用于監(jiān)測(cè)肢體偏差的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于對(duì)脊椎哺乳動(dòng)物身體部位的偏差（也稱為下肢角對(duì)準(zhǔn)變化， 例如，內(nèi)-外側(cè)偏差）進(jìn)行監(jiān)測(cè)、測(cè)量、評(píng)估和/或提供反饋的方法和裝置。內(nèi)-外側(cè)偏差 會(huì)在諸如蹲、跳和/或跑的活動(dòng)和/或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中顯現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于業(yè)余和專業(yè)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，膝部受傷較為常見(jiàn)并且是痛苦的事情。詳細(xì)記錄過(guò) 的有關(guān)膝部受傷的風(fēng)險(xiǎn)因素是在動(dòng)態(tài)活動(dòng)過(guò)程中發(fā)生在膝關(guān)節(jié)處的角對(duì)準(zhǔn)變化。角對(duì)準(zhǔn)變 化通常稱為外翻或內(nèi)翻，這取決于膝部的形成角度是向內(nèi)（外翻）還是向外（內(nèi)翻）。在解 剖方面，脛骨結(jié)節(jié)與骨盆的對(duì)準(zhǔn)也稱為Q角。膝部的角對(duì)準(zhǔn)變化描述了在足部固定于地面 的同時(shí)膝部向內(nèi)側(cè)移動(dòng)的情況（外翻）或者在足部固定于地面的同時(shí)膝部向外側(cè)移動(dòng)的情 況（內(nèi)翻），這增加了股骨與脛骨之間的角度。當(dāng)發(fā)生能導(dǎo)致膝部角對(duì)準(zhǔn)變化的運(yùn)動(dòng)時(shí)，它 會(huì)與膝部屈曲（稱為脛骨-股骨屈曲）、股骨內(nèi)旋、足部旋前和/或髖關(guān)節(jié)相對(duì)屈曲結(jié)合起 來(lái)。
[0003] 當(dāng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員或運(yùn)動(dòng)選手進(jìn)行評(píng)估時(shí)，治療師會(huì)隨著人員的蹲、跳躍、彈跳、行走或 奔跑來(lái)對(duì)膝部、髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行常規(guī)測(cè)試或評(píng)估。治療師利用評(píng)級(jí)系統(tǒng)來(lái)主觀 地（從視覺(jué)上）評(píng)判運(yùn)動(dòng)員/運(yùn)動(dòng)選手是否良好或不良地進(jìn)行了測(cè)試，例如1 (良好）、2 (平 均）或3 (差）。
[0004] 盡管在蹲或跳躍/彈跳落地時(shí)評(píng)級(jí)系統(tǒng)可以提供對(duì)外翻或內(nèi)翻運(yùn)動(dòng)的主觀印象， 但是目前尚不能對(duì)測(cè)試進(jìn)行客觀測(cè)量，而是基于視覺(jué)觀察來(lái)進(jìn)行主觀評(píng)估。視頻技術(shù)可用 于將脛骨與股骨的對(duì)準(zhǔn)可視化，而軟件包可允許用戶將屏幕上的痕跡與人體的不同肢體的 角運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，以評(píng)估外翻角度/內(nèi)翻角度。光學(xué)跟蹤標(biāo)記也可以與高幀率相機(jī)一起用 來(lái)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下捕獲這類運(yùn)動(dòng)。然而，這些程序的后續(xù)分析耗時(shí)，經(jīng)常由于肢體運(yùn)動(dòng)而具 有視覺(jué)遮擋，無(wú)法提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且通常需要在受控環(huán)境下借助專業(yè)設(shè)備和工作人員來(lái) 進(jìn)tx捕獲。
[0005] 本發(fā)明的方法和裝置可以至少緩解現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。本發(fā)明可在不需要視頻分析 的同時(shí)還提供實(shí)時(shí)反饋，以允許運(yùn)動(dòng)員/競(jìng)技者基于實(shí)時(shí)反饋來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)整其運(yùn)動(dòng)模式。
