CN102038491A - 智能化被动态下肢功能测试训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能化被动态下肢功能测试训练方法，该方法通过一套智能化被动态下肢功能测试训练系统进行，系统包括训练床、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下肢支架和右下肢支架，左下肢支架和右下肢支架分别包括一个脚踏板，主控计算机内设有测试评估模块和功能训练模块。本发明的智能化下肢功能测试训练方法，通过对病人进行背部支撑减重(或不减重)形式下的被动双侧同步屈伸测试评估，获取各项动态姿势图参数数据，有针对性地对病人进行被动双侧同步屈伸和被动双侧交替屈伸训练，有利于加快下肢功能障碍患者的康复。

Description

智能化被动态下肢功能测试训练方法

技术领域

本发明涉及一种平衡功能障碍患者的平衡功能测试及训练方法，尤其涉及一种智能化被动态下肢功能测试训练方法。

背景技术

据统计，我国脑血管病、帕金森病、颅脑外伤、脊髓损伤年发病率在逐年增加。这些疾病和损伤会造成患者的平衡功能、下肢功能障碍，乃至残疾。以目前存活的320～400万脑血管病重残患者为例，平衡功能、下肢功能障碍是主要致残因素。多个循证医学证据表明，平衡功能及下肢功能的训练是改善功能障碍的重要方式。

平衡功能及下肢功能障碍患者的康复多数都要经过从被动运动训练到主动运动训练的过程，目前进行被动态下肢平衡功能训练的疾病有卒中、脑外伤、帕金森病、脊髓损伤等；也用于有昏迷、植物状态和微弱意识状态的意识障碍的疾病。因此，进行相应被动态下肢平衡功能训练及测试意义重大。

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。针对缺乏独立站立行走能力的患者，尤其对于无法自主动作的患者来说，康复过程多数都要经过长期被动运动训练。对人体进行被动的双腿屈伸与交替屈伸训练是改善下肢功能的重要方式，同时还可以进行运动训练结果的功能评定，因此该方法对需要被动态下进行下肢功能的训练和评估病人的康复治疗具有重要意义。

被动的双腿屈伸与交替屈伸动作以往都是由训练师进行手动操作，不但费时，费力，治疗成本高，而且无法对被动态下肢平衡功能进行科学评估，有很大的局限性。

有些产品有被动的双腿屈伸与交替屈伸基础评定功能，但没有减重功能，如BIODEX的产品。有的产品有减重功能，但采用下肢康复训练方式的是用悬吊设备进行减重训练，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。

同时目前的功能训练产品还缺乏形象、直观的视觉反馈效果，这样患者和仪器就不能进行互动，而患者不能判断通过一段时间的康复训练效果，激发不了病人的兴趣，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，提供一种在减重状态下进行的智能化被动态下肢功能测试训练方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种智能化被动态下肢功能测试训练方法，通过一套智能化被动态下肢平衡功能测试训练系统进行，该智能化被动态下肢平衡功能测试训练系统包括训练床、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，床板安装在床架上，在床架的前端连接有左下肢支架和右下肢支架，左下肢支架和右下肢支架分别包括一个脚踏板，脚踏板周围分别设有足底压力传感装置，在床架与床座之间设有床板角度调节机构；主控计算机内设有被动态下肢功能测试评估模块和被动态下肢功能训练模块。

双侧同步屈伸与交替屈伸的训练由电动机驱动脚踏板来实现，被动运动过程的减重通过自动控制床板的倾斜来支撑患者，通过患者斜躺来减重。这种设计有利于提高训练的效率，减轻护理人员的劳动强度。智能化被动态下肢功能评估结果通过患者用显示装置动态实时提供形象、直观的视觉反馈图像，激发病人训练的兴趣。

所述的智能化被动态下肢功能测试训练方法包括以下步骤：

a、让患者倾斜躺在训练床上，并让其左右脚分别踩在左右脚踏板上；

b、根据患者的实际情况确定所需的减重角度，并通过调节训练床的倾斜角度以实现该减重重量；

c、让计算机进入被动态下肢功能测试评估模块，让患者进行10秒钟的被动双侧同步屈伸初始预测试，以适应这种测试方式；

d、系统启动左右脚踏板作同步上下运动，让患者做被动双侧同步屈伸运动进行测试，以得到各项动态姿势图参数的测试评估结果，所述动态姿势图参数包括额状面摆动频率、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、额状面侧方摆速、平均重心、重心移动轨迹总长度和重心移动轨迹总面积；

e、计算机进入被动态下肢功能训练模块，根据测试评估结果，选择合适的训练时间、训练速度和减重角度，系统启动左右脚踏板作同步上下运动，让患者做被动双侧同步屈伸运动进行训练，训练成绩以重心落在离正常重心投影零位±5％、±5％～±10％、±10％～±20％和±20％～±30％区域内的时间比和良好重心百分比表示；

f、计算机进入被动态下肢功能训练模块，根据测试评估结果，选择合适的训练时间、训练速度和减重角度，系统启动左右脚踏板作交替上下运动，让患者做被动双侧交替屈伸运动进行训练，训练成绩以重心落在离正常重心投影零位±5％、±5％～±10％、±10％～±20％和±20％～±30％区域内的时间比和良好重心百分比表示。

