CN109938739B - 一种颈椎监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颈椎监测装置，该装置包括：加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块；加速度信号采集模块位于用户的前额，用于实时获取用户头部的三轴加速度；数据处理模块的输入端与加速度信号采集模块的输出端相连，用于当用户的颈部姿态类型为低头类型时，根据三轴加速度的平均绝对值确定用户头部的转动角度；当用户头部的转动角度大于或者等于第一阈值且小于第二阈值时，确定用户的颈部姿势为轻微低头；当用户头部的转动角度大于或者等于第二阈值时，确定用户的颈部姿势为重度低头，并向用户发送提醒信息。通过本发明的技术方案，能够实现对使用者颈椎姿势进行实时持续的监测，并进行提醒。

Description

一种颈椎监测装置

技术领域

本发明实施例涉及可穿戴智能设备领域，尤其涉及一种颈椎监测装置。

背景技术

颈椎病目前被世界卫生组织列为世界第二大顽疾，其危害大、难治愈，严重的甚至会瘫痪。近年来，随着电脑、手机等智能设备逐渐成为人类日程生活中必不可少的工具，许多人会长期处于伏案工作、低头玩手机或长时间紧盯电脑屏幕的状态，容易造成颈部一侧肌肉长时间负荷过重，导致一系列的颈椎疾病，目前颈椎病患者人数不断增长，已经呈现出低龄化、危害大、难治愈的趋势。

为了预防和治疗颈椎疾病，现有的技术提供了多种颈椎监测治疗仪器和颈椎监护装置。

颈椎治疗仪器多以枕头为主，用于在用户卧床休息时对颈部进行按摩等理疗，缓解颈部肌肉的紧张状态。这类仪器体积通常较大，携带不方便，仅适用于坐卧位时的颈椎理疗。

发明内容

本发明提供一种颈椎监测装置，以实现对使用者颈椎姿势进行实时持续的监测，并进行提醒。

第一方面，本发明实施例提供了一种颈椎监测装置，包括：加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块；

其中，所述控制模块与所述加速度信号采集模块、数据处理模块和无线通信模块相连，用于控制所述加速度信号采集模块、数据处理模块和无线通信模块；

所述加速度信号采集模块位于用户的前额，用于实时获取所述用户头部的三轴加速度；

所述数据处理模块的输入端与所述加速度信号采集模块的输出端相连，用于接收所述加速度信号采集模块采集的用户头部的三轴加速度并对所述三轴加速度进行分段，获取分段后的每一段中的三轴加速度的平均绝对值；将所述每一段中的三轴加速度的平均绝对值与目标三轴加速度的平均绝对值进行匹配，获取所述每一段中的三轴加速度的平均绝对值对应的用户的颈部姿态类型；其中，所述颈部姿态类型包括：中立类型、低头类型、仰头类型、旋转类型和侧弯类型；当所述用户的颈部姿态类型为低头类型时，根据所述三轴加速度的平均绝对值确定所述用户头部的转动角度；当用户头部的转动角度大于或者等于第一阈值且小于第二阈值时，确定所述用户的颈部姿势为轻微低头；当用户头部的转动角度大于或者等于第二阈值时，确定所述用户的颈部姿势为重度低头，并向用户发送提醒信息；

所述无线通信模块与所述数据处理模块相连，用于传输所述数据处理模块处理后的数据。

进一步的，所述数据处理模块还包括：低通滤波器；

所述低通滤波器用于对所述加速度信号采集模块采集的加速度信号进行滤波处理。

进一步的，还包括：电源管理模块；

所述电源管理模块与所述加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块相连，用于为所述加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块提供稳定的3.3V工作电压。

