的同时，增加了传感器的舒适性与隐蔽性，使长时间的实时监测成为可能。为了满足多方向的运动监测，导电织物的尺寸要满足把整个肘关节包覆，这样才能捕捉到关节各个方向的运动信号。在膝关节正常的运动过程中，其周围的织物会有20%?30%的伸长。而对于肘关节来说，其周围织物的伸长要比膝关节小。因此，为保障穿戴舒适和监测准确性，所选择的导电织物要求满足的伸长量达30%。
[0041]本发明所述肢体功能运动监测原理是:在人体上肢运动时，肘关节及紧身弹力服带动导电织物产生变形，而导电织物的变形就会使得其电阻发生变化，通过电阻的变化反应上肢功能运动姿态。导电织物源于服装用面料，满足长时穿戴的舒适性和与其依附体一体化要求。
[0042]本发明所述肢体多方向性功能运动同步一体化监测原理是:基于所述导电织物的导电各向异性，不同方向的运动导致导电织物在不同方向上受到拉伸，从而电阻的方向性变化及大小显示了运动方向和运动强度。这一功能运动监测原理及具体运动方向和强度可公式化，其构成信号分析系统的核心算法，具体表述如下:
[0043]如图2所示，假设人体肘关节为标准的圆形，其半径为r。那么，其手臂弯曲角度为Θ (弧度)时，织物沿某一方向的伸长为AL = rX Θ，则织物的方向应变ε = AL/L=r Θ /L，L是导电织物的初始长度。则导电织物在该方向的电阻变化为Δ R = G ε R。，其中G为导电织物的应变敏感系数，可以通过实验测试计算得出，文中选用的导电织物其应变敏感系数为2.7左右；ε为织物的应变量；R。是导电织物的初始方向电阻。那么，上肢运动角度和大小就可通过导电织物的方向电阻变化大小推断，具体计算公式为Θ = AR.L/G.rR0其中，AR是导电织物电阻的变化值。于是，因为不同的运动形式对织物各方向上的拉伸变形不一样，从而使得各方向上的电阻变化不一样，如图3所示，当织物方向2上受到拉力F拉伸时，在方向2与方向1上会产生不同的变形，且形变ΔΙ^> AL2a+AL2bo本发明可通过单方向上的电阻变化来反映上肢的弯曲角度，对于不同的运动形式，可以通过多方向上的电阻变化的差值来反映。
[0044]本发明所述导电纱信号传输线为弹力镀银导电纱，要求弹性比低于导电织物，一般采用构成导电织物的纱线，其通过缝编或刺绣方式引入聚吡咯导电机织物中，作为信号输出引线，解决了现有测试中信号引线固结和容易松动、脱落的难题。
[0045]结合图4，本发明所述上肢功能运动监测系统除了上述传感装置和信号传输线组成的信号发生装置A以外，主要还有信号采集与传输装置B、信号接收与显示装置C。信号发生装置A是由一块带有信号传输线的聚吡咯导电机织物所构成，聚吡咯导电机织物与纽扣电池连接；信号采集与传输装置B为一个蓝牙数据采集模块，其采集信号引线传入的信号，并通过蓝牙发送至信号接收与显示装置C。信号接收与显示装置C为带有信号分析系统的PC机，PC机接收到的电压信号经信号分析系统进行功能运动表征，并实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。
[0046]PC端通过信号分析系统将电压信号转换成数字信号，显示在显示装置的交互界面上。通过信号的变化趋势与变化大小可以来判断肢体的运动状态，如当织物两端的电压减小时，上肢在做弯曲运动；反之，当织物两端电压增大时，上肢在做伸直运动；而上肢的弯曲角度大小则可以通过电压的变化大小以及上述公式来计算得出；上肢的运动快慢则可以通过单位时间内电压信号变化的波形数反映出来。如果要判别不同的运动形式，可以通过不同方向上电阻变化的差值以及电信号的变化趋势综合加以判断。
[0047]下面结合几个具体的测试实施例说明本测试系统的性能。
[0048]实施例1
[0049]肢体在准静态不同弯曲角度下织物电阻的响应。
[0050]当手臂自然下垂时弯曲角度为0°，上肢弯曲角度以20°为增量或减量，先从0°增大到120°，测试5个循环，计算在5个循环下每个角度对应电阻的平均值。通过线性拟合得出角度一一电阻方程，如图5所示，其中拟合差值平方和(R2)等于0.95，这说明不同角度下织物电阻响应的线性度良好。
[0051]实施例2
[0052]上肢以不同速度做循环弯曲运动，蓝牙数据采集卡连续采集导电织物两端的电压变化。通过电压的变化来反映上肢的运动。如图6所示，手臂分别以三种不同的速度弯曲运动，从图6(a)?图6(c)弯曲速度依次增加。从图6中可以看出，随着手臂弯曲织物两端电压减小，手臂伸直电压增大。同时，当速度增加时，相同时间内的波形数增加。这说明，通过这样一个测试系统，不仅能反映上肢弯曲运动的趋势，通过单位时间内的波形数还能反映出运动的快慢程度。
[0053]实施例3
[0054]上肢做间歇的弯曲运动，上肢首先做几个循环的弯曲运动，然后手臂成自然下垂状态一段时间，接着继续做循环弯曲运动。从图7中可以看出，当手臂做弯曲运动时电压信号产生波形；图7中P处表示当手臂静止时，电压信号几乎成直线不产生任何变化。这说明该测试方法能够反映出肢体的运动状态。
[0055]实施例4
[0056]之前以柔性织物传感器来测试肢体运动时，都是用来表征肢体简单的弯曲运动。而对于上肢而言，除了弯曲运动外，日常生活中常见的运动还有肢体的旋转运动。图8为采用上述测试装置，监测的上肢旋转运动时导电织物两顿的电压信号。相对于弯曲运动，它有不同的变化趋势以及变化幅度。
[0057]从上述实施例中可以看出，通过本发明提供的方法能够测试出上肢的弯曲以及旋转运动。对于人体上肢来说，还存在这样两个运动的复合运动，现有方法都是以导电织物一个方向上的电信号来反映肢体的运动，而导电织物还有一个方向上的电信号没有利用。如果要测试这样一个复合运动，可以利用上述测试装置同时测试织物两个方向上的电信号，通过两个方向上电信号的变化及其差异性算法能够反映这样一个更为复杂的复合运动。
【主权项】
