一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置及提醒方法与流程

本发明涉及人体保健技术领域，更具体地说，涉及一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置及提醒方法。

背景技术：

近年来，我国驼背的人数不断增多。尤其是青少年，由于在学习时没有保持腰部挺直或者挺直不标准，长时间持续这种状态导致青少年驼背现象严重。驼背畸形常会导致胸廓畸形、膈肌活动受限、内脏受惊、胸腹相贴等健康问题，极大地影响呼吸、循环及消化功能。因此，预防驼背显得十分重要。

目前市场上有一些预防驼背辅助设备，如背背佳。背背佳这种驼背矫正方式主要是靠辅助力使腰部挺直，通过强迫力将肩膀往后拉，同时产生一个向下的拉力，不利于骨骼的正常发育，且佩戴和解脱都不方便。此外，类似的驼背矫正装置都是依靠外力进行姿态矫正，而并不能使使用者养成自我矫正的意识，治标不治本，难以起到长期的矫正效果。因此，如何开发一种应用效果好的驼背矫正装置尤为重要。

经过检索发现，现有技术中存在对使用者提醒而使其自主矫正坐姿的技术，如方案1：中国专利号：CN 2639967Y，公告日：2004年9月8日，该申请公开了一种预防驼背的姿态报警器，电源通过导线连接至各电路，信号发生器发出检测信号通过信号传导及姿态检测输入至信号处理器相连接的信号接收器，报警器与信号处理器相连接；可以悬挂与人的脖子上的柔软绳带相连；电源采用干电池，信号发生器是一个发光二极管；所述信号接收器是一个光敏元器件，光敏元器件将检测到的信号转换为电信号并传送到信号处理器，由信号处理器对其进行放大处理，产生一个报警信号输入至报警器，从而让产生震动，达到提醒警示的目的。

又如方案2：中国专利申请号：201410158064.4，申请日：2014年4月16日，该申请案公开了弯折警示的背部矫正装置，包括一个马甲结构的外套，外套背部为板型的套架，在套架上设置若干监测位点，设置直流电源、开关、警示模块，启动使用时监测位点因人体使用而弯曲，当若干位点弯曲时间过长，警示模块发出提示信息，提示改正；监测位点之间设置拉力监测模块，通过测定拉力确定弯曲程度；直流电源设置充电结构。

对于上述两种方案，均是利用信号检测判断人体背部的弯曲，进过信号处理后，有警示装置发出信号，提醒使用者矫正姿态。这种方法相对于外力矫正更能培养使用者的自我姿态矫正意识，但对于如何准确地检测到驼背信息，上述两种方案中并没有给出明确的解释。

无论是穿戴设备还是悬挂装置，只有准确检测到驼背信息才能进行提醒，如果检测信息不准，在正常坐姿下仍发出报警信号，将会导致使用者不断的调整姿态，以使报警消除，这种姿态有可能是一种错误的坐姿。久而久之，使用者不但没有矫正姿态，反而养成一种不正确的坐姿，适得其反。因此，信号检测的准确性成为制约驼背提醒装置的关键因素。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中难以准确检测驼背信号的不足，提供了一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置及提醒方法。本发明的技术方案，通过对背带结构的改进，使其与表面肌电检测电极在使用时形成有效配合，提高了驼背检测的准确度，能够及时对使用者的驼背姿态进行提醒。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置，包括位于人体背部的弹性背带和位于腰部的束带，所述弹性背带内设有表面肌电信号采集模块、信号处理模块和信号执行模块，所述表面肌电信号采集模块和信号执行模块均与信号处理模块电连接，表面肌电信号采集模块分布在弹性背带内，并对应人体背阔肌区域；所述信号执行模块用于对检测到的驼背信息产生振动或声音提示。

作为本发明更进一步的改进，所述弹性背带上部引出有两根肩带，肩带的另一端与束带连接。

作为本发明更进一步的改进，所述肩带与束带为一体式弹性带、或通过卡扣配合连接、或通过魔术贴配合连接。

作为本发明更进一步的改进，所述束带位于腹部位置处设有胸杯，该胸杯上边与下边之间的距离大于束带宽度。

作为本发明更进一步的改进，所述的弹性背带两侧为弧形，形成位于弹性背带两侧的翼带，该翼带与人体腰部贴合。

作为本发明更进一步的改进，所述表面肌电信号采集模块包括对称设置在弹性背带两侧的表面肌电检测电极，表面肌电检测电极具有与人体背部贴合的接触面。

作为本发明更进一步的改进，所述表面肌电检测电极中设置有3个电极片，且3个电极片呈倒三角排布，底部的电极片与另一个表面肌电检测电极中顶部的两个电极片形成一个信号采集通道。

