本發(fā)明涉及脊柱側(cè)彎矯形器的，具體涉及一種基于光纖傳感的脊柱側(cè)彎矯形器及其智能穿戴管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前，硬質(zhì)矯形器穿戴是脊柱側(cè)彎的保守治療的最優(yōu)推薦，且矯形器適配過程中的壓力大小與校正效果密切相關(guān)。然而，當前的矯形器三點矯正力的設(shè)計非常依賴人工經(jīng)驗，臨床上往往要求將矯形器佩戴到能耐受的最緊狀態(tài)，對矯形器佩戴的壓力科學性存在盲區(qū)。這些矯形器完全缺乏實時數(shù)據(jù)監(jiān)測反饋和視患者耐受度的漸進式個性化調(diào)節(jié)功能。以上問題成為妨礙提高矯形器治療效果和提高青少年矯形器穿戴依從性的主要痛點。此外，硬質(zhì)矯形器的穿戴時間往往需要達到每天22小時甚至更久，很容易因局部皮膚受壓過久、過大、內(nèi)襯衣物汗?jié)竦葐栴}，出現(xiàn)局部皮膚青紫、破損甚至感染，嚴重妨礙矯形器矯正治療的進行，削弱了脊柱側(cè)彎矯形器的療效。因此，如何促進佩戴矯形器的青少年人群更精準地接受矯形器矯正治療并安全舒適穿戴，成為當前亟待解決的問題。

2、雖然已有部分矯形器開始嘗試添加壓力傳感器等監(jiān)督患者的矯形器穿戴，但并未成為主流，且自身存在缺陷。其所使用的傳感器多為金屬式的單純壓力傳感，往往需要嵌入較厚襯墊，影響穿戴舒適度，且力的反饋過程有所延遲和偏移，并可能會在穿戴矯形器后的x光攝片檢查時干擾側(cè)彎脊柱成像。此外，一些監(jiān)控矯形器穿戴的軟件也被研發(fā)出來，但受限于傳感器及其數(shù)據(jù)支持元件在數(shù)據(jù)測量精度和數(shù)據(jù)傳輸量上的限制，不管是受力狀態(tài)模擬還是在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方面都存在不足。且目前功能較為單一，僅能監(jiān)控矯形器是否穿戴，并不能提供實時壓力反饋為精確個性化壓力調(diào)節(jié)提供建議。

3、光纖傳感技術(shù)因其體積小、柔韌度高、價格低、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點，逐漸應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，但在脊柱側(cè)彎矯正中的應(yīng)用仍處于探索階段。光纖傳感除了具備以上優(yōu)勢外，還具備一傳多感的功能，即同一根光纖集成的傳感器可以同時捕捉壓力、濕度、溫度等的變化，與傳統(tǒng)單一的金屬壓電傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器相比，在成本消耗、傳感器功能和柔順度方面具有明確優(yōu)勢。

4、綜上所述，為解決上述問題，在開發(fā)多模態(tài)柔性光纖傳感器的基礎(chǔ)上開發(fā)脊柱側(cè)彎矯形器的多模態(tài)數(shù)據(jù)融合智能穿戴管理系統(tǒng)，推動脊柱側(cè)彎患者的精準個性化矯形器穿戴與智能化管理顯得十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于光纖傳感的脊柱側(cè)彎矯形器及其智能穿戴管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測反饋患者數(shù)據(jù)并個性化調(diào)節(jié)矯形器的矯正力，進而在保證脊柱側(cè)彎矯形器矯正效果同時保障穿戴的舒適度及安全性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的一種基于光纖傳感的脊柱側(cè)彎矯形器，包括矯形器本體，所述矯形器本體內(nèi)設(shè)置有用于監(jiān)測肌肉形變的肌肉形變傳感器、用于監(jiān)測壓力的柔性壓力傳感器以及用于監(jiān)測溫度和濕度的溫度濕度傳感器；

3、所述肌肉形變傳感器包括肌肉形變傳感器基座和肌肉形變傳感器光纖，所述肌肉形變傳感器光纖位于肌肉形變傳感器基座內(nèi)部；所述肌肉形變傳感器光纖包括兩段的正弦段光纖和位于兩段正弦段光纖之間的三段依次連接的圓弧形光纖；

4、所述柔性壓力傳感器包括柔性壓力傳感器基座和柔性壓力傳感器光纖，所述柔性壓力傳感器光纖位于柔性壓力傳感器基座內(nèi)部；所述柔性壓力傳感器光纖包括四段第一圓弧光纖和三段第二圓弧光纖，所述第一圓弧光纖與第二圓弧光纖交替連接；

5、所述溫度濕度傳感器包括溫度濕度傳感器基座和溫度濕度傳感器光纖，所述溫度濕度傳感器光纖貫穿溫度濕度傳感器基座的內(nèi)部，所述溫度濕度傳感器基座上設(shè)置有頂部開口的凹槽，所述凹槽供溫度濕度傳感器光纖穿過形成溫度濕度傳感器光纖的暴露區(qū)域；所述溫度濕度傳感器光纖包括第一直線光纖和第二直線光纖，位于暴露區(qū)域的第一直線光纖或第二直線光纖上覆蓋有濕敏材料層。

