一种贴附式躯干体态监测装置与方法与流程

本发明涉及智能可穿戴康复设备领域，更具体的说，是涉及一种贴附式伏案人群躯干体态监测装置与方法。

背景技术：

近年来，随着伏案学习工作模式及“低头族”增多，人体长期异常姿势常导致骨骼肌肉疾患(musculoskeletaldisorders，mds)高发，更为严重者伴有骨骼畸形、增生、退行性变等，因此而导致的疼痛不适、形象变化等极大地影响人们学习工作效率，甚至休学、停工、停产等，大大降低了社会生产力，受此影响的患者生存生活质量严重下降。虽然每年花销巨额医疗及教育费用用于该类疾患的防治，但往往收效甚微，持续效果较差。其原因主要有：体态异常前期对患者影响较小，患者自身对此重视程度不高，往往等到脊柱畸形较为严重时才入院就诊，使得长期的异常姿势形成习惯，难以纠正，此时往往耗时耗费且收效甚微，甚至造成较大医疗创伤，对其终生带来诸多痛苦。。

实际上，只要在日常生活中多加注意身体姿势，实时提醒纠正便能较好地防治后续疾病的发生发展。因此，如何监督保证学习工作中正确身体姿势，成为当今医疗卫生、工程技术、体育健康等诸多领域共同研究的热点。目前较多研究和方案主要从两个方面来改善这一状况：一是缩短单次持续学习和工作时间，避免因过度劳累导致姿势异常而致病，主要方式有课间/工间休息、弹屏控时、定时轮岗、课间/工间操等，但这些方式的主要问题在于：粗略地根据时间来界定，很难做到人的个体化差异、工种差异的区别；同时，仅仅通过对工作时间进行限定无法在受众中建立人体健康正确姿势的概念，且在工作强度较大且长期健康认识不够充分的地方往往收效甚微。第二主要通过人体功效学加以矫治，较为普遍的方式有：功效学桌椅、腰部/颈部被动支具辅具等。这一途径往往受场地及环境限制，或需要使用大而笨重的器械对患者的姿势进行矫正(如颈托/腰托、milwaukee支具/boston支具等)，不仅会给患者带来较大的活动不便，同时受到设备针对性、长期被动支持机能下降等限制，无法广泛长期有效的发挥作用。由此，本发明设计了一种通过压电薄膜传感器感知个位体态变化并对不良姿势给予刺激纠正的便携式可穿戴智能设备，可精准监控人体运动、体态变化情况，并能对不良姿势进行刺激矫正，达到个性化监控、预防、纠正为一体的新型移动智能设备。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中无法实时监管、个性化定制、被动支撑等诸多不足，提出一种贴附式伏案人群躯干体态监测装置与方法，通过轻便柔性可穿戴设备，避免现有该类设备坚硬笨重或束缚性较多等诸多不便；并通过针对性地刺激身体靶点部位达到提示并纠正体态的目的，从而实现个性化监测纠正、自主调整的目的，具有穿戴简单，轻便舒适，成本低廉等特点。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明的贴附式伏案人群躯干体态监测装置，包括上位机、小型集成电路、医用电刺激仪和医用电极贴片，所述小型集成电路包括单片机、wifi通信模块、放大滤波电路，所述单片机分别与wifi通信模块、放大滤波电路和医用电刺激仪电连接，所述医用电极贴片与电刺激仪电连接，所述医用电极贴片表面载有带柔性压电薄膜的前端pvdf传感器，所述前端pvdf传感器与放大滤波电路连接；

所述前端pvdf传感器获取使用者躯干的形变信息并以电荷信号的形式输入至放大滤波电路；所述放大滤波电路将原始电荷信号放大后转化为电压信号并滤去部分噪声；单片机获取电压信号，经处理后将信号发至wifi模块；wifi模块将信号传至上位机；上位机获取信号后通过对比分析，判断出使用者是否处于正常姿势，由此将是否需要电击刺激的指令经wifi模块发至单片机；单片机根据上位机的指令控制医用电刺激仪是否工作。

所述医用电极贴片的位置为：第一胸椎外侧1～2cm位置、肩胛骨内上角内侧1～2cm位置、肩胛骨内下角内侧1～2cm位置和第三腰椎棘突旁1～2cm位置。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明基于贴附式伏案人群躯干体态监测装置的监测方法，包括以下步骤：

第一步：将医用电极贴片贴附于使用者皮肤表面，医用电极贴片表面载有带柔性压电薄膜的前端pvdf传感器；

第二步：打开上位机，使用者自主调整至端坐伏案姿势，采集平稳呼吸10-15次体态情况，存储数据，通过前端pvdf传感器获取使用者躯干的形变信息并以电荷信号的形式输出至放大滤波电路；

第三步：放大滤波电路将原始电荷信号放大后转化为电压信号并滤去部分噪声；单片机获取电压信号，经处理后将信号发至wifi模块；wifi模块将信号传至上位机；

第四步：上位机获取反映躯体形态变化程度的压电变化数据后，将每次呼吸所采集到的数值取平均，获得每个通道数据平均值最小值与最大值的阈值范围，再采集使用者实时数据，当每个通道的数据均在其阈值范围内时判断为使用者姿态端正，无需调整；当有一个通道的数据不在阈值范围内时即认为此时姿势不标准，上位机将发送电击刺激信号给单片机，单片机控制医用电刺激仪工作，并通过医用电极贴片传导电刺激信号对使用者相应部位进行电刺激训练，提醒使用者自主调整体态姿势，以达到纠正异常姿势的目的。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明通过压电薄膜实时精准监测体态变化情况，可通过呼吸状态检测躯干或脊柱形变状态或程度，并同步实施对应强度的刺激提示，达到实时提醒监测、预防纠正的效果。

