CN109157374A - 一种重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统，包括下肢康复训练机、运动控制模块、交互控制模块、数据采集模块及云平台；数据采集模块采集ICU脑瘫病人体征数据，通过串口通信传递给交互控制模块，实现脑瘫病人双下肢协调运动评测及安全控制；根据评测结果可自动生成康复训练方案，医护人员也可通过交互控制模块设置康复训练模式与参数来生成控制指令，发送给运动控制模块，控制下肢康复训练机辅助病人完成多模式康复训练；云平台通过互联网与医院病历管理系统相连，导入ICU病人病历信息及体征数据，采用聚类分析自动生成个性化康复治疗方案；该系统还可根据病人需求进行自由移动及位置调整，操作方便，安全可靠性高，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于医疗康复器材领域，具体涉及一种用于重症监护室脑瘫病人的双下肢协调运动康复系统。
背景技术
由于重症监护室ICU瘫痪病人长期卧床，如果不尽早介入运动康复治疗及训练，病人容易出现下肢肌肉萎缩而无法痊愈，甚至造成终生瘫痪，医护人员人数及经验的不足，也难以满足大量病人个性化治疗的需求。
现代康复医学研究表明在脑瘫病人生命体征稳定状态下，越早介入下肢康复运动训练，可有效减轻肌肉萎缩，改善血液循环，提高脑瘫病人术后康复几率；然而，现阶段大量的脑瘫病人康复运动需要医护人员亲自完成，这给医护人员带来繁重的工作负担，同时现有下肢康复医疗机器结构复杂，安全可靠性差，且难以使用，无法满足不同患者的个性化需求，特别是缺少针对ICU脑瘫病人双下肢关节多模式协调运动的康复治疗要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而设计了一种用于重症监护室脑瘫病人的双下肢协调运动康复系统。
为了实现上述目的，本发明公开的一种重症监护室脑瘫病人的双下肢协调运动康复系统，结构包括下肢康复训练机、运动控制模块、交互控制模块、体征数据采集模块及云平台；体征数据采集模块获取病人体征数据，并以串口通信的方式上传给交互控制模块；交互控制模块将获取的病人体征数据进行A/D转换、放大、滤波等处理，实现脑瘫病人的双下肢协调运动评测，并根据评测结果自动生成康复训练方案；交互控制模块还可以根据医护人员输入的康复训练模式及参数生成控制指令，并将控制指令发送给运动控制模块；运动控制模块根据控制指令控制所述下肢康复训练机辅助脑瘫病人完成多模式双下肢协调运动康复训练；云平台可通过互联网与医院病历管理系统连接，用于从医院病历管理系统中导入ICU病人病历信息，并采用聚类分析生成个性化康复治疗方案；通过与云平台相连接，交互控制模块还可接收ICU病人体征数据及病历信息并存储，并结合体征数据采集模块获取的数据，来判断脑瘫病人康复运动情况及肌肉疲劳状况，并将结果返回给交互控制模块显示，并修正康复训练参数；当病人体征数据偏离正常参数值范围时，交互控制模块发送停止训练安全控制指令给运动控制模块，控制所述下肢康复训练机停止对病人的康复训练。基于上述设计原理，所述系统的康复训练模式包含三种训练模式，即主动训练模式、被动训练模式及主被动自适应训练模式；主动训练模式是指通过病人克服下肢康复训练机提供的阻抗扭矩，实现病人双下肢协调运动的主动康复训练；被动训练模式是指通过控制下肢康复训练机运动，牵引病人实现双下肢协调运动的被动康复训练；主被动自适应训练模式为根据病人双下肢协调运动特征变化，基于所述运动控制模块实现病人双下肢协调运动的主被动自适应康复训练。
