一种电子脊柱测量椅及其测量方法技术

本发明专利技术公开了一种电子脊柱测量椅及其测量方法，电子脊柱测量椅包括座椅、弹性椅背、薄膜压力传感器、姿态传感器、模拟信号调理模块、数据处理模块、电源模块、显示模块、通信模块、存储模块、交互按键。本发明专利技术在测量椅背中线上设置了多个测量点，每个测量点安装有薄膜压力传感器和姿态传感器，采集坐在测量椅上被测人的背部脊柱状态。薄膜压力传感器采集弹性椅背与被测人脊柱接触点的压力值，姿态传感器测量弹性椅背与被测人脊柱接触点航向角、俯仰角和翻滚角，数据处理模块对这些数据进行处理，可以综合形成脊柱的立体形态，从而判别被测人有无脊柱侧凸、后凸等脊柱畸形状况。

An Electronic Spine Measuring Chair and Its Measuring Method

【技术实现步骤摘要】
一种电子脊柱测量椅及其测量方法
本专利技术涉及一种测量脊柱状态的测量椅，属于辅助医疗测量领域。
技术介绍
脊柱畸形是影响人类健康的一大顽疾，尤其常见于青少年、儿童，因此如何及时的检测到脊柱畸形并给予治疗就成为了一个亟待解决的问题。传统的评估脊柱形态的主要方法是X线测量，但是X线测量需要对被测人进行前屈后伸位、胸椎和腰椎的多次拍摄，对被测人会产生一定的放射性危害，对于儿童和青少年的危害尤为严重。CT测量和MRI测量等方法也均有放射性或操作不便等问题。因此，国内外一直致力于研究无放射性、简便的脊柱形态测量方法。目前比较常见的有超声波测量法和三维电子重力角度感应技术法。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有测量脊柱形态方法的缺陷，本专利技术旨在提供一种测量脊柱状态的测量椅，可以无放射性地、较为简便地测量人体脊柱形态，并对常见的脊柱畸形做出初步判断。技术方案：一种电子脊柱测量椅，其特征在于包括座椅、与所述座椅呈大于90度的夹角相连的可以产生弹性形变的弹性椅背、等间距安装在所述弹性椅背上的多组传感器以及与所述多组传感器电连接的主电路板及显示模块；每组传感器由一个薄膜压力传感器和一个姿态传感器组成，所述姿态传感器安装在所述薄膜压力传感器上面；所述薄膜压力传感器采集弹性椅背与被测人脊柱接触点的压力值数据，所述姿态传感器测量弹性椅背与被测人脊柱接触点的航向角、俯仰角和翻滚角数据，主电路板及显示模块对这些数据进行处理，判断被测人的脊柱形态。电子脊柱测量椅的测量方法，其特征在于包括如下步骤：读取各薄膜压力传感器数值，计算对应测量点弹性椅背形变量，根据形变量确定脊柱生理曲度特征点，确定被测人脊柱长度，根据比例将被测人脊柱划分为骶骨、腰椎、胸椎、颈椎四段，得到脊柱侧视曲线；读取各姿态传感器数值，对被测人腰椎段到胸椎段各姿态传感器测得的航向角循环做差，取最大的两个差值绝对值Yawm、Yawn，当|Yawm-Yawn|≥侧凸Cobb角阈值，判断被测人有脊柱侧凸可能；对被测人胸椎段各姿态传感器测得的俯仰角循环做差，取最大的两个差值绝对值Pitchs、Pitcht，当|Pitchs-Pitcht|≥后凸Cobb角阈值，判断被测人有脊柱后凸可能。本专利技术的电子脊柱测量椅，根据人体脊柱的特点，在测量椅背上等间距设置多组传感器，通过薄膜压力传感器得到弹性椅背与被测人脊柱接触点的压力值数据，经数据处理模块处理后可以检测被测人背部侧视情况，确定被测人脊柱长度，划分被测人脊柱区域，通过姿态传感器可以得到弹性椅背与被测人脊柱接触点的航向角、俯仰角和翻滚角数据，经数据处理模块处理后，可以检测被测人背部三维角度状态，可以实现Cobb角检测，经数据处理模块处理后，可以断定被测人的脊柱侧凸与脊柱后凸情况，从而得到人体脊柱整个形态情况并进行显示，对脊柱畸形情况进行初步判断。