基于平衡功能评估的气囊减重步行训练装置

摘要

一种基于平衡功能评估的气囊减重步行训练装置，包括由底板、两立柱和两扶手组成的机架，机架后部连接有箱体。还包括步行器、气囊支架、气囊、紧身短裤、操作显示器、鼓风机、控制器、左右测力鞋、电源模块和气体压力传感器。本发明装置结构简单、操作方便，由于采用了气囊减重结构，可以使被训者在步行训练时更好的左右、上下调整重心。气囊支架的高度可调，可实现个性化减重步态训练。可以使患者在舒适的减重环境下进行下肢康复训练，适用于脑卒中患者，肌肉萎缩、神经损伤、运动损伤等引起下肢运动障碍患者的康复训练。

说明书

技术领域

本发明涉及一种医疗康复器械，特别涉及一种基于平衡功能评估的气囊减重步行训练装置。

背景技术

脑卒中是我国的常见病和多发病，全国每年新发脑卒中约200万人，其中约85％遗留有肢体、运动功能障碍，行走质量是康复训练的重要目标，70％以上患者通过早期开始介入步行训练可恢复步行能力。但是对于偏瘫患者、运动损伤患者等重症肢体活动能力差的患者，在下肢支撑体重困难的情况下，要进行独立行走训练是非常困难的，因此迫切需要一种能对患者在身体重量减负的情况下进行训练的康复训练设备。目前使用的气囊减重步行是一种行之有效的康复训练方式，这种通过气压减重方式来协助人体站立、行走、跑步训练，避免了悬吊减重操作较为复杂，也避免了目前斜床减重程度不够(很难适用70％以上的减重量)的缺点，而且斜床由于训练体位的限制，只有交替踏步及单腿等简单步行模式，无法实现真实模拟步行状态。

发明内容

本发明的目的，就在于解决上述问题，提供一种基于平衡功能评估的气囊减重步行训练装置。

本发明的目的是这样实现的：一种基于平衡功能评估的气囊减重步行训练装置，其包括：

机架，包含底板、两立柱和两扶手，机架后部连接有箱体；

步行器，设置在机架的底板上并可独立运动，在步行器下设有承重压力传感器；

气囊支架，安装在机架的两立柱上并可沿两立柱上下移动；

气囊，其上部与气囊支架相连，下部与机架的底板密封相连并将步行器包围在内；

紧身短裤，用于穿在人身上并可与气囊密封连接；

操作显示器，连接在气囊支架上可随气囊支架一起运动；

鼓风机，安装在机架后部的箱体内并通过管路与气囊连接连通；

控制器，设置在机架后部的箱体内并与操作显示器、鼓风机以及步行器电信相连；

左右测力鞋，用于穿在人的左右脚并踩在步行器上，鞋内设有足底压力传感器，该足底压力传感器与控制器无线通信相连；

电源模块，设置在机架后部的箱体内并与控制器电连接向控制器提供电源；

气体压力传感器，设置在机架的底板上并与控制器电信相连，通过控制器将气体压力传输至操作显示器显示。

所述机架的两立柱上分别设有上下延伸的滑动槽，所述气囊支架与该滑动槽嵌套滑动相连，气囊支架上设有锁定机构，可在任意位置将气囊支架锁紧。

所述左右测力鞋结构对称相同，各包括前半鞋、后半鞋、鞋垫和缓冲器，前半鞋和后半鞋滑套相连可相对滑动形成不同的尺码，鞋垫设置在后半鞋内，缓冲器设置在前半鞋内，所述足底压力传感器设置在鞋垫内。

所述底板上还设有传感器变送器，所述承重压力传感器和气体压力传感器分别与传感器变送器相连并通过传感器变送器与控制器电信相连。

所述步行器设有电机控制器，该电机控制器的输入连接控制器，输出连接步行器的电机，电机控制器接收控制器的信号以控制步行器电机的停止、启动、速度、正反转和转动时间。

所述控制器包括无线接收模块、主控电路、传感器接口电路、步行器电机驱动电路和鼓风机电机驱动电路，无线接收模块与足底压力传感器无线通信相连，主控电路的输入连接操作显示器，输出连接步行器电机驱动电路和鼓风机电机驱动电路；传感器接口电路的输入连接传感器变送器，输出连接操作显示器；步行器电机驱动电路的输出连接步行器电机，鼓风机电机驱动电路的输出连接鼓风机电机。

所述气囊上面设有圆形开口，在圆形开口上设有半边气密拉链；下部设有进气口和出气口，周围设有视窗，底部为敞口，敞口四周与机架的底板四周密封相连，所述气囊支架与圆形开口处相连。

