CN219680619U - 基于fbg传感技术的人体体态矫正训练装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于FBG传感技术的人体体态矫正训练装置，包括输入组件、体态检测组件和接收组件，所述输入组件与体态检测组件连接，所述体态检测组件与所述接收组件连接；所述输入组件包括ASE光源和环形器，所述ASE光源用于输出宽光谱信号，所述环形器用于将宽光谱信号输入体态检测组件；所述体态检测组件包括底座、柔性管传感器、顶部固定块、硬钢丝和滑动扣环，所述接收装置包括光谱仪、数字采集卡、芯片和无线终端。本实用新型提供了一种便携性好、生产成本低、检测精度高、对不同的复杂体态都有较强的适用性的基于FBG传感技术的人体体态矫正训练装置。
Description
技术领域
本实用新型属于FBG传感技术领域，具体涉及一种基于FBG传感技术的人体体态矫正医疗训练的装置。
背景技术
现阶段，临床医学对不良体态、脊柱畸形的传统检测方法仍以CT、X光片等方式为主，此类传统检测手段不便于进行快速检测、实时检测且检测仪器生产成本高。脊柱类疾病具有复杂性的特点，使用压电式、电容式、电感式传感器，传感精度低，难以对脊柱情况进行精确重构，从而影响体态检测效果。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本实用新型提供了一种便携性好、生产成本低、检测精度高、对不同的复杂体态都有较强的适用性的基于FBG传感技术的人体体态矫正训练装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于FBG传感技术的人体体态矫正训练装置，包括输入组件、体态检测组件和接收组件，所述输入组件与体态检测组件连接，所述体态检测组件与所述接收组件连接；
所述输入组件包括ASE光源和环形器，所述ASE光源用于输出宽光谱信号，所述环形器用于将宽光谱信号输入体态检测组件；
所述体态检测组件包括底座、柔性管传感器、顶部固定块、硬钢丝和滑动扣环，所述底座、滑动扣环和硬钢丝用于将柔性管传感器与躯体固定，使柔性管传感器跟随脊柱的形变而形变，并使柔性管传感器内部的FBG串形变从而使光信号中心波长发生改变，所述柔性管传感器用于传输光信号，所述顶部固定块用于存放所述ASE光源和环形器；
所述接收组件包括光谱仪、数字采集卡、芯片和无线终端，所述光谱仪用于接收从柔性管传感器输出的光信号并接入数字采集卡，所述数字采集卡用于将模拟信号转化为数字信号并将信号接入芯片，所述芯片根据既定算法对数字信号进行处理并通过射频技术将处理结果传输至无线终端，所述无线终端用于重现结果图像。
进一步，所述体态检测组件中，所述滑动扣环安置在柔性管传感器上，在上下方向上可以自由移动、固定，从而调整其位置至脊柱待测区域；滑动扣环采用软金属材料，根据不同躯体宽度可调整大小；滑动扣环与躯体扣紧后，躯体带动滑动扣环，进而导致柔性管传感器发生形变，使其与真实脊柱形态一致。
再进一步，所述的柔性管传感器包括四根FBG串、记忆金属棒、环氧胶、定位套管、封胶管和保护套，四根FBG串通过定位套管两两垂直的固定在记忆金属棒四周，每两个定位套管之间套上封胶管，封胶管内注入环氧胶，从而使四根FBG串、记忆金属棒的相对位置固定，在封胶管外套上保护套即形成柔性管传感器。当然，也可以是其他结构形式。
本实用新型基于FBG波长峰值对应变(曲率)的敏感性，实现体态检测与脊柱情况的重构；FBG是一种非常重要的光纤无源器件，它具有径细质轻，灵敏度高，电绝缘性好，抗腐蚀和抗电磁干扰性强等优点。利用FBG作为装置传感器进行检测，其便携性好，生产成本低，检测精度高，对不同的复杂体态都有较强的适用性。
