CN116018080A - 步态调节辅助系统 - Google Patents

Abstract

一种步态调节辅助系统(100)包括智能手杖(102)和中央器件(104)。智能手杖(102)在检测到用户的步态不规则时提供视觉提示。智能手杖(102)包括细长壳体(222)、把手(201)、基座(204)和柄(210)。把手(201)包括隐藏的按钮(208)，以在接收到来自用户的按压手势时产生振动。基座(204)容纳第二印刷电路板(PCB)(316)、步态检测传感器(318)和地形检测传感器(320)。步态检测传感器(318)包括惯性测量单元(IMU)(322)，用于检测用户的步态不规则性。柄(210)容纳线束以将PCB连接到主要外围设备(344)。中央器件(104)评估用户的步态不规则性以提供振动和听觉提示。

Description

步态调节辅助系统

技术领域

本发明涉及身体运动和姿势支持，更具体地，涉及一种步态调节辅助系统。

背景技术

背景技术中讨论的主题不应仅仅因为在背景技术中提及而被假定为现有技术。类似地，背景部分中提到的问题或与背景部分的主题相关的问题不应被假定为先前在现有技术中已经被认识到。背景部分中的主题仅代表不同的方法，其本身也可能是发明。

通常，帕金森病(PD)会影响人的步态或行走方式。步态的变化可能被称为帕金森的步态或帕金森步态。步态改变可能会对PD患者造成严重影响，并可能干扰其工作、锻炼或参与日常活动的能力。帕金森病患者患有步态异常，如步态混乱、随后失去平衡和步态冻结。在慢步步态中，步伐变得更小，彼此更接近。步态的“冻结”通常表现为患者快速缩短步伐，然后完全停止，感觉无法抬起脚。Chen Shyh-Min等人提交的美国专利US20140276242A1公开了一种可穿戴式身体传感器系统和相关方法，用于评估带有或不带有辅助行走装置的全身运动。Chen Shyh-Min等人讨论了在给定时间段内通过三维(3D)映射监测全身运动，包括COG和BOS。所公开的原理提供了几个目标，其中包括提供一种可穿戴的身体3D传感器网络，该网络能够在日常活动期间持续监测BOS上COG的变化；临床评估老年人保持直立姿势和预防老年人跌倒的情况；以及临床建立定量数学模型以确定老年人的稳定性。此外，Beccani Marco等人提交的美国专利US2016262661A1公开了一种与助行器耦合的临床评估工具，用于使用额外的客观和定量数据(例如加速度、角速度和施加的力)来提高治疗师基于观察的步态评估。该评估工具有助于制定适当的辅助步态设备处方，在步态训练期间为患者和治疗师提供反馈，并通过使用助行器减少手腕和肩部受伤。评估工具被配置为检测助行器的时间和速度、助行器放置位置、角加速度以及助行器承受的重量。

本说明书认识到需要步态调节辅助系统和方法来提供振动、视觉和听觉刺激以解决上述问题。

因此，鉴于上述情况，业界长期认为有必要解决上述缺陷和不足之处。

如在本申请的其余部分和附图中所概述的，通过将所描述的系统与本申请的一些方面进行比较，常规方法的进一步限制和缺点对于本领域技术人员来说将变得显而易见。在一些实施例中，用于描述和要求本发明的某些实施例的表示物品数量或尺寸等的数字应理解为在某些情况下由术语“大约”修改。

发明内容

提供了一种步态调节辅助系统，如图中的至少一个所示和/或结合图中的一个所述。

一方面，本申请公开了一种步态调节辅助系统，其包括智能手杖、中央器件和由计算设备的处理单元执行的通信应用程序。智能手杖在检测到用户的步态不规则时提供视觉提示，以预测冻结事件并先发制人地开始提示以避免/减轻它们。智能手杖包括细长壳体、把手、基座和柄。细长壳体包括近端和远端。把手连接于所述细长壳体的近端。把手包括人体工程学握把和放置在所述符合人体工学的握把上以检测用户的握把和握把强度的多个压力传感器。把手包括隐藏的按钮以在接收到来自用户的按压手势时产生振动。在一个实施例中，振动单元被放置在整个智能手杖上，以产生振动并最大化肌肉群的感觉。在一个实施例中，把手包括第一印刷电路板(PCB)。基座连接在细长壳体的远端。基座容纳有第二印刷电路板(PCB)、步态检测传感器和一个或多个地形检测传感器。步态检测传感器包括多个IR传感器和惯性测量单元(IMU)以通过测量所述用户身体的方位来检测所述用户的步态不规则性。地形检测传感器包括超声波传感器和一个或多个红外测距仪以探测地形来预测冻结事件，并抢先启动提示以避免/缓解冻结事件。柄连接于所述把手以容纳线束以将所述第一和第二印刷电路板(PCBs)连接到多个主外围设备。与智能手杖无线连接的中央器件用于评估用户的步态不规则性以提供振动提示和听觉提示。所述中央器件耦合到具有基于所述用户的身体部位的多个可穿戴形状要素的可穿戴设备。所述中央器件通过听觉设备提供自适应振动提示和听觉提示。所述中央器件包括电子装置以容纳处理器。所述处理器用于：控制多个辅助外围设备；执行多个指令以处理从耦合到所述可穿戴设备的多个检测器接收的感官数据，以评估所述用户的步态不规则性，其中所述检测器容纳在所述电子装置中；与所述智能手杖建立通信；训练并运行多个机器学习模型；致动包括振动换能器和声音换能器的多个换能器，并触发振动提示和听觉提示。计算设备通过网络与智能手杖和中央器件连接。计算设备包括存储器和处理单元，所述处理单元被配置为执行通信应用程序以向看护者和医疗专业人员呈现步态分析，其中所述通信应用程序提供数字平台以在所述用户、所述看护者和所述医疗专业人员之间建立交互。

