CN109310177A - 仪器化矫形器 - Google Patents

Abstract

一种半刚性脚部矫形器可以具有嵌入在一个或多个柔性部位中的3轴加速度计、陀螺仪、磁力计和应变仪，连同微处理器和无线传输器。来自所述传感器的数据可以用于追踪步态周期。对关于所述矫形器的多个部分的挠曲、弯曲或旋转的数据进行处理，并将所述数据与理想数据或来自其他运行的数据进行比较，以对所述矫形器的有效性进行评级。矫形器和鞋底之间具有相对运动自由度。通过将鞋的位置、运动和定向与至少一个矫形器部位的相同信息进行3D比较；确定了鞋与矫形器的相对运动。可以进行修改或调节以提升用户体验。所述计算可以涉及基于云的服务器和与所述矫形器进行无线通信的外部手持设备中的任一者或两者。

Description

仪器化矫形器

相关申请

本申请特此通过引用以其全文在此并入美国临时申请62/331,915。

技术领域

本公开涉及一种用于对动态矫形器性能进行数据收集与分析的设备和方法。

背景技术

脚部矫形器与特定用户的最佳装配可以被认为是既是一门科学也是一门艺术。据说，有些人甚至通过放入其鞋中的一张卷起的报纸而得到极大的帮助，而其他人需要多次拜访足科医生进行微调，所述微调通常是通过在矫形器中添加或移除材料来完成的。许多年来，普遍认为“支撑足弓”是控制步态的最好方式，但是较新的想法已经集中在设计用于限制和影响运动并改进下肢关节的动态对准的矫形器。

这种改进对准减小了由地反力沿下肢的动力链向上传输而产生的旋转关节力和竖直关节力。为了限制和影响运动，较新的矫形器是由在负载下发生挠曲、弯曲或旋转的半刚性材料构建的。在步态周期的支撑相(从脚跟着地、通过支撑相中期、到推进)期间，重量置于矫形器上，从而导致在矫形器上的多个部位处在三个面——矢状面、额状面和水平面——上的复合挠曲、弯曲或旋转。所有这些移动都发生在脚下的鞋中，并且因此不是直接可用于临床医生评估矫形器有效性的信息。虽然临床医生可以仔细观察穿戴试验矫形器时来回走动的人，但是用户报告的主观体验为临床医生提供了主要线索。这通常不会比“感觉不适”更有帮助。

期望的是，更科学而少艺术地使矫形器装配到个体。还期望的是，在许多情况下减小对临床医生的需要并且降低使有效矫形器穿在用户脚上的总成本。

发明内容

通过仪器化的半刚性矫形器解决了这个问题。矫形器的一个或多个柔性部分可以具有嵌入式或固定式传感器，以检测和测量在三个面上的挠曲、弯曲、或旋转。所述传感器可以包括在矫形器上的一个或多个位置处的加速度计、陀螺仪、磁力计、应变仪以及力转换器。可以通过也可以被嵌入或固定至矫形器的微处理器来从这些传感器中读取数据。对数据的预处理可以由微处理器来执行，并且进一步处理可以可选地在像智能电话或平板计算机或基于云的服务器等外部计算设备上执行。外部设备可以与微处理器进行有线或无线通信。可以在便携式设备上显示结果。

对原始数据的预处理可以包括确定矫形器的挠曲、弯曲或旋转的方向、大小和定时，从而产生关于距下关节和跗中关节的运动的数据。预处理还可以提取矫形器上多个位置处的任何挠曲、弯曲、或旋转的持续时间、位置、速率和加速度。可以根据步态周期的支撑相中事件发生的点来有意义地表示定时。这允许同时测量和记录弯曲和运动。可以将先前从这个受试者或其他受试者获取到的数据与从带有同一矫形器或其他矫形器的受试者或其他受试者获取到的数据进行比较，以确定矫形器的有效性。矫形器的有效性不仅仅是用户的主观体验；其还可以包括实现对整个下肢的最佳临床对准。进一步地，对更改矫形器的几何结构或刚性的建议可以是通过分析产生的结果的组成部分。如果矫形器是具有可变倾斜设置的矫形器，则对更改几何结构的建议可以是推荐一种新的设置。测量脚部以及还有大腿如何移动可以帮助创建用于使用矫形器挠曲、弯曲或旋转来评估脚部、膝盖和踝部运动问题的算法。

