一种关节弯曲度测量系统及测量方法与流程

本发明属于生理参数监测方法与设备领域，具体地涉及到一种关节弯曲度测量系统及测量方法。

背景技术：

人体关节活动度又称关节活动范围，是关节运动时所通过的运动弧。关节活动度是临床康复医学以及伤残鉴定中一个常见的检测项目，医生可以通过测定关节活动度指导患者进行术后康复训练，同时监测患者的恢复情况。为了达到理想的恢复效果，接受过关节手术的病人或是中风等疾病患者往往需要进行长期的主动恢复训练，其中关节弯曲和伸直训练对于恢复关节运动功能至关重要，这种锻炼需要以一定强度重复进行，且持续时间长。由于公共医疗资源有限且费用昂贵，多数病人往往选择回到家中进行后续的康复训练。为了保证在家中训练的质量，达到理想的康复效果，一方面需要获得动作幅度等信息的实时反馈，以便辅助判断训练是否到位，另一方面也需要将数据记录反映给监护人或医护人员，以便监测康复情况。

现有技术中，可用于监测关节运动的设备在用于家庭情景时，都存在着明显缺陷。

普通的商用电测角计由于其技术成熟，测量准确，在医疗领域被大量使用，然而由于价格昂贵、耐久性差，无法用于家庭环境。

光学动作捕捉系统，如vicon、optitrack等，对于人体运动的捕捉精准，但是价格高昂，同时需要专业的操作知识，局限于实验室及医疗研究中心使用，也无法普及到家庭中。

另外，bridgetj.munro、r.wijesiriwardana等人设计了一种可穿戴生物反馈设备智能护膝用于监测膝关节运动，采用织物与传感器的敏感元件相结合的方式，设计了一种导电纱线，将导电纱线直接作为传感器的敏感元件参与膝关节的运动监测。但是，织物敏感元件的耐久性差，变相提高了传感器使用成本；同时，织物敏感元件的松弛时间长，频率响应性差，即动态特性差，监测精度及灵敏度低。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种关节弯曲度测量系统及测量方法，应用曲率传感器的原理，将关节弯曲信号通过曲率敏感元件传输到数据处理器中读取所测数值，从而实时测量关节弯曲度，掌握关节运动情况，降低关节监测设备成本，同时提高测量精度和设备耐久性，并提升被测者的舒适性。

根据本发明的一个方面，提供了一种关节弯曲度测量系统，所述系统包括：关节弯曲度监测模块和数据处理模块，两者电连接；其中，

所述关节弯曲度监测模块用于通过对关节曲率的监测获取关节弯曲度信息并将所获取的信息发送给数据处理模块；所述数据处理模块用于接收和处理关节弯曲度信息，并输出监测数据。

进一步地，所述对关节曲率的监测，进一步为：对关节活动范围内关节各点平均曲率的监测。

进一步地，所述关节弯曲度监测模块包括至少一个柔性曲率敏感元件；所述柔性曲率敏感元件为柔性薄膜层状结构，长度大于关节活动范围，敏感元件长度方向沿着两关节面相对运动形成的弧线方向贴附于被测关节外轮廓上，用于获取关节活动范围内关节各点的平均曲率。

进一步地，所述柔性曲率敏感元件包括：第一金属层，绝缘层，第二金属层，导线；

所述绝缘层位于第一金属层和第二金属层中间，所述导线分别为第一金属层和第二金属层的引出线，所述导线用于第一金属层和第二金属层与数据处理模块的电连接；

当所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节的正面时，第一金属层与第二金属层所在的面与关节接触面平行；

当所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节的侧面时，第一金属层与第二金属层所在的面与关节接触面垂直。

进一步地，所述关节弯曲度监测模块还包括；

可穿戴式或可粘贴式弹性基体；所述柔性曲率敏感元件固定于所述可穿戴式或可粘贴式弹性基体上。

进一步地，所述弹性基体具有自适应性，当进行关节测量和/或监测时，将所述弹性基体固定于相应关节上，所述弹性基体可自行适应于所测量关节的尺寸，且可随关节的弯曲而变形，保持与所测量关节的紧密贴合。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种关节弯曲度测量方法，所述方法包括：通过柔性曲率敏感元件对关节弯曲度进行测量。

