基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备及方法

技术领域

本发明属于颈椎康复治疗技术领域，尤其涉及一种基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备及方法。

背景技术

目前现代人们普遍存在长时间低头伏案工作、使用手机、电脑等习惯，加上工作压力大、生活节奏快，导致颈椎病的发病率逐年增加。颈椎病的高发病率是驱动颈椎治疗设备增长的主要因素之一。传统的非手术治疗方法包括药物治疗、理疗、推拿治疗、牵引治疗等。随着康复医学的不断发展，新的物理治疗技术在传统方法的基础上得到了发展，并在颈椎病治疗中展现出独特的优势。其中肌肉能量技术MET是一种以能量为基础的治疗方法，其目的是通过训练特定肌肉来调节异常肌张力，增强相应区域的肌肉力量和稳定性，改善肌肉骨骼系统的功能，缩减治疗周期。肌肉能量技术（MET）在康复治疗领域表现出一定的有效性，然而与传统治疗方法相比，仍依赖医师进行专业的引导治疗，缺乏自主操作性，使得该肌肉能量技术的应用普及性不高。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种自主操作性强、康复治疗效果好的基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备及方法。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备，包括头部支撑、VR眼镜、头部护垫、颈部支撑、颈部护垫、肌电传感器、斜方肌支撑、斜方肌按摩气垫、背板、肩带、肩部支撑、肩部按摩气垫、腰带、背部护垫、中推杆支撑、左推杆支撑、右推杆支撑、上推杆支撑、万向节、电动推杆、控制器，所述头部支撑前部固定安装在VR眼镜两侧，所述头部支撑内侧设置有头部护垫，所述头部支撑下部固定有颈部支撑，所述颈部支撑内侧设置有颈部护垫，所述颈部护垫上左右对称安装有肌电传感器，所述颈部支撑下部对称铰接两个斜方肌支撑，所述斜方肌支撑内侧设置有斜方肌按摩气垫，所述两个斜方肌支撑下部对称安装在背板上侧中部，所述背板上侧的左部、右部均通过两肩带对称安装肩部支撑，所述肩部支撑内侧设置有肩部按摩气垫，所述背板上侧左部固定背带一端，所述背带另一端穿过左侧肩部按摩气垫固定在背板左下部，所述背板上侧右部固定背带一端，所述背带另一端穿过右侧肩部按摩气垫固定在背板右下部，所述背板下部安装有腰带，所述背板内侧设置有背部护垫，所述背板外侧中部设置有中推杆支撑，所述背板外侧左部、右部对称固定有左推杆支撑、右推杆支撑，所述颈部支撑外侧安装有上推杆支撑，所述中推杆支撑通过万向节连接电动推杆首端，所述电动推杆末端通过万向节连接上推杆支撑中部，所述左推杆支撑通过万向节连接电动推杆首端，所述电动推杆末端通过万向节连接上推杆支撑左部，所述右推杆支撑通过万向节连接电动推杆首端，所述电动推杆末端通过万向节连接上推杆支撑右部，所述中推杆支撑外侧中部设置有控制器，所述控制器通过背板中信号线连接肌电传感器、电动推杆。

进一步，所述中推杆支撑外侧下部设置有开机按钮。

进一步，所述控制器型号为STM32F103C8T6型号单片机，所述VR眼镜为OculusQuest 2 型号VR一体机，所述电动推杆为Linak-LA20型号的直线推杆。

进一步，所述肌电传感器个数至少为四个，所述肌电传感器型号为ErgoLAB。

进一步，所述背板外侧左上部、右上部对称安装有凹槽扶手。

进一步，所述头部支撑的材质是聚氨酯发泡材料，所述颈部支撑的材质是医用硅胶，所述斜方肌支撑的材质是聚碳酸酯材料，所述背板的材质是ABS塑料，所述肩部支撑的材质是聚氨酯发泡材料。

进一步，所述头部护垫、颈部护垫的材质均为聚氨酯发泡材料，所述斜方肌按摩气垫、背部护垫、肩部按摩气垫的材质均为软质泡沫材料。

如上所述的基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、中推杆支撑、左推杆支撑、右推杆支撑上的电动推杆通过颈部支撑推动颈部护垫、肌电传感器、斜方肌按摩气垫对用户颈椎位置定位；

