專利名稱：用于測量兩個肢體之間的關(guān)節(jié)處的扭曲或彎曲的方法、裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量兩個肢體之間的關(guān)節(jié)處(比如，人體或動物體的部位)的扭曲度或彎曲度的方法。本發(fā)明也涉及用于測量扭曲度或彎曲度的系統(tǒng)。而且，本發(fā)明還涉及用于測量扭曲度或彎曲度的支架。
背景技術(shù)：
對于科學(xué)或治療而言，測量人體或動物體的部位(比如膝蓋或頸部)的扭曲或彎曲很重要。這樣測量所獲得的信息可用于提高人類或動物的能力，比如體育方面的能力，并且可用于防止拉傷。Ravindra Wijesiriwardana 在 IEEE 傳感器雜志第 6 卷、第 3 號(kune 2006)、第571-579頁發(fā)布的題為“Inductice Fiber-Mesfied Strain and Displacement Transducersfor Respiratory Measuring Systems and Motion Capturing Systems” 的又-早描;tdi ,身體運(yùn)動傳感器(ΕΡ0參考號XP-002580465)。該文章提出了將整合為覆蓋物的導(dǎo)電線圈用作換能器，用于測量人類的肢體動作。通過將導(dǎo)電纖維編織為覆蓋物織物，制成這些線圏。描述了在臂部周圍具有繞組的線圈，繞組位于肘部之下、繞組位于肘部處以及繞組位于肘部之上。測量包括所有繞組的單個線圈的自感或具有部分繞組的線圈之間的互感，用于測量肘部的彎曲性。這就能夠測量肘部關(guān)節(jié)之上和之下的兩個點(diǎn)之間的彎曲角度，通過在關(guān)節(jié)之上和之下進(jìn)行測量從而粗略估算關(guān)節(jié)角度吋，假設(shè)支軸或旋轉(zhuǎn)軸在主體之間一致，通過在整個關(guān)節(jié)上監(jiān)測彎曲性，該測量內(nèi)包含支軸或旋轉(zhuǎn)軸的差異或變化。然而，通過這種線圈配置，難以測量整個彎曲性?；ジ袀鞲衅髌鞑荒軠y量旋轉(zhuǎn)度，該旋轉(zhuǎn)度比如可為關(guān)節(jié)的生物力學(xué) 中非常重要的部件。該文章未描述使用額外的傳感器。EP 2 057 944公開了膝蓋支架，結(jié)合加速度傳感器和用作測量彎曲角度的裝置(角度計(jì))的光纖。國際專利申請WO 2009/061181公開了測量第一和第二部件之間的角度的方法、支架和系統(tǒng)，這些部件可為人類或動物的樞轉(zhuǎn)肢體，比如膝關(guān)節(jié)。通過這個已知的方法，通過加速計(jì)，在靜態(tài)的情況下校準(zhǔn)適合于在動態(tài)的情況下使用的角度測量傳感器。所述專利申請公開了將光學(xué)測角器用作角度測量傳感器。更尤其地，公開了使用光纖或光學(xué)軟管測
量角度。使用光纖測量角度存在的問題在干，由于在更大的角度處可能發(fā)生破裂，以及由于僅僅在較小的角度處可能具有透光性，所以彎曲度的最大角度限于大約30度。而且，這種光纖脆弱并且容易受到比如所謂熔覆層的機(jī)械損傷，造成精確度更小、性能降低、尤其是可靠性降低。Kwang Yong Lim等人于2008年5月19-23日在美國加州帕薩迪納市召開的2008IEEE International Conference on Robotics and Automation(2008IEEE 機(jī)器人與自動化國際會議)的會議記錄中發(fā)布題為“A Wearable, Self Calibrating. WirelessSensor Network for Body Motion Processing”的文章，公開了主體傳感器的網(wǎng)絡(luò)(EPO參考XP00258040464)。發(fā)送器用于通過無線信號將數(shù)據(jù)從多個運(yùn)動傳感器發(fā)送給中央處理器。該文章提及了一系列可能的傳感器，包括加速計(jì)、三軸磁性傳感器、陀螺儀和線性編碼器。更廣泛地說，該文章提及了可使用機(jī)械、慣性、聲學(xué)、磁性和光學(xué)傳感，以及光纖網(wǎng)傳感光纖損耗和壓電纖維織物。該文章描述了通過這種傳感器將輸出信息進(jìn)行數(shù)學(xué)建模以及通過不同的傳感器融合信息的方法。僅僅相當(dāng)詳細(xì)地描述了線性編碼器的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供傳感器和對關(guān)節(jié)的扭曲和彎曲敏感的傳感方法。提供了根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法。所使用的傳感器包括導(dǎo)電回路，所述回路的區(qū)域從關(guān)節(jié)處的ー個肢體延伸到另ー個肢體。輸出單元用于提供從回路中得出的輸出信 號。使用具有延伸到兩個肢體的回路區(qū)域的回路,而非僅僅使用多個回路,能夠檢測肢體相對于彼此進(jìn)行的廣泛的彎曲和扭曲運(yùn)動。與僅僅具有均圍繞單個肢體運(yùn)行的多個回路的解決方法相比，通過與肢體的軸向垂直的回路區(qū)域，可檢測更多的不同類型的關(guān)節(jié)運(yùn)動。導(dǎo)電回路可為電感的一部分，具有一個或多個導(dǎo)電回路。此處所使用的回路區(qū)域?qū)?yīng)于這種電感的一個繞組內(nèi)的區(qū)域。