CN102379792B - 用于手指康复的佩戴式装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于手指康复的佩戴式装置，所述装置(10)包括：织物材料(20)；以及EAP矩阵套(30)，所述EAP矩阵套(30)可操作性地连接到所述织物材料(20)以形成用于手指(5)的EAP促动器；其中，至少一个EAP矩阵套(30)与手指(5)的指关节对应，用于所述手指关于所述指关节相对运动。本发明采用EAP材料将电能转换成机械运动以提供重复的主动辅助运动，用于中风患者的手指康复，该佩戴式装置的柔韧性能好，且消耗的能量非常少，温度增加不多。

Description

用于手指康复的佩戴式装置
技术领域
本发明涉及一种康复器材，更具体地说，涉及一种用于手指康复的佩戴式装置。
背景技术
中风是导致成人永久性残疾的主要原因。中风幸存者会感受到上肢功能障碍，同时普遍存在肢体远端损伤。因为适当的手部功能对于徒手探摸以及对环境的操作是至关重要的，因而这个问题相当严重。此外，手部功能的丧失是神经肌肉障碍中损害发生的主要缘由，时常妨碍到日常生活中有效的职能表现和独立参与行为。中风后的康复在帮助中风患者减轻不适的症状以及恢复其运动功能方面起着重要的作用。重复通用的动作练习可以帮助改善患者完成大量日常运动任务的能力。基本上，存在三种中风后康复的主要类型。“被动运动”(或外部强加)，涉及到在患者保持放松状态时由治疗师帮助进行的关节运动。“主动辅助运动”在患者无法独立完成所需的运动时采用，在患者试图移动关节或肢体时，根据需要施加外部辅助力。“主动抵制运动”则是更高层次患者所采用的，包括抵抗来自于重力(由额外的重量所产生)、弹性绑带或治疗师的阻力完成动作。在这三种治疗方法中，主动辅助运动被证明对大量急性中风患者具有积极作用。患者显著降低了手臂障碍。
在过去的几十年，中风后的康复计划被认为是耗费时间和精力的，因为治疗师和患者需要一对一手动地配合。因此，协助治疗师的自动机械装置存在很大的需求。这些自动机械装置可以协助治疗师实施具有更多的定量和可重复训练动作的密集而安全的治疗康复方案。已经开发了某些特定的自动机械装置，特别是针对肩部、肘部和手腕的康复。然而，针对手指的康复装置仍然十分有限。传统上，手指康复是手动实施的，且更注重于感官再训练。显然，中风患者缺乏手指肌肉训练。在市场上，存在供不太严重的中风患者使用的一些工具诸如铁制或塑料制哑铃或木制石块，帮助他们以自助的方式练习手指的移动。至于急性中风患者，因为患者的运动功能丧失导致这些装置不适合。
因此，亟待使用允许患者在脱离治疗师协助的情况下进行日常治疗的自动机械装置来帮助中风患者优化手指肌肉的训练。现有自动机械装置中使用诸如压电陶瓷或形状记忆合金的促动器材料。这些材料由于柔韧性不够且容易导致高温而不适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有手指康复的自动机械装置所采用的材料柔韧性不够且容易导致高温的缺陷，提供一种采用EAP材料制成的用于日常手指康复的佩戴式装置。
在本发明第一优选方面中，提供了一种用于日常手指康复的佩戴式装置，所述装置包括：
织物材料；以及
EAP矩阵套，所述EAP矩阵套可操作性地连接到所述织物材料以形成用于手指的EAP促动器；
其中，至少一个EAP矩阵套与手指的指关节对应，用于所述手指关于所述指关节相对运动。
所述佩戴式装置进一步包括五个手指鞘，且其中每个手指鞘具有对应于手指所有指关节的EAP矩阵套以帮助手指的每块肌肉。
所述EAP矩阵套为离子型或电子型。
佩戴者的每根手指具有对应的EAP促动器。
每个EAP促动器由软件单独控制。