在被动态下肢功能测试训练过程中，患者运动过程中的重心投影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。重心投影指的是人体重心在两个脚踏板范围内的投影，又由于人体处于被动态平衡运动过程中侧向力很小，因此人体重心投影位置可以表示为：

$G=\frac{F1-F2}{F1+F2}\×\mathrm{Lcm}$

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。

在被动双侧同步屈伸运动测试过程中要评估额状面摆动频率，额状面摆动频率反映了在一定时间内，重心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，重心投影控制越不稳，如帕金森病。

额状面摆动频率的定义为病人重心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。

在被动双侧同步屈伸运动测试过程中要评估平均重心，平均重心反映了被动态平衡运动过程中，重心投影平衡情况，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。

在被动双侧同步屈伸运动测试过程中要评估额状面最大摆幅，额状面最大摆幅反映患者重心投影偏移程度的最大值。临床资料表明，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。相关疾病如截肢患者者，偏瘫患者者。

额状面最大摆幅的定义为病人重心投影偏移正常重心投影零位的最大距离，其计算方法为：

Smax＝Max|Si|

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

在被动双侧同步屈伸运动测试过程中要评估额状面平均摆幅，额状面平均摆幅反映患者减重状态下，动作过程中双下肢抖动的剧烈程度及快慢，临床资料表明，其值越大表明患者平衡能力越差，如锥体外系疾病患者。其计算公式为：

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

式中，Si为每次采集的重心投影偏移正常重心投影零位的长度，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。

在被动双侧同步屈伸运动测试过程中要评估重心移动轨迹总长度，重心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移动轨迹总长度，其值越大表明重心投影偏移距离总和越长，患者平衡能力越差。重心轨迹分为中心型、前后型、左右型、多中心型和弥散型，正常为多中心型，利用重心轨迹总长度参数可以协助判断重心轨迹类型，从而进一步诊断病情。重心移动轨迹总长度的计算方法为：

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

在被动双侧同步屈伸运动测试过程中要评估单位时间内额状面侧方摆速，额状面侧方摆速反映在左右方向上最大摆幅时重心投影的移动速度，其值越大，表示重心投影控制越差。如扭转痉挛患者、舞蹈病患者等。其计算公式为：

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

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，S_max为额状面最大摆幅。

本发明的智能化下肢功能测试训练方法，通过对病人进行背部支撑减重(或不减重)形式下的被动双侧同步屈伸测试评估，获取各项动态姿势图参数数据，有针对性地对病人进行被动双侧同步屈伸和被动双侧交替屈伸训练，有利于加快下肢功能障碍患者的康复。

附图说明

图1是本发明中所采用的智能化被动态下肢功能测试训练系统的结构示意图；

图2是训练系统中的训练床的俯视结构示意图；

图3是床身倾斜模块程序流程图；

图4a、4b是测试脚踏复位模块程序流程图；

图5a、5b是测试准备模块程序流程图；

图6a、6b、6c是测试开始模块程序流程图；

图7是停止测试模块程序流程图；

图8是测试结果模块程序流程图；

图9是录入测试报告模块程序流程图；

图10是同步屈伸训练脚踏复位模块程序流程图；

图11a、11b是同步屈伸训练开始模块程序流程图；

图12是同步屈伸训练停止模块程序流程图；

图13是同步屈伸查看结果模块程序流程图；

图14是同步屈伸录入报告模块程序流程图；

图15a、15b、15c是交替屈伸训练开始模块程序流程图；

图16是病人信息界面；

图17是测试评估-被动双侧同步屈伸选择界面；

图18是被动双侧同步屈伸测试界面；

图19是功能训练-被动双侧同步屈伸选择界面；

图20是被动双侧同步屈伸训练界面；

图21是功能训练-被动双侧交替屈伸选择界面；

图22是被动双侧交替屈伸训练界面。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明中所采用的智能化被动态下肢功能测试训练系统，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。

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，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，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。训练床的倾斜角度可在0-90度的范围内调节，减重角度即为训练床的倾斜角度。

配合参见图2，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装置(未图示出来)，该足底压力传感装置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内的传感装置接口电路电信号相连。在下肢伸缩机构143上设有角度传感装置(未图示出来)，角度传感装置与控制箱内的传感装置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，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，控制箱内设有传感装置接口电路、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装置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装置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。

