CN112316378A - 膝骨关节炎运动康复器械 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种膝骨关节炎运动康复器械，其包括躺椅、经由枢轴安装在躺椅上的阻力臂、与阻力臂传动连接的飞轮、靠近飞轮设置的电磁阻力装置以及与电磁阻力装置电气连接的控制装置。该电磁阻力装置包括磁体和与磁体相连的阻力调节单元，该控制装置配置成控制阻力调节单元，以便调节飞轮转动的阻力大小，并且在躺椅上还设置有抗阻装置，该抗阻装置与阻力臂的枢转端传动连接，使抗阻装置与阻力臂同步反向运动，以增加运动时关节囊内压力。由于设置了可调阻力的电磁阻力装置，使用者可以自主选择最适当的锻炼模式。

Description

膝骨关节炎运动康复器械

技术领域

本公开属于医疗设备技术领域，具体地，涉及一种膝骨关节炎运动康复器械。

背景技术

骨性关节炎是一种老年慢性退行性病变，也就是通常称的OA，主要累及患者的关节，又以膝关节为主。针对中老年人OA，目前除了传统的理疗、吃药、关节腔注射、手术置换关节等治疗方法外，我们于2017年从南丹麦大学引进了新型的运动疗法，主要是针对患者进行神经肌肉系统的训练，加强患者的肌肉力量，刺激本体感觉，以便改善患者的膝关节功能，提高OA患者的生活质量。通过长期的实践，证明这种运动疗法对骨性关节炎的患者有着显著的治疗作用。另一方面，骨性关节炎是一种慢性的退行性病变，病情进展缓慢，从患者早期出现症状到置换关节要经历一个长期的过程，同时通过多年研究得出的数据显示，OA患者需要置换关节的大概只占30％，假体有一定的使用年限，如果手术年纪控制不太严格，有很大的可能需要再次手术置换关节，给患者带来痛苦，同时也增加了医疗成本。后期随着患者年龄的增长，再次手术的困难更大，术后的功能恢复也存在很大的不确定性。而药物治疗有着各种各样的副作用，特别是对于消化道的副作用，所以不宜长期服用。随着人口老龄化的到来，国家大健康理念的发展，急需一种在OA早期可以替代吃药和手术的治疗方式，而运动疗法的出现，符合这一需求。弥补了国内医疗领域的空白，运动治疗需要专业人才的辅导，现阶段的推广进展慢，同时也需要相应的器械设备来支持这种治疗方法的推广普及。

在运动疗法中，神经肌肉训练主要是针对核心肌群盆底肌肉、大腿、小腿等肌肉的锻炼，这些锻炼目前是在瑜伽垫和椅子上借助弹力带完成。目前存在的问题是，患者经常因为膝盖的问题蹲不下去，或者蹲下去后起不来，另外，弹力带的动作在椅子上进行时不能很好的控制力度，缺乏可视化的设备，导致不能达到满意的训练效果。同时，由于中老年人的记忆力、反应能力等都有所下降，在运动治疗的指导过程中，需要医生或者专业治疗师反复的去指导和纠正动作，这增加了医生或者治疗师的工作量。而且，从既往的运动治疗随访数据中得知，由于缺乏相应配套的器械和视频指导，家庭自主运动康复的效果大打折扣，大部分患者在结束我们组织的运动训练回家后很难独自坚持下去，甚至很多人中断训练。鉴于以上提及的种种原因，期望开发出一款运动康复器械，来协助医生和治疗师对骨性关节炎患者进行专业性的康复治疗，同时有助于这种运动疗法的推广普及，惠及更多OA患者。

发明内容

本公开的目的在于克服现有技术的不足，提供一种膝骨关节炎运动康复器械，用以改善现有康复器械不能很好的控制锻炼效果的问题。

为了实现上述目的，本公开提供一种膝骨关节炎运动康复器械，其包括躺椅、经由枢轴安装在躺椅上的阻力臂、与阻力臂传动连接的飞轮、靠近飞轮设置的电磁阻力装置以及与电磁阻力装置电气连接的控制装置，