进一步的，所述无线通信模块为蓝牙芯片。

进一步的，所述数据处理模块还用于：

当根据用户头部的转动角度确定当前时刻的颈部姿势为第一姿势时，获取前一时间段的颈部姿势，其中，所述前一时间段的颈部姿势不变；

若前一时间段的颈部姿势为第一姿势，则记录当前时刻的颈部姿势为第一姿势；

若前一时间段的颈部姿势为非第一姿势，则获取前一时间段的平均转动角度与当前时刻转动角度的差值与前一时间段的平均转动角度的比值；

若所述比值大于第三阈值，则当前时刻的颈部姿势为前一时间段的颈部姿势；

若所述比值小于或者等于第三阈值，则判断所述比值是否大于第四阈值；

若所述比值大于第四阈值，则当前时刻的颈部姿势为第一姿势；

若所述比值小于或者等于第四阈值，则当前时刻的颈部姿势为前一时间段的颈部姿势。

进一步的，所述用户头部的转动角度通过：

计算得出；

其中，Acc_x,Acc_y,Acc_z为冠状轴、垂直轴和矢状轴的加速度，Angle是用户的颈部到头顶的连线与重力加速度方向的夹角，用户头部的转动角度θ＝Angle-Angle₀，其中，Angle₀为当颈部姿势为中立姿势时，用户的颈部到头顶的连线与重力加速度方向的夹角。

本发明实施例通过控制模块控制加速度信号采集模块、数据处理模块和无线通信模块；加速度信号采集模块位于用户的前额，通过加速度信号采集模块实时获取用户头部的三轴加速度；通过数据处理模块接收所述加速度信号采集模块采集的用户头部的三轴加速度并对所述三轴加速度进行分段，获取分段后的每一段中的三轴加速度的平均绝对值；将所述每一段中的三轴加速度的平均绝对值与目标三轴加速度的平均绝对值进行匹配，获取所述每一段中的三轴加速度的平均绝对值对应的用户的颈部姿态类型；当所述用户的颈部姿态类型为低头类型时，根据所述三轴加速度的平均绝对值确定所述用户头部的转动角度；当用户头部的转动角度大于或者等于第一阈值且小于第二阈值时，确定所述用户的颈部姿势为轻微低头；当用户头部的转动角度大于或者等于第二阈值时，确定所述用户的颈部姿势为重度低头，并向用户发送提醒信息；通过无线通信模块传输所述数据处理模块处理后的数据，解决了颈椎监测治疗的仪器体积通常较大，携带不方便，仅适用于坐卧位时的颈椎理疗的问题，能够对使用者颈椎姿势进行实时持续的监测，并进行提醒。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种颈椎监测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一中的一种数据处理方法流程图；

图3是本发明实施例一中的一种颈部姿态确定方法流程图；

图4是本发明实施例一中的一种颈椎监测装置图示；

图5是本发明实施例一中的另一种颈椎监测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一中的一种颈椎监测装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：加速度信号采集模块110、数据处理模块120、控制模块130和无线通信模块140；

其中，所述控制模块130与所述加速度信号采集模块110、数据处理模块120和无线通信模块140相连，用于控制所述加速度信号采集模块110、数据处理模块120和无线通信模块140；

所述加速度信号采集模块110位于用户的前额，用于实时获取所述用户头部的三轴加速度；

所述数据处理模块120的输入端与所述加速度信号采集模块110的输出端相连，用于接收所述加速度信号采集模块110采集的用户头部的三轴加速度并对所述三轴加速度进行分段，获取分段后的每一段中的三轴加速度的平均绝对值；将所述每一段中的三轴加速度的平均绝对值与目标三轴加速度的平均绝对值进行匹配，获取所述每一段中的三轴加速度的平均绝对值对应的用户的颈部姿态类型；其中，所述颈部姿态类型包括：中立类型、低头类型、仰头类型、旋转类型和侧弯类型；当所述用户的颈部姿态类型为低头类型时，根据所述三轴加速度的平均绝对值确定所述用户头部的转动角度；当用户头部的转动角度大于或者等于第一阈值且小于第二阈值时，确定所述用户的颈部姿势为轻微低头；当用户头部的转动角度大于或者等于第二阈值时，确定所述用户的颈部姿势为重度低头，并向用户发送提醒信息；

所述无线通信模块与所述数据处理模块相连，用于传输所述数据处理模块处理后的数据。

其中，所述第一阈值可以为15度，所述第二阈值可以为30度。

可选的，所述数据处理模块还包括：低通滤波器；

所述低通滤波器用于对所述加速度信号采集模块采集的加速度信号进行滤波处理。

可选的，还包括：电源管理模块；

所述电源管理模块与所述加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块相连，用于为所述加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块提供稳定的3.3V工作电压。

