一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置及方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地说，涉及一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置及方法。

背景技术：

胸骨向前隆起称为鸡胸，鸡胸是一种常见的胸廓畸形，多数学者认为是肋骨和肋软骨过度生长，而胸骨发育较为缓慢，从而被向上挤压形成鸡胸；一部分人也认为与膈肌附着部发育异常有关。近年来，我国的鸡胸患者人数不断的增多，尤其是小儿鸡胸越发普遍，轻则影响外形，造成精神负担和性格影响外，严重的鸡胸由于两侧向内凹陷的肋骨压迫心脏和肺，对循环和呼吸功能产生较大的影响，易患肺炎及反复性呼吸道感染。

传统的鸡胸治疗方法是通过手术矫正，包含胸骨翻转术、胸肋沉降术等，需要在胸前做切口，切断胸骨、肋骨并切除过长的肋软骨，手术创伤大，恢复时间长，经济成本高，尤其对小儿承受的痛苦较大。考虑到儿童骨骼尚未完全定型，因此可以通过改正胸部姿态和矫正机构施加外在压力同时进行矫正，避免手术的痛苦。

通过调查表明，通过长时间的保持胸部扩张可以有效的矫正鸡胸，缓解症状。而目前，市场上现有的一些鸡胸矫形器仅仅通过采用前后胸各放置一个矫形块，通过调节距离来施加压力，从而矫正鸡胸。这种方式对使用者骨骼发育影响较大，效果差，且严重影响使用者的穿戴舒适度。综上所述，急需要一种既可改正患者胸部形态，又便于患者使用的鸡胸矫正装置。

中国专利申请号：201420061279.X，申请日：2014年1月27日，发明创造名称为：小儿鸡胸矫形装置，该申请案设有近似正常胸廓形的矫形板和多个圆柱形气囊；还设有监测压力表，可更科学有效对小儿鸡胸进行矫治塑型的一种医疗用小儿鸡胸矫形装置。截面大致似月牙形的胸袋前壁上有多个带套，带套内有胸带；胸袋内有近似正常胸廓形的矫形板，矫形板与胸袋后壁间有弹性垫，矫形板与胸袋前壁间有多个囊套，囊套内有圆柱形气囊，圆柱形气囊下面连接有气嘴、压力表。该方案主要是通过角形板强制矫正患者姿态，使用舒适感较差。

中国专利申请号：201520861204.4，申请日：2015年11月2日，该申请案公开了一种鸡胸矫正器，包括矫形板，矫形板内壁设置有多个凹槽，凹槽内设置有磁疗片。该方案主要有助于手术后的恢复治疗，而非直接对鸡胸进行矫正，不适于使用者直接使用。

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鸡胸矫正装置使用效果和舒适度较差的不足，提供了一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置及方法，本发明把肌电检测与穿戴装置结合，检测准确度高，能够使使用者时刻保持胸部处于扩张状态，有助于鸡胸症状的治疗，而且穿戴舒适，适于使用。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置，包括肩带和胸带，所述胸带的前侧设置有矫形气囊；所述胸带的后侧设置有检测单元，通过检测单元内的检测电极检测背部的肌电信号，进而控制矫形气囊的充气与排气。

作为本发明更进一步的改进，所述胸带由前后两部分组成，两部分通过弹性束带连接。

作为本发明更进一步的改进，所述的胸带下侧还连接有紧固带。

作为本发明更进一步的改进，所述紧固带背部设置有背部气囊带，该背部气囊带与矫形气囊配合使用。

作为本发明更进一步的改进，所述检测单元还包括信号处理模块和信号执行模块，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，判断使用者胸部是否处于扩张状态，当判断为非扩张状态时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，使矫形气囊和背部气囊带充气。

作为本发明更进一步的改进，所述矫形气囊上设置有压力传感器，该压力传感器与检测单元电连接。

作为本发明更进一步的改进，所述紧固带通过连接带与胸带连接，并使紧固带位于使用者腰部。

作为本发明更进一步的改进，所述检测电极有四个，对应于人体背部斜方肌区域。

作为本发明更进一步的改进，所述信号执行模块包括位于胸带和紧固带中的进排气控制电机，两个进排气控制电机分别与矫形气囊、背部气囊带连接。

进排气控制电机为伺服电机，上面安装有伺服控制器，用于控制电机工作；电机的进排气口可以连接控制阀，处理器直接控制伺服控制器与控制阀的工作。

当需要进气时，进排气控制电机工作，向矫形气囊内充气，充气完毕后，可以通过控制阀来保持气囊内的压力稳定，当需要排气时，控制阀打开向外排气。也可以直接有进排气控制电机控制进排气。