该电磁阻力装置包括磁体和与磁体相连的阻力调节单元，该控制装置配置成控制阻力调节单元，以便调节飞轮转动的阻力大小，

在躺椅上还设置有抗阻装置，该抗阻装置与阻力臂的枢转端传动连接，使抗阻装置与阻力臂同步反向运动，以增加运动时关节囊内压力。

优选地，阻力调节单元包括驱动器、致动器和限定磁体移动范围的限位机构，所述驱动器在所述控制装置的控制下启动，所述致动器将动力传送至磁体，带动磁体产生位移，从而调节磁体与飞轮的相对位置。更优选地，驱动器包括伺服电机或步进电机，所述致动器包括丝杆，所述限位机构包括导轨和安装在磁体侧面的滑动部。

优选地，阻力调节单元还包括随飞轮转动的编码器或者速度传感器，所述控制装置为单片机或微处理器。

优选地，阻力臂经由同轴安装的第一齿轮和链条与飞轮传动连接。

优选地，阻力臂包括与躺椅枢轴连接的固定杆和与固定杆插接的伸缩杆，伸缩杆上设有齿槽，固定杆上设有按钮，在按钮的一端设有与所述齿槽卡合的卡块。

优选地，抗阻装置包括与躺椅枢轴连接的支杆和固定在支杆下端的弹力拉环，所述抗阻装置通过同轴连接的反向齿轮与所述阻力臂的同轴连接的齿轮相啮合，由此实现抗阻装置和阻力臂的同步反向运动。

一实施例中，该运动康复器械还可包括安装于阻力臂上的肌电采集装置以及与所述控制装置连接的显示器、存储器和音响，所述肌电采集装置获得的人体表面肌的电信号被发送给所述控制装置，所述控制装置对接收到的电信号进行分析处理后发送给所述显示器进行显示，并且所述控制装置根据从显示器输入的控制信息进行相应的控制。

优选地，在躺椅上设有多根拉力带，在躺椅的下部设有能够水平移动和垂直移动的踏板平台，并且在躺椅的周边设有能够转动的震动轴。

优选地，躺椅包括椅面和椅座，该椅面包括滑动连接的主椅面和辅椅面，在辅椅面的前部区域设有容纳腔，容纳腔的侧壁固定安装有自动充气装置，容纳腔内设有与该自动充气装置相连的瑜伽球，且容纳腔的剖面为倒梯形。

本公开的膝骨关节炎运动康复器械相比现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明中设置了电磁阻力装置，阻力臂在电机和飞轮的带动下转动从而带动患者腿部上下摆动，可以锻炼使用者膝骨关节处的神经肌肉，增强关节的活动度，由于阻力可调节，使用者可以自主选择最适当的锻炼模式。

(2)借助于各种传感器和数字化的终端设备，可以实时显示使用者在运动治疗中的各种参数，如肌肉的力量、动作速度等，便于使用者对照训练软件中的运动曲线来及时调整动作，提高运动的效率。

(3)躺椅上设有多根拉力带、阻力带以及踏板平台，方便使用者进行髋关节外展内收、侧方滑步、腿部拉伸等动作训练。还增设了放置瑜伽球的平台，使用者在躺椅上就可以借助瑜伽球完成挺腰、收腹、仰卧起坐等动作。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅用于解释本公开的构思。

图1是本公开实施例的膝骨关节炎运动康复器械的结构示意图；

图2是本公开实施例的电磁阻力装置的简化示意图；

图3是本公开实施例的阻力臂和抗阻装置的连接示意图；

图4是本公开实施例的膝骨关节炎运动康复器械的组成框图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的目的和技术方案做进一步的详细说明。请注意，为了便于清楚地表现出本公开实施例的各部分的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制，相同或相似的参考标记用于表示相同或相似的部分。这里所给出和描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部的实施例。对于本公开中的实施例，本领域普通技术专业人员在没有做出创造性劳动的前提下所提供的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

