CN114432656A - 一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统及方法，解决既往肌功能训练装置占用口腔空间影响口腔肌肉行使功能及训练效果无量化指标、训练过程中无客观标准不易坚持等问题，实现日常数字可视化口周肌力精准测量与训练。其包括：患者传感器端，患者端及医生端，其中：患者传感器端用于安装多个传感器于口腔相对应位置，检测口周肌力采集数据并完成无线传输，且可根据患者端或医生端发出的指令对患者进行语音提示，患者端或医生端的患者端具体实现方式可以是电脑软件或手机APP，含有蓝牙、WIFI数据传输功能。根据采样传输数据，结合专业医生临床诊疗，能够实时监测口周肌力训练效果、训练时间及频率，历史数据还可以帮助患者和医生更好的掌握训练情况，并进行疗效量化评估。

Description

一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统及方法

技术领域

本发明涉及口腔正畸学领域，具体说一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统及方法，尤其适用于口腔功能异常口周肌力失衡的儿童及成人日常进行数字可视化口周肌力精准测量与口周肌功能训练。

背景技术

口颌系统形态和功能是相互制约、相互协调的。当存在口腔功能异常尤其是长期存在口呼吸时，正常的生物力学平衡被打破，对颅颌面三维生长发育产生显著影响，引发颅面部骨骼结构发育异常，导致颅颌面畸形，其中最常见的为腺样体面容,下颌后缩，重者会导致儿童阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)，导致睡眠过程中的缺氧，增加罹患成人OSA的风险，因此，应该进行早期干预。以往正畸训练主要是针对牙齿及颌骨畸形的矫治，但整个口颌系统神经肌肉的改进往往相对滞后，由于肌功能训练能尽早有效的恢复口周肌肉软组织的力量平衡，能够显著提高传统正畸训练矫治效果并使其疗效更加稳定，越来越成为目前正畸训练乃至口腔训练的热点。

肌功能训练是在儿童早期生长阶段，针对口腔功能存在异常的患者对口颌面部神经肌肉进行再教育，通过指导患者进行呼吸、咀嚼、吞咽等功能训练，配合相应的口面肌功能训练操，逐渐破除患者不良口腔习惯，使双唇自然闭合，重建口周肌功能平衡，促进颅面部结构的正常发育及口颌系统功能协调稳定。学者们主要通过训练前后骨骼牙齿的形态学改变进行评价，肯定了肌功能训练的疗效，但在肌功能训练的临床应用中存在一些瓶颈问题，肌功能训练临床训练模式尚未统一。

首先，肌功能训练目的在于调整口周肌力，但目前对于肌功能训练对口周肌力改变没有量化评价标准。对于肌功能训练前后口周肌力力值的改变没有研究，也没有从口周肌力力值改变角度对肌功能训练进行量化评价，需要训练多长时间能够达到正常标准，肌功能训练的口周肌力改变能持续多长时间都无从得知，导致临床肌功能训练时间、强度也无统一标准。临床医师无法对患者肌功能训练的疗效进行准确预判，只能根据复诊临床检查的结果进行观察，依靠经验决定拍摄X光片的时机而不是根据口周肌力力值改变程度判断肌功能训练。

其次，良好的依从性是肌功能训练成功的关键。口呼吸患儿本身对美观和功能的认识度不够；肌功能训练操往往重复乏味，为了增加患者配合度，又设计了硅胶类肌功能训练装置，在配合肌肉训练的同时有一定的前伸下颌及引导牙齿萌出和排列作用，但硅胶类及功能训练装置占用大量正常口腔空间，影响口周肌肉运动及口腔功能，无论哪种方式，患者在家训练均依赖于家长的监督和记录，但家长无法得知患者是否达到了肌肉训练的强度和要求，每天训练的强度、训练过程中肌肉力量的变化及整个训练周期前后肌肉力量的变化情况均无人研究。因此目前临床更关注对患者及患者的心理疏导及交流，促进患者及患者的配合。总而言之，临床对训练的方法、强度、频率和持续时间没有量化评价指标。随着技术的发展，口腔正畸诊疗要求智能化、个性化和精细化水平提升。

