一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，包括传感器终端节点、无线汇聚节点、无线体域网网关、个人终端、远程医疗终端和信息反馈系统，传感器终端节点包括依次连接的医疗传感器、信号调理电路、微处理器单元和无线收发单元，医疗传感器将采集的数据送入信号调理电路进行预处理，然后由微处理器单元进行处理后控制无线收发单元进行无线传输；所述传感器终端节点采集的数据依次经过无线汇聚节点、无线体域网网关分别送入个人终端和远程医疗终端，远程医疗终端将所述数据处理后送入信息反馈系统，由信息反馈系统建立3D模型进行显示。此种监测系统可实时监测患者运动康复情况，为后续康复训练提供合理性指导和建议，提高康复训练效果。
【专利说明】—种基于无线体域网的运动功能康复监测系统
【技术领域】
[0001]本发明属于运动康复学、嵌入式系统和物联网的交叉领域，涉及一种运动功能康复监测系统的实现方法，特别涉及一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统。
【背景技术】
[0002]现代社会随着世界各国相继进入老龄化，在老龄化过程中会产生大量的脑卒中或中风病患者，此类患者通常由于脑血管血栓或脑血管破裂出血而导致脑供血中断，从而使相应的运动、感觉和认知等功能遭到丧失或受到损害。现代神经康复医学及其临床研究结果表明中枢神经系统具有高度的可塑性，对因脑卒中等疾病引起的肢体功能障碍，通过科学合理的康复治疗训练可以在一定程度上恢复其受损的肢体功能。在康复训练过程中，康复医师应实时对患者的康复训练效果进行评价，并根据评价结果及时调整康复训练方案，以使得康复医师的训练方法与患者病情恢复程度保持一致。因此，对肢体运动功能障碍患者的康复训练过程中进行实时监测和反馈，具有重要的临床实践意义。
[0003]传统的康复评价方法，大多是在患者康复训练结束前后，康复医师根据自己的临床经验，运用测量仪器分别对患者的主/被动关节活动范围、肌力恢复等级等指标进行评定。该方法具有如下不足:
[0004](I)不具备实时性，由于评估只能在患者训练结束前后进行，因此在康复训练过程中康复医师的治疗方案未能实现与患者病情恢复程度实时保持一致；
[0005](2)具有主观性，传统康复评价方法大多是依据医师临床经验进行测定，评测数据不能客观准确地反映出患者肢体功能的恢复程度；
[0006](3)成本较高，持续对康复训练过程进行监测和评估，不仅需要耗费康复医师大量的精力，同时也增加了患者的治疗成本；
[0007](4)不具备开放性，在运动康复评价过程中，监测仪器设备与患者之间的导线连接，限制了病人的运动能力，不利于有效的康复训练。
[0008]因此，迫切需要开发实时有效、低成本、能客观准确地反映出患者肢体运动功能恢复程度的康复监测评价系统。
[0009]无线体域网(WBAN, Wireless Body Area Network)是以人体为中心，由与人体相关的网络元素(包括个人终端，分布在人身体上、植入人体内部的传感器节点及组网设备等)组成的通信网络。这些智能传感器节点包含了传感、计算和通信模块，能够互相协同地自组织形成网络，并且通过特定的网络技术将采集的信息进行处理与融合后发送给用户终端。无线体域网技术为实现高效、实时、客观、准确、低成本的运动康复监测系统提供了很好的手段。
[0010]基于前述传统运动康复训练过程中训练反馈不足、医师任务繁重、训练场所有限等问题，本发明人结合目前的无线体域网技术，研制一种能够克服现有缺陷的运动康复监测系统，本案由此产生。
【发明内容】
[0011]本发明的目的，在于提供一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，其可实时监测患者运动康复情况，为后续康复训练提供合理性指导和建议，提高康复训练效果。
[0012]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
