CN109674483B - 一种可调节的单手指匀速被动运动装置及单手指肌张力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种可调节的单手指匀速被动运动装置及单手指肌张力检测方法。该装置基于仿生学原理，模拟手指匀速牵张即伸展运动，通过引导线给予内收手指一个外力，使手指在外力作用下被动地缓慢匀速伸展，引导线上的张力与肌张力的外部表现力在大小上相等，通过连接在引导线一端的一个拉压力传感器检测引导线张力的大小，从而间接得到手指最大肌张力。此外该装置是针对单手指的肌张力检测装置，且适用于拇指与四指的肌张力检测。其包括机架组件、手指外骨骼固定组件、位置调节组件、检测与控制组件，引导线起于检测与控制组件，经过位置调节组件，止于手指外骨骼固定组件，位置调节组件固定于机架组件，检测与控制组件固定于位置调节组件。该装置通过对手指匀速被动伸展运动过程中肌张力的检测，能测得患者手指最大肌张力，从而为手痉挛等患者手部的康复治疗提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗检测装置，具体涉及一种可调节的单手指匀速被动运动装置及单手指肌张力检测方法。
背景技术
肌张力是指身体的一部分在被动活动时，引起相反方向肌肉牵张，放松等活动而产生的抵抗力。手痉挛患者由于手部存在较大的肌张力，患者手指弯曲内收和握拳。由于手指不易掰开，患者手掌的皮会出现溃烂，难闻的气味。有研究证明，主动伸指能够减少手痉挛患者手指的肌张力，缓解痉挛病情，加速康复过程。而在设计主动伸指器具时，最大肌张力是一个很重要的参数，所以需要设计一种装置来准确的定量检测手指肌张力。手指肌张力检测的关键是：手指的运动是在外力的作用下的被动运动，以及手指在运动的过程中肌肉的收缩是缓慢且匀速的。
便携式测力计是一种测力仪器。杨延砚等学者采用E-LINK电子握力和电子捏力计检测痉挛患者的手指握力和捏力，该方法检测的是患者的肌力而非肌张力。
机械扰动实验是指利用机械对肌肉痉挛患者进行肢体牵拉，检测运动过程中的肌电信号、肢体位移等参数从而对肌肉痉挛患者反射收缩能力进行定量检测。Hsin-Min Lee等人，设计一种上肢等速被动牵拉运动的装置，分别检测上肢在高速和低速的运动模式下的运动参数，并提供计算公式来计算肌张力。
G.Lindberg等人借鉴上述方法，简化了实验装置，只利用电机驱动平台，带动患者手腕部做等速的被动牵拉运动，检测了患者肢体被动运动过程中的阻力，定量分析了弹性力，肌紧张，腱反射等，定量测试出患者在药物治疗前后的手腕部肌张力。喻洪流等人设计的手指痉挛张力测试装置只能检测静止状态下手指的张力，并不能反映肌张力的大小。
柳志恒、李楠等人设计的外骨骼手套采用了电机驱动线或人造肌肉的方法使患者手指伸展，该发明作为一种康复装置不能检测肌张力的大小，此外手套对于患者来说穿戴不方便且透气性比较差。
综上所述，目前国内外还没有检测手指肌张力的装置和实验，因此本发明依据手指肌肉受持续牵拉下的收缩特征，依据仿生学原理设计一种匀速检测手指肌张力的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种可调节的单手指匀速被动运动装置及单手指肌张力检测方法，能定量检测手痉挛等患者的手指最大肌张力，为康复器具的设计提供依据。
为达到上述目的，本发明的构思如下：
