一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，包括：信号发生装置，包括带有信号传输线的导电织物，导电织物与纽扣电池连接；导电织物与人体上肢肘关节紧贴，上肢运动对导电织物进行拉伸，使导电织物两端的电压信号发生变化；信号采集与传输装置，采集所述电压信号，并发送至信号接收与显示装置；信号接收与显示装置，接收所述电压信号，并对其进行功能运动表征，同时实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。本发明专利技术还提供了一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法。本发明专利技术成本低廉，稳固性好，具有高灵敏度、强适应能力，同时敏感元件能够很好地集成到日常穿着的服装上，可为人体上肢运动的生物力学分析提供依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于聚吡咯导电机织物为传感元件的上肢运动监测系统及方法，属于可穿戴智能纺织品

技术介绍
肢体运动状态测试在康复医学、体育运动等领域都有着重要的应用。例如，在一些体育训练中，运动信号被用来识别运动员在训练中的不足，从而有目的地指导后期训练；在康复医学领域，运动信号被用来检测病人的康复过程。目前，由加速计、柔性电测角计、摄像机组成的运动捕捉系统已被用于监测人体运动。研制成功的产品有英国牛津(Oxford)公司自80年代推出的一系列VIC0N运动分析系统，在许多发达国家得到了广泛应用。这套系统是基于摄像机的，目前有700多套各种型号在实验室里和各种医院、康复中心里运作。美国的PeakPerformance Technologies Inc.在过去的近20年也推出了一系列的商用PeakMotus运动测量系统，该系统同样是基于摄像机的，也取得了广泛的应用。虽然这样的系统能够准确的测量人体的动作，但它的便携性和隐蔽性差，不方便使用。同时，这些组件为刚性或无弹性材料，如被固定在服装上会影响人们穿着的舒适性。不同传感原理和传感材料的传感监测技术已被应用于人体运动姿态系统的开发。国内外已有部分专利技术和学术文献被公开，如专利技术专利“一种姿态识别方法及姿态识别控制系统”(公开号:CN102799263A)，该专利对摄像装置采集的肢体动作图像进行预处理，提取出仅包含肢体动作区域的图像数据；提取图像数据的肢体动作特征，确定肢体摆放姿势，判断肢体运动状态。本专利技术免去了红外感光手套或者传感器对用户的限制，方便了用户操作；但其只能在特定的地点进行测试，不能对人体运动进行实时监测。专利“肢体运动监测系统”(公开号:CN 101522101A)中采用微型运动传感器、光子织物、嵌入织物的微型压力传感器以及肌肉活动传感器搭建了一个肢体运动监测系统。该系统结构复杂，嵌入织物的传感器会影响织物的舒适性进而影响测试结果。除此之外，《传感技术学报》2008年第7期发表论文“基于机织结构的柔性应变传感器的设计与分析”，作者以导电纱线与绝缘纱线组合的机织结构设计了并联式与串联式的应变传感器，通过实验发现，如果机织物中的导电纱线为并联式，理论上可用于任意尺寸物体的大应变检测，若为串联式，则仅适用于较小尺寸物体的大应变检测。文章只是对两种不同结构下传感器的应变敏感性进行了讨论，并没有应用到肢体进行实测。《SyntheticMetals》2005 年第 155 卷第 3 期发表论文“Conducting polymer coated lycra”，文中采用聚吡咯莱卡织物作为一个动态电路元件组成一个电路，长条状导电织物覆盖在膝盖上，随着膝盖的弯曲导电织物电阻发生变化。根据电阻变化的大小，电路中的发生器发出不同的声音，通过声音的不同大小来反映膝盖的弯曲程度。作者对肢体的运动测试只是一个定性的评价，且提出的条状导电织物仅能反应弯曲程度，不能全面反应肢体的全方位运动。((Journal of neuroengineering and rehabilitat1n〉〉2005 年第 2 卷第 1 期发表了论文“Wearable conductive fiber sensors for mult1-axis human joint anglemeasurements”，介绍了一种能够连续长期地监测人体关节运动的技术，该技术就是将一根导电纱线贴附在织物上，随着关节的弯曲导电纱线会伸长，从而导致其电阻增加，通过电阻的变换来反映关节的运动。