传感器在行走、摆动高尔夫球杆、循环击球期间或在任何其他移动任务期间拾取的每种移动模式表示可以被分组成多个类别、可以被研究、并且可以用在模型中的不同模式。利用可调节矫形器，可以修改步态模式。一些应用将来自仪器化矫形器的数据与更传统的对地反力或运动捕获的测量结果进行组合。

这是重要的，因为地反力是沿整个下肢向上传输的，从而经常对下肢的骨骼和关节产生过度负载和压力。造成下肢关节未对准的这些过度负载可能导致在运动和其他功能任务中受伤以及表现不佳。

使用数据分析可以创建用于在结构上对针对下肢的不同结构变化的运动度量进行分类和开发的数据库。

附图说明

图1示出了用于捕获使用中的矫形器性能的系统的示意性表示；

图2以图解的形式示出了仪器化矫形器平板，所述仪器化矫形器平板具有以虚线表示的嵌入式传感器和计算部件；

图3展示了在步态周期的支撑相中的点；

图4以电子部件之间的传感器、CPU和电子互连的位置的示意性表示示出了图2的设备的底面；

图5a至图5d示出了图2设备的柔性前脚部位的挠曲、弯曲、或旋转的放大状态；

图6是脚在具有仪器化矫形器的鞋中的简化剖视图；

图7示出了图4的系统中的电子设备的简化框图，包括嵌入在矫形器平板中的部分以及嵌入在外部计算设备中的部分；

图8是示例仪器化矫形器操作时的主要步骤的流程图；

图9a至图9e示出了作为可变脚部矫形器的示例的、从多个位置查看的、来自US 8,490,301的可变矫形器。

具体实施方式

系统

在图1中，用户被示出为在她的智能电话105上检查由她所穿戴的仪器化矫形器系统200产生的评级。

图2示出了在仪器化矫形器的示例实施例中传感器以及计算设备和通信设备的位置。在柔性前脚区域101且在足弓106附近具有位置传感器、移动传感器和定向传感器。另外，这个实施例包括脚后跟处的压力或力传感器103。这些设备电连接至计算单元或微处理器104。传感器和CPU足够薄以便嵌入在矫形器中而不干扰其功能。

图3展示了在支撑相期间步态周期的点。支撑相是从脚跟着地到脚趾推进。这是自矫形器在负载下以来系统获得最有用数据的时相。

图4示出了图1的仪器化矫形器的示意性表示。在这个附图中描绘了电气互连110。

以特别放大的方式，图5a至图5d示出了前脚部位的可能挠曲、弯曲或旋转。在尝试对过度内旋或过度外旋进行控制时，当重量被放在前脚上时，前脚矫形器将在步态周期中的点期间发生挠曲、弯曲或旋转。这种挠曲、弯曲或旋转将通常是在三维上的复合运动。如果已知的话，则可以向正在尝试实现对下肢的最佳临床对准的临床医生告知挠曲、弯曲或旋转的方向和程度。

图6示出了这些教导的仪器化矫形器200的示意性剖视图。所述仪器化矫形器被示出为穿戴在鞋400内并支撑脚部202。虽然在充分施加重量时矫形器在脚趾和脚跟下方的部分直接搁置在鞋底上，但是矫形器也可以在步态周期中的各个点处相对于鞋底而移动。部位300和301具有相对于鞋底201且最终相对于地面的三维移动自由度。在这个实施例中，这些运动可以由两组传感器101、106来感测。一些替代性实施例在鞋内具有无线传感应器110。

