本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置及方法。

背景技術(shù)：

胸骨向前隆起稱為雞胸，雞胸是一種常見的胸廓畸形，多數(shù)學者認為是肋骨和肋軟骨過度生長，而胸骨發(fā)育較為緩慢，從而被向上擠壓形成雞胸；一部分人也認為與膈肌附著部發(fā)育異常有關(guān)。近年來，我國的雞胸患者人數(shù)不斷的增多，尤其是小兒雞胸越發(fā)普遍，輕則影響外形，造成精神負擔和性格影響外，嚴重的雞胸由于兩側(cè)向內(nèi)凹陷的肋骨壓迫心臟和肺，對循環(huán)和呼吸功能產(chǎn)生較大的影響，易患肺炎及反復性呼吸道感染。

傳統(tǒng)的雞胸治療方法是通過手術(shù)矯正，包含胸骨翻轉(zhuǎn)術(shù)、胸肋沉降術(shù)等，需要在胸前做切口，切斷胸骨、肋骨并切除過長的肋軟骨，手術(shù)創(chuàng)傷大，恢復時間長，經(jīng)濟成本高，尤其對小兒承受的痛苦較大。考慮到兒童骨骼尚未完全定型，因此可以通過改正胸部姿態(tài)和矯正機構(gòu)施加外在壓力同時進行矯正，避免手術(shù)的痛苦。

通過調(diào)查表明，通過長時間的保持胸部擴張可以有效的矯正雞胸，緩解癥狀。而目前，市場上現(xiàn)有的一些雞胸矯形器僅僅通過采用前后胸各放置一個矯形塊，通過調(diào)節(jié)距離來施加壓力，從而矯正雞胸。這種方式對使用者骨骼發(fā)育影響較大，效果差，且嚴重影響使用者的穿戴舒適度。綜上所述，急需要一種既可改正患者胸部形態(tài)，又便于患者使用的雞胸矯正裝置。

中國專利申請?zhí)枺?01420061279.X，申請日：2014年1月27日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：小兒雞胸矯形裝置，該申請案設(shè)有近似正常胸廓形的矯形板和多個圓柱形氣囊；還設(shè)有監(jiān)測壓力表，可更科學有效對小兒雞胸進行矯治塑型的一種醫(yī)療用小兒雞胸矯形裝置。截面大致似月牙形的胸袋前壁上有多個帶套，帶套內(nèi)有胸帶；胸袋內(nèi)有近似正常胸廓形的矯形板，矯形板與胸袋后壁間有彈性墊，矯形板與胸袋前壁間有多個囊套，囊套內(nèi)有圓柱形氣囊，圓柱形氣囊下面連接有氣嘴、壓力表。該方案主要是通過角形板強制矯正患者姿態(tài)，使用舒適感較差。

中國專利申請?zhí)枺?01520861204.4，申請日：2015年11月2日，該申請案公開了一種雞胸矯正器，包括矯形板，矯形板內(nèi)壁設(shè)置有多個凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置有磁療片。該方案主要有助于手術(shù)后的恢復治療，而非直接對雞胸進行矯正，不適于使用者直接使用。

技術(shù)實現(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)中雞胸矯正裝置使用效果和舒適度較差的不足，提供了一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置及方法，本發(fā)明把肌電檢測與穿戴裝置結(jié)合，檢測準確度高，能夠使使用者時刻保持胸部處于擴張狀態(tài)，有助于雞胸癥狀的治療，而且穿戴舒適，適于使用。

2.技術(shù)方案

為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置，包括肩帶和胸帶，所述胸帶的前側(cè)設(shè)置有矯形氣囊；所述胸帶的后側(cè)設(shè)置有檢測單元，通過檢測單元內(nèi)的檢測電極檢測背部的肌電信號，進而控制矯形氣囊的充氣與排氣。

作為本發(fā)明更進一步的改進，所述胸帶由前后兩部分組成，兩部分通過彈性束帶連接。

作為本發(fā)明更進一步的改進，所述的胸帶下側(cè)還連接有緊固帶。

作為本發(fā)明更進一步的改進，所述緊固帶背部設(shè)置有背部氣囊?guī)В摫巢繗饽規(guī)c矯形氣囊配合使用。

作為本發(fā)明更進一步的改進，所述檢測單元還包括信號處理模塊和信號執(zhí)行模塊，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行特征提取，進而進行模式識別，判斷使用者胸部是否處于擴張狀態(tài)，當判斷為非擴張狀態(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，使矯形氣囊和背部氣囊?guī)С錃狻?/p>

