一種多通道健康筆系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于人機(jī)交互領(lǐng)域，具體涉及到一種利用多種傳感器及筆本身對健康狀況進(jìn)行監(jiān)測的多通道健康筆系統(tǒng)。它包括健康筆硬件原型和計算機(jī)端的數(shù)據(jù)處理過程兩部分。健康筆由筆和多種傳感器組成，包括血氧飽和度探頭、EMG傳感器等，并可以較方便地對系統(tǒng)進(jìn)行拓展，增加傳感器單元。計算機(jī)端經(jīng)過一系列處理，得到血氧飽和度、心率、肌電圖等生理信息，既實現(xiàn)了用戶對健康狀況的自我監(jiān)測，對于醫(yī)生的診斷也有輔助作用。
【專利說明】
一種多通道健康筆系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于人機(jī)交互和健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，具體涉及到一種利用多種生理和運動傳感 器對健康狀況進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警的多通道健康筆系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)注日常對健康狀態(tài)的監(jiān)控，而不僅僅 是等到生病的時候再進(jìn)行治療。到醫(yī)院進(jìn)行體檢是方法之一，但是一次完整的體檢需要耗 費較多的時間和金錢，并且不可能做到日常監(jiān)測，也沒有對不同的人的針對性。因此便攜式 的脈搏血氧儀、血壓儀等在許多家庭已經(jīng)得到了應(yīng)用，這些產(chǎn)品相對來講比較便宜，使得老 年人等人群的日常自我監(jiān)測成為可能。但是這些產(chǎn)品同樣要求人們購買額外的設(shè)備，產(chǎn)生 新的開銷。因此就有一些研究者將目光對準(zhǔn)了手機(jī)，智能手機(jī)功能強(qiáng)勁，具有較強(qiáng)的計算能 力，無論在商業(yè)還是科研上都已有將其利用于心率、血氧飽和度等的檢測中。而智能手表、 智能手環(huán)這樣的新型設(shè)備也吸引了眾多廠商爭相將自己的產(chǎn)品推向市場，這些產(chǎn)品具有記 錄運動、睡眠狀況的功能，但是這些產(chǎn)品還不太成熟，很多都只是智能手機(jī)的附屬品，需要 配合手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行使用。
[0003] 筆是日常生活中不可或缺的一種工具，無論是老人還是孩子，無論是辦公人士還 是學(xué)生，每天都會用到。不僅僅是傳統(tǒng)意義上的筆，數(shù)字筆等作為一種與計算機(jī)進(jìn)行交互的 工具也得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，研究者們對于筆交互進(jìn)行了大量的研究，大都聚焦于 新的交互方式上。但是筆作為一種日常必備工具，如果能夠與健康監(jiān)測相結(jié)合，就可以讓人 們在工作/生活中進(jìn)行檢測，有效地減小了時間成本。
[0004] 筆具有健康監(jiān)測的潛力，在之前的研究中已有初步的證明。日常生活中，尤其是學(xué) 生在課堂上的轉(zhuǎn)筆和搖筆的動作被認(rèn)為是緊張的一種表現(xiàn)，Miguel Bruns Alonso等人通 過在筆上添加霍爾效應(yīng)傳感器等來檢測使用者的轉(zhuǎn)筆等動作，并通過觸覺反饋增強(qiáng)或抑制 這些動作，以起到緩解緊張的作用。實驗結(jié)果表明，使用了帶有反饋的筆的一組的心率明顯 緩于對照組，可能預(yù)示著它有減緩緊張程度的作用。但是在上述的研究中反饋的效果并不 明顯，對緊張的檢測只是通過主觀問卷進(jìn)行的，并沒有完全發(fā)揮出筆監(jiān)測健康狀態(tài)的能力。 (參考文獻(xiàn)：Alonso，Μ· B.，Key son，D .V.，and Hummels ,C.C.M. :'Squeeze,rock,and roll； can tangible interaction with affective products support stress reduction?' .Proc.Proceedings of the 2nd international conference on Tangible and embedded interaction,Bonn,Germany2008)
[0005] 據(jù)我們所知，將筆與一些生理數(shù)據(jù)(如心率、血氧飽和度等）的檢測相結(jié)合，這還是 第一次。有一些研究將智能手機(jī)和生理數(shù)據(jù)的檢測相結(jié)合。在Scully等2012年的研究中利 用智能手機(jī)的攝像頭和閃光燈測量并計算心率、呼吸率和血氧飽和度等。但是該研究中對 于血氧飽和度的計算，其準(zhǔn)確率相對于脈搏血氧儀還有一定的差距，使用閃光燈的燈光而 不是紅外光線作為入射光，計算血氧飽和度的方法需要改進(jìn)。（參考文獻(xiàn)：Scully，C.， Jinseok，L.，Meyer，J.，Gorbach，A.M.，Granquist_Fraser，D.，Mendelson，Y.，and Chon， K.H.:'Physiological Parameter Monitoring from Optical Recordings With a Mobile Phone'，Biomedical Engineering, IEEE Transactions on，2012,59,（2)，pp.303_ 306)
[0006] 在之前的研究中，并未出現(xiàn)將筆和生理數(shù)據(jù)的檢測相結(jié)合的實例，而利用智能手 機(jī)進(jìn)行測量，需要將手指遮住攝像頭保持一段時間，而用筆進(jìn)行測量，只需保持握筆的姿 勢，檢測的方法更為自然。我們根據(jù)用戶的書寫姿勢，為健康筆每個傳感器設(shè)計了合適的位 置，保證用戶的正常書寫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述問題，我們設(shè)計并實現(xiàn)一種多通道健康筆系統(tǒng)，它包括兩大部分:一部分 是普通的筆加上運動傳感器(磁力計、加速度計、陀螺儀)和壓力傳感器，得到一些與書寫過 程相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如筆尖壓力、筆桿轉(zhuǎn)角、筆桿傾角等，對用戶的手部運動能力進(jìn)行評估;一 是在筆的基礎(chǔ)之上，添加如血氧飽和度探頭、表面肌電電極和其他生理信號采集單元等硬 件，用于在書寫時測量心率、血氧飽和度、表面肌電等生理參數(shù)。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] -種多通道健康筆系統(tǒng)，包括：