本发明的智能化被动态下肢平衡功能测试训练方法，通过上述被动态下肢平衡功能评定训练系统进行。上述硬件实现了双侧被动同步屈伸测试功能，双侧被动同步屈伸和交替屈伸训练功能以及减重功能，同时通过硬件中传感装置组以及数据采集装置采集足底压力等相关数据，主控计算机进行数据评估计算等处理。本发明的智能化被动态下肢功能测试训练方法的具体操作步骤如下：

a、患者倾斜躺在床上紧靠床板，并让其左右脚分别踩在左右脚踏板上，使左右脚踏板处于同一水平面上。

b、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，角度越小，减重程度越大。

c、进入图16所示的病人信息界面，新建、修改或读取患者信息，如训练日期、病人编号、姓名、性别、年龄、大腿长度、小腿长度和体重，以及病人刚入院时的病征——左瘫还是右瘫等信息；注意：必须选中需要测试或训练的病人，否则测试评估及功能训练等模块将无法执行，同时，系统将会提示选中需要测试或训练的病人。

d、打开“被动双侧同步屈伸-测试评估”选择界面，如图17所示，该界面上自动显示已经选定的编号和姓名，由医生根据病人的实际情况选定所需测试时间和测试速度，测试时间分为30秒钟、60秒钟、90秒钟和自选周期；测试速度分为慢速、低速、中速和高速。在编辑框里输入减重角度，并将训练床调整到所设减重角度，软件中设定编辑框不同颜色表示内容是否可以修改。

图17是选择测试时间30秒钟，选择测试速度为中速，输入15度减重角度的设置界面，点击“进入测试”按钮，计算机自动将训练床调整到所设减重角度(训练床的倾斜角度可在0-90度的范围内调节，减重角度即为训练床的倾斜角度)，以帮助病人自动减掉人体的一部分重量，同时进入被动双侧同步屈伸测试界面。

e、被动双侧同步屈伸测试界面，如图18所示。如需对初次患者进行测试准备，点击“测试准备”按钮，让病人进行短时间初始测试准备，初始测试准备的固定时间设为15秒，此时同步屈伸动作进行2个周期。

f、如不需测试准备，就直接点击“测试开始”，该被动双侧同步屈伸界面的左半部分设有实时显示左右脚踏板的受力大小的柱形图，要求患者主动调节双下肢用力，使左右下肢压力柱状图高度一致。右上角选定参数中自动显示已经选定的测试时间、测试速度和减重角度，右半部分中部为各项动态姿势图参数显示区；右下角设有“脚踏复位”、“测试准备”、“测试开始”、“停止测试”、“测试结果”、“录入报告”和“返回”六个按钮以及测试时间滑动条，滑动条实时显示测试时间进度。

图18是被动双侧同步屈伸测试界面，每个柱形图的总高度标称值为90千克压力，并以每1千克进行了定标，它会显示每个采集的时间点上左右脚对脚踏板的压力大小，由装在脚踏板上的压力传感装置导入计算机。通过实时柱形图，病人能清楚地看到自己两只脚的用力情况。

g、“停止测试”功能按钮，当病人可能由于身体突然不适或者其他一些突发性情况时，点击“停止测试”按钮，数据可保存并显示。

h、确认病人已达到所选定的测试周期后，点击“测试结果”按钮，被动双侧同步屈伸测试界面上自动显示动态姿势图上的各参数的测试及评估结果。所述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。获得的各项参数，可让医生清楚地了解到病人的当前状况，从而为病人进一步选择合适的训练方案。

i、点击“录入报告”按钮，存储病人信息和测试结果；此时，如果进入报告模块，可以看到生成的报告，还可以以word格式打印报告。点击“返回”按钮，离开测试界面，完成对病人的测试评估。这时可以结束工作，也可直接进入功能训练。

j、被动双侧同步屈伸训练的方法是，首先进入被动双侧同步屈伸训练选择界面，根据上述测试评估结果，可以选择训练时间以及训练速度。图19是选择测试时间为60秒钟，测试速度为慢速，减重角度为15度，被动双侧同步屈伸训练选择界面。

K、被动双侧同步屈伸训练界面，如图20所示。点击“训练开始”按钮进行训练，训练界面左半部分设有实时显示重心投影轨迹的画面，画面中心为正常重心投影零位，以偏离正常重心投影零位+50％代表重心投影全部落在右脚，以偏离正常重心零位-50％代表重心全部落在左脚，用红、绿、蓝、黄四种颜色的直线分别界定偏离正常重心零位±5％、±10％、±20％和±30％的区域。要求患者主动调节左右下肢用力平衡，使其重心投影轨迹沿画面中心位置移动，通过该界面病人能清楚地看到自己的重心偏离正常重心的情况，从而进一步努力调整，达到平衡功能训练的目的。界面的右上角参数选定部分自动显示前面所选定的减重角度、训练时间和训练速度；右半部分中部为重心控制在中央区内时间比和良好重心百分比参数显示区；界面右下角设有“脚踏复位”、“训练开始”、“停止训练”、“查看结果”、“录入报告”、“返回”六个按钮和训练进度滑动条，训练进度滑动条实时显示训练时间进度。

