可穿戴式下肢康復訓練和步行輔助系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及神經(jīng)損傷疾病康復輔助技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可穿戴式下肢康復訓 練和步行輔助系統(tǒng)及方法，將足底壓力信號轉(zhuǎn)變成音頻信號，來改善腦卒中、腦外傷、帕金 森病、阿爾茲海默病、多發(fā)性硬化癥、神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤、腦癱、脊髓損害等神經(jīng)損傷相關(guān)疾病的 運動功能。
【背景技術(shù)】
[0002] 每年我國腦卒中年發(fā)生率為200/10萬，存活著中70%以上有不同程度的功能障 礙，而步行能力降低是其中最常見的功能障礙，同時也是患者渴求改善的功能障礙。早期不 能步行者約占2/3,即便到恢復期仍然有1/3者遺留步行障礙。而步行障礙又將導致患者 運動能力及運動耐力下降，心肺功能下降，肌肉萎縮、骨折疏松，進而導致卒中后并發(fā)癥的 出現(xiàn)或加重。這給社會、家庭及患者本人均帶來極大的影響。感覺是運動恢復的前提，然而 腦卒中患者常常合并偏癱側(cè)肢體感覺障礙，導致站立及步行時患者對患足是否觸地、患腿 負重等情況感知下降，從而導致兩種結(jié)果：①患者有意將重心向健側(cè)偏移，減少患側(cè)下肢負 重，縮短患側(cè)下肢支撐時間，健側(cè)下肢負擔增加，導致步行穩(wěn)定性及步速下降，長時間采用 這種步行方式又將引起患側(cè)下肢肌肉萎縮、肌力下降、運動能力減退等；②在缺乏準確感覺 信息情況下，不減少患側(cè)負重，則步行穩(wěn)定性差、易摔傷、骨折等。
[0003] 總之，腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者常因偏癱側(cè)肢體感覺障礙限制肢體運動功能的 恢復，而運動功能恢復差進一步導致患肢廢用，而廢用則反過來進一步加重功能障礙，從而 陷入惡性循環(huán)中。而感覺恢復又較運動功能恢復困難且過程緩慢，因此需要利用外在設(shè)備 采集患側(cè)下肢負重信息，幸運的是此類疾病對同側(cè)的聽覺幾無影響，故可將壓力信號轉(zhuǎn)化 為音頻信號，來彌補神經(jīng)損傷后肢體感覺缺失造成的不良影響，加速運動功能恢復，從而及 時避免或減輕廢用性功能下降。
[0004] 目前，已申請專利的關(guān)于足底壓力測試的技術(shù)尚無針對神經(jīng)損傷疾病領(lǐng)域。其 中一部分技術(shù)方案是將所測數(shù)值顯示于屏幕，需要使用者始終觀察屏幕，這顯然不能在步 行中使用；另有一些運用于骨折疾患領(lǐng)域的如專利號為[200620138550. 0]、[03205538. 2] 等，這些技術(shù)雖有音頻提示，但其音頻轉(zhuǎn)換方案只是強調(diào)讓骨折病人在可承受的范圍內(nèi)盡 量增加患肢的負重，其音頻提示主要是在壓力超過受力極限時，無法做到細化壓力段，使用 者不能感知負重的大小，無法直觀地獲知足底的受力情況，不能很好的彌補足底的觸壓覺 功能障礙帶來的不利影響。
[0005] 另外，相當一部分腦卒中患者在發(fā)生后還會長期存在小腿三頭肌痙攣等癥狀，這 些癥狀嚴重阻礙了下肢運動功能的恢復。雖然患者在住院期間可以利用多個儀器或治療項 目來改善這些障礙，但當患者出院后家中的條件有限，但又不能忽視這些，因此需要結(jié)合肌 肉痙攣預判的功能來實現(xiàn)下肢康復。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有設(shè)備在上述方面的局限性，本發(fā)明提供一種可穿戴式下肢康復訓練 和步行輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能實時將所測壓力等信息轉(zhuǎn)變成音頻信號，發(fā)揮感覺替代功 能，還具有肌肉痙攣預判作用，且攜帶方便、成本低，能適應戶外多種環(huán)境。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 一種可穿戴式下肢康復訓練和步行輔助系統(tǒng)，包括康復施力檢測裝置、控制主板 和上位機，所述控制主板包括：信號調(diào)理模塊，用于將所述康復施力檢測裝置獲取的足底壓 力信號進行采樣、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到動態(tài)變化的足底壓力數(shù)字信息；位置速度感應模 塊，用于獲取使用者足部的位置速度信號；主控芯片，用于將所述足底壓力數(shù)字信息經(jīng)過壓 力音頻信號轉(zhuǎn)換算法，轉(zhuǎn)換成對應的聲音頻率信號；藍牙模塊，用于將聲音頻率信號和位置 速度信號發(fā)送給上位機；電源管理模塊，用于向信號調(diào)理模塊、位置速度感應模塊、主控芯 片以及藍牙模塊提供電源；所述上位機，用于分析聲音頻率和位置速度變化，并播放相應的 聲音以提醒使用者。