[0010] 筆桿，該筆桿具有手部書寫接觸區(qū)；
[0011] 安裝于筆桿內(nèi)部的筆芯；
[0012] 固設(shè)于筆桿內(nèi)部的運動傳感器和壓力傳感器；
[0013] 固設(shè)于手部書寫接觸區(qū)的生理參數(shù)采集單元；
[0014] 固設(shè)于筆桿內(nèi)部的微控制單元。該微控制單元可以用于控制運動傳感器、壓力傳 感器、血氧飽和度探頭和表面肌電電極。
[0015] 進(jìn)一步地，所述手部書寫接觸區(qū)包括食指前端與筆桿接觸區(qū)，大拇指前端與筆桿 接觸區(qū)和中指側(cè)面與筆桿接觸區(qū)，優(yōu)選食指前端與筆桿接觸區(qū)及大拇指前端與筆桿接觸 區(qū)。
[0016] 進(jìn)一步地，所述食指前端與筆桿接觸區(qū)為距筆尖l-6cm處。
[0017] 進(jìn)一步地，所述運動傳感器和壓力傳感器采集書寫相關(guān)數(shù)據(jù)，所述書寫相關(guān)數(shù)據(jù) 包括筆桿傾斜數(shù)據(jù)和筆尖壓力數(shù)據(jù)，所述筆桿傾斜數(shù)據(jù)由運動傳感器采集，所述筆尖壓力 數(shù)據(jù)由壓力傳感器采集。
[0018] 進(jìn)一步地，所述筆桿傾斜數(shù)據(jù)包括高度角和方位角信息，所述高度角為筆桿所在 直線與書寫平面的夾角，所述方位角為筆桿在書寫平面上的投影與水平軸之間的夾角。
[0019] 進(jìn)一步地，所述運動傳感器包括磁力計、加速度計和陀螺儀。
[0020] 進(jìn)一步地，所述生理參數(shù)采集單元包括探頭和表面肌電電極，所述探頭包括探頭 發(fā)射器和探頭接收器，所述探頭發(fā)射器發(fā)出紅光和紅外光，所述探頭接收器收集出射光。
[0021] 進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還包括粘貼于健康筆使用者手背處作為接地的電極。
[0022] 進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還包括固設(shè)于筆桿上用于傳輸數(shù)據(jù)的傳輸模塊。
[0023]進(jìn)一步地，所述傳輸模塊為藍(lán)牙。
[0024]進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還包括用于處理數(shù)據(jù)的計算設(shè)備，該計算設(shè)備包括：
[0025]用于將健康筆采集的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎阍O(shè)備的數(shù)據(jù)輸入單元；
[0026] 用于對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的數(shù)據(jù)預(yù)處理單元；
[0027] 用于提取預(yù)處理后的數(shù)據(jù)特征的特征提取單元；
[0028]用于根據(jù)得到的特征向量，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立模型的模型建立單元；
[0029] 及用于輸出最終數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸出單元。
[0030] 本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果如下：
[0031] 1、提供一種方便簡單的健康監(jiān)測方式。筆是日常生活中的必備品，本文在日常用 到的筆的基礎(chǔ)之上，添加了多種傳感器，對筆的含義和功能進(jìn)行了豐富。生活中使用筆的場 景很多，可以實現(xiàn)隨時隨地進(jìn)行測量。
[0032] 2、相較于智能手機(jī)等設(shè)備，使用健康筆對健康進(jìn)行監(jiān)測時，測量的方法更為自然， 不再需要放下手中的事情抽出額外時間將手指靜止放在手機(jī)攝像頭處，而只需要保持握筆 的姿勢即可以保證數(shù)據(jù)的采集。
[0033] 3、減少了門診負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)日常的自我監(jiān)護(hù)。就醫(yī)難的問題一直是近年來政府關(guān)心 的一大難題，醫(yī)生的數(shù)量有限，而患者的數(shù)量又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于醫(yī)生的數(shù)量，掛號難、住院難等問 題難以解決，矛盾日益激化，甚至近兩年間醫(yī)鬧的事件頻發(fā)。實際上，很多日常的監(jiān)護(hù)如果 能在家中自行完成，那將很大減輕醫(yī)院的壓力。我們希望健康筆能夠幫助實現(xiàn)對健康的日 常監(jiān)測，也提高人們在生活中對于疾病預(yù)防的意識，而不再僅僅是"有病治病"。
[0034] 4、能夠得到臨床上常用的生理數(shù)據(jù)值，對疾病的監(jiān)測和診斷有輔助作用。現(xiàn)在市 場上的大部分健康監(jiān)測設(shè)備，例如智能手環(huán)、智能手表等，大多只能對步數(shù)、運動量、體溫等 參數(shù)進(jìn)行測量，這些與實際醫(yī)學(xué)上常用的生理數(shù)據(jù)有一定的差距，而健康筆則可以測量血 氧飽和度、肌電圖等生理值，對健康的監(jiān)測作用更具體實用。
【附圖說明】
[0035]圖1本發(fā)明的多通道健康筆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，（a)正面，（b)反面，其中，1 一磁力計， 2-陀螺儀，3-加速度計，4 一壓力傳感器，5-血氧飽和度探頭發(fā)射器，6-血氧飽和度探頭 接收器，7-表面肌電電極，8-微控制單兀，9 一藍(lán)牙。
