CN105963023A - 一种模拟人体步态足底压力的磁共振兼容机电刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟人体步态对足底的压力且兼容磁共振的机电装置。此机电装置包括：1.本发明由气压动力模块、控制模块、步态压力模拟模块组成，气压动力模块由电驱动，控制模块由24V电压驱动，步态压力模拟模块由高压空气驱动；2.步态压力模拟模块全部部件均由非铁磁性材料制成；3.气压动力模块和控制模块放在磁共振扫描间之外，步态压力模拟模块放在磁共振扫描间之内；4.设置特定参数，让步态压力模拟模块的受气缸驱动的压力刺激直板刺激被试足底。本发明能够有效地模拟人体步态的足底压力变化，而且兼容磁共振环境，更能让被试保持躺着的静止状态接受足底刺激。

Description

一种模拟人体步态足底压力的磁共振兼容机电刺激装置

技术领域

本发明涉及一种用于模拟人体步态对足底的压力且兼容磁共振的机电装置，属于机电一体化产品技术领域。

背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)也称核磁共振成像，是利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，据此可以呈现出组织内部结构图像。在此基础上发展的功能性磁共振(functional MRI)技术，不仅可以定位脑激活，还能用来研究大脑活动的动态变化及其网络功能，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的发展。

步态是指人体步行时的姿态和行为特征，人体通过髋、膝、踝、足趾的一系列连续活动，使身体沿着一定方向移动的过程。步态通常可分为正常步态和病理步态。人类对步态的分析已经有300年的历史，正常步态的研究对于体育健康领域的优化和提高运动成绩具有重要价值；病理步态的研究对于康复工程的诊断和干预更具有不可替代的作用。研究发现，多种神经退行性疾病都会导致步态特征发生明显变化，相应地其大脑控制网络也会出现变化。

人们一直想要了解人体步行状态下的大脑功能控制网络是怎样工作的，但面临着两个难题：一是传统电子设备(比如章亚男等人的步态发生器，实用新型专利授权公告号CN202719099 U)无法在磁共振工作间里正常工作，这是由于磁共振扫描间里的超强磁场高达1.5T～7T，必然导致传统机电设备包括的电线、电动机等金属器件无法使用；二是目前的磁共振设备都必须要求被试躺在扫描台上一动不动，但传统步态模拟装置要求被试站立且运动(比如宋全军等人的步态康复训练机器人控制系统，发明专利申请公布号CN 102225034 A)，很难在磁共振扫描间中有效地对人体步行时的足底压力进行模拟。郝瑛等人的足底单点刺激仪(参见Hao,Y.,Manor,B.,Liu,J.,Zhang,K.,Chai,Y.F.,Lipsitz,L.,Peng,C.K.,Novak,V.,Wang,X.Y.,Zhang,J.,Fang,J.(2013)Novel MRI-Compatible Tactile Stimulator for Cortical Mapping ofFoot Sole Pressure Stimuli with fMRI.Magn Reson Med,69:1194-1199)虽然可以兼容磁共振环境，但只能对足底进行单点刺激，无法做到模拟人体步态足底压力的变化。

发明内容

本发明是为了避免传统步态模拟装置要求被试处于站立状态和无法在磁共振环境下工作的不足，提供了一种兼容磁共振环境的人体步态足底压力模拟设备的机电装置，按照此方法设计的装置能够兼容磁共振成像环境，能够让被试以静止的被动状态模拟人体主动步态的足底压力变化，利用步态足底压力模拟参数和磁共振大脑激活情况能够进行被动康复训练的设计与效果评估。

本发明为解决上述技术问题提出如下技术方案：

1)本发明由气压动力模块、控制模块、步态压力模拟模块组成。气压动力模块、控制模块、步态压力模拟模块三者之间用空心非铁磁性气管(比如塑料气管)连接来传送高压空气，高压空气从气压动力模块生成，经控制模块调制后输入步态压力模拟模块(参见图1，实线箭头代表气流方向)；

