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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711272317.0 (22)申请日 2017.12.06 (71)申请人 中北大学 地址 030051 山西省太原市学院路3号 (72)发明人 张晓明 鲍爱达 吕辰 王晋东 李杰 孙海钰 刘俊 (74)专利代理机构 太原科卫专利事务所(普通 合伙) 14100 代理人 朱源 武建云 (51)Int.Cl. A61B 5/11(2006.01) A61B 5/00(2006.01) G16H 50/30(2018.01) (54)发明名称 基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不。
2、稳定 测试装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于微惯性测量阵列的 可穿戴髌骨不稳定测试装置及方法， 包括微惯性 测量阵列、 数据存储模块、 数据处理模块和信息 传输模块。 采用如下步骤实现： 1、 穿戴装置后将 微惯性测量阵列固定于膝关节皮肤表面； 2、 建立 坐标系基准并进行坐标系统一与配准； 3、 对微惯 性测量阵列的数据进行融合和差分处理， 利用统 计学分析方法和多次量测数据， 提取相应特征及 本征模态函数进行髌骨稳定与否或髌骨不稳定 严重程度的分析判断。 本发明可以实时有效测量 患者的髌骨不稳定状态， 辅助医师进行分析和相 关疾病的治疗。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 。
3、CN 107928678 A 2018.04.20 CN 107928678 A 1.一种基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试装置， 其特征在于： 包括微惯性 测量阵列、 数据存储模块、 数据处理模块和信息传输模块； 微惯性测量阵列由多个微惯性测量单元组成， 微惯性测量阵列为双单元或者三单元组 成的测量阵列； 数据处理模块将微惯性测量阵列采集的数据进行转换、 滤波和融合处理， 获取人体运 动数据和膝关节的髌骨不稳定信息； 数据存储模块包括其相关数据传输总线以及数据存储芯片及外围电路， 将采集到的原 始数据和处理后的数据进行存储； 信息传输模块将处理后传感器阵列信息的传输， 以及可穿戴测试装。
4、置实时与上位机的 信息传输与交互。 2.根据权利要求1所述的基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试装置， 其特征 在于： 微惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺。 3.一种基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试方法， 其特征在于： 包括如下步 骤： (1)、 将微惯性测量单元A位于膝关节的髌骨上方皮肤表面， 量测髌骨的位移和运动状 态， 同时量测人体腿部运动； 将一个或者多个微惯性测量单元B位于膝关节侧面的皮肤表面， 不受髌骨位移的影响， 量测人体腿部运动； 将测试装置穿戴完毕， 按照预先给定的方案将微惯性测量阵列进行固定， 同时保证装 置不影响腿部膝关节的活动， 利用装置发送至上位机中。
5、的数据进行运动情况的观察； (2)、 依据微惯性测量单元的轴向建立基准坐标系； 测试者分别进行多个不同腿部姿态 的数据静止采集， 根据静止采集的数据进行微惯性测量单元的坐标对准； (3)、 将微惯性测量单元的坐标对准之后， 进行滤波预处理， 分析和提取出膝关节和髌 骨的运动状态； 测试时通过坐标对准后的微惯性测量阵列进行数据差分处理， 消除人体运动过程中产 生的共模加速度信号和共模角速度信号， 利用微惯性测量单元的加速度计和陀螺信息进一 步提取出髌骨对于腿部的相对位移和角速度； 在测试后， 经过定性分析或姿态解算后， 得出髌骨不稳定的严重程度和详细特征； 同时 建立数据库， 利用多次测试存储的。
