CN1708332A - 使用线性测力计推导出角等速测量值的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在身体部分以给定的角速度绕着有效枢转轴线进行枢转或弯曲运动的同时，推导出由该身体部分所施加力矩的等速测量值的方法。该方法使用了一线性测力计，该线性测力计构成为沿着线性路径在预定的运动范围内进行等速测量。首先，将线性测力计配置成使其线性路径与围绕着有效枢转轴线的具有给定半径的圆基本上相切，以便测量出由身体部分所施加的力。然后，使用该线性测力计测量出由身体部分以预定线速度在预定运动范围内所施加的力轮廓。然后，使用该力轮廓、线速度和半径来推导出由身体部分施加的力矩和相应角速度的数据。

Description

使用线性测力计推导出角等速测量值的系统和方法

技术领域

本发明涉及等速测量，并且具体地说涉及一种使用线性测力计推导出角等速测量值的系统和方法。

背景技术

可以在两种类型收缩(即，静态和动态)方面测量出作为用于估计肌功能的主要参数的肌肉强度。在静态收缩期间，由于外部阻力与由肌肉产生的力矩相当，因此肌肉不会使关节运动。因此，在原理上可以简单地通过使用测力传感器测量该阻力，而获得肌肉强度的数值。实际上，很少采用该方法，这是由于所得到的数值仅仅与在运动范围中的孤立点相关，并且不能确定其它重要的参数。

相反，用于肌肉强度确定的可接受的技术采用了角等速测力计，该测力计测量出在以恒定角速度运动时由肌肉施加的力矩。动态肌肉强度的测量值主要在矫形术、康复治疗和理疗领域中已经成为对病人的功能评价中的其中一个最重要组成部分。这些测量值对于在个人伤害案件中评估伤害和补偿而言也已经变得非常重要。

用于等速练习和治疗的装置已经使用了多年。早先的例子有Perrine的美国专利No.3,465,592，它披露了一种用于拉伸和弯曲关节的等速练习系统。

Ruis等人的美国专利No.4,235,437披露了一种机器人练习机，它使用计算机来响应在该机器中编制的软件并且响应由用户施加在臂上的力(由在臂端部处的应变计检测出该力)以调节练习臂的运动。通过液压缸和螺线管控制阀，可以精确地控制臂的运动。但是，在美国专利No.4,235,437中所提出的设备比较复杂，并且需要昂贵的计算机设备和复杂的联接系统。另外，因为该设备是计算机控制的，所以用户必须在练习之前花费一些时间将期望的设置编程输入计算机中。当然，这也需要时间并且不利于练习。

要理解的是，对于该肌肉练习和康复设备，臂的运动在所有操作模式中都必须平滑。计算机控制设备的问题在于，计算机必须进行各种采样和计算，之后作出必要的校正。虽然通常认为计算机速度很快，但是计算机执行这些操作然后控制该设备的机械和液压装置所需的时间(尤其在小负载情况下)也许不会使得练习臂进行平滑运动。

另外，对于例如在上面的美国专利中所示的液压系统，会导致各种问题，例如泄漏、在伺服阀中的灰尘、在软管和管道中的柔性以及散热，这不利于该系统的精确度。

当前广泛使用的更现代系统的典型示例为Krukowski(Biodex公司)的美国专利No.4,628,910。这些系统提供了对一定范围的不同关节的同心运动(在一些情况下也是偏心运动)的精确测量。这些系统的复杂性使得它们笨重并且非常昂贵。

广泛使用的这些系统通常遍及所关心关节的基本全范围的活动性进行测量。近来研究表明，实际上在相对较小的角度范围内进行的测量给出的结果非常类似于在更大角度范围内进行的测量。代表这些发现的文章示例包括：Dvir Z.，Keating J.，等速躯干拉伸的再现性：使用非常短运动范围的研究(The reproducibility of isokinetictrunk extension：A study using very short range of motion)，临床生物力学(Clinical Biomechanics)16：627-630，2001；以及DvirZ.，Steinfeld-Cohen，Y.，Peretz，C.，在正常受检者中伪等速肩部弯曲无力的鉴别(The identification of feigned isokinetic shoulderflexion weakness in normal subjects)，美国物理医学和康复治疗杂志(American Journal of Physical Medicine and Rehabilitation)81：187-193，2002。这些发现此前还没有以任何方式用于在使用中简化测量系统。

