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半自動測角測量用光纖手套的評價
來源:delsys表面肌電腦電分析系統_EMG_EEG_人因工程 | 發布時間:2019/8/2 10:33:51 | 瀏覽次數：
一種用于延長監測和功能手評估的低成本儀器手套 新澤西理工學院生物醫學工程系，新澤西州紐瓦克市海茨大學芬斯特大廳，郵編：07102-1982，美國凱斯勒醫學康復研究與教育公司，地址：1199 Pleasant Valley Way，West Orange，NJ 07052，United States C Sensory Motor PerfOrmance項目，芝加哥康復研究所，東高級街345號，RIC 1365，芝加哥，IL 60611，美國伊利諾伊理工學院生物醫學工程系，伊利諾伊州芝加哥，伊利諾伊州 摘要 對一種可穿戴式手指彎曲監測儀的可行性、測量重復性和可靠性、無線傳輸的保真度和用戶接受度進行了評估，該監測儀是為測量手功能障礙患者的手功能而開發的。顯示器的配置允許在傳統測量手套無法佩戴的情況下使用。5名健康人參與了重復性研究，10名健康人和10名后天性腦損傷患者參與了評估可行性和用戶舒適性的試驗。重復性結果顯示，與其他傳感器手套報告的5.5°和5.7°以及手動測量（5–8°）相比，總體誤差為3.4°。類內可靠性系數（使用系數α）平均為0.95。用戶對顯示器舒適性的反饋非常高。無線傳輸過程中數據丟失不大于1.2%。結果表明，該監護儀具有很強的潛力，可作為家庭和社區進行短期和長期監測的客觀手功能評價工具。 關鍵詞：電測角；手指彎曲；手功能；功能結果測量；無線監測 1。介紹 康復研究人員希望通過量化手指姿勢來了解運動障礙患者日常生活活動中的關節運動。了解個人在與家庭和社區環境互動時如何使用手和手指，對于有效規劃和評估上肢運動障礙的康復治療和治療至關重要。直接在這些環境中評估功能將比在診所收集的數據提供更現實的信息。例如，當個體進行日�；顒樱ㄈ绯燥�、穿衣和操縱物體）時，收集手部姿勢數據將提供更清晰的真實手部使用情況，這可能不同于傳統的臨床環境下評估的功能潛力。用序數尺度，如功能獨立性測度或修正的阿什沃斯尺度（Bohannon和Smith，1987）。 雖然可以在實驗室中對手指運動控制的各個方面進行精確測量（Darling等人，1994年；Lang和Schieber，2004年；Li等人，2003年），但尚不清楚這些測量與日常生活中的實用性有多相符。在更自然的環境中，能夠長時間監測手的使用情況，可以獲得有關各種干預措施有效性的寶貴信息。 手功能的評估通常包括一些測量，如運動范圍（rom）、力量和執行功能任務的能力。傳統上，ROM的評估是一種手工測試，其中彎曲和伸展是使用測角儀一次測量一個關節。雖然這提供了關于被動只讀存儲器的有用信息，但是在沒有特殊設備的情況下，在執行功能任務期間，不可能評估只讀存儲器�；顒有訰OM和功能性ROM已被提出作為多種評估的功能性措施，包括關節置換后的掌指關節運動、假體性能（Fowler和Nicol，2001；Hume等人，1990；Mallon等人，1991）和手術療效。然而，還沒有確定哪種方法最適合測量ROM來評估功能能力（Hume等人，1990年；Mallon等人，1991年）。 除了簡單的運動范圍外，有關特定手部運動的詳細信息可用于增強傳統方法在評估康復功能、工作場所過度使用和可用性問題以及對物理治療或遠程康復的依從性方面的作用（Dipietro等人，2003年）。在許多情況下，建議對手的使用進行長期監測（Fowler和Nicol，2001年）。然而，對于最低采樣率、信號分辨率和準確度值，或適合家庭使用的傳感器配置，沒有指導方針以合理的價格提供有用的信息。 為了解決被動測量的缺點和探索功能活動，半自動測角儀已提出了含有傳感器的手套，用于測量彎曲和伸展（Dipietro等人，2003；Rand和Nicol，1993；Williams等人，2Karlsson等人，1998年；Zurbrugg，2003年；Jurgens和Patterson，1997年；Hofmann和Henz，1995年；Asada和Mascaro，1999年；Williams等人，2000年）。傳統上，這些手套是直接用電纜連接到數據采集計算機上的，限制了佩戴者的運動。然而，一些公司現在在手套和附近的數據采集計算機之間提供無線連接，允許佩戴者在房間內自由移動。5dt和Immersion都發布了無線版本的手套，使用藍牙技術將數據傳輸到附近的計算機。