用于下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统的制作方法

本实用新型属于医疗设备技术领域，具体涉及下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统。

背景技术：

随着世界各地老龄化问题不断加剧，下肢康复问题日益严重，导致下肢功能障碍的原因有很多，包括运动损伤、神经损伤等等。据统计，我国2015年60岁及以上人口达到2.22亿，占总人口的16.15%。预计到2020年，老年人口达到2.48亿，老龄化水平达到17.17% ，不可避免的老年人会因为例如脑卒中等疾病导致下肢运动功能障碍，也会因为各位外部因素导致需要进行下肢康复训练。然而全国康复师数量仅有10万，好的康复资源也全部集中在北上广等一线城市。大部分本需要康复治疗的患者不能得到康复治疗。由于患者得不到及时有效的康复治疗，因此很容易留下偏瘫等后遗症。因此，如何便携、自主、低成本且又高效地对下肢功能障碍患者进行康复评估和指导是很有必要的。

目前，形式多样的电生理信号和运动信号被广泛地使用在了下肢康复中，通过现代信号处理的方法来判断患者康复的情况。主要使用的信号是肌电信图（EMG），其中表面肌电图（sEMG）由于其非入侵、测量方便等特点得到了更为广泛的应用。sEMG在康复医学领域中使用的最早最多的是步态分析 ，使用sEMG活动的起止时间表示该肌肉参与步行运动的协同性；sEMG活动的振幅和时程表示肌肉参与步行运动的合理性，主要测量点在胫前肌、小腿三头肌 。

对于患者下肢的康复，主要是基于步态分析进行判断。典型的步态分析实验室或康复室通常拥有压力步道，还有若干摄像头进行辅助。康复患者在行走过程中，摄像头实时采集动作状态，结合地板载荷传感器或力平台，综合判断下肢运动状态和康复情况。

概括说，现有问题包括：1，供需比例不平衡，现有的康复体系和方案完全不能满足市场需求；2，医院已有设备成本较高且便携性差，时间、空间和金钱的成本相对较高；3，患者缺乏主动康复训练的个性化指导；4，缺少便携的下肢评估方法和手段。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种便携、成本低廉、监护数据全面的用于下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统。

本实用新型提供的可穿戴式下肢信号采集系统，采用模块化的设计，用于康复患者下肢运动信号、肌电信号和足底压力信号采集和发送；包括绑带模块、信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块；其中，绑带模块为一个环状绑带，用于固定在小腿上；信号采集模块以可拆卸的方式连接到绑带模块中，信号处理模块、信号发送模块、供电模块集成在绑带模块上，绑带模块采用可穿戴的设计思想，使用时不影响康复患者的正常生活。

所述信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块为系统的硬件，结构框图如图1所示，其中：

信号采集模块包括足底信号采集模块和肌电信号采集模块，其中，足底信号采集模块由运动加速度传感器和足底压力信号采集单元构成，做成鞋垫形状，放置于鞋底内；肌电信号采集模块由柔性电极和肌电模拟前端组成；信号处理模块包含微处理器，信号发送模块包含蓝牙模块；供电模块由锂离子电池和稳压模块组成；系统的工作流程如下：

微处理器通过SPI（串行外设接口）总线与运动加速度传感器通信，得到运动信号，使用片内AD（模拟到数字）采样的方式与自研足底压力信号采集单元和肌电模拟前端通信，得到足底压力信号和肌电信号，发出采样指令；微处理器将上述运动信号、足底压力信号和肌电信号以协议包的方式，通过蓝牙模块发送至上位机进行后续处理；

上位机根据收集到的信号，分析患者下肢运动情况，进行康复评估和指导。

本实用新型中：

所述肌电信号采集模块包括柔性电极和肌电模拟前端，用于采集和放大下肢康复患者肌电信号，所述柔性电极通过绑带模块固定在康复患者小腿腓肠肌或比目鱼肌；

所述运动加速度传感器由惯性测量单元（IMU）构成，用于收集患者脚掌运动数据，以评估患者踝关节活动度和平衡能力；

所述足底压力信号采集单元由柔性导电胶带和柔性压阻传感材料组成，用于采集患者足底压力数据；

所述信号处理模块采用循环扫描的方式得到足底压力信号采集单元的模拟信号，和来自肌电模拟前端的肌电信号，进行片上AD转换，得到足底压力信号和肌电信号，同时，通过SPI总线与运动加速度传感器通信，得到运动信号；微处理器将上述足底压力信号，肌电信号和运动信号打包，以数据包的形式传输至蓝牙模块；

