CN113081429B - 一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，包括用于采集人体下肢运动角度，采集人体下肢运动生理信号，对数据进行整合处理的硬件主板；用于对采集的整合数据进行综合实时预测处理，实时预测膝关节内外侧间室接触力，并根据膝关节力平衡来计算应施加辅助力大小的数据处理模块；用于根据数据处理模块实时计算得到的柔性智能辅助设备辅助力大小来智能控制柔性智能辅助设备的驱动模块；硬件主板将整合后的数据通过无线通信模块传输给数据处理模块。该系统解决了在通过保守治疗方法治疗膝骨关节炎时，现有辅助设备施加的恒定辅助力对动态膝关节运动产生的不利影响问题；可应用于下肢力线矫正、膝骨关节炎康复治疗以及辅助矫形器设计等场合。

Description

一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及用于治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统。
背景技术
膝关节是人体下肢最重要的承重关节之一，承重大且运动多，是下肢运动过程中的核心部位。膝骨关节炎是以关节软骨变形、磨损为主要特征的一种慢性疾病，主要表征为起-坐-行时膝关节疼痛等不适症状，如果不及时进行医治，膝骨关节炎引起的疼痛和关节僵硬将导致关节活动度降低和持续性步态功能障碍。对于此病症，除手术治疗和药物治疗外，佩戴膝关节辅助矫形器也是一种公认的缓解病症、减轻疼痛的治疗手段。
目前，大多数膝骨关节炎辅助设备多属于静态调整，主要是在冠状面上施加辅助力，将膝关节患病侧间室载荷转移到对侧间室，重新分配膝关节内/外侧间室受力。这种辅助方式虽然能够缓解膝关节的病症，但由于膝关节内/外侧间室在一个步态周期内受力并非是恒定不变的，若长期施加恒定辅助力矩，将对膝关节间室施加额外的载荷，对膝骨关节炎的康复产生不利的影响。所以目前市面上的膝关节辅助矫形器缺点是显而易见的。
为此，本申请提出了一种膝骨关节炎柔性智能辅助系统。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于：提供一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，解决了在通过保守治疗治疗膝骨关节炎时，现有辅助设备施加的恒定辅助力对动态膝关节运动产生的不利影响问题，能更准确的根据人体下肢动态力线调整辅助力矩的大小，更有效的治疗膝骨关节炎。主要用于膝骨关节炎康复治疗场合。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，包括：
硬件主板，包括采集设备和主控板；所述采集设备用于采集行走过程中人体下肢运动角度数据、足底压力和表面肌电信号数据；所述主控板通过无线通信模块获得采集的数据，并对采集的数据进行整合处理；
数据处理模块，包括数据接收模块、实时预测模块和驱动计算模块；所述数据接收模块用于接收采集设备采集的整合数据；所述实时预测模块通过关节角度解算、反向动力学、CEINMS算法和神经网络算法实时预测膝关节内外侧间室受力大小；所述驱动计算模块根据实时预测模块预测的膝关节内外侧间室受力大小计算所需辅助力的大小；
柔性智能辅助设备驱动模块，用于根据数据处理模块实时计算得到的柔性智能辅助设备辅助力大小，通过控制充气阀充气量以控制柔性智能辅助设备对膝关节施加的辅助力。
优选地，所述采集设备包括：IMU惯性传感器，用于进行运动角度采集；足底压力传感器，用于采集地面对足底反作用力；表面肌电信号传感器，用于采集肌肉电信号。
优选地，所述实时预测模块预测膝关节内外侧间室受力的步骤包括：
S1：通过所述IMU惯性传感器获取各关节空间位置变化数据，用于解算下肢各关节角度；通过所述足底压力传感器获取足底压力合力作用点、大小及方向；通过所述的表面肌电信号传感器获取运动过程中下肢膝关节周围各肌肉的肌电信号；
S2：通过解算下肢各关节角度，获取髋关节、膝关节和踝关节在矢状面和冠状面内的实时角度数据，结合人体肌-骨模型计算下肢膝关节周围各肌肉肌力臂；结合所述足底压力数据通过反向动力学运算获得下肢各关节力矩；所述肌电信号通过CEINMS程序计算运动过程中下肢膝关节周围各肌肉的肌力，结合各肌肉肌力臂计算下肢肌肉的合肌力矩；
S3：通过结合髋关节、膝关节和踝关节在矢状面和冠状面内的关节角度、关节力矩及下肢肌肉的合肌力矩对膝关节进行动态力平衡解算，计算膝关节内/外侧间室受力大小；通过神经网络训练该实时解算过程。
