CN114451707B - 一种用于盆底磁刺激的智能座椅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于盆底磁刺激的智能座椅，所述智能座椅包括安装在智能座椅上的充气坐垫、背部靠垫、以及与充气坐垫和背部靠垫相连用于控制其充放气时长的控制主机；所述充气坐垫的充气量依据磁刺激方案充气至指定压力值；控制主机根据用户在充气坐垫上的压力分布分类用户体型，结合磁刺激区域的预刺激强度，基于模糊控制算法计算背部靠垫的充气时间并自适应充气至最佳厚度，从而支撑被治疗者盆底肌贴合磁刺激最佳区域，在保证磁刺激点准确的状态下让被治疗者有一个舒适的腰背和臀部支撑。

Description

一种用于盆底磁刺激的智能座椅

技术领域

本发明涉及磁刺激设备技术领域，尤其涉及一种用于盆底磁刺激的智能座椅。

背景技术

盆底功能障碍性疾病(PFD)主要是盆底的支持组织薄弱而引发的盆腔器官位置和(或)功能异常，主要包括盆腔气管脱垂和压力性尿失禁等。据相关临床研究表明，我国已婚妇女中45％存在不同程度的PFD。PFD虽不会威胁生命，但严重影响患者日常生活、社交活动和性生活质量，并能引起自卑、沮丧、抑郁等心理障碍。随着生活水平的提高，提升女性生活质量的呼声越来越高，PFD已经成为备受关注的医疗问题和社会问题。

目前业界PFD治疗采用手术治疗和保守治疗两种疗法。手术治疗有一定的并发症，费用较高，增加患者的经济负担，通常用于重症患者。保守治疗包括生活方式干预、盆底肌康复训练和药物治疗等。其中盆底磁刺激治疗是通过反复活化终端的运动神经纤维和运动终板，从而强化盆底肌肉的强度和耐力，改变盆底肌群的活动，达到治疗的目的。研究表明：盆底磁刺激不需患者接收培训，不受衣服的限制，患者坐在治疗仪即可接收治疗，具有非侵入、简单无痛的优点，是一种理想的PFD治疗方案。

目前盆底磁治疗一次的治疗时间在20min以上，治疗过程中患者需要长时间保持固定的坐姿，如果没有腰臀部的支撑，会有臀部和腰背的不适感，很难坚持一整个治疗方案，从而导致坐姿偏移，降低治疗效果。市场上，盆底磁设备为达到治疗效果，磁线圈多是贴近座椅座面，座椅座面相对较硬，缺少腰背和臀部的支撑，即使有支撑部件，也都是简单的固定部件，很难针对不同体型的患者起到有效支撑作用。

由人体解刨学可知，盆底肌分为尿生殖区肌肉和肛门区肌肉两个部分，而不同的患者需要治疗的部位不同，当前盆底磁设备对盆底肌的刺激多是较宽泛的区域刺激，没有根据方案不同精准定位治疗区域。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了符合人体工程学用于盆底磁刺激的智能座椅，用户坐在智能座椅上治疗时，提示用户保持正确坐姿，并根据用户体型和磁预刺激区域主动调整气囊充气量，推动用户做出体位调整，使用户对应治疗区域紧密贴合磁刺激区域中心，充气坐垫和背部靠垫分别对用户的臀部和腰背部提供有效的支撑，缓解用户在治疗过程中臀部和腰背部的不适感，磁刺激精准度提升50％，使用户长时间保持有效盆底磁刺激点治疗。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明公开了一种用于盆底磁刺激的智能座椅，所述智能座椅包括安装在智能座椅上的充气坐垫、背部靠垫、以及与充气坐垫和背部靠垫相连用于控制其充放气时长的控制主机；所述充气坐垫的充气量依据磁刺激区域对应的预刺激强度充气至指定压力值；控制主机根据用户坐在充气坐垫上的压力分布分类用户体型，结合预刺激强度，基于模糊控制算法计算背部靠垫的充气量并自适应充气至最佳厚度。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明的智能座椅符合人体工程学的盆底磁治疗方案，在磁刺激仪启动后，智能座椅上的充气坐垫调整至最佳充气状态，当被治疗者坐上智能座椅后，会提示被治疗者调整坐姿到合适姿态，同时，智能座椅会自动识别被治疗者的体型，背部靠垫根据用户体型的压力反馈和磁预刺激强度自适应充气到最佳厚度，支撑被治疗者盆底肌贴合磁刺激最佳区域，在保证磁刺激点准确的状态下让被治疗者有一个舒适的腰背和臀部支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。其中：

