CN101522100B - 可切换的关节约束系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可切换的关节约束系统，这种系统包括至少一个移动传感器、可在移动状态与非移动状态之间切换的关节约束、信号处理单元和数据库。将移动传感器信号与预定的情形进行比较。根据是否满足预定的情形来切换该关节约束。本发明进一步涉及在这种系统中处理传感器信号的方法。这种系统可用于支持用于如偏瘫的治疗的约束性诱导疗法(CIT)。

Description

可切换的关节约束系统

技术领域

本发明涉及一种关节约束系统。

背景技术

半侧瘫痪(偏瘫)是神经紊乱的最常见的症状之一。例如，在西方国家中每年大约有180万人经受中风的痛苦。他们的康复应旨在使受影响肢体的功能性使用的得以恢复，尤其使在日常生活的活动中的功能性使用得以恢复。受损肢体的使用是达到康复的成功的一种有希望的方法。不过，人们偏好不使用受损的肢体。常见的是人们单纯地遗忘使用受损的肢体。这就导致受损肢体情形的进一步恶化。为了促使受损肢体的使用，医生们可将健康的肢体置于石膏模型内或者用矫正器对其进行限制。虽然这种“约束性诱导疗法”(constraint inducedtherapy，CIT)是一种非常严酷的方法，但可以获得积极的效果。不过，完全将一个肢体固定不动抑制了患者要求进行两个肢体的活动，如端盘子的活动。而且，患者可能会耗尽受损肢体的运动能力。

US 2006/0135883 A1公开了用于对信号的时间序列进行处理的控制系统和方法，这些信号与一种装置的移动相关联，这种装置与肢体相关联。例如通过自回归滤波器(aotoregressive filter)将移动信号的时间序列过滤，并且与存储的数据集进行比较，该数据集表示肢体移动事件和/或阶段。在某些实例中，多个加速度仪基于在三个正交方向和/或平面中的至少加速度测量而生成移动信号的时间序列。这些加速度测量可涉及人造肢体的移动，如修复或矫正装置。通过确定肢体移动的事件和/或阶段，这种控制系统可触发致动器，以适当地调整一个或多个修复或矫正关节。

不过，这种系统针对(如通过一种致动器)主动地使关节能够移动，而不是将其阻止。而且，这种系统针对促进肢体的移动(如行走)，而并不考虑更进一步的情形。

发明内容

一种适于在约束性诱导疗法中使用的关节约束系统，这种系统虑及了变化的情形，在这些变化的情形中，需要使用两个肢体，而同时还希望在应训练受损肢体时约束该关节的移动。

为了更好地说明所涉及的相关事项，提出一种可切换的关节约束系统，这种系统包括：

至少一个移动传感器，

关节约束，这种关节约束可在移动状态与固定状态之间切换，

处理单元，这种处理单元从该至少一个移动传感器接收信号，且这种处理单元向该关节约束发出切换命令，

数据库，这种数据库与该处理单元通信，

其中，该数据库存储来自该至少一个移动传感器的分解成单个的空间描述符和时间的数据，

该数据库进一步包括分解成单个的空间描述符和时间的比较数据，

该比较数据被分配到至少一个预定情形，

该处理单元将来自该至少一个移动传感器的数据与分配到该至少一个预定情形的数据进行比较，并且

该处理单元基于来自该至少一个移动传感器的数据是否对应于比较数据而向该关节约束发出切换命令。

附图说明

图1是根据本发明的系统的部件的框图，该图示出了这些部件之间的相互作用。

图2示出了佩戴传感器和关节约束的患者。

具体实施方式

在详细描述本发明之前，应理解本发明并不仅限于所描述的这些装置的特定组成部分或所描述的方法的处理步骤，因为这些装置和方法可以变化。还应理解，在本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且并不旨在进行限制。必须注意，当用在说明书和所附的权利要求中时，除非在上下文中另有明确说明，单数形式“一”和“该”包括单数和/或复数对象。

在根据本发明的系统中的单个空间描述符可以是适当地描述如传感器的空间位置或肢体的取向的任何参数。例如，这些单个的空间描述符可以是笛卡尔坐标系(x，y，z)、欧拉角或四元数。

在根据本发明的系统中的该至少一个移动传感器可以是惯性传感器。惯性传感器的分类包括如加速度仪、陀螺仪和磁强计。加速度仪可能对地球的引力场灵敏，而陀螺仪可能对转动速率灵敏。

例如，加速度传感器可检测沿x轴、y轴和z轴的加速度。这种加速度传感器还有可能检测角加速度，如在三个基本上正交的平面内的角加速度。移动传感器还有可能是一种组合传感器，这种组合传感器组合如一个三维加速度仪、两个二维陀螺仪和三个一维磁强计。该一个或多个传感器可位于使用根据本发明的关节约束系统的人身体上的各种位置，如在臂上、腿上和/或躯干上。这些传感器可记录固定的肢体的移动以及受损肢体的移动。