最后，应该指出的是，已经开发出线性测力计(包括线性等速测力计)的各种应用。这些线性测力计通常用在用于进行高度专业练习的装置中，所述高度专业练习例如为推拉运动(例如，美国专利No.4,890,495)、脚踏运动(例如，美国专利No.5,330,397)或者提升(例如，美国专利No.5,186,695)。这些装置中的任一个都不能测量如上所述用于肌肉强度评估所需的角等速测量值。

因此，需要一种通过采用相对较小范围的运动来推导出角等速测量值的更简单且更经济的系统和方法。还有利的是，提供一种使用线性测力计来推导出角等速测量值的系统和方法。

发明内容

本发明在于一种使用线性测力计推导出角等速测量值的系统和方法。

根据本发明的这些教导，提供了一种用于在身体部分以给定的角速度进行枢转或弯曲运动的同时，推导出由该身体部分所施加力矩的等速测量值的方法，所述运动具有一有效(effective)枢转轴线，该方法包括：(a)提供一线性测力计，其构成为沿着线性路径在预定的运动范围内进行等速测量；(b)使用该线性测力计来测量由身体部分所施加的力，该测力计设置成其线性路径与绕着所述有效枢转轴线的、具有给定半径的圆基本上相切；(c)通过使用线性测力计来测量出由身体部分在以预定线速度运动的预定范围内所施加的力轮廓(forceprofile)；并且(d)使用该力轮廓、线速度和半径来推导出由身体部分施加的力矩和相应角速度的数据。

根据本发明的另一个特征，同心地进行该测量。根据本发明的可替换或另外的特征，该测量偏心地进行。

根据本发明的另一个特征，以与身体部分绕着有效枢转轴线的两个不同角速度相对应的两个不同的线速度进行该测量。

根据本发明的另一个特征，如此选择预定的运动范围和半径，从而该身体部分的相应角运动的范围小于30°，且优选不大于约20°。

如权利要求1所述的方法，其中预定的运动范围至少为大约25mm，优选为大约5cm至大约15cm。

根据本发明的这些教导，还提供了一种用于在受检者的身体部分以给定的角速度进行枢转或弯曲运动的同时，推导出由该身体部分所施加力矩的等速测量值的系统，所述运动具有一有效枢转轴线，该系统包括：(a)线性测力计，它具有外壳和移动部分，该线性测力计构成用来在该移动部分相对于外壳沿着作用线进行等速线性运动的同时，测量出沿着作用线施加在移动部分上的力；(b)座椅，用于将受检者支撑在预定位置；以及(c)可调节支撑系统，用于支撑线性测力计和座椅，该可调节支撑系统构成为将线性测力计选择地固定在相对于座椅的给定垂直移动范围内的多个垂直位置中的任一个处，并且选择地固定在围绕着基本水平的调节轴线的给定角位置范围内的多个角位置中的任一个处。

根据本发明的另一个特征，该可调节支撑系统还构成为能够以两个水平位移自由度在预定的相对位移范围内，选择地固定线性测力计和座椅的相对位置。

根据本发明的另一个特征，在两个水平位移自由度中的预定相对位移范围由支撑着该座椅的导轨系统来限定。

根据本发明的另一个特征，所述可调节支撑系统还构成为允许座椅绕着穿过该座椅的基本垂直轴线转动。

根据本发明的另一个特征，所述可调节支撑系统还构成为允许座椅绕着基本水平轴线倾斜。

附图说明

这里将参照附图只以示例的方式对本发明进行说明，其中：

图1为根据本发明这些教导构成并且是可操作的、用于使用线性测力计推导出角等速测量值的系统的优选方案的示意性侧视图；以及

图2为用作图1系统的一部分的座椅的示意性侧视图；

图3为权利要求1的系统的示意性方框图；

图4A和4B分别为示意性平面图和立体图，显示出使用图1的系统来进行肩部升高测试；

图5A和5B分别为示意性前视图和立体图，显示出使用图1的系统来进行髋部旋转测试；以及

图6为一示意性侧视图，显示出使用图1的系统来进行躯干拉伸测试。

具体实施方式

本发明为一种用于使用线性测力计来推导出角等速测量值的系统和方法。

可以参照附图和所附说明更好地理解根据本发明的系统和方法的原理和操作。

现在参照附图，图1和图3显示出总体上由10表示的系统，该系统根据本发明的这些教导构成和操作，用来在受检者的身体部分以给定的角速度进行枢转或弯曲运动同时，推导出由该身体部分所施加力矩的等速测量值。

