基于無線微慣性傳感器的人體運動信息獲取系統(tǒng)設計與應用.pdf

1、隨著中國老齡化人口的日漸增多,老年人的護理監(jiān)護變得尤為重要。因為老年人的跌倒往往會造成帶來一系列并發(fā)癥,使得他們的生活質(zhì)量嚴重下降,其康復恢復也將耗費大量人力物力。對于采取運動理療的病人,對他們的運動監(jiān)護和運動參量的量化監(jiān)控也是變得非常重要。運動監(jiān)護能夠為醫(yī)生,特別是康復工程醫(yī)生提供有價值的診斷信息。臨床的某些康復和疾病需要進行運動干預,而運動干預的過程和效果也需要進行一定的量化評估?，F(xiàn)有的技術手段有很多可以評估人體運動情況和進行運動監(jiān)

2、護。比如基于計算機視覺的跟蹤監(jiān)控,運動捕捉系統(tǒng),甚至有基于聲音檢測的運動監(jiān)護方法,但這些技術手段明顯具有成本高,計算復雜度大,設備體積龐大,而且一般只有少數(shù)專業(yè)的實驗室才可能配置。
　　 隨著MEMS(Micro-Electro-Mechanical)技術的進步,加速度,陀螺儀,磁力計等慣性傳感器的體積正變得越來越小,靈敏度和信噪比越來越高,功耗和成本也大大的下降。結合無線數(shù)據(jù)通信技術,可做成無線穿戴式設備,形成一個具有運動信息

3、感知能力的人體傳感器網(wǎng)絡,能夠長時間地對人體運動進行監(jiān)測,為醫(yī)生提供豐富的運動生理信息。而其無線穿戴式的特點,在未來加上網(wǎng)絡技術,遠程康復醫(yī)療及監(jiān)護也可成為現(xiàn)實。由于硬件成本的不斷降低,這種技術的普適性也在不斷加強,其為大規(guī)模健康數(shù)據(jù)樣本的獲取提供了新途徑。
　　 基于上述研究背景,本文以非視頻獲取人體運行信息為主要設計思想,采用TI的低功耗芯片MSP430為控制器設計了集成加速度計,陀螺儀,磁力計具有9軸慣性數(shù)據(jù)的無線微型傳感

4、器人體運動獲取系統(tǒng)。加速計采用了芬蘭VTI公司生產(chǎn)的SCA3000系列,能夠測量空間三維方向的直線加速度大小,范圍可達正負4g,完全能夠測量人體運動產(chǎn)生的加速度。它通過SPI口將數(shù)字量化好的數(shù)據(jù)輸入到節(jié)點的MCU上。而MEMS陀螺儀則使用一個雙軸陀螺儀和單軸陀螺儀的方案來組合一個3維陀螺儀,可以同時測量空間方位三個方向上的旋轉角速度向量值,其分別采用的是Invensense公司生產(chǎn)了IDG,ISZ系列陀螺儀,其輸出為模擬電壓值,需要經(jīng)過

5、MCU進行數(shù)字量化。磁力計采用了是PNI的Micro3系列模塊,具有SPI口的數(shù)字化輸出,大大降低系統(tǒng)的開發(fā)難度。這三組傳感器的數(shù)據(jù)組合在一起可以更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運動。系統(tǒng)電源方案則采用了與節(jié)點外形一樣,附有鋰電池的圓形充電電路板為節(jié)點上的高PSRR穩(wěn)壓電源芯片TPS719提供外部電源輸入,從而為整個節(jié)點板提供穩(wěn)定高效的電源。同時,節(jié)點的上的nR2905射頻芯片外接了PCB板環(huán)形天線將高頻信號以電磁波的形式輻射出去。整個圓

6、形節(jié)點的直徑只有23mm,并具有電源和SPI口數(shù)據(jù)擴展接口,具有體積小,可擴展性強,佩戴低負荷等優(yōu)點。節(jié)點的無線工作頻段在900M到930MHz之間。配套的無線基站則負責接收來自節(jié)點的無線慣性節(jié)點信號?；镜脑O計也是以MSP430系列單片機和nRF905射頻芯片為中心,具有COM口數(shù)據(jù)輸出接口。MCU的負責控制射頻芯片nRF905收發(fā),并根據(jù)PC機從COM口發(fā)送過來的配置指令進行闡釋,設置射頻芯片工作模式和轉發(fā)這些配置指令給節(jié)點。在后期