在一个方面，所述智能手杖的所述基座和所述把手包括微控制器，用于处理从所述传感器捕获的数据以输出刺激。

在一个方面，所述IMU包括一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪和一个或多个磁力计。

在一个方面，所述基座包括弯曲传感器、多个红外(IR)传感器、多个超声波传感器和压力传感器组件，以检测行走时表面的偏转或弯曲角度。

在一个方面，所述基座包括宽光谱摄像机，用于捕获波长范围，并在红外(IR)波、紫外(UV)波和可见光谱中工作。

在一个方面，所述智能手杖包括多个动量稳定器轮，以在发生步态冻结并检测到失去平衡时稳定所述智能手杖。

在一个方面，所述智能手杖的所述基座包括多个红外传感器、多个飞行时间雷达传感器和多个超声波传感器。

在一个方面，所述智能手杖的所述基座包括多个激光发射器，以发射用于视觉提示的激光。

在一个方面，智能手杖.所述基座包括多个腿，以向所述智能手杖提供垂直支撑。

在一个方面，所述基座容纳有电池组件，以向PCBs、步态检测传感器、地形检测传感器、把手的振动单元、柄、动量稳定器轮和集成在智能手杖的各种传感器供电。

在一个方面，所述中央器件包括为所述电子装置供电的电源。

在一个方面，所述可穿戴设备包括织物。

在一个方面，所述中央器件的所述电子装置布置在所述可穿戴形状要素上，所述可穿戴形状要素被设计为佩戴在膝关节、踝关节、手腕、颈部、耳部和躯干中的一个或多个上面或周围。

在一个方面，所述可穿戴形状要素包括：膝关节形状要素、踝关节形状要素、手腕形状要素、颈部形状要素、耳部形状要素以及躯干形状要素。

在一个方面，所述第二PCB放置在基座上的衬垫外壳中。

在一个方面，所述把手包括多个机械按钮，以调节激光器的距离并控制计算设备的音频信号和用户界面(UI)中的至少一个。

在一个方面，所述把手包括放置在所述人体工程学握把上的触摸传感器，以检测用户的触摸。

在一个方面，所述多个主外围设备包括振动单元。

在一个方面，所述多个辅助外围设备包括声音系统和触觉振动系统。

因此，本发明的一个优点是，它利用诸如振动、听觉或视觉的模式化和节律性刺激，通过感觉提示来缓和步态异常/干扰。

因此，本发明的一个优点是，它提供了一种用户友好且非侵入性的步态调节辅助系统，该系统可以定期使用，以使用户受益最大。

因此，本发明的一个优点是，它能够适应用户的步态，并随着疾病的进展做出必要的改变。

因此，本发明的一个优点是，通信应用程序提供的数字平台可以向家庭提供关键反馈，帮助他们跟踪疾病进展。数字平台使医生、物理治疗师和医疗工作中能够与患者、家庭成员和看护者进行虚拟互动。

通过阅读本申请的以下说明书以及附图，可以理解本申请的这些特征和优点，其中相同的附图标记表示相同的部件。

附图说明

附图示出了本申请的系统、方法和其他方面的实施例。本领域普通技术人员将理解，图中所示的元素边界(例如，框、框组或其他形状)表示边界的示例。在一些示例中，一个元件可以设计为多个元件，或者多个元件可以被设计为一个元件。在一些示例中，显示为一个元素的内部组件的元素可以实现为另一个元素中的外部组件，反之亦然。此外，元素可能不按比例绘制。

以下将根据附图描述各种实施例，提供附图是为了说明而不是限制范围，其中相同的名称表示相同的元件，并且其中：

图1所示为根据本发明至少一个实施例的步态调节辅助系统的网络示意图；

图2所示为根据至少一个实施例的智能手杖的透视图；

图3所示为根据至少一个实施例的计算设备与智能手杖和中央器件的各种组件之间的通信的框图。

图4所示为根据至少一个实施例的步态调节辅助系统所使用的软件架构的框图。

图5所示为根据至少一个实施例的可穿戴形状要素的皮肤模式的透视图。

图6所示为根据至少一个实施例的电子装置的透视图。

图7所示为根据至少一个实施例的膝关节形状要素的膝关节支撑结构的透视图，该膝关节形状要素为缠绕型织物基座形状。

图8所示为根据至少一个实施例的膝关节形状要素的电子外壳部分的透视图，该膝关节形状要素具有缠绕型织物基座形状。

图9所示为根据至少一个实施例的膝关节形状要素的支撑网状结构的透视图，该膝关节形状要素具有缠绕型织物基座形状。

图10所示为根据至少一个实施例的膝关节形状要素的膝关节支撑结构的透视图，该膝关节形状要素具有袜子类型的织物基座形状。

图11所示为根据至少一个实施例的膝关节形状要素的电子外壳部分的透视图，该膝关节形状要素具有袜子类型的织物基座形状。

图12所示为根据至少一个实施例的膝关节形状要素的支撑网状结构的透视图，该膝关节形状要素具有袜子类型的织物基座形状。

图13所示为根据至少一个实施例的条带形状要素的透视图。

图14所示为根据至少一个实施例的颈部形状要素的透视图。

图15所示为根据至少一个实施例的听觉设备的透视图。

图16所示为根据至少一个实施例的激光和伺服组件的透视图。

具体实施方式

参考本申请所阐述的详细附图和描述，可以最好地理解本申请。参考附图讨论了各种实施例。然而，本领域技术人员将容易理解，本文中提供的关于附图的详细描述仅用于解释目的，因为方法和系统可以扩展到所描述的实施例之外。例如，所呈现的教导和特定应用的需求可以产生多种替代的和合适的方法来实现本文所描述的任何细节的功能。因此，在以下实施例中，任何方法都可以扩展到某些实现选择之外。

对“一个实施例”、“至少一个实施例”、“一实施例”、“示例”、“例如”等的引用表明，实施例或实例可以包括特定特征、结构、特性、属性、元素或限制，但不是每个实施例或实例需要包括这些特定特征、结构、特性、属性、元素或限制。此外，短语“在实施例中”的重复使用不一定指同一实施例。

