康復鍛煉用姿態監測智能T恤的研究

高同輝，衛朝霞

(1.平頂山工業職業技術學院 自動化系，河南 平頂山467001； 2.電子科技大學成都學院 計算機系，成都 611731)

研究與技術

康復鍛煉用姿態監測智能T恤的研究

高同輝1，衛朝霞2

(1.平頂山工業職業技術學院 自動化系，河南 平頂山467001； 2.電子科技大學成都學院 計算機系，成都 611731)

針對脊柱疾病的患者康復鍛煉期間需要監測生理參數，采用無線可穿戴T恤進行姿態監控。患者姿態通過直接縫制在織物上的Z字型感應式傳感器進行采集，然后通過信號調理電路放大和濾波，最后經微控制器處理并通過藍牙低功耗模塊發送至PC終端或Android手機終端的康復監控管理系統。與在醫師指導下的光學系統所獲得的標準姿態數據進行對比，通過微電機發出的震動強弱不同的信號，提醒患者矯正自己的體位。通過4位實驗者進行的實驗證明：智能T恤能夠與光學系統所獲得的數據進行比較，產生可靠的數據，能夠幫助患者形成正確的鍛煉姿勢，恢復正常的生理狀態。

智能T恤；康復；感應式傳感器；姿態監測；微控制器

人們在成長、工作和衰老期可能會出現不同程度的脊柱疾病，如脊柱側凸及骨質疏松、椎體骨折等不同的疾病導致脊柱畸形。這些脊柱疾病的治療方案主要有手術、理療或約束胸衣和加強肌肉鍛煉，其中康復體育鍛煉中的伸展肌體運動會有助于提高運動范圍和改善脊柱活動能力。脊柱畸形患者的康復訓練期間用于檢測姿態運動有不同的解決方案，檢測姿態有助于患者縮短康復鍛煉時間。通常應用特定的慣性器件進行姿勢分析，如加速計、慣性測量單元、電磁傳感器或立體聲攝影測量系統和混合動力系統[1]等。但是這些姿態監測方法中的可穿戴式傳感器，主要在質量、尺寸、有線、支撐結構的剛性等方面存在很大的缺陷，如果患者全天佩戴會感到難以接受，并且活動范圍受限。因此，需要研究無線、輕巧、舒適、易用[2]的可穿戴式服裝用于康復鍛煉的姿態監測。

本研究開發的姿勢監測系統選取輕巧、貼身的萊卡彈力面料為智能T恤的紡織基材[3]，將Z字型細銅絲的感應傳感器放置于無線傳感T恤衫中，在脊柱畸形患者康復鍛煉過程中用于監控體位并矯正患者的不正確體位。

1 設計原理

患者的康復鍛煉姿態如圖1所示，實驗者坐在一把椅子上緩慢進行鍛煉伸展身體。假設患者有兩種極端的姿態：高程度脊柱彎曲(P-slump)、身體伸展和矯直(P-hyper)。姿態P-slump和P-hyper在身體矢狀面部分的延伸具有明顯差異，其目的是通過在矢狀面的延長和矯直測量被實驗者的T恤形變，因此設計一個Z字型傳感器集成在T恤上，實驗者不同的體位姿態都會導致T恤上的傳感器產生不同的伸縮量。

2 姿態監控系統設計

姿勢監測系統如圖2所示，該系統包括姿態測量模塊和接收模塊兩部分。姿態測量模塊由感應式傳感器、電路板和一個振動微電機構成[4]，該傳感器適當地從患者背部和胸部縫合到T恤上；采用調理和發送電路的電路板，裝在一個約13 mm×7 mm×5 mm盒子里并固定在褲子上；傳感器的兩個端子通過卡扣連接器與電路板相連。接收模塊主要由藍牙模塊構成，可以直接連接到個人計算機或Android系統手機[5]。

