一种基于D型塑料光纤的人体运动状态监测系统

一种基于d型塑料光纤的人体运动状态监测系统
技术领域
1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于d型塑料光纤的人体运动状态监测系统。
2.

背景技术：

3.在肌肉骨骼疾病中，关节炎是最常见的疾病之一，所有人都有可能患有关节炎相关的问题，受影响的关节可能会导致身体损伤和丧失活动能力。我们可以采用骨骼监测早预防、早发现常见的骨骼问题。
4.现在各种电子设备及应用软件都有计步的功能，市面上很多的计步功能都不是特别的精确，很多设备是无法识别“手摇式”计步的，塑料光纤传感器是通过测量人体关节的弯曲角度来判断人体是否在真正的行走，可以在一定程度上避免“手摇式”计步。
5.现有技术中，用于监测关节运动的传感器主要有基于图像和视频的跟踪系统基于纺织的传感器和惯性测量单元（imu）。
6.基于图像和视频的跟踪系统是一种流行和可靠的监测技术，但它需要复杂、昂贵的基础设施和对数据密集型视频流的复杂分析。同时，该系统只有在预先配备的环境和设置下才有效，限制了用户的常规动作，这使得它不适合在日常活动中进行连续和长期的关节监测。
7.基于纺织品的传感器主要是通过使用柔性和可拉伸的ccf(切碎碳纤维)/pdms(聚二甲基硅氧烷)导电纱线开发的。将ccf/pdms复合传感器集成到纺织结构中，利用传感器的压阻行为来检测人体关节运动。但这种传感器存在材料的不确定性和滞后性，同时当施加更大的应变时可能会导致压阻性能（即灵敏度）的衰减，并延迟压阻率的转变。
8.惯性测量单元（imu），由陀螺仪、加速度计和磁强计组成。虽然它们体积小，重量轻，对磁场干扰的灵敏度高，角度测量误差很小，但是既昂贵又费时。


技术实现要素：

9.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于d型塑料光纤的人体运动状态监测系统，所述监测系统包括d型塑料光纤、光源-光接收模块、信号采集及无线传输模块和终端设备；所述d型塑料光纤包括对其进行侧抛处理后的传感区域、输入端和输出端；所述光源-光接收模块为集成有光源模块和光接收模块的pcb板；所述输入端与所述光源-光接收模块的光源模块连接，所述输出端与所述光源-光接收模块的光接收模块连接，所述光源-光接收模块与所述信号采集及无线传输模块通过导线连接，所述信号采集及无线传输模块将采集的信号发送至所述终端设备。
10.其中，所述信号采集及无线传输模块为集成有用于a/d数据采集模块和蓝牙传输模块的pcb板，所述a/d数据采集模块用于采集所述光源-光接收模块的电压信号，所述蓝牙
传输模块将采集的信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备。
11.其中，所述终端设备中装有分析处理软件，所述分析处理软件对接收到的数据进行分析处理。
12.其中，所述终端设备为计算机或移动设备，用于根据接收的数据判断用户的运动状态。
13.其中，所述移动设备可以是手机、平板电脑，但不限于手机或平板电脑。
14.其中，所述d型塑料光纤的外径φ1为1.2~1.5mm，纤芯直径φ2为0.9~1.1mm。
15.其中，所述传感区域侧抛长度l为1~6cm，侧抛深度h为0.2~0.8mm。
16.其中，所述传感区域缝制于环形弹性织物中部，所述环形弹性织物用于穿戴于人体各个关节处，可根据不同关节大小调整所述环形弹性织物的大小，使之在人体关节处不发生滑落。
17.其中，所述监测系统通过以下方法监测人体的运动状态：当所述d型塑料光纤传感区域发生弯曲形变时，敏感区域向外弯曲，由于该区域没有包层，会产生大量的损耗，导致所述输出端输出的光强减小，从而导致所述光源-光接收模块输出的电压信号发生变化；所述a/d数据采集模块采集所述光源-光接收模块变化的电压信号，所述蓝牙传输模块采集的电压信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备，所述终端设备中装有分析处理软件，分析处理软件对接收到的数据进行分析处理，分析处理的步骤为：（1）对接收到的数据进行预处理，预处理包括去基线、去噪声、归一化及信号分割；（2）对预处理后的信号从时域、频域进行特征提取；（3）用机器学习或深度学习的算法对提取的特征向量进行训练及预测，实现对人体运动状态的识别。