作为本发明更进一步的改进，所述信号处理模块包括前置调理电路板、采集卡和处理器；所述前置调理电路板用于对采集的肌电信号进行去噪和放大，并将处理后的信号发送到配套的采集卡中；

所述采集卡用于将采集的模拟肌电信号转化为处理器可识别的数字肌电信号，并将数字肌电信号发送到处理器；

所述处理器对表面肌电信号进行特征提取，进而进行模式识别，判断使用者是否驼背，当判断为驼背时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作。

作为本发明更进一步的改进，所述束带上设置有开关，该开关与电源模块电连接，连接线位于束带内部。

本发明的一种如基于表面肌电技术的驼背提醒方法，采用驼背醒装置进行驼背提醒，其过程为：

1)使用者穿戴上驼背提醒装置，启动电源模块，电路闭合，系统开始工作；

2)置于后背的表面肌电检测电极开始采集背阔肌的肌电信号，当佩戴者背部动作时，背阔肌的肌电信号会产生变化，然后将信号发送至配套的前置调理电路板进行信号去噪和放大处理；

3)采集卡对经过前置电路处理过的信号进行处理，使信号转变为能被电脑识别的数字肌电信号；数字肌电信号发送至所述处理器，系统判断此时佩戴者是否驼背；

4)当系统判断发生驼背时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，发出提醒信号。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置，在弹性背带内设置表面肌电信号采集模块、信号处理模块和信号执行模块，利用表面肌电信号采集模块进行信号采集，对该电信号进行特征提取和模式识别来判断佩戴者是否驼背，检测准确度高，受个体性差异和外部环境影响小，能够及时、准确地对使用者进行驼背提醒。

(2)本发明的一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置，在腰部两侧对称设置表面肌电检测电极，通过弧形的翼带结构能够充分保证表面肌电检测电极与人体背部接触；此外，采用双通道进行信号检测，实现信息互补，大大提高了检测的准确度。

(3)本发明的一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置，束带与肩带相配合，从两个方向进行定位，避免检测电极位置偏移；当检测到驼背时，背部的电机产生震动，信息能够被准确传递。

(4)本发明的一种基于表面肌电技术的驼背提醒方法，利用表面肌电检测技术的原理对背部背阔肌的表面肌电信号进行检测，实现驼背状态检测的准确性；通过对佩戴者背部进行检测预警，可以加强对佩戴者驼背状态的实时监管，解决了现有主流检测技术存在的如受佩戴者个体差异性和外部环境影响大、与驼背特征相关性低、检测技术难度高等问题。

附图说明

图1为本发明的驼背提醒装置的结构示意图；

图2为本发明的驼背提醒装置的系统示意图；

图3为本发明中连接扣式肩带结构示意图；

图4为本发明中电极片连接结构示意图；

图5为本发明中驼背提醒流程图；

图6为小波变换和VPMCD算法对驼背状态识别准确性检测图。

示意图中的标号说明：11、弹性背带；12、翼带；13、束带；14、胸杯；15、肩带；16、连接扣；21、电源模块；22、开关；23、振动器；24、表面肌电检测电极。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1，本实施例的一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置，包括位于人体背部的弹性背带11和位于腰部的束带13，弹性背带11上部引出有两根肩带15，肩带15的另一端与束带13连接，肩带15与束带13为一体式弹性带。通过弹性肩带11和束带13能够把弹性背带稳定的固定在背部，避免其发生移位。肩带与束带还可通过卡扣配合连接，或通过魔术贴配合连接，没有具体限制。本实施例中肩带15与束带13为一体式结构，因此，两者都必须要有较好的弹性，否则无法穿戴。

结合图2，弹性背带11内设有表面肌电信号采集模块、信号处理模块和信号执行模块，所述表面肌电信号采集模块和信号执行模块均与信号处理模块电连接，表面肌电信号采集模块分布在弹性背带11内，并对应人体背阔肌区域；所述信号执行模块用于对检测到的驼背信息产生振动或声音提示。为系统供电的电源模块可设置在弹性背带11内，也可设置在束带上，没有具体限制。

其中，信号处理模块包括前置调理电路板、采集卡和处理器；所述前置调理电路板用于对采集的肌电信号进行去噪和放大，并将处理后的信号发送到配套的采集卡中；

采集卡用于将采集的模拟肌电信号转化为处理器可识别的数字肌电信号，并将数字肌电信号发送到处理器；处理器对表面肌电信号进行特征提取，进而进行模式识别，判断使用者是否驼背，当判断为驼背时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，产生相应的振动或者是声音提示。处理器可以采用小波变换和VPMCD算法对驼背与非驼背两种状态进行识别，也可采用其他算法进行识别。可采用LabVIEW和matlab设计肌电信号的采集、特征提取、模式识别以及振动电机控制/声音提醒等程序。上述LabVIEW和matlab程序均为肌电检测领域常规技术，不在赘述。

