一種利用肌音信號檢測的O型腿矯正裝置的製作方法

2023-06-16 22:04:41 1

本發明涉及醫療器械技術領域，更具體地說，涉及一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置。

背景技術：

o型腿是以兩下肢自然伸直或站立時，兩足內踝相碰而兩膝不能靠攏為主要表現的畸形疾病。o型腿的人由於膝內翻，身體重量過多集中於膝關節內側關節面上，導致膝關節內側軟骨面磨損，容易引發關節炎，甚至關節痛，影響到正常的行走。

目前o型腿的矯正方法包括手術矯正和非手術矯正兩種方式。手術式方法適用於較為嚴重的患者，見效快，但風險較大。非手術矯正方法包括矯正儀器、綁腿、鍛鍊等，矯正的原理基本一致，即通過鬆弛膝關節內側副韌帶，恢復膝關節內外側的穩定結構，從而使脛骨外翻，達到矯正目標。市面上的矯正儀器多採用動態矯正方法，採用u型結構，使用可避開腓總神經，相對安全，見效迅速，但是體積較大，不易攜帶，且操作條件受限制，固定不牢固，價格相對較貴。綁腿是最傳統也是使用最廣泛的矯正方法，使用材料多為無彈性的布帶、皮帶等，綁得過緊或位置不正確容易對膕窩處造成壓迫，可能會對淺表血管和神經造成不同程度的傷害。外力矯正所需時間較長，只能作為輔助方式，如果使用者平時不注意行走姿態，依然難以到達與其效果，因此，需要一種即可通過提供外部壓力來強制矯正患者腿部姿又可以提醒患者主動保持自身腿部姿勢的裝置，從而提高o型腿的治療效果，縮短治療周期。

中國專利申請號：201080020421.0，申請日：2010年5月4日，該申請案公開了一種體型矯正褲，該矯正褲的各部分由不同密度的布料織造而成，從而產生可使腿關節進行外旋轉的旋轉力，該矯正褲包括：大腿部旋轉帶，由下腹部往下向大腿部的外旋轉方向螺旋狀旋轉，一直延伸到膝蓋骨的上端；小腿部旋轉帶，由所述膝蓋骨的下端往下向小腿的外旋轉方向螺旋狀旋轉，一直延伸到小腿中央，其中，所述小腿部旋轉帶的織造密度相對高於所述矯正褲的其他部位的密度，所述大腿部旋轉帶的織造密度相對低於所述小腿部旋轉帶的密度，且相對高於所述矯正褲中除了所述小腿部旋轉帶以外的其他部位的密度。

上述方案是通過織物的拉緊力使肌肉旋轉，具有一定的效果，但仍然主要是通過外力進行矯正，對患者難以傳遞有效的自主矯正信號，治療周期長。

技術實現要素：

1.發明要解決的技術問題

本發明的目的在於克服現有技術中o型腿矯正裝置靠外力矯正所需周期長的不足，提供了一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，本發明把肌音檢測技術與穿戴式裝置相結合，既能利用外力進行o型腿矯正，又能提醒使用者主動保持正確姿態，使用效果較好，縮短了o型腿的治療周期。

2.技術方案

為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

本發明的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，包括緊固腰帶、上綁帶和下綁帶，所述緊固腰帶通過連接絲帶與上綁帶連接，上綁帶通過綁帶連接帶與下綁帶連接；在上綁帶和下綁帶內設置有矯正氣囊，下綁帶內側面設置有肌音信號傳感器，在緊固腰帶內設置有進排氣電機和信號處理模塊，所述肌音信號傳感器與信號處理模塊電連接；肌音信號傳感器檢測到腿部處於o型腿姿態時，通過進排氣電機向矯正氣囊內充氣以增加矯正壓力。

作為本發明更進一步的改進，所述信號處理模塊包括前置調理電路板、採集卡和處理器；所述前置調理電路板用於對採集的肌音信號進行去噪和放大，並將處理後的信號發送到配套的採集卡中；

