[发明专利]一种基于MIMU的便携脊柱测量仪及方法

说明书

本发明公开一种基于MIMU的便携脊柱测量仪，其特征在于包括手持智能终端，所述手持智能终端实现脊柱姿态测量功能，主要包括MIMU数据采集单元和数据预处理和姿态解算单元，所述MIMU数据采集单元利用三轴加速度计、三轴陀螺仪和温度计采集测量仪在脊柱上移动时的加速度、角速度和温度数据，并传输给所述数据预处理和姿态解算单元；所述数据预处理和姿态解算单元先进行温度漂移补偿，再采用时间序列分析和强跟踪卡尔曼滤波的处理算法，估计角速度和加速度零点偏差，进行数据零点偏差补偿，然后根据补偿后的加速度和角速度数据进行脊柱姿态解算。本发明脊柱测试仪操作简单，可即时快速度三维角度动态测量，实时每个脊椎和脊柱姿态，测量精度更准确。

技术领域

本发明专利公开了一种基于MIMU的便携脊柱测量仪，为医疗器械技术领域。

背景技术

在门诊诊断过程中，脊柱外科医生需要得到脊柱侧弯的病人cobb角，在测量cobb角时需要在X光片上多处多道辅助线，并通过量角器测量出夹角，通过计算其补角方可得到最后结果即cobb角。在测量脊柱cobb角的过程中需要使用各种医疗器械，但是在测量过程中极易导致人为的出错，使用繁琐且可靠性不高，而针对脊柱的测量专用仪器则又存在着不易携带，设备笨重且使用成本高的弊端。

目前，电子脊柱测量仪，如瑞士的Idiag SpinalMouse和以色列的SpineScanTM，其测量原理是一样的，基于大地倾角的测量，也即是三维电子重力角度感应技术；由于测量角度是根据重力三个轴向上计算的，必定会受重力提取精度的影响；由于一次只能测量一个角度，要想其他角度测量时，就必需得设计其他模式，导致测量操作繁琐；在大角度测量时，会存在很大的抖动误差；还有一种脊柱电子测量仪的核心测量传感器采用电阻式应变计或应变片，而应变是用来测量应力变化，一般测量微小变化，而脊柱可能大角度的变化，所以在测量原理上可能存在一些问题；另外，由于这些脊柱测量仪由主机、计算机、打印机组成，还不能做到便携。

发明内容

近年来，MEMS惯性器件以其成本低、体积小、寿命长、集成化、抗冲击能力强和可靠性高等优势，成为姿态测量的首选器件。

本发明的目的在于通过构建由三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪的MIMU惯性测量系统，通过脊柱测量仪在脊柱上滑动时的加速度和角速度，进而互补组合测量，同时高精度的解算出每个脊椎的三个角度(后凸角、侧凸角、侧弯角)，进而就能获得整个脊柱的角度变化。

脊柱测量仪主要包括两部分：手持智能终端测量部分和上位机分析显示部分。

手持智能终端测量部分包括：MIMU数据采集单元、数据预处理和姿态解算单元、数据显示单元、数据传输单元，该智能终端测量部分实现姿态测量功能，可单独使用。

MIMU数据采集单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和温度计，加速度计和陀螺仪输出加速度、角速度和温度数据，经过放大，根据设置的数据采样频率和带宽，经过SPI接口传输到数据预处理和姿态解算单元。

数据预处理和姿态解算单元也即是脊柱姿态测量的核心单元，硬件上由高速的嵌入式处理器、静/动态存储器、micro SD卡、外围辅助电子元件构成，先进行温度漂移补偿，然后采用时间序列分析和强跟踪卡尔曼滤波的处理算法，估计角速度和加速度零点偏差，进行数据零点偏差补偿，然后根据补偿后的加速度和角速度数据进行姿态解算，并将原始加速度、角速度和脊柱姿态数据记录到micro SD卡。

数据显示单元为SPI接口的4线制的TFT真彩屏。

数据传输单元为无线传输，采用有线和无线传输模式，有线传输模式采用USB数据格式传输，无线传输采用蓝牙加密模式传输。

上位机分析显示部分采用LabVIEW实现界面编程，其功能包括：

1)测量数据波形图显示和保存，即惯性测量数据(振动加速度和角速度)；