发明内容

现有肌功能训练装置占用大量口腔空间，影响正常肌肉运动，无法进行口周肌力量化评估。本发明的目的在于克服现有技术的不足，将数字化传感器、数字信号处理、人工智能等技术引入肌功能训练装置，提供一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统及方法，针对口腔功能失调患者进行精准肌功能训练，实现日常数字可视化实时反馈及智能互动，并对训练前后口周肌力的改变进行量化评估。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统，包括传感器端，用于采集生理数据并发送给显示端，包括：

唇部压力检测模块，用于采集唇部闭紧后上下唇之间的压力值，并发送给信号调理模块；

舌部压力检测模块，用于采集舌尖顶到硬腭腭皱襞的压力值，并发送给信号调理模块；

唇部外侧温湿度检测模块，用于采集呼吸过程中的气体温度值和湿度值，并发送给信号调理模块；

训练提醒模块，用于根据显示端的指令对患者在训练过程中进行语音提示；

温湿度状态显示模块，用于根据唇部外侧温湿度检测模块采集的数据，显示患者当前唇部外侧温湿度变化；

信号调理模块，用于对唇部压力监测模块、舌部压力检测模块和唇部外侧温湿度检测模块发送的数据进行处理，生成模拟信号并发送给数据采集传输模块；

数据采集传输模块，用于对信号调理模块发送的模拟信号转换为数字信号并发送给显示端，并接收显示端的指令发送给训练提醒模块。

所述唇部压力检测模块和舌部压力检测模块均为薄膜压力传感器，所述唇部压力检测模块设于在上下唇之间，所述舌部压力检测模块设在口腔内部硬腭腭皱襞处。

所述唇部外侧温湿度检测模块为温湿度传感器，设于唇部外侧。

所述温湿度状态显示模块带有LED渐变光源，所述LED渐变光源根据气体温度值和湿度值所处的不同阈值范围，显示不同的颜色，当唇部外侧温湿度检测模块没有检测到气体时，温湿度状态显示模块中的LED渐变光源颜色固定。

还包括耳鼻固定装置，包括：

鼻呼吸口罩，为半透明硅胶材质，内表面设有传感器固定区间，用于固定唇部压力监测模块、舌部压力检测模块和唇部外侧温湿度检测模块，使被测者佩戴鼻呼吸口罩后、唇部压力监测模块在上下唇闭紧时产生压力值，舌部压力检测模块在舌部接触口腔内部硬腭位置时产生压力值，以及口或鼻呼吸时温湿度检测模块产生温湿度数据；鼻呼吸口罩内侧设有温湿度状态显示模块，使LED光源透过半透明硅胶材质以提示闭嘴状态；

耳机，用于设置训练提醒模块、信号调理模块、数据采集传输模块，实现语音提示、以及与显示端的无线通信。

还包括显示端，用于接收并显示传感器端发送数字信号，并向传感器端发送指令，包括：

患者端显示处理模块，用于通过蓝牙的方式接收传感器端发送的数字信号并显示，将数字信号同步到医生端显示处理模块，以及向传感器端发送指令；

医生端显示处理模块，用于通过蓝牙的方式接收传感器端发送的数字信号并显示，将数字信号同步到患者端显示处理模块，以及向传感器端发送指令。

所述患者端显示处理模块和医生端显示处理模块在同一时间有且仅有一个与传感器端进行数据交互。

一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练方法，包括以下步骤：

显示端选择工作模式并发送指令给传感器端的数据采集传输模块，驱动训练提醒模块进行语音提示本次训练开始，所述工作模式包括闭唇动作训练、弹唇动作训练、顶舌动作训练、吞咽动作训练、弹舌动作训练中的至少一种；

唇部外侧温湿度检测模块采集呼吸过程中的气体温度值和湿度值并通过数据采集传输模块发送给温湿度状态显示模块，温湿度状态显示模块中的LED渐变光源根据气体温度值和湿度值显示不同的颜色，间接反映患者唇部状态；

