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远程康复信息采集系统:能远程实时地进行三维视觉信息采集

2018年06月11日 09:56 次阅读

1 引言

远程康复是一项现代信息及通信技术与康复医学相结合的多学科交叉课题,它可以被定义为:在综合运用通信、远程感知、远程控制、计算机、信息处理等技术的基础上,实现的远方康复医疗服务。

国外在此方面的研究出发点各有不同,归纳起来,主要是将远程康复系统当作一种通信手段,来消除辅助器具评价专家与远方残疾人士之间的空间障碍,对如何把远程康复系统本身作为一种辅助器具评价诊断系统,促进康复医学的发展等方面,虽有所提及,但尚未作实质性研究。国内在这方面的产品,仅见深圳残联自行研制开发的全国第一个残疾人远程康复系统的报导,该系统着眼于专家和病人的沟通与交流,使残疾人在网上可以向专家进行康复咨询,得到康复方面的建议。

从目前国内外的发展情况来看,各方的研究都有较大局限,均处在起步阶段。因此进行远程康复系统的研究具有重要的意义。

远程康复系统中,信息采集系统是其主要的组成部分,如何远距离对信息采集系统进行有效控制,其实现效果的优劣,实现速度的快慢,对整个系统的性能起着关键性的作用。由于远程康复信息采集系统是多变量、非线性的时变系统,很难建立整个同步控制系统的精确数学模型。因此就需要利用一种有效的控制方法——模糊控制。

2 远程康复信息采集控制系统的构成

远程康复信息采集控制系统示意图如图1所示。该系统就是一个辅助摄像用的机器人,它可以接受指令以某条空间曲线为路径来观察患者。此控制系统主要由两个功能模块来实现,一是现场站点的PC机,通过Internet来接收远方站点的控制命令,经过模糊控制算法处理之后,再通过RS 232串口传给单片机处理系统,来控制小车、云台、摄像机的运动。另外现场站点的PC机还可以将从摄像机采集到的图像信息根据要求进行处理,再通过Internet以适当的方式呈现给远方站点,供远方的康复专家和辅助设计厂商诊断、设计之用。二是单片机控制系统,主要用来控制小车、云台、摄像机的运动,使其能够到达合适的方位,以便远方康复专家不受时空限制、实时地观察患者的身体状况,进行远程诊断和评估。单片机控制系统还可以对检测电机到位等传感器的信号进行处理,并将控制模糊控制系统执行单元的情况反馈给远方站点。简单来说,此模糊控制系统主要实现自动控制装载信息采集装置的小车、带动摄像机的云台和摄像机的运动,根据要求采集实时视频或图像信息,供诊断和辅助产品设计之用。

远程康复信息采集系统:能远程实时地进行三维视觉信息采集

3 远程康复信息采集系统的模糊控制设计

3.1 信息采集系统的模糊控制策略

本系统的输入变量为:小车到目标的转向角,小车到目标的距离,云台距离目标的高度,摄像机与目标的方向角和距离,一共6个输入变量。输出变量为:小车舵电机的运行速度、方向,小车驱动电机的运行速度、方向,带动云台上下运动的电机的运行速度、方向和云台的四个转向一共10个输出变量。所以该信息采集系统初步控制对象就有6个输入变量和10个输出变量,属于多输入一多输出结构的模糊控制器。

通过模糊解藕将此多输入一多输出模糊控制结构转化为单变量模糊控制器来进行设计。下面以控制小车驱动电机的速度为例来详细说明模糊控制规则的建立。

小车驱动电机采用步进电机,其速度是通过改变驱动信号的脉冲频率来控制的。因此,对小车驱动电机速度的控制采用单变量二维模糊控制器,输入量为小车到目标距离的误差e以及小车到目标距离误差的变化率ec,输出变量为控制脉冲的频率f。在模糊控制的具体实现方法上,采用模糊查表法,其原理如图2所示。

远程康复信息采集系统:能远程实时地进行三维视觉信息采集

对每一次采样得到的误差e和误差变化率ec进行量程转换,即乘以比例因子k1和k2,然后进行量化,将输入的物理信号值转换为输入论域上的点,就可以通过查询控制作用表得到输出控制量。它是输出论域上的点,再乘以比例因子k3进行量程转换,就得到所需要的控制脉冲频率值f。控制作用表是输入论域上的点到输出论域上的对应关系。它已经是经过了模糊化、模糊推理和解模糊的过程,可以离线计算得到。查表法结构简单,实施方便,资源开销少,在线运行速度快。

误差e、误差变化量ec和控制量f的基本模糊子集为{NB(负大偏差),NS(负小偏差),0(零),PS(正小偏差),PB(正大偏差)}。在系统中,小车到目标距离误差e的论域为E,小车到目标距离误差变化率ec的论域为EC,输出控制量f的论域为F。根据系统的实际状况,将其大小量化为5个等级,分别为{-3,-1,0,+1,+3),选择如图3所示的隶属函数曲线,控制器可完成对输入变量的模糊化。