然而，多個繞組的回路區(qū)域可與從關(guān)節(jié)處的ー個肢體延伸到另ー個肢體的多個回路區(qū)域大致一致。在一個實(shí)施例中，導(dǎo)電回路完全在關(guān)節(jié)和肢體的一側(cè)上運(yùn)行，S卩，所以肢體根本不穿過回路區(qū)域。這就能夠檢測廣泛的關(guān)節(jié)運(yùn)動。在另ー個實(shí)施例中，各個肢體上的回路部分在肢體的朝向彼此相反方向的那些表面上運(yùn)行。因此，除了從ー個肢體延伸到另ー個肢 體，回路也這樣延伸，從而使肢體穿過回路區(qū)域，這就増大了傳感器的敏感性。在一個實(shí)施例中，由第一回路部分、第二回路部分、第三回路部分和第四回路部分或者多個這種回路形成的導(dǎo)電回路測量自感?；蛘?，可測量多個回路或回路部分的電感矩陣，即，這些回路或回路部分的交叉電感(ー個回路或回路部分內(nèi)的電流引起的另ー個回路的電壓)以及自感。通過電感矩陣，可確定回路或回路部分的組合。使用自感測量關(guān)節(jié)運(yùn)動，簡化了這種測量。在一個實(shí)施例中，該裝置具有額外的傳感器，用于校準(zhǔn)導(dǎo)體回路的輸出和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系等等。導(dǎo)電回路的優(yōu)點(diǎn)在于，這種回路機(jī)械上非常容易彎曲，彎曲角度較大，而不損傷回路。使用柔性回路的作用在于，傳感器在很大程度上可變形，而不受到損傷。傳感器發(fā)生較大的變形，允許測量膝蓋、肘部或人體或動物體的其他部位(比如軀干或頸部)的較大彎曲或扭曲。


使用以下附圖，通過描述示范性實(shí)施例，這些和其他目標(biāo)以及有利的方面顯而易見。圖I為回路的兩個不同變形的不意圖2為用于膝蓋支架的回路的實(shí)施例的實(shí)例的示意圖；圖3為用于測量回路的電感的可能的裝置的示意圖；圖4為支架的實(shí)施例的示意圖；圖5顯示了用于測量扭曲或彎曲 的回路的一些實(shí)施例；圖6顯示了該系統(tǒng)的兩個實(shí)施例；圖7顯示了回路彎曲的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；圖8闡述了ー種方法；圖9顯示了傳感器回路的一實(shí)施例；圖10顯示了傳感器回路的另ー實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式彎曲是諸如膝蓋或肘部等關(guān)節(jié)的特征。扭曲為身體的旋轉(zhuǎn)部件(比如軀干或頸部)的特征。尤其地，頸部和軀干運(yùn)動可較為復(fù)雜，這是因?yàn)槠渚哂些`個以上的自由度。傳感器(sensor)被提供為允許測量這種復(fù)雜的運(yùn)動。在圖I中，顯示了矩形(I)的簡單的彎曲(2)和更復(fù)雜的變形(3)。矩形回路的每種形狀會具有不同的電感。因此，回路電感是對變形的測量。測量扭曲度或彎曲度的方法包括三個步驟，其中，第二步驟包括子步驟。可按照任意的順序執(zhí)行這些子步驟中的兩個子步驟。在第一步驟中，傳感器連接到身體部位，必須測量該部位的扭曲或彎曲性。在該方法的最后ー個步驟中，該傳感器所測量的輸出信號與測量中的身體部位的扭曲度或彎曲度有關(guān)。尤其地，在動態(tài)的情況下，即，人類或動物運(yùn)動吋，其為扭曲或彎曲。優(yōu)選地在人類或動物休息時，在這兩個步驟之間，校準(zhǔn)傳感器。校準(zhǔn)表示回路的電感與特別明確的扭曲或彎曲相關(guān)。必須儲存這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(calibration data),以便后面用于最后一個步驟中，該步驟將所測量的電感與扭曲或彎曲相關(guān)聯(lián)。在該方法的那個中間步驟中，在動態(tài)的情況下也測量回路的電感。進(jìn)行動態(tài)測量之前或者之后，都可進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)然，校準(zhǔn)步驟本身之后，必須儲存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)由于測量扭曲和彎曲的某種傳感器在動態(tài)情況下具有更好的性能以及其他類型的傳感器更適用于靜態(tài)的情況，所以使用該方法。通常，在靜態(tài)的情況下，使用熟知的角度測量，可相當(dāng)好地并且精確地測量可平移到彎曲角度和旋轉(zhuǎn)角度的扭曲或彎曲。可手動或通過各種自動或半自動的技術(shù)裝置進(jìn)行這種測量?？芍苯釉谏眢w上或根據(jù)照片、影片或視頻進(jìn)行手動測量。通過使用電位計(jì)、可變電阻器、加速計(jì)或者用于通過確定例如重力相對于彎曲元件的位置的方向直接或間接測量角度的其他技術(shù)機(jī)構(gòu)，也可完成靜態(tài)條件下的測量。在動態(tài)的情況下測量扭曲或彎曲的傳感器不夠精確，因?yàn)楸热缙?，或者因?yàn)檫@些傳感器尤其適合于進(jìn)行相對測量，而不適合于進(jìn)行絕對測量。在該方法、支架和系統(tǒng)中，導(dǎo)電回路用于測量扭曲或彎曲。由于在形狀方面，尤其在扭曲或彎曲方式方面，回路電感不是絕對測量，所以這種回路需要進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)若干種方法，可進(jìn)行校準(zhǔn)。在實(shí)際測量扭曲或彎曲之前，可進(jìn)行該校準(zhǔn)。