图7示出了电子设备子系统的框图。传感器连接至具有处理器、存储器和通信能力的集成电路。在这个示例中，集成数字信号处理器(DSP)包括在示例CPU中。

根据这个框图，电子系统包括微处理器104、前脚3轴加速度计/3轴陀螺仪101、足弓部位3轴加速度计/3轴陀螺仪106、以及无线传输器111。这些部件嵌入在矫形器中。合适的部件可以包括被认为是英特尔居里(Curie)心脏的Quark^TM SE微控制器。Quark^TMSE CPU将连接至也被嵌入在矫形器中的3轴加速度计和3轴陀螺仪、以及3轴磁力计IC。为此，意法半导体公司(STMicroelectronics)的LSM9DS0 9DOF IMU IC将是合适的部件。采用二维形式的应变仪也可以测量矫形器的挠曲或弯曲。总的来说，电子系统将测量和记录原始传感器数据、预处理所述数据以用于外部分析、以及分析所述数据。传感器还可以用于测量脚部/鞋的总体移动，以跟踪步态周期。本领域技术人员将知道如何根据由传感器提供的数据来确定人所处的步态周期中的点。

操作

图8示出了所描述的系统实施例的示例操作中的步骤的高级流程图。在开始S99之后，步骤S100和S101实施从传感器连续地读取数据的循环以追踪步态时相。当检测到脚跟着地时S101，读取并且记录数据S102。在大约脚跟着地时减速的快速尖峰指示支撑相的开始。所述支撑相发生直到在步骤S104中检测到脚趾离地，从而结束支撑相。在若干个步骤之后，完成可以组织并压缩数据的预处理。

通过所记录的支撑相的完整数据以及可选地来自摆动相的数据，所述操作提取数据的突出特征，包括挠曲、弯曲或旋转方向、大小、定时、持续时间以及挠曲、弯曲或旋转的加速度S105。在这个实施例中，预处理和分析包括从各个传感器中获取原始数据的组合，以创建对每个步态周期的运动和力的标准化连贯记录。

在步骤S105.5中，将支撑相中的相对定时点与移动数据进行对准和关联。相对矫形器移动数据可以在时间线上与步态周期的支撑相对准以供分析。人可以甚至在逐步的基础上改变其速度；因此，捕获相关数据点时的挂钟时间可能难以与来自多个人的多个步伐相匹配。更有用的定时是步态周期中发生特定事件的点。建立时间标准化步态周期允许将多次试验彼此进行比较。

在步骤S106中，将突出数据与来自对许多用户和许多矫形器几何结构的多次试验的数据进行比较，以产生对有效性的评级S107。使用来自对具有已知脚部问题的个体和已知最佳矫形器的试验(包括对交替的非最佳矫形器的试验)的数据来进行比较。可以将先前从其他受试者或当前受试者获取到的数据与带有同一矫形器或其他矫形器的其他受试者或当前受试者获取到的数据进行比较，以确定矫形器的有效性。此外，此数据可以与在人类性能实验室中获取的关于骨骼和关节运动的数据进行比较。可以利用神经网或通过如在Selner US 8,139,822“Designation of a Characteristic of a Physical Capabilityby Motion Analysis Systems and Methods(通过运动分析系统和方法来指定物理能力的特性)”中所教导的分类和聚类技术对此数据进行分析，以产生对穿戴者的矫形器的有效性的评级。所述数据还可以用于构建用于改进治疗的预测模型。

所述操作可以可选地包括步骤S108，并且为受测用户生成改进矫形器的建议。通过进一步分析和比较，S108产生更改矫形器的几何结构的建议，以试图提供与用户的更好装配并实现改进对准。这种改进对准将帮助用户实现下肢的最佳临床对准(减少由于地反力而沿下肢的动力链向上传输的旋转力和竖直力)。对修改矫形器的几何结构的建议可以包括：提议一种全新的矫形器，或者增加或移除目前矫形器上的材料(如传统上由足科医生或矫形师所做的那样)。所述建议还可以包括针对可变矫形器的设置变化，或者其可以提供对优化矫形器进行3D打印的信息。如果用户仍在行走并仍在试验中，则重复所述过程，返回到S100处开始。

