一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，包括傳感器終端節點、無線匯聚節點、無線體域網網關、個人終端、遠程醫療終端和信息反饋系統，傳感器終端節點包括依次連接的醫療傳感器、信號調理電路、微處理器單元和無線收發單元，醫療傳感器將采集的數據送入信號調理電路進行預處理，然后由微處理器單元進行處理后控制無線收發單元進行無線傳輸；所述傳感器終端節點采集的數據依次經過無線匯聚節點、無線體域網網關分別送入個人終端和遠程醫療終端，遠程醫療終端將所述數據處理后送入信息反饋系統，由信息反饋系統建立3D模型進行顯示。此種監測系統可實時監測患者運動康復情況，為后續康復訓練提供合理性指導和建議，提高康復訓練效果。
【專利說明】—種基于無線體域網的運動功能康復監測系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于運動康復學、嵌入式系統和物聯網的交叉領域，涉及一種運動功能康復監測系統的實現方法，特別涉及一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統。
【背景技術】
[0002]現代社會隨著世界各國相繼進入老齡化，在老齡化過程中會產生大量的腦卒中或中風病患者，此類患者通常由于腦血管血栓或腦血管破裂出血而導致腦供血中斷，從而使相應的運動、感覺和認知等功能遭到喪失或受到損害。現代神經康復醫學及其臨床研究結果表明中樞神經系統具有高度的可塑性，對因腦卒中等疾病引起的肢體功能障礙，通過科學合理的康復治療訓練可以在一定程度上恢復其受損的肢體功能。在康復訓練過程中，康復醫師應實時對患者的康復訓練效果進行評價，并根據評價結果及時調整康復訓練方案，以使得康復醫師的訓練方法與患者病情恢復程度保持一致。因此，對肢體運動功能障礙患者的康復訓練過程中進行實時監測和反饋，具有重要的臨床實踐意義。
[0003]傳統的康復評價方法，大多是在患者康復訓練結束前后，康復醫師根據自己的臨床經驗，運用測量儀器分別對患者的主/被動關節活動范圍、肌力恢復等級等指標進行評定。該方法具有如下不足:
[0004](I)不具備實時性，由于評估只能在患者訓練結束前后進行，因此在康復訓練過程中康復醫師的治療方案未能實現與患者病情恢復程度實時保持一致；
[0005](2)具有主觀性，傳統康復評價方法大多是依據醫師臨床經驗進行測定，評測數據不能客觀準確地反映出患者肢體功能的恢復程度；
[0006](3)成本較高，持續對康復訓練過程進行監測和評估，不僅需要耗費康復醫師大量的精力，同時也增加了患者的治療成本；
[0007](4)不具備開放性，在運動康復評價過程中，監測儀器設備與患者之間的導線連接，限制了病人的運動能力，不利于有效的康復訓練。
[0008]因此，迫切需要開發實時有效、低成本、能客觀準確地反映出患者肢體運動功能恢復程度的康復監測評價系統。
[0009]無線體域網(WBAN, Wireless Body Area Network)是以人體為中心，由與人體相關的網絡元素(包括個人終端，分布在人身體上、植入人體內部的傳感器節點及組網設備等)組成的通信網絡。這些智能傳感器節點包含了傳感、計算和通信模塊，能夠互相協同地自組織形成網絡，并且通過特定的網絡技術將采集的信息進行處理與融合后發送給用戶終端。無線體域網技術為實現高效、實時、客觀、準確、低成本的運動康復監測系統提供了很好的手段。
[0010]基于前述傳統運動康復訓練過程中訓練反饋不足、醫師任務繁重、訓練場所有限等問題，本發明人結合目前的無線體域網技術，研制一種能夠克服現有缺陷的運動康復監測系統，本案由此產生。
【發明內容】

[0011]本發明的目的，在于提供一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，其可實時監測患者運動康復情況，為后續康復訓練提供合理性指導和建議，提高康復訓練效果。
[0012]為了達成上述目的，本發明的解決方案是:
[0013]一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，包括傳感器終端節點、無線匯聚節點、無線體域網網關、個人終端、遠程醫療終端和信息反饋系統，其中，傳感器終端節點包括電源及依次連接的醫療傳感器、信號調理電路、微處理器單元和無線收發單元，電源為傳感器終端節點中的其余部件供電，醫療傳感器將采集的數據送入信號調理電路進行預處理，然后由微處理器單元進行處理后控制無線收發單元進行無線傳輸；所述傳感器終端節點采集的數據依次經過無線匯聚節點、無線體域網網關通過無線體域網分別送入個人終端和遠程醫療終端，所述遠程醫療終端將所述數據處理后送入信息反饋系統，由信息反饋系統建立3D模型進行顯示。
[0014]上述傳感器終端節點中的醫療傳感器包括測量肢體運動參數的三軸加速度傳感器。
[0015]上述傳感器終端節點中的醫療傳感器包括測量肌電狀態參數的肌電信號傳感器，其所對應的信號調理電路包括依次連接的前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、工頻陷波電路和后級放大電路。
[0016]上述傳感器終端節點中的醫療傳感器包括測量基本生理體征參數的基本生理體征信號測量節點，其所對應的信號調理電路包括依次連接的前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、工頻陷波電路和后級放大電路，以及連接前置放大電路輸出端的右腿驅動電路。
[0017]上述傳感器終端節點由柔性電路板制成。
[0018]上述無線匯聚節點包括相互連接的無線匯聚節點微處理器單元、無線匯聚節點無線通信單元和無線匯聚節點電源管理單元，其中，無線匯聚節點電源管理單元為無線匯聚節點微處理器單元和無線匯聚節點無線通信單元供電，所述無線匯聚節點無線通信單元在無線匯聚節點微處理器單元的控制下，完成傳感器終端節點與無線體域網網關之間的數據中轉。
[0019]上述個人終端采用個人手持PDA、手機或平板電腦。
[0020]采用上述方案后，本發明采用無線體域網技術，肢體運動功能障礙患者通過穿戴運動、肌力、生理等參數節點，可實時對訓練過程中患者的肢體運動功能恢復情況進行監測評價，并根據評價結果實時調整醫師的康復治療方案；采用運動、肌力與生理三類無線傳感器終端節點，可以實時地將監測數據發送至個人或遠程康復醫療終端進行客觀分析；此外，采用無線體域網技術，有效地避免了監測儀器設備與患者之間的導線連接，擴大了病人的活動范圍，同時還可以持續地對康復訓練過程進行遠程監測和評估，減少了醫師的勞動強度，降低了患者的治療成本。
[0021]本發明將無線體域網技術應用于運動康復醫療的監測評價系統中，可有效克服傳統運動康復評價過程中存在的實時性差、主觀性強、成本較高和不夠開放的問題；由于肢體運動功能障礙患者大多以老年者居多，其身體狀況本身就存在問題，因此，本發明在對患者進行運動、肌力等功能參數進行實時評價的同時，還對患者的基本生理體征參數進行監測，以防止訓練任務過重或康復治療方案不恰當，對患者的生命安全造成威脅；此外，與現有的健康監測系統相比，本發明提供的運動康復監測系統以評價患者的肢體運動功能恢復情況為主，并運用虛擬現實技術將效果評價實時反饋給患者，實現的是閉環監測評價。
[0022]本發明一種基于無線體域網的運動康復監測系統具有以下優勢:
[0023](I)本發明的傳感器終端節點監測信息合理、有效，針對運動康復過程中醫師所關心的運動狀態以及肌力信息進行采集，避免了采用傳統生理監測系統對運動康復患者關鍵運動信息把握的不足；并且監測傳感器節點引入了基本生理特征信號的采集節點，保護病人在運動康復訓練過程中的安全；
[0024](2)本發明的傳感器終端節點充分考慮了可穿戴行的設計，患者無論在醫院進行運動康復訓練，在戶外進行運動康復訓練或是在家居日常生活都能舒適、安全地穿戴傳感器終端節點。可穿戴的傳感器終端節點使用柔性電路板(FPC)設計，具有小巧、輕便和穩定的特點，可以嵌入到衣服布料或用固定帶固定在四肢、腰部等部位。患者的運動自由將不會受到傳統監測方法導線繁多的限制，系統靈活性顯著提高；
[0025](3)本發明的運動功能康復監測系統引入無線體域網，實現了醫院、家居或社區環境下的無線醫療遠程控制；
[0026](4)本發明的監測系統接收的監測數據具有實時性強、準確的特點，將這些數據用于運動模型重建，將準確地反應患者當時真實的運動能力；