所述採集卡用於將採集的模擬肌音信號轉化為處理器可識別的數字肌音信號，並將數字肌音信號發送到處理器；

所述處理器對肌音信號進行特徵提取，進而進行模式識別，判斷使用者是否處於o型腿姿態，當判斷為o型腿姿態時，處理器向信號執行模塊發送執行信息，信號執行模塊動作。

作為本發明更進一步的改進，所述矯正氣囊包括位於上綁帶中的上矯正氣囊和位於下綁帶中的下矯正氣囊，該矯正氣囊通過氣管與進排氣電機相連通。

作為本發明更進一步的改進，所述肌音信號傳感器位於下綁帶內側面的下部，對應於小腿比目魚肌位置處。

作為本發明更進一步的改進，每個下綁帶中的肌音信號傳感器有兩個。

作為本發明更進一步的改進，所述連接絲帶通過滑扣與緊固腰帶連接，滑扣能夠相對緊固腰帶滑動。

作為本發明更進一步的改進，所述上綁帶和下綁帶均由定長帶和伸縮帶組成，伸縮帶為彈性布帶。

作為本發明更進一步的改進，所述的伸縮帶為條狀，在相鄰的兩個定長帶上、下端分別設置一條伸縮帶。

作為本發明更進一步的改進，所述下綁帶主要由定長帶和伸縮帶組成，下矯正氣囊和肌音信號傳感器均設置在定長帶內側面。

作為本發明更進一步的改進，所述肌音信號傳感器為壓電加速度傳感器。

3.有益效果

採用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下有益效果：

(1)本發明的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，緊固腰帶、上綁帶和下綁帶依次串聯形成穿戴裝置，在上、下綁帶中設置矯正氣囊，通過氣囊產生矯正壓力；在下綁帶中設置有肌音信號傳感器，當檢測到處於o型腿姿態時，通過進排氣電機向矯正氣囊內充氣以增加矯正壓力，提醒使用者主動保持正確姿態，利用外部矯正壓力和使用者的主動矯正意識相結合，效果更好，大大縮短了o型腿的治療周期；

(2)本發明的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，在上、下綁帶中均設置矯正氣囊，通過氣囊產生矯正壓力，即在膝蓋的上、下側均產生矯正力，利用連接絲帶將上綁帶與緊固腰帶連接，能夠有效避免綁帶滑落，使各部分的位置不會產生較大的變化，保證信號檢測的準確性；

(3)本發明的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，定長帶通過伸縮帶相連接，伸縮帶具有一定的收縮性，便於穿戴，並且能夠使下綁帶收緊綁定在腿部，不會因腿部肌肉的舒展而脹裂，適合在日常生活中使用；

(4)本發明的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，檢測結果準確，穿戴方便，克服了以往物理糾o型腿的方法給使用者帶來的一些不適，便於使用者養成自我矯正o型腿姿態的習慣。

附圖說明

圖1為本發明o型腿矯正裝置的結構示意圖；

圖2為本發明矯正氣囊的分布結構示意圖；

圖3為本發明綁帶的結構示意圖；

圖4為本發明信號處理模塊的工作流程示意圖；

圖5為本發明o型腿檢測方法流程示意圖；

圖6為小波變換和vpmcd算法對o型腿狀態識別準確性檢測圖。

示意圖中的標號說明：1、緊固腰帶；2、滑扣；3、電源按鈕；4、電源；5、上綁帶；6、下綁帶；7、定長帶；8、伸縮帶；9、進排氣電機；10、信號處理模塊；11、連接絲帶；12、綁帶連接帶；13、肌音信號傳感器；14、上矯正氣囊；15、下矯正氣囊。

