CN117482419A - 一种基于有限元阵列理疗头的平面超声波智能减脂理疗仪 - Google Patents

一种基于有限元阵列理疗头的平面超声波智能减脂理疗仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于有限元阵列理疗头的平面超声波智能减脂理疗仪，所述理疗头包括理疗头主体，设置在所述理疗头主体前端的有限元阵列超声波发生子，以及所述发生子引出的信号线。本发明采用有限元阵列分布的超声波发生子，形成了纵横波交替的，声场分布可调的理疗方案，避免了聚焦带来的血管神经的损伤。微电极片的负压手柄，能够在减脂同时进行改善血液循环通过腹部图像智能选参数，实现最佳的理疗方案。

Description

一种基于有限元阵列理疗头的平面超声波智能减脂理疗仪
技术领域
本发明本申请涉及一种基于能够发射出非聚焦高强平面超声波的有限元阵列理疗头，特别是涉及基于该有限元阵列理疗头的智能减脂理疗仪，属于理疗设备领域。
背景技术
健康是人类生活的首要保障，现代的生活改善，由于饮食的不注意，或者体质先天影响，造成“三高”人群比例增大，肥胖问题也成为影响人体外观的重要痛点。通过强超声波破脂，达到减肥目的，是现有减脂理疗产品的热门方案。然而在过去，错误地认为由于采用聚焦性超声能够更加集中震动能，从而高效地起到破坏脂肪细胞的作用。但是问题随之而来的是，聚焦的能量对于皮肤下丰富的毛细血管、神经的损害也是存在的，理疗后身体不适是部分受疗人群的共感。强调聚焦的理念下，由于作用面积小，实际上单位时间扫描到的皮肤面积十分局限。因此以往所谓高效，仅仅是针对聚焦局域的消耗脂肪作用的高效，而不是整体作用皮肤范围。
大型专业理疗设备购买也并非普通家庭能够承受的，因此对于理疗的过程，用户也往往更信任需要经验丰富的技师，以及相应从业资格的理疗师。因此如何使得理疗仪逐渐向走入家庭倾斜，以期待不用专门的技术培训就能使得用户享受如同专业的体验。这也是面对现有技术需要考虑的问题。
发明内容
鉴于现有技术的上述问题，本发明将考虑如下几个方面：第一，考虑改进理疗头为非聚焦平面波，采用有限元阵列式理疗探头；第二，通过人体的体型图像和生理指标参数而智能地确定理疗方案，从而起到减脂美体，以及理疗的功效。
基于上述方面，本发明一个目的是提供一种基于有限元阵列理疗头，包括理疗头主体，设置在所述理疗头主体前端的有限元阵列超声波发生子，以及所述发生子引出的信号线，通过所述理疗头主体后端引出，其中所述有限元阵列超声波发生子分布在多个同心圆上，且相邻的同心圆上分布的相邻发生子还在所述相邻的同心圆的两个部分重合的半径上分布，同一圆上分布的超声波发生子间距相等，且所有发生子发生波长相同，其中对于横波模式，相邻同心圆的半径相差△r为当前发生半波长的整数倍，对于纵波模式△r则为当前发生波长三分之一或四分之一的整数倍。
如此能够发生出细密的平面超声波而按照圆域扩展，且相邻圆上的发生子的声波对于横波是合成加强，而对于纵波是在一个发生子的一个波长范围内额外增加穿插两个由相对于本圆上每一个发生子的内外相邻同心圆上两个发生子产生的纵波密部，从而使得能量在两种模式下形成圆域平面上的增强。
优选地，设同心圆的个数为n，发生子的发生波长为λ，对于纵波，最外层圆与内层第m个同心圆之间半径相差△r为的整数倍，n≥5。
可选地，所有发生子发生波长各不相同，且均可调。由此可以任意调节不同同心圆区域附近的振动强度分布，制造出可调的超声场分布。
容易理解的是，由于横波和纵波的模式，使得脂肪能够在横向纵向的双向上进行振动，一方面增加分解的效率，从多个方向同时消耗脂肪；另一方面防止脂肪在单一方向振动情况下由于其他方向上振动消耗不到位而容易在减脂治疗完成后继续堆积。比如如果仅适用横向波，则容易在皮肤水平向上产生减脂不到位，而继续横向堆积扩大脂肪分布，虽然表面上给人感觉瘦了，但是脂肪实际上可能继续扩大了堆积范围，存在忽视的隐患。