优选地，所述柔性智能辅助设备驱动模块包括：柔性智能辅助设备、控制系统和充气阀；所述控制系统控制充气阀充气量，以控制所述柔性智能辅助设备对人体施加的分布式辅助力。
优选地，所述主控板包括：数据采集卡，用于处理并整合数据；传感器检测模块，用于监测采集设备运行状态；驱动控制模块，用于驱动充气阀进行充气；状态指示模块，用于显示主控板的运行状态；微型处理器，用于数据处理预测膝关节内外侧间室受力和计算所需辅助力大小；电池模块，用于为各模块供电。
优选地，所述采集设备至少有一套；所述IMU惯性传感器捆绑在腰部、大腿、小腿和足背上；所述足底压力传感器衬垫在鞋底；所述表面肌电信号传感器附着在膝关节周围相应肌肉肌腹位置；所述主控板背负在人体腰后部。
优选地，所述采集设备和主控板均采用充电电池进行供电。
本发明有益效果：
1.本发明中，包括用于采集人体下肢运动角度，采集人体下肢运动生理信号，并对数据进行整合处理的硬件主板；用于对采集设备采集的整合数据进行综合实时预测处理，实时预测膝关节内外侧间室接触力，并根据膝关节力平衡来计算应该施加的辅助力大小的数据处理模块；用于根据数据处理模块实时计算得到的柔性智能辅助设备辅助力大小来智能控制柔性智能辅助设备的驱动模块。
2.本发明中，三类数据采集传感器均能够单独采集和运行，利用无线通信模块与主控板进行数据交流传输，在主控板上进行数据整合，各数据信号互不干扰，传输效率高，信号准确率高。
3.本发明中，硬件主板采用一个主控板和多类采集设备相结合的方式进行人体下肢运动角度信号和生理信号采集，根据具体应用场景还可调整采集设备的数量，采集设备越多则采集数据越多，可以将多种数据信号进行相互验证，解算出的膝关节内外侧间室受力越准确。
4.本发明中，利用数据处理模块对于接收到的数据进行综合实时预测解算，利用关节运动解算、反向动力学和CEINMS算法和神经网络算法实时预测膝关节内外侧间室受力大小，这种联合处理能够有效提高对数据的处理能力和效率，实时解算膝关节内外侧间室受力大小，为根据受力大小调整柔性智能辅助设备施加的分布式辅助力大小提供了数据依据。
5.本发明中，通过将柔性智能辅助设备和充气气囊相结合的方式，利用数据处理模块计算出的辅助力大小，通过智能控制系统实时控制充气阀充气量，精确控制柔性智能辅助设备对人体施加的分布式辅助力，从本质上解决了现有辅助矫形器产生的恒定辅助力对人体造成的不利影响。
6.本发明中，采集设备和主控板均采用无线充电电池进行供电，能够随时随地启动装置，极大地提高了便携性。以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明硬件主板结构框图；
图2为本发明数据处理模块流程图；
图3为本发明膝关节力平衡原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，如图1所示，解决了在通过保守治疗治疗膝骨关节炎时，现有辅助设备施加的恒定辅助力对动态膝关节运动产生的不利影响问题，能更准确的根据人体下肢动态力线调整辅助力矩的大小，更有效的治疗膝骨关节炎。
本发明通过采集设备采集并整合人体运动角度和生理数据，预测算法进行人体运动姿态结算和实时预测膝关节内外侧间室接触力和柔性智能辅助设备应施加的辅助力，柔性智能辅助设备进行实时控制调节膝关节的辅助力，解决了在通过保守治疗治疗膝骨关节炎时，现有辅助设备施加的恒定辅助力对动态膝关节运动产生的不利影响问题。首先通过采集设备进行数据采集，并通过无线通信模块传输到数据采集卡进行数据整合处理，然后将整合后的数据发送到微型处理器中进行综合实时预测膝关节内外侧间室接触力和辅助设备应施加的辅助力，最后以预测的辅助设备应施加的辅助力为依据，利用驱动模块驱动充气阀控制柔性智能辅助设备施加的分布式辅助力，实现对膝骨关节炎的动态辅助力施加。
具体的，在进行膝骨关节炎治疗应用中，该系统包括：用于采集人体下肢各种运动姿态的生理信号和角度信号，并对采集数据进行整合处理的采集设备；用于对采集设备整合处理后的数据进行综合解算，预测膝关节内外侧间室接触力和柔性辅助设备施加辅助力的数据处理模块；用于根据预测的柔性辅助设备施加辅助力大小动态调整辅助力的柔性智能辅助设备驱动模块。
如图1，硬件主板主要包括用于信号采集的采集设备和用于信号处理并控制驱动的主控板。采集设备主要包括用于进行运动角度采集的IMU惯性传感器，用于采集地面反作用力的足底压力传感器和用于采集肌肉信号的表面肌电信号传感器。主控板主要包括接收采集设备数据信号的无线通信模块、处理并整合数据的数据采集卡、监测采集设备运行状态的传感器检测模块、驱动充气阀的驱动模块、状态指示模块、用于数据处理预测膝关节内外侧间室受力的微型处理器以及为各模块供电的电池模块。
