本發(fā)明涉及保健設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置。

背景技術(shù)：

“八字腳”是一種下肢的骨骼畸形，分為“外八字腳”和“內(nèi)八字”，都是因?yàn)樽悴垮e誤受力所致，八字腳因?yàn)樽呗纷藙莶谎牛絹碓绞艿酱蠹业闹匾?。八字腳目前矯正的方式國內(nèi)一般有穿戴矯正鞋，醫(yī)院一般使用一些鞋墊或者支架，國際上一般也采用矯正鞋與鞋墊，配合拉筋板和腳踏車去幫助孩子們做矯正。這些設(shè)備效果一方面非常笨重不雅觀，效果也很有限，特別是在預(yù)防和檢測方面效果更差。

近年來，我國患八字腳的人數(shù)不斷增多。尤其是年齡較小的孩子，他們行走時沒有保持正常腳部姿態(tài)或者腳部姿態(tài)不標(biāo)準(zhǔn)，長時間下去導(dǎo)致他們形成八字腳。八字腳患者走路時姿勢不正，步態(tài)不穩(wěn)，步子邁不開，給體力勞動和運(yùn)動帶來不便。所以，預(yù)防八字腳顯得十分重要。

預(yù)防八字腳主要靠患者在幼兒期就養(yǎng)成保持正常腳部姿態(tài)的習(xí)慣。市面也有一些輔助設(shè)備，比如矯正鞋與鞋墊。但是，矯正鞋與鞋墊只是靠輔助力來改善人走路時腳部的姿態(tài)，而不能從患者心理上直接產(chǎn)生自主矯正的意識，治標(biāo)不治本，一旦脫離外部的輔助矯正裝置的束縛，使用者仍然可能又會恢復(fù)之前的八字腳狀態(tài)，需要長期穿戴輔助矯正裝置才能起到一定的改善作用。

中國專利申請?zhí)枺?01510816467.8，申請日：2015年11月20日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：一種用于八字腳檢測及矯正的電子設(shè)備，該申請案公開了一種用于八字腳檢測及矯正的電子設(shè)備，該設(shè)備通過內(nèi)置的加速度傳感器計算出腳尖和腳步前進(jìn)方向夾角來檢測是否有內(nèi)八字或者外八字的現(xiàn)象，另外還可以通過微弱的電流刺激來提醒使用者及時調(diào)整腳的角度，從而實(shí)現(xiàn)了預(yù)防、檢測和矯正三重功效。

該方案通過采集腳尖前進(jìn)速度與前進(jìn)方向參數(shù)，從而判斷是否成八字狀態(tài)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自主提醒功能，但是大部分使用者很難保證其行走路線為直線，尤其是在日常使用時，經(jīng)常走走停停，其路徑也是大幅度波動的，因此，通過加速器計算出腳尖和腳步前進(jìn)方向和夾角來檢測是否有內(nèi)八字或者外八字的現(xiàn)象，很容易出現(xiàn)誤判情況，導(dǎo)致使用者接受錯誤的提示信息，難以達(dá)到真正的提醒目的。因此，如何為使用者提供準(zhǔn)確的信息，有效的改善八字腳現(xiàn)象，是現(xiàn)有技術(shù)所面臨的一大難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中難以準(zhǔn)確的對八字腳姿態(tài)進(jìn)行提醒的不足，提供了一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，本發(fā)明把肌電檢測與伸縮式腿帶相結(jié)合，檢測準(zhǔn)確度高，使用方便，能夠較好的幫助使用者矯正八字腳姿態(tài)。

2.技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，包括腿帶，該腿帶為環(huán)形，在腿帶內(nèi)設(shè)置有肌電信號檢測電極、信號處理模塊和信號執(zhí)行模塊，所述肌電信號檢測電極和信號執(zhí)行模塊均與信號處理模塊電連接，所述肌電信號檢測電極分布在腿帶后部內(nèi)側(cè)，用于檢測八字腳姿態(tài)信息；所述信號執(zhí)行模塊用于對檢測到的八字腳姿態(tài)信息向使用者產(chǎn)生提示信號。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述信號處理模塊包括前置調(diào)理電路板、采集卡和處理器；所述前置調(diào)理電路板用于對采集的肌電信號進(jìn)行去噪和放大，并將處理后的信號發(fā)送到配套的采集卡中；