[0027](5)本發明的運動功能康復監測系統提供多種反饋機制；傳統的遠程健康監測系統僅僅實現多生理信號的實時采集、遠程波形顯示以及閾值報警功能，沒有能夠形成一個有效的閉環反饋系統。本發明的運動功能康復監測系統通過分析監測數據，得出一系列評價結果，并運用虛擬現實技術將效果評價實時反饋給患者，實現的是閉環監測評價，讓患者在最適宜的刺激下進行運動訓練；
[0028](6)本發明的運動功能康復監測系統提供GPS追蹤患者功能，為患者在家居環境或者社區戶外環境下訓練過程中的突發事故提供了及時救助的可能性；
[0029](7)本發明的運動功能康復監測系統還具有普遍適用性強、低功耗的優點，并且能最大限度減輕患者的出行負擔，經濟節約。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發明的整體架構圖；
[0031]圖2是本發明中傳感器終端節點的結構框圖；
[0032]圖3是本發明中傳感器終端節點的外型圖；(a)表示柔性電路板的示意圖；
[0033]圖4是本發明中傳感器終端節點在人體身體的分布圖；
[0034]圖5是本發明中無線體域網網關的整體架構圖；
[0035]圖6是本發明中肌電信號測量節點的信號調理電路示意圖；
[0036]圖7是本發明中基本生理體征信號測量節點的心電信號調理電路示意圖；
[0037]圖8是本發明中傳感器終端節點的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0038]以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。[0039]如圖1所示，本發明提供一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，包括傳感器終端節點、無線匯聚節點、無線體域網網關、個人終端、遠程醫療終端和信息反饋系統，實現醫院、家居或社區環境下的無線醫療遠程控制，下面將分別介紹。
[0040]所述傳感器終端節點包括運動參數測量節點、肌電信號測量節點和基本生理體征信號測量節點，分別用于采集中風患者的肢體運動參數(位置、速度、加速度)、肌電狀態參數(肢體表面肌電)和基本生理體征參數，各測量節點均包括電源及依次連接的醫療傳感器、信號調理電路、微處理器單元和無線收發單元，其中，電源為所述測量節點中的其余部件供電，醫療傳感器根據測量對象選用不同類型的傳感器，無線收發單元采用RF232無線收發芯片；所述醫療傳感器將采集的數據送入信號調理電路進行預處理，然后由微處理器單元進行處理后控制無線收發單元進行無線傳輸；所述無線收發單元還接收來自遠程醫療終端的數據采集命令。
[0041]本實施例中傳感器終端節點的微處理器單元由單一的MCU、存儲器及其外圍電路模塊組成，MCU采用ATMEL公司生產的ATmegal28微處理器為核心，系統時鐘由一個外部的8MHz的晶振提供。ATmegal28是8位RISC微處理器，支持JTAG接口，具有8路10位ADC，53個可編程I/O 口，具有高性能、低功耗的特點。微處理器軟件系統采用TinyOS無線傳感器網絡操作系統，增強了節點運行過程中的穩定性。無線收發單元由低功耗無線收發模塊組成，采用傳感器網絡最有前景的短距離無線通信技術。
[0042]所述運動參數測量節點主要測量人體肢體在運動過程中肢體關節角度、位置等信息，通過對這些信息計算，可以得出病人肢體的運動軌跡、速度及強度，判斷病人的肢體運動功能恢復情況，其中的醫療傳感器采用數字式三軸加速度傳感器MMA7361，MMA7361采用
3.3V電源供電，Xout管腳輸出X軸方向電壓，Yout管腳輸出Y軸方向電壓，Zout管腳輸出Z軸方向電壓，各軸方向的電壓在不運動或者不被重力作用的狀態下，其輸出均為1.65V ；如果沿著某一方向運動，或者受到重力作用，輸出電壓就會根據其運動方向而改變各軸的輸出電壓大小。`