可选的，所述无线通信模块为蓝牙芯片。

可选的，所述数据处理模块还用于：

当根据用户头部的转动角度确定当前时刻的颈部姿势为第一姿势时，获取前一时间段的颈部姿势，其中，所述前一时间段的颈部姿势不变；

若前一时间段的颈部姿势为第一姿势，则记录当前时刻的颈部姿势为第一姿势；

若前一时间段的颈部姿势为非第一姿势，则获取前一时间段的平均转动角度与当前时刻转动角度的差值与前一时间段的平均转动角度的比值；

若所述比值大于第三阈值，则当前时刻的颈部姿势为前一时间段的颈部姿势；

若所述比值小于或者等于第三阈值，则判断所述比值是否大于第四阈值；

若所述比值大于第四阈值，则当前时刻的颈部姿势为第一姿势；

若所述比值小于或者等于第四阈值，则当前时刻的颈部姿势为前一时间段的颈部姿势。

其中，所述第三阈值为90％，第四阈值为50％。

可选的，所述用户头部的转动角度通过：

计算得出；

其中，Acc_x,Acc_y,Acc_z为冠状轴、垂直轴和矢状轴的加速度，Angle是用户的颈部到头顶的连线与重力加速度方向的夹角，用户头部的转动角度θ＝Angle-Angle₀，其中，Angle₀为当颈部姿势为中立姿势时，用户的颈部到头顶的连线与重力加速度方向的夹角。