本发明的一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正方法，其具体过程为：

步骤1、使用者穿戴上鸡胸矫正装置，启动电源模块，电路闭合，系统开始工作；

步骤2、根据压力传感器(32)检测的压力大小，处理器控制胸带(2)前侧的进排气控制电机动作，使矫形气囊(31)产生设定的压力值；

步骤3、胸带(2)后侧的检测电极开始采集肌电信号，当穿戴者背部动作时，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；

步骤4、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，系统判断此时穿戴者胸部是否处于扩张状态；

步骤5、当判断胸部为非扩张状态时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，向矫形气囊(31)和背部气囊带(7)充气，迫使穿戴者胸部扩张；当判断使用者胸部为扩张状态时，处理器控制胸带(2)前侧的进排气控制电机动作，使矫形气囊(31)降至设定的压力值。

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)本发明的一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置，由肩带和胸带组合而成，便于使用者穿戴，在胸带前侧设置矫形气囊，胸带后侧设置肌电检测电极，能够准确的判断出穿戴者胸部是否处于扩张状态，进而可通过矫形气囊提供压力，使穿戴者矫正姿态，同时提供一定的压力，便于鸡胸的恢复；此外，该装置不使用矫正板，穿戴舒适；

(2)本发明的一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置，矫形气囊上设置有压力传感器，压力传感器与检测单元电连接可自动控制，通过检测单元中的处理器控制矫形气囊的充气、排气，有助于控制气囊所施加的压力，保证穿戴者的舒适度；

(3)本发明的一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置，胸带下侧还连接有紧固带，固定带与肩带相配合，保证胸带在使用时不会上下移动，从而确保肌电检测电极检测的准确度，并能够保证矫形气囊始终位于胸部，提高了鸡胸治疗效果；

此外，矫形气囊向胸部施加向后的压力，位于紧固带上的背部气囊带对后背施加一个向前的推力，两个气囊同时作用能够更好的促使使用者保持扩胸状态。

附图说明

图1为本发明的鸡胸矫正装置的结构示意图；

图2为本发明中带有背部气囊带的矫正装置的结构示意图；

图3为本发明中背部气囊带的设置结构示意图；

图4为本发明的鸡胸检测原理图；

图5为本发明的检测结果示意图。

示意图中的标号说明：1、肩带；2、胸带；21、弹性束带；3、矫形套；31、矫形气囊；32、压力传感器；33、启动开关；4、紧固带；5、连接带；6、检测单元；61、检测电极；7、背部气囊带。

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肌电信号检测的鸡胸矫正装置，包括肩带1和胸带2，肩带1为两条弹性布带，胸带2为环形，并带有一定的弹性。在胸带2的前侧设置有矫形气囊31，胸带2的后侧设置有检测单元6，检测单元6内的检测电极61用于检测人体背部的肌电信号，控制矫形气囊31通气与排气。

当矫形气囊31充气后，会对人体胸部位置产生一定的压力，有助于鸡胸症状的恢复；检测电极61用于检测人体背部的肌电信号，判断人体胸部是否处于扩张状态，当处于扩张状态时，则启动执行机构向矫形气囊31内充气。经过分析，当人体胸部扩张时，斜方肌的肌电信号变化较为明显，因此，可以利用斜方肌的肌电信号来判断人体胸部扩张状态。本方案主要是对斜方肌信号进行检测，不排除使用其他肌肉进行检测的方法，在不改变结构原理的情况下，不排除对其他区域或者是同区域不同肌肉的检测的保护。

结合图2，本实施例中胸带2下侧还连接有紧固带4，该紧固带4为环形，并带有弹性，方便穿戴。该紧固带4可以是开口式，并能够通过卡扣或魔术贴或环形扣连接成环形，具体使用时没有特别限制。

在穿戴胸带2时，虽然通过肩带1可以把胸带2穿在上体上，防止其掉落，但当人体弯腰弓背时，肩部前伸，会把胸带2向上提起。由于胸带2贴附在人体上，一旦被拉上去，难以自行回位，导致检测电极无法有效的检测到肌电信号，判断不准确。

而所设置的紧固带4可以位于腰部位置，由于人体骨骼的限制，即便是在人体弓腰运动后，紧固带4也能回复到腰部位置。因此，通过在胸带2下方设置紧固带4，能够较好的保证检测电极61的位置，确保检测的准确度，以提高鸡胸的矫正效果。