本发明的方法可以通过手动、自动或其组合执行或完成选定的步骤或任务来实现。术语“方法”是指用于完成给定任务的方式、手段、技术和程序，包括但不限于本发明所属领域的从业者已知的或从已知的方式、方法、技术和过程中容易开发的那些方式、手段和程序。权利要求书和说明书中给出的描述、实例、方法和材料不应被解释为限制性的，而应仅被解释为说明性的。本领域技术人员将在本文所述技术的范围内设想许多其他可能的变化。

图1示出了根据至少一个实施例的步态调节辅助系统100的网络示意图。步态调节辅助系统100包括智能手杖102、中央器件104和由计算设备106的处理单元122执行的通信应用程序。智能手杖102在检测到用户的步态不规则时提供视觉提示。中央器件104与智能手杖102无线连接，以评估用户的步态不规则性，从而提供振动提示和听觉提示。智能手杖102将传感器数据、记录数据和紧急(SOS)报告数据发送到中央器件104。中央器件104向智能手杖102发送SOS控制数据、时间戳同步数据和参数同步数据。此外，中央器件104控制智能手杖102，并向智能手杖102提供触觉控制、激光控制和声音控制。中央器件104通过听觉设备110提供自适应振动提示和听觉提示。此外，中央器件104发送音频数据和触发信号到听觉设备110。听觉设备110将传感器数据和状态指示符发送到中央器件104。

中央器件104包括用于容纳处理器304(图3所示)的电子装置302(图3中所示)。处理器304被配置为控制多个辅助外围设备108。中央器件104提供触觉控制、时间戳同步数据和参数同步数据。辅助外围设备108向中央器件104提供传感器数据和日志数据。计算设备106包括存储器120和处理单元122，其被配置为执行通信应用程序以向护理者和医疗专业人员呈现步态分析。通信应用程序提供了一个数字平台来建立用户、护理者和医疗专业人员之间的交互。在一个实施例中，通信应用程序是基于诸如

和

的各种操作系统的移动应用。计算设备106的示例包括但不限于便携式计算机、个人数字助理、手持设备和工作站。移动应用程序作为软件平台的接口，为医疗专业人员和看护者/家庭成员提供步态分析。在一个实施例中，移动应用提供了通过聊天或语音/视频呼叫与医疗保健专业人员通信的平台。此外，移动应用程序提供了一种在线订购药物的方法。移动应用程序提供了一个与医疗保健专业人员预约的时间表。最后，移动应用程序还提供关于诸如生活方式、疾病进展、新疗法等主题的信息性媒体。移动应用程序在计算设备106上或下载到云设备上执行分析。在一个实施例中，移动应用程序提供了参与活动的途径，例如多人游戏、网络研讨会、心理健康活动等。

图2示出了根据至少一个实施例的智能手杖102的透视图。智能手杖102包括细长壳体222、把手201、基座204和柄210。细长壳体222包括近端和远端。把手201连接到细长壳体222的近端。把手201包括人体工程学握把202和放置在人体工程学握把202上的多个压力传感器312(如图3所示)，以检测使用者的握把和握把强度。把手201包括隐藏的按钮208(SOS按钮)，以在接收到来自用户的按压手势时产生振动。在一个实施例中，把手201包括多个机械按钮314(如图3所示)，以调节激光器的距离并控制计算设备106的音频信号和用户界面(UI)中的至少一个。在一个实施例中，把手201包括放置在人体工程学握把202上的触摸传感器，以检测用户的触摸。在一个实施例中，把手201包括传感器以检测多个其他生理功能，例如脉搏/心率、温度、葡萄糖水平和血压。在一个实施例中，把手201包括第一印刷电路板(PCB)315。

基座204连接到细长壳体222的远端。基座204包括容纳第二印刷电路板(PCB)316的壳体214、步态检测传感器318和一个或多个地形检测传感器320。步态检测传感器318包括惯性测量单元(IMU)322，以通过测量用户身体的方位来检测用户的步态不规则性。在一个实施例中，IMU 322包括一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪和一个或多个磁力计。地形检测传感器320包括一个或多个红外测距仪324，以检测地形在用户行走时为其提供引导。在一个实施例中，智能手杖102的基座204包括微控制器326，以处理从传感器捕获的数据以输出刺激。在一个实施例中，基座204包括弯曲传感器328，以检测行走时表面的偏转或弯曲角度。在一个实施例中，基座204包括用于捕获波长范围并在红外(IR)波、紫外(UV)波和可见光谱中操作的宽光谱摄像机330。

在一个实施例中，智能手杖102的基座204包括多个红外传感器332、多个飞行时间雷达传感器334和多个超声波传感器336。在一个实施例中，智能手杖102包括多个动量稳定器轮338，以在发生步态冻结并检测到失去平衡时稳定智能手杖102。

在一个实施例中，智能手杖102的基座204包括多个激光发射器340，以发射用于视觉提示的激光。在一个实施例中，基座204包括多个腿230，以向智能手杖102提供垂直支撑。在一个实施例中，基座204容纳电池组件342，以向第一PCB 315和第二PCB 316、步态检测传感器318和地形检测传感器320供电。在一个实施例中，第二PCB 316被放置在基座204上的衬垫外壳中。

柄210与把手201连接以容纳线束，以将第一和第二印刷电路板(PCB)315和316连接到多个主外围设备344。在一个实施例中，主外围设备344包括振动单元。在一个实施例中，地形检测传感器320安装在整个智能手杖102上。在一个实施例中，细长壳体222用作主柄和基座，该主柄和基座包括安装在细长壳体222上的激光伺服组件346(如图16所示)。在一个实施例中，柄210连接在把手201的底部。在一个实施例中，激光伺服组件346包括激光器和伺服马达。激光器被配置为在地板上以线的形式发射光，并且该线用于视觉提示。在一个实施例中，伺服被配置为控制激光器的位置。因此，伺服机构被配置为控制线相对于手杖的位置和方向。