l、训练结束后，点击“查看结果”按钮，界面上显示训练结果，该结果包括重心投影落在离正常重心投影零位±5％、±5％至±10％、±10％至±20％和±20％至±30％区域内的时间比和良好重心百分比。良好重心百分比为重心投影落在离正常重心投影零位±5％区域内的时间占全部训练时间的百分比，方便医生快速地观察训练情况。

m、点击“录入报告”按钮，保存病人的训练结果；

n、点击“返回”按钮，离开被动双侧同步屈伸训练界面，结束训练或继续进行下一轮功能训练。

o、被动双侧交替屈伸训练的方法是，首先进入被动双侧交替屈伸训练选择界面，可以选择训练时间、训练速度以及输入减重角度。图21为选择测试时间60秒钟，选择测试速度为低速，减重角度为10度的被动双侧交替屈伸训练选择界面，点击“进入训练”按钮，进入被动双侧交替屈伸训练界面。

p、被动双侧交替屈伸训练界面如图22所示。对初次患者可以进行测试准备，点击“测试准备”按钮，医生让病人进行短时间初始测试准备。

如不需测试准备，点击“训练开始”按钮进行训练，训练界面左半部分设有实时显示重心投影轨迹的画面，画面中心为正常重心投影零位，以偏离正常重心投影零位+50％代表重心投影全部落在右脚，以偏离正常重心零位-50％代表重心全部落在左脚，用红、绿、蓝、黄四种颜色的直线分别界定偏离正常重心零位±5％、±10％、±20％和±30％的区域。通过该画面，病人能清楚地看到自己的重心偏离正常重心的情况，从而进一步努力调整，达到平衡功能训练的目的。界面的右上角的参数选定框内自动显示所选定的减重角度、训练时间和训练速度，右半部分中部为重心控制在中央区内时间比和良好重心百分比参数显示区；界面右下角设有“脚踏复位”、“训练开始”、“停止训练”、“查看结果”、“录入报告”、“返回”六个按钮和训练进度滑动条，训练进度滑动条实时显示训练时间进度。

q、训练结束后，点击“查看结果”按钮，界面上显示训练结果，该结果包括重心投影落在离正常重心投影零位±5％、±5％至±10％、±10％至±20％和±20％至±30％区域内的时间比和良好重心百分比。

r、点击“录入报告”按钮，保存病人的训练结果；

s、点击“返回”按钮，离开被动双侧交替屈伸训练界面，结束训练或继续进行下一轮功能训练。

本发明中的智能化被动态下肢功能测试训练系统软件实现流程如下：

首先读取患者的基本信息，主要包括：病人编号、姓名、性别、年龄、大腿长度、小腿长度、体重、患侧等。然后由医生根据患者的康复情况设置评估训练周期和减重角度，由系统软件自动进行硬件测试，主要测试下肢压力传感装置是否正常工作，如不能正常工作则给出相应的提示并且退出系统。硬件测试结束后，软件就可以依次执行各程序模块，完成被动态下肢平衡功能测试训练。所设计的各程序模块为：“床身倾斜模块”(程序流程图3)、“测试脚踏复位模块”(程序流程图见图4a和图4b)、“测试准备模块”(程序流程图见图5a和图5b)、“测试开始模块”(程序流程图见图6a、图6b和图6c)、“停止测试模块”(程序流程图见图7)、“测试结果模块”(程序流程图见图8)、“录入报告模块”(程序流程图见图9)、“同步屈伸训练脚踏复位模块”(程序流程图见图10)、“同步屈伸训练开始模块”(程序流程图见图11a和图11b)、“同步屈伸停止训练模块”(程序流程图见图12)、“同步屈伸查看结果模块”(程序流程图见图13)、“同步屈伸录入报告模块”(程序流程图见图14)、“交替屈伸训练开始模块”(程序流程图见图15a、图15b和图15c)。下面将详细介绍各程序模块的实现。

床身倾斜模块程序流程图如图3所示。本系统采用一个运动控制装置，控制装置的其中一轴(Z轴)对应控制床身倾斜的电机，床身的升降是通过电机的正反转实现向上运动和向下运动。点击“进入测试”或“进入训练”按钮，就进入床身倾斜程序流程，打开运动控制装置，设置电机旋动速度。医生根据病人的实际情况输入减重角度。判断当前床身角度与输入角度是否一致：如果医生输入的减重角度大于当前床身角度，计算床身需要上升的角度，把该角度转换为相应的脉冲数，控制装置发出脉冲，电机向上运动一定脉冲数对应的距离，床身上升一定角度；若等于当前床身角度，电机不转，床身不动；小于当前床身角度，计算床身需要下降的角度，控制装置发出脉冲，电机向下运动一定脉冲数对应的距离，床身下降一定角度。检查运动控制装置中轴的状态，若忙，表示电机还没旋转到位，继续检查；若闲，说明电机已经旋转完毕，停止电机的运动，关闭运动控制装置。

