CN204600508U - 可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，包括康复施力检测装置、控制主板和上位机，所述控制主板包括信号调理模块、位置速度感应模块、主控芯片、蓝牙模块以及电源管理模块，将所测压力等信息转变成音频信号，通过分析声音频率和位置速度变化，并播放相应的声音以提醒使用者，发挥感觉替代功能。建立另一种反馈途径，弥补神经损伤后触压觉功能障碍，从而形成反馈环路指导并提高运动的能力。

Description

可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统

技术领域

本实用新型涉及神经损伤疾病康复辅助技术领域，具体涉及一种可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，将足底压力信号转变成音频信号，来改善脑卒中、脑外伤、帕金森病、阿尔兹海默病、多发性硬化症、神经系统肿瘤、脑瘫、脊髓损害等神经损伤相关疾病的运动功能。

背景技术

每年我国脑卒中年发生率为200/10万，存活着中70％以上有不同程度的功能障碍，而步行能力降低是其中最常见的功能障碍，同时也是患者渴求改善的功能障碍。早期不能步行者约占2/3,即便到恢复期仍然有1/3者遗留步行障碍。而步行障碍又将导致患者运动能力及运动耐力下降，心肺功能下降，肌肉萎缩、骨折疏松，进而导致卒中后并发症的出现或加重。这给社会、家庭及患者本人均带来极大的影响。感觉是运动恢复的前提，然而脑卒中患者常常合并偏瘫侧肢体感觉障碍，导致站立及步行时患者对患足是否触地、患腿负重等情况感知下降，从而导致两种结果：①患者有意将重心向健侧偏移，减少患侧下肢负重，缩短患侧下肢支撑时间，健侧下肢负担增加，导致步行稳定性及步速下降，长时间采用这种步行方式又将引起患侧下肢肌肉萎缩、肌力下降、运动能力减退等；②在缺乏准确感觉信息情况下，不减少患侧负重，则步行稳定性差、易摔伤、骨折等。

总之，脑卒中等神经系统疾病患者常因偏瘫侧肢体感觉障碍限制肢体运动功能的恢复，而运动功能恢复差进一步导致患肢废用，而废用则反过来进一步加重功能障碍，从而陷入恶性循环中。而感觉恢复又较运动功能恢复困难且过程缓慢，因此需要利用外在设备采集患侧下肢负重信息，幸运的是此类疾病对同侧的听觉几无影响，故可将压力信号转化为音频信号，来弥补神经损伤后肢体感觉缺失造成的不良影响，加速运动功能恢复，从而及时避免或减轻废用性功能下降。

目前，已申请专利的关于足底压力测试的技术尚无针对神经损伤疾病领域。其中一部分技术方案是将所测数值显示于屏幕，需要使用者始终观察屏幕，这显然不能在步行中使用；另有一些运用于骨折疾患领域的如专利号为[200620138550.0]、[03205538.2]等，这些技术虽有音频提示，但其音频转换方案只是强调让骨折病人在可承受的范围内尽量增加患肢的负重，其音频提示主要是在压力超过受力极限时，无法做到细化压力段，使用者不能感知负重的大小，无法直观地获知足底的受力情况，不能很好的弥补足底的触压觉功能障碍带来的不利影响。

另外，相当一部分脑卒中患者在发生后还会长期存在小腿三头肌痉挛等症状，这些症状严重阻碍了下肢运动功能的恢复。虽然患者在住院期间可以利用多个仪器或治疗项目来改善这些障碍，但当患者出院后家中的条件有限，但又不能忽视这些，因此需要结合肌肉痉挛预判的功能来实现下肢康复。

实用新型内容

为了克服现有设备在上述方面的局限性，本实用新型提供一种可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，该系统不仅能实时将所测压力等信息转变成音频信号，发挥感觉替代功能，还具有肌肉痉挛预判作用，且携带方便、成本低，能适应户外多种环境。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，包括康复施力检测装置、控制主板和上位机，所述控制主板包括：信号调理模块，用于将所述康复施力检测装置获取的足底压力信号进行采样、滤波及模数转换，得到动态变化的足底压力数字信息；位置速度感应模块，用于获取使用者足部的位置速度信号；主控芯片，用于将所述足底压力数字信息经过压力音频信号转换算法，转换成对应的声音频率信号；蓝牙模块，用于将声音频率信号和位置速度信号发送给上位机；电源管理模块，用于向信号调理模块、位置速度感应模块、主控芯片以及蓝牙模块提供电源；所述上位机，用于分析声音频率和位置速度变化，并播放相应的声音以提醒使用者。