图3示出了根据至少一个实施例的计算设备106与智能手杖102和中央器件104的各种组件之间的通信的框图。中央器件104耦合到可穿戴设备306，该可穿戴设备具有基于用户身体部位的多个可穿戴形状要素(如图7至图15所示)。中央器件104包括容纳处理器304的电子装置302。处理器304被配置为：控制辅助外围设备108；执行多个指令以处理从多个检测器接收的感官数据，所述多个检测器包括与耦合到可穿戴设备306的中央器件104连接的各种传感器，以评估用户的步态不规则性，其中所述检测器容纳在电子装置302中；与智能手杖102建立通信；训练多个机器学习模型404(如图4所示)；致动包括振动换能器和声音换能器的多个换能器310(致动器)，并触发振动提示和听觉提示。在一个实施例中，the辅助外围设备108include a声音系统and a触觉振动系统.在一个实施例中，计算设备106可以通过网络与智能手杖102和中央器件104连接。网络可以是有线或无线网络，并且示例可以包括但不限于因特网、无线局域网(WLAN)、Wi-Fi、LTE、WiMAX和GPRS。在一个实施例中，辅助外围设备108包括声音系统和触觉振动系统。

在一个实施例中，中央器件104包括电源309以向电子装置302供电。电源309的示例包括但不限于向中央器件104的各个部件供电的外部电源或电池。

在一个实施例中，可穿戴设备306包括织物。在一个实施例中，中央器件104的电子装置302布置在可穿戴设备306上，该可穿戴设备被设计成佩戴在膝关节、踝关节、手腕、颈部、耳部和躯干中的一个或多个上并围绕其佩戴。在一个实施例中，可穿戴形状要素包括膝关节形状要素、踝关节形状要素、手腕形状要素、颈部形状要素、耳部形状要素和躯干形状要素中的一个或多个。

可穿戴设备306提供自适应的振动提示，通过耳机或听觉设备以无线或有线方式提供听觉提示，并记录步态数据以为用户建立平衡概况。可穿戴设备306使用步态数据来适应用户的步态，并动态调整刺激模式。在一个实施例中，智能手杖102包括条带以将弹性握把固定到用户的手上。智能手杖102估计由于周围地形而跌倒的风险，并与可穿戴设备306通信以改变刺激模式来进行补偿。在一个实施例中，智能手杖102识别患者外部环境中可能导致患者跌倒的因素。这些因素包括但不限于门口或狭窄的道路、地板表面的变化，例如，从地毯到瓷砖，以及道路上的障碍物。

智能手杖102中的地形检测方法用于检测导致FOG并防止跌倒的情况。在一个实施例中，智能手杖使用距离测量传感器、表面检测传感器或其组合。距离测量传感器的示例包括但不限于红外传感器、超声波传感器、激光雷达传感器、激光ToF传感器等。表面检测传感器的示例包含但不限于力/压力传感器、电容式触摸传感器、机械开关等。此外，智能手杖使用可在视觉、IR、紫外(UV)或任何其他光谱中操作的相机。通过这些传感器，智能手杖可以检测沿途是否有障碍物，或者是否有其他可能导致摔倒的因素。传感器被布置成覆盖用户前方180度(视野)。

在操作中，如果智能手杖102的传感器检测到障碍物或变窄或表面变化，则传感器估计与障碍物的距离并检查步态的不稳定性。如果不稳定超过阈值，智能手杖会启动/增加听觉和视觉刺激的强度，并提醒助手或护理者。然后，智能手杖102在电话/其他计算设备上发送通知，并且电话/其他计算机设备可以生成例如嘟嘟声的通知信号，其中该通知使得诸如膝关节模块的其他设备(如果存在于附近)能够与智能手杖102同步地开始提示。最后，智能手杖102根据步态模式调整刺激。

在一个实施例中，智能手杖102预测步态冻结(FOG)的发生。通常，FOG不是一种二元现象，而是在实践中具有梯度。一些明显的标志是步幅缩短、步伐加快和步态不稳。智能手杖跟踪步态，并与来自可穿戴设备306的数据一起检查这些标记以预测FOG的发生。此外，地形检测算法识别可能导致冻结的区域，并利用这些信息采取适当的预防措施。

在操作中，可穿戴设备306发送振动刺激和听觉刺激。智能手杖启动视觉和听觉刺激。此外，智能手杖102通过握把提供振动提示，并包括将握把固定到用户手上的带。每个都可以使用上面的传感器独立地感知用户的步态。智能手杖102可以在存在或不存在可穿戴设备306的情况下使用视觉和听觉提示来刺激用户，反之亦然。当两者同时存在时，它们彼此通信以互相补充其功能。例如，仅使用智能手杖，当检测到潜在的冻结场景时，以特定模式呈现视觉和听觉提示。如果可穿戴设备306也存在，则也包括振动模式。

在一个实施例中，平衡概况是使用智能手杖和可穿戴设备306从用户收集的数据的分析。此外，智能手杖包括用于检测握把握力的传感器、SOS自动报告按钮、IMU以及用于检测失衡的其他地形测绘传感器。类似地，可穿戴设备306具有独立地检测失衡的传感器。当两者同时出现时，他们将预测结果结合起来以对平衡进行准确判断。

图4示出了根据至少一个实施例的由本步态调节辅助系统100使用的软件架构400的框图。根据本申请的实施例，步态调节辅助系统100利用控制算法302，该控制算法302包括机器学习模型404和统计模型406或统计算法，以对从本步态调节辅助系统100的各种传感器408接收的数据进行数据分析。统计方法的示例包括但不限于步态长度和速度的趋势计算；以及步态不对称的趋势计算。机器学习的示例包括但不限于步态模式的无监督聚类，以及基于传感器数据的跌倒风险的监督预测。然后，经过训练的模型被发送回通信应用程序，通信应用程序在处理器、处理单元和微控制器中对其进行更新。然后在日常使用期间应用这些模型以基于数据日志412调整提示参数410。根据本申请的实施例，控制算法302进一步控制致动器310、诸如振动单元、音频单元和显示单元的警报系统414，并且还提供反馈度量416。

