用于下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统技术方案

本实用新型专利技术属于医疗设备技术领域，具体为用于下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统。本实用新型专利技术包括绑带、信号采集、信号处理、信号发送、供电等模块；信号采集模块以可拆卸的方式连接在绑带模块中，其余模块安装在绑带模块上；信号采集模块包括运动加速度传感器、足底压力信号采集单元、柔性电极和肌电模拟前端；信号处理模块包含微处理器，信号发送模块包含蓝牙模块；微处理器通过SPI总线与运动加速度传感器通信，得到运动信号，使用片内AD采样方式与足底压力信号采集单元和肌电模拟前端通信，得到足底压力信号和肌电信号，发出采样指令；微处理器将上述运动信号、足底压力信号和肌电信号以协议包的方式，通过蓝牙模块发送至上位机进行后续处理。

【技术实现步骤摘要】
用于下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统
本技术属于医疗设备
，具体涉及下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统。
技术介绍
随着世界各地老龄化问题不断加剧，下肢康复问题日益严重，导致下肢功能障碍的原因有很多，包括运动损伤、神经损伤等等。据统计，我国2015年60岁及以上人口达到2.22亿，占总人口的16.15%。预计到2020年，老年人口达到2.48亿，老龄化水平达到17.17%，不可避免的老年人会因为例如脑卒中等疾病导致下肢运动功能障碍，也会因为各位外部因素导致需要进行下肢康复训练。然而全国康复师数量仅有10万，好的康复资源也全部集中在北上广等一线城市。大部分本需要康复治疗的患者不能得到康复治疗。由于患者得不到及时有效的康复治疗，因此很容易留下偏瘫等后遗症。因此，如何便携、自主、低成本且又高效地对下肢功能障碍患者进行康复评估和指导是很有必要的。目前，形式多样的电生理信号和运动信号被广泛地使用在了下肢康复中，通过现代信号处理的方法来判断患者康复的情况。主要使用的信号是肌电信图（EMG），其中表面肌电图（sEMG）由于其非入侵、测量方便等特点得到了更为广泛的应用。sEMG在康复医学领域中使用的最早最多的是步态分析，使用sEMG活动的起止时间表示该肌肉参与步行运动的协同性；sEMG活动的振幅和时程表示肌肉参与步行运动的合理性，主要测量点在胫前肌、小腿三头肌。对于患者下肢的康复，主要是基于步态分析进行判断。典型的步态分析实验室或康复室通常拥有压力步道，还有若干摄像头进行辅助。康复患者在行走过程中，摄像头实时采集动作状态，结合地板载荷传感器或力平台，综合判断下肢运动状态和康复情况。概括说，现有问题包括：1，供需比例不平衡，现有的康复体系和方案完全不能满足市场需求；2，医院已有设备成本较高且便携性差，时间、空间和金钱的成本相对较高；3，患者缺乏主动康复训练的个性化指导；4，缺少便携的下肢评估方法和手段。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种便携、成本低廉、监护数据全面的用于下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统。本技术提供的可穿戴式下肢信号采集系统，采用模块化的设计，用于康复患者下肢运动信号、肌电信号和足底压力信号采集和发送；包括绑带模块、信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块；其中，绑带模块为一个环状绑带，用于固定在小腿上；信号采集模块以可拆卸的方式连接到绑带模块中，信号处理模块、信号发送模块、供电模块集成在绑带模块上，绑带模块采用可穿戴的设计思想，使用时不影响康复患者的正常生活。所述信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块为系统的硬件，结构框图如图1所示，其中：信号采集模块包括足底信号采集模块和肌电信号采集模块，其中，足底信号采集模块由运动加速度传感器和足底压力信号采集单元构成，做成鞋垫形状，放置于鞋底内；肌电信号采集模块由柔性电极和肌电模拟前端组成；信号处理模块包含微处理器，信号发送模块包含蓝牙模块；供电模块由锂离子电池和稳压模块组成；系统的工作流程如下：微处理器通过SPI（串行外设接口）总线与运动加速度传感器通信，得到运动信号，使用片内AD（模拟到数字）采样的方式与自研足底压力信号采集单元和肌电模拟前端通信，得到足底压力信号和肌电信号，发出采样指令；微处理器将上述运动信号、足底压力信号和肌电信号以协议包的方式，通过蓝牙模块发送至上位机进行后续处理；上位机根据收集到的信号，分析患者下肢运动情况，进行康复评估和指导。本技术中：所述肌电信号采集模块包括柔性电极和肌电模拟前端，用于采集和放大下肢康复患者肌电信号，所述柔性电极通过绑带模块固定在康复患者小腿腓肠肌或比目鱼肌；所述运动加速度传感器由惯性测量单元（IMU）构成，用于收集患者脚掌运动数据，以评估患者踝关节活动度和平衡能力；所述足底压力信号采集单元由柔性导电胶带和柔性压阻传感材料组成，用于采集患者足底压力数据；所述信号处理模块采用循环扫描的方式得到足底压力信号采集单元的模拟信号，和来自肌电模拟前端的肌电信号，进行片上AD转换，得到足底压力信号和肌电信号，同时，通过SPI总线与运动加速度传感器通信，得到运动信号；微处理器将上述足底压力信号，肌电信号和运动信号打包，以数据包的形式传输至蓝牙模块；所述信号发送模块包括蓝牙模块，蓝牙模块通过协议将数据包无线传输至上位机；所述供电模块为系统提供电源。本技术中，下肢信号采集系统可做成可拆卸形式，不需要测量肌电数据时，固定在鞋末端。信号采集模块中各个部分可以根据需求拆卸和安装。本技术中，足底压力信号采集单元采用特别设计，其结构如图7所示，包括上、中、下三层，以及采样电路；其中，上层为纵向排列的导电电极条层，其连接微处理器的AD转换口，下层为横向排列的导电电极条层，通过下拉电阻接地；上层纵向排列的导电电极条带与下层横向排列的导电电极条带的交叉点构成采样点；中层为压力传感材料层，压力传感材料以点状（如圆点、方点等）粘附在采样点处。其中，上层纵向排列的导电电极条为4-7根，下层横向排列的导电电极条为8-15根。采样电路如图8所示，为了能够采集各点的压力信号而减少分支数，采用行列扫描的方式对各个采样点进行控制和采样，每个采样点采集到的电压值为：式中，Vsample为采样点得到的电压值，R0为采样电路中定值电阻阻值，Rsensor为压力传感材料阻值，Vcc为采样电路中电源电压。本技术中，压力传感材料优选成本较低、柔性较好的有3M公司的Velostat材料作为压力传感材料。其物理特性为不透明的黑色，厚度约100μm。它的电学性质为压缩电阻式（Piezoresistive），即电阻随压力增加而减小。使用Velostat材料，配合柔性塑料薄膜导电胶带制作得到新式足底压力阵列采集模块。本技术中传感器可以拓展，以便于额外添加传感器，包括柔性电极、运动传感器、肌电传感器、湿度传感器、皮肤电传感器。本技术的特点：1、本技术采用模块化的设计思想，信号采集模块中的运动加速度传感器、肌电信号采集模块和足底压力信号采集单元可以根据需求安装或拆卸。2、本技术用柔性电极替代传统的粘贴电极片，用于采集肌电数据。3、本技术采用柔性传感器和柔性导电胶布制作传感器，用于足底压力信号采集。4、本技术设计的传感器拓展模块，拓展模块可与主模块连接，提供更多的身体特征数据，所述拓展模块可包括柔性电极、运动传感器、肌电传感器、湿度传感器、皮肤电传感器。5、本技术提出的可穿戴式下肢信号采集系统，可用来评估康复患者的下肢功能情况，并对患者进行康复指导。本技术技术效果本技术用传感器和芯片以及新式压力矩阵传感器制造出的便携的、精确的可穿戴式下肢信号采集系统，可以为患者提供更精确的康复评估，辅助医生快速诊断。1、本技术可进行长期持续的监控。嵌入式硬件系统的功耗主要包括信号采集模块功耗、信号处理模块功耗、信号发送模块功耗。而本系统采用的都是低功耗，微处理器采用MSP430高速、低功耗微处理器，传感器体动信号采集采用自适应变采样率，根据设定阈值调节采样率，极大程度上降低了硬件功耗，无线传输部分采用蓝牙4.0低功耗协议，所以装置整体都是节能、低功耗的，能进行长期监控。2、本技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统，其特征在于，采用模块化设计，用于康复患者下肢运动信号、肌电信号和足底压力信号采集和发送；包括绑带模块、信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块；其中，绑带模块为一个环状绑带，用于固定在小腿上；信号采集模块以可拆卸的方式连接到绑带模块中，信号处理模块、信号发送模块、供电模块集成在绑带模块上；所述信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块为系统硬件，其中：信号采集模块包括足底信号采集模块和肌电信号采集模块，其中，足底信号采集模块由运动加速度传感器和足底压力信号采集单元构成，做成鞋垫形状，放置于鞋底内；肌电信号采集模块由柔性电极和肌电模拟前端组成；信号处理模块包含微处理器，信号发送模块包含蓝牙模块；供电模块由锂离子电池和稳压模块组成；系统的工作流程如下：微处理器通过SPI总线与运动加速度传感器通信，得到运动信号，使用片内AD采样的方式与足底压力信号采集单元和肌电模拟前端通信，得到足底压力信号和肌电信号，发出采样指令；微处理器将上述运动信号、足底压力信号和肌电信号以协议包的方式，通过蓝牙模块发送至上位机进行后续处理。