所述佩戴式装置还包括：位于手指指尖处的可拆卸地插入手指的弹性环，通过连接带可拆卸地固定到手腕上的DC-DC转换器，连接在所述EAP矩阵套、弹性环和DC-DC转换器之间使其相对位置固定的金属杆，且所述DC-DC转换器通过导电线缆及柔性电极电连接到所述EAP矩阵套表面上。
每个EAP促动器通过导电线缆连接到电源，并由计算机控制。
所述织物材料是由以下一组材料中的任意一种制成：棉、尼龙、涤纶和氨纶。
离子型的所述EAP矩阵套采用以下步骤制备：
1)对EAP材料表面上将被作为有效电极的位置进行粗糙化处理；
2)将步骤1)获得的EAP材料浸泡在铂络合物水溶液中实现离子交换；
3)使用还原剂将步骤2)获得的EAP材料上的铂络合物阳离子还原为金属态的纳米粒子形成初始铂层，再将该EAP材料加入到的铂溶液中在初始铂层上电镀上另一层铂。
电子型的所述EAP矩阵套采用以下步骤制备：
对电子型EAP制成的弹性体薄膜进行双向自动预拉伸；
在弹性体薄膜上人工涂覆上柔性电极；
预拉伸后的弹性体薄膜手动缠绕到压缩弹簧核上。
所述EAP矩阵套被缝线缝到织物材料上从而将该EAP矩阵套与织物材料相连接。
所述EAP矩阵套完全包围织物材料或者覆盖织物材料的单个表面。
所述佩戴式装置为手套的形式。
实施本发明的用于手指康复的佩戴式装置，具有以下有益效果：本发明采用EAP材料将电能转换成机械运动提供重复的主动辅助运动，用于中风患者的手指康复，该佩戴式装置的柔韧性能好，且消耗的能量非常少，温度增加不多。
附图说明
下面将结合附图对本发明的实例进行说明，附图中：
图1为插入具有一个根据本发明实施例的EAP矩阵套的EAP手套的手指的侧面截面图；
图2为图1中EAP手套的顶部平面图；
图3为图1中EAP手套的上方透视图；
图4为具有两个根据本发明实施例的EAP矩阵套的另一EAP手套的侧视图；
图5为图4中EAP手套的顶部平面图；
图6为图4中EAP手套的上方透视图。
具体实施方式
参照附图1-6，示出了用于手指5康复的佩戴式装置10。该装置10为手套的形式，又可被称为EAP手套，一般包括织物材料20和电活性聚合物(EAP)矩阵套30。EAP矩阵套30可被操作连接到织物材料20，形成用于佩戴者的手指5的EAP促动器。EAP矩阵套30可以通过缝线缝到织物材料20上，从而可操作地将EAP矩阵套30与织物材料20连接。EAP矩阵套30可以嵌入织物材料20中。织物材料20可以为棉、尼龙、涤纶和氨纶。图1描述了具有一个EAP矩阵套30的EAP手套，而图5描述了具有两个EAP矩阵套30的EAP手套。EAP矩阵套30被定位后使得每一节跨过一个指关节。
刚性材料40用于从EAP矩阵套30传递力到指尖。刚性材料40优选为诸如铝制的金属杆。弹性环60可拆卸地将EAP促动器30连接到指尖。使用时，指尖被插入弹性环60中。弹性环60优选弹性织物管或橡胶带。按钮25将金属杆40连接到弹性环60上。这也是出于安全的原因。如果用力过大，按钮25可以将金属杆40和手指5分开。可移动接头45设置在EAP矩阵套30的底座上，从而允许用户弯曲自己的手指5。
连接带70可拆卸地将DC-DC转换器80连接到手腕上。连接带70优选为织带。DC-DC转换器80为电流放大器90，并由高压直流(HVDC)电源供电。导电材料35是将导电线缆50电连接到电子型EAP30的柔性电极。
EAP材料将电能转换成机械运动，以提供重复的主动辅助运动。EAP材料具有独特显著的特点，能够实现从电力形式到机械形式的能量传导，以用于促动。EAP材料分为两大类。离子型EAP是由离子和分子的电驱动扩散而促动的。离子聚合物金属络合材料(IPMC)和凝胶聚合物均为离子型EAP。电子型EAP是由电场所促动的。电子辐照材料(如PVDF TrFE)、介电弹性体材料(DE)、电致聚合物人工肌肉(EPAM)、电流变流体为电子型EAP材料。这两组EAP材料包括根据不同原则和性质所采用的各种类型材料。