步骤2、肌电传感器采集测试颈部肌肉能量的肌电信号并将该信号传输至控制器，控制器先对肌电信号进行滤波去噪，再提取肌电幅值、肌电频率、肌电时域特征、频域特征这四个特征参数，最后将提取的特征参数与数据库中正常及非正常的颈部肌电信号进行比较，建立对应的用户颈部三维数字孪生模型；

步骤3、控制器根据用户颈部三维数字孪生模型读取数据库中对应的颈椎训练方案，并将该训练方案映射为对应的虚拟现实游戏，再通过VR眼镜中的虚拟现实游戏引导用户进行相应方式的主动对抗训练。

进一步，步骤2中建立对应的用户颈部三维数字孪生模型，进一步包括，

首先，基于肌电传感器测得的用户颈部各肌肉张力，依据 Hill 肌肉模型建立颈部各肌肉张力作用下肌肉骨骼模型，并依据力矩臂和旋转轴的几何特性确定关节力矩；然后，使用颈部多关节动力学分析来计算关节运动加速度和运动位置；最后，将关节运动加速度和运动位置的计算模型写入脚本，并在Unity3D环境下挂载到颈部多关节三维几何模型，从而建立用户颈部三维数字孪生模型。

进一步，所述数据库包括三维数字孪生模型导出计算的不同程度肌电信号对应的颈椎训练方案，所述颈椎训练方案包括主动对抗顺序、按压力度、头部运动方向。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过颈部肌肉能量技术和三维数字孪生模型技术设计的穿戴式颈椎康复治疗设备，可以为用户设计出个性化的颈椎训练方案，并将该训练方案映射为对应的虚拟现实游戏，使用户可以在脱离专业医师指导的情况下进行专业、高效的康复训练，提高了使用时自主操作性。

2、本发明在使用过程中，通过VR眼镜中的虚拟现实游戏引导用户进行颈部旋转，并配合颈部护垫、肌电传感器、斜方肌按摩气垫等颈部按摩组件提供主动对抗刺激，实现对颈椎穴位的刺激，这样的主动对抗训练方式可以提高用户的参与度和主动性，有效促进颈椎肌肉的恢复和增强，从而实现更好的康复治疗效果，此外，因为肌电传感器可以利用肌肉能量技术实时采集颈部肌电信号，使得使用过程中根据颈部肌力变化可以实时调整训练参数，能够更好地满足用户的个性化需求，进一步提高康复治疗效果。

附图说明

图1为本发明一种基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备的第一视角整体视图。

图2为本发明一种基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备的第二视角整体视图；

图3为本发明实施方式提供的游戏设计视角场范围图。

图中：

1、头部支撑2、VR眼镜 3、头部护垫

4、颈部支撑5、颈部护垫 6、肌电传感器

7、斜方肌支撑8、斜方肌按摩气垫 9、背板

10、肩带 11、肩部支撑12、肩部按摩气垫

13、腰带 14、背部护垫15、中推杆支撑

16、左推杆支撑 17、右推杆支撑18、上推杆支撑

19、万向节 20、电动推杆21、控制器

22、背带 23、凹槽扶手24、开机按钮

25、视角场 26、中心视野27、转动区

28、标准视线 29、双眼视区

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供的基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备，包括头部支撑1、VR眼镜2、头部护垫3、颈部支撑4、颈部护垫5、肌电传感器6、斜方肌支撑7、斜方肌按摩气垫8、背板9、肩带10、肩部支撑11、肩部按摩气垫12、腰带13、背部护垫14、中推杆支撑15、左推杆支撑16、右推杆支撑17、上推杆支撑18、万向节19、电动推杆20、控制器21，头部支撑1前部固定安装在VR眼镜2两侧，头部支撑1内侧设置有头部护垫3，头部支撑1下部固定有颈部支撑4，颈部支撑4内侧设置有颈部护垫5，颈部护垫5上左右对称安装有肌电传感器6，颈部支撑4下部对称铰接两个斜方肌支撑7，斜方肌支撑7内侧设置有斜方肌按摩气垫8，两个斜方肌支撑7下部对称安装在背板9上侧中部，背板9上侧的左部、右部均通过两肩带10对称安装肩部支撑11，肩部支撑11内侧设置有肩部按摩气垫12，背板9上侧左部固定背带22一端，背带22另一端穿过左侧肩部按摩气垫12固定在背板9左下部，背板9上侧右部固定背带22一端，背带22另一端穿过右侧肩部按摩气垫12固定在背板9右下部，背板9下部安装有腰带13，背板9内侧设置有背部护垫14，背板9外侧中部设置有中推杆支撑15，背板9外侧左部、右部对称固定有左推杆支撑16、右推杆支撑17，颈部支撑4外侧安装有上推杆支撑18，中推杆支撑15通过万向节19连接电动推杆20首端，电动推杆20末端通过万向节19连接上推杆支撑18中部，左推杆支撑16通过万向节19连接电动推杆20首端，电动推杆20末端通过万向节19连接上推杆支撑18左部，右推杆支撑17通过万向节19连接电动推杆20首端，电动推杆20末端通过万向节19连接上推杆支撑18右部，中推杆支撑15外侧中部设置有控制器21，控制器21通过背板9中信号线连接肌电传感器6、电动推杆20。