测试脚踏复位模块的程序流程图如附图4a所示。测试时，首先点击“脚踏复位”按钮，使踏板复位。此时，“录入报告”和“测试结果”按钮均为无效状态，而踏板复位后，“测试准备”、“测试开始”、“停止测试”和“返回”按钮被激活，处于可操作状态。在进行运动控制时，首先打开运动控制装置，然后设置电机的运动速度。进行运动控制装置轴进行参数设置(设置左下肢运动轴为控制装置X轴，右下肢运动轴为Y轴，以下相同)。如设置成功，则按图4b设置外部停止标志为真，并设定两轴向上运动的路程。踏板运动时如果外部停止标志改变，就退出程序；如果仍为真值，则继续检测两轴的状态，直到其值改变即退出程序。当两轴向上运动到所设定的路程后，再向下运动到限位开关位置，此时仍将外部停止标志设为真，检测两轴的状态，直到其运动停止。为减少电机短距离运动的发热量，等待0.6秒后，再使两轴向上运动到所设定的位置，至此就完成了脚踏的复位动作。

测试准备模块的程序流程图如附图5a所示。测试时，首先点击“测试准备”按钮，进入测试准备。此时，“录入报告”、“测试结果”、“停止测试”、“测试准备”和“脚踏复位”按钮均为无效状态，而“测试开始”和“返回”按钮被激活，处于可操作状态。在进行运动控制时，首先打开运动控制装置，然后设置电机的运动速度，速度分为慢速、低速、中速和高速四档可选。设置两轴的参数，如设置不成功，则关闭运动控制装置，返回；如设置成功则需要设外部停止标志为真。运动过程中，如果外部停止标志值改变，则表示点击了停止测试按钮，则两轴运动停止。在启动运动前，还需要设定电机的运动周期和单向运动的路程。图5b为调用周期控制同步运动线程。此时，需要设置文件保存标志为假，代表不可以保存数据文件，反之则可以保存数据文件。另外，还需要打开数据采集装置，并设置采样范围，配置2个采样通道，分别对应左、右下肢压力传感装置组。采样通道0为左下肢压力传感装置数据，采样通道1为右下肢压力传感装置数据，然后设置采样数据保存地址。采集过程中，读取2个采样通道数据。将左、右下肢压力传感装置数据经过计算并在屏幕上分别以左、右两个柱状图实时显示。每次采样间隔为50ms，采样后查询采集时间，直至采集时间到15秒，则退出循环停止采样。在进行数据采集的同时进行脚踏的同步运动，调用周期控制同步运动线程控制电机运动，判断运动周期是否到，若未到，两轴同时向上运动所设定的路程，反之，则停止两轴运动，关闭运动控制装置。在运动同时，还需要判断外部停止标志是否为真，直至标志值为假即退出线程。同样，两轴同时向下运动所设定的路程，则运动周期数加1，同时判断运动周期是否到设定值，直到设定的运动周期，即退出测试准备函数。

测试开始模块程序流程图如附图6a所示。测试时，首先点击“测试开始”按钮，“录入报告”、“测试结果”“测试准备”、“测试开始”和“脚踏复位”按钮为无效状态。而“返回”和“停止测试”按钮被激活，可以操作。测试时间和数据采样周期由医生设定。根据当前时间，生成以当前时间命名的数据文件(以确保文件名不重复)。判断病人文件目录是否存在，不存在则创建病人文件目录；存在就直接到病人文件目录，生成扩展名为.dat的文件，形成病人数据文件名称并置文件保存标志为真。医生设定测试评估时间，根据采样总数据，申请缓存区，判断缓存区是否申请成功，不成功就返回，并提示设备有问题；成功，设定实际采样数据计数变量，并进行变量初始化。传递病人数据文件名给采集装置类库，打开数据采集装置，设置电压采样范围，配置2个采样通道，分别对应左、右下肢压力传感装置组，设置采样数据保存地址，以写方式打开病人数据.dat文件。打开运动控制装置，设置电机的运动速度，速度分为慢速、低速、中速和高速。设置两个运动轴参数，参数设置成功，外部停止标志设为真。设置电机的运动时间，运动时间即为医生设定的测试时间。设定运动轴两轴单向运动的行程。图6c为调用时间控制同步运动行程。初始化滚动条。记录静态测试开始时间点，设定采样时钟。读取所有采样通道数据，分离采样通道数据，0通道对应左下肢压力传感装置数据，1通道对应右下肢压力传感装置数据；实时累加采样数据；将左、右下肢压力传感装置组数据计算后在屏幕上分别以左、右两个柱状图实时显示；再次记录当前时间点；判断测试评估时间是否到，测试时间未到，实时更新滚动条，继续读采样通道数据；测试时间到，关闭采样时钟。传送实际数据总量和缓存区指针，计算测试时间，关闭数据采集装置；将采集的数据写入病人数据文件，将文件保存在硬盘上，关闭文件。释放缓存区，实际采样数据个数变量清零，记录静态测试开始时间点变量清零，回到初始状态。在进行数据采集及存储的同时进行着同步运动。调用时间控制同步运动线程控制电机运动，记录当前时间点并赋给变量A，再次记录当前时间点赋给变量B，根据变量A、B计算已运动的时间。判断运动时间是否到，到则调用图6b停止两轴运动，关闭运动控制装置；运动时间未到，两轴同时向上运动所设定的路程。判断外部停止标志是否为真，为假退出线程；为真，检测两轴的状态，两轴运动未完判断外部停止标志是否为真，为假退出线程，为真则继续检测两轴的状态；两轴运动完则两轴同时向下运动所设定的路程。判断外部停止标志是否为真，为假退出线程；为真，检测两轴的状态，两轴运动未完判断外部停止标志是否为真，为假退出线程，为真则继续检测两轴的状态；两轴运动完则记录当前时间并附给变量B。继续计算运动时间，判断运动时间是否到。继续循环，直到运动时间到或者外部停止标志为假为止。