所述信号发送模块包括蓝牙模块，蓝牙模块通过协议将数据包无线传输至上位机；

所述供电模块为系统提供电源。

本实用新型中，下肢信号采集系统可做成可拆卸形式，不需要测量肌电数据时，固定在鞋末端。信号采集模块中各个部分可以根据需求拆卸和安装。

本实用新型中，足底压力信号采集单元采用特别设计，其结构如图7所示，包括上、中、下三层，以及采样电路；其中，上层为纵向排列的导电电极条层，其连接微处理器的AD转换口，下层为横向排列的导电电极条层，通过下拉电阻接地；上层纵向排列的导电电极条带与下层横向排列的导电电极条带的交叉点构成采样点；中层为压力传感材料层，压力传感材料以点状（如圆点、方点等）粘附在采样点处。

其中，上层纵向排列的导电电极条为4-7根，下层横向排列的导电电极条为8-15根。

采样电路如图8所示，为了能够采集各点的压力信号而减少分支数，采用行列扫描的方式对各个采样点进行控制和采样，每个采样点采集到的电压值为：

式中，Vsample为采样点得到的电压值，R0为采样电路中定值电阻阻值，Rsensor为压力传感材料阻值，Vcc为采样电路中电源电压。

本实用新型中，压力传感材料优选成本较低、柔性较好的有3M公司的Velostat材料作为压力传感材料。其物理特性为不透明的黑色，厚度约100μm。它的电学性质为压缩电阻式（Piezoresistive），即电阻随压力增加而减小。使用Velostat材料，配合柔性塑料薄膜导电胶带制作得到新式足底压力阵列采集模块。

本实用新型中传感器可以拓展，以便于额外添加传感器，包括柔性电极、运动传感器、肌电传感器、湿度传感器、皮肤电传感器。

本实用新型的特点：

1、本实用新型采用模块化的设计思想，信号采集模块中的运动加速度传感器、肌电信号采集模块和足底压力信号采集单元可以根据需求安装或拆卸。

2、本实用新型用柔性电极替代传统的粘贴电极片，用于采集肌电数据。

3、本实用新型采用柔性传感器和柔性导电胶布制作传感器，用于足底压力信号采集。

4、本实用新型设计的传感器拓展模块，拓展模块可与主模块连接，提供更多的身体特征数据，所述拓展模块可包括柔性电极、运动传感器、肌电传感器、湿度传感器、皮肤电传感器。

5、本实用新型提出的可穿戴式下肢信号采集系统，可用来评估康复患者的下肢功能情况，并对患者进行康复指导。

本实用新型技术效果

本实用新型用传感器和芯片以及新式压力矩阵传感器制造出的便携的、精确的可穿戴式下肢信号采集系统，可以为患者提供更精确的康复评估，辅助医生快速诊断。

1、本实用新型可进行长期持续的监控。嵌入式硬件系统的功耗主要包括信号采集模块功耗、信号处理模块功耗、信号发送模块功耗。而本系统采用的都是低功耗，微处理器采用MSP430高速、低功耗微处理器，传感器体动信号采集采用自适应变采样率，根据设定阈值调节采样率，极大程度上降低了硬件功耗，无线传输部分采用蓝牙4.0低功耗协议，所以装置整体都是节能、低功耗的，能进行长期监控。