本发明主要针对中老年的骨性关节炎。现有的躺椅大部分类似于按摩椅，基本不具备运动治疗的功效。本发明设计了一种多关节多功能的运动康复治疗训练躺椅，其主要包括躺椅和用户终端设备这两个部分，躺椅是主体部分，患者在躺椅上或借助躺椅完成整个运动治疗的动作。从躺椅发送的模拟信号经过处理后转变为数字信号，传送到用户终端设备进行进一步处理和显示，并且基于用户的输入，用户终端设备向躺椅发送各种控制信号，以完成各种动作。用户终端设备还可用于动作规范化的视频教学，如播放各种动作的教学视频，同时，借助于各种传感器，可以显示患者在运动治疗中的各种参数，如肌肉的力量、动作速度等。

图1示出本公开实施例的膝骨关节炎运动康复器械。如图1所示，该膝骨关节炎运动康复器械包括躺椅、阻力臂120、与阻力臂120传动连接的飞轮130和抗阻装置150、靠近飞轮130设置的电磁阻力装置160以及与电磁阻力装置160电连接的控制装置(未示出)。

躺椅包括椅面和固定于椅面底部的椅座103，椅面设置为以滑动方式连接的两段椅面，即主椅面101和辅椅面102。主椅面101的背面设置有两条滑轨(未示出)，辅椅面102位于主椅面101的大致中间位置，借助固定于其两侧的滑块而安装在滑轨中。躺椅的高度可调节，采用体积小、功率大的永磁型电动机调节高度。

阻力臂120大致安装在主椅面101的两个角部处，其通过枢轴安装于主椅面101的枢接孔内，用于膝关节的屈伸锻炼。枢轴上设置有第一齿轮135，其位于阻力臂120的外侧，通过链条与飞轮130传动连接。电机驱使飞轮130转动时，第一齿轮135随之转动，进而带动阻力臂120旋转。时间继电器与电机连接，用于控制电机定时正反转，从而实现阻力臂120的上下来回摆动。

飞轮130可以布置在椅座103上，阻碍飞轮转动的电磁阻力装置160靠近飞轮130布置。该电磁阻力装置160采用电磁感应原理来调节阻力臂120的摆动阻力，图2是本公开实施例的电磁阻力装置的简化示意图。如图2所示，电磁阻力装置包括U型磁体261和与U型磁体261相连的丝杆263和驱动器265，飞轮230位于U型磁体261的开口内。丝杆261和驱动器265构成阻力调节单元，用于调节阻力的大小。

阻力产生的原理是：在飞轮的两侧布置磁体时，形成垂直于飞轮平面的磁场，飞轮转动时做切割磁力线的运动，由此产生的感应电流使飞轮受到安培力的作用，形成阻碍飞轮转动的阻力。该阻力的大小正比于磁体的磁感应强度、相对运动速度等。

驱动器265可以是伺服电机或步进电机，固定在椅座上。丝杆263的一端通过联轴器与驱动器265相连，丝杆263的另一端经由丝杆螺母固定在磁体上。控制装置向电磁阻力装置发送控制指令，开启驱动器265，带动丝杆263转动，使磁体261产生位移。当然，也可以采用其它的机械传动机构，如齿轮齿条、蜗轮蜗杆、气缸等。通过阻力调节单元来控制磁体沿飞轮径向的切入深度，改变磁体与飞轮的重合面积，从而通过改变磁场强度来调节磁体产生阻力的大小，且将产生的阻力传递到阻力臂。

进一步，如图2所示，阻力调节单元还包括位于U型磁体两侧的导轨262和安装在磁体261侧面的轮子264，导轨262设置成环形的闭合轨道，轮子264沿导轨262滑动，用于改变磁体261的位置。优选地，轮子264表面具有均匀间隔的凹槽，导轨262的表面加工成齿条状，通过凹槽和齿条的啮合保持磁体的相对稳定。

在一个实施例中，阻力调节单元还包括测速部件，其可以是随飞轮转动的编码器，也可以是诸如光电传感器的速度传感器，测得的脉冲信号发送给控制装置，计算出当前转速，以调节电机转速，实现变阻尼的效果。

