CN102028474B - 视觉反馈式动态平衡评定训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种视觉反馈式动态平衡评定训练系统，它包括训练床、控制箱、主控计算机、患者用显示装置和主显示屏。训练床包括床座、床架和床板，床架安装在床座上并与床座可转动相连，在床架的前端连接有左、右下肢支架移动机构，实现被动态的同步屈伸与交替屈伸。在床架与床座之间设有床板角度调节机构，实现各种角度的背部减重功能。床架的两侧与底座之间分别设有床板左侧上下移动机构和床板右侧上下移动机构，该机构实现床的侧翻。左右下肢伸缩机构包括大腿伸缩杆、小腿伸缩杆、实现大小腿支架长度可调，从而实现个性化下肢训练。在床座上安装有控制箱。本发明集成了对动态平衡功能进行康复评估和训练的装置，并能调节减重程度。

Description

视觉反馈式动态平衡评定训练系统

技术领域

本发明涉及一种康复医疗器械，尤其涉及一种视觉反馈式动态平衡评定训练系统。

背景技术

据统计，我国脑血管病、帕金森病、颅脑外伤、脊髓损伤年发病率逐年增加。这些疾病和损伤会造成平衡功能障碍乃至残疾。而平衡功能障碍是主要致残因素。多个循证医学证据表明，包括平衡功能及下肢功能在内的训练是改善功能的重要方式。

平衡功能患者的康复过程多数都要经过从被动运动训练到主动运动训练，可进行被动态下肢平衡功能测试训练的疾病和损伤有卒中、脑外伤、帕金森病、脊髓损伤等；用于有昏迷、植物状态和微弱意识状态的意识障碍的患者，也可用于早期的全髋、全膝置换术后、下肢骨折AO或BO术后需维持下肢被动活动，同时又需要一些直立体位训练的的骨科疾病；可用于需维持下肢活动，同时又需要直立或半直立体位训练的心脏疾病的早期康复，如心肌梗死、冠脉搭桥术后等患者；而进行相应被动态下肢平衡功能测试训练是初步康复的必要措施。

双腿同步屈伸与交替屈伸是人体下肢运动重要方式之一，被动的同步屈伸类似被动的下蹲站起，被动的交替屈伸类似被动的踏步动作。被动的双腿屈伸与交替屈伸动作以往都采用训练师进行手动操作，不但费时，费力，治疗成本高。而目前市场上下肢康复减重训练方式采用悬吊设备进行，悬吊设备使用悬吊带向上牵引患者体重，需束缚患者躯干部，易带来患者不适，操作较繁琐。

此外，目前的被动训练的产品还存在缺乏个性化训练的特点，对于有身材高矮不一的患者采用统一下肢训练产品，造成部分患者训练过程达不到效果，或训练强度过大，对患者造成了一定的损伤。

大多数平衡训练床未集成下肢患侧卧位训练，影响患侧的训练强度循序渐进康复过程，导致康复效果不理想。

此外，以往的功能训练产品往往缺乏游戏化训练软件和视觉反馈系统，这样患者和仪器就不能进行互动，而患者也不能判断通过一段时间的康复训练，自己恢复的情况如何，使得训练激发不起病人的兴趣，使病人对训练显得没有多少信心。这种长期而乏味的训练，会影响患者的康复进程，导致康复效果不理想。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种视觉反馈式动态平衡评定训练系统。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其包括训练床、控制箱、主控计算机、患者用显示装置和主显示屏。

训练床包括床座、床架和床板，床架安装在床座上并与床座可转动相连，床板固定在床架上，在床架的前端连接有左下肢支架和右下肢支架，在左下肢支架和右下肢支架与床架之间分别连接有左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构，可实现被动态的同步屈伸与交替屈伸。