圖1 姿態練習示意Fig.1 Schematic diagram of posture practice

圖2 姿態監測系統組成Fig.2 Composition of posture monitoring system

2.1 傳感器設計

將直徑1 mm的漆包線手動縫在T恤上，傳感器的尺寸約9 cm長，2.5 cm寬，總長度50 cm，以Z字形圖案縫在背部和胸部的矢狀平面上，如圖2(a)所示。T恤選取輕巧、貼身、耐磨、透氣的萊卡彈力面料，成分為滌綸58 %、氨綸42 %，延伸性為200 %。患者鍛煉期間，身體的延伸及背部和胸部的矯直會引起T恤的形變，然后引起傳感器電感的變化。該傳感器的阻抗特性使用HP4194A阻抗分析儀測量，其阻抗的幅度和相位圖如圖3所示。數據表明，工作頻率約50 kHz時，傳感器呈感性，等效電路可以由串聯電感與兩個同一電容并聯的電阻等效。測量獲取的等效電路參數為：電感值4.6 μH，電容值22 pF，電阻值1.6 Ω。

圖3 傳感器的頻率特性Fig.3 The frequency characteristics of the sensor

圖4為姿態與傳感器參數的關系。圖4中，患者鍛煉期間對應于沿著背部和胸前的傳感器大概有5 cm的長度變化，傳感器的電感值從P-slump變化到P-hyper也不同。在P-slump與P-hyper之間的Pi1，Pi2，Pi3，Pi4是對應于所涉及對象的位置之間的中間姿勢。電感值對應不同姿勢時T恤引起的變形，其臨床評價必須由醫師指導完成。由于電感變化時間是短暫的，通過在傳感器上添加并聯電容器，以創建一個共振點，并測量沿共振曲線的上升沿阻抗的變化。采用330 pF的電容器與傳感器并聯，在接近約4 MHz的諧振點時，對該模塊的阻抗進行分析。實驗者的從P-slump改變到P-hyper的中間姿態的函數，在3.92 MHz頻率時，實驗結果表明對應引起的T恤約5 cm的變形，產生約3.2 kΩ的阻抗的變化，最高達到約7.6 kΩ。由于不同的患者穿著T恤會引起不同的形變，因此會影響共振頻率值及其變化范圍。

圖4 姿態與傳感器參數的關系Fig.4 Relationship between postures and sensor parameters

2.2 智能T恤的電路板設計

電路板的結構框圖如圖5所示，采用分辨率為0.28 Hz的低功耗直接數字頻率合成器AD9834，生成3.92 MHz的正弦波參考信號，該正弦信號驅動圖6中調理電路。因為不同的穿戴者可能具有不同的動作，即使是相同的姿態改變引起T恤衫的形變可能也是不同的。傳感器Zs并聯到一個約330 pF的電容Cs，具有大約3.92 MHz的共振頻率，其阻抗[6]設為ZI。

假設Vi=sin(ωt)，則：

(1)

式中：φ依賴于ZI阻抗引起的相移，在分析中可以忽略不計。該信號Vd經一個四象限乘法AD835得到平方值，放大增益為Am，輸出電壓Vm的平均值正比于ZI的導納。

(2)

式中：Vm是具有Ao增益的二階低通濾波器LPF，該電路作為A/D轉換器的輸入級。低通濾波器提取信號Vm的平均值。

(3)

式中：Vo與阻抗ZI成反比。

圖5 電路板Fig.5 Circuit board

圖6 調理電路Fig.6 Conditioning circuit

電壓Vo通過微控制器的10位ADC轉換，ADC輸入電壓范圍0～3 V。系統由容量為1 200 mAh的兩節串聯9 V電池供電，兩個DC-DC調節器生成3 V和正負5 V電壓。

微控制器采用美國德克薩斯州飛思卡爾半導體有限公司生產的S08GB60，將電感式傳感器的阻抗信號通過10位ADC和協調器發送無線數據，然后通過藍牙模塊讀出。微控制器采集和傳輸相關程序流程[7]如圖7所示。首先進行微控制器執行程序變量和外圍設備的初始化及藍牙初始化。然后該程序控制DDS生成工作頻率，當電路板上的開關被按下，則固件發送一個起始信號給光測量系統，下傳并等待同步信號。ADC獲得電壓Vo，此時藍牙不能夠開啟。當數據被獲取并且藍牙準備就緒，DDS的和ADC此時不工作，然后通過被激活的藍牙傳輸數據，如此不斷循環。