众所周知，人体在驼背时，胸部和后背变化最为明显，胸部肌肉收合角度会有明显变化，背部会隆起。传统检测方法也有利用电极进行检测，该方法更多的是直接对背部弯曲角度进行检测，如方案2专利申请号201410158064.4是外部物理变化的检测，通过板上的变形检测点判别是否驼背，该方案能够实现检测目的，但准确度不够。

对于使用者的驼背提醒，利用振动或者是声音提醒是容易实现的，主要难点在于如何准确的收集驼背信息。本发明中采用表面肌电信号采集模块进行检测，所获得信息完全打破了传统外部检测设备的局限性，能够根据肌肉的形态、伸展变化进行驼背判别，相对于传统技术具有较大的进步。

而在利用表面肌电信号采集模块进行信号采集时，胸部和背部肌肉都会有变化，而且身体在挺直姿态和弓背姿态下胸部下围点变化最为明显，该点是较为理想的信号采集点。但在具体实验时发现，如果在该部位设计驼背信号采集点，很难与穿戴设备结合，而且性别差异对设备结构的影响很大，一旦将检测电极片安装在穿戴设备内，检测电极片难以与人体较好的贴合。即便能够贴合，当人体处于驼背状态时，由于胸部肌肉聚拢，穿戴设备被隆起，导致贴合度较差，此时无法进行检测，难以达到驼背提醒的目的。

基于上述原因，本发明采用背阔肌作为检测点，在人体弓腰驼背时，背部衣物被拉紧，能够更好的与背部贴合，若将表面肌电信号采集模块设置在背阔肌的对应区域，更有助于提高检测准确度。本发明把表面肌电信号采集模块设置在弹性背带中，该弹性背带上连接有束带和肩带，束带使弹性背带贴在背部，而肩带则可以防止弹性背带在人体活动过程中下滑，并能防止弹性背带转动，确保表面肌电信号采集模块与人体背阔肌区域对应，保证表面肌电信号采集模块处于监测点。

实施例2

本实施例的一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置，其节本结构与实施例1相同，其不同之处在于：如图3所示，本实施例中束带13通过连接扣16连接。表面肌电信号采集模块包括对称设置在弹性背带11两侧的表面肌电检测电极24，表面肌电检测电极24具有与人体背部贴合的接触面，内部电极能够与背阔肌贴合，当人体运动时，表面肌电检测电极24可采集到相应的信号。

本实施例中的弹性背带11下部两侧为弧形，形成位于弹性背带11两侧的翼带12，该翼带12与人体腰部贴合。弧形的翼带12能够充分与人体结构结合，翼带12为弹性布带。

弹性背带11中部设置有圆孔。由于脊椎突出较高，在人体弓背时，易于使弹性背带11上移，而设置圆孔后，能够与弓起的脊椎部位卡合，减少弹性背带11移位。

进一步地，束带13位于腹部位置处设有胸杯14，该胸杯14上边与下边之间的距离大于束带13宽度，胸杯14左、右两边之间距离不小于上、下边之间距离，其差值为0～3cm，本实施例可以优选为1cm差值。

值得说明的是，为了更好的检测效果，必须要在束带上设置胸杯。对于检测效果而言，只要设置束带和肩带，已经可以实现定位检测目的，但是胸杯的作用也极为重要。众所周知，在人体弓腰时，脊椎关节张开，上体衣服会上拉，即便再挺直身体，衣服也需要手动复位。同理，本实施例中因为设置了肩带，当人体弓背时，由于肩带的作用，弹性背带背带被向上拉，由于背阔肌张开，不影响检测，但是当身体挺直后，肌肉正常回缩，而弹性背带却会留在靠上部位，此时内部的表面肌电信号采集模块便不能准确的与人体贴合，导致后续检测不准确。

对于上述问题，当设置胸杯后，由于胸杯面积较大，能够在身体前侧形成阻挡区域，使束带在人体弓腰时不会向上滑动，当身体挺直后，在束带的弹性力作用下，弹性背带会随着背部肌肉一起恢复至原位，保证后续使用时不会错位，大大提高了持续使用状态下的驼背信号检测准确度。

实施例3

结合图4，本实施例的一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置，其节本结构与实施例2相同，其不同之处在于：所述表面肌电检测电极24中设置有3个电极片，且3个电极片呈倒三角排布，底部的电极片与另一个表面肌电检测电极24中顶部的两个电极片形成一个信号采集通道。把振动器作为信号执行模块，振动器位于弹性背带11的中部，可以位于圆孔上部或下部，还可环绕圆孔设置。

