一種結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助的康復(fù)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及輔助醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助 的康復(fù)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 癱瘓肢體功能的恢復(fù)有賴于長期的物理康復(fù)治療。例如，對(duì)于中風(fēng)患者而言，要想 恢復(fù)偏癱側(cè)肢的功能，就要重復(fù)性地讓患側(cè)肢體練習(xí)所想獲得的功能或動(dòng)作，即所謂的功 能再學(xué)習(xí)。在此過程中，患者往往需要在外力的協(xié)助下學(xué)會(huì)使用指定肌肉群來完成要求的 訓(xùn)練任務(wù)。同時(shí)要盡量糾正身體其他部位不必要的代償性動(dòng)作，從而使受訓(xùn)肢體的運(yùn)動(dòng)更 接近正常人。機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練主要是通過機(jī)電結(jié)合的機(jī)器人對(duì)相應(yīng)的關(guān)節(jié)或肢體提供 外源性的機(jī)械支持，幫助患者的癱瘓肢體體驗(yàn)指定動(dòng)作以及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。在訓(xùn)練時(shí)，機(jī) 器人雖然可以從運(yùn)動(dòng)軌跡上糾正患者動(dòng)作的偏差，但是無法提示患者在過程中應(yīng)使用哪些 肌肉來完成標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作。這樣的訓(xùn)練結(jié)果往往是當(dāng)有機(jī)器人輔助時(shí)，患者可以完成動(dòng)作，而沒 有幫助時(shí)患者就無法實(shí)現(xiàn)，或使用其他代償肌肉群。在物理康復(fù)治療中引入感知刺激，例如 振動(dòng)、電刺激、溫度等可以增強(qiáng)患者對(duì)患側(cè)肌肉位置的本體感受，并有利于受損神經(jīng)系統(tǒng)的 重建以提高康復(fù)訓(xùn)練效果。感知刺激一般不直接引起肌肉收縮，只是讓患側(cè)肢體產(chǎn)生感覺， 從而使患者在運(yùn)動(dòng)中可意識(shí)到所應(yīng)使用的肌肉部位。
[0003] 目前，感知刺激設(shè)備與康復(fù)機(jī)器人還是分別獨(dú)立的系統(tǒng)，還沒有結(jié)合兩種功能的 技術(shù)對(duì)患者肢體進(jìn)行協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)上述感知刺激設(shè)備與康復(fù)機(jī)器人分別為獨(dú)立 系統(tǒng)的問題，提供一種結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助的康復(fù)系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助 的康復(fù)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括感知功能部件、機(jī)械輔助部件、用于測量主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的測 量部件、以及控制單元；所述控制單元與所述感知功能部件、所述機(jī)械輔助部件、所述測量 部件連接；
[0006] 所述感知功能部件，設(shè)有用于對(duì)肌群產(chǎn)生感知刺激的刺激部件、以及連接于所述 刺激部件與所述控制單元之間的刺激發(fā)生器；
[0007] 所述機(jī)械輔助部件，設(shè)有用于為患者提供輔助機(jī)械式支持的傳動(dòng)部件、以及帶動(dòng) 所述傳動(dòng)部件工作的電動(dòng)機(jī)；
[0008] 所述控制單元，接收所述測量部件所測量到的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度，按照所述刺激 發(fā)生器所產(chǎn)生的感知刺激強(qiáng)度范圍與所述主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的第一關(guān)系模式，實(shí)時(shí)控制所 述感知功能部件以使所述刺激部件刺激患者的相應(yīng)肌群，以及按照所述電動(dòng)機(jī)預(yù)設(shè)的關(guān)節(jié) 最大輸出扭矩與所述主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的第二關(guān)系模式，實(shí)時(shí)控制所述機(jī)械輔助部件以使 所述傳動(dòng)部件為患者的相應(yīng)關(guān)節(jié)提供輔助機(jī)械式支持。
[0009] 在本發(fā)明所述的康復(fù)系統(tǒng)中，所述刺激發(fā)生器所產(chǎn)生的感知刺激強(qiáng)度范圍與所述 主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的第一關(guān)系模式定義為：
[0010]
