专利名称：用于体域网医疗诊断或康复训练的电磁定位装置和方法
技术领域：
本发明属于一种医疗定位装置和方法，具体涉及一种电磁定位系统以及可以用于体域网医疗诊断和康复训练的电磁定位方法。
背景技术：
当今世界老龄化问题日趋严重，如何实时有效地监测老龄群体的身体状况，成为全球普遍关注的问题。帕金森病是老年人中第四位最常见的神经变性疾病，其主要表现为患者动作缓慢，手脚或身体其它部分的震颤，身体失去柔软性，变得僵硬。509Γ80%的病例起
病隐袭，首发症状通常是一侧手部的4Hf 8Hz的静止性“捻丸样”震颤。这种震颤在肢体静止时最为显著，因此对于患者肢体的监测是诊断帕金森病的重要手段。体域网作为一种无线个域网，主要应用在医疗保健领域，尤其是用来连续监视和记录慢性病(如糖尿病、哮喘病和心脏病等)患者的健康参数，提供某种方式的自动医疗控制。将电磁定位与体域网相结合，可以实现对于患者肢体运动情况的监测，有效地对帕金森等老年病进行监测，并做出及时的诊断与医疗。电磁定位是一种利用电磁波确定被测物体的六个自由度(三个位置自由度和三个姿态自由度)的技术。与超声式、光电式等定位技术相比，电磁定位的成本低、活动范围自由灵活、便携性较好，其突出优点是不受视线阻挡的限制，这是其它定位方式无法比拟的。在对肢体的跟踪定位中，因为肢体可以摇晃、伸缩运动、甚至可以被身体的其它部分遮挡住，只有电磁定位可以实现全方位定位，才可以实现对于肢体运动的全方位监测。电磁定位作为一种良好的定位技术，一直受到关注。Jack Kuipers在题为“Method and apparatus for determining remote object orientation and position，，的美国专利4/742. 56中提出了一种电磁定位系统和一种电磁定位算法，但其算法采用四元数迭代的形式，四元数初值的合理选取十分重要，并且计算的复杂度较高，不利于系统的实时性。汪莖、陈彬、殷勤等人在题为“DSP在六自由度电磁跟踪系统中的应用”的论文中利用DSP处理器设计了一种电磁定位数据采集系统的硬件设计方案和软件设计流程，但其系统不完善，未考虑实际情况，没有电磁发射信号驱动放大单元和电磁接收信号滤波放大单元，系统不完整，并不具有实际的可实现性。徐彤、王涌天、阎达远等在题为“用于虚拟现实的六自由度电磁跟踪系统”的论文中介绍了六自由度电磁跟踪系统位置和姿态的确定算法，但其算法利用的是矩阵的运算，其会在+45°和-45°附近产生畸变，对定位精度产生影响。
发明内容
本发明提供一种用于体域网医疗诊断和康复训练的电磁定位装置和方法，以解决目前电磁定位装置和方法存在的不精确的问题。本发明采取的技术方案是电磁信号接收传感器与滤波放大单元、A/D转换单元、数据处理与控制单元、电磁信号驱动放大单元、电磁信号发射源顺序连接，该数据处理与控制单元与上位机连接；
所述数据处理与控制单元结构是处理器分别连接SDRAM存储器、FLASH存储器、电源电路和USB接口，这里的处理器为DSP、或单片机、或FPGA、或ARM数据处理芯片；一方面用于向电磁信号驱动放大单元发出控制信号，一方面与A/D转换器相连，接收电磁信号数据并进行位置姿态坐标的解算，另一方面通过数据接口，将处理后的位置姿态信息传输给上位机；所述电磁信号驱动放大单元，用于将数据处理与控制单元产生的控制信号进行驱动放大，以驱动电磁信号发射源工作；所述电磁信号发射源为正交的三轴线圈，由电磁信号驱动放大单元驱动，三轴线圈分时工作，用以向空间辐射电磁波，可以分时发送一 定幅度的低频的正弦交流信号，也可以分时发送一定幅度的直流脉冲信号。