在這種情況下，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可用于實(shí)時確定扭曲和彎曲。也可在實(shí)際測量扭曲或彎曲之后，進(jìn)行該校準(zhǔn)。在后面這種情況下，隨后必須儲存和處理所測量的數(shù)據(jù)，從而在實(shí)際測量的過程中，獲得扭曲或彎曲。然而，在實(shí)際測量的過程中，優(yōu)選的方法是再次進(jìn)行校準(zhǔn)。可自動進(jìn)行這種再次校準(zhǔn)，該校準(zhǔn)允許糾正導(dǎo)電回路幾何的半永久性變化。在使用的過程中，比如由干支架移動，回路幾何會發(fā)生變化。加速計(jì)會引起自動再次校準(zhǔn)，加速計(jì)檢測人類或動物處于靜止的位置或者至少檢測身體部位處于靜止?fàn)顟B(tài)，必須測量該部位的扭曲或彎曲。在實(shí)際測量的過程中進(jìn)行再次校準(zhǔn)的情況下，ー個或多個額外的傳感器必須連接到主體。這種額外的傳感器應(yīng)為在靜止的情況下能夠精確地確定扭曲或彎曲的傳感器，即，主體或主體的至少相關(guān)部位處于靜止?fàn)顟B(tài)時。實(shí)際上，這種傳感器可為加速傳感器，即，可檢測重力方向的傳感器，因此，這種傳感器允許進(jìn)行精確的角度測量。在彎曲部位的兩個外端，比如必須測量膝蓋彎曲時，在大腿和小腿處，可連接兩個額外的角度測量傳感器。MBl比如由于彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)或其他變形，回路的形狀發(fā)生變化時，導(dǎo)電回路的電感 變化。然而，有時難以將電感的變化與軌道形狀的特定變化相關(guān)聯(lián)。為此，回路優(yōu)選地構(gòu)成為特定的形狀，或其變形受到主體的性能或衣服或支架的限制。在這種情況下，所測量的電感會與校準(zhǔn)步驟中獲得的扭曲或彎曲很好地相關(guān)聯(lián)。在圖2中，顯示了膝蓋支架(5)的回路(4)的實(shí)施例的實(shí)例。在此，支架由圓柱體表示，但是實(shí)際上，支架的形狀會更好地調(diào)整成適合于小腿和大腿以及膝蓋。膝蓋的大小由一個圓圈(9)表示。在圖的右手邊，僅僅顯示了回路的三維圖。此處，可見回路適合于小腿和大腿以及膝蓋的特定形狀，根據(jù)觀察，這種形狀的敏感度更高。具有更多的自由度時，監(jiān)測回路電感的變化的特征，而非僅僅監(jiān)測單個分離的電感測量，有助于區(qū)分進(jìn)行哪種運(yùn)動，從而能夠分離前向和側(cè)向彎曲和旋轉(zhuǎn)。額外的回路可用于檢測更復(fù)雜的變形，即，具有ー個以上的自由度的變形。更具體地說，這種額外的回路或這些回路的區(qū)域可與第一回路的區(qū)域垂直，從而優(yōu)化測量ー個以上的自由度。導(dǎo)電回路可連接到或整合到各種材料中，尤其是適合不同應(yīng)用的纖維織物或塑料，比如，給傳感器提供預(yù)張カ的弾性更強(qiáng)的材料。然而，比如通過粘合劑或通過夾在衣服上，該回路也可連接到主體。該回路的形狀可為特定扭曲或彎曲獲得最大敏感度和精確性?；芈房删哂泻唵蔚男螤?，比如矩形或圓形，或者可具有更復(fù)雜的形狀，該形狀包圍身體的部位，如圖2的右手邊位置所示。在圖中，回路為單個打開的繞組。然而，為了増大敏感度或者由于其他原因提高性能，回路可包括兩個或多個繞組。理想的或完美的回路的電特征在于具有電感。然而，回路更精確的特征在于基于頻率的復(fù)阻抗或?qū)Ъ{。在該文檔中使用術(shù)語回路電感時，應(yīng)理解的是，這個術(shù)語包括(更廣泛地說)回路電阻杭。如圖3中所述，使用本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的設(shè)備，可測量回路(32)的電感。如圖3中的示意圖所示，使用振蕩器電路(32)，通過頻率計(jì)數(shù)器(33)可進(jìn)行測量。可將計(jì)算器的輸出信號發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄器(34)。支望支架(尤其是整形外科支架)這ー產(chǎn)品尤其可用于支撐身體部位。支架也用于部分固定人體或動物體的部位，尤其在比如膝蓋之類的關(guān)節(jié)內(nèi)。支架也可用干支撐或糾正比如人體軀干的運(yùn)動。根據(jù)特定的應(yīng)用和需求，支架可由幾種材料制成。膝蓋支架比如可由彈性材料制成，更尤其地由纖維織物制成，從而允許容易適合于不同的人。然而，支架也可定制成適合于特定的人。這種支架可由塑料材料制成，并且甚至?xí)ń饘倩蛱沾刹考?。通常，在主體部件運(yùn)動的過程中，支架會允許ー個或以上的自由度。柔性支架由柔性材料制成或者包括關(guān)節(jié)，可用于進(jìn)行治療和其他用途，比如運(yùn)動方面。為了進(jìn)行治療或由于其他原因，比如，為了進(jìn)行與人體運(yùn)動有關(guān)的或者與關(guān)節(jié)或身體的其他彎曲或扭曲部件上的載荷有關(guān)的科學(xué)研究，在特定的條件下必須測量這種扭曲或彎曲。人們已經(jīng)觀察到，與比如光學(xué)方法和系統(tǒng)相比，使用導(dǎo)電回路測量人體或動物體的部位的扭曲和彎曲，具有優(yōu)勢。在示范性方法中，這種回路可通過比如粘合劑直接連接到身體的部位，然而，如果必須支撐、糾正或刺激該運(yùn)動，那么尤其優(yōu)選使用支架。