可在移动状态与固定状态之间切换的关节约束用于通过将关节固定来阻止肢体的移动。可将这种关节约束可拆卸地按顺序置于该关节上，例如，以有助于卫生护理方面的操作，例如对使用根据本发明系统的人的清洗。在移动状态与固定状态之间的切换可通过电气操纵或电子操纵进行，在这种移动状态中可使用这种关节，且在这种固定状态中，这种关节不能够被移动，这样就将肢体固定。

这种处理单元可包括用于对多个同时传感器信号进行处理的信号滤波器。该处理单元可结合作为中央处理器的微处理器。该处理单元从该至少一个移动传感器接收的这些信号可以是原始信号或经过预处理的信号。在任何情况下，该处理单元将来自该至少一个移动传感器的数据分解成单个的空间描述符和时间。而且，该处理单元能够向该关节约束发出命令，这些命令使该关节约束采用移动状态或固定状态。

该数据库与该处理单元通信，即该处理单元能够将数据读入和写入该数据库。

该数据库已存储了比较数据，即该数据库已包括了比较数据。这种比较数据具有与该处理单元写入该数据库的数据相同的结构。这种比较数据被分配给至少一个预定情形。这就意味着使在给定的时间间隔内通过一个或多个传感器所提供的这些单个空间描述符的某种变化与某种情形有关。例如，这些传感器的坐标的变化可表明佩戴根据本发明系统的人正在摔倒。另一种情形可以是这个人在休息。

然后，这种处理单元将来自该至少一个移动传感器的数据与该数据库中的被分配给至少一种情形的数据进行比较。这可通过对已写入该数据库中的当前数据与已存储数据进行比较来完成。作为这种比较的结果，该处理单元在是否满足某种情形的基础上向该关节约束发出切换命令。

例如，该处理单元可确定佩戴该系统的人是不活动的并因此而发出将该关节约束切换至移动状态的命令。另一个实例是该处理单元是否确定佩戴该系统的人正在摔倒。在此情形中，通常还将该关节约束切换至移动状态，以使正在摔倒的人可以使用目前的移动肢体，以保护自己不受伤。另一个实例是，该系统确定这个人在行走。受约束的臂将被释放以支撑平衡良好的步态。

根据本发明的优选实施例，该系统进一步包括用于访问来自该数据库的数据的用户界面。利用这种用户界面，医务人员就可以看到该固定的肢体以及该受损的肢体所经历的活动量。可通过求该时间段内的来自这些传感器的三维数据的积分来计算这种活动。因此，该医务人员就能够更准确地估定与该受损肢体有关的情形。而且，可确立用于该患者的活动阈值。这描述了该受损肢体可以忍受的最大活动量或该固定肢体还应经历的最小活动量。若达到用于该受影响肢体的上活动阈值或用于受损肢体的下活动阈值，则将该关节约束切换至移动状态，以使该工作肢体可支撑该受影响的肢体。这就避免了受影响的肢体的过分疲劳和该受损肢体的削弱。

根据本发明的另一个优选实施例，该系统进一步包括至少显示至少一个移动传感器的移动或位置的系统状态的显示单元。这就提供了向患者提供反馈的可能性。例如，可向该患者告知他是否已足够长时间地使用了该受影响的肢体，以完成他的训练计划。

根据本发明的另一个优选实施例，无线地传输从至少一个移动传感器至该处理单元信号和/或从该处理单元至该可切换关节约束的命令。例如，这种无线传输可通过多种商业上可得到的无线传输技术进行，如蓝牙、红外、WLAN(无线局域网)等。还可使用专有协议。通过消除对电缆的需求，增加了患者使用的便利性以及安全性，这是因为患者不再会被这些电缆绊倒。

根据本发明的另一个优选实施例，通过将电场应用于电流变流体或者将磁场应用于磁流变流体来在移动状态与固定状态之间切换该关节约束。在流变流体中，这些微粒在暴露给适当的能量场时对准。当这种对准发生时，这种流体流动能力或切变能力被大大降低。一种流体类型回应于电压场(电流变流体)，且另一种类型回应于磁场(磁流变流体)。换言之，这些“智能流体”在电场或磁场出现时固化，并且在除去这种场时再次液化。

可将这些流变流体封闭在柔软的衣服内并且佩戴在关节周围，该关节将被以一种类似于套囊(cuff)的方式固定。这些流体的使用是有益的，因为无需体积庞大的或移动的部件从移动状态至固定状态切换，从而允许重量轻且不显眼的关节约束。而且，这些衣服虑及了患者的关节周围的良好配合，从而降低皮肤发炎的危险。

