康复锻炼用姿态监测智能T恤的研究

2015-05-05高同辉卫朝霞

丝绸 2015年12期

关键词：实验者T恤蓝牙

高同辉，卫朝霞

(1.平顶山工业职业技术学院自动化系，河南平顶山467001； 2.电子科技大学成都学院计算机系，成都 611731)

研究与技术

康复锻炼用姿态监测智能T恤的研究

高同辉1，卫朝霞2

(1.平顶山工业职业技术学院自动化系，河南平顶山467001； 2.电子科技大学成都学院计算机系，成都 611731)

针对脊柱疾病的患者康复锻炼期间需要监测生理参数，采用无线可穿戴T恤进行姿态监控。患者姿态通过直接缝制在织物上的Z字型感应式传感器进行采集，然后通过信号调理电路放大和滤波，最后经微控制器处理并通过蓝牙低功耗模块发送至PC终端或Android手机终端的康复监控管理系统。与在医师指导下的光学系统所获得的标准姿态数据进行对比，通过微电机发出的震动强弱不同的信号，提醒患者矫正自己的体位。通过4位实验者进行的实验证明：智能T恤能够与光学系统所获得的数据进行比较，产生可靠的数据，能够帮助患者形成正确的锻炼姿势，恢复正常的生理状态。

智能T恤；康复；感应式传感器；姿态监测；微控制器

人们在成长、工作和衰老期可能会出现不同程度的脊柱疾病，如脊柱侧凸及骨质疏松、椎体骨折等不同的疾病导致脊柱畸形。这些脊柱疾病的治疗方案主要有手术、理疗或约束胸衣和加强肌肉锻炼，其中康复体育锻炼中的伸展肌体运动会有助于提高运动范围和改善脊柱活动能力。脊柱畸形患者的康复训练期间用于检测姿态运动有不同的解决方案，检测姿态有助于患者缩短康复锻炼时间。通常应用特定的惯性器件进行姿势分析，如加速计、惯性测量单元、电磁传感器或立体声摄影测量系统和混合动力系统[1]等。但是这些姿态监测方法中的可穿戴式传感器，主要在质量、尺寸、有线、支撑结构的刚性等方面存在很大的缺陷，如果患者全天佩戴会感到难以接受，并且活动范围受限。因此，需要研究无线、轻巧、舒适、易用[2]的可穿戴式服装用于康复锻炼的姿态监测。

本研究开发的姿势监测系统选取轻巧、贴身的莱卡弹力面料为智能T恤的纺织基材[3]，将Z字型细铜丝的感应传感器放置于无线传感T恤衫中，在脊柱畸形患者康复锻炼过程中用于监控体位并矫正患者的不正确体位。

1 设计原理

患者的康复锻炼姿态如图1所示，实验者坐在一把椅子上缓慢进行锻炼伸展身体。假设患者有两种极端的姿态：高程度脊柱弯曲(P-slump)、身体伸展和矫直(P-hyper)。姿态P-slump和P-hyper在身体矢状面部分的延伸具有明显差异，其目的是通过在矢状面的延长和矫直测量被实验者的T恤形变，因此设计一个Z字型传感器集成在T恤上，实验者不同的体位姿态都会导致T恤上的传感器产生不同的伸缩量。

2 姿态监控系统设计

姿势监测系统如图2所示，该系统包括姿态测量模块和接收模块两部分。姿态测量模块由感应式传感器、电路板和一个振动微电机构成[4]，该传感器适当地从患者背部和胸部缝合到T恤上；采用调理和发送电路的电路板，装在一个约13 mm×7 mm×5 mm盒子里并固定在裤子上；传感器的两个端子通过卡扣连接器与电路板相连。接收模块主要由蓝牙模块构成，可以直接连接到个人计算机或Android系统手机[5]。