所述紧身短裤上部设有用于与气囊密封连接的半边气密拉链，以及用于固定整个紧身短裤上部形状的铅丝套圈。

所述机架后部的箱体内设有进气管路和出气管路；进气管路的进口连接鼓风机的出气口，出口连接气囊的进气口；出气管路的进口连接气囊的出气口，出口连接鼓风机的进气口，在进气管路和出气管路上分别设有电磁控制阀，该电磁控制阀与控制器相连由控制器控制其开关。

所述操作显示器可由用户设置并显示步行器的运动速度、步行器的倾斜角度、气囊减重程度、步行训练时间以及平衡功能训练及评估参数。

本发明的基于平衡功能评估的气囊减重步行训练装置在使用时，训练者在背部依靠气囊减重或独立站立的状态下，进行静态平衡的功能评定和训练。它利用先进的计算机控制和传感装置技术测试人体的重心和姿势变化。它可以进行减重训练，开展早期康复，而又避免了悬吊减重的缺点，还具有智能化平衡系统的技术。

它的功能主要为：

1、平衡功能评定：减重及独立站立状态下的静态姿势图，所得评定参数包括额状面摆动频率、平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、重心移动轨迹总长度、重心移动轨迹总面积和额状面侧方摆速等。

2、平衡功能训练：任意减重状态下及独立站立状态下的静态站立平衡练习和相应的逐级难度递进的练习方案，有视觉和声音反馈和虚拟环境训练方案及平衡游戏训练方案。

3、步行功能训练：采用的气囊式减重，可以使训练者在任意减重状态下进行步行训练，能更好进行上下左右重心的调节。

4、减重步行训练系统与平衡训练系统的联合应用。

本发明具有以下优点和特点：

一、采用平衡功能训练与评估与气囊减重下肢步行联合康复训练模式，使康复训练的效果更明显。

二、评估功能的集成，可以对训练效果进行检测并评定，可帮助确定进一步的训练康复方案。

三、采用气囊减重，可以使被训者在步行训练时更好的左右、上下调整重心。

四、气囊支架的高度可调，可实现个性化减重步态训练。

附图说明

图1为本发明基于平衡功能评估的气囊减重步行训练装置的总体结构示意图；

图2为本发明中的底板部分结构示意图；

图3为本发明中的测力鞋的结构示意图；

图4为本发明中的气囊的结构示意图；

图5为本发明中的紧身短裤的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，配合参见图2-图5，本发明的基于平衡功能评估的气囊减重步行训练装置，包括由底板1、两立柱2和两扶手3组成的机架，机架后部连接有箱体4。还包括步行器5、气囊支架6、气囊7、紧身短裤8、操作显示器9、鼓风机10、控制器11、左右测力鞋12、电源模块13和气体压力传感器14。图1中所示，a为人体模型。

配合参见图2，步行器5设置在机架的底板1上并可独立运动；在步行器5下装有承重传感器15，该承重传感器15与控制器11相连并通过控制器将人体施加在步行器上的重量传输至操作显示器显示。步行器5设有电机控制器51，该电机控制器的输入连接控制器，输出连接步行器的电机52，电机控制器接收控制器的信号以控制步行器电机的停止、启动、速度、正反转和转动时间。

气囊支架6安装在机架的两立柱上并可沿两立柱上下移动；在两立柱2上分别设有上下延伸的滑动槽，下部气囊支架与该滑动槽嵌套滑动相连，下部气囊支架上设有锁定机构(未图示出来)，可在任意位置将下部气囊支架锁紧。

配合参见图4，在气囊7上面设有圆形开口71，在圆形开口上设有半边气密拉链(未图示出来)；下部设有进气口73和出气口74，周围设有视窗75，底部为敞口72，敞口四周与机架的底板四周密封相连并将步行器包围在内，气囊7的圆形开口71处与气囊支架6相连。

配合参见图5，紧身短裤8用于穿在人身上并可与气囊7密封连接；在紧身短裤上部设有用于与气囊密封连接的半边气密拉链81，以及用于固定整个紧身短裤上部形状的铅丝套圈82。紧身短裤是由氯丁橡胶制成的弹性密闭短裤。气囊与机架底板及紧身短裤密封连接后，气囊与机架底板及紧身短裤之间形成一个密闭的充气空间。

操作显示器9连接在气囊支架6上可随气囊支架一起运动。该操作显示器可由用户设置并显示步行器的运动速度、步行器的倾斜角度、气囊减重程度、步行训练时间以及平衡功能训练及评估参数。