在床架与床座之间设有床板角度调节机构，可实现各种角度的背部减重功能。

床架的两侧与底座之间分别设有床架左侧上下移动机构和床架右侧上下移动机构，该机构实现床的侧翻，实现患侧卧位训练，加强患侧的神经刺激。

所述的训练床的床座上安装有多个万向调节脚轮，并相应设有多个用于调节脚轮上下伸缩的调节机构。

还包括床板角度显示器，该床板角度显示器安装在床架上随床架一起移动。

所述的左下肢支架和右下肢支架结构对称相同，各包括脚踏板支架、下肢伸缩机构、脚前端缓冲器、脚后跟导向轴和脚踏板；脚踏板支架与相应的下肢支架移动机构转动相连；脚前端缓冲器和脚后跟导向轴分别连接在脚踏板与脚踏板支架之间；下肢伸缩机构的一端与脚踏板支架可转动相连，另一端与床架可转动相连；在脚踏板周围设有足底压力传感器，足底压力传感器与控制箱内的传感器接口电路电信号相连；在下肢伸缩机构上设有角度传感器，角度传感器与控制箱内的传感器接口电路电信号相连；所述的左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构分别与相应的脚踏板支架传动相连。

所述的下肢伸缩机构包括大腿伸缩杆、小腿伸缩杆、大腿支架和小腿支架，大腿伸缩杆的一端与床架可转动相连，另一端与小腿伸缩杆可转动相连，小腿伸缩杆的另一端与脚踏板支架可转动相连，大腿支架安装在大腿伸缩杆上，小腿支架安装在小腿伸缩杆上，在大腿伸缩杆、小腿伸缩杆、大腿支架和小腿支架上分别设有调节锁紧手柄。这种髋关节固定，大腿支架长度可调，相应的膝关节位置可调，小腿支架长度可调，实现个性化下肢训练。

所述的足底压力传感器由贴有四根应变片的悬臂梁组成，贴有四根应变片的悬臂梁插装在由脚踏板、脚踏板支架、脚前端缓冲器和脚后跟导向轴组成的脚底受力部件内，足底压力传感装置的实时数据是动态姿势图以及重心评估的基础。

上述左下肢支架移动机构、右下肢支架移动机构、床板左侧上下移动机构和床板右侧上下移动机构都包含一台直线步进电机。

在床座上安装有控制箱，控制箱内设有传感器接口电路、电机驱动模块和电源模块，电源模块分别为传感器接口电路和电机驱动模块提供电源；电机驱动模块分别与床板角度调节机构、左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构中的直线步进电机电信号相连。

主控计算机设置在操作台上，主控计算机内设有数据采集模块和运动控制模块，数据采集模块与控制箱中的传感器接口电路电信号相连，运动控制模块与控制箱中的电机驱动模块电信号相连。

患者用显示装置活动设置在训练床的旁边并与主控计算机电信号相连。

主显示屏设置在操作台上并与主控计算机电信号相连。

本发明的视觉反馈式动态平衡评定训练系统用于进行被动态同步屈伸与交替屈伸平衡功能的评定和训练。其一，该系统首次引入被动态姿势图，对被动双侧同步屈伸，被动双侧交替屈伸等被动态的评估，根据评估结果，医护人员对患者提出具体的训练要求。其二，引入髋关节固定，大腿支架长度可调，相应的膝关节位置可调，小腿支架长度可调，实现个性化下肢训练。其三，能实现患侧卧位训练，加强患侧的神经刺激，有利于健侧肢体的活动，该过程由床板左侧上下移动机构和床板右侧上下移动机构实现。其四，它利用角度可调的床板对背部的支撑作用产生不同的减重效果，开展早期康复，而又避免了悬吊减重的缺点，还具有智能化平衡系统的技术。

它的功能主要包括：

1、功能评定：任意背部支撑角度(0-90°)及独立站立状态下的被动态姿势图，运动方式为双下肢同步屈伸和交替屈伸，所得评定参数包括额状面摆动频率、平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、重心移动轨迹总长度、重心移动轨迹总面积和额状面侧方摆速等；