[0013]一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，包括传感器终端节点、无线汇聚节点、无线体域网网关、个人终端、远程医疗终端和信息反馈系统，其中，传感器终端节点包括电源及依次连接的医疗传感器、信号调理电路、微处理器单元和无线收发单元，电源为传感器终端节点中的其余部件供电，医疗传感器将采集的数据送入信号调理电路进行预处理，然后由微处理器单元进行处理后控制无线收发单元进行无线传输；所述传感器终端节点采集的数据依次经过无线汇聚节点、无线体域网网关通过无线体域网分别送入个人终端和远程医疗终端，所述远程医疗终端将所述数据处理后送入信息反馈系统，由信息反馈系统建立3D模型进行显示。
[0014]上述传感器终端节点中的医疗传感器包括测量肢体运动参数的三轴加速度传感器。
[0015]上述传感器终端节点中的医疗传感器包括测量肌电状态参数的肌电信号传感器，其所对应的信号调理电路包括依次连接的前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、工频陷波电路和后级放大电路。
[0016]上述传感器终端节点中的医疗传感器包括测量基本生理体征参数的基本生理体征信号测量节点，其所对应的信号调理电路包括依次连接的前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、工频陷波电路和后级放大电路，以及连接前置放大电路输出端的右腿驱动电路。
[0017]上述传感器终端节点由柔性电路板制成。
[0018]上述无线汇聚节点包括相互连接的无线汇聚节点微处理器单元、无线汇聚节点无线通信单元和无线汇聚节点电源管理单元，其中，无线汇聚节点电源管理单元为无线汇聚节点微处理器单元和无线汇聚节点无线通信单元供电，所述无线汇聚节点无线通信单元在无线汇聚节点微处理器单元的控制下，完成传感器终端节点与无线体域网网关之间的数据中转。
[0019]上述个人终端采用个人手持PDA、手机或平板电脑。
[0020]采用上述方案后，本发明采用无线体域网技术，肢体运动功能障碍患者通过穿戴运动、肌力、生理等参数节点，可实时对训练过程中患者的肢体运动功能恢复情况进行监测评价，并根据评价结果实时调整医师的康复治疗方案；采用运动、肌力与生理三类无线传感器终端节点，可以实时地将监测数据发送至个人或远程康复医疗终端进行客观分析；此外，采用无线体域网技术，有效地避免了监测仪器设备与患者之间的导线连接，扩大了病人的活动范围，同时还可以持续地对康复训练过程进行远程监测和评估，减少了医师的劳动强度，降低了患者的治疗成本。
[0021]本发明将无线体域网技术应用于运动康复医疗的监测评价系统中，可有效克服传统运动康复评价过程中存在的实时性差、主观性强、成本较高和不够开放的问题；由于肢体运动功能障碍患者大多以老年者居多，其身体状况本身就存在问题，因此，本发明在对患者进行运动、肌力等功能参数进行实时评价的同时，还对患者的基本生理体征参数进行监测，以防止训练任务过重或康复治疗方案不恰当，对患者的生命安全造成威胁；此外，与现有的健康监测系统相比，本发明提供的运动康复监测系统以评价患者的肢体运动功能恢复情况为主，并运用虚拟现实技术将效果评价实时反馈给患者，实现的是闭环监测评价。
[0022]本发明一种基于无线体域网的运动康复监测系统具有以下优势:
[0023](I)本发明的传感器终端节点监测信息合理、有效，针对运动康复过程中医师所关心的运动状态以及肌力信息进行采集，避免了采用传统生理监测系统对运动康复患者关键运动信息把握的不足；并且监测传感器节点引入了基本生理特征信号的采集节点，保护病人在运动康复训练过程中的安全；
[0024](2)本发明的传感器终端节点充分考虑了可穿戴行的设计，患者无论在医院进行运动康复训练，在户外进行运动康复训练或是在家居日常生活都能舒适、安全地穿戴传感器终端节点。可穿戴的传感器终端节点使用柔性电路板(FPC)设计，具有小巧、轻便和稳定的特点，可以嵌入到衣服布料或用固定带固定在四肢、腰部等部位。患者的运动自由将不会受到传统监测方法导线繁多的限制，系统灵活性显著提高；
[0025](3)本发明的运动功能康复监测系统引入无线体域网，实现了医院、家居或社区环境下的无线医疗远程控制；
[0026](4)本发明的监测系统接收的监测数据具有实时性强、准确的特点，将这些数据用于运动模型重建，将准确地反应患者当时真实的运动能力；