具體實施方式

為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。

實施例1

結合圖1，本實施例的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，包括緊固腰帶1、上綁帶5和下綁帶6，三者均為環形，緊固腰帶1通過連接絲帶11與上綁帶5連接，上綁帶5通過綁帶連接帶12與下綁帶6連接。穿戴時，緊固腰帶1位於腰部，上綁帶5和下綁帶6分別位於膝蓋的上、下兩側，連接絲帶11和綁帶連接帶12均為彈性帶，具有一定的伸縮空間。進一步地，可以在連接絲帶11上設置環扣，通過環扣能夠調節連接絲帶11的長度。緊固腰帶1可以為整體式彈性帶或者是通過其他連接方式能夠相互連接的卡扣式連接帶，沒有具體限制。

如圖2所示，在上綁帶5和下綁帶6內設置有矯正氣囊，下綁帶6內側面設置有肌音信號傳感器13，且該肌音信號傳感器13位於下綁帶6內側面的下部，對應於小腿比目魚肌位置處，用於檢測小腿比目魚肌的信號變化。肌音信號傳感器13可以採用壓電加速度傳感器。

在緊固腰帶1內設置有進排氣電機9和信號處理模塊10，進排氣電機9和信號處理模塊10電連接，肌音信號傳感器13與信號處理模塊10電連接；肌音信號傳感器13把檢測到的信號傳遞到信號處理模塊10，經過信號處理模塊10的識別處理，如果判定腿部處於o型腿姿態時，向進排氣電機9發出執行信號，通過進排氣電機9向矯正氣囊內充氣以增加矯正壓力。此外，緊固腰帶1上還設有電源按鈕3和電源4，電源按鈕3位於緊固腰帶1的前側，便於啟動系統工作。

矯正氣囊包括上綁帶5中的上矯正氣囊14和位於下綁帶6中的下矯正氣囊15，該矯正氣囊通過氣管與進排氣電機9相連通，氣管可隱藏設置在連接絲帶11中。

在正常使用狀態下，矯正氣囊內已經具有一定的壓力，作為外力矯正；當檢測到相關信號後，壓力增加，產生一定的壓迫感，提醒使用者注意自身腿部姿態，使其產生主動矯正意識。

小腿比目魚肌在腓骨、脛骨後，橫插在腓腸肌之下，對小腿姿態所起的形體作用較大，能夠較好的反應小腿姿態變化。因此，利用比目魚肌的肌音信號變化進行o型腿姿態的檢測較為準確。

結合圖4，本實施例中的信號處理模塊10包括前置調理電路板、採集卡和處理器；所述前置調理電路板用於對採集的肌音信號進行去噪和放大，並將處理後的信號發送到配套的採集卡中。

採集卡用於將採集的模擬肌音信號轉化為處理器可識別的數字肌音信號，並將數字肌音信號發送到處理器。

處理器對肌音信號進行特徵提取，進而進行模式識別，判斷使用者是否處於o型腿姿態，當判斷為o型腿姿態時，處理器向進排氣電機9發送執行信息，進排氣電機9向矯正氣囊內充氣。可以在進排氣電機9與氣囊之間設置電磁閥，電磁閥與處理器電連接，用於輔助控制氣囊壓力。

處理器可以優選採用小波變換和vpmcd算法對o型腿姿態進行識別，可採用labview和matlab設計肌音信號的採集、特徵提取、模式識別以及振動電機控制/聲音提醒等程序。上述labview和matlab程序均為肌音檢測領域常規技術，不在贅述。

本實施例在上、下綁帶中均設置矯正氣囊，通過氣囊產生矯正壓力，即在膝蓋的上、下側均產生矯正力，利用連接絲帶將上綁帶與緊固腰帶連接，能夠有效避免綁帶滑落，使各部分的位置不會產生較大的變化，保證信號檢測的準確性。

與肌電信號相比，肌音信號在肌肉收縮疲勞時仍有更高的準確率。由於肌音信號的傳播特性，傳感器不需要固定在某些特定的位置上，甚至可以不直接接觸皮膚，而且肌音信號還可以在運動肌肉的末梢採集到。肌音信號受體表阻抗的影響小，受外電場的幹擾小，具有更高的檢測準確度。本方案將o型腿矯正裝置與肌音信號的利用相結合，用於提高雞胸信號檢測的準確度。