在一个具体的例子中，本发明实施例提出了一种低功耗、使用方便、准确性高、且测量数据丰富的颈椎姿势监测技术，具体实施结合各个附图详细说明如下：硬件系统包括电源管理模块、加速度信号采集模块、数据处理和控制模块和无线通信模块。所选用的电源芯片具有低压差的特点，是电源电压为2.3V-5.5V电池供电设备的理想选择，能为其他三个模块提供稳定的3.3V工作电压。本发明中各模块使用的芯片体积都非常小且功耗很低。所选的用来传输数据的蓝牙芯片性能稳定，在休眠状态下工作电流仅为几微安，为了降低功耗，当检测到用户可能处于休息状态时，让蓝牙处于休眠状态。而且该设备中仅使用一个加速度传感器作为颈椎姿势信息采集传感器，分辨率为16位，精度较高，所选加速度传感器相对于其他传感器功耗更低，进一步降低了功耗。系统工作原理如下：加速度芯片采集到用户运动的加速度数据，入微处理器。在微处理器中对数据进行一系列处理，然后将处理后的数据传输至蓝牙，再通过蓝牙传输至手机终端进行显示。数据会实时存储在微处理器的RAM中，当蓝牙通讯中断时，数据停止传输但不会丢失，再次连接会继续传输。当断开电源开关时，数据会被存储在微处理器的EEPROM中，因此数据不会因为电源关断而丢失。这样，可以根据用户的需求灵活的打开或关断设备，避免让设备处于待机状态，进一步保证了低功耗。当设备监测到用户处于休息状态时，将蓝牙置为休眠状态，可以降低功耗。实现方法：当设备监测到颈椎姿势处于中立位的持续时间超过10分钟，且脖颈角度持续不变时，认为用户可能处于睡眠或其他休息状态，将蓝牙置于休眠状态降低功耗。而后每隔10分钟检查一次颈椎姿势，若检查到颈椎处于活动状态，则恢复蓝牙传输功能。如图2所示，数据处理包括加速度数据校准、滤波、状态分类、低头等级划分、时间计算(包括干扰消除)、时间比例计算和超长时间预警这些部分。在使用前首先要对三轴加速度数据进行初始位置校准，计算偏置三轴的初始偏置值，写入偏置寄存器进行校准。在使用时，首先对采集到的加速度数据进行滤波处理，滤除因为用户身体所处环境变化或者用户行走时产生的加速度干扰。对滤波后的加速度数据有两种方案：方案一，基于滤波后的加速度信号，通过线性判别算法(LDA)对颈椎姿势进行分类，识别中立位、仰头、低头、侧弯和旋转这几种姿势；方案二，重点关注低头、抬头、中立位这几种姿势，进一步对低头程度进行等级划分。然后计算不同姿势持续的时间，以及对应的姿势所占时间的比重，最后将结果进行存储和输出。传感器校准的实现方法：在该发明中，使用前通过校准使加速度传感器三轴的初始值均接近±1g，目的是使计算脖颈角度时更方便准确。传感器有x，y，z三轴，使用角度测量仪。首先，将+x方向置于与重力加速度g平行的方向，记录x轴方向加速度x_max,然后将-x方向与重力加速度g平行，记录x轴方向加速度x_min计算x轴零点偏移x_off即为x轴的初始偏置值，x_off＝(x_max-x_min)/2。初始偏置值写入偏置寄存器，是为了保证当将传感器置于x轴与重力加速度方向重合的位置时，x轴加速度等于重力加速度g，同时y，z方向的加速的均为0。以此达到校准的目的，y，z两个方向与上述x方向校准方法类似。最后计算比例缩放因子x_scale＝2g/(x_max-x_min),通过比例缩放的方式将x轴量程映射到为±1g。在该发明中，通过计算传感器三轴与重力加速度g的夹角来计算颈椎弯曲角度，因此，将加速度传感器的量程映射到±1g。y和z轴的校准方法与x轴相同。加速度的滤波处理，目的是为了消除用户所处环境对颈椎运动加速度信号的干扰。该发明的目的是监测颈椎姿势的状态，这种状态相对来说是比较缓慢的，一般认为频率低于0.5Hz，因此可以通过低通滤波来滤除用户日常活动包括站立、行走、弯腰、伏案工作、站立工作等造成对加速度信号的干扰。在该发明中，经过测试，选择了4阶的低通滤波器对加速度信号进行滤波。识别方法分为离线的分类器模型训练和在线实时匹配两部分。对于线的分类器模型训练，我们同时使用视频监测和本发明的加速度传感器记录10位受试者分别在两个小时内颈椎的姿势和加速度信号，通过视频观察可以将对应的加速度信号分成5类(平视，仰头，低头，侧弯和旋转)。将分类后的加速度信号用作分类器模型训练：首先对加速度信号进行滤波，然后对滤波后的信号进行分段和特征提取(本发明中使用三轴加速度的平均绝对值(MAV)为特征)，得到训练样本的子空间，最后使用三轴的MAV特征训练得到五类分类器的模型，用于实时监测时的姿势分类。在实时监测时将采集到的加速度数据通过滤波、分段和特征提取之后，与训练得到的模型进行匹配，得出该数据属于5类姿势中的某一类。需要首先将滤波后的三轴加速度信号转换为角度，计算公式为：其中Angle是颈部C7到头顶的连线与重力加速度方向的夹角，在本发明中证明了Angle值的变化与脖颈角度变化相同。首先计算当颈部处于最健康的中立姿势时，该夹角的值为Angle₀，以该值为参考值，计算头前倾角度θ＝Angle-Angle₀。然后根据角度θ的值将颈部姿势进一步划分为中立位(-15°＜θ＜15°)、抬头(θ≤-15°),轻微低头(15°≤θ＜30°)及重度低头(θ≥30°)。当确定当前时刻t颈部处于某一姿势时，该姿势对应的时间累加。各状态对应时间除以总时间即为所求时间比例值。为了准确的监测该时刻的姿势，本发明实施例提出了一种颈部姿态确定方法。如图3所示，一种颈部姿态确定方法流程如下：当某一时刻t检测到颈部疑似处于某一种状态时，便去检查该时刻t的前一秒钟颈部处于哪种姿势。如果前一秒钟的状态与该时刻相同，则确定该时刻处于这种状态，则该状态对应的时间累加，否则进一步通过设定角度阈值来判断：若前一秒中平均角度θ_average与当前时刻角度θ_t的差值与平均角度θ_average的比值大于阈值Th1(Th1可以为90％),说明该时刻的数据出现错误，该时刻仍处于前一秒的姿势；若前一秒中平均角度θ_average与当前时刻角度θ_t的差值与平均角度θ_average的比值小于或者等于阈值Th1，则数据没有错误，该时刻颈部必定处于四种状态中的一种。进行进一步判断，若该比值小于阈值Th2(Th2可以为50％)，则判断颈部处于与前一秒相同的姿势，前一秒姿势对应的时间累加，否则若该比值大于阈值Th2，则认为该时刻处于当前监测到的姿势，该姿势对应时间累加。关于该设备的外观和材质，设计了几种头戴式的可穿戴设备。如图4所示，包括不同款式的头带、发卡等。头带使用透气性好、安全性高的棉质材料，监测设备嵌入头带中，整套设备柔软舒适且美观。另外，可将检测设备作为发饰上的装饰，不影响发饰美观，容易被用户接受。