[0027](5)本发明的运动功能康复监测系统提供多种反馈机制；传统的远程健康监测系统仅仅实现多生理信号的实时采集、远程波形显示以及阈值报警功能，没有能够形成一个有效的闭环反馈系统。本发明的运动功能康复监测系统通过分析监测数据，得出一系列评价结果，并运用虚拟现实技术将效果评价实时反馈给患者，实现的是闭环监测评价，让患者在最适宜的刺激下进行运动训练；
[0028](6)本发明的运动功能康复监测系统提供GPS追踪患者功能，为患者在家居环境或者社区户外环境下训练过程中的突发事故提供了及时救助的可能性；
[0029](7)本发明的运动功能康复监测系统还具有普遍适用性强、低功耗的优点，并且能最大限度减轻患者的出行负担，经济节约。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明的整体架构图；
[0031]图2是本发明中传感器终端节点的结构框图；
[0032]图3是本发明中传感器终端节点的外型图；(a)表示柔性电路板的示意图；
[0033]图4是本发明中传感器终端节点在人体身体的分布图；
[0034]图5是本发明中无线体域网网关的整体架构图；
[0035]图6是本发明中肌电信号测量节点的信号调理电路示意图；
[0036]图7是本发明中基本生理体征信号测量节点的心电信号调理电路示意图；
[0037]图8是本发明中传感器终端节点的工作流程图。
【具体实施方式】
[0038]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。[0039]如图1所示，本发明提供一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，包括传感器终端节点、无线汇聚节点、无线体域网网关、个人终端、远程医疗终端和信息反馈系统，实现医院、家居或社区环境下的无线医疗远程控制，下面将分别介绍。
[0040]所述传感器终端节点包括运动参数测量节点、肌电信号测量节点和基本生理体征信号测量节点，分别用于采集中风患者的肢体运动参数(位置、速度、加速度)、肌电状态参数(肢体表面肌电)和基本生理体征参数，各测量节点均包括电源及依次连接的医疗传感器、信号调理电路、微处理器单元和无线收发单元，其中，电源为所述测量节点中的其余部件供电，医疗传感器根据测量对象选用不同类型的传感器，无线收发单元采用RF232无线收发芯片；所述医疗传感器将采集的数据送入信号调理电路进行预处理，然后由微处理器单元进行处理后控制无线收发单元进行无线传输；所述无线收发单元还接收来自远程医疗终端的数据采集命令。
[0041]本实施例中传感器终端节点的微处理器单元由单一的MCU、存储器及其外围电路模块组成，MCU采用ATMEL公司生产的ATmegal28微处理器为核心，系统时钟由一个外部的8MHz的晶振提供。ATmegal28是8位RISC微处理器，支持JTAG接口，具有8路10位ADC，53个可编程I/O 口，具有高性能、低功耗的特点。微处理器软件系统采用TinyOS无线传感器网络操作系统，增强了节点运行过程中的稳定性。无线收发单元由低功耗无线收发模块组成，采用传感器网络最有前景的短距离无线通信技术。
[0042]所述运动参数测量节点主要测量人体肢体在运动过程中肢体关节角度、位置等信息，通过对这些信息计算，可以得出病人肢体的运动轨迹、速度及强度，判断病人的肢体运动功能恢复情况，其中的医疗传感器采用数字式三轴加速度传感器MMA7361，MMA7361采用
3.3V电源供电，Xout管脚输出X轴方向电压，Yout管脚输出Y轴方向电压，Zout管脚输出Z轴方向电压，各轴方向的电压在不运动或者不被重力作用的状态下，其输出均为1.65V ；如果沿着某一方向运动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向而改变各轴的输出电压大小。`
