CN101909690A - 防止踝部扭伤的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于防止踝部扭伤的装置和方法。踝部扭伤是非常普通的运动损伤。为了保护踝关节免受急性踝部旋后或内翻扭伤，所提供的装置包括：传感部，配置为感测踝部运动的数据；分析部，配置为分析所述数据，以判断所述运动是否为扭伤运动；以及刺激部，配置为根据分析结果刺激一个或多个下肢肌肉抵抗所述运动。此外，所提供的方法包括：感测踝部运动的数据；分析所述数据，以判断所述运动是否为扭伤运动；以及如果所述运动是扭伤运动，则刺激一个或多个下肢肌肉抵抗所述运动。

Description

防止踝部扭伤的方法和装置
技术领域
本发明涉及防止踝部扭伤。
背景技术
下肢的肌肉、韧带和骨头(例如，侧踝韧带)的损伤在运动中是非常普遍的，会造成腿或踝关节的疼痛或不能移动。例如，长时间的踝部韧带损伤会引起踝部不稳定性发展，而还未对其提出适当的治疗和复原方案。
大多数踝部扭伤都是由旋后或内翻机制造成的。众所周知的是腓肌位于下肢的侧面，其功能是使踝关节旋前或外翻。因此，腓肌对于防止踝部扭伤起到了内在防御机制的作用，以防止过度的踝部旋后或内翻。然而，踝部扭伤的病原之一是腓肌的缓慢反应时间。因此，在大多数损伤中，腓肌不能跟上并反应，以提供内在的保护。
当前，已经在各种医疗装置中采用肌电刺激，例如功能性电刺激(FES)，从而对受伤肌肉进行被动练习以进行复原训练。而且，在被动按摩装置中采用了类似的技术。此外，已采用类似的技术帮助不能将神经肌肉刺激传递至腿部肌肉进行行走的偏瘫病人走动。在所有这些装置中，通过电极对将电信号传递给所选肌群，电信号代替了人体内在的神经肌肉电刺激。电信号能触发肌肉细胞中的某些生物化学变化，从而引起肌肉收缩，并因此而引起关节弯曲或关节伸展。然而，这些装置不能提供快速反应，以防止急性踝部扭伤。
发明内容
为了防止踝部扭伤，可传递人为的触发，以在正常肌肉反应之前开启腓肌功能。
根据本发明的一个方面，提出了一种用于防止踝部扭伤的装置，该装置包括：传感部，配置为感测踝部运动的数据；分析部，配置为分析所述数据，以判断所述运动是否为扭伤运动；以及刺激部，配置为根据分析结果刺激一个或多个下肢肌肉抵抗所述运动。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于防止踝部扭伤的方法，该方法包括：感测踝部运动的数据；分析所述数据，以判断所述运动是否为扭伤运动；以及如果所述运动是扭伤运动，则刺激一个或多个下肢肌肉抵抗所述运动。
根据本发明的又一方面，提出了包含本文所描述的装置的鞋。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施方式用于防止踝部扭伤的装置的示意性框图；
图2示出了带有根据本发明一个实施方式的装置的脚的示意图；
图3示出了根据本发明一个实施方式由控制电路产生的示例性电脉冲图的曲线图；以及
图4示出了用户的脚站在根据本发明一个实施方式的机械旋后扭伤模拟器上的示意图。
具体实施方式
在下文中，参照附图给出了本发明实施方式的详细描述。
参照图1，在一个实施方式中，本发明的装置100可包括传感部110、分析部120和刺激部130。
传感部110被配置为对用户脚的运动进行感测。为了感测脚的运动，传感部110可附着于鞋的足跟杯(heel cup)的外表面或内表面，如图2所示。可选地，传感部110还可附着于脚的皮肤表面。在操作中，传感部110以实时的方式感测和传输用户脚的运动数据。在一个实施中，传感部110包括用于感测脚部相对于胫部运动的三轴加速计和陀螺测试仪。在这种情况下，将感测和传输的数据是运动中的用户脚的踝部内翻速度。在本公开中，踝部内翻速度是指脚的踝部内翻角度的变化率。即，
Figure G2009800003702D00031
在另一实施中，传感部110包括感测脚部运动的压力传感器。在这种情况下，将由传感部110感测和传输的数据为对运动中的用户脚的压力。
在另一实施中，传感部110可包括选自由三轴加速计、陀螺测试仪、测角仪、压力传感器等构成的组中的一个或多个。
根据本发明的装置的一个实施方式，传感部110的采样频率是可调整的。在本发明的一个实施中，传感部110的采样频率是50Hz～1,000Hz。例如，传感部110的采样频率可以是100Hz或500Hz。