如图5所示，101为可穿戴设备、102为移动终端、103为充电桩、1011为加速度采集模块、1012为单片机，用于接收加速度信号、1013为蓝牙通信模块，用于接收单片机处理后的数据，并通过蓝牙将其发送至移动终端。1014为电源模块，用于为系统供电。

本发明实施例设计了一种优化的颈部监测装置。该装置能够对使用者颈部姿势进行实时持续的监测。主要解决的技术问题包括：克服环境限制，实现当用户处于静坐、站立、行走、弯腰、伏案工作、站立工作等日常生活的基本环境时，头部姿势的识别与分类；降低设备制作成本和功耗；设备简单小巧，但功能多样化，能够识别低头、仰头、中立位、旋转及侧弯等多种头部姿势，也能对头部前倾程度进行划分，并计算不同程度的前倾姿势持续的时间和对应的占比；头部前倾角度的计算方面，对于识别的准确性问题，本发明实施例提出了一种干扰消除方法对颈椎姿势进行判断；另外，利用头带，解决了可穿戴设备使用时的美观和舒适度问题。该技术可以用于日常生活中颈椎不良姿势的监测和预警，也可以用于临床上医生对病人的颈椎状态进行实时观测。

实施例二

颈椎病目前被世界卫生组织列为世界第二大顽疾，其危害大、难治愈，严重的甚至会瘫痪。近年来，随着电脑、手机等智能设备逐渐成为人类日程生活中必不可少的工具，许多人会长期处于伏案工作、低头玩手机或长时间紧盯电脑屏幕的状态，容易造成颈部一侧肌肉长时间负荷过重，导致一系列的颈椎疾病，目前颈椎病患者人数不断增长，已经呈现出低龄化、危害大、难治愈的趋势。

现有技术中的颈椎治疗仪器多以枕头为主，用于在用户卧床休息时对颈部进行按摩等理疗，缓解颈部肌肉的紧张状态。这类仪器体积通常较大，携带不方便，仅适用于坐卧位时的颈椎理疗，而不适用于对用户日常生活中颈椎状态的持续监测，使用环境受限，更无法在用户颈椎长期处于某种不良姿势时给出预警信号来提醒用户。因此，需要一种便携式的颈椎姿势检测设备来实现颈椎姿势持续监测，以及长时间不良姿势预警，以此达到预防颈椎疾病的目的。目前的一些检测设备，多数集成在颈环中佩戴于颈部。

现有的设备使用杠杆结构、角度计或陀螺仪与加速度计结合，作为信息采集的传感器。本发明实施例根据单独的加速度传感器通过角度转换公式来计算角度：

计算得出；

其中Angle为需要计算的角度，Acc_x,Acc_y,Acc_z为冠状轴、垂直轴和矢状轴的加速度，本发明实施例中利用该方法将三轴加速度转换为角度，并与重力方向结合计算头部运动角度。

现有的设备仅对简单的颈椎低垂的姿势做单一的监测，但是根据KENNETHK.HANSRAJ等人的研究，不同程度的低垂姿势对颈椎的伤害不同，随着低头程度增加，头部对颈椎的压力增加。颈椎处于健康的中立位时，支撑重量等于头的重量约为10-12磅，低头15°增加到27磅，而低头30°时支撑重量达到40磅。因此在本发明中增加了对低头程度进行准确的等级划分，丰富数据，使颈椎的监测更有意义。