18.本发明的有益效果：本发明提供的人体运动状态监测系统，通过对d型塑料光纤进行侧抛形成传感区域，采用环形弹性织物将d型塑料光纤的传感区域固定于人体关节处，通过检测人体关节弯曲状态对人体运动状态进行监测，本发明提供的人体运动状态监测系统体积小、测量精度高、易弯曲、提升用户的舒适度，易于产业化推广。
19.附图说明
20.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中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方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明实施例1提供的监测系统的整体结构示意图；图2是本发明实施例2提供的监测系统的整体结构示意图；图3是本发明实施例1提供的监测系统中d型塑料光纤的结构示意图；图4是本发明实施例1提供的监测系统用于人体运动状态的结构示意图；图5是本发明实施例1提供的监测系统用于监测人体运动状态得到的行走、跑步状态的四个关节数据归一化后的波形示意图；
图6是本发明实施例1提供的监测系统用于监测人体运动状态得到的实验结果示意图；图7是本发明实施例1提供的监测系统用于监测人体运动状态得到的混淆矩阵示意图；附图中附图标记所对应的名称为：1-环形弹性织物，2-d型塑料光纤，201-传感区域，202-输入端，203-输出端，3-光源-光接收模块，4-导线，5-信号采集及无线传输模块，6-终端设备。
具体实施方式
22.以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
23.实施例1本发明提供了一种基于d型塑料光纤的人体运动状态监测系统，如图1和图3所示，所述监测系统包括d型塑料光纤2、光源-光接收模块3、信号采集及无线传输模块5和终端设备6；所述d型塑料光纤2包括对其进行侧抛处理后的传感区域201、输入端202和输出端203，所述d型塑料光纤2的外径φ1为1.3mm，纤芯直径φ2为1.0mm，所述传感区域201侧抛长度l为3cm，侧抛深度h为0.5mm；所述光源-光接收模块3为集成有光源模块和光接收模块的pcb板；所述输入端202与所述光源-光接收模块3的光源模块连接，所述输出端203与所述光源-光接收模块3的光接收模块连接，所述光源-光接收模块3与所述信号采集及无线传输模块5通过导线4连接，所述信号采集及无线传输模块5将采集的信号发送至所述终端设备6。
24.所述信号采集及无线传输模块5为集成有用于a/d数据采集模块和蓝牙传输模块的pcb板，所述a/d数据采集模块用于采集所述光源-光接收模块3的电压信号，所述蓝牙传输模块将采集的信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备6计算机，计算机中装有分析处理软件，对接收到的数据进行分析处理，从而判断用户的运动状态。
25.所述传感区域201缝制于环形弹性织物1中部，所述环形弹性织物1用于穿戴于人体各个关节处，可根据不同关节大小调整所述环形弹性织物1的大小，使之在人体关节处不发生滑落。
26.本实施例提供的监测系统通过以下方法监测人体的运动状态：当所述d型塑料光纤2传感区域201发生弯曲形变时，敏感区域向外弯曲，由于该区域没有包层，会产生大量的损耗，导致所述输出端203输出的光强减小，从而导致所述光源-光接收模块3输出的电压信号发生变化；所述a/d数据采集模块采集所述光源-光接收模块3变化的电压信号，所述蓝牙传输模块采集的电压信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备6计算机，计算机中装有分析处理软件，分析处理软件对接收到的数据进行分析处理，分析处理的步骤为：（1）对接收到的数据进行预处理，预处理包括去基线、去噪声、归一化及信号分割；（2）对预处理后的信号从时域、频域进行特征提取；（3）用机器学习或深度学习的算法对提取的特征向量进行训练及预测，实现对人体运动状态的识别。