2、功能训练：任意背部支撑角度(0-90°)及独立站立状态下的动态平衡练习设置和相应的逐级难度递进的练习方案，有视觉和声音反馈、虚拟环境训练方案及平衡游戏训练方案；

3、有用于意识障碍或严重运动功能障碍的重复被动减重踏步训练方式，由器械形成本体感觉刺激，促进意识状态恢复，预防卧床引起的失用和失健。

附图说明

图1是本发明视觉反馈式动态平衡评定训练系统的正视结构示意图；

图2是本发明中的训练床的俯视结构示意图。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明视觉反馈式动态平衡评定训练系统，包括训练床1、控制箱2、主控计算机3、患者用显示装置4和主显示屏5。控制箱2安装在训练床的床座11上，主控计算机3设置在操作台(操作台未图示出来)上，患者用显示装置4活动设置在训练床的旁边并与主控计算机电信号相连，主显示屏5设置在操作台上并与主控计算机电信号相连。

本发明中的训练床1包括床座11、床架12和床板13，床架12安装在床座11上并与床座11通过转轴6可转动相连，床板13与床架12固定相连，在床架12的前端连接有左下肢支架和右下肢支架14，在左下肢支架和右下肢支架14与床架12之间分别连接有左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构15，在床架12与床座11之间设有床板角度调节机构16、床板左侧上下移动机构和床板右侧上下移动机构17，上述各机构都包含一台直线步进电机。在训练床的床座11上安装有多个万向调节脚轮111，并相应设有多个用于调节脚轮上下伸缩的调节机构112。在床架12上还安装有床板角度显示器8，床板角度显示器8随床架12一起移动用于显示床架12及床板13倾斜的角度。

配合参见图2，本发明中的左下肢支架和右下肢支架结构14对称相同，各包括脚踏板支架141、下肢伸缩机构142、脚前端缓冲器143、脚后跟导向轴144和脚踏板145。脚踏板支架141与相应的下肢支架移动机构15传动相连；脚前端缓冲器143和脚后跟导向轴144分别连接在脚踏板145与脚踏板支架141之间。下肢伸缩机构142的一端与脚踏板支架141可转动相连，另一端与床架12可转动相连。在脚踏板145周围设有足底压力传感器(未图示出来)，该足底压力传感器由贴有四根应变片的悬臂梁组成，贴有四根应变片的悬臂梁插装在由脚踏板、脚踏板支架、脚前端缓冲器和脚后跟导向轴组成的脚底受力部件内，并分别与控制箱2内的传感器接口电路电信号相连。在下肢伸缩机构143上设有角度传感器(未图示出来)，角度传感器与控制箱内的传感器接口电路电信号相连。左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构15分别与相应的脚踏板支架141传动相连。

配合参见图2，本发明中的下肢伸缩机构142包括大腿伸缩杆1421、小腿伸缩杆1422、大腿支架1423和小腿支架1424，大腿伸缩杆1421的一端与床架12可转动相连，另一端与小腿伸缩杆1422可转动相连，小腿伸缩杆1422的另一端与脚踏板支架141可转动相连，大腿支架1423安装在大腿伸缩杆1421上，小腿支架1424安装在小腿伸缩杆1422上，在大腿伸缩杆、小腿伸缩杆、大腿支架和小腿支架上分别设有调节锁紧手柄1425。

控制箱2安装在训练床的床座11上，控制箱内设有传感器接口电路、电机驱动模块和电源模块(未图示出来)，电源模块分别为传感器接口电路和电机驱动模块提供电源；电机驱动模块分别与床板角度调节机构、左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构中的直线步进电机电信号相连。

主控计算机3设置在操作台(操作台未图示出来)上，主控计算机内设有数据采集模块和运动控制模块(未图示出来)，数据采集模块与控制箱中的传感器接口电路电信号相连，运动控制模块与控制箱中的电机驱动模块电信号相连。

患者用显示装置4活动设置在训练床1的旁边并与主控计算机3电信号相连，该患者用显示装置4包括移动小车41、安装在移动小车上的支架42和安装在支架上的显示屏43，显示屏与支架活动连接，显示屏的高度和角度可以调节。

