一種基于呼吸困難度反饋的機(jī)器人肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，特別是指對(duì)慢性阻塞性肺病人呼吸困難度定量化，實(shí)時(shí)監(jiān)控并基于該生物力學(xué)信息指導(dǎo)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人輔助病人進(jìn)行呼吸康復(fù)訓(xùn)練，提高患者的訓(xùn)練依存性。
【背景技術(shù)】
[0002]慢性阻塞性肺病(COPD)是全球第三大致死病因，它不僅對(duì)患者生理功能和生活質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響，而且增加了住院率和死亡率，給家庭和社會(huì)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。由于近年來(lái)城市空氣質(zhì)量的普遍下降和生活習(xí)慣等因素的影響，我國(guó)40歲以上人群中，COPD的發(fā)病率為8.2%，居我國(guó)死因第二位，每年因此病致死的人數(shù)超過(guò)100萬(wàn)人。COPD患者肺的實(shí)質(zhì)性損傷、肺泡和小氣道彈性回縮能力的下降等因素使氣體滯留于肺內(nèi)，導(dǎo)致過(guò)度充氣的發(fā)生，從而使患者易于發(fā)生呼吸困難；同時(shí)，由于呼吸肌肌力的下降，以及為代償性適應(yīng)小氣道阻塞所致病理變化，患者易發(fā)生高中樞呼吸驅(qū)動(dòng)狀態(tài)以維持有效通氣，而呼吸驅(qū)動(dòng)和呼吸困難感覺(jué)之間具有正相關(guān)性，即呼吸驅(qū)動(dòng)的增強(qiáng)會(huì)使患者產(chǎn)生呼吸困難的感覺(jué)，它是該病的主要癥狀。
[0003]運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是COPD患者肺康復(fù)除藥物治療之外的唯一方法。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方法主要是通過(guò)減少呼吸過(guò)程中肌纖維血液中的乳酸生成量，并提高人體日常運(yùn)動(dòng)肌肉的協(xié)調(diào)性，因此其可減少患者最大運(yùn)動(dòng)量時(shí)的通氣需求。最新臨床研究表明，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可使患者在進(jìn)行同等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)量時(shí)不至于出現(xiàn)呼吸驅(qū)動(dòng)的增強(qiáng)，即盡量避免出現(xiàn)呼吸頻率的加快，從而使通氣障礙得以緩解，有效減輕患者最大運(yùn)動(dòng)量時(shí)的呼吸困難。其次，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可使肌肉組織的結(jié)構(gòu)與功能、神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)肌肉組織的調(diào)節(jié)功能及心血管功能得到改善，從而提高患者的運(yùn)動(dòng)耐力，以減輕運(yùn)動(dòng)所致呼吸困難。此外，訓(xùn)練可使呼吸肌的肌力增強(qiáng)，而肌力的增強(qiáng)又與呼吸驅(qū)動(dòng)的下降相關(guān)聯(lián)，從而使患者的呼吸困難程度下降。
[0004]盡管眾多研究表明運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)于改善患者呼吸困難和肺功能發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但是由于患者已存在通氣受限、高通氣需求和過(guò)度充氣等病理狀況，并且在訓(xùn)練初期這些狀況更易發(fā)生，從而迫使患者拒絕參加訓(xùn)練。臨床研究表明能堅(jiān)持訓(xùn)練的COPD患者僅為1%，而訓(xùn)練的中斷會(huì)使訓(xùn)練所獲得的生理功能改善逐步回落至康復(fù)訓(xùn)練前的狀態(tài)。近年來(lái)漸進(jìn)式呼吸肌力訓(xùn)練和輔助式訓(xùn)練這一可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練依從性的方式越來(lái)越受到推崇。然而，在實(shí)時(shí)采集人體呼吸動(dòng)力學(xué)信息并反饋患者呼吸困難度的機(jī)器人輔助運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練研究中，少見(jiàn)成功的臨床應(yīng)用實(shí)例，其主要原因可以歸納為:(1)無(wú)法實(shí)時(shí)反饋和定量化病人的呼吸困難度，目前臨床對(duì)于患者呼吸困難評(píng)估主要是采用主觀感覺(jué)評(píng)價(jià)，缺乏精確模型通過(guò)非侵入式測(cè)量數(shù)據(jù)的融合對(duì)COPD患者的呼吸通暢程度的實(shí)時(shí)分析和計(jì)算方法，為康復(fù)輔助機(jī)器人提供反饋，并且為病人和醫(yī)生提供定量化的康復(fù)評(píng)價(jià)參數(shù)；(2)需要解決運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人與COPD患者的友好交互問(wèn)題，由于機(jī)器人和患者的運(yùn)動(dòng)空間高度交叉，機(jī)器人要對(duì)患者不同肢體基礎(chǔ)肌力進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉，從而給予不同肢體不同的輔助力量以協(xié)助患者完成肢體運(yùn)動(dòng)，所以缺少實(shí)時(shí)而且精確的人體內(nèi)力信息，包括關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)力、關(guān)節(jié)能量和肌肉張力等，將是影響機(jī)器人在肺康復(fù)臨床應(yīng)用的障礙。(3)臨床上缺少穩(wěn)定患者運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練依從性的定量化運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練處方，如果能夠?qū)崿F(xiàn)慢性阻塞性肺疾病患者個(gè)體的全身肌肉運(yùn)動(dòng)耐力和呼吸困難度等參數(shù)與康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練程序設(shè)計(jì)融合，將有助于穩(wěn)定患者運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練依從性，并為醫(yī)護(hù)人員制定患者漸進(jìn)式肺康復(fù)訓(xùn)練方案提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于呼吸困難度反饋的機(jī)器人肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種基于呼吸困難度反饋的機(jī)器人肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括可穿戴式呼吸傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和肺康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，所述可穿戴式呼吸傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含若干可穿戴式慣性傳感器、若干表面肌電傳感器、若干觸覺(jué)傳感器和電子鼻，在患者的各個(gè)呼吸肌及關(guān)節(jié)部位監(jiān)測(cè)患者的呼吸信息；所述電子鼻安裝在患者口鼻腔附近，測(cè)量患者的呼氣量大小和氣體流速信號(hào)；所述可穿戴式慣性傳感器通過(guò)彈性橡膠粘附在患者運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)；所述表面肌電傳感器和觸覺(jué)傳感器通過(guò)彈性橡膠粘附在患者的呼吸肌表面。