[0036]圖2本發(fā)明的多通道健康筆系統(tǒng)整體框架圖。
[0037]圖3本發(fā)明計算機(jī)端數(shù)據(jù)處理流程圖。
[0038]圖4本發(fā)明實施例1握筆位置測量所得實驗結(jié)果圖。
[0039]圖5本發(fā)明實施例1三個手指握筆位置實驗結(jié)果圖（單位:cm)。
[0040]圖6本發(fā)明多通道健康筆書寫結(jié)果示例圖。
[0041 ]圖7本發(fā)明實施例4所測表面肌電數(shù)據(jù)示例圖。
[0042] 圖8本發(fā)明實施例4各方案有效數(shù)據(jù)百分比平均數(shù)示意圖。
[0043] 圖9本發(fā)明實施例4各方案信號幅度平均值示意圖。
[0044] 圖10本發(fā)明實施例4EMG電極設(shè)置位置三種方案主觀得分平均值和標(biāo)準(zhǔn)差示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 本發(fā)明健康筆的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包含書寫用的筆芯、運動傳感器(包括磁力計 1、陀螺儀2、加速度計3 )、壓力傳感器4、血氧飽和度探頭(包括血氧飽和度探頭發(fā)射器5，血 氧飽和度探頭接收器6)、表面肌電電極7、微控制單元8和筆桿等幾個部分。健康筆采集到的 數(shù)據(jù)可以通過藍(lán)牙9輸出。
[0046] 此外，健康筆筆桿內(nèi)還留有空間，控制電路也留有相應(yīng)接口，方便拓展更多的傳感 器，測量更豐富的生理信息，例如體溫、心電信號等。
[0047] 本實施例中，健康筆長度設(shè)為15cm，直徑為1.5cm。內(nèi)置的運動傳感器用于獲得書 寫時筆桿的傾斜程度數(shù)據(jù)，包括高度角和方位角信息。高度角即為筆桿所在直線與書寫平 面的夾角，方位角即為筆桿在書寫平面上的投影與水平軸之間的夾角。壓力傳感器用于收 集書寫時的筆尖壓力數(shù)據(jù)。血氧飽和度探頭放置在食指正常握筆處，距筆尖大約3cm，放置 在這個位置可以保證在正常握筆時食指遮蓋住血氧飽和度探頭，保證數(shù)據(jù)的采集，同時又 不影響正常書寫。
[0048]利用血氧飽和度探頭進(jìn)行一些生理參數(shù)的測量的原理來自一種經(jīng)典的方法，它已 經(jīng)被應(yīng)用于脈搏血氧儀中。光電容積脈搏波描記法(PhotoPlethysmoGraphy，PPG)是利用光 電手段檢測血液容積變化的無創(chuàng)方法。當(dāng)一定波長的光照射到皮膚表面時，透過血液肌肉 和皮膚會發(fā)生不同程度的衰減，再通過光電接收器接收反射或折射光。對于皮膚、肌肉等對 于光的吸收在整個血液循環(huán)過程中是保持不變的，但是皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈 脈動性的變化，在心臟收縮時，外周血容量最多，對光的吸收也最大，而在心臟舒張時則相 反，對光的吸收最小，這樣使得接收器所受到的光強(qiáng)度也呈現(xiàn)脈動性的變化，將光信號轉(zhuǎn)換 為電信號，就可以得到血液容積的變化。由于光電容積脈搏波描記法不需要昂貴復(fù)雜的儀 器，而且方法簡單便于操作、性能穩(wěn)定，而且具有無創(chuàng)性和適應(yīng)性強(qiáng)的特點，吸引了大量研 究人員的注意，該技術(shù)在血壓、血氧、心率、呼吸率等的無創(chuàng)檢測上都有很大的發(fā)展空間。 [0049]人體內(nèi)的血紅蛋白分為氧合血紅蛋白和血紅蛋白兩種，由于血紅蛋白（Hb)和氧合 血紅蛋白（Hb0 2)在紅光和紅外光區(qū)有特殊的吸收光譜(600-1000nm)，所以PPG可以成為一 種檢測血氧飽和度的有效而簡便的方法。氧合血紅蛋白和血紅蛋白在紅光區(qū)（500-600nm) 吸收系數(shù)差異較大，而在紅外光區(qū)(800-1000nm)差異較小，利用這一特性，當(dāng)血氧飽和度發(fā) 生變化時，也就是Hb0 2相對Hb的濃度發(fā)生變化時，血氧飽和度應(yīng)該和660nm和940nm兩個波 長的相對光強(qiáng)有較好的線性關(guān)系。
[0050] Lambert-Beer定律是物質(zhì)對光吸收的定量定律，表征了光在物質(zhì)中傳播，物質(zhì)對 光的吸收程度與吸光物質(zhì)的濃度和光傳播距離的關(guān)系，其表達(dá)式為：
[0051]
[0052]式中，Ιο和I表不入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)，e為吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)，C為物質(zhì)的濃 度，d為光在物質(zhì)中傳播的距離。根據(jù)Lambert-Beer定律，物質(zhì)的吸光度A可表示為：
[0053]
[0054] 在某一波長光處，光線被血液中的氧合血紅蛋白Hb〇2及脫氧血紅蛋白Hb吸收的吸 光度為：
[0055] A = a1cid+a2C2d (3)
[0056] 其中a^ci為Hb〇2部分的吸光系數(shù)和濃度，a2、c2為Hb部分的吸光系數(shù)和濃度，并且 Hb〇2和Hb的總濃度c為二者之和。
[0057] 由于心臟收縮人體動脈搏動會導(dǎo)致血液容量變化，進(jìn)而引起吸光度的變化。由動 脈搏動引起的吸光度變化為A A。
[0058] 血氧飽和度Sp〇2為氧合血紅蛋白占總血紅蛋白的比例：
(4)
[0059]
[0000]由于總血紅蛋白濃度c和光程Δ d未知，需要使用兩種不同波長的光λ#Ρλ2入射以 消除總血紅蛋白濃度和光程參數(shù)，可得：
[0061 ] (5):
[0062]
[0063] (6)
[0064] 在式(6)中，吸光度的變化取決于兩方面因素，一方面是心臟收縮舒張引起的人體 動脈搏動帶來的變化A AAC，另一方面是皮膚、組織和靜脈血液帶來的變化△ ADC。由于皮膚、 組織和靜脈血液的幾乎沒有變化，所以A Adp 0，即：
[0065] Δ Α= Δ Aac+ A Adc * A Aac (7)
[0066] 由于入射光強(qiáng)未知，所以利用動脈血液緊縮和充盈時的出射光強(qiáng)作為動脈搏動的 入射光和出射光，即I = Imin，IQ = Imax。所以
[0067]
(8).
