一种基于人工智能的脊柱侧弯矫形器及其控制方法与流程

本发明涉及侧弯脊柱矫形设备技术领域，具体涉及一种基于人工智能的脊柱侧弯矫形器。

背景技术：

脊柱侧弯矫形支具应用的力学原理是试图通过施加外力,通过皮肤传向皮下与脊柱相连之骨结构,间接将脊柱推向正常或过度矫正的位置。佩戴脊柱侧弯矫形支具的不良事件：第一，矫形支具坚固，因此皮肤溃疡与压疮是常见并发症，处理：使用可控制的气垫轮流使支具与皮肤间传递压力，使皮肤能够得到休息，能够减少压疮的发生。第二，佩戴支具可能发生的不良事件还体现在其矫形力分散，不能准确直接作用在某个具体椎体上。另外，由于这些矢量作用点与脊柱有一定距离，部分矫形力被分散到脊柱外的组织内，使肌筋膜紧张，肌肉萎缩等情况发生影响发育。鉴于上述问题，有必要研制一种能够动态调整矫正力的智能支具。申请人经过检索，发现中国专利cn211156533u为最接近的现有技术，其公开日为2020年8月4日，公开了一种脊柱侧弯矫形支具，包括有支具本体、固定组件和弹性组件，支具本体前端一侧均匀固定有固定组件，支具本体后端上部安装有弹性组件；支具本体包括有腰部支撑部、臀部支撑部、背部支撑部、肩带、包边衬条、矩形通孔和固定孔，腰部支撑部下部固定有臀部支撑部，腰部支撑部后端上部对称固定有背部支撑部，背部支撑部上部两侧均安装有肩带，腰部支撑部前端一侧安装有包边衬条。其通过在腰部支撑部下部固定臀部支撑部，在腰部支撑部上部固定背部支撑部，提供四点支撑结合支具本体来对脊柱侧弯进行矫正，提高矫正效果，同时避免了单一支撑点对患者的伤害。但其不能动态调整矫正施力大小，对患者的矫形具有不利影响。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：目前脊柱侧弯矫形支具不能动态调整矫正施力的技术问题。提出了一种基于人工智能的脊柱侧弯矫形器及其控制方法，本矫形器能够适应患者身高发生一定程度的变化，仍然能够提供预设的矫形施力，对患者矫形有促进作用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于人工智能的脊柱侧弯矫形器，包括左夹板、右夹板、左支撑板、右支撑板、若干个调压模块、若干个压力传感器、控制器、通信模块和服务器，所述左夹板或右夹板设有矫正部，所述左夹板和右夹板铰接连接，所述左支撑板和右支撑板铰接连接，所述左夹板与左支撑板连接，所述右夹板与右支撑板连接，所述左支撑板和右支撑板内壁设有若干个气囊，所述矫正部设有检测气囊，所述检测气囊位于矫正部顶部，若干个所述气囊分别连接一个调压模块和一个压力传感器，所述调压模块调整气囊内的气压，所述压力传感器、调压模块以及通信模块均与控制器连接，所述通信模块与服务器连接，所述服务器接收压力传感器检测数据，根据矫形受力模型下发调压模块的调压方案至控制器。左支撑板和右支撑板支撑在患者的髋部，左夹板和右夹板夹在患者胸部和腰部，矫正部支撑在腋下，为患者提供脊柱矫形力。通过检测气囊能够检测矫正部是否给予患者足够的矫形力。通过气囊的气压调整，调整对患者的作用力，从而动态改变对脊柱的作用力，提供动态调整的矫形力，通过气囊的轮流泄气，能够使对应位置的皮肤得到休息。

作为优选，还包括驱动机构，所述左支撑板以及右支撑板顶部均沿内壁加工有退让部，所述左夹板以及右夹板均加工有与所述退让部匹配的卡接部，所述左夹板卡接部与左支撑板卡接，所述右夹板卡接部与右支撑板卡接，所述驱动机构安装在卡接部和退让部之间，所述驱动机构驱动卡接部在退让部内上下滑动，所述驱动机构与控制器连接。通过驱动机构能够改变左夹板以及右夹板伸出的长度，从而适应患者身高的变化。儿童患者的发育较快，导致支具需要定期更换，成本高昂，且总是存在一段时间内，支具和患者身高不匹配，影响矫正效果。因而需要适度调整左夹板以及右夹板伸出的长度，以适应患者身高少量的变化，从而始终提供合适的矫正力，延长患者更换支具的周期，降低患者经济负担。

