基于Android系统的智能化下肢康复治疗仪及其操作方法与流程

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种用于下肢创伤或术后患肢被动运动的康复治疗仪，具体为基于android系统的智能化下肢康复治疗仪及其操作方法。

背景技术：

下肢创伤或术后常出现肢体肿胀、关节疼痛等并发症，阻碍伤肢功能的康复。临床研究表明患肢抬高利于血液、淋巴回流，减轻肢体肿胀，缓解疼痛，有效促进伤肢功能的恢复。目前临床上大多采用软枕、布朗氏架或cpm机等抬高患肢，但常出现一些弊端，如稳定性差、舒适性差、抬高角度难以灵活调整等等。研究发现，肢体抬高角度的灵活调整是下肢创伤治疗及术后康复的重要影响因素之一。我们在长期的临床工作中也观察到根据不同时期的症状表现，灵活调整患肢抬高角度，可更有效地缓解肿胀及疼痛程度。

然而，现有的下肢康复机器虽具有一定的康复效果，但存在部分缺点，无法满足市场需求，难以在社区与家庭开展。其中，大型下肢康复机器以悬吊式下肢步行装置为主，其操作流程繁琐、移动不便且价格昂贵。小型下肢康复器械如软垫、布朗式架、cpm机等，则存在稳定性不足、精准度差、抬高角度灵活性差、运动频率难以控制等问题。因此，本发明提供的仪器创新性地将专业的下肢康复治疗与广泛普及的android智能设备相结合，有效地实现了仪器的便携化，并极大地减少了整个系统的成本。

基于上述下肢康复机器存在的缺点，在智慧医疗体系的驱动下研发基于智慧医疗下的一种基于android系统的智能化下肢康复治疗仪和方法，适用于临床、社区和家庭，迎合市场需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于：开发包括髋膝踝三关节被动运动功能的康复治疗设备；实现数据处理与前端控制的android应用程序的开发。前端的开发除电路的设计外，还需根据患者的大小腿长度自由调节，以提高患者的舒适度和依从性。应用程序的开发是在实现基本数据处理的基础上也尽可能实现了人性化操作。前端设备负责完成患者的主要康复治疗工作，然后通过无线方式与android智能设备建立连接；android设备面向用户，接受用户操作进而控制前端设备工作，采集并接收数据，绘制显示出曲线反馈给用户，并且还提供数据的保存管理、知识推送、线上交流等功能。

本发明需要解决的关键技术包括以下4个方面：

1.前端治疗设备硬件操作简单化

治疗设备的操作简单是本发明需解决的首要问题。传统的下肢康复治疗仪器设备通常体积与重量都较大，并且需要医务人员在场操作，患者常因疼痛而减少治疗。本发明在分析了传统仪器的基本原理与功能的基础上，增加人机交互模块，患者可自主进行康复治疗。康复医师可根据android智能设备所显示的治疗情况进行康复方案的调整。

2.运动角度精确至1°

本发明屈膝屈髋的最大精度均可达到1°，这是与本产品开发过程中的硬件建模和软件算法密不可分的。

本发明屈髋、屈膝、结构均为连杆机构，因此可以依据实际尺寸将连杆线性化建模，通过matlab计算出屈髋、屈膝、转踝机构每变化1°所需要的推杆变化长度生成一维数组，命名length[]；再由电动推杆通入额定24vdc电流后，测出推杆速度，进而根据length[]计算出每变化1°所需要的时间生成时间数组，命名time[]。采用的处理器为atmel公司的atmelga16a，采用外部高精度晶振以保证处理器的机器周期满足精度。由此机械化硬件建模完毕。

由上述建模得到的一维时间数组time[]，在本发明的算法中，该数组主要用于保存两个信息，一是当前电动推杆的状态，用数组指针地址表示。比如初始化时数组指针指向time[0]，表示髋关节平放状态，那么髋关节每上升1°，指针下移一位指向time[1]。二是每变化1°所需要的时间，由数组内容决定，还是以髋关节为例，由初始状态上升1°所需要的时间为time[0]的内容。

本发明全部采用硬件延时的算法，即采用atmelga16a内部的定时器/计数器定时，由当前指针指向的数组内容(即下一次变化的时间)通过内部算法计算出定时器初值与终值，当蓝牙收到信号即触发定时器/计数器开始计时。

3.前端治疗设备与android智能设备间的可靠连接

本发明所述的仪器一个特点就是前端治疗设备与android智能设备间的协同工作，因此需要实现两者间可靠的数据连接通信。目前市面上的大部分下肢康复仪器都是通过串口等有线通信的方式与控制主机(如pc机)连接的。相比传统pc机，android智能设备拥有更好的便携性，同时又不乏足够强大的计算能力与良好的人机交互界面。前端治疗设备与android智能设备的连接采用蓝牙无线连接，这样不仅摆脱了线材的束缚，使用户能更方便地进行操作，而且蓝牙连接实现方便、成本低廉并且功耗极低。