作為本發(fā)明更進一步的改進，所述矯形氣囊上設(shè)置有壓力傳感器，該壓力傳感器與檢測單元電連接。

作為本發(fā)明更進一步的改進，所述緊固帶通過連接帶與胸帶連接，并使緊固帶位于使用者腰部。

作為本發(fā)明更進一步的改進，所述檢測電極有四個，對應(yīng)于人體背部斜方肌區(qū)域。

作為本發(fā)明更進一步的改進，所述信號執(zhí)行模塊包括位于胸帶和緊固帶中的進排氣控制電機，兩個進排氣控制電機分別與矯形氣囊、背部氣囊?guī)нB接。

進排氣控制電機為伺服電機，上面安裝有伺服控制器，用于控制電機工作；電機的進排氣口可以連接控制閥，處理器直接控制伺服控制器與控制閥的工作。

當需要進氣時，進排氣控制電機工作，向矯形氣囊內(nèi)充氣，充氣完畢后，可以通過控制閥來保持氣囊內(nèi)的壓力穩(wěn)定，當需要排氣時，控制閥打開向外排氣。也可以直接有進排氣控制電機控制進排氣。

本發(fā)明的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正方法，其具體過程為：

步驟1、使用者穿戴上雞胸矯正裝置，啟動電源模塊，電路閉合，系統(tǒng)開始工作；

步驟2、根據(jù)壓力傳感器(32)檢測的壓力大小，處理器控制胸帶(2)前側(cè)的進排氣控制電機動作，使矯形氣囊(31)產(chǎn)生設(shè)定的壓力值；

步驟3、胸帶(2)后側(cè)的檢測電極開始采集肌電信號，當穿戴者背部動作時，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)理電路板進行信號去噪和放大處理；

步驟4、采集卡對經(jīng)過前置電路處理過的信號進行處理，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，系統(tǒng)判斷此時穿戴者胸部是否處于擴張狀態(tài)；

步驟5、當判斷胸部為非擴張狀態(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，向矯形氣囊(31)和背部氣囊?guī)?7)充氣，迫使穿戴者胸部擴張；當判斷使用者胸部為擴張狀態(tài)時，處理器控制胸帶(2)前側(cè)的進排氣控制電機動作，使矯形氣囊(31)降至設(shè)定的壓力值。

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)明的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置，由肩帶和胸帶組合而成，便于使用者穿戴，在胸帶前側(cè)設(shè)置矯形氣囊，胸帶后側(cè)設(shè)置肌電檢測電極，能夠準確的判斷出穿戴者胸部是否處于擴張狀態(tài)，進而可通過矯形氣囊提供壓力，使穿戴者矯正姿態(tài)，同時提供一定的壓力，便于雞胸的恢復；此外，該裝置不使用矯正板，穿戴舒適；

(2)本發(fā)明的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置，矯形氣囊上設(shè)置有壓力傳感器，壓力傳感器與檢測單元電連接可自動控制，通過檢測單元中的處理器控制矯形氣囊的充氣、排氣，有助于控制氣囊所施加的壓力，保證穿戴者的舒適度；

(3)本發(fā)明的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置，胸帶下側(cè)還連接有緊固帶，固定帶與肩帶相配合，保證胸帶在使用時不會上下移動，從而確保肌電檢測電極檢測的準確度，并能夠保證矯形氣囊始終位于胸部，提高了雞胸治療效果；

此外，矯形氣囊向胸部施加向后的壓力，位于緊固帶上的背部氣囊?guī)蟊呈┘右粋€向前的推力，兩個氣囊同時作用能夠更好的促使使用者保持擴胸狀態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的雞胸矯正裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中帶有背部氣囊?guī)У某C正裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中背部氣囊?guī)У脑O(shè)置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的雞胸檢測原理圖；

圖5為本發(fā)明的檢測結(jié)果示意圖。

示意圖中的標號說明：1、肩帶；2、胸帶；21、彈性束帶；3、矯形套；31、矯形氣囊；32、壓力傳感器；33、啟動開關(guān)；4、緊固帶；5、連接帶；6、檢測單元；61、檢測電極；7、背部氣囊?guī)А?/p>