[0009] 進一步地，所述康復施力檢測裝置包括壓力傳感器，康復施力檢測裝置使用時置 于使用者腳底，所述壓力傳感器通過接口連接至所述信號調(diào)理模塊。
[0010] 進一步地，所述壓力傳感器分別與第一跖、第一和二跖骨頭中點、第四跖骨頭、外 側(cè)足弓以及足跟對應設(shè)置。
[0011] 優(yōu)選地，所述康復施力檢測裝置為康復訓練和步行輔助專用鞋或?qū)Ｓ眯瑝|。
[0012] 本發(fā)明還提供一種下肢康復訓練和步行輔助方法，包括如下步驟：
[0013] (1)康復施力檢測裝置記錄足底每個壓力傳感器每次的壓力和時間數(shù)據(jù)；
[0014] (2)將康復施力檢測裝置獲取的足底壓力信號傳送給信號調(diào)理模塊，信號調(diào)理模 塊對該足底壓力信號進行采樣、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到動態(tài)變化的足底壓力數(shù)字信息；
[0015] (3)位置速度感應模塊獲取使用者足部的位置速度信號，并將該位置速度信號通 過藍牙模塊發(fā)送給上位機；
[0016] (4)主控芯片將所述足底壓力數(shù)字信息經(jīng)過壓力音頻信號轉(zhuǎn)換算法，轉(zhuǎn)換成對應 的聲音頻率信號，并將該聲音頻率信號和位置速度信號通過藍牙模塊發(fā)送給上位機；
[0017] (5)上位機分析聲音頻率和位置速度變化，利用壓力音頻轉(zhuǎn)換方法，運用仿生學原 理來模仿觸壓覺的生理過程，建立足底受力與聽覺信號間的一對一的聯(lián)系，并播放相應的 聲音以提醒使用者，實現(xiàn)感覺替代功能。
[0018] 進一步地，步驟（5)中，還包括肌肉痙攣預判方法，通過分析各壓力傳感器的數(shù)據(jù) 變化，在小腿肌肉痙攣尚未出現(xiàn)之前便可提示即將出現(xiàn)肌痙攣，所述壓力傳感器包括前足 區(qū)傳感器和后足區(qū)傳感器，所述肌肉痙攣預判具體方法如下：
[0019] 設(shè)定痙攣觸發(fā)值Es:記錄使用者感覺患肢出現(xiàn)僵硬感的前N步對應的前足區(qū)傳感 器壓力值sql、Sq2、? ? ?Sqn和后足區(qū)傳感器壓力值Shl、Sh2 ? ? ?Shn，其中n彡3 ;計算前足 區(qū)沖量占比&作為痙攣觸發(fā)值，公式如下：
【主權(quán)項】
1. 一種可穿戴式下肢康復訓練和步行輔助系統(tǒng)，包括康復施力檢測裝置、控制主板和 上位機，其特征在于，所述控制主板包括：信號調(diào)理模塊，用于將所述康復施力檢測裝置獲 取的足底壓力信號進行采樣、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到動態(tài)變化的足底壓力數(shù)字信息；位置速 度感應模塊，用于獲取使用者足部的位置速度信號；主控芯片，用于將所述足底壓力數(shù)字信 息經(jīng)過壓力音頻信號轉(zhuǎn)換算法，轉(zhuǎn)換成對應的聲音頻率信號；藍牙模塊，用于將聲音頻率信 號和位置速度信號發(fā)送給上位機；電源管理模塊，用于向信號調(diào)理模塊、位置速度感應模 塊、主控芯片以及藍牙模塊提供電源；所述上位機，用于分析聲音頻率和位置速度變化，并 播放相應的聲音以提醒使用者。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式下肢康復訓練和步行輔助系統(tǒng)，其特征在于，所述 康復施力檢測裝置包括壓力傳感器，康復施力檢測裝置使用時置于使用者腳底，所述壓力 傳感器通過接口連接至所述信號調(diào)理模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可穿戴式下肢康復訓練和步行輔助系統(tǒng)，其特征在于，所述 壓力傳感器分別與第一跖、第一和二跖骨頭中點、第四跖骨頭、外側(cè)足弓以及足跟對應設(shè) 置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式下肢康復訓練和步行輔助系統(tǒng)，其特征在于，所述 康復施力檢測裝置為康復訓練和步行輔助專用鞋或?qū)Ｓ眯瑝|。
