CN102144913A

CN102144913A - 人体平衡检测康复仪

Info

Publication number: CN102144913A
Application number: CN2010101112059A
Authority: CN
Inventors: 孔维佳; 张佳华; 陈华茂; 刘波; 李国治; 周任红
Original assignee: Union Hospital Tongji Medical College Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Union Hospital Tongji Medical College Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-10

Abstract

本发明提供一种用于前庭功能检查和康复的系统装置，该系统装置由计算机、可控气囊压力平台、微气泵及控制器组、三维立体眼镜显示器组成。通过运用可控气囊平台技术和三维立体眼镜显示器技术，最大程度地干扰掉本体感觉和视觉，以测量分离出的前庭觉在维持人体姿势平衡功能中的定量关系，本发明提供了一项评估分析前庭功能的新手段，在临床上可用于各种眩晕疾病的鉴别诊断和康复治疗，也适用于运动医学和航天医学的训练，其造价低廉，易于推广应用。

Description

人体平衡检测康复仪

技术领域

本发明属于医用装置，涉及用于前庭功能检查和康复训练的平衡功能检测康复装置，具体涉及在临床上用于平衡功能训练、眩晕疾病鉴别诊断和康复治疗的人体平衡检测康复仪。

背景技术

通过姿势稳定性来判定平衡功能的检查方法自Romberg试验(1853年)创立以来，一直在不断发展之中，随着计算机技术的发展，自20世纪70年代以来，姿势稳定性的描记技术已有长足进步，目前国内外姿势图仪一般都采用压力传感器测量人体在平板上的压力中心或重心的移动轨迹，根据承载人体的平板的特性可分为静态姿势图仪(static posturography SP)和动态姿势图仪(computerized dynamic posturography，CDP)。静态姿势图仪主要是对静态站立时的躯体摆动(body sway)进行轨迹、摆幅、摆速及功率谱分析，以测试前庭脊髓反射，并以此了解平衡功能。计算机动态姿势图仪综合测试前庭觉、视觉、躯体感觉的不同组织形式对姿势控制的影响及自主姿势反应和运动协调能力，它可对视觉、前庭觉和躯体本体感觉之间的相互协调对姿势控制的影响进行了定量化研究，是姿势平衡定量测量方法的一大进步。

静态姿势图能部分客观定性地评价人体平衡功能。由于其操作简便、省时等特点，在神经系统疾患、假肢和前庭功能障碍等平衡功能的测试和训练中也常常用到。然而，静态姿势图不能将影响平衡功能的前庭觉、视觉和本体觉3个感觉系统分离进行研究，因此其临床应用价值很有局限性。与静态姿势图相比，动态姿势图可以对影响平衡功能的3个感觉系统分别进行研究，其临床应用价值得到更多肯定。CDP不仅可以准确、客观地评定患者的平衡功能状态，而且对于指导拟定康复计划和治疗措施以及评价康复和治疗效果都具有重要作用。

由于人体姿势平衡的维持依赖于前庭觉、视觉和本体觉等传入感觉信息，而人们至今还没有直接检查前庭感觉的手段和方法，如果特定地干扰或去除本体觉和视觉等传入感觉信息，那么维持人体姿势平衡的主要因素就只有前庭觉，从而根据这种状况下的人体姿势平衡能力来间接判定前庭觉的功能。计算机动态姿势图仪正是基于这一人体医学工程理论而设计的。

在本体觉干扰方面，传统的最简单的干扰本体感觉方式是让受试者站立在特定的海绵垫上。由于站立于海绵垫上可改变了足底皮肤机械感受器以及关节感受器的信息输入，导致中枢神经系统接受的本体信息不充分，影响肌肉活动和反应，从而引起姿势稳定性降低。这种简单的干扰本体感觉的手段，由于海绵的力学特性受人体体重的影响较大且不稳定，具有不可控性，无法把比较分析不同个体、不同时间的测量结果。计算机动态姿势图仪采用多个直流伺服电机控制平台的运动来干扰本体感觉。它的基本原理是：人体站立在平台支撑面，根据固定设计的程序，让平台加速或减速运动，或让平台做前俯后仰的翻转运动。由于平台的瞬间运动，干扰了站立在支撑面上人体的本体感觉。再通过支撑面压力传感器来检测出压力的大小以及压力中心的运动轨迹，运用特定的算法拟合出人体重心的变化的轨迹，从而判断出人体的姿势平衡能力。在视觉干扰方面，最简单和使用的方式采用闭眼消除视觉。现代的计算机动态姿势图仪除了在检测模式中采用闭眼消除视觉模式外，还采用晃动平台前的视穹来干扰视觉，使人产生冲突的视错觉。国内的平衡检测和训练仪也取得一定的发展，如专利(CN2358836、CN101194829、CN200977370、CN1275921、CN2424741)各自提出了方法和装置来检测训练平衡功能。