具體實施方式

為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述。

實施例1

結(jié)合圖1，本實施例的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置，包括肩帶1和胸帶2，肩帶1為兩條彈性布帶，胸帶2為環(huán)形，并帶有一定的彈性。在胸帶2的前側(cè)設(shè)置有矯形氣囊31，胸帶2的后側(cè)設(shè)置有檢測單元6，檢測單元6內(nèi)的檢測電極61用于檢測人體背部的肌電信號，控制矯形氣囊31通氣與排氣。

當矯形氣囊31充氣后，會對人體胸部位置產(chǎn)生一定的壓力，有助于雞胸癥狀的恢復；檢測電極61用于檢測人體背部的肌電信號，判斷人體胸部是否處于擴張狀態(tài)，當處于擴張狀態(tài)時，則啟動執(zhí)行機構(gòu)向矯形氣囊31內(nèi)充氣。經(jīng)過分析，當人體胸部擴張時，斜方肌的肌電信號變化較為明顯，因此，可以利用斜方肌的肌電信號來判斷人體胸部擴張狀態(tài)。本方案主要是對斜方肌信號進行檢測，不排除使用其他肌肉進行檢測的方法，在不改變結(jié)構(gòu)原理的情況下，不排除對其他區(qū)域或者是同區(qū)域不同肌肉的檢測的保護。

結(jié)合圖2，本實施例中胸帶2下側(cè)還連接有緊固帶4，該緊固帶4為環(huán)形，并帶有彈性，方便穿戴。該緊固帶4可以是開口式，并能夠通過卡扣或魔術(shù)貼或環(huán)形扣連接成環(huán)形，具體使用時沒有特別限制。

在穿戴胸帶2時，雖然通過肩帶1可以把胸帶2穿在上體上，防止其掉落，但當人體彎腰弓背時，肩部前伸，會把胸帶2向上提起。由于胸帶2貼附在人體上，一旦被拉上去，難以自行回位，導致檢測電極無法有效的檢測到肌電信號，判斷不準確。

而所設(shè)置的緊固帶4可以位于腰部位置，由于人體骨骼的限制，即便是在人體弓腰運動后，緊固帶4也能回復到腰部位置。因此，通過在胸帶2下方設(shè)置緊固帶4，能夠較好的保證檢測電極61的位置，確保檢測的準確度，以提高雞胸的矯正效果。

值得說明的是，人體在胸部處于非擴張狀態(tài)下，一般伴隨著有弓腰的情況出現(xiàn)，為了將誒絕該問題，本實施例在緊固帶4背部設(shè)置有背部氣囊?guī)?，如圖3所示，該背部氣囊?guī)?對應(yīng)在人體腰部位置，當向背部氣囊?guī)?內(nèi)充氣時，其能夠?qū)ρ刻峁┫蚯暗耐屏?，促使人體挺直腰部。該背部氣囊?guī)?與矯形氣囊31配合使用，還能夠輔助改正駝背特征，具有更好的綜合治療效果。

本實施例中的所述檢測單元6還包括信號處理模塊和信號執(zhí)行模塊，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行特征提取，進而進行模式識別，判斷使用者胸部是否處于擴張狀態(tài)，當判斷為非擴張狀態(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，使矯形氣囊31和背部氣囊?guī)?充氣。

信號執(zhí)行模塊包括位于胸帶2和緊固帶4中的進排氣控制電機，兩個進排氣控制電機分別與矯形氣囊31、背部氣囊?guī)?連接。在進排氣控制電機與矯形氣囊31、背部氣囊?guī)?之間設(shè)置有控制閥，用于控制氣體流通。

處理器可以優(yōu)選采用小波變換和VPMCD算法對胸部狀態(tài)進行識別，可采用LabVIEW和matlab設(shè)計肌電信號的采集、特征提取、模式識別以及信號執(zhí)行模塊的動作等程序。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。

實施例2

本實施例的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置，其基本結(jié)構(gòu)與實施例1相同，其不同之處在于：本實施例中胸帶2由前后兩部分組成，兩部分通過彈性束帶21連接。實施例1中是靠胸帶2自身的彈性力來保證其束縛在人體胸部；在本實施例中，主要靠彈性束帶21的彈性力來束緊彈性束帶21，胸帶2上的彈性只是輔助作用。采用彈性束帶21能夠使胸帶有更大的擴張空間，而且能夠通過改變彈性束帶21的寬度來調(diào)節(jié)胸帶的周長，使用范圍廣，束緊效果好。