[0006] 這里，對(duì)以現(xiàn)有技術(shù)給出的專利文獻(xiàn)或其他主題的引用不視為是承認(rèn)：截止到本 文的任何公開(kāi)內(nèi)容或權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日，該文獻(xiàn)或主題在澳大利亞或其他地區(qū)是公知 的，或者其中所含的信息在澳大利亞或其他地區(qū)屬于知常識(shí)的一部分。在本說(shuō)明書(shū)中包含 此類有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的討論是用于根據(jù)本發(fā)明人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明的上下文進(jìn)行闡述。
[0007] 在本文的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，詞語(yǔ)"包括"或"包含"以及這些詞的變型，例如 "具有"、"含有"和"設(shè)有"或"有"，并不意味著排除其他添加項(xiàng)、部件、整數(shù)或步驟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于監(jiān)測(cè)、測(cè)量和/或評(píng)估脊椎哺乳動(dòng)物的 身體部位的偏差的裝置，所述裝置包括：
[0009] 至少一個(gè)傳感器，用于測(cè)量所述身體部位相對(duì)于基準(zhǔn)系的轉(zhuǎn)動(dòng)，并提供表示所述 轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)據(jù)；
[0010] 存儲(chǔ)裝置，其適于存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)；和
[0011] 處理器，其適于對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以評(píng)估與所述數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的所述身體部位 的偏差。
[0012] 所述處理器可以配置為執(zhí)行用于評(píng)估身體部位的偏差的算法。所述算法適于相對(duì) 于身體部位發(fā)生了運(yùn)動(dòng)的第二基準(zhǔn)系來(lái)從第一基準(zhǔn)系進(jìn)行數(shù)據(jù)變換。
[0013] 所述算法可適于對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分以提供角位移（0 )。所述算法可適 于對(duì)例如表示外翻或內(nèi)翻角度的角位移的角位移分量（0Z)進(jìn)行評(píng)估。所述算法可適于將 外側(cè)屈曲分量（0z)投射到前平面上。
[0014] 所述算法可適于對(duì)表示扭曲角度的角位移扭曲分量（0x)進(jìn)行評(píng)估。所述算法可 適于通過(guò)向扭曲分量（0x)添加角度偏移（0XQ)來(lái)補(bǔ)償扭曲分量（0 x)。由角位移的分量 9Y和9z所產(chǎn)生的角度偏移（9XCi)可由9Xti=atan(sin(9z)/tan(9Y))來(lái)確定。
[0015] 所述至少一個(gè)傳感器可包括陀螺儀。所述至少一個(gè)傳感器可適于測(cè)量圍繞一個(gè)或 多個(gè)正交軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。所述至少一個(gè)傳感器還可包括用于測(cè)量身體部位相對(duì)于慣性基準(zhǔn)系 的加速度并提供表示該加速度的數(shù)據(jù)的單元。所述加速度單元可適于測(cè)量沿著一個(gè)或多個(gè) 正交軸線的加速度。
[0016] 哺乳動(dòng)物的身體部位可包括腿部，并且所述裝置可適于監(jiān)測(cè)與腿部相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng) 分量?？蓪⒏鱾€(gè)傳感器施加到哺乳動(dòng)物的腿部。所述傳感器或每個(gè)傳感器可以包括用于將 模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字域的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD轉(zhuǎn)換器）。所述AD轉(zhuǎn)換器可配置成先將來(lái)自所述 傳感器或每個(gè)傳感器的模擬輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后再存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。要在動(dòng)態(tài)下肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 捕獲角偏差需要用到至少充分且與運(yùn)動(dòng)頻率相當(dāng)?shù)牟蓸宇l率。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于監(jiān)測(cè)、測(cè)量和/或評(píng)估脊椎哺乳動(dòng)物的 身體部位的偏差的方法，所述方法包括：
