MEMS麦克风和压电条拾取弯曲和伸展膝盖的声音。 (信用:佐治亚理工)MEMS麦克风和压电条拾取弯曲和伸展膝盖的声音。 (信用:佐治亚理工)

Omer Inan说:“这有点像某种万圣节的事情发生。 “你听着你的骨头彼此摩擦,或者软骨。”

工程师们正在开发一种带有麦克风和振动传感器的声学膝盖带,这种传感器可以听取和测量关节内部的声音,并可以帮助矫形外科专家评估受伤后的损伤并追踪恢复进展。

佐治亚理工学院电气与计算机工程助理教授Omer Inan一直在考虑开发这种设备。 他曾是斯坦福大学的铁饼运动员,并花了数年时间像龙卷风一样旋转着,而龙卷风并不是为膝盖而建的,所以他自己遭受了相当多的膝盖疼痛。

他说:“如果我把重点放在这个问题上,我总会觉得我的膝盖嘎吱嘎吱,或者弹出更多。


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在早期的实验中,当他听到第一批裂纹磨碎的记录时,Inan很高兴。 “比预期的要大得多,而且更加清晰。”这意味着即时进展。 “这有点像某种万圣节的事情发生。 你正在听着你的骨头彼此摩擦,或者是软骨。“医生们称这是关节骨折”叩头“。

一些100年前,医生认为球拍可能包含一个信息,并用听诊器听取。 Inan希望在未来,医学研究将建立在他的团队正在设计的声学传感技术上,并最终将声音解码为有用的模式。

目前,研究人员正在绘制录制的音频,并将其与关节的运动范围进行匹配,以查看腿部正确伸展和弯曲的位置,从而产生吱吱声和pop啪声。 结果出现类似于心电图或其他生理信号的波峰和波形。

受伤的膝盖产生的声音模式与完整的膝盖的声音模式明显不同。 Inan说:“这更加不稳定。 “健康的膝盖会产生更一致的噪音模式。”

士兵和重复受伤

如果将其与医学研究相结合,则声学设备可能会带来价格低廉,可穿戴的监护仪,从而使膝盖负担过重的运动员以及滑倒和跌倒的老年患者受益。 为这项工作提供资金的美国国防部高级研究计划局(DARPA)希望减少战场上重复出现的膝盖受伤,并帮助士兵安全地重新执勤。

Inan说:“大多数人不知道的是膝盖和脚踝的骨骼肌肉损伤是现役军人出院的主要原因之一。 重达100磅的背包压向士兵,当他们在棘手的地形上行进数十英里时,在战场上爬过障碍物,并在狭窄的地方蹲伏几个小时。

即使没有摔倒或扭曲,一名士兵也可以进行手术,然后进行康复治疗。 这个问题在几个月后可能看起来是固定的,但是往往不是这样,往往是因为再次受伤。

手术和治疗之后,膝盖可能会有新的感觉,但是当一个狂热的士兵跳回去时,受伤的弱点就会加重。结果,再次受伤的次数比原来的次数要多。

廉价的可穿戴设备可以使士兵和临床医生在将来恢复膝盖的反馈,帮助他们在需要时避免繁重的工作量而避免重伤。

从长远来看,这也可以使服务人员受益。 随着时间的推移,关节损伤加剧,使退休的服务人员痛苦和流动的损失长期进入平民生活。 Inan说:“你可能有早期骨关节炎的病例。

多余的噪音

但是在这一点上,Inan的任务就是将这些声音录制成具有潜在有用的质量,这已经构成了一些挑战。 膝关节被液体包围,这会消除正在离开皮肤关节的声波。 而且,当病人四处移动时,会引起无用的噪音,从而淹没有用的声音。

他说:“移动过程中定义必须按照定义发生这一事实是一个挑战,因为你不能只告诉人静止,避免运动伪影。

为了开发声学装置,研究人员将麦克风与压电薄膜相结合,这种超灵敏的振动传感器能够收集最好的声音,但对干扰非常敏感。 放置在皮肤上的麦克风提供了充足的备份和更实用的设备。

膝盖显示器还利用了智能手机中常见的技术进步。 微机电系统麦克风(或MEMS)与基于先前技术的麦克风相比,能够更好地与当前的技术相结合。 这也使麦克风便宜,只有50美分一美元。

DARPA生物技术办公室支持这项工作。 该论文在期刊上在线发表 IEEE生物医学工程学报.

Sumber: 佐治亚理工学院


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