主显示屏5设置在操作台上并与主控计算机3电信号相连。

本发明采用主控计算机实现中心控制，由两个显示屏进行显示。其中主显示屏放置在操作台上，供医护人员使用。主显示屏能显示包含病人信息、测试报告、功能训练、游戏训练、生成报告、系统设置等所有内容，同时能控制患者用显示屏的内容。患者用显示屏位于患者训练时的前方，便于患者观察训练过程中力量大小的变化，实时主动调节平衡，患者用显示屏能显示训练过程、游戏的参与过程以及训练的结果等内容，供患者掌握。

本发明中数据的采集和处理，由压力传感器组采集足底压力数据，传输到控制箱内的传感器接口电路，由多路传感变送集成卡(经过信号放大、滤波、采样保持)、进入数据采集卡，然后输出到主控计算机对信号进行处理，使左右足部用力大小以直观的柱状图，数字大小的形式显示出来，从而使病人可以了解到自己的实际情况，适当调节姿势和力度。当然病人也可以直观的了解到通过一段时间的训练，自己取得了多大的进步，有利于帮助病人建立康复的信心，激发他们的训练欲望。同时能通过采集的各种信号，进行额状面摆动频率、平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、重心移动轨迹总长度、重心移动轨迹总面积和额状面侧方摆速等参数的计算及显示。

本发明中的主控计算机内设有运动控制模块，主控计算机通过运动控制模块驱动各运动机构，即床板角度调节机构、左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构、床板左侧上下移动机构和床板右侧上下移动机构中的直线步进电机。通过同步控制步进电机使其正、反转来实现床板的转动，以此来达到床板0～90度任意倾斜的效果。这样患者就可以实现平躺、斜躺甚至站立进行训练，实现了各种角度减重状态下的评估与训练，床板角度调节机构中的直线步进电机控制床板运动，实现身体的倾斜；左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构中的直线步进电机分别推动左右脚踏板支架的运动，实现下肢被动双侧同步屈伸和被动双侧交替屈伸或左右单腿屈伸；床板左侧上下移动机构和床板右侧上下移动机构中的直线步进电机实现床的左右侧翻，协助患着侧卧位训练；下肢伸缩机构，实现髋关节固定，大腿支架长度可调，相应的膝关节位置可调，小腿支架长度可调；各电机运行速度、正反转运动等由主控计算机统一控制，实现视觉反馈式动态平衡评定训练系统的训练与评估。

视觉反馈式动态平衡评定训练系统的使用包括以下步骤：

1、患者倾斜躺在床上紧靠背板，并让其左右脚分别踩在左右脚踏板上。

2、根据患者的实际情况由医生调节床的倾斜角度，来实现不同程度的减重，床板角度显示器上显示出床的倾斜角度，角度越小，减重程度越大。

3、根据患侧的实际情况由医生调节床的左右侧高度，控制床的侧翻角度。

4、调节下肢伸缩机构，实现髋关节固定，大腿支架长度可调，相应的膝关节位置可调，小腿支架长度可调。

5、被动态下肢平衡功能的运动实现过程：由主控计算机设置任意速度，发出相应命令，驱动控制箱中的驱动器，调节驱动脚踏板电动机的运动速度及方向，能实现不同级别速度下双腿同步屈伸与交替屈伸。

6、根据病人的实际情况及上次的评估结果，选择被动训练时间；

7、根据病人的实际情况及上次的评估结果，选择测试速度，选择测试速度；

8、计算机进入功能评定系统，根据患者的实际状态，医生进行短周期被动态初始测试设置。

该装置中被动运动各参数评估实现方法如下：

a、被动态下肢平衡功能训练评估过程中，患者运动过程中的重心变化的评估：在下面所述的七个参数的计算中都要用到。一般人体重心(center of gratitude，COG)在第二骶骨前。该系统中的重心投影指的是人体重心分力在脚踏板上的投影，又由于人体处于被动态平衡运动过程中侧向力很小，因此人体重心分力投影位置测试原理就可以简化为：