基于手指的生理原理，当指伸肌收缩时会带动指伸肌腱滑动，指伸肌腱牵引关节形成一个伸展手指的力矩从而使手指伸展；当指屈肌收缩时会带动指屈肌腱滑动，指屈肌腱牵引关节形成一个内收手指的力矩从而使手指内收。根据仿生原理，通过引导线给予指尖固定件一个力FT1，指尖固定件会对内收手指产生一个外力F2,内收手指在外力F2所产生的力矩作用下被动地缓慢匀速伸展，同时给予指尖固定件一个反作用力F′2，内收手指在匀速伸展的过程中，由于肌张力的作用，指屈肌拉伸指屈肌腱从而对手指产生一个力F1抵抗手指伸展，同时指伸肌腱由于处于伸长状态也会对手指产生一个力F3；指尖固定件对手指的力F2所产生的力矩与手指肌腱产生的合力矩满足关系：F1·b/2＝(F2+F3)·b/2，其中b为手指的厚度；引导线会对连接在其一端的拉压力传感器产生一个力FT2，这6个力在数值上满足关系:FT2＝FT1＝F′2＝F2＝F1-F3,其中F1-F3为手指肌张力的外部表现力，通过检测拉压力传感器所受的力FT2，从而间接得到最大肌张力的大小。
根据上述发明构想，本发明采用下述的技术方案：
一种可调节的单手指匀速被动运动装置，包括机架组件、位置调节组件、检测与控制组件和手指外骨骼固定组件，其特征在于：有一根引导线起于检测与控制组件，经过位置调节组件，止于手指外骨骼固定组件，位置调节组件固定于机架组件上，检测与控制组件固定于位置调节组件上；基于仿生学原理，模拟手指匀速牵张即伸展运动，通过引导线给予内收手指一个外力，使手指在外力作用下被动地缓慢匀速伸展，引导线上的张力与肌张力的外部表现力在大小上相等，通过连接在引导线一端的一个拉压力传感器检测引导线张力的大小，从而间接得到手指最大肌张力；针对单手指的肌张力检测，且适用于拇指与四指的肌张力检测。
所述机架组件是一个有横梁的支撑部件，下横梁用来固定手掌，上横梁用来固定位置调节组件。
所述手指外骨骼固定组件由指关节包覆件与指尖固定件组成，指关节包覆件与指尖固定件开有通孔，此通孔作为引导线的导向通道。
所述位置调节组件是一个有导轨滑块机构及双铰链联动机构的组件，导轨滑块机构用来调节X方向的位置，双铰链联动机构用来调节Y,Z方向的位置。
所述检测与控制组件是一个有步进电机、丝杆导轨滑块机构、拉压力传感器及数据处理存储单位的组件，步进电机带动丝杆匀速转动进而使滑块匀速移动从而使手指匀速拉伸，拉压力传感器用来检测肌张力，数据处理存储单位将传感器检测的数据经过处理后进行存储。
该装置是针对单手指肌张力的检测装置，每次检测单根手指的最大肌张力，由于不同手指的肌张力不同，故该装置能分别检测各手指的最大肌张力；此外，该装置是可调节的，可以根据不同患者手指的长度进行调节，也可以通过改变手指外骨骼固定组件中的指关节包覆件的数量，使该装置可以适用于拇指与四指的肌张力检测。
一种单手指肌张力检测方法，应用上述装置进行检测，其特征在于具体检测操作步骤如下：
1)固定手掌：将患者所有的内收手指伸展至手掌平面，然后将手掌放置在机架组件的掌托上，确保待检测的手指指向与Y方向平行，然后用绑带将手掌固定。
2)手指固定：根据检测手指的不同，选择相应的指关节包覆件的数量，然后将指关节包覆件的指夹具张开一定的角度，再将指关节包覆件由上至下放置在待检测手指背面上方，闭合指夹具使之分别固定在手指关节两端指骨的侧面，并通过指关节包覆件的铰链机构进行调整以确保铰链机构的轴心与指关节的轴心重合，最后以同样的方法将指尖固定件与指尖固定，手指固定完成后，通过患者自行或给予外力刺激将所有手指恢复内收状态。
3)位置调节：移动位置调节组件中导轨滑块机构的T型滑块，当滑轮与待检测手指处在同一垂直平面时，停止移动T型滑块并用螺钉将其固定，固定后再根据患者手指的长短通过调整螺钉调节双铰链联动机构，直至调节到合适的检测位置。将引导线的一端固定在引导线固定件上，然后将引导线依次穿过滑轮、指关节包覆件的中间通孔，最后固定在指尖固定件的通孔上。