图1为本发明实施例智能座椅的原理框图；

图2为本发明实施例充气坐垫的结构示意图；

图3是本发明实施例背部靠垫的结构示意图；

图4是本发明实施例磁刺激支撑定位算法的流程图；

图5是本发明实施例模糊控制算法的流程图；

图中，1-充气坐垫，101-内弧型气囊，102-W型气囊，103-坐骨结节气囊，104-第一检测气囊，105-第二检测气囊；2-背部靠垫，201-内层气囊，202-外层气囊，203-柔性包裹外套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1至图2所示，本发明的用于盆底磁刺激的智能座椅，包括安装在智能座椅上的充气坐垫1、背部靠垫2、以及与充气坐垫1和背部靠垫2相连用于控制其充放气时长的控制主机。智能座椅与磁刺激设备相连，所述磁刺激设备的刺激线圈安装在智能座椅座面下方或集成在智能座椅座面内部。

控制主机包括运算控制模块、充放气模块、监测模块和通信模块，充放气模块和监测模块分别与运算控制模块相连，运算控制模块通过通信模块连接磁刺激设备。其中充放气模块主要由气泵、气路、和电磁阀组成，气泵通过气路和电磁阀与充气坐垫1和背部靠垫2相连通，用于控制各分部气囊的充放气；监测模块可以为压力传感器，用于监测各分部气囊的压力值，并传输给运算控制模块。

传统的充气坐垫多为平面形或者单一对称结构，没有考虑到人体生物力学的影响，其舒适性不高，并且在检测特定坐姿时会有较大的误差，因此，本发明结合人体生物力学，对充气坐垫做出了改进性设计。

本发明的充气坐垫1由各独立的分部气囊组成，具体根据人体坐姿压力分布和磁刺激区域进行排布。由人体解刨学可知，由于大腿下面至膝盖后面有主动脉，受力后容易产生麻木感，当人体的重量主要在坐骨结节时，人的感觉最舒服。由此，充气坐垫1前部设有内弧型气囊101，增大面积以减小大腿底部压强。根据人体座椅面压力分布可知，座椅面的受力是以坐骨结节处为最大受力点，由此向外压力逐渐减小，直至座椅面前缘与大腿接触处压力最小，因此在充气坐垫左右两侧对称设有椭圆形状的坐骨结节气囊103，两个坐骨结节气囊103中心间距根据正常坐骨结节间距为8.5cm～9.5cm设计。充气坐垫1后部设有W型气囊102，用以贴合支撑人体臀部后侧，如此设计既保证臀部压力分布良好，让压力大的地方有足够的柔性支撑以提升舒适度，也提高了坐姿检测准确度。充气坐垫中部设有检测气囊，为磁刺激区域的检测区域。

由人体解刨学可知，盆底肌分为尿生殖区肌肉和肛门区肌肉两个部分，为了提高检测精度，中间检测气囊可设计为前后两个分部气囊，包括第一检测气囊104和第二检测气囊105，分别对应尿生殖区肌肉和肛门区肌肉，根据不同的治疗方案组合检测收缩压力。依据临床统计，90％的女性肛门与阴道口间距为2cm～4cm，两个检测气囊中心间距取中位数3cm，以适应绝大多数用户。图2中肛门区肌肉对应的检测气囊中间圆点为内置硬物凸起顶点，用于初步定位用户肛门位置。

图3为背部靠垫2的结构示意图，依据人体脊柱曲线设计，采用双层气囊结构，内层气囊201起到整体支撑作用，外层气囊202高度取用户人体腰锥高度中位数，如女性人体腰椎高度中位数为17cm，通过内外层气囊高度差贴合人体脊柱曲线。背部靠垫还包括柔性包裹外套203，可置于座椅靠背内部或贴于座椅靠背表面，依据人体肌肉骨骼生物模型构建而成。

在线圈磁刺激强度固定，刺激线圈不移动的情况下，磁场分布也是固定的，此时为了达到最好的治疗效果，需要用户盆底肌部位处于固定的最佳磁场区域进行治疗，而不同的体位对应治疗区域不同，此时就需要用户坐姿体位保持确定。因此，本发明的智能座椅公开了磁刺激支撑定位算法，通过充气坐垫压力分布检测用户体型，基于用户体型和磁刺激区域的刺激强度调整背部靠垫的厚度，推动用户做出体位调整，使治疗部位贴合至刺激最佳区域。