這些無線選項可能很昂貴，并且不會給佩戴者在收集數據時自由移動家庭和通訊設置。 現有儀器手套的第二個缺點是，由于手套必須安裝得足夠緊密，以使傳感器保持在正確的位置，因此，如果手和手指的運動范圍因腦損傷或其他創傷而明顯減小，大多數人可能很難或不可能戴手套。共同利益。在對四肢麻痹癥的研究中，Castro和Cliquet發現，用于測量物體操作的手套必須為每個人定制，以確保最佳傳感器位置和手套尺寸（Castro和Cliquet，1997年）。Bothwise和Dipietro發現，在重復性分析中使用的商用手套由于手的尺寸較小而不適合健康女性受試者（Dipietro等人，2003年；Wise等人，1990年）。研究報告稱，在腦損傷人群中使用了商業測量手套。研究報告稱，受試者的手功能水平相對較高，并且能夠戴上手套。在兩項報告對腦損傷患者使用CybergLove的研究中，所有患者都有足夠的被動rom戴手套（65指和43指rom）（Merians等人，2002年），或者有足夠的功能能力用精密握把握住筆（Lang和Schieber，2003年）。有關其他設備及其對該應用程序的適用性的詳細信息出現在其他地方（Simone和Kamper，2005年）。 現有的測量方法（即手套）不是評估隨時間變化的功能能力的最佳解決方案，也不是評估社區中在診所或康復機構中觀察到的廣泛手功能紊亂的最佳解決方案。陰影監視器的開發是為了在這個服務不足的人群中，在所有的能力水平上對手指姿勢進行不引人注目的測量（Simone和Kamper，2005年）。與其將手和手指完全包裹起來，從而排除一些不能戴手套狀裝置的人，不如將其戴在手的背面，并遮住佩戴者的手部活動。該設備無線記錄了個人日�；顒又羞B續不斷的手指姿勢，為評估和治療手和手指的運動障礙提供了大量新信息。短期或長期的測試可以不通過計算機進行。如果無法傳輸到計算機，數據可以本地存儲在設備上。目前最多可以使用8個傳感器；雖然可以在手上的任何位置進行連接，但我們將傳感器連接到了背部，使手掌沒有障礙物。該系統比目前可用的無線系統便宜得多。 本研究的目的是評估該裝置在臨床人群中的應用。評估傳感器測量的重復性和可靠性、無線傳輸率故障和用戶可接受性。 2。方法 2.1。陰影監視器 2.1.1組件 陰影監視器是一種輕便的測量設備，設計用于自動測量手指關節的彎曲度�？纱┐飨到y包括信號調節/無線發射器盒和包含商用傳感器的一次性傳感器手套。根據受試者的活動性和舒適性，電子箱可以安裝在手臂上的不同位置�？梢园惭b在前臂（圖1）或上臂（圖2a）。 與大多數商用系統的優先事項不同，陰影監視器最重要的要求是為手和手指運動范圍明顯縮小的個人穿戴和移除時的舒適性和舒適性。 圖1.陰影監視器。 圖2.陰影監視器無線數據傳輸演示。（a）當數據無線傳輸時，受試者執行功能任務。（b）當數據傳送至顯示器后面的電腦時，受試者交替地張開和合手。顯示屏上實時顯示每個MCP接頭的彎曲-伸展曲線。 其他要求包括低成本、輕型結構、數據收集期間在家中和社區內無障礙移動，以及手掌側無障礙觸摸感。 因此，此設備的配置在在目前的配置中，“手套”最多支持8個傳感器；這里介紹的分析集中在5個MCP接頭上。為了解決成本和耐久性問題，使用了由flexpoint傳感器（draper，UT）制造的廉價彎曲傳感器。這些傳感器在彎曲時會改變電阻。彎曲傳感器的一個常見特征是，當保持在固定彎曲位置時，會發生時變蠕變，有時不準確度會返回到相同的基線（平坦）電阻值。隨著時間的推移，這可能會導致嚴重的錯誤。在我們評估了不同制造商的幾種傳感器配置后，選擇了flexpoint傳感器。彎曲角度假階躍增加后傳感器值的衰減為滿刻度的0.6%或15 s后階躍振幅的6.1%，相比之下，下一個最佳和流行的艾布拉姆斯Gentile傳感器（艾布拉姆斯Gentile Entertainment Inc.，紐約，NY）為9.5%和24.4%。雖然這些錯誤并不重要，但在準確性和耐用性/成本之間，這些錯誤是可以接受的折衷。其他地方更詳細地探討了這些傳感器的行為和測試協議（Simone和Kamper，2005年）。 當前系統的臂裝盒包含信號調節電子設備、微處理器、非易失性存儲器和無線發送器/接收器（參見圖3中的方框圖）。為了準備模擬-數字（A/D）轉換，信號被調平到0–1.5 V的范圍。剩下的功能是通過tmotesky設備實現的（加利福尼亞州伯克利市Moteiv公司）。每個“mote”包含10 k RAM、48 k閃存、外部1MB閃存（用于數據存儲）、8個12位A/D通道、250 kbps 2.4 GHz IEEE 802.15.4 Chipcon無線收發器和一個機載天線。