[0011] 其中，Si(t)為所述刺激發(fā)生器在肌肉i上所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)感知刺激強(qiáng)度，以通過所 述刺激部件刺激所述肌肉i;當(dāng)控制單元未接收到所述刺激部件檢測的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度 時(shí)，刺激發(fā)生器的輸出強(qiáng)度為0 ;SiMax為所述刺激發(fā)生器在所述肌肉i上所產(chǎn)生的最大感知 刺激強(qiáng)度，SiminS所述刺激發(fā)生器在所述肌肉i上所產(chǎn)生的最小感知刺激強(qiáng)度；M i (t)定義 為：
[0013] 其中，yi(t)為所述測量部件在所述肌肉i上實(shí)時(shí)測量到的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度， yiMax為所述測量部件在所述肌肉i上所測量到的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的最大值。
[0014] 在本發(fā)明所述的康復(fù)系統(tǒng)中，所述電動(dòng)機(jī)的預(yù)設(shè)的關(guān)節(jié)最大輸出扭矩與所述主觀 運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的第二關(guān)系模式定義為：
[0015] Tj (t) = Tjsto^Mi (t)
[0016] 其中，Vt)為實(shí)時(shí)控制所述機(jī)械輔助部件中的所述傳動(dòng)部件對(duì)關(guān)節(jié)j提供所述輔 助機(jī)械式支持時(shí)的輸出扭矩，T flax為預(yù)設(shè)的所述關(guān)節(jié)j的最大輸出扭矩。
[0017] 在本發(fā)明所述的康復(fù)系統(tǒng)中，所述傳動(dòng)部件對(duì)關(guān)節(jié)j提供所述輔助機(jī)械式支持時(shí) 的輸出扭矩是與患者想要運(yùn)動(dòng)方向一致的輔助力矩，或者是與患者想要運(yùn)動(dòng)方向相反的阻 力力矩。
[0018] 在本發(fā)明所述的康復(fù)系統(tǒng)中，所述機(jī)械輔助部件還包括連接于所述傳動(dòng)部件及所 述控制單元之間的位移傳感器和角度傳感器，分別用于測量關(guān)節(jié)所產(chǎn)生的扭矩和根據(jù)所述 扭矩而產(chǎn)生的角度信號(hào)。
[0019] 在本發(fā)明所述的康復(fù)系統(tǒng)中，所述控制單元還包括存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)所述測量 部件所測量到的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度，以及存儲(chǔ)所述位移傳感器和所述角度傳感器分別所測 量到的所述扭矩和所述角度信號(hào)。
[0020] 在本發(fā)明所述的康復(fù)系統(tǒng)中，所述測量部件為用于測量所述主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的 測量電極。
[0021] 在本發(fā)明所述的康復(fù)系統(tǒng)中，所述主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度為在肌肉上所測量到的肌電 信號(hào)強(qiáng)度、肌音信號(hào)強(qiáng)度、腦電信號(hào)強(qiáng)度、腦磁信號(hào)強(qiáng)度中的任意一種。
[0022] 在本發(fā)明所述的康復(fù)系統(tǒng)中，所述刺激部件所產(chǎn)生的所述感知刺激為有感的振 動(dòng)、電刺激、溫度刺激中的至少一種。
[0023] 實(shí)施本發(fā)明的一種結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助的康復(fù)系統(tǒng)，具有以下有益效果：在 康復(fù)訓(xùn)練中對(duì)患側(cè)肢體不僅提供外源性機(jī)械輔助以外，還對(duì)患側(cè)肌肉提供感知刺激，在訓(xùn) 練中機(jī)械輔助與感知刺激都受控于患者的主觀運(yùn)動(dòng)意向。
【附圖說明】
[0024] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0025] 圖1為本發(fā)明的結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助的康復(fù)系統(tǒng)框圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明的結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助的康復(fù)系統(tǒng)的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明的測量部件與刺激部件在肌肉上擺放位置示意圖；
[0028] 圖4為圖2中機(jī)械輔助部件的縱向剖面圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明的結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助的康復(fù)系統(tǒng)的另一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說明 本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0031] 如圖1所示，為本發(fā)明的結(jié)合感知功能與機(jī)械輔助的康復(fù)系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)除了 可以對(duì)患側(cè)肢體提供外源性機(jī)械支持的同時(shí)，還可對(duì)癱瘓肌肉進(jìn)行感知性刺激以提高其定 位功能。