所述重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统的下肢康复训练机包括支架、伺服电机、齿轮组和一对摆腿组件；每组摆腿组件由曲柄连杆机构、大腿摆杆、小腿摆杆和电推杆组成；大腿摆杆的一端通过转轴安装在支架上，大腿摆杆的另一端通过转轴连接在小腿摆杆的一端，小腿摆杆另一端自由，伺服电机通过齿轮组减速后驱动曲柄连杆机构运动，从而实现大腿摆杆摆动，电推杆的两端分别安装在大腿摆杆和小腿摆杆上，电推杆驱动小腿摆杆相对大腿摆杆摆动；一对摆腿组件中曲柄连杆机构活动度为120°-180°；通过伺服电机和电推杆的协调运动控制，实现ICU脑瘫病人双下肢协调运动康复训练；大腿摆杆长度可根据不同病人需求进行调整；支架上安装自锁万向轮，实现系统自由移动及位置固定；大腿摆杆和小腿摆杆上均安装有固定弧形套，提高病人康复训练的舒适性；所述重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统的体征数据采集模块包括心率血压采集单元、肺活量采集模块、运动参数采集单元、压力采集单元及肌电信号采集单元；心率血压采集单元获取病人心率及血压，与肺活量采集模块获取病人实时肺活量相结合，用于康复训练过程的病人生理安全监控；运动参数采集单元采集双下肢各关节运动角度和速度，评价脑瘫病人的康复运动情况；压力采集单元为脚穿式结构，采集病人在不同双下肢协调运动状态下的足部压力值，用于判断脑瘫病人是否正确佩戴下肢康复训练机、步态分析及辅助训练方案制定；肌电信号采集单元获取病人下肢的肌电信号，用于判断脑瘫病人肌肉疲劳状况，提高康复训练过程安全性。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步：所述的重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统包括下肢康复训练机、运动控制模块、交互控制模块、体征数据采集模块及云平台；体征数据采集模块采集重症监护室脑瘫病人体征数据，通过串口通信传递给交互控制模块；交互控制模块通过对病人体征数据分析，实现ICU脑瘫病人的双下肢协调运动评测，并根据评测结果自动生成康复训练方案；医护人员也可通过交互控制模块设置康复训练模式及参数，将生成的控制指令发送给运动控制模块，下肢康复训练机在运动控制模块的控制下，调整伺服电机和电推杆参数，通过伺服电机、齿轮组及曲柄摇杆机构驱动大腿摆杆实现摆动，电推杆通过驱动小腿摆杆摆动产生两侧曲柄摇杆机构的角度差，来模拟人体的双下肢协调运动，帮助ICU脑瘫病人实现双下肢各关节的多模式主被动运动康复治疗；当病人体征数据偏离正常参数值范围时，交互控制模块发送停止训练安全控制指令给运动控制模块，控制所述下肢康复训练机停止对病人的康复训练；该双下肢协调运动康复系统的支架上安装自锁万向轮，可根据病人不同需求进行自由移动及位置调整，操作方便，安全可靠性高，应用前景广阔。
附图说明
图1是所述重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统的原理框图。
图2是本发明的下肢康复训练机结构示意图。
图3是本发明的摆腿组件部分结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统结构包括下肢康复训练机、运动控制模块、交互控制模块、体征数据采集模块及云平台；体征数据采集模块采集病人体征数据，并以串口通信的方式上传给交互控制模块；交互控制模块根据病人体征数据进行脑瘫病人的双下肢协调运动评测，并根据评测结果可自动生成康复训练方案；交互控制模块还可以根据医护人员输入的康复训练模式及参数生成控制指令，并将控制指令发送给运动控制模块；通过与云平台相连接，交互控制模块还可接收ICU病人体征数据及病历信息并存储，结合体征数据采集模块获取的数据，实现脑瘫病人康复运动情况及肌肉疲劳状况评价，并将结果返回给交互控制模块显示，以及用于康复训练参数修正；运动控制模块根据控制指令，控制所述下肢康复训练机辅助脑瘫病人完成多模式的双下肢协调运动康复训练；云平台可通过互联网与医院病历管理系统连接，从医院病历管理系统中导入ICU病人病历信息，采用聚类分析生成个性化康复治疗方案。