根据人体背阔肌分布，上侧背阔肌更为发达，因此，表面肌电检测电极24中电极片采用倒三角结构分布。当检测电极片能够准确检测背阔肌信息时，若人体向左或向右侧弯，相应的右侧或左侧的背阔肌会拉伸，会被判定为驼背信号，振动器会震动，导致发送错误提醒信号。而本实施例中两侧的电极片形成双信号采集通道，两者采集信号信息综合交互，同一通道信息包括背部两侧背阔肌舒展情况，可有效防止误判。

实施例4

本实施例的一种基于表面肌电技术的驼背提醒装置，其节本结构与实施例3相同，更近一步地：在束带13上设置开关22，该开关22可位于胸杯14上，开关22与电源模块21电连接，连接线位于束带13内部，易于使用者操控。

实施例5

利用实施例1～4中的驼背提醒装置，本发明提供了一种驼背提醒方法，结合图5，其过程为：

1)使用者穿戴上驼背提醒装置，按下开关按钮后，启动电源模块，电路闭合，系统开始工作。

2)置于后背的表面肌电检测电极开始采集背阔肌的肌电信号，当佩戴者背部动作时，背阔肌的肌电信号会产生变化，然后将信号发送至配套的前置调理电路板进行信号去噪和放大处理；

3)然后信号被传至采集卡，采集卡对经过前置电路处理过的信号进行处理，使信号转变为能被电脑识别的数字肌电信号；数字肌电信号发送至所述处理器，经过特征提取、特征降维和模式识别等程序处理后，处理器采用小波变换和VPMCD算法识别驼背与非驼背两种状态；

4)当系统判断发生驼背时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，发出提醒信号。以振动器为例，处理器向振动器送振动指令，振动电机接收到振动指令后产生振动，对佩戴者进行预警提示，佩戴者接收到该提示后应挺直腰背。

上述VPMCD方法是建立在变量预测模型基础上的模式识别方法，该方法理论中，不同类别中特征变量之间的相关性也是不同的。在人体表面肌电信号的模式识别问题中，采用一组特征量X＝[X₁,X₂,…,X_p]描述一种类别，在不同的手势类别中，其中一个特征值X_i受其它特征值X_j(j≠i)的影响也不同。它们相互之间存在的可能是一对一的关系X₁＝f(X₂)，也可能是一对多的的关系X₁＝f(X₂,X₃,…)。为了识别不同类别的运动模式，需要利用训练样本建立能够表达特征变量之间内在关系的数学模型，即变量预测模型(Variable Predictive Model,VPM)。再通过这些预测模型对测试样本进行预测，并以每类预测误差平方和最小为判别函数进行分类。

上述处理器采用小波变换和VPMCD算法识别驼背与非驼背两种状态，其方法如下：

S1、对直背、弓背、左侧弯、右侧弯四种腰部动作采集样本，利用VPMCD算法得到预测模型VPM_training；该预测模型VPM_training是预先经过测试存储在系统内的程序，作为原始匹配动作类型；

S2、电极片对腰部动作进行sEMG信号采集；

S3、对采集的sEMG信号使用小波基函数进行三层小波分解，得到各频段的小波系数。小波变换含义式如式(1)所示：

其中：f(t)∈L²(R)，L²(R)为R上平方可积函数构成的函数空间。ψ(t)为基小波或母小波，a为尺度因子，b为平移因子。

再用不同尺度和不同平移小波基的线性组合表示该信号；如式(2)所示：

其中，每一项的系数就称为小波系数，A_I(t)、D_i(t)分别表示第I级的低频分量和高频分量，w_aI、w_di分别表示第i级的低频小波系数和高频小波系数；

S4、提取小波分解后各子频段的小波系数模极大值作为特征向量。这样得到每种类别的特征值矩阵，试验时可采用互相关分析法验证特征值之间的内在关联性；

S5、用已训练的预测模型VPM_training对特征值矩阵进行分类识别，各种类型的背部动作就可以由VPMCD分类器的数据结果被确定。

采用小波变换和VPMCD算法识别驼背与非驼背两种状态，相对于其他识别方法具有更高的准确性，如图6所示，该方法通过参数估计的方法建立变量预测模型，避免了ANN结构、类型的选择问题和迭代过程。另外，在模型类型和参数的选择上，它取决于预测值与实际值的最小预测误差平方和，从而避免了对先验知识的依赖，更具客观性。因此，该方法具有更好的VPMCD训练能力和分类性能，是一种有效、可靠的表面肌电信号模式识别方法。

本发明利用表面肌电信号采集模块进行信号采集，对该电信号进行特征提取和模式识别来判断佩戴者是否驼背，检测准确度高，受个体性差异和外部环境影响小，能够及时、准确地对使用者进行驼背提醒。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。