CN107261325B - 一种偏瘫患者行走训练防过伸方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏瘫患者行走训练防过伸方法及装置，利用单片机、电磁抱闸、光电编码器和下肢机械外骨骼的配合，防止膝关节过伸现象的发生，在患者进行康复训练时，通过传感器检测到膝关节即将伸直时，用电脉冲刺激其腿部股二头肌，使其膝关节收缩，防止过伸现象的发生，从而避免了患者在康复后留下行走时膝关节过伸的后遗症。

Description

一种偏瘫患者行走训练防过伸方法及装置

技术领域

本发明属于医学理疗装置技术领域，具体涉及一种偏瘫患者行走训练防过伸方法及装置。

背景技术

近年来，我国偏瘫患者人数持续上升，不但使社会保障压力剧增，同时也给患者家庭和个人带来了深重的苦难。尽管随着医学技术的进步，通过一定的治疗手段可以使偏瘫患者恢复行走能力，但是由于现有治疗手段与设备的局限性，使得患者在完全康复后会留下膝关节过伸的后遗症，导致患者行走姿势异常。

功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)属于神经肌肉电刺激(neuromuscular electrical stimulation,NES)的范畴，是利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动，以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的。

人体的下肢包含较多的肌肉群，其中膝关节屈肌群主要包括股二头肌长头、股二头肌短头、半腱肌和半膜肌。股二头肌交叉在膝关节附近的肌腱群，主要负责控制膝盖弯曲与大腿伸展的动作，位于大腿后侧，有长短二个头，基本功能是使小腿后屈。当用一个适当的电脉冲刺激股二头肌时，会引起股二头肌收缩完成屈膝动作。

目前国内防止偏瘫患者行走训练时膝关节过曲的技术方案主要有以下几种：

1)当偏瘫患者进行行走训练时，在其膝关节刚好伸直时，人为的向其膝关节施加外力，阻止患者的膝关节过曲，医护人员必须全程协助偏瘫患者进行行走训练，患者每走一步，医护人员都要向其膝关节施加一个外力，一方面过于耗费人力，另一方面也使协助其训练的医护人员感到身心疲惫。另外，仅仅凭人眼的观察，难以准确的判断患者的膝关节是否刚好伸直，因此对防止偏瘫患者膝关节过伸效果有限；

2)机械外骨骼装置，此类技术方案主要是将机械外骨骼捆绑在偏瘫患者的下肢，依靠机械外骨骼在伸直时便不能继续向前弯曲的特点来防止膝盖过曲，如果机械外骨骼与患者的腿部固定的不够紧密，当机械外骨骼伸直时，由于人体的肌肉具有一定的弹性，患者的膝盖仍能继续弯曲，因此并不能有效的防止膝盖过伸；而若将机械外骨骼与患者的腿部固定得过于紧密，则会使患者腿部血液流通不畅，给患者的腿部造成二次伤害，违背了康复训练的初衷；

3)弹力绷带捆扎法，此类技术方案是在偏瘫患者的膝关节处捆扎上弹力绷带，通过弹力绷带的弹性作用防止偏瘫患者膝关节过伸，如果弹力绷带捆绑太紧或捆绑时间太长，均会对患者的膝关节乃至整个下肢带来损伤；而捆绑太松又达不到膝关节防过伸的效果，因此其效果及实用性并不理想。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了偏瘫患者行走训练防过伸方法及装置，在患者进行康复训练时，通过传感器检测膝关节伸直瞬间，用电脉冲刺激其腿部股二头肌，使其膝关节收缩，防止过伸现象的发生，从而避免了患者在康复后留下行走姿势异常(膝关节过伸)的后遗症。