[0068] 代入式（6)得：
[0069]
(9)
[0070] 其中IAC表示光線通過手指后光強(qiáng)周期變化的部分，IDC表示光線通過手指后光強(qiáng) 變化相對恒定的部分?！?I = lAC和Imin=lDC是因為光吸收來自于兩方面。第一方面是動脈 血液的吸收，心臟收縮舒張引起的人體動脈搏動會導(dǎo)致動脈血液光吸收量發(fā)生變化，而且 總的光吸收量變化主要來自動脈搏動，所以A I = IAC。另一方面是皮膚、組織和靜脈血液對 光的吸收，這部分比較恒定，不會隨著人體血液循環(huán)發(fā)生特別大的變化，并且等效認(rèn)為這部 分光出射后進(jìn)入動脈血液，所以Imin = IDC。
[0071] 我們利用上述原理，在健康筆系統(tǒng)上添加血氧飽和度探頭，利用探頭發(fā)射器發(fā)出 紅光和紅外光，探頭接收器收集出射光，利用藍(lán)牙傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行處理。
[0072] 此外，我們還在健康筆外殼外側(cè)添加數(shù)個EMG(Electromyography，肌電）電極，分 別位于距筆尖約3cm的食指接觸筆桿處，距筆尖約8cm的虎口前端接觸筆桿處，并在手背處 粘貼一個電極作為接地，用于測量sEMG(surface electromyography，表面肌電）信號。它將 電極置于皮膚表面，使用方便，可用于測試較大范圍內(nèi)的表面肌電信號。并很好地反映運動 過程中肌肉生理生化等方面的改變。同時，它提供了安全、簡便、無創(chuàng)的客觀量化方法，不須 刺入皮膚就可獲得肌肉活動有意義的信息，在測試時也無疼痛產(chǎn)生。另外，它不僅可在靜止 狀態(tài)測定肌肉活動，而且也可在運動過程中持續(xù)觀察肌肉活動的變化;不僅是一種對運動 功能有意義的診斷方法，而且也是一種較好的生物反饋治療技術(shù)。
[0073] 肌肉收縮的原始沖動首先來自脊髓，然后通過軸突傳導(dǎo)神經(jīng)纖維，再由神經(jīng)纖維 通過運動終板發(fā)放沖動形成肌肉收縮，但每根肌纖維僅受一個運動終板支配，該運動終板 一般位于肌纖維的中點。當(dāng)神經(jīng)沖動使肌漿中Ca 2+濃度升高時，肌蛋白發(fā)生一系列變化，使 細(xì)胞絲向暗帶中央移動，與此相伴的是ATP的分解消耗和化學(xué)能向機(jī)械功的轉(zhuǎn)換，肌肉完成 收縮。在肌肉纖維收縮的同時也相應(yīng)地產(chǎn)生了微弱的電位差，這就是肌電信號的由來。肌電 信號可反映耐力、生化改變，也就是疲勞度、代謝等方面的情況。
[0074] 如圖2所示，健康筆系統(tǒng)由四大部分組成：
[0075] (1 )MCU:即微控制單元，將控制器與存儲器及輸入輸出接口集成在一個芯片上，具 有體積小、功耗低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，選擇其作為健康筆的核心，即可以 滿足健康筆小型便攜的要求，又可以滿足控制多種傳感器采集數(shù)據(jù)的要求。
[0076] (2)傳感器單元:健康筆設(shè)計的亮點就是各種傳感器的集成，可以做到同時對多種 生理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，表面肌電電極、血氧飽和度探頭等分別受到控制器的控制采集數(shù)據(jù)。同 時在現(xiàn)有軟硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，也可以較方便地添加更多的傳感器，擴(kuò)展健康筆的功能。
[0077] (3)傳輸模塊:我們選用藍(lán)牙進(jìn)行健康筆和計算機(jī)/計算設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過 傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換等處理，利用藍(lán)牙向計算機(jī)/計算設(shè)備進(jìn)行無線傳輸，以備 計算機(jī)/計算設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。
[0078] (4)計算機(jī)/計算設(shè)備:用于對健康筆采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到血氧飽和度、心 率、肌電圖等生理信息，既實現(xiàn)了用戶對健康狀況的自我監(jiān)測，對于醫(yī)生的診斷也有輔助作 用。
[0079] 如圖3所示，計算機(jī)/計算設(shè)備端對數(shù)據(jù)的處理過程如下：
[0080] (1)數(shù)據(jù)輸入
[0081] 從血氧飽和度探頭、表面肌電電極處采集到的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)由藍(lán)牙傳輸?shù)接嬎銠C(jī)， 能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。
[0082] (2)預(yù)處理
[0083]原始數(shù)據(jù)要經(jīng)過一系列的處理才能更有效地進(jìn)行生理數(shù)據(jù)的計算，例如對于表面 肌電的測量，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪等處理，肌電信號本身是一種較微弱的電信號， 加之皮膚和組織對肌電信號均有衰減作用，檢測和記錄表面肌電信號，需考慮的主要問題 是盡量消除噪聲和干擾的影響，提高信號的保真度。肌電信號的頻率集中范圍是50-150HZ， 還需要注意去除工頻信號的干擾。