27.如图4所示，将四个缝制有d型塑料光纤2的环形弹性织物1分别穿戴于两个肘关节及两个膝关节处，通过测量四个关节的运动情况实现对人体运动状态的监测。选取了两名志愿者（一名男性、一名女性）进行了实验，对两名志愿者的行走、跑步、上楼、下楼四种运动状态进行了数据采集，每种运动每名志愿者采集50组数据，每组数据采集时间为20s，采样频率为40hz。图5为其中一名志愿者的行走、跑步状态的四个关节数据归一化后的波形示意图，可以看出不同运动状态波形存在明显的差异。两名志愿者一共采集了400组数据，每种运动100组数据。使用窗口大小为128，重叠为50%的滑动窗口对所有数据进行信号分割处理，信号分割完成后每种运动分别分割为1100组数据。对每组数据进行特征提取，将提取的特征向量分别随机选取70%的数据作为训练数据，30%的数据作为测试数据，采用支持向量机进行运动识别。实验结果如图6所示，对于行走、跑步、上楼、下楼的识别准确率约为98.2%。图7为识别结果的混淆矩阵，可以看出每种运动330组测试数据中，只有少部分数据识别有误。
28.实施例2本发明提供了一种基于d型塑料光纤的人体运动状态监测系统，如图2所示，所述监测系统包括d型塑料光纤2、光源-光接收模块3、信号采集及无线传输模块5和终端设备6；所述d型塑料光纤2包括对其进行侧抛处理后的传感区域201、输入端202和输出端203，所述塑料光纤2的外径φ1为1.2mm，纤芯直径φ2为0.9mm，所述传感区域201侧抛长度l为4cm，侧抛深度h为0.3mm；所述光源-光接收模块3为集成有光源模块和光接收模块的pcb板；所述输入端202与所述光源-光接收模块3的光源模块连接，所述输出端203与所述光源-光接收模块3的光接收模块连接，所述光源-光接收模块3与所述信号采集及无线传输模块5通过导线4连接，所述信号采集及无线传输模块5将采集的信号发送至所述终端设备6。
29.所述信号采集及无线传输模块5为集成有用于a/d数据采集模块和蓝牙传输模块的pcb板，所述a/d数据采集模块用于采集所述光源-光接收模块3的电压信号，所述蓝牙传输模块将采集的信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备6手机，手机中装有分析处理软件，对接收到的数据进行分析处理，从而判断用户的运动状态。
30.所述传感区域201缝制于环形弹性织物1中部，所述环形弹性织物1用于穿戴于人体各个关节处，可根据不同关节大小调整所述环形弹性织物1的大小，使之在人体关节处不发生滑落。
31.本实施例提供的监测系统通过以下方法监测人体的运动状态：当所述d型塑料光纤2传感区域201发生弯曲形变时，敏感区域向外弯曲，由于该区域没有包层，会产生大量的损耗，导致所述输出端203输出的光强减小，从而导致所述光源-光接收模块3输出的电压信号发生变化；所述a/d数据采集模块采集所述光源-光接收模块3变化的电压信号，所述蓝牙传输模块采集的电压信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备6手机，手机中装有分析处理软件，分析处理软件对接收到的数据进行分析处理，分析处理的步骤为：（1）对接收到的数据进行预处理，预处理包括去基线、去噪声、归一化及信号分割；（2）对预处理后的信号从时域、频域进行特征提取；（3）用机器学习或深度学习的算法对提取的特征向量进行训练及预测，实现对人体运动状态的识别。
32.实施例3本发明提供了一种基于d型塑料光纤的人体运动状态监测系统，所述监测系统包括d型塑料光纤2、光源-光接收模块3、信号采集及无线传输模块5和终端设备6；所述d型塑料光纤2包括对其进行侧抛处理后的传感区域201、输入端202和输出端203，所述d型塑料光纤2的外径φ1为1.4mm，纤芯直径φ2为1.1mm，所述传感区域201侧抛长度l为2cm，侧抛深度h为0.6mm；所述光源-光接收模块3为集成有光源模块和光接收模块的pcb板；所述输入端202与所述光源-光接收模块3的光源模块连接，所述输出端203与所述光源-光接收模块3的光接收模块连接，所述光源-光接收模块3与所述信号采集及无线传输模块5通过导线4连接，所述信号采集及无线传输模块5将采集的信号发送至所述终端设备6。
