CN105832335B - 拇趾活动范围及刚度的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种拇趾活动范围及刚度的测量装置及方法，该装置包括：设置于底座上的压力传感机构、二维平台以及与二维平台相连的带有电位检测机构的双轴转动机构，其中：双轴转动机构与足部固定，二维平台与脚拇趾端部固定并与底座滑动连接，实现沿着脚拇趾长度方向进行线性运动；双轴转动机构与二维平台转动连接，实现沿竖直方向以及脚拇趾转动方向这两个方向上的转动运动。本装置分别通过测压元件测得拇趾的压力、电位计测得拇趾的转动角度，可客观而准确地测量具有各种形态的拇趾的活动范围及刚度，且操作简单。

Description

拇趾活动范围及刚度的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种医疗辅助器械领域的技术，具体是一种拇趾活动范围及刚度的测量装置及方法。

背景技术

对于正常且有效的行走来说，拇趾背屈度数需要达到65°左右。然而由于遗传、受伤、或者穿的鞋子不合适等原因，人体拇趾的活动范围可能偏离正常活动范围，表现为拇趾背屈度数太大或者太小，由此导致行走时拇趾疼痛、足部疼痛、或者走路姿势不稳等问题。对于严重的情况，需要对拇趾进行手术来矫正拇趾的背屈度数。由此，足踝外科医生需要根据拇趾的活动性能来评估患者的严重程度，并据此制定治疗方案。

目前人体拇趾的活动性能通常采用两种方法来描述，第一种方法是测量拇趾可转动的角度，临床上通常采用视觉方法对拇趾的活动范围进行评估。第二种方法是依靠经验丰富的测试人员对拇趾施加力，由此对拇趾的刚度进行评级，分为过度柔软、正常，以及僵硬三个级别。显然，这两种方法均受限于评估人的经验，具有主观性，容易导致较大误差。因此，很有必要提出一种拇趾活动范围及刚度客观而可靠的测量方法，为足踝外科医生的诊断和治疗提供依据。

新加坡南洋理工大学的Marablle L Heng以及Pui W Kong提出了一种采用触碰式压力垫与视频分析相结合的方法来测量拇趾活动范围及刚度。具体为，将触碰式压力垫套在大拇指上，在拇趾指定位置的90°方向施加力，推动拇趾转动，采用视频记录整个过程，对视频进行简单分析获得拇趾的转动角度，进而得出弯矩—转角曲线，从而获得拇趾的刚度信息。然而这个方法的不足在于，采用大拇指推动拇趾进行转动的整个过程中很难保证力的施加方向与拇趾成90°，由此导致弯矩计算误差，从而导致拇趾的刚度计算不准确。此外，这个方法需借助视频录取设备全程记录整个过程，并对图像进行后期处理来计算拇趾的转角。为了得到某个时刻拇趾的受力及转角，需要将视频录取设备与触碰式压力垫的数据进行同步，而这在实际操作中很难实现。因此很难得到同一时刻拇趾的转角数值和压力数值，从而导致弯矩和转角不对应，进一步地导致拇趾的刚度计算不准确。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种拇趾活动范围及刚度的测量装置及方法，分别通过测压元件测得拇趾的压力、电位计测得拇趾的转动角度，可客观而准确地测量具有各种形态的拇趾的活动范围及刚度，且操作简单。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种拇趾活动范围及刚度的测量装置，包括：设置于底座上的压力传感机构、二维平台以及与二维平台相连的带有电位检测机构的双轴转动机构，其中：双轴转动机构与足部固定，二维平台与脚拇趾端部固定并与底座滑动连接，实现沿着脚拇趾长度方向进行线性运动；双轴转动机构与二维平台转动连接，实现沿竖直方向以及脚拇趾转动方向这两个方向上的转动运动。

所述的双轴转动机构包括：足部固定件和与之转动连接的第一转动件，其中：第一转动件与二维平台的末端转动连接，且连接处设有电位计，从而实现两个转动自由度。

所述的二维平台包括：第二转动件、位置调节滑块和圆柱，其中：第二转动件和位置调节滑块滑动连接，圆柱的上端与位置调节滑块固定连接且圆柱与底座滑动连接。

所述的测压元件及电位计与数据采集系统连接，该数据采集系统自动对测压元件及电位计的读数进行同步，并直接读取拇趾受力各个时刻的受力大小及转角读数。

技术效果

与现有技术相比，本发明将测压元件以及电位计连接到数据采集系统，实现拇趾受力数据及转角数据的同步性。采用本装置进行测量时，测得压力的方向与拇趾之间的角度在各个时刻均呈90°，因此可从本装置直接读出拇趾受力的力臂数据。经过简单的力学计算，就可得到拇趾的弯矩-转角关系曲线，获得拇趾的活动范围以及刚度的信息。通过对位置调节滑块、测压元件支撑块以及底座的位置进行调整，可以适应不同长度、宽度以及高度的拇趾；通过对第一转动件进行旋转，可以适应不同内偏程度的拇趾的测量。

