MPU6050在評定人體上肢關(guān)節(jié)角度中的應(yīng)用

徐秀林，姚曉明，徐奚嬌

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

MPU6050在評定人體上肢關(guān)節(jié)角度中的應(yīng)用

徐秀林，姚曉明，徐奚嬌

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

該文開發(fā)了一套上肢康復(fù)評定儀器，用于評定肘關(guān)節(jié)及肩關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動度。該儀器包括下位機(jī)硬件和上位機(jī)評定軟件，通過MPU6050傳感器采集關(guān)節(jié)運(yùn)動的加速度和角速度信號，并將數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙串口傳輸至上位機(jī)評定軟件。該儀器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)評定上肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動參數(shù)，并能動態(tài)顯示上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動狀態(tài)。對儀器進(jìn)行可靠性測試，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)均大于0.6，說明該儀器具有良好的可靠性，能準(zhǔn)確地輸出患者關(guān)節(jié)運(yùn)動角度，對臨床上制定合理的康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃有重要意義。

腦卒中;MPU6050;關(guān)節(jié)活動度;FMA;康復(fù)評定

0 引言

腦卒中是一種由急性腦血液循環(huán)障礙疾病引起的大腦神經(jīng)系統(tǒng)功能缺損，發(fā)病后85%患者出現(xiàn)肢體運(yùn)動功能障礙［1］。對人體上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動功能進(jìn)行評估可判定其功能障礙的程度，為臨床治療及康復(fù)訓(xùn)練提供依據(jù)。目前，對于偏癱患者功能障礙評定大多是依靠醫(yī)生的主觀評價(jià)，臨床上康復(fù)醫(yī)生手動借助量角器目測評估患者上肢運(yùn)動功能［2］。這種方法效率低下，受醫(yī)生主觀影響大，限制了評價(jià)的精確性。因此，測定出患者的關(guān)節(jié)運(yùn)動角度、角速度、運(yùn)動加速度，研制一個(gè)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動數(shù)字化診斷方法是迫切需要解決的問題。

隨著微機(jī)械電子技術(shù)的發(fā)展，微型化、智能化的傳感器已廣泛應(yīng)用于人體姿態(tài)識別。美國ADI公司生產(chǎn)的ADXL345傳感器只能輸出靜止情況下的傾斜角度，無法動態(tài)測量關(guān)節(jié)運(yùn)動角度且響應(yīng)速率慢［3］;VTI公司的CMR3000陀螺儀傳感器雖能測量運(yùn)動變化的姿態(tài)角度，但其精度不高［4］。本文選用InvenSense公司生產(chǎn)的整合性6軸運(yùn)動處理組件(MPU6050)作為測量上肢運(yùn)動姿態(tài)的傳感器，其內(nèi)置慣性測量單元包含三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)［5-6］，具有數(shù)字輸出、精度高、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢，輸出角度值更為精確，并且可大大簡化評定儀器的結(jié)構(gòu)。

本文旨在開發(fā)一套滿足目前臨床上迫切需求的數(shù)字化上肢多關(guān)節(jié)運(yùn)動功能評定儀，該儀器采用微型傳感裝置MPU6050對上肢功能進(jìn)行智能化測量，并輸出關(guān)節(jié)運(yùn)動角度。該儀器能客觀準(zhǔn)確地診斷患者運(yùn)動功能障礙程度，對人體上肢康復(fù)評定具有重要的指導(dǎo)意義。

1 上肢模型的建立

對人體上肢肩關(guān)節(jié)的屈伸、外展/內(nèi)收及肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行測量，首先需要建立合適的人體上肢運(yùn)動模型。以人體右上肢為例，將人體手臂簡化為如圖1(a)所示的雙連桿模型。不考慮運(yùn)動過程中肌肉收縮、變形等其他因素，肩關(guān)節(jié)做屈伸運(yùn)動時(shí)，上臂與前臂始終處于一條直線。以肩關(guān)節(jié)部位為零點(diǎn)，在矢狀面運(yùn)動過程中與豎直方向呈一定角度，屈曲角度參考值范圍為0°～180°，伸展角度參考值范圍為0°～60°，簡化的雙連桿模型如圖1(b)所示;肩關(guān)節(jié)在冠狀面做外展、內(nèi)收運(yùn)動模型如圖1(c)所示，外展角度參考值范圍為0°～180°，內(nèi)收角度參考值范圍為0°～75°。肘關(guān)節(jié)做伸屈運(yùn)動時(shí)，上臂固定且以肘關(guān)節(jié)部位為0點(diǎn)，人體前臂連桿就在矢狀面運(yùn)動，模型如圖1(d)所示，其屈伸運(yùn)動角度的參考值范圍為0°～150°［7］。