根据本发明的另一个优选实施例，通过一种膨胀套囊使这种关节约束在移动状态与固定状态之间切换。在将空气充到该关节周围的腔内时，膨胀套囊变硬。这就提供了低成本且低维护的关节约束。

根据本发明的另一个优选实施例，通过锁定矫正器的关节使这种关节约束在移动状态与固定状态之间切换。矫正器提供对关节移动的良好控制，因为将这些矫正器牢固地附接到该肢体。可将这些关节完全锁定、完全打开或仅打开以允许某种程度的移动。在使用矫正器的情况下，可按照任意角度将这些关节锁定是有益的。在该关节仅允许某种程度的自由度时，可将该固定的肢体足够地固定，以迫使患者使用受损的肢体，而在同时避免了由于长时间的不使用所导致的该固定肢体的无意间的硬化。

根据本发明的另一个优选实施例，该系统进一步包括释放单元，该释放单元在手动输入之后将该关节约束切换至移动状态。这在患者希望执行并未由该系统识别因此并不导致该关节约束切换至移动状态的动作时是有益的。这些情形的实例包括日常动作，如当手或肘关节被固定时将带有旋拧式盖子的罐打开。该释放单元可采取开关的形式或通过声音控制打开。还可将这种释放单元构造成将该关节约束切换至移动状态一段有限的时间，以避免受到患者的欺骗。而且，这种释放单元的使用可被记录在该数据库中。

根据本发明的另一个优选实施例，该系统进一步包括选自一个组的传感器，该组包括肌电图传感器、皮肤排汗传感器、脉搏传感器、血压传感器和/或血氧水平传感器，而且这些传感器进一步为该处理单元提供输入。这些传感器可提供关于该患者的状态的其他信息。这些传感器可尤其与该患者的紧张状态有关。例如，肌电图传感器提供与肌肉的疲劳有关的信息。这在估定受损肢体是否过分疲劳以及应受到另一个肢体的支撑时有用。这同样可适用于皮肤排汗传感器，这些排汗传感器提供关于皮肤表面的导电性方面的信息，这种导电性根据由紧张和疲劳所导致的排汗水平而发生变化。可将脉搏传感器、血压传感器和/或血氧水平传感器整合在一个传感器系统中，例如，可将这种传感器系统佩戴在指尖上，或者可用夹子附到耳垂上。这些传感器用于提供与该患者的循环系统有关的数据。来自前面所提及的所有的这些传感器的输入由该处理单元使用，以更加精确地确定是否遇到预定情形。

本发明的另一个方面涉及一种在根据本发明的系统中处理传感器信号的方法，这种方法包括以下步骤：

a)通过使该至少一个移动传感器处于预定位置并且寄存来自位于该位置的该至少一个移动传感器的输出信号来校准该至少一个移动传感器；

b)收集移动传感器输出信号；

c)将该移动传感器输出信号分配到该各自的至少一个移动传感器的位置和移动；

d)将位置和移动信号存储在数据库中；

e)将已存储在预定的时帧内的位置和移动信号与该数据库中的预定的位置和移动数据进行比较，这些预定的位置和移动数据对应于预定情形；

f)判定是否满足预定情形并且将该关节约束切换到在判定表中所限定的用于该情形的适当状态。

在这种方法的步骤a)中，可要求用户使自己处于某种姿势。例如，可要求该用户站直并使两个臂自由地沿着身体的侧面悬着。这样，该系统就能够使这些传感器输出信号与这些肢体的某种位置相互关联并继而计算这些肢体的目前位置。

步骤b)描述了由这些移动传感器进行的连续数据收集。在步骤c)中，将这些移动传感器输出信号分配给传感器的位置和移动。这既可在该传感器本身内也可在该系统的处理单元内进行。换言之，将这些传感器信号分解成单个的空间描述符和时间维度。然后将表示至少一个传感器的位置和移动的这种数据存储在数据库中，如在步骤d)中所提及的那样。

步骤e)包括将已存储在该数据库中的位置和移动信号与分配给某种情形的先前存储的数据进行比较。这可由该系统的处理单元进行。若一个或多个传感器在给定时间量内的空间坐标的变化与先前所存储的数据的变化相匹配，则该系统发出命令以将该关节约束切换至适当的状态。何时切换以及达到何种状态在该数据库中的确定表中限定，如在步骤f)中所提及的那样。例如，这种系统可判定这个人正在摔倒，然后将该关节约束切换至移动状态，以使这个人使用这两个肢体来避免受伤。