[0043]所述肌電信號測量節點主要測量人體肢體在運動康復訓練過程中肌電信號變化情況。肌電信號是肌肉收縮時伴隨的電信號，通過對此信號的監測可以確定肌肉周圍神經、神經元、神經肌肉接頭及肌肉本身的功能狀態，確定患者在運動康復過程中肌力恢復的情況，其中的醫療傳感器采用肌電信號傳感器，如圖6所示，是肌電信號測量節點中的信號調理電路示意圖，主要實現肌電信號的電壓放大及濾波，包括順序連接的前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、工頻陷波電路和后級放大電路，由于肌電信號極其微弱，只有幾十uV到幾mV，并且十分容易受到外界噪聲干擾，所以需要進行電壓放大和濾波處理。肌電信號前置放大電路的放大器芯片選用AD623精密儀用放大器芯片，對肌電信號進行10倍左右的放大。經過前置放大的肌電信號，需要經過濾波處理，濾除信號中的雜波成分。肌電信號的頻率主要集中在10-250HZ范圍內，濾波電路主要包括一個低通濾波電路，截止頻率為IOHz,由放大器A2實現；高通濾波電路，截止頻率為250Hz，由放大器A3實現；50Hz工頻陷波電路，用于濾除50Hz工頻干擾，由放大器A4實現。經過硬件濾波的信號將通過后級放大電路進行電壓放大，放大倍數為150倍，肌電信號總共被放大了 1500倍左右，由放大器A5、A6實現。
[0044]所述基本生理體征信號測量節點主要測量人體的基本生理體征信號，包括心率、脈搏信號以及呼吸。中風，帕金森以及其它傷殘病患以老年人居多，其身體狀況本身就存在問題，因此，在進行運動康復訓練時，必須要對患者關鍵的生命體征進行檢測，以防止訓練任務過重或不恰當，對患者的生命安全造成威脅。心電信號采集傳感器采用普通氯化銀電極片，脈搏和呼吸信號采集傳感器采用壓電薄膜傳感器。
[0045]圖6所示是測量心電信號的信號調理電路圖，包括順序連接的前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、工頻陷波電路和后級放大電路，還包括連接前置放大電路輸出端的右腿驅動電路；由于心電信號極其微弱，只有幾mV左右，并且十分容易受到外界噪聲干擾，所以需要進行電壓放大和濾波處理。心電信號前置放大電路的放大器芯片同樣采用AD623精密儀用放大器芯片。心電信號的頻率主要集中在5-lOOHz范圍內，濾波電路主要包括一個低通濾波電路，截止頻率為5Hz，由放大器A2實現；高通濾波器，截止頻率為100Hz，由放大器A3實現；50Hz工頻陷波電路，用于濾除50Hz工頻干擾，由放大器A4實現。經過硬件濾波的心電信號將通過后級放大電路進行電壓放大，放大倍數為100倍，心電信號總共被放大了 1000倍左右，由放大器A5、A6實現；此外心電信號信號調理電路還添加有右腿驅動電路，最大程度地減少共模干擾，并且保護病人安全，由放大器A7實現。
[0046]所述無線收發單元由低功耗無線收發模塊組成，根據系統需求滿足高速發送模式和低功耗模式的快速轉換，本發明采用Zigbee技術，基于IEEE802.15.6協議設計無線收發模塊。
[0047]具體實施時，為了能夠使患者在運動康復訓練過程中運動不受醫療終端節點導線連接限制，所述傳感器終端節點還要注意可穿戴性設計，增強監測節點的靈活性。對于運動參數測量節點和肌電信號測量節點，為了不影響監測節點對肢體運動過程的影響，本實施例采用柔性電路板(FPC)設計。柔性電路板是以聚酰亞胺或聚酯薄膜為基材制成的一種具有高度可靠性、絕佳的可撓性印刷電路板。配合圖3 (a)所示，該FPC電路板設有信號調理電路、中央處理器和埋入式天線。柔性電路板運用到運動康復監測系統中，具有一系列的優點，如:(1)體積比傳統PCB小，增加穿戴的便利性；(2)重量更輕，在穿戴時感受不到傳感器終端節點的重量，對患者運動沒有造成額外負擔；(3)厚度薄，柔軟度高，能貼合人體皮膚表面。用固定帶可以將柔性電路 板制成的傳感器終端節點固定于肢體表面皮膚，柔性電路板將與肢體間緊密接觸。普通的電路板不易彎曲，患者進行康復運動時佩戴普通電路板制成的傳感器終端節點，無法進行很多常規動作訓練，影響訓練效果；并且普通的電路板在穿戴時，舒適度無法達到要求，導致患者的訓練積極性降低。對于心電信號、呼吸信號的采集，傳感器終端節點可放置于胸部、腰間等位置，可以采用普通電路板的設計方案，不會對患者運動造成限制。
