基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备与系统

1.本公开涉及医疗检测技术，尤其涉及一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康评估与监测系统。

背景技术：

2.脊柱健康是当前危害青少年健康的一项重大问题，以特发性脊柱侧弯为代表的脊柱畸形在青少年中有着很高的发病率，给青少年身心健康和社会经济发展带来严重负面影响。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筛查中，通常是以视觉评估体表形态为主，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。而进一步的医学影像检查，其往往也是主要关注脊柱的骨骼结构。对可能导致脊柱健康的神经肌肉信息的评估较少关注，目前也没有评估长期过程中(日常活动或治疗过程中)脊柱神经肌肉生理信息动态变化过程的高效方法。
3.肌电能够反应人体的神经肌肉电生理信息，目前有多项国内外研究证实具有脊柱异常的人(如脊柱侧弯、腰背痛、肌肉痉挛等)其背部肌肉会呈现异常的肌电活动特性，因而可对于评估脊柱健康提供丰富信息。由于无法预先判断产生病变的脊柱方位，肌电信息的获取应覆盖到大面积背部区域。但对现有的一些单点电极(如发明专利一种应用背部表面肌电测试的脊柱侧弯检测装置及方法，申请号202110169448.6)，若应用到大面积背部肌肉的检测时则存在布置耗时长、效率低下的问题。对目前已有的一些高密度电极阵列的发明(发明专利一种超薄多孔可拉伸薄膜电极的制备方法，申请号202110215869.8)，由于背部大面积肌电检测时需要裸露整个躯干，也为青少年脊柱健康筛查带来许多不便和心理负担，也没有办法专门用于大面积背部肌肉长期检测。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(如脊柱侧弯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是非常耗时耗力的。目前尚没有可长期监测脊柱健康的系统或设备，也尚没有技术方法提出如何应用肌电信号长期高效地监测脊柱肌肉活动。
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。而医学影像评估虽可提供高精度的骨骼信息，但医学影像存在辐射、过程耗时、场地要求多、经济成本高的问题，不适宜用于长期的日常脊柱健康监测和高频率的治疗效果追踪。现有的肌电检测技术还停留在实验室研究阶段，因单次肌电布置时间长，需专业的人员进行特定程序的数据处理和分析，无法长期便捷地直接应用于脊柱神经肌肉电生理动态变化的评估、监测和预警。

技术实现要素：

5.针对上述现有技术，本发明提出基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备与系统，目的如下：
6.(1)提出一种可穿戴式背部表面肌电测量的监测设备，实现大面积背部多通道肌电的快速布置和贴附，同时易于穿脱和长期佩戴。
7.(2)能采集肌电数据，并可通过监测设备或系统进行实时数据自动处理和分析，评估脊柱活动；
8.(3)能长期监测日常动态运动或康复治疗中背部左右两侧肌电信息；
9.(4)针对有风险情况，基于背部肌电信息，对异常脊柱肌电活动实时预警。
10.为了实现上述部分或全部目的，本发明提出下述技术方案：
11.一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备，监测设备包括弹性基底和上衣，弹性基底固定在上衣的后衣片上；在弹性基底上有对称分布的多通道肌电采集电极点；使用时，通过穿戴上衣使弹性基底贴合背部固定。
12.在上述技术方案中，针对现有筛查和评估方式，本发明的可穿戴脊柱健康监测设备，是一种用于大面积背部神经肌肉生理信息采集的便捷工具，解决了目前缺少神经肌肉信息获取设备的问题。该可穿戴脊柱健康监测设备，通过将大面积多通道弹性基底肌电采集电极制成可穿戴衣物或者与支具等结合，穿戴在人体上，能够用于实时记录人体背部肌肉在各种场景时的动态背部肌肉电生理信息，实现对脊柱活动进行实时监测。
13.作为上述技术方案的进一步改进，在一种实施方式中，上衣具体为马甲，包括通过连接件连接的马甲前身部分和马甲后身部分，所述连接件能够调节马甲前身部分和马甲后身部分之间连接距离，以便根据不同体型调整马甲的松紧度和与背部的贴合度。
