一种人体运动表现评估数据同步采集系统

摘要

本发明公开了一种人体运动表现评估数据同步采集系统，至少由传感器节点、通过ZigBee无线传感网络与传感器节点进行无线通信的汇聚节点以及与汇聚节点进行通信的电脑客户端构成，传感器节点包括多个足底压力传感器节点、多个表皮肌电传感器节点以及多个步态检测传感器节点，每个足底压力传感器节点包含由柔性压阻材料制成的足底压力传感器，每个表皮肌电传感器节点包含表皮肌电传感器，每个步态检测传感器节点包含MPU6050六轴传感器，汇聚节点包括ZigBee协调器以及与ZigBee协调器连接的互联网接口模块和/或USB转串口模块。本发明能够满足临床对足底压力、表皮肌电以及运动步态的同步检查以及自动生成报告的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及人体运动表现评估数据采集技术领域，更具体地，特别是指一种基于ZigBee无线传感网络的人体运动表现评估数据同步采集系统。

背景技术

现有的足底压力检测系统采用先进的低磁滞压力传感器技术，以生物力学理论为基础，通过高密度的、高频率的压力分布采集平板，获取人在运动中的足受力特征数据，是一种价格昂贵的精密仪器；并且该系统不是可穿戴式的设备，使用不方便。

现有的步态分析技术是采用三维动作捕捉系统抓拍人物动作，将人物动作的信息传输到电脑上并转化为电脑可读的信息，通过将人物动作转化为电脑上模型人物的动作从而进行三维人物步态分析。但是，现有技术中的三维动作捕捉系统抓拍准确度不高，从而对步态分析造成了一定的误差。此外，现有的三维动作捕捉系统需要部署在专门设计的动作捕捉室内，耗资巨大。

进一步地，现有技术无法同时进行足底压力、表面肌电和步态分析的评定。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种价格低廉、可穿戴式的人体运动表现评估数据同步采集系统，能够实现足底压力、表皮肌电以及步态分析多项检查同步进行，提高临床检查的效率。

基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种人体运动表现评估数据同步采集系统，至少由传感器节点、通过ZigBee无线传感网络与所述传感器节点进行无线通信的汇聚节点以及与所述汇聚节点进行通信的电脑客户端构成，

所述传感器节点包括多个足底压力传感器节点、多个表皮肌电传感器节点以及多个步态检测传感器节点，每个足底压力传感器节点包含由柔性压阻材料制成的足底压力传感器，每个表皮肌电传感器节点包含表皮肌电传感器，每个步态检测传感器节点包含MPU6050六轴传感器，

所述汇聚节点包括ZigBee协调器以及与所述ZigBee协调器连接的互联网接口模块和/或USB转串口模块。

在一些实施方式中，所述足底压力传感器用于采集反映足底压力分布情况的电信号，所述表皮肌电传感器用于通过表面电极从肌肉表面采集人体特定部位肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序列电信号，所述MPU6050六轴传感器用于采集人体运动步态数据。

在一些实施方式中，每个足底压力传感器节点还包含第一A/D转换器、第一单片机以及第一ZigBee模块，所述足底压力传感器、所述第一A/D转换器、所述第一单片机以及所述第一ZigBee模块依次相连；

每个表皮肌电传感器节点还包含第二A/D转换器、第二单片机以及第二ZigBee模块，所述表皮肌电传感器、所述第二A/D转换器、所述第二单片机以及所述第二ZigBee模块依次相连；

每个步态检测传感器节点还包含第三A/D转换器、第三单片机以及第三ZigBee模块，所述MPU6050六轴传感器、所述第三A/D转换器、所述第三单片机以及所述第三ZigBee模块依次相连。

在一些实施方式中，所述ZigBee协调器包括彼此相连的第四ZigBee模块和第四单片机。

在一些实施方式中，所述传感器节点和所述汇聚节点由一个外接电源统一供电。

在一些实施方式中，所述的人体运动表现评估数据同步采集系统还包括与所述汇聚节点相连的管理节点，所述管理节点用于管理和配置所述ZigBee无线传感网络的状态。

在一些实施方式中，每个足底压力传感器的所述柔性压阻材料被划分多个区域，每个区域周围设置预定数量的电极，在每个区域的电极中包含两个相邻的循环激励电极和两个相邻的测量电极。