[0048]配合圖4所示，本實施例中的傳感器終端節點分布于患者四肢、胸部以及腰部位置。本發明的醫療傳感器可以為電極片、三軸加速度傳感器、陀螺儀以及PVDF壓電薄膜。在具體實施時一般需要:至少3個電極片，用于檢測心電信號；至少I個PVDF壓電薄膜，用于檢測脈搏信號；至少I個PVDF壓電薄膜，用于檢測呼吸信號；若干電極片，用于檢測肌電信號；除此之外，還需要若干三軸加速度傳感器，檢測動作信號。本發明的傳感器終端節點包含心電信號監測節點一個，放置于胸部；脈搏信號監測節點一個，放置于腕部；呼吸信號監測節點一個，放置于腹部或者腰部；肌力信號監測節點若干，分布于大臂、小臂、手指、大腿及小腿處肌肉部位，監測主要肌肉和肌肉群的肌力情況；運動加速度信號及位置信號監測節點若干，分布于肩關節、肘關節、腕關節、手指、腰椎關節、膝關節及踝關節部位，監測四肢運動訓練時的重要參數。三軸加速度傳感器在手臂位置和擺放方位直接影響后續運動坐標系的建立。建立有效的空間坐標系，能通過有效、簡潔的運動重構算法，重建運動模型。根據建立的坐標軸和三軸加速度硬件特性我們設計三軸加速度傳感器在手臂上的具體分布和方位。
[0049]如圖8所示，是本發明中傳感器終端節點的工作流程圖，傳感器終端節點上電后，啟動TinyOS操作系統，初始化硬件，啟動電源監控進程，命令監控進程。一旦接收到從無線體域網網關發來的采集命令，節點開始進行信號的A/D采集和無線發送；接收到從無線體域網網關發來的休眠命令，節點停止信號的采集和發送，進入休眠模式。本實例傳感器終端節點的常用命令有=RESET命令，讓異常工作的節點復位，重新啟動；SLEEP命令，讓工作中的節點停止數據采集和發送，進入休眠模式；START命令，讓休眠的節點開始數據采集和發送；BATTERY命令，查詢節點的電池電壓，是否需要對節點的鋰電池進行充電提醒。
[0050]無線匯聚節點包括無線匯聚節點微處理器單元、無線匯聚節點無線通信單元和無線匯聚節點電源管理單元，無線匯聚節點微處理器單元、無線匯聚節點無線通信單元和無線匯聚節點電源管理單元通過內部總線相互連接進行通訊。無線匯聚節點實現對終端節點發來的數據進行存儲、管理和融合，并且能轉發運動康復監測任務。
[0051]每位患者穿戴的一組傳感器終端節點和單一的充當協調器的無線匯聚節點以星型拓撲結構組成一個同步簇，所有的患者對應的網絡簇、無線匯聚節點、無線體域網網關、個人終端和遠程醫療終端構成低延時星簇型無線網絡，采用基于時隙的免沖突載波多路接入方式的網絡通信協議，通過信標方式和保證時隙完成低延時星簇型無線實驗網絡中的星簇型的時間同步。遠程醫療終端 發出數據采集命令后，無線體域網網關將命令傳輸至無線匯聚節點并廣播到各個傳感器終端節點；傳感器終端節點采集患者的運動參數、肌力信息和基本生理特征信息，并通過無線體域網網絡，依次經過無線匯聚節點、無線體域網網關傳輸至遠程醫療終端或個人移動終端；信息反饋系統通過對數據的分析進行運動模型重建、患者訓練參與度評價等，幫助醫師分析。
[0052]無線體域網網關包括微處理器、協議轉換器、外部存儲器、ITAG下載/調試模塊、網絡控制與接口模塊、IXD顯示模塊和電源模塊，所述微處理器與協議轉換器、ITAG下載/調試模塊、網絡控制與接口模塊、LCD顯示模塊、外部存儲器之間同內部總線相互連接進行通訊，網絡控制與接口模塊接入無線局域網。微處理器選擇三星公司生產的ARM9系列芯片S3C2440，支持Linux操作系統。協議轉換器支持網關與IEEE802.15.6/Zigbee網絡通信協議、Internet網絡通信協議以及bluetooth通信協議等層次之間數據格式的轉換。網絡控制與接口模塊將網關設備接入到外部基礎網絡設施，本發明采用DM9000網絡芯片接入以太網，用USB接口無線網卡接入無線局域網，用藍牙串口模塊接口接入藍牙網絡，用WCDMA串口接口模塊接入3G網絡。ITAG下載/調試模塊包括JTAG下載接口、USB接口和RS232串行接口。此外根據網關設備功能需要，添加外部存儲器單元、IXD顯示單元以及電源模塊，完成網關系統運行、數據傳輸以及人機交互的功能。
[0053]無線體域網網關的功能是接收從無線匯聚節點發來的傳感器終端節點數據，并將接收的數據傳輸到遠程醫療終端和個人終端，且無線體域網網關實現運動康復監測任務發布、存儲傳感器終端節點發來的數據、發布網絡同步任務。本發明所述的無線體域網網關支持RS232串口、以太網、無線局域網、藍牙等多種通信方式，患者能夠通過智能手機、TOC、個人PC等個人終端了解到自己的運動能力恢復情況和即時反饋的運動訓練方案，大大擴展了康復運動監測系統的應用覆蓋范圍。