图1 姿态练习示意Fig.1 Schematic diagram of posture practice

图2 姿态监测系统组成Fig.2 Composition of posture monitoring system

2.1 传感器设计

将直径1 mm的漆包线手动缝在T恤上，传感器的尺寸约9 cm长，2.5 cm宽，总长度50 cm，以Z字形图案缝在背部和胸部的矢状平面上，如图2(a)所示。T恤选取轻巧、贴身、耐磨、透气的莱卡弹力面料，成分为涤纶58 %、氨纶42 %，延伸性为200 %。患者锻炼期间，身体的延伸及背部和胸部的矫直会引起T恤的形变，然后引起传感器电感的变化。该传感器的阻抗特性使用HP4194A阻抗分析仪测量，其阻抗的幅度和相位图如图3所示。数据表明，工作频率约50 kHz时，传感器呈感性，等效电路可以由串联电感与两个同一电容并联的电阻等效。测量获取的等效电路参数为：电感值4.6 μH，电容值22 pF，电阻值1.6 Ω。

图3 传感器的频率特性Fig.3 The frequency characteristics of the sensor

图4为姿态与传感器参数的关系。图4中，患者锻炼期间对应于沿着背部和胸前的传感器大概有5 cm的长度变化，传感器的电感值从P-slump变化到P-hyper也不同。在P-slump与P-hyper之间的Pi1，Pi2，Pi3，Pi4是对应于所涉及对象的位置之间的中间姿势。电感值对应不同姿势时T恤引起的变形，其临床评价必须由医师指导完成。由于电感变化时间是短暂的，通过在传感器上添加并联电容器，以创建一个共振点，并测量沿共振曲线的上升沿阻抗的变化。采用330 pF的电容器与传感器并联，在接近约4 MHz的谐振点时，对该模块的阻抗进行分析。实验者的从P-slump改变到P-hyper的中间姿态的函数，在3.92 MHz频率时，实验结果表明对应引起的T恤约5 cm的变形，产生约3.2 kΩ的阻抗的变化，最高达到约7.6 kΩ。由于不同的患者穿着T恤会引起不同的形变，因此会影响共振频率值及其变化范围。

图4 姿态与传感器参数的关系Fig.4 Relationship between postures and sensor parameters

2.2 智能T恤的电路板设计

电路板的结构框图如图5所示，采用分辨率为0.28 Hz的低功耗直接数字频率合成器AD9834，生成3.92 MHz的正弦波参考信号，该正弦信号驱动图6中调理电路。因为不同的穿戴者可能具有不同的动作，即使是相同的姿态改变引起T恤衫的形变可能也是不同的。传感器Zs并联到一个约330 pF的电容Cs，具有大约3.92 MHz的共振频率，其阻抗[6]设为ZI。

假设Vi=sin(ωt)，则：

(1)

式中：φ依赖于ZI阻抗引起的相移，在分析中可以忽略不计。该信号Vd经一个四象限乘法AD835得到平方值，放大增益为Am，输出电压Vm的平均值正比于ZI的导纳。

(2)

式中：Vm是具有Ao增益的二阶低通滤波器LPF，该电路作为A/D转换器的输入级。低通滤波器提取信号Vm的平均值。

(3)

式中：Vo与阻抗ZI成反比。

图5 电路板Fig.5 Circuit board

图6 调理电路Fig.6 Conditioning circuit

电压Vo通过微控制器的10位ADC转换，ADC输入电压范围0～3 V。系统由容量为1 200 mAh的两节串联9 V电池供电，两个DC-DC调节器生成3 V和正负5 V电压。

微控制器采用美国德克萨斯州飞思卡尔半导体有限公司生产的S08GB60，将电感式传感器的阻抗信号通过10位ADC和协调器发送无线数据，然后通过蓝牙模块读出。微控制器采集和传输相关程序流程[7]如图7所示。首先进行微控制器执行程序变量和外围设备的初始化及蓝牙初始化。然后该程序控制DDS生成工作频率，当电路板上的开关被按下，则固件发送一个起始信号给光测量系统，下传并等待同步信号。ADC获得电压Vo，此时蓝牙不能够开启。当数据被获取并且蓝牙准备就绪，DDS的和ADC此时不工作，然后通过被激活的蓝牙传输数据，如此不断循环。

图7 微控制识别与传输流程示意Fig.7 The schematic flowchart of micro-control identification and transmission process

传感器获取的每个姿态信号从获取、传输到接收，整个过程大约持续30 ms，如图8所示。发射蓝牙模块ESD200集成在印刷电路板上，和接收蓝牙装置之间建立串行通信端口传输通道。其工作过程[8]：首先单片机每次连接中重置蓝牙，然后蓝牙被配置为可发现模式，等待接收模块的连接。