[0043]所述肌电信号测量节点主要测量人体肢体在运动康复训练过程中肌电信号变化情况。肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，通过对此信号的监测可以确定肌肉周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态，确定患者在运动康复过程中肌力恢复的情况，其中的医疗传感器采用肌电信号传感器，如图6所示，是肌电信号测量节点中的信号调理电路示意图，主要实现肌电信号的电压放大及滤波，包括顺序连接的前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、工频陷波电路和后级放大电路，由于肌电信号极其微弱，只有几十uV到几mV，并且十分容易受到外界噪声干扰，所以需要进行电压放大和滤波处理。肌电信号前置放大电路的放大器芯片选用AD623精密仪用放大器芯片，对肌电信号进行10倍左右的放大。经过前置放大的肌电信号，需要经过滤波处理，滤除信号中的杂波成分。肌电信号的频率主要集中在10-250HZ范围内，滤波电路主要包括一个低通滤波电路，截止频率为IOHz,由放大器A2实现；高通滤波电路，截止频率为250Hz，由放大器A3实现；50Hz工频陷波电路，用于滤除50Hz工频干扰，由放大器A4实现。经过硬件滤波的信号将通过后级放大电路进行电压放大，放大倍数为150倍，肌电信号总共被放大了 1500倍左右，由放大器A5、A6实现。
[0044]所述基本生理体征信号测量节点主要测量人体的基本生理体征信号，包括心率、脉搏信号以及呼吸。中风，帕金森以及其它伤残病患以老年人居多，其身体状况本身就存在问题，因此，在进行运动康复训练时，必须要对患者关键的生命体征进行检测，以防止训练任务过重或不恰当，对患者的生命安全造成威胁。心电信号采集传感器采用普通氯化银电极片，脉搏和呼吸信号采集传感器采用压电薄膜传感器。
[0045]图6所示是测量心电信号的信号调理电路图，包括顺序连接的前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、工频陷波电路和后级放大电路，还包括连接前置放大电路输出端的右腿驱动电路；由于心电信号极其微弱，只有几mV左右，并且十分容易受到外界噪声干扰，所以需要进行电压放大和滤波处理。心电信号前置放大电路的放大器芯片同样采用AD623精密仪用放大器芯片。心电信号的频率主要集中在5-lOOHz范围内，滤波电路主要包括一个低通滤波电路，截止频率为5Hz，由放大器A2实现；高通滤波器，截止频率为100Hz，由放大器A3实现；50Hz工频陷波电路，用于滤除50Hz工频干扰，由放大器A4实现。经过硬件滤波的心电信号将通过后级放大电路进行电压放大，放大倍数为100倍，心电信号总共被放大了 1000倍左右，由放大器A5、A6实现；此外心电信号信号调理电路还添加有右腿驱动电路，最大程度地减少共模干扰，并且保护病人安全，由放大器A7实现。
[0046]所述无线收发单元由低功耗无线收发模块组成，根据系统需求满足高速发送模式和低功耗模式的快速转换，本发明采用Zigbee技术，基于IEEE802.15.6协议设计无线收发模块。
[0047]具体实施时，为了能够使患者在运动康复训练过程中运动不受医疗终端节点导线连接限制，所述传感器终端节点还要注意可穿戴性设计，增强监测节点的灵活性。对于运动参数测量节点和肌电信号测量节点，为了不影响监测节点对肢体运动过程的影响，本实施例采用柔性电路板(FPC)设计。柔性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性、绝佳的可挠性印刷电路板。配合图3 (a)所示，该FPC电路板设有信号调理电路、中央处理器和埋入式天线。柔性电路板运用到运动康复监测系统中，具有一系列的优点，如:(1)体积比传统PCB小，增加穿戴的便利性；(2)重量更轻，在穿戴时感受不到传感器终端节点的重量，对患者运动没有造成额外负担；(3)厚度薄，柔软度高，能贴合人体皮肤表面。用固定带可以将柔性电路 板制成的传感器终端节点固定于肢体表面皮肤，柔性电路板将与肢体间紧密接触。普通的电路板不易弯曲，患者进行康复运动时佩戴普通电路板制成的传感器终端节点，无法进行很多常规动作训练，影响训练效果；并且普通的电路板在穿戴时，舒适度无法达到要求，导致患者的训练积极性降低。对于心电信号、呼吸信号的采集，传感器终端节点可放置于胸部、腰间等位置，可以采用普通电路板的设计方案，不会对患者运动造成限制。
