一种利用肌音信号检测的O型腿矫正装置的制作方法

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地说，涉及一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置。

背景技术：

o型腿是以两下肢自然伸直或站立时，两足内踝相碰而两膝不能靠拢为主要表现的畸形疾病。o型腿的人由于膝内翻，身体重量过多集中于膝关节内侧关节面上，导致膝关节内侧软骨面磨损，容易引发关节炎，甚至关节痛，影响到正常的行走。

目前o型腿的矫正方法包括手术矫正和非手术矫正两种方式。手术式方法适用于较为严重的患者，见效快，但风险较大。非手术矫正方法包括矫正仪器、绑腿、锻炼等，矫正的原理基本一致，即通过松弛膝关节内侧副韧带，恢复膝关节内外侧的稳定结构，从而使胫骨外翻，达到矫正目标。市面上的矫正仪器多采用动态矫正方法，采用u型结构，使用可避开腓总神经，相对安全，见效迅速，但是体积较大，不易携带，且操作条件受限制，固定不牢固，价格相对较贵。绑腿是最传统也是使用最广泛的矫正方法，使用材料多为无弹性的布带、皮带等，绑得过紧或位置不正确容易对腘窝处造成压迫，可能会对浅表血管和神经造成不同程度的伤害。外力矫正所需时间较长，只能作为辅助方式，如果使用者平时不注意行走姿态，依然难以到达与其效果，因此，需要一种即可通过提供外部压力来强制矫正患者腿部姿又可以提醒患者主动保持自身腿部姿势的装置，从而提高o型腿的治疗效果，缩短治疗周期。

中国专利申请号：201080020421.0，申请日：2010年5月4日，该申请案公开了一种体型矫正裤，该矫正裤的各部分由不同密度的布料织造而成，从而产生可使腿关节进行外旋转的旋转力，该矫正裤包括：大腿部旋转带，由下腹部往下向大腿部的外旋转方向螺旋状旋转，一直延伸到膝盖骨的上端；小腿部旋转带，由所述膝盖骨的下端往下向小腿的外旋转方向螺旋状旋转，一直延伸到小腿中央，其中，所述小腿部旋转带的织造密度相对高于所述矫正裤的其他部位的密度，所述大腿部旋转带的织造密度相对低于所述小腿部旋转带的密度，且相对高于所述矫正裤中除了所述小腿部旋转带以外的其他部位的密度。

上述方案是通过织物的拉紧力使肌肉旋转，具有一定的效果，但仍然主要是通过外力进行矫正，对患者难以传递有效的自主矫正信号，治疗周期长。

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o型腿矫正装置靠外力矫正所需周期长的不足，提供了一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，本发明把肌音检测技术与穿戴式装置相结合，既能利用外力进行o型腿矫正，又能提醒使用者主动保持正确姿态，使用效果较好，缩短了o型腿的治疗周期。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，包括紧固腰带、上绑带和下绑带，所述紧固腰带通过连接丝带与上绑带连接，上绑带通过绑带连接带与下绑带连接；在上绑带和下绑带内设置有矫正气囊，下绑带内侧面设置有肌音信号传感器，在紧固腰带内设置有进排气电机和信号处理模块，所述肌音信号传感器与信号处理模块电连接；肌音信号传感器检测到腿部处于o型腿姿态时，通过进排气电机向矫正气囊内充气以增加矫正压力。

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音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音信号转化为处理器可识别的数字肌音信号，并将数字肌音信号发送到处理器；

所述处理器对肌音信号进行特征提取，进而进行模式识别，判断使用者是否处于o型腿姿态，当判断为o型腿姿态时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作。

作为本发明更进一步的改进，所述矫正气囊包括位于上绑带中的上矫正气囊和位于下绑带中的下矫正气囊，该矫正气囊通过气管与进排气电机相连通。

作为本发明更进一步的改进，所述肌音信号传感器位于下绑带内侧面的下部，对应于小腿比目鱼肌位置处。

作为本发明更进一步的改进，每个下绑带中的肌音信号传感器有两个。

作为本发明更进一步的改进，所述连接丝带通过滑扣与紧固腰带连接，滑扣能够相对紧固腰带滑动。

作为本发明更进一步的改进，所述上绑带和下绑带均由定长带和伸缩带组成，伸缩带为弹性布带。

作为本发明更进一步的改进，所述的伸缩带为条状，在相邻的两个定长带上、下端分别设置一条伸缩带。

作为本发明更进一步的改进，所述下绑带主要由定长带和伸缩带组成，下矫正气囊和肌音信号传感器均设置在定长带内侧面。

作为本发明更进一步的改进，所述肌音信号传感器为压电加速度传感器。

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)本发明的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，紧固腰带、上绑带和下绑带依次串联形成穿戴装置，在上、下绑带中设置矫正气囊，通过气囊产生矫正压力；在下绑带中设置有肌音信号传感器，当检测到处于o型腿姿态时，通过进排气电机向矫正气囊内充气以增加矫正压力，提醒使用者主动保持正确姿态，利用外部矫正压力和使用者的主动矫正意识相结合，效果更好，大大缩短了o型腿的治疗周期；