一般来说，本发明基于上述观察，即，在相对较小的角度范围内进行的测量其结果实际上非常类似于在更大角度范围内进行的那些测量。根据这个观察，本发明通过线性运动来近似所需角运动的短弧。实际上，在这种应用中已经发现，在直到大约20°范围内(或者在某些情况下甚至为30°)，笔直路径是对于圆形运动的可接受的近似。这能够大大简化测力计自身以及整个装置结构。

因此，更具体地参照本发明的方法，提供了一种用于在身体部分以给定的角速度围绕着一有效枢转轴线进行枢转或弯曲运动的同时，推导出由该身体部分所施加力矩的等速测量值的方法。该方法使用了一线性测力计，该线性测力计构成为沿着线性路径在预定运动范围内进行等速测量。首先，将该线性测力计配置成使其线性路径与围绕着有效枢转轴线的具有给定半径的圆基本上相切，以便测量出由该身体部分所施加的力。然后，使用该线性测力计测量出由该身体部分在以预定线速度的预定运动范围内所施加的力轮廓。然后使用该力轮廓、线速度和半径来推导出由身体部分施加的力矩和相应角速度的数据。

要指出的是，这里所述的技术采用了线性测力计来提供单独肌肉群性能参数。这与上述传统的线性装置形成鲜明的对比，上述传统的线性装置只提供了与多个肌肉群相关的整体性能信息，从中不容易推导出这类信息。

为了保持在其中笔直运动为弧形路径的可接受的近似的运动范围内，优选地如此选择预定的运动范围和半径，从而身体部分的相应角运动范围小于30°，更优选不大于约20°。

在这里所示的优选实施方式中，系统10具有线性测力计12，该线性测力计具有外壳14和移动部分16。该测力计12构成为在移动部分16相对于外壳14沿着作用线18进行等速线性运动的同时，测量出沿着作用线18施加在移动部分16上的力。该系统10还包括用于将受检者支撑在预定位置的座椅20，以及用于支撑该线性测力计和座椅的可调节支撑系统。在图3中由方框21示意性地表示该可调节支撑系统，该可调节支撑系统构成为提供各种自由度以调节测力计和受检者的相对位置，从而该测力计的作用线与所关心的关节的角运动的切线基本相对应。该系统10的其它组成部分通常包括计算机30，该计算机30具有用于手动输入参数的界面32和/或许多其它输入装置34。

现在更详细地参照该系统10的特征，应该指出的是，可调节支撑系统21不必为直接支撑测力计12和座椅20的单个结构。因此，在这里所示的支撑系统21的示例中，测力计12支撑在支柱22上，该支柱通过托架24夹在固定外表面(例如，壁26)上，而座椅20支撑在安装在地板上的导轨系统28上，该导轨系统可以与支柱22直接连接或不与支柱22直接连接。另外，应该指出的是，在测力计和座椅之间的调节细分通常并不重要。因此，例如可以通过提供用于测力计12的上下调节或者通过为座椅20提供这种调节来实现垂直调节，只要提供了所需要的相对垂直调节范围即可。

优选的是，支撑系统构成为允许将线性测力计选择地固定在相对于座椅的给定垂直移动范围内的多个垂直位置中的任一个处，并且固定在围绕着基本水平调节轴线的给定角度位置范围内的多个角度位置中的任一个处。在这里所示的示例中，通过将测力计12适当可调节地安装在支柱22上来实现这两种调节。有许多允许将元件固定在位于垂直支撑件上的所需高度和角度处的机械解决方案，而在这里将不进行详细说明。显然，调节机构在给定范围内可以是连续的，或者可以限定多个不同的限定夹紧位置和/或角度。在某些情况中，为了在不使用复杂部件的情况下实现高夹紧刚度，离散的夹紧位置和角度通常是优选的。

在测力计12和座椅20之间的垂直相对运动的通常范围优选大约为100cm。对于具有通常高度的固定高度的座椅，测力计距离基础表面的高度范围优选地为从不大于约20cm开始。对于围绕着水平轴线的倾斜角度，该调节优选地提供了跨过至少大约120°并且更优选跨过至少大约150°的角度范围。在这里所示的实施方式中，测力计12关于垂直轴线成固定取向，如将在下面所述一样通过座椅的转动来更有效地提供转动。

