AD转换单元、运算单元、无线传输模块、I/O接口，人机交互模块则可以显示出运算单元计算出的实时角度，并且用户可以对该设备进行操作和设置。无线传输模块通过无线传输方式将数据发送到平板电脑或者手机上。
通过发送电极向需要测量关节角度的人体某一肢体部位输入多频恒压信号Vt或恒流信号It，如果输入的是恒流信号，则需测量出输入端的电压值Vt’。这里以输入恒压信号为例。根据公式G = 20lg(Vr/ Vt)计算出在此角度下的信号增益值G。对多次的实验数据进行分析计算并取平均值，得出在不同频率下，关节角度θ与人体信号传输增益的计算公式为G = aθ+ b，则θ = (G - b)/a。在之前的多次实验中，我们得出关节夹角与信号传输增益值是存在一定关系的，并通过曲线拟合，得出线性关系，包括明确了a、b参数的值。较佳的，-0.15<a<-0.06，-40<b<-20。
不同频率下信号传输增益值与关节夹角的关系如图2所示。根据我们多次实验可知，在频率1时可获取较大的信号传输增益值，提供该频率供使用者参考调节。在运算模块中我们导入了信号传输增益和角度这两个计算公式，在使用过程中，本发明装置中的运算单元根据输入的恒压信号和检测到的输出电压信号计算出信号增益值，并计算出该信号增益值下的关节角度值，并将此角度值通过人机交互模块显示出来。由这样的一个穿戴式设备，我们即可方便地通过人体信道增益值来判断关节角度值。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种关节角度测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将发送电极、接收电极放置在待测量肢体上；通过一频率可调的恒压源或恒流源向人体输入恒压信号Vt或恒流信号It，经过第一隔离电路，通过一对发送电极输入到人体；接收电极以差分方式接收输出信号；差分方式测量避免收发信号共地，测量到的输出端电压即为电压的相对变化量；输入信号也经过第三隔离电路，进入MCU模块连接；
步骤S2：输出信号经过人体的传输后，依次通过第二隔离电路、一信号预处理模块；输出至所述MCU模块；
步骤S3：MCU模块对输入信号、输出信号进行处理后，同时进入MCU模块的运算单元，计算出实时的关节夹角，并通过I/O接口与人机交互模块交换数据；
步骤S4：所述MCU模块通过无线传输模块与终端进行通讯；
步骤S1中通过发送电极向人体某一肢体部位输入多频恒压信号Vt或恒流信号It，当输入为恒压信号Vt；步骤S3中MCU模块中根据公式G = 20lg(Vr / Vt)计算出在此角度下的信号增益值G；Vr为输出信号对多次的实验数据进行分析计算并取平均值，得出在不同频率下，关节角度θ与人体信号传输增益的计算公式为G = aθ + b，则θ = (G - b)/a；a、b为常数；
对关节夹角、信号传输增益值的关系曲线进行曲线拟合，得出线性关系，从而明确了a、b参数的值；
关节角度测量方法采用的关节角度测量装置，包括频率可调节的电源、第一隔离电路、第二隔离电路、信号预处理模块、MCU模块、第三隔离模块以及安装于待测肢体上的发送电极、接收电极；所述频率可调节的电源一输出经第一隔离电路与发射电极输入连接；所述接收电极输出经第二隔离电路与所述信号预处理模块输入连接；所述信号预处理模块输出与所述MCU模块一输入连接；所述频率可调节的电源另一输出经第三隔离电路与所述MCU模块另一输入连接；
MCU模块包括一运算单元、第一AD模块及第二AD模块；所述信号预处理模块输出经第一AD模块与所述运算单元一输入连接；所述运算单元另一输入与第二AD模块输出连接；第二AD模块输入与第三隔离电路输出连接；所述运算单元输出一传输单元输入连接；
所述关节角度测量方法基于可穿戴设备，在使用者使用前，先经多次实验，得到能获取较大的信号传输增益值的频率，该频率供使用者参考调节；在使用过程中，运算单元根据输入的恒压信号和检测到的输出电压信号计算出信号增益值，并计算出该信号增益值下的关节角度值，并将此角度值通过人机交互模块显示出来；
所述信号预处理模块包括一差分运算放大器及一滤波器；所述差分运算放大器输入接第二隔离电路输出；所述差分运算放大器输出接滤波器输入。
2.根据权利要求1所述的关节角度测量的方法，其特征在于：-0.15<a<-0.06，-40<b<-20。
3.根据权利要求1所述的关节角度测量的方法，其特征在于：还包括一人机交互模块；
所述人机交互模块通过一I/O接口与所述MCU模块连接，人机交互模块中包括按键和显示屏，所述按键打开开关或者选择频率，显示屏用以显示角度信息。
4.根据权利要求1所述的关节角度测量的方法，其特征在于：MCU模块还包括一无线传输模块；MCU模块通过所述无线传输模块与终端进行数据通讯。
5.根据权利要求1所述的关节角度测量的方法，其特征在于：频率可调节的电源为频率可调节的恒压源或恒流源。
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