操作由德州儀器MSP430微控制器控制。 圖3。陰影監視器的方框圖。 手指彎曲信號使用12位A/D進行采樣，并存儲在板載閃存中。整個系統（包括電機、傳感器和信號調節硬件）由2節AA電池供電，這足以完成至少24小時的數據采集。系統的可穿戴部分約重145克（5個傳感器+套管：~5克，信號調節箱：85克，2節AA電池：55克）。系統中使用了兩個獨立的mote：第一個是一個“采樣”mote，位于安裝在臂上的盒子內；第二個是一個“基站”mote，插入計算機或筆記本電腦的USB端口以接收可穿戴設備傳輸的數據。 為陰影監視器選擇的無線協議是適用于低速無線個人區域網絡的IEEE標準（IEEE 802.15.4）（2003）。測量界專門提出了這一新標準，以滿足對極低功率、傳感器網絡監測、家庭健康監測和遠程醫療以及家庭自動化數據傳輸的需求（Adams，2004年）。ZigBee是基于此IEEE標準的主要協議。該標準是藍牙®的一個較低的數據傳輸速率，并使用了現有的4 GHz工業、科學和醫療（ISM）頻段，而FCC為醫療遙測等應用預留了該頻段。在實施用于康復應用和動態監測的無線身體區域網絡（WBAN）時也提出了這一建議（Jovanov等人，2005年）�；谶@一標準的新產品正在被提出，從家用網絡的遠程監控開始，包括設備控制、安全、遠程公用電抄表和防火系統。 2.1.2.操作模式 陰影監視器可以在三種數據采集模式下工作；適當的模式由ARM單元軟件自動選擇和控制。這些模式包括：（1）采樣和發送模式，其中ARM單元使用無線鏈路收集數據并立即將所有數據傳輸到數據采集計算機（ARM單元上沒有本地存儲的數據）；（2）采樣和保存模式，其中數據采集和存儲在ARM上。單元（不需要外部計算機）；（3）采樣和轉儲模式，在這種模式下，新數據被采樣并立即傳輸，任何存儲在本地存儲器中的數據被同時發送，直到所有存儲的數據從存儲器中清除。模式2和模式3使用1MB板載存儲器存儲數據；監視器不將數據發送到外部計算機而存儲數據的時間取決于所用傳感器的數量、所需采樣率和數據壓縮算法的使用。如果沒有可用的接收計算機，存儲1MB后獲取的數據將丟失。所有模式都使用相同的采樣率，盡管根據使用的數據采集模式，有效的空中傳輸率可能更高。我們的實驗方案可能根據預期結果使用不同的采樣率。 原始數據采樣最初是在25赫茲時進行的，隨后的測試驗證了采樣頻率高達25赫茲時的低錯誤率。操作模式的選擇由ARM單元中的采樣電機控制。采樣電機最初會搜索到基站電機的路徑，該基站電機連接到個人電腦或筆記本電腦的USB端口。如果檢測到基站，則設備與基站電機建立通信，并使用采樣和發送模式開始發送數據（模式1）。數據以每個數據包28字節的數據有效負載傳輸。每套樣品都有一個時間戳。采樣電機和基站電機之間的握手由IEEE 802.15.4標準規定的媒體訪問控制層控制。如果在ARM單元和基站MOTE之間未檢測到數據路徑，則陰影監視器將進入發送和保存模式（模式2）。所有采樣數據本地存儲在ARM單元閃存中。在這種模式下，可以存儲以25赫茲采樣的50分鐘未壓縮原始數據，這適用于我們較短的評估和測量會話。對于家庭和社區中的擴展數據收集會話，可以壓縮或預處理數據，以便在數據丟失之前收集更多數據。簡單的位壓縮允許存儲90分鐘連續采樣的原始數據，而對原始數據進行預處理可以將超出范圍的時間延長到3小時以上。24小時試驗中的參與者收到指令，要求他們離開家（或接收計算機的位置）不超過3小時。為了防止數據丟失。 在發送和保存模式下，ARM單元每隔1000 ms（1 s）定期檢查是否存在基站MOTE。如果到基站的路徑可用，則建立（或重新建立）通信，系統進入采樣和轉儲模式（模式3）。（此基站檢測行為在所有模式下都會發生，以便在未檢測到任何連接時重新建立連接，或確保仍存在任何當前連接。）在此組合模式下，仍將以原始采樣率對新數據進行采樣并通過空氣發送。在這些新數據包之間，ARM單元開始發送包含先前保存到本地存儲器的數據的額外數據包。系統將繼續此組合模式，直到本地內存為空。 ARM單元采樣MOTE和基站MOTE的軟件是用NESC（C語言的擴展）編寫的，運行在為無線嵌入式傳感器網絡（U.C.Berkeley）設計的開源Tinyos操作系統上�；纠肑ava程序控制基站和計算機之間的通信，將數據傳送到計算機。數據存儲在一個ASCII數據文件中，然后根據先前記錄的校準數據轉換為關節角度。時間戳可用于對計算機上的數據進行排序。如果ARM單元曾經在本地存儲過數據，這是必需的，因為當重新建立通信時，新的和保存的數據包會混合發送，直到內存為空。