1.一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，其特征在于，包括: 信号发生装置(A)，包括带有信号传输线(3)的导电织物(2)，导电织物(2)与纽扣电池连接；导电织物(2)与人体上肢肘关节紧贴，上肢运动对导电织物(2)进行拉伸，使导电织物(2)两端的电压信号发生变化； 信号采集与传输装置(B)，采集所述信号传输线(3)传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置(C); 信号接收与显示装置(C)，接收信号采集与传输装置(B)发来的电压信号，并对其进行功能运动表征，同时实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。2.如权利要求1所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，其特征在于:所述信号发生装置(A)中，导电织物(2)为由聚吡咯单体与棉氨混纺织物经原位聚合法制成的聚吡咯导电织物，信号传输线(3)为导电纱。3.如权利要求1所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，其特征在于:所述导电织物(2)的尺寸满足把整个肘关节包覆；所述导电织物(2)的伸长量不小于30%。4.如权利要求1或3所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，其特征在于:所述信号传输线(3)为构成导电织物(2)的纱线，其通过缝编或刺绣方式引入导电织物(2)中。5.如权利要求2所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，其特征在于:所述信号采集与传输装置(B)通过无线进行信号采集与传输。6.一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于:采用如权利要求1所述的基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，步骤为: 步骤1:把导电织物(2)缝合在紧身衣(1)上，使导电织物(2)以一定张力贴附于人体上肢肘关节上面；导电织物(2)与纽扣电池连接； 步骤2:人体上肢运动时，肘关节及紧身衣(1)带动导电织物(2)产生变形，导电织物(2)的变形会使得其电阻发生变化，因而导电织物(2)两端的电压信号相应变化； 步骤3:信号采集与传输装置(B)采集信号传输线(3)传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置(C); 步骤4:信号接收与显示装置(C)，接收信号采集与传输装置(B)发来的电压信号并转换成数字信号，通过所述信号的变化趋势与变化大小判断肢体的运动状态，实时显示在显示装置的交互界面上。7.如权利要求5所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于:所述步骤1中，紧身衣(1)的弹性至少超过导电织物(2)两倍。8.如权利要求5所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于:不同方向的运动导致导电织物⑵在不同方向上受到拉伸，从而电阻的方向性变化及大小显示了人体上肢运动方向和运动强度。9.如权利要求5所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于:步骤4中，肢体运动状态的判断方法如下: 当导电织物(2)两端的电压减小时，上肢在做弯曲运动； 当导电织物(2)两端的电压增大时，上肢在做伸直运动； 上肢的运动快慢通过单位时间内电压信号变化的波形数反映出来； 上肢的弯曲角度大小通过电压的变化大小计算得出。10.如权利要求9所述的一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，其特征在于:所述上肢的弯曲角度大小具体计算方法如下: 假设人体肘关节为标准的圆形，其半径为r;则手臂弯曲角度为Θ弧度时，导电织物(2)沿某一方向的伸长为AL = rX Θ，则导电织物(2)的方向应变ε = Δ L/L = r Θ /L，L是导电织物的初始长度；则导电织物(2)在该方向的电阻变化为AR = G ε R。，其中G为导电织物的应变敏感系数，ε为织物的应变量，R。是导电织物的初始方向电阻；则Θ =Δ R.L/F.rR0O
【专利摘要】本发明提供了一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，包括：信号发生装置，包括带有信号传输线的导电织物，导电织物与纽扣电池连接；导电织物与人体上肢肘关节紧贴，上肢运动对导电织物进行拉伸，使导电织物两端的电压信号发生变化；信号采集与传输装置，采集所述电压信号，并发送至信号接收与显示装置；信号接收与显示装置，接收所述电压信号，并对其进行功能运动表征，同时实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。本发明还提供了一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法。本发明成本低廉，稳固性好，具有高灵敏度、强适应能力，同时敏感元件能够很好地集成到日常穿着的服装上，可为人体上肢运动的生物力学分析提供依据。
【IPC分类】A61B5/11
【公开号】CN105266817
【申请号】CN201510740511
【发明人】胡吉永, 张晓峰, 周淑雯, 史俊辉, 杨旭东, 丁辛
【申请人】东华大学
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年11月4日