33.所述信号采集及无线传输模块5为集成有用于a/d数据采集模块和蓝牙传输模块的pcb板，所述a/d数据采集模块用于采集所述光源-光接收模块3的电压信号，所述蓝牙传输模块将采集的信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备6平板电脑，平板电脑中装有分析处理软件，对接收到的数据进行分析处理，从而判断用户的运动状态。
34.所述传感区域201缝制于环形弹性织物1中部，所述环形弹性织物1用于穿戴于人体各个关节处，可根据不同关节大小调整所述环形弹性织物1的大小，使之在人体关节处不发生滑落。
35.本实施例提供的监测系统通过以下方法监测人体的运动状态：当所述d型塑料光纤2传感区域201发生弯曲形变时，敏感区域向外弯曲，由于该区域没有包层，会产生大量的损耗，导致所述输出端203输出的光强减小，从而导致所述光源-光接收模块3输出的电压信号发生变化；所述a/d数据采集模块采集所述光源-光接收模块3变化的电压信号，所述蓝牙传输模块采集的电压信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备6平板电脑，平板电脑中装有分析处理软件，分析处理软件对接收到的数据进行分析处理，分析处理的步骤为：（1）对接收到的数据进行预处理，预处理包括去基线、去噪声、归一化及信号分割；（2）对预处理后的信号从时域、频域进行特征提取；（3）用机器学习或深度学习的算法对提取的特征向量进行训练及预测，实现对人体运动状态的识别。
36.实施例4本发明提供了一种基于d型塑料光纤的人体运动状态监测系统，所述监测系统包括d型塑料光纤2、光源-光接收模块3、信号采集及无线传输模块5和终端设备6；所述塑料光纤2包括对其进行侧抛处理后的传感区域201、输入端202和输出端203，所述d型塑料光纤2的外径φ1为1.5mm，纤芯直径φ2为1.0mm，所述传感区域201侧抛长度l为5cm，侧抛深度h为0.8mm；所述光源-光接收模块3为集成有光源模块和光接收模块的pcb板；所述输入端202与所述光源-光接收模块3的光源模块连接，所述输出端203与所述光源-光接收模块3的光接收模块连接，所述光源-光接收模块3与所述信号采集及无线传输模块5通过导线4连接，所述信号采集及无线传输模块5将采集的信号发送至所述终端设备6。
37.所述信号采集及无线传输模块5为集成有用于a/d数据采集模块和蓝牙传输模块的pcb板，所述a/d数据采集模块用于采集所述光源-光接收模块3的电压信号，所述蓝牙传输模块将采集的信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备6手机，手机中装有分析处
理软件，对接收到的数据进行分析处理，从而判断用户的运动状态。
38.所述传感区域201缝制于环形弹性织物1中部，所述环形弹性织物1用于穿戴于人体各个关节处，可根据不同关节大小调整所述环形弹性织物1的大小，使之在人体关节处不发生滑落。
39.本实施例提供的监测系统通过以下方法监测人体的运动状态：当所述d型塑料光纤2传感区域201发生弯曲形变时，敏感区域向外弯曲，由于该区域没有包层，会产生大量的损耗，导致所述输出端203输出的光强减小，从而导致所述光源-光接收模块3输出的电压信号发生变化；所述a/d数据采集模块采集所述光源-光接收模块3变化的电压信号，所述蓝牙传输模块采集的电压信号通过无线传输的方式发送给所述终端设备6手机，手机中装有分析处理软件，分析处理软件对接收到的数据进行分析处理，分析处理的步骤为：（1）对接收到的数据进行预处理，预处理包括去基线、去噪声、归一化及信号分割；（2）对预处理后的信号从时域、频域进行特征提取；（3）用机器学习或深度学习的算法对提取的特征向量进行训练及预测，实现对人体运动状态的识别。
40.以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。