[0084] (3)特征提取
[0085] 對經(jīng)過預(yù)處理得到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的計算，得到數(shù)個特征。對于表面肌電 信號的測量，當(dāng)用戶使用筆書寫一段時間后，肌肉的疲勞程度會有所變化，而這將通過肌電 圖顯現(xiàn)出來。我們提取肌電圖頻率和幅度等變化特征，對于建立模型判斷用戶的疲勞程度 有重要作用。
[0086] (4)模型建立
[0087] 使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法中的支持向量機(jī)(SVM)對數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和建模，對結(jié)果進(jìn)行預(yù) 測。SVM將輸入的一系列特征向量映射到高維空間，并用一些超平面按照標(biāo)記值將樣本分 開。以肌電圖的測量為例，我們將標(biāo)記好疲勞程度的表面肌肉電圖數(shù)據(jù)輸入到SVM里面，學(xué) 習(xí)產(chǎn)生一個模型，用來預(yù)測未標(biāo)記的數(shù)據(jù)的疲勞程度。
[0088] (5)數(shù)據(jù)輸出
[0089] 將經(jīng)過計算處理得到的生理數(shù)據(jù)顯示在電腦屏幕上，可以針對各通道得到的各項 生理指標(biāo)綜合對用戶的健康狀況進(jìn)行評估。例如利用健康筆得到的手部運動信息，可以對 手部的運動功能障礙的評估和診斷起到輔助作用。而肌電圖的數(shù)據(jù)，則對于用戶的疲勞程 度有所反映。而血氧飽和度和心率的數(shù)值，則對于心血管的健康狀況起到指示作用。綜合健 康筆得到的信息，就可以對用戶的健康狀況有了一個初步的了解，既實現(xiàn)了用戶對健康的 自我監(jiān)控，對于醫(yī)生的診斷也有所幫助。
[0090] 實施例1握筆位置的測量
[0091] 此實驗的目的主要為確定被試的握筆位置，以用來確定健康筆上的傳感器所處的 位置。實驗的方法是將一小塊固定大小(4.00cm X3.50cm)的白紙卷在筆桿的中下部，并黏貼 好，讓被試在食指、大拇指和中指側(cè)面與筆桿接觸的部分分別抹上紅色的印泥，再正常握 筆，在白紙上留下痕跡，將紙片取下，測量三個手指到筆尖的距離。本實驗所得實驗結(jié)果的 兩個典型例子如圖4所示。
[0092]實驗結(jié)果如下表所示：
[0093]表1實施例1所得數(shù)據(jù)(單位:cm)
[0094]
[0095] 從圖5中可以看出來，這12位被試，從食指接觸筆桿的位置到筆尖的距離的平均值 為2.90cm，12人的標(biāo)準(zhǔn)差為0.30cm;從拇指接觸筆桿的位置到筆尖的距離的平均值為 2.98cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.39cm;從中指接觸筆桿的位置到筆尖的距離的平均值為2.70cm，標(biāo)準(zhǔn)差 為0.36cm。根據(jù)部分對兒童進(jìn)行正確書寫姿勢教學(xué)的資料，食指距筆尖的距離應(yīng)該為3cm左 右，這次實驗的樣本量不算很大，但基本滿足這一事實。根據(jù)估算的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，雖然每個 被試的握筆位置并不完全相同，但是只要設(shè)計適當(dāng)?shù)拇笮?，即使傳感器對于每個人都固定 在相同的位置上，也應(yīng)該能夠滿足被試正常書寫的需求。當(dāng)然如果能夠針對每一個人的不 同情況，實現(xiàn)可以調(diào)整位置的傳感器設(shè)置，比如EMG電極可以進(jìn)行一定范圍內(nèi)的位置調(diào)節(jié)， 則可以進(jìn)一步減小傳感器對于正常書寫的妨礙。
[0096] 實施例2書寫時握筆位置穩(wěn)定性的觀察
[0097] 在該實施例中，我們除了獲取了正常書寫時測得的表面肌電的值，實驗者還對書 寫時手指的穩(wěn)定性進(jìn)行了觀察。根據(jù)我們的觀察，在書寫時，手指基本能保持在穩(wěn)定的位置 上，但是由于當(dāng)前電極大小和固定方式的限制，書寫時電極可能發(fā)生滑動，造成被試不時需 要調(diào)整握筆位置，保證覆蓋電極。其次，我們觀察到在書寫時，每完成一幅涂鴉、或者每完成 一句話的書寫，被試有一個停頓和休息時，有些被試習(xí)慣性地會調(diào)整書寫姿勢，這可能是被 試平時書寫時的習(xí)慣，可能會造成表面肌電電極采集到一個運動偽跡，但在整個較長時間 的書寫過程中，應(yīng)該可以很容易被去除。在實驗中，被試書寫的內(nèi)容如圖6所示。
[0098] 當(dāng)我們詢問被試的主觀感受，被試大多表示電極過厚，以及電極在筆桿上有滑動， 會造成握筆的不穩(wěn)定，因此，優(yōu)選將電極改為薄片，或固定在筆桿內(nèi)，從而可以減小電極本 身的滑動。
[0099] 實施例3血氧飽和度探頭位置的比較
[0100] 在實施例3中，我們檢測了將血氧飽和度探頭放置在三個不同的手指上時，測得的 數(shù)值是否有顯著不同，12位被試的監(jiān)測結(jié)果如下表所示：