优选地，所述发生子与声介质接触，从而将超声传导给作用部位。
优选地，所述声介质为柔性声介质。
更优选地，所述柔性声介质为包含声阻抗匹配液的柔性囊。
优选地，所述柔性囊上按照发生子分布的位置设置有外延的固定部，所述固定部能够与发生子之间可拆卸连接。
更优选地，所述柔性囊的容腔通过所述固定部与外界大气相通，且发生子与固定部连接为密封连接。
可选地，所述固定部具有与发生子外壳外螺纹相配合的内螺纹，以完成可拆卸连接。
可选地，所述理疗头具有手握持杆，且在手握持杆上设置开关，以控制理疗头发出待机信号或取消待机信号以进入待机模式还是工作模式。
可以清楚的是由于可拆卸连接固定，发生子之间的相对位置变化是微小的，当囊发生形变，纵向相对位置仅发生微小的弯曲，因此各声波合成的分布大致变化不大，而且发生子随囊的形变而发生适应性位置起伏微小改变，但是横向的间距倍固定部限制而不发生改变，因此总体上不会发生大的声场分布改变，解决了贴肤与声场分布相对稳定之间的矛盾。
本发明第二个目的是提供一种具有上述一种基于上述有限元阵列理疗头的平面超声波智能减脂理疗仪，其包括触控屏，可移动主机平台，设置在所述可移动主机平台中的电源和主机，以及上述有限元阵列理疗头和负压手柄，其中，所述理疗头后端通过软管包束信号线而接入可移动主机平台中设置的所述主机，以使得所述主机根据用户在所述触控屏上的用户设置，而向理疗头发出启动信号以开始减脂理疗任务，或接受输入的待机信号或取消待机信号而进入待机状态，所述电源给主机、触控屏供电。
可选地，所述可移动主机平台具有悬挂所述理疗头和负压手柄的支架。
其中所述用户设置包括选择启动的有限元阵列发生子的个数、分布及分布变化规律，及每一种分布存在的时长，还包括选择发生子的波长，强度，强度随时间变化规律，声波模式以及模式切换方式，以及智能模式。
应当理解的是，由于脂肪分布可能并非均一，因此可能关注重要的局部区域，因此调节发生子的启动范围仍然是必须的。尤其是在肥瘦的边界处，比如胸椎或胸勒骨与胃部脂肪交界处。如果全部启动，则胸椎处由于脂肪极少，则振动会感觉到不适(尤其是心肺功能不佳甚至有疾病的受疗者)。因此用户可以在设定作用时间内移动历练头作用部位，以根据设定的每一种分布作用时间。当每一种分布存在的时长设定完毕之后总的作用时长也就确定。特别地，当仅选择一种分布，且选定作用发生子个数后，所设定的每一种分布存在的时长即为总的作用时长。
其中强度随时间变化规律包括默认脉冲模式，以及用户自定义强度变化曲线。
声波模式包括横波与纵波，所述模式切换方式包括仅横波，仅纵波，横波纵波交替，以及交替中横波纵波各作用的时间。
所述主机能够根据作用时间设定而提醒用户此时的被启动的发生子的分布。由此使得执行减脂理疗人员能够控制在皮肤上移动理疗头而改变作用的部位。
可选地所述提醒包括语音提醒和/或在触控屏上的动画展示。
可选地，所述理疗仪还包括主机平台中的数控泵，通过所述负压手柄中的空气抽吸通道连接管路而接入所述负压手柄，有主机控制数控泵进入脉冲工作模式，使得所述负压手柄能够对作用部位产生数控脉冲负压，以模拟人手按摩理疗作用。以此协助血脉舒张，加速改善血液循环。
可选地，所述支架还用于悬挂所述负压手柄。
可选地，所述负压手柄上设置待机开关,以发出或取消待机信号给主机。
可选地，所述负压手柄的空气抽吸通道前端设置有微电极片，依靠所述主机进入2.0kHz微电流电刺激模式，更好地加速作用部位血液流动、流量，改善痛症的理疗效果。