所述电磁信号接收传感器为小型的正交三轴线圈或磁阻传感器芯片，传感器与滤波放大单元间的通信可以采用有线或是无线的方式，无线方式主要有蓝牙、Zigbee，用于接收空间中的电磁波信号，作为确定人体肢体运动情况的传感器；所述滤波放大单元，用于对电磁接收信号的滤波放大，以方便进行A/D转换；所述A/D转换单元，主要由A/D转换器组成，用于将滤波放大后的信号进行模数转换，最后传入数据处理与控制单元中进行位置姿态坐标的解算；所述上位机为PC机或移动终端设备，用于接收数据处理与控制单元的数据，将肢体的运动情况显示在终端上，用于将肢体的运动以坐标的形式或是三维立体图形的形式显示出来，医生或监护人员通过对病人的肢体运动情况进行全方位监测，实现医疗诊断和康复训练的目的。本发明所述的电磁信号接收传感器，其可采用多个电磁信号接收传感器，同时依附在人体的手臂或腿部，实现该装置的多点同时定位，可以实现整个身体的运动情况的监测。本发明可采用多个电磁信号发射源协同工作，以扩大该装置的工作范围，实现大范围、多目标的运动监测。本发明用于体域网医疗诊断或康复训练的电磁定位方法，包括下列步骤首先由数据处理与控制单元控制电磁信号驱动放大单元，驱动电磁信号发射源的正交三轴线圈分时工作，向空间辐射电磁波；电磁信号发射源的X、Y、Z轴线圈按时序发送一定频率一定幅值的信号T X、T y、T z ;系统的电磁信号发射矩阵为
ο (ΓX=OlO
O O I电磁信号接收传感器为三维正交线圈，负责接收空间中的电磁信号，电磁信号发射源的每个轴发射的低频磁场都会在电磁信号接收传感器的X、Y、Z轴线圈中感应出不同幅值的感应信号R X、R y、R Z ;该感应信号然后经滤波放大单元和A/D转换单元后传入数据处理与控制单元；在数据处理与控制单元中提取每一路、每个时间段上的感应信号的幅度值，并将该段信号与所对应的发射信号进行相位比较，若同相则幅度值取正，反之取负，这样就得到系统的接收矩阵
41 為 2 4 aY = A21 A22 A23
_為1 為2 為3 —接下来在数据处理与控制单元中进行位置姿态坐标的求解；由磁偶极子相关理论可以推知，三阶接收矩阵Y与三阶发射矩阵X有如下关系Y = Smx
I'
式中Y为已知的接收矩阵，由九个测量值组成；X为已知的发射矩阵；K为一系统常数为电磁信号接收传感器与电磁信号发射源的距离；M为包含了电磁信号接收传感器相对于电磁信号发射源的位置球坐标(r，α, β)的位置变换矩阵，Κ4 = I-Mut其中 为指向r的单位位置坐标向量；H为包含了电磁信号接收传感器相对于电磁信号发射源的姿态角度(炉，Ψ , Θ )的姿态变换矩阵，
cos φ cos ψ si η φ cos ψ- sin ψ
H= sin ι9 sin ψ cos ψ - cos Osin^osi η 6 si η ψ si η φ + cos θ cos φsi η θ cos ψ
cos ^sin ψ cos φ + si η ^ sin φcos ^sin \|/siru/ -sin^ cos φcos θ cos ψ由接收矩阵Y通过下式可计算出电磁信号接收传感器相对于电磁信号发射源的姿态H = - —YX 'M-1
K为计算H矩阵，需要先计算出r和M ;经过矩阵变换最后可以得到
Ιζ2—Μ2= (YX YX-1
/'引入单位位置坐标向量S得
4F2--/7 = (KV YX 1U
r其中，单位位置坐标向量是变换矩阵A= (YF1)tYF1关于特征值Α = 的特征
ur
向量；由线性代数知识可知，矩阵的迹等于其主对角线上各元素和，可求矩阵A的迹ira(A) = Au +A22+ A33 = ~—
t从而得到
r = (-~^~-/6
A\ +Az +Ai这样便得到了电磁信号接收传感器与电磁信号发射源的距离。在计算单位位置坐标向量S时，采用计算变换矩阵A的模最大的特征值和其对应的特征向量的迭代方法，方法的主要步骤如下(I)设定一个向量C，作为初始向量；
_]⑵设定^Z=H;(3) A =矿5，若|λ_τ I < ε，此时结束计算；若不满足条件，则转向步骤(4);