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

2.3 接收模块设计

接收模块结构如图9所示，采用蓝牙设备ESD200，通过串行通信接口SCI连接至微控制器HC9S08AZ。微控制器产生数据并将其传送到PC上进行本地分析，或通过SCI连接到本地局域网集成服务器模块用于远程连接。PC中采用美国NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW开发图形用户界面[9]，实现管理数据通信、保存和显示接收数据[10]。

图9 读出单元Fig.9 Read-out unit

3 实验设计

智能T恤姿态监测系统的可行性，可以通过姿态监测数据与光学测量系统的数据进行比较来检验。光学测量系统由3部柯达CX1相机组成，相机用来获取实验者发出的红外线信号，每个相机包括三个安装在一个刚性框架的线性光电二极管阵列传感器，用于定位已知距离的透射掩膜。当LED红外标记移动时，灯光通过掩膜投射在传感器阵列上，并绘制出图案，然后处理器执行实时具有互相关的相同图案并计算入射面的角度。三个传感器阵列获取角度信息由软件计算，以便产生标记的空间位置信息。两个传感器在一个方向上进行向量分解，中间传感器在正交方向分解[11]。每个传感器确定三个数据表示一个固定参考物标记的位置，标记物的平均静态变化小于0.1 mm。

如图10所示，标记物粘在T恤上，其中6个标记物(B1～B6)放置在背部，另外6个标记物放置于胸腹部(F1～F6)，标记之间的距离恒定约90 mm，标记物连接到收发器且具有唯一标识符，并为每个实验者提供一个固有ID。

图10 T恤上的感应传感器及作对比的光学标志物Fig.10 Image of inductive sensor on the T-shirt and the optical markers added for comparison

4位身体健康的没有脊柱疾病的实验者参与该实验系统，实验者的平均年龄为25.6岁，平均身高为173 cm。他们编号依次为实验者1-实验者4，实验期间每位实验者坐在一个无背椅子上。首先实验者尽可能在过伸位置(P-hyper)保持直立挺拔地坐5 s，然后弯曲到跌落姿势(P-slump)，保持臀部不向前屈折5 s，然后重复做这两个过程。实验者需要进行一些增强训练，标记物位置通过光学系统进行监测和暂存，同时测量电路板输出电压信号VO。

4 结果与分析

通过4位实验者每人每天进行20次实验以获得传感器数据，与光学测量系统进行多次测量分析。要求所有实验者具有基本相同的身体形态并执行缓慢

的拉伸运动。图11为光学系统测得的伸展长度与电路测得电压值之间的特性曲线，伸展长度通过计算所有的背部和胸部的分段伸展值(B1-B2，B2-B3……F5-F6)获得。图11中的实验数据表示在参考频率不变时测量系统与参考系统获得伸展长度值，将所有的实验数据放在一起，以获得最准值的不确定性估计。

图12为光学系统及监测系统电路获得的4名实验者伸展长度值与电压值之间的关系(平均值±1标准差)。对于所获取的较小的伸展值，实验标准误差大约为68 mV，反之对于较大的伸展值，输出电压误差大约为23 mV。因此，最大的实验不确定性是约4.9 mm，10位ADC的分辨率提供约2.9 mV的电压分辨率，对应约0.6 mm的伸展值。

本系统实验阶段的康复锻炼姿态是在职业医师的指导下通过实验者完成，并从大量实验数据中筛选建立标准姿态数据库。脊柱畸形患者在康复锻炼时的运动姿态，通过Z字型传感器采集处理后的数据与医师指导下的标准姿态数据库对比，不标准或错误的锻炼姿态，通过安装在姿态测量模块中的微电机发出的震动强弱不同的信号，提醒患者纠正自己的姿态。

Z字型传感器的阻抗值可能由于不同的因素而变化：1)T恤可以洗涤，洗涤后发现电感参数的没有太大变化，可以通过系统中的复位按键校准来消除电感变化量的影响，从而使DDS合成器改变频率以获得阻抗的最大值；2)康复锻炼可能导致T恤因汗水变湿，但不会影响测量结果。因为一方面铜线是漆包线，不会直接接触汗水；另一方面相对于电容Cs，传感器产生的寄生电容的变化可忽略不计。实验结果表明，这些不同因素对姿态监测结果的影响是次要的。