然而，目前国内的平衡检测和训练仪，在检测上未能分离平衡三联感觉，在康复中难以控制康复的分级和程度，存在很大局限性。国外的计算机动态姿势图仪结构复杂，价格昂贵，高达十几万美金，难以普及应用。

发明内容

本发明的任务是提供一种人体平衡检测康复仪，以克服目前国内外计算机动态姿势平衡仪的不足。

本发明专利提供一种更实用的检测平衡功能的技术方案及装置，能应用于临床上前庭功能检查和前庭功能康复，而且也能在运动医学和航天医学训练中推广应用。

实现本发明的技术方案是：

本发明提供的这种人体平衡检测康复仪由计算机、可控气囊压力平台、微气泵及控制器组、三维(3D)立体眼镜显示器组成。

受试者站在可控气囊压力平台上，压力平台自动检测出人体重量，根据体重调节五个气囊压力，实现压力平台的前俯后仰和左右翻转一定角度的运动，从而干扰人体本体感觉。视觉消除模式采用闭眼，视觉干扰由三维立体眼镜显示器产生三维虚拟场景干扰视觉，造成冲突的视错觉。姿势轨迹由压力平台上的四个压力传感器测出人体对平板的压力，再根据人体的身高算出重心移动轨迹。

所述可控气囊压力平台由四个压力传感器、支撑平板、固定板、五个球形气囊和支撑球囊的圆柱筒巢组成。最上层支撑平板由两块组成，两块平板中间由一固定插销连接，支撑平板下方四角各有一个压力传感器，压力传感器安装在固定板，固定板安装放在在五个球形气囊上，每个球形气囊放在各自的保护圆柱筒内。五个球形气囊由一个大气囊和四个小气囊组成，大气囊放在平台中心，四个小气囊放在平台四周。

所述微气泵及控制器组，由五台微气泵和控制器组成，控制器包括五路分气阀、控制阀和控制模块。

所述3D立体眼镜显示器，它采用微型LCOS(中晶硅基液晶)透射型高解晰液晶，高清晰，无辐射，具有超大视觉屏幕效果，三维虚拟场景设置在SD卡内，根据需要自动播放。

所述计算机为整个系统采集压力信号，提供算法运算和气囊压力控制等，计算分析出重心移动轨迹。

本发明专利的有益效果是，本发明专利的人体平衡诊断康复仪，通过运用可控气囊刚柔性平台技术和3D立体眼镜显示器技术，最大程度地干扰人体维持姿势平衡的所依赖的本体感觉和视觉，测量分离出的前庭觉在维持人体姿势平衡中的定量关系，是一项评估分析前庭功能的有效的新手段，在临床上可用于各种眩晕疾病鉴别诊断和康复治疗等方面，且造价低廉，易于推广应用。

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例的平衡检测康复仪的外部整体及使用状态示意图，图1中：

1-----为本发明的平衡检测康复仪的可控气囊压力平台；

2-----为微型气泵及控制器；

3-----为3D立体眼镜显示器；

4-----为计算机；

5-----为充气管；

6和7-----为与计算机相连的信号线。

图2是本发明平衡检测康复仪的原理图，图2显示了本发明该平衡检测康复仪的原理和流程：受试者站在可控气囊平台上，平台自动检测出人体体重，并通过微气泵及控制器组自动控制气囊压力。可控气囊平台起到测量人体对平台压力和干扰人体本体感觉的作用，并检测的信号传到计算机上。受试者通过戴上3D立体眼镜显示器，产生三维场景干扰视觉，造成冲突的视错觉。