2)步态压力模拟模块采用高压空气驱动，步态压力模拟模块的所有部件(包括但不限于气缸、缓冲器、脚部固定器、小腿固定器、角度调整器、撑板、固定直板、压力刺激直板、转动点和直杆)均由非铁磁性材料(比如气缸由铝制成、其余部件均由尼龙制成)制作而成(参见图1，步态压力模拟模块的所有部件已用虚线围起来)；

3)具有磁共振兼容性的步态压力模拟模块放在磁共振扫描间之内的扫描台上，不具有磁共振兼容性的气压动力模块和控制模块放在磁共振扫描间之外；

4)气压动力模块包含气泵和非铁磁性气管，气压动力模块由220V交流电驱动，利用气泵(比如医用气泵)输出最高达0.8Mpa的高压空气；

5)控制模块由电驱动，电压为12～24V，电流0.5～1A，可接受人工输入的步态模拟参数，输出0.1Mpa(常压)～0.8Mpa的受控气压；

6)控制模块包括比例阀、五通阀及其控制电路，预设的步态模拟参数可以通过控制电路调节模拟输出的步态足底压力时间序列，控制电路对比例阀进行控制从而调节气压动力模块的输出气压，控制电路对五通阀进行控制从而调节步态压力模拟模块的气缸a和气缸b的输入气压；

7)控制模块输出两路独立的模拟步态气压，两路独立的模拟步态气压分别对接于气缸a和气缸b上，两路独立的模拟步态气压最小间隔换气时间为0.1s，最小通气时间为0.1s；

8)气缸a和气缸b受控制模块产生的两路步态模拟气压控制，当控制模块输出的气压为常压(0.1Mpa)时，气缸a和气缸b处于非工作状态；

9)当控制模块对气缸a输出的气压大于常压时，气缸a的气孔a和气孔b处于一个进气另一个出气的状态：当二者的压力差为正时，气缸a连接的直杆a受迫伸出，当二者的压力差为负时，气缸a连接的直杆a受迫缩；

10)当控制模块对气缸b输出的气压大于常压时，气缸b的气孔c和气孔d也处于一个进气另一个出气的状态：当二者的压力差为正时，气缸b连接的直杆c受迫伸出，当二者的压力差为负时，气缸b连接的直杆c受迫缩回；

11)刺激被试足底的压力刺激直板由非铁磁性硬质材料(比如尼龙)制作而成，气缸a固定连接的直杆a和气缸b固定连接的直杆c与压力刺激直板活动连接，压力刺激直板的输出力量范围为0～800N；

12)固定直板与撑板是连为一体的，气缸a和气缸b固定在固定直板上，脚部固定器和小腿固定器固定在撑板上，但脚部固定器和压力刺激直板之间没有接触；

13)缓冲器固定在固定直板上，用来保证直杆b只垂直于固定直板法平面运动；

14)压力刺激直板与被试的足部直接接触，气缸a和气缸b在固定直板上的位置可以移动，直杆a对准前脚掌的中心位置，直杆c对准后脚跟的中心位置，通过固定与直杆a连接的转动点a和与直杆c连接的转动点c在调整槽中的位置，此设备可以适应中国标准25～60码的脚；

15)通过调整脚部固定器和小腿固定器上，可以自适应地保证被试的脚部和小腿被固定住；

16)脚部固定器和小腿固定器之间由角度调整器连接，角度调整器可以让脚部固定器底面和小腿固定器腹部的夹角范围做到30°～90°。

空气不具有铁磁性，不会受到强磁力环境影响。本发明的步态压力模拟模块采用高压空气驱动，保证了步态压力模拟模块的动力不会被磁共振的强磁力环境影响。铝和尼龙等非铁磁性材料不会受到强磁力环境的影响。步态压力模拟模块的所有部件均由非铁磁性材料制作而成，保证了步态压力模拟模块本身不会受到磁共振的强磁力环境影响。

具有磁共振兼容性的步态压力模拟模块放在磁共振扫描间之内，让被试能够在磁共振扫描间中接受被动的步态足底压力模拟。不具有磁共振兼容性的气压动力模块和控制模块放在磁共振扫描间之外，让气压动力模块和控制模块不受磁共振的强磁力环境影响。