[0101] 表2實施例3所測不同手指血氧飽和度比較
[0102]
[0104] 從表中我們可以看出，對于12位被試，我們將三種手指兩兩進(jìn)行配對，利用t檢驗 判斷他們是否具有顯著差異。針對大拇指和食指測得的血氧飽和度的值，我們可以99.60% 地確定這兩個手指測得的血氧飽和度的值存在顯著差異。而對于中指和食指，以及大拇指 和中指這兩組，P值分別為0.131和0.206,都大于0.05,無法證明它們的差別在統(tǒng)計學(xué)上的 顯著性。
[0105] 實施例4 EMG電極位置的比較
[0106] 1)健康筆原型書寫實驗部分
[0107] 將EMG電極分別放置在食指前端、拇指前端和手背三個位置上(方案一），讓被試書 寫指定材料一遍，同時記錄EMG數(shù)據(jù)。將筆桿上的兩個電極分別移動到食指前端和中指側(cè)面 (方案三）、以及中指側(cè)面和拇指前端(方案二），重復(fù)相同的書寫任務(wù)。用以確定EMG電極的 放置位置。結(jié)束后要求被試進(jìn)行簡單的打分，以分析被試對健康筆的主觀感受。
[0108] 在完成書寫實驗后，我們得到了每一位被試在電極擺放三種不同方案下進(jìn)行書寫 實驗的數(shù)據(jù)，每一位被試完成一次書寫材料的書寫需要耗時數(shù)分鐘，產(chǎn)生10000個以上的數(shù) 據(jù)。因為被試對三種電極擺放位置的適應(yīng)度不同，三種方案下產(chǎn)生的表面肌電數(shù)據(jù)差距較 大，甚至有時在某個方案下不能得到有效的數(shù)據(jù)。實驗測得的一個典型的表面肌電數(shù)據(jù)如 圖7所示?？梢钥闯鲈跁鴮懙倪^程中，因為每時每刻手指肌肉的作用，表面肌電圖出現(xiàn)起伏 變化。
[0109] 為了對比出每種方案的優(yōu)劣，我們對每一位被試在三種方案下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處 理。首先，我們希望能采集到更多的有效數(shù)據(jù)。雖然在正常書寫過程中直接采集生理數(shù)據(jù)， 可能受到很多因素的影響，比如手指在書寫過程中發(fā)生移動，無法完全覆蓋電極，此時可能 就無法有效收集數(shù)據(jù)。因此我們計算了每一方案下每位被試的數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)占總體數(shù)據(jù) 的百分比，即用全部數(shù)據(jù)的數(shù)量減去無效數(shù)據(jù)的數(shù)量(呈無變化的基準(zhǔn)線數(shù)據(jù))得到有效數(shù) 據(jù)的數(shù)量，除以全部數(shù)據(jù)的數(shù)量得到百分比。結(jié)果如下表所示：
[0110] 表3實施例4各方案有效數(shù)據(jù)所占百分比及各方案比較
[0111]
Lui ιζ」 從衣十獲；1|」R」以有出，仕力條>、力條二的?肓優(yōu)卜，仴竺攸誠侍到的仴雙數(shù)骷齒芏 是0%。這可能是因為個人的體質(zhì)的不同，比如根據(jù)我們的觀察，有的被試的中指側(cè)面很難 將電極完全遮住，而在書寫過程中這一點就更難做到了，所以很難得到有效的數(shù)據(jù)。從整體 而言，如圖8所示，方案一的情況下，得到的有效數(shù)據(jù)所占百分比的平均值為51%，最高的一 位被試甚至得到了 95%的有效數(shù)據(jù)，即在整個書寫過程中幾乎都能獲得有效的表面肌電數(shù) 據(jù)。在方案二的情況下，得到的有效數(shù)據(jù)所占百分比的平均值為44%，有四位被試在這種方 案下不能得到有效的數(shù)據(jù)。在方案三的情況下，得到的有效數(shù)據(jù)所占百分比的平均值為 28%，有2位被試在這種方案下不能得到有效數(shù)據(jù)。
[0113] 我們對方案兩兩間的差值進(jìn)行了 t檢驗，對于方案一和方案二，得到有效數(shù)據(jù)的百 分比存在差異的可能性為73.62%，不足以說明它們具有顯著差異。對于方案一和方案三， 兩個方案的有效數(shù)據(jù)的百分比存在差異的可能性為91.60%，方案一明顯好于方案三。對于 方案二和方案三，同樣的兩個方案存在差異的可能性僅為79.59%，不能確定兩個方案是否 具有顯著差異。綜上所述，究竟是方案一還是方案二能得到更多的有效數(shù)據(jù)數(shù)值，并沒有定 論，這可能需要進(jìn)行更多的實驗，選擇更多的被試，進(jìn)一步進(jìn)行驗證。但是在這12個被試間， 對于方案二和方案三，都有得不到有效數(shù)據(jù)的情況，但在方案一的情況下，并無這一現(xiàn)象發(fā) 生，所以我們本身還是更傾向于選擇方案一。
[0114] 除了有效數(shù)據(jù)所占百分比之外，我們還分析了獲得的數(shù)據(jù)的幅度的大小的平均 值，以此來體現(xiàn)哪種方案能更好地體現(xiàn)書寫時表面肌肉電的變化。因為表面肌電本身是比 較微弱的數(shù)據(jù)，如果得到波動幅度過小的數(shù)據(jù)，就更有可能受到其他干擾的影響，得不到我 們想要的效果。
[0115] 具體的計算方法是，我們用無效數(shù)據(jù)(未檢測到表面肌電的狀態(tài))的平均值減去有 效數(shù)據(jù)的值，得到數(shù)據(jù)信號的幅度，在求取整個有效數(shù)據(jù)幅度的平均值，得到的結(jié)果如下表 所示：
[0116] 表4健康筆所測得表面肌電數(shù)據(jù)信號幅度平均值比較
[0117]
