基于光纤传感的脊柱侧弯矫形器及其智能穿戴管理系统

本发明涉及脊柱侧弯矫形器的，具体涉及一种基于光纤传感的脊柱侧弯矫形器及其智能穿戴管理系统。

背景技术：

1、目前，硬质矫形器穿戴是脊柱侧弯的保守治疗的最优推荐，且矫形器适配过程中的压力大小与校正效果密切相关。然而，当前的矫形器三点矫正力的设计非常依赖人工经验，临床上往往要求将矫形器佩戴到能耐受的最紧状态，对矫形器佩戴的压力科学性存在盲区。这些矫形器完全缺乏实时数据监测反馈和视患者耐受度的渐进式个性化调节功能。以上问题成为妨碍提高矫形器治疗效果和提高青少年矫形器穿戴依从性的主要痛点。此外，硬质矫形器的穿戴时间往往需要达到每天22小时甚至更久，很容易因局部皮肤受压过久、过大、内衬衣物汗湿等问题，出现局部皮肤青紫、破损甚至感染，严重妨碍矫形器矫正治疗的进行，削弱了脊柱侧弯矫形器的疗效。因此，如何促进佩戴矫形器的青少年人群更精准地接受矫形器矫正治疗并安全舒适穿戴，成为当前亟待解决的问题。

2、虽然已有部分矫形器开始尝试添加压力传感器等监督患者的矫形器穿戴，但并未成为主流，且自身存在缺陷。其所使用的传感器多为金属式的单纯压力传感，往往需要嵌入较厚衬垫，影响穿戴舒适度，且力的反馈过程有所延迟和偏移，并可能会在穿戴矫形器后的x光摄片检查时干扰侧弯脊柱成像。此外，一些监控矫形器穿戴的软件也被研发出来，但受限于传感器及其数据支持元件在数据测量精度和数据传输量上的限制，不管是受力状态模拟还是在数据呈现方面都存在不足。且目前功能较为单一，仅能监控矫形器是否穿戴，并不能提供实时压力反馈为精确个性化压力调节提供建议。

3、光纤传感技术因其体积小、柔韧度高、价格低、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，逐渐应用于生物医学领域，但在脊柱侧弯矫正中的应用仍处于探索阶段。光纤传感除了具备以上优势外，还具备一传多感的功能，即同一根光纤集成的传感器可以同时捕捉压力、湿度、温度等的变化，与传统单一的金属压电传感器、温度传感器和湿度传感器相比，在成本消耗、传感器功能和柔顺度方面具有明确优势。

4、综上所述，为解决上述问题，在开发多模态柔性光纤传感器的基础上开发脊柱侧弯矫形器的多模态数据融合智能穿戴管理系统，推动脊柱侧弯患者的精准个性化矫形器穿戴与智能化管理显得十分重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种基于光纤传感的脊柱侧弯矫形器及其智能穿戴管理系统，能够实时监测反馈患者数据并个性化调节矫形器的矫正力，进而在保证脊柱侧弯矫形器矫正效果同时保障穿戴的舒适度及安全性。

2、为实现上述目的，本发明所提供的一种基于光纤传感的脊柱侧弯矫形器，包括矫形器本体，所述矫形器本体内设置有用于监测肌肉形变的肌肉形变传感器、用于监测压力的柔性压力传感器以及用于监测温度和湿度的温度湿度传感器；

3、所述肌肉形变传感器包括肌肉形变传感器基座和肌肉形变传感器光纤，所述肌肉形变传感器光纤位于肌肉形变传感器基座内部；所述肌肉形变传感器光纤包括两段的正弦段光纤和位于两段正弦段光纤之间的三段依次连接的圆弧形光纤；

4、所述柔性压力传感器包括柔性压力传感器基座和柔性压力传感器光纤，所述柔性压力传感器光纤位于柔性压力传感器基座内部；所述柔性压力传感器光纤包括四段第一圆弧光纤和三段第二圆弧光纤，所述第一圆弧光纤与第二圆弧光纤交替连接；

5、所述温度湿度传感器包括温度湿度传感器基座和温度湿度传感器光纤，所述温度湿度传感器光纤贯穿温度湿度传感器基座的内部，所述温度湿度传感器基座上设置有顶部开口的凹槽，所述凹槽供温度湿度传感器光纤穿过形成温度湿度传感器光纤的暴露区域；所述温度湿度传感器光纤包括第一直线光纤和第二直线光纤，位于暴露区域的第一直线光纤或第二直线光纤上覆盖有湿敏材料层。