图4示出了本发明实施例背部靠垫用于人体支撑定位的步骤包括：

根据磁刺激治疗方案，并结合磁场分布图得到充气坐垫的最优充气量数据，将充气坐垫充气至指定压力值；

用户根据第二检测气囊的突起点定位肛门对应点，根据现有坐姿检测算法判断用户坐姿是否正确，对于不标准的坐姿则进行提示；

坐姿正确后根据现有充气坐垫压力分布检测用户体型；

根据模糊控制算法计算背部靠垫充气时间，将背部靠垫充气至指定厚度；

根据磁预刺激反馈，基于PID算法微调背部靠垫的充气量；

当达到相应平衡点后停止充放气，此时则定位磁刺激区域和人体支撑平衡点。

为体现人性化的特性，在定位到人体支撑平衡点后，用户可主动选择调整背部靠垫的压力，智能座椅根据多样本测试得到的用户体型和背部靠垫压力关系计算放气阈值，当检测到用户主动向后压靠背部靠垫达到放气阈值后，背部靠垫则自动放气至对应主动压力平衡点。

当检测到用户不再主动向后压靠背部靠垫时，智能座椅将背部靠垫充气至支撑平衡点；当治疗结束离开后，背部靠垫放气至初始值。

对统计数据进行拟合得到的用户主动放气阈值公式如下所示：

补气阈值则依据平衡保持状态下背部靠垫压力值和当前背部靠垫压力值进行计算：

P_a＝k(P_h-P)

其中P_c为主动放气阈值，P_w为体重综合压力，a、b、c为放气阈值计算系数，P_a为补气阈值，P_h为平衡保持状态下靠垫压力值，P为当前背部靠垫压力值，k为补气阈值计算系数；

a在-0.0001～-0.0002范围内，b在1.600～1.700范围内，c在-3000～-3200范围内，k在0.8～1.1范围内，具体数值根据气囊大小调整。

当ΔP>P_c进行放气操作，ΔP<P_a时进行补气操作，P_c>ΔP>P_a时保持压力。

图5示出了本发明实施例模糊控制算法计算背部靠垫充气时间的具体流程图，包括模糊控制算法和PID微调控制算法两个部分。

具体地，模糊控制算法的详细步骤如下：

在此选用两输入单输出模糊控制器，控制器的输入为用户体型、磁刺激区域，输出为背部靠垫充气时间。

根据人体生物力学和人体解刨学可知，当人在坐姿情况下，身高越高的人，膝盖越高于座面，腿部受力越小，座面压力更集中于坐骨结节，相应的盆底肌尿生殖区肌肉位置会提高，肛门区肌肉位置会下降；

一般认为，体重越大的人，体型越大，相应的在治疗坐姿情况下，其需要的腰部支撑厚度要薄一些；

在此根据多样本测试统计分析得出身高体重和磁刺激区域的关系，将用户体型分为5个模糊集：矮胖体型NB，高胖体型NS，矮体型ZO，正常体型PS，高体型PB。

具体的，矮胖体型，腿臀都压在座椅面，各分部气囊压力值均较大；高胖体型，膝盖高于座面，臀部较大，会压到后部的W型气囊，前部的内弧型气囊压力较小，其余都很大，坐姿稍靠后；矮体型，腿臀都压在座椅面，前部的内弧型气囊、后部的W型气囊以及左右两侧的坐骨结节气囊压力值均较大，中间检测气囊正常；高体型，膝盖高于座椅面，前部的内弧型气囊和后部的W型气囊压力较小，左右两侧的坐骨结节气囊和中间部位的检测气囊压力较大。

根据充气坐垫压力分布特征，得出体型系数计算如下：

其中P为各分部气囊压力值，W为体重系数，H为身高系数，x为体型系数，a为各分部气囊体重计算比例系数，b为各分部气囊身高计算比例系数，k为体型计算系数。

经实验取得a₁和a₂在0.05～0.1范围，a₃和a₄在0.25～0.3范围，a₅和a₆在0.1～0.15范围，b₁在0.35～0.4范围，b₂在0.2～0.25范围，b₃和b₄在0.05～0.1范围，b₅和b₆在0.1～0.15范围，k在0.15～0.2范围。

假定a₁＝0.05，a₂＝0.05，a₃＝0.3，a₄＝0.3，a₅＝0.15，a₆＝0.15；

b₁＝0.35，b₂＝0.25，b₃＝0.05，b₄＝0.05，b₅＝0.15，b₆＝0.15，k＝0.18；

P₁＝600，P₂＝800，P₃＝1200，P₄＝1200，P₅＝800，P₆＝900；

计算可得体型系数x＝0.42。

选用如下三角形隶属函数可实现用户体型的模糊化，其中x为体型系数：

将磁刺激区域分为3个模糊集：检测区域前部LF，检测区域中部LM，检测区域后部LG。选用如下三角形隶属函数实现刺激区域的模糊化：

其中，y为磁刺激区域系数，该系数由磁刺激治疗方案和治疗效果反馈综合评定而来。

最终控制背部靠垫的厚度，即计算背部靠垫的充气时间，在此将背部靠垫的充气时间分为7个模糊集：很短VS，短S，略短BS，适中M，略长BL，长L，很长VL。选用如下三角形隶属函数实现充气时间的模糊化，其中z为充气时间系数：

