本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術領域，更具體地說，涉及一種充氣式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(nèi)踝相碰而兩膝不能靠攏為主要表現(xiàn)的畸形疾病。O型腿的人由于膝內(nèi)翻，身體重量過多集中于膝關節(jié)內(nèi)側(cè)關節(jié)面上，導致膝關節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨面磨損，容易引發(fā)關節(jié)炎，甚至關節(jié)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。手術式方法適用于較為嚴重的患者，見效快，但風險較大。非手術矯正方法包括矯正儀器、綁腿、鍛煉等，矯正的原理基本一致，即通過松弛膝關節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶，恢復膝關節(jié)內(nèi)外側(cè)的穩(wěn)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采用動態(tài)矯正方法，采用U型結構，使用可避開腓總神經(jīng)，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(tǒng)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腘窩處造成壓迫，可能會對淺表血管和神經(jīng)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(tài)，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?zhí)枺?01080020421.0，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(chǎn)生可使腿關節(jié)進行外旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力，該矯正褲包括：大腿部旋轉(zhuǎn)帶，由下腹部往下向大腿部的外旋轉(zhuǎn)方向螺旋狀旋轉(zhuǎn)，一直延伸到膝蓋骨的上端；小腿部旋轉(zhuǎn)帶，由所述膝蓋骨的下端往下向小腿的外旋轉(zhuǎn)方向螺旋狀旋轉(zhuǎn)，一直延伸到小腿中央，其中，所述小腿部旋轉(zhuǎn)帶的織造密度相對高于所述矯正褲的其他部位的密度，所述大腿部旋轉(zhuǎn)帶的織造密度相對低于所述小腿部旋轉(zhuǎn)帶的密度，且相對高于所述矯正褲中除了所述小腿部旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術問題

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中O型腿矯正裝置靠外力矯正所需周期長的不足，提供了一種充氣式O型腿矯正裝置，本發(fā)明把肌電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(tài)，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(fā)明提供的技術方案為：

本發(fā)明的一種充氣式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(nèi)設置有矯正氣囊，下綁帶內(nèi)側(cè)面設置有表面肌電檢測電極，所述下綁帶主要由定長帶和伸縮帶組成，伸縮帶為波紋形的氣囊?guī)?，當氣囊?guī)艢夂笫瓜陆墡站o；在緊固腰帶內(nèi)設置有進排氣電機和信號處理模塊，所述表面肌電檢測電極與信號處理模塊電連接；表面肌電檢測電極檢測到腿部處于O型腿姿態(tài)時，通過進排氣電機向矯正氣囊內(nèi)充氣以增加矯正壓力。

作為本發(fā)明更進一步的改進，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，判斷使用者是否處于O型腿姿態(tài)，當判斷為O型腿姿態(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)明更進一步的改進，所述矯正氣囊包括位于上綁帶中的上矯正氣囊和位于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(fā)明更進一步的改進，所述表面肌電檢測電極位于下綁帶內(nèi)側(cè)面的下部，對應于小腿比目魚肌位置處。

作為本發(fā)明更進一步的改進，每個下綁帶中的表面肌電檢測電極有兩個。

作為本發(fā)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(fā)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，下矯正氣囊和表面肌電檢測電極均設置在定長帶內(nèi)側(cè)面。

作為本發(fā)明更進一步的改進，相鄰定長帶是由兩條氣囊?guī)нB接，當氣囊?guī)艢鈺r，波紋帶折疊為層狀使下綁帶收緊。

作為本發(fā)明更進一步的改進，波紋形氣囊?guī)У牟ǚ搴筒ü染鶠閂形，該氣囊?guī)橄鹉z材質(zhì)。

3.有益效果

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

(1)本發(fā)明的一種充氣式O型腿矯正裝置，緊固腰帶、上綁帶和下綁帶依次串聯(lián)形成穿戴裝置，在上、下綁帶中設置矯正氣囊，通過氣囊產(chǎn)生矯正壓力；在下綁帶中設置有表面肌電檢測電極，當檢測到處于O型腿姿態(tài)時，通過進排氣電機向矯正氣囊內(nèi)充氣以增加矯正壓力，提醒使用者主動保持正確姿態(tài)，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(fā)明的一種充氣式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(chǎn)生矯正壓力，即在膝蓋的上、下側(cè)均產(chǎn)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(chǎn)生較大的變化，保證信號檢測的準確性；