6、进一步地，所述肌肉形变传感器光纤的正弦段光纤的驱动函数为：

7、

8、式中，x为坐标系中横坐标值，y为坐标系中纵坐标值。

9、进一步地，所述肌肉形变传感器光纤的圆弧形光纤的半径为8.5mm，所述肌肉形变传感器光纤位于中间的圆弧形光纤的角度为270°，位于两端的圆弧形光纤的角度为240°。

10、进一步地，所述柔性压力传感器光纤的第一圆弧光纤为角度120°、半径为2mm的圆弧形光纤；所述第二圆弧光纤为角度240°、半径为10mm的圆弧形光纤。

11、进一步地，所述第一直线光纤和第二直线光纤从温度湿度传感器基座中穿过并以15°的扭转角度固定。

12、进一步地，位于暴露区域的第一直线光纤或第二直线光纤上设置有裸露部位，所述湿敏材料层覆盖在第一直线光纤或第二直线光纤的裸露部位。

13、再进一步地，所述矫形器本体的背面设置有用于放置电路硬件的安装槽；所述矫形器本体的长度方向两端开设有若干个供绑带穿过的绑带安装孔，所述矫形器本体上还开设有若干个透气孔和用于供传感器穿过的通过孔。

14、更进一步地，所述柔性压力传感器布置在矫形器本体的中部，所述肌肉形变传感器和温度湿度传感器分别布置在矫形器本体的两侧或一侧。

15、本发明还提供一种上述的基于光纤传感的脊柱侧弯矫形器的智能穿戴管理系统，包括光纤解调仪、上位机、数据展示模块以及报警模块；

16、所述光纤解调仪用于接收肌肉形变传感器、柔性压力传感器以及温度湿度传感器监测的肌肉形变、压力、湿度和温度的数据，并通过光纤解调仪进行光电转换处理后传递至上位机；

17、所述上位机用于对光纤解调仪传输的数据进行数据处理，将光纤解调仪输出数据与肌肉形变、压力、湿度和温度的标定数据一同输入到对人体健康监测的回归算法中，建立光纤传感数据与对应物理量的映射模型，对人体的健康状态进行监测解调，并将结果上传至数据展示模块；

18、所述数据展示模块包括手机端、电脑端或网页端中的一种或多种，用于接收和展示上位机传输的数据；

19、所述报警模块用于根据预先设置的肌肉形变范围、压力范围、湿度和温度红线进行报警提醒。

20、进一步地，所述的基于光纤传感的脊柱侧弯矫形器的智能穿戴管理系统，还包括多模态数据模块，所述多模态数据模块用于对光纤解调仪传输的不同形式的数据进行整合分析。

21、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

22、其一，本发明针对目前脊柱侧弯矫形器缺乏有效的数据监测反馈以及视患者耐受度的渐进式个性化调节功能，设计一种基于光纤传感的脊柱侧弯矫形器智能穿戴管理系统实时监测反馈患者数据并个性化调节矫形器的矫正力，进而在保证脊柱侧弯矫形器矫正效果同时保障穿戴的舒适度及安全性。

23、其二，本发明的矫形器设计有肌肉形变传感器、柔性压力传感器、温度湿度传感器三种多模态传感器，通过监测光纤传感器微小形变解算出脊柱侧弯矫形器监测部位的肌肉形变、压力，局部湿度和温度。采集的数据经过数据处理通过多传感融合模块传输至显示端进行可视化显示，为患者提供局部压力、湿度及温度异常提醒功能以及为医师提供关键数据进而为后续治疗提供有效的数据基础。

24、其三，本发明设计的脊柱侧弯矫形器可以为患者提供脊柱侧弯矫正力同时也可进行个性化压力调节；本发明设计的多模态数据融合智能穿戴管理系统可为患者提供异常状态提醒，同时可为用户展示实时压力反馈和多模态数据呈现，为医师后续治疗提供数据支持。

25、其四，本发明的智能穿戴管理系统兼具实时监管反馈并个性化调节矫形器的有效治疗压力，多传感融合进行局部压力、湿度及温度异常提醒功能，在提高矫形器矫正效果的同时保障穿戴的舒适度及安全性。