在一个实施例中，使用诸如Python、C、C++、Java、TensorFlow、SQL和变体、JavaScript和变化的各种开源编程语言和库来构建数字/软件平台。每个处理器、处理单元和微控制器都包括一个机器学习模型。这些模型使用传感器408报告的数据来预测一些量，例如步态频率和跌倒风险评分。步态频率用于调整提示的频率，使用户更容易同步。跌倒风险评分基于传感器输出以及历史趋势。通常，一剂药在一定时期内有效，之后症状会复发。因此，在一天的某些时间用户更容易出现问题，模型在预测跌倒风险时会考虑到这一点。在一个实施例中，处理器、处理单元和微控制器利用全球移动通信系统(GSM)模块或通用分组无线服务(GPRS)、或Wi-Fi模块或

模块来传输数据。

在一个实施例中，可穿戴设备306具有基于诸如用户的膝关节、踝关节、手腕、颈部和耳朵等身体部位的各种可穿戴形状要素或模块。可穿戴形状要素用于应用感官提示。在一个实施例中，模块被分类为条带模块、膝盖模块、踝关节模块、躯干模块、手腕模块、颈部模块和声音模块。感官提示通过有节奏的振动、声音或光来被应用。这些可穿戴形状要素或模块中的每一个都可以独立运行。当运行多个时，它们彼此通信以同步提示。当一个模块包括一对设备(如膝盖、踝关节、手腕或声音模块)时，每个单元可以通过彼此通信来同步提示，从而独立或以配对模式运行。这些模块有时可以与电话通信，以传递感官数据。它们包含作为电源的电池。

在一个实施例中，条带模块、膝盖模块、踝关节模块、躯干模块、手腕模块、颈部模块和声音模块执行各种功能，例如收集和存储IMU数据、与周围的任何其他设备通信、与移动电话通信、管理提示，以及执行控制和机器学习算法以评估步态、状态和提示。

每个模块都根据用户的不同来调整其提示模式。每个模块中的主要电子设备包括中央模块(如下所述)、振动或声音换能器、电池装置及其织物或其他结构。结合图5至图15详细描述每个模块。

在一个实施例中，可穿戴设备306用于感官提示的应用。可穿戴设备306通过三种物理介质应用提示：振动、声音和光。

在一个实施例中，中央器件104是主要可穿戴设备。中央器件104包括电子装置302或机电组件，其控制诸如声音系统和触觉振动系统的外围设备。中央器件104还运行控制算法，该控制算法管理诸如传感器I/O、有线/无线通信、机器学习模型和换能器的致动等功能。虽然核心电子元件是相同的，但它们的物理排列形式多种多样。

中央模块中的电子装置302包括微处理器、能够实现蓝牙/BLE/Wi-Fi/GSM/4G/无线/各种近场技术等的通信硬件、触觉振动单元控制器(不同形式)、音频驱动器/控制器、电压转换器、存储器控制器、存储器接口、RAM模块、惯性测量单元(IMU)、电连接器、线对板连接器/线对线连接器、扬声器、光学传感器、压力传感器、拉伸传感器、柔性传感器、电流和电压传感器、温度传感器、湿度传感器、导电率/电阻率传感器、肌电传感器、肌电电极、电子放大器、信号处理模块、按钮、电池和充电设备等。机电组件包括触觉振动传感器、声音传感器、加热/冷却模块、显示屏、葡萄糖监测器、心率监测器、血压监测器、测量生命生理体征的仪器等。

本申请描述了膝关节套或膝关节形状要素的结构。在膝关节形状要素中，中央模块的传感器和组件被布置在可穿戴设备上，该可穿戴设备设计用于穿戴在膝关节上和其周围。电子设备嵌入织物结构中，以创造一种可穿戴的形式。使用天然和合成材料的混合物来制造织物结构。织物基底具有伸缩性和柔韧性。该面料采用大编织，使其透气性极佳。在织物层上方，有导热纤维，用于在支架的不同部位产生热量。纤维在整个支架中呈网状分布。热量从中央模块的加热元件传导到整个网络。

在一个实施例中，织物基底被分成三个部分，膝关节支撑部分、电子外壳部分和支撑网。与其他部分相比，膝关节支撑部分的张力略大。这个部分以膝盖为中心，有几个支撑结构，可以在膝关节上施加均匀的压力，并在行走时提供适当的支撑。膝关节支撑部分的中心部分有一个搭扣锁和拉链组合，以调节支撑结构中的张力。

电子外壳部分位于振动单元、电池壳体、中央模块和柔性PCB/线束布线区域周围。该部分的编织更紧密，比其他部分更坚硬。电子设备安装在该部分。它的张力小于膝关节支撑部分。

支撑网填充了其他部分之间的空间，并完成了传统的膝关节支撑圆柱形状。该部分由大编织、低密度网格制成。它看起来类似于网，张力略低于电子外壳部分。

在下面的图7至12中示出了织物结构和部件布置的形式的详细图。图5示出了根据至少一个实施例的可穿戴形状要素的皮肤模式502的透视图500。织物的内表面直接接触使用者的皮肤，其上绣有线条和圆点图案。这些图案浮起在织物表面，并压入皮肤。这种模式总体上改善了皮肤拉伸和关节周围运动的感觉。此外，该模式改善了关节的本体感觉。该模式位于整个护膝上。可穿戴形状要素(膝盖模块)的皮肤模式502被放置成相距1-2厘米。皮肤模式502包括支撑网状结构504、振动单元506、导热纤维508和膝关节支撑结构510。

图6示出了根据至少一个实施例的电子装置302的透视图。可穿戴设备306的前部，例如膝关节支架，覆盖有冲击吸收材料。这种材料层叠在织物基底和电子设备上。在一个实施例中，本申请描述了电子装置302中的部件的布置。主PCB组件包含一个标准的刚性或刚性柔性PCB，该PCB连接到定制的线对板连接器。连接器位于柔性PCB基板或硅胶线束的末端。柔性PCB/线束连接到振动单元和电池组。连接器集成在覆盖PCB刚性部分的外壳内。外壳的外部具有压敏、触敏表面，可用于控制电源、无线连接和其他功能。该表面也可能有按钮和指示灯。外壳的磁体以一定的方式排列在整个机身上，以便于与外部口对齐。该外部口可用于充电、数据传输、通信等。