停止测试模块的程序流程图如附图7所示。一般来讲，运动过程中不允许中途停止测试，但如果发生了特殊情况，如病人感觉不舒服等可以点击“停止测试”按钮停止测试。此时，电机属于非正常停止，即不一定停在脚踏复位位置，测试时间到后电机停在脚踏复位位置。点击“停止测试”按钮，“录入报告”和“停止测试”按钮为无效状态，“测试结果”、“测试准备”、“测试开始”、“脚踏复位”和“返回”按钮被激活，可以进行操作。关闭采样时钟。传递实际数据总量和缓存区指针。关闭数据采集装置，将采集的数据写入病人数据文件，将文件保存在硬盘上，关闭文件。释放缓存区，实际采样数据个数变量清零，保存标志置为假，记录开始时间点变量清零。停止运动轴两轴的运动，关闭运动控制装置。外部停止标志置为假。

测试结果模块程序流程图如附图8所示。首先，点击“测试结果”按钮，查看结果。此时，“停止测试”和“测试结果”按钮为无效状态，而“测试开始”、“录入报告”、“返回”、“脚踏复位”和“测试准备”按钮可以被操作。然后，判断病人数据文件名是否存在，不存在就返回，表明不能给出测试结果，存在，就以只读方式打开该文件，获取文件长度，计算数据个数，建立一个以文件数据个数为长度的缓存区用于记录数据，建立一个以文件数据个数的一半为长度的缓存区用于记录重心分力投影位置，使用循环方法将文件的数据写入文件数据缓存区，按照保存顺序循环读取两个通道数据，把两个通道的数据代入重心分力投影算法计算重心分力投影位置，并将重心分力投影值放入重心数据缓存区，直到读完文件，关闭文件。然后调用数据处理动态链接库中的平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅和重心轨迹总长度的相应算法，根据重心数据缓存区重心值组计算四个动态姿势图参数，再调用数据处理动态链接库中的单位时间内额状面侧方摆速、运动时单位时间内重心移动轨迹总面积和额状面摆动频率的计算算法，结合采样速率计算运动时间，根据重心数据缓存区重心值组计算三个动态姿势图参数，根据经验数据表值给出上述七个参数的评估结果。显示七个动态姿势图参数的计算结果及评估结果，释放所有缓存区。

录入测试报告模块程序流程图如附图9所示。首先，点击“录入报告”按钮，进行操作。此时，“停止测试”、“测试结果”、“录入报告”按钮为无效状态，而“测试开始”、“脚踏复位”、“测试准备”、和“返回”按钮可以被操作。判断报告文件名是否存在，如不存在，就重新生成报告文件名并保存报告文件名，添加病人姓名和编号到报告内容开始位置，再准备报告内容；如存在，就直接准备报告内容。报告内容包括七个动态姿势图参数：平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、重心轨迹总长度、额状面侧方摆速、运动时单位时间内重心移动轨迹总面积和额状面摆动频率和评估结果。然后，再次判断报告文件是否存在，如不存在，就创建报告文件，写入病人姓名和编号及上述准备报告内容；如存在，以只写方式打开文件，文件指针移到末尾，添加上述准备的报告内容，然后关闭报告文件；录入报模块结束返回。上述程序实现了将患者当天多次评估结果保存在同一文件中的功能，该文件可以使用Word等多种软件进行查看。

同步屈伸训练脚踏复位模块程序流程图如附图10所示。被动双侧同步屈伸训练与被动双侧同步屈伸测试的脚踏复位程序流程基本一致，不同之处在于：点击“脚踏复位”按钮，“录入报告”和“查看结果”按钮为无效状态，而“训练开始”、“停止训练”、“返回”和“脚踏复位”按钮可以操作。

同步屈伸训练开始模块程序流程图如附图11a所示。被动双侧同步屈伸训练开始程序流程与被动双侧同步屈伸测试开始程序流程基本一致，主要作用是数据采集并存储及运动控制，不同之处在于数据处理及显示部分：根据左、右下肢压力传感装置组数据计算左、右下肢压力差值并在屏幕上实时显示该值。统计左、右下肢压力差值落在在中央区各个区域的点数。使用不同颜色的直线把屏幕分成±5％、±10％、±20％和±30％几个区间，压力差值零位在屏幕中央位置，压力差值为负表明左下肢压力大于右下肢压力，反之亦然。良好重心百分比是指左、右下肢压力差值在中央区±5％内的比值。训练结束调用程序模块如图11b所示，停止时钟并将采集的数据写入文件。