进一步地，所述通过柔性曲率敏感元件对关节弯曲度进行测量，进一步为：柔性曲率敏感元件监测关节活动范围内关节各点的平均曲率，并根据平均曲率计算出关节弯曲度。

进一步地，所述柔性曲率敏感元件长度大于关节活动范围，且为由第一金属层、绝缘层、第二金属层和导线共同构成的柔性薄膜层状结构；所述绝缘层位于第一金属层和第二金属层中间，所述导线分别为第一金属层和第二金属层的引出线；

所述柔性曲率敏感元件监测关节活动范围内关节各点的平均曲率，包括如下步骤：

步骤s1，所述柔性曲率敏感元件长度大于关节活动范围，将所述柔性曲率敏感元件长度方向沿着两关节面相对运动形成的弧线方向贴附于被测关节外轮廓上，第一金属层与第二金属层所在的面与关节接触面平行放置；

步骤s2，当关节活动时，关节带动第一金属层和第二金属层发生不同程度的变形，引起第一金属层和第二金属层不同的电阻变化；

步骤s3，根据第一金属层和第二金属层电阻变化的差值，计算关节活动范围内关节各点的平均曲率。

进一步地，所述步骤s1中柔性曲率敏感元件贴附于被测关节外轮廓上，进一步包括：

将所述柔性曲率敏感元件固定于可穿戴式或可粘贴式弹性基体上，通过弹性基体实现柔性曲率敏感元件与被测关节外轮廓的贴附。

本发明具有如下有益效果：

本实施例的关节弯曲度测量系统及测量方法，应用曲率传感器的原理，将关节弯曲信号通过曲率敏感元件传输到数据处理器中读取所测数值，从而实时测量关节弯曲度，掌握关节运动情况，辅助用户独立进行运动功能的主动恢复训练，降低关节监测设备成本，同时提高测量精度和设备耐久性，并提升被测者的舒适性。

附图说明

图1为本发明实施例所述关节弯曲度测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节正面时的结构示意图；

图3为本发明实施例所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节侧面时的结构示意图；图4为本发明实施例所述柔性曲率敏感元件的测量原理示意图；

图5为本发明实施例柔性曲率敏感元件监测关节弯曲度的计算原理图。

附图标记说明：

1-关节弯曲度监测模块；2-数据处理模块；11-柔性曲率敏感元件；111-第一金属层；112-绝缘层；113-第二金属层；114-1第一金属层引出线；114-3第二金属层引出线。

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做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。

第一实施例

本实施例提供了一种关节弯曲度测量系统，图1所示为本实施例所述关节弯曲度测量系统结构示意图。如图1所示，所述测量系统包括：关节弯曲度监测模块1和数据处理模块2，两者电连接；其中，

所述关节弯曲度监测模块用于通过对关节曲率的监测获取关节弯曲度信息并将所获取的信息发送给数据处理模块；所述数据处理模块用于接收和处理关节弯曲度信息，并输出监测数据。

优选地，本实施例中，所述被测关节包括膝关节、指关节、肘关节、颈关节、踝关节等。

优选的，所述对关节曲率的监测为：对关节活动范围内关节各点平均曲率的监测。

进一步地，所述关节弯曲度监测模块1包括至少一个柔性曲率敏感元件11。所述柔性曲率敏感元件11为柔性薄膜层状结构，长度大于关节活动范围，敏感元件长度方向沿着两关节面相对运动形成的弧线方向贴附于被测关节外轮廓上，用于获取关节活动范围内关节各点的平均曲率。。