τ即为矩阵A对应的特征值，G为矩阵A对应特征向量，ε是控制系统运算精度的一个给定值；(4) τ =λ，c ="，转向步骤(2);在此迭代运算中，特征值初值τ取|〃·(/Ι)，特征向量初值c取所求得的单位位置坐标向量1^，控制精度的ε值取O. 001;在线性区间内，迭代两次即可满足要求，在非线性区间内45°附近，最多只需迭代5次，迭代次数少，收敛速度快；经过此迭代算法，计算出了矩阵A对应的特征值λ和特征向量I由此特征向量可计算位置变换矩阵M ;根据特征向量I可以求得电磁信号接收传感器相对于电磁信号发射源的位置球坐标(r，α，β )
U1= arctan —
U1
η,β = arctan , λ j
V r +U2然后计算电磁信号接收传感器相对于电磁信号发射源的姿态角度(W，Ψ, Θ)的姿态变换矩阵H H = - — YX ]M 1
K并通过O解得姿态角(史，Ψ, Θ )
ω = arctan(//,, IHu)ψ - arcsin(-//PjΘ - arctan(//:. /H,,)由此，定位算法结束，完成了电磁信号接收传感器相对于电磁信号发射源的位置球坐标(r，α，β )和电磁信号接收传感器相对于电磁信号发射源的姿态角度(P，Ψ，Θ)的解算；最后这些数据由数据处理与控制单元传给上位机，实现肢体运动的检测。此种求个别特征值和特征向量的迭代方法用于电磁敏感定位跟踪系统中，对于提高算法的精确度是非常有效的，理论精度可由控制精度的ε的值来确定，理论精度可达Imm ;并可有效的避免计算中的奇点问题。此种求个别特征值和特征向量的迭代方法用于电磁敏感系统中，对于提高算法的精确度是非常有效的，理论精度可由控制精度的ε的值来确定，理论精度可达lmm;并可有效的避免计算中的奇点问题。
本发明具有如下优点(I)本发明可以采用无线的方式依附于患者的肢体，应用更加灵活。(2)本发明可采用多个电磁信号发射源协同工作，扩大工作范围，适用性更强。(3)本发明采用高速处理器进行精确运算与控制，保证系统的实时性与精确性，运算采用高精度浮点，系统每3ms对X、Y、Z轴信号进行采样，系统频率可达IOOHz以上。(4) 一般算法对矩阵解算时是利用伴随矩阵的知识可以求得特征向量 ，进而求得位置变换矩阵M和姿态变换矩阵H。但是对于实际的工程应用，在实际测量中姿态和方位的测量(45°附近)会存在畸变现象，因此对算法加以改进。本发明采用求个别特征值和特征向量的迭代方法来对系统接收的数据进行位置姿态的解算，可有效的解决奇点问题，并可提高算法的精确度，理论精度可达1_。(5)本发明的电磁定位装置和方法，无奇点、全方位、精度高，可有效监测手部的4Hf8Hz的静止性“捻丸样”震颤，特别适合对人体姿势和步态异常监测的应用，可用于帕金森、癫痫、特发性震颤、痉挛性斜颈和多系统萎缩等神经性疾病的诊断中，在肢体运动损伤的康复训练中也可以广泛应用。
图I是本发明的原理框图；图2是本发明数据处理与控制单元的DSP结构图；图3是本发明电磁信号驱动放大单元电路原理图；图4是本发明电磁信号发射源的结构示意图；图5A是本发明电磁信号驱动放大单元输出的交流信号形式图；图5B是本发明电磁信号驱动放大单元输出的直流信号形式图；图6是本发明电磁信号接收传感器的结构示意图；图7是本发明滤波放大单元的电路原理图；图8是本发明A/D转换单元的电路原理图；图9是本发明一种无线传感定位原理框图；图10是本发明无线传感定位单元的原理框图。
具体实施例方式电磁信号接收传感器5与滤波放大单元6、A/D转换单元I、数据处理与控制单元2、电磁信号驱动放大单元3、电磁信号发射源4顺序连接，该数据处理与控制单元2与上位机7连接；