进一步地，所述康复施力检测装置包括压力传感器，康复施力检测装置使用时置于使用者脚底，所述压力传感器通过接口连接至所述信号调理模块。

进一步地，所述压力传感器分别与第一跖、第一和二跖骨头中点、第四跖骨头、外侧足弓以及足跟对应设置。

优选地，所述康复施力检测装置为康复训练和步行辅助专用鞋或专用鞋垫。

由以上技术方案可知，本实用新型具有如下有益效果：

(1)建立另一种反馈途径，弥补神经损伤后触压觉功能障碍，从而形成反馈环路指导并提高运动的能力，同时通过声音提示患者患侧的负重情况，从而诱导患者合理地分配患肢负重，用以评估、分析肢体功能水平，反应每日的训练量，有益于康复训练；

(2)可较为准确的判断站立、步行等活动中下肢小腿三头肌的肌张力情况，及时给予处理建议，还可扩展步行节律感训练、游戏等娱乐项目训练等。

附图说明

图1为本实用新型的系统原理图；

图2为本实用新型中足底压力传感器的布点示意图；

图3为本实用新型中足底压力档位划分图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，所述可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统包括康复施力检测装置100、控制主板200和上位机300三大部分。

所述康复施力检测装置100使用时置于使用者脚底，具体可以采用康复训练和步行辅助专用鞋或专用鞋垫，其中设置有压力传感器，专用鞋或鞋垫内部根据足底压力分布特征，采用合理算法对压力传感器进行分布排列，能有效的测定足底压力分布情况，压力信号采集后经过接口连接至控制主板的信号调理部分进行处理分析。参照图2，所述压力传感器分别与第一跖、第一和二跖骨头中点、第四跖骨头、外侧足弓以及足跟对应分布，其中与第一跖、第一和二跖骨头中点、第四跖骨头以及外侧足弓对应设置的传感器构成前足区传感器，与足跟对应设置的为前足区传感器。有条件进行足底压力分布检测的亦可参照足底压力分布图进行定制。

如图1所示，所述控制主板200包括信号调理模块210、位置速度感应模块220、蓝牙模块230、主控芯片240以及电源管理模块250，其中信号调理模块、位置速度感应模块、蓝牙模块分别与主控芯片连接。

所述信号调理模块210，用于将所述康复施力检测装置获取的足底压力信号进行采样、滤波及模数转换，得到动态变化的足底压力数字信息；所述位置速度感应模块220，用于获取使用者足部的位置速度信号；所述主控芯片240，用于将所述足底压力数字信息经过压力音频信号转换算法，转换成对应的声音频率信号；所述蓝牙模块230，用于将声音频率信号和位置速度信号发送给上位机；所述电源管理模块250主要提供主控芯片及其附属其他模块的供电；所述上位机，用于分析声音频率和位置速度变化，并播放相应的声音以提醒使用者。

本实用新型除了当压力接近受力上限时给与警示外，重点是细化正常负重范围内压力-音频的转换，通过人耳可辨别的细微的音频变化来反映压力变化，达到利用同侧的听觉来弥补受损的触压觉功能，使得病人可以通过声音的细微变化直观地获知足底的受力情况，将发病前的触觉-大脑中枢-运动通路转变成听觉-大脑中枢-运动通路，从而弥补足底的触压觉功能障碍带来的不利影响。本实用新型下肢康复训练和步行辅助方法，具体包括如下步骤：

(1)康复施力检测装置记录足底每个压力传感器每次的压力和时间数据；

(2)将康复施力检测装置获取的足底压力信号传送给信号调理模块，信号调理模块对该足底压力信号进行采样、滤波及模数转换，得到动态变化的足底压力数字信息，其中足底压力为足底各压力传感器所受压力之和；

(3)位置速度感应模块获取使用者足部的位置速度信号，并将该位置速度信号通过蓝牙模块发送给上位机；

(4)主控芯片将所述足底压力数字信息经过压力音频信号转换算法，转换成对应的声音频率信号，并将该声音频率信号和位置速度信号通过蓝牙模块发送给上位机；

(5)上位机分析声音频率和位置速度变化，利用压力音频转换方法，运用仿生学原理来模仿触压觉的生理过程，建立足底受力与听觉信号间的一对一的联系，并播放相应的声音以提醒使用者，实现感觉替代功能；