鼓风机10安装在机架后部的箱体4内，在箱体内设有进气管路和出气管路(未图示出来)；进气管路的进口连接鼓风机的出气口，出口连接气囊的进气口73；出气管路的进口连接气囊的出气口74，出口连接鼓风机的进气口。在进气管路和出气管路上分别设有电磁控制阀(未图示出来)，该电磁控制阀与控制系统相连由控制系统控制其开关。

控制器(由计算机或单片机实现)11设置在机架后部的箱体内并与操作显示器9、鼓风机10以及步行器5电信相连；该控制器包括无线接收模块、主控电路、传感器接口电路、步行器电机驱动电路和鼓风机电机驱动电路，无线接收模块与足底压力传感器无线通信相连，主控电路的输入连接操作显示器，输出连接步行器电机驱动电路和鼓风机电机驱动电路；传感器接口电路的输入连接传感器变送器，输出连接操作显示器；步行器电机驱动电路的输出连接步行器电机，鼓风机电机驱动电路的输出连接鼓风机电机。

配合参见图3，左右测力鞋12用于穿在人的左右脚并踩在步行器上，

左右测力鞋结构对称相同，各包括前半鞋121、后半鞋122、前鞋垫123、后鞋垫124和缓冲器125，前半鞋和后半鞋滑套相连可相对滑动形成不同的尺码，鞋垫设置在后半鞋内，缓冲器设置在前半鞋内，鞋垫内设有足底压力传感器126、127，该足底压力传感器与无线发送模块128相连。并通过控制器的无线接收模块将人体施加在左右脚上的压力传进行平衡功能评估并输至操作显示器显示，同时与平衡游戏功能相结合，实现平衡功能训练。图中所示，129为定位旋钮，用于前半鞋和后半鞋之间滑动后的定位固定。

电源模块13设置在机架后部的箱体内并与控制器电连接向控制器提供电源。

气体压力传感器14设置在机架的底板上并与控制器电信相连，通过控制器将气体压力传输至操作显示器显示。

配合参见图2，在底板1上还设有传感器变送器16，承重压力传感器15和气体压力传感器14分别与传感器变送器相连并通过传感器变送器与控制器电信相连。传感器变送器还可以调节传感器的精度及量程，以满足实际的需求。

本发明的工作过程原理如下：将气囊与底板密封连接并与气囊支架相连，让人穿上紧身短裤，把气囊支架降低到最低位置，让人站进气囊支架内并站在步行机上，将紧身短裤与气囊通过气密拉链密封连接。然后拉起气囊支架到达合适位置后用锁定机构将其锁紧。用户在操作显示器上设置减重程度控制鼓风机充气或放气来调节气囊内的气压使人体的下肢呈现浮起的状态从而达到减重的效果，并让其左右脚分别穿上测力鞋，首先使左右脚踏板处于同一水平面上；被训者根据操作显示器上显示的左右下肢用力大小(以直观的柱状图显示)，可以了解到自己的实际情况，适当调节姿势和力度，维持站立平衡。计算机(即控制器)进入静态平衡评定训练系统的测试评估模块，进行静态平衡测试，以得到各项静态姿势图参数的测试评估结果；计算机进入静态平衡评定训练系统的功能训练模块，根据测试评估结果，选择合适的训练时间和减重角度，进行静态平衡训练，训练成绩以重心落在离正常重心零位±5％、±10％、±20％和±30％区域内的时间比和良好重心百分比表示。然后启动步行机，最后可进行步行与平衡训练的游戏。

平衡测试过程中的重心变化是姿势图参数评估的基础，在下面所述的七个参数的计算中都要用到，一般人体重心(center ofgratitude，COG)在第二骶骨前。该系统中的重心投影指的是人体重心在脚踏板上的投影，由于人体处于站立平衡过程中侧向力很小，因此人体重心投影位置测试原理就可以简化为：

x＝(F_A+F_B-F_C-F_D)·L/G

y=(F_B+F_D-F_A-F_C)·M/G

式中，L为O(O点为左右踏板检测平台中心)到传感器的X轴的距离，M为O点到传感器的Y轴的距离，G为减重后的被训者人体的重量，F A，F B，F C，F D分别为四个传感器的读数，传感器对称放置在左右脚踏板下方如附图2所示，受力大小通过传感器测得。

被训者在气囊减重静止站立过程中评估额状面摆动频率变化，反映了在一定时间内，重心投影在额状面即水平方向正负值的变化频率，在算法中仅表示重心投影位置沿X轴方向变化的快慢，该参数值越大，即变化的频率越高，反映被训者抖动越严重，重心控制越不稳。