為了便于安裝矯形氣囊31，在胸帶2前側(cè)安裝有矯形套3，可以把矯形氣囊31安裝在矯形套3內(nèi)。

進一步地，在矯形氣囊31上設(shè)置有壓力傳感器32，該壓力傳感器32可以是薄膜傳感器，該傳感器用于檢測矯形氣囊31所施加的壓力，確保人體的舒適度。

常規(guī)的矯形器大多是采用較大的壓力直接進行形體矯正，對人體特別是兒童骨骼有較大的損害，本實施例所設(shè)置的壓力傳感器32與檢測單元6電連接。設(shè)定其固定壓力值，檢測單元6內(nèi)的處理器可以根據(jù)檢測信號和壓力信號進行氣囊的充排氣控制，既能夠達到矯形作用，又可保證人體的舒適度，不會損害人體其他骨骼的正常發(fā)育。

本實施例中的矯形氣囊31為方形，方便按照本方案的結(jié)構(gòu)進行檢測電極的設(shè)置，但方案不限于此，在實際使用時，可以根據(jù)需要把矯形氣囊31設(shè)置為圓形或類圓形或矩形等結(jié)構(gòu)，所設(shè)置的檢測電極也可對應(yīng)的按照環(huán)形或其他形狀排布，沒有具體限制。

實施例3

本實施例的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置，其基本結(jié)構(gòu)與實施例2相同，其不同之處在于：本實施例中肩帶1為扣環(huán)式肩帶，扣環(huán)用于調(diào)節(jié)肩帶的長短，以便于調(diào)節(jié)檢測電極的位置。緊固帶4通過連接帶5與胸帶2連接，并使緊固帶4位于使用者腰部。

此外，緊固帶4的結(jié)構(gòu)也可以是由前后兩部分組成，并通過彈性束帶連接，能夠增加其可使用范圍。

實施例4

本實施例的一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正裝置，其基本結(jié)構(gòu)與實施例3相同，其不同之處在于：本實施例中檢測電極61有四個，對應(yīng)于人體背部斜方肌區(qū)域。人體背部的斜方肌分布在脊椎兩側(cè)，因此把四個電極分布在檢測單元6的四角，保證能夠充分檢測到肌電信號的變化。

本發(fā)明還提供了一種基于肌電信號檢測的雞胸矯正方法，結(jié)合圖4，其過程如下：

步驟1、使用者穿戴上雞胸矯正裝置，按下矯形套3上的啟動開關(guān)33，啟動電源模塊，電路閉合，系統(tǒng)開始工作；

步驟2、壓力傳感器32檢測到壓力，若不在設(shè)定值，則向處理器發(fā)送信號，處理器控制胸帶2前側(cè)的進排氣控制電機動作，并打開控制閥，向矯形氣囊31內(nèi)充氣，使矯形氣囊31產(chǎn)生設(shè)定的壓力值；

步驟3、壓力值處于設(shè)定值時，胸帶2后側(cè)的檢測電極開始采集肌電信號，當穿戴者背部動作時，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)理電路板進行信號去噪和放大處理；

步驟4、采集卡對經(jīng)過前置電路處理過的信號進行處理，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算法識別穿戴者胸部是否處于擴張狀態(tài)；

步驟5、當判斷胸部為非擴張狀態(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，向矯形氣囊31和背部氣囊?guī)?充氣，迫使穿戴者胸部擴張；當判斷使用者胸部為擴張狀態(tài)時，處理器控制胸帶2前側(cè)的進排氣控制電機動作，使矯形氣囊31降至設(shè)定的壓力值。

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，在不同的背部姿態(tài)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動模式，需要利用訓練樣本建立能夠表達特征變量之間內(nèi)在關(guān)系的數(shù)學模型，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)進行分類。

上述處理器采用小波變換和VPMCD算法識別胸部擴張與非擴張兩種狀態(tài)，其方法如下：

S1、對胸部擴張、弓背、左側(cè)彎、右側(cè)彎、胸部后縮五種動作采集樣本，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、電極片對背部動作進行sEMG信號采集；

S3、對采集的sEMG信號使用小波基函數(shù)進行三層小波分解，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，試驗時可采用互相關(guān)分析法驗證特征值之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性；

S5、用已訓練的預(yù)測模型VPM_training對特征值矩陣進行分類識別，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。

由圖5可以看出，采用小波變換和VPMCD算法識別胸部擴張狀態(tài)，相對于其他識別方法具有更高的準確性，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)測值與實際值的最小預(yù)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(fā)明的實施方式之一，實際的結(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)方式及實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。