作为优选，所述驱动机构包括驱动盒、驱动杆、传动机构、伺服电机、mcu、通信单元和电源模块，所述驱动盒安装在左支撑板或右支撑板外侧且位于退让部下方，所述伺服电机固定安装在驱动盒内，所述驱动杆转动安装在退让部上，所述驱动杆沿轴线方向与退让部相对固定，所述退让部加工有用于容纳所述驱动杆的容腔，所述伺服电机通过传动机构与驱动杆连接，所述左支撑板及右支撑板加工有用于容纳传动机构的缺口，所述驱动杆上部加工有螺纹，所述卡接部加工有与驱动杆匹配的半圆形凹槽，所述凹槽内加工有与所述螺纹匹配的内螺纹，所述伺服电机、通信单元均与mcu连接，所述电源模块为mcu、通信单元以及伺服电机供电，所述通信单元与控制器通信连接。所述驱动杆与卡接部的螺纹副为自锁螺纹。通过螺纹副能够提供足够大的传动比，使伺服电机所需要的功率足够小，从而可以使伺服电机的尺寸足够小。

作为优选，还包括集中器，所述气囊包括加力气囊、调整气囊和支撑气囊，所述加力气囊贴附在矫正部内侧，所述调整气囊贴附在左夹板及右夹板内侧，所述支撑气囊贴附在左支撑板及右支撑板内侧，所述加力气囊、调整气囊及支撑气囊均连接有调压模块和压力传感器，若干个所述压力传感器分别检测加力气囊、调整气囊及支撑气囊内的气压，若干个所述压力传感器均与集中器连接，所述集中器与控制器连接，若干个所述调压模块调整分别调整加力气囊、调整气囊及支撑气囊内的气压。通过气囊能够增大与患者的接触面积，降低压疮出现的风险，通过改变气囊的压力大小，能够改变对患者身体的作用力，为更为精准的提供矫形力提供了结构基础。

作为优选，所述调压模块包括气囊头、压气瓣膜、调压头、进气瓣膜、活塞、弹簧、电子开关、固定座、泄气杆、泄气孔、泄气筒和泄气瓣膜，所述气囊头一端封闭一端开口，所述气囊头开口端与气囊连通，所述调压头与气囊头封闭端固定连接，所述调压头开有进气口和泄气口，所述进气瓣膜设置在进气口内侧，所述泄气筒与泄气口连通且与气囊头固定连接，所述泄气筒开有出气口，所述泄气瓣膜设置在所述出气口内侧，所述调压头开有回气口和排气口，所述回气口内侧设有回气瓣膜，所述回气瓣膜仅允许气流进入调压头，所述调压头内加工有气筒，所述活塞安装在所述气筒内，所述气筒一端与回气口以及进气口连通，所述气筒另一端与排气口和出气口连通，所述固定座与气筒固定连接且位于气筒靠近排气口的一端，所述弹簧一端与活塞固定连接，弹簧另一端与安装座固定连接，所述泄气杆与活塞固定连接，所述泄气杆位置与泄气瓣膜对应，所述弹簧两端通过电子开关与电源连接，所述电子开关与控制器连接。通过调压模块能够方便的调整气囊内的压力，且调压模块足够小，对患者的日常生活影响较小。

作为优选，所述调压模块包括微型气泵、进气阀和泄气阀，所述微型气泵通过进气阀与气囊连接，所述泄气阀与气囊连接，所述微型气泵、进气阀以及泄气阀均与控制器连接。

作为优选，所述驱动机构还包括支撑轴，所述支撑轴安装在所述容腔内且与容腔固定连接，所述驱动杆与支撑轴转动连接，所述驱动杆加工有沉台，所述支撑轴具有与所述沉台匹配的轴肩。支撑轴能够提高驱动杆的稳定性。

一种如前述的基于人工智能的脊柱侧弯矫形器的控制方法，包括以下步骤：a）在服务器内根据患者脊柱扫描数据，建立患者脊柱模型，使用有限元分析，制定矫正施力计划；b）扫描患者体型，建立患者体型模型，根据患者体型模型制定左夹板、右夹板、左支撑板以及右支撑板的形状及尺寸的初步结果，作为初步夹板；c）修改初步夹板，使其部分形变进而挤压患者身体，人工设定形变方向及形变范围，使用计算机以设定步长穷举形变范围，直至获得与矫正施力计划差距小于预设阈值的左夹板、右夹板、左支撑板以及右支撑板的形状及尺寸结果，作为最终夹板，以3d打印方式生产左夹板、右夹板、左支撑板以及右支撑板；d）将检测气囊以及气囊贴附在左夹板、右夹板、左支撑板以及右支撑板内侧，并安装其余部件；e）获得检测气囊内的气压，并反馈给服务器，服务器使用有限元模拟获得矫正部对患者身体的作用力，若作用力超过设定阈值，则控制驱动机构收回左夹板及右夹板，使作用力回到预设区间内，反之，若作用力低于设定阈值，则控制驱动机构推出左夹板及右夹板，使作用力回到预设区间内，通过驱动机构能够较大幅度的调整作用力，通过气囊能够微调作用，达到快速和准确控制矫形器对患者作用力的效果。有限元分析是成熟的建模分析技术，广泛应用于工程、医疗等技术领域，有限元分析能够通过模拟获得力学作用结果，并能够提供优化的作用力方案。