肌功能训练过程中，唇部压力检测模块和舌部压力检测模块采集不同的压力值，并将压力值依次通过信号调理模块和数据采集传输模块发送给显示端；

显示端判断当前训练动作是否满足有效性设计判定规则，并通过训练提醒模块进行语音提示；

显示端判断满足有效性设计判定规则的训练动作持续时间或次数是否大于等于阈值，如是，则通过训练提醒模块语音提示本次训练完成。

所述有效性设计判定规则具体为：

1)肌功能训练开始前，设定标准训练动作，并采集标准工作下的传感器数据，构建某一训练动作含n个样本的集合数据S＝{(X₁),(X₂),……,(X_n)}，其中X_i表示第i个动作的时间序列；

2)对数据集进行修正，使每个数据的时间相同，修正后的集合数据S′＝{(X′₁),(X′₂),……,(X′_n)}，其中X′_i表示修正后的第i个动作时间序列；

3)对每一个训练动作施加压力范围数据取均值

根据Avg_i设定波动最小值

4)对时间序列X′_i进行去均值归一化处理，归一化的数据集记作S″＝{(X″₁),(X″₂),……,(X″_n)}，其中X″_i表示归一化后的第i个动作时间序列；

5)建立数据标准模板：对归一化后的数据集内的每组时间序列数据与其他数据进行相似度比较，选取的5组相似度最高的数据作为数据标准模板；

6)肌功能训练模式下，患者按照制定的工作模式做相应动作，采集数据后按照步骤2)和步骤3)依次对数据进行修正和归一化处理，设采集数据时间序列为Y，修正后的序列记为Y′，去均值归一化处理后的数据记为Y″；

7)修正后，训练动作的施加压力范围数据取均值

若Avg^(y)＜TH_min，则说明动作压力过小，不满足训练要求，语音提示当前动作压力不足；

8)将数据集Y″与数据标准模板中的5组数据依次进行相似性比对，计算综合波形相似度值T；

9)当Avg^(y)≥TH_min且T>0.8时，判定当前训练动作为有效，否则为无效。

所述建立数据标准模板具体为：

5.1)计算相关系数：

设时间序列长度为m，第i组时间序列数据X″_i与第j组时间序列数据X″_j相关系数R_i,j表示为：

式中，R_i，j∈[0，1]，

和

分别为时间序列X″_i和X″_j的平均值；

5.2)计算误差系数：

定义样本序列元素x″_i(t)和x″_j(t-1)，x″_j(t)，x″_j(t+1)之间的最大值为元素误差距离d_ij(t)，表示为：

d_ij(t)＝max(x″_i(t)-x″_j(t-1)，x″_i(t)-x″_j(t)，x″_i(t)-x″_j(t+1))

因此，序列长度为m的第i组时间序列数据X″_i与第j组时间序列数据X″_j的误差距离集合表示为D_ij＝{d_ij(1)，d_ij(2)，......，d_ij(m)}；

定义阈值F＝0.15*SD_i，对集合中元素大于F的数据个数记为

其中，SD_i表示时间序列数据X″_i的标准值，误差系数表示为

5.3)计算综合波形相似度：

将相关系数R_i，j和特征误差系数S_i，j加权平均，选择加权系数为α，得到综合波形相似度表示为：

T_i，j＝(1-α)R_i，j+α(1-S_i，j)

选取的5组相似度最高的数据作为数据标准模板。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明抛开传统口内全牙列硅橡胶肌功能训练装置框架，维持正常口腔空间，保证口腔功能训练的进行不受异物干扰，能够准确的测量肌肉力量及其变化，并进行分析。通过人工智能可穿戴设备将多种传感器采集与数字无线传输技术相结合，具有测量实时性好、准确度高，方便日常的口腔训练可视数字化监测，充分调动患者及家长的积极性，进行多种形式主动训练，并在平时对口呼吸进行被动调整，易于应用推广。

附图说明

图1为本发明测量训练系统结构示意图；

图2为本发明测量训练系统外形设计示意图；

图3为本发明测量训练系统传感器安装位置示意图；

图4为本发明口周肌训练检测的流程示意图；

图5为本发明为本发明方法的训练动作有效性判定流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明测量训练系统结构示意图，包括：患者传感器端1，患者端或医生端2，其中：