(3)本發(fā)明的一種充氣式O型腿矯正裝置，定長帶通過氣囊?guī)噙B接，氣囊?guī)蓚?cè)為波紋帶，相鄰的氣囊?guī)еg通過導氣管連通，當氣囊?guī)艢鈺r，波紋帶折疊收縮，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。

附圖說明

圖1為本發(fā)明O型腿矯正裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明矯正氣囊的分布結構示意圖；

圖3為本發(fā)明綁帶的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明O型腿檢測方法流程示意圖；

圖5為小波變換和VPMCD算法對O型腿狀態(tài)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、表面肌電檢測電極；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(fā)明的內(nèi)容，結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述。

實施例1

結合圖1，本實施例的一種充氣式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(huán)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位于腰部，上綁帶5和下綁帶6分別位于膝蓋的上、下兩側(cè)，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(huán)扣，通過環(huán)扣能夠調(diào)節(jié)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(nèi)設置有矯正氣囊，下綁帶6內(nèi)側(cè)面設置有表面肌電檢測電極13，且該表面肌電檢測電極13位于下綁帶6內(nèi)側(cè)面的下部，對應于小腿比目魚肌位置處，用于檢測小腿比目魚肌的信號變化。

在緊固腰帶1內(nèi)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，表面肌電檢測電極13與信號處理模塊10電連接；表面肌電檢測電極13把檢測到的信號傳遞到信號處理模塊10，經(jīng)過信號處理模塊10的識別處理，如果判定腿部處于O型腿姿態(tài)時，向進排氣電機9發(fā)出執(zhí)行信號，通過進排氣電機9向矯正氣囊內(nèi)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位于緊固腰帶1的前側(cè)，便于啟動系統(tǒng)工作。

矯正氣囊包括上綁帶5中的上矯正氣囊14和位于下綁帶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(tài)下，矯正氣囊內(nèi)已經(jīng)具有一定的壓力，作為外力矯正；當檢測到相關信號后，壓力增加，產(chǎn)生一定的壓迫感，提醒使用者注意自身腿部姿態(tài)，使其產(chǎn)生主動矯正意識。

小腿比目魚肌在腓骨、脛骨后，橫插在腓腸肌之下，對小腿姿態(tài)所起的形體作用較大，能夠較好的反應小腿姿態(tài)變化。因此，利用比目魚肌的肌電信號變化進行O型腿姿態(tài)的檢測較為準確。

本實施例中的信號處理模塊10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。

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。

處理器對表面肌電信號進行特征提取，進而進行模式識別，判斷使用者是否處于O型腿姿態(tài)，當判斷為O型腿姿態(tài)時，處理器向進排氣電機9發(fā)送執(zhí)行信息，進排氣電機9向矯正氣囊內(nèi)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，用于輔助控制氣囊壓力。

處理器可以優(yōu)選采用小波變換和VPMCD算法對O型腿姿態(tài)進行識別，可采用LabVIEW和matlab設計肌電信號的采集、特征提取、模式識別以及振動電機控制/聲音提醒等程序。上述LabVIEW和matlab程序均為肌電檢測領域常規(guī)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(chǎn)生矯正壓力，即在膝蓋的上、下側(cè)均產(chǎn)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(chǎn)生較大的變化，保證信號檢測的準確性。

實施例2

本實施例的一種充氣式O型腿矯正裝置，其基本結構與實施例1相同，其不同之處在于：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，可在一定范圍內(nèi)對滑扣2位置進行調(diào)節(jié)。

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和表面肌電檢測電極13均設置在定長帶7內(nèi)側(cè)面，伸縮帶8為彈性布帶。由于具有彈性布帶，使綁帶具有一定的伸縮性，適于穿戴，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中的表面肌電檢測電極13有兩個，通過兩個表面肌電檢測電極13能夠更加全面的覆蓋肌肉的不同區(qū)域，保證檢測的準確性。