中推杆支撑15外侧下部设置有开机按钮24。

控制器21型号为STM32F103C8T6型号单片机，VR眼镜2型号为Oculus Quest 2 型号VR一体机，电动推杆20为Linak-LA20型号的直线推杆。

肌电传感器6个数至少为四个，肌电传感器6型号为ErgoLAB。

背板9外侧左上部、右上部对称安装有凹槽扶手23。

头部支撑1的材质是聚氨酯发泡材料，颈部支撑4的材质是医用硅胶，斜方肌支撑7的材质是聚碳酸酯材料，背板9的材质是ABS塑料，肩部支撑11的材质是聚氨酯发泡材料。

头部护垫3、颈部护垫5的材质均为聚氨酯发泡材料，斜方肌按摩气垫8、背部护垫14、肩部按摩气垫12的材质均为软质泡沫材料。

本发明的工作过程如下：

用户使用时，首先，用户坐在安静的房间里，保持肩膀放松、挺胸坐直的状态，通过背带22、腰带13将该设备穿戴好，并将VR眼镜2佩戴在眼睛处，按下开机按钮24启动该治疗设备，中推杆支撑15、左推杆支撑16、右推杆支撑17上的电动推杆20通过颈部支撑4推动颈部护垫5、肌电传感器6、斜方肌按摩气垫8对用户颈椎位置定位。

然后，肌电传感器6采集测试颈部肌肉能量的肌电信号并将该信号传输至控制器21，控制器21先对肌电信号进行滤波去噪，再提取肌电幅值、肌电频率、肌电时域特征、频域特征这四个特征参数，最后将提取的特征参数与数据库中正常及非正常的颈部肌电信号进行比较，建立对应的用户颈部三维数字孪生模型。其中控制器21先对肌电信号进行滤波去噪，去除高频、运动伪影等噪音。

最后、控制器21根据用户颈部三维数字孪生模型读取数据库中对应的颈椎训练方案，并将该训练方案映射为对应的虚拟现实游戏，再通过VR眼镜2中的虚拟现实游戏引导用户进行相应方式的主动对抗训练。其中主动对抗训练方式包括：方式一，头部后仰对抗设备，通过颈部肌电传感器6对颈部穴位按压，颈部护垫5在电动推杆20的推动下贴附在颈椎，配合VR眼镜2内游戏向上引导头部；方式二，头部侧推，侧面肌肉拉伸，颈部支撑4通过电动推杆20长度控制头部向左侧倾，右侧肩部按摩气垫12充气，配合VR眼镜2内游戏向右侧对抗；方式三，头部前倾按压，颈部肌电传感器6推动对颈部穴位进行按压，同时颈部护垫5在电动推杆20的推动下向前倾斜，头部随VR眼镜2内游戏引导向前倾，对肌肉进行拉伸；方式四，双手根据VR眼镜2内游戏内容进行移动，通过肩部支撑11控制游戏内容，完成颈部肌肉的拉伸收缩。另外，因为肌电传感器6可以利用肌肉能量技术实时采集颈部肌电信号，使得使用过程中根据颈部肌力变化可以实时调整训练参数，为用户提供个性化的颈椎康复训练。用户每次完成训练，训练数据作为用户康复依据进行评估，分析并预测下次训练方式和周期。

如上的基于肌肉能量技术与数字孪生技术的颈椎治疗设备的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、中推杆支撑15、左推杆支撑16、右推杆支撑17上的电动推杆20通过颈部支撑4推动颈部护垫5、肌电传感器6、斜方肌按摩气垫8对用户颈椎位置定位；

步骤2、肌电传感器6采集测试颈部肌肉能量的肌电信号并将该信号传输至控制器21，控制器21先对肌电信号进行滤波去噪，再提取肌电幅值、肌电频率、肌电时域特征、频域特征这四个特征参数，最后将提取的特征参数与数据库中正常及非正常的颈部肌电信号进行比较，建立对应的用户颈部三维数字孪生模型；