[0048]配合图4所示，本实施例中的传感器终端节点分布于患者四肢、胸部以及腰部位置。本发明的医疗传感器可以为电极片、三轴加速度传感器、陀螺仪以及PVDF压电薄膜。在具体实施时一般需要:至少3个电极片，用于检测心电信号；至少I个PVDF压电薄膜，用于检测脉搏信号；至少I个PVDF压电薄膜，用于检测呼吸信号；若干电极片，用于检测肌电信号；除此之外，还需要若干三轴加速度传感器，检测动作信号。本发明的传感器终端节点包含心电信号监测节点一个，放置于胸部；脉搏信号监测节点一个，放置于腕部；呼吸信号监测节点一个，放置于腹部或者腰部；肌力信号监测节点若干，分布于大臂、小臂、手指、大腿及小腿处肌肉部位，监测主要肌肉和肌肉群的肌力情况；运动加速度信号及位置信号监测节点若干，分布于肩关节、肘关节、腕关节、手指、腰椎关节、膝关节及踝关节部位，监测四肢运动训练时的重要参数。三轴加速度传感器在手臂位置和摆放方位直接影响后续运动坐标系的建立。建立有效的空间坐标系，能通过有效、简洁的运动重构算法，重建运动模型。根据建立的坐标轴和三轴加速度硬件特性我们设计三轴加速度传感器在手臂上的具体分布和方位。
[0049]如图8所示，是本发明中传感器终端节点的工作流程图，传感器终端节点上电后，启动TinyOS操作系统，初始化硬件，启动电源监控进程，命令监控进程。一旦接收到从无线体域网网关发来的采集命令，节点开始进行信号的A/D采集和无线发送；接收到从无线体域网网关发来的休眠命令，节点停止信号的采集和发送，进入休眠模式。本实例传感器终端节点的常用命令有=RESET命令，让异常工作的节点复位，重新启动；SLEEP命令，让工作中的节点停止数据采集和发送，进入休眠模式；START命令，让休眠的节点开始数据采集和发送；BATTERY命令，查询节点的电池电压，是否需要对节点的锂电池进行充电提醒。
[0050]无线汇聚节点包括无线汇聚节点微处理器单元、无线汇聚节点无线通信单元和无线汇聚节点电源管理单元，无线汇聚节点微处理器单元、无线汇聚节点无线通信单元和无线汇聚节点电源管理单元通过内部总线相互连接进行通讯。无线汇聚节点实现对终端节点发来的数据进行存储、管理和融合，并且能转发运动康复监测任务。
[0051]每位患者穿戴的一组传感器终端节点和单一的充当协调器的无线汇聚节点以星型拓扑结构组成一个同步簇，所有的患者对应的网络簇、无线汇聚节点、无线体域网网关、个人终端和远程医疗终端构成低延时星簇型无线网络，采用基于时隙的免冲突载波多路接入方式的网络通信协议，通过信标方式和保证时隙完成低延时星簇型无线实验网络中的星簇型的时间同步。远程医疗终端 发出数据采集命令后，无线体域网网关将命令传输至无线汇聚节点并广播到各个传感器终端节点；传感器终端节点采集患者的运动参数、肌力信息和基本生理特征信息，并通过无线体域网网络，依次经过无线汇聚节点、无线体域网网关传输至远程医疗终端或个人移动终端；信息反馈系统通过对数据的分析进行运动模型重建、患者训练参与度评价等，帮助医师分析。
[0052]无线体域网网关包括微处理器、协议转换器、外部存储器、ITAG下载/调试模块、网络控制与接口模块、IXD显示模块和电源模块，所述微处理器与协议转换器、ITAG下载/调试模块、网络控制与接口模块、LCD显示模块、外部存储器之间同内部总线相互连接进行通讯，网络控制与接口模块接入无线局域网。微处理器选择三星公司生产的ARM9系列芯片S3C2440，支持Linux操作系统。协议转换器支持网关与IEEE802.15.6/Zigbee网络通信协议、Internet网络通信协议以及bluetooth通信协议等层次之间数据格式的转换。网络控制与接口模块将网关设备接入到外部基础网络设施，本发明采用DM9000网络芯片接入以太网，用USB接口无线网卡接入无线局域网，用蓝牙串口模块接口接入蓝牙网络，用WCDMA串口接口模块接入3G网络。ITAG下载/调试模块包括JTAG下载接口、USB接口和RS232串行接口。此外根据网关设备功能需要，添加外部存储器单元、IXD显示单元以及电源模块，完成网关系统运行、数据传输以及人机交互的功能。