患者传感器端1用于安装多个传感器于口腔相对应位置，检测口周肌力采集数据并完成无线传输，且可根据患者端或医生端发出的指令对患者进行语音提示，具体包含唇部压力检测模块11、舌部压力检测模块12、唇部外侧温湿度检测模块13、训练提醒模块14、温湿度状态显示模块15、信号调理模块16和数据采集传输模块17，其中：

唇部压力检测模块11用于检测唇部闭紧后上下唇之间的压力数值，实现方式为在上下唇之间安放薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器为圆形薄膜状柔性材质，直径约7mm,厚度约为0.4mm，压力感应范围2g～100g，测量原理为当施加在传感器有效区域上的压力增加，传感器输出电阻减小，通过信号调理模块16中的电路将电阻值变化转化为电压值变化，使用数据采集传输模块17中的模/数转换芯片进行测量。薄膜压力传感器通过1mm食用硅胶封套密封进行防水处理，使用前利用标定实验标定传感器与电压变化的关系。

舌部压力检测模块12用于检测舌尖顶到硬腭前端的压力数值，实现方式为在口腔内部硬腭位置安放薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器为圆形薄膜状柔性材质，直径约7mm,厚度约为0.4mm，压力感应范围2g～500g，测量原理与唇部压力检测模块11类似，薄膜压力传感器通过1mm食用硅胶封套密封进行防水处理，使用前利用标定实验标定修正传感器与电压变化的关系。

温湿度检测模块13用于辅助检测当前患者的闭唇状态，实现方式为在唇部外侧固定安装高性能数字式温湿度传感器，温度测量精度±0.3℃，湿度测量精度±2％RH，呼吸过程中检测气体的温度、湿度参数变化情况，间接反映患者的闭唇状态。

训练提醒模块14用于对患者在训练过程中进行语音提示，尤其是训练开始、训练结束、训练过程中未满足训练条件和训练专注提醒，上述语音提示根据患者端显示处理模块21或医生端显示处理模块22进行数据分析后，通过蓝牙传输发送指令给训练提醒模块14。

温湿度状态显示模块15带有LED渐变光源，用于显示患者当前唇部外侧温湿度变化，具体实现方式为所测温湿度值控制通过LED渐变光源的颜色变化，若患者在闭唇状态下，LED光源输出保持固定值，口罩表面颜色固定；若患者处于张嘴状态，温湿度随着口内呼出气体和吸入气体的动作而发生改变，进而控制LED渐变光源的颜色输出发生明显变化，间接反映患者唇部状态，尤其方便于儿童患者的家长直接观察监督。

信号调理模块16用于将薄膜压力传感器的电阻变化通过放大器和调节电阻转化为0-5V的电压信号，当薄膜压力传感器的电阻减小时，输出电压增大，传感器连续的电阻变化可转换为连续的电压变化，进而可以用于体现唇部和舌部压力变化。

数据采集传输模块17带有蓝牙装置和锂电池，用于采集唇部压力检测模块11、舌部压力检测模块12、温湿度检测模块13经过信号调理模块15后的电压信号，通过模/数转换后得到数字化信号，采集频率大于或等于100Hz。采集到的数据通过蓝牙无线传输给患者端显示处理模块21或医生端的显示处理模块22，锂电池用于供电。

患者端显示处理模块21具体实现方式可以是电脑软件或手机APP，含有蓝牙、WIFI数据传输装置，蓝牙装置接收数据采集传输模块17的数据，并发送指令和训练情况给患者传感器端1，(蓝牙为配对形式，同一时刻只与患者端显示处理模块21或医生端显示处理模块22其中之一连接)，WIFI数据传输装置将数据同步到医生端显示处理模块22。患者端显示处理模块21可实现患者本人当前训练状态分析提示(蓝牙配对情况下根据工作模式实时分析数据，并提示患者配合情况)，患者本人数据资料显示(患者的基本信息、训练数据，可阅读无修改权限)、患者本人训练计划显示(已训练次数时间、未来训练计划次数时间，可阅读无修改权限)、患者本人历史训练状态显示(训练后数据分析评价、患者配合度评价，可阅读无修改权限)、医生反馈患者本人数据显示(医生每次训练后或就诊后的医嘱提示，可阅读无修改权限)。

