一种多节点运动监测的可穿戴设备及其监测方法技术

一种多节点运动监测的可穿戴设备及其监测方法，采用五个微型传感器节点实现上、下肢和腰部的多身体部位运动信息同步监测，同时基于微功耗Wi‑Fi技术构建无线传感网，实现多传感器数据远距离无线传输，并且采用了多线程同步传输的长时程数据采集。本发明专利技术可在医院等复杂场景下进行可靠运动监测，实现大范围、多节点数据无线传输。

Wearable device for monitoring multi node movement and monitoring method thereof

A multi node movement monitoring wearable device and its monitoring method, using five sensor nodes to achieve multi body motion information synchronous monitoring of upper and lower limbs and waist, and micro power Wi Fi technology to build a wireless sensor network based on multi sensor data long-distance wireless transmission, and uses multi thread synchronization transmission long term data acquisition. The invention can carry out reliable motion monitoring in complex scenes such as hospitals, and realize large range and multi node data wireless transmission.

【技术实现步骤摘要】
一种多节点运动监测的可穿戴设备及其监测方法
本专利技术属于生物医学领域，具体涉及一种多节点运动监测的可穿戴设备及其监测方法。
技术介绍
帕金森病（Parkinson’sdisease，PD）是一种患者众多、病程长，需要长期管理与康复的退行性神经系统疾病，症状准确定量评估是帕金森病精准诊疗和长期管理的关键。帕金森病定量评估是利用先进传感器设备对帕金森病运动症状进行监测与度量的技术，该方法不受检测者与被检测者主观影响，能更敏感地检测患者的轻微症状。与常用的统一帕金森病评估量表等量表相比，定量评估方法不仅客观，而且能克服量表有限分级的“天花板效应”，敏感性与可靠性更高。运动症状监测设备是帕金森病症状定量评估的关键仪器，直接决定了帕金森病定量评估的可靠性。近年来，国内外的研究团队针对帕金森病定量评估设备进行了相应的探索，设计了多种类型的帕金森病运动监测设备。但是目前现有帕金森病患者运动监测可穿戴设备仅使用加速度或者视频信息，难以实现姿态等运动信息的精确定量。此外，数据传输主要通过线缆、蓝牙、ZigBee等技术进行，在医院复杂环境下容易受到电磁、运动等因素干扰，且很难做到远距离自由活动状态下的可靠运动监测。用于临床的帕金森病患者运动监测可穿戴设备需要解决如下技术难点：1、多信息：可同时采集身体多个部位的数据以便综合评估症状，同时可以监测加速度、角速度、磁场强度信息，实现步态、姿态、轨迹等运动信息的监测，大信息量需求为数据传输以及功耗管理带来挑战。2、微负荷：设备尽可能的小巧轻便，降低设备本身对疾病症状的影响。3、长时程：要求设备的续航时间尽可能长，以便用于药物、深部脑刺激管理的长时间评估。4、大活动范围：可在大范围内、自由活动状态下对患者运动症状进行监测，以达到更为准确的定量评估。
技术实现思路
本专利技术的针对现有技术中的不足，提供一种多节点运动监测的可穿戴设备及其监测方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种多节点运动监测的可穿戴设备，其特征在于，包括运动传感系统、数据中继系统和监控上位机；所述运动传感系统包括分别佩戴在患者上肢、下肢和腰部的五个传感器节点，所述传感器节点采集患者身体各个位置的加速度、角速度和磁场强度信号；所述数据中继系统包括Wi-Fi数据中继模块，由Wi-Fi数据中继模块将各个传感器节点和监控上位机组成无线局域网，传感器节点将加速度、角速度和磁场强度信号通过局域网传输到监控上位机；所述监控上位机接收、存储和显示加速度、角速度和磁场强度信号，并进行信号分析。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：所述传感器节点通过弹力绑带分别佩戴在患者的手腕、脚踝和腰部，传感器节点包括传感器模块、控制器模块和电源模块。所述传感器模块的采样频率为100Hz，同时记录运动点的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度信号；传感器模块和控制器模块之间的数据传输通过SPI接口完成。所述电源模块包括稳压电路、充电电路、电量自检电路和电池，所述稳压电路为传感器模块和控制器模块供电，所述充电电路用于传感器节点的电池充电，所述电量自检电路通过定期检测电池电压来预估传感器节点电量。所述传感器节点和监控上位机通过TCP/IP协议在局域网内进行数据通信。所述监控上位机包括服务器模块、数据计算模块和实时显示模块，所述服务器模块用于接收传感器节点的加速度、角速度和磁场强度信号的运动数据包；所述数据计算模块用于运动数据包的分析处理；所述实时显示模块将处理后的运动数据以坐标图的形式实时显示出来。所述监控上位机还包括患者信息录入模块和数据存储模块，所述患者信息录入模块用于记录患者信息，并将患者信息数据和运动数据一起生成数据文件，存储在数据存储模块中。所述数据计算模块对运动数据进行1Hz高通滤波，计算出三轴信号功率谱密度，对三轴信号功率谱密度取模，得到总功率谱密度。此外，还提供了一种采用上述多节点运动监测的可穿戴设备的监测方法，其特征在于，包括：将传感器节点佩戴于患者的手腕、脚踝和腰部；开启运动评估软件，填写各项基本资料，于动作开始及结束同时分别点击“开始”及“结束”按钮，执行动作过程中，查看各个佩戴部位传感器节点的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度信号。进一步地，所述执行动作为：1）TUG10米加强试验：测试对象从高度适中的椅子上起立后，以感觉最舒适自然的速度摆臂行走，至10公尺处折返后坐回原椅子上；2）连续翻腕：测试对象按照要求平举双臂，以最快的速度左右手同时完成20次左右的连续翻腕动作；3）静坐抬腿：测试对象静坐在高度适中的椅子上，然后以最快的速度完成20次左右的反复抬腿动作，实验过程中双脚分别测试，抬腿高度固定；4）静止站立：测试对象分别完成睁眼静止站立和闭眼静止站立实验，实验过程中，测试对象双脚并拢，双臂自然下垂，身体不接触任何物体，分别测试1分钟；5）TUG'10米加强试验：测试对象从高度适中的椅子上起立后，以最平常自然的速度摆臂行走，至10公尺处折返后坐回原椅子上。本专利技术的有益效果是：采用多节点高灵敏度运动传感器实现多身体部位同步监测，使用微功耗无线宽带芯片降低能耗，利用Wi-Fi无线组网技术实现大范围、多节点数据无线传输。附图说明图1是本专利技术的整体结构框图。图2是传感器节点的结构框图。图3是传感器节点的主流程图。图4是传感器节点的中断流程图。图5是传感器节点和监控上位机的数据通信流程图。图6是监控上位机的结构框图。图7是传感器节点在不同无线通信距离下的丢包率关系图。图8是帕金森患者对照静息状态下手部震颤信号功率谱图。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。如图1所示，多节点运动监测的可穿戴设备包括运动传感系统、数据中继系统和监控上位机。为实现身体多部位运动状况的同步监测，五个传感器节点分别佩戴在患者上肢、下肢和腰部以实现自由活动状况下多部位运动信息采集，更具体地，五个传感器节点通过弹力绑带分别佩戴在患者的手腕、脚踝和腰部，传感器节点采集患者身体各个位置的加速度、角速度和磁场强度信号。数据中继系统包括Wi-Fi数据中继模块，由Wi-Fi数据中继模块将各个传感器节点和监控上位机组成无线局域网，传感器节点将加速度、角速度和磁场强度信号通过局域网传输到监控上位机。监控上位机接收、存储和显示加速度、角速度和磁场强度信号，并进行信号分析。图1中使用无线路由器作为数据中继系统，建立Wi-Fi信号，传感器节点和监控上位机以基站模式连接至路由器，进而组成一个小型无线局域网。传感器节点的硬件电路参见图2，包括传感器模块、控制器模块和电源模块。为降低传感器节点的佩戴负荷，传感器模块可选用MPU9250芯片作为设备的运动传感芯片，该芯片能同时测量加速度、角速度和磁场强度信号，且该芯片的外围电路较为简单，可以减小传感器节点的体积和重量。为调和设备体积和续航能力间的矛盾，可采用德州仪器公司的CC3200芯片作为控制器模块，该芯片同时集成了低功耗的电源模块和Wi-Fi数据传输模块，不仅能保证设备的长时程工作，还能通过Wi-Fi技术实现运动数据的大范围无线传输。传感器模块的采样频率为100Hz，可以同时记录运动点的三轴加速度、三轴角速度以及三轴磁场强度信号，其中，加速度量程为(±16)g，分辨率为0.48mg/LSB；陀螺仪量程为(±1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多节点运动监测的可穿戴设备，其特征在于，包括运动传感系统、数据中继系统和监控上位机；所述运动传感系统包括分别佩戴在患者上肢、下肢和腰部的五个传感器节点，所述传感器节点采集患者身体各个位置的加速度、角速度和磁场强度信号；所述数据中继系统包括Wi‑Fi数据中继模块，由Wi‑Fi数据中继模块将各个传感器节点和监控上位机组成无线局域网，传感器节点将加速度、角速度和磁场强度信号通过局域网传输到监控上位机；所述监控上位机接收、存储和显示加速度、角速度和磁场强度信号，并进行信号分析。