通过有线或以无线的方式将由传感部110感测的每个运动的数据实时地传输至分析部120。在分析部120中预置区别扭伤运动与正常运动的阈值。一旦接收到的关于运动的数据超过该阈值，那么分析部120将触发信号传输至刺激部130。否则，如果接收到的数据未超过该阈值，则不从分析部120发出触发信号，而且分析部120将处理随后的数据。
在一个实施中，可为不同重量的用户或诸如走路、运动、攀爬等不同用途调整分析部120中预置的阈值。
刺激部130被设置为刺激下肢肌肉，以防止踝部扭伤。根据一个实施，刺激部130可包括电源131、控制电路132和一对电极133、134，如图1所示。电源131为与电极133、134连接的控制电路132供电。
在一个实施中，传感部110、分析部120、电源131和控制电路132封装在壳体200内，壳体200附着于鞋子300的足跟杯，电极133和134附着于腓肌群的皮肤表面，以刺激腓肌群，如图2所示。可理解，还可在实践中根据用户需要，通过缝合、粘合或任意其它已知的连接方式将壳体200附着于的鞋的任意其他位置。一旦刺激部130接收到来自于分析部120的触发信号，则控制电路132将电刺激信号传递至电极133和134，以产生通过用户下肢中的腓肌群的脉冲电流。
在一个实施中，电刺激信号是具有期望电平的脉冲电势差。
当电信号通过腓肌群时，可刺激用户的腓肌群快速地旋前或外翻踝关节，以防止踝部急性扭伤。特别地，当来自控制电路132的脉冲电流通过电极133和134传递至腓肌群时，腓肌群可收缩并引起踝部旋前或外翻以抵抗突然的旋后或内翻。
根据实施方式，可在扭伤开始之后的20-30ms内将来自控制电路132的电信号传递通过肌群。众所周知，踝部肌肉的转矩延迟大约为21-25ms。因此，扭伤的反应时间足够短，且能够跟上并引起腓肌收缩以保护踝关节。
根据一个实施方式，电源131是一组电池。通过使用电源131，控制电路132可输出峰值电压大约为100-200V的脉冲。尽管峰值电压很高，但是电流足够小，以保证用户的安全。
在实施方式中，电极133和134在腓肌群的皮肤表面上相隔1-3cm的距离。可选地，电极133和134是用后可丢弃/可替换且附着于皮肤的氯化银盘。而且，可在小腿侧面处将电极133和134嵌入具有储藏空间的任何附加的带子或袜子内。可具有不阻碍电极133和134与皮肤表面直接接触的附加服饰。为了安全起见，当电极133和134检测不到皮肤阻抗时，将不激活装置100。
此外，控制电路132可包括开关，以控制将电信号传递至电极对。
由传感部110感测并与阈值相比较的物理变量可以是表征脚运动的任何变量，例如，内翻角、倾斜角(脚部相对于地面的角度)、倾斜速度等。在一个实施方式中，踝部内翻速度是被感测的物理变量。那么，将区别扭伤运动与普通运动的阈值选择为稍大于脚正常运动的踝部内翻速度的范围，以提供良好的保护。可通过试验得到脚正常运动的踝部内翻速度的范围。根据一个实施方式，任何正常运动的踝部内翻速度为每秒22.8至186.7度之间。而且，据Fong DTP、Hong Y、Shima Y、Krosshaug T、Yung PSH、Chan KM在美国运动医学学报(TheAmerican Journal of Sports Medicine)2009年37卷4期第822-827页的文章Biomechanics of supination ankle sprain：A case report of anaccidental injury event in the laboratory(旋后踝部扭伤的生物力学：实验室的意外损伤事件的案例报告)”报告，人的最大踝部内翻速度为每秒632度。因此，用于激活刺激部130的阈值应该是在每秒186.7度至每秒632度之间的某数值。在实施方式中，将用于激活刺激部130的阈值设置在每秒190-600度的范围内，例如每秒200度。可选地，根据用户需要，阈值在每秒190度至每秒600度的范围内是可调的。例如，当用户进行例如跑步、远足、打篮球等高强度锻炼时，可将阈值设置得更高。