14.在上述技术方案中，所述连接件包括下述任一种或多种组合：魔术贴、松紧带、可系绑带、可调长度的插扣、带有扣眼或无扣眼的有弹性或没弹性的绳带与扣子组合。
15.作为上述技术方案的进一步改进，所述弹性基底具有黏性或吸附性，能够反复使用。
16.作为上述技术方案的进一步改进，所述电极点通过导电通路与信号接口相连，通过信号接口能够将采集的肌电信号导出，通过采用信号接口与肌电信号的存储设备或数据处理设备相连，便于监测设备的使用、维护和灵活组装。
17.作为上述技术方案的进一步改进，所述信号接口通过信号传输总线将采集的肌电信号传输给总控制器；所述总控制器用于启动监测设备进行肌电信号采集并记录，其包括数据处理模块；
18.所述数据处理模块对采集肌电数据进行实时数据自动处理和分析，利用肌电信号获取异常判断指标，所述异常判断指标用于判断脊柱左右侧肌肉活动是否异常。所述异常判断指标的一种实施方式，是通过计算在左右侧肌肉应该同等发力的脊柱对称性活动中是否有失平衡的对称性指标，以评估脊柱活动，实现实时监测。
19.作为上述技术方案的进一步改进，所述总控制器包括通讯传输模块；所述通讯传输模块，通过无线或蓝牙传输，将肌电信号数据、或计算的异常判断指标等传输至手机或云端等终端，方便专业人士在终端上远程查看具体的肌电时空分布信息，结合大数据和机器学习等方法，根据肌电变化综合评估脊柱是否健康或异常。
20.在上述监测设备的技术方案中，以计算对称性指标为例，所述数据处理模块进行的操作包括：对背部多通道表面肌电原始信号进行数据处理，包括进行如20-30hz带通滤波、工频陷波等、去除心电信号干扰等，然后获取设定时间窗内每条水平线上背部中线两侧
的肌电均方根值。在一种实施方式中，时间窗设定为1秒，并将左右两侧均方根之和的比值作为对称性指标。
21.作为上述技术方案的进一步改进，所述总控制器通过设置蜂鸣器，在出现异常肌电活动时发出预警信号，用于提示脊柱左右侧肌肉活动异常，避免可能导致异常肌电活动的风险等。蜂鸣器可以使用振动器或指示灯代替。
22.为了实现上述部分或全部目的，本发明还提出下述技术方案：
23.一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测系统，所述系统包括终端和下述任一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备；
24.(1)一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备，监测设备包括弹性基底和上衣，弹性基底固定在上衣的后衣片上；在弹性基底上有对称分布的多通道肌电采集电极点；使用时，通过穿戴上衣使弹性基底贴合背部固定。
25.(2)一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备，在(1)的基础上，所述上衣为马甲，包括通过连接件连接的马甲前身部分和马甲后身部分；所述连接件能够调节马甲前身部分和马甲后身部分之间的连接距离，以便根据不同体型调整马甲的松紧度和贴合度。
26.(3)一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备，在(2)中，所述连接件包括下述任一种或多种组合：魔术贴、松紧带、可系绑带、可调长度的插扣、带有扣眼或无扣眼的有弹性或没弹性的绳带与扣子组合。
27.(4)一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备，在(1)的基础上，所述弹性基底具有黏性或吸附性，能够反复使用。
28.并且，无论是哪种可穿戴脊柱健康监测设备，可穿戴脊柱健康监测设备中的电极点均通过导电通路连接到信号接口，通过信号接口将采集的肌电信号导出；所述信号接口通过信号传输总线将采集的肌电信号传输给采集系统总控制器；所述系统总控制器包括数据处理模块、通讯传输模块、预警模块；所述数据处理模块利用肌电信号获取异常判断指标，所述异常判断指标用于判断脊柱左右侧肌肉活动是否异常；通过所述通讯传输模块，能够将肌电信号数据以及异常判断指标传输至终端；当异常判断指标表示脊柱左右侧肌肉活动异常时，所述预警模块进行预警提示。
