一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置的制作方法

本发明涉及保健设备技术领域，更具体地说，涉及一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置。

背景技术：

“八字脚”是一种下肢的骨骼畸形，分为“外八字脚”和“内八字”，都是因为足部错误受力所致，八字脚因为走路姿势不雅，越来越受到大家的重视。八字脚目前矫正的方式国内一般有穿戴矫正鞋，医院一般使用一些鞋垫或者支架，国际上一般也采用矫正鞋与鞋垫，配合拉筋板和脚踏车去帮助孩子们做矫正。这些设备效果一方面非常笨重不雅观，效果也很有限，特别是在预防和检测方面效果更差。

近年来，我国患八字脚的人数不断增多。尤其是年龄较小的孩子，他们行走时没有保持正常脚部姿态或者脚部姿态不标准，长时间下去导致他们形成八字脚。八字脚患者走路时姿势不正，步态不稳，步子迈不开，给体力劳动和运动带来不便。所以，预防八字脚显得十分重要。

预防八字脚主要靠患者在幼儿期就养成保持正常脚部姿态的习惯。市面也有一些辅助设备，比如矫正鞋与鞋垫。但是，矫正鞋与鞋垫只是靠辅助力来改善人走路时脚部的姿态，而不能从患者心理上直接产生自主矫正的意识，治标不治本，一旦脱离外部的辅助矫正装置的束缚，使用者仍然可能又会恢复之前的八字脚状态，需要长期穿戴辅助矫正装置才能起到一定的改善作用。

中国专利申请号：201510816467.8，申请日：2015年11月20日，发明创造名称为：一种用于八字脚检测及矫正的电子设备，该申请案公开了一种用于八字脚检测及矫正的电子设备，该设备通过内置的加速度传感器计算出脚尖和脚步前进方向夹角来检测是否有内八字或者外八字的现象，另外还可以通过微弱的电流刺激来提醒使用者及时调整脚的角度，从而实现了预防、检测和矫正三重功效。

该方案通过采集脚尖前进速度与前进方向参数，从而判断是否成八字状态，虽然能够实现自主提醒功能，但是大部分使用者很难保证其行走路线为直线，尤其是在日常使用时，经常走走停停，其路径也是大幅度波动的，因此，通过加速器计算出脚尖和脚步前进方向和夹角来检测是否有内八字或者外八字的现象，很容易出现误判情况，导致使用者接受错误的提示信息，难以达到真正的提醒目的。因此，如何为使用者提供准确的信息，有效的改善八字脚现象，是现有技术所面临的一大难题。

技术实现要素：

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有技术中难以准确的对八字脚姿态进行提醒的不足，提供了一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置，本实用新型把肌电检测与伸缩式腿带相结合，检测准确度高，使用方便，能够较好的帮助使用者矫正八字脚姿态。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置，包括腿带，该腿带为环形，在腿带内设置有肌电信号检测电极、信号处理模块和信号执行模块，所述肌电信号检测电极和信号执行模块均与信号处理模块电连接，所述肌电信号检测电极分布在腿带后部内侧，用于检测八字脚姿态信息；所述信号执行模块用于对检测到的八字脚姿态信息向使用者产生提示信号。

作为本实用新型更进一步的改进，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，判断使用者是否处于八字脚姿态，当判断为八字脚姿态时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作。

作为本实用新型更进一步的改进，所述的腿带包括主绑带和气囊带，至少2个主绑带相互连接组成腿带，相邻两个主绑带通过气囊带连接，通过气囊带的进排气控制腿带展开或收紧。

作为本实用新型更进一步的改进，所述气囊带两侧为波纹带，相邻的气囊带之间通过导气管连通；当气囊带排气时，波纹带折叠为层状使腿带收紧。

作为本实用新型更进一步的改进，所述波纹带的波峰和波谷均为V形。

作为本实用新型更进一步的改进，腿带内设置有伺服进排气控制器和进排气控制电机，气囊带通过进排气管与伺服进排气控制器、进排气控制电机连接。

作为本实用新型更进一步的改进，腿带后部内侧设置肌电信号检测电极，该肌电信号检测电极具有与腿部贴合的接触面，对应于腿部半腱肌和半膜肌区域。

作为本实用新型更进一步的改进，肌电信号检测电极中的检测电极片呈两列排布，检测 电极片检测的信息传送到信号处理模块。

作为本实用新型更进一步的改进，所述检测电极片有6个，并形成两个信号采集通道，第一列顶部的检测电极片与另一列下方的两个检测电极片形成一个信号采集通道，剩余检测电极片组成另一个信号采集通道。

作为本实用新型更进一步的改进，腿带中的电源位于前侧或两侧的主绑带内，并设置有对应的启停开关；所述信号执行模块为振动提示器或声音提示器。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置，把表面肌电检测电极与环形的腿带相结合，易于穿戴，而且利用肌电信号检测电极进行信号采集，对该电信号进行特征提取和模式识别来判断佩戴者是否出现八字脚姿态，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姿态提醒；

(2)本实用新型的一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置，主绑带通过气囊带相连接，气囊带两侧为波纹带，相邻的气囊带之间通过导气管连通，当气囊带排气时，波纹带折叠收缩，使腿带收紧绑定在腿部，不会因腿部肌肉的舒展而胀裂，适合在日常生活中使用；

(3)本实用新型的一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置，波纹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，若角度过小，需要较长的波纹带才能实现收紧，而且易于松脱；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；

(4)本实用新型的一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置，检测结果准确，穿戴方便，克服了以往物理纠正八字脚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八字脚姿态的习惯。