本专利技术的脊柱测量椅无放射性危害，结构简单，操作简便，可以实现对被测人脊柱状况的自动检测，无需培训专业的操作人员，既可以节约人力成本，还可以提高检测精度，避免操作人员造成的测量误差。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；其中1是座椅，2是椅背，3是传感器组，4是座椅侧面扶手，5是主电路板及显示模块图2是本专利技术中姿态传感器和薄膜压力传感器结构图；其中③⑤为垫片，①为半球型垫片②为姿态传感器④为薄膜压力传感器图3是本专利技术中薄膜压力传感器阻值与压强函数关系图；图4是本专利技术中压强与弹性椅背形变量函数关系图；图5是本专利技术中被测人在检测时的侧视图；图6是本专利技术中被测人脊柱分段图；图7是本专利技术中姿态传感器采样值分布图；图8是本专利技术中姿态传感器采样值N(μaccz,σaccz2)正态分布图；图9是本专利技术中关于Cobb角定义的示意图；图10是本专利技术检测被测人是否有脊柱侧凸的示意图；图11是本专利技术检测被测人是否有脊柱后凸的示意图；图12是主电路板及显示模块的电路框图；图13是测量方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，是本专利技术电子脊柱测量椅的结构示意图，包括座椅1和弹性椅背2，椅背与座椅呈大于90度的夹角相连，椅背可以产生弹性形变，具有支持形变的足够厚度。椅背上表面的中心线上等间距安装了20组传感器，编号1～20，安装中心距为40mm。这20组传感器电连接至安装在座椅侧面扶手4上的主电路板及显示模块5。如图2，每组传感器由一个薄膜压力传感器和一个姿态传感器组成，姿态传感器和薄膜压力传感器尺寸均为20mm*15mm左右。姿态传感器安装在薄膜压力传感器上面，二者通过垫片和高强度粘合剂固定连接。薄膜压力传感器底面通过垫片使用EPE专用粘合剂粘合在弹性椅背上，姿态传感器上方用高强度粘合剂粘结半球形垫片，可以使传感器与被测人背部更好的贴合。薄膜压力传感器采集弹性椅背与被测人脊柱接触点的压力值，将模拟信号通过AD转换电路传送到数据处理模块，姿态传感器测量弹性椅背与被测人脊柱接触点航向角、俯仰角和翻滚角，并通过IIC总线将数据传送到数据处理模块。数据处理模块对弹性椅背的不同测量点的压力值分析从而得到椅背的形变量，结合姿态传感器测量到的航向角、俯仰角和翻滚角，综合形成脊柱的立体形态，从而判别被测人有无脊柱侧凸、后凸等脊柱畸形状况。图3为薄膜压力传感器阻值与压强关系图。在将薄膜压力传感器安装在测量椅椅背前，首先要对薄膜压力传感器进行标定，确定阻值-压强曲线近似的函数关系。使用活塞式压力计，在薄膜压力传感器测量量程内，每次添加一定重量的砝码，记录每个测量点的阻值r与压强p，得到A1(r1，p1)、A2(r2，p2)、A3(r3，p3)、A4(r4，p4)……An(rn，pn)等n个测量点，然后利用Matlab的多项式拟合指令来进行拟合。令：xdata＝[r1r2r3r4……rn]ydata＝[p1p2p3p4……pn]a＝polyfit(xdata,ydata,k)polyfit是Matlab中用于曲线拟合的函数，数学基础是最小二乘法曲线拟合原理。polyfit(xdata,ydata,k)中k表示拟合的多项式的最大幂次。