现有的颈椎预防和治疗仪器使用不方便，价格昂贵，而且使用环境受到限制，通常只适用于使用者休息状态时，不能实时的、持续的监测颈椎姿势，更不能对长时间不良姿势预警，这种仪器更适用于已经患有颈椎疾病的用户，通过放松颈部肌肉的治疗方式来缓解病痛。而对于没有颈椎疾病的用户来说，预防颈椎疾病的效果并不好。

现有的一些便携式颈椎姿势监测设备，将检测设备置于特制的颈环或眼镜中。由于设备的体积影响，对颈环或眼镜的材质、硬度、厚度和宽度等有较高的要求，成本高且用户使用并不舒适，实用性不高；另外，现有的监测设备传感器多数是陀螺仪与加速度计同时使用，或者使用角度计，在降低设备工作时的功耗方面也有欠缺。再者，现有的监测设备也会受使用环境的限制，最多只能在静坐、站立和行走时测量，且不能保证测量结果的准确性。而且，多数功能单一，得到的信息单一。

针对以上的这些缺点，本发明的目的在于提供一种成本低廉、使用简单、携带方便的可穿戴设备，能够在用户处于静坐、站立、行走、弯腰、伏案工作、站立工作等日常生活的基本环境时对颈椎姿势进行持续监测。为了延长设备使用时间，本发明中着重研究了降低功耗的方法。在设备的功能方面，丰富用户数据：能够识别颈椎多种不同的姿势包括：中立位、低头、抬头、侧弯和旋转，同时能够对低头程度进行等级划分，并将相应时间以及不同姿势的时间百分比值在移动终端实时显示，丰富了用户颈椎姿势的信息，当不良姿势的时间达到一个不安全的阈值时会在移动终端发出预警信号。同时，在保证姿势识别的准确性方面，提出一种抗干扰的方法，有效的保证监测的准确性。此外，设备体积小巧，用户可以根据自己的喜好，将其置于普通的头带或发带中，使用方便，佩戴舒适且美观。

本发明实施例提供了一种能够用于颈椎姿势监测和颈椎疾病预防的优化的可穿戴设备。技术方案包括：1)、解决现有的颈椎治疗仪器和颈椎监护设备所存在的使用环境受限的问题，能够在用户处于静坐、站立、行走、弯腰、伏案工作、站立工作等日常生活的基本环境时对颈椎姿势进行持续监测；2)、关于准确性的问题，研究传感器的校准方法，保证数据采集的准确性。另一方面，研究抗干扰的方法，保证姿势识别的准确性；3)、研究降低功耗的方法，使该设备能够对用户的颈部姿态进行实时连续的监测，使用时间能达到12小时以上；4)、增加用户数据的丰富性，不仅计算头部后仰与前倾时间，还对前倾程度进行划分，同时记录维持不同姿势的时间比例。在临床上，可用于医生对病人颈椎状态作进一步分析和诊断，对于普通用户，则可在颈部长时间处于某一不良姿势时给予提醒；5)、本发明实施例对用户使用的方便性、穿戴的舒适度方面也进行了研究。