圖7 微控制識別與傳輸流程示意Fig.7 The schematic flowchart of micro-control identification and transmission process

傳感器獲取的每個姿態信號從獲取、傳輸到接收，整個過程大約持續30 ms，如圖8所示。發射藍牙模塊ESD200集成在印刷電路板上，和接收藍牙裝置之間建立串行通信端口傳輸通道。其工作過程[8]：首先單片機每次連接中重置藍牙，然后藍牙被配置為可發現模式，等待接收模塊的連接。

圖8 工作周期示意Fig.8 The schematic diagram of the operation cycle

2.3 接收模塊設計

接收模塊結構如圖9所示，采用藍牙設備ESD200，通過串行通信接口SCI連接至微控制器HC9S08AZ。微控制器產生數據并將其傳送到PC上進行本地分析，或通過SCI連接到本地局域網集成服務器模塊用于遠程連接。PC中采用美國NI公司的虛擬儀器軟件LabVIEW開發圖形用戶界面[9]，實現管理數據通信、保存和顯示接收數據[10]。

圖9 讀出單元Fig.9 Read-out unit

3 實驗設計

智能T恤姿態監測系統的可行性，可以通過姿態監測數據與光學測量系統的數據進行比較來檢驗。光學測量系統由3部柯達CX1相機組成，相機用來獲取實驗者發出的紅外線信號，每個相機包括三個安裝在一個剛性框架的線性光電二極管陣列傳感器，用于定位已知距離的透射掩膜。當LED紅外標記移動時，燈光通過掩膜投射在傳感器陣列上，并繪制出圖案，然后處理器執行實時具有互相關的相同圖案并計算入射面的角度。三個傳感器陣列獲取角度信息由軟件計算，以便產生標記的空間位置信息。兩個傳感器在一個方向上進行向量分解，中間傳感器在正交方向分解[11]。每個傳感器確定三個數據表示一個固定參考物標記的位置，標記物的平均靜態變化小于0.1 mm。

如圖10所示，標記物粘在T恤上，其中6個標記物(B1～B6)放置在背部，另外6個標記物放置于胸腹部(F1～F6)，標記之間的距離恒定約90 mm，標記物連接到收發器且具有唯一標識符，并為每個實驗者提供一個固有ID。

圖10 T恤上的感應傳感器及作對比的光學標志物Fig.10 Image of inductive sensor on the T-shirt and the optical markers added for comparison

4位身體健康的沒有脊柱疾病的實驗者參與該實驗系統，實驗者的平均年齡為25.6歲，平均身高為173 cm。他們編號依次為實驗者1-實驗者4，實驗期間每位實驗者坐在一個無背椅子上。首先實驗者盡可能在過伸位置(P-hyper)保持直立挺拔地坐5 s，然后彎曲到跌落姿勢(P-slump)，保持臀部不向前屈折5 s，然后重復做這兩個過程。實驗者需要進行一些增強訓練，標記物位置通過光學系統進行監測和暫存，同時測量電路板輸出電壓信號VO。

4 結果與分析

通過4位實驗者每人每天進行20次實驗以獲得傳感器數據，與光學測量系統進行多次測量分析。要求所有實驗者具有基本相同的身體形態并執行緩慢

的拉伸運動。圖11為光學系統測得的伸展長度與電路測得電壓值之間的特性曲線，伸展長度通過計算所有的背部和胸部的分段伸展值(B1-B2，B2-B3……F5-F6)獲得。圖11中的實驗數據表示在參考頻率不變時測量系統與參考系統獲得伸展長度值，將所有的實驗數據放在一起，以獲得最準值的不確定性估計。

圖12為光學系統及監測系統電路獲得的4名實驗者伸展長度值與電壓值之間的關系(平均值±1標準差)。對于所獲取的較小的伸展值，實驗標準誤差大約為68 mV，反之對于較大的伸展值，輸出電壓誤差大約為23 mV。因此，最大的實驗不確定性是約4.9 mm，10位ADC的分辨率提供約2.9 mV的電壓分辨率，對應約0.6 mm的伸展值。