该支撑系统优选地另外构成为允许以两个水平位移自由度在预定的相对位移范围内选择地固定线性测力计和座椅的相对位置。在这里由上述导轨系统28来提供该调节。由该导轨系统提供的运动范围优选地至少为大约1米，优选地向前和向后(即，朝着和远离测力计12的方向)大约1.2米，并且横向大约为40cm。

该支撑系统优选还构成为允许座椅绕着穿过该座椅的基本垂直轴线转动。最优选的是，这实施作为在预定的夹紧位置以角度间隔不大于约30°，在导轨系统28上方的可360°转动的连接。

要理解的是，这样所述的各种调节非常有利于测力计12的校准，以便沿着基本上任意需要的方向在基本上任意身体部分上进行测量。通过第一示例，图4A和4B显示出调节用于获得肩部提升测量值的系统。在该情况中，可以从图4A的平面图中看出，该座椅逆时针转动并且稍微向左运动，以使得测力计12的作用线进入在肩部提升动作期间由臂扫过的平面中。然后，调节在测力计12和座椅20之间的距离以及测力计12的倾斜角度，以在测量之前使测力计与受检者手臂成所要求的垂直关系。

在图5A和5B中所示的另一个示例中，显示出用于测量右髋关节的内部转动的系统的配置。在该情况中，座椅20转动并且相对于测力计12移动，从而测力计与受检者的腿部横向对准。然后如图所示，将测力计降低并且校准至与受检者的小腿垂直并且与之接触的位置。

根据另一个方案，该支撑系统还构成为例如在图2中所示一样允许座椅绕着基本水平轴线倾斜。在这里所示的示例中，该座椅允许直到大约45°的向后倾斜。这尤其有利于补偿测力计的倾斜，以便于在踝或足中的肌肉上进行测量。在这里所示的实施方式也提供了直到大约15°的向前倾斜。

图6显示出采用座椅20的向前倾斜来进行躯干拉伸测试的应用。在该情况中，受检者背对着测力计，并且在受检者向后推压该测力计的同时获得测量值。已经发现座椅的前倾是有利的，这是由于有效地打开了在大腿和骨盆之间的角度(“髋部弯曲角度”)，这在后背测试期间是重要的。为了便于接近受检者的背部，座椅20可选择地构成为允许通过腰部支撑件来暂时代替靠背。

虽然这里只显示出有限数量的测试位置，但是对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，这些示例可概括为基本上任何与肌肉群相关的身体部分的运动。

现在参照测力计12的特征，其可以为任意传统类型的线性测力计。通常，采用电致动线性测力计。通常通过安装在移动部分16的端部处的测力传感器16a来感测到测量值。测力计优选地设计成允许同心测量(即，其中运动方向与受检者所施加的力的方向相同)和/或偏心测量(即，其中由受检者施加的力与由测力计的致动器所引起的运动相反)。

该测力计通常包括其自身的控制单元16b(图3)，它可以位于致动器外壳内或作为单独的控制箱。控制单元16b优选地允许选择参数(例如，速度和所需的最小致动力)，以及选择可用的同心或偏心模式。或者，对测力计的控制可以被整合作为由计算机30执行的附加功能。

在许多情况中，有益的是以与身体部分绕着有效枢转轴线的两个不同角速度相对应的、两个或多个不同线速度进行测量。这可以简单地通过测力计的适当设计和设置来实现。要理解的是，本发明的系统还可以用于以许多其它模式进行测量，例如静态或恒力测量。

对于本发明的大多数实施方式而言，大约15cm的测力计12的线性运动范围是足够的。每次测量所使用的运动的实际长度由参与者在使用前设定。为了实现等速条件，优选地在至少大约25mm的范围内进行测量。在大多数情况中，用于测量的预定运动范围为大约5cm至大约15cm。

现在参照计算机30，如本领域中所知，其可以为以合适的软件操作的标准PC、专用硬件系统或固件。计算机30接收来自测力传感器16a的力信息。通常借助界面32手动输入有关所测试的关节和运动类型的信息、以及从有效旋转轴线到与测力计接触的点的距离的信息。或者，可以通过使用各种位移传感器和/或图像处理视频系统来自动地或半自动地获取该信息。在大多数情况中，认为简单的手动输入操作就足够了。