为达到上述目的，本发明所述一种偏瘫患者行走训练防过伸方法，包括以下步骤：

步骤1、用光电编码器对患者行走动作进行采集，光电编码器输出两路相位差为90度的A路脉冲和B路脉冲，并将两路相位差为90度的A、B两路脉冲传递至单片机；

步骤2、单片机首先判断A、B两路脉冲的相位差，并根据A、B两路脉冲的相位差进行增计数或减计数，当患者的膝关节弯曲至最大程度时，单片机的计数值达到最大值，随着患者继续行走，膝关节逐渐伸直，此过程单片机处于减计数模式，其计数值逐渐减小，当单片机的计数值回到减至设定值时，单片机向电刺激脉冲发生器发出启动信号；

步骤3、电刺激脉冲发生器在单片机的启动信号作用下启动，通过电极片刺激患者的股二头肌，使患者膝关节收缩，延时2s～5s后，单片机关闭电刺激脉冲发生器；

步骤4、患者继续行走，单片机继续计数，重复步骤1至步骤3。

步骤2中，当单片机的计数值回到设定值时，单片机还向电磁抱闸发出启动信号，使电磁抱闸锁死套设在患者下肢的下肢机械外骨骼，使患者的腿部不再动作。

一种偏瘫患者行走训练防过伸装置，其特征在于，包括和人体膝关节骨骼相适配的下肢机械外骨骼和单片机，下肢机械外骨骼包括铰接的大腿支撑和小腿支撑，下肢机械外骨骼上设置有电刺激脉冲发生器，电刺激脉冲发生器的输出端设置有电极片，下肢机械外骨骼的大腿支撑与小腿支撑的连接处设置有光电编码器，单片机分别与光电编码器和电刺激脉冲发生器连接，光电编码器为双路输出的增量式旋转编码器。

所述光电编码器用于采集患者的下肢动作信号，并将下肢动作信号转化为相位差为90度的A、B两路脉冲，然后将A、B两路脉冲传递至单片机，

所述单片机用于接收光电编码器传递的A、B两路脉冲，并根据A、B两路脉冲的相位差进行增计数或减计数，当单片机进行减计数至设定值时，单片机向电刺激脉冲发生器发出启动信号，延时2s～5s后，单片机向电刺激脉冲发生器发出关闭信号，

所述电刺激脉冲发生器用于接收单片机发出的启动或关闭信号，并根据接收到的信号启动或关闭。

还包括电磁抱闸，所述电磁抱闸与单片机通信连接。

所述电磁抱闸为通电制动型。

所述电刺激脉冲发生器产生的电脉冲频率为20Hz～100Hz，电流波幅为≤30mA。

所述大腿支撑和小腿支撑外表面设置有捆带。

与现有技术相比，本发明将单片机、光电编码器、电刺激脉冲发生器相结合，当其膝关节即将伸直时，电脉冲刺激其二头肌并启动电磁抱闸，防止偏瘫患者行走时发生过伸现象，同时提供一种集检测和分析控制于一体的装置，能够有效的防止偏瘫患者在行走训练中膝关节过伸。其中，光电编码器与单片机结合，能够精准的检测下肢机械外骨骼弯曲的角度，为电刺激提供最佳的时机；由单片机控制电刺激脉冲发生器，实现智能化，光电编码器为双路输出的增量式旋转编码器，双路输出的旋转编码器可以输出A、B两路相位差为90度的脉冲，通过这两路脉冲不仅可以测量旋转的角度，还可以判断旋转的方向。

进一步的，下肢机械外骨骼的膝关节处还设置有电磁抱闸，电磁抱闸与单片机通信连接，当单片机启动电刺激脉冲发生器时，同时启动电磁抱闸，电磁抱闸锁死，大腿支撑和小腿支撑不能相对转动，限制了患者腿部的运动，从而进一步加强防止患者膝关节过伸的效果。

进一步的，电磁抱闸为通电制动型，在下肢机械外骨骼伸直时启动电刺激脉冲发生器与电磁抱闸，而其余时间两者均处于‘休眠’状态，大大降低了功耗，并促进了各个部分的协调工作。

进一步的，电刺激脉冲发生器产生的电脉冲频率为20Hz～100Hz，电流波幅为≤30mA的电脉冲，一方面有利于肌肉的持续性收缩，另一方面可以有效地减轻腿部肌肉疲劳。