医生端显示处理模块22具体实现方式可以是电脑软件或手机APP，含有蓝牙、WIFI数据传输装置，蓝牙装置接收数据采集传输模块17的数据，并发送指令和训练情况给患者传感器端1，(蓝牙为配对形式，同一时刻只与患者端显示处理模块21或医生端显示处理模块22其中之一连接)，WIFI数据传输装置将数据同步到患者端显示处理模块21。医生端显示处理模块22可实现患者当前训练状态分析提示(蓝牙配对情况下根据工作模式实时分析数据，并提示患者配合情况)，患者数据资料库建立(患者的基本信息、训练数据，可建立显示修改)、患者训练计划档案库建立(已训练次数时间、未来训练计划次数时间，可建立显示修改)、患者历史训练档案库建立(训练后数据分析评价、患者配合度评价，可建立显示修改)、医生反馈数据库建立(医生每次训练后或就诊后的医嘱提示，可建立显示修改)。

患者端或医生端2通过特定的通信协议与云端进行数据通信，云端对将患者传感器端1采集的数据以及患者数据进行存储，当患者端或医生端2需要查询某些数据时，云端调用数据库中的相应数据并将数据发送给患者端或医生端2。

如图2所示，为本发明测量训练系统外形设计示意图，包括鼻呼吸口罩3，可调节系带4，传感器固定区间5，传感器6，提示耳机7，其中：

鼻呼吸口罩3为半透明硅胶材质，佩戴在鼻子下方(露出鼻孔)，通过可调节系带4佩戴于耳朵上，实现测量训练系统覆盖口部和下巴，完成固定。传感器固定区间5为尼龙绒带结构，固定于鼻呼吸口罩3内侧，用于安装传感器6。温湿度状态显示模块15安装在口罩3内侧，LED光源透过半透明硅胶材质间接提示闭嘴状态。传感器6包含唇部压力检测模块11、舌部压力检测模块12、温湿度检测模块13，固定方式通过尼龙钩带结构与传感器固定区间3形成联结的尼龙搭扣，具体固定位置由专业口腔医生对患者进行检查诊断后根据患者骨骼及牙齿关系确定训练目标后决定，保证检测和训练效果。提示耳机7包含有信号调理模块16、数据采集传输模块17和训练提醒模块14，实现方式为入耳式耳机，耳机7与传感器6之间线路为有线式传输从传感器6沿鼻呼吸口罩外边沿直至耳机7。

如图3所示，为本发明测量训练系统传感器安装位置示意图，其中，上唇和下唇之间放置唇部压力检测模块11用于检测训练唇部肌肉；上颚前部位置放置舌部压力检测模块12用于检测训练舌部肌肉；在鼻呼吸口罩3内侧唇部位置安置温湿度检测模块13。

如图4所示，为本发明口周肌训练检测的流程示意图。

步骤1，患者端或医生端2选择当前需要进行的工作模式，工作模式可以是单独的闭唇动作训练、弹唇动作训练、顶舌动作训练、吞咽动作训练、弹舌动作训练等等，也可以上述多种动作训练组合完成。

步骤2，患者端或医生端2发送指令给数据采集传输模块17，驱动训练提醒模块14在耳机进行语音提示本次训练开始；

步骤3，数据采集传输模块17采集温湿度模块13的数据发送给患者端或医生端2，患者端或医生端2根据温湿度数据控制驱动温湿度状态显示模块15，温湿度状态显示模块15中的LED光源在患者闭唇状态下，温湿度数据不变而保持固定值，口罩表面颜色固定；若患者处于张嘴状态，温湿度数据随着口内呼出气体和吸入气体的动作而发生改变，进而控制LED渐变光源的颜色输出发生明显变化，间接反映患者唇部状态，尤其方便于儿童患者的家长直接观察监督。

步骤4，唇肌或舌肌压力传感器数据分析，由于薄膜压力传感器的压力输出对受力位置和均匀度非常敏感，患者唇部和舌部与传感器的接触属于软接触，每次采集的压力数据存在一定范围的波动，定义某个阈值才判定动作的有效性有失偏颇，因此本发明对动作的有效性设计判定规则。