通常，上述信息(即，所进行的测试类型，从轴线到测力传感器的距离以及测力传感器力信息)完全足以使计算机30构造出力-距离曲线，并且因此推导出任意所需的参数。但是，在许多情况中，优选地存储具有各种额外数据的结果。具体地说，优选地从控制箱16b向计算机30提供限定了测试所用的设置的测力计控制数据(例如，速度、最小致动力)。另外，为了确保测试布置的可重复性，优选地存储表示测力计和座椅在测试期间的准确位置的位置信息数据。可选的是，该数据可以从与可调节支撑系统21相连的编码器(未示出)自动地输出。最后，测试结果可以选择地与通过界面32输入的来自其它测试或者通过输入装置34从其它系统输入的其它患者数据和/或诊断信息相结合。这些结果可以显示或者以其它已知方式输出，这些方式包括但不限于暂时可视显示、打印副本或记录在磁性介质或CD上的计算机文件。在这里没有描述输出装置，但是本领域普通技术人员完全能够理解。

现在将清楚地理解该系统10的操作。具体地说，医师将受检者安置在座椅20中，并且线性且角度地调节座椅20和测力计12，直到作用线18与肢体绕着所关心的关节的弧形运动的切线基本对应，并且作用线18与远离关节的肢体部分基本上垂直为止。然后，指导受检者推压测力传感器16a，同时致动测力计12以进行所要需的同心和/或偏心测量。然后，计算机30处理这些测量值，以推导出相应的角肌肉强度数值和/或任意其它所需参数。

要理解的是，上面的说明只是用作示例，在本发明的精神和范围内可以有许多其它实施例。

Claims (13)

1.一种方法，用于在身体部分以给定的角速度进行枢转或弯曲运动的同时，推导出由该身体部分所施加力矩的等速测量值，所述运动具有一有效枢转轴线，该方法包括：

(a)提供一线性测力计，该线性测力计构成为沿着线性路径在预定范围内进行等速测量；

(b)使用该线性测力计来测量由身体部分所施加的力，该测力计设置成使其线性路径与绕着所述有效枢转轴线的具有给定半径的圆基本上相切；

(c)通过使用该线性测力计测量出由身体部分在以预定线速度的预定运动范围内所施加的力轮廓；并且

(d)使用该力轮廓、线速度和半径来推导出由身体部分施加的力矩和相应角速度的数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，同心地进行所述测量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，偏心地进行所述测量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以与身体部分绕着所述有效枢转轴线的两个不同角速度相对应的两个不同的线速度进行所述测量。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定运动范围和半径如此选择，从而该身体部分的相应角运动范围小于30°。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定运动范围和半径如此选择，从而该身体部分的相应角运动范围不大于20°。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定运动范围为至少大约25mm。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定运动范围为大约5cm至大约15cm之间。

9.一种系统，用于在受检者的身体部分以给定的角速度进行枢转或弯曲运动的同时，推导出由该身体部分所施加力矩的等速测量值，所述运动具有一有效枢转轴线，该系统包括：

(a)线性测力计，它具有外壳和移动部分，所述线性测力计构成为在所述移动部分相对于所述外壳沿着作用线进行等速线性运动的同时，测量出沿着所述作用线施加在所述移动部分上的力；

(b)座椅，用于将受检者支撑在预定位置；以及

(c)可调节支撑系统，用于支撑所述线性测力计和所述座椅，所述可调节支撑系统构成为允许将所述线性测力计选择地固定在相对于所述座椅的给定垂直位移范围内的多个垂直位置中的任一个处，并且选择地固定在围绕着基本水平调节轴线的给定角度位置范围内的多个角度位置中的任一个处。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述可调节支撑系统还构成为允许以两个水平位移自由度在预定的相对位移范围内，选择地固定所述线性测力计和所述座椅的相对位置。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述在两个水平位移自由度中的预定的相对位移范围由支撑着所述座椅的导轨系统来限定。

12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述可调节支撑系统还构成为允许所述座椅绕着穿过所述座椅的基本垂直的轴线转动。

13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述可调节支撑系统还构成为允许所述座椅绕着基本水平的轴线倾斜。

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