6、数据进行运动模式的分析和提取相关本征模态函数， 根 据特征模态符合程度判定髌骨是否稳定、 是否有半脱位或脱位以及其严重程度。 4.根据权利要求3所述的基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试方法， 其特征 在于： 步骤(2)中， 依据微惯性测量单元轴向建立基准坐标系， 分别为微惯性测量单元A的坐 标系O-XAYAZA和微惯性测量单元B的坐标系O-XBYBZB； 因此有： 式中： HA为惯性测量单元A的量测三分量， HB为惯性测量单元B的量测三分量； 然后将HB换算到A单元坐标系下， 测试者分别进行几个不同腿部姿态的静止数据采集， 通过求解超定方程或最小二乘法拟合， 求解出旋转矩阵参数； 求解公。
7、式为： 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 107928678 A 2 式中， A为微惯性测量单元A的量测增广矩阵， H为微惯性测量单元B的量测增广矩阵； 计算出两个微惯性测量单元坐标系之间的旋转矩阵即可进行坐标轴精确配准， 将两惯 性测量单元的坐标轴向准确对齐。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 107928678 A 3 基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及医疗器械及测量技术领域， 具体是一种基于微惯性测量阵列的可穿戴 髌骨不稳定测试装置及方法。 背景技术 0002 膝关节髌骨不稳定， 临床上较为常见， 一般认为当膝关节屈曲时， 。
8、髌骨会向股骨外 髁过度滑移伴或不伴有冠状面上的倾斜， 严重时有髌骨脱位或半脱位， 主动或被动伸膝时 可自行恢复到正常或接近正常位置的一种症状。 髌骨不稳定使髌股关节长期处于非正常状 态， 膝关节不能发挥正常作用， 引起疼痛和功能受限， 导致股四头肌萎缩无力， 髌股关节退 变， 膝关节不稳， 最终影响患者生活质量。 0003 在现有医疗技术条件下， 髌骨不稳定状态的测量主要是在静态环境下， 应用影像 学的方式， 如使用X射线观察、 CT扫描等方法进行检查。 但是对人体有害的膝关节不稳定状 态主要发生在人体运动过程中， 然而影像学方式并不适合人体动态测量， 多次反复使用影 像学检查的方式不但增加了。
9、治疗成本， 而且难以测量出人体运动时髌股关节的生物力学特 性， 不利于分析髌骨不稳定的产生机理。 0004 另外， 在应用惯性传感器测量人体的运动情况时， 传统的惯性测量传感器因为采 用高精度陀螺仪和加速度计等传感器， 体积庞大且价格昂贵。 当前MEMS产品因其体积小、 价 格低、 功耗低， 被称为是传统的惯性测量组合的一次重大改革， 越来越多地应用于人体运动 测量应用中。 发明内容 0005 本发明针对现有测量手段的不足， 为了弥补在运动过程中膝关节部位髌骨不稳定 的动态测量手段之缺失， 提出一种基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试装置。 通 过对微惯性测量阵列的数据融合处理， 提取出人。
10、体平路步行、 屈曲膝关节以及上下楼等运 动时膝关节部位髌骨的相对运动状态及位移情况， 实时测量和分析病患髌骨不稳定情况。 0006 本发明是采用如下技术方案实现的： 0007 一种基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试装置， 包括微惯性测量阵列、 数据存储模块、 数据处理模块和信息传输模块。 0008 微惯性测量阵列由多个微惯性测量单元组成， 微惯性测量阵列为双单元或者三单 元组成的测量阵列。 0009 数据处理模块将微惯性测量阵列采集的数据进行转换、 滤波和融合处理， 获取人 体运动数据和膝关节的髌骨不稳定信息。 0010 数据存储模块包括其相关数据传输总线以及数据存储芯片及外围电路， 将。
