[发明专利]基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统

权利要求书

1.基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统，其特征在于，包括关节运动加速度采集装置和基于加速度的关节协同运动分析模块；其中，

所述关节运动加速度采集装置包括装置本体和弹性绷带，所述装置本体上分别集成有加速度采集模块、单片机模块、显示模块、无线传输模块和电源模块，所述加速度采集模块用于采集膝爬动作过程中肢体关节运动的三轴加速度信号，所述单片机模块用于将采集的三轴加速度信号进行处理后输至显示模块进行显示并送至无线传输模块上传至上位机进行分析，所述电源模块用于给单片机模块供电，所述弹性绷带与装置本体两侧连接便于将装置本体固定于脑瘫儿童肢体关节上；

所述基于加速度的关节协同运动分析模块设于上位机中，所述基于加速度的关节协同运动分析模块包括：

切向加速度换算单元，用于将无线传输模块传输过来的三轴加速度信号进行矢量合成得到切向加速度；

爬行周期分割单元，用于将肢体关节在垂直方向上连续两次运动切向加速度峰值之间的时间间隔定义为一个完整爬行周期；

切向加速度预处理单元，用于对经过周期分割后的切向加速度先采用低通滤波器进行滤波，接着对不同爬行周期的切向加速度曲线，采用各关节切向加速度曲线幅值最大值进行幅值归一化，然后将归一化后数据重采样为0～100％的爬行周期，最后将经过归一化和重采样处理后的多周期切向加速度曲线进行平均；

原始矩阵构建单元，用于在切向加速度预处理单元预处理基础上，将0～100％爬行周期内的各关节切向加速度曲线按照设定顺序排列构成原始矩阵V_O^m×t，其中m表示关节个数，t表示单个爬行周期内重采样数据点个数；

非负矩阵分解单元，用于先设定关节协同模式个数r，1≤r≤8，接着建立0～1均匀分布的随机矩阵W和H并形成初始重构矩阵V_r＝W×H，然后通过计算参数来判断重构矩阵V_r和原始矩阵V_O之间的差异，不断进行迭代使重构矩阵V_r越来越接近原始矩阵V_O直至满足预设条件为止，最后通过非负矩阵分解算法对满足预设条件时的重构矩阵V_r通过公式进行矩阵分解，提取并输出姿势协同矩阵W和激活系数矩阵H。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统，其特征在于，所述加速度采集模块采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050。

3.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统，其特征在于，所述单片机模块采用STC89C52系列单片机。

4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统，其特征在于，所述无线传输模块采用HC-05蓝牙模块。

5.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统，其特征在于，所述装置本体固定于脑瘫儿童四肢双侧肘关节、腕关节、膝关节以及踝关节上。

6.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统，其特征在于，所述切向加速度换算单元中对肢体关节在爬行过程中前后方向、水平方向和竖直方向上对应的加速度信号V_AP、V_ML和V_VT，通过公式进行矢量合成得到切向加速度。

7.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统，其特征在于，所述切向加速度预处理单元中采用巴特沃斯二阶低通滤波器进行滤波，采用公式进行归一化处理；其中，x_i表示爬行周期内某个时刻i的切向加速度，y_i表示经过归一化处理后的切向加速度。

8.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的脑瘫儿童膝爬关节协同运动分析系统，其特征在于，所述原始矩阵构建单元中原始矩阵V_O^m×t的m＝8，t＝101。