这里的长度大于关节活动范围，指的是关节活动到最大程度时，敏感元件的两端也有未变形部分。

图2所示为所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节正面时的结构示意图，图3所示为所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节侧面时的结构示意图。如图2和图3所示，所述柔性曲率敏感元件11包括：第一金属层111，绝缘层112，第二金属层113，导线114-1和114-3；所述绝缘层112位于第一金属层111和第二金属层113中间，所述导线114-1为第一金属层111的引出线，所述导线114-3为第二金属层113的引出线，所述导线114用于第一金属层和第二金属层分别与数据处理模块的电连接。优选的，所述绝缘层112的材质为聚酰亚胺和酚醛树脂。

当所述柔性曲率敏感元件11测量关节曲率时，将所述敏感元件在长度方向沿着两关节面相对运动形成的弧线方向贴附于被测关节外轮廓上，当所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节的正面时，第一金属层与第二金属层所在的面与关节接触面平行，如图2所示；当所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节的侧面时，第一金属层与第二金属层所在的面与关节接触面垂直，如图3所示。以柔性曲率敏感元件贴附于被测关节的正面为例，使第一金属层与第二金属层所在的面与关节接触面平行，以第一金属层为沿关节弧线半径的内侧为例，则第二金属层为外侧，当关节发生弯曲时，第一金属层受到压缩，电阻r1发生变化，第二金属层受到拉伸，电阻r2也发生变化，由电阻的变化值计算此时的关节活动范围内的各点平均曲率。

本实施例中，第一金属层111和第二金属层113采用相同规格的材料，其原始电阻的阻值均为r。

图4所示为所述柔性曲率敏感元件11的测量原理示意图。如图4所示，具体的，通过式(1)进行曲率值的计算：

式(1)中，κ为曲率，r是第一金属层111和第二金属层113的原始电阻值，ks为灵敏度系数，δrtop和δrbottom分别是第二金属层111和第一金属层113的电阻变化量。

图5所示为柔性曲率敏感元件11监测关节弯曲度的计算原理图。如图5所示，所述柔性曲率敏感元件所贴附关节的弯曲度求解过程为：

被测关节弯曲度为φ，取柔性曲率敏感元件11第一金属层111或第二金属层113的受拉或受压一面微元：

d(δr)＝±ksεdr0(2)

式(2)中，d(δr)为微元段变化的电阻值，沿着敏感元件11长度方向是变化的，dr0为微元段原电阻值，ks为灵敏度系数，ε为微元段应变。

所述柔性曲率敏感元件11受弯曲时，受拉或受压一侧的电阻变化为：

式(3)中，r0为原电阻值，ks为灵敏度系数，t为敏感元件11中间层厚度，θb-θa为柔性曲率敏感元件11两端的相对转角。

当所述柔性曲率敏感元件11相较被测关节的活动范围更长时，只要所述柔性曲率敏感元件11两端弯曲的相对转角一定，无论中间部分弯曲形态如何，阻值的变化一定；则有：

由式(4)可以看出，所述柔性曲率敏感元件11发生任意的弯曲变形，两端的相对转角θb-θa值仍然可以按照常曲率变形计算，与曲线弯曲的形状无关。

进一步地，所述柔性薄膜层状结构，在长度方向沿着两关节面相对运动形成的弧线方向贴附于被测关节外轮廓上，可以通过以下两种方式实现，以下两种方式仅仅是本实施例中的优选，并不局限于以下两种方式。

方式一：

所述柔性曲率敏感元件11与可穿戴式弹性基体12相结合，共同构成关节弯曲度监测模块1；

方式二：

所述柔性曲率敏感元件11与可粘贴式弹性基体13相结合，共同构成关节弯曲度监测模块1。

其中，方式一中：

所述可穿戴式弹性基体为可穿戴式弹性结构，具有自适应性，当进行关节测量和/或监测时，将所述弹性基体穿戴于相应关节上，所述弹性基体自行适应于所测量关节的尺寸，且可随关节的弯曲而变形，保持与所测量关节的紧密贴合。所述柔性敏感元件11固定在弹性基体上，利用弹性基体的弹性使柔性敏感元件11与被测关节同步变化，用于获取关节弯曲度。