4.兼顾简便治疗与专业完整功能的应用程序

本仪器的主要目的是将复杂的下肢康复治疗简化，实现患者自主的下肢功能锻炼。同时，为了满足专业医师的使用需求，又需要保留必须的专业功能。为了兼顾普通用户与专业用户，应用程序不仅提供了类似向导的操作步骤提示，也提供了图形曲线查看、处理、管理和分析等专业功能。得益于android智能设备良好的人机交互界面，用户即可以依照类似向导的操作步骤一步步完成下肢功能锻炼。也可以自定义检测参数，查看数据图形，并进行数据处理分析、管理等专业的操作。

技术方案：基于android系统的智能化下肢康复治疗仪，所述治疗仪包括前端治疗设备与数据管理控制电路，二者之间通过蓝牙无线连接；其中：

①前端治疗设备包括机架系统，屈髋模块，屈膝模块，转踝模块和人机交互模块；所述机架系统与屈髋模块活动连接，屈髋模块与屈膝模块固定连接，屈膝模块与转踝模块连接，人机交互模块设于机架系统上；

②数据管理控制电路

利用android智能设备作为整个下肢康复治疗仪的一部分，开发的应用程序包括与前端治疗设备的通信，实现对前端治疗设备的控制与数据接收，同时进行数据曲线的绘制显示、处理分析、保存管理、知识推送和线上交流。

前端治疗设备主体硬件的设计如下：

所述机架系统包括机架底座和可调支架；可调支架插入机架底座的不锈钢管中，可调支架与大腿可调杆的一端活动连接；所述机架底座上设有可调滚轮；机架底座的主要功能为支撑，可调支架为主要的调节大腿长度元件；所述机架底座上设有可调滚轮，方便护理人员搬运。

所述屈髋模块包括第一电动推杆、大腿固定杆、大腿可调杆和大腿撑杆；大腿可调杆的另一端插入大腿固定杆中，大腿固定杆的另一端与膝关节焊接；大腿撑杆通过活动螺母与防滑锁固定于大腿固定杆上，大腿撑杆另一端与第一电动推杆焊接，第一电动推杆的另一端固定于机架底座上；第一电动推杆运动，从而改变屈髋角度，达到屈髋角度范围10°～90°的调节。

所述屈膝模块包括第二电动推杆、膝关节、小腿固定杆、小腿固定支撑和小腿移动支撑；小腿固定杆与膝关节焊接，其远端通过小腿调节架与脚底托板相连；小腿固定杆内套有横向防滑锁用以连接小腿移动支撑，小腿移动支撑的另一端与第二电动推杆相连，第二电动推杆的另一端与小腿固定支撑活动连接，小腿固定支撑通过横向防滑锁固定于大腿固定杆上；第二电动推杆收进，从而改变屈膝角度，达到屈膝角度范围90°～180°的调节。

所述转踝系统包括脚底托板、双端铰链、第三电动推杆和小腿调节架；转踝支撑板内插入销杆用以转动脚踝，脚底托板与第三电动推杆相连，第三电动推杆的另一端通过横向防滑锁固定于小腿固定杆上；第三电动推杆收进，从而改变转踝角度，达到转踝背伸角度范围20°～30°，趾屈角度范围40°～50°的调节。

所述人机交互模块由机箱、有线控制器、电源连接点、控制蓝牙发送数据按键开关和触摸屏组成，控制蓝牙发送数据按键开关设置在机箱上，机箱与触摸屏连接。

所述治疗仪的屈膝屈髋的最大精度均达1°。

无线通信设计如下：

前端治疗设备与android智能设备间的连接通信通过蓝牙进行无线连接。与其它无线方式相比，蓝牙连接功耗低，支持设备多，十分适合本装置短距离实时无线控制的使用要求。

android应用程序具体如下：

本发明最大的特色是利用了android智能设备作为整个下肢康复治疗的一部分，从而使得额外需要的硬件及人力上能最大程度被精简，只需实现最基本的下肢被动运动功能，另外为了与android智能设备通信，还需有无线通信模块。用户的操作全部在android设备上完成，包括对前端治疗设备的控制、图形曲线的查看以及对数据的管理等。

利用android平台的设备作为下肢康复治疗的一部分，主要的工作就是开发相应的应用程序。应用程序的主要功能模块主要包括与治疗设备的通信，以实现对治疗前端的控制与数据的接收，同时还有数据曲线的绘制显示、处理分析、保存管理、知识推送、线上交流等功能。

以上任一所述基于android系统的智能化下肢康复治疗仪的操作方法，完整的操作步骤包括：

(1)准备工作

调节可调支架在机架底座不锈钢管中插入的深度、大腿可调杆在大腿固定杆中插入的深度，以及控制小腿调节架在小腿固定杆的水平滑动，以适应不同的使用需要；

(2)配对连接前端治疗设备和android智能设备

接入电源，按下电源控制开关，电源指示灯被点亮，触摸屏亮屏，指示当前供电状态，蓝牙模块未连接时，蓝牙指示灯每秒快闪2次；运行android设备上的应用程序，进入开始界面，点击“智能康复”按钮搜寻并连接前端治疗设备，连接成功则界面上将出现相应提示信息，并显示前端治疗设备的运动范围，同时前端治疗设备上蓝牙指示灯每2秒慢闪1次；