在一些实施方式中，所述柔性压阻材料为鞋垫形状。

在一些实施方式中，所述电脑客户端包括多源信号数据展示和分析系统，所述多源信号数据展示和分析系统由服务处理层、业务逻辑层以及界面表现层组成，

所述服务处理层包括数据流处理模块、参数配置模块、算法引擎模块以及通信协议模块，

所述业务逻辑层包括患者信息管理模块、设备管理模块、肌电数据处理模块、足底压力数据处理模块、步态数据处理模块、报告自动生成模块以及信息检索模块，

所述界面表现层包括GUI人机交互模块。

在一些实施方式中，所述第一单片机、所述第二单片机、所述第三单片机以及所述第四单片机是ATmega16L-8PI单片机。

本发明具有以下有益技术效果：本发明实施例提供的人体运动表现评估数据同步采集系统采用基于电阻抗层析成像算法(EIT)的足底压力场图像重建、并配合图像处理相关算法实现临床诊断的各项指标测量。基于该算法的传感器具有高速度、高灵敏度、低功耗的特点，相较于传统的足底压力感受器测量仪，具有制造工艺简单、价格低廉、穿戴舒适等特点。利用惯导设备进行步态分析，抛弃传统的摄像头捕捉系统，将人体从高投入的动作捕捉室解放出来，让人体运动表现评估落地临床工作。同时进行足底压力、表面肌电和步态分析的评定，能够最大程度地还原人体实际运动情况，为临床康复工作提供指导意义。采用的MPU6050六轴传感器具有体积小，成本低等优势。因此，在人体步态分析中关节角度和手臂摆动角度测量等临床需求上，其结合优化后的数据处理算法，实现了上述角度的准确测量。本发明的人体运动表现评估数据同步采集系统还能够实现足底压力、表面肌电和步态数据的智能化分析和报告打印，提高了检查精度和医生工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为根据本发明一个实施例的人体运动表现评估数据同步采集系统的示意性框图；

图2为电脑客户端的多源信号数据展示和分析系统的示意性框图；以及

图3为运行多源信号数据展示和分析系统的计算设备的一个实施例的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等的表述均是为了区分多个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

基于上述目的，本发明实施例提出了一种人体运动表现评估数据同步采集系统的一个实施例。图1示出的是该系统的示意性框图。如图1中所示，该人体运动表现评估数据同步采集系统至少由传感器节点101～103、通过ZigBee无线传感网络与所述传感器节点101～103进行无线通信的汇聚节点200以及与所述汇聚节点200进行通信的电脑客户端300构成。ZigBee技术具有低功耗、抗干扰、高容量、高安全性等优点，因此本发明采用ZigBee技术进行网络组网来实现多点数据的同步传输。每个传感器节点都是一个可穿戴设备，使用时将各传感器节点设备固定在患者身体的各个待测量部位，同步获取患者的足底压力、表皮肌电、运动步态数据，并将获取的数据通过ZigBee无线传感网络同步传输给汇聚节点200进行数据的整合，然后汇聚节点200将这些数据再发送给电脑客户端300进行后续处理和分析。

所述传感器节点包括多个足底压力传感器节点101、多个表皮肌电传感器节点102以及多个步态检测传感器节点103，每个足底压力传感器节点101包含由柔性压阻材料制成的足底压力传感器，每个表皮肌电传感器节点102包含表皮肌电传感器，每个步态检测传感器节点103包含MPU6050六轴传感器。所述汇聚节点200包括ZigBee协调器以及与所述ZigBee协调器连接的互联网接口模块和/或USB转串口模块。所述足底压力传感器用于采集反映足底压力分布情况的电信号。所述表皮肌电传感器用于通过表面电极从肌肉表面采集人体特定部位肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序列电信号。所述MPU6050六轴传感器用于采集人体运动步态数据。