所述采集卡用于將采集的模擬肌電信號轉(zhuǎn)化為處理器可識別的數(shù)字肌電信號，并將數(shù)字肌電信號發(fā)送到處理器；

所述處理器對表面肌電信號進(jìn)行特征提取，進(jìn)而進(jìn)行模式識別，判斷使用者是否處于八字腳姿態(tài)，當(dāng)判斷為八字腳姿態(tài)時，處理器向信號執(zhí)行模塊發(fā)送執(zhí)行信息，信號執(zhí)行模塊動作。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述的腿帶包括主綁帶和氣囊?guī)?，至?個主綁帶相互連接組成腿帶，相鄰兩個主綁帶通過氣囊?guī)нB接，通過氣囊?guī)У倪M(jìn)排氣控制腿帶展開或收緊。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述氣囊?guī)蓚?cè)為波紋帶，相鄰的氣囊?guī)еg通過導(dǎo)氣管連通；當(dāng)氣囊?guī)艢鈺r，波紋帶折疊為層狀使腿帶收緊。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述波紋帶的波峰和波谷均為V形。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，腿帶內(nèi)設(shè)置有伺服進(jìn)排氣控制器和進(jìn)排氣控制電機(jī)，氣囊?guī)ㄟ^進(jìn)排氣管與伺服進(jìn)排氣控制器、進(jìn)排氣控制電機(jī)連接。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，腿帶后部內(nèi)側(cè)設(shè)置肌電信號檢測電極，該肌電信號檢測電極具有與腿部貼合的接觸面，對應(yīng)于腿部半腱肌和半膜肌區(qū)域。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，肌電信號檢測電極中的檢測電極片呈兩列排布，檢測電極片檢測的信息傳送到信號處理模塊。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述檢測電極片有6個，并形成兩個信號采集通道，第一列頂部的檢測電極片與另一列下方的兩個檢測電極片形成一個信號采集通道，剩余檢測電極片組成另一個信號采集通道。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，腿帶中的電源位于前側(cè)或兩側(cè)的主綁帶內(nèi)，并設(shè)置有對應(yīng)的啟停開關(guān)；所述信號執(zhí)行模塊為振動提示器或聲音提示器。

3.有益效果

采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，把表面肌電檢測電極與環(huán)形的腿帶相結(jié)合，易于穿戴，而且利用肌電信號檢測電極進(jìn)行信號采集，對該電信號進(jìn)行特征提取和模式識別來判斷佩戴者是否出現(xiàn)八字腳姿態(tài)，檢測準(zhǔn)確度高，受個體性差異和外部環(huán)境影響小，能夠及時、準(zhǔn)確地對使用者進(jìn)行姿態(tài)提醒；

(2)本發(fā)明的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，主綁帶通過氣囊?guī)噙B接，氣囊?guī)蓚?cè)為波紋帶，相鄰的氣囊?guī)еg通過導(dǎo)氣管連通，當(dāng)氣囊?guī)艢鈺r，波紋帶折疊收縮，使腿帶收緊綁定在腿部，不會因腿部肌肉的舒展而脹裂，適合在日常生活中使用；

(3)本發(fā)明的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，波紋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，若角度過小，需要較長的波紋帶才能實(shí)現(xiàn)收緊，而且易于松脫；若角度過大，在排氣時，容易出現(xiàn)兩側(cè)波紋帶相對吸合形成平板，而不是折疊為層狀，反而會導(dǎo)致腿帶舒展而無法使用，在該角度范圍具有更好的收緊效果；

(4)本發(fā)明的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，穿戴方便，克服了以往物理糾正八字腳的方法給使用者帶來的一些不適，便于使用者養(yǎng)成自我矯正八字腳姿態(tài)的習(xí)慣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的八字腳檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中電極片分布結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中各檢測模塊的系統(tǒng)示意圖；

圖4為本發(fā)明中八字腳檢測方法流程圖；

圖5為小波變換和VPMCD算法對八字腳狀態(tài)識別準(zhǔn)確性檢測圖。

示意圖中的標(biāo)號說明：1、主綁帶；2、氣囊?guī)В?、檢測電極；4、電源；5、聲音提示器；6、啟停開關(guān)。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