为了示例性说明，对某些具有健康踝部的人进行测试，以收集脚正常运动的数据。将用作传感部100且大小为20mm×18mm×6mm的陀螺测试仪固定于用户的脚后跟或鞋子足跟杯的表面。将陀螺测试仪连接至大小为50mm×25mm×15mm的单个印刷电路板(PCB)，以收集运动数据。陀螺测试仪监控脚部的内翻速度。陀螺测试仪的采样频率为500Hz。用户进行5种正常的运动(即，非扭伤运动)：走路、跑步、急转、起跳-落地和下楼梯。每种运动分别进行10次试验。选择这些运动的原因在于它们在人们日常活动中是最常见的。不同非扭伤运动的数据收集顺序是随机的。在走路和跑步试验中，要求用户自然地走或跑5个连续的步子。从第一步开始数据收集。在急转试验中，要求用户用左脚或右脚进行单腿急转。用户在急转之前全速跑5个连续步，然后进行90度急转。在下楼梯试验中，收集3个连续步的数据。在起跳-落地试验中，要求用户用两条腿进行竖直起跳至最高的高度然后落地。此外，允许用户在每次试验之间休息，以确保他们的肌肉不疲劳。测试的结果如表1所示。可见，运动的最大内翻速度在每秒22.8度至每秒186.7度之间变化。应该注意到，如果试验的条件和/或用户改变，则试验的结果可能改变。因此，这些用于示例性说明的试验不应作为对本发明的限制。
表1：5种运动中的踝部内翻角和踝部内翻速度的峰值和峰值时间
  走路   跑步   急转   起跳-落地   下楼梯
  最大踝部内翻(度)   -8.3   -13.3   8.7   -2.5   -36.7
  最大踝部内翻的时间(秒)   0   -0.01   0.78   -0.23   0.04
  最大踝部内翻速度(度/秒)   -151.2   -186.7   -160.0   -22.8   -38.3
  最大踝部内翻速度的时间(秒)   -0.1   -0.08   0.69   0.22   0.25
*最大踝部内翻和踝部内翻速度的负值意味着踝部相对于偏移位置处于外翻的位置。
**负值时间意味着时间在脚冲击时刻之前。
根据一个实施方式，电极133和134附着于用户腿的腓肌的皮肤表面。控制电路132产生的电刺激信号是电脉冲。图3示出了示例性的电脉冲。如图3所示，电脉冲具有多个周期。一个周期的工作时间(即，宽度)、周期个数和从扭伤开始至电脉冲开始的延迟时间都是可调整的。根据该实施方式，简单的机械旋后扭伤模拟器(在Chan YY、Fong DTP、Yung PSH、Fung KY、Chan KM在生物力学学报(Journalof Biomechanics)2008年41卷11期第2571-2574页的文章“Amechanical supination sprain simulator for studying ankle supinationsprain kinematics(用于研究踝部旋后扭伤运动学的机械旋后扭伤模拟器)”中描述了该模拟器)用于提供大约15或30度的突然踝部旋后，从而评估不同电脉冲的作用。用户的两只脚分别站在机械旋后扭伤模拟器的、同一水平面内的两个板500上，然后两个板500中的一个下落，以提供大约15或30度的突然踝部旋后，如图4所示。在表2(a)和2(b)中给出了对这些参数进行不同组合的实验结果。
表2(a)：肌电刺激的不同设置以及
当平台下落至15度时相应的内翻角
Figure G2009800003702D00071
表2(b)：肌电刺激的不同设置以及
当平台下落至30度时相应的内翻角
Figure G2009800003702D00072
从结果可见，具有肌电刺激的踝部的内翻角减小了不同的度数。
提供了防止踝部在运动和户外活动中扭伤的物品，例如鞋，或者类似于带子或袜子的踝部保护器，其可包括嵌入其内的装置110。本领域的技术人员可根据实际需要，通过缝合、粘合或任意其它已知的连接方式将装置100附着于或嵌入该物品的适当部分。在一个实施中，具有装置100的智能防扭伤鞋有益于在体育运动中防止扭伤。
而且，装置100可减少踝部扭伤治疗的成本。用户还可从装备有防止运动相关损伤的装置100的产品中获益。
结合本发明的具体方面、实施方式、实施或实施例描述的特征、整数、特性或组被理解为可适用于本文描述的任何其它方面、实施方式、实施或实施例，除非两者互不相容。本说明书(包括说明书附图、摘要和摘要附图)所公开的所有特征，和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤可以任何方式相结合，除了这些特征和/或步骤中的至少某些特征和/或步骤的结合是相互排斥的。本发明不限于任何前述实施方式的细节。本发明涵盖本说明书(包括任何说明书附图、摘要和摘要附图)所公开的任何一个新颖的特征或任何新颖特征的结合，或者所公开方法或过程的任何一个新颖的步骤或任何新颖的步骤结合。