實施例3

結合圖3，本實施例的一種充氣式O型腿矯正裝置，其基本結構與實施例1相同，其不同之處在于：下綁帶6主要由定長帶7和伸縮帶8組成，下矯正氣囊15和表面肌電檢測電極13均設置在定長帶7內(nèi)側(cè)面。本實施例中的伸縮帶8為包括兩條波紋形的氣囊?guī)?，氣囊?guī)橄鹉z材質(zhì)，該氣囊?guī)ㄟ^專用的伺服進排氣電機充氣或排氣，在氣囊?guī)艢夂笫瓜陆墡?收緊。

眾所周知，生活中有較多的設備用到氣囊?guī)нM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，導致裝置損壞，根本無法使用。

此外，由于人體腿部肌肉較為發(fā)達，腿部上段和下段粗細有明顯變化，因此，如果只是設置整體式等寬的氣囊?guī)?，收緊后上部束縛力較強，穿戴不舒服。如果將氣囊?guī)гO置為上寬下窄的形式，則又容易松脫。本實施例中采用了兩條氣囊?guī)У男问絹韺崿F(xiàn)下綁帶6的綁縛，兩條氣囊?guī)еg不易相互影響，而且可以根據(jù)需要使上方的氣囊?guī)чL度大于下方的氣囊?guī)чL度，不但穿戴更加舒適，而且對肌肉的收縮影響較小，不影響檢測的準確度。

進一步地，波紋形氣囊?guī)У牟ǚ搴筒ü染鶠閂形，可以控制V形的夾角在25～70°之間，本實施例優(yōu)選為35°。若角度過小，需要較長的波紋帶才能實現(xiàn)收緊，較長的波紋帶容易導致腿帶松脫；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。

氣囊?guī)ㄟ^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，電磁閥打開后，可以通過專用進排氣控制電機向氣囊?guī)?nèi)充氣或向外排氣，當排氣完成后，電磁閥關閉，氣囊?guī)П３质站o狀態(tài)。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?guī)?nèi)注氣。

實施例4

本發(fā)明還提供了一種O型腿矯正方法，即采用充氣式O型腿矯正裝置進行矯正，具體使用時，如圖4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系于腰間，并調(diào)整好位置，按下開關按鈕后，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(nèi)充氣，產(chǎn)生一定的矯正壓力；

3)置于小腿后下側(cè)的表面肌電檢測電極13開始采集比目魚肌的肌電信號，當穿戴者腿部動作時，比目魚肌的肌電信號會產(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O型腿與正常兩種姿態(tài)；如果患者較為嚴重，可以將正常信號設置在一定的O型腿范圍內(nèi)(相對較為正常的姿態(tài))，以達到逐步治療的效果。

5)當系統(tǒng)判斷為O型腿姿態(tài)時，處理器向進排氣電機9發(fā)送執(zhí)行信息，進排氣電機9動作，打開電磁閥，向矯正氣囊內(nèi)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后應及時糾正行走姿態(tài)。

6)系統(tǒng)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5

若采用的伸縮帶8為兩條波紋氣囊?guī)ЫM成，則使用過程的不同之處在于：在步驟1)中，需要對氣囊?guī)нM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，不同類別中特征變量之間的相關性也是不同的。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系X₁＝f(X₂)，也可能是一對多的的關系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)在關系的數(shù)學模型，即變量預測模型(Variable Predictive Model,VPM)。再通過這些預測模型對測試樣本進行預測，并以每類預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O型腿與非O型腿兩種狀態(tài)，其方法如下：

S1、對O型腿、正常站立、正常行走、屈膝四種動作采集樣本，利用VPMCD算法得到預測模型VPM_training；該預測模型VPM_training是預先經(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分析法驗證特征值之間的內(nèi)在關聯(lián)性；

S5、用已訓練的預測模型VPM_training對特征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(shù)據(jù)結果被確定。

采用小波變換和VPMCD算法識別O型腿與非O型腿兩種狀態(tài)，相對于其他識別方法具有更高的準確性，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(shù)的選擇上，它取決于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，實際的結構并不局限于此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。