矫形器和鞋底之间具有相对运动自由度。作为分析的一部分，地面的位置可以通过假设其是一个总体上与地球相切的平面以及知道鞋在脚跟着地时的位置来确定。为了通过将鞋的位置、运动和定向与针对矫形器的一个或多个部位的相同信息进行有效的3D比较来计算地板与矫形器之间的相对运动，可以确定鞋与矫形器的相对运动。

计算位置的步骤

图8的一些步骤是由仪器化矫形器执行的，具体地是由在嵌入式微处理器104上执行的固件和软件来执行的。然而，为了保持成本、尺寸和功耗较低，可以由在智能电话、平板计算机或包括远程服务器150的其他外部计算设备上执行的应用来执行许多后续步骤。在这种情况下，可以将原始数据、预处理数据或部分分析的数据从矫形器传输至附近的计算和显示设备。在一些实施例中，可以经由云将数据从电话发送至服务器和数据库，并且从服务器返回的信息可以提供使电话向用户显示的最终信息。

所示出的实施例具有用于与诸如智能电话105或平板计算机或基于云的服务器等外部计算设备进行通信的无线收发器。在嵌入式微处理器上执行的软件的控制下进行初步预处理之后，将数据无线地发送到外部设备，以供进一步处理和分析。可以在矫形器的电子设备上执行步骤S99到S102或者替代地步骤S99到S104，其中在外部设备或远程服务器和数据库上执行其他步骤。如上所提及的，在一些实施例中，微处理器可以具有足够的计算能力来执行更多或所有的分析步骤。如果一些数据或所有数据被发送至具有数据库的远程服务器，则服务器可以根据来自同一受试者的其他数据或者根据包括来自其他受试者的数据的数据的集合来分析当前数据。

可变矫形器

对改进矫形器的建议可以包括指导对可变或可调节矫形器的设置变化。对于可调节矫形器的教导包括：US 8749115，pas等人；US 5345701Smith；US 8490301Selner等人；以及U7707751 Avent等人。图9a至图9e示出了来自Selner的US 8490301 B2，“AdjustableForefoot Posting for Orthotic(矫形器的可调节前脚贴)”的示例可变矫形器的视图。通过转动选择器轮401来改变对该设备的倾斜设置。

如果可调节矫形器可以使其设置发生电气变化，则推荐性变化可以直接传输回至矫形器以便直接开始几何结构变化。这如果在起跑位置上不存在重量时进行则可能是实用的。

在可以动态地更改其几何结构的矫形器中嵌入有足够的计算能力时，外部电子计算设备可以变为可选的。在一些实施例中，诸如智能手机、平板计算机或专用单元等外部便携式电子设备可以主要用于显示结果。

变形

变形可以包括通过有线连接至所穿戴的外部计算设备的版本。用于测量而被仪器化的位置数量可以变化。传感器可以包括应变仪和电阻式、压电式等挠曲传感器。另一种变形是其上焊接有电子计算机的柔性印刷电路板。柔性电路板可以永久地或暂时地附着到任何矫形器上，以将其转化成仪器化矫形器。

替代实施例

在一些情况下，鞋底与矫形器之间的相对位置和移动可以被视为是有用测量，无线传感器可以嵌入在鞋中或暂时固定到鞋底的内侧或外侧，如在图1和图6中被描绘为元件110。可以使用矫形器内的传感器和计算来使鞋仪器化，或者可以使用更简单、更低功耗的电子设备。

可以将数据直接传输到外部计算设备，或者可以将节约功率发送到正好在其上的矫形器。存在可以用于实现这一点的许多合适的无线技术，包括近场传输。

这些教导也可以应用于身体与矫形器之间独立移动的其他矫形器设备。例如，“Anadjustable orthotic brace(可调节矫形器支架)”-WO 2003088865 Scorvo描述了一种动态变化的腿部支架。