[0053]无线体域网网关的功能是接收从无线汇聚节点发来的传感器终端节点数据，并将接收的数据传输到远程医疗终端和个人终端，且无线体域网网关实现运动康复监测任务发布、存储传感器终端节点发来的数据、发布网络同步任务。本发明所述的无线体域网网关支持RS232串口、以太网、无线局域网、蓝牙等多种通信方式，患者能够通过智能手机、TOC、个人PC等个人终端了解到自己的运动能力恢复情况和即时反馈的运动训练方案，大大扩展了康复运动监测系统的应用覆盖范围。
[0054]本发明所述的个人终端包括个人手持PDA、手机、平板电脑等可移动的终端设备，其结合终端软件，可以使患者及其家属了解到患者运动能力恢复情况、肌力恢复状况以及医师反馈的康复运动训练方案，使得患者在家居环境或者社区环境中就能进行有效的运动康复训练。此外绝大多数的手机都配备有GPS定位功能，一旦患者康复运动训练期间出现身体不适、跌倒或者休克等症状，医师能迅速定位出患者的坐标位置，及时派出救护人员接治患者。
[0055]远程医疗终端配备相应的终端软件，满足医师实时监测患者运动状态的功能，并且医师能方便地研究病人的运动能力恢复情况及肌力恢复情况。同时，终端软件能够对接收的监控数据进行有效的软件滤波处理和特征信号提取处理。远程医疗终端软件还能够实现监测数据Web发布、数据存储及数据回放等多种功能。
[0056]信息反馈系统用于还原患者肢体运动模型，识别患者的肌肉疲劳程度和训练参与度，并运用虚拟现实技术将效果评价实时反馈给患者，实现的是闭环监测评价，让患者在最适宜的刺激下进行运动训练。利用虚拟现实系统进行运动障碍康复训练，即让患者在虚拟环境中扮演一个角色，成为虚拟环境中的一部分，通过训练动作与虚拟环境进行交互，虚拟环境即时给予患者调整。这种训练方法可以降低康复治疗过程对治疗师及治疗场地的依赖程度，为患者提供精确、稳定、个性化的训练模式。在本发明的具体实施过程中，根据对于患者各方面因素的考量，可以改变虚拟环境的具体参数，增加治疗过程的趣味性，激发患者参与治疗过程的积极性，使被动治疗变为主动治疗。例如患者在康复运动训练中进行盛汤训练。患者通过简单的用小勺从碗里盛汤动作完成训练。上述虚拟场景中的虚拟物体(如碗、勺子)都可以设定重量和大小。通过运动康复监测系统对患者进行监控，并评价患者的肢体恢复能力，决定碗的碗口大小和勺子的重量以及每次的盛汤量。如果通过监测系统发现患者的情绪在训练过程中持续波 动，说明训练的难度过大，需要及时减小勺子重量，盛汤量等参数；若通过监测系统发现患者在训练过程中，训练参与度不高，则需要考虑更换虚拟环境场景模式，例如可以采用倒茶场景的虚拟环境，足球场景的虚拟环境等等。
[0057]本发明工作时，传感器终端节点首先实时采集患者的肢体运动参数(位置、速度、加速度)、肌电状态参数(肢体表面肌电)和基本生理体征参数，然后通过无线收发单元将采集到的数据经过无线汇聚节点传输给无线体域网网关，网关通过实现无线体域网与以太网、蓝牙、GPRS等通用网络无缝连接，将患者运动康复监测数据传输至个人终端和远程医疗终端，远程医疗终端对监测数据进行处理后，信息反馈系统重建患者的训练时肢体运动3D模型，运用虚拟现实技术将康复评价效果反馈至患者，为后续康复训练提供合理性建议。该系统能实际应用于运动功能障碍患者的临床康复医疗实践中，在对患者基本病理信息进行安全监控的同时，还能对肢体运动功能和肌力恢复效果进行实时评价反馈，提高康复训练效果。
[0058]本发明的实现步骤如下:
[0059]第一步骤:设计基于无线体域网的运动功能康复监测系统的体系架构。本系统的体系结构图如图1所示；[0060]第二步骤:传感器终端节点的信号调理单元设计。设计位置，加速度传感器单元模块；设计高精度，抗噪声性能好的肌电信号调理电路单元；设计高精度，抗噪声性能好的心电信号，脉搏信号，呼吸信号调理电路单元；
[0061]第三步骤:传感器终端节点微处理器单元设计。以8位RISC微处理器为核心，满足较大数据量的采集与处理功能，并添加必要的外围电路；
[0062]第四步骤:传感器终端节点的无线收发单元设计。无线收发单元采用Zigbee技术，以AT86RF230无线通信模块作为核心，拥有最大250Kbps的传输速率，工作在2.4GHzISM频段，低功耗设计特点；
[0063]第五步骤:传感器终端节点PCB设计。根据患者在运动康复训练工程中的运动需要，对于运动位置信号，运动加速度信号，肌电信号，脉搏信号采集节点采用柔性电路板(FPC)设计，使患者能更加舒适、方便地穿戴节点，不限制患者肢体运动自由，不产生额外运动负担重量。本发明的传感器节点设计图如图2和图3所示，A用于测量运动加速度信号，设于手的腕关节，B用于测量肌电信号，设于手臂上；