图3是本发明实施例的可控气囊平台的立体分解图，图3中：

1-----小球形气囊

2-----小圆柱筒形巢

3-----大球形气囊

4-----大圆柱筒形巢

5-----圆柱筒巢上充气管孔

6-----压力传感器

7-----？？？

8-----脚踏支撑平板

9-----固定板

10----固定插销

大球形气囊3，位于大圆柱筒形巢4内，它正好安在平台正中心；小球形气囊1有四个，小球形气囊1分别至于平台四周，每个球囊分别放在各自的小圆柱筒形巢2内，球囊未充气时，平台固定套在小圆柱筒巢2上，平台为刚性压力平台；五个球囊充气时，平台支撑在球面上。每个球囊通过管道与控制器和微气泵相连，并受计算机控制，此时平台为柔性压力平台；图中5为圆柱筒形巢上的充气管孔。

平台内有四个压力传感器6，安装固定板9之上，脚踏支撑平板8位于四个压力传感器6上，压力传感器的压力信号通过导线7传到计算机上。脚踏支撑平板的两块中间由一固定插销10连接。

图4是本发明实施例的指令参数设定流程图；

图5是本发明实施例的采样数据上报流程图。

具体实施方式

实施例

图1是本发明实施例的平衡检测康复仪的外部整体及使用状态示意图；图2是本发明实施例的平衡检测康复仪的原理图；图3是本发明实施例的可控气囊平台的立体分解图；图4是本发明实施例的指令参数设定流程图；图5是本发明实施例的采样数据上报流程图。

在图1中，1为本发明的平衡检测康复仪的可控气囊压力平台；2为微型气泵及控制器；3为3D立体眼镜显示器；4为计算机；5为充气管；6和7为与计算机相连的信号线。

图2显示了本发明该平衡检测康复仪的原理和流程：受试者站在可控气囊平台上，平台自动检测出人体体重，并通过微气泵及控制器组自动控制气囊压力。可控气囊平台起到测量人体对平台压力和干扰人体本体感觉的作用，并检测的信号传到计算机上。受试者通过戴上3D立体眼镜显示器，产生三维场景干扰视觉，造成冲突的视错觉。

在图3中，大球形气囊3，位于大圆柱筒形巢4内，它正好安在平台正中心；小球形气囊1有四个，小球形气囊分别至于平台四周，每个球囊分别放在各自的圆柱筒形巢2内。球囊未充气时，平台固定套在圆柱筒巢2上，平台为刚性压力平台；五个球囊充气时，平台支撑在球面上。每个球囊通过管道与控制器和微气泵相连，并受计算机控制，此时平台为柔性压力平台；图中5为圆柱筒巢上充气管孔。平台内有四个压力传感器6，安装固定板9之上，脚踏支撑平板8位于四个压力传感器6上，压力传感器的压力信号传到计算机上。脚踏支撑平板的两块中间由一固定插销10连接。

本系统软件可分为四个部分，包括硬件控制、数据采集分析、数据管理、接口协议。硬件控制模块控制驱动微型气泵、充放气阀。数据采集分析主要对由采集卡采集来的压力信号数据进行运算和分析，得出姿势平衡重心移动轨迹图。数据管理主要存储病人信息数据，以及报告数据。输入输出通信接口协议采用RS-485串口，其通信速率＞1M，分辨率＞14位。系统主要流程如下：

1.指令参数设定流程

由计算机向可控气囊压力平台发出各种指令参数，可控气囊压力平台执行该指令后，并响应。(见图4)

2.采样数据上报流程

可控气囊压力平台按照协议帧格式周期上报接收的各个传感器的值。(见图5)

3.设备控制指令的流程

设备复位请求消息(计算机-＞可控气囊压力平台)，所有机械设备恢复到原始位置。

参数名称	长度	类型	取值	描述
					MSG_ID	1	Char	1	命令码
Length	1	Char		消息长度(从TranId之后内容算起)

TranId

4

Interger

0～2^31-1

由计算机分配

设备复位应答消息(可控气囊压力平台-＞计算机)

参数名称	长度	类型	取值	描述
					MSG_ID	1	Char	1	命令码
Length	1	Char		消息长度(从TranId之后内容算起)
					TranId	4	Interger	0～2^31-1	由计算机分配，可控气囊压力平台回填
Result	1	Char	0,1	0：成功，1：失败

4.传感器数据控制指令

上报请求信息

参数名称	长度	类型	取值	描述
					MSG_ID	1	Char	2	命令码
Length	1	Char		消息长度(从TranId之后内容算起)
					TranId	4	Interger	0～2^31-1	由计算机分配

上报请求应答信息(计算机-＞可控气囊压力平台)