[0018] 使用至少一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量所述身體部位相對(duì)于基準(zhǔn)系的轉(zhuǎn)動(dòng)，并提供表示所述 轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)據(jù)；
[0019] 將所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中；和
[0020] 通過(guò)處理器來(lái)處理所述數(shù)據(jù)，以評(píng)估與所述數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的所述身體部位的偏差。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種形式；
[0022] 圖2示出了左腿的橫截面的剖視圖，以及設(shè)置在脛骨上的傳感器；
[0023] 圖3示出了 0z平面投射在前平面上的具有扭曲更新的投影；
[0024] 圖4示出了針對(duì)具有很少或沒(méi)有內(nèi)-外側(cè)偏差的第一受試者的測(cè)試結(jié)果；
[0025] 圖5示出了針對(duì)具有內(nèi)翻偏差的第二受試者的測(cè)試結(jié)果；和
[0026] 圖6示出了針對(duì)具有外翻偏差的第三受試者的測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明特別適于在給定時(shí)間點(diǎn)對(duì)人類受試者的膝部?jī)?nèi)側(cè)/外側(cè)偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)和 確定，并且本文是在這樣的背景下進(jìn)行描述的。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不由此而限制于 此類應(yīng)用。
[0028]本發(fā)明可以在包括室內(nèi)和/或戶外環(huán)境的各種環(huán)境下針對(duì)不同目的來(lái)監(jiān)測(cè)膝部 的內(nèi)-外側(cè)偏差，這包括但不限于例如對(duì)運(yùn)動(dòng)員所經(jīng)受的膝部?jī)?nèi)-外側(cè)偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè) 量的應(yīng)用，從而辨別不良控制、防止受傷、鑒定缺乏肌肉控制和/或僵化、引導(dǎo)最佳技術(shù)的 采用、確認(rèn)恢復(fù)完成（針對(duì)受傷運(yùn)動(dòng)員）和/或提高整體表現(xiàn)。
[0029]本發(fā)明的裝置可設(shè)置在腿部的小腿內(nèi)側(cè)部分，以實(shí)現(xiàn)在跳躍、彈跳、行走或奔跑過(guò) 程中對(duì)內(nèi)-外側(cè)偏差（也稱為膝部外翻/內(nèi)翻）的監(jiān)測(cè)。該裝置可包括例如陀螺儀的旋轉(zhuǎn) 傳感器，并且任選地包括諸如加速度計(jì)和/或磁強(qiáng)計(jì)的一個(gè)或多個(gè)慣性傳感器，從而確定 內(nèi)-外側(cè)偏差。該裝置可包括用于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)算法的數(shù)字處理引擎。該算法可以考慮 到一些變量，例如，在活動(dòng)過(guò)程中脛骨相對(duì)于橫截面的角度和/或腿部的扭轉(zhuǎn)。
[0030] 參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種形式包括沿著人類受試者12的左、右腿部的 脛骨軸線或與之成一條直線地設(shè)置的傳感器10, 11。傳感器10, 11設(shè)置在受試者12的腿部 上，由此使得傳感器10, 11的基準(zhǔn)系由軸線x，y，z限定，其中軸線x，z位于圖1的正視圖平 面中，并且軸線x，y位于圖1的側(cè)視圖平面中。外翻或內(nèi)翻的測(cè)量定義為繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0031]每個(gè)傳感器10, 11可包括旋轉(zhuǎn)傳感器（例如，一維、二維或三維陀螺儀）以測(cè)量角 速度，并任選地包括一維、二維或三維加速度計(jì)來(lái)測(cè)量加速度，和/或磁傳感器（例如，磁強(qiáng) 計(jì)）來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。雙腿上的正向軸線可以指向上或指向下，由此使得可至少在垂直方向上 測(cè)量脛骨加速度。來(lái)自傳感器10, 11的數(shù)據(jù)可用于確定在諸如蹲、跳和/或跑等活動(dòng)和/ 或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受試者12腿部的內(nèi)-外側(cè)偏差。