所述压力音频转换方法具体为：

设定压力零点A、量程下限B、安全值C以及压力上限值D一共四个节点，该四个节点将足底压力值分为四个档位，当压力值位于A-B段时，无任何声音播放；当压力值位于C-D段时，播放音调较高的音频，提示接近压力上限值；当压力值超过D时，播放音调尖锐的音频；当压力值位于B-C段时，配以多种音调的音频，使用者可根据音调不同感知负重大小，可以根据使用者辨别音频的能力自行设置多种音调。

步骤(5)中还包括肌肉痉挛预判方法，同时通过分析各压力传感器的数据变化，在小腿肌肉痉挛尚未出现之前便可提示即将出现肌痉挛。

肌肉痉挛预判的原理：中枢神经损伤的病人在步行等活动过程中，患侧小腿三头肌张力会逐步增加，即小腿后方的腓肠肌和比目鱼肌过度紧张致使踝关节过度跖屈，导致在步行等活动时前足区域受到地面的反作用力会逐步增加，前足区的冲量占整个足底的冲量的比重增加，如图2中的1、2、3、4号压力传感器的所受冲量的比重增大，5号压力感受器的比重减小，考虑到冲量受到体重、步速等影响，存在个体差异，故利用前足区冲量占总冲量的比值进行痉挛判定较为准确。设备中每个压力感受器是同步采样压力信号，所以采样时间即次数相同，故冲量之比可简化为压力传感器压力值的总和的比值。

具体方法如下：

先设定痉挛触发值E_S：记录使用者感觉患肢出现僵硬感的前N步对应的前足区传感器压力值S_q1、S_q2、…S_qn和后足区传感器压力值S_h1、S_h2…S_hn，其中n≥3；计算前足区冲量占比E_S作为痉挛触发值，公式如下：

$E_S=\frac{S_{q1}+S_{q2}+...+S_{\mathrm{qn}}}{(S_{q1}+S_{q2}+...+S_{\mathrm{qn}})+(S_{h1}+S_{h2}+...S_{\mathrm{hn}})}---\left(1\right)$

然后进行痉挛预判：实际使用时，记录使用者最后N步的前足区传感器和后足区传感器的压力值，将前足区传感器和后足区传感器的压力值代入公式(1)中，计算实际前足区冲量占比E，当E≥K*E_S时，播放相应的声音以提醒使用者，当E<K*E_S时，则继续发挥感觉替代功能，其中系数K为痉挛预判敏感度，K优选为80％，系数K和n均可根据使用者个人情况进行调整。

所述前足区传感器可以根据使用者是否伴有足内翻等情况，由1-4号感受器中的一个或若干个代替，比如足内翻明显时，前足区传感器只选用3号是较为理想的计算方案。

由于设备传播信息的速度比正常神经传导途径快，本实用新型还可以适当设置延时和声音衰减，衰减是模仿触压觉具有的适用性特征，两者目的均是模拟正常生理过程，来达到精准的控制，并可对所测信息保存、对比、上传数据库做指导治疗训练。

以上所述实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，包括康复施力检测装置、控制主板和上位机，其特征在于，所述控制主板包括：信号调理模块，用于将所述康复施力检测装置获取的足底压力信号进行采样、滤波及模数转换，得到动态变化的足底压力数字信息；位置速度感应模块，用于获取使用者足部的位置速度信号；主控芯片，用于将所述足底压力数字信息经过压力音频信号转换算法，转换成对应的声音频率信号；蓝牙模块，用于将声音频率信号和位置速度信号发送给上位机；电源管理模块，用于向信号调理模块、位置速度感应模块、主控芯片以及蓝牙模块提供电源；所述上位机，用于分析声音频率和位置速度变化，并播放相应的声音以提醒使用者。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，其特征在于，所述康复施力检测装置包括压力传感器，康复施力检测装置使用时置于使用者脚底，所述压力传感器通过接口连接至所述信号调理模块。

3.根据权利要求2所述的可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，其特征在于，所述压力传感器分别与第一跖、第一和二跖骨头中点、第四跖骨头、外侧足弓以及足跟对应设置。

4.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，其特征在于，所述康复施力检测装置为康复训练和步行辅助专用鞋或专用鞋垫。