《Sensors》2014年第14卷第3期发表了论文“A Textile-BasedWearable Sensing Device Designed for Monitoring the Flex1n Angle of Elbow andKnee Movements”，文中采用弹性纱线制作了弹性导电带，基于弹性导电带组装了一个用于检测人体手肘和膝盖运动角度的检测系统。通过实验发现该系统能够很好地反映手肘与膝盖的运动角度，随着运动角度的增加，导电弹性带的电阻几乎成线性增加。这些研究所述检测方法由于传感元件的一维化，只能反应肢体的弯曲运动——这种单一运动。此外，这些研究所述测试方法中往往采用如粘贴式、筘式等固定导电织物与信号采集设备之间的信号引出线，在肢体的反复弯曲运动中都存在容易松动甚至脱落的问题。综上所述，从肢体运动检测的现行方法、专利陈述及研究报告所提方法来看，存在两方面不足:要么传感元件及信号传输线的材料刚性远远超过常规服装用材料，不满足面向可穿戴医疗实时监测模式的柔性化、隐蔽性、舒适性；要么所监测的运动模式单一，不能真实反应肢体运动过程，诸如弯曲和旋转。鉴于现有肢体功能运动监测技术在长时可穿戴医疗监测应用中的不足，本专利技术将利用导电纺织材料作为传感元件来监测人体运动，并解决传感元件固定、信号传输线的易脱落、易松动等问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于导电织机物作为传感元件的人体运动状态测试系统及方法，适用于肢体功能运动状态监测。该织物传感器具有与服装一样的材质特性，能够完美地与服装集成从而实现一体化。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，其特征在于:包括:信号发生装置，包括带有信号传输线的导电织物，导电织物与纽扣电池连接；导电织物与人体上肢肘关节紧贴，上肢运动对导电织物进行拉伸，使导电织物两端的电压信号发生变化；信号采集与传输装置，采集所述信号传输线传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置；信号接收与显示装置，接收信号采集与传输装置发来的电压信号，并对其进行功能运动表征，同时实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。优选地，所述信号发生装置中，导电织物为由聚吡咯单体与棉氨混纺织物经原位聚合法制成的聚吡咯导电织物，信号传输线为导电纱。优选地，所述导电织物的尺寸满足把整个肘关节包覆；所述导电织物的伸长量不小于30%。优选地，所述信号传输线为构成导电织物的纱线，其通过缝编或刺绣方式引入导电织物中。优选地，所述信号采集与传输装置通过无线进行信号采集与传输。本专利技术还提供了一种基于织物传感器的上肢功能运动监测方法，采用上述的上肢功能运动监测系统，步骤为:步骤1:把导电织物缝合在紧身衣上，使导电织物以一定张力贴附于人体上肢肘关节上面；导电织物与纽扣电池连接；步骤2:人体上肢运动时，肘关节及紧身衣带动导电织物产生变形，导电织物的变形会使得其电阻发生变化，因而导电织物两端的电压信号相应变化；步骤3:信号采集与传输装置采集信号传输线传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置；步骤4:信号接收与显示装置，接收信号采集与传输装置发来的电压信号并转换成数字信号，通过所述信号的变化趋势与变化大小判断肢体的运动状态，实时显示在显示装置的交互界面上优选地，所述步骤1中，紧身衣的弹性至少超过导电织物的两倍。 优选地，不同方向的运动导致导电织物在不同方向上受到拉伸，从而电阻的方向性变化及大小显示了人体上肢运动方向和运动强度。优选地，所述步骤4中，肢体运动状态的判断方法如下:当导电织物两端的电压减小时，上肢在做弯曲运动；当导电织物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统，其特征在于，包括：信号发生装置(A)，包括带有信号传输线(3)的导电织物(2)，导电织物(2)与纽扣电池连接；导电织物(2)与人体上肢肘关节紧贴，上肢运动对导电织物(2)进行拉伸，使导电织物(2)两端的电压信号发生变化；信号采集与传输装置(B)，采集所述信号传输线(3)传入的电压信号，并将所述电压信号发送至信号接收与显示装置(C)；信号接收与显示装置(C)，接收信号采集与传输装置(B)发来的电压信号，并对其进行功能运动表征，同时实时显示功能运动状态，实时保存数据并成像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡吉永，张晓峰，周淑雯，史俊辉，杨旭东，丁辛，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31