振动单元以特定的模式围绕大腿中部和小腿上部布置，以最大限度地使周围的肌肉振动并促进长神经系统适应。目前的步态调节辅助系统针对股四头肌、腘绳肌、胫骨、腓肠肌和比目鱼肌以及皮肤受体。除了主PCB组件之外，还有一个加热元件，该加热元件通过隔热材料与主组件和外壳隔离。加热元件将在中央控制单元激活时通过导热纤维散热。

电池组可以由锂离子、锂聚合物、锂陶瓷或其他电池技术组成。它通过线束连接到主PCB组件。显示器可以位于外壳的外表面上。该显示器具有压敏、触敏技术，可实现交互。

整个电子装置302由薄织物层覆盖，具有暴露主外壳、电池组和电机上的充电和维护区域的间隙。

图7示出了根据至少一个实施例的膝关节形状要素的膝关节支撑结构700的透视图，该膝关节形状要素具有缠绕型织物基底形状。膝关节形状要素的环绕类型具有可调节的推锁机构。该机构嵌入织物基底中。锁卡入插座。具有有助于插座和锁销对齐的导向磁铁。观看方向与腿垂直。锁机构放置在支架的膝关节支撑部分上。图7示出了使用膝关节支撑结构700的腿的各种视图，该膝关节支撑结构包括髌骨支撑件1、防聚束机构2和

附件702。

图8示出了根据至少一个实施例的膝关节形状要素的电子外壳部分的透视图800，该膝关节形状要素具有缠绕型的织物基底形状。膝关节形状要素的电子外壳部分800示出了电池外壳单元3、各种振动单元(4、5、6)和中央控制单元/电源7的位置。在一个实施例中，在底部与导热纤维连接的所有单元通过布传递热量。

图9示出了根据至少一个实施例的膝关节形状要素的支撑网状结构的透视图900，该膝关节形状要素具有缠绕型的织物基底形状。膝关节形状要素的支撑网状结构示出了冲击吸收材料的位置。

图10示出了根据至少一个实施例的膝关节形状要素的膝关节支撑结构1000的透视图，该膝关节形状要素具有袜子类型的织物基底形状。图10结合腿部的各种视图描绘膝关节支撑结构1000中的髌骨支撑件1和防聚束机构2的位置。

图11示出了根据至少一个实施例的膝关节形状要素的电子外壳部分的透视图1100，该膝关节形状要素具有袜子类型的织物基底形状。膝关节形状要素的电子外壳部分1100示出了电池外壳单元3、各种振动单元(4、5、6)和中央控制单元/电源7的位置。在一个实施例中，在底部与导热纤维连接的所有单元通过布传递热量。

图12示出了根据至少一个实施例的膝关节形状要素的支撑网状结构的透视图1200，该膝关节形状要素具有袜子类型的织物基底形状。膝关节形状要素的支撑网状结构示出了冲击吸收材料的位置。

在一个实施例中，膝关节形状要素或膝盖模块执行各种功能，例如步态数据收集、与其他模块的通信、实时步态数据处理、执行机器学习算法、执行例如振动、声音和温度调节的感觉提示。根据初始化，膝关节模块可以充当中央控制器或外围设备。当只有一个膝关节模块在使用时，它默认充当中央器件。当它是中央器件时，执行上述所有基本功能。此外，如果使用智能手杖，它将对该手杖进行主控制。当两个膝关节模块运行时，一个充当中央控制器，另一个充当外围设备。两者执行上述相同的基本功能。主要区别在于提示的计算和控制。外围设备收集数据并将相关信息发送到中央模块。中央器件将这些信息与自己收集的数据相结合，对这些信息进行预处理，通过包括机器学习算法在内的不同算法将其输入，并准备提示模式。它控制其模块中的触觉提示，并向外围模块发送信号以打开/关闭其触觉。中央器件还可以直接控制声音模块，或者到声音模块的控制信号可以由外围智能/智能手杖或手杖中的模块中继。两个模块都单独运行算法来检测关键事件，如步态/姿势不稳定跌倒、步态启动等。任一模块都可以触发“SOS”，在这种情况下，启动由中央模块控制的紧急提示模式。

在一个实施例中，智能手杖和所有模块也可用于手动触发“SOS”。在手杖模块存在的情况下，中央模块从手杖收集地形信息、步态信息、握力、步态/姿势稳定性数据等。它还通过手杖控制视觉提示。

上述模块有多种操作模式，例如i)单模块，ii)单模块和智能手杖，iii)单模块与声音模块，iv)单模块、智能模块和声音模块，v)双模块，vi)双模块和智能手杖，vii)双模块和声音模块，viii)双模块、智能手杖和声音模块。

图13示出了根据至少一个实施例的条带形状要素的透视图1300。在一个实施例中，条带形状要素是穿戴在大腿、小腿、踝关节、手臂、躯干或颈部上的单个带状可穿戴物。它由中央器件、振动单元2和嵌入支撑结构内的其他电子设备组成。它是弹性的，具有与锁定机构结合的钩环式紧固件。振动目标是四肢和大腿。条带形状要素具有作为中央器件一部分的所有传感器。条带形状要素包括外网格1、电池外壳单元、振动单元、中央控制单元/电源单元3、内网格4和钩环紧固件5，如

附件。

根据本申请的一个实施例，在踝关节形状要素中，部件被布置在设计成佩戴在踝关节上和周围的可穿戴设备上。电子产品嵌入织物结构中，形成一种可穿戴的形式。踝关节模块有两种类型：袜子型和缠绕式。

在一个实施例中，踝关节模块的形状类似于袜子类型。它由三层组成，即i)织物基底，ii)电子装置层，iii)缓冲层。

织物基底的结构设计与膝关节模块相似。它由编织更紧密、张力更高的支撑区域、大编织和中等张力的电子装置部分以及具有大编织和相对较低张力的支撑结构组成。下面说明了两种类型的踝关节模块的不同区域的布置。

电子装置层包含主PCB外壳、电池组和振动单元。电子设备将在以下章节中详细描述。电子装置层位于织物基底上的相应电子装置部分上方。它将电子装置的各个部件固定到位，并为它们提供支撑和保护。