所述数据处理与控制单元2，结构是处理器201分别连接SDRAM存储器202、FLASH存储器203、电源电路204和USB接口 205，这里的处理器为DSP、或单片机、或FPGA、或ARM数据处理芯片；一方面用于向电磁信号驱动放大单兀发出控制信号,一方面与A/D转换器相连，接收电磁信号数据并进行位置姿态坐标的解算，另一方面通过数据接口，将处理后的位置姿态信息传输给上位机；所述电磁信号驱动放大单元3，用于将数据处理与控制单元产生的控制信号进行驱动放大，以驱动电磁信号发射源工作；所述电磁信号发射源4为正交的三轴线圈，由电磁信号驱动放大单元驱动，三轴线圈分时工作，用以向空间辐射电磁波，可以分时发送一定幅度的低频的正弦交流信号，也可以分时发送一定幅度的直流脉冲信号；所述电磁信号接收传感器5为小型的正交三轴线圈或磁阻传感器芯片，传感器与滤波放大单元间的通信可以采用有线或是无线的方式，无线方式主要有蓝牙、Zigbee，用于接收空间中的电磁波信号，作为确定人体肢体运动情况的传感器； 所述滤波放大单元6，用于对电磁接收信号的滤波放大，以方便进行A/D转换；所述A/D转换单元I，主要由A/D转换器组成，用于将滤波放大后的信号进行模数转换，最后传入数据处理与控制单元中进行位置姿态坐标的解算；所述上位机7为PC机或移动终端设备，用于接收数据处理与控制单元的数据，将肢体的运动情况显示在终端上，用于将肢体的运动以坐标的形式或是三维立体图形的形式显示出来，医生或监护人员通过对病人的肢体运动情况进行全方位监测，实现医疗诊断和康复训练的目的。本发明所述的电磁信号接收传感器5，其可采用多个电磁信号接收传感器，同时依附在人体的手臂或腿部，实现该装置的多点同时定位，可以实现整个身体的运动情况的监测。本发明可采用多个电磁信号发射源4协同工作，以扩大装置的工作范围。本发明用于体域网医疗诊断或康复训练的电磁定位方法，包括下列步骤首先由数据处理与控制单元2控制电磁信号驱动放大单元3，驱动电磁信号发射源4的正交三轴线圈分时工作，向空间辐射电磁波；电磁信号发射源4的X、Y、Z轴线圈按时序发送一定频率一定幅值的信号T X、T
I、T z ;系统的电磁信号发射矩阵为
'I O O'Z=OlO
O O I电磁信号接收传感器5为三维正交线圈，负责接收空间中的电磁信号，电磁信号发射源4的每个轴发射的低频磁场都会在电磁信号接收传感器5的X、Y、Z轴线圈中感应出不同幅值的感应信号R χ、R y、R ζ ;该感应信号然后经滤波放大单元6和A/D转换单元I后传入数据处理与控制单元
2;在数据处理与控制单元2中提取每一路、每个时间段上的感应信号的幅度值，并将该段信号与所对应的发射信号进行相位比较，若同相则幅度值取正，反之取负，这样就得到系统的接收矩阵41 為 2 ^13Y = Al A22 A23
jL· / ^2接下来在数据处理与控制单元2中进行位置姿态坐标的求解；由磁偶极子相关理论可以推知，三阶接收矩阵Y与三阶发射矩阵X有如下关系Y = - — HMX
r'
式中Y为已知的接收矩阵，由九个测量值组成；X为已知的发射矩阵；K为一系统常数；r为电磁信号接收传感器5与电磁信号发射源4的距离；M为包含了电磁信号接收传感器相对于电磁信号发射源的位置球坐标(r，α, β)的位置变换矩阵，M = I-Mut其中 .为指向r的单位位置坐标向量；H为包含了电磁信号接收传感器5相对于电磁信号发射源4的姿态角度(Ψ, Ψ,Θ )的姿态变换矩阵，
cos φ cos ψsi η φ cos ψ-sin ψ
H= sin ^sini// cos ψ - cos Osincp si η si η ψ si η φ + cos Θ cos φ sin ^ cos ψ cos ^sin ψ cos φ + si n (9 si η φ cos (9 si η ψ sin sincos φ cos Θ cos ψ由接收矩阵Y通过下式可计算出电磁信号接收传感器5相对于电磁信号发射源4的姿态Η = - — ΥΧ V 1
K为计算H矩阵，需要先计算出r和M ;经过矩阵变换最后可以得到