2、本实用新型采用柔性传感器和柔性导电胶布制作压力矩阵传感器，新型传感器能够提供足底高密度的压力分布。高密度的压力分布可以提高平衡评估、步态分析的精度。

3、传感器拓展模块使得监控系统变得可定制化，根据不同用户的不同需求搭配不同的传感器拓展模块，大大减少的系统成本，提高装置的可扩展性。

附图说明

图1为系统硬件模块框图。

图2为本实用新型系统实施方式的示意图。

图3为足底信号采集模块实施方式示意图。

图4为双模式实时场景展示图。其中，（a）肌电模式（b）非肌电模式。

图5为 MPU9250 读写寄存器格式。

图6为AD8232双导联典型电路。

图7为足底压力采集单元结构图。

图8为图7中足底压力单个采样点电路图。

图9为微处理器工作流程。

图10为MPU9250坐标系和自然坐标系。

图11为人体脚踝关节简化的双连杆模型。

图12为关节活动度夹角示意图。

图13为足底压力信号测试结果。其中，（a）初接触,（b）站立中期,（c）初摆动。

图14为肌电信号测试波形。其中，(a)原地踏步，（b）正常步行。

图中标号：1、2、3为塑料卡件，4为绑带模块外壳，5为排线，6为绑带模块外壳，7、8、9为塑料卡件，10为信号处理模块主板，11为肌电电极，12为电极接口，13为拓展模块接口，14为电极接口，15为固定扣，16为足底信号接口，17为足底压力信号采集单元，18为鞋垫顶层，19为惯性测量单元（惯性传感器），20为鞋垫底层。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步介绍本实用新型。

图2为绑带模块结构示意图，绑带模块外壳6内放置信号处理模块和信号发送模块，信号处理模块与信号发送模块集成在主板单元10中。绑带模块外壳4内放置铝电池，通过排线5与主板单元10连接。绑带模块外壳6侧面留有模块接口13，可以与拓展压力鞋垫连接。外壳6与外壳7内侧分别有一个肌电电极接口，用于放置肌电电极11.外壳4、外壳6两侧配有绑带接口3、7。绑带上的塑料卡件1、9可分别插入绑带接口3、7中。绑带上的搭扣8、9为普通搭扣。所有固定完成后，形成一个环状绑带，可固定在小腿上。当不需要测量肌电信号的时候，肌电电极11可以去除，电极接口12、14可以与鞋子的固定扣15结合，与鞋子成为一体。图3示意了足底信号采集模块（鞋垫）的结构图。传感器（即压力采集单元）16和IMU惯性传感器单元18放置在鞋垫顶层17与底层19中间。压力采集单元16与惯性传感器单元18通过导线15与主板10连接。图4-a展示了需要检测肌电情况下的形态。图4-b展示了不检测肌电情况下的形态。

下面将分别介绍各模块功能和工作流程。

1.1信号采集模块

信号采集模块包括足底信号采集模块（鞋垫）和肌电信号采集模块，其中，足底信号采集模块由运动加速度传感器和足底压力信号采集单元组成，肌电信号采集模块由柔性电极和肌电模拟前端组成。其中，运动加速度传感器使用运动加速度传感器MPU9250，肌电模拟前端使用AD8232，足底压力信号采集单元由柔性导电胶带和柔性压阻传感材料组成。

（1）运动加速度传感器MPU9250

MPU9250是Invense公司开发的九轴运动跟踪装置，其融合了3轴加速度、3轴陀螺仪以及3轴磁力计，兼容SPI、I2C两种传输协议，能够同时输出九轴的全部数据。本项目使用其中的3轴加速度计和3轴陀螺仪，其角加速度与磁力加速度计的功能可以为之后系统的功能扩展提供空间。本项目中采用SPI协议与微处理器通信，得到下肢运动信号。

MPU9250读写寄存器格式如图5所示。数据以字节形式高位优先存储，地址同样以字节形式存储，其中最高位为1表示读取，最高位为0表示写入。

（2）肌电模拟前端AD8232

AD8232是一款集成前端，适用于对生物电信号进行信号调理来进行监护。它内置一个专用仪表放大器、一个运算放大器、一个右腿驱动放大器和一个中间电源电压基准电压缓冲器。

此外，AD8232内置导联脱落检测电路和一个自动快速恢复电路，该电路可在导联重新连接后迅速恢复信号。AD8232集成专用仪表放大器，可放大肌电、心电等电生理信号，同时抑制电极半电池电位，拥有较小的尺寸和很低的功耗。它可以放大生物电信号作为模拟量的输出。由于生物电信号很微小，容易受到外界的干扰，AD8232生物电监测器可以通过放大器来帮助获得经过放大后的明显的生物电信号，EMG信号经过放大后的输出模拟量典型值为1~2V数量级，便于后级的模数转换，其双导联典型结构如图6所示。

（3）足底压力信号采集单元

在多种传感器中经过选择，本发明采用了成本较低，柔性较好的有3M公司的Velostat材料作为压力传感材料。物理特性为不透明的黑色，厚度约100μm（Openmaterials. Electrotextiles[G/OL] (2014-9-22) [2016-5-20].

