说明书用于监测肢体偏差的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于对脊椎哺乳动物身体部位的偏差(也称为下肢角对准变化，例如，内-外侧偏差)进行监测、测量、评估和/或提供反馈的方法和装置。内-外侧偏差会在诸如蹲、跳和/或跑的活动和/或运动过程中显现。
背景技术
对于业余和专业运动员来说，膝部受伤较为常见并且是痛苦的事情。详细记录过的有关膝部受伤的风险因素是在动态活动过程中发生在膝关节处的角对准变化。角对准变化通常称为外翻或内翻，这取决于膝部的形成角度是向内(外翻)还是向外(内翻)。在解剖方面，胫骨结节与骨盆的对准也称为Q角。膝部的角对准变化描述了在足部固定于地面的同时膝部向内侧移动的情况(外翻)或者在足部固定于地面的同时膝部向外侧移动的情况(内翻)，这增加了股骨与胫骨之间的角度。当发生能导致膝部角对准变化的运动时，它会与膝部屈曲(称为胫骨-股骨屈曲)、股骨内旋、足部旋前和/或髋关节相对屈曲结合起来。
当对运动员或运动选手进行评估时，治疗师会随着人员的蹲、跳跃、弹跳、行走或奔跑来对膝部、髋关节和踝关节的对准进行常规测试或评估。治疗师利用评级系统来主观地(从视觉上)评判运动员/运动选手是否良好或不良地进行了测试，例如1(良好)、2(平均)或3(差)。
尽管在蹲或跳跃/弹跳落地时评级系统可以提供对外翻或内翻运动的主观印象，但是目前尚不能对测试进行客观测量，而是基于视觉观察来进行主观评估。视频技术可用于将胫骨与股骨的对准可视化，而软件包可允许用户将屏幕上的痕迹与人体的不同肢体的角运动进行对准，以评估外翻角度/内翻角度。光学跟踪标记也可以与高帧率相机一起用来在实验室环境下捕获这类运动。然而，这些程序的后续分析耗时，经常由于肢体运动而具有视觉遮挡，无法提供实时数据，并且通常需要在受控环境下借助专业设备和工作人员来进行捕获。
本发明的方法和装置可以至少缓解现有技术的缺点。本发明可在不需要视频 分析的同时还提供实时反馈，以允许运动员/竞技者基于实时反馈来实时地调整其运动模式。
这里，对以现有技术给出的专利文献或其他主题的引用不视为是承认：截止到本文的任何公开内容或权利要求的优先权日，该文献或主题在澳大利亚或其他地区是公知的，或者其中所含的信息在澳大利亚或其他地区属于知常识的一部分。在本说明书中包含此类有关现有技术的讨论是用于根据本发明人的知识和经验对本发明的上下文进行阐述。
在本文的说明书和权利要求书中，词语“包括”或“包含”以及这些词的变型，例如“具有”、“含有”和“设有”或“有”，并不意味着排除其他添加项、部件、整数或步骤。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于监测、测量和/或评估脊椎哺乳动物的身体部位的偏差的装置，所述装置包括：
至少一个传感器，用于测量所述身体部位相对于基准系的转动，并提供表示所述转动的数据；
存储装置，其适于存储所述数据；和
处理器，其适于对所述数据进行处理，以评估与所述数据相关联的所述身体部位的偏差。
所述处理器可以配置为执行用于评估身体部位的偏差的算法。所述算法适于相对于身体部位发生了运动的第二基准系来从第一基准系进行数据变换。
所述算法可适于对一段时间内的数据进行积分以提供角位移(θ)。所述算法可适于对例如表示外翻或内翻角度的角位移的角位移分量(θZ)进行评估。所述算法可适于将外侧屈曲分量(θZ)投射到前平面上。
所述算法可适于对表示扭曲角度的角位移扭曲分量(θX)进行评估。所述算法可适于通过向扭曲分量(θX)添加角度偏移(θX0)来补偿扭曲分量(θX)。由角位移的分量θY和θZ所产生的角度偏移(θX0)可由θX0＝atan(sin(θZ)/tan(θY))来确定。
所述至少一个传感器可包括陀螺仪。所述至少一个传感器可适于测量围绕一个或多个正交轴线的转动。所述至少一个传感器还可包括用于测量身体部位相对 于惯性基准系的加速度并提供表示该加速度的数据的单元。所述加速度单元可适于测量沿着一个或多个正交轴线的加速度。
哺乳动物的身体部位可包括腿部，并且所述装置可适于监测与腿部相关联的转动分量。可将各个传感器施加到哺乳动物的腿部。所述传感器或每个传感器可以包括用于将模拟数据转换成数字域的模数转换器(AD转换器)。所述AD转换器可配置成先将来自所述传感器或每个传感器的模拟输出转换成数据，然后再存储数据。要在动态下肢运动过程中捕获角偏差需要用到至少充分且与运动频率相当的采样频率。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于监测、测量和/或评估脊椎哺乳动物的身体部位的偏差的方法，所述方法包括：