包括Aminian WO 2012/007855的先前著作提供了使能信息，包括使用附接至鞋的惯性传感器以便以3D方式测量脚部位置和定向。

在一些实施例中，可能不存在进行重要计算但主要用作输出显示设备的本地设备。在其他实施例中，可能不存在与仪器化矫形器进行通信的本地计算设备。仪器化矫形器可以是经由蜂窝通信传输到互联网或其他目的地。WIFI或其他技术。在其他实施例中，可能不需要服务器连接。

系统的其他用途

所述系统可以在研究方面用于收集以其他方式难以获得的数据。通过动态矫形器收集的数据可以与在人类性能实验室中获取到的测量结果进行比较，作为对研究预测模型做出贡献的工具，所述预测模型可以帮助临床医生或消费者解决特定问题。这种数据可以在针对预测模型的算法中使用，以辅助临床医生和最终用户更好地治疗异常、预防伤害、以及提升运动表现。可以构建算法以更精确地识别具有可校正的机械诱发问题的个体。

Claims (15)

1.一种仪器化矫形器，包括：

a)具有脚部适形形状的矫形器平板，所述矫形器平板具有其在正常运动期间为半柔性的前脚区域的至少一部分；

b)嵌入在所述平板中的电子系统，所述电子系统包括：

一组传感器，所述一组传感器被配置用于测量部位在所述柔性前脚区域中的位置、移动和定向；以及

CPU和存储器，与所述传感器进行电子通信，其中，所述存储器包含读取传感器数据的程序。

2.如权利要求1所述的仪器化矫形器，进一步包括至少第二组传感器，所述至少第二组传感器被配置用于测量所述矫形器的第二不同柔性部位的所述位置、定向和移动。

3.如权利要求1所述的仪器化矫形器，其中，所述电子系统进一步包括被配置用于测量地反力的至少一个传感器。

4.如权利要求1所述的仪器化矫形器，所述仪器化矫形器与外部计算单元组合，其中，所述外部单元具有存储器并且所述存储器包含程序，所述程序对从所述矫形器传输的数据进行分析并对在步态周期中的多个点处挠曲的定时、方向和程度进行计算。

5.如权利要求1所述的仪器化矫形器，所述仪器化矫形器与外部计算单元组合，其中，所述外部计算单元的存储器包含程序，所述程序基于挠曲、弯曲或旋转的定时、方向和程度对穿戴者的所述矫形器的有效性进行评级。

6.如权利要求5所述的仪器化矫形器，所述仪器化矫形器与外部计算单元组合，其中，所述有效性评级包括对所述矫形器平板的几何结构的建议性变化。

7.一种对穿戴具有矫形器的鞋的、参与行走的用户的所述矫形器的有效性进行测量的方法，所述方法包括：

实时测量在使用期间在步态周期中的第一组点期间所述矫形器上的发生挠曲、弯曲或旋转的某个部位的位置、速度、方向和定向；

根据传感器数据确定所述步态周期的时间段；

推导出地面平面的位置；以及

确定所述矫形器与地面之间的相对运动。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：根据通过步态周期的百分比来使所确定的相对运动数据的定时标准化，并且分析所标准化的数据以确定所述矫形器的有效性。

9.如权利要求7所述的方法，进一步包括：对下肢的一个或多个要素的运动进行附加测量，并将其与来自所述矫形器的测量进行时间相关。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述标准化至少部分地通过执行外部计算设备上的程序来完成。

11.如权利要求8所述的方法，其中，所述数据被显示给用户。

12.如权利要求8所述的方法，其中，进一步步骤是向所述矫形器发送用于基于所述数据来改变其几何结构的命令。

13.如权利要求8所述的方法，其中，所述数据分析至少部分地通过执行外部计算设备或基于云的服务器上的程序来完成。

14.如权利要求8所述的方法，进一步包括向服务器发送源于所述矫形器的数据。

15.如权利要求8所述的方法，进一步包括从服务器接收对源于所述矫形器的数据的分析。