5. -種下肢康復訓練和步行輔助方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 康復施力檢測裝置記錄足底每個壓力傳感器每次的壓力和對時間數(shù)據(jù)； (2) 將康復施力檢測裝置獲取的足底壓力信號傳送給信號調(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊對 該足底壓力信號進行采樣、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到動態(tài)變化的足底壓力數(shù)字信息； (3) 位置速度感應模塊獲取使用者足部的位置速度信號，并將該位置速度信號通過藍 牙模塊發(fā)送給上位機； (4) 主控芯片將所述足底壓力數(shù)字信息經(jīng)過壓力音頻信號轉(zhuǎn)換算法，轉(zhuǎn)換成對應的聲 音頻率信號，并將該聲音頻率信號和位置速度信號通過藍牙模塊發(fā)送給上位機； (5) 上位機分析聲音頻率和位置速度變化，利用壓力音頻轉(zhuǎn)換方法，運用仿生學原理來 模仿觸壓覺的生理過程，建立足底受力與聽覺信號間的一對一的聯(lián)系，并播放相應的聲音 以提醒使用者，實現(xiàn)感覺替代功能。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢康復訓練和步行輔助方法，其特征在于，步驟（5)中，還 包括肌肉痙攣預判方法，通過分析各壓力傳感器的數(shù)據(jù)變化，在小腿肌肉痙攣尚未出現(xiàn)之 前便可提示即將出現(xiàn)肌痙攣，所述壓力傳感器包括前足區(qū)傳感器和后足區(qū)傳感器，所述肌 肉痙攣預判具體方法如下： 設(shè)定痙攣觸發(fā)值Es:記錄使用者感覺患肢出現(xiàn)僵硬感的前N步對應的前足區(qū)傳感器壓 力值SqnSf ·· ^Sqn和后足區(qū)傳感器壓力值SpSh2 ·· .Shn，其中η彡3;計算前足區(qū)沖 量占比&作為痙攣觸發(fā)值，公式如下：
進行痙攣預判：實際使用時，記錄使用者最后N步的前足區(qū)傳感器和后足區(qū)傳感器的 壓力值，將前足區(qū)傳感器和后足區(qū)傳感器的壓力值代入公式（1)中，計算實際前足區(qū)沖量 占比E，當E多1(*&時，播放相應的聲音以提醒使用者，當E〈K*E 3時，則繼續(xù)發(fā)揮感覺替代 功能，其中系數(shù)K為痙攣預判敏感度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的下肢康復訓練和步行輔助方法，其特征在于，所述前足區(qū)傳 感器分別與第一跖、第一和二跖骨頭中點、第四跖骨頭以及外側(cè)足弓對應設(shè)置，所述后足區(qū) 傳感器與足跟對應設(shè)置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的下肢康復訓練和步行輔助方法，其特征在于，所述系數(shù)K取 80%〇
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的下肢康復訓練和步行輔助方法，其特征在于，步驟（5)中，所 述壓力音頻轉(zhuǎn)換方法具體為： 設(shè)定壓力零點A、量程下限B、安全值C以及壓力上限值D-共四個節(jié)點，該四個節(jié)點將 足底壓力值分為四個檔位，當壓力值位于A-B段時，無任何聲音播放；當壓力值位于C-D段 時，播放音調(diào)較高的音頻，提示接近壓力上限值；當壓力值超過D時，播放音調(diào)尖銳的音頻； 當壓力值位于B-C段時，配以多種音調(diào)的音頻，使用者可根據(jù)音調(diào)不同感知負重大小。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可穿戴式下肢康復訓練和步行輔助系統(tǒng)及方法，包括康復施力檢測裝置、控制主板和上位機，所述控制主板包括信號調(diào)理模塊、位置速度感應模塊、主控芯片、藍牙模塊以及電源管理模塊，將所測壓力等信息轉(zhuǎn)變成音頻信號，通過分析聲音頻率和位置速度變化，并播放相應的聲音以提醒使用者，發(fā)揮感覺替代功能。建立另一種反饋途徑，彌補神經(jīng)損傷后觸壓覺功能障礙，從而形成反饋環(huán)路指導并提高運動的能力。
【IPC分類】A61B5-22, A61H3-00
【公開號】CN104757985
【申請?zhí)枴緾N201510203160
【發(fā)明人】劉鄭, 倪朝民, 陳進, 曾菊, 陳城, 吳鳴, 范文祥, 穆景頌, 劉孟, 蔣慧娣
【申請人】曾菊, 陳城, 劉鄭
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月24日