[0064]第六步骤:传感器终端节点分布设计。本发明的监测节点分布图如图4所示；
[0065]第七步骤:传感器终端节点软件设计。本发明的节点能解析从远程医疗终端以及个人终端传来的命令，进行数据的采集、处理和发送；
[0066]第八步骤:设计无线汇聚节点各个单元模块，包括无线汇聚节点微处理器单元、无线汇聚节点无线通信单元和无线汇聚节点电源管理单元；
[0067]第九步骤:设计无线体域网网关各个单元模块，包括微处理器、协议转换器、外部存储器、ITAG下载/调试模块、网络控制与接口模块、IXD显示模块和电源模块，网关节点总体架构图如图5所示；
[0068]第十步骤:设计网关系统软件。网关操作系统采用Iinux系统，能高效地控制所有任务协调一致运行，根据系统需要进行消息处理、任务调度、数据库存取及界面交互功能；
[0069]第十一步骤:设计个人终端。本发明的个人终端包括个人手持PDA以及智能手机。个人终端软件支持监测数据的实时显示和康复运动训练反馈意见功能。此外手机GPS定位功能能定位患者康复运动训练地址信息，一旦出现康复训练过程中出现意外情况，医师能及时做出判断，并派出救治人员赶到正确地点；
[0070]第十二步骤:设计远程医疗终端软件，实现局域网间的Socket通信功能，获取无线体域网网关传输的实时监测数据；实现信号滤波功能，从网关传来的监测信号仍然存在较多的杂波，需要进行软件滤波，得到更加理想的监测波形；实现Web发布功能，使患者监护人能够通过个人PC、PDA和手机获得患者的康复监测数据；实现病人实时定位功能；实现患者身体状况超过设定的安全阈值便即时报警的功能；
[0071]第十三步骤:设计信息反馈系统。信息反馈系统能根据实时的运动参数(运动加速度、强度、轨迹等)重建患者的肢体3D运动模型，直观地反应患者的运动训练情况，研究患者的运动轨迹是否达到预期的设想；其次，该软件提取肌电信号中的特征信息，反馈患者的肌力恢复情况；此外，该软件提取心电信号，脉搏信号以及呼吸信号的特征信号，通过识别算法能有效的判断患者训练参与度，心理状态，并运用虚拟现实技术将效果评价实时反馈给患者，实现的是闭环监测评价。医师将反馈的治疗方案通过Web，手机通用网络等常用通信网络反馈给患者监护人，使患者不用在医院也能进行正确、高效、安全的康复训练。[0072]本发明进行运动康复监测工作时，具体包括下列步骤:
[0073]第一步骤:患者开始进行康复训练，运动功能康复监测系统进行网络布置和初始化，包括传感器终端节点初始化、无线汇聚节点初始化、无线体域网网关初始化；
[0074]第二步骤:启动监控进程，显示无线体域网网络中各个节点的分布、网络拓扑；
[0075]第三步骤:运动功能康复监测系统加载系统启动数据采集进程和监测控制进程，基于无线体域网的运动功能康复监测系统通过无线体域网网关向无线体域网发布数据采集和传输命令；
[0076]第四步骤:个人终端设和远程医疗终端读取无线体域网网关的数据，同时绘制监测数据的实时曲线图，并自动实现监测数据的数据库的实时更新。同时发送至患者监护人的个人终端和远程医疗终端的数据仍然有较多的杂波，所以需要进行有效的滤波算法处理。本实施例提出采用小波包算法，能有效的滤除信号中的杂波成分，提取出运动训练参数、肌电信号和基本生理特征信号中的特征信号；
[0077]第五步骤:信息反馈系统通过对监测数据分析，得出一系列评价结果，并综合医师的诊断结果，向患者提供反馈治疗方案。本实施例的信息反馈系统弥补了传统健康监测仅仅实现心电信号、脉搏信号等生理信号的实时采集、远程波形显示以及阈值报警功能，没有能够形成一个有效的闭环反馈系统。本发明的监测系统能够通过有效算法还原患者肢体运动模型，识别患者的肌肉疲劳程度和训练参与度，并运用虚拟现实技术将效果评价实时反馈给患者，实现的是闭环监测评价，让患者在最适宜的刺激下进行运动训练。