【技术特征摘要】
1.一种多节点运动监测的可穿戴设备，其特征在于，包括运动传感系统、数据中继系统和监控上位机；所述运动传感系统包括分别佩戴在患者上肢、下肢和腰部的五个传感器节点，所述传感器节点采集患者身体各个位置的加速度、角速度和磁场强度信号；所述数据中继系统包括Wi-Fi数据中继模块，由Wi-Fi数据中继模块将各个传感器节点和监控上位机组成无线局域网，传感器节点将加速度、角速度和磁场强度信号通过局域网传输到监控上位机；所述监控上位机接收、存储和显示加速度、角速度和磁场强度信号，并进行信号分析。2.如权利要求1所述的一种多节点运动监测的可穿戴设备，其特征在于：所述传感器节点通过弹力绑带分别佩戴在患者的手腕、脚踝和腰部，传感器节点包括传感器模块、控制器模块和电源模块。3.如权利要求2所述的一种多节点运动监测的可穿戴设备，其特征在于：所述传感器模块的采样频率为100Hz，同时记录运动点的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度信号；传感器模块和控制器模块之间的数据传输通过SPI接口完成。4.如权利要求3所述的一种多节点运动监测的可穿戴设备，其特征在于：所述电源模块包括稳压电路、充电电路、电量自检电路和电池，所述稳压电路为传感器模块和控制器模块供电，所述充电电路用于传感器节点的电池充电，所述电量自检电路通过定期检测电池电压来预估传感器节点电量。5.如权利要求1所述的一种多节点运动监测的可穿戴设备，其特征在于：所述传感器节点和监控上位机通过TCP/IP协议在局域网内进行数据通信。6.如权利要求1所述的一种多节点运动监测的可穿戴设备，其特征在于：所述监控上位机包括服务器模块、数据计算模块和实时显示模块，所述服务器模块用于接收传感器节点的加速度、角速度和磁场强度信号的运动数据包；所述数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春风，毛成洁，张惠钧，
申请(专利权)人：苏州大学附属第二医院，
类型：发明
国别省市：江苏,32