在一个具体的例子中，该装置由电源管理模块、颈椎状态信息采集模块、数据处理和控制模块、无线通信模块和移动终端以及外设充电桩六个部分组成。使用时只需将装置置于普通的头带中，打开开关，与移动终端连接即可。在移动终端设置可选模式，用户可以自主选择显示五种姿势识别结果，或者选择显示不同程度前倾和后仰的持续时间和比例。本发明实施例提供的颈椎监测装置能够实时的连续的监测用户在静坐、站立、行走、弯腰、伏案工作、站立工作等日常活动中时颈椎的不同姿势，能够对颈椎弯曲程度等级进行划分，并通过手机移动终端实时显示和记录不同姿势持续的时间，以及各自时间对应的比例。并能在不良姿势超出一定时间时给出提醒信号；可以置于头带、发箍、头绳、帽子等头部装饰品中。由于其体积小巧，可以制成多种不同的头部装饰品；为了降低功耗，延长使用时间，检测到使用者处于休息状态时自动使蓝牙处于休眠状态，设备断电数据不清零，数据可以存储不需要时刻发送。另外，该发明中信息采集使用单个三轴加速度传感器；用户在手机智能终端可以根据需求选择不同的功能。功能一，显示对中立位、仰头、抬头、旋转和侧弯五种姿势的识别结果，可以用来分析用户一天中处于不同姿势的比例，然后根据健康标准来调整姿势。功能二，显示中立位、轻微低头、严重低头和仰头四种不同等级的时间和比例，并在低头时间超出健康范围时进行提醒。对用户来说可以减少不健康姿势的比例，达到预防颈椎疾病的目的。一般认为通过计算头颈连线与重力方向的夹角变化，即头在矢状面中运动角度(即头前倾和后仰的角度)相同。本发明实施例中证明了三轴传感器中位于矢状面的一轴与重力方向夹角的变化与头颈连线与重力方向的夹角变化相同。证明方法如：传感器佩戴于使用者前额，三轴的方向如图中所示，y和z轴在矢状面中，x轴垂直于矢状面，传感器位置固定以后，传感器与使用者可以认为是一体的，所以z轴与头颈的夹角是一个固定的值(记为ω)，头颈与重力方向夹角为α0，z轴与重力方向夹角为β0，根据平行线对角相等得β0＝ω-α0，当头在矢状面中运动θ角度时，头颈与重力方向夹角变为为α1，z轴与重力方向夹角变为β1，同样得到β1＝ω-α1，而θ＝α1-α0，因此可以得到θ＝β0-β1。本发明实施例中使用截止频率为0.5Hz的阶巴特沃斯低通滤波器对原始加速度信号进行滤波，滤除了用户活动环境对加速度信号的干扰。还可以用其他滤波器达到滤除0.5Hz以上频率的目的。在临床上也可以在病人和医生的移动终端上同时显示，这样便于医生随时对病人的情况进行监测和分析。

本发明实施例的方案与现有技术相比，本发明实施例的优点有：一、与现有的颈椎治疗仪器相比，现有的治疗仪器受使用环境限制，多数只能在静坐、站立时监测。成本比较高，携带不方便。而且功能简单，监测的数据信息种类太少，不足以用于对颈椎状态进行分析。以治疗为主，更适用于已经存在颈椎病痛的人群，而对无颈椎疾病的人群作用不大。而本发明提供了一种优化的可穿戴设备，成本低，简单方便，能够在用户处于坐位、站立、行走、弯腰、伏案工作、站立工作等日常活动中时，实时并且持续的监测用户颈椎的姿势，并能提供预警信号，对颈椎疾病的预防来说，更实用有效。二、与现有的颈椎姿势监测设备相比，现有的颈椎姿势监测设备多用于颈部，佩戴不舒适，成本相对比较高，相对来说本发明的设备可以用于头带及许多的头饰中，用户可选择性大，佩戴舒适且美观，容易被接受且成本低廉。三、与现有的颈椎姿势监测设备相比，本发明实施例只是用一种功耗最小的加速度传感器，同时数据传输方面减少了因设备待机而导致的功耗，在数据传输方面，灵活控制蓝牙的传输和休眠，因此整体上降低了使用功耗，延长了工作时间。四、与现有的颈椎姿势监测设备相比，本发明在数据处理方面，使用了滤波方法，可以采集用户在不同环境中的颈椎姿势。使用了一种加速度传感器校准算法，保证数据采集的准确性。提出了一种干扰消除方法，保证姿势识别和时间计算的准确性。五、在功能方面，现有的颈椎姿势监测设备功能单一，用户数据比较单一。本发明增加功能，一方面能通过加速度数据对姿势进行识别，另一方面可以将加速度转换为角度，着重对低头姿势进行了不同程度的等级划分，增加了不同姿势的时间及比例值的记录和显示。丰富用户数据，在临床方面更易于医生对颈椎状态分析，可用于检测颈椎疾病的治疗效果，为颈椎病的治疗和预防提供可行且有效的参考方案。

本发明实施例已经通过实验证明是可行、有效的。例如，将该设备置于头戴中，受试者在一天中佩戴此头带进行正常的学习、工作、行走、吃饭等活动，通过移动终端记录几种不同姿势的时间。当受试者休息时关掉电源，休息结束打开电源时可以继续记录。在颈椎姿势识别方面，识别准确率高，对中立位和低头的识别率为99％以上，旋转和侧弯的识别准确率为95％以上，仰头的识别准确率较其他四种姿势低，但也可达到90％。仰头、不同程度的低头时间计算方面，数据显示也很准确。并将设备在医院中与医生进行测试，性能稳定。