為了幫助數據收集，原始數據也可以使用定制的Java示波器程序（如圖2B所示）在計算機屏幕上顯示，從而允許測試人員確保傳感器被正確放置，電子設備是功能性的，并且無線鏈路是可操作的。 2.2。實驗程序 2.2.1.學科 五名手部無運動障礙的健康人參與了這里提出的重復性和可靠性研究。三名女性和兩名男性，年齡在22-47歲之間，完成了任務。所有受試者都是右手，研究者把手套放在占優勢的右手上。 從這一組和另外一組15名參與者中獲得關于手套舒適性和可用性的反饋：10名患有獲得性腦損傷（ABI）和另外5名健康對照者（HC）。整個小組的人口統計包括10名男性和10名女性。在ABI人群中，平均年齡為59±11歲（40%為女性）。手套總是放在受傷的手上。所有受試者都是右手，10名受試者中有4人在非支配手上戴手套。ABI人群中的個體在測試前平均4.8年被診斷為中風。為了調查手套在使用中的性能和舒適性，納入標準包括足夠的自愿手功能，以持有一支筆和拾起小物體，如檢查器，沒有時間限制。 在健康人群中，平均年齡為41±19歲（60%為女性）。十分之九的人是右手。由于一些患有ABI的患者使用非顯性手進行測試，10名健康受試者中的2人也在非顯性手上戴手套。 所有測試均在新澤西州西奧蘭治市凱斯勒醫療康復研究與教育公司（kmrrec）進行。在測試會議開始時，所有參與者都完成了一個2.2.3.重復性試驗和可靠性分析 重復性是使用WISE提出的方法進行的，Dipietro對半自動或全自動測角手套進行了擴展（Dipietro等人，2003年；WISE等人，1990年）。WISE提出了四個測量重復性試驗。兩個測試使用握緊的手位置，兩個測試使用平手位置。這兩個手位置的排列用于測試重復性，手套在測量之間保持打開，手套取下，然后在測量之間更換。我們將這項測試分為兩部分，首先重點放在握把和平手位置測量的重復性上，手套放在測量之間（測試A和C）。這兩項測試最好地反映了我們最初的目標，即評估這個新系統在短期和24小時監測中的有效性，并比較有腦損傷和無腦損傷的個體如何執行不同的活動。在開始任何建議的前后評估之前，將單獨進行重復的穿上測試。 使用了臂裝系統的原型版本。為了將傳感器錯誤與無線傳輸引起的錯誤分開，使用LabVIEW（德克薩斯州奧斯汀國家儀器公司）在25赫茲采樣的8通道16位A/D卡直接捕獲原始傳感器信號。 測試A：為每個受試者創建一個大致圓柱形的自定義石膏模具，以確保對給定受試者重復測試時手指彎曲到相同的位置（見圖4）。參與者緊握模具6 s，然后釋放模具6 s。這個緊握/釋放循環重復10次。在握持階段，對每個傳感器進行重復性測量。在數據采集過程中，操作員手動按下按鈕，在數據文件中放置電子標記，指示手和手指停止移動后的每個穩定握持階段。數字按鈕信號與傳感器信號同時采樣，并與這些數據一起存儲。 圖4.參與重復性試驗的受試者。 測試C：參與者將手放在桌面上，交替地舉起手，輕輕地彎曲手指，然后將手放回桌面，在每個位置停留6秒。本試驗探討了平手位置的重復性。為了實現手和手指位置的重復性，在紙上畫出手的輪廓并放在桌子上。這個循環也重復了10次。在數據采集過程中，操作員手動按下按鈕，在數據文件中放置一個電子標記，指示每個扁平手相位。 對于上述每個測試，參與者至少休息1分鐘，然后重復整個測試。對試驗A和C進行10次，每次試驗共進行100次握力/釋放循環。 2.2.4.無線通信系統測試 在三種情況下測試了無線鏈路的可靠性，并計算了每種情況下的誤差。對于所有的測試，數據都是從五個通道記錄下來的，并以25赫茲的頻率連續采樣。在第一個測試條件下，采樣電機始終在基站電機的范圍內，因此在采集每個樣品后立即傳輸所有數據（采樣和發送，模式1）。來自所有五個通道的數據，帶有時間戳，在每個包中一起傳輸。采樣和傳輸進行30分鐘。 在第二個測試條件下，采樣單元在30分鐘的采樣期間不在基站的范圍內。所有數據都保存在采樣單元的閃存中（采樣和保存，模式2）。采樣完成后，將裝置置于基站范圍內，以25赫茲的頻率傳輸整個存儲數據塊。 在最終測試條件下，將采樣單元從附近拆下，目的是在采樣周期的前15分鐘內防止傳輸到基站電機。然后將采樣單元置于基站范圍內，以便監視器開始發送存儲的數據以及新收集的數據（采樣和轉儲，模式3）。監視器自動開始同步傳輸新的采樣數據（25赫茲），并傳輸存儲的樣本（15赫茲），直到發送所有存儲的樣本。本試驗的有效過空氣傳輸率為40Hz（25Hz+15Hz）。 2.2.5.電池壽命測試 進行測試以確定裝置的電池壽命。在ARM單元中插入兩個新的AA堿性電池，啟動ARM單元和接收筆記本電腦的基站。