进一步的，大腿支撑和小腿支撑外表面设置有捆带，捆带用于调整大腿支撑或小腿支撑与人体配合的松紧程度。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明的防过伸装置示意图；

附图中：1、大腿支撑，2、捆带，3、光电编码器，5、小腿支撑，6、电刺激脉冲发生器，7、电极片，8、电磁抱闸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，一种偏瘫患者行走训练防过伸方法，包括以下步骤：

步骤1、将下肢机械外骨骼穿戴至患者的下肢，下肢机械外骨骼上设置有光电编码器3，用光电编码器3对患者行走动作进行采集，光电编码器3输出两路相位差为90度的A、B两路脉冲，并将两路相位差为90度的A、B两路脉冲，传递至单片机；

步骤2、单片机首先判断A、B两路脉冲的相位差，并根据A、B两路脉冲的相位差进行增计数或减计数，对于左下肢：若A路脉冲相位超前B路脉冲相位90度，令单片机作增计数；反之，若B路脉冲相位超前A路脉冲相位90度，令单片机作减计数；右下肢与左下肢相反：若A路脉冲相位超前B路脉冲相位90度，令单片机作减计数；反之，若B路脉冲相位超前A路脉冲相位90度，令单片机作增计数。当患者的膝关节弯曲至最大程度时，单片机的计数值达到最大值，随着患者继续行走，膝关节逐渐伸直，此过程单片机处于减计数模式，其计数值逐渐减小，当单片机的计数值减至设定值时，单片机向电刺激脉冲发生器6发出启动信号，该设定值范围为患者膝关节弯曲角度在5～10度范围内的计数值，具体根据患者的个体差异而定；

步骤3、电刺激脉冲发生器6在单片机的启动信号作用下启动，通过电极片7刺激患者的股二头肌，使患者膝关节收缩；同时单片机向电磁抱闸8发出启动信号，使电磁抱闸8锁死套设在患者下肢的下肢机械外骨骼，限制患者的腿部动作，延时2s～5s后，单片机关闭电刺激脉冲发生器6；

步骤4、如果患者继续行走，重复步骤1至步骤3，如果患者不再行走，关闭总电源，流程结束。

参照图2，一种偏瘫患者行走训练防过伸装置包括电刺激部分、检测与控制部分和机械部分。

机械部分包括与人体膝关节骨骼相适配的下肢机械外骨骼，下肢机械外骨骼为偏瘫患者在进行行走训练时提供腿部支持，同时作为其他部分安装的载体，下肢机械外骨骼包括大腿支撑1和小腿支撑5，大腿支撑1和小腿支撑5通过能活动的关节连接，大腿支撑1和小腿支撑5上均缠绕有具有弹性的捆带2，捆带2用于调整大腿支撑1或小腿支撑5与人体配合的松紧程度，大腿支撑1外表面设置有电刺激脉冲发生器6，电刺激脉冲发生器6的输出端与电极片7连接，小腿支撑5外表面设置有捆带，下肢机械外骨骼的大腿支撑与小腿支撑的连接处设置有光电编码器3和电磁抱闸8，将电磁抱闸8安装在下肢机械外骨骼外侧，光电编码器3安装在下肢机械外骨骼内侧。

检测与控制部分包括单片机、电磁抱闸8、光电编码器3和直流电源，直流电源用于给单片机、电磁抱闸8、光电编码器3和电刺激脉冲发生器6供电，整个装置是否工作由该直流电源控制，打开直流电源开关，整个装置开始工作；关闭直流电源开关，整个装置停止工作。单片机为整个装置的控制中心，单片机与光电编码器3和电磁抱闸8通信连接，单片机用于对光电编码器3的输出信号进行计数，并控制电磁抱闸8和电刺激脉冲发生器6的启动或关闭，具体流程为：单片机发送控制信号至电刺激脉冲发生器6和电磁抱闸8，使电刺激脉冲发生器6产生电脉冲刺激患者下肢股二头肌，使患者膝关节收缩；使电磁抱闸8通电，通电后电磁抱闸8锁死，限制下肢机械外骨骼运动，电磁抱闸8未通电时，大腿支撑1和小腿支撑5可以进行相对转动，通电后电磁抱闸8锁死，大腿支撑1和小腿支撑5之间不能相对转动，从而限制了患者膝关节的运动。