同步屈伸停止训练模块程序流程图如附图12所示。停止训练程序流程与被动双侧同步屈伸测试的停止训练基本一致。区别在于：训练开始后，点击“停止训练”按钮，“录入报告”和“停止训练”按钮处于无效状态，而“查看结果”、“训练开始”、“脚踏复位”和“返回”按钮可以被操作。

同步屈伸查看结果模块程序流程图如附图13所示。患者训练结束后，可以点击“查看结果”按钮，看到自己的训练成绩，即左、右下肢压力差值在中央区各段的分布百分比。点击“查看结果”按钮，“停止训练”和“查看结果”按钮为无效状态，而“录入报告”、“训练开始”和“返回”按钮可以进行操作。计算左、右下肢压力差值落在中央区±5％内的点；计算左、右下肢压力差值落在中央区±5％至±10％内的点；计算左、右下肢压力差值落在中央区±10％至±20％内的点；计算左、右下肢压力差值落在中央区±20％至±30％内的点；计算左、右下肢压力差值在中央区±5％内的百分比；计算左、右下肢压力差值在中央区±5％至±10％内的百分比；计算左、右下肢压力差值在中央区±10％至±20％内的百分比；计算左、右下肢压力差值在中央区±20％至±30％内的百分比；并显示各个百分比值。

同步屈伸录入报告模块程序流程图如附图14所示。录入报告程序流程与被动双侧同步屈伸测试的录入报告程序流程基本一致，不同之处在于报告的内容不同。报告内容为：左、右下肢压力差值在中央区±5％内、±5％至±10％内、±10％至±20％内和±20％至±30％内的百分比。

交替屈伸训练开始模块程序流程图如附图15a所示。其与被动双侧同步屈伸测试数据采集并存储及运动程序流程基本一致，不同之处在于：调用时间控制交替运动线程。图15b为时间控制交替运动线程：左下肢轴向上运动至所设定的路程。判断外部停止标示，为假退出线程；为真，检测两轴的状态，两轴运动未完判断外部停止标志是否为真，为假退出线程，为真则继续检测两轴的状态；两轴运动完则再次判断外部停止标示是否为假，为假退出线程；为真，记录当前时间点并赋给变量A，再次记录当前时间点赋给变量B，根据变量A、B计算已运动的时间。判断运动时间是否到，若运动时间未到，右下肢轴向上运动所设定的路程，左下肢轴同时向下运动所设定的路程。判断外部停止标志是否为真，为假退出线程；为真，检测两轴的状态，两轴运动未完判断外部停止标志是否为真，为假退出线程，为真则继续检测两轴的状态；两轴运动完则左下肢轴向上运动所设定的路程，右下肢轴同时向下运动所设定的路程。调用等待模块(如图15c所示)，判断外部停止标志是否为真，为假退出线程；为真，检测两轴的状态，两轴运动未完判断外部停止标志是否为真，为假退出线程，为真则继续检测两轴的状态；两轴运动完则记录当前时间并附给变量B。继续计算运动时间，判断运动时间是否到。若时间到，则左下肢轴向下运动所设定的路程。判断外部停止标示，为假退出线程；若为真，则检测两轴的状态，两轴运动未完判断外部停止标志是否为真，为假退出线程，为真则继续检测两轴的状态；两轴运动完则停止两轴运动，关闭运动控制装置。至此，时间控制交替运动线程运行完毕。

交替屈伸训练脚踏复位、停止测试、查看结果、录入报告模块程序流程图与同步屈伸脚踏复位、停止测试、查看结果、录入报告模块程序流程图完全一样。

上述测试评估和功能训练中所涉及的各项参数由计算机自动按照所设定的测试时间开设缓冲区，每隔一定时间刷新一次，缓冲空间最大可以存放一定采集时间的数据。当测试结束时，数据以文件格式自动保存在硬盘上，以便其他模块计算和调用，再利用预先放置在程序中的公式，由计算机后台运行得出各种动态姿势图参数。程序中的公式均通过动态链接库编程实现，便于今后升级和内容扩充。

Claims (8)

1.一种智能化被动态下肢功能测试训练方法，通过一套智能化被动态下肢功能测试训练系统进行，该系统包括训练床、控制箱、主控计算机、主显示屏和患者用显示装置；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，床板安装在床架上，在床架的前端连接有左下肢支架和右下肢支架，左下肢支架和右下肢支架分别包括一个脚踏板，脚踏板周围分别设有足底压力传感装置，在床架与床座之间设有床板角度调节机构；