[0032]通過(guò)傳感器10, 11測(cè)得的傳感器數(shù)據(jù)可經(jīng)由無(wú)線發(fā)射器13, 14發(fā)送到遠(yuǎn)程接收器 15。接收器15與數(shù)字處理引擎16相關(guān)聯(lián)。數(shù)字處理引擎16包括數(shù)字處理器，例如用于處 理數(shù)據(jù)的微處理器。
[0033] 數(shù)字處理引擎16可以包括利用從每個(gè)脛骨的前內(nèi)側(cè)面測(cè)得的角速度和加速度來(lái) 確定膝部的內(nèi)-外側(cè)偏差的算法。數(shù)字處理引擎16可通過(guò)算法來(lái)執(zhí)行計(jì)算，隨后從各個(gè)傳 感器10, 11的基準(zhǔn)系向每個(gè)脛骨的機(jī)械軸線的基準(zhǔn)系進(jìn)行數(shù)據(jù)變換。
[0034]在一種形式中，數(shù)字存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元17, 18可與傳感器10, 11相關(guān)聯(lián)，從而 通過(guò)數(shù)字格式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用于分析和/或報(bào)告。數(shù)字存儲(chǔ)器17, 18可包括例如閃存、存儲(chǔ) 卡、記憶棒等用于存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可以是可移動(dòng)的，以便于將數(shù)據(jù)下載到 諸如PC或其他數(shù)字處理引擎的遠(yuǎn)程處理裝置中。
[0035]數(shù)字存儲(chǔ)器17, 18可以從傳感器10, 11接收數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器10, 11可包括模數(shù) 轉(zhuǎn)換器（AD轉(zhuǎn)換器）19, 20或與其相關(guān)聯(lián)。每個(gè)AD轉(zhuǎn)換器19, 20和存儲(chǔ)器17, 18可直接與 傳感器10, 11相關(guān)聯(lián)，例如分別放置在與傳感器10, 11相同的PCB上。備選地，傳感器10, 11 可以向發(fā)射器13, 14輸出模擬數(shù)據(jù)，并且一個(gè)或多個(gè)AD轉(zhuǎn)換器可以與遠(yuǎn)程接收器15和/或 數(shù)字處理引擎16相關(guān)聯(lián)。一個(gè)或多個(gè)AD轉(zhuǎn)換器可以在將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)字存儲(chǔ)器（例如， 如上所述的數(shù)字存儲(chǔ)器）之前先將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。在一些實(shí)施例中，數(shù)字處理引 擎16可以實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)，從而向所監(jiān)測(cè)的受試者12提供生物反饋。
[0036] 圖2示出了受試者12左腿的橫截面的上下剖視圖，并且傳感器10設(shè)置在脛骨21 的表面20上。介于脛骨21的表面20與前向屈曲平面之間的角度定義為?。角度?在平 均意義上大約為45度，但可能基于該平均值向上或向下變化幾度。表面20可為傳感器10 的附接提供相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)。因此，傳感器10的基準(zhǔn)系（B)相對(duì)于脛骨21的機(jī)械軸線的 基準(zhǔn)系（C)轉(zhuǎn)動(dòng)了角度?的幅度。前向屈曲和外側(cè)屈曲定義為當(dāng)傳感器10的陀螺儀和加 速度計(jì)的靈敏度軸線與軸線By和B 2對(duì)準(zhǔn)時(shí)圍繞軸線C Y和C 2的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0037] 由于通過(guò)傳感器10的測(cè)量是在基準(zhǔn)系B中得出的，因此必須將它們變換到脛骨基 準(zhǔn)系C中。下面的公式可用于這種變換：
[0038] Cy = By*cos ((6)+Bz*sin ((6) (1)
[0039] Cz = By*sin ((6)-Bz*cos ((6) (2)
[0040] 其中By，Bz表示傳感器基準(zhǔn)系B中的y分量和z分量，Cy和Cz表示脛骨基準(zhǔn)系C 中的y分量和z分量，并且?表示脛骨21上的傳感器10與前向屈曲平面之間的角度。
[0041] 上述公式（1)和（2)可使用于基準(zhǔn)系B中由傳感器10所獲得的矢量變換陀螺信 號(hào){ BWx，B?Y，B?z}以及任選的加速度計(jì)信號(hào){ Bax，BaY，Baz}，也可使用于分別在機(jī)械或脛骨 基準(zhǔn)系C中的陀螺