支架不僅可用于(甚至并非首先)將傳感器連接到主體，也可用于限制自由度，從而迫使恰當(dāng)?shù)厥褂帽热珀P(guān)節(jié)，或者減輕カ度。 圖4中顯示了支架的實(shí)施例。示意圖中的支架(55)用圓柱體表示，包括用于測量扭曲度或彎曲度的傳感器(56)和用于發(fā)送傳感器的輸出信號的發(fā)送器(transmitter)(57)。雖然通過纖維線可進(jìn)行發(fā)送，但是優(yōu)選無線發(fā)送器(57)，從而防止測量或運(yùn)動受到干擾。傳感器包括導(dǎo)電回路(51)，用于覆蓋主體部位，必須測量該部位的扭曲或彎曲。發(fā)送器進(jìn)ー步包括輸出單元(58)，用于提供輸出信號，該信號用于測量回路的電感。輸出単元可包括電子電路，或者最后包括電光電路。導(dǎo)電回路可連接到柔性支架或其他安裝襯底，該襯底允許軌道連接到身體的部位中，必須測量該部位的扭曲或彎曲。導(dǎo)電回路可優(yōu)選地由金屬線、碳素纖維或任何其他類型的柔性導(dǎo)電線或纖維構(gòu)成。該電線或纖維可紡織、編織或“彎曲”到襯底中，允許具有更大的柔性，并且允許較好地與纖維織物或制造襯底的其他材料結(jié)合。然而，在襯底材料上可印刷或?qū)訅簩?dǎo)電回路。在圖5中，顯示了回路三個可能的實(shí)施例。矩形(10)可滿足小角度的簡單彎曲。對于不能拉伸回路的電線或纖維的情況而言，電線或纖維可具有“彎曲的”形狀
(20)，該形狀允許回路拉伸支架。形狀(14)與已經(jīng)顯示的具有測量膝蓋的彎曲的有利性能的形狀相似，該形狀也可用于測量軀干的扭曲?；芈返某叨犬?dāng)然必須適合膝蓋和軀干之間的尺寸差值。支架適合于用于該方法中。然而，可能具有僅僅對人體或動物體部位的相對彎曲或扭曲感興趣的情況。在這種情況下，不需要進(jìn)行校準(zhǔn)?；芈冯姼械南鄬ψ兓蔀橛脩籼峁┏浞值男畔?。在這種情況下，支架可用于測量人體或動物體的部位的扭曲度或彎曲度的方法，該方法包括將測量扭曲度或彎曲度的傳感器連接到人體或動物體的所述部位的第一步驟、包括在扭曲或彎曲人體或動物體的所述部位的過程中測量傳感器的輸出信號的第二步驟、以及使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將傳感器的所述輸出信號與扭曲度或彎曲度相關(guān)聯(lián)的最后ー個步驟。這種方法的特征在于，傳感器包括導(dǎo)電回路，所述回路的區(qū)域至少部分覆蓋人體或動物體的所述部位，該傳感器還包括輸出單元，用于提供輸出信號，該信號用于測量回路的電感。該系統(tǒng)包括發(fā)送器(42)，用于將傳感器(41)的輸出信號發(fā)送給接收器(43)，圖6中的兩個實(shí)施例顯示了該接收器。雖然沿著導(dǎo)電線或沿著連接發(fā)送器和接收器的光纖可進(jìn)行發(fā)送，但是最好在發(fā)送器和接收器之間無線傳輸信號。該系統(tǒng)包括輸出單元(47)，用于提供傳感器的輸出信號，該信號表示導(dǎo)電回路(46)的電感。該輸出信號可為所測量的電感，但是也可為由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)糾正的信號。該系統(tǒng)進(jìn)ー步包括存儲器(44)，用于存儲數(shù)據(jù)。這種存儲器可直接與下圖中所示的傳感器連接或者可直接連接到上圖中所示的接收器。除了存儲器，該系統(tǒng)還包括處理器(45)，用于計(jì)算扭曲度或彎曲度。無線傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)在于，在測量的過程中，電線不會干擾動物或人類。在步行或者甚至跑步的過程中，測量扭曲或彎曲時，這尤其重要?？墒褂萌魏晤愋偷臒o線發(fā)送器，包括紅外發(fā)送器，但是由于其范圍大，并且由于發(fā)送器和接收器之間可能存在的物體幾乎不會干擾信號接收，所以可優(yōu)選無線電發(fā)送器。該系統(tǒng)可包括ー個或多個額外的傳感器，用于在靜態(tài)的情況下測量扭曲或彎曲，即，動物或人類處于休息吋。這種傳感器可為加速計(jì)，抗彎曲傳感器或光學(xué)傳感器。該傳感 器可位于在運(yùn)動的過程中機(jī)械負(fù)荷或變形カ度較小的位置。測量膝蓋的彎曲時，這種位置的實(shí)例為大腿和小腿，或者測量肘部的彎曲時，這種位置的實(shí)例為上臂和下臂。額外的傳感器尤其位于該系統(tǒng)的實(shí)施例中，其中半永久性校準(zhǔn)回路，即，身體部位處于休息狀態(tài)時，在中間的時間間隔處。SM在圖3中所示的方法的實(shí)施例中，導(dǎo)電回路為30厘米乘以10厘米的矩形線圈，具有由金屬線制成的單個繞組，打開的一端用于兩個接頭，用于測量電感。使用2. 5MHz的振蕩器測量該回路的電感。該振蕩器具有一系列的脈沖，表不基于電感傳感器的頻率。電感傳感器與第二線圈Ls = 470nH和電容C = 5. 7nF串聯(lián)。計(jì)算器用于將振蕩器的脈沖計(jì)算為10ms。假設(shè)將N測量計(jì)算為10ms。然后，頻率測量為fm = N * IOOin Hz然后，使用2 * pi * fm = I/sqrt (L * C)或Lm = I/(C * (2 * i * fm) '2)計(jì)算電感。因此，實(shí)際的彎曲傳感器電感為L = Lm-Ls該回路的電感L的典型值在400到600nH之間。