[0054]本發明所述的個人終端包括個人手持PDA、手機、平板電腦等可移動的終端設備，其結合終端軟件，可以使患者及其家屬了解到患者運動能力恢復情況、肌力恢復狀況以及醫師反饋的康復運動訓練方案，使得患者在家居環境或者社區環境中就能進行有效的運動康復訓練。此外絕大多數的手機都配備有GPS定位功能，一旦患者康復運動訓練期間出現身體不適、跌倒或者休克等癥狀，醫師能迅速定位出患者的坐標位置，及時派出救護人員接治患者。
[0055]遠程醫療終端配備相應的終端軟件，滿足醫師實時監測患者運動狀態的功能，并且醫師能方便地研究病人的運動能力恢復情況及肌力恢復情況。同時，終端軟件能夠對接收的監控數據進行有效的軟件濾波處理和特征信號提取處理。遠程醫療終端軟件還能夠實現監測數據Web發布、數據存儲及數據回放等多種功能。
[0056]信息反饋系統用于還原患者肢體運動模型，識別患者的肌肉疲勞程度和訓練參與度，并運用虛擬現實技術將效果評價實時反饋給患者，實現的是閉環監測評價，讓患者在最適宜的刺激下進行運動訓練。利用虛擬現實系統進行運動障礙康復訓練，即讓患者在虛擬環境中扮演一個角色，成為虛擬環境中的一部分，通過訓練動作與虛擬環境進行交互，虛擬環境即時給予患者調整。這種訓練方法可以降低康復治療過程對治療師及治療場地的依賴程度，為患者提供精確、穩定、個性化的訓練模式。在本發明的具體實施過程中，根據對于患者各方面因素的考量，可以改變虛擬環境的具體參數，增加治療過程的趣味性，激發患者參與治療過程的積極性，使被動治療變為主動治療。例如患者在康復運動訓練中進行盛湯訓練。患者通過簡單的用小勺從碗里盛湯動作完成訓練。上述虛擬場景中的虛擬物體(如碗、勺子)都可以設定重量和大小。通過運動康復監測系統對患者進行監控，并評價患者的肢體恢復能力，決定碗的碗口大小和勺子的重量以及每次的盛湯量。如果通過監測系統發現患者的情緒在訓練過程中持續波 動，說明訓練的難度過大，需要及時減小勺子重量，盛湯量等參數；若通過監測系統發現患者在訓練過程中，訓練參與度不高，則需要考慮更換虛擬環境場景模式，例如可以采用倒茶場景的虛擬環境，足球場景的虛擬環境等等。
[0057]本發明工作時，傳感器終端節點首先實時采集患者的肢體運動參數(位置、速度、加速度)、肌電狀態參數(肢體表面肌電)和基本生理體征參數，然后通過無線收發單元將采集到的數據經過無線匯聚節點傳輸給無線體域網網關，網關通過實現無線體域網與以太網、藍牙、GPRS等通用網絡無縫連接，將患者運動康復監測數據傳輸至個人終端和遠程醫療終端，遠程醫療終端對監測數據進行處理后，信息反饋系統重建患者的訓練時肢體運動3D模型，運用虛擬現實技術將康復評價效果反饋至患者，為后續康復訓練提供合理性建議。該系統能實際應用于運動功能障礙患者的臨床康復醫療實踐中，在對患者基本病理信息進行安全監控的同時，還能對肢體運動功能和肌力恢復效果進行實時評價反饋，提高康復訓練效果。
[0058]本發明的實現步驟如下:
[0059]第一步驟:設計基于無線體域網的運動功能康復監測系統的體系架構。本系統的體系結構圖如圖1所示；[0060]第二步驟:傳感器終端節點的信號調理單元設計。設計位置，加速度傳感器單元模塊；設計高精度，抗噪聲性能好的肌電信號調理電路單元；設計高精度，抗噪聲性能好的心電信號，脈搏信號，呼吸信號調理電路單元；
[0061]第三步驟:傳感器終端節點微處理器單元設計。以8位RISC微處理器為核心，滿足較大數據量的采集與處理功能，并添加必要的外圍電路；
[0062]第四步驟:傳感器終端節點的無線收發單元設計。無線收發單元采用Zigbee技術，以AT86RF230無線通信模塊作為核心，擁有最大250Kbps的傳輸速率，工作在2.4GHzISM頻段，低功耗設計特點；
[0063]第五步驟:傳感器終端節點PCB設計。根據患者在運動康復訓練工程中的運動需要，對于運動位置信號，運動加速度信號，肌電信號，脈搏信號采集節點采用柔性電路板(FPC)設計，使患者能更加舒適、方便地穿戴節點，不限制患者肢體運動自由，不產生額外運動負擔重量。本發明的傳感器節點設計圖如圖2和圖3所示，A用于測量運動加速度信號，設于手的腕關節，B用于測量肌電信號，設于手臂上；