作为优选，还包括步骤：f）患者穿戴左夹板、右夹板、左支撑板以及右支撑板，控制器获得压力传感器读数，并将数据反馈给服务器；g）服务器建立最终夹板的模型并与患者体型模型以及患者脊柱模块联立，使用有限元分析获得当前压力传感器所测数据下，患者脊柱受力方向和受力大小，根据受力方向调整气囊充气气压，直到有限元分析患者脊柱受力与矫正施力计划差距小于预设阈值，根据有限元分析结果，得到气囊气压调整结果；h）根据气囊气压调整结果，控制调压模块工作，使其与步骤f）中获得的有限元分析结果匹配。

作为优选，步骤h）中，控制调压模块工作的方法包括：增压方法：以pwm方式控制电子开关，当pwm的占空比较大时，弹簧收缩大，气筒带动回气瓣膜打开，气筒回气，而后使pwm的占空比较小，弹簧收缩小，回气瓣膜关闭，活塞将气体通过进气瓣膜压入气囊头，如此反复，使得气体不断被压入气囊头，使气囊增压；泄压方法：以pwm方式控制电子开关，当pwm的占空比大于设定阈值时，弹簧收缩足够的长度，带动泄气杆顶开泄气瓣膜，使气囊头内的气体经过泄气筒和排气口排出，使气囊泄压。

作为优选，所述加力气囊、调整气囊及支撑气囊均包括若干个并排排列的气枕，若干个所述气枕轮流泄气。使得患者对应处的皮肤得到休息，不易患压疮。

本发明的实质性效果是：矫正部支撑在腋下，为患者提供脊柱矫形力，通过驱动机构调整矫正部的位置，动态的改变对患者的矫形力，有助于患者矫形；通过有线元分析，获得最佳矫形力结果，并通过调整驱动机构以及气囊，使对患者的矫形力与最佳矫形力结果接近，加快患者矫形，提高矫形效果；通过检测气囊能够检测矫正部是否给予患者足够的矫形力，通过气囊的气压调整，调整对患者的作用力，从而动态改变对脊柱的作用力，提供动态调整的矫形力，通过气囊的轮流泄气，能够使对应位置的皮肤得到休息。

附图说明

图1为实施例一结构示意图。

图2为实施例一模块连接示意图。

图3为实施例一驱动机构结构示意图。

图4为实施例一气囊安装结构示意图。

图5为实施例一调压模块结构示意图。

图6为实施例一脊柱侧弯矫形器控制方法流程框图。

其中：1、左夹板，2、驱动盒，3、左支撑板，4、右夹板，5、右支撑板，6、绑带，7、驱动杆，8、加力气囊，9、调整气囊，10、支撑气囊，11、气囊头，12、进气瓣膜，13、调压头，14、回气瓣膜，15、活塞，16、弹簧，17、固定座，18、泄气杆，19、排气口，20、泄气筒，21、泄气瓣膜，100、服务器，200、通信模块，300、控制器，400、集中器，500、压力传感器，600、通信单元，700、mcu，800、伺服电机。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种基于人工智能的脊柱侧弯矫形器，如图1所示，包括左夹板1、右夹板4、左支撑板3、右支撑板5、若干个调压模块、若干个压力传感器500、控制器300、通信模块200和服务器100，左夹板1或右夹板4设有矫正部，左夹板1一侧和右夹板4一侧铰接连接，左支撑板3一侧和右支撑板5一侧铰接连接，左夹板1另一侧和右夹板4另一侧通过绑带6连接，左支撑板3另一侧和右支撑板5另一侧通过绑带6连接，左夹板1与左支撑板3连接，右夹板4与右支撑板5连接，左支撑板3和右支撑板5内壁设有若干个气囊，矫正部设有检测气囊，检测气囊位于矫正部顶部，若干个气囊分别连接一个调压模块和一个压力传感器500，调压模块调整气囊9内的气压，压力传感器500、调压模块以及通信模块200均与控制器300连接，如图2所示，通信模块200与服务器100连接，服务器100接收压力传感器500检测数据，根据矫形受力模型下发调压模块的调压方案至控制器300。左支撑板3和右支撑板5支撑在患者的髋部，左夹板1和右夹板4夹在患者胸部和腰部。当矫正力需要施加在腋下时，通过矫正部在腋下支撑，为患者提供脊柱矫形力；当矫正力需要通过施加在肋骨上而传导到脊柱时，通过左夹板1和右夹板4的形状为患者提供脊柱矫形力，左夹板1和右夹板4的具体形状通过仿真获得；当矫正力需要通过施加在髂骨传导到脊柱时，通过左支撑板3和右支撑板5的形状为患者提供脊柱矫形力，左支撑板3和右支撑板5的具体形状通过仿真获得。