結(jié)合圖1，本實(shí)施例的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，包括：腿帶，該腿帶為環(huán)形，在腿帶內(nèi)設(shè)置有肌電信號檢測電極3、信號處理模塊和信號執(zhí)行模塊.。其中，肌電信號檢測電極分布在腿帶后部內(nèi)側(cè)，用于檢測使用者的八字腳姿態(tài)信息；肌電信號檢測電極和信號執(zhí)行模塊均與信號處理模塊電連接，肌電信號檢測電極將檢測到的信息發(fā)送給信號處理模塊，若判定為八字腳姿態(tài)，則信號執(zhí)行模塊對檢測到的八字腳信號向使用者產(chǎn)生提示信息。該信息提示可以是震動提示，或者為聲音提示，也可以為其他信息提示，主要是讓使用者注意到自己的姿態(tài)，沒有具體要求。

結(jié)合圖3，本實(shí)施例中信號處理模塊包括前置調(diào)理電路板、采集卡和處理器；所述前置調(diào)理電路板用于對采集的肌電信號進(jìn)行去噪和放大，并將處理后的信號發(fā)送到配套的采集卡中。

所述采集卡用于將采集的模擬肌電信號轉(zhuǎn)化為處理器可識別的數(shù)字肌電信號，并將數(shù)字肌電信號發(fā)送到處理器；

所述處理器對表面肌電信號進(jìn)行特征提取，進(jìn)而進(jìn)行模式識別，判斷使用者是否處于八字腳姿態(tài)，當(dāng)判斷為八字腳姿態(tài)時，處理器向信號執(zhí)行模塊發(fā)送執(zhí)行信息，信號執(zhí)行模塊動作，產(chǎn)生震動或聲音提示。

處理器可以優(yōu)選采用小波變換和VPMCD算法對八字腳姿態(tài)進(jìn)行識別，可采用LabVIEW和matlab設(shè)計肌電信號的采集、特征提取、模式識別以及振動電機(jī)控制/聲音提醒等程序。上述LabVIEW和matlab程序均為肌電檢測領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，不在贅述。

值得說明的是，現(xiàn)有技術(shù)中也有通過電極檢測進(jìn)行八字腳判別的，無論是否為肌電信號檢測，其難點(diǎn)在于如何適用電極精確的檢測到八字腳信息。為了能夠達(dá)到該效果，本實(shí)施例中的腿帶包括主綁帶1和氣囊?guī)?，主綁帶1為彈性綁帶，4個主綁帶1相互連接組成腿帶，相鄰兩個主綁帶1通過氣囊?guī)?連接，通過氣囊?guī)?的進(jìn)排氣控制腿帶展開或收緊。

4個主綁帶1可以均勻間隔設(shè)置，并分別位于前、后、左、右四個部位，肌電信號檢測電極3位于后部的主綁帶1內(nèi)側(cè)，信號處理模塊和信號執(zhí)行模塊位于前側(cè)或左、右兩側(cè)的主綁帶1上，沒有具體限制。

氣囊?guī)?兩側(cè)為波紋帶，側(cè)部主綁帶1的側(cè)壁連接，氣囊?guī)?內(nèi)部為密封空間，相鄰的氣囊?guī)?之間通過導(dǎo)氣管連通，當(dāng)氣囊?guī)?排氣時，波紋帶折疊為層狀使腿帶收緊。

眾所周知，生活中有較多的設(shè)備用到氣囊?guī)нM(jìn)行肢體綁縛，使檢測傳感器與人體貼合，如血壓計，通過向內(nèi)充注空氣使其綁縛在胳膊上而不會掉落，本方案也可以采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(dǎo)致裝置損壞，根本無法使用。

本方案利用波紋帶對主綁帶進(jìn)行連接，當(dāng)把波紋帶內(nèi)的氣體排出后，波紋帶折疊為層狀，間距減小，進(jìn)而使主綁帶1被拉緊，實(shí)現(xiàn)腿帶的固定。在使用者進(jìn)行活動時，即便是下蹲，肌肉張緊后，由于氣囊?guī)?內(nèi)氣體被抽出，不會被脹破，而且能夠始終保持與肢體貼合的狀態(tài)，檢測的信號準(zhǔn)確。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，其不同之處在于：波紋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(shí)施例優(yōu)選為35°。若角度過小，需要較長的波紋帶才能實(shí)現(xiàn)收緊，較長的波紋帶容易導(dǎo)致腿帶松脫；若角度過大，在排氣時，容易出現(xiàn)兩側(cè)波紋帶相對吸合形成平板，而不是折疊為層狀，反而會導(dǎo)致腿帶舒展而無法使用，在該角度范圍具有更好的收緊效果。