該系統(tǒng)包括感知功能部件1、機(jī)械輔助部件2、用于測量主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的測量 部件3、以及控制單元4 ;控制單元4與感知功能部件1、機(jī)械輔助部件2、測量部件3連接； 其中，感知功能部件1，設(shè)有用于對(duì)肌群產(chǎn)生感知刺激的刺激部件11、以及連接于刺激部件 11與控制單元4之間的刺激發(fā)生器12;其中，機(jī)械輔助部件2,設(shè)有用于為患者提供輔助機(jī) 械式支持的傳動(dòng)部件21、以及帶動(dòng)傳動(dòng)部件21工作的電動(dòng)機(jī)22 ;控制單元4,接收測量部 件3所測量到的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度，按照刺激發(fā)生器12所產(chǎn)生的感知刺激強(qiáng)度范圍與主觀 運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的第一關(guān)系模式，實(shí)時(shí)控制感知功能部件1以使刺激部件11刺激患者的相應(yīng) 肌群，以及按照電動(dòng)機(jī)22預(yù)設(shè)的關(guān)節(jié)最大輸出扭矩與主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的第二關(guān)系模式， 實(shí)時(shí)控制機(jī)械輔助部件2以使傳動(dòng)部件21為患者的相應(yīng)關(guān)節(jié)提供輔助機(jī)械式支持。
[0032] 刺激發(fā)生器12所產(chǎn)生的感知刺激強(qiáng)度范圍與主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的第一關(guān)系模式 定義為：
[0033]
[0034] 其中，Si (t)為刺激發(fā)生器12在肌肉i上所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)感知刺激強(qiáng)度，以通過刺激 部件11刺激肌肉i，例如扭扣式微型振動(dòng)器產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度，或電刺激器產(chǎn)生的有感刺激。 當(dāng)控制單元4未接收到刺激部件11檢測的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度時(shí)，即控制單元4不能檢測到 患者的主觀運(yùn)動(dòng)意向時(shí)，刺激發(fā)生器12的輸出強(qiáng)度為0 ;SiMax為刺激發(fā)生器12在肌肉i上 所產(chǎn)生的最大感知刺激強(qiáng)度，并且這種強(qiáng)度不引起肌肉主動(dòng)收縮，S iMin為刺激發(fā)生器12在 肌肉i上所產(chǎn)生的最小感知刺激強(qiáng)度；Mi (t)為歸一化并取絕對(duì)值后實(shí)時(shí)的主觀運(yùn)動(dòng)意向 強(qiáng)度，患者的主觀運(yùn)動(dòng)意向可由相關(guān)的生理信號(hào)，即主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度為在肌肉上所測量 到的肌電信號(hào)強(qiáng)度、肌音信號(hào)強(qiáng)度、腦電信號(hào)強(qiáng)度、腦磁信號(hào)強(qiáng)度中的任意一種，如收縮肌 肉上測得的肌電、肌音信號(hào)、相應(yīng)腦區(qū)信號(hào)如腦電、腦磁信號(hào)強(qiáng)度來表征，其定義為：
[0036] 其中，yi(t)為測量部件3在肌肉i上實(shí)時(shí)測量到的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度，y iMax為測 量部件3在肌肉i上所測量到的主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的最大值。
[0037] 電動(dòng)機(jī)22的預(yù)設(shè)的關(guān)節(jié)最大輸出扭矩與主觀運(yùn)動(dòng)意向強(qiáng)度的第二關(guān)系模式定義 為：
[0038] Tj (t) = Tjltlax^Mi (t) Eq. 3
[0039] 其中，L⑴為實(shí)時(shí)控制機(jī)械輔助部件2中的傳動(dòng)部件21對(duì)關(guān)節(jié)j提供輔助機(jī)械式 支持時(shí)的輸出扭矩，可表征為關(guān)節(jié)的角速度、關(guān)節(jié)的輸出扭矩，此處的關(guān)節(jié)可指肩，肘，腕， 指，膝，踝等。T flax為預(yù)設(shè)的關(guān)節(jié)j的最大輸出扭矩，不同的關(guān)節(jié)有不同的最大輸值，其中， 為了使患者更安全地使用該系統(tǒng)，M i (t)的定義和公式Eq. 1中的Mi (t)相同。肌肉i與關(guān) 節(jié)j的關(guān)系為：i的收縮引起j的關(guān)節(jié)角度變化，如i為屈肌時(shí)，關(guān)節(jié)j發(fā)出屈的動(dòng)作，或者 i為展肌時(shí)，關(guān)節(jié)j發(fā)出伸的動(dòng)作。傳動(dòng)部件21還可對(duì)關(guān)節(jié)j提供輔助機(jī)械式支持時(shí)的輸 出扭矩是與患者想要運(yùn)動(dòng)方向一致的輔助力矩，或者是與患者想要運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力力 矩。
[0040] 機(jī)械輔助部件2還