用于分类哺乳动物的身体方位的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的设备。该设备包括用于在身体上一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体位置的装置(10,11)，其中用于测量的所述装置包括至少一个位置传感器。该设备包括：用于提供表示所述位置的第一数据的装置(12)；用于至少暂时存储所述数据的装置(15)；用于处理所述数据以提供所述身体方位的分类的装置(13,14)。此外，本发明还公开了一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的方法。
【专利说明】用于分类晡乳动物的身体方位的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于确定和分类脊椎哺乳动物的身体方位的装置和方法。本发明尤其适于在给定点处对受试人的姿势进行适时分类，其在文中会有描述。然而，应当理解的是，本发明并不因此局限于这种应用。对受试人的姿势进行分类包括确定受试主体是坐下、站立还是躺下。身体方位可包含更深层面的细节，包括笔直地坐、懒散地坐、跪着等，以及包括走路和跑步等的动态身体方位。
[0002]本发明涉及国际专利申请PCT/AU2005/000743中描述的方法和装置，其通过交叉引用而合并于此。
[0003]在本文中，使用有关哺乳动物身体的方位、站立、坐下以及躺下这些词语涉及到哺乳动物身体的对准或状态，直立的、笔直的或坐着的姿势，和/或水平的、斜倚的或蜷缩的方位。
【背景技术】
[0004]在许多涉及评估人类或其他哺乳动物的身体移动的应用中，如康复、应变或负荷监测、运动评估以及工作场所的设计与构造中，通过了解人类或哺乳动物的大体方位可以提高对活动进行评估的能力。这是因为通常作用于躯干或身体的任意肢体的力可明显受身体的方位影响。
[0005]例如，当身体从一个方位向另一个方位移动时(例如从坐下到站立或从站立到坐下)，会发生许多生理和生物力学的变化。就生物力学而言，这种运动可导致多种解剖学特征的角位移相对于一个或多个参考平面的变化。因此，身体方位的识别需要测量相对于参考系的角位移。角位移可通过使用位置传感器来测量，如通过提供参照重力的位置的加速计、提供参照地球磁场的位置`的磁力计、陀螺仪和/或光纤传感器来测量。本发明可使用位置传感器来检测哺乳动物身体上一个或多个点(如脊柱上的一个或多个点)的角位移，并可使用该位移来识别各种身体方位。
[0006]相关技术简介
[0007]据报道，很多基于安放于身体上的传感器的技术已用于身体方位或由人作出的当前活动的自动识别。通常，这些技术通过将传感器的输出与对应于一组希望的姿势的一组在先特征(si gnature )输出进行匹配来计算姿势的概率。
[0008]然而，现有技术还有许多不足，其包括:
[0009](a)现有技术不能通过放置在脊柱上的位置传感器来获得身体方位；
[0010](b)现有技术可能是计算密集的，并且需要基于PC的离线处理；
[0011](c) 一些现有技术的准确性在区别不同的静止位置如站立位置和就坐位置方面相对比较差；
[0012](d) 一些现有技术依赖过渡检测，例如从坐到站或从站到坐的检测，这在系统连续检测当前姿势的场合中具有不能实时分类的缺陷。错过一次过渡可导致长期的错误分类状态；[0013](e)现有技术需要针对每个主体进行系统校准，以使针对各种身体方位的特征值可以得到调节；
[0014](f) 一些现有技术系统是基于汞的。基于汞的系统的缺点包括汞自身的有害性质和动态运动期间传感器内的汞的溅出(这会导致错误读数和严重的校准过程)。
[0015]本发明可解决现有技术的缺点，或者至少可向用户提供一个选择。
【发明内容】
[0016]根据本发明的一个方面，提供了一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的设备，所述设备包括:
[0017]用于在身体上的一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体位置的装置，其中，用于测量的所述装置包括至少一个位置传感器；
[0018] 用于提供表示所述位置的第一数据的装置；
[0019]用于至少暂时存储所述数据的装置；以及
[0020]用于处理所述数据以提供所述身体方位的分类的装置。
[0021]根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的设备，所述设备包括:
[0022]位置传感器，其设置成用于在身体上的一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体的位置，并且用于提供表示所述位置的第一数据；
[0023]与位置传感器耦合的非易失存储装置，其设置成用于存储所述数据；以及
[0024]与位置传感器耦合的处理器，其设置成用于处理所述数据以提供身体方位的所述分类。
[0025]根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的方法，所述方法包括:
[0026]在身体上的一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体的位置，其中所述测量由至少一个位置传感器来执行；
[0027]提供表示所述位置的第一数据；
[0028]至少暂时存储所述数据；以及
[0029]处理所述数据以提供身体方位的所述分类。
[0030]根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的方法，所述方法包括:
[0031]使用至少一个位置传感器来在身体上的一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体的位置，并且提供表示所述位置的第一数据；
[0032]将所述数据存储在非易失存储装置中；以及