11、采集到 的原始数据和处理后的数据进行存储。 0011 信息传输模块将处理后传感器阵列信息的传输， 以及可穿戴测试装置实时与上位 机的信息传输与交互。 说 明 书 1/4 页 4 CN 107928678 A 4 0012 一种基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试方法， 包括如下步骤： 0013 (1)、 将微惯性测量单元A位于膝关节的髌骨上方皮肤表面， 量测髌骨的位移和运 动状态， 同时量测人体腿部运动； 0014 将一个或者多个微惯性测量单元B位于膝关节侧面的皮肤表面， 不受髌骨位移的 影响， 量测人体腿部运动； 0015 将测试装置穿戴完毕， 按照预先给定的方案将微惯性测量阵列进行固定。
12、， 同时保 证装置不影响腿部膝关节的活动， 利用装置发送至上位机中的数据进行运动情况的观察； 0016 (2)、 依据微惯性测量单元的轴向建立基准坐标系； 测试者分别进行多个不同腿部 姿态的数据静止采集， 根据静止采集的数据进行微惯性测量单元的坐标对准； 0017 (3)、 将微惯性测量单元的坐标对准之后， 进行滤波预处理， 分析和提取出膝关节 和髌骨的运动状态； 0018 测试时通过坐标对准后的微惯性测量阵列进行数据差分处理， 消除人体运动过程 中产生的共模加速度信号和共模角速度信号， 利用微惯性测量单元的加速度计和陀螺信息 进一步提取出髌骨对于腿部的相对位移和角速度； 0019 在测试后，。
13、 经过定性分析或姿态解算后， 得出髌骨不稳定的严重程度和详细特征； 同时建立数据库， 利用多次测试存储的数据进行运动模式的分析和提取相关本征模态函 数， 根据特征模态符合程度判定髌骨是否稳定、 是否有半脱位或脱位以及其严重程度， 即可 总结分析髌骨不稳定的发生规律和产生条件。 0020 该基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试装置， 通过对微惯性测量阵列数 据的分析及处理， 实时测量运动中膝关节髌骨活动轨迹， 了解髌骨不稳定动态特征和生物 力学特性， 从而针对性地对患者的病情进行分析、 选择合适的个性化治疗方法、 推动髌骨不 稳定的治疗研究。 附图说明 0021 图1表示测试装置组成结构示意。
14、图。 0022 图2表示二单元微惯性测量阵列的安装示意图。 0023 图3表示三单元微惯性测量阵列的安装示意图。 0024 图中： 1-微惯性测量单元A， 2-微惯性测量单元B。 具体实施方式 0025 下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。 0026 一种基于微惯性测量阵列的可穿戴髌骨不稳定测试装置， 如图1所示， 包括微惯性 测量阵列、 数据存储模块、 数据处理模块和信息传输模块几部分。 测试方法采用如下步骤实 现： 1、 穿戴装置后将微惯性测量阵列固定于膝关节皮肤表面； 2、 建立坐标系基准并进行坐 标系统一与配准； 3、 对微惯性测量阵列的数据进行融合和差分处理， 利用统计学分。
15、析方法 和多次量测数据， 提取相应特征及本征模态函数进行髌骨稳定与否或髌骨不稳定严重程度 的分析判断。 0027 具体方案如下： 0028 微惯性测量阵列由两个或多个微惯性测量单元组成。 每个微惯性测量单元可以包 说 明 书 2/4 页 5 CN 107928678 A 5 括但不限于三轴加速度计和三轴陀螺， 三轴加速度计或三轴陀螺也可以是微惯性测量单元 的部分配置。 此实施实例中， 微惯性测量单元包括三轴加速度计和三轴陀螺。 如图2、 3所示， 微惯性测量阵列可以为双单元、 三单元等组成的测量阵列， 也可以根据精度要求和其他特 殊情况扩展到所有采用微惯性测量单元阵列进行髌骨不稳定的实施方案。。