其特征在于：所述的主控计算机内设有被动态下肢功能测试评估模块和被动态下肢功能训练模块；所述的智能化被动态下肢功能测试训练方法包括以下步骤：

a、让患者倾斜躺在训练床上，并让其左右脚分别踩在左右脚踏板上，使左右脚踏板处于同一水平面上；

b、根据患者的实际情况确定所需的减重角度，并通过调节训练床的倾斜角度以实现该减重重量；

c、让计算机进入被动态下肢功能测试评估模块，让患者进行10秒钟的被动双侧同步屈伸初始预测试，以适应这种测试方式；

d、系统启动左右脚踏板作同步上下运动，让患者做被动双侧同步屈伸运动进行测试，以得到各项动态姿势图参数的测试评估结果，所述动态姿势图参数包括额状面摆动频率、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、额状面侧方摆速、平均重心和重心移动轨迹总长度；

e、让计算机进入被动态下肢功能训练模块，根据测试评估结果，选择合适的训练时间、训练速度和减重角度，系统启动左右脚踏板作同步上下运动，让患者做被动双侧同步屈伸运动进行训练，训练成绩以重心落在离正常重心投影零位±5％、±5％～±10％、±10％～±20％和±20％～±30％区域内的时间比和良好重心百分比表示；

f、计算机进入被动态下肢功能训练模块，根据测试评估结果，选择合适的训练时间、训练速度和减重角度，系统启动左右脚踏板作交替上下运动，让患者做被动双侧交替屈伸运动进行训练，训练成绩以重心落在离正常重心投影零位±5％、±5％～±10％、±10％～±20％和±20％～±30％区域内的时间比和良好重心百分比表示。

2.如权利要求1所述的下蹲站起平衡功能评定训练方法，其特征在于：所述的测试评估模块包括床身倾斜模块、测试脚踏复位模块、测试开始模块、测试准备模块、停止测试模块、测试结果模块和录入测试报告模块；所述的功能训练模块包括床身倾斜模块、同步屈伸训练脚踏复位模块、同步屈伸训练开始模块、同步屈伸训练停止模块、同步屈伸查看结果模块、同步屈伸录入报告模块和交替屈伸训练开始模块。

3.如权利要求1所述的智能化被动态下肢功能测试训练方法，其特征在于：所述的各项动态姿势图参数的测试评估以患者在被动双侧同步屈伸测试过程中的重心投影的变化为基础进行评估，所述的重心投影指的是人体重心在脚踏板范围内的投影，由下面的公式确定：

$G=\frac{F1-F2}{F1+F2}\×\mathrm{Lcm}$

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。

4.如权利要求1所述的智能化被动态下肢功能测试训练方法，其特征在于：所述的额状面摆动频率反映了在一定时间内，重心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，重心控制越不稳，如帕金森病患者；

额状面摆动频率的定义为患者重心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；

所述的额状面最大摆幅反映患者双下肢在左右方向上用力偏移程度的最大差值，该差值与身体对称性有关，差值越大表明对称性越差，稳定性越弱；如截肢患者，偏瘫患者；

额状面最大摆幅的定义为患者重心投影偏移正常重心投影零位的最大距离，其计算方法为：

Smax＝Max|Si|

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

所述的额状面平均摆幅反映患者减重状态下，动作过程中双下肢在左右方向上抖动的剧烈程度及快慢，其值越大表明患者平衡能力越差，如锥体外系疾病患者；其计算方法为：

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

式中，Si为每次采集的重心投影偏移正常重心投影零位的长度，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；

所述的额状面侧方摆速反映在左右方向上最大摆幅时重心投影的移动速度，其值越大，表示重心控制越差，如扭转痉挛患者和舞蹈病患者；额状面侧方摆速的计算公式为：

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

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。

5.如权利要求1所述的智能化被动态下肢功能测试训练方法，其特征在于：所述的重心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。重心轨迹分为中心型、前后型、左右型、多中心型和弥散型，正常为多中心型，利用重心轨迹总长度参数可以协助判断重心轨迹类型，从而进一步诊断病情，重心移动轨迹总长度的计算方法为：

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

6.如权利要求1所述的智能化被动态下肢功能测试训练方法，其特征在于：所述的平均重心反映了在被动双侧同步屈伸运动过程中，双下肢用力的平衡情况，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，表明左下肢较右下肢更有力；平均重心投影值越大，身体对称性越差，如卒中偏瘫患者；平均重心的定义为患者重心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。

7.如权利要求1所述的智能化被动态下肢功能测试训练方法，其特征在于：所述的重心落在离正常重心投影零位±5％、±5％～±10％、±10％～±20％或±20％～±30％区域内的时间比由以下公式算出：

${\mathrm{\η}}_3=\frac{n_3}{N}\×100\%$

式中，n3为重心在离正常重心投影零位±5％、±5％～±10％、±10％～±20％或±20％～±30％区域内摆动的次数，N为选择的测试时间内采集的点数。

8.如权利要求1所述的智能化被动态下肢功能测试训练方法，其特征在于：所述的良好重心百分比为重心落在离正常重心投影零位±5％区域内的时间占全部训练时间的百分比。

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