当前充气时间隶属函数中常量部分为本发明依据实验气泵和各分部气囊大小选取实例典型值，实际应根据气泵功率和气囊大小进行调整，气泵功率和充气时间呈反比，气囊体积和充气时间呈正比。

基于多样本测试统计不同用户体型、磁刺激区域与背部靠垫充气时间的模糊规则表现为，用户体型偏高或磁刺激区域偏检测气囊前部，则充气时间偏长；用户体型偏胖或磁刺激区域偏检测气囊后部，则充气时间偏短；用户体型正常或磁刺激区域偏检测气囊中部，则充气时长适中。

具体模糊规则表如下表所示：

假定检测到的体型系数为x₀(体型)＝0.3，设定磁刺激区域系数为y₀(磁刺激区域)＝0.4，分别代入所属的隶属函数求隶属度为：

根据规则得可信度为：

模糊算法总的可信度为各条规则可信度结果的并集，即：

μ_充气时间

求得充气时间隶属度最大值为代入充气时间隶属函数中的μ_BS(z)，即：

求得z₁＝3.7,z₂＝4.3；

采用最大平均法，可得精确输出为则背部靠垫所需充气时间为4秒。

模糊控制是根据统计分析和经验得出的规则进行控制，其控制结果相对不够精准，还需要微调控制以提高控制系统的精准度，下面通过磁预刺激反馈进行PID算法微调控制:

对应PID算法控制公式为：

式中n为输入序号，e(n)为第n次输入的偏差，为第一次到第n次输入偏差的累计和，Δe(n)为第n次输入的偏差与第n-1次输入的偏差之差，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。

为了优化调节速度，在此设定最优稳态范围为(-T_p,T_p)，最大调节次数为N_max；

当T(n)>T_p时，背部靠垫充气|T(n)|ms；

当T(n)<-T_p时，背部靠垫放气|T(n)|ms；

当-T_p≤T(n)≤T_p时，认为已经达到最优稳态，不再进行调节；

当n>N_max时，达到最大调节次数，不再进行调节。

根据上述模糊控制实例继续做PID调整，取刺激区域系数为y₀(刺激区域)＝0.4，则：

e(n)＝y₀(P_F(n)-P_F(n-1))+(1-y₀)(P_G(n)-P_G(n-1))

其中P_F和P_G分别为5号6号气囊检测到的预刺激压力变化值；

假定k_p＝0.9,k_i＝-0.2,k_d＝0.1,稳态阈值T_p＝300，最大调节次数N_max＝5；

第一次调节时P_F(1)＝550，P_G(1)＝450，则T(1)＝447，靠垫气囊充气447ms；

第二次调节时P_F(2)＝580，P_G(2)＝420，则T(2)＝337，靠垫气囊充气337ms；

第三次调节时P_F(3)＝600，P_G(3)＝400，则T(3)＝237，此时T(3)<T_p，则认为调整完成。

本发明的智能座椅符合人体工程学的盆底磁治疗方案，在磁刺激仪启动后，智能座椅上的充气坐垫调整至最佳充气状态，当被治疗者坐上智能座椅后，会提示被治疗者调整坐姿到合适姿态，同时，智能座椅会自动识别被治疗者的体型，背部靠垫根据用户体型的压力反馈和磁预刺激强度自适应充气到最佳厚度，支撑被治疗者盆底肌贴合磁刺激最佳区域，在保证磁刺激点准确的状态下让被治疗者有一个舒适的腰背和臀部支撑。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种用于盆底磁刺激的智能座椅，其特征在于，所述智能座椅包括安装在智能座椅上的充气坐垫、背部靠垫、以及与充气坐垫和背部靠垫相连用于控制其充放气时长的控制主机；所述充气坐垫的充气量依据磁刺激区域对应的磁预刺激强度充气至指定压力值；控制主机根据用户坐在充气坐垫上的压力分布分类用户体型，结合磁预刺激强度，基于模糊控制算法计算背部靠垫的充气量并自适应充气至最佳厚度。