實施例2

本實施例的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，其基本結構與實施例1相同，其不同之處在於：連接絲帶11通過滑扣2與緊固腰帶1連接，滑扣2能夠相對緊固腰帶1滑動，可在一定範圍內對滑扣2位置進行調節。

本實施例中的上綁帶5和下綁帶6均由定長帶7和伸縮帶8組成，下矯正氣囊15和肌音信號傳感器13均設置在定長帶7內側面，伸縮帶8為彈性布帶。由於具有彈性布帶，使綁帶具有一定的伸縮性，適於穿戴，檢測電極與腿部貼合的更緊密，保證檢測的準確性。

每個下綁帶6中的肌音信號傳感器13有兩個，通過兩個肌音信號傳感器13能夠更加全面的覆蓋肌肉的不同區域，保證檢測的準確性。

實施例3

本實施例的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，其基本結構與實施例2相同，其不同之處在於：下綁帶6主要由定長帶7和伸縮帶8組成，下矯正氣囊15和肌音信號傳感器13均設置在定長帶7內側面。本實施例中的伸縮帶8為條狀，在相鄰的兩個定長帶7上、下端分別設置一條伸縮帶8。

實施例4

結合圖3，本實施例的一種利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置，其基本結構與實施例3相同，其不同之處在於：伸縮帶8為波紋形氣囊帶，當氣囊帶排氣時，使下綁帶收緊。

眾所周知，生活中有較多的設備用到氣囊帶進行肢體綁縛，使檢測傳感器與人體貼合，如血壓計，通過向內充注空氣使其綁縛在胳膊上而不會掉落，本方案也可以採用充氣方式使腿帶綁縛在大腿上，但是充氣式綁縛對人體束縛感較大，一旦使用者下蹲，肌肉張緊，很容易把腿帶撐開，導致裝置損壞，根本無法使用。而排氣式氣囊結構，具有一定的拉伸性，並能使傳感器貼在人體皮膚表面，檢測準確。

進一步地，波紋形氣囊帶的波峰和波谷均為v形，可以控制v形的夾角在25～70°之間，本實施例優選為35°。若角度過小，需要較長的波紋帶才能實現收緊，較長的波紋帶容易導致腿帶鬆脫；若角度過大，在排氣時，容易出現兩側波紋帶相對吸合形成平板，而不是摺疊為層狀，反而會導致腿帶舒展而無法使用，在該角度範圍具有更好的收緊效果。

氣囊帶通過氣管與伺服進排氣控制器、進排氣控制電機連接。該伺服進排氣控制器可以為電磁閥，電磁閥打開後，可以通過專用進排氣控制電機向氣囊帶內充氣或向外排氣，當排氣完成後，電磁閥關閉，氣囊帶保持收緊狀態。當需要取下腿帶時，打開電磁閥向進排氣管通氣即可，外部氣壓較大，會自動向氣囊帶內注氣。

實施例5

本發明還提供了一種o型腿矯正方法，即採用利用肌音信號檢測的o型腿矯正裝置進行矯正，具體使用時，如圖5所示，其過程如下：

1)使用者的兩腿分別穿戴上上綁帶5和下綁帶6，緊固腰帶1繫於腰間，並調整好位置，按下開關按鈕後，啟動電源模塊，電路閉合，系統開始工作；

2)電磁閥打開，進排氣控制電機向外部排氣，上矯正氣囊14和下矯正氣囊15內充氣，產生一定的矯正壓力；

3)置於小腿後下側的肌音信號傳感器13開始採集比目魚肌的肌音信號，當穿戴者腿部動作時，比目魚肌的肌音信號會產生變化，然後將信號發送至配套的前置調理電路板進行信號去噪和放大處理；

