一种可穿戴式脊柱健康动态评估系统和方法

本发明涉及医疗检测，更具体地，涉及一种可穿戴式脊柱健康动态评估系统和方法。

背景技术：

1、脊柱健康是危害青少年健康的一项重大问题，以特发性脊柱侧凸为代表的脊柱畸形在青少年中有很高的发病率。青少年脊柱健康筛查和日常脊柱健康监测十分重要，但在目前的脊柱健康评估筛查中，通常是以视觉评估为主，然而由于早期症状不明显，有些较肥胖的体型也会一定程度遮掩骨性畸形和其他症状，导致有可能错过发现早期脊柱问题。并且，脊柱健康评估使用的医学影像检查需要专业设备、人员和知识，成本较高，提高了普及门槛。对于发现脊柱病变并需要长期治疗的患者，频繁的射线检查流程繁复对健康产生不利影响。

2、针对以脊柱侧凸为代表的脊柱畸形，评估在动态运动中脊柱结构的变化可以提供十分重要的评估和诊断信息。但常规的ct、x光、超声、mri等医学影像，都是对静态姿态的评估检查方式，无法提供脊柱运动时的数据信息。目前，主流的影像检查难以进行脊柱动态测量，可实现的脊柱动态测量有通过动态视频x射线拍摄位片并合成分析，或通过视觉方法从外部拍摄以估测脊柱形状等。前者准确度高但流程复杂，患者将受到大量射线照射，后者准确度较低。

3、超声成像是一种非侵入性的成像技术，使用超声探头发射的超声波遇到不同密度或声阻抗的组织界面时，部分能量会反射回来，解析反射的声波能量可以获得丰富的组织信息，包括组织类型、深度等。由于脊柱的长度较长，对其进行超声检查时应覆盖脊柱沟大部分区段，面积较大。现有的一些脊柱超声检查会将患者固定在扫描架或者扫描床上，使用机械臂或机架控制扫描探头的方向(如专利申请号cn202310161765.2)，这种方案使用了大量机械，其检查流程仍然繁杂。一些超声检查方法结合空间定位技术，由医生手持超声探头控制扫描区域，该种方法需要由专业培训后的人员进行操作，欠佳的操控手法会降低检查精度。在日常长期的脊柱健康检测，或者在可能长达数年的治疗效果追踪过程中(如脊柱侧凸的测量周期可能长达数年)，若高频率的脊柱健康评估都在医院或专业实验室进行无疑非常耗时耗力。

4、综上，当前脊柱健康筛查中，以视觉评估被测试者的体表特征为主，精准度较低，且在一些病情早期，体表特征不明显，无法及时发现病理问题。而常规医学影像评估虽可提供高精度的骨骼信息，但存在辐射、过程耗时、场地要求多、经济成本高的问题，不适宜日常脊柱健康监测和高频率的治疗效果追踪，也无法直接应用于脊柱骨骼形态动态变化的评估和监测。此外，现有方案只能获知脊柱在特定体态(如站立、趴卧等)下的图像，无法用于评估脊柱的动态性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种可穿戴式脊柱健康动态评估系统和方法。

2、根据本发明的第一方面，提供一种可穿戴式脊柱健康动态评估系统，包括：可穿戴设备、超声换能器、惯性传感器、换能器标记点阵列、信号线路、信号传输总线、数据处理与控制中心和三维扫描装置，其中：

3、超声换能器、换能器标记点阵列和惯性传感器设置在可穿戴设备的脊柱区域；

4、超声换能器用于采集和发射超声信号，且所采集的超声信号经由信号接口通过信号传输总线传输至数据处理与控制中心；

5、超声换能器标记点阵列由三维扫描装置获得其在初始静态姿态下的三维空间位置信息，三维扫描装置并将数据信息传输至数据处理和控制中心；

6、惯性传感器获取超声换能器标记点阵列在运动中的三维旋转信息，相应信号经由信号线路传输连接至数据处理和控制中心，且惯性传感器获取脊柱姿态信息；

7、数据处理和控制中心还用于基于惯性传感器获取的脊柱姿态信息、超声回波信号以及超声换能器标记点阵列的三维空间位置变化信息，评估脊柱结构信息。

8、根据本发明的第二方面，提供一种可穿戴式脊柱健康动态评估方法。该方法包括以下步骤：

9、利用上述的可穿戴式脊柱健康动态评估系统，分别采集脊柱在初始静止姿态和运动姿态下的超声回波信息，其中在运动姿态下，还获取超声换能器标记点的三维空间位置变化信息和惯性传感器的姿态信息；