应当理解的是，具体地，所述微电极片能够通过负压手柄端部外壳固定，并将正负极接线路引入其中而连接到主机，也可以加粗管路为两路相互独立的腔室，一路抽吸空气，一路为微电极片的正负极线路，以免抽吸气流收到影响，从而影响按摩力度和方向。
因此，优选地，所述管路具有中空的具有相互独立的两个隔室通路，一路为抽吸隔室，供空气抽吸的气路，另一路为引线隔室，供微电极片正负极接线路引入其中而连接到主机。
可选地，所述触摸屏具有接受外部图像文件输入的接口。
优选地，所述接口为USB接口。
所述智能模式的运行包括如下步骤：
S1拍摄多个不同肥胖程度的受疗志愿者的侧面腹部图像，所述受理疗者按照年龄和所来自的常住地区进行划分，同一常住地区下按照年龄进行划分，每一年龄段接受100-10000名志愿者，各有3-4种不同的肥胖程度；
S2设定参数，包括横波纵波交替，对于每一年龄段设定发生子个数，从1至n圈发生子，以及分布变化(包括n圈发生子的启动分布)，设定一次理疗不同总时长，10min、20min、40min、60min，其中每一种分布耗时相同，确定强度为开始的前1/4时间为强区间[2,3]W/cm2、中间2/4为中区间[1，2)W/cm2、最后1/4为弱区间[0.1，1)W/cm2，在理疗疗程为30天(每天不间断)之后，将理疗的效果按照专家评定为好，良，差三档；
S3设定神经网络模型，将各志愿者图像分为训练集和验证集，输入模型，评定档次相应的参数向量化，在模型输出层与输出的向量进行拼接，并输入全连接层，最后在分类函数分选出最佳，即好档次，和非最佳包括良和差档次，使用验证集验证调整网络参数，具体通过损失函数计算不断优化网络，直至损失函数减小趋稳，完成针对每一个常住地区的每一年龄段的训练；
S4待受疗者将腹部图片输入训练好的神经网络模型，通过不同的参数配置进行预测，得到最佳结果(最佳预测概率最大者)所确定的参数配置为理疗参数，最后理疗仪自动设定完成理疗参数，启动理疗任务。
优选地，首次启动理疗任务时为待机状态。此时由开关控制理疗头进入减脂理疗工作状态。
优选地，所述神经网络模型为CNN模型或ResNet模型。
可以理解的是，志愿者招募能够在平时减脂理疗实践中根据受疗者的意愿而不断积累数据，从而最终达到训练的量，不同地区的用户可根据自己地区的肥胖人群的固有特点而训练到不同的模型。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
1.采用有限元阵列分布的超声波发生子，形成了纵横波交替的，声场分布可调的理疗方案，加速提高了理疗的效果，避免了聚焦带来的血管神经的损伤。
2.通过到中空空气通道且设置微电极片的负压手柄，能够在减脂同时进行改善血液循环。
3.通过腹部图像智能选参数，实现最佳的理疗方案。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1a本发明实施例1的基于有限元阵列理疗头构造示意图，
图1b本发明实施例1的基于有限元阵列理疗头紧贴腹部进行减脂理疗时的示意图，
图1c具有3个同心圆的理疗头前端结构示意图，
图2为图1c中划出区域固定部和相应发生子可拆卸固定方式的示意性图，
图3本发明实施例1中对于横波与纵波合成增强状态与相邻同心圆部分重合半径方向上分布的发生子间距(即同心圆半径差)关系示意性图，
图4本发明实施例2具有实施例1提供的有限元阵列理疗头的平面超声波智能减脂理疗仪实物图，
图5为图4中负压手柄外观实物图，下方为具有同心双隔室通路的管路结构示意图，
图6为本发明实施例3智能模式步骤S3训练ResNet模型流程图,
图7智能选参后，脂肪组织治疗前和治疗后的显微成像图，以及相应脂肪细胞及旁血管显微成像图，
图8为受疗者治疗前(左)后(右)腹部的变化照片。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制