(3)设置参数

点击“设置参数”，进入参数设置页面，用户根据实际需要进行自定义设置，或者选择预快捷设置的参数设置，参数设置保存用于下一次的康复治疗；或设置参数的步骤默认根据用户选择的治疗方案自动设置；

(4)开始与暂停

将参数设置好之后，选择使用时间，随后点击开始按键；同时设有急停按键，急停按键长按结束使用；或当设置时间到达后，也会自动停止；

(5)数据查询

使用完成后进行数据分析，首先进入数据管理页面，选择相应数据，自动生成数据曲线，所有的数据均存入数据库内；

(6)在线咨询与知识推送

知识推送模块与数据库相结合，交互了解用户的使用情况，建立信息关联，运用物联网技术和协同过滤算法中的基于项目的协同算法，根据用户情况及浏览、收藏记录，精准分析用户喜好，确定用户兴趣点，向用户推荐相关知识，满足不同用户的需求；

在线咨询模块利用物联网技术设计建立交流平台，在该模块用户提交问题、附上相应图片，与专家团队进行线上交流，专家根据用户提供的内容进行分析，提供专业准确的指导。

本发明的创新点在于：将属于专业领域的康复治疗仪器功能简单化，并结合了广泛普及又不失强大处理能力的android智能设备，实现了低成本的下肢康复治疗仪器，以面向专业市场与消费市场。与其它一体化的同类仪器相比，由于android智能设备的使用而极大降低了人力成本，而且由于android智能设备本身的特点，因此在数据处理管理、视图查看、操作友好性及信息的联网共享等方面都有明显的优势。

有益效果：本发明所述基于android系统的智能化下肢康复治疗仪实现了利用android智能设备进行下肢的功能锻炼；实现下肢功能锻炼所需的硬件简单、成本低廉、小巧便携，实用于家庭；康复过程简单，初期已能满足大部分下肢康复需求；数据保存管理功能全面，轻松实现联网共享；易于操作、界面友好，兼顾普通用户与专业用户。

附图说明

图1是本发明所述基于android系统的智能化下肢康复治疗仪的结构示意图；

其中，1机架底座，2可调滚轮，3可调支架，4第一电动推杆，5大腿固定杆，6大腿可调杆，7大腿撑杆，8第二电动推杆，9膝关节，10小腿固定杆，11小腿固定支撑，12小腿移动支撑，13脚底托板，14小腿调节架，15销杆，16双端铰链，17第三电动推杆，18蓝牙指示灯，19机箱，20控制蓝牙发送数据按键开关，21触摸屏，22有线控制器，23电源指示灯，24电源连接点；

图2是基于android系统的智能化下肢康复治疗仪极限位置三维示意图；其中，(a)为屈髋伸膝踝背伸极限位置侧视图，(b)为屈髋屈膝趾屈极限位置侧视图；

图3是人机交互模块界面示意图；

图4是基于android系统的智能化下肢康复治疗仪的原理示意图；

图5是基于android系统的智能化下肢康复治疗仪的应用程序功能模块框图；

图6是基于android系统的智能化下肢康复治疗仪的软件操作界面；其中(a)注册登录界面；(b)开始界面；(c)治疗界面；(d)生成治疗曲线；(e)在线咨询界面；(f)知识推送界面；(g)参数设置界面。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

如图1所示，基于android系统的智能化下肢康复治疗仪，所述治疗仪包括前端治疗设备与数据管理控制电路，二者之间通过蓝牙无线连接；其中：

①前端治疗设备包括机架系统，屈髋模块，屈膝模块，转踝模块和人机交互模块；所述机架系统与屈髋模块活动连接，屈髋模块与屈膝模块固定连接，屈膝模块与转踝模块连接，人机交互模块设于机架系统上；

②数据管理控制电路

利用android智能设备作为整个下肢康复治疗仪的一部分，开发的应用程序包括与前端治疗设备的通信，实现对前端治疗设备的控制与数据接收，同时进行数据曲线的绘制显示、处理分析、保存管理、知识推送和线上交流。

前端治疗设备主体硬件的设计如下：

所述机架系统包括机架底座1和可调支架3；可调支架3插入机架底座1的不锈钢管中，可调支架3与大腿可调杆6的一端活动连接；所述机架底座1上设有可调滚轮2。

所述屈髋模块包括第一电动推杆4、大腿固定杆5、大腿可调杆6和大腿撑杆7；大腿可调杆6的另一端插入大腿固定杆5中，大腿固定杆5的另一端与膝关节9焊接；大腿撑杆7通过活动螺母与防滑锁固定于大腿固定杆5上，大腿撑杆7另一端与第一电动推杆4焊接，第一电动推杆4的另一端固定于