下肢康复运动生理参数动态监测系统设计

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下肢康复训练过程中需要对治疗效果进行有效的康复评估并实时调控康复策略。因此对人体生理参数监测必不可少。基于下肢康复的研究和评估需要,本文在传统生理参数监测系统的监测参数的基础上,综合关节运动状态、肌肉活动状态以及心血管活动状态的生理参数,设计了一款针对下肢康复运动的生理参数动态监测系统。该系统能够检测肌音信号、心率信号、血氧饱和度信号以及关节角度信号,同时通过实验搭建肌音-肌力估计模型,模型的评估效果为0.919±0.180,能够实时反映患者的肌肉收缩力量。该系统实现了多生理参数的实时显示和分析、运动强度和肌力估计、数据储存等功能。本文完成的主要工作如下:(1)设计系统的总体方案。总结下肢康复机器人以及运动康复监测系统的研究现状并分析需求。选择需要检测的生理信号,并根据检测原理和应用场景选择合适的生理参数采集位置。分析检测系统的功能需求和技术指标,设计系统整体的技术路线。(2)搭建生理参数监测系统平台,包括下位机和上位机。下位机包括两个采集装置,分别进行模块化设计,包括主控模块、传感检测模块、无线传输模块和电源管理模块;软件编程部分包括对SPI、I~2C、USART的接口协议的编程,实现传感检测模块的数据采集,主程序的编程实现数据的打包和无线传输。上位机基于Lab VIEW开发环境搭建系统显示界面,包括TCP/IP连接、用户信息输入、数据接收和实时分析、运动强度判断、数据储存等功能。(3)构建基于肌音信号的二次多项式肌力估计模型。分析肌音信号和肌力估计的关联性和可行性。设计相关实验,通过对肌音信号的预处理和特征提取,选择与肌力关联性最好的特征值RMS作为模型的输入参数。构建肌音-肌力估计模型,并验证模型的估计效果,该模型的评估效果为0.919±0.180。(4)系统的集成和验证测试。对采集装置进行PCB集成设计,利用Solidworks和3D打印技术制作可穿戴装置外壳,使硬件采集系统具备便携性和可穿戴性;对各采集模块和无线传输模块进行性能测试,通过对比参照实验,验证数据采集的有效性;对软件进行功能测试,验证系统的数据接收、实时分析和显示、运动强度、数据储存等功能;将肌力估计模型集成到上位机平台,通过下肢康复运动实验进行在线肌力估计测试,该系统平台能够实现在线肌力估计功能。
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