其中采集设备和主控板通过无线通信模块进行交流，
如图2，数据处理模块包括数据接收模块，实时预测模块和驱动计算模块。数据接收模块主要用于接收IMU数据/足底压力/sEMG表面肌电信号传感器的整合信号。实时预测模块主要用于根据数据接收模块接收的整合信号通过关节运动解算、反向动力学和CEINMS程序和神经网络算法实时预测膝关节内外侧间室受力大小。驱动计算模块通过膝关节力平衡原理结合人体肌-骨模型计算柔性智能辅助设备应施加的辅助力大小。
如图3，膝关节动态力平衡原理，下肢膝关节在地面反作用力、关节力矩、合肌力矩、膝关节内侧间室受力和外侧间室受力共同作用下达到动态平衡。
最后柔性智能辅助设备驱动模块柔性智能辅助设备、控制系统、充气阀。以预测的辅助设备应施加的辅助力大小为依据，通过控制系统驱动充气阀控制气囊结构中的气体压力来改变柔性智能辅助设备施加的分布式辅助力，实现对膝骨关节炎的动态实时辅助力施加。
膝骨关节炎患者佩戴好柔性智能辅助设备后，打开开关装置启动，无需进行初始化处理，用户即可进行辅助行走。在用户行走过程中，通过捆绑在腰部、大腿、小腿和足背上的IMU惯性传感器、衬垫在鞋底的足底压力传感器和附着在膝关节周围相应肌肉(股直肌、股外侧肌、股内侧肌、半腱肌、半膜肌、股二头肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头)肌腹位置的sEMG表面肌电信号传感器对所需原始信号数据进行采集。采集设备将采集到的实时数据通过无线通信模块传输给数据采集卡进行数据整合处理，之后传输给微型处理器，分别进行髋、膝、踝关节矢状面与冠状面关节角度、关节力矩、肌肉总力矩解算；随后将解算后的关节角度、关节力矩、肌肉总力矩输入膝关节力平衡解算器中进行力平衡解算获取膝关节内外侧间室受力状况。根据膝关节内外侧受力状况预测应施加力的大小，通过驱动模块驱动充气阀来调节柔性智能辅助设备对人体膝关节施加的分布式辅助力，同时通过采集设备采集的数据实时分析辅助力对人体的影响。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，包括：
硬件主板，包括采集设备和主控板；所述采集设备用于采集行走过程中人体下肢运动角度数据、足底压力和表面肌电信号数据；所述主控板通过无线通信模块获得采集的数据，并对采集的数据进行整合处理；
数据处理模块，包括数据接收模块、实时预测模块和驱动计算模块；所述数据接收模块用于接收主控板发送的整合数据；所述实时预测模块通过关节角度解算、反向动力学、CEINMS算法和神经网络算法实时预测膝关节内外侧间室受力大小；所述驱动计算模块根据实时预测模块预测的膝关节内外侧间室受力大小计算所需辅助力的大小；
柔性智能辅助设备驱动模块，用于根据数据处理模块实时计算得到的辅助力大小，通过控制充气阀充气量以控制柔性智能辅助设备对膝关节施加辅助力；
所述实时预测模块预测膝关节内外侧间室受力的步骤包括：
S1：通过IMU惯性传感器获取各关节空间位置变化数据，用于解算下肢各关节角度；通过足底压力传感器获取足底压力合力作用点、大小及方向；通过表面肌电信号传感器获取运动过程中下肢膝关节周围各肌肉的肌电信号；
S2：通过解算下肢各关节角度，获取髋关节、膝关节和踝关节在矢状面和冠状面内的实时角度数据，结合人体肌-骨模型计算下肢膝关节周围各肌肉肌力臂；结合所述足底压力数据通过反向动力学运算获得下肢各关节力矩；所述肌电信号通过CEINMS程序计算运动过程中下肢膝关节周围各肌肉的肌力，结合各肌肉肌力臂计算下肢肌肉的合肌力矩；
S3：通过结合髋关节、膝关节和踝关节在矢状面和冠状面内的关节角度、关节力矩及下肢肌肉的合肌力矩对膝关节进行动态力平衡解算，计算膝关节内外侧间室受力大小；通过神经网络训练动态力平衡解算过程。
2.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述采集设备包括：所述IMU惯性传感器，用于进行运动角度采集；所述足底压力传感器，用于采集地面对足底反作用力；所述表面肌电信号传感器，用于采集肌肉电信号。
3.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述柔性智能辅助设备驱动模块包括：柔性智能辅助设备、控制系统和充气阀；所述控制系统控制充气阀充气量，以控制所述柔性智能辅助设备对人体施加的分布式辅助力。
4.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述主控板包括：数据采集卡，用于处理并整合数据；传感器检测模块，用于监测采集设备运行状态；驱动控制模块，用于驱动充气阀进行充气；状态指示模块，用于显示主控板的运行状态；微型处理器，用于数据处理预测膝关节内外侧间室受力和计算所需辅助力大小；电池模块，用于为各模块供电。