运行后即可得到a＝[akak-1ak-2……a0]，拟合的r-p函数p＝f(r)曲线为：p＝f(r)＝akrk+ak-1rk-1+ak-2rk-2+…+a1r+a0对于曲线拟合中多项式的最大幂次k，由于薄膜压力传感器阻值与压力关系曲线较为简单且幂次过高可能会有过拟合现象，因此k取2～5即可有较好的拟合效果。关于k的取值，可以使用拟合曲线的SSE(误差平方和)值来选取。SSE为拟合数据和原始数据对应点的误差平方和，公式如下：其中wi为每个对应点的权重，默认为1。SSE越接近0，说明拟合曲线越接近原始数据，拟合效果越好。分别计算k＝2,3,4,5时拟合曲线的SSE，取SSE值最小的k和对应拟合函数作为最终结果。经过试验，选取k＝3，a＝[-0.06941.5944-12.352833.4582]。图4为弹性椅背形变量与压强关系图。弹性椅背厚度为200mm，材料为低密度EPE(可发性聚乙烯)，使用电子压力试验机给安装在弹性椅背上的薄膜压力传感器施加一定的压强，并读取电子压力试验机的压缩距离。由人体体重及弹性椅背接触面积可以计算得到人体对椅背的压强约为0～5kpa，因此电子压力试验机的设定压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子脊柱测量椅，其特征在于包括座椅、与所述座椅呈大于90度的夹角相连的可以产生弹性形变的弹性椅背、等间距安装在所述弹性椅背上的多组传感器以及与所述多组传感器电连接的主电路板及显示模块；每组传感器由一个薄膜压力传感器和一个姿态传感器组成，所述姿态传感器安装在所述薄膜压力传感器上面；所述薄膜压力传感器采集弹性椅背与被测人脊柱接触点的压力值数据，所述姿态传感器测量弹性椅背与被测人脊柱接触点的航向角、俯仰角和翻滚角数据，主电路板及显示模块对这些数据进行处理，判断被测人的脊柱形态。

【技术特征摘要】
1.一种电子脊柱测量椅，其特征在于包括座椅、与所述座椅呈大于90度的夹角相连的可以产生弹性形变的弹性椅背、等间距安装在所述弹性椅背上的多组传感器以及与所述多组传感器电连接的主电路板及显示模块；每组传感器由一个薄膜压力传感器和一个姿态传感器组成，所述姿态传感器安装在所述薄膜压力传感器上面；所述薄膜压力传感器采集弹性椅背与被测人脊柱接触点的压力值数据，所述姿态传感器测量弹性椅背与被测人脊柱接触点的航向角、俯仰角和翻滚角数据，主电路板及显示模块对这些数据进行处理，判断被测人的脊柱形态。2.根据权利要求1所述的电子脊柱测量椅，其特征在于：所述多组传感器安装在所述弹性椅背上表面的中心线上。3.根据权利要求1所述的电子脊柱测量椅，其特征在于：所述主电路板及显示模块包括数据处理模块、模拟信号调理模块、电源模块、显示模块、通信模块、存储模块、交互按键；所述模拟信号调理模块与所述薄膜压力传感器电连接，所述数据处理模块分别与所述模拟信号调理模块、姿态传感器、电源模块、显示模块、存储模块、通信模块、交互按键电连接。4.根据权利要求3所述的电子脊柱测量椅，其特征在于：所述电源模块的输入电压为5V直流电源输入或4节干电池提供的6V输入或4节充电电池提供的4.8V输入，经过稳压芯片稳压后，转化为3.3V的直流电供给各电路模块。5.根据权利要求3所述的电子脊柱测量椅，其特征在于：所述通信模块包括RS232/485电压匹配芯片和WIFI/蓝牙芯片，用于和上位机进行通信，所述上位机接收数据处理模块上传的数据，显示被测人脊柱的健康状况和三维形态。6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：费树岷，翟军勇，钟建洋，
申请(专利权)人：南京东奇智能制造研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32