远程康复信息采集系统:能远程实时地进行三维视觉信息采集

模糊输入变量再由模糊控制规则进行推理决策,得到模糊输出语言变量{NB(负大),NS(负小),0(零),PS(正小),PB(正大)}。同样道理,经过模糊控制器推理的输出结果也必须变换成实际的校正量,调节控制小车驱动电机速度的脉冲频率,完成对小车速度的控制。

为了简化编程,便于实时控制,本系统将控制规则表格化。模糊控制器按表1所示的控制状态表进行控制。

远程康复信息采集系统:能远程实时地进行三维视觉信息采集

误差E,误差变化率EC的量化因子k1和k2的选取对控制系统的动态性能的影响很大。k1决定了系统的响应速度,k1越大系统的响应越快,但超调也越大,过渡时间就越长。k2影响系统的超调,k2选取越大,系统的超调就会越小,但系统的响应时间就会越长。k3为模糊控制器的总增益,选取过小会使系统的动态响应过程变长,而选择过大会导致系统震荡。

其他控制量的控制规则和上述小车驱动电机速度的控制类似。

3.2 信息采集控制系统的软件设计

目前,模糊控制器构造有三种技术:采用传统的单片机或微型机作为物理基础,编制相应的软件实现模糊推理和控制;用单片机或集成电路芯片构造模糊控制器,利用配置数据来确定模糊控制器的结构形式;采用可编程门阵列构造模糊控制器。由于远程康复系统现场站点需要一台微机作为接收远方的控制命令和处理来自摄像机的图像信息并通过Internet来传送信息,所以为了充分利用和节省资源,我们采用微机作为物理基础,编制相应的软件实现模糊推理和控制。

模糊控制的上位机软件设计主要就是模糊控制算法的设计和实现,同时也包括微机与单片机的串口通讯部分和与Internet接口部分的设计实现。其程序流程如图4所示。

远程康复信息采集系统:能远程实时地进行三维视觉信息采集

该部分主要实现对信息采集系统的模糊控制功能。系统运行前,该上位机程序首先要进行初始化,设置串口,为系统正确运行做好准备。当远程控制命令通过Internet传送到现场站点的PC机,经过模糊控制算法的处理,再经串口将命令下达给单片机控制系统来执行。此控制过程不需要现场站点的人员来操作,完全采取远程控制,这样远程专家就能很方便地根据需要控制信息采集系统的运行,同时也方便了现地医师或病人家属,减少了由于远程专家和现地医师或家属的交流障碍而引起的操作错误。

4 结语

本系统利用模糊控制技术解决了对远程康复信息采集系统的远程智能控制,使位于远方的康复专家和辅助设计师能够通过Internet方便地遥控现地的信息采集系统以合适的方式和角度准确、实时地进行数据信息的采集,供诊断和辅助产品设计之用。试验证明,该控制系统达到了我们的设计要求,能够远程实时地进行三维视觉信息的采集。

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谈物联网技术在智能医疗领域的主要应用技术

谷歌FHIR标准协议利用深度学习预测医疗事件发生

使用电子健康记录(EHR)数据的预测建模预计将推动个人化医疗并提高医疗质量。谷歌发布消息称已经开源该...

发表于 2018-03-07 17:14 645次阅读
谷歌FHIR标准协议利用深度学习预测医疗事件发生

Bracco Imaging计划将AR技术引入肿...

影像诊断领域的全球领导者之一Bracco Imaging宣布与RAWSrl建立新的合作伙伴关系,准备...

发表于 2018-03-06 12:51 98次阅读
Bracco Imaging计划将AR技术引入肿...

微软要打造智能化医院的四大法器

Azure云平台将帮助医疗服务提供商构建云计算和机器学习工具,以满足他们的需求。微软的Azure云平...

发表于 2018-03-05 15:01 574次阅读
微软要打造智能化医院的四大法器

远程医疗市场有望爆发 医疗智能化缓解资源不均衡

远程医疗属于医疗行为的范畴,这与有些医疗类手机应用以消费需求为导向的商业服务有着极大的区别。首先要具...

发表于 2018-03-03 16:55 576次阅读
远程医疗市场有望爆发 医疗智能化缓解资源不均衡

医疗产业应用机器学习 应缩小采纳范围并确定近程目...

机器学习目标是透过发现新知识来改进医疗保健以及提高生产力,但许多医疗系统并没有适当的业务计划来支持研...

发表于 2018-03-01 13:48 618次阅读
医疗产业应用机器学习 应缩小采纳范围并确定近程目...

以空中微流体技术 成功打印活体细胞组织

微流体技术模仿微米至毫米大小的液滴,通常会使用内含微流道和反应器等元件的芯片,亦即所谓的实验室芯片(...