腿帶內(nèi)設(shè)置有伺服進(jìn)排氣控制器和伺服進(jìn)排氣控制電機(jī)，氣囊?guī)?通過進(jìn)排氣管與伺服進(jìn)排氣控制器、進(jìn)排氣控制電機(jī)連接。該伺服進(jìn)排氣控制器可以為電磁閥，電磁閥打開后，可以通過進(jìn)排氣控制電機(jī)向氣囊?guī)?內(nèi)充氣或向外排氣，當(dāng)排氣完成后，電磁閥關(guān)閉，氣囊?guī)?保持收緊狀態(tài)。當(dāng)需要取下腿帶時，打開電磁閥向進(jìn)排氣管通氣即可，外部氣壓較大，會自動向氣囊?guī)?內(nèi)注氣。

實(shí)施例3

本實(shí)施例的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2相同，其不同之處在于：腿帶后部內(nèi)側(cè)設(shè)置肌電信號檢測電極3，該肌電信號檢測電極3具有與腿部貼合的接觸面，對應(yīng)于腿部半腱肌和半膜肌區(qū)域。肌電信號檢測電極3中的檢測電極片呈兩列排布，檢測電極片檢測的信息傳送到信號處理模塊。

半腱肌位于大腿后側(cè)，起自坐骨結(jié)節(jié)，終止于脛骨上端內(nèi)側(cè)面，主要作用是伸髖關(guān)節(jié)、屈膝關(guān)節(jié)并微旋內(nèi)，由坐骨神經(jīng)支配；半膜肌位于大腿后側(cè)、半腱肌的深面，以扁薄的腱膜起自于坐骨結(jié)節(jié)，終止于脛骨內(nèi)側(cè)髁后面，主要作用是伸髖關(guān)節(jié)，屈膝關(guān)節(jié)并微旋內(nèi)，由坐骨神經(jīng)支配。當(dāng)人體下肢成八字腳姿態(tài)時，半腱肌和半膜肌會對應(yīng)收縮或伸展，通過檢測半腱肌和半膜肌的肌電信號變化能夠準(zhǔn)確反映出腿部姿態(tài)，檢測精度和準(zhǔn)確度相對于普通的電極檢測具有更好的效果。

結(jié)合圖2，本實(shí)施例中檢測電極片有6個，并形成兩個信號采集通道，如果兩列檢測電極片分別單獨(dú)形成一個通道，檢測信號較為單一，本實(shí)施例把第一列頂部的檢測電極片與另一列下方的兩個檢測電極片形成一個信號采集通道，剩余檢測電極片組成另一個信號采集通道。如圖所示，第一列中檢測電極片01與第二列的檢測電極片02和檢測電極片03連接至同一個信號采集通道，第一列中檢測電極片05和檢測電極片06與第二列中的檢測電極片04連接至同一個信號采集通道，兩者采集的信號信息綜合交互，同一通道信息包括半腱肌和半膜肌舒展情況，可有效防止誤判。

實(shí)施例4

本實(shí)施例的一種基于表面肌電技術(shù)的八字腳檢測提醒裝置，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例3相同，其不同之處在于：腿帶中的電源4位于前側(cè)或兩側(cè)的主綁帶1內(nèi)，并設(shè)置有對應(yīng)的啟停開關(guān)6；信號執(zhí)行模塊為聲音提示器5。

具體使用時，結(jié)合圖4，其過程如下：

1)使用者穿戴上腿帶，并調(diào)整好位置，按下開關(guān)按鈕后，啟動電源模塊，電路閉合，系統(tǒng)開始工作；

2)電磁閥打開，進(jìn)排氣控制電機(jī)向外部排氣，氣囊?guī)?收緊，主綁帶1綁縛在大腿上；

3)置于后背的表面肌電檢測電極開始采集半腱肌和半膜肌的肌電信號，當(dāng)佩戴者腿部動作時，半腱肌和半膜肌的肌電信號會產(chǎn)生變化，然后將信號發(fā)送至配套的前置調(diào)理電路板進(jìn)行信號去噪和放大處理；