29.在上述技术方案中，所述系统可用于长期多场景下脊柱健康的监测，甚至预警，避免可能导致异常肌电活动的风险等。系统中的可穿戴监测设备是一种用于大面积背部神经肌肉生理信息检测的便捷工具，填补了目前缺失的神经肌肉信息的评估空白，能够根据不同体型调整监测设备的松紧度和贴合度，方便佩戴；当监测设备佩戴在人体上时，能够实时有效采集不同体型的背部肌电信号，并基于背部肌电信息获取异常判断指标，根据异常判断指标评估脊柱左右侧肌肉活动是否存在异常，从而实现对脊柱活动进行实时监测；通过给监测设备配置预警模块，比如蜂鸣器，当出现异常肌电活动时，通过预警模块发出预警信号，提示脊柱左右侧肌肉活动存在异常。监测设备采集的数据可同时上传至手机端或云端存储，并供专业人士进行脊柱健康远程评估。相较常规脊柱健康筛查时，仅视觉评估脊柱体表形态，或者医学影像评估的骨性结构，本发明提出系统增加了对目前缺少的脊柱神经肌肉生理信息的评估，且将监测系统制作为可穿戴设备的形式，使用方便，便于长期多场景下使用，可作为高效且低成本的工具，用于脊柱健康筛查和日常脊柱活动的实时监测与预警。
30.作为上述技术方案的进一步改进，所述采集系统总控制器若位于监测设备上，则可实时对脊柱进行监测和报警。若位于终端，可使监测设备轻便，将数据通过无线传输至终端，可实现远程监测和报警。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1、一个实施例中将监测设备制成马甲的关于带有弹性基底部分的示意图；
33.图2、一个实施例中将监测设备制成马甲的前身部分的示意图；
34.图中，1为马甲后身部分；2为电极点；3为导电通路；4为信号接口；5为信号传输总线；6为总控制器；7为防尘贴纸；8为马甲前身部分；9为魔术贴或调节松紧纽带。
具体实施方式
35.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
36.本发明提供一种基于多通道肌电的可穿戴脊柱健康监测设备，在监测设备中，包用于采集肌电信号的电极点，电极点有多个，对称分布在弹性基底上。通过将弹性基底固定在上衣上，可实现方便穿戴。上衣形式可多种多样，其作用在于方便穿脱，且在穿戴上后，将弹性基底紧贴背部固定，使电极点对称分布在人体背部脊柱两侧。当监测设备启动后，能够实时记录人体背部肌肉在各种场景时的动态背部肌肉电生理信息，实现对脊柱活动进行实时监测。
37.在不用监测设备时，使用防尘贴纸覆盖弹性基底上，用于保护电极采集点。通过使弹性基底具有黏度或吸附性，能够使弹性基底反复使用。当使用时，揭掉弹性基底上的防尘贴纸，使用酒精清洁背部以及弹性基底的内面，然后穿戴监测设备，将弹性基底及电极黏贴或吸附在穿戴者后背，并使弹性基底的对称轴与背部脊柱中线保持一致。
38.对电极点采集的肌电信号，经过导电通路导出至能够进行数据处理的设备。肌肉活动异常的异常可能有多种情形，但在日常运动情形中，人体背部脊柱左右两侧的肌电信号互相对称，即便是在行走或者跑步等周期运动中，在一定时间内左右两侧的各自肌电活动的总和也是维持动态平衡的。因此，在一种评估脊柱两侧肌肉活动是否异常的方式中，是利用左右两侧肌电信号的对称性，通过对称性指标评估脊柱活动的左右平衡性，但评估异常肌电活动的异常判断指标不仅限于此。
39.当异常判断指标为对称性指标时，其一种获取方式是计算每水平线上背部脊柱中线左侧电极比右侧电极的肌电均方根之和的比值，将比值作为评估脊柱是否失衡的对称性指标。比值越接近1表示肌电的左右对称性越好，越接近0或越大于1，则认为有明显的左右肌电活动不对称。将均方根比值区间[0.5，2]设置为正常区间(即两倍差距内的范围)，落在其他范围则有脊柱活动失平衡的可能。故数据处理的设备在对采集的背部多通道表面肌电原始信号进行数据处理时，包括的操作如20-30hz带通滤波、工频陷波、去除心电信号，然后
取设置的一定时窗内的肌电均方根值，并进行对称性指标计算。时窗大小可调整设置，在一个具体实施例中为1s。上述量化肌肉活动的数据分析方法，或者计算肌电活动的异常判断指标的过程，在数据处理的设备中是可调整变更的，当数据处理的设备用软件程序实现数据处理时，只需重新加载新的程序，而不影响监测设备的结构和元件组成。
[0040]
若将监测设备与数据处理的设备通过信号接口相连，可方便监测设备的维护和灵活组装。
[0041]
