本發明涉及一種新的醫療測量器械，具體地說是一種關節活動度測量儀。

背景技術：

關節活動度即關節的活動范圍，關節活動范圍的測量是評定肌肉、骨骼、神經病損的基本步驟，是評定關節運動功能損害的范圍與程度的指標之一。

目前臨床上主要使用關節角度尺或圓盤量角器來測量關節活動度。關節角度尺和圓盤量角器由活動臂、固定臂和活動中心組成。在使用量角器測量關節活動度時存在一些不可避免的問題。首先，量角器的放置會受到人體軟組織的影響，而且由不同測量人員放置時測量結果也會不同；其次，角度顯示不規范、刻度誤差、制作工藝等也會降低測量結果的準確性。目前，視頻、圖像和光學打點標記等方法也被用于關節活動度的測量，但上述三種方法易受外界環境干擾且所需設備價格昂貴，不利于臨床推廣。

因此如何方便、快捷的采集人體關節角度信息成為臨床上一個亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明針對現有的關節活動度測量方法的不足，提供了一種基于加速度傳感器的關節活動度的測量裝置，它能夠實時檢測人體關節角度信息。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于加速度傳感器的關節活動度測量裝置，包括：傳感器模塊、微處理器、電源模塊、藍牙發射模塊、接收模塊和移動終端。所述的傳感器模塊包括三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀，分別對人體運動過程中的加速度信號和角速度信號進行檢測，兩個傳感器通過I2C總線將采集到的信號發送給微處理器；所述的微處理器對傳感器傳過來的信號進行數字濾波，并將這些數據傳輸至藍牙發射模塊；所述的藍牙發射模塊將采集到的信號發送到接收模塊；所述的電源模塊負責整個系統的供電；所述的接收模塊對接受到的數據進行整合，傳輸至移動終端；所述移動終端對得到的傳感器信號進行分析處理，得到關節運動過程中佩戴的傳感器的運動軌跡并計算關節活動度，顯示關節運動過程中角度變化并繪制位移-時間曲線。所述移動終端為智能手機，醫生可通過手機直接查看病人關節運動參數；所述智能手機可存儲病人信息，并通過WIFI將病人信息自動上傳到醫院數據庫，便于跟蹤治療和評估病人的康復效果。

所述的傳感器模塊、微處理器、電源模塊和藍牙發射模塊被封裝在安裝外殼內構成傳感器單元，并外接綁帶使其成為可穿戴設備。

所述外殼上嵌入安裝電源開關和指示燈，所述電源開關用于控制電源模塊供電，所述指示燈用于指示傳感器工作狀態。

一種基于加速度傳感器的關節活動度測量裝置，其測量步驟如下：

(1)根據人體解剖學特點和關節活動類型，將傳感器單元穿戴在人體不同部位；

(2)關節活動度測量裝置所有系統上電，完成初始化，移動終端發出開始指令，接收傳感器信號；

(3)移動終端對采集到的加速度信號做積分運算，得出其運動的空間軌跡，計算關節活動度。

(4)關節活動度的計算方法：關節運動軌跡為一圓弧，設起點為A，終點為B，利用最小二乘法擬合得圓弧的圓心位置，由此可知軌跡圓弧的弦長和半徑，可求得關節運動軌跡的弧度，即為關節活動度。

(5)移動終端存儲并顯示關節活動度和位移-時間曲線，并將病人關節活動信息通過WIFI上傳至醫院數據庫。

本發明相對于現有關節活動度測量技術具有以下顯著有益效果：

(1)本發明的關節活動信息通過藍牙發送到信號處理系統，避免了導線連接給測量過程帶來的不便和不適，通過集成高性能低價格的MEMS器件，實現了便攜性和低成本。

(2)相比于光學打點標記和視頻圖像的測量方法，該裝置即使在無光環境下也能精確測量關節活動信息，受周圍環境影響小，適應性強。

(3)傳感器單元穿戴在病人身上，測量結果顯示于智能手機的屏幕，實現智能檢測，解放醫生雙手，提高醫生工作效率。

附圖說明

圖1是本發明系統總體結構示意圖。

圖2是本發明安裝示意圖。

圖3是本發明的信號處理算法流程圖。

圖4是肩關節前屈活動度測量方法示意圖。

圖5是關節活動度計算原理圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明做進一步的說明。

如圖1是本發明系統總體結構示意圖，包括傳感器模塊、微處理器、電源模塊、藍牙傳輸模塊和移動終端。所述的檢測模塊包括三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀。所述的三軸加速度傳感器可檢測關節運動時的加速度信號。對物體的運動加速度進行二重積分可求得物體的運動位移，本發明中采用三軸加速度傳感器，測量不同關節的活動度時，根據人體解剖學特點和關節活動類型將傳感器單元穿戴在不同的部位。在人體關節運動過程中不斷高頻檢測運動過程中的三維加速度信息，并對三組運動加速度不斷進行積分運算，計算得關節運動的瞬時運動速度和累計的空間運動軌跡。

所述的三軸加速度傳感器輸出的加速度信號基于加速度傳感器的載體坐標系OX_bY_bZ_b?？臻g絕對坐標系為OXYZ?？刹捎眠B續選裝的方法，從一個直角坐標系到另一個直角坐標系。所述的三軸陀螺儀輸出運動過程中的角速度信息，通過角速度信號來計算旋轉矩陣。為避免歐拉角法出現的“奇點”現象，本發明采用四元數法。

通過藍牙將檢測到的加速度信號和角速度信號傳輸至移動終端，移動終端對得到的加速信號和角速度信號進行卡爾曼濾波，濾波后的角速度信號作為輸入，計算得到旋轉矩陣。通過旋轉矩陣不斷對運動坐標系下采集到的加速度信號進行坐標轉換，將其從載體坐標系轉換至空間絕對坐標系。運用自適應補償算法，對加速地信號的值進行補償，進行一次積分得到速度，再對速度進行一次補償，對補償后的速度積分得到位移數據。檢測出運動的起始位置和終點位置，計算活動度并繪制位移-時間曲線，如圖3所示。

實施案例1：肩關節前屈活動度測量

按以下步驟進行：

(1)對傳感器進行校準。

(1)受測者標準姿勢站立，按圖2所示將封裝好的傳感器單元通過綁帶固定在上肢上臂中部。

(2)測試主試發出測試開始口令，受測者按圖4所示充分伸展肘部并保持上臂在矢狀面內運動。受測者胳膊抬起過程中應盡量保持身體直立，肩部和身體其他部位保持不動。

(3)移動終端通過所述的接收模塊接收來自加速度傳感器和陀螺儀的加速度信號和角速度信號，并得到運動過程中傳感器單元的運動軌跡，檢測得到運動起點和終點，計算出關節活動度，于智能手機屏幕上顯示測量結果并繪制位移-時間曲線。

圖5提供了關節活動度的計算原理，計算公式為：

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