实施例1
本实施例给出一种基于有限元阵列理疗头的实施方式，如图1a所示，包括理疗头主体，设置在所述理疗头主体前端的有限元阵列超声波发生子，以及所述发生子引出的信号线，通过所述理疗头主体后端引出，其中所述有限元阵列超声波发生子分布在3个同心圆形上(图1c)，且相邻的同心圆上分布的相邻发生子还在所述相邻的同心圆的两个部分重合的半径上分布，同一圆上分布的超声波发生子间距相等，且所有发生子发生波长相同，其中对于横波模式，相邻同心圆的半径相差△r为当前发生半波长的整数倍，对于纵波模式△r则为当前发生三分之一波长的整数倍。
其中图1c示例性地显示了一个最外层同心圆直径方向上，各同心圆上相邻发生子的分布状态。
图1a和图1b中所述发生子与灌满水的囊形柔性声介质声介质接触，其接触方式如图2所示。以图1c中划出的区域包含的两个囊表面设置的具有内螺纹的固定部为例，发生子通过其外壳外螺纹可拆卸地与该两个固定部旋紧连接，其他发生子同样方式连接。从而当理疗头与图1b所示的腹部接触时，请与图1a参照比较，各发生子由于因脂肪堆积而隆起腹部而发生竖向的不同程度位移，而横向几乎不变，因此声场的分布变化微小。
对于图1c的3同心圆上的发生子分布(与固定部全部连接后)，如图3所示，以三个半径分别为r1,r2,r3的同心圆ABC三个发生子为例，相距半径差记为△r(△r＝r1＝r2＝r3)，对于横波△r为当前发生半波长的整数倍时，合成呈现横波增强状态。
对于纵波，△r则为当前发生三分之一波长的整数倍时，在虚线框中以AC发生子疏密波对发生子B的疏密波进行合成，可见B的疏密波的疏部区域内插入了约三等分疏部的两个新增密部(实际为经过疏部合成后的合成态密部)。再例如AB发生子疏密波对于发生子C的疏密波进行合成，同样发现在疏部的两个新增合成态密部。
该因此波长的设置能够节疏部内部密部的分布。只要增加同心圆的个数，任一发生子疏密波内斗插入了更多个合成台密部，随着同心圆个数增加到一定程度，可以在任意时刻视作全部由密部构成，形成纵波的增强状态。
实施例2
本实施例给出一种具有实施例1提供的有限元阵列理疗头的平面超声波智能减脂理疗仪，如图4所示，其中所述理疗头还具有手握持杆，且在手握持杆上设置开关，以控制理疗头发出待机信号或取消待机信号以进入待机模式还是工作模式。
所述用智能减脂理疗仪还包括安装有带滚轮的滚轮支架的可移动主机平台，设置在所述可移动主机平台中的电源和主机，底部具有供图像档输入的USB接口的触控屏，以及上述有限元阵列理疗头，以及负压手柄，其中，所述理疗头后端通过软管包束信号线而接入可移动主机平台中设置的所述主机，以使得所述主机根据用户在所述触控屏上的用户设置，而向理疗头发出启动信号而开始减脂和理疗任务，或接受输入的待机信号或取消待机信号而进入待机状态，所述电源给主机、触控屏供电，所述可移动主机平台还具有悬挂所述理疗头和负压手柄的支架。
如图5所示，通过所述负压手柄中的空气抽吸通道连接管路而接入设置在可移动主机平台内部的数控泵，由主机控制数控泵进入脉冲工作模式，使得所述负压手柄能够对作用部位产生数控脉冲负压，以模拟人手按摩理疗作用。所述负压手柄的空气抽吸通道前端设置有微电极片，由主机控制产生2.0kHz微电流，进入电刺激模式。
其中所述管路为同心的两个隔室作为通路，一路为抽吸隔室，供空气抽吸的气路，另一路为引线隔室。
其中所述用户设置包括选择启动的有限元阵列发生子的个数、分布及分布变化规律，及每一种分布存在的时长，还包括选择发生子的波长，强度，强度随时间变化规律，声波模式以及模式切换方式，以及智能模式。