在一个优选实施例中，本发明的足底压力传感器是基于电阻抗成像(EIT)原理采用柔性压阻材料制成的鞋垫状传感器，可穿戴于患者的足底，足部对该材料施以一定压力时，将引起材料相应部分的电阻抗发生变化，因此该传感器将压力信号转变为电信号。每个足底压力传感器的所述柔性压阻材料被划分多个区域，每个区域周围设置预定数量的电极，来达到提高局部成像质量的目的。例如，采用四端子测量方法，在电极围成的环形区域中，依次选取其中两个相邻电极为循环激励电极，即通过该电极对向区域内注入电流。剩下的电极中也依次选取相邻两个电极作为测量电极。根据测量的电压值，可以反演出接触区域的电势分布。人的双足站立在该传感器上时将引起柔性材料的形变。通常，根据压阻材料的性质，所施加的压力越大，该部分材料的阻抗变化量越大。因此，可以建立压力场与电势之间的映射关系。此外，为了确定电极数量与成像质量、成像速度的关系，可以利用ComsolMultiphysics有限元仿真软件来建立传感器受压模型，研究不同电极数量、激励信号、区域划分大小情况下的成像质量和成像速度关系，以确定最优化的传感器设计方案。

在一个优选实施例中，表皮肌电传感器通过表面电极从肌肉表面引导和记录肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序列电信号。为了不失真地检出具有临床价值的肌电信号，本发明的表皮肌电传感器采用了具有较高共模抑制比、抗干扰能力强的表面肌电信号采集调理电路，包含依次相连的表面电极、差分放大器、高通放大器、主放大器、隔离放大器、低通滤波器、电平抬高电路、工频陷波器以及主控制器。

MPU6050六轴传感器能够实现对患者运动轨迹、步态数据以及踝关节、膝关节、髋关节等部位空间位置信息的采集。测试者可将一个MPU6050佩戴于腰部前面中间，此MPU6050作为测试基准。测试髋关节和膝关节运动能力时以及测试肩关节和肘关节运动能力时可在大腿、小腿、大臂、小臂相应位置各佩戴一个MPU6050。

在一个优选实施例中，每个足底压力传感器节点还包含第一A/D转换器、第一单片机以及第一ZigBee模块，所述足底压力传感器、所述第一A/D转换器、所述第一单片机以及所述第一ZigBee模块依次相连。每个表皮肌电传感器节点还包含第二A/D转换器、第二单片机以及第二ZigBee模块，所述表皮肌电传感器、所述第二A/D转换器、所述第二单片机以及所述第二ZigBee模块依次相连。每个步态检测传感器节点还包含第三A/D转换器、第三单片机以及第三ZigBee模块，所述MPU6050六轴传感器、所述第三A/D转换器、所述第三单片机以及所述第三ZigBee模块依次相连。所述ZigBee协调器包括彼此相连的第四ZigBee模块和第四单片机。所述第一单片机、所述第二单片机、所述第三单片机以及所述第四单片机可以是ATmega16L-8PI单片机。第一ZigBee模块、第二ZigBee模块、第三ZigBee模块与第四ZigBee模块建立无线连接。

在一个优选实施例中，所述传感器节点和所述汇聚节点由一个外接电源统一供电。

在一个优选实施例中，该人体运动表现评估数据同步采集系统还包括与所述汇聚节点200相连的管理节点(未示出)，所述管理节点用于管理和配置所述ZigBee无线传感网络的状态。

图2为电脑客户端的多源信号数据展示和分析系统的示意性框图。多源信号数据展示和分析系统主要用于对接受检查患者的信息进行管理以及对从患者身上采集到的数据进行展示、分析，并根据分析结果自动生成报告，同时用于对数据采集装置进行参数配置等操作。多源信号数据展示和分析系统软件可采用C++语言编程实现。如图2中所示，所述电脑客户端的多源信号数据展示和分析系统框架由服务处理层、业务逻辑层以及界面表现层组成。所述服务处理层包括数据流处理模块、参数配置模块、算法引擎模块以及通信协议模块。所述业务逻辑层包括患者信息管理模块、设备管理模块、肌电数据处理模块、足底压力数据处理模块、步态数据处理模块、报告自动生成模块以及信息检索模块。所述界面表现层包括GUI人机交互模块。其中，数据流处理模块用于对接收到的数据包进行解码、拆包等处理，得到符合软件设计要求的肌电、姿态、压力等数据，从而为数据分析、展示等模块提供有效数据源；参数配置模块用于对系统各参数进行配置；算法引擎模块用于对数据的进一步处理，例如由原始数据进行算法处理后得到肌电波形图数据；通信协议模块用于系统软件和数据接收装置之间建立通信，本发明可采用网络通信模式，客户端和数据接收装置间的数据传输遵循TCP/IP协议；患者信息管理模块用于管理患者的基本信息和与其相关的运动数据；设备管理模块用于管理传感器节点和汇聚节点的设备运行状态；肌电数据处理模块、足底压力数据处理模块以及步态数据处理模块用于对采集到的肌电数据、足底压力数据以及步态数据进行处理；报告自动生成模块用于根据采集到的数据计算各项指标和自动生成临床报告；信息检索模块用于对系统中的所有患者数据进行查询和检索；GUI人机交互模块实现人与系统软件之间的信息交互。

