基于三轴加速度传感器的头部运动监测系统及方法与流程

本发明涉及一种运动状态监测系统级方法，尤其是指一种人体头部运动基于三轴加速度传感器的监测系统和方法，属于仪器仪表领域。

背景技术：

在加速度传感器中有一种是三轴加速度传感器，它是基于加速度的基本原理去实现工作，加速度为空间矢量，如需要了解物体的运动状态，必须测得其在三个坐标轴的分量，另外，在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三轴加速度传感来检测加速度信号，由于三轴加速度传感器体积小，重量轻，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，因此被广泛航天航空、机器人、汽车和医学领域。

目前在传统的医院中，对于颈椎的监测和治疗都基于牵引装置，牵引臂装置上安装有传统的物理形变传感器，对颈椎的变化进行监测。牵引装置是机械式的在人体脖颈出搭架一个机械装置，固定在人体的颈椎，然后通过调节牵引臂或者监测其物理形变，达到最直接的纠正颈椎和监测其变化的效果。但是牵引装置通常都比较庞大，不便于使用者携带，因此使用者需去到专门的地方才可以进行监测，且监测过程复杂繁琐，同时在人体脖颈和颈椎出安置如此大型设备，给使用者带来极大的心里压力。

技术实现要素：

本发明提出一种方便携带，监测简便的基于三轴加速度传感器的头部运动监测系统和方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

基于三轴加速度传感器的头部运动监测系统，包括：可穿戴式数据采集装置以及数据分析显示中心；

所述可穿戴式数据采集装置佩戴于人体的头部，该装置包括三轴加速度传感器及与其电连接的处理模块；

所述三轴加速度传感器用于检测人体运动时的状态数据；

所述处理模块包括控制器、数据存储模块、数据传输模块，其中所述控制器用于监测开关机指令或重新校准指令并执行指令；所述数据存储模块用于存储三轴加速度传感器采集的人体状态数据，所述传输模块用于接收三轴加速度传感器采集的人体状态数据并传输至数据存储模块与数据分析显示中心；

所述数据分析显示中心包括显示器及处理器，所述处理器用于根据接收到人体状态数据根据公式计算后生成相应的图表，所述显示器用于显示该图表。

采用如前所述的基于三轴加速度传感器的头部运动监测方法，包括以下步骤：

步骤一：将安装有三轴加速度传感器的数据采集装置佩戴于被检测人的头部，采集预定时间内的三轴加速度传感器与物理地面X、Y、Z轴三个方向上的差值角并计算每个方向上的平均值数据，其中预定时间为小于或等于10s，并将该三个方向上的差值角的平均值数据传输至处理模块与数据分析显示中心保存作为监测的标准零值；其中当人体低头或仰头时在身体前后方向产生的基于标准零值的偏角为α，当人体头部左右倾斜时在身体左右方向产生的基于标准零值的偏角为β；

步骤二：三轴加速度传感器根据预定的频率采集人体运动状态下的α数据及β数据，预定的频率为1s至60s之间的任意值；

步骤三：数据传输模块采集到三轴加速传感器的α数据及β数据后传送至数据存储模块及数据分析显示中心进行保存；

步骤四：处理器对接收到的α数据及β数据根据计算公式获得α偏角与时间点的关系、β偏角分析拟合，并根据人体的运动学模型生成对应的人体头部运动状态的变化图表传输至显示器进行显示。

本发明提供的基于三轴加速度传感器的头部运动监测系统和方法，首先对人体常态的位置进行监测后建立标准零值作为参考的基准位置，；然后再通过对人体运动状态采集数据，并进行保存和计算，即可分析出其颈椎部位运动姿态的显示结果，便于使用者或者医生进行查看和后期的纠正治疗等，该检测装置携带方便，且监测时段可以根据使用者个人时间进行安排，数据可以随时进行上传，简单且实用。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于三轴加速传感器的头部运动监测系统框图；

图2为本发明基于三轴加速传感器的头部运动监测方法流程图；

图3为为本发明基于三轴加速传感器的头部运动监测系统的使用状态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明提供的基于三轴加速度传感器的头部运动监测系统，包括：可穿戴式数据采集装置以及数据分析显示中心；

所述可穿戴式数据采集装置佩戴于人体的头部，该装置包括三轴加速度传感器及与其电连接的处理模块；

所述三轴加速度传感器用于检测人体运动时的状态数据；

所述处理模块包括控制器、数据存储模块、数据传输模块，其中所述控制器用于监测开关机指令或重新校准指令并执行指令；所述数据存储模块用于存储三轴加速度传感器采集的人体状态数据，所述传输模块用于接收三轴加速度传感器采集的人体状态数据并传输至数据存储模块与数据分析显示中心；