图1示出了根据本发明的系统的器件的框图，该框图示出了这些器件之间的相互作用。单个的器件是三个移动传感器1a、1b、1c、显示单元6、中央处理器(CPU)3、关节约束2、数据库4以及用户界面5。这些传感器1a、1b、1c向CPU 3提供输入，该CPU 3将这种输入处理成带有空间和时间坐标的数据。这种数据连同比较数据一起被存储在数据库4中。然后CPU 3连续不断地对这种传感器数据与该比较数据进行比较。在这种比较的基础上，即在满足预定情形时，CPU 3命令关节约束2切换至移动状态或返回到固定状态。存储在数据库4中的数据可由用户通过用户界面5观察，该用户如理疗师或内科医生。这些理疗师或内科医生能够观察上面带有传感器的肢体的活动并且设置何时将该关节约束启动或不启动的阈值条件。而且，显示单元6与CPU 3连通。该显示单元6能够至少显示该系统的至少一个传感器1的移动或位置方面的状态。例如，显示单元6可显示受损肢体或固定的肢体是否在由移动速度或移动范围所限定的目标通路(target corridor)内被正确地移动。显示单元6还可发出如指示肢体是否被足够地使用的音频信号。

图2示出了佩戴传感器1a、1b、1c和关节约束2的患者。该健康的肢体以及有待在约束性诱导疗法中固定的肢体在该肘关节周围携带两个移动传感器1a、1b以及关节约束2。另一个移动传感器1c位于该患者的躯干周围。第四个移动传感器1d位于受损的肢体上。这些传感器1a、1b、1c、1d和关节约束2与这种系统的其余部分无线接触。

在以上详细的实施例中的元件和特征的这些特定组合仅是示例性的；还明确地构思出这些教导与本申请以及通过引用而结合的专利/申请的教导的互换方式和替代方式。正如本领域中熟练的技术人员会认识到的那样，在并不背离所要求的本发明的精神和范围的前提下，本领域中技术人员可对本文中所描述的内容进行变化、修改或以其它方式实施。因此，前面的描述仅作为示例，且并不旨在进行限制。本发明的范围将在下面的权利要求书及其等同物中进行限定。而且，在说明书和权利要求书中所使用的附图标记并不对所要求的本发明的范围进行限制。

Claims (10)

1.一种在约束性诱导疗法中使用的可切换的关节约束系统，包括：

至少一个移动传感器(1)；

关节约束(2)，所述关节约束(2)可在移动状态与固定状态之间切换；

处理单元(3)，所述处理单元(3)接收来自所述至少一个移动传感器(1)的信号并向所述关节约束(2)发出切换命令；

数据库(4)，所述数据库(4)与所述处理单元(3)通信；

其中，所述数据库(4)存储分解成单个的空间描述符和时间的来自所述至少一个移动传感器(1)的数据，

所述数据库(4)进一步包括分解成单个的空间描述符和时间的比较数据，

所述比较数据被分配到至少一个预定情形，

所述处理单元(3)将来自所述至少一个移动传感器的数据与分配到所述至少一个预定情形的数据进行比较，并且

所述处理单元(3)基于来自所述至少一个移动传感器的数据是否对应于比较数据而向所述关节约束(2)发出切换命令。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括用于访问来自所述数据库(4)的数据的用户接口(5)。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括显示单元(6)，所述显示单元(6)显示所述系统的至少一个移动传感器(1)的至少移动或位置方面的状态。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，从至少一个移动传感器(1)至所述处理单元(3)的信号和/或从所述处理单元(3)至所述关节约束(2)的命令被无线地传输。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，通过将电场应用于电流变流体或者将磁场应用于磁流变流体来在移动状态与固定状态之间切换所述关节约束(2)。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，通过膨胀套囊在移动状态与固定状态之间切换所述关节约束(2)。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，通过锁定矫正器的关节在移动状态与固定状态之间切换所述关节约束(2)。

8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括释放单元，所述释放单元在手动输入之后将所述关节约束(2)切换到移动状态。

9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括选自以下的组的另外传感器，所述组包括肌电图传感器、皮肤排汗传感器、脉搏传感器、血压传感器和/或血氧水平传感器，并且其中，所述另外传感器进一步提供至所述处理单元的输入。

10.用于在根据权利要求1的在约束性诱导疗法中使用的系统中处理传感器信号的方法，所述方法包括以下步骤：

a)通过使所述至少一个移动传感器(1)处于一位置并且寄存来自位于所述位置的所述至少一个移动传感器(1)的输出信号来校准所述至少一个移动传感器(1)；

b)收集移动传感器输出信号；

c)将所述移动传感器输出信号分配到各自的至少一个移动传感器的位置和移动；

d)将分解成单个的空间描述符和时间的位置和移动信号存储在数据库(4)中；

e)将在步骤d)中已存储在预定的时帧内的分解成单个的空间描述符和时间的位置和移动信号与所述数据库(4)中的分解成单个的空间描述符和时间的预定的位置和移动数据进行比较，其中，所述预定的位置和移动数据对应于预定情形；以及

f)判定是否满足预定情形并且将所述关节约束(2)切换成采用在判定表中所限定的适用于所述情形的移动状态或固定状态。

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