圖7顯示了用于該實(shí)施例的彎曲角度和所測量的電感之間的關(guān)系。該圖為用于校準(zhǔn)傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的實(shí)例，該傳感器用于在動態(tài)的條件下進(jìn)行測量，尤其用于彎曲。以同樣的方式可獲得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用于扭曲和更復(fù)雜的變形，即，ー個自由度以上的變形。圖8顯示了測量人體或動物體的部位的扭曲度或彎曲度的方法(11)。該方法包括第一步驟(12)，將用于測量扭曲度或彎曲度的傳感器連接到人體或動物體的所述部位。然后是ー組后續(xù)步驟，包括通過檢測人體或動物體的所述部位的扭曲度或彎曲度明確的傳感器的輸出信號，從而獲得(13)傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；儲存(14)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；在扭曲或彎曲人體或動物體的所述部位的過程中，測量(15)傳感器的輸出信號；以及最后的步驟(16)，使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將傳感器的所述輸出信號與扭曲度或彎曲度相關(guān)聯(lián)。此處傳感器(41、56)包括導(dǎo)電回路(46、51)，所述回路的區(qū)域至少部分覆蓋人體或動物體的所述部位，該傳感器還包括輸出單元(47、58)，用于提供測量回路的電感的輸出信號。根據(jù)ー個方面，提供了測量人體或動物體的部位的扭曲度或彎曲度的方法(11)，該方法包括第一步驟(12)，將用于測量扭曲度或彎曲度的傳感器連接到人體或動物體的所述部位。該方法還包括后續(xù)步驟，包括通過檢測人體或動物體的所述部位的扭曲度或彎曲度明確的傳感器的輸出信號，從而獲得(13)傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；儲存(14)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；在扭曲或彎曲人體或動物體的所述部位的過程中，測量(15)傳感器的輸出信號；以及最后的步驟(16)，使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將傳感器的所述輸出信號與扭曲度或彎曲度相關(guān)聯(lián)。其特征在干，傳感器(41、56)包括導(dǎo)電回路(46、51)，所述回路的區(qū)域至少部分覆蓋人體或動物體的所述部位，該傳感器還包括輸出單元(47、58)，用于提供測量回路的電感的輸出信號。在ー個實(shí)施例中，人體或動物體的部位優(yōu)選地大致處于休息的狀態(tài)時，使用加速計(jì)測量明確的扭曲度或彎曲度。根據(jù)另ー個方面，提供了測量人體或動物體的部位的扭曲度或彎曲度的系統(tǒng)
(40)。該系統(tǒng)包括傳感器(41)，用于在動態(tài)和靜態(tài)的條件下測量扭曲度或彎曲度；發(fā)送器(42)，用于發(fā)送傳感器的輸出信號，該信號表示接收器所測量的扭曲度或彎曲度；接收 器(43)，用于接收發(fā)出的所述輸出信號；存儲器(44)，用于存儲數(shù)據(jù)；處理器(45)，用于計(jì)算人體或動物體的所述部位的扭曲度或彎曲度，其特征在于，傳感器包括導(dǎo)電回路(46)，具有至少部分覆蓋人體或動物體的所述部位的區(qū)域，該傳感器還包括輸出單元(47)，用于提供測量回路的電感的輸出信號。在一個實(shí)施例中，發(fā)送器為無線發(fā)送器。在交替實(shí)施例或又一個實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括第二傳感器，用于在靜態(tài)的條件下測量扭曲度或彎曲度。根據(jù)另ー個方面，提供了測量人體或動物體的部位的扭曲度或彎曲度的支架。該支架包括傳感器(56)，用于在動態(tài)和靜態(tài)的條件下測量扭曲度或彎曲度；發(fā)送器(57)，用于發(fā)送傳感器的輸出信號，該信號表示接收器所測量的扭曲度或彎曲度，其特征在于，傳感器包括導(dǎo)電回路(51)，具有至少部分覆蓋人體或動物體的所述部位的區(qū)域，該傳感器還包括輸出單元(58)，用于提供測量回路的電感的輸出信號。在一個實(shí)施例中，支架包括第二傳感器，用于在靜態(tài)的條件下測量扭曲度或彎曲度。理想的目標(biāo)在于提供測量人體或動物體的部位的扭曲度或彎曲度的方法，該方法允許在動態(tài)的情況下精確地測量扭曲或彎曲，即，人類或動物在移動時。更具體地說，理想的目標(biāo)在于提供允許檢測較大角度的扭曲或彎曲的方法。通過根據(jù)前言的方法實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，其特征在于，傳感器包括導(dǎo)電回路，所述回路的區(qū)域至少部分覆蓋人體或動物體的所述部位，該傳感器還包括輸出單元，用于提供表示回路電感的輸出信號。導(dǎo)電回路的優(yōu)點(diǎn)在于，可將這種回路制成機(jī)械上非常容易彎曲，并且彎曲的角度較大，而不損害回路。使用柔性回路的作用在于，傳感器在很大程度上可變形，而不受到損害。