[0033]由处理器来处理所述数据以提供身体方位的所述分类。
[0034]身体上的点或每个点可定位在脊椎哺乳动物的脊柱上。该过程可实时执行以提高分类的准确性和/或有效性。
[0035]用于处理的装置可包括适于执行用于评估身体方位的算法的数字处理器。该算法可包括动态分类器和静态分类器。该算法可包括过渡分类器以提高分类的准确性。该算法可包括自适应模块。该算法可基于给主要身体方位(包括站、坐、躺以及动态的动作(运动中的动作))分配类别特征来评估身体方位。该算法可包括用以根据与每个姿势相关的特征或模式的辨识来识别姿势的逻辑树。与每个姿势相关的特征或模式可由在训练或学习阶段所获得的一组规则来确定。该算法可包括无监督学习，其用以基于针对个体所感测的当前数据修改先前所学习的与个体的姿势相关的特征或模式。
[0036]该位置传感器或各个位置传感器可应用于哺乳动物的腰椎上。各个位置传感器可包括加速计、陀螺仪以及磁力计 中的至少一个。该位置传感器可沿三个正交轴测量角位移。
[0037]该数据可用于导出屈伸平面中的位移。作为附加或备选，该数据可用于导出侧屈平面中的位移。该数据可用于导出身体的旋转度。每个测量装置可包括至少一个用于将模拟数据转换成数字数据的AD转换器。这种AD转换可在存储数据之前进行。
[0038]用于测量位置的装置可测量侧屈平面或侧-侧弯曲平面中的位移。用于测量位置的装置还可测量屈伸平面或前-后弯曲平面中的位移。用于测量位置的装置可包括用于测量旋转度的装置。旋转度的测量可从一个或多个加速计、一个或多个磁力计、肌肉活动和/或一个或多个陀螺仪获得。
[0039]该位置传感器或每个位置传感器可包括至少一个加速计。该加速计或每个加速计可测量与之相联系的身体或身体部分的线性加速度。每个加速计可包括用于测量同时沿一个、两个或三个正交轴的加速度的结构。可通过本领域公知的集成处理来导出针对每个加速计的位移数据。作为备选或附加，可从一个或多个加速计获得数据以提供相对于如重力定义的方向的参考方向的角位移或位置。该设备可包括用于从如通过计算前向倾斜角度与侧面倾斜角度得到的加速度数据中获得角位置的结构。该设备可包括用于获得身体部分的旋转位置的结构，如陀螺仪。作为备选或附加，可从一个或多个磁力计中获得数据以提供相对于如由地球磁力场定义的方向的参考方向的角位移或位置。
[0040]加速计数据转换为位置数据
[0041]根据本发明的一个实施例，位置数据可通过至少一个加速计传感器而获取。每个加速计可检测PCB板上的微芯片内安装的小块的加速度。当PCB板和加速计从一个位置移动到另一个位置时，该块可经历运动开始时的加速度和运动停止时的减速度。加速计可以将该块的运动转换成以最原始形式表示数据的电压信号(通常为mV级)。
[0042]由于合力G是三维的，因此可采用三轴三角学，其中X是横轴，y是纵轴，而z是“穿过页面”轴。采用3D毕达哥拉斯和反正切公式，可推导出两个角度以给出加速计的位置。单独一个加速计只可以给出运动的方向，但是当有两个加速计的时候，两个加速计的角度之间的差可表示出一个加速计相对于另一个加速计的位置(角度)变化。这可允许该设备在三维坐标轴内在任意时刻实时计算脊柱的角位置。
[0043]可使用以下表达式来从加速计中导出角变化。
[0044]ep+o=lg fp+o=-lg 其中:
[0045]e=针对Ig的毫伏数 f=针对一Ig的毫伏数 P=增益(放大器)
[0046]O=偏移量
[0047]求解P和ο:
[0048]ep+o-fp-o=2g (e-f) p=2g
[0049]P ~e_f ep+o=lg o_\g_ep 或者 fp+o=_lg o=~\g-Jp
[0050]注意:应当针对每个轴来计算P和O的值。[0051]
【权利要求】
1.一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的设备，所述设备包括: 用于在身体上一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体位置的装置，其中，用于测量的所述装置包括至少一个位置传感器； 用于提供表示所述位置的第一数据的装置； 用于至少暂时存储所述数据的装置；以及 用于处理所述数据以提供所述身体方位的分类的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，每个点设在哺乳动物的脊椎上。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，用于处理的所述装置包括用于评估身体方位的算法。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述算法包含动态分类器和静态分类器。
5.据权利要求3或4所述的设备，其中，所述算法包括过渡分类器以提高所述分类的准确性。
6.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，所述处理实时执行以提高所述分类的准确性。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备，其中，所述算法适于基于将类别特征分配给包括站、坐和躺的基本身体方位来评估所述身体方位。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的设备，其中，所述算法包括基于与每种姿势相关的特征或模式的认知来识别姿势的逻辑树。`
9.根据权利要求8所述的设备，其中，由训练阶段中获取的一组规则来确定与每种姿势相关的特征或模式。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中，借助无监督分类器来修改与每种姿势相关的特征或模式。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述无监督分类器收集所述数据，并基于在d维空间中到所对应聚类的中心的距离来更新特征或模式，其中d是定义特征的变量数。