本发明实施例中智能终端采用手机App的方法，还可以使用平板、电脑，通过通讯工具接收数据。本发明实施例中的颈椎姿势监测模块体积小巧，将其置于头带或发卡中，实际上还可以置于其他的头部装饰品中，可根据用户的需求和喜好来更改。本发明主要是用于颈椎姿势的实时持续监测，主要是为了达到颈椎疾病的预防的目的。实际在使用中，可以用于临床上医生对病人颈椎所处状态的实时监测，也可以用于评估颈椎疾病患者治疗的效果。该设备除了可以用于颈椎监测，还可用于其他部位例如关节角度的监测等。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种颈椎监测装置，其特征在于，包括：加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块；

其中，所述控制模块与所述加速度信号采集模块、数据处理模块和无线通信模块相连，用于控制所述加速度信号采集模块、数据处理模块和无线通信模块；

所述加速度信号采集模块位于用户的前额，用于实时获取所述用户头部的三轴加速度；

所述数据处理模块的输入端与所述加速度信号采集模块的输出端相连，用于接收所述加速度信号采集模块采集的用户头部的三轴加速度并对所述三轴加速度进行分段，获取分段后的每一段中的三轴加速度的平均绝对值；将所述每一段中的三轴加速度的平均绝对值与目标三轴加速度的平均绝对值进行匹配，获取所述每一段中的三轴加速度的平均绝对值对应的用户的颈部姿态类型；其中，所述颈部姿态类型包括：中立类型、低头类型、仰头类型、旋转类型和侧弯类型；当所述用户的颈部姿态类型为低头类型时，根据所述三轴加速度的平均绝对值确定所述用户头部的转动角度；当用户头部的转动角度大于或者等于第一阈值且小于第二阈值时，确定所述用户的颈部姿势为轻微低头；当用户头部的转动角度大于或者等于第二阈值时，确定所述用户的颈部姿势为重度低头，并向用户发送提醒信息；

所述无线通信模块与所述数据处理模块相连，用于传输所述数据处理模块处理后的数据；

所述数据处理模块还用于：

当根据所述用户头部的转动角度确定当前时刻的颈部姿势为第一姿势时，获取前一时间段的颈部姿势，其中，所述前一时间段的颈部姿势不变；

若所述前一时间段的颈部姿势为所述第一姿势，则记录所述当前时刻的颈部姿势为所述第一姿势；

若所述前一时间段的颈部姿势为非第一姿势，则获取前一时间段的平均转动角度与当前时刻转动角度的差值与前一时间段的平均转动角度的比值；

若所述比值大于第三阈值，表明当前时刻的数据出现错误，则所述当前时刻的颈部姿势为所述前一时间段的颈部姿势；

若所述比值小于或者等于所述第三阈值，则判断所述比值是否大于第四阈值；

若所述比值大于所述第四阈值，则所述当前时刻的颈部姿势为所述第一姿势；

若所述比值小于或者等于所述第四阈值，则所述当前时刻的颈部姿势为所述前一时间段的颈部姿势；

其中，计算不同姿势持续的时间，以及对应的姿势所占时间的比重，最后将结果进行存储和输出；

其中，所述无线通信模块为蓝牙芯片；

其中，当监测到用户处于休息状态时，将所述蓝牙芯片置为休眠状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块还包括：低通滤波器；

所述低通滤波器用于对所述加速度信号采集模块采集的加速度信号进行滤波处理。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：电源管理模块；

所述电源管理模块与所述加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块相连，用于为所述加速度信号采集模块、数据处理模块、控制模块和无线通信模块提供稳定的3.3V工作电压。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用户头部的转动角度通过

计算得出；

其中，Acc_x,Acc_y,Acc_z为冠状轴、垂直轴和矢状轴的加速度，Angle是用户的颈部到头顶的连线与重力加速度方向的夹角，用户头部的转动角度θ＝Angle-Angle₀，其中，Angle₀为当颈部姿势为中立姿势时，用户的颈部到头顶的连线与重力加速度方向的夹角。

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