阻力臂为可伸缩型，以适应不同身高腿长的人群。如图1所示，阻力臂120包括固定杆123和伸缩杆126，固定杆123可以为中空结构，其一端与椅面枢轴连接，伸缩杆126插接在固定杆123的另一端。伸缩杆126上设有齿槽，固定杆123上设有按钮，在按钮朝内的一端设有与齿槽卡合的卡块，通过使卡块卡合在齿槽的不同位置，能够改变伸缩杆126伸入固定杆123内的深度，从而调节阻力臂120的总长度。需要调节时，按动按钮，使得卡块从齿槽内移出，拉动伸缩杆126即可调节阻力臂120的长度。进一步，在伸缩杆126的底端固定连接有脚踏件128，可以采用松紧带将患者的脚部固定在脚踏件128上。阻力臂的远端可以安装沙袋等配重块，以增大训练阻力。

如图1所示，可以在阻力臂的枢转端(也就是与椅面枢轴连接的一端)附近布设抗阻装置150，实现近端抗阻的作用。图3是本公开实施例的阻力臂和抗阻装置的连接示意图。如图3所示，抗阻装置包括通过枢轴302与主椅面连接的支杆351和固定在支杆351下端的弹力拉环352，弹力拉环352被绑在患者的腿部。在枢轴302上安装有反向齿轮305，该反向齿轮305与布设于阻力臂320的枢轴301上的齿轮306相啮合，由此实现抗阻装置与阻力臂的传动连接。当阻力臂320向上摆动时，齿轮306逆时针旋转，带动反向齿轮305顺时针旋转，使抗阻装置与阻力臂同步反向运动，由此给膝关节施加向下的压力，增加运动时的关节囊内压力，刺激本体感觉。当然，也可以采用其它连接方式来实现阻力臂与抗阻装置的传动连接，例如齿轮齿条。

为了让患者对自己的锻炼数据有一个直观的了解，达到可视化训练效果，膝骨关节炎运动康复器械包括与患者交互的用户终端设备，其可以布置在躺椅的前方或者侧方。图4是本公开实施例的膝骨关节炎运动康复器械的组成框图。如图4所示，除了电磁阻力装置401，康复器械还包括数据采集装置402和用户终端设备46，用户终端设备46中的中央处理器403与电磁阻力装置401电连接，作为控制装置。数据采集装置402包括用于从躺椅上采集转速信号的编码器、检测运动中人体表面肌的电信号的肌电采集装置等等，采集的模拟信号转换成数字信号后发送给中央处理器403，中央处理器403对接收到的数据信号进行分析处理后发送给触屏显示器405进行显示，使用者可以直观地看到运动时间、速度、功率、消耗能量等一系列参数。借助于预置的软件，例如视觉生物反馈神经肌肉训练软件，使用者可以根据相应的参数来自主提高运动的效率。触屏显示器405为控制显示一体化的设备，界面上设置有开始、停止、重置、电机加/减速、阻力加/减等按钮，使用者可以利用显示器405输入控制信息，中央处理器405根据接收的控制信息实现相应的控制功能，例如调整阻力臂的摆动阻力；使用者也可利用显示器405来切换运动锻炼的动作和难度，根据个人的具体情况进行个性化调节。

患者的锻炼数据，如该动作的完成次数、所用的时间、力度等，可以记录在用户终端设备46的存储器407中，并可以通过外围电路408如无线蓝牙等网络接口上传到云服务器，康复医生基于锻炼数据及时改进运动治疗处方并发送至用户终端设备46，让患者更好、更优的锻炼。此外，可以借助音响406进行语言提示及鼓励，让患者更好的完成动作。