[0118]結(jié)合圖9我們可以看出，對于第一種方案，12位被試的有效數(shù)據(jù)的信號幅度的平均 值為261，是其他兩個方案平均值的兩倍以上。而對于剩下兩個方案，12位被試有效數(shù)據(jù)信 號幅度的平均值分別為130和129。
[0119]我們對方案兩兩間的差值進(jìn)行t檢驗，同樣由表中可以看出，對于方案一和方案 二，方案一的信號幅度平均值顯著大于方案二，即我們可以99.42%地肯定這兩個方案之間 存在顯著差異。對于方案一和方案三，我們可以97.36 %地肯定兩個方案之間有顯著差異， 方案一的信號幅度的平均值顯著大于方案三。而從表中同樣可以看出，我們無法說明方案 二和方案三是否具有統(tǒng)計上的顯著差異(P = 〇. 9727>>0.05)。
[0120] 綜上我們可以看出來，方案一具有明顯優(yōu)勢，可以更好地體現(xiàn)表面肌電信號的變 化，有助于對于健康筆獲得的生理數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析。
[0121] 從我們對于表面肌電電極的書寫實驗的數(shù)據(jù)分析，方案一，即將電極放置在食指 前端與筆桿接觸的位置和拇指前端與筆桿接觸的位置，在兩個指標(biāo)上都有較明顯的優(yōu)勢。
[0122] 2)主觀問卷部分
[0123] 在被試完成三個方案的書寫實驗后，我們還要求被試對方案進(jìn)行主觀評價，包括 三個問題，均要求被試按照Likert五點量表進(jìn)行打分。具體的問題和所得結(jié)果如下：
[0124] 1、前后三種方案分別可以打幾分（1分為最不滿意，5分為最滿意），對方案還有其 他的建議？
[0125] 三種EMG電極的放置方案分別為:方案一是將電極設(shè)置在食指前端與筆桿接觸處 和大拇指前端與筆桿接觸處，方案二是將電極設(shè)置在中指側(cè)面與筆桿接觸處和大拇指與筆 桿接觸處，方案三是將電極設(shè)置在中指側(cè)面與筆桿接觸處和食指前端與筆桿接觸處。結(jié)合 圖10可以看出，對12位被試，方案一得到的主觀評分平均值為3.92，標(biāo)準(zhǔn)差為1.24，12人中8 人給予了正面評價（即給4分及以上的人數(shù)），平均值的95%t置信區(qū)間為3.1~4.7分。對于 方案二，主觀評分的平均值為2.33，標(biāo)準(zhǔn)差為1.07，12人中只有1人給予積極評價，平均值的 95 % t置信區(qū)間為1.7~3.0分。對于方案三，該方案的主觀評價的平均分為1.92，標(biāo)準(zhǔn)差為 〇. 67，沒有人給予正面評價，平均值的95 % t置信區(qū)間為1.5~2.3分。
[0126] 根據(jù)實驗的統(tǒng)計結(jié)果，我們可以看出方案一得到的主觀評價最好，平均分的置信 區(qū)間偏向中立和積極的評價，方案二和方案三都不太盡如人意。我們也簡單詢問了被試這 樣進(jìn)行打分的原因，其中一位被試在三個方案中給了方案一最高的分?jǐn)?shù)，并表示在書寫時 "拇指和食指向下用力，更穩(wěn)定"。
[0127] 根據(jù)我們的觀察，在分別用三種方案進(jìn)行書寫時，在后兩種方案的情況下，被試抱 怨"無法用正常書寫姿勢"，并且在整個書寫過程中，有時無法保持握筆姿勢，要停下書寫進(jìn) 行調(diào)整。
[0128] 我們還詢問了被試對于電極放置方案的建議，被試的建議包括:避免電極體積過 大、過厚;可以將電極固定在筆桿內(nèi)等。
[0129] 表5實施例4主觀問卷部分實驗數(shù)據(jù)
[0130]

[0131] 2、是否愿意向他人推薦健康筆（1分為非常不愿意，5分為非常愿意)？
[0132] 問及是否愿意向他人推薦健康筆，這項打分的平均值為3.25,標(biāo)準(zhǔn)差為1.36，12位 被試中有6位給予正向評價，95 % t置信區(qū)間為2.4~4.1分。
[0133] 3、您認(rèn)為健康筆是否妨礙書寫（1為非常妨礙，5為完全不妨礙)？
[0134] 當(dāng)問及健康筆的設(shè)計是否妨礙書寫時，這項打分的平均值為2.83,標(biāo)準(zhǔn)差為1.03， 12人中有3人給予正向評價，6人給予中立評價，95%t置信區(qū)間為2.2~3.5分。
[0135] 在本發(fā)明中，我們完成了實施例1，即對握筆位置的測量。該實驗的結(jié)果顯示，與我 們事先調(diào)研的結(jié)果基本一致，傳感器可以設(shè)置在距筆尖3cm左右的位置，具體三個手指的高 低位置可以參照實驗結(jié)果得到的平均值。
[0136] 在實施例2中，我們對被試使用健康筆原型進(jìn)行書寫時，握筆姿勢的穩(wěn)定性進(jìn)行了 觀察。根據(jù)我們的觀察，我們認(rèn)為在書寫時，三個手指的位置基本保持穩(wěn)定，但有些被試習(xí) 慣在書寫的空隙間調(diào)整書寫造成，可能造成傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生運動偽跡。在這種情況下，如果 將電極的體積減小，固定在筆桿內(nèi)部，將有效提尚書與時手指的穩(wěn)定性。
[0137] 在實施例3中，我們對將血氧飽和度探頭設(shè)置在三個手指上的情況進(jìn)行了對比，得 到的結(jié)論為，將探頭設(shè)置在大拇指上和食指上，得到的數(shù)值有顯著區(qū)別；而對于大拇指和 中指，以及食指和中指，不能證明它們存在統(tǒng)計學(xué)上的顯著區(qū)別。在日常生活中，我們大多 選擇食指進(jìn)行血氧飽和度的測量，實際對于健康筆的設(shè)計，血氧飽和度并沒有連續(xù)測量的 必要，如果和其他傳感器，比如表面肌電電極，一同設(shè)置在食指前端與筆桿接觸的位置上， 當(dāng)需要進(jìn)行測量時，使用者可以用食指蓋住血氧飽和度探頭進(jìn)行測量，其它的時候則可以 覆蓋住表面肌電電極。