人体在实际行走时主要是前脚掌和后脚跟这两个点着地，因此本发明使用了两个气缸来控制压力刺激直板对被试进行足底刺激，气缸a和气缸b分别固定连接的直杆a和直杆c受控制模块提供的受控气压控制而伸缩并以缓冲器控制的直杆b为支点，进而控制压力刺激直板刺激被试足底。在模拟步态的过程中，直杆a、b、c可以做到同时伸出以模拟足底完全着地的足底压力，直杆a、b、c可以做到同时缩回以模拟足底完全离地的足底压力，也可以做到直杆a伸出的同时直杆c缩回以模拟前脚掌着地的足底压力，更可以做到直杆a缩回的同时直杆3伸出以模拟后脚跟着地的足底压力。

压力刺激直板直接刺激被试的足底，气缸a和气缸b在固定直板上的位置可以移动，直杆a对准前脚掌的中心位置，直杆c对准后脚跟的中心位置，通过固定与直杆a连接的转动点a和与直杆c连接的转动点c在调整槽中的位置，此设备可以适应中国标准25～60码的脚

脚部固定器和小腿固定器可以让被试的脚部和小腿固定在撑板上保持静止，从而让被试能够接受被动的足底压力刺激。角度调整器可以调节脚部固定器和小腿固定器的角度，从被试在躺下时能够曲腿接受足底刺激，从而更加舒服。

与已有技术对比来看，本发明的有益效果体现在：

本发明能够有效地模拟人体步态的足底压力变化，而且兼容磁共振环境，更能让被试保持躺着的静止状态接受足底刺激。

附图说明

图1为本发明装置的逻辑模块示意图，实线箭头代表气流方向，步态压力模拟模块包含的所有部件已用虚线围起来。

图2是本发明装置的结构示意图。

图3是步态压力模拟机电装置放置在磁共振扫描间外的水模磁共振扫描图a和工作的步态压力模拟机电装置放置在磁共振扫描间内的水模磁共振扫描图b。

图4是本发明模拟的足底总压力值与实际行走的足底总压力值对比图。

图中标号：1气压动力模块；2控制模块；3非铁磁性气管；4气缸a；5缓冲器；6气孔c；7.气孔a；8气孔b；9固定直板；10直杆a；11转动点a；12直杆b；13转动点b；14.压力刺激直板；15脚部固定器；16角度调整器；17小腿固定器；18直杆c；19气缸b；20撑板；21气孔d；22调整槽；23转动点c；24步态压力模拟模块。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明，但本发明并不局限于此。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的电源、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

1.常规实施流程如下：

1)使用塑料空心气管连接气压动力模块、控制模块、步态压力模拟模块，使用铝制成的气缸a和气缸b，使用尼龙制成的气缸、缓冲器、脚部固定器、小腿固定器、角度调整器、撑板、固定直板、压力刺激直板、转动点和直杆；

2)在磁共振工作室外放置气压动力模块和控制模块，并在控制模块上设置好步态模拟参数，使输出的两路模拟步态气压是方波波形的气压脉冲，最高气压为0.24MPa，脉冲频率1Hz，相位差为90°，占空比50％，刺激周期时长1s，刺激重复次数7次，刺激间隔时间30s；

3)将步态压力模拟模块放置在磁共振工作室内；

4)右利脚被试进入磁共振工作室，躺在工作台上后，其右脚放置在步态压力模拟模块的脚部固定器和小腿固定器中；

5)一种梯度回波平面成像序列(GRE-EPI)被用在GE的3T磁共振扫描机上，其采集参数设置如下：GE的3T磁共振扫描机，一种梯度回波平面成像序列(GRE-EPI)，TR＝2000ms，TE＝30ms，翻转角＝90°，矩阵＝64×64，厚度/间距＝4mm/1mm，FOV＝24*24cm，33交错轴位片；

6)给气压动力模块接通220V的常规电源，给控制模块接通24V的输入电源，打开控制开关，让步态压力模拟模块开始工作。在一个刺激周期中，压力刺激直板会先只刺激被试的后脚跟，再刺激被试的前脚掌和后脚跟，然后刺激被试的前脚掌，最后既不刺激前脚掌也不刺激后脚跟。