下面具体介绍利用视觉生物反馈神经肌肉训练软件来进行膝关节屈伸锻炼的过程。视觉生物反馈神经肌肉训练中，测得的人体生物信号转变为视觉信号，反馈给使用者，提示使用者在训练过程中要遵循的速度和节奏，增强神经对肌肉的控制能力，从而通过直观的数据来刺激患者的治疗依从性。肌肉力量训练时讲究神经肌肉控制和渐进性抗阻训练，所以动作不应快而应缓慢，动作末尾需要停顿几秒再回撤，按照显示屏幕设定的曲线进行运动，不仅锻炼肌肉的力量，更锻炼患者对自己肢体肌肉力量的控制能力，这需要大脑神经元参与，主动的运动更能激活肌细胞。训练软件中有运动治疗的动作示范及详细讲解，如锻炼中应该注意的细节、肌肉发力的感觉等，每个动作可进行重复播放，完成一个动作后按进入下一步才能进行下一动作练习。

可以在阻力臂上固定安装肌电采集装置，当人体腿部放置在阻力臂上时，肌电采集装置与人体皮肤接触，实时检测人体表面肌的电信号，反馈给控制装置，以反应出运动中人体肌肉和神经的活动情况。用户终端设备中预装有视觉生物反馈神经肌肉训练软件，软件中的水柱正弦曲线图反映了阻力臂来回摆动中人体肌力的变化情况，可以根据阻力臂最大摆动角度时的人体肌力来设置正弦曲线的幅值。锻炼过程中，当膝关节随着阻力臂的来回摆动而发生屈伸时，人体的肌力遵循正弦曲线变化规律，水柱的高度随肌力的大小而改变，使用者配合着设定的正弦曲线图以及语音提示来进行屈伸运动，达到神经元控制肌肉力量训练的技术效果。

此外，可以在躺椅上多处设置拉力带，主要用于髋关节外展、内收等动作训练，如图1所示，在主椅面101的端部和椅座103的端部固定安装有拉力带170，拉力带的自动伸缩由电动卷收器(未示出)来实现。此外，可以在电动卷收器的转轴上安装编码器，编码器随着卷收器转动，测得的脉冲信号发送给控制装置，控制装置接收数据并计算出转速，显示在触摸显示器上，方便使用者实时调整拉力。再有，在椅座103的前方下部设置有踏板平台180，用于调节平台高度的电机和用于调节平台前后位置的电机分别与踏板平台180连接，并借助相应的传动机构，例如丝杆螺母、齿轮齿条、涡轮蜗杆、气缸等，来驱动踏板平台180移动。相应地，在椅座103的下部开设有水平方向的凹槽和竖直方向的凹槽。平台180的位置可调，便于不同身高的使用者都能够利用平台进行上下台阶练习，锻炼腿股四头肌。

在主椅面101的两侧对称设置有阻力带172，主要用于抬臀挺腰时的核心肌力训练，使用者在动作前把阻力带172绑在腰部，两侧的阻力带172通过卡件卡接在一起。而且，在主椅面101的周边设有震动轴190，震动轴190位于远离辅椅面102的一侧，与主椅面101的边缘轴接，使得震动轴能够上下转动一定角度。当震动轴190支起时抵靠在人体腰部，有助于保持腰部的直立，尽量减少躯干后仰的代偿性动作；而当震动轴190放下时，可以放置于主椅面101的凹槽193中，保持椅面的平坦。在震动轴190上可以设置气动振动器，以便抵靠腰部时通过震动来放松腰部肌肉。此外，在主椅面的两侧可以设置扶手195，扶手195优选为可以上下拉伸的四连杆机构，方便使用。

考虑到有些动作需要借助于瑜伽球才能很好的完成，如挺腰、收腹运动，椅面设置为两段式椅面，以延长椅面的长度。如图1所示，辅椅面102的端部对称设置有两条支撑杆105，在辅椅面被拉出时提供支撑，所述支撑杆105优选为可伸缩杆，以减小辅椅面102滑动收回时的占用空间。