4)肌张力检测：开启步进电机，步进电机带动丝杆匀速旋转，丝杆匀速转动通过丝杆螺母副带动滑块做匀速直线运动，并确保速度低于5mm/s，滑块的运动通过引导线使手指从内收状态向伸展状态运动，当手指伸展至手掌平面时，关闭步进电机；在这一匀速运动过程中，引导线上的张力与肌张力的外部表现力在大小上相等，通过与引导线末端的引导线固定件连接的拉压力传感器，可检测该张力的大小，从而得到肌张力的大小。
5)最大肌张力的获取：检测过程中，拉压力传感器将引导线张力的变化转变为电压的变化，经数据处理后将数据存储在SD卡中，检测完成后，在上位机中读取SD卡中的数据，取出最大值即为最大肌张力。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本装置的检测原理是基于仿生学原理，提出了一种简单检测手指肌张力的方法，可以为手痉挛等患者康复器具的设计提供依据，也填补了肌张力检测在手指方面的空白。该装置是检测单手指的肌张力，能分别检测不同手指的肌张力，此外，该装置是可调节的，可以根据不同患者手指的长度通过导轨滑块与双铰链联动机构进行调节，也可以通过改变手指外骨骼固定组件中的指关节包覆件的数量，使该装置可以适用于拇指与四指的最大肌张力检测。检测装置结构简单，占地面积小，安全可靠。
附图说明
图1是本发明的检测装置的组件图；
图2是本发明的检测装置的模块框图；
图3是检测装置肌张力检测原理图；
图4是机架组件图；
图5是位置调节组件图；
图6是检测与控制组件图；
图7是手指外骨骼固定组件图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一：
参见图1-图7，本可调节的单手指匀速被动运动装置，包括机架组件1、位置调节组件2、检测与控制组件3和手指外骨骼固定组件4，其特征在于：有一根引导线39起于检测与控制组件3，经过位置调节组件2，止于手指外骨骼固定组件4，位置调节组件2固定于机架组件1上，检测与控制组件3固定于位置调节组件2上；基于仿生学原理，模拟手指匀速牵张即伸展运动，通过引导线39给予内收手指一个外力，使手指在外力作用下被动地缓慢匀速伸展，引导线39上的张力与肌张力的外部表现力在大小上相等，通过连接在引导线39一端的一个拉压力传感器36检测引导线39张力的大小，从而间接得到手指最大肌张力；针对单手指的肌张力检测，且适用于拇指与四指的肌张力检测。
实施例二：
如图1-图7所示，本可调节的单手指匀速被动运动装置由机架组件1、位置调节组件2、检测与控制组件3、手指外骨骼固定组件4组成。
机架组件1的下横梁11用来固定掌托13，掌托13上的绑带14用来固定手掌；
位置调节组件2中的导轨底板21固定于机架组件1的上横梁12，导轨滑块机构的导轨22固定于导轨底板21，T型滑块23在导轨22中作直线运动，螺钉27用来固定T型滑块23，连接板24与T型滑块23固连，双铰链联动机构25固定于连接板24，双铰链联动机构25中的调整螺钉28用来调节双铰链联动机构25的位置，滑轮26固定于双铰链联动机构25；
检测与控制组件3中的导轨31固定于位置调节组件2中的连接板24，步进电机32固定于导轨31，丝杆33与步进电机32连接，滑块34与丝杆33组成丝杆螺母副，传感器支座35固定于滑块34，数据处理存储单位集成在传感器支座35中，拉压力传感器36固定于传感器支座35，引导线固定件37固定于拉压力传感器36，引导线39的一端与引导线固定件37固定；