左支撑板3以及右支撑板5顶部均沿内壁加工有退让部，左夹板1以及右夹板4均加工有与退让部匹配的卡接部，左夹板1卡接部与左支撑板3卡接，右夹板4卡接部与右支撑板5卡接，驱动机构安装在卡接部和退让部之间，驱动机构驱动卡接部在退让部内上下滑动，驱动机构与控制器300连接。通过驱动机构能够改变左夹板1以及右夹板4伸出的长度，从而适应患者身高的变化。儿童患者的发育较快，导致支具需要定期更换，成本高昂，且总是存在一段时间内，支具和患者身高不匹配，影响矫正效果。因而需要适度调整左夹板以及右夹板伸出的长度，以适应患者身高少量的变化，从而始终提供合适的矫正力，延长患者更换支具的周期，降低患者经济负担。

如图3所示，驱动机构包括驱动盒2、驱动杆7、传动机构、伺服电机800、mcu700、通信单元600和电源模块，驱动盒2安装在左支撑板3或右支撑板5外侧且位于退让部下方，伺服电机800固定安装在驱动盒2内，驱动杆7转动安装在退让部上，驱动杆7沿轴线方向与退让部相对固定，退让部加工有用于容纳驱动杆7的容腔，伺服电机800通过传动机构与驱动杆7连接，左支撑板3及右支撑板5加工有用于容纳传动机构的缺口，驱动杆7上部加工有螺纹，卡接部加工有与驱动杆7匹配的半圆形凹槽，凹槽内加工有与螺纹匹配的内螺纹，伺服电机800、通信单元600均与mcu700连接，电源模块为mcu700、通信单元600以及伺服电机800供电，通信单元600与控制器300通信连接。驱动杆7与卡接部的螺纹副为自锁螺纹。通过螺纹副能够提供足够大的传动比，使伺服电机800所需要的功率足够小，从而可以使伺服电机800的尺寸足够小。支撑轴安装在容腔内且与容腔固定连接，驱动杆7与支撑轴转动连接，驱动杆7加工有沉台，支撑轴具有与沉台匹配的轴肩。如图4所示，气囊包括加力气囊8、调整气囊9和支撑气囊10，加力气囊8贴附在矫正部内侧，调整气囊9贴附在左夹板1及右夹板4内侧，支撑气囊10贴附在左支撑板3及右支撑板5内侧，加力气囊8、调整气囊9及支撑气囊10均连接有调压模块和压力传感器500，若干个压力传感器500分别检测加力气囊8、调整气囊9及支撑气囊10内的气压，若干个压力传感器500均与集中器400连接，集中器400与控制器300连接，若干个调压模块调整分别调整加力气囊8、调整气囊9及支撑气囊10内的气压。

如图5所示，调压模块包括气囊头11、压气瓣膜、调压头13、进气瓣膜12、活塞15、弹簧16、电子开关、固定座17、泄气杆18、泄气孔、泄气筒20和泄气瓣膜21，气囊头11一端封闭一端开口，气囊头11开口端与气囊连通，调压头13与气囊头11封闭端固定连接，调压头13开有进气口和泄气口，进气瓣膜12设置在进气口内侧，泄气筒20与泄气口连通且与气囊头11固定连接，泄气筒20开有出气口，泄气瓣膜21设置在出气口内侧，调压头13开有回气口和排气口19，回气口内侧设有回气瓣膜14，回气瓣膜14仅允许气流进入调压头13，调压头13内加工有气筒，活塞15安装在气筒内，气筒一端与回气口以及进气口连通，气筒另一端与排气口19和出气口连通，固定座17与气筒固定连接且位于气筒靠近排气口19的一端，弹簧16一端与活塞15固定连接，弹簧16另一端与安装座固定连接，泄气杆18与活塞15固定连接，泄气杆18位置与泄气瓣膜21对应，弹簧16两端通过电子开关与电源连接，电子开关与控制器300连接。通过调压模块能够方便的调整气囊9内的压力，且调压模块足够小，对患者的日常生活影响较小。