7、的基站硬件改進升級中添加了USB轉UART模塊,為基站配置了USB數(shù)據(jù)接口,改進計算機接口的普適性,也縮小的基站的體積大小。
　　 系統(tǒng)的軟件部分分為下位機軟件和上位機軟件。下位機軟件主要負責節(jié)點板與基站板上的MCU對射頻芯片的收發(fā)控制以及數(shù)據(jù)的接受存儲,節(jié)點-基站之間的通信交互控制實現(xiàn)。在多節(jié)點傳感器使用中,中心節(jié)點還必須承擔廣播信息與協(xié)調(diào)各節(jié)點工作的功能。上位機軟件則負責對RS232串口上傳的數(shù)據(jù)進行實時解析,保存與波形顯示

8、工作,并提供通信交互界面來配置節(jié)點,補發(fā)丟失數(shù)據(jù)包作用。采集數(shù)據(jù)時,節(jié)點會把數(shù)據(jù)發(fā)送之后備份到片上Flash上,后續(xù)數(shù)據(jù)處理時,上位機軟件通過線性掃描實時傳輸保存的數(shù)據(jù)文件將實時發(fā)送中丟失的數(shù)據(jù)包號發(fā)送到基站,基站再通過協(xié)議把丟失的包號發(fā)送給節(jié)點。節(jié)點MCU在接受到丟失包號請求重發(fā)命令后會在Flash進行二叉法查詢數(shù)據(jù),向基站發(fā)送沒有發(fā)送成功的數(shù)據(jù)。軟件采用MFC面向?qū)ο蠓绞骄帉?具有高擴展性,可在程序添加需要的數(shù)據(jù)處理模塊。
　

9、　 本文所采用的數(shù)據(jù)為慣性傳感器件所產(chǎn)生,為驗證系統(tǒng)的正確性以及評估系統(tǒng)噪聲對數(shù)據(jù)正確性的影響,必須對器件進行相關校準。本文對加速度計采用了重力場校準,將節(jié)點固定在精密刻度盤上并以5度遞增傾斜來獲得每個傾斜角度的數(shù)據(jù),試驗結果表明節(jié)點的數(shù)據(jù)均值能輸出與節(jié)點的重力加速度輸入保持較好的線性度。由于試驗條件的有限性,1g外的系統(tǒng)測試有待于后續(xù)工作的展開。陀螺儀數(shù)據(jù)的驗證校準則借助于精密轉臺,將其固定在精密轉臺后以50度/秒的遞增轉速獲得部分

10、標定數(shù)據(jù),試驗結果表明在正負700度/秒的范圍內(nèi),系統(tǒng)陀螺儀的輸入輸出能滿足一定的線性度。兩個實驗表明系統(tǒng)的參數(shù)測量具有一定的準確度。
　　 利用本文采集到佩戴者的頭部加速度信號,本文成功開發(fā)了基于身體運動信號輸出的非常規(guī)交互游戲一套。游戲采用了著名開源游戲引擎ppracer進行編寫。佩戴在頭部的傳感器節(jié)點實時捕獲到頭部移動的加速度信號,并將其實時發(fā)送到基站和計算機上。上位機進行簡單的FIR濾波后從時域提取特征值進行聯(lián)合閾值判斷

11、頭部運動情況(左右,靜止),將運動情況反映到游戲輸入端,完成游戲的非常規(guī)交互過程。該應用旨在為各種自主運動康復訓練理療提供一種新的引導方式。運用本文所設計的平臺,還可以進行跌倒運動監(jiān)護。通過檢測加速計,陀螺儀瞬間產(chǎn)生的波峰信號以及加速計的重力場翻轉,長時間靜止來進行跌倒監(jiān)護。最后,本文還簡要介紹了運動重建的情況。
　　 完成好上述系統(tǒng)平臺搭建工作后,配合項目組其他成員開發(fā)的足底壓力采集平臺,本文成功了采集到8例帕金森等運動異?；?/p>