因为人体膝关节是否伸直较难检测，所以本发明通过判断下肢机械外骨骼是否伸直来间接判断，为了检测小腿转动的方向，判断患者膝关节何时伸直，采用双路输出的增量式旋转编码器。双路输出的旋转编码器能够输出A/B两路相位差为90度的脉冲，通过将这两路脉冲传递至单片机，单片机不仅可以测量小腿旋转的角度，还可以判断小腿旋转方向，光电编码器3安装在患者下肢内侧，下文提及的“顺、逆时针”均为从下肢内侧看向光电编码器3而言，对于左下肢：当膝关节逐渐弯曲时，光电编码器3顺时针转动，输出的两路脉冲中，A路脉冲的相位超前B路脉冲相位90度，此时单片机作增计数；当膝关节逐渐伸直时，光电编码器3逆时针转动，输出的两路脉冲中，B路脉冲的相位超前A路脉冲相位90度，光电编码器3作减计数；对于右下肢：当膝关节逐渐伸直时，光电编码器3顺时针转动，输出的两路脉冲中，A路脉冲的相位超前B路脉冲相位90度，单片机作减计数，当膝关节逐渐弯曲时，光电编码器3逆时针转动，输出的两路脉冲中，B路脉冲的相位超前A路脉冲相位90度，单片机作增计数。

以患者右下肢为例，光电编码器3的工作原理和工作过程如下：光电编码器3选用增量式旋转编码器，增量式旋转编码器将下肢机械外骨骼完全伸直时光电编码器3的计数值设为0，并将此位置设置为初始位置。当患者开始行走后，小腿支撑5相对于大腿支撑1是向后转动，此时B路输出脉冲的相位超前A路输出脉冲的相位90度，单片机增计数，从患者开始行走至膝关节弯曲至最大角度，单片机计数到N。患者膝关节弯曲至最大角度后，下肢机械外骨骼随着患者腿部的继续行走，小腿支撑5相对于大腿支撑1向前转动，由于光电编码器3也随着下肢机械外骨骼反向转动，A路输出脉冲的相位超前B路输出脉冲的相位90度，由此可以判断患者的膝关节开始逐渐伸直，单片机进行减计数。当下肢机械外骨骼即将伸直时，意味着单片机的计数值即将回到0，考虑到装置各个部分的时间延迟，当单片机减计数到设定值时，启动电刺激脉冲发生器与电磁抱闸工作。该设定值范围为患者膝关节弯曲角度在5～10度范围内的计数值，具体根据患者的个体差异而定。

电刺激部分包括电刺激脉冲发生器6和电极片7，电刺激脉冲发生器6产生的电刺激脉冲见表1，电极片7直接粘贴于患者下肢的股二头肌处，用于传导电刺激脉冲发生器6产生的电脉冲。

表1肌肉功能性电刺激-电刺激脉冲参数

本发明的操作过程如下：使用时，将下肢机械外骨骼穿戴至患者的下肢，大腿支撑1与大腿贴合，小腿支撑5与小腿贴合，在患者进行康复训练过程中，当其膝关节逐渐弯曲时，单片机一直处于增计数模式，计数值逐渐增大，当患者的膝关节弯曲至最大程度时，单片机的计数值达到最大值。随着患者继续行走，膝关节逐渐伸直，此过程单片机处于减计数模式，其计数值逐渐减小，当单片机的计数值减至设定值时，单片机立即发出两路控制信号分别控制电刺激脉冲发生器6与电磁抱闸8工作，启动电刺激脉冲发生器6产生电脉冲，电脉冲通过电极片7传导至患者下肢，刺激股二头肌，使患者膝关节收缩；另一路控制信号启动电磁抱闸8，限制下肢机械外骨骼的运动；电磁抱闸8与电刺激同时作用，达到防过伸效果，延时2s～5s后，单片机关闭电刺激脉冲发生器6与电磁抱闸8，患者继续行走，单片机继续计数，本发明通过电刺激部分、机械部分以及检测和控制部分相互协调，共同作用，从而高效而准确的防止偏瘫患者在行走训练过程中膝关节过伸。