一种如前述的基于人工智能的脊柱侧弯矫形器的控制方法，如图6所示，包括以下步骤：a）在服务器100内根据患者脊柱扫描数据，建立患者脊柱模型，使用有限元分析，制定矫正施力计划。建立患者脊柱模型的方法包括：对患者进行胸腰段ct或mri扫描，利用ct和mri对患者进行扫描获取患者脊柱骨骼和体廓点云信息，将上述脊椎和体廓的点云信息导入逆向工程软件进行建模，将模型导入三维设计软件修整，建立精度较高的人体脊柱模型和体廓三维模型，得到脊椎断层和体表图像数据。现有技术中的逆向工程软件有mimics等。对每层断层图像使用阈值分割或边界提取方法提取边界，手动勾画补全边界，分割出脊椎骨骼和体表躯干模型，将脊椎骨骼和体表躯干模型进行平滑处理。将建立的脊椎骨骼和体表躯干导入有限元分析软件中，根据脊柱矫形三点受力原理进行计算，获得最优受力位置和力的大小。有限元分析软件可采用ansys、adina、abaqus或msc等。

b）扫描患者体型，建立患者体型模型，根据患者体型模型制定左夹板1、右夹板4、左支撑板3以及右支撑板5的形状及尺寸的初步结果，作为初步夹板。

c）修改初步夹板，使其部分形变进而挤压患者身体，人工设定形变方向及形变范围，使用计算机以设定步长穷举形变范围，直至获得与矫正施力计划差距小于预设阈值的左夹板1、右夹板4、左支撑板3以及右支撑板5的形状及尺寸结果，作为最终夹板，以3d打印方式生产左夹板1、右夹板4、左支撑板3以及右支撑板5。

d）将检测气囊以及气囊贴附在左夹板1、右夹板4、左支撑板3以及右支撑板5内侧，并安装其余部件。

e）获得检测气囊内的气压，并反馈给服务器100，服务器100使用有限元模拟获得矫正部对患者身体的作用力，若作用力超过设定阈值，则控制驱动机构收回左夹板1及右夹板4，使作用力回到预设区间内，反之，若作用力低于设定阈值，则控制驱动机构推出左夹板1及右夹板4，使作用力回到预设区间内。

f）患者穿戴左夹板1、右夹板4、左支撑板3以及右支撑板5，控制器300获得压力传感器500读数，并将数据反馈给服务器100。

g）服务器100建立最终夹板的模型并与患者体型模型以及患者脊柱模块联立，使用有限元分析获得当前压力传感器500所测数据下，患者脊柱受力方向和受力大小，根据受力方向调整气囊9充气气压，直到有限元分析患者脊柱受力与矫正施力计划差距小于预设阈值，根据有限元分析结果，得到气囊气压调整结果。

h）根据气囊气压调整结果，控制调压模块工作，使其与步骤f）中获得的有限元分析结果匹配。控制调压模块工作的方法包括：增压方法：以pwm方式控制电子开关，当pwm的占空比较大时，弹簧16收缩大，气筒带动回气瓣膜14打开，气筒回气，而后使pwm的占空比较小，弹簧16收缩小，回气瓣膜14关闭，活塞15将气体通过进气瓣膜12压入气囊头11，如此反复，使得气体不断被压入气囊头11，使气囊增压；泄压方法：以pwm方式控制电子开关，当pwm的占空比大于设定阈值时，弹簧16收缩足够的长度，带动泄气杆18顶开泄气瓣膜21，使气囊头11内的气体经过泄气筒20和排气口19排出，使气囊泄压。加力气囊8、调整气囊9及支撑气囊10均包括若干个并排排列的气枕，若干个气枕轮流泄气。使得患者对应处的皮肤得到休息，不易患压疮。

本实施例的有益技术效果为：通过矫正部、左夹板、右夹板、左支撑板以及右支撑板为患者提供脊柱矫形力，通过驱动机构调整矫正部的位置，动态的改变对患者的矫形力，有助于患者矫形；通过有线元分析，获得最佳矫形力结果，并通过调整驱动机构以及气囊，使对患者的矫形力与最佳矫形力结果接近，加快患者矫形速率，提高矫形效果。

以上的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

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