引导线39的另一端通过滑轮26后穿过手指外骨骼固定组件4中的指关节包覆件41的中部通孔42，最后与指尖固定件45的通孔46固定。
实施例三：
本单手指肌张力检测方法，应用上述装置进行检测，操作步骤如下：
1)固定手指：将患者所有内收手指拉伸至手掌平面，然后将手掌平放在掌托13上，并保持中指指向与Y轴平行，然后用绑带14穿过槽a,b将手掌与掌托13固定。
2)手指固定：将2个指关节包覆件41的指夹具44张开一定的角度，之后将2个指关节包覆件41由上至下放置在中指背面的上方，然后闭合2个指夹具44使其分别固定在中指关节两端指骨的侧面，并通过指关节包覆件41各自的铰链机构43进行调整以确保铰链机构43的轴心与各指关节的轴心重合，以同样的方法将指尖固定件45与指尖固定，中指固定完成后，使所有手指恢复内收状态。
3)位置调节：移动T型滑块23从而带动整个位置调节组件2在X方向上的移动，当滑轮26与右手中指处在同一垂直平面时，停止移动T型滑块23并用螺钉27将其固定，固定后再根据患者右手中指的长短通过调整螺钉28调节双铰链联动机构25从而实现位置调节组件2在Y,Z方向的调节，直至调节到合适的检测位置。将引导线39的一端固定在引导线固定件37上，然后将引导线39依次穿过3个滑轮26、2个指关节包覆件41的中间通孔42，最后固定在指尖固定件45的通孔46上。
4)肌张力检测：开启步进电机32，步进电机32带动丝杆33匀速旋转，丝杆33的匀速转动通过丝杆螺母副带动滑块34做匀速直线运动，并确保滑块34的速度低于5mm/s，滑块34的运动通过引导线39使中指从内收状态向伸展状态运动，当中指伸展至手掌平面时，关闭步进电机32；在这一匀速运动过程中，引导线39上的张力与肌张力的外部表现力在大小上相等，通过与引导线39末端的引导线固定件37连接的拉压力传感器36，可检测该张力的大小，从而得到肌张力的大小。
5)最大肌张力的获取：检测过程中，拉压力传感器36将引导线39张力的变化转变为电压的变化，经数据处理后将数据存储在SD卡中，检测完成后，在上位机中读取SD卡中的数据，取出最大值即为中指最大肌张力。
食指，无名指，小指的最大肌张力检测方法与上述中指检测方法一致。
实施例四：
将患者所有内收手指拉伸至手掌平面，然后将手掌平放在掌托13上，并保持拇指指向与Y轴平行，然后用绑带14穿过槽c,d将手掌与掌托13固定。
将指关节包覆件41的指夹具44张开一定的角度，之后将指关节包覆件41由上至下放置在拇指背面的上方，然后闭合指夹具44使其分别固定在拇指关节两端指骨的侧面，并通过指关节包覆件41的铰链机构43进行调整以确保铰链机构43的轴心与指关节的轴心重合，以同样的方法将指尖固定件45与指尖固定，拇指固定完成后，使所有手指恢复内收状态。
将引导线39的一端固定在引导线固定件37上，然后将引导线39依次穿过3个滑轮26、指关节包覆件41的中间通孔42，最后固定在指尖固定件45的通孔46上。
后续的检测步骤与实施例三的中指检测步骤一致。
Claims (3)
1.一种可调节的单手指匀速被动运动装置，包括机架组件(1)、位置调节组件(2)、检测与控制组件(3)和手指外骨骼固定组件(4)，其特征在于：有一根引导线(39)起于检测与控制组件(3)，经过位置调节组件(2)，止于手指外骨骼固定组件(4)，位置调节组件(2)固定于机架组件(1)上，检测与控制组件(3)固定于位置调节组件(2)上；基于仿生学原理，模拟手指匀速牵张即伸展运动，通过引导线(39)给予内收手指一个外力，使手指在外力作用下被动地缓慢匀速伸展，引导线(39)上的张力与肌张力的外部表现力在大小上相等，通过连接在引导线一端的一个拉压力传感器(36)检测引导线张力的大小，从而间接得到手指最大肌张力；针对单手指的肌张力检测，且适用于拇指与四指的肌张力检测。