【技术特征摘要】
1.一种用于下肢康复评估的可穿戴式下肢信号采集系统，其特征在于，采用模块化设计，用于康复患者下肢运动信号、肌电信号和足底压力信号采集和发送；包括绑带模块、信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块；其中，绑带模块为一个环状绑带，用于固定在小腿上；信号采集模块以可拆卸的方式连接到绑带模块中，信号处理模块、信号发送模块、供电模块集成在绑带模块上；所述信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块为系统硬件，其中：信号采集模块包括足底信号采集模块和肌电信号采集模块，其中，足底信号采集模块由运动加速度传感器和足底压力信号采集单元构成，做成鞋垫形状，放置于鞋底内；肌电信号采集模块由柔性电极和肌电模拟前端组成；信号处理模块包含微处理器，信号发送模块包含蓝牙模块；供电模块由锂离子电池和稳压模块组成；系统的工作流程如下：微处理器通过SPI总线与运动加速度传感器通信，得到运动信号，使用片内AD采样的方式与足底压力信号采集单元和肌电模拟前端通信，得到足底压力信号和肌电信号，发出采样指令；微处理器将上述运动信号、足底压力信号和肌电信号以协议包的方式，通过蓝牙模块发送至上位机进行后续处理。2.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢信号采集系统，其特征在于，其中：所述肌电信号采集模块包括柔性电极和肌电模拟前端，用于采集和放大下肢康复患者肌电信号，所述柔性电极通过绑带模块固定在康复患者小腿腓肠肌或比目鱼肌；所述运动加速度传感器由惯性测量单元构成，用于收集患者脚掌运动数据，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍申杰，陈炜，陈泓瑜，殷书宝，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：新型
国别省市：上海,31