步骤5，语音提示当前状态，若训练动作不满足有效性设计判定规则，则语音提示患者当前动作无效，注意修正；

步骤6，训练效果时间或次数判定，若有效动作持续时间或次数大于等于设定动作训练时间或次数，则语音提示本次训练完成。

如图5所示，为本发明方法的训练动作有效性判定流程。

训练动作按照动态特征可分为持续性压力动作(闭唇动作训练、顶舌动作训练等等)，和间歇性动态压力动作(弹唇动作训练、弹舌动作训练等等)，为保证动态数据的准确性，数据采集传输模块对薄膜压力传感器的采样率为100Hz。

步骤1，为了对训练过程中的动作进行判定，在开始训练之前，患者首先需要在医生指导下做多组相应训练动作，合格动作经医生认证后保存到个人数据样本库中，设某一训练动作含n个样本集合数据S＝{(X₁),(X₂),……,(X_n)}，其中X_i表示第i个动作的时间序列。对于持续性压力动作数据，要求时间大于15s；对于间歇性动态压力动作，每一个动态动作单独记作一个时间序列。

步骤2，由于每个序列训练时间长度不等，且在开始和结束阶段属于调整阶段，数据不稳定，并且间歇性动态压力动作的起始结束时间也不固定，对于持续性压力动作数据进行截断处理，选取中间10s时段的数据；对于间歇性动态压力动作，识别动作起始和结束时间，去除无效数据区间后将数据压缩为统一长度，形成修正后的集合数据S′＝{(X′₁),(X′₂),……,(X′_n)}，其中X′_i表示修正后的第i个动作时间序列；

步骤3，由于每次采集的压力数据存在一定范围的波动，设定相关动作在压力存在下的最小值TH_min，具体实现方法为,每一个持续性压力动作数据或间歇性动作的施加压力范围数据取均值

根据Avg_i设定波动最小值

步骤4，为了避免绝对值大小对每一个动作时间序列计算的影响，对时间序列X′_i进行去均值归一化处理，归一化的数据集记作S″＝{(X″₁)，(X″₂)，......，(X″_n)}，其中X″_i表示归一化后的第f个动作时间序列，时间序列的每个元素x″_i(t)归一化过程可写作：

步骤5，建立数据标准模板，由于上述数据都是医生认证过的标准数据，对数据集内的每组时间序列数据与其他数据进行相似度比较，选取的5组相似度最高的数据作为患者稳定标准的动作，形成模板用于后期比对。

本发明设计了误差系数与相关系数加权综合表示波形相似度，相关系数用于反映波形整体相似性质，误差系数用于反映波形间的细节特征差别。

设时间序列长度为m，第i组时间序列数据X″_i与第j组时间序列数据X″_j相关系数R_i，j可表示为：

式中，R_i，j∈[0，1]，

和

分别为时间序列X″_i和X″_j的平均值。

误差系数的计算首先定义样本序列元素x″_i(t)和x″_j(t-1)，x″_j(t)，x″_j(t+1)之间的最大值为元素误差距离d_ij(t)，具体表示为：

d_ij(t)＝max(x″_i(t)-x″_j(t-1)，x″_i(t)-x″_j(t)，x″_i(t)-x″_j(t+1))

因此，序列长度为m的第i组时间序列数据X″_i与第j组时间序列数据X″_j的误差距离集合可表示为D_ij＝{d_ij(1)，d_ij(2)，......，d_ij(m)}

定义阈值F＝0.15*SD_i，对集合中元素大于F的数据个数记为

其中，SD_i表示的是时间序列数据X″_i的标准值，细节特征误差系数表示为

由设计过程可知，特征误差系数S_i，j∈[0，1]体现了时间序列数据X″_i与时间序列数据X″_j之间的细节误差关系，序列间细节相差越多，特征误差系数越大，因此使用1-S_i，j表示细节相似程度。

将相关系数R_i,j和特征误差系数S_i,j加权平均，选择加权系数为α，综合波形相似度可表示为：

T_i,j＝(1-α)R_i,j+α(1-S_i,j)