步骤2中建立对应的用户颈部三维数字孪生模型，进一步包括，首先，基于肌电传感器6测得的用户颈部各肌肉张力，依据 Hill 肌肉模型建立颈部各肌肉张力作用下肌肉骨骼模型，并依据力矩臂和旋转轴的几何特性确定关节力矩；然后，使用颈部多关节动力学分析来计算关节运动加速度和运动位置；最后，将关节运动加速度和运动位置的计算模型写入C#脚本，并在Unity3D环境下挂载到颈部多关节三维几何模型，从而建立用户颈部三维数字孪生模型。

步骤3、控制器21根据用户颈部三维数字孪生模型读取数据库中对应的颈椎训练方案，并将该训练方案映射为对应的虚拟现实游戏，再通过VR眼镜2中的虚拟现实游戏引导用户进行相应方式的主动对抗训练。

数据库包括三维数字孪生模型导出计算的不同程度肌电信号对应的颈椎训练方案，所述颈椎训练方案包括主动对抗顺序、按压力度、头部运动方向。其中，建立数据库方式为：首先通过肌电传感器6收集大量颈椎数据，对不同受试者颈椎状态和肌电传感器6的肌电信号进行记录，将受试者分为四组，分别为轻度颈椎用户、中度颈椎用户、重度颈椎用户以及健康组，使用推杆对三组用户进行为期一月的颈部主动对抗训练，并记录每次训练的肌电信号及按压对抗力。将数据进行预处理储存到数据库中，并利用深度学习算法对三组用户数据及健康组的数据进行训练，训练目标为将不同程度的非正常肌电信号转换为正常肌电信号。将三维数字孪生模型导出计算不同程度的肌电信号获得对应的训练方法，包括主动对抗顺序、按压力度、头部运动方向等。再将计算的方法映射到设备中，其一，将头部运动方向通过人眼视场角范围映射到游戏引导区域；其二，将主动对抗顺序和按压力度转换为中推杆支撑15、左推杆支撑16、右推杆支撑17的推动距离及力度。至此，建立完整的数据库，数字孪生模型匹配对应的颈椎肌电信号转换为设备运行方式。

其中主动对抗训练方式包括：方式一，头部后仰对抗设备，通过颈部肌电传感器6对颈部穴位按压，颈部护垫5在电动推杆20的推动下贴附在颈椎，配合VR眼镜2内游戏向上引导头部；方式二，头部侧推，侧面肌肉拉伸，颈部支撑4通过电动推杆20长度控制头部向左侧倾，右侧肩部按摩气垫12充气，配合VR眼镜2内游戏向右侧对抗；方式三，头部前倾按压，颈部肌电传感器6推动对颈部穴位进行按压，同时颈部护垫5在电动推杆20的推动下向前倾斜，头部随VR眼镜2内游戏引导向前倾，对肌肉进行拉伸；方式四，双手根据VR眼镜2内游戏内容进行移动，通过肩部支撑11控制游戏内容，完成颈部肌肉的拉伸收缩。

其中游戏引导方式是本方法实现的基础，以下对游戏引导方式的设计进行阐述，基于上述方法，游戏内容有引导头部向上、向下、向左、向右、向左上、向右上、向左下、向右下等方向进行运动，但头部转动和眼部转动并非同步进行，因此引导头部转动的前置条件是眼部转动。根据图3表示的人眼视场角范围图，中心视野26设为引导基准点，转动区27设为引导线生成范围，视角场25减去中心视野26为引导目标点生成范围。标准视线28是以头部为基准自然视线，引导头部向上、向左上、向右上等方向进行转动时，应在标准视线28以上，视角场25减去中心视野26范围内生成对应目标点；相同的引导头部向下、向左下、向右下等方向进行转动时，应在标准视线28以下，视角场25减去中心视野26范围内生成对应目标点；引导头部向左、向右等方向进行转动时，应在视角场25减去双眼视区29范围生成对应目标点。

使用过程中检测颈部肌电传感器6、背部护垫14、电动推杆20等数据建立数字可视化三维模型，包括用户的运动轨迹、各部位肌电变化、肌肉活动等情况，实时分析处理，进而根据需要对训练方案进行修正优化。每次使用后将数据模型导出，作为后续康复治疗参考依据并为医生提供更全面和准确的用户数据信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。