在一些实施例中，本实施例的平面超声波智能减脂理疗仪除上述介绍的超声功能之外，还可以具备红外和射频功能。举例来讲，还可以在平面超声波智能减脂理疗仪内部安装红外线发生装置和射频发生装置，通过理疗头同时发射超声波、红外线和射频，使得在一个理疗头同时生成三种波，满足使用者的不同需求。需要说明的是，平面超声波智能减脂理疗仪内部可以设置控制系统，以分别控制超声装置、红外发生装置以及射频发生装置中的单独工作或组合工作。用还可以通过触控屏调控超声装置、红外发生装置以及射频发生装置的开启或关闭，以及各功能模块的参数调节。
实施例3
本实施例对实施例2的平面超声波智能减脂理疗仪智能模式进行说明。
S1拍摄多个不同肥胖程度的受疗志愿者的侧面腹部图像，所述受理疗者按照年龄和所来自的常住地区进行划分，同一常住地区下按照年龄进行划分，每一年龄段接受1000名志愿者，各有3种不同的肥胖程度；
S2设定参数，包括横波纵波交替，对于每一年龄段设定发生子个数，从1至n圈发生子，以及分布变化，设定一次理疗不同总时长，10min、20min、40min、60min，其中每一种分布耗时相同，确定强度为开始的前1/4时间为强区间[2,3]W/cm2、中间2/4为中区间[1，2)W/cm2、最后1/4为弱区间[0.1，1)W/cm2，在每天不间断的理疗疗程为30天之后，将理疗的效果按照专家评定为好，良，差三档；
如图6所示，S3设定ResNet模型，将各志愿者图像分为训练集和验证集，输入模型，评定档次相应的参数向量化，在模型输出层与输出的向量进行拼接，并输入全连接层，最后在分类函数分选出最佳，即好档次，和非最佳包括良和差档次，使用验证集验证调整网络参数，具体通过损失函数计算不断优化网络，直至损失函数减小趋稳，完成针对每一个常住地区的每一年龄段的训练；
S4待受疗者将腹部图片输入训练好的ResNet模型，通过不同的参数配置进行预测，取最佳预测概率取最大时所对应的参数配置作为理疗参数，最后理疗仪自动设定完成理疗参数，启动理疗任务。
图7显示了通过智能选参后，脂肪组织治疗前和治疗后的显微成像图，以及相应脂肪细胞旁血管清晰可见未破损。图8给出了一受疗者治疗前(左)后(右)(巩固30天疗程)腹部的变化照片。可见产生了明显的减脂效果。
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：在本发明的精神和原则之内，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脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于有限元阵列理疗头，其特征在于，包括理疗头主体，设置在所述理疗头主体前端的有限元阵列超声波发生子，以及所述发生子引出的信号线，通过所述理疗头主体后端引出，其中所述有限元阵列超声波发生子分布在多个同心圆上，且相邻的同心圆上分布的相邻发生子还在所述相邻的同心圆的两个部分重合的半径上分布，同一圆上分布的超声波发生子间距相等，且所有发生子发生波长相同，其中对于横波模式，相邻同心圆的半径相差△r为当前发生半波长的整数倍，对于纵波模式△r则为当前发生波长三分之一或四分之一的整数倍。
2.根据权利要求1所述的理疗头，其特征在于，设同心圆的个数为n，发生子的发生波长为λ，对于纵波，最外层圆与内层第m个同心圆之间半径相差△r为的整数倍，n≥5。
3.根据权利要求1-3中任一项所述的理疗头，其特征在于，所述理疗头具有手握持杆，且在手握持杆上设置开关，以控制理疗头发出待机信号或取消待机信号以进入待机模式或工作模式。