额状面摆动频率变化算法为：由上述静态平衡测试过程中的重心变化，再根据病人重心投影从左侧区域移动到右侧区域以及从右侧区域移动到左侧区域的次数与时间之比，即：

$>\eta =\frac{N}{T}$>

式中，N为重心投影从左侧区域到右侧区域以及从右侧区域到左侧区域摆动的次数，T为选择的测试时间。

评估气囊减重静止站立时平均重心，反映了静止站立运动过程中，双下肢用力平衡情况，绝对值越小，表示平衡程度越好，正值越大，表明右下肢较左下肢更有力；负值越大，则相反。临床资料表明，平均重心投影值越大，身体对称性越差，如卒中偏瘫者。其定义为病人重心投影偏移距离之和与采集次数之比，计算方法为：

$>\bar{G}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|G_i\right|}{N}$>

式中，Gi为每次采集重心在足板上的投影偏移的位置；i=1、2、3、4……N(i、N为整数)，N为选择的测试时间内采集的点数。

评估气囊减重静止站立时额状面最大摆幅，反映被训者双下肢在X方向上用力偏移程度的最大值。额状面最大摆幅越大表明被训者在减重状态下，静止站立运动时左右两下肢用力差值，该差值与身体对称性有关，差值越大表明对称性差，稳定性弱。相关疾病如截肢者，偏瘫者。

其定义为病人重心投影偏移正常重心投影零位的最大距离，其计算方法为：

Smax=Max|Si|

式中，Si为每次采集的重心投影偏移正常重心投影零位的长度，i=1、2、3、4……N(i、N为整数)。

评估气囊减重站立时额状面平均摆幅，反映被训者减重状态下，站立过程中在X方向上抖动剧烈程度及快慢，其值越大表明被训者平衡能力越差，相关疾病。其计算方法为：

$>\bar{S}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|\mathrm{si}\right|}{N}$>

式中，Si为每次采集的重心投影偏移正常重心投影零位的长度，i＝1、2、3、4……N(i、N为整数)，N为选择的测试时间内采集的点数。

评估气囊减重静止站立时重心投影移动轨迹总长度，反映了被训者减重状态下，静止站立时重心投影移动轨迹总长度，其值越大表明重心投影偏移距离总和越长，被训者平衡能力越差。

根据轨迹分类(中心型、前后型、左右型、多中心型、弥散型)，来评估判断被训者状态，正常为多中心型。多中心型重心投影移动轨迹总长度的计算方法为：

式中，Xi，Y i为每次采集重心投影偏移位置的坐标。i=0、1、2、3、4……N(i、N为整数)。

评估气囊减重静止站立时单位时间内重心投影移动轨迹总面积，反映了单位时间内身体控制重心的稳定性及平衡程度。在设定相同周期下，对不同康复训练期进行前后对比，确定训练效果，数值越大，反映稳定性及平衡越差，如帕金森病，小脑共济失调等。单位时间内重心投影移动轨迹总面积算法为：

$>A=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\pi (x_i^2+y_i^2)}{\mathrm{NTc}}$>

式中，Xi，Y i为每次采集重心在足板上的投影偏移的位置的坐标。i=0、1、2、3、4……N(i、N为整数)；Tc为每次采集的时间。

评估气囊减重静止站立时单位时间内额状面侧方摆速，反映在X轴方向上最大摆幅时重心投影的移动速度，其值越大，表示重心控制越差。相关疾病如扭转痉挛、舞蹈病等。其计算方法为：

$>V=\frac{S_{\max }-S_{\max }^{\text{'}}}{T}$>

式中，S’max为额状面最大摆幅的前一个采样值，T为采样时间。

被训者在气囊减重静态平衡训练中评估良好重心百分比的计算方法：在被训者左右两脚用力对称均匀时，设其中心为正常重心零位，以偏离正常重心零位+50％代表重心全部落在右脚，以偏离正常重心零位-50％代表重心全部落在左脚，重心落在离正常重心零位各区域内(±5％、±5％至±10％、±10％至±20％、±20％至±30％)的时间比的计算公式如下：

$>{\eta }_3=\frac{n_3}{N}\times 100\%$>

式中，n3为重心在离正常重心零位上述各值(±5％、±5％至±10％、±10％至±20％、±20％至±30％)区域内范围内摆动的次数，N为选择的测试时间内采集的点数；

重心落在离正常重心零位±5％的值越大，表明被训者状态越好，±10％次之，±20％更次之、±30％次次之。例如某甲病人两次康复训练后控制在±5％以内的时间比都是20％，而重心控制在±10％以内的时间百分比却有所提高，则同样可以证明康复训练的有效性。