10、基于初始静止姿态下的超声回波信号，获得对应的二维超声图像序列，进而通过三维扫描装置获得的标记点的三维空间位置进行超声图集空间配准和超声图像重建，得到初始姿态下的脊柱结构信息；

11、基于运动姿态下的超声回波信息，结合惯性传感器定位超声换能器从初始静止姿态到目标运动姿态的运动轨迹，并计算各姿态下的二维超声图像序列根据定位点得到的三维空间相对位置，进而得到运动姿态下的脊柱结构信息；

12、对初始姿态下的脊柱结构信息和运动姿态下的脊柱结构信息进行分析，逆向推算运动姿态下不同时刻的脊柱椎体的几何结构和排列的位置信息；

13、基于所述脊柱椎体的几何结构和排列的位置信息，提取椎体几何中心，并计算脊柱的结构特征参数，获得脊柱结构评估结果。

14、与现有技术相比，本发明的优点在于，脊柱动态状态下能够提供脊柱的结构及椎关节运动信息，包括脊柱弯曲度、柔韧性等脊柱特征，而目前还没有通过监测脊柱骨骼动态姿态方式评估脊柱健康的系统或设备，本发明设计了一种可穿戴超声脊柱成像及惯性传感动态姿态设备，通过将柔性超声传感器和惯性传感器直接固定贴附目标测量的脊柱区域，结合三维扫描装置定位初始姿态下的超声换能器标记点的三维空间位置，实现各种姿态下脊柱骨骼形态成像，能够监测脊柱骨骼结构的动态变化，获取运动模式下的脊柱柔韧性、弯曲程度、运动范围等特征，有利于更全面进行脊柱畸形的评估。

15、通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

技术特征：

1.一种可穿戴式脊柱健康动态评估系统，包括：可穿戴设备、超声换能器、惯性传感器、换能器标记点阵列、信号线路、信号传输总线、数据处理与控制中心和三维扫描装置，其中：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声换能器覆盖一层绝缘基底，在所述绝缘基底内包含所述惯性传感器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声换能器是二维阵列超声换能器，行数和列数预先设定。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理与控制中心还经由通信模块连接至终端，以将所评估的脊柱结构信息上传至终端。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可穿戴设备是马甲，该马甲包括前侧、后侧，且在后侧设置自适应弹性基底，在所述自适应弹性基底的靠人体皮肤面上设置所述超声换能器，在所述自适应弹性基底后部设置所述超声换能器标记点阵列和惯性传感器，且所述超声换能器和所述惯性传感器通过导电通路连接至所述信号线路布线层，进而通过所述信号传输总线连接至所述数据处理和控制中心。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述马甲采用弹性衣用纺织布料制成，且在前襟和肩带位置设有松紧部件用于调整松紧度和贴合度。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述自适应弹性基底采用柔性高分子材料制备。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据处理和控制中心内置在所述马甲或设置在所述马甲的外部，所述数据处理和控制中心通过有线或无线方式与外部电子设备通信。

9.一种可穿戴式脊柱健康动态评估方法，包括以下步骤：

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求9所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开一种可穿戴式脊柱健康动态评估系统和方法。该系统中，超声换能器、超声换能器标记点阵列和惯性传感器设在可穿戴设备脊柱区域；超声换能器的激励和采集经由信号线路传输连接至数据处理和控制中心；超声换能器标记点由三维扫描装置获得其在初始静态姿态下的三维空间位置信息；惯性传感器获取超声换能器标记点阵列在运动中的三维旋转信息，相应信号经由信号线路传输连接至数据处理和控制中心；数据处理和控制中心用于将激励信号传输至超声换能器，以控制超声换能器发射超声信号，并基于惯性传感器获取的脊柱姿态信息、超声回波信号以及超声换能器标记点的三维空间位置信息，评估脊柱结构。本发明有利于对脊柱状态进行长期、动态监测。

技术研发人员：王玮,邓新平,萧人菘,李光林,刘志远,雍旭,赵行
受保护的技术使用者：中国科学院深圳先进技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11