$G=\frac{F1-F2}{F1+F2}\×\mathrm{Lcm}$

式中，F1为左脚力的大小；F2为右脚力的大小；L为左右脚踏板中心之间的距离，一般设为33cm；

b、评估减重状态下被动态平衡运动过程中额状面摆动频率变化，反映了在一定时间内，重心分力投影在额状面即水平方向正负值的变化频率，在算法中仅表示重心分力投影位置沿左右方向变化的快慢，该参数值越大，即变化的频率越高，反映患者抖动越严重，重心分力投影控制越不稳，如帕金森病。

额状面摆动频率变化算法为：由上述a可得出的在被动态平衡运动过程中的重心分力投影变化，再根据病人重心分力投影从左侧区域移动到右侧区域以及从右侧区域移动到左侧区域的次数与时间之比，即：

$\mathrm{\η}=\frac{N}{T}$

式中，N为重心分力投影从左侧区域到右侧区域以及从右侧区域到左侧区域摆动的次数，T为选择的测试时间。

c、评估减重状态下被动态平衡运动过程中平均重心，反映了被动态平衡运动过程中，重心分力投影平衡情况，绝对值越小，表示平衡程度越好，正值越大，表明右下肢较左下肢更有力；负值越大，则相反。临床资料表明，平均重心分力投影差值越大，身体对称性越差，如卒中偏瘫者。其定义为病人重心分力投影偏移距离之和与采集次数之比，计算方法为：

$\stackrel{\‾}{G}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|G_i\right|}{N}$

式中，Gi为每次重心分力投影位置；i＝1、2、3、4……N(i、N为整数)，N为选择的测试时间内采集的点数。

d、评估减重状态下被动态平衡运动过程中额状面最大摆幅，反映患者重心分力投影在左右方向上偏移程度的最大值。该值也与身体对称性有关，该差值越大表明对称性差，稳定性弱。相关疾病如截肢者，偏瘫者。

其定义为病人重心分力投影偏移正常重心分力投影零位的最大距离，其计算方法为：

Smax＝Max|Si|

式中，Si为每次采集的重心分力投影偏移正常重心分力投影零位的长度，i＝1、2、3、4……N(i、N为整数)。

e、评估减重状态下被动态平衡运动过程中额状面平均摆幅，反映患者减重状态下，动作过程中在左右方向上抖动剧烈程度及快慢，其值越大表明患者平衡能力越差，临床资料表明，相关疾病如锥体外系疾病。其计算方法为：

$\stackrel{\‾}{S}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Si}\right|}{N}$

式中，Si为每次采集的重心分力投影偏移正常重心分力投影零位的长度，i＝1、2、3、4……N(i、N为整数)，N为选择的测试时间内采集的点数。

f、评估减重状态下被动态平衡运动过程中重心分力投影移动轨迹总长度，反映了患者减重状态下，被动态平衡运动过程中重心分力投影移动轨迹总长度，其值越大表明重心分力投影偏移距离总和越长，患者平衡能力越差。

根据轨迹分类(中心型、前后型、左右型、多中心型、弥散型)，来评估判断患者状态，正常为多中心型。多中心型重心分力投影移动轨迹总长度的计算方法为：

式中，G_i为每次采集重心偏移的距离，i＝1、2、3、4……N(i、N为整数)；

g、评估减重状态下，被动态平衡运动过程中单位时间内额状面侧方摆速，反映在左右方向上最大摆幅时重心分力投影的移动速度，其值越大，表示重心分力投影控制越差。相关疾病如扭转痉挛、舞蹈病等。其计算方法为：

$V=\frac{S_{\max }-S_{\max }^{\′}}{T}$

式中，S′_max为额状面最大摆幅的前一个采样值，T为采样时间。

Claims (9)