該作用實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這是因?yàn)閭鞲衅鞯拇蠓冃卧试S測量膝蓋、軸部以及人體或動物體的其他部位的大幅彎曲或測量比如軀干或頸部的較大扭曲角度。另ー個理想的目標(biāo)在于，在動態(tài)的情況下提供精確地測量人體或動物體的部位的扭曲度或彎曲度的系統(tǒng)，即，人類或動物在移動時。更確切地說，理想的目標(biāo)在于，在這種動態(tài)的情況下提供允許檢測較大角度的扭曲或彎曲的系統(tǒng)。通過根據(jù)前言的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，其特征在于，傳感器包括導(dǎo)電回路，其區(qū)域至少部分覆蓋人體或動物體的所述部位，該傳感器還包括輸出單元，用于提供測量回路電感的輸出信號。感測扭曲或彎曲的導(dǎo)電回路的優(yōu)點(diǎn)在于，可將這種回路制成機(jī)械上非常容易彎曲。使用柔性回路的作用在于，傳感器可在很大程度上變形，而不受到損害，該回路的區(qū)域用于至少部分覆蓋相關(guān)的身體部位。這種靈活性也造成對任何一種變形的敏感度都較高，尤其是對于扭曲和彎曲。該作用實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這是因?yàn)閭鞲衅鞯拇蠓冃卧试S測量膝蓋、軸部以及人體或動物體的其他部位的大幅彎曲或測量比如軀干或頸部的較大扭曲角度。較高的敏感度也有利于精確地確定扭曲或彎曲。第三個理想的目標(biāo)在于，在動態(tài)的情況下提供精確地測量人體或動物體的部位的扭曲度或彎曲度的支架，即，人類或動物在移動時。更確切地說，理想的目標(biāo)在于，在這種動 態(tài)的情況下提供允許檢測較大角度的扭曲或彎曲的支架。上述支架實(shí)現(xiàn)第三個目標(biāo)，其特征在于，傳感器包括導(dǎo)電回路，其區(qū)域至少部分覆蓋人體或動物體的所述部位，該傳感器還包括輸出單元，用于提供測量回路電感的輸出信號。感測扭曲或彎曲的導(dǎo)電回路的優(yōu)點(diǎn)在于，可將這種回路制成機(jī)械上非常容易彎曲，從而非常適用于柔性支架中，尤其適用于織物制成的支架中。柔性回路幾乎不會影響支架的機(jī)械性能。使用柔性回路的作用在于，傳感器可在很大程度上變形，而不受到損害，也不影響扭曲或彎曲，該回路的區(qū)域用于至少部分覆蓋相關(guān)的身體部位。這種靈活性也造成對任何一種變形的敏感度都較高，尤其是對于扭曲和彎曲。該作用實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這是因?yàn)閭鞲衅鞯拇蠓冃卧试S測量膝蓋、軸部以及人體或動物體的其他部位的大幅彎曲或測量比如軀干或頸部的較大扭曲角度。較高的敏感度也有利于精確地確定扭曲或彎曲，這種扭曲或彎曲幾乎不會受到回路的影響。圖9A-C和圖10A-C顯示了傳感器回路(sensor loop)的不同實(shí)施例。顯示了由關(guān)節(jié)連接的第一和第二肢體90、92。比如，肢體90、92分別可為人類的大腿和小腿。在肢體90,92內(nèi)可區(qū)分肢體90、92虛擬的共同的軸線(由虛線99表示)，共同的軸線穿過關(guān)節(jié)沿著第一肢體90的軸延伸到第二肢體92的軸，所以該關(guān)節(jié)影響共同的軸線內(nèi)的軸之間的角度。提供支架94，為了進(jìn)行闡述，僅僅在圖9A、10A中顯示了支架94。應(yīng)理解的是，本來也應(yīng)在其他的圖9B、C、10B、C中顯示該支架，但是這些圖中已經(jīng)省略了該支架。此處所使用的支架是連接到關(guān)節(jié)的兩側(cè)上的肢體90、92的結(jié)構(gòu)，比如通過肢體90、92周圍的松緊帶連接，并且該支架從ー個肢體延伸到另ー個肢體，至少部分與肢體的表面接觸。圖9A-C顯示了傳感器回路，前面描述為回路96所。圖10A-C顯示了替換的傳感器回路98。傳感器回路96、98位干支架94內(nèi)，可能在其表面上。此處所使用的“位干”支架94內(nèi)包括位干支架94的表面上。傳感器回路96、98與第一和第二肢體90、92的表面及其關(guān)節(jié)大致平行。傳感器回路96、98均具有第一和第二部位，在關(guān)節(jié)上相互不同的位置從第一肢體90延伸到第二肢體92。而且，傳感器回路96、98具有第三和第四部位，分別在第一和第二肢體上在第一和第二部位之間延伸。在圖9A-C的實(shí)施例中，第三和第四部位在肢體90、92同一側(cè)上延伸，所以傳感器回路不包圍肢體90、92共同的軸線。在圖10A-C的實(shí)施例中，傳感器回路98的第三部位98a和傳感器回路98的第四部位98b在肢體90、92互相相反的側(cè)邊上延伸?？上薅ɑ芈穮^(qū)域，該區(qū)域?yàn)楗司S區(qū)域(可彎曲成三維)，其邊緣由傳感器回路96、98構(gòu)成?？上薅ɑ芈穮^(qū)域的表面部分，該部分為沿著回路的幾對點(diǎn)之間的回路區(qū)域內(nèi)線上的點(diǎn)的集合，其中，這些線沿著肢體90、92的表面和關(guān)節(jié)延伸，并且其中，這些線為回路區(qū)域內(nèi)不與這幾對點(diǎn)之間的回路相交的最短的線。在圖9A-C的實(shí)施例中，回路區(qū)域的表面部分為傳感器回路96的整個回路區(qū)域，完全位于肢體90、92的表面和關(guān)節(jié)上，覆蓋第一肢體90的表面部分以及第二肢體92的表面部分，并且在肢體90、92之間的這些表面部分之間延伸。