6、進一步地，所述肌肉形變傳感器光纖的正弦段光纖的驅(qū)動函數(shù)為：

7、

8、式中，x為坐標系中橫坐標值，y為坐標系中縱坐標值。

9、進一步地，所述肌肉形變傳感器光纖的圓弧形光纖的半徑為8.5mm，所述肌肉形變傳感器光纖位于中間的圓弧形光纖的角度為270°，位于兩端的圓弧形光纖的角度為240°。

10、進一步地，所述柔性壓力傳感器光纖的第一圓弧光纖為角度120°、半徑為2mm的圓弧形光纖；所述第二圓弧光纖為角度240°、半徑為10mm的圓弧形光纖。

11、進一步地，所述第一直線光纖和第二直線光纖從溫度濕度傳感器基座中穿過并以15°的扭轉(zhuǎn)角度固定。

12、進一步地，位于暴露區(qū)域的第一直線光纖或第二直線光纖上設(shè)置有裸露部位，所述濕敏材料層覆蓋在第一直線光纖或第二直線光纖的裸露部位。

13、再進一步地，所述矯形器本體的背面設(shè)置有用于放置電路硬件的安裝槽；所述矯形器本體的長度方向兩端開設(shè)有若干個供綁帶穿過的綁帶安裝孔，所述矯形器本體上還開設(shè)有若干個透氣孔和用于供傳感器穿過的通過孔。

14、更進一步地，所述柔性壓力傳感器布置在矯形器本體的中部，所述肌肉形變傳感器和溫度濕度傳感器分別布置在矯形器本體的兩側(cè)或一側(cè)。

15、本發(fā)明還提供一種上述的基于光纖傳感的脊柱側(cè)彎矯形器的智能穿戴管理系統(tǒng)，包括光纖解調(diào)儀、上位機、數(shù)據(jù)展示模塊以及報警模塊；

16、所述光纖解調(diào)儀用于接收肌肉形變傳感器、柔性壓力傳感器以及溫度濕度傳感器監(jiān)測的肌肉形變、壓力、濕度和溫度的數(shù)據(jù)，并通過光纖解調(diào)儀進行光電轉(zhuǎn)換處理后傳遞至上位機；

17、所述上位機用于對光纖解調(diào)儀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，將光纖解調(diào)儀輸出數(shù)據(jù)與肌肉形變、壓力、濕度和溫度的標定數(shù)據(jù)一同輸入到對人體健康監(jiān)測的回歸算法中，建立光纖傳感數(shù)據(jù)與對應(yīng)物理量的映射模型，對人體的健康狀態(tài)進行監(jiān)測解調(diào)，并將結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)展示模塊；

18、所述數(shù)據(jù)展示模塊包括手機端、電腦端或網(wǎng)頁端中的一種或多種，用于接收和展示上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

19、所述報警模塊用于根據(jù)預先設(shè)置的肌肉形變范圍、壓力范圍、濕度和溫度紅線進行報警提醒。

20、進一步地，所述的基于光纖傳感的脊柱側(cè)彎矯形器的智能穿戴管理系統(tǒng)，還包括多模態(tài)數(shù)據(jù)模塊，所述多模態(tài)數(shù)據(jù)模塊用于對光纖解調(diào)儀傳輸?shù)牟煌问降臄?shù)據(jù)進行整合分析。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

22、其一，本發(fā)明針對目前脊柱側(cè)彎矯形器缺乏有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測反饋以及視患者耐受度的漸進式個性化調(diào)節(jié)功能，設(shè)計一種基于光纖傳感的脊柱側(cè)彎矯形器智能穿戴管理系統(tǒng)實時監(jiān)測反饋患者數(shù)據(jù)并個性化調(diào)節(jié)矯形器的矯正力，進而在保證脊柱側(cè)彎矯形器矯正效果同時保障穿戴的舒適度及安全性。

23、其二，本發(fā)明的矯形器設(shè)計有肌肉形變傳感器、柔性壓力傳感器、溫度濕度傳感器三種多模態(tài)傳感器，通過監(jiān)測光纖傳感器微小形變解算出脊柱側(cè)彎矯形器監(jiān)測部位的肌肉形變、壓力，局部濕度和溫度。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理通過多傳感融合模塊傳輸至顯示端進行可視化顯示，為患者提供局部壓力、濕度及溫度異常提醒功能以及為醫(yī)師提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)進而為后續(xù)治療提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

24、其三，本發(fā)明設(shè)計的脊柱側(cè)彎矯形器可以為患者提供脊柱側(cè)彎矯正力同時也可進行個性化壓力調(diào)節(jié)；本發(fā)明設(shè)計的多模態(tài)數(shù)據(jù)融合智能穿戴管理系統(tǒng)可為患者提供異常狀態(tài)提醒，同時可為用戶展示實時壓力反饋和多模態(tài)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，為醫(yī)師后續(xù)治療提供數(shù)據(jù)支持。

25、其四，本發(fā)明的智能穿戴管理系統(tǒng)兼具實時監(jiān)管反饋并個性化調(diào)節(jié)矯形器的有效治療壓力，多傳感融合進行局部壓力、濕度及溫度異常提醒功能，在提高矯形器矯正效果的同時保障穿戴的舒適度及安全性。