系統被置于模式1，采樣并發送。數據被基站MOTE連續接收并存儲到計算機硬盤中。在測試期間定期驗證傳感器采樣和無線數據傳輸是否正確。2.3.1.校準 評估包含被動關節操作期間在整個運動范圍內收集的角度測量數據的數據文件，以提取與每個關節角度對應的原始電壓值。手動掃描文件，以確定按鈕標記的最大延伸（超延伸）、0°、30°、60°、90°位置。度和最大彎曲度。使用按鈕信號作為標記；對按鈕前面約1 s的數據進行平均，以達到相應的電壓值。根據每個關節的最大彎曲值，在該關節的被動運動范圍內為每個傳感器/關節識別出3-5個電壓-角度對。 電壓-角度關系不是線性的，因此從這些對中，matlab（the mathworks，inc.）保形插值函數pchip被用來生成0.1下插值電壓-角度值的查找表。間隔時間，這樣就可以使用結果查找表將所有原始數據文件的原始傳感器電壓轉換為校準角度。PChip是一種分段三次插值方法，它使用與分段線性插值相同的斷點，同時去除每個斷點（電壓-角度對）處的瞬時斜率變化，以平滑曲線（Moler，2004）。圖5顯示了一個具有多個電壓-角度對的插值曲線示例。編寫了一個自定義C語言程序來讀取每個關節的查找表，然后將所有原始數據文件轉換為包含校準關節角度的新文件。對轉換后的文件執行所有后續數據分析。 2.3.2.重復性試驗 重復性測試的數據處理是使用自定義Excel電子表格模板半自動執行的。每個原始數據文件包含一個包含11個握把（或扁手）動作的數據塊；第一次試驗是一個不包含在分析中的實踐動作。對于數據塊文件中的10次試驗中的每一次，電子表格都會自動定位與這些動作相對應的按鈕峰值，并在按鈕時間之前的3秒鐘窗口內計算出每個關節傳感器的平均值。這個過程為每個關節產生了10個試驗值（變量i），平均每個關節產生一個單一值（變量k），用于數據塊（變量j）。對收集的10個數據塊中的每個數據塊重復此過程，以生成每個數據塊的每個關節的平均彎曲值。 圖5。采用保形線性插值法進行電壓-角度關系的采樣。 2.3.3.可靠性分析 通過計算類內系數（ICC）來進行可靠性分析，以確定測量值之間的可變性來源。接近1的ICC值表明測量方法具有很高的內部一致性，使測試結果能夠反映真實分數。為了評估ICC，Dipietro等人介紹了一些方法。（2003）在此重復。通過隨機選擇每個受試者10個數據塊中的2個進行試驗A和試驗C的可靠性分析，并進一步隨機選擇每個數據塊中10個試驗中的1個。計算每個數字的ICC。重復20次。計算每個數字和整個測試的單個ICC值的平均值和標準偏差。 2.3.4.無線通信系統測試 計算了上述三種測試條件下的每種傳輸錯誤率。利用傳輸的時間戳，計算出連續數據包之間的時間間隔，并將其保存到計算機中。（在這個實現中，一個數據包等于來自所有5個MCP節點的一個數據樣本加上相應的時間戳。）從這個時間間隔，以及對采樣率的了解，計算出每種模式下丟失的數據包總數。這個數字除以計算傳輸錯誤率的數據包總數。此外，還可以根據該信息確定最大數量的連續樣品損失。應該注意的是，該軟件目前沒有實施糾錯算法。未保存到計算機中的樣本代表那些通過幀確認未接收到的樣本，或者那些通過IEEE標準的介質訪問控制（MAC）層提供的數據驗證功能確定的錯誤接收到的樣本。 2.3.5.電池壽命測試 經過一段時間的不間斷工作后，電池容量會下降，直到采樣電機無法將數據可靠地傳輸到基站電機時，電池容量才會達到某一點。設備的電池壽命被定義為基站MOTE無法再檢測到采樣MOTE以接收數據包之前所經過的總時間。 2.3.6.用戶反饋調查表 參與者對個別問題的回答被轉換成1到7之間的數值，7對應t。圖6.測試C（平手）執行期間收集的單個數據塊的每個關節（頂部：拇指，底部：小指）的原始握力釋放數據。角度以度為單位。 圖7。試驗A（夾模）性能期間一個接頭的重復彎曲數據。在原始數據塊文件中的每個手動按鈕（顯示為垂直線）之前，通過自動平均數秒數據來執行數據分割。沉降瞬變是由于受試者將手指放在模具中，然后放松手指，使其與模具保持接觸并掉落。 圖8。重復性試驗A的單個受試者的單個數據塊平均值。每個值是10個單獨握把釋放循環的平均值。每個關節的最大值和最小值之間的差異用于計算此主題的測量范圍。 根據這些數據，計算每個受試者的范圍和標準偏差（圖9）。平均范圍是每個受試者在整個測試中最大數據塊值和最小數據塊值之間的差異。重復性通常報告為范圍的標準偏差。試驗A（圖9a）和試驗C（圖9b）顯示了這些值。在所有情況下，所有受試者的平均平手重復性（試驗C）均優于握力重復性（試驗A）。