圖1 人體右上肢運(yùn)動簡化模型Fig.1 Sim p lified human right upper limb'smotion model

在進(jìn)行上肢運(yùn)動評定時(shí)，將MPU6050固定于前臂上，隨著上肢運(yùn)動狀態(tài)的改變，傳感器的三軸與重力方向的夾角也發(fā)生相應(yīng)改變，輸出的角度值即可檢測出人體上肢肩、肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動姿態(tài)［8］。MPU6050數(shù)據(jù)采集裝置能采集角速度和加速度信號。在上肢靜止時(shí)，其僅受到的力只與重力有關(guān)，因此傳感器輸出的三個(gè)方向上的加速度信號值取決于與重力方向的夾角。如圖2所示，夾角α、β、φ分別表示X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

圖2 傳感器旋轉(zhuǎn)角度Fig.2 Sensor's rotation angle

由三軸加速度分量可求出相應(yīng)的傾斜角度:

同理可求出傾角β、φ。將加速度計(jì)與陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)相融合，通過融合算法求出旋轉(zhuǎn)角度［9］。融合算法是在短時(shí)間內(nèi)增加角速度的權(quán)重值，在更長時(shí)間內(nèi)增加加速度權(quán)重值，時(shí)時(shí)更新輸出傳感器三軸的向量，得到其三軸位置數(shù)據(jù)。

記初始狀態(tài)傳感器位置向量為(RwAccX，RwAccY，RwAccZ)，作變速運(yùn)動更新的位置向量為(RwEstX，RwEstY，RwEstZ)，前一時(shí)刻位置向量為(RwGyroX，RwGyroY，RwGyroZ)，時(shí)間間隔為t，角速度向量RwGyro為三軸角速度的向量和，設(shè)其長度為1，則RwGyro2=RwGyroX2+RwGyroy2+RwGyroZ2。故X、Y、Z軸角速度向量分別為:RwGyroZ向量的方向由cos(Axz)決定，可求出變速運(yùn)動下實(shí)時(shí)更新的R向量。加速計(jì)數(shù)據(jù)與陀螺儀數(shù)據(jù)融合算法求得向量R(RwEstX，RwEstY，RwEstZ)表示如下:

其中i為權(quán)重，經(jīng)實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)，i取值2～5之間，i越大則表示角速度的權(quán)重越大。通過融合算法求出實(shí)時(shí)更新的姿態(tài)位置向量R后，再由傾斜角度計(jì)算公式(1)可計(jì)算出X、Y、Z三軸的偏轉(zhuǎn)角度，從而得到上肢運(yùn)動的空間姿態(tài)。

2 上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動角度評定儀設(shè)計(jì)

該儀器由下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及上位機(jī)評定軟件組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感裝置MPU6050，硬件核心控制器MSP430f149，藍(lán)牙模塊組成?；?IC通信協(xié)議讀取MPU6050的X、Y、Z三軸的加速度信號和角速度信號，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙串口發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)軟件包括病人信息數(shù)據(jù)庫模塊，數(shù)據(jù)接收后臺處理模塊，關(guān)節(jié)活動度評定模塊和關(guān)節(jié)運(yùn)動功能評定模塊，可對人體上肢肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度進(jìn)行檢測與評定。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The overall system structure diagram

2.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)在接收到上位機(jī)發(fā)出的{0x55 0xAA 0x02 0x01 0x01 0x01 0x01 0x05}指令后，開始讀取MPU6050傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙傳輸至上位機(jī)。下位機(jī)程序主要包括主時(shí)鐘、定時(shí)器A、I/O口等模塊的初始化，傳感器數(shù)據(jù)采樣、串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。上下位機(jī)通信采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，觸發(fā)一次定時(shí)器中斷，發(fā)送一組數(shù)據(jù)至上位機(jī)。

傳感器數(shù)據(jù)采樣使用I2C通信協(xié)議，下位機(jī)程序?qū)鞲衅鬟M(jìn)行初始化設(shè)置，通過I2C的數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。I2C為兩線接口，一根數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL，SDA線根據(jù)SCL時(shí)鐘信號變化進(jìn)行數(shù)據(jù)通信［10］。MPU6050的寫地址為0xD0，單片機(jī)會發(fā)出指令尋址到該傳感器，尋址成功后，傳感器回傳一個(gè)應(yīng)答信號，成功建立通訊。初始化設(shè)置完畢后，下位機(jī)即可讀取MPU6050寄存器中的數(shù)據(jù)得到X、Y、Z三軸的加速度值與角速度值。單片機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的停止信號后即可停止采集數(shù)據(jù)，I2C通信結(jié)束信號是SCL時(shí)鐘信號為高電平，SDA數(shù)據(jù)信號由低電平觸發(fā)到高電平。