1.一种视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其特征在于包括：

训练床，包括床座、床架和床板，床架安装在床座上并与床座可转动相连，床板固定在床架上，在床架的前端连接有左下肢支架和右下肢支架，在左下肢支架和右下肢支架与床架之间分别连接有左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构，在床架与床座之间设有床板角度调节机构，在床架的两侧与底座之间分别设有床架左侧上下移动机构和床架右侧上下移动机构，上述各机构都包含一台直线步进电机；

控制箱，安装在床座上，控制箱内设有传感器接口电路、电机驱动模块和电源模块，电源模块分别为传感器接口电路和电机驱动模块提供电源；电机驱动模块分别与床板角度调节机构、左下肢支架移动机构、右下肢支架移动机构、床架左侧上下移动机构和床架右侧上下移动机构中的直线步进电机电信号相连；

主控计算机，设置在操作台上，主控计算机内设有数据采集模块和运动控制模块，数据采集模块与控制箱中的传感器接口电路电信号相连，运动控制模块与控制箱中的电机驱动模块电信号相连；

患者用显示装置，活动设置在训练床的旁边并与主控计算机电信号相连；

主显示屏，设置在操作台上并与主控计算机电信号相连。

2.如权利要求1所述的视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其特征在于：所述的左下肢支架和右下肢支架结构对称相同，各包括脚踏板支架、下肢伸缩机构、脚前端缓冲器、脚后跟导向轴和脚踏板；脚踏板支架与相应的下肢支架移动机构传动相连；脚前端缓冲器和脚后跟导向轴分别连接在脚踏板与脚踏板支架之间；下肢伸缩机构的一端与脚踏板支架可转动相连，另一端与床架可转动相连；在脚踏板周围设有足底压力传感器，足底压力传感器与控制箱内的传感器接口电路电信号相连；在下肢伸缩机构上设有角度传感器，角度传感器与控制箱内的传感器接口电路电信号相连；所述的左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机构分别与相应的脚踏板支架传动相连。

3.如权利要求2所述的视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其特征在于：所述的下肢伸缩机构包括大腿伸缩杆、小腿伸缩杆、大腿支架和小腿支架，大腿伸缩杆的一端与床架可转动相连，另一端与小腿伸缩杆可转动相连，小腿伸缩杆的另一端与脚踏板支架可转动相连，大腿支架安装在大腿伸缩杆上，小腿支架安装在小腿伸缩杆上，在大腿伸缩杆、小腿伸缩杆、大腿支架和小腿支架上分别设有调节锁紧手柄。

4.如权利要求2所述的视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其特征在于：所述的足底压力传感器由贴有四根应变片的悬臂梁组成，贴有四根应变片的悬臂梁插装在由脚踏板、脚踏板支架、脚前端缓冲器和脚后跟导向轴组成的脚底受力部件内。

5.如权利要求1所述的视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其特征在于：所述的患者用显示装置包括移动小车、安装在移动小车上的支架和安装在支架上的显示屏，显示屏与支架活动连接，显示屏的高度和角度可以调节。

6.如权利要求1所述的视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其特征在于：所述的训练床的床座上安装有多个万向调节脚轮，并相应设有多个用于调节脚轮上下伸缩的调节机构。

7.如权利要求1所述的视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其特征在于：还包括床板角度显示器，该床板角度显示器安装在床架上随床架一起移动。

8.如权利要求1所述的视觉反馈式动态平衡评定训练系统其特征在于：所述的主控计算机设有测试评估模块，该测试评估模块的测试评估参数包括额状面摆动频率、平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、重心移动轨迹总长度、重心移动轨迹总面积和额状面侧方摆速。

9.如权利要求1所述的视觉反馈式动态平衡评定训练系统，其特征在于：所述的主控计算机设有视觉反馈式动态平衡功能训练模块，该功能训练模块包括减重及独立站立状态下的动态平衡练习设置和相应的逐级难度递进的练习方案、视觉和声音反馈、虚拟环境训练方案及平衡游戏训练方案。

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