如图1所示的重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统康复训练模式包含三种训练模式，即主动训练模式、被动训练模式及主被动自适应训练模式；主动训练模式适合有意识且下肢肌肉力量较弱的脑瘫病人，根据评测结果设置电机阻尼参数及时间，病人可自主施加下肢力量克服下肢康复训练机提供的阻抗扭矩，实现病人双下肢协调运动的主动康复训练；被动训练模式适合脑瘫严重且下肢肌肉力量匮乏的病人，根据评测结果设置电机运动控制指令，通过控制下肢康复训练机运动，牵引病人实现双下肢协调运动的被动康复训练；主被动自适应训练模式为根据病人双下肢协调运动特征变化，基于运动控制模块自适应调整电机控制指令，实现对ICU脑瘫病人主被动自适应双下肢协调康复训练。
如图2所示的下肢康复训练机包括伺服电机1、支架10、齿轮组6和一对摆腿组件，每组摆腿组件由曲柄连杆机构13、大腿摆杆8、小腿摆杆9和电推杆11组成，大腿摆杆8的一端通过转轴安装在支架10上，大腿摆杆8的另一端通过转轴连接在小腿摆杆9的一端，小腿摆杆9另一端自由，构成实现脑瘫病人双下肢协调康复运动的外骨骼结构；伺服电机1通过齿轮组6减速，驱动长轴4实现双侧曲柄连杆机构13协调运动，实现大腿摆杆8摆动；曲柄连杆机构13的连杆连接在连接块13上，连接块13通过大腿摆杆上的安装孔2来固定；电推杆11两端分别安装在大腿摆杆8和小腿摆杆9上，电推杆11驱动小腿摆杆9实现相对大腿摆杆8的摆动；电推杆11的两端均为活动连接结构，满足小腿摆杆9和大腿摆杆8之间角度变化的要求；一对摆腿组件中曲柄连杆机构13的角度差在120°-180°之间变化，满足模拟人体正常行走状态下跨步空间的要求；通过伺服电机1和电推杆11的协调运动控制，即设定伺服电机的转速和电推杆的伸缩速度，实现脑瘫病人多模式双下肢协调运动康复训练；支架10上安装有自锁万向轮14，大腿摆杆8和小腿摆杆9上均安装有固定弧形套5，且固定弧形套5内设置有海绵垫。
如图3所示，摆腿组件中套管16上设计有一排定位孔18，大腿摆杆8上设计有对应孔，通过插入定位销19来固定大腿摆杆8和套管16的位置，大腿摆杆8的长度可调，满足不同腿长病人的实际需求。
所述体征数据采集模块包括心率血压采集单元、肺活量采集模块、运动参数采集单元、压力采集单元和肌电信号采集单元；心率血压采集单元采用光电心率传感器，获取ICU脑瘫病人的心率及血压；运动参数采集单元，基于电机光电编码器采集双下肢运动角度和速度；所述云平台采用阿里云平台，高效管理下肢各关节运动数据，评价脑瘫病人的康复运动情况；压力采集单元为脚穿式结构的足底压电陶瓷传感器，采集病人在双下肢协调运动状态下足部压力值，当足部压力分布不稳定时，提示使用者下肢康复训练机佩戴不正确，需重新佩戴；肌电信号采集单元采用8通道设计，包括八通道肌电传感器及信号处理电路，信号处理电路可通过放大、滤波及A/D转换等方式，准确获取脑瘫病人双下肢协调运动肌电信号，判断脑瘫病人的肌肉疲劳情况。
使用时，基于自锁万向轮将下肢康复训练机移动到脑瘫病人病床的合适位置并固定；根据脑瘫病人的腿部特征，通过调整大腿摆杆与套管的对应位置，将脑瘫病人双下肢安全舒适地放入大小腿摆杆上的固定弧形套中，并采用固定扎带绑定在下肢康复训练机上；打开系统电源，医护人员在交互控制模块上选择双下肢协调运动评测功能；设置完成后，生成控制指令下发至运动控制模块，点击交互控制模块中的评测开始按钮，开始进行脑瘫病人的双下肢协调运动评测；根据评测结果及系统自动生成的训练方案，医护人员在交互控制模块上完成训练模式及参数选择，点击交互控制模块中的训练开始按钮，开始已设定模式下的ICU脑瘫病人双下肢协调康复训练过程，训练过程中体征数据采集模块采集病人心率、血压、足压力、肌电信号及双下肢运动角度及角速度信号，并发送至交互控制模块，这些采集到的病人体征数据也可上传到云平台上保存，也可用于自适应修正康复训练参数。