发表于 2018-02-26 12:45 111次阅读
以空中微流体技术 成功打印活体细胞组织

Paige.AI将机器学习引进癌症病理研究

美国新创公司Paige.AI完成了第一轮2,500万美元融资,并与纽约癌症中心(Memorial S...

发表于 2018-02-26 12:37 173次阅读
Paige.AI将机器学习引进癌症病理研究

研究团队利用无线光控治疗癌症

光动力疗法所使用的感光药物可被特定波长的光触发,产生可杀死邻近细胞的氧气。这种方式不会有化疗等传统药...

发表于 2018-02-26 09:28 149次阅读
研究团队利用无线光控治疗癌症

Masimo新一代脑功能监测系统获FDA核准

新一代SedLine提供加强版的病患状态指数(PSi),还会显示更完善的多重脑波分析(DSA),呈现...

发表于 2018-02-24 12:16 165次阅读
Masimo新一代脑功能监测系统获FDA核准

东京大学研发血管芯片 有助开发抑制肿瘤血管新生药...

血管新生是以原有血管系统为基础,生长出新的小血管网络的生理过程,于是医学上发展出新的抗癌策略,称为抗...

发表于 2018-02-23 11:33 174次阅读
东京大学研发血管芯片 有助开发抑制肿瘤血管新生药...

智能医院遍地开花 惟须克服导入成本

研究机构MarketsandMarkets指出,目前北美地区占了智能医院市场最大份额;在亚洲方面,则...

发表于 2018-02-23 11:32 157次阅读
智能医院遍地开花 惟须克服导入成本

血管芯片可协助验证抗发炎化合物作用与成效

受伤或疾病引起的发炎反应,对启动免疫系统协助身体复原非常重要,但也可能因过度反应引发血栓而令人不安。...

发表于 2018-02-23 10:46 145次阅读
血管芯片可协助验证抗发炎化合物作用与成效

工业4.0技术将牙科产业带向数码化

X光促成了「牙科3.0」,而目前的云端运算、影像及数据分析与3D打印方案的成本已相对降低,更将牙科产...

发表于 2018-02-16 09:19 126次阅读
工业4.0技术将牙科产业带向数码化

Konica Minolta发表Exa成像平台 ...

柯尼卡美乐达近年来转攻医疗领域,利用集成资料库协助医生以最低的成本,提供更优质的照护服务。

发表于 2018-02-13 10:38 449次阅读
Konica Minolta发表Exa成像平台 ...

摄影机隔空测心跳 非接触式监测系统将掀医疗革命

据报导,当心脏驱动血液循环全身的血管,皮肤所吸收的光线会改变,只不过肉眼并无法观测到,但经由该系统处...

发表于 2018-02-13 08:49 202次阅读
摄影机隔空测心跳 非接触式监测系统将掀医疗革命

Apple Watch大显身手 以85%准确率检...

现在的智能硬件真的原来越智能化和人工化。据悉,在硬件市场广受好评的Apple Watch切入医疗领域...

发表于 2018-02-11 09:52 577次阅读
Apple Watch大显身手 以85%准确率检...

微流道芯片模拟血液障壁 有助发现视网膜病变

微流道芯片可以模拟人类的血液视网膜障壁(BRB)。该装置内含数个平行隔间,正好模拟视网膜的分层结构,...

发表于 2018-02-09 13:34 174次阅读
微流道芯片模拟血液障壁 有助发现视网膜病变

美大学研发磁力锤毫米机器人 可穿透脑部组织做手术

据报导,不少医学研究以磁场驱动机器人在人体内移动,但休士顿大学研究团队在子弹型机器人安装「磁力锤」,...

发表于 2018-02-09 12:17 274次阅读
美大学研发磁力锤毫米机器人 可穿透脑部组织做手术

VisualDx App以机器学习协助皮肤科医生...

VisualDx采用苹果(Apple)开发的机器学习算法「Core ML」分析皮肤影像,若是使用苹果...

发表于 2018-02-08 14:11 182次阅读
VisualDx App以机器学习协助皮肤科医生...

将医学影像显示在患者身上的AR系统

ProjectDR是由加拿大亚伯达大学计算机科学研究生Ian Watts及其同窗Michael Fi...

发表于 2018-02-07 13:03 545次阅读
将医学影像显示在患者身上的AR系统

AI有助NHS提升医疗效率

英国智库Reform最新研究报告发现,人工智能(AI)技术可为医疗保健带来巨大好处。而确立使用AI的...

发表于 2018-02-07 13:01 182次阅读
AI有助NHS提升医疗效率

Medopad与美大学合作推动临床医疗机器学习

英国健康科技公司Medopad与美国Johns Hopkins University签署了合作备忘录...

发表于 2018-02-07 12:59 405次阅读
Medopad与美大学合作推动临床医疗机器学习