本实用新型的有益效果主要表现在：检测精确度高、可靠性强，装置成本低廉、使用便利，信号处理速度快，能实时检测人体体态情况，对各类复杂脊柱类体态都有很强的适用性，起到矫正医疗训练的目的。解决了现阶段，医疗检测领域体态检测成本高、便利性不足的问题；解决了其他类型传感器因检测精度严重不足而不能大量应用于人体体态检测场景的问题。
附图说明
图1是流程图。
图2是体态传感装置图。
图3是滑动扣环结构图。
图4是底座结构图。
图5是柔性管传感器剖视图。
图6是柔性管传感器侧面剖视局部图。
图7是固定套管的结构图。
图8是顶部固定块的结构图。
图9是四根FBG排列结构图。
图10是坐标点拟合法和运动坐标系绕微段切线方向的旋转变换图示。
附图中，1是底座，2是柔性管传感器，3是顶部固定块，4是硬钢丝，5是滑动扣环；2-1是FBG，2-2是封胶管，2-3是保护套，2-4是记忆金属棒，2-5是环氧胶，2-6是定位套管。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1～图10，一种基于FBG的人体体态矫正训练装置，包括输入组件、体态检测组件和接收组件，所述输入组件与体态检测组件连接，所述体态检测组件与所述接收组件连接；
输入组件安装在顶部固定块3内部，包括ASE光源和环形器，ASE光源用于输出宽光谱信号，环形器用于将宽光谱信号输入体态检测装置；
体态检测组件包括底座1、柔性管传感器2、顶部固定块3、硬钢丝4和滑动扣环5，底座1、滑动扣环5和硬钢丝4用于将柔性管传感器2与躯体固定，使柔性管传感器2跟随脊柱的形变而形变，并使柔性管传感器2内部的FBG串2-1形变从而使光信号中心波长发生改变，柔性管传感器2用于传输光信号，顶部固定块3用于存放ASE光源和环形器；
接收组件包括光谱仪、数字采集卡、芯片和无线终端，所述光谱仪用于接收从柔性管传感器2输出的光信号并接入数字采集卡，所述数字采集卡用于将模拟信号转化为数字信号并将信号接入芯片，所述芯片根据既定算法对数字信号进行处理并通过射频技术将处理结果传输至无线终端，所述无线终端用于重现结果图像。
参照图2和图3，滑动扣环5安置在柔性管传感器2上，在上下方向上可以自由移动、固定，从而调整其位置至脊柱待测区域。同时，滑动扣环5采用软金属材料，根据不同躯体宽度可调整大小。滑动扣环5与躯体扣紧后，躯体带动滑动扣环5，进而导致柔性管传感器2发生形变，使其与真实脊柱形态一致。
参照图5和图6，柔性管传感器2包括四根FBG串2-1、记忆金属棒2-4、环氧胶2-5、定位套管2-6、封胶管2-2和保护套2-3。四根FBG串2-1通过一系列定位套管2-6两两垂直的固定在记忆金属棒2-4四周，每两个定位套管2-6之间套上封胶管2-2，封胶管2-2内注入环氧胶2-5，从而使四根FBG串2-1、记忆金属棒2-4的相对位置固定，在封胶管2-2外套上保护套2-3即为柔性管传感器2。
参照图10，柔性管传感器2的工作原理基于FBG的光学特性，即反射中心波长和FBG2-1周期之间满足关系：
λB＝2neff·Λ
式中，neff为FBG2-1的有效折射率，Λ为FBG2-1周期，λB为FBG2-1反射中心波长。
当温度恒定的情况下，FBG2-1的中心波长偏移量与应变满足关系：
ΔλB＝(1-Pe)λBεi
式中，ΔλB为FBG2-1的中心波长偏移量，εi为FBG2-1第i个分布位置的应变量，Pe为FBG的有效弹光系数。
在纯弯条件下，柔性管传感器2的曲率半径与FBG2-1的应变之间满足关系：
如图10，式中，h为中上下两条FBG2-1串之间的圆心距离，ρi为柔性管传感器在FBG第i个分布位置的曲率半径。
因此，FBG2-1第i个分布位置的曲率ki可由下式表示：
互相垂直的两条FBG2-1曲率与柔性管传感器2的空间曲率之间满足关系：
如图10，式中，k1i、k2i分别为中第i个分布位置处互相垂直的两条FBG2-1的曲率，ki为柔性管传感器2在第i个分布位置的空间曲率。