4)然后信號被傳至采集卡，采集卡對經(jīng)過前置電路處理過的信號進(jìn)行處理，使信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙浑娔X識別的數(shù)字肌電信號；數(shù)字肌電信號發(fā)送至所述處理器，經(jīng)過特征提取、特征降維和模式識別等程序處理后，處理器采用小波變換和VPMCD算法識別八字腳與正常(非八字腳)兩種姿態(tài)；

5)當(dāng)系統(tǒng)判斷為八字腳姿態(tài)時，處理器向信號執(zhí)行模塊發(fā)送執(zhí)行信息，信號執(zhí)行模塊動作，發(fā)出提醒信號，聲音提示器5生聲音提示，對佩戴者進(jìn)行預(yù)警提示，使用者接收到該提示后應(yīng)及時糾正行走姿態(tài)。

6)當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時，電機(jī)停止工作，電磁閥打開，外部空氣進(jìn)入，腿帶舒展，可以直接取下。

上述VPMCD方法是建立在變量預(yù)測模型基礎(chǔ)上的模式識別方法，該方法理論中，不同類別中特征變量之間的相關(guān)性也是不同的。在人體表面肌電信號的模式識別問題中，采用一組特征量X＝[X₁,X₂,…,X_p]描述一種類別，在不同的手勢類別中，其中一個特征值X_i受其它特征值X_j(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(guān)系X₁＝f(X₂)，也可能是一對多的的關(guān)系X₁＝f(X₂,X₃,…)。為了識別不同類別的運(yùn)動模式，需要利用訓(xùn)練樣本建立能夠表達(dá)特征變量之間內(nèi)在關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，即變量預(yù)測模型(Variable Predictive Model,VPM)。再通過這些預(yù)測模型對測試樣本進(jìn)行預(yù)測，并以每類預(yù)測誤差平方和最小為判別函數(shù)進(jìn)行分類。

上述處理器采用小波變換和VPMCD算法識別八字腳與非八字腳兩種狀態(tài)，其方法如下：

S1、對內(nèi)八字、外八字、正常行走、屈膝四種動作采集樣本，利用VPMCD算法得到預(yù)測模型VPM_training；該預(yù)測模型VPM_training是預(yù)先經(jīng)過測試存儲在系統(tǒng)內(nèi)的程序，作為原始匹配動作類型；

S2、電極片對腿部動作進(jìn)行sEMG信號采集；

S3、對采集的sEMG信號使用小波基函數(shù)進(jìn)行三層小波分解，得到各頻段的小波系數(shù)。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(shù)構(gòu)成的函數(shù)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(xiàng)的系數(shù)就稱為小波系數(shù)，A_I(t)、D_i(t)分別表示第I級的低頻分量和高頻分量，w_aI、w_di分別表示第i級的低頻小波系數(shù)和高頻小波系數(shù)；

S4、提取小波分解后各子頻段的小波系數(shù)模極大值作為特征向量。這樣得到每種類別的特征值矩陣，試驗(yàn)時可采用互相關(guān)分析法驗(yàn)證特征值之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性；

S5、用已訓(xùn)練的預(yù)測模型VPM_training對特征值矩陣進(jìn)行分類識別，各種類型的背部動作就可以由VPMCD分類器的數(shù)據(jù)結(jié)果被確定。

采用小波變換和VPMCD算法識別八字腳與非八字腳兩種狀態(tài)，相對于其他識別方法具有更高的準(zhǔn)確性，如圖5所示，該方法通過參數(shù)估計的方法建立變量預(yù)測模型，避免了ANN結(jié)構(gòu)、類型的選擇問題和迭代過程。另外，在模型類型和參數(shù)的選擇上，它取決于預(yù)測值與實(shí)際值的最小預(yù)測誤差平方和，從而避免了對先驗(yàn)知識的依賴，更具客觀性。因此，該方法具有更好的VPMCD訓(xùn)練能力和分類性能，是一種有效、可靠的表面肌電信號模式識別方法。

以上示意性的對本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。