[0064]第六步驟:傳感器終端節點分布設計。本發明的監測節點分布圖如圖4所示；
[0065]第七步驟:傳感器終端節點軟件設計。本發明的節點能解析從遠程醫療終端以及個人終端傳來的命令，進行數據的采集、處理和發送；
[0066]第八步驟:設計無線匯聚節點各個單元模塊，包括無線匯聚節點微處理器單元、無線匯聚節點無線通信單元和無線匯聚節點電源管理單元；
[0067]第九步驟:設計無線體域網網關各個單元模塊，包括微處理器、協議轉換器、外部存儲器、ITAG下載/調試模塊、網絡控制與接口模塊、IXD顯示模塊和電源模塊，網關節點總體架構圖如圖5所示；
[0068]第十步驟:設計網關系統軟件。網關操作系統采用Iinux系統，能高效地控制所有任務協調一致運行，根據系統需要進行消息處理、任務調度、數據庫存取及界面交互功能；
[0069]第十一步驟:設計個人終端。本發明的個人終端包括個人手持PDA以及智能手機。個人終端軟件支持監測數據的實時顯示和康復運動訓練反饋意見功能。此外手機GPS定位功能能定位患者康復運動訓練地址信息，一旦出現康復訓練過程中出現意外情況，醫師能及時做出判斷，并派出救治人員趕到正確地點；
[0070]第十二步驟:設計遠程醫療終端軟件，實現局域網間的Socket通信功能，獲取無線體域網網關傳輸的實時監測數據；實現信號濾波功能，從網關傳來的監測信號仍然存在較多的雜波，需要進行軟件濾波，得到更加理想的監測波形；實現Web發布功能，使患者監護人能夠通過個人PC、PDA和手機獲得患者的康復監測數據；實現病人實時定位功能；實現患者身體狀況超過設定的安全閾值便即時報警的功能；
[0071]第十三步驟:設計信息反饋系統。信息反饋系統能根據實時的運動參數(運動加速度、強度、軌跡等)重建患者的肢體3D運動模型，直觀地反應患者的運動訓練情況，研究患者的運動軌跡是否達到預期的設想；其次，該軟件提取肌電信號中的特征信息，反饋患者的肌力恢復情況；此外，該軟件提取心電信號，脈搏信號以及呼吸信號的特征信號，通過識別算法能有效的判斷患者訓練參與度，心理狀態，并運用虛擬現實技術將效果評價實時反饋給患者，實現的是閉環監測評價。醫師將反饋的治療方案通過Web，手機通用網絡等常用通信網絡反饋給患者監護人，使患者不用在醫院也能進行正確、高效、安全的康復訓練。[0072]本發明進行運動康復監測工作時，具體包括下列步驟:
[0073]第一步驟:患者開始進行康復訓練，運動功能康復監測系統進行網絡布置和初始化，包括傳感器終端節點初始化、無線匯聚節點初始化、無線體域網網關初始化；
[0074]第二步驟:啟動監控進程，顯示無線體域網網絡中各個節點的分布、網絡拓撲；
[0075]第三步驟:運動功能康復監測系統加載系統啟動數據采集進程和監測控制進程，基于無線體域網的運動功能康復監測系統通過無線體域網網關向無線體域網發布數據采集和傳輸命令；
[0076]第四步驟:個人終端設和遠程醫療終端讀取無線體域網網關的數據，同時繪制監測數據的實時曲線圖，并自動實現監測數據的數據庫的實時更新。同時發送至患者監護人的個人終端和遠程醫療終端的數據仍然有較多的雜波，所以需要進行有效的濾波算法處理。本實施例提出采用小波包算法，能有效的濾除信號中的雜波成分，提取出運動訓練參數、肌電信號和基本生理特征信號中的特征信號；
[0077]第五步驟:信息反饋系統通過對監測數據分析，得出一系列評價結果，并綜合醫師的診斷結果，向患者提供反饋治療方案。本實施例的信息反饋系統彌補了傳統健康監測僅僅實現心電信號、脈搏信號等生理信號的實時采集、遠程波形顯示以及閾值報警功能，沒有能夠形成一個有效的閉環反饋系統。本發明的監測系統能夠通過有效算法還原患者肢體運動模型，識別患者的肌肉疲勞程度和訓練參與度，并運用虛擬現實技術將效果評價實時反饋給患者，實現的是閉環監測評價，讓患者在最適宜的刺激下進行運動訓練。