使用至少一个传感器来测量所述身体部位相对于基准系的转动，并提供表示所述转动的数据；
将所述数据存储在存储装置中；和
通过处理器来处理所述数据，以评估与所述数据相关联的所述身体部位的偏差。
附图说明
图1示出了根据本发明的装置的一种形式；
图2示出了左腿的横截面的剖视图，以及设置在胫骨上的传感器；
图3示出了θZ平面投射在前平面上的具有扭曲更新的投影；
图4示出了针对具有很少或没有内-外侧偏差的第一受试者的测试结果；
图5示出了针对具有内翻偏差的第二受试者的测试结果；和
图6示出了针对具有外翻偏差的第三受试者的测试结果。
具体实施方式
本发明特别适于在给定时间点对人类受试者的膝部内侧/外侧偏差进行监测和确定，并且本文是在这样的背景下进行描述的。然而，应当理解，本发明并不由此而限制于此类应用。
本发明可以在包括室内和/或户外环境的各种环境下针对不同目的来监测膝部的内-外侧偏差，这包括但不限于例如对运动员所经受的膝部内-外侧偏差进行 监测和测量的应用，从而辨别不良控制、防止受伤、鉴定缺乏肌肉控制和/或僵化、引导最佳技术的采用、确认恢复完成(针对受伤运动员)和/或提高整体表现。
本发明的装置可设置在腿部的小腿内侧部分，以实现在跳跃、弹跳、行走或奔跑过程中对内-外侧偏差(也称为膝部外翻/内翻)的监测。该装置可包括例如陀螺仪的旋转传感器，并且任选地包括诸如加速度计和/或磁强计的一个或多个惯性传感器，从而确定内-外侧偏差。该装置可包括用于执行一个或多个算法的数字处理引擎。该算法可以考虑到一些变量，例如，在活动过程中胫骨相对于横截面的角度和/或腿部的扭转。
参照图1，根据本发明的装置的一种形式包括沿着人类受试者12的左、右腿部的胫骨轴线或与之成一条直线地设置的传感器10,11。传感器10,11设置在受试者12的腿部上，由此使得传感器10,11的基准系由轴线x,y,z限定，其中轴线x,z位于图1的正视图平面中，并且轴线x,y位于图1的侧视图平面中。外翻或内翻的测量定义为绕y轴的转动。
每个传感器10,11可包括旋转传感器(例如，一维、二维或三维陀螺仪)以测量角速度，并任选地包括一维、二维或三维加速度计来测量加速度，和/或磁传感器(例如，磁强计)来测量磁场。双腿上的正向轴线可以指向上或指向下，由此使得可至少在垂直方向上测量胫骨加速度。来自传感器10,11的数据可用于确定在诸如蹲、跳和/或跑等活动和/或运动过程中受试者12腿部的内-外侧偏差。
通过传感器10,11测得的传感器数据可经由无线发射器13,14发送到远程接收器15。接收器15与数字处理引擎16相关联。数字处理引擎16包括数字处理器，例如用于处理数据的微处理器。
数字处理引擎16可以包括利用从每个胫骨的前内侧面测得的角速度和加速度来确定膝部的内-外侧偏差的算法。数字处理引擎16可通过算法来执行计算，随后从各个传感器10,11的基准系向每个胫骨的机械轴线的基准系进行数据变换。
在一种形式中，数字存储器或数据存储单元17,18可与传感器10,11相关联，从而通过数字格式来存储数据，用于分析和/或报告。数字存储器17,18可包括例如闪存、存储卡、记忆棒等用于存储数字数据的结构。存储器结构可以是可移动的，以便于将数据下载到诸如PC或其他数字处理引擎的远程处理装置中。
数字存储器17,18可以从传感器10,11接收数据。每个传感器10,11可包括 模数转换器(AD转换器)19,20或与其相关联。每个AD转换器19,20和存储器17,18可直接与传感器10,11相关联，例如分别放置在与传感器10,11相同的PCB上。备选地，传感器10,11可以向发射器13,14输出模拟数据，并且一个或多个AD转换器可以与远程接收器15和/或数字处理引擎16相关联。一个或多个AD转换器可以在将数据存储到数字存储器(例如，如上所述的数字存储器)之前先将模拟数据转换到数字域。在一些实施例中，数字处理引擎16可以实时地处理数据，从而向所监测的受试者12提供生物反馈。
图2示出了受试者12左腿的横截面的上下剖视图，并且传感器10设置在胫骨21的表面20上。介于胫骨21的表面20与前向屈曲平面之间的角度定义为Φ。角度Φ在平均意义上大约为45度，但可能基于该平均值向上或向下变化几度。表面20可为传感器10的附接提供相对稳定的平台。因此，传感器10的基准系(B)相对于胫骨21的机械轴线的基准系(C)转动了角度Φ的幅度。前向屈曲和外侧屈曲定义为当传感器10的陀螺仪和加速度计的灵敏度轴线与轴线BY和BZ对准时围绕轴线CY和CZ的转动。