5.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述采集设备至少有一套；所述IMU惯性传感器捆绑在腰部、大腿、小腿和足背上；所述足底压力传感器衬垫在鞋底；所述表面肌电信号传感器附着在膝关节周围相应肌肉肌腹位置；所述主控板背负在人体腰后部。
6.根据权利要求1所述的治疗膝骨关节炎的柔性智能辅助系统，其特征在于，所述采集设备和主控板均采用充电电池进行供电。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107397649A (zh) * 2017-08-10 2017-11-28 燕山大学 一种基于径向基神经网络的上肢外骨骼康复机器人控制方法
CN108186293A (zh) * 2018-01-02 2018-06-22 北京理工大学 一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼
CN108785997A (zh) * 2018-05-30 2018-11-13 燕山大学 一种基于变导纳的下肢康复机器人柔顺控制方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5642534B2 (ja) * 2010-12-27 2014-12-17 Cyberdyne株式会社 装着式動作補助装置、そのインタフェース装置及びプログラム
EP4104757B1 (en) * 2013-12-09 2024-10-02 President and Fellows of Harvard College Assistive flexible suits, flexible suit systems, and methods for making and control thereof to assist human mobility
CN108283569A (zh) * 2017-12-27 2018-07-17 北京精密机电控制设备研究所 一种外骨骼机器人控制系统及控制方法
CN109107082A (zh) * 2018-08-02 2019-01-01 西北工业大学 一种智能助力运动裤
CN109346176B (zh) * 2018-08-27 2021-08-31 浙江大学 一种基于人体动力学建模和表面肌电信号修正的肌肉协同分析方法
CN109589496B (zh) * 2019-01-18 2023-06-16 吉林大学 一种人体运动全过程穿戴式仿生康复系统
CN109559826A (zh) * 2019-01-30 2019-04-02 福州大学 一种基于表面肌电和运动信号的膝关节力矩估计方法
CN110303479B (zh) * 2019-07-29 2023-08-01 北京理工大学 一种可穿戴柔性膝关节外骨骼及其控制方法
CN110811553B (zh) * 2019-11-01 2021-01-15 西安交通大学 一种用于负重外骨骼助力效率的检测方法
CN110801226A (zh) * 2019-11-01 2020-02-18 西安交通大学 一种基于表面肌电信号的人体膝关节力矩测试系统方法及应用
CN111631727B (zh) * 2020-06-11 2024-02-09 国家康复辅具研究中心 一种假肢适配效果的评估方法及评估装置
CN112297009B (zh) * 2020-10-29 2022-04-05 燕山大学 一种机器人三自由度腿部的阻抗新构型生成方法及系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107397649A (zh) * 2017-08-10 2017-11-28 燕山大学 一种基于径向基神经网络的上肢外骨骼康复机器人控制方法
CN108186293A (zh) * 2018-01-02 2018-06-22 北京理工大学 一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼
CN108785997A (zh) * 2018-05-30 2018-11-13 燕山大学 一种基于变导纳的下肢康复机器人柔顺控制方法

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