[0078]綜上，本發明采用無線體域網技術，肢體運動功能障礙患者通過穿戴運動、肌力、生理等節點，可實時對訓練過程中患者的肢體運動功能恢復情況進行監測評價，并根據評價結果實時調整醫師的康復治療方案；采用運動、肌力與生理三類無線傳感器終端節點，可以實時地將監測數據發送至個人或遠程康復醫療終端進行客觀分析；此外，采用無線體域網技術，有效地避免了監測儀器設備與患者之間的導線連接，擴大了病人的活動范圍，同時還可以持續地對康復訓練過程`進行遠程監測和評估，減少了醫師的勞動強度，降低了患者的治療成本。
[0079]本發明將無線體域網技術應用于運動康復醫療的監測評價系統中，可有效克服傳統運動康復評價過程中存在的實時性差、主觀性強、成本較高和不夠開放的問題；由于肢體運動功能障礙患者大多以老年者居多，其身體狀況本身就存在問題，因此，本發明在對患者進行運動、肌力等功能參數進行實時評價的同時，還對患者的基本生理體征參數進行監測，以防止訓練任務過重或康復治療方案不恰當，對患者的生命安全造成威脅；此外，與現有的健康監測系統相比，本發明提供的運動康復監測系統以評價患者的肢體運動功能恢復情況為主，并運用虛擬現實技術將效果評價實時反饋給患者，實現的是閉環監測評價。
[0080]以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，其特征在于:包括傳感器終端節點、無線匯聚節點、無線體域網網關、個人終端、遠程醫療終端和信息反饋系統，其中，傳感器終端節點包括電源及依次連接的醫療傳感器、信號調理電路、微處理器單元和無線收發單元，電源為傳感器終端節點中的其余部件供電，醫療傳感器將采集的數據送入信號調理電路進行預處理，然后由微處理器單元進行處理后控制無線收發單元進行無線傳輸；所述傳感器終端節點采集的數據依次經過無線匯聚節點、無線體域網網關通過無線體域網分別送入個人終端和遠程醫療終端，所述遠程醫療終端將所述數據處理后送入信息反饋系統，由信息反饋系統建立3D模型進行顯示。
2.如權利要求1所述的一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，其特征在于:所述傳感器終端節點中的醫療傳感器包括測量肢體運動參數的三軸加速度傳感器。
3.如權利要求1所述的一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，其特征在于:所述傳感器終端節點中的醫療傳感器包括測量肌電狀態參數的肌電信號傳感器，其所對應的信號調理電路包括依次連接的前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、工頻陷波電路和后級放大電路。
4.如權利要求1所述的一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，其特征在于:所述傳感器終端節點中的醫療傳感器包括測量基本生理體征參數的基本生理體征信號測量節點，其所對應的信號調理電路包括依次連接的前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、工頻陷波電路和后級放大電路，以及連接前置放大電路輸出端的右腿驅動電路。
5.如權利要求1所述的一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，其特征在于:所述上述傳感器終端節點由柔性電路板制成。
6.如權利要求1所述的一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，其特征在于:所述無線匯聚節點包括相互連接的無線匯聚節點微處理器單元、無線匯聚節點無線通信單元和無線匯聚節點電源管理單元，其中，無線匯聚節點電源管理單元為無線匯聚節點微處理器單元和無線匯聚節點無線通信單元供電，所述無線匯聚節點無線通信單元在無線匯聚節點微處理器單元的控制下，完成傳感器終端節點與無線體域網網關之間的數據中轉。
7.如權利要求1所述的一種基于無線體域網的運動功能康復監測系統，其特征在于:所述個人終端采用個人手持PDA、手機或平板電腦。
【文檔編號】A61B5/0402GK103479362SQ201310397629
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月5日 優先權日:2013年9月5日
【發明者】徐國政, 馮天天, 原曉孟, 高翔, 劉秀鵬 申請人:南京郵電大學