弹性基体包括可穿戴且用于安装柔性曲率敏感元件的弹性主体，以及通过拉链与弹性主体连接的弹性组合体，穿戴时所述的弹性组合体位于关节内侧，所述弹性组合体具有一个压缩极限弧度和一个拉伸极限弧度，所述压缩极限弧度和拉伸极限弧度分别对应关节弯曲程度的预设角度阈值范围；弹性主体为弹性织物，例如，用于膝关节的弯曲率测量时，可穿戴式弹性基体为护膝。方式二中：

所述可粘贴式弹性基体13，具有自适应性，当进行关节测量和/或监测时，将所述弹性基体贴于相应关节上，所述可粘贴弹性基体13对关节具备自适应性，自行适应于所测量关节的尺寸，且可随关节的弯曲而变形，保持与所测量关节的紧密贴合。所述柔性敏感元件11安装在可粘贴弹性基体13上，利用可粘贴弹性基体13的弹性使柔性敏感元件11与被测关节同步变化，用于获取关节弯曲度。

进一步地，所述数据处理模块2包括处理芯片、档位调节器、蓝牙和电源；其中，

所述处理芯片用于运行弯曲度计算程序，将柔性曲率敏感元件的电阻变化值转换为关节弯曲度数值；

所述档位调节器用于不同的用户根据自己的使用情况设置角度阈值；

所述蓝牙用于与用户终端进行无线数据通讯，将处理模块实时监测并计算的关节弯曲度发送给用户终端，用户终端可以选择保留历史数据，以方便医护人员查看并指导训练；

所述电源用于为系统供电。

优选地，所述关节弯曲度测量系统的数据处理模块还可以包括：提醒子模块。

所述提醒子模块同时与处理芯片和档位调节器相连，用于当处理芯片所计算的弯曲度数值达到档位调节器所设置的阈值时，所述处理芯片向提醒子模块发送控制指令，触发提醒子模块进行报警，提醒使用者关节已弯曲到位，当弯曲度小于该设定角度，处理芯片发送提醒关闭指令，提醒子模块关闭。

档位调节器可以设置弯曲阈值，当膝关节的弯曲程度达到该弯曲阈值时，触发提醒模块提醒使用者膝关节已弯曲到位。当弯曲角度小于设定角度时，提醒模块关闭。

优选地，所述提醒子模块包含振动器、和/或蜂鸣器、和/或指示灯，进行提醒的方式可为振动、和/或声音、和/或指示灯闪烁。

以下以膝关节为例，对本实施例的所述关节弯曲度测量系统的使用过程进行详细说明。使用该系统时，柔性曲率敏感元件11贴附于膝关节上部且沿腿部轴向横跨整个膝关节，以实现对膝关节弯曲情况的实时监测。膝关节的弯曲情况通过小腿伸直状态与弯曲状态的轴线夹角值反映出来，即弯曲度。

首先根据用户康复训练须要达到的角度值在数据处理模块上设定膝关节的弯曲角度阈值，之后使用者弯曲膝关节，引起布置在膝关节处的柔性曲率监测子模块弯曲，其第一金属层和第二金属层的电阻发生变化，根据第一金属层和第二金属层电阻的变化即可求得所贴附部位的平均曲率。

数据处理模块通过获取到柔性曲率敏感元件测得的与曲率相对应的检测信号，并基于检测信号获得曲率，根据曲率数值可以计算得出膝关节的弯曲角度或者弧度等。数据处理模块据此判断膝关节的实时弯曲数值是否大于或等于与用户预设的弯曲阈值，如果是，则向提醒模块的振动器、蜂鸣器等发送开启控制指令，进行提醒；如果否，则向提醒模块的振动器、蜂鸣器等发送停止指令或不发送开启控制指令，使提醒模块呈关闭状态，膝关节回复运动时同理进行检测。

人体的关节(包括膝关节、肘关节、指关节等等)上表面呈不规则曲面，因而其曲率在曲面各处也有差异。但由计算推导可得，只要柔性曲率监测子模块能够贴合整个关节曲面，使得当关节弯曲至最大程度时，传感器两端仍有未变形部分，那么由传感器检测到的电信号变化所计算出的曲率值，就只与关节整体的弯曲角度δθ有关，而不会受关节曲面中间段的弯曲形态影响，也即仍然可以按照常曲率弯曲来计算关节弯曲角度。