本装置采用客观的方法准确地测量拇趾的转角及受力，保证弯矩计算的准确性，避免了人为因素可能造成的误差。本发明测量方法简单，不需要借助于其他设备，即可实时的直接读取拇趾压力以及拇趾转角的数值，避免了采用其他设备来分析或计算拇趾的压力或者转角，由此避免了不同设备之间的同步操作，大幅简化了测量设备并节约了成本。此外，本发明装置具有可调节性，可根据拇趾的具体形状和尺寸调节测压元件的位置，因此适用于不同尺寸及形状的拇趾。本发明提出的拇趾活动范围及刚度的测量装置及方法为足踝外科医生的诊断和治疗提供了客观而可靠的依据。

附图说明

图1为本发明的三维图；

图2为本发明的三维爆炸图；

图3为足部固定件和第一转动件之间的连接细节；

图4为足部固定件和第一转动件之间呈150°的装置细节图；

图5为第一转动件与第二转动件之间的连接细节；

图6为第一转动件与第二转动件之间呈30°的装置细节图；

图7为底座及测压元件支撑块的三维图；

图8为人体拇趾刚度测量原理图；

图9为弯矩—转角关系示意图；

图中：足部固定件1、第一转动件2、第二转动件3、位置调节滑块4、圆柱5、底座6、端部件7、测压元件8、测压元件支撑块9、转动轴20、电位计30、圆孔40、槽孔50、直线轴承60、通孔70、足部固定带80、拇趾固定带90。

具体实施方式

实施例1

如图1及图2所示，本实施例包括：设置于底座上的压力传感机构、二维平台以及与二维平台相连的带有电位检测机构的双轴转动机构，其中：双轴转动机构与足部固定，二维平台与脚拇指部固定，二维平台能够实现沿着脚拇趾长度方向的线性运动；双轴转动机构与二维平台转动连接，实现沿竖直方向以及脚拇趾转动方向这两个方向上的转动运动。

所述的双轴转动机构包括：足部固定件1和与之转动连接的第一转动件2，其中：第一转动件2与二维平台的末端转动连接，且连接处设有电位计30，从而实现两个转动自由度。

所述的足部固定件1上设有用于固定足部的足部固定带80；

所述的二维平台包括：第二转动件3、位置调节滑块4和圆柱5，其中：第二转动件3和位置调节滑块4滑动连接，实现二维平台沿着拇趾长度方向的线性运动，圆柱5的上端与位置调节滑块4固定连接且圆柱5与底座6滑动连接，实现底座沿着拇趾高度方向的线性运动。

所述的位置调节滑块4上设有用于固定脚拇指的拇趾固定带90。

本装置在使用时，通过将足部固定带80将足部固定件1固定在足部外侧，足部固定件1和第一转动件2之间通过竖向的转动轴20来连接，如图3所示。通过旋转第一转动件2，如图4所示，使得第一转动件2和拇趾的外侧面紧贴。

所述的位置调节滑块4上设有与第二转动件3的横截面相匹配的槽口，以使得在第二转动件上实现滑动连接。通过调节位置调节滑块4在第二转动件3上的位置，进而带动底座6运动，使底座6位于拇趾下方，适应不同长度的拇趾压力测量。

当位置调节滑块4到达指定位置后，可以采用紧定螺丝进行固定(图中未示出)；然后通过拇趾固定带90将位置调节滑块4固定在拇趾外侧。第二转动件3上有尺寸显示，可直接测得拇趾受力的力臂长度。

所述的电位计30具体位于第一转动件2和第二转动件3之间，如图5所示。当对拇趾施加力时，拇趾转动，进而带动第二转动件3相对第一转动件2在竖直面上转动，如图6所示，从而改变电位计30的电阻，因此可以根据电位计30电阻的变化换算成拇趾的转动角度。