12.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，每个位置传感器包括加速计、陀螺仪和磁力计中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述位置传感器适于沿三个正交轴测量角位移。
14.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，所述数据用于导出屈伸平面中的位移。
15.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，所述数据用于导出侧屈平面中的位移。
16.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，所述数据用于导出所述身体的旋转度。
17.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，每个测量装置包括至少一个用于将模拟数据转换到数字域的AD转换器。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述AD转换在存储所述数据前进行。
19.一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的方法，所述方法包括: 在身体上一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体的位置，其中所述测量由至少一个位置传感器执行； 提供表示所述位置的第一数据； 至少暂时性地存储所述数据；以及 处理所述数据以提供身体方位的所述分类。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，每个点都位于哺乳动物的脊椎上。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，通过用于评估身体方位的算法来执行所述处理。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述算法包含动态分类器和静态分类器。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，所述算法包含过渡分类器以增加所述分类的准确性。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的方法，其中，所述处理实时执行以增加所述分类的准确性。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中，所述算法适于基于将类别特征分配给包括站、坐和躺的基本身体方位来评估所述身体方位。
26.根据权利要求2 1至25中任一项所述的方法，其中，所述算法包括用以基于关于每种姿势的特征或模式的认知来识别姿势的逻辑树。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，由训练阶段中获取的一组规则来确定与每种姿势相关的特征或模式。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，包括借助于无监督分类器来修改与每种姿势相关的特征或模式。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述无监督分类器收集所述数据，并基于d维空间中到所对应聚类的中心的距离来更新特征或模式，其中d是定义特征的变量数。
30.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其中，每个位置传感器包括加速计、陀螺仪和磁力计中的至少一个。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述位置传感器适于沿三个正交轴测量角位移。
32.根据权利要求19至31中任一项所述的方法，其中，所述数据用于导出侧屈平面中的位移。
33.根据权利要求19至32中任一项所述的方法，其中，所述数据用于导出屈伸平面中的位移。
34.根据权利要求19至33中任一项所述的方法，其中，所述数据用于导出所述身体的旋转度。
35.根据权利要求19至34中任一项所述的方法，其中，每个测量步骤包括将模拟数据转换至数字域。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，在存储所述数据前将数据转换至数字域。
37.一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的设备，所述设备包括: 位置传感器，其配置成用于在身体上一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体的位置，并用于提供表示所述位置的第一数据； 与位置传感器耦合的非易失存储装置，其设置成用于存储所述数据；以及与位置传感器耦合的处理器，其设置成用于处理所述数据以提供身体方位的所述分类。
38.一种用于提供哺乳动物的身体方位的分类的方法，所述方法包括: 采用至少一个位置传感器来在身体上一个或多个点处测量相对于参考系的所述身体的位置，并且提供表示所述位置的第一数据； 在非易失存储装置中存储所述数据；以及 通过处理器来处理所述数据以提供身体方位的所述分类。
39.一种基本如这里参考附图描述的用于提供脊椎哺乳动物的身体方位的分类的设备。
40.一种基本如这里参考附图描述的用于提供脊椎哺乳动物的身体方位的分类的方法。`
【文档编号】A61B5/103GK103533888SQ201280017642
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年2月9日 优先权日:2011年2月10日
【发明者】穆罕默德·欧麦尔, 安德鲁·詹姆斯·朗奇, 丹尼尔·马修·朗奇 申请人:多萨威（澳大利亚）私人有限公司