Ιζ^
Coin] —μ2= (YX 'Yyx '引入单位位置坐标向量5得
Af(2—-/7 = (yx '); YX '/7
Y其中，单位位置坐标向量是变换矩阵A=(YF1)tYF1关于特征值￡ = 的特征
ur6
向量;由线性代数知识可知，矩阵的迹等于其主对角线上各元素和，可求矩阵A的迹
6人,2tra{A) = v4n + A22 + A,, = ~~从而得到/ =(-~~—/6
Ai +Az + As
这样便得到了电磁信号接收传感器5与电磁信号发射源4的距离。在计算单位位置坐标向量 时，采用计算变换矩阵A的模最大的特征值和其对应的特征向量的迭代方法，方法的主要步骤如下(5)设定一个向量c,作为初始向量；(6)设定=
权利要求
1.一种用于体域网医疗诊断或康复训练的电磁定位装置，其特征在于 电磁信号接收传感器与滤波放大单元、A/d转换单元、数据处理与控制单元、电磁信号驱动放大单元、电磁信号发射源顺序连接，该数据处理与控制单元与上位机连接； 所述数据处理与控制单元结构是处理器分别连接SDRAM存储器、FLASH存储器、电源电路和USB接口，这里的处理器为DSP、或单片机、或FPGA、或ARM数据处理芯片；一方面用于向电磁信号驱动放大单元发出控制信号，一方面与A/D转换器相连，接收电磁信号数据并进行位置姿态坐标的解算，另一方面通过数据接口，将处理后的位置姿态信息传输给上位机； 所述电磁信号驱动放大单元，用于将数据处理与控制单元产生的控制信号进行驱动放大，以驱动电磁信号发射源工作； 所述电磁信号发射源为正交的三轴线圈，由电磁信号驱动放大单元驱动，三轴线圈分时工作，用以向空间辐射电磁波，分时发送一定幅度的低频的正弦交流信号，或分时发送一定幅度的直流脉冲信号； 所述电磁信号接收传感器为小型的正交三轴线圈或磁阻传感器芯片，传感器与滤波放大单元间的通信可以采用有线或是无线的方式，无线方式主要有蓝牙、Zigbee，用于接收空间中的电磁波信号，作为确定人体肢体运动情况的传感器； 所述滤波放大单元，用于对电磁接收信号的滤波放大，以方便进行A/D转换； 所述A/D转换单元，主要由A/D转换器组成，用于将滤波放大后的信号进行模数转换，最后传入数据处理与控制单元中进行位置姿态坐标的解算； 所述上位机为PC机或移动终端设备，用于接收数据处理与控制单元的数据，将肢体的运动情况显示在终端上，用于将肢体的运动以坐标的形式或是三维立体图形的形式显示出来。
2.根据权利要求I所述的用于体域网医疗诊断或康复训练的电磁定位装置，其特征在于采用两个以上的电磁信号接收传感器。
3.根据权利要求I所述的用于体域网医疗诊断或康复训练的电磁定位装置，其特征在于采用两个以上的电磁信号发射源。
4.一种用于体域网医疗诊断和康复训练的电磁定位方法，其特征在于包括下列步骤 首先由数据处理与控制单元控制电磁信号驱动放大单元，驱动电磁信号发射源的正交三轴线圈分时工作，向空间辐射电磁波； 电磁信号发射源的X、Y、Z轴线圈按时序发送一定频率一定幅值的信号T X、T y、T ζ;系统的电磁信号发射矩阵为
全文摘要
本发明涉及一种用于体域网医疗诊断和康复训练的电磁定位装置和方法，属于一种医疗定位装置和方法。包括电磁信号驱动放大单元、电磁信号发射源、电磁信号接收传感器、滤波放大单元、A/D转换单元、数据处理与控制单元以及上位机。本发明的优点在于采用电磁定位方法，可准确检测病人的肢体运动，该装置工作频率可达100Hz，实时性好；理论精度可达1mm，定位准确无奇点；可广泛应用在帕金森、癫痫等病人的医疗诊断和康复训练过程中。
文档编号A61B5/11GK102813517SQ20121032744
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者孙晓颖, 王庆龙, 陈明智, 白洋, 陈建 申请人:吉林大学