图11 伸展长度数据与电路输出电压间特性曲线Fig.11 Characteristic curve between extension length data and output voltage of the conditioning circuit

图12 伸展长度平均值与电路输出电压间特性曲线Fig.12 Characteristic curve between mean extension length and output voltage of the conditioning circuit

5 结论

本文设计的智能T恤在脊柱畸形患者康复锻炼期间测量身体运动产生的伸展长度值，采用Z字型感应式传感器缝制在T恤于织物中，当身体运动产生几何变形时会引起T恤中传感器阻抗的变化，通过微控制器系统测量阻抗值并输出电压。

患者的身体姿态的临床评估由专业医生完成，通过设计原型将患者的姿态与输出电压之间建立对应关系。该系统具有一个生物反馈姿势的振动信号，通过振动微型马达实现振动刺激获得的信号传递给患者，实现医生嘱咐的反馈作用，从而鼓励患者形成正确的姿势习惯，恢复正常的生理状态。

由于传感器输出的是与T恤形变相关的电压，原型已经通过与通常在实验中对体动分析的光学测量系统的结果进行了比较。通过大量的实验数据表明，该系统的输出电压和T恤的变形有直接对应关系，所有的应用数据都充分考虑不确定性，最大的不确定性约为4.9 mm。该智能T恤具有无线、轻量、耐磨并满足患者的舒适、易用、无创的临床和心理需要。

[1]GOPALAI A A, SENANAYKE S M N A. A wearable real-time intelligent posture corrective system using vibrotactile feedback[J]. Mechatronics IEEE/ASME Transactions,2011,16(5):827-834.

[2]田苗,李俊.智能服装的设计模式与发展趋势[J].纺织学报,2014,35(2):109-115. TIAN Miao, LI Jun. Design mode and development tendency of smart clothing[J]. Journal of Textile Research,2014,35(2):109-115.

[3]O’SULLIVAN K, O’ULLIVAN L, CAMPBELL A, et al. Towards monitoring lumbo-pelvic posture in real-life situations: Concurrent validity of a novel posture monitor and a traditional laboratory-based motion analysis system[J]. Manual Therapy,2012,17(1):77-83.

[4]BUECHLEY L, EISENBERG M. Fabric PCBs, electronic sequins, and socket buttons: techniques for e-textile craft[J]. Personal and Ubiquitous Computing,2009,13(2):133-150.

[5]罗祖秋,金纯,陈峰,等.基于蓝牙和ZigBee技术的可穿戴网络设计[J].电子技术应用,2006(3):29-31. LUO Zuqiu, JIN Chun, CHEN Feng, et al. Bluetooth and ZigBee technology-based wearable network design[J]. Application of Electronic Technique,2006(3):29-31.

[6]MIJAILOVI C N, PEULI A C, FILIPOVI N C, et al. Implementation of wireless sensor system in rehabilitation after back spine surgery[J]. Serbian Journal Electron Engineering,2012,9(1):63-70.

[7]镇咸舜.蓝牙低功耗技术的研究与实现[D].上海:华东师范大学,2013:27-29. ZHEN Xianshun. Research and implementation of bluetooth low energy[D]. Shanghai: East China Normal University,2013:27-29.

[8]李瑞昌,廖皤.基于体域网的医疗监测系统研究[J].现代电子技术,2013,36(17):49-51. LI Ruichang, LIAO Fan. Research of medical monitoring system based on body area network[J]. Modern Electronics Technique,2013,36(17):49-51.

[9]陈珊,唐方,吴杰,等.基于LabVIEW的智能监护服系统的设计与开发[J].天津工业大学学报,2011,30(1):79-82. CHEN Shan, TANG Fang, WU Jie, et al. Design and development of system of smart monitoring clothing based on LabVIEW[J]. Journal of Tianjin Polytechnic University,2011,30(1):79-82.

[10]陈欢欢,杨斌.健康监测服装系统软件的设计与实现[J].丝绸,2012,49(7):36-38,54. CHEN Huanhuan, YANG Bin. Design and implementation of application software for health monitoring system[J]. Journal of Silk,2012,49(7):36-38,54.

[11]SARDINI E, SERPELLONI M, OMETTO M. Smart vest for posturemonitoring in rehabilitation exercises[J]. Sensors Applied Symposium,2012,42(2):1-5.

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