2.根据权利要求1所述的可调节的单手指匀速被动运动装置，其特征在于：可分别检测各手指的最大肌张力；可通过改变手指外骨骼固定组件中的指关节包覆件的数量，使该装置可以适用于拇指与四指的最大肌张力检测。
3.一种单手指肌张力检测方法，应用权利要求1所述的可调节的单手指匀速被动运动装置进行检测，其特征在于具体检测操作步骤如下：
1)固定手掌：将患者所有的内收手指伸展至手掌平面，然后将手掌放置在机架组件(1)的掌托上，确保待检测的手指指向与Y方向平行，然后用绑带将手掌固定；
2)手指固定：在手指外骨骼固定组件(4)中，根据检测手指的不同，选择相应的指关节包覆件的数量，然后将指关节包覆件的指夹具张开一定的角度，再将指关节包覆件由上至下放置在待检测手指背面上方，闭合指夹具使之分别固定在手指关节两端指骨的侧面，并通过指关节包覆件的铰链机构进行调整以确保铰链机构的轴心与指关节的轴心重合，最后以同样的方法将指尖固定件与指尖固定，手指固定完成后，通过患者自行或给予外力刺激将所有手指恢复内收状态；
3)位置调节：在位置调节组件(2)中，位置调节组件(2)中的导轨底板(21)固定于机架组件(1)的上横梁(12)，导轨滑块机构的导轨(22)固定于导轨底板(21)，T型滑块(23)在导轨(22)中作直线运动，第一螺钉(27)用来固定T型滑块(23)，连接板(24)与T型滑块(23)固连，双铰链联动机构(25)固定于连接板(24)，双铰链联动机构(25)中的调整第二螺钉(28)用来调节双铰链联动机构(25)的位置，滑轮(26)固定于双铰链联动机构(25)；移动导轨滑块机构的T型滑块(23)，当滑轮(26)与待检测手指处在同一垂直平面时，停止移动T型滑块(23)并用第一螺钉(27)将T型滑块(23)固定，固定后再根据患者手指的长短，通过调整第二螺钉(28)调节双铰链联动机构，直至调节到合适的检测位置；将引导线的一端固定在引导线固定件上，然后将引导线依次穿过滑轮(26)、指关节包覆件的中间通孔，最后固定在指尖固定件的通孔上；
4)肌张力检测：在检测与控制组件(3)中，检测与控制组件(3)中的导轨(31)固定于位置调节组件(2)中的连接板(24)，步进电机(32)固定于导轨(31)，丝杆(33)与步进电机(32)连接，滑块(34)与丝杆(33)组成丝杆螺母副，传感器支座(35)固定于滑块(34)上，数据处理存储单位集成在传感器支座(35)中，拉压力传感器(36)固定于传感器支座(35)，引导线固定件(37)固定于拉压力传感器(36)，引导线(39)的一端与引导线固定件(37)固定；开启步进电机(32)，步进电机(32)带动丝杆(33)匀速旋转，丝杆(33)匀速转动通过丝杆螺母副带动滑块(34)做匀速直线运动，并确保速度低于5mm/s，滑块(34)的运动通过引导线(39)使手指从内收状态向伸展状态运动，当手指伸展至手掌平面时，关闭步进电机(32)；在这一匀速运动过程中，引导线(39)上的张力与肌张力的外部表现力在大小上相等，通过与引导线(39)末端的引导线固定件(37)连接的拉压力传感器(36)，检测该张力的大小，从而得到肌张力的大小；
5)最大肌张力的获取：检测过程中，拉压力传感器将引导线张力的变化转变为电压的变化，经数据处理后将数据存储在SD卡中，检测完成后，在上位机中读取SD卡中的数据，取出最大值即为最大肌张力。
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