試驗A中所有受試者（n=5）的平均重復性結果為s=1.61°，試驗C中的平均重復性結果為σ=0.50°，平均重復性結果為1.05°。范圍結果為試驗a=5.22°，試驗c=1.49°，平均3.36°。這些數據出現在表2中。 所有受試者的單個數字結果如圖10所示；拇指MCP測量顯示握力測試（測試A）的最高標準偏差，所有數字與平手測試（測試C）相似。 3.2�？煽啃苑治� 分別對每個測試和每個傳感器進行ICC分析。對于試驗A，每個MCP接頭的平均ICC范圍為0.933至0.980，總平均值為0.955±0.091。對于試驗C，每個接頭的平均ICC范圍為0.794至0.992，總平均值為0.937±0.172。從一個數據塊到另一個數據塊，ICC值（表3）非常一致，沒有特定的接頭顯示出明顯低于平均值的可靠性。 圖9。每個受試者測量的平均范圍和標準偏差（s.d.）（°）以及試驗A（a）和試驗C（b）的每個重復性試驗。 圖10。測量的每個接頭的平均重復性標準偏差。 表2-重復性結果比較 表3-可靠性的類內相關系數 3.3。無線通信系統測試 對于第一個試驗條件，在整個取樣期間，立即傳輸取樣數據，每次損失的連續樣本不超過一個。共有1.1%的樣品未收到（見表4）。對于第二個試驗條件，在完成所有取樣后傳輸，所有樣品均在第一次傳輸和接收。沒有遺漏樣本，總錯誤率為0.0%。測試1和測試2的持續時間約為10分鐘，各46秒，在開始測試之前，在接收器處驗證了高信號強度。 在最終測試條件下，同時采樣和傳輸存儲的數據，總的傳輸錯誤率為1.2%。這個錯誤的主要原因是單個丟失的樣本（1.1%），盡管有3個實例沒有收到最多3個連續的數據包，還有24個實例丟失了2個連續的樣本。15分鐘后，當設備返回范圍時，需要額外的37分鐘來傳輸存儲的數據，同時對新數據進行采樣。所有測試的信號強度都很高，除非監護儀特別超出測試3的范圍。 為了預期使用更高的采樣率和更長的信息（對于額外的傳感器值），進行了額外的測試，以評估模式1中采樣率高達100赫茲的錯誤率，同時發送能夠支持9個同時采樣的傳感器數據的信息。采樣率高達75赫茲時，誤差較�。�25赫茲：1.1%；50赫茲：1.7%；75赫茲：1.9%），而采樣率100赫茲及以上（100赫茲：50.2%）時，誤差率明顯上升。使用相同信息大小的模式2（采樣和保存）中的單獨測試顯示，從車載存儲器傳輸至75赫茲（25赫茲：0.76%；50赫茲：0.79%；75赫茲：0.83%）的數據采集后誤差很小。模式2的錯誤率稍低，因為數據存儲算法監視傳輸接收，并在可能的情況下重新發送丟失的數據�？偟膩碚f，使用當前的軟件，75赫茲是數據傳輸的一個實際上限，沒有明顯的錯誤率。 3.4。電池壽命測試 在電池壽命測試期間，臂單元保持在基本STA的范圍內。3.5。用戶反饋調查表 受試者對大多數問題都有積極的反應，平均分在5.6到6.9之間，最高分為7分（見表5）。舒適和穿著舒適是重要的目標。問題1、2、10和11說明了穿戴和脫衣過程中的舒適性；所有受試者的平均反應均為陽性（6.6±0.3）。通過問題3、5、6、7、8和9捕捉到在執行活動時佩戴監視器的舒適性；受試者的回答也非常積極（6.6±0.2）。健康組和腦損傷組的反應無顯著性差異。盡管調查問卷中含有否定的詞組，但措辭是積極的，可能會使結果產生偏差。然而，本調查問卷中的個人回答并未被用作結果變量或參與者表現的預測指標；相反，他們被用于發起有關佩戴者體驗的開放式對話，以改進設備。 只有三個問題引起了重大討論。問題3（個人回答范圍從2到7）被認為是胡亂的。在向受試者解釋了我們對這只手套的限制感興趣后，許多人認為這個問題令人困惑，因為目前的設備不是“手套”。問題4關于在公開討論中戴手套的問題（分數從1到7），范圍從“尷尬”“它看起來很有趣”，“只戴一只手套會覺得很有趣”到“會把它磨掉”，“沒問題戴它”。有趣的是，四名受試者建議用某種傳統手套覆蓋單個傳感器，以使其不那么引人注目。這些人大多是健康的人，他們沒有意識到戴手套可能是對限制手運動的人的挑戰。顏色的概念也是一個流行的話題，產生了幾個面向時尚的建議，使整個設備與當前傳感器套的米色顏色相同，或使其全部變黑，因為“黑色匹配一切”。正如正畸矯正器和鑄造選擇一樣，提供了一個變量。讓人們從中選擇顏色是另一種選擇。參與者的反饋也促使設備的磨損方式發生了變化；我們最初將手臂裝置安裝在前臂上，但是在參與者的建議之后，我們發現上臂裝置更舒適，更不突兀。 表4-三種測試條件下的無線錯誤率 表5-用戶反饋問卷：每個問題的平均得分 最后，問題11（分數從2分到7分）對用于將傳感器固定在手指上的雙面膠帶提出了幾點看法。