被发明不限于上面描述的实施方式。本领域技术人员根据本文的公开进行的变化和修改应在本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种用于防止踝部扭伤的装置，包括：
传感部，配置为感测踝部运动的数据；
分析部，配置为分析所述数据，以判断所述运动是否为扭伤运动；以及
刺激部，配置为根据分析结果刺激一个或多个下肢肌肉抵抗所述运动。
2.如权利要求1所述的装置，其中，通过线路或以无线的方式将所述传感部感测的数据实时地传输至所述分析部，所述传感部的采样频率能够在50Hz～1,000Hz范围内调节。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述传感部附着于鞋子的后跟杯的外表面或内表面或者附着于脚的皮肤表面。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述传感部感测的数据为踝部内翻速度。
5.如权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述传感部包括三轴加速计和陀螺测试仪。
6.如权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述传感部包括选自由三轴加速计、陀螺测试仪、测角仪、压力传感器构成的组中的一个或多个。
7.如权利要求1-6中任一项所述的装置，其中，在所述分析部内预置阈值，以用于与从所述传感部传输的数据进行比较，如果所述数据超过所述阈值，则所述分析部将触发信号传输至所述刺激部。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述阈值是可调的。
9.如权利要求7或8所述的装置，其中，所述传感部感测的数据为踝部内翻速度，所述阈值在大约每秒190度至每秒600度之间。
10.如权利要求7-9中任一项所述的装置，其中，所述刺激部包括：
一对电极，配置为与下肢接触；以及
电路，配置为当所述分析部发出所述触发信号时，发出施加在所述电极之间的电刺激信号。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述电极附着于腓肌群的皮肤表面。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述电极在所述腓肌群的皮肤表面上相隔1-3cm的距离。
13.如权利要求10-12中任一项所述的装置，其中，所述电极是用后可丢弃/可替换且附着于皮肤的氯化银盘。
14.如权利要求10-13中任一项所述的装置，其中，所述电刺激信号是电脉冲。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述电脉冲具有宽度可调的多个周期。
16.一种用于防止踝部扭伤的方法，包括：
感测踝部运动的数据；
分析所述数据，以判断所述运动是否为扭伤运动；以及
如果所述运动是扭伤运动，则刺激一个或多个下肢肌肉抵抗所述运动。
17.如权利要求16所述的方法，其中，以50Hz～1,000Hz范围内可调的采样频率实时地感测所述数据。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中，所感测的数据是踝部内翻速度。
19.如权利要求16-18中任一项所述的方法，其中，分析所述数据的步骤包括：
将所感测的数据与预置的阈值相比较，如果所感测的数据大于所述阈值，则所述踝部运动是扭伤运动；否则，如果所感测的数据小于或等于所述阈值，则所述踝部运动不是扭伤运动。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述阈值是可调的。
21.如权利要求19或20所述的方法，其中，所感测的数据是踝部内翻速度，所述阈值处于大约每秒190度至每秒600度之间。
22.如权利要求16-21中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个下肢肌肉是腓肌群。
23.如权利要求16-22中任一项所述的方法，其中，刺激一个或多个下肢肌肉的步骤包括：用电脉冲刺激所述肌肉。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述电脉冲具有宽度可调的多个周期。
25.一种包括如权利要求1所述装置的物品。
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