缓冲层为踝关节上和周围区域提供支撑结构。具体来说，它为鞋跟提供缓冲，为足弓提供缓冲和支撑，为鞋底提供全面支撑。足弓支架由适应足弓形状的合适材料组成。脚跟支撑是一种柔软、舒适的材料，从足弓支撑延伸至下踝关节，以完全支撑脚跟。

缠绕式踝关节模块具有半刚性外部结构，在未佩戴时为踝关节模块提供足部形状。它在不与其他物体交互的情况下保持这种结构，使得模块可以直立，方便用户轻松地踏入模块。踏入后，可以使用锁定机构将模块连接到脚上。

除了一个方面之外，缠绕式踝关节模块的电子装置与膝关节模块相同。振动单元的数量不同，最多有两个振动单元。振动单元被布置成最大化踝关节周围主要肌肉群的感觉。目标是胫骨前肌、腓肠肌、比目鱼肌、指状肌、拇趾、腓骨和该区域的其他肌肉以及皮肤受体。

对于踝关节模块的缠绕式变体，宽钩环式布置便于锁定。此外，可能有一个类似于手表表带的带扣装置，但具有更宽的锁销。锁定机构存在于关节周围，以最小化运动期间与关节的相互作用。下图所示。

根据本申请的实施例，在手腕形状要素中，部件被布置在被设计为佩戴在手腕周围的下臂上的可穿戴物上。电子装置嵌入织物-塑料混合结构中，形成可穿戴的形式。

手腕模块的形状类似于圆形条带。它由非弹性段和弹性段组成。弹性段允许它伸展并抓住用户的手腕和手臂。手腕模块有两个主要部分，如织物混合基底和电子装置。

织物混合基底被分为一组段。每一段都在与皮肤接触的条带内侧上排列有透气面料。各个段间由弹性材料连接。

除了一个方面之外，电子装置与膝关节模块相同。振动单元的数量不同，最多有2个振动单元。振动单元被布置成最大化踝关节周围主要肌肉群的感觉。本发明针对七里伸肌群、七里屈肌群、掌长肌、指伸肌、指固有伸肌(固有)、最小指伸肌(本体)、指浅屈肌、指深屈肌和该区域中的其他肌肉以及皮肤受体。整个模块与条带模块非常相似。

根据本申请的实施例，躯干模块是条带模块的扩展。核心是相同的，但电子装置所连接的条带的结构有所不同。躯干箱模块类似于宽条带。躯干两侧各有两个振动单元。

图14示出了根据至少一个实施例的颈部形状要素的透视图1400。与条带模块类似，颈部模块(佩戴在颈部上)具有两个振动单元。此外，颈部模块具有风格不同的外部结构。此外，颈部模块包括外部网格1、各种振动单元2、各种骨传导单元3、电池外壳单元和中央控制单元/电源单元4、可弯曲支撑结构5和内部网格6。

躯干和颈部模块具有单一形状要素。膝盖、脚踝、声音和手腕模块具有双系统形状要素。

图15示出了根据至少一个实施例的听觉设备或声音模块的透视图1500。虽然膝盖和其他模块与现成的无线和有线扬声器/耳机/耳机兼容，但也存在单独的声音模块。声音模块安装在耳朵周围，并且必须缓冲以获得舒适的贴合感。它与眼镜兼容，并具有独特的形状以适应它们。它使用骨骼和软骨传导技术来传递声音，而不降低情景意识。在一个实施例中，声音模块包括用于提供紧急警报的一个或多个扬声器单元。声音模块的结构包含中央模块PCB组件以及声音传导换能器。此外，声音模块包括外部缓冲装置1、外壳2、可调节部分3、用于特殊杆的凹槽4、各种骨传导单元、软骨传导单元、声音传导单元、电池外壳单元、中央控制单元/电源单元5、内壳6和内部缓冲装置7。在一个实施例中，声音模块包括IMU并捕获步态数据。在一个实施例中，声音模块包括一个或多个EMG传感器和EEG传感器和电极。在一个实施例中，声音模块包括锁定臂机构，以实现好的配合。

在一个实施例中，声音模块与眼镜兼容，并在耳朵周围提供缓冲。此外，声音模块提供用于改变骨/软骨传导单元的位置的机制。

要素s.在一个实施例中，本系统包括智能条带，其中所有电子装置布置在厚的条带中。智能条带可以环绕大腿、手腕和脚踝。多个可以围绕躯干链接。带有单个振动单元的中央器件可以变成项链，或者其他更小的形状要素。

在一个实施例中，本发明的数字平台解决了三个利益相关者的需求：患者、亲属(和看护者)和医疗保健专业人员。

对于患者，数字平台提供SOS和警报服务，能够与看护者快速沟通，管理抑郁、焦虑和孤独等心理症状，并提供吸引人的活动，以阻止痴呆症的进展。

对于亲属和看护者，数字平台提供警报和其他有用的信息，提供关于病情的见解、关于诊所就诊的建议，以减少焦虑，并与医疗保健专业人员建立沟通渠道。此外，数字平台提供了管理护理的工具，如为患者安排社交互动等。

对于医疗保健专业人员来说，数字平台提供了诊所就诊之外的症状、睡眠模式、跌倒等的全面数据。数字平台然后提供对症状进展和出现的见解。

数字平台旨在通过数据减轻护理负担并加强治疗。帕金森氏症是一种影响整个家庭的疾病，目前的系统正试图解决这个更大的慢性病护理问题。

如本申请所使用的，除非上下文另有规定，术语“配置成”或“耦合到”旨在包括直接耦合(其中，彼此耦合的两个元件彼此接触)和间接耦合(其中至少一个附加元件位于两个元件之间)。因此，术语“配置到”、“配置到的”、“耦合到的”和“耦合到”是同义词。在本申请的上下文中，术语“配置为”、“耦合到”和“耦合到的”也委婉地用于表示通过网络的“通信耦合”，其中，通过一个或更多个中间设备，两个或多个设备可以通过网络彼此交换数据。