2.2 上位機(jī)軟件功能的實(shí)現(xiàn)

評定系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)對患者肩、肘關(guān)節(jié)功能進(jìn)行測試與評定。上位機(jī)程序分為四個(gè)功能模塊:病人信息數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)接收處理模塊、關(guān)節(jié)活動度評定模塊和關(guān)節(jié)運(yùn)動功能評定模塊。

上位機(jī)接收到的MPU6050采集的數(shù)據(jù)，是以幀為單位的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，每一幀包括幀頭、設(shè)備號、通道號、類型、長度、數(shù)據(jù)及校驗(yàn)。上位機(jī)從接收到的數(shù)據(jù)中解析出加速度和角速度數(shù)據(jù)，然而此時(shí)的加速度值與角速度值不能直接用于評估上肢的運(yùn)動姿態(tài)，需要使用融合算法［11］計(jì)算出運(yùn)動的角度才能準(zhǔn)確評定人體上肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動功能。

該系統(tǒng)可對上肢肩、肘關(guān)節(jié)進(jìn)行客觀準(zhǔn)確地評定。以肩關(guān)節(jié)屈伸及外展內(nèi)收運(yùn)動的評定為例，如圖4所示。模塊中繪制了簡易的模擬上肢運(yùn)動的指針，能實(shí)時(shí)顯示上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動的角度。評估測試停止后，點(diǎn)擊測試結(jié)果按鈕，會在測試結(jié)果區(qū)域顯示評定參數(shù)。FMA評分根據(jù)屈曲伸展或外展內(nèi)收動作的完成情況給予(0，1，2)的分值，若屈曲與伸展或外展與內(nèi)收動作都在10°范圍內(nèi)運(yùn)動，則認(rèn)為其FMA評分為0分;屈曲或外展運(yùn)動在10°～150°之間，伸展或內(nèi)收在10°～30°之間，則認(rèn)為其FMA評分為1分;肩關(guān)節(jié)評定動作能正常無停頓的完成，則其FMA分值為2分。

圖4 肩關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動度評定界面Fig.4 The interface of shoulder joint assessment

在關(guān)節(jié)運(yùn)動功能評定模塊中，系統(tǒng)程序記錄并繪制患者一分鐘內(nèi)上肢運(yùn)動的曲線，顯示其上肢在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成工作的次數(shù)。以肩關(guān)節(jié)評定為例，測試初始時(shí)，上肢處于豎直向下中立位，由初始位置向前做屈曲運(yùn)動，上肢前屈至極限范圍后返回后伸至極限位置。如圖5所示，為患者完成兩次肩關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動的情況，兩個(gè)波峰表示肩關(guān)節(jié)0°～180°前屈伸展運(yùn)動，兩個(gè)小波峰表示其后伸屈曲運(yùn)動，醫(yī)生根據(jù)患者在測試的60 s內(nèi)完成屈伸運(yùn)動的次數(shù)給予評價(jià)。

圖5 肩關(guān)節(jié)運(yùn)動功能評定界面Fig.5 The interface of shoulder joint functional evaluation

3 儀器可靠性測試結(jié)果

利用本儀器對20名健康正常人，年齡為24±1歲，作上肢肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動的關(guān)節(jié)角度測試與評估。并與臨床使用的關(guān)節(jié)角度測量康復(fù)器械測量結(jié)果進(jìn)行比對。肘關(guān)節(jié)測試的姿態(tài)角度分別為25°、50°、75°、100°、125°;肩關(guān)節(jié)測試的姿態(tài)角度分別為-50°、0°、50°、100°、150°。在測試過程中，將康復(fù)量角器的固定臂處于姿態(tài)零位豎直向下處，移動臂移動到設(shè)定角度位置，然后上肢手臂運(yùn)動到移動臂的位置時(shí)讀取系統(tǒng)軟件所顯示的角度數(shù)值。

測試時(shí)保持測試環(huán)境安靜，光線好，盡量減少噪聲和無關(guān)人員的干擾，由兩名測試工作人員完成，一名固定關(guān)節(jié)活動度量角器，另一名操作系統(tǒng)軟件。受試者則需要在豎直站立情況下，上肢自然下垂于身體兩側(cè)，位于零位處，雙腳靠攏，盡量避免身體的晃動。經(jīng)過一周之后，在同樣的測試條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將兩次測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷系統(tǒng)的可靠性。

在SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件中，求出每種姿態(tài)下兩次測試數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)，如表1和表2所示。ICC是衡量和評價(jià)測試儀器的信度的系數(shù)指標(biāo)，等于個(gè)體的變異度除以總的變異度，其值在0～1之間，0表示不可信，1表示完全可信。一般認(rèn)為ICC小于0.4表示信度較差，0.6到0.75之間表示信度較好，大于0.75表示信度極好［12］。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)測試評定的肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)運(yùn)動姿態(tài)角度的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC值)均大于0.6，表明系統(tǒng)具有良好的可靠性。

表1 肘關(guān)節(jié)運(yùn)動姿態(tài)角度組內(nèi)相關(guān)系數(shù)Tab.1 The intraclass correlation coefficient of elbow jointmotion angle

表2 肩關(guān)節(jié)運(yùn)動姿態(tài)角度組內(nèi)相關(guān)系數(shù)Tab.2 The intraclass correlation coefficient of shoulder jointmotion angle

4 討論

該評定儀器采用先進(jìn)的藍(lán)牙通訊技術(shù)及數(shù)字化傳感器來評估上肢肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)運(yùn)動角度，其便攜性及智能化軟件功能，避免了人工手動測量帶來的誤差;該評定儀器與臨床上使用的傳統(tǒng)關(guān)節(jié)角度尺相比，準(zhǔn)確度更高，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，能為臨床上實(shí)現(xiàn)科學(xué)的診斷提供依據(jù)。既適用于大型醫(yī)院也適用于社區(qū)街道醫(yī)療甚至家庭，具有臨床應(yīng)用價(jià)值。但該儀器尚存在一些不足之處，需要做進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，如在繪制運(yùn)動評定曲線圖時(shí)，圖像噪聲較大，擬進(jìn)一步對MPU6050傳感器進(jìn)行卡爾曼濾波處理;計(jì)算輸出上肢姿態(tài)角度是運(yùn)用歐拉角算法，對角度進(jìn)行反正切計(jì)算，因此會產(chǎn)生“盲點(diǎn)”，當(dāng)運(yùn)動角度接近90°時(shí)，評定結(jié)果存在一定的誤差，需進(jìn)一步研究四元算法來計(jì)算姿態(tài)角度，以進(jìn)一步提高姿態(tài)評定的精確度。

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國產(chǎn)乳腺PET

中國科學(xué)院高能物理研究所研發(fā)成功的乳腺診斷正電子發(fā)射斷層成像系統(tǒng)(簡稱乳腺PET)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，擁有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新及突破，系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。近日，獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局(CFDA)三類醫(yī)療器械注冊證，獲進(jìn)入市場許可。

正電子發(fā)射斷層成像(PET)技術(shù)能在腫瘤的“代謝異?！彪A段就能檢測，并以圖像形式表現(xiàn)出來。由于在癌變過程中，乳腺組織代謝功能的改變往往要早于乳腺組織結(jié)構(gòu)的改變，所以它能夠比結(jié)構(gòu)成像如鉬靶、超聲、CT、核磁共振等設(shè)備更早地發(fā)現(xiàn)腫瘤，使用乳腺PET檢查得到的功能信息更有利于乳腺腫瘤的早期診斷。

乳腺專用環(huán)形探測器，靈敏度高，圖像分辨率高，對乳腺癌早期微小病灶的檢測能力大幅提高。與傳統(tǒng)的乳腺診斷手段相比，可以提早1年左右的時(shí)間檢出乳腺病患。

(本刊訊)

Application of MPU6050 in Evaluating Upper Limb's Joint Angle

XU Xiulin，YAO Xiaoming，XU Xijiao
School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology(Shanghai，200093)

A set of instruments used in upper limb rehabilitation is developed to evaluate the joint angle of the upper limb movement，elbow and shoulder joint flexion.The instrument is consisted of hardware part and PC software part.The data acquisition system，including acceleration and angular velocity signal acquisition，is achieved through MPU6050 sensor and the data is transmitted via bluetooth serial port to computer evaluation software.The system realizes the evaluation of themotion angle and real-time dynamic display of themotion curve of upper limb joint.In this paper，the reliability test of the instrument is conducted.The result shows that themeasured intraclass correlation coefficients are greater than 0.6，which proves a good reliability of the instrument.The instrument can objectively and accurately diagnose the patientswithmovement disorders，and will be of guiding significance to the evaluation of human upper limbs.Based on the diagnostic results，reasonable rehabilitation training plan can be created，which promotes the recovery of limb training.

stroke，MPU6050，range ofmotion，F(xiàn)MA，rehabilitation evaluation

R318.6

A

1674-1242(2015)03-0137-05

10.3969/j.issn.1674-1242.2015.03.003

2015-06-17)

姚曉明，E-mail:xmyao2014@163.com