值得说明的是，人体在胸部处于非扩张状态下，一般伴随着有弓腰的情况出现，为了将诶绝该问题，本实施例在紧固带4背部设置有背部气囊带7，如图3所示，该背部气囊带7对应在人体腰部位置，当向背部气囊带7内充气时，其能够对腰部提供向前的推力，促使人体挺直腰部。该背部气囊带7与矫形气囊31配合使用，还能够辅助改正驼背特征，具有更好的综合治疗效果。

本实施例中的所述检测单元6还包括信号处理模块和信号执行模块，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，判断使用者胸部是否处于扩张状态，当判断为非扩张状态时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，使矫形气囊31和背部气囊带7充气。

信号执行模块包括位于胸带2和紧固带4中的进排气控制电机，两个进排气控制电机分别与矫形气囊31、背部气囊带7连接。在进排气控制电机与矫形气囊31、背部气囊带7之间设置有控制阀，用于控制气体流通。

处理器可以优选采用小波变换和VPMCD算法对胸部状态进行识别，可采用LabVIEW和matlab设计肌电信号的采集、特征提取、模式识别以及信号执行模块的动作等程序。上述LabVIEW和matlab程序均为肌电检测领域常规技术，不在赘述。

实施例2

本实施例的一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于：本实施例中胸带2由前后两部分组成，两部分通过弹性束带21连接。实施例1中是靠胸带2自身的弹性力来保证其束缚在人体胸部；在本实施例中，主要靠弹性束带21的弹性力来束紧弹性束带21，胸带2上的弹性只是辅助作用。采用弹性束带21能够使胸带有更大的扩张空间，而且能够通过改变弹性束带21的宽度来调节胸带的周长，使用范围广，束紧效果好。

为了便于安装矫形气囊31，在胸带2前侧安装有矫形套3，可以把矫形气囊31安装在矫形套3内。

进一步地，在矫形气囊31上设置有压力传感器32，该压力传感器32可以是薄膜传感器，该传感器用于检测矫形气囊31所施加的压力，确保人体的舒适度。

常规的矫形器大多是采用较大的压力直接进行形体矫正，对人体特别是儿童骨骼有较大的损害，本实施例所设置的压力传感器32与检测单元6电连接。设定其固定压力值，检测单元6内的处理器可以根据检测信号和压力信号进行气囊的充排气控制，既能够达到矫形作用，又可保证人体的舒适度，不会损害人体其他骨骼的正常发育。

本实施例中的矫形气囊31为方形，方便按照本方案的结构进行检测电极的设置，但方案不限于此，在实际使用时，可以根据需要把矫形气囊31设置为圆形或类圆形或矩形等结构，所设置的检测电极也可对应的按照环形或其他形状排布，没有具体限制。

实施例3

本实施例的一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置，其基本结构与实施例2相同，其不同之处在于：本实施例中肩带1为扣环式肩带，扣环用于调节肩带的长短，以便于调节检测电极的位置。紧固带4通过连接带5与胸带2连接，并使紧固带4位于使用者腰部。

此外，紧固带4的结构也可以是由前后两部分组成，并通过弹性束带连接，能够增加其可使用范围。

实施例4

本实施例的一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正装置，其基本结构与实施例3相同，其不同之处在于：本实施例中检测电极61有四个，对应于人体背部斜方肌区域。人体背部的斜方肌分布在脊椎两侧，因此把四个电极分布在检测单元6的四角，保证能够充分检测到肌电信号的变化。

本发明还提供了一种基于肌电信号检测的鸡胸矫正方法，结合图4，其过程如下：

步骤1、使用者穿戴上鸡胸矫正装置，按下矫形套3上的启动开关33，启动电源模块，电路闭合，系统开始工作；

步骤2、压力传感器32检测到压力，若不在设定值，则向处理器发送信号，处理器控制胸带2前侧的进排气控制电机动作，并打开控制阀，向矫形气囊31内充气，使矫形气囊31产生设定的压力值；

步骤3、压力值处于设定值时，胸带2后侧的检测电极开始采集肌电信号，当穿戴者背部动作时，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；

步骤4、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算法识别穿戴者胸部是否处于扩张状态；

步骤5、当判断胸部为非扩张状态时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，向矫形气囊31和背部气囊带7充气，迫使穿戴者胸部扩张；当判断使用者胸部为扩张状态时，处理器控制胸带2前侧的进排气控制电机动作，使矫形气囊31降至设定的压力值。

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，在不同的背部姿态类别中，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算法识别胸部扩张与非扩张两种状态，其方法如下：

S1、对胸部扩张、弓背、左侧弯、右侧弯、胸部后缩五种动作采集样本，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、电极片对背部动作进行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。

由图5可以看出，采用小波变换和VPMCD算法识别胸部扩张状态，相对于其他识别方法具有更高的准确性，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。

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。