(2)本发明的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，在上、下绑带中均设置矫正气囊，通过气囊产生矫正压力，即在膝盖的上、下侧均产生矫正力，利用连接丝带将上绑带与紧固腰带连接，能够有效避免绑带滑落，使各部分的位置不会产生较大的变化，保证信号检测的准确性；

(3)本发明的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，定长带通过伸缩带相连接，伸缩带具有一定的收缩性，便于穿戴，并且能够使下绑带收紧绑定在腿部，不会因腿部肌肉的舒展而胀裂，适合在日常生活中使用；

(4)本发明的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，检测结果准确，穿戴方便，克服了以往物理纠o型腿的方法给使用者带来的一些不适，便于使用者养成自我矫正o型腿姿态的习惯。

附图说明

图1为本发明o型腿矫正装置的结构示意图；

图2为本发明矫正气囊的分布结构示意图；

图3为本发明绑带的结构示意图；

图4为本发明信号处理模块的工作流程示意图；

图5为本发明o型腿检测方法流程示意图；

图6为小波变换和vpmcd算法对o型腿状态识别准确性检测图。

示意图中的标号说明：1、紧固腰带；2、滑扣；3、电源按钮；4、电源；5、上绑带；6、下绑带；7、定长带；8、伸缩带；9、进排气电机；10、信号处理模块；11、连接丝带；12、绑带连接带；13、肌音信号传感器；14、上矫正气囊；15、下矫正气囊。

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，本实施例的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，包括紧固腰带1、上绑带5和下绑带6，三者均为环形，紧固腰带1通过连接丝带11与上绑带5连接，上绑带5通过绑带连接带12与下绑带6连接。穿戴时，紧固腰带1位于腰部，上绑带5和下绑带6分别位于膝盖的上、下两侧，连接丝带11和绑带连接带12均为弹性带，具有一定的伸缩空间。进一步地，可以在连接丝带11上设置环扣，通过环扣能够调节连接丝带11的长度。紧固腰带1可以为整体式弹性带或者是通过其他连接方式能够相互连接的卡扣式连接带，没有具体限制。

如图2所示，在上绑带5和下绑带6内设置有矫正气囊，下绑带6内侧面设置有肌音信号传感器13，且该肌音信号传感器13位于下绑带6内侧面的下部，对应于小腿比目鱼肌位置处，用于检测小腿比目鱼肌的信号变化。肌音信号传感器13可以采用压电加速度传感器。

在紧固腰带1内设置有进排气电机9和信号处理模块10，进排气电机9和信号处理模块10电连接，肌音信号传感器13与信号处理模块10电连接；肌音信号传感器13把检测到的信号传递到信号处理模块10，经过信号处理模块10的识别处理，如果判定腿部处于o型腿姿态时，向进排气电机9发出执行信号，通过进排气电机9向矫正气囊内充气以增加矫正压力。此外，紧固腰带1上还设有电源按钮3和电源4，电源按钮3位于紧固腰带1的前侧，便于启动系统工作。

矫正气囊包括上绑带5中的上矫正气囊14和位于下绑带6中的下矫正气囊15，该矫正气囊通过气管与进排气电机9相连通，气管可隐藏设置在连接丝带11中。

在正常使用状态下，矫正气囊内已经具有一定的压力，作为外力矫正；当检测到相关信号后，压力增加，产生一定的压迫感，提醒使用者注意自身腿部姿态，使其产生主动矫正意识。

小腿比目鱼肌在腓骨、胫骨后，横插在腓肠肌之下，对小腿姿态所起的形体作用较大，能够较好的反应小腿姿态变化。因此，利用比目鱼肌的肌音信号变化进行o型腿姿态的检测较为准确。

结合图4，本实施例中的信号处理模块10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音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音信号转化为处理器可识别的数字肌音信号，并将数字肌音信号发送到处理器。

处理器对肌音信号进行特征提取，进而进行模式识别，判断使用者是否处于o型腿姿态，当判断为o型腿姿态时，处理器向进排气电机9发送执行信息，进排气电机9向矫正气囊内充气。可以在进排气电机9与气囊之间设置电磁阀，电磁阀与处理器电连接，用于辅助控制气囊压力。

处理器可以优选采用小波变换和vpmcd算法对o型腿姿态进行识别，可采用labview和matlab设计肌音信号的采集、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程序均为肌音检测领域常规技术，不在赘述。

本实施例在上、下绑带中均设置矫正气囊，通过气囊产生矫正压力，即在膝盖的上、下侧均产生矫正力，利用连接丝带将上绑带与紧固腰带连接，能够有效避免绑带滑落，使各部分的位置不会产生较大的变化，保证信号检测的准确性。

与肌电信号相比，肌音信号在肌肉收缩疲劳时仍有更高的准确率。由于肌音信号的传播特性，传感器不需要固定在某些特定的位置上，甚至可以不直接接触皮肤，而且肌音信号还可以在运动肌肉的末梢采集到。肌音信号受体表阻抗的影响小，受外电场的干扰小，具有更高的检测准确度。本方案将o型腿矫正装置与肌音信号的利用相结合，用于提高鸡胸信号检测的准确度。