許多人在取下膠帶時感到有些不適；人們把它比作“拉下創可貼”，盡管有一個人覺得它比創可貼更痛苦。另一位醫生說，膠帶讓皮膚在切除后感到干燥。我們研究了雙面Toupee膠帶（TopStick®[Vapon，Inc.，Fairfield，NJ]）和雙面“皮膚友好型”壓敏膠（TP9720[Mactac Technical Products，Stow，Oh]），發現兩者都是可接受的；但是，TP7920更堅固，可能更耐用臨床環境之外的擴展數據收集會議。 4。討論 對陰影監視器的可重復性、可靠性、無線傳輸、用戶接受度和電池壽命進行了評估。 雖然Immersion公司和5dt公司都發布了商用無線手套，其前臂安裝的形狀與影子監視器相似，但影子監視器的電池壽命要長得多。陰影監視器連續傳輸近60小時，顯著優于數據手套超無線（在公司文獻中報告的時間超過8小時）和賽博格洛夫II（報告的時間為3小時），用于一組電池的連續無線使用。通過影子監視器的電池壽命，一個人可以戴上手套回家幾天，讓研究人員可以探索多天的活動，從而獲得更真實的家庭和社區活動的快照。 與兩種商用設備所使用的藍牙（IEEE 802.15.1）無線協議不同，為陰影監視器選擇IEEE 802.15.4無線協議直接導致電池壽命更長。藍牙®提供了比我們的應用程序實際需要更多的功能，以犧牲電池壽命為代價。藍牙協議支持高達每秒1000千比特（Kbps）的數據速率，但它在系統資源中至少使用了250Kb（Adams，2004年）。相反，Zig-Bee/802.15.4只能支持高達250 Kbps的數據速率，但它只使用28 Kbps的系統資源，大約是藍牙®所需資源的十分之一。這些較低的基準直接與較低的功耗要求相結合。事實上，協議的一個關鍵特性是延長電池壽命。校準在幾個方面具有挑戰性。必須對每個關節和每個受試者進行。將測角儀放在傳感器套筒和接頭上，測量接頭角度。然而，我們發現在不按壓傳感器或輕輕地扭動手和手指的情況下，很難從物理上讀取角度計值。這可能會引入少量的測量誤差，因為測角儀的端部可能會壓在傳感器上，造成改變測量電壓的微小變形。為了避免這種情況，我們多次測量了一些值。我們將探索評估關節角度的其他方法，以進行校準。 其次，由于電壓-角度關系是非線性的，因此約1.2 mV的固定電壓分辨率（由硬件和ADC設置定義）在整個工作范圍內映射為不同的角度分辨率。在瞬時坡度較大的中程，這相當于大約0.06°的角分辨率。在坡度可能小得多的端點，角分辨率平均為0.22°，這仍然是可以接受的。在極端情況下，一個受試者上一個傳感器的終點分辨率超過3°（=4.6°）。 第三，對于大多數傳感器手套和設備來說，超延伸（以及該區域的校準）尤其具有挑戰性。大多數傳感器在反向（超伸展）方向不能正常工作。盡管電壓隨彎曲角度的變化幅度顯著減小，但彎點傳感器仍繼續提供正確的關系（較大的超延伸對應于減小的電阻）。本研究包括10名健康受試者和10名ABI受試者，每名受試者使用5個傳感器。每次試驗校準每個傳感器后（20次試驗×5個傳感器/試驗=100次校準），超延伸范圍內的合成角分辨率為0？至-30°平均0.5°。七個傳感器的角度分辨率超過3°（平均角度分辨率=10.7°）。（需要注意的是，0.1°的插值間隔與這些值無關；它只是一個Matlab可選擇的參數，不能提供超過ADC子系統所規定的額外分辨率。）對于許多人來說，沒有超擴展，只有適度的彎曲數據可以由于殘疾程度的原因而收集，因此超延伸問題不是一個因素。但是，我們計劃在需要超延伸高分辨率的情況下重新訪問傳感器配置。 wise等人提出的重復性協議。（1990）并由Dipietro等人提煉。（2003）也發現了一些以前報告的局限性，我們一致認為，本協議不太精確，重復性結果受儀器單獨引起的因素以外的因素影響。例如，增加握力會導致不同的手指和手腕位置，以及隨后不同的關節角度測量，如其他人所指出的（Dipietro等人，2003年；Wise等人，1990年）。這些與人類相關的錯誤源只能在開始前使用定制的握把模具并將實驗目標傳達給受試者，這些錯誤不能完全消除，它們的影響不能與僅儀器的影響分開。雖然模具設計用于在一個位置穩定抓握，但我們發現它并沒有像平手位置一樣穩定關節。迪皮特羅也報告了這一觀察結果。盡管存在這些缺點，該協議似乎是一種有效的方法：（1）評估戴著的測量手套裝置，并（2）將結果與其他報告的手套分析進行比較，該系統的當前實施僅限于五個傳感器。這個數字可以很容易地擴展到八個傳感器，而不需要改變硬件，甚至超過八個傳感器，加上一個小電路板，將額外的傳感器輸入多路復用到TMote上的8通道模數轉換器中。