如图3中所示，为运行上述多源信号数据展示和分析系统的计算设备的一个实施例的硬件结构示意图。以如图3所示的计算设备为例，该计算设备包括存储器302、至少一个处理器301以及存储在存储器302上并可在处理器301上运行的计算机程序，其中处理器301执行程序时实现上述各系统模块的功能。该计算设备还可以包括：输入装置303和输出装置304。处理器301、存储器302、输入装置303和输出装置304可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。

存储器302作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的所述模块。处理器301通过运行存储在存储器302中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行系统的各种功能应用以及数据处理。

存储器302可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据上述系统的使用所创建的数据等。此外，存储器302可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器302可选包括相对于处理器301远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至本地模块。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置303可接收输入的数字或字符信息，以及产生与所述系统的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置304可包括显示屏等显示设备。

所述计算设备的任何一个实施例，可以达到与之对应的前述任意系统实施例相同或者相类似的效果。

最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例系统功能，可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可实现上述实施例的系统功能。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)或随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。所述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意系统实施例相同或者相类似的效果。

此外，典型地，本发明实施例公开所述的系统、设备等可为各种电子终端设备，例如手机、个人数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)、智能电视等，也可以是大型终端设备，如服务器等，因此本发明实施例公开的保护范围不应限定为某种特定类型的系统、设备。

此外，应该明白的是，本文所述的计算机可读存储介质(例如，存储器)可以是易失性存储器或非易失性存储器，或者可以包括易失性存储器和非易失性存储器两者。作为例子而非限制性的，非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦写可编程ROM(EEPROM)或快闪存储器。易失性存储器可以包括随机存取存储器(RAM)，该RAM可以充当外部高速缓存存储器。作为例子而非限制性的，RAM可以以多种形式获得，比如同步RAM(DRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据速率SDRAM(DDR SDRAM)、增强SDRAM(ESDRAM)、同步链路DRAM(SLDRAM)以及直接Rambus RAM(DRRAM)。所公开的方面的存储设备意在包括但不限于这些和其它合适类型的存储器。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、方块、模块、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现所述的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明实施例公开的范围。

结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块和电路可以利用被设计成用于执行这里所述功能的下列部件来实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是可替换地，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP和/或任何其它这种配置。

结合这里的公开所描述的功能模块可以直接包含在硬件中、由处理器执行的软件模块中或这两者的组合中。软件模块可以驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质被耦合到处理器，使得处理器能够从该存储介质中读取信息或向该存储介质写入信息。在一个替换方案中，所述存储介质可以与处理器集成在一起。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。在一个替换方案中，处理器和存储介质可以作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性设计中，所述功能可以在硬件、软件、固件或其任意组合中实现。如果在软件中实现，则可以将所述功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质来传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，该通信介质包括有助于将计算机程序从一个位置传送到另一个位置的任何介质。存储介质可以是能够被通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为例子而非限制性的，该计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或者是可以用于携带或存储形式为指令或数据结构的所需程序代码并且能够被通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问的任何其它介质。此外，任何连接都可以适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线路(DSL)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术来从网站、服务器或其它远程源发送软件，则上述同轴线缆、光纤线缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电和微波的无线技术均包括在介质的定义。如这里所使用的，磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘、蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述内容的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。