2.根据权利要求1所述的智能座椅，其特征在于，所述模糊控制算法的步骤包括：

设置模糊控制器，输入包括用户体型和磁刺激区域两个参数，输出为背部靠垫充气时间；

分别建立用户体型模糊集、磁刺激区域模糊集和背部靠垫充气时间模糊集，并基于三角形隶属函数将上述模糊集模糊化；

根据充气坐垫压力分布检测的用户体型系数和设定的磁刺激区域系数分别代入所对应隶属函数计算隶属度，再根据多样本测试统计的用户体型、磁刺激区域与背部靠垫充气时间的模糊规则表，计算充气时间隶属度；

最后通过充气时间隶属度基于充气时间隶属函数求得背部靠垫的充气时间。

3.根据权利要求2所述的智能座椅，其特征在于，根据用户坐在充气坐垫上各分部气囊的压力值分别计算用户的体重系数和身高系数，所述用户体型系数为体重系数与身高系数的比值。

4.根据权利要求1-3任一所述的智能座椅，其特征在于，基于多样本测试统计的用户体型、磁刺激区域与背部靠垫充气时间的模糊规则表现为，用户体型偏高或磁刺激区域偏检测气囊前部，则充气时间偏长；用户体型偏胖或磁刺激区域偏检测气囊后部，则充气时间偏短；用户体型正常或磁刺激区域偏检测气囊中部，则充气时长适中。

5.根据权利要求2所述的智能座椅，其特征在于，当采用模糊算法实现背部靠垫充气量后，再根据磁预刺激反馈，基于PID算法微调背部靠垫的充气量，具体步骤包括：

式中，n为输入序号，e(n)为第n次输入的偏差，为第一次到第n次输入偏差的累计和，Δe(n)为第n次输入的偏差与第n-1次输入的偏差之差，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数；

e(n)＝y₀(P_F(n)-P_F(n-1))+(1-y₀)(P_G(n)-P_G(n-1))

其中，P_F为第一检测气囊检测到的与刺激压制变化值，P_G为第二检测气囊检测到的预刺激压力变化值，y₀为磁磁刺激区域系数；

设定最优稳态范围为(-T_p,T_p)；

当T(n)>T_p时，背部靠垫充气|T(n)|ms；

当T(n)<-T_p时，背部靠垫放气|T(n)|ms；

当-T_p≤T(n)≤T_p时，认为已经达到最优稳态，不再进行调节。

6.根据权利要求2所述的智能座椅，其特征在于，所述用户体型模糊集的数量根据用户体型特征设定，所述磁刺激区域模糊集的数量根据磁刺激位置方案设定。

7.根据权利要求1所述的智能座椅，其特征在于，根据多样本测试得到的用户体型和背部靠垫压力关系计算放气阈值，当检测到用户主动向后压靠背部靠垫达到放气阈值后，背部靠垫则自动放气至对应主动压力平衡点，具体放气阈值其中，P_w为用户体重综合压力，a、b、c为放气阈值计算系数。

8.根据权利要求1所述的智能座椅，其特征在于，所述背部靠垫双层气囊结构，外层气囊的高度根据人体腰椎高度中位数设定，内层气囊与外层气囊的高度差贴合人体脊柱曲线。

9.根据权利要求8所述的智能座椅，其特征在于，所述背部靠垫包括支撑架，所述内层气囊为支撑气囊，对称安装在支撑架上，所述外层气囊与内层气囊相连通。

10.根据权利要求1所述的智能座椅，其特征在于，所述充气坐垫各分部气囊根据人体坐姿压力分布和磁刺激区域进行排布。

11.根据权利要求10所述的智能座椅，其特征在于，所述充气坐垫位于中间磁刺激区域设有检测气囊，所述检测气囊内设有凸起部，用于定位坐姿位置。

12.根据权利要求11所述的智能座椅，其特征在于，所述检测气囊为两个独立分部气囊结构，包括位于盆底肌前部的第一检测气囊和位于盆底肌后部的第二检测气囊。

13.根据权利要求10所述的智能座椅，其特征在于，所述充气坐垫还包括位于充气坐垫前端用于支撑腿部压力的内弧型气囊和位于充气坐垫后端用于支撑臀部压力的W型气囊。

14.根据权利要求10所述的智能座椅，其特征在于，所述充气坐垫还对称设有坐骨结节气囊，两个所述坐骨结节气囊中心间距根据人体坐骨结节间距设定。

15.一种用于盆底磁刺激的智能座椅，其特征在于，所述智能座椅与磁刺激设备相连，所述磁刺激设备的刺激线圈安装在智能座椅座面下方或集成在智能座椅座面内部，所述智能座椅为权利要求1-14任一所述的智能座椅，应用在盆底磁刺激领域。