Claims (6)

1.一种偏瘫患者行走训练防过伸方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、用光电编码器(3)对患者行走动作进行采集，光电编码器(3)输出两路相位差为90度的A路脉冲和B路脉冲，并将两路脉冲传递至单片机；光电编码器(3)为双路输出的增量式旋转编码器；

步骤2、单片机首先判断A、B两路脉冲的相位差，并根据A、B两路脉冲的相位差进行增计数或减计数，当患者的膝关节弯曲至最大程度时，单片机的计数值达到最大值，随着患者继续行走，膝关节逐渐伸直，此过程单片机处于减计数模式，其计数值逐渐减小，当单片机的计数值减至设定值时，单片机向电刺激脉冲发生器(6)发出启动信号；

步骤3、电刺激脉冲发生器(6)在单片机的启动信号作用下启动，通过电极片(7)刺激患者的股二头肌，使患者膝关节收缩，延时2s～5s后，单片机关闭电刺激脉冲发生器(6)；

步骤4、患者继续行走，单片机继续计数，重复步骤1至步骤3；

步骤2中，当单片机的计数值回到设定值时，单片机还向电磁抱闸(8)发出启动信号，使电磁抱闸(8)锁死套设在患者下肢的下肢机械外骨骼，使患者的腿部不再动作；

2.一种偏瘫患者行走训练防过伸装置，其特征在于，包括和人体膝关节骨骼相适配的下肢机械外骨骼和单片机，下肢机械外骨骼包括铰接的大腿支撑(1)和小腿支撑(5)，下肢机械外骨骼上设置有电刺激脉冲发生器(6)，电刺激脉冲发生器(6)的输出端设置有电极片(7)，下肢机械外骨骼的大腿支撑与小腿支撑的连接处设置有光电编码器(3)，单片机分别与光电编码器(3)和电刺激脉冲发生器(6)连接，所述光电编码器(3)为双路输出的增量式旋转编码器；

所述光电编码器(3)用于采集患者的下肢动作信号，并将下肢动作信号转化为相位差为90度的A、B两路脉冲，然后将A、B两路脉冲传递至单片机，

所述单片机用于接收光电编码器(3)传递的A、B两路脉冲，并根据A、B两路脉冲的相位差进行增计数或减计数，当单片机进行减计数至设定值时，单片机向电刺激脉冲发生器(6)发出启动信号，延时2s～5s后，单片机向电刺激脉冲发生器(6)发出关闭信号，同时单片机还向电磁抱闸(8)发出启动信号，使电磁抱闸(8)锁死套设在患者下肢的下肢机械外骨骼，使患者的腿部不再动作；

所述电刺激脉冲发生器(6)用于接收单片机发出的启动或关闭信号，并根据接收到的信号启动或关闭。

3.根据权利要求2所述的一种偏瘫患者行走训练防过伸装置，其特征在于，还包括电磁抱闸(8)，所述电磁抱闸(8)与单片机通信连接。

4.根据权利要求3所述的一种偏瘫患者行走训练防过伸装置，其特征在于，所述电磁抱闸(8)为通电制动型。

5.根据权利要求2所述的一种偏瘫患者行走训练防过伸装置，其特征在于，所述电刺激脉冲发生器(6)产生的电脉冲频率为20Hz～100Hz，电流波幅为≤30mA。

6.根据权利要求2所述的一种偏瘫患者行走训练防过伸装置，其特征在于，所述大腿支撑(1)和小腿支撑(5)外表面设置有捆带(2)。