[0007]所述肺康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人包括中央處理器、PL C、伺服驅(qū)動(dòng)器、第一伺服電機(jī)、軸承座、螺桿、X型支撐桿、腋下支撐板、平板、齒輪齒條結(jié)構(gòu)、抓手、第二伺服電機(jī)、豎直滑軌、X型固定架、基座、U形螺母和支撐臺(tái)；其中，所述基座固定在病床或座椅上，基座的前端固定兩個(gè)軸承座；一根兩端具有相反旋向螺紋的螺桿固定在兩個(gè)軸承座中，可以做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水平方向固定；所述U形螺母的下端開(kāi)有與螺桿的螺紋相配合的螺孔，兩個(gè)U形螺母分別安裝在螺桿的兩端螺紋上；U形螺母的兩個(gè)側(cè)面均開(kāi)有通孔，所述兩側(cè)通孔的中心軸與下端螺孔的中心軸垂直；所述X型支撐桿的中心具有可轉(zhuǎn)動(dòng)的銷(xiāo)軸，兩個(gè)底端均開(kāi)有通孔，兩個(gè)底端分別置于兩個(gè)U形螺母的U形槽中，通過(guò)銷(xiāo)軸穿過(guò)通孔將X型支撐桿與U形螺母連接；螺桿一端通過(guò)聯(lián)軸器安裝第一伺服電機(jī)，第一伺服電機(jī)作為扭矩輸入端；當(dāng)螺桿在第一伺服電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)兩個(gè)U型螺母做相向或相反運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)X型支撐桿的兩個(gè)底端做相向或相反運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)在垂直方向上的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述支撐臺(tái)的中部下端開(kāi)有兩個(gè)平行的兩面槽口，X型支撐桿兩個(gè)上端分別插入兩面槽口與之滑動(dòng)配合，兩個(gè)腋下支撐板分別安裝在支撐臺(tái)伸出的手臂上，從而使得腋下支撐板能在訓(xùn)練過(guò)程中支撐患者胸腔重量；支撐臺(tái)后側(cè)楔入一塊平板，平板上用兩個(gè)軸承座固定一個(gè)齒輪，齒輪下方配合安裝一段齒條，齒條可以隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而前后移動(dòng)，從而形成齒輪齒條結(jié)構(gòu)；所述兩個(gè)抓手均與齒條的末端相連，能和齒條一同前后運(yùn)動(dòng)；所述第二伺服電機(jī)和齒輪用聯(lián)軸器相連；支撐臺(tái)尾部?jī)啥朔謩e伸出兩個(gè)燕尾型凸起與所述豎直滑軌的燕尾槽滑動(dòng)配合；所述X型固定架與所述豎直滑軌焊接，起到加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用；所述豎直滑軌底部用螺釘固定在基座上；所述第一伺服電機(jī)和第二伺服電機(jī)均與伺服驅(qū)動(dòng)器相連，所述伺服驅(qū)動(dòng)器與PL C相連，通過(guò)PL C控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速；所述PL C、可穿戴式慣性傳感器、表面肌電傳感器、觸覺(jué)傳感器和電子鼻均與中央處理器相連。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果是:目前康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人發(fā)明大多是對(duì)癱瘓患者進(jìn)行上下肢體、腦部、身體關(guān)節(jié)等康復(fù)訓(xùn)練，尚未出現(xiàn)針對(duì)于COPD患者的肺康復(fù)訓(xùn)練的呼吸康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。本實(shí)用新型的另外一個(gè)創(chuàng)新之處在于，利用穿戴式傳感系統(tǒng)，對(duì)慢性肺阻塞性患者的呼吸困難度進(jìn)行量化測(cè)定，利用此量化測(cè)定結(jié)果指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)患者呼吸困難度反饋的肺康復(fù)訓(xùn)練要求，大大提高患者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練的依存性，提高呼吸康復(fù)訓(xùn)練的效果。解決了現(xiàn)有的COPD患者肺康復(fù)訓(xùn)練處方中無(wú)法實(shí)時(shí)反饋和定量化病人的呼吸困難度，以及運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人和COPD患者友好交互，從而增大患者肺康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練依從性的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為機(jī)器人肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0010]圖2為可穿戴式呼吸傳感檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；
[0011]圖3為肺康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)構(gòu)圖；
[0012]圖中，第一伺服電機(jī)1、軸承座2、螺桿3、X型支撐桿4、腋下支撐板5、平板6、齒輪齒條結(jié)構(gòu)7、抓手8、第二伺服電機(jī)9、豎直滑軌10、X型固定架11、基座12、U形螺母13、支撐臺(tái)14、可穿戴式慣性傳感器15、表面肌電傳感器16、觸覺(jué)傳感器17、彈性橡膠18。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0014]如圖1所示，本實(shí)用新型一種基于呼吸困難度反饋的機(jī)器人肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括可穿戴式呼吸傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和肺康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。如圖2所示，所述可穿戴式呼吸傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含若干可穿戴式慣性傳感器15、若干表面