对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明概念的情况下，除了已经描述的那些之外，还可以进行更多的修改。因此，除了所附权利要求的精神之外，本发明的主题不受限制。此外，在解释说明书和权利要求时，应以与上下文一致的尽可能广泛的方式对所有术语进行解释。特别是，术语“包含”和“包括”应被解释为以非排他方式指代元件、组件或步骤，表示所引用的元件、组件、或步骤可能存在，或被利用，或与未明确引用的其他元件、组件和步骤相结合。

因此，本发明的步态调节辅助系统提供了一个数字平台，该平台与可穿戴设备和智能手杖进行无线通信，并向医疗专业人员和用户提供分析。此外，本步态调节辅助系统向膝盖肌腱提供定时振动刺激和协调听觉刺激。此外，本步态调节辅助系统使用智能手杖上的激光提供视觉刺激。此外，本步态调节辅助系统提供各种优势，例如通过嵌入在可穿戴设备上的机器学习算法来适应用户的步态、智能手杖上的地形映射和冻结预测以及有助于减轻冻结发生并减少冻结发作时间的调制刺激。

说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元素指示为本发明的实践所必需的。

本领域技术人员将清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。并不会将本发明限制于所附的一种或多种特定形式。相反，旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、替代构造和等同物，如所附权利要求中所定义的。因此，本发明旨在涵盖本发明的修改和改变，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (20)

1.一种步态调节辅助系统(100)，包括：

用于在检测到用户的步态不规则时提供视觉提示的智能手杖(102)，其中所述智能手杖(102)包括：

包括近端和远端的细长壳体(222)；

连接于所述细长壳体(222)的近端的把手(201)，其中所述把手(201)包括人体工程学握把(202)和放置在所述符合人体工学的握把上以检测用户的握把和握把强度的多个压力传感器(312)，其中所述把手(201)包括隐藏的按钮(208)，以在接收到来自用户的按压手势时产生振动，其中所述把手(201)包括第一印刷电路板(PCB)(315)；

连接于所述细长壳体(222)的远端的基座(204)，其中所述基座(204)容纳第二印刷电路板(PCB)(316)、步态检测传感器(318)和一个或多个地形检测传感器(320)，其中所述步态检测传感器(318)包括通过测量所述用户身体的方位来检测所述用户的步态不规则性的惯性测量单元(IMU)(322)，其中所述地形检测传感器(320)包括一个或多个用于检测地形以在用户行走时提供视觉提示的红外测距仪(324)；以及

连接于所述把手(201)的柄(210)，用于以容纳线束以将所述第一和第二印刷电路板(PCBs)(315和316)连接到多个主外围设备(344)；以及

与智能手杖(102)无线连接且用于评估用户的步态不规则性以提供振动提示和听觉提示的中央器件(104)，其中所述中央器件(104)耦合到具有基于所述用户的身体部位的多个可穿戴形状要素的可穿戴设备(306)，其中所述中央器件(104)通过听觉设备(110)提供自适应振动提示和听觉提示，其中所述中央器件(104)包括电子装置(302)以容纳处理器(304)，所述处理器用于：

控制多个辅助外围设备(108)；

执行多个指令以处理从耦合到所述可穿戴设备(306)的多个检测器接收的感官数据，以评估所述用户的步态不规则性，其中所述检测器容纳在所述电子装置(302)中；

与所述智能手杖(102)建立通信；

训练并运行多个机器学习模型(404)；以及

致动包括振动换能器和声音换能器的多个换能器(310)，并触发振动提示和听觉提示。

2.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，包括通过网络与智能手杖(102)和中央器件(104)连接的计算设备(106)，其中所述计算设备(106)包括存储器(120)和处理单元(122)，所述处理单元被配置为执行通信应用程序以向看护者和医疗专业人员呈现步态分析，其中所述通信应用程序提供数字平台以在所述用户、所述看护者和所述医疗专业人员之间建立交互。

3.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述智能手杖(102)的所述基座(204)包括微控制器(326)，用于处理从所述传感器捕获的数据以输出刺激。

4.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述IMU(322)包括一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪和一个或多个磁力计。

5.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述基座(204)包括弯曲传感器、多个红外(IR)传感器、多个超声波传感器和压力传感器组件，以检测行走时表面的偏转或弯曲角度。

6.权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述基座(204)包括宽光谱摄像机(330)，用于捕获波长范围，并在红外(IR)波、紫外(UV)波和可见光谱中工作。

7.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述智能手杖(102)包括多个动量稳定器轮(338)，以在发生步态冻结并检测到失去平衡时稳定所述智能手杖(102)。

8.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述智能手杖(102)的所述基座(204)包括多个飞行时间雷达传感器。

9.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述智能手杖(102)的所述基座(204)包括多个激光发射器(340)，以发射用于视觉提示的激光。

10.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述基座(204)包括多个腿(230)，以向所述智能手杖(102)提供垂直支撑。

11.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述基座(204)和所述柄(210)容纳有电池组件，以向第一和第二PCBs、步态检测传感器和地形检测传感器供电。

12.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述中央器件(104)包括为所述电子装置(302)供电的电源。

13.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述可穿戴设备(306)包括织物。

14.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述中央器件(104)的所述电子装置(302)布置在所述可穿戴形状要素上，所述可穿戴形状要素被设计为佩戴在膝关节、踝关节、手腕、颈部、耳部和躯干中的一个或多个上面或周围。

15.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述可穿戴形状要素包括：膝关节形状要素、踝关节形状要素、手腕形状要素、颈部形状要素、耳部形状要素以及躯干形状要素。

16.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述第二PCB(316)放置在基座(204)上的衬垫外壳中。

17.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述把手(201)包括多个机械按钮(314)，以调节激光器的距离并控制计算设备(106)的音频信号和用户界面(UI)中的至少一个。

18.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述把手(101)包括放置在所述人体工程学握把上的触摸传感器，以检测用户的触摸。

19.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述多个主外围设备(344)包括振动单元。

20.根据权利要求1所述的步态调节辅助系统(100)，其特征在于，所述多个辅助外围设备(108)包括声音系统和触觉振动系统。

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