[0078]综上，本发明采用无线体域网技术，肢体运动功能障碍患者通过穿戴运动、肌力、生理等节点，可实时对训练过程中患者的肢体运动功能恢复情况进行监测评价，并根据评价结果实时调整医师的康复治疗方案；采用运动、肌力与生理三类无线传感器终端节点，可以实时地将监测数据发送至个人或远程康复医疗终端进行客观分析；此外，采用无线体域网技术，有效地避免了监测仪器设备与患者之间的导线连接，扩大了病人的活动范围，同时还可以持续地对康复训练过程`进行远程监测和评估，减少了医师的劳动强度，降低了患者的治疗成本。
[0079]本发明将无线体域网技术应用于运动康复医疗的监测评价系统中，可有效克服传统运动康复评价过程中存在的实时性差、主观性强、成本较高和不够开放的问题；由于肢体运动功能障碍患者大多以老年者居多，其身体状况本身就存在问题，因此，本发明在对患者进行运动、肌力等功能参数进行实时评价的同时，还对患者的基本生理体征参数进行监测，以防止训练任务过重或康复治疗方案不恰当，对患者的生命安全造成威胁；此外，与现有的健康监测系统相比，本发明提供的运动康复监测系统以评价患者的肢体运动功能恢复情况为主，并运用虚拟现实技术将效果评价实时反馈给患者，实现的是闭环监测评价。
[0080]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，其特征在于:包括传感器终端节点、无线汇聚节点、无线体域网网关、个人终端、远程医疗终端和信息反馈系统，其中，传感器终端节点包括电源及依次连接的医疗传感器、信号调理电路、微处理器单元和无线收发单元，电源为传感器终端节点中的其余部件供电，医疗传感器将采集的数据送入信号调理电路进行预处理，然后由微处理器单元进行处理后控制无线收发单元进行无线传输；所述传感器终端节点采集的数据依次经过无线汇聚节点、无线体域网网关通过无线体域网分别送入个人终端和远程医疗终端，所述远程医疗终端将所述数据处理后送入信息反馈系统，由信息反馈系统建立3D模型进行显示。
2.如权利要求1所述的一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，其特征在于:所述传感器终端节点中的医疗传感器包括测量肢体运动参数的三轴加速度传感器。
3.如权利要求1所述的一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，其特征在于:所述传感器终端节点中的医疗传感器包括测量肌电状态参数的肌电信号传感器，其所对应的信号调理电路包括依次连接的前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、工频陷波电路和后级放大电路。
4.如权利要求1所述的一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，其特征在于:所述传感器终端节点中的医疗传感器包括测量基本生理体征参数的基本生理体征信号测量节点，其所对应的信号调理电路包括依次连接的前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、工频陷波电路和后级放大电路，以及连接前置放大电路输出端的右腿驱动电路。
5.如权利要求1所述的一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，其特征在于:所述上述传感器终端节点由柔性电路板制成。
6.如权利要求1所述的一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，其特征在于:所述无线汇聚节点包括相互连接的无线汇聚节点微处理器单元、无线汇聚节点无线通信单元和无线汇聚节点电源管理单元，其中，无线汇聚节点电源管理单元为无线汇聚节点微处理器单元和无线汇聚节点无线通信单元供电，所述无线汇聚节点无线通信单元在无线汇聚节点微处理器单元的控制下，完成传感器终端节点与无线体域网网关之间的数据中转。
7.如权利要求1所述的一种基于无线体域网的运动功能康复监测系统，其特征在于:所述个人终端采用个人手持PDA、手机或平板电脑。
【文档编号】A61B5/0402GK103479362SQ201310397629
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】徐国政, 冯天天, 原晓孟, 高翔, 刘秀鹏 申请人:南京邮电大学