步骤6，训练模式下，患者按照制定模式做相应动作，采集数据后按照步骤2和步骤3依次对数据进行有效段选取和归一化处理，设采集数据时间序列为Y，修正后的序列记为Y′，去均值归一化处理后的数据记为Y″；

步骤7，有效段选取后，持续性压力动作数据或间歇性动作的施加压力范围数据取均值

若Avg^(y)＜TH_min，则说明动作压力过小，不满足训练要求，语音提示当前动作压力不足；

步骤8，信号Y″与标准模板5组数据依次进行相似性比对，计算综合波形相似度值T。

步骤9，对有效性进行判定输出，

条件1：根据步骤7判断当前施加压力是否符合要求，

条件2：进一步判断动作波形与模板比较的相似度情况，当相似度T>0.8，说明波形的相似程度较好。

上述两个条件满足后，判定当前动作为有效。

Claims (10)

1.一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统，其特征在于，包括传感器端，用于采集生理数据并发送给显示端，包括：

唇部压力检测模块，用于采集唇部闭紧后上下唇之间的压力值，并发送给信号调理模块；

舌部压力检测模块，用于采集舌尖顶到硬腭腭皱襞的压力值，并发送给信号调理模块；

唇部外侧温湿度检测模块，用于采集呼吸过程中的气体温度值和湿度值，并发送给信号调理模块；

训练提醒模块，用于根据显示端的指令对患者在训练过程中进行语音提示；

温湿度状态显示模块，用于根据唇部外侧温湿度检测模块采集的数据，显示患者当前唇部外侧温湿度变化；

信号调理模块，用于对唇部压力监测模块、舌部压力检测模块和唇部外侧温湿度检测模块发送的数据进行处理，生成模拟信号并发送给数据采集传输模块；

数据采集传输模块，用于对信号调理模块发送的模拟信号转换为数字信号并发送给显示端，并接收显示端的指令发送给训练提醒模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统，其特征在于，所述唇部压力检测模块和舌部压力检测模块均为薄膜压力传感器，所述唇部压力检测模块设于在上下唇之间，所述舌部压力检测模块设在口腔内部硬腭腭皱襞处。

3.根据权利要求1所述的一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统，其特征在于，所述唇部外侧温湿度检测模块为温湿度传感器，设于唇部外侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统，其特征在于，所述温湿度状态显示模块带有LED渐变光源，所述LED渐变光源根据气体温度值和湿度值所处的不同阈值范围，显示不同的颜色，当唇部外侧温湿度检测模块没有检测到气体时，温湿度状态显示模块中的LED渐变光源颜色固定。

5.根据权利要求1所述的一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统，其特征在于，还包括耳鼻固定装置，包括：

鼻呼吸口罩，为半透明硅胶材质，内表面设有传感器固定区间，用于固定唇部压力监测模块、舌部压力检测模块和唇部外侧温湿度检测模块，使被测者佩戴鼻呼吸口罩后、唇部压力监测模块在上下唇闭紧时产生压力值，舌部压力检测模块在舌部接触口腔内部硬腭位置时产生压力值，以及口或鼻呼吸时温湿度检测模块产生温湿度数据；鼻呼吸口罩内侧设有温湿度状态显示模块，使LED光源透过半透明硅胶材质以提示闭嘴状态；

耳机，用于设置训练提醒模块、信号调理模块、数据采集传输模块，实现语音提示、以及与显示端的无线通信。

6.根据权利要求1所述的一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统，其特征在于，还包括显示端，用于接收并显示传感器端发送数字信号，并向传感器端发送指令，包括：

患者端显示处理模块，用于通过蓝牙的方式接收传感器端发送的数字信号并显示，将数字信号同步到医生端显示处理模块，以及向传感器端发送指令；

医生端显示处理模块，用于通过蓝牙的方式接收传感器端发送的数字信号并显示，将数字信号同步到患者端显示处理模块，以及向传感器端发送指令。

7.根据权利要求1所述的一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练系统，其特征在于，所述患者端显示处理模块和医生端显示处理模块在同一时间有且仅有一个与传感器端进行数据交互。