所述的压力传感机构包括依次设置于底座6上的测压元件支撑块9和测压元件8，所述的底座6上设有槽孔50，如图7所示，通过改变测压元件支撑块9在槽孔中的位置，带动测压元件8位于拇趾下方，实现测压元件沿着拇趾宽度方向上的线性运动，适应不同宽度的拇趾。

所述的测压元件8与测压元件支撑块9之间可采用但不限于螺丝、胶水等方式固定(图中未示出)；当测压元件支撑块9到达指定位置后，可采用紧定螺丝进行固定(图中未示出)。

所述的底座6上设有带有直线轴承60的圆孔40，对应二维平台的圆柱5，该圆柱5的外截面和和直线轴承60的内截面匹配且圆柱5通过底座6上的直线轴承60，从而可以根据拇趾的不同厚度来调节底座6在竖直方向的位置，进而设定测压元件8在竖直方向的位置。在底座6与位置调节滑块圆柱5之间采用直线轴承60的目的是降低底座6与位置调节滑块圆柱5之间的摩擦，进而保证施加的力都传递到拇趾底部，引起拇趾转动，带动第二转动件3进行转动；避免有一部分力通过摩擦的形式传递到第二转动件3从而引起第二转动件3转动。

所述的圆柱5的端部设有带有通孔70的端部件7，以防止在测量过程中底座6从位置调节滑块的圆柱5上滑落。

所述的足部固定带80和拇趾固定带90上面设有尼龙自粘层或其他环扣，可方便的将足部固定件1或位置调节滑块4固定到足部或拇趾侧面。

所述的测压元件8及电位计30优选与数据采集系统连接，这个系统自动对测压元件8及电位计30的读数进行同步，并可直接读取拇趾受力各个时刻的受力大小及转角读数。

实施例2

本实施例通过以下操作实现拇指刚度和活动范围的测量：

1.在足部侧面标记拇趾骨起点位置A点，以及拇趾骨末端位置B点，如图8。

2.将本装置靠近需要测量的足部，调整足部固定件1的位置，使得电位计30的中心和足部侧面的A点重合。然后使用足部固定带80将足部固定件1固定到足部外侧。

3.调整第一转动件2与足部固定件1之间的角度，使得第一转动件2与拇趾外侧贴合。

4.调整位置调节滑块4在第二转动件3上的位置，使得位置调节滑块4的中心与足部侧面的B点重合。然后使用拇趾固定带90将位置调节滑块4固定到拇趾外侧。读取位置调节滑块4的中心与电位计30的中心之间的距离，即是拇趾受力的力臂l，见图8。

5.调整测压元件支撑块9在底座6上面槽孔的位置，使得测压元件位于拇趾正下方。

6.向上推动底座，对拇趾施加力，使得拇趾转动。

7.拇趾转动的各个时刻，直接读取数据采集系统中电位计及测压元件的读数，即可换算成拇趾的转角θ以及受力F。

8.如图8所示，测量人体拇趾的活动范围，即需要测量拇趾的转动角度θ。测量人体拇趾的活动刚度，即需要获得拇趾所受的弯矩M和转角θ之间的关系。由基本力学知识可知，弯矩是力与力臂的乘积，即：M＝F×l。故一旦测得拇趾所受的力F以及对应的力臂l，就可以计算出拇趾所受的弯矩M。进一步的，如果测得拇趾在转动过程中，各个时刻的力和对应的转角，就可以得到拇趾整个受力过程的弯矩—转角关系曲线，弯矩—转角关系曲线上各个时刻的切线即是拇趾转动过程中各个时刻的刚度，如图9所示。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (11)

1.一种拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征在于，包括：二维平台、与二维平台相连的带有电位检测机构的双轴转动机构以及设置于底座上的压力传感机构，其中：双轴转动机构与足部固定，二维平台与拇趾端部固定并与底座滑动连接，实现沿着拇趾长度方向进行线性运动；双轴转动机构与二维平台转动连接，实现沿竖直方向以及拇趾转动方向这两个方向上的转动运动。

2.根据权利要求1所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的双轴转动机构包括：足部固定件和与之转动连接的第一转动件，其中：第一转动件与二维平台的末端转动连接，且连接处设有电位计，从而实现两个转动自由度。

3.根据权利要求2所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的二维平台包括：第二转动件、位置调节滑块和圆柱，其中：第二转动件和位置调节滑块滑动连接，圆柱的上端与位置调节滑块固定连接且圆柱与底座滑动连接，从而实现二维平台的两个线自由度运动。