彎點彎曲傳感器可以制作成任何需要的長度，因此可以在每個數字上使用多個傳感器。 但是，可能并不總是需要擴展到八個通道之外。使用4到14個具有不同約束假設和處理方法的傳感器研究手部姿勢的研究表明，減少傳感器組可能是合適的。利用主成分分析（PCA）、神經網絡和識別生物力學和手部解剖導致的位置約束等方法，降低了數據的高維性。Jerde等人（2003）使用PCA從17個關節角度（美國手語手冊字母表）識別4個臨界自由度，并報告了使用拇指外展、指數和中近端指間彎曲和環掌指關節彎曲的準確度為86.6%。在測量時）。同樣，Mehdi和Khan（2005。結論 與其他建議和評估的系統和手動測角相比，陰影監視器有幾個優點。首先，陰影監視器可以容納所有的手尺寸。盡管手的大小各不相同，并且包含了兩種性別，但我們不需要根據手的大小來分離結果，這是為數據手套和人體手套所做的，以便說明手套不適合女性受試者（Dipietro等人，2003年；Wise等人，1990年）。 第二個優點是傳感器應用的獨特方法。這種方法使得在任何手的位置都能很容易地安裝設備，因為不需要彎曲關節來安裝傳感器。此外，只需測量感興趣的關節，使其他關節不受阻礙�，F有的手套對于手殘疾人士來說是非常具有挑戰性或痛苦的，陰影監視器可以滿足這種服務不足的需要。有腦損傷的人報告說手套很舒服，戴上手套時手指沒有放在不舒服的位置。 我們發現了這種裝置的一些缺點，包括在公共場合佩戴它和去除后雙面膠帶的瘙癢。此外，近0.06°的中距離角測量分辨率在超伸時在端點處降低到平均0.5°，需要小心以確保該設備可用于所需應用。目前，監護儀必須由訓練有素的調查員使用，以確保傳感器位置正確，并進行校準。 本研究的長期臨床應用是探討獲得性腦損傷患者在休息時以及主動和被動功能任務執行期間的日常手指姿勢，尤其是在治療干預后。在一天的過程中，在家里和社區中進行的監測將為評估被動和意志活動的手功能受損提供有價值的信息。定量實時測量可以通過將功能能力與特定任務表現（如精細運動控制或以功能輔助方式使用鑰匙或手）相關聯來記錄干預（如藥理、治療或化學神經溶解）的效果。其他應用包括遠程康復、評估物理治療方案的合規性，以及非康復相關應用，如虛擬現實和游戲，以及作為計算機輸入設備。 本研究的主要目標之一是評估陰影監視器的幾個測量參數，并評估其在日�；顒又胁蹲绞植孔藙莸挠行院褪孢m性。測量的重復性與報告的其他半測角手套相當，這表明陰影監視器也可用于康復應用，以評估功能任務期間的手姿勢。用戶反饋和延長電池壽命支持其作為長期測量工具在門診外使用。 未來的工作將包括精度評估和多天的擴展數據收集。為了更好地捕捉拇指對手姿的貢獻，將增加拇指外展和旋轉傳感器，并增加一個低記憶指示器，提醒佩戴者返回接收計算機以防止數據丟失。將評估額外的傳感器長度（目前，使用3英寸傳感器；較小接頭可使用1英寸和2英寸）。現有硬件很容易支持八個傳感器；額外的傳感器需要添加一個小的子板。測試表明，增加幾個傳感器不會對傳輸速率產生不利影響。此外，將開發數據分析方法來描述在研究方案的其他部分執行的功能活動。 技術的進步繼續改進診斷和測量工具，最終導致更好的醫療保健。然而，醫療成本繼續上升，這表明需要低成本、易于部署的解決方案，這些解決方案可以盡可能多地分發給更多人。此外，基于個人經濟和地理狀況的不均衡醫療保險覆蓋率凸顯了需要更加分散的護理和對預防和健康計劃的關注（Park和Jayaraman，2003年）。已提出技術來滿足這些需求，例如通過創建可穿戴的監測系統和使用互聯網進行分權和訪問。陰影監視器的設計目標是廣泛部署。 確認 這項材料是基于紐澤西醫學與牙科大學（第29—05）基金會、亨利·H·凱斯勒基金會、科爾曼基金會和美國國立衛生研究院（NIH 1 R24 HD050）所支持的工作。確認 這項材料是基于紐澤西醫學與牙科大學（第29—05）基金會、亨利·H·凱斯勒基金會、科爾曼基金會和美國國立衛生研究院（NIH 1 R24 HD050821-01）所支持的工作。作者希望感謝布拉德·加列戈的貢獻。 工具書類 Adamovich SV、Merians AS、Boian R、Tremaine R、Burdea GS、Recce M等�；谔摂M現實的中風后手部康復運動系統：功能轉移。載于：第26屆IEEE EMBS國際年會論文集；2004年。 亞當斯J.符合齊格比標準。傳感器在線2004[引用2003年12月29日]。網址：www.sensormag.com。 Asada 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