在一些实施例中，请参阅图10，既定算法基于曲线插值重构算法。具体地，所得到的FBG2-1分布位置处柔性管传感器2的空间曲率，将相邻FBG2-1分布位置间的曲线线段细分成若干微段，再通过曲率插值的方法得到每一个微段的空间曲率。
在纯弯条件下，每一个微段都在一个密切平面上，第i段微段位于π0平面内，Oi、Oi+1为第i段微段的两个端点，根据微分几何的定义，微段切线方向为Ti、主法线方向Ni为微段曲率方向、副法线方向Bi为Ti与Ni的叉乘。
θi＝ds×ki
式中，ds为微段弧长，ki为第i点的曲率，θi为第i点的旋转角度。
Oi点移动至Oi+1点的平移量为：
Pi+1＝[-(1-cosθi)/ki 0 sinθi/ki]T
平移后将坐标沿着Bi轴旋转θi角度，其旋转矩阵为：
将新坐标系沿着Ti轴旋转角度，其旋转矩阵为：
因此，总旋转矩阵为：
式中，Ti+1表示和/>相乘后所得到左上角的3×3矩阵。
第i点与第i+1点之间的运动坐标系的变换矩阵为：
第i+1点Oi+1的坐标为：
式中，[xi yi zi]为第i点Oi的坐标，[xi+1 yi+1 zi+1]为第i+1点Oi+1的坐标
第i点的坐标与第一点的坐标之间满足关系：
式中，[x0 y0 z0]为第一点的坐标。
基于上述曲线插值重构算法，通过第一个点空间坐标与柔性管传感器2在一系列FBG分布位置处的空间曲率，可重构得到柔性管传感器2的形态，即待测区域脊柱的重构曲线。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为申请的优选实例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实例对申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在申请的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于FBG传感技术的人体体态矫正训练装置，其特征在于，所述人体体态矫正训练装置包括输入组件、体态检测组件和接收组件，所述输入组件与体态检测组件连接，所述体态检测组件与所述接收组件连接；
所述输入组件包括ASE光源和环形器，所述ASE光源用于输出宽光谱信号，所述环形器用于将宽光谱信号输入体态检测组件；
所述体态检测组件包括底座、柔性管传感器、顶部固定块、硬钢丝和滑动扣环，所述底座、滑动扣环和硬钢丝用于将柔性管传感器与躯体固定，使柔性管传感器跟随脊柱的形变而形变，并使柔性管传感器内部的FBG串形变从而使光信号中心波长发生改变，所述柔性管传感器用于传输光信号，所述顶部固定块用于存放所述ASE光源和环形器；
所述接收组件包括光谱仪、数字采集卡、芯片和无线终端，所述光谱仪用于接收从柔性管传感器输出的光信号并接入数字采集卡，所述数字采集卡用于将模拟信号转化为数字信号并将信号接入芯片，所述芯片根据既定算法对数字信号进行处理并通过射频技术将处理结果传输至无线终端，所述无线终端用于重现结果图像。
2.如权利要求1所述的基于FBG传感技术的人体体态矫正训练装置，其特征在于，所述体态检测组件中，所述滑动扣环安置在柔性管传感器上，在上下方向上可以自由移动、固定，从而调整其位置至脊柱待测区域；滑动扣环采用软金属材料，根据不同躯体宽度可调整大小；滑动扣环与躯体扣紧后，躯体带动滑动扣环，进而导致柔性管传感器发生形变，使其与真实脊柱形态一致。
3.如权利要求1或2所述的基于FBG传感技术的人体体态矫正训练装置，其特征在于，所述的柔性管传感器包括四根FBG串、记忆金属棒、环氧胶、定位套管、封胶管和保护套，四根FBG串通过定位套管两两垂直的固定在记忆金属棒四周，每两个定位套管之间套上封胶管，封胶管内注入环氧胶，从而使四根FBG串、记忆金属棒的相对位置固定，在封胶管外套上保护套即形成柔性管传感器。
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