附图说明

图1为本发明的八字脚检测装置的结构示意图；

图2为本发明中电极片分布结构示意图；

图3为本发明中各检测模块的系统示意图；

图4为本发明中八字脚检测方法流程图；

图5为小波变换和VPMCD算法对八字脚状态识别准确性检测图。

示意图中的标号说明：1、主绑带；2、气囊带；3、检测电极；4、电源；5、声音提示器；6、启停开关。

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八字脚检测提醒装置，包括：腿带，该腿带为环形，在腿带内设置有肌电信号检测电极3、信号处理模块和信号执行模块。其中，肌电信号检测电极分布在腿带后部内侧，用于检测使用者的八字脚姿态信息；肌电信号检测电极和信号执行模块均与信号处理模块电连接，肌电信号检测电极将检测到的信息发送给信号处理模块，若判定为八字脚姿态，则信号执行模块对检测到的八字脚信号向使用者产生提示信息。该信息提示可以是震动提示，或者为声音提示，也可以为其他信息提示，主要是让使用者注意到自己的姿态，没有具体要求。

结合图3，本实施例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。

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，判断使用者是否处于八字脚姿态，当判断为八字脚姿态时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，产生震动或声音提示。

处理器可以优选采用小波变换和VPMCD算法对八字脚姿态进行识别，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。

值得说明的是，现有技术中也有通过电极检测进行八字脚判别的，无论是否为肌电信号检测，其难点在于如何适用电极精确的检测到八字脚信息。为了能够达到该效果，本实施例中的腿带包括主绑带1和气囊带2，主绑带1为弹性绑带，4个主绑带1相互连接组成腿带，相邻两个主绑带1通过气囊带2连接，通过气囊带2的进排气控制腿带展开或收紧。

4个主绑带1可以均匀间隔设置，并分别位于前、后、左、右四个部位，肌电信号检测电极3位于后部的主绑带1内侧，信号处理模块和信号执行模块位于前侧或左、右两侧的主绑带1上，没有具体限制。

气囊带2两侧为波纹带，侧部主绑带1的侧壁连接，气囊带2内部为密封空间，相邻的气囊带2之间通过导气管连通，当气囊带2排气时，波纹带折叠为层状使腿带收紧。

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。

本方案利用波纹带对主绑带进行连接，当把波纹带内的气体排出后，波纹带折叠为层状，间距减小，进而使主绑带1被拉紧，实现腿带的固定。在使用者进行活动时，即便是下蹲，肌肉张紧后，由于气囊带2内气体被抽出，不会被胀破，而且能够始终保持与肢体贴合的状态，检测的信号准确。

实施例2

本实施例的一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于：波纹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。

腿带内设置有伺服进排气控制器和伺服进排气控制电机，气囊带2通过进排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，可以通过进排气控制电机向气囊带2内充气或向外排气，当排气完成后，电磁阀关闭，气囊带2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2内注气。

实施例3

本实施例的一种基于表面肌电技术的八字脚检测提醒装置，其基本结构与实施例2相同，其不同之处在于：腿带后部内侧设置肌电信号检测电极3，该肌电信号检测电极3具有与腿部贴合的接触面，对应于腿部半腱肌和半膜肌区域。肌电信号检测电极3中的检测电极片呈两列排布，检测电极片检测的信息传送到信号处理模块。

半腱肌位于大腿后侧，起自坐骨结节，终止于胫骨上端内侧面，主要作用是伸髋关节、屈膝关节并微旋内，由坐骨神经支配；半膜肌位于大腿后侧、半腱肌的深面，以扁薄的腱膜起自于坐骨结节，终止于胫骨内侧髁后面，主要作用是伸髋关节，屈膝关节并微旋内，由坐骨神经支配。当人体下肢成八字脚姿态时，半腱肌和半膜肌会对应收缩或伸展，通过检测半腱肌和半膜肌的肌电信号变化能够准确反映出腿部姿态，检测精度和准确度相对于普通的电极检测具有更好的效果。

结合图2，本实施例中检测电极片有6个，并形成两个信号采集通道，如果两列检测电极片分别单独形成一个通道，检测信号较为单一，本实施例把第一列顶部的检测电极片与另一列下方的两个检测电极片形成一个信号采集通道，剩余检测电极片组成另一个信号采集通 道。如图所示，第一列中检测电极片01与第二列的检测电极片02和检测电极片03连接至同一个信号采集通道，第一列中检测电极片05和检测电极片06与第二列中的检测电极片04连接至同一个信号采集通道，两者采集的信号信息综合交互，同一通道信息包括半腱肌和半膜肌舒展情况，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八字脚检测提醒装置，其基本结构与实施例3相同，其不同之处在于：腿带中的电源4位于前侧或两侧的主绑带1内，并设置有对应的启停开关6；信号执行模块为声音提示器5。

具体使用时，结合图4，其过程如下：

1)使用者穿戴上腿带，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，气囊带2收紧，主绑带1绑缚在大腿上；

3)置于后背的表面肌电检测电极开始采集半腱肌和半膜肌的肌电信号，当佩戴者腿部动作时，半腱肌和半膜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；

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算法识别八字脚与正常(非八字脚)两种姿态；

5)当系统判断为八字脚姿态时，处理器向信号执行模块发送执行信息，信号执行模块动作，发出提醒信号，声音提示器5生声音提示，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)当系统关闭时，电机停止工作，电磁阀打开，外部空气进入，腿带舒展，可直接取下。

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算法识别八字脚与非八字脚两种状态，其方法如下：

S1、对内八字、外八字、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，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算法识别八字脚与非八字脚两种状态，相对于其他识别方法具有更高的准确性，如图5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。

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。