8.一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练方法，其特征在于，包括以下步骤：

显示端选择工作模式并发送指令给传感器端的数据采集传输模块，驱动训练提醒模块进行语音提示本次训练开始，所述工作模式包括闭唇动作训练、弹唇动作训练、顶舌动作训练、吞咽动作训练、弹舌动作训练中的至少一种；

唇部外侧温湿度检测模块采集呼吸过程中的气体温度值和湿度值并通过数据采集传输模块发送给温湿度状态显示模块，温湿度状态显示模块中的LED渐变光源根据气体温度值和湿度值显示不同的颜色，间接反映患者唇部状态；

肌功能训练过程中，唇部压力检测模块和舌部压力检测模块采集不同的压力值，并将压力值依次通过信号调理模块和数据采集传输模块发送给显示端；

显示端判断当前训练动作是否满足有效性设计判定规则，并通过训练提醒模块进行语音提示；

显示端判断满足有效性设计判定规则的训练动作持续时间或次数是否大于等于阈值，如是，则通过训练提醒模块语音提示本次训练完成。

9.根据权利要求8所述的一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练方法，其特征在于，所述有效性设计判定规则具体为：

1)肌功能训练开始前，设定标准训练动作，并采集标准工作下的传感器数据，构建某一训练动作含n个样本的集合数据S＝{(X₁),(X₂),……,(X_n)}，其中X_i表示第i个动作的时间序列；

2)对数据集进行修正，使每个数据的时间相同，修正后的集合数据S′＝{(X′₁),(X′₂),……,(X′_n)}，其中X′_i表示修正后的第i个动作时间序列；

3)对每一个训练动作施加压力范围数据取均值

根据Avg_i设定波动最小值

4)对时间序列X′_i进行去均值归一化处理，归一化的数据集记作S″＝{(X″₁),(X″₂),……,(X″_n)}，其中X″_i表示归一化后的第i个动作时间序列；

5)建立数据标准模板：对归一化后的数据集内的每组时间序列数据与其他数据进行相似度比较，选取的5组相似度最高的数据作为数据标准模板；

6)肌功能训练模式下，患者按照制定的工作模式做相应动作，采集数据后按照步骤2)和步骤3)依次对数据进行修正和归一化处理，设采集数据时间序列为Y，修正后的序列记为Y′，去均值归一化处理后的数据记为Y″；

7)修正后，训练动作的施加压力范围数据取均值

若Avg^(y)＜TH_min，则说明动作压力过小，不满足训练要求，语音提示当前动作压力不足；

8)将数据集Y″与数据标准模板中的5组数据依次进行相似性比对，计算综合波形相似度值T；

9)当Avg^(y)≥TH_min且T>0.8时，判定当前训练动作为有效，否则为无效。

10.根据权利要求9所述的一种基于口周肌力精准测量的肌功能训练方法，其特征在于，所述建立数据标准模板具体为：

5.1)计算相关系数：

设时间序列长度为m，第i组时间序列数据X″_i与第j组时间序列数据X″_j相关系数R_i,j表示为：

式中，R_i,j∈[0,1]，

和

分别为时间序列X″_i和X″_j的平均值；

5.2)计算误差系数：

定义样本序列元素x″_i(t)和x″_j(t-1),x″_j(t),x″_j(t+1)之间的最大值为元素误差距离d_ij(t)，表示为：

d_ij(t)＝max(x″_i(t)-x″_j(t-1),x″_i(t)-x″_j(t),x″_i(t)-x″_j(t+1))

因此，序列长度为m的第i组时间序列数据X″_i与第j组时间序列数据X″_j的误差距离集合表示为D_ij＝{d_ij(1),d_ij(2),……,d_ij(m)}；

定义阈值F＝0.15*SD_i，对集合中元素大于F的数据个数记为

其中，SD_i表示时间序列数据X″_i的标准值，误差系数表示为

5.3)计算综合波形相似度：

将相关系数R_i,j和特征误差系数S_i,j加权平均，选择加权系数为α，得到综合波形相似度表示为：

T_i,j＝(1-α)R_i,j+α(1-S_i,j)

选取的5组相似度最高的数据作为数据标准模板。

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