(2)本发明可根据不同体态、敏感程度、部位需要，个性化调节参数，并根据预定设置进行针对性电刺激，集个性化监测、预防、纠正为一体。

(3)本发明通过多通道、多部位并行监测，过滤有意识的自主运动，只针对无意识的体态问题，从而不会对使用者的正常生活产生影响。

(4)本发明旨在督促使用者自主地进行体态调整，相较于外加辅助工具，能有效地避免肌肉萎缩等不可逆的机体功能丧失。

附图说明

图1是本发明贴附式伏案人群躯干体态监测装置原理示意图；

图2是本发明贴附式伏案人群躯干体态监测装置总示意图；

图3是本发明贴附式伏案人群躯干体态监测装置前端示意图；

图4是本发明中医用电极贴片贴附位置示意图。

附图标记：1上位机，2wifi模块，3单片机，4放大滤波电路，5医用电刺激仪，6前端pvdf传感器，7上位机内的cpu，8小型集成电路，9医用电极贴片，10第一胸椎外侧1～2cm位置，11肩胛骨内上角内侧1～2cm位置，12肩胛骨内下角内侧1～2cm位置，13第三腰椎棘突旁1～2cm位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1至图3所示，本发明的贴附式伏案人群躯干体态监测装置，包括上位机、小型集成电路、医用电刺激仪和传导低频微弱电刺激的医用电极贴片，包括单片机、wifi通信模块、放大滤波电路，所述单片机分别与wifi通信模块、放大滤波电路和医用电刺激仪电连接，所述医用电极贴片与电刺激仪电连接，所述医用电极贴片表面载有带柔性压电薄膜的前端pvdf传感器，所述前端pvdf传感器与放大滤波电路连接。

所述前端pvdf传感器获取使用者躯干的形变信息并以电荷信号的形式输入至放大滤波电路；所述放大滤波电路将原始电荷信号放大后转化为电压信号并滤去部分噪声；所述单片机获取电压信号，经处理后将信号发至wifi模块；wifi模块将信号传至上位机；所述上位机获取信号后通过对比分析，判断出使用者是否处于正常姿势，由此将是否需要电击刺激的指令经wifi模块发至单片机；所述单片机根据上位机的指令控制医用电刺激仪是否工作。

本发明可通过腰带将带有粘扣的单片机、wifi通信模块、医用电刺激仪固定于使用者腰部，按图4位置贴附好医用电极贴片并连好相关组件，即可对使用者姿势进行监测分析。如图4所示，医用电极贴片9可选的位置为：第一胸椎外侧1～2cm位置10、肩胛骨内上角内侧1～2cm位置11、肩胛骨内下角内侧1～2cm位置12和第三腰椎棘突旁1～2cm位置13。

本发明基于贴附式伏案人群躯干体态监测装置的监测方法，包括以下步骤：

第一步：将医用电极贴片贴附于使用者皮肤表面，医用电极贴片表面载有带柔性压电薄膜的前端pvdf传感器。当该部位发生微小形变时(如含胸驼背、深呼吸等)，压电薄膜相应发生同等形变，形变量的大小对应信号强度的大小，即形变量越大，前端pvdf传感器产生的电荷信号就越大。

第二步：打开上位机，使用者自主调整至端坐伏案姿势，采集平稳呼吸10-15次体态情况，存储数据，通过前端pvdf传感器获取使用者躯干的形变信息并以电荷信号的形式输出至放大滤波电路。

第三步：放大滤波电路将原始电荷信号放大后转化为电压信号并滤去部分噪声；单片机获取电压信号，经处理后将信号发至wifi模块；wifi模块将信号传至上位机。

第四步：上位机获取反映躯体形态变化程度的压电变化数据后，将每次呼吸所采集到的数值取平均，获得每个通道数据平均值最小值与最大值的阈值范围，再采集使用者实时数据，当每个通道的数据均在其阈值范围内时判断为使用者姿态端正，无需调整；当有一个通道的数据不在阈值范围内时，即认为此时姿势不标准，上位机将发送电击刺激信号给单片机，单片机控制医用电刺激仪工作，并通过医用电极贴片传导电刺激信号对使用者相应部位进行电刺激训练。

因前端pvdf传感器为贴附式采集，形变差异值与身体姿势变化差异一致，呈高度正相关，即差值越大，姿势变化越大。当采集到姿势存在差异，通过上位机分析校准，在差异达到一定程度情况下，即有效姿势不正确时，上位机将发送电击刺激信号给单片机，单片机控制医用电刺激仪工作，并通过医用电极贴片传导电刺激信号对使用者相应部位进行电刺激训练，提醒使用者自主调整体态姿势，以达到纠正异常姿势的目的。

其中，压电薄膜与人体的接触界面采用粘性贴附方式，可与人体紧密贴附，达到同步精准的目的；并可以通过前后/左右接收器信号微小差异，诊断躯干或脊柱变形程度。其次，装置利用简单轻便的传感器和刺激器，检测患者躯干形态变化信息并针对不良姿势进行实时刺激，达到实时反馈、自主调整、及早发现、及早矫治的目的，且长期穿戴可为正确姿势的养成提供良好诱导。同时，与沉重的物理支具相比，轻便的穿戴装置不仅为患者的生活带来了极大便利，同时也避免了过度依赖外部辅助支具而造成肌肉无力、萎缩等不可逆的生理性功能丧失。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。