由于通过传感器10的测量是在基准系B中得出的，因此必须将它们变换到胫骨基准系C中。下面的公式可用于这种变换：
Cy＝By*cos(Φ)+Bz*sin(Φ) (1)
Cz＝By*sin(Φ)-Bz*cos(Φ) (2)
其中By,Bz表示传感器基准系B中的y分量和z分量，Cy和Cz表示胫骨基准系C中的y分量和z分量，并且Φ表示胫骨21上的传感器10与前向屈曲平面之间的角度。
上述公式(1)和(2)可使用于基准系B中由传感器10所获得的矢量变换陀螺信号{BωX,BωY,BωZ}以及任选的加速度计信号{BaX,BaY,BaZ}，也可使用于分别在机械或胫骨基准系C中的陀螺信号{CωX,CωY,CωZ}和加速度计信号{CaX,CaY,CaZ}。
在矢量变换之后，可以使用以下公式对表示角速度的陀螺仪信号{CωX,CωY,CωZ}在一段时间t(其表示诸如蹲、跳和/或跑等活动的持续时间)内进行积分，以提供的经积分的角位移(θ)：
θ=∫0tω.dt---(3)]]>
针对由噪音和/或其他人工因素造成的陀螺仪漂移误差，可以对积分信号θ 进行校正。可以使用由加速度计信号所提供的已知的角度参考来执行漂移校正。针对漂移，可以在跳/蹲的起始或末尾处，利用由加速度信号使用下式得出的屈曲角度(βy)来校正屈曲角度(θY)：
βy＝atan(Cay/Cax) (4)
针对漂移，可以利用由加速度信号使用下式得出的屈曲角度(βz)来校正外侧屈曲角度(θZ)：
βz＝atan(Caz/Cax) (5)
扭转角(θX)可以用零来进行校正，这是因为加速度计没有测量到围绕重力轴的转动。
随着运动员活动膝部，测量内侧/外侧偏差相对于机械或胫骨基准系(C)的程度。然而，要针对测试器的视觉基准系(也称为前平面或观察者平面)对该值进行变换，以提供更直观的结果。
当运动员跳起和落地时，腿部可能会围绕x轴转动。因此，如果不对围绕x轴的转动进行补偿的话，那么外侧屈曲的视觉印象会改变。由于这种影响使用在外侧屈曲平面关于前平面的投影(θZ)中，因此该影响以公式7来表示。
图3示出了外侧屈曲角度(θZ)连同扭曲更新一起在前平面或观察者平面上的投影。为了将外侧屈曲角度(θZ)投射到前平面或观察者平面上，腿部可视为是刚性杆且踝关节为固定节点。杆的长度可归一化为1。在θX平面上的角位移(仅由θY和θZ造成)可由下式确定：
θX0＝atan(sin(θZ)/tan(θY)) (6)
可以将实际扭曲运动θX0加到角位移θX上，以确定所得的角位移θXresultant：
θXresultant＝θX+θX0 (7)
一个目标是要确定A、B和C项，从而计算θzAdjusted。为此，θZ在θX上的投影将得出A：
A＝sin(θZ)/sin(θX0)*sin(θX) (8)
θX在θY上的投影将得出B：：
B＝sin(θZ)/sin(θX0)*cos(θX) (9)
假定杆的长度为1，计算C：
C＝sqrt(1-B2) (10)
最后，计算A和C的asin以获得漂移调整后的θZ并将其投射到前平面上作 为θzAdjusted：
θzAdjusted＝asin(A/C) (11)
图4示出了针对在跳跃过程中具有正常的膝部角度偏差的受试者的测试结果。在图4中，曲线40表示相对于跳跃时段以度数为单位绘制的屈曲角度(θY)，而曲线41则表示相对于相同的跳跃时段以度数为单位绘制的外侧屈曲角度(θZ)。曲线41示出了减小的内-外侧屈曲偏差，这表示围绕y轴的转动可忽略。因此，测试表明该受试者很少或没有显示出内-外侧偏差，即既不外翻也不内翻。
图5示出了针对在跳跃过程中具有显著的膝部角度偏差的另一受试者的测试结果。在图5中，曲线50表示相对于跳跃时段以度数为单位绘制的屈曲角度(θY)，而曲线51则表示相对于相同的跳跃时段以度数为单位绘制的外侧屈曲角度(θZ)。曲线51示出了正向的外侧偏差，这表示围绕y轴有大约+18度的转动。因此，测试表明该受试者显示出内翻偏差，即膝部向外偏离。
图6示出了针对在跳跃过程中具有显著的膝部角度偏差的又一受试者的测试结果。在图6中，曲线60表示相对于跳跃时段以度数为单位绘制的屈曲角度(θY)，而曲线61则表示相对于相同的跳跃时段以度数为单位绘制的外侧屈曲角度(θZ)。曲线61示出了负向的屈角度，这表示围绕y轴有大约-15度的转动。因此，测试表明该受试者显示出外翻偏差，即膝部向内偏离。
最后，应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对上文所描述的各部分的构造及布置引入各种变型、修改和/或附加项。