在圖10A-C的實(shí)施例中，回路區(qū)域的表面部分同樣具有這些部分，覆蓋第一肢體90的表面部分以及第二肢體92的表面部分，并且在肢體90、92之間的這些表面部分之間延伸。然而，由于回路區(qū)域部分與第二肢體92的軸相交，所以圖10A-C的實(shí)施例的傳感器回路98的回路區(qū)域的表面部分并非整個回路區(qū) 域。與僅僅包圍肢體90、92共同的軸線99的傳感器回路(未顯示)相比，即，其回路區(qū)域的表面部分不覆蓋這兩個肢體的表面部分的傳感器回路，其回路區(qū)域的表面部分不延伸到兩個肢體的傳感器回路96、98的優(yōu)點(diǎn)在干，對于更多的肢體運(yùn)動較為敏感。主要地，僅僅包圍共同的軸線99的回路僅僅對彎曲(沿著共同的軸線99，在各個肢體90、92的軸之間的角度變化)具有敏感性，但是對扭曲不具有敏感性，或者至多對扭曲具有微弱的敏感性，對應(yīng)于肢體90、92圍繞其軸部相對于彼此進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)。圖9A-C、圖10A-C的實(shí)施例的傳感器回路對彎曲和扭曲均具有敏感性。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如圖10A-C中的實(shí)施例所述，傳感器回路內(nèi)的部分98a、b在各個肢體上互相相反的側(cè)邊上相交，使用這些部分的優(yōu)點(diǎn)在于，具有額外的優(yōu)勢，大幅提高傳感器回路對關(guān)節(jié)運(yùn)動的敏感度。每個傳感器回路96、98可由僅僅ー根導(dǎo)線的單個繞組構(gòu)成，或者由一根導(dǎo)線或多根導(dǎo)線的多個繞組構(gòu)成。只要回路具有在兩個肢體上以及在這些肢體之間延伸的部分，傳感器回路就可為整個回路，但是此處使用的術(shù)語“回路”也包括基本上整個繞組，除了比如連接到回路的開ロ。雖然圖9A-C和圖10A-C顯示了大致矩形回路，主要為凸形，但是應(yīng)理解的是，可使用其他的模式，包括具有凸形部分或具有彎曲的導(dǎo)體的模式。雖然已經(jīng)描述了用于人體關(guān)節(jié)的實(shí)例，但是要理解的是，該系統(tǒng)、方法和傳感器也可用于檢測動物關(guān)節(jié)的運(yùn)動，或者實(shí)際上檢測電隔離或電阻材料的任何機(jī)械關(guān)節(jié)的運(yùn)動。
權(quán)利要求
1.一種關(guān)節(jié)運(yùn)動檢測裝置(55)，用于第一肢體和第二肢體之間的關(guān)節(jié)上，以便檢測所述第一肢體和第二肢體在所述關(guān)節(jié)處相對于彼此的扭曲或彎曲，該裝置包括 導(dǎo)電回路(51)，具有第一回路部分、第二回路部分和第三回路部分，所述第一回路部分從所述第一肢體延伸到所述第二肢體，所述第二回路部分在所述第二肢體上延伸，所述第三回路部分從所述第二肢體返回所述第一肢體，所述導(dǎo)電回路(51)從所述第一回路部分延伸到所述第二回路部分，并從所述第二回路部分延伸到所述第三回路部分，形成回路區(qū)域的至少一部分，所述第一回路部分、第二回路部分和第三回路部分位于所述回路區(qū)域的邊界處； 輸出單元(58)，聯(lián)接到所述導(dǎo)電回路(51)，用于提供輸出信號； 發(fā)送器(57)，聯(lián)接到所述輸出單元，用于將表示所述輸出單元的輸出的輸出信號發(fā)送給接收器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述導(dǎo)電回路(51)具有第四回路部分，該第四回路部分在所述第一肢體上及所述第一回路部分和所述第三回路部分之間延伸，所述導(dǎo)電回路(51)從所述第一回路部分和第三回路部分延伸到所述第四回路部分，所述第二回路部分和第四回路部分在所述第一肢體和第二肢體的朝向相同方向的表面部分上延伸，從而所述肢體不穿過所述導(dǎo)電回路(51)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述導(dǎo)電回路(51)具有第四回路部分，該第四回路部分在所述第一肢體上及所述第一回路部分和所述第三回路部分之間延伸，所述導(dǎo)電回路(51)從所述第一回路部分和第三回路部分延伸到所述第四回路部分，所述第二回路部分和第四回路部分在所述第一肢體和第二肢體的朝向彼此相反的方向的表面部分上延伸，從而所述肢體的組合穿過所述導(dǎo)電回路(51)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其中，所述輸出單元(58)聯(lián)接到所述導(dǎo)電回路(51)，輸出信號是對由所述第一回路部分、第二回路部分、第三回路部分和第四回路部分構(gòu)成的所述導(dǎo)電回路(51)的自感的測量，或者是對具有平行于所述第一回路部分、第二回路部分、第三回路部分和第四回路部分的回路部分的多個串聯(lián)的導(dǎo)電回路(51)的自感的測量。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，包括加速計(jì)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，包括能安裝在所述關(guān)節(jié)之上的支架，所述支架連接到所述第一肢體和第二肢體，其中，所述回路區(qū)域位于所述支架的表面上或所述表面內(nèi)。