2.磁共振兼容效果测试：

为了检验此装置的磁共振兼容性，我们在磁共振扫描间中放置了水模进行磁共振兼容性扫描测试，扫描参数如下：GE的3T磁共振扫描机，一种梯度回波平面成像序列(GRE-EPI)，TR＝2000ms，TE＝30ms，翻转角＝90°，矩阵＝64×64，厚度/间距＝4mm/1mm，FOV＝24*24cm²，33交错轴位片。此测试选择了2种情况进行对照实验：1.把步态压力模拟机电装置放置在磁共振扫描间外进行水模的扫描(参见图3a)；2.把正在工作的步态压力模拟机电装置放置在磁共振扫描台上进行水模的扫描(参见图3b)。对比实验结果(参见图3)，我们可以发现二者之间没有明显区别，说明此步态压力模拟机电装置具有磁共振兼容性，不会影响磁共振图像的质量。

3.人体步态足底压力模拟效果测试：

为了检验此装置模拟步态足底压力的效果，我们使用了足底压力测量鞋垫(压力传感器个数＝99，采样频率＝2ms，采集压力范围＝0～1000N，精度＝0.01N)来测量被试实际行走时的足底总压力和被试在此装置上一个周期内受到的足底总压力。一名被试(年龄＝23岁，体重＝60kg)的典型结果是实际行走的步态压力时间序列与步态模拟足底压力的时间序列的皮尔逊相关系数为0.87(参见图4)，说明此装置具有模拟步态足底压力的可行性。

Claims (7)

1.本发明是一种磁共振兼容的人体步态足底压力模拟机电装置，其特征在于：所述的步态足底压力模拟器由气压动力模块(1)、控制模块(2)、步态压力模拟模块(24)组成，步态压力模拟模块(24)包含的气缸a(4)和气缸b(8)分别与直杆a(10)和直杆c(18)固定连接，直杆a(10)、直杆b(12)和直杆c(18)与压力刺激直板(14)活动连接，脚部固定器(15)和压力刺激直板(14)之间没有接触，固定直板(9)与撑板(20)固定连接，气缸a(4)、气缸b(8)和缓冲器(5)固定于固定直板(9)。

2.根据权利要求1所述的人体步态足底压力模拟装置，其特征在于：气压动力模块(1)、控制模块(2)、步态压力模拟模块(24)之间用非铁磁性气管(3)连接，步态压力模拟模块(24)采用高压空气驱动，且步态压力模拟模块(24)全部部件均由非铁磁性材料制成，步态压力模拟模块(24)的全部部件包含但不限于气缸a(4)、气缸b(8)、缓冲器(5)、脚部固定器(15)、小腿固定器(17)、角度调整器(16)、固定直板(9)、压力刺激直板(14)、直杆a(10)、直杆b(12)、直杆c(18)。

3.根据权利要求1所述的人体步态足底压力模拟装置,其特征在于：气压动力模块(1)由电驱动，输出最高压力为0.8Mpa。

4.根据权利要求1所述的人体步态足底压力模拟装置,其特征在于：控制模块(2)由电驱动，输入电压为12～24V，输入电流为0.5～1A，输出最高压力为0.8Mpa。

5.根据权利要求1所述的人体步态足底压力模拟装置,其特征在于：步态压力模拟模块(24)由高压空气驱动，压力刺激直板(14)的输出压力范围为0～800N。

6.根据权利要求1所述的人体步态足底压力模拟装置，其特征在于：步态压力模拟模块(24)包含脚部固定器(15)、小腿固定器(17)，脚部固定器(15)和小腿固定器(17)之间由角度调整器(16)连接，脚部固定器(15)底面和小腿固定器(17)腹部的夹角范围可调节并固定为30°～90°。

7.根据权利要求1所述的人体步态足底压力模拟装置，其特征在于：气缸a(4)和气缸b(19)在固定直板(9)上的位置可以移动，直杆a(10)对准前脚掌的中心位置，直杆c(18)对准后脚跟的中心位置，压力刺激直板(14)与被试足底接触。