若将数据处理的设备作为一个数据处理模块，与通讯模块集成一起，则能够通过通讯模块将采集的肌电数据、获取的异常判断指标、或者用于获取异常判断指标的过程数据，以无线或蓝牙传输方式传输给终端存储或使用。终端可以是手机、电脑、平板、智能手表、智能手环、云端服务器等。佩戴者或者专业评估人员可在终端上查看具体的肌电时空分布信息，结合大数据和机器学习等方法，综合评估佩戴者长期以来的肌电信号变化，进而评估脊柱健康水平。终端可存储这些数据。当终端支持显示图时，可显示监控时间内的肌电信号变化图。以上述的对称性指标为例，终端可展示将各通道均方根值按照肌电电极阵列的排列顺序绘制均方根地形图。
[0042]
若在集成数据处理模块和通讯模块的基础上，进一步将预警模块添加集成；或者将数据处理模块与预警模块集成在一起，则可实现在实时评估或监测中，在设定的一定时间内，当出现某水平肌电活动异常时，比如左右对称性指标长时间处于非正常区间，通过预警模块中的蜂鸣器或震动器发出警告，用于提示脊柱左右侧肌肉活动异常。预警也可通过不同颜色灯光闪烁。若集成中有通讯模块，还可实现远程预警提示。预警模块的提示功能可开启也可关闭。设定的一定时间可以是10分钟，30分钟，45分钟，60分钟等等。
[0043]
集成后的数据处理模块和通讯模块、或者集成后的数据处理模块、通讯模块和预警模块、或者集成后的数据处理模块与预警模块，可位于监测设备上，也可不在监测设备上。
[0044]
在一种实施方式中，可穿戴脊柱健康监测设备的上衣为马甲，包括前身部分和后身部分。马甲后身部分示意图如图1所示。马甲后身部分(1)上缝有大面积的弹性基底，弹性基底上分布有多通道的电极点(2)，在马甲背部中部两侧对称分布。当佩戴马甲时，电极点均匀分布在脊柱两侧，用于采集脊柱左右两侧肌肉活动的肌电信号，而弹性基底使其适用于不同体型。马甲能够实时记录人体背部肌肉在各种场景时的动态背部肌肉电生理信息，记录场景不限，可为日常行走、坐、立、跑步等等。基于背部肌电信息能够用于计算评估脊柱左右侧肌肉活动是否有异常，以便对脊柱活动进行实时监测。在一种实施方式中，弹性基底采用表面肌电薄膜制成，通过使用薄膜，可以方便地粘贴到被测者的背上，且由于薄膜本身的柔软贴附性，不易从被测者的身上脱落。但本发明不限于此，也可选择其它柔性材料制备弹性基底，也不限弹性基底的制备方法。马甲后身部分采用具有弹性的衣用纺织布料制成，采用通过缝制、印制或者黏贴方式，将弹性基底固定在马甲后身部分。当使用马甲时，揭掉电极上覆盖的防尘贴纸(7)，使弹性基底位于马甲后身部分和人体背部之间，并且使弹性基底贴合人体背部固定。
[0045]
图1中示意的一种集成方式，是将数据处理模块、通讯模块和预警模块集成在马甲后身部分的总控制器中。打开总控制器(6)的开关，启动监测设备工作，监测设备开始采集并记录肌电信号。每个电极点(2)采集到的电信号通过导电通路(3)经信号接口(4)经信号
传输总线(5)传输到一个总控制器(6)处理，继而可通过通讯模块，以无线或蓝牙方式传输数据至终端进行存储或监控或实时评估。若监控或实时评估中发现在设定的一定时间内，出现某水平肌电指标长时间处于异常状态，则预警模块的蜂鸣器或震动器会发出警告，或者进行灯光闪烁提示，提示脊柱左右侧肌肉活动失衡。设定的一定时间，比如10分钟，15分钟，20分钟等等。
[0046]
在马甲后身部分的基础上，马甲前面主要为实现将马甲进行固定和松紧调整。其前面可以是背带、绑带或它们的变形形式。图2示意一种将马甲前身部分做成马甲衣服的形式。在图2中，马甲前身部分(8)用具有弹性的衣用纺织布料制成，通过肩带和前片连接处使用连接件，马甲前身部分由左右两部分构成，左右两部分通过第一连接件构成，马甲前身部分和马甲后身部分的肩部通过肩带使用第二连接件连接。第一连接件、第二连接件可以为魔术贴或调节松紧纽带(9)，如图2所示。第一连接件、第二连接件还可以是可调节带子长度的插扣、或者具有一定长度的带子用于系带等。
[0047]
综上，本发明中的监测设备的上衣不限于马甲，还可以是开衫短袖，长袖等。监测设备的使用也不限于脊柱健康的日常监测，还可以用于脊柱矫正时对脊柱活动的实时监测，此时可把检测设备的弹性基底嵌套在脊柱矫形之具内。在应用过程中，根据活动范围和应用场景，本发明所需电源可以是可更换电池或充电电池，也可以是通过线缆方式连接其它电源。
[0048]
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

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