16、 微惯性测量单元 A位于膝关节的髌骨上方皮肤表面， 微惯性测量单元B位于膝关节侧面的皮肤表面。 微惯性 测量单元A可量测到髌骨的位移和运动状态， 同时量测到人体腿部的运动； 而微惯性测量单 元B安装在膝关节的侧面， 不受髌骨位移的影响， 其测量值只受到腿部运动的影响。 嵌入式 处理器以一定采样周期通过SPI总线对两个微惯性测量单元数据进行实时读取并处理分 析。 0029 数据处理模块将微惯性测量阵列的数据进行转换、 滤波和融合处理， 获取人体运 动数据和膝关节的髌骨脱位信息。 0030 数据存储模块包括相关数据传输总线以及数据存储芯片及外围电路， 具体为SPI 总线或SDIO数据总线， 将数据。
17、按照帧格式存入Micro-SD卡中， 主要负责将采集到的原始数 据和处理后的数据进行存储以便测试后进行深入分析。 0031 信息传输模块主要用于处理后传感器阵列信息的传输， 以及可穿戴测试装置实时 与上位机的信息传输与交互， 可以包括有蓝牙、 WiFi等无线收发模块。 通过串行接口连接至 蓝牙无线发送模块， 在于上位机蓝牙进行配对之后进行采集的数据实时发送， 以及接受上 位机发出的控制指令。 0032 上述装置的测试及数据处理方法， 包括以下步骤: 0033 步骤1： 将测试装置穿戴完毕， 按照预先给定的方案将微惯性测量阵列进行固定， 同时保证装置不影响腿部膝关节的弯曲等活动。 利用装置发送至。
18、上位机中的数据进行运动 情况的观察。 0034 步骤2： 依据微惯性测量阵列的传感器轴向建立基准坐标系， 分别为惯性测量单元 A的坐标系O-XAYAZA和惯性测量单元B的坐标系O-XBYBZB。 因此有： 0035 0036 式中： HA为惯性测量单元A的量测三分量， HB为惯性测量单元B的量测三分量， 由于 坐标系不统一， 因此需要通过坐标旋转矩阵进行坐标轴配准， 将HB换算到A单元坐标系 下。 0037 测试者分别进行几个不同腿部姿态的静止数据采集， 通过求解超定方程(或最小 二乘法拟合等)方法， 求解出旋转矩阵参数。 求解公式为： 0038 0039 式中， A为惯性测量单元A的量测增广。
19、矩阵， H为惯性测量单元B的量测增广矩阵。 0040 计算出两个传感器坐标系之间的旋转矩阵即可进行坐标轴精确配准， 将两惯性测 量单元的坐标轴向准确对齐。 0041 步骤3： 将微惯性测量阵列的各个传感器坐标对准和统一之后， 进行滤波预处理， 分析和提取出膝关节和髌骨的运动状态。 测试时， 由于人体在运动过程中产生的加速度冲 击会影响位于髌骨前方的微惯性测量单元精度， 因此通过将传感器坐标对准后的微惯性测 量阵列进行数据差分处理， 消除人体运动过程中产生的共模加速度信号和共模角速度信 号， 利用加速度计和陀螺信息进一步提取出髌骨对于腿部的相对位移和角速度。 在测试后， 说 明 书 3/4 页 。
20、6 CN 107928678 A 6 经过定性分析或姿态解算后， 可以得出髌骨不稳定的严重程度和详细特征。 同时可以建立 数据库， 利用多次测试存储的数据进行运动模式的分析和提取相关本征模态函数， 根据特 征模态符合程度判定髌骨是否稳定、 是否有半脱位或脱位以及其严重程度， 总结分析髌骨 不稳定的发生规律和产生条件。 0042 本发明解决了现有医疗及测量技术中， 难以有效地对运动过程中发生的髌骨不稳 定状态进行测量分析的难题， 可以实时有效测量患者的髌骨不稳定状态， 辅助医师进行分 析和相关疾病的治疗。 0043 以上实施例仅用以说明本发明而非限制， 本领域技术人员应当理解， 对本发明内 容进行修改或者等同替换， 都不脱离本发明范围。 说 明 书 4/4 页 7 CN 107928678 A 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/2 页 8 CN 107928678 A 8 图3 说 明 书 附 图 2/2 页 9 CN 107928678 A 9 。