第二实施例

本实施例提供了一种关节弯曲度测量方法，所述弯曲度测量方法包括：

通过柔性曲率敏感元件对关节弯曲度进行测量。

进一步地，所述通过柔性曲率敏感元件对关节弯曲度进行测量，进一步为：柔性曲率敏感元件监测关节活动范围内关节各点的平均曲率，并根据平均曲率计算出关节弯曲度。

优选的，所述柔性曲率敏感元件长度大于关节活动范围，且为由第一金属层、绝缘层、第二金属层和导线共同构成的柔性薄膜层状结构；所述绝缘层位于第一金属层和第二金属层中间，所述导线分别为第一金属层和第二金属层的引出线。

进一步地，所述柔性曲率敏感元件监测关节活动范围内关节各点的平均曲率，包括如下步骤：

步骤s1，所述柔性曲率敏感元件长度大于关节活动范围，将所述柔性曲率敏感元件长度方向沿着两关节面相对运动形成的弧线方向贴附于被测关节外轮廓上，当所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节的正面时，第一金属层与第二金属层所在的面与关节接触面平行；当所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节的侧面时，第一金属层与第二金属层所在的面与关节接触面垂直。

本步骤中，所述柔性曲率敏感元件贴附于被测关节外轮廓上，进一步为：将所述柔性曲率敏感元件固定于可穿戴式或可粘贴式弹性基体上，通过弹性基体实现柔性曲率敏感元件与被测关节外轮廓的贴附。

步骤s2，当关节活动时，关节带动第一金属层和第二金属层发生不同程度的变形，引起第一金属层和第二金属层不同的电阻变化。

步骤s3，根据第一金属层和第二金属层电阻变化的差值，计算关节活动范围内关节各点的平均曲率。

本步骤中，可以通过下式进行平均曲率的计算：

式(1)中，κ为曲率，r是第一金属层和第二金属层的原始电阻值，ks为灵敏度系数，δrtop和δrbottom分别是第二金属层和第一金属层的电阻变化量。

步骤s32，求解柔性曲率敏感元件所贴附关节的弯曲度。

进一步地，所述根据平均曲率计算出关节弯曲度，求解过程为：

被测关节弯曲角度为φ，取柔性曲率敏感元件第一金属层或第二金属层的受拉或受压一面微元：

d(δr)＝±ksεdr0(2)

式(2)中，d(δr)为微元段变化的电阻值，沿着敏感元件长度方向是变化的，dr0为微元段原电阻值，ks为灵敏度系数，ε为微元段应变。

所述柔性曲率敏感元件受弯曲时，受拉或受压一侧的电阻变化为：

式(3)中，r0为原电阻值，ks为灵敏度系数，t为敏感元件中间层厚度，θb-θa为柔性曲率敏感元件两端的相对转角。

当所述柔性曲率敏感元件相较被测关节的活动范围更长时，只要所述柔性曲率敏感元件两端弯曲的相对转角一定，无论中间部分弯曲形态如何，阻值的变化一定；则有：

由式(4)可以看出，所述柔性曲率敏感元件发生任意的弯曲变形，两端的相对转角θb-θa值仍然可以按照常曲率变形计算，与弯曲变形的形状无关。

优选地，所述关节弯曲度测量方法还可以包括：

输出并保存关节弯曲度。

对实时测量的关节弯曲度进行数据保存，有利于家庭环境中医生不在场的情况下使用时，医生仍可了解到患者的康复情况，制定有针对性的疗程，降低患者费用的情况下提高康复速度。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例的所述关节弯曲率测量系统及测量方法，应用曲率传感器的原理，将关节弯曲信号通过曲率敏感元件传输到数据处理器中读取所测数值，从而实时测量关节弯曲度，掌握关节运动情况，辅助用户独立进行运动功能的主动恢复训练，降低关节监测设备成本，同时提高测量精度和设备耐久性，并提升被测者的舒适性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。