本系統實驗階段的康復鍛煉姿態是在職業醫師的指導下通過實驗者完成，并從大量實驗數據中篩選建立標準姿態數據庫。脊柱畸形患者在康復鍛煉時的運動姿態，通過Z字型傳感器采集處理后的數據與醫師指導下的標準姿態數據庫對比，不標準或錯誤的鍛煉姿態，通過安裝在姿態測量模塊中的微電機發出的震動強弱不同的信號，提醒患者糾正自己的姿態。

Z字型傳感器的阻抗值可能由于不同的因素而變化：1)T恤可以洗滌，洗滌后發現電感參數的沒有太大變化，可以通過系統中的復位按鍵校準來消除電感變化量的影響，從而使DDS合成器改變頻率以獲得阻抗的最大值；2)康復鍛煉可能導致T恤因汗水變濕，但不會影響測量結果。因為一方面銅線是漆包線，不會直接接觸汗水；另一方面相對于電容Cs，傳感器產生的寄生電容的變化可忽略不計。實驗結果表明，這些不同因素對姿態監測結果的影響是次要的。

圖11 伸展長度數據與電路輸出電壓間特性曲線Fig.11 Characteristic curve between extension length data and output voltage of the conditioning circuit

圖12 伸展長度平均值與電路輸出電壓間特性曲線Fig.12 Characteristic curve between mean extension length and output voltage of the conditioning circuit

5 結 論

本文設計的智能T恤在脊柱畸形患者康復鍛煉期間測量身體運動產生的伸展長度值，采用Z字型感應式傳感器縫制在T恤于織物中，當身體運動產生幾何變形時會引起T恤中傳感器阻抗的變化，通過微控制器系統測量阻抗值并輸出電壓。

患者的身體姿態的臨床評估由專業醫生完成，通過設計原型將患者的姿態與輸出電壓之間建立對應關系。該系統具有一個生物反饋姿勢的振動信號，通過振動微型馬達實現振動刺激獲得的信號傳遞給患者，實現醫生囑咐的反饋作用，從而鼓勵患者形成正確的姿勢習慣，恢復正常的生理狀態。

由于傳感器輸出的是與T恤形變相關的電壓，原型已經通過與通常在實驗中對體動分析的光學測量系統的結果進行了比較。通過大量的實驗數據表明，該系統的輸出電壓和T恤的變形有直接對應關系，所有的應用數據都充分考慮不確定性，最大的不確定性約為4.9 mm。該智能T恤具有無線、輕量、耐磨并滿足患者的舒適、易用、無創的臨床和心理需要。

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Study on Posture Monitoring Smart T-shirt for Rehabilitation Exercises

GAO Tonghui1, WEI Zhaoxia2

(1. Department of Automation, Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan 467001, China; 2. Department of Computer,Chengdu of College University of Electronic Science and Technology, Chengdu 611731, China)

Physiological parameters of patients with spinal diseases need to be monitored during rehabilitation exercise, so a wireless wearable T-shirt is adopted for posture monitoring. Patient posture data are collected by Z-shaped inductive sensor which is directly sewn onto the fabric. Then, the data are amplified and filtered by signal conditioning circuit. Finally, those data are sent to rehabilitation monitoring and management system at the PC or Android mobile phone terminal via Bluetooth low energy module after micro-controller processing. The system compares with the standard posture data obtained by optical system under the guidance of the physician and reminds patients of correcting their position through the signals with different vibration strength sent by micro-motors. The experiment involving 4 patients shows that the smart T-shirt can generate reliable data through comparing with the data gained by optical system and can help patients form correct postures and recover normal physiological status.

smart T-shirt; rehabilitation; inductive sensor; posture monitoring; micro-controller

2015-04-27;

2015-11-05

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.12.007

TS941.731.93

A

1001-7003(2015)12-0031-06 引用頁碼: 121107