4.根据权利要求3所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的位置调节滑块上设有与第二转动件的横截面相匹配的槽口。

5.根据权利要求3所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的电位计具体位于第一转动件和第二转动件之间，当对拇趾施加力时，拇趾转动，进而带动第二转动件相对第一转动件在竖直面上转动，从而改变电位计的电阻，根据电位计电阻的变化换算成拇趾的转动角度。

6.根据权利要求3所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的压力传感机构包括依次设置于底座上的测压元件支撑块和测压元件，所述的底座上设有槽孔，通过改变测压元件支撑块在槽孔中的位置带动测压元件位于拇趾下方以适应不同宽度的拇趾。

7.根据权利要求6所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的底座上设有带有直线轴承的圆孔，对应二维平台的圆柱，该圆柱的外截面和和直线轴承的内截面匹配且圆柱通过底座上的直线轴承，从而根据拇趾的不同厚度来调节底座在竖直方向的位置，进而设定测压元件在竖直方向的位置。

8.根据权利要求7所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的圆柱的端部设有端部件，以防止在测量过程中底座从圆柱上滑落。

9.根据权利要求3所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的足部固定件上设有用于固定足部的足部固定带，所述的位置调节滑块上设有用于固定拇趾的拇趾固定带，足部固定带和拇趾固定带上面设有尼龙自粘层或环扣。

10.根据权利要求2所述的拇趾活动范围及刚度的测量装置，其特征是，所述的压力传感机构包括依次设置于底座上的测压元件支撑块和测压元件，该测压元件及所述电位计与数据采集系统连接，该数据采集系统自动对测压元件及电位计的读数进行同步，并直接读取拇趾受力各个时刻的受力大小及转角读数。

11.一种根据权利要求1所述装置的拇趾活动范围及刚度的测量方法，其特征在于，所述装置中：

所述的双轴转动机构包括：足部固定件和与之转动连接的第一转动件，其中：第一转动件与二维平台的末端转动连接，且连接处设有电位计，从而实现两个转动自由度；

所述的二维平台包括：第二转动件、位置调节滑块和圆柱，其中：第二转动件和位置调节滑块滑动连接，圆柱的上端与位置调节滑块固定连接且圆柱与底座滑动连接，从而实现二维平台的两个线自由度运动；

所述的压力传感机构包括依次设置于底座上的测压元件支撑块和测压元件，所述的底座上设有槽孔，通过改变测压元件支撑块在槽孔中的位置带动测压元件位于拇趾下方以适应不同宽度的拇趾，该测压元件及所述电位计与数据采集系统连接，该数据采集系统自动对测压元件及电位计的读数进行同步，并直接读取拇趾受力各个时刻的受力大小及转角读数；

所述的足部固定件上设有用于固定足部的足部固定带，所述的位置调节滑块上设有用于固定拇趾的拇趾固定带，足部固定带和拇趾固定带上面设有尼龙自粘层或环扣；

所述的测量方法，包括以下步骤：

步骤1)在足部侧面标记拇趾骨起点位置A点，以及拇趾骨末端位置B点；

步骤2)调整足部固定件的位置，使得电位计的中心和足部侧面的A点重合；然后使用足部固定带将足部固定件固定到足部外侧；

步骤3)调整第一转动件与足部固定件之间的角度，使得第一转动件与拇趾外侧贴合；

步骤4)调整位置调节滑块在第二转动件上的位置，使得位置调节滑块的中心与足部侧面的B点重合；然后使用拇趾固定带将位置调节滑块固定到拇趾外侧；读取位置调节滑块的中心与电位计的中心之间的距离，即是拇趾受力的力臂l；

步骤5)调整测压元件支撑块在底座上面槽孔的位置，使得测压元件位于拇趾正下方；

步骤6)向上推动底座，对拇趾施加力，使得拇趾转动；

步骤7)拇趾转动的各个时刻，直接读取数据采集系统中电位计及测压元件的读数，即可换算成拇趾的转角θ以及受力F；

步骤8)通过拇趾的受力F以及对应的力臂l，就可以计算出拇趾所受的弯矩M＝F×l，当测得拇趾在转动过程中，各个时刻的受力F和对应的转角θ，得到拇趾整个受力过程的弯矩—转角关系曲线，弯矩—转角关系曲线上各个时刻的切线即是拇趾转动过程中各个时刻的刚度。