实施例2

本实施例的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于：连接丝带11通过滑扣2与紧固腰带1连接，滑扣2能够相对紧固腰带1滑动，可在一定范围内对滑扣2位置进行调节。

本实施例中的上绑带5和下绑带6均由定长带7和伸缩带8组成，下矫正气囊15和肌音信号传感器13均设置在定长带7内侧面，伸缩带8为弹性布带。由于具有弹性布带，使绑带具有一定的伸缩性，适于穿戴，检测电极与腿部贴合的更紧密，保证检测的准确性。

每个下绑带6中的肌音信号传感器13有两个，通过两个肌音信号传感器13能够更加全面的覆盖肌肉的不同区域，保证检测的准确性。

实施例3

本实施例的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，其基本结构与实施例2相同，其不同之处在于：下绑带6主要由定长带7和伸缩带8组成，下矫正气囊15和肌音信号传感器13均设置在定长带7内侧面。本实施例中的伸缩带8为条状，在相邻的两个定长带7上、下端分别设置一条伸缩带8。

实施例4

结合图3，本实施例的一种利用肌音信号检测的o型腿矫正装置，其基本结构与实施例3相同，其不同之处在于：伸缩带8为波纹形气囊带，当气囊带排气时，使下绑带收紧。

众所周知，生活中有较多的设备用到气囊带进行肢体绑缚，使检测传感器与人体贴合，如血压计，通过向内充注空气使其绑缚在胳膊上而不会掉落，本方案也可以采用充气方式使腿带绑缚在大腿上，但是充气式绑缚对人体束缚感较大，一旦使用者下蹲，肌肉张紧，很容易把腿带撑开，导致装置损坏，根本无法使用。而排气式气囊结构，具有一定的拉伸性，并能使传感器贴在人体皮肤表面，检测准确。

进一步地，波纹形气囊带的波峰和波谷均为v形，可以控制v形的夹角在25～70°之间，本实施例优选为35°。若角度过小，需要较长的波纹带才能实现收紧，较长的波纹带容易导致腿带松脱；若角度过大，在排气时，容易出现两侧波纹带相对吸合形成平板，而不是折叠为层状，反而会导致腿带舒展而无法使用，在该角度范围具有更好的收紧效果。

气囊带通过气管与伺服进排气控制器、进排气控制电机连接。该伺服进排气控制器可以为电磁阀，电磁阀打开后，可以通过专用进排气控制电机向气囊带内充气或向外排气，当排气完成后，电磁阀关闭，气囊带保持收紧状态。当需要取下腿带时，打开电磁阀向进排气管通气即可，外部气压较大，会自动向气囊带内注气。

实施例5

本发明还提供了一种o型腿矫正方法，即采用利用肌音信号检测的o型腿矫正装置进行矫正，具体使用时，如图5所示，其过程如下：

1)使用者的两腿分别穿戴上上绑带5和下绑带6，紧固腰带1系于腰间，并调整好位置，按下开关按钮后，启动电源模块，电路闭合，系统开始工作；

2)电磁阀打开，进排气控制电机向外部排气，上矫正气囊14和下矫正气囊15内充气，产生一定的矫正压力；

3)置于小腿后下侧的肌音信号传感器13开始采集比目鱼肌的肌音信号，当穿戴者腿部动作时，比目鱼肌的肌音信号会产生变化，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；

4)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音信号；数字肌音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o型腿与正常两种姿态；如果患者较为严重，可以将正常信号设置在一定的o型腿范围内(相对较为正常的姿态)，以达到逐步治疗的效果。

5)当系统判断为o型腿姿态时，处理器向进排气电机9发送执行信息，进排气电机9动作，打开电磁阀，向矫正气囊内充气，增加压力对佩戴者进行预警提示，使用者接收到该提示后应及时纠正行走姿态。

6)系统关闭时，电机停止工作，电磁阀打开，外部空气进入，腿带舒展，可以直接取下。

实施例6

若采用的伸缩带8为两条波纹气囊带组成，则使用过程的不同之处在于：在步骤1)中，需要对气囊带进行排气，使下绑带绑缚在小腿上。

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。在人体肌音信号的模式识别问题中，采用一组特征量x＝[x1,x2,···,xp]描述一种类别，在不同的手势类别中，其中一个特征值xi受其它特征值xj(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(variablepredictivemodel,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o型腿与非o型腿两种状态，其方法如下：

s1、对o型腿、正常站立、正常行走、屈膝四种动作采集样本，利用vpmcd算法得到预测模型vpmtraining；该预测模型vpmtraining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、电极片对腿部动作进行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，ai(t)、di(t)分别表示第i级的低频分量和高频分量，wai、wdi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vpmtraining对特征值矩阵进行分类识别，各种类型的腿部动作就可以由vpmcd分类器的数据结果被确定。

采用小波变换和vpmcd算法识别o型腿与非o型腿两种状态，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、可靠的肌音信号模式识别方法。

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。