4.一种具有根据权利要求3所述的理疗头的有限元阵列理疗头的平面超声波智能减脂理疗仪，其特征在于，包括触控屏，可移动主机平台，设置在所述可移动主机平台中的电源和主机，以及上述有限元阵列理疗头和负压手柄，其中，所述理疗头后端通过软管包束信号线而接入可移动主机平台中设置的所述主机，以使得所述主机根据用户在所述触控屏上的用户设置，而向理疗头发出启动信号以开始减脂理疗任务，或接受输入的待机信号或取消待机信号而进入待机状态，所述电源给主机、触控屏供电，所述可移动主机平台具有悬挂所述理疗头和负压手柄的支架。
5.根据权利要求4所述的平面超声波智能减脂理疗仪，其特征在于，其中所述用户设置包括选择启动的有限元阵列发生子的个数、分布及分布变化规律，及每一种分布存在的时长，还包括选择发生子的波长，强度，强度随时间变化规律，声波模式以及模式切换方式，以及智能模式。
6.根据权利要求5所述的平面超声波智能减脂理疗仪，其特征在于，强度随时间变化规律包括默认脉冲模式，以及用户自定义强度变化曲线；声波模式包括横波与纵波，所述模式切换方式包括仅横波，仅纵波，横波纵波交替，以及交替中横波纵波各作用的时间；所述主机能够根据作用时间设定而提醒用户此时的被启动的发生子的分布，由此使得执行减脂理疗人员能够控制在皮肤上移动理疗头而改变作用的部位。
7.根据权利要求4所述的平面超声波智能减脂理疗仪，其特征在于，所述理疗仪还包括主机平台中的数控泵，通过所述负压手柄中的空气抽吸通道连接管路而接入所述负压手柄，有主机控制数控泵进入脉冲工作模式，使得所述负压手柄能够对作用部位产生数控脉冲负压，以模拟人手按摩理疗作用；所述负压手柄的空气抽吸通道前端设置有微电极片，依靠所述主机进入2.0kHz微电流电刺激模式；所述负压手柄上设置待机开关,以发出或取消待机信号给所述主机。
8.根据权利要求7所述的平面超声波智能减脂理疗仪，其特征在于，所述管路具有中空的具有相互独立的两个隔室通路，一路为抽吸隔室，供空气抽吸的气路，另一路为引线隔室，供微电极片正负极接线路引入其中而连接到主机。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的平面超声波智能减脂理疗仪，其特征在于，所述智能模式的运行包括如下步骤：
S1拍摄多个不同肥胖程度的受疗志愿者的侧面腹部图像，所述受理疗者按照年龄和所来自的常住地区进行划分，同一常住地区下按照年龄进行划分，每一年龄段接受100-10000名志愿者，各有3-4种不同的肥胖程度；
S2设定参数，包括横波纵波交替，对于每一年龄段设定发生子个数，从1至n圈发生子，以及分布变化，设定一次理疗不同总时长，10min、20min、40min、60min，其中每一种分布耗时相同，确定强度为开始的前1/4时间为强区间[2,3]W/cm2、中间2/4为中区间[1，2)W/cm2、最后1/4为弱区间[0.1，1)W/cm2，在每天不间断的理疗疗程为30天之后，将理疗的效果按照专家评定为好，良，差三档；
S3设定神经网络模型，将各志愿者图像分为训练集和验证集，输入模型，评定档次相应的参数向量化，在模型输出层与输出的向量进行拼接，并输入全连接层，最后在分类函数分选出最佳，即好档次，和非最佳包括良和差档次，使用验证集验证调整网络参数，具体通过损失函数计算不断优化网络，直至损失函数减小趋稳，完成针对每一个常住地区的每一年龄段的训练；
S4待受疗者将腹部图片输入训练好的神经网络模型，通过不同的参数配置进行预测，选取最佳预测概率最大者所对应的参数配置确定为理疗参数，最后理疗仪自动设定完成理疗参数，启动理疗任务。
10.根据权利要求9所述的平面超声波智能减脂理疗仪，其特征在于，首次启动理疗任务时为待机状态，此时由开关控制理疗头进入减脂理疗工作状态；所述神经网络模型为CNN模型或ResNet模型。
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