[发明专利]一种用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器及其方法

说明书

本发明属于可穿戴传感器领域，具体公开了一种新型的用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器及其方法，可以实时地测量并输出用户在行走、运动训练时的膝关节当前的弯曲角度。本发明将普通布料与导电纱线相结合，开发柔性织物传感器的敏感单元，该传感器经本文设计的方法标定后，通过一定的佩戴方式，将膝关节的弯曲运动转换成柔性织物传感器的拉伸运动，有效解决了膝关节转动时转动轴移动的问题，计算并输出用户膝关节的当前弯曲角度。本发明使用方便，不受场地限制，成本低廉，可以实时地以舒适的方式测量用户的膝关节弯曲角度，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。

技术领域

本发明属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种新型的用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器及其方法。

背景技术

对于人体姿态和肢体运动的监测，在医疗康复、运动训练等领域有着至关重要的作用。在医疗康复领域，对于身体姿态的精确感知、可视化呈现及远程监测，让病人更了解目前自身身体恢复情况的同时，也使得监护人及医护人员对病人的病情有更全面的了解。

研究表明，中风患者相较于其他的疾病患者，有更大的可能性身患严重残疾。中风患者在出院后，康复锻炼应立即开始，持续时间从数天到一年不等，以最大限度地恢复身体运动功能，否则将可能导致终身残疾而丧失独立生活的能力，从而大大影响了生活质量。由于中风后的康复训练必须是一定强度的重复性运动训练(如站立和坐下、用受到疾病影响的下肢走路等)，而且训练持续时间很长，费用昂贵、公共资源有限等因素让病人不得不返回家中做康复训练。然而，家中由于条件受限，训练不到位导致康复机会减小。

越来越多的研究致力于提高中风病人的生活质量，而帮助病人监测其位于家中的康复训练的情况(如训练是否到位、训练量、训练时长、训练时段、当前恢复情况等)，给予病人实时反馈，并将数据反映给监护人或医护人员也成为关键的研究内容。开发一种安全非侵入式的、不对人体运动造成阻碍的、简单易用的、价格合理的监测设备，用于监测接受治疗后的中风病人在家中的康复训练情况，显得尤为必要。而各种各样的恢复机体运动功能的康复训练中，关节弯曲和伸直(肘关节、膝关节等)训练对于恢复人体运动功能的影响巨大。

但是传统的用于分析人体运动的设备，如加速度计、电测角计、电磁传感器、立体摄影系统等，因其原先主要用于机器人的运动分析与实现，在用于人体时会存在侵入、造成人体运动障碍、安全性不足等缺陷。现有市面上可以用于监测关节运动的设备在用于家庭环境下的监测场景时，都存在着明显缺陷。普通的商用电测角计由于其技术成熟，测量准确，在医疗领域被大量实用，然而其也存在着昂贵、耐久性差等缺陷。光学动作捕捉系统如VICON等，其对于人体运动的捕捉精准且非侵入，基本成为了分析人体运动的黄金准则，是极其理想的监测设备。但是其价格动辄数十万以及使用时需要相应的专业知识，让其使用领域限制于大的实验室及医疗研究中心。利用惯性传感器来捕捉人体的运动的解决方案，在近年来被研究得最多，其最大的优点在于成本低且技术较为成熟。然而由于缺乏合适的固定方式，其被用于监测人体运动状态时总是以捆绑、粘贴等方式，给人带来不舒适感。并且，其由于积分漂移等因素的影响，长时间使用时稳定性较差。

近年来，织物作为一种良好的媒介，被引入传感器领域。英国曼彻斯特大学的R.Wijesiriwardana教授对此进行了多年的研究，设计了一些实用的织物传感器模型。在国内，上海东华大学的硕士、博士研究生也进行了大量研究，研究织物传感器结构及制备工艺，及优化织物结构以提高传感器性能。但是这些利用导电纱线制作而成的应变传感器在用于关节运动监测时都存在问题，最主要的问题在于其所用到的导电纱线直接作为敏感元件参与变形，一来传感器耐久性差，二来松弛时间较长，频率响应性能差，即动态特性差。

因此，本发明目标是，用柔性的织物材料开发一款传感性能良好的，非侵入的、简单易用、低成本的监测设备，用于人体膝关节运动的动态监测。

发明内容