[0138] 在實施例4中，我們對表面肌電電極的設(shè)置位置進(jìn)行了對比，一共有三種方案，一 是將電極設(shè)置在食指前端與筆桿接觸處和大拇指前端與筆桿接觸處，二是中指側(cè)面與筆桿 接觸處與大拇指前端與筆桿接觸處，三是中指側(cè)面與筆桿接觸處與食指前端與筆桿接觸 處，經(jīng)過書寫實驗得到的表面肌電數(shù)據(jù)表明，方案一的表現(xiàn)更好，可以更好地獲得表面肌電 信號。
[0139] 最后，我們還要求被試對三種方案進(jìn)行主觀打分，并對健康筆進(jìn)行評價。對于三種 方案，方案一得到的主觀評價最好，被試的給分傾向于中立和正向評價，這與書寫實驗得到 的數(shù)據(jù)分析結(jié)果是一致的。
[0140]綜上，對于表面肌電電極在健康筆上的設(shè)置，我們認(rèn)為設(shè)置在食指前端與筆桿接 觸處和大拇指前端與筆桿接觸處兩處最為合適。因為書寫時這兩只手指向下用力，能夠握 筆更穩(wěn)定。
【主權(quán)項】
1. 一種多通道健康筆系統(tǒng)，包括： 筆桿，該筆桿具有手部書寫接觸區(qū)； 安裝于筆桿內(nèi)部的筆芯； 固設(shè)于筆桿內(nèi)部的運動傳感器和壓力傳感器； 固設(shè)于手部書寫接觸區(qū)的生理參數(shù)采集單元； 固設(shè)于筆桿內(nèi)部的微控制單元。2. 如權(quán)利要求1所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述手部書寫接觸區(qū)包括食指 前端與筆桿接觸區(qū)，大拇指前端與筆桿接觸區(qū)和中指側(cè)面與筆桿接觸區(qū)，所述食指前端與 筆桿接觸區(qū)為距筆尖l-6cm處。3. 如權(quán)利要求1所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述運動傳感器和壓力傳感器 采集書寫相關(guān)數(shù)據(jù)，所述書寫相關(guān)數(shù)據(jù)包括筆桿傾斜數(shù)據(jù)和筆尖壓力數(shù)據(jù)，所述筆桿傾斜 數(shù)據(jù)由運動傳感器采集，所述筆尖壓力數(shù)據(jù)由壓力傳感器采集。4. 如權(quán)利要求3所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述筆桿傾斜數(shù)據(jù)包括高度角 和方位角信息，所述高度角為筆桿所在直線與書寫平面的夾角，所述方位角為筆桿在書寫 平面上的投影與水平軸之間的夾角。5. 如權(quán)利要求1所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述運動傳感器包括磁力計、 加速度計和陀螺儀。6. 如權(quán)利要求1所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述生理參數(shù)采集單元包括探 頭和表面肌電電極，所述探頭包括探頭發(fā)射器和探頭接收器，所述探頭發(fā)射器發(fā)出紅光和 紅外光，所述探頭接收器收集出射光。7. 如權(quán)利要求1所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括粘貼于健康筆 使用者手背處作為接地的電極。8. 如權(quán)利要求1所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括固設(shè)于筆桿上 用于傳輸數(shù)據(jù)的傳輸模塊。9. 如權(quán)利要求8所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述傳輸模塊為藍(lán)牙。10. 如權(quán)利要求1所述的多通道健康筆系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括用于處理數(shù) 據(jù)的計算設(shè)備，該計算設(shè)備包括： 用于將健康筆采集的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎阍O(shè)備的數(shù)據(jù)輸入單元； 用于對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的數(shù)據(jù)預(yù)處理單元； 用于提取預(yù)處理后的數(shù)據(jù)特征的特征提取單元； 用于根據(jù)得到的特征向量，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立模型的模型建立單元； 及用于輸出最終數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸出單元。
【文檔編號】A61B5/0205GK105997091SQ201610178681
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】田豐, 陳毅能, 賀悅, 戴國忠, 王宏安
【申請人】中國科學(xué)院軟件研究所