7.一種用于檢測第一肢體和第二肢體相對于彼此的扭曲或彎曲的系統(tǒng)(40),該系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的裝置， 接收器(43)，用于接收發(fā)出的所述輸出信號， 儲存器(44)，用于存儲數(shù)據(jù)， 處理器(45)，用于計(jì)算人體或動物體的所述部位的扭曲度或彎曲度。
8.—種檢測第一肢體和第二肢體在所述第一肢體和第二肢體之間的關(guān)節(jié)處相對于彼此的扭曲或彎曲的方法，該方法包括 將導(dǎo)電回路(51)連接到所述肢體，所述導(dǎo)電回路(51)具有第一回路部分、第二回路部分和第三回路部分，所述第一回路部分從所述第一肢體延伸到所述第二肢體，所述第二回路部分在所述第二肢體上延伸，所述第三回路部分從所述第二肢體返回第一肢體，所述導(dǎo)電回路(51)從所述第一回路部分延伸到所述第二回路部分，并且從所述第二回路部分延伸到所述第三回路部分，形成所述回路區(qū)域的至少一部分，所述第一回路部分、第二回路部分和第三回路部分位于所述回路區(qū)域的邊界處； 測量(15)輸出信號，該輸出信號是對扭曲或彎曲期間所述導(dǎo)電回路(51)的電感的測量， 使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將傳感器的所述輸出信號與扭曲度或彎曲度相關(guān)聯(lián)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述導(dǎo)電回路(51)具有第四回路部分，該第四回路部分在所述第一肢體上及所述第一回路部分和所述第三回路部分之間延伸，所述導(dǎo)電回路(51)從所述第一回路部分和第三回路部分延伸到所述第四回路部分，所述第二回路部 分和第四回路部分在所述第一肢體和第二肢體的朝向相同方向的表面部分上延伸，從而所述肢體不穿過所述導(dǎo)電回路(51)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述導(dǎo)電回路(51)具有第四回路部分，該第四回路部分在所述第一肢體上及所述第一回路部分和所述第三回路部分之間延伸，所述導(dǎo)電回路(51)繼續(xù)從所述第一回路部分和第三回路部分延伸到所述第四回路部分，所述第二回路部分和第四回路部分在所述第一肢體和第二肢體的朝向彼此相反的方向的表面部分上延伸，從而所述肢體的組合穿過所述導(dǎo)電回路(51)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，輸出單元(58)聯(lián)接到所述導(dǎo)電回路(51)，所述測量(15)包括生成輸出信號，該輸出信號是對所述導(dǎo)電回路(51)的自感的測量，所述導(dǎo)電回路由所述第一回路部分、第二回路部分、第三回路部分和第四回路部分構(gòu)成。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括提供用于通過確定在靜態(tài)條件下重力相對于彎曲的肢體的方向并利用所述方向確定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來直接或間接地測量所述第一肢體和第二肢體之間的角度的機(jī)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述機(jī)構(gòu)包括電位計(jì)、可變電阻器、加速計(jì)或光纖。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一肢體和第二肢體及所述第一肢體和第二肢體的關(guān)節(jié)為人體或動物體的一部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述關(guān)節(jié)為人體或動物體的膝關(guān)節(jié)。
全文摘要
測量關(guān)節(jié)扭曲度或彎曲度的方法、裝置以及系統(tǒng)。所述方法包括步驟將傳感器(56)連接到由關(guān)節(jié)連結(jié)的肢體；在關(guān)節(jié)扭曲或彎曲期間測量傳感器的輸出信號；以及將傳感器的所述輸出信號與扭曲度或彎曲度相關(guān)聯(lián)的最后的步驟。傳感器包括導(dǎo)電回路(51)，具有在回路中從一個肢體延伸到另一個肢體并返回的回路部分，所述回路的區(qū)域從一個肢體到另一個肢體地至少部分覆蓋這兩個肢體。肢體可為人體或動物體的肢體，比如膝蓋處的肢體。傳感器進(jìn)一步包括用于提供輸出信號的輸出單元(57)，該輸出信號是對回路的電感的測量。通過檢測在靜態(tài)條件下在所述關(guān)節(jié)處的明確的扭曲度或彎曲度的傳感器的輸出信號以及儲存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可確定傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
文檔編號A61B5/103GK102753094SQ201180008331
公開日2012年10月24日 申請日期2011年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者安德魯·斯塔塔姆, 帕拉斯克瓦斯·杜尼亞斯, 赫拉爾杜斯·約翰尼斯·尼古拉斯·杜德曼, 靳安民 申請人:荷蘭應(yīng)用自然科學(xué)研究組織Tno