而且，在辅椅面102的前部区域(靠近支撑杆的区域)设有容纳腔106，以收纳充气膨大的瑜伽球。在容纳腔106的侧壁设有为瑜伽球自动充放气的设备，例如电动气泵。瑜伽球内安装有压力传感器，电动气泵的出气口通过充气带和气针与瑜伽球的充气口相连，且在电动气泵与瑜伽球之间设有电磁阀，用于控制充放气过程。电动气泵和电磁阀均与控制装置电气连接，且该电磁阀例如是三通电磁阀，使得瑜伽球能够与电动气泵或者周围大气连通，实现充放气的自动控制。具体来说，当需要对瑜伽球充气时，使用者按下显示屏上的充气键，控制装置启动电动气泵并接通电磁阀，电动气泵开始充气，压力传感器检测到的数据实时传输到控制装置。当检测到的球内压力达到预设值时，控制装置断开电磁阀，结束充气。而当使用者按下显示屏上的放气键时，控制装置接通电磁阀，使瑜伽球与大气连通，放出气体。为使膨大后的瑜伽球更好的被支撑，容纳腔106优选制作成剖面为倒梯形的形状。

以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膝骨关节炎运动康复器械，包括躺椅、经由枢轴安装在躺椅上的阻力臂、与阻力臂传动连接的飞轮、靠近飞轮设置的电磁阻力装置以及与电磁阻力装置电气连接的控制装置，

该电磁阻力装置包括磁体和与磁体相连的阻力调节单元，

该控制装置配置成控制阻力调节单元，以便调节飞轮转动的阻力大小，

在躺椅上还设置有抗阻装置，该抗阻装置与阻力臂的枢转端传动连接，使抗阻装置与阻力臂同步反向运动，以增加运动时关节囊内压力。

2.根据权利要求1所述的膝骨关节炎运动康复器械，其中，所述阻力调节单元包括驱动器、致动器和限定磁体移动范围的限位机构，所述驱动器在所述控制装置的控制下启动，所述致动器将动力传送至磁体，带动磁体产生位移，从而调节磁体与飞轮的相对位置。

3.根据权利要求2所述的膝骨关节炎运动康复器械，其中，所述驱动器包括伺服电机或步进电机，所述致动器包括丝杆，所述限位机构包括导轨和安装在磁体侧面的滑动部。

4.根据权利要求1所述的膝骨关节炎运动康复器械，其中，所述阻力调节单元还包括随飞轮转动的编码器或者速度传感器，所述控制装置为单片机或微处理器。

5.根据权利要求1所述的膝骨关节炎运动康复器械，其中，所述阻力臂经由同轴安装的第一齿轮和链条与所述飞轮传动连接。

6.根据权利要求1所述的膝骨关节炎运动康复器械，其中，所述阻力臂包括与躺椅枢轴连接的固定杆和与所述固定杆插接的伸缩杆，所述伸缩杆上设有齿槽，所述固定杆上设有按钮，在所述按钮的一端设有与所述齿槽卡合的卡块。

7.根据权利要求1所述的膝骨关节炎运动康复器械，其中，所述抗阻装置包括与躺椅枢轴连接的支杆和固定在支杆下端的弹力拉环，所述抗阻装置通过同轴连接的反向齿轮与所述阻力臂的同轴连接的齿轮相啮合，由此实现抗阻装置和阻力臂的同步反向运动。

8.根据权利要求1所述的膝骨关节炎运动康复器械，还包括安装于所述阻力臂上的肌电采集装置以及与所述控制装置连接的显示器、存储器和音响，所述肌电采集装置获得的人体表面肌的电信号被发送给所述控制装置，所述控制装置对接收到的电信号进行分析处理后发送给所述显示器进行显示，并且所述控制装置根据从显示器输入的控制信息进行相应的控制。

9.根据权利要求1所述的膝骨关节炎运动康复器械，其中，在所述躺椅上设有多根拉力带，在躺椅的下部设有能够水平移动和垂直移动的踏板平台，并且在躺椅的周边设有能够转动的震动轴。

10.根据权利要求1所述的膝骨关节炎运动康复器械，其中，所述躺椅包括椅面和椅座，该椅面包括滑动连接的主椅面和辅椅面，在所述辅椅面的前部区域设有容纳腔，在该容纳腔的侧壁固定安装有自动充气装置，在容纳腔内设有与该自动充气装置相连的瑜伽球，且所述容纳腔的剖面为倒梯形。

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