参数名称	长度	类型	取值	描述
					MSG_ID	1	Char	2	命令码
Length	1	Char		消息长度(从TranId之后内容算起)
					TranId	4	Interger	0～2^31-1	由计算机分配，可控气囊压力平台回填
Result	1	Char	0,1	0：成功，1：失败

停止上报请求消息(计算机-＞可控气囊压力平台)

参数名称	长度	类型	取值	描述
					MSG_ID	1	Char	3	命令码
Length	1	Char		消息长度(从TranId之后内容算起)
					TranId	4	Interger	0～2^31-1	由计算机分配

停止上报请求应答消息(可控气囊压力平台-＞计算机)

参数名称	长度	类型	取值	描述
					MSG_ID	1	Char	3	命令码
Length	1	Char		消息长度(从TranId之后内容算起)
					TranId	4	Interger	0～2^31-1	由计算机分配，可控气囊压力平台回填
Result	1	Char	0,1	0：成功，1：失败

5.传感器数据上报指令

上报信息内容(可控气囊压力平台-＞计算机)

参数名称	长度	类型	取值	描述
					MSG_ID	1	Char	4	命令码
Length	1	Char		消息长度(从TranId之后内容算起)
					TranId	4	Interger	0～2^31-1	由计算机分配
压力传感器1	2	Short	0～65536	左前位传感器，16位精度
					压力传感器2	2	Short	0～65536	左后位传感器，16位精度
压力传感器3	2	Short	0～65536	右前位传感器，16位精度
					压力传感器4	2	Short	0～65536	右后位传感器，16位精度

6.采集压力信号数据运算

算法采用修正的低通滤波法，COP和COG之间的转换采用频域的低通滤波法，

1)将COP的时间序列函数通过离散傅立叶变换(FFT)为频域

2)COP的时间序列函数的复数频谱通过低通滤波器卷积

3)COP的滤波频谱可等同于COG的时间序列函数的频谱，再进行反离散傅立叶变换(IFFT)得到COG的时间序列函数，即为重心轨迹的函数。

该软件实施步骤：

步骤1：系统初始化，开软件对话框。

步骤2：输入病人相关信息。

步骤3：开始测试。

步骤4：启动气囊充方式模式和视觉干扰模式。

步骤5：采集压力数据并分析，根据四个传感器的压力信号和算法，计算出重心轨迹等。

步骤6：若康复训练，根据重心数据，启动康复训练项目(本体觉训练模式、视觉干扰刺激训练模式、中枢代偿训练模式等)

步骤7：测试或康复的数据储存入数据管理系统，并分析出报告。

步骤8：测试完毕，推出系统。

综上所述，本发明专利的平衡诊断康复仪由计算机、可控气囊压力平台、微气泵及控制器组、3D立体眼镜显示器等组成；通过运用可控气囊平台技术和3D立体眼镜显示器技术，最大程度地干扰掉本体感觉和视觉，测量分离出的前庭觉在维持人体姿势平衡中的定量关系；并根据压力平台上的四个压力传感器测出人体实时对平板的压力和身高拟算出重心移动轨迹图，即姿势图。该技术装置在临床上可用于眩晕疾病鉴别诊断和康复治疗等方面，也适用于运动医学和航天医学训练。

Claims

1.一种用于前庭功能检查和康复的人体平衡检测康复仪，其特征在于，由计算机、可控气囊压力平台、微气泵及控制器组、三维立体眼镜显示器组成；通过运用可控气囊平台技术和三维立体眼镜显示器技术，最大程度地干扰掉本体感觉和视觉，测量分离出的前庭觉在维持人体姿势平衡中的定量关系；并根据压力平台上的四个压力传感器测出人体实时对平板的压力和身高拟算出重心移动轨迹图，即姿势图。该技术装置在临床上可用于眩晕疾病鉴别诊断和康复治疗等方面，也适用于运动医学和航天医学训练。

2.一种基于权利要求1所述的系统，运用可控气囊平台技术，实现自动检测人体体重，自动控制气囊压力，通过五个气囊实现平板多方向翻转运动干扰本体感觉。

3.一种基于权利要求1所述的系统，通过三维立体眼镜显示器技术产生视觉干扰的方式和让人产生相应错觉方位感的虚拟场景。

4.一种基于权利要求1所述的系统，该技术可控气囊平台有通过充气和放气实现的柔性滚动平台和固定坚硬平台的方式和优势。

5.一种基于权利要求4所述的两种可变换平台和分级方式，将这种独特技术应用于前庭康复。