康复训练结束后，点击交互控制模块中训练结束按钮，控制伺服电机转速和电推杆伸缩速度逐步减为零，最终回到初始位，云平台仍记录病人体征数据，直至数据平稳；当病人的双腿不再摆动时，关闭运动控制模块、交互控制模块和体征数据采集模块电源；解开固定扎带，将病人的双下肢与下肢康复训练机安全脱离，最终从ICU病床上移走下肢康复训练机。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (4)
1.一种重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统，其特征在于：该系统结构包括下肢康复训练机、运动控制模块、交互控制模块、体征数据采集模块及云平台；体征数据采集模块采集病人体征数据，并以串口通信的方式传输给交互控制模块；交互控制模块将获取的病人体征数据进行A/D转换、放大、滤波等处理，实现脑瘫病人的双下肢协调运动评测，并根据评测结果自动生成康复训练方案；交互控制模块还可以根据医护人员输入的康复训练模式及参数生成控制指令，并发送给运动控制模块；运动控制模块根据控制指令，控制下肢康复训练机辅助脑瘫病人完成多模式双下肢协调运动康复训练；云平台可通过互联网与医院病历管理系统连接，从医院病历管理系统中导入ICU病人病历信息，采用聚类分析生成个性化康复治疗方案；通过与云平台相连接，交互控制模块还可接收ICU病人体征数据及病历信息并存储，并结合体征数据采集模块获取的数据，来判断脑瘫病人康复运动情况及肌肉疲劳状况，并将结果返回给交互控制模块显示，并修正康复训练参数；当病人体征数据偏离正常参数值范围时，交互控制模块发送停止训练安全控制指令给运动控制模块，控制所述下肢康复训练机停止对病人的康复训练。
2.根据权利要求1所述的重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统，其特征在于：所述康复训练模式包含三种训练模式，即主动训练模式、被动训练模式及主被动自适应训练模式；主动训练模式是指通过病人克服下肢康复训练机提供的阻抗扭矩，实现病人双下肢协调运动的主动康复训练；被动训练模式是指通过控制下肢康复训练机运动，牵引病人实现双下肢协调运动的被动康复训练；所述主被动自适应训练模式为根据病人双下肢协调运动特征变化，基于所述运动控制模块实现病人双下肢协调运动的主被动自适应康复训练。
3.根据权利要求1所述的重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统，其特征在于：下肢康复训练机包括支架、伺服电机、齿轮组和一对摆腿组件；每组摆腿组件由曲柄连杆机构、大腿摆杆、小腿摆杆和电推杆组成；大腿摆杆的一端通过转轴安装在支架上，大腿摆杆的另一端通过转轴连接在小腿摆杆的一端，小腿摆杆另一端自由，伺服电机通过齿轮组减速后驱动曲柄连杆机构运动，进而实现大腿摆杆摆动；电推杆的两端分别安装在大腿摆杆和小腿摆杆上，电推杆驱动小腿摆杆实现相对与大腿摆杆的摆动；一对摆腿组件中的曲柄连杆机构活动度在120°-180°之间；通过伺服电机和电推杆的协调运动控制，实现脑瘫病人双下肢各关节协调运动康复训练；大腿摆杆长度可根据不同病人需求进行调整；支架上安装自锁万向轮，实现系统自由移动与位置固定；大腿摆杆和小腿摆杆上均安装有固定弧形套，提高病人康复训练的舒适性。
4.根据权利要求1重症监护室脑瘫病人双下肢协调运动康复系统的体征数据采集模块包括心率血压采集单元、肺活量采集模块、运动参数采集单元、压力采集单元及肌电信号采集单元；心率血压采集单元获取病人心率值及血压，与肺活量采集模块获取病人实时肺活量相结合，用于康复训练过程中的病人生理安全监控；运动参数采集单元采集双下肢各关节运动角度和速度，可用于评价脑瘫病人的康复运动情况；压力采集单元为脚穿式结构，采集病人在不同双下肢协调运动状态下的足部压力值，用于判断脑瘫病人是否正确佩戴下肢康复训练机、步态分析及辅助训练方案制定；肌电信号采集单元为8通道设计，通过获取病人下肢的肌电信号监控脑瘫病人肌肉疲劳状况，提高康复训练过程的安全性。
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