4)然後信號被傳至採集卡，採集卡對經過前置電路處理過的信號進行處理，使信號轉變為能被電腦識別的數字肌音信號；數字肌音信號發送至所述處理器，經過特徵提取、特徵降維和模式識別等程序處理後，處理器採用小波變換和vpmcd算法識別o型腿與正常兩種姿態；如果患者較為嚴重，可以將正常信號設置在一定的o型腿範圍內(相對較為正常的姿態)，以達到逐步治療的效果。

5)當系統判斷為o型腿姿態時，處理器向進排氣電機9發送執行信息，進排氣電機9動作，打開電磁閥，向矯正氣囊內充氣，增加壓力對佩戴者進行預警提示，使用者接收到該提示後應及時糾正行走姿態。

6)系統關閉時，電機停止工作，電磁閥打開，外部空氣進入，腿帶舒展，可以直接取下。

實施例6

若採用的伸縮帶8為兩條波紋氣囊帶組成，則使用過程的不同之處在於：在步驟1)中，需要對氣囊帶進行排氣，使下綁帶綁縛在小腿上。

上述vpmcd方法是建立在變量預測模型基礎上的模式識別方法，該方法理論中，不同類別中特徵變量之間的相關性也是不同的。在人體肌音信號的模式識別問題中，採用一組特徵量x＝[x1,x2,···,xp]描述一種類別，在不同的手勢類別中，其中一個特徵值xi受其它特徵值xj(j≠i)的影響也不同。它們相互之間存在的可能是一對一的關係x1＝f(x2)，也可能是一對多的的關係x1＝f(x2,x3,···)。為了識別不同類別的運動模式，需要利用訓練樣本建立能夠表達特徵變量之間內在關係的數學模型，即變量預測模型(variablepredictivemodel,vpm)。再通過這些預測模型對測試樣本進行預測，並以每類預測誤差平方和最小為判別函數進行分類。

上述處理器採用小波變換和vpmcd算法識別o型腿與非o型腿兩種狀態，其方法如下：

s1、對o型腿、正常站立、正常行走、屈膝四種動作採集樣本，利用vpmcd算法得到預測模型vpmtraining；該預測模型vpmtraining是預先經過測試存儲在系統內的程序，作為原始匹配動作類型；

s2、電極片對腿部動作進行semg信號採集；

s3、對採集的semg信號使用小波基函數進行三層小波分解，得到各頻段的小波係數。小波變換含義式如式(1)所示：

其中：f(t)∈l2(r)，l2(r)為r上平方可積函數構成的函數空間。ψ(t)為基小波或母小波，a為尺度因子，b為平移因子。

再用不同尺度和不同平移小波基的線性組合表示該信號；如式(2)所示：

其中，每一項的係數就稱為小波係數，ai(t)、di(t)分別表示第i級的低頻分量和高頻分量，wai、wdi分別表示第i級的低頻小波係數和高頻小波係數；

s4、提取小波分解後各子頻段的小波係數模極大值作為特徵向量。這樣得到每種類別的特徵值矩陣，試驗時可採用互相關分析法驗證特徵值之間的內在關聯性；

s5、用已訓練的預測模型vpmtraining對特徵值矩陣進行分類識別，各種類型的腿部動作就可以由vpmcd分類器的數據結果被確定。

採用小波變換和vpmcd算法識別o型腿與非o型腿兩種狀態，相對於其他識別方法具有更高的準確性，如圖6所示，該方法通過參數估計的方法建立變量預測模型，避免了ann結構、類型的選擇問題和迭代過程。另外，在模型類型和參數的選擇上，它取決於預測值與實際值的最小預測誤差平方和，從而避免了對先驗知識的依賴，更具客觀性。因此，該方法具有更好的vpmcd訓練能力和分類性能，是一種有效、可靠的肌音信號模式識別方法。

以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構並不局限於此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬於本發明的保護範圍。