http://openmaterials.org/materials-101-electrotextiles/）。它的电学性质为压缩电阻式（Piezoresistive），即电阻随压力增加而减小。使用Velostat材料，配合柔性塑料薄膜导电胶带制作了自行研发的新式足底压力阵列采集模块。

具体制作过程中，将Velostat材料裁剪成1cm*1cm的小方块，使用双面导电胶布粘贴在采样点上，每扫描到的一个采样点的电路图如图8所示。每个采样点采集到的电压值为：

式中，Vsample为采样点得到的电压值，R0为采样电路中定值电阻阻值，Rsensor为压力传感材料阻值，Vcc为采样电路中电源电压。

为了能够采集各点的压力信号而减少分支数，采用行列扫描的原理各个采样点进行控制和采样，上层为纵向排列的5条导电电极，连接微处理器的AD转换口，中层为压力传感材料，下层为横向排列的10条导电电极，通过下拉电阻接地，通过模拟开关HC4067连接Vcc，由MSP430的IO口连接HC4067的控制端进行信号控制。在采集的过程中，通过MSP430控制多路模拟开关轮流选通每一列电极，将它们拉高至Vcc，在选通某列电极信号的时间内，通过上层模拟开关轮流选通每一行导电线接通Vcc。这样，在1-10条横线之间顺次选通，每次选通时，1-5号AD转换轮流工作，从而完成整个采样过程。其结构如图7所示。

所述足底压力信号采集单元和运动加速度传感器统一构成了足底信号采集鞋垫，如图3所示。

1.2信号处理模块

信号处理模块通过微处理器MSP430F5529处理数据，用于下肢康复评估。

1.3信号发送模块

（1）CC2564蓝牙模块

CC2564是TI开发的双模式蓝牙芯片，同时支持蓝牙3.0和蓝牙4.0的传输，设备兼容性好，易于与电脑、手机、平板电脑等设备建立连接。本项目使用商业化蓝牙开发基板，上有CC2564和为该芯片提供蓝牙协议栈软件驱动的ARMCortex-M0微处理器。微处理器运行SPP协议（Serial Port Profile），可作为串口透传的发送端使用[12]。蓝牙模块的串口与MSP430的串口相连，因此，以下分析均针对UART（通用异步收发传输器）串口。

（2）数据传输协议

数据以数据包的形式从串口发送，数据包的发送率为50Hz。

同时为了保证通讯安全，避免信道干扰对于数据的影响，同时结合异步串口的传输特点，设计数据包如表1所示：

表1发送数据包格式

本项目中采用定长数据包，每个数据包116位，HEAD_H=0x88, HEAD_L=0x71，LENGTH=22，CHECK为奇偶校验，数值为前115位的位异或。

数据段格式见下表2和表3。

表2数据段格式，ACCEL_X,Y,Z为运动传感器的各轴加速度值，GYR_X，Y，Z为运动传感器的绕各轴角速度值

表3 数据段格式，PRES为该轮采样点的电压值

（3）数据传输速率

串口波特率：115200

传输速率：50packge/s = 6400byte/s。

本实用新型测试结果

（A）足底压力测试

在足底压力信号测试中，我们模拟了一个正常步行周期三个阶段，分别为初接触，站立中期和初摆动，记录了足底压力数据的分布，并在MATLAB软件中采用CUBIC插值的方法进行压力分布图的绘制，结果如图13所示。其中，（a）初接触,（b）站立中期,（c）初摆动。

所述发明的足底压力模块对步行过程中的足底压力分布采集有较好的效果，能反映正常步行过程中的足底压力情况。

（B）肌电信号测试

在肌电信号测试中，我们设计了两组动作：原地踏步和正常步行，使用所述发明进行肌电信号测试，得到波形如图14所示,其中，(a)原地踏步，（b）正常步行。

所述发明的肌电信号模块对肌电信号有很好的测量结果，能反应肌力等相关参数。

（C）动作信号测试

在动作信号测试中，我们使用录制视频的方式对所述动作信号和相关算法进行测试。使用所述发明采集动作信号，被试者进行一段距离的正常行走，行走的整个过程进行视频录制，得到动作信号后，使用所述算法对步距，步数和关节活动度进行测试，得到结果如下表4：

表4

关节活动度测试中，被试人员最大关节活动度为61.8°，系统输出结果67.2°，错误率8.7%。