所述数据分析显示中心包括显示器及处理器，所述处理器用于根据接收到人体状态数据根据公式计算后生成相应的图表，所述显示器用于显示该图表。其中显示器可以为PC电脑或者平板电脑或者手机。

优选的，所述数据分析显示中心与所述可穿戴式数据采集装置无线电连接，最优方式为wifi或者蓝牙连接。

本发明提供的可穿戴式数据采集装置小巧携带方便，且监测数据及时，便于使用者进行使用。

优选的，请参见图2与图3，本发明还提供一种采用上述系统的基于三轴加速度传感器的头部运动监测方法，包括以下步骤：

步骤一：将安装有三轴加速度传感器的数据采集装置佩戴于被检测人的头部，采集预定时间内的三轴加速度传感器与物理地面X、Y、Z轴三个方向上的差值角并计算每个方向上的平均值数据，其中预定时间为小于或等于10s，并将该三个方向上的差值角的平均值数据传输至处理模块与数据分析显示中心保存作为监测的标准零值；其中当人体低头或仰头时在身体前后方向产生的基于标准零值的偏角为α，当人体头部左右倾斜时在身体左右方向产生的基于标准零值的偏角为β；在此步骤中，采集平均值数值时人体状态最佳为被测人保持常态运动的状态。

步骤二：三轴加速度传感器根据预定的频率采集人体运动状态下的α数据及β数据，预定的频率为1s至60s之间的任意值，此频率可以根据使用者的需求进行设定。

步骤三：数据传输模块采集到三轴加速传感器的α数据及β数据后传送至数据存储模块及数据分析显示中心进行保存；当然数据传输模块对数据进行传输时，其需与数据分析显示中心建立连接关系，而若当其未建立连接时，则数据则无法实现同步传输，但由于数据存储模块可存储数据，因此当数据分析显示中心与所述可穿戴式数据采集装置在断开连接后，可穿戴式数据采集装置可继续保留更新的数据，而一旦数据分析显示中心与可穿戴式数据采集装置建立信号连接后，则可以通过传输模块将更新后的数据再同步传输给数据分析显示中心进行保存，其原理为数据采集装置与数据分析显示中心采用同一个协议，由于数据采集装置的数据一直在存储，而数据分析显示中心也有对应的数据库保存解析后的数据，而每次数据采集装置与数据分析显示中心连接时，数据采集中心将给数据分析显示中心提供数据采集中心最后更新数据的时间，数据分析显示中心通过对比自身所记录的数据时间，得到两个时间的差值，在通过指令获取该差值时间内的数据进行保存。

步骤四：处理器对接收到的α数据及β数据根据计算公式获得α偏角与时间点的关系、β偏角分析拟合，并根据人体的运动学模型生成对应的人体头部运动状态的变化图表传输至显示器进行显示。例如监测人体脊柱的耦合运动。

优选的，在执行步骤三时，数据存储模块存储的数据存满后，最新采集的数据将自动覆盖数据存储模块中时间最早的数据，数据存储模块为一定容量的存储空间，数据存储有前到后一旦存满，则最新的数据将重新按照从前到后的顺序存储，依次覆盖原来的数据，举例而言，假设将存储空间按照1、2、3......N的顺序进行排列编码，当数据存储从1～N均存满后，则当下采集的数据又重新按照1～N顺序进行存储，其存于编号为1的区间内，再下一秒的数据则存储于编号为2的区间。

优选的，在执行步骤一之前，还包括控制器检测装置是否重开机指令或是否接收到校准标准零值指令；当接收到重开机指令或校准标准零值指令时，则将重新执行步骤一。例如当使用者激发重新校准的指令时，则将按照步骤一的方式对标准零值进行从新检测。因此该基于三轴加速度传感器的系统可以适用于不同的人使用。

本发明提供的基于三轴加速度传感器的头部运动监测方法，首先对人体常态的位置进行监测后建立标准零值作为参考的基准位置，因为每个人佩戴上数据采集装置后，数据采集装置在人体身上的位置都不是统一的，这时就存在一个误差关系；然后每个人的脊椎头部曲度也是不一样的，所以佩戴后，进行标准位置的校正，重新建立坐标系，减少外部因素的固定偏差，得到更准备的最终结果数据；然后再通过对人体运动状态采集数据，并进行保存和计算，即可分析出其颈椎部位运动姿态的显示结果，便于使用者或者医生进行查看和后期的纠正治疗等，该检测装置携带方便，且监测时段可以根据使用者个人时间进行安排，数据可以随时进行上传，简单且实用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。