离子型EAP(IPMCs)由两个电极和电解质组成。这类材料是由离子和分子的电驱动扩散或移动所促动的。该离子型EAP的长度为35至55毫米，宽度为10mm，厚度小于1mm。
制作离子型EAP的第一步是对材料表面上将被作为有效电极的位置进行粗糙化处理。这涉及到对聚合物表面进行喷砂或用砂纸打磨，以增加铂盐渗透和还原反应发生处的表面积密度，还涉及超声波清洗和通过酸煮(低浓度HCl或HNO3)进行的化学清洗。
第二步是使用金属络合溶液例如四胺铂氯化物水合物作为铂络合物(Pt(NH3)4]Cl2或[Pt(NH3)6]Cl4)水溶液来完成离子交换过程。虽然平衡条件取决于金属络合物的电荷类型，但是这些络合物仍然可以提供良好的电极。浸泡和搅拌时间一般是1个多小时。
第三步被称为初始铂合成过程。这是为了通过使用有效的还原剂例如合适温度(即60℃)的硼氢化钠或硼氢化锂(5％)水溶液，将铂络合物阳离子还原为金属态的纳米粒子。类黑色的铂层沉积在材料的表面附近。最后一步(表面电极化过程)为在初始Pt表面上有效地增加Pt(或其它金属)的厚度，以降低表面电阻率。因此，在沉积的Pt层上电镀另一部分的铂。
准备240ml的络合物(Pt(NH3)4]Cl2或[Pt(NH3)6]Cl4)水溶液，其中含有120mg的Pt，并加入5ml浓度为5％的氢氧化铵溶液(pH值调节)。
电镀量是由溶液中铂的含量所决定的。准备5％的盐酸羟胺水溶液和20％的联胺溶液。
该聚合物被加入在40℃搅拌的铂溶液中。每30分钟加入6ml盐酸羟胺溶液和3ml的联胺溶液。
在添加的过程中，温度在4个小时逐步提高到60℃。将在膜表面形成灰色金属层。在这个过程结束时，抽样少许溶液，并与强还原剂(NaBH4)一起煮以检测是否达到终点。被成功利用的其他金属(或导电介质)包括钯、银、金、碳、石墨和碳纳米管。使用电镀是非常便利的。
对于离子型EAP，最终驱动位移约60mm/每3-4g力)。温度的增加是非常缓和的，而织物材料可被作为安全用绝缘材料。
IPMC促动器的弯曲机理为电渗原理。在横跨纺织膜厚度的低电势的作用下，在离子可交换聚合物膜内发生固定离子再分配、移动离子迁移，且阳离子与水分子结合移动到阴极侧。移动的离子成为电解质。
因此，弯曲的发生是由于薄膜最外层纤维的收缩和膨胀的不同所引起的。水的移动也可能在促动中起到显着的作用。如果是阳离子交换膜，全氟离子聚合物膜带在电势的影响下朝向阳极弯曲。
为了制作电子型EAP(DE促动器)，弹性体薄膜经过双向自动预拉伸。这些薄膜被人工涂覆上柔性电极。预拉伸后的弹性体薄膜被手动缠绕到完全压缩的套筒弹簧核上。薄膜被横向固定到该核上。
DE弹簧卷促动器为具有自适应刚度的促动弹簧。所使用的弹性体薄膜是不可压缩的、各向同性的，在被动平衡时的具有拟线性性能，在同分异构体促动下自由应变，并且在同分异构体促动下具有阻滞力。自由应变和阻滞力为该促动器的两大特点。通过改变施加的促动电源和促动边界条件，来促动DE。
电子型EAP的厚度为45mm，宽度为15mm，厚度为10mm。
对于电子型EAP而言，最终驱动位移为20mm/7.2N力。透明塑料制的保护层被放置在EAP手套的表面。因此，电子型EAP被封闭在透明塑料外壳中。该外壳为电子型EAP所需的高电压提供安全保障。因为电子型EAP消耗的能量非常少，所以温度增加不多。每个电子型EAP促动器需要约2瓦。
佩戴者的每个手指5都有相应的EAP促动器。移动手指5的力是从EAP矩阵套提供给EAP促动器30的。每个EAP促动器通过导电线缆50连接到电源。每个EAP促动器由控制系统100中的计算机软件单独控制，在此控制传输到EAP促动器的电信号。控制系统100中的设计和控制电路也被用来控制EAP促动器的促动。
EAP促动器不是管状结构，然而他们可以扩张和收缩从而允许手指相对指关节运动。EAP促动器在手指5上施加足够且适当的力。每个EAP矩阵套30的大小和尺寸可以与手指肌肉或指关节相对应。换句话说，每个EAP矩阵套30的轮廓与其所针对放置的各个指关节的轮廓相吻合。例如，对于手指5而言，有可能为三个EAP矩阵套30。对于具有五个手指的手而言，有可能共计十五个EAP矩阵套30。该EAP矩阵套30在结构上没有相互连接，且可以独立运作。
EAP矩阵套30完全环绕织物材料20或覆盖织物材料20的单个表面，只要EAP矩阵套30和佩戴者的皮肤之间没有直接接触。所述的单个表面可以为手套10的底部或者手套10的手掌侧。
EAP手套10是一种中风患者用作其手指5的康复并提供手指肌肉训练的自动机械治疗装置。EAP手套10一般适于由于上肢瘫痪和周围神经损伤而造成的手部移动不便的人使用。EAP手套10还提供手指精细动作的训练。EAP手套10为中风患者提供最佳的康复治疗，因为它可以更便利地和可携带地帮助高度重复的主动辅助运动训练，并减少损伤。EAP手套10通过允许中风患者在离开治疗师的频繁帮助的情况下进行日常训练，从而优化中风患者的手指肌肉训练。EAP手套10可以协助治疗师实施具有更多的定量和可重复训练动作的密集而安全的康复方案。患者不必前往医院使用EAP手套10，而可以在日常像穿衣服一样使用EAP手套10。
EAP手套10有助于物体的两个部分直接的相对运动，以及物体或关节的弯曲或变形。该EAP手套10允许关节的运动，尤其是人体手指关节的运动。
本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围或实质时，可对特定实施例中示出的本发明进行各种变化和等同替换。因此，上述实施例是出于解释性的目的而非对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种用于手指康复的佩戴式装置，其特征在于，所述装置包括：
织物材料；以及
EAP矩阵套，所述EAP矩阵套可操作性地连接到所述织物材料以形成用于手指的EAP促动器；
其中，至少一个EAP矩阵套与手指的指关节对应，用于所述手指关于所述指关节相对运动；
所述佩戴式装置还包括：位于手指指尖处的可拆卸地插入手指的弹性环，通过连接带可拆卸地固定到手腕上的DC-DC转换器，连接在所述EAP矩阵套、弹性环和DC-DC转换器之间使其相对位置固定的金属杆，且所述DC-DC转换器通过导电线缆及柔性电极电连接到所述EAP矩阵套表面上。
2.根据权利要求1所述的佩戴式装置，其特征在于，进一步包括五个手指鞘，且其中每个手指鞘具有对应于手指所有指关节的EAP矩阵套以帮助手指的每块肌肉。
3.根据权利要求1所述的佩戴式装置，其特征在于，所述EAP矩阵套为离子型或电子型。
4.根据权利要求1所述的佩戴式装置，其特征在于，佩戴者的每根手指具有对应的EAP促动器。
5.根据权利要求1所述的佩戴式装置，其特征在于，每个EAP促动器由软件单独控制。
6.根据权利要求1所述的佩戴式装置，其特征在于，所述织物材料是由以下一组材料中的任意一种制成：棉、尼龙、涤纶和氨纶。
7.根据权利要求3所述的佩戴式装置，其特征在于，离子型的所述EAP矩阵套采用以下步骤制备：
1）对EAP材料表面上将被作为有效电极的位置进行粗糙化处理；
2）将步骤1）获得的EAP材料浸泡在铂络合物水溶液中实现离子交换；
3）使用还原剂将步骤2）获得的EAP材料上的铂络合物阳离子还原为金属态的纳米粒子形成初始铂层，再将该EAP材料加入到的铂溶液中在初始铂层上电镀上另一层铂。
8.根据权利要求3所述的佩戴式装置，其特征在于，电子型的所述EAP矩阵套采用以下步骤制备：
对电子型EAP制成的弹性体薄膜进行双向自动预拉伸；
在弹性体薄膜上人工涂覆上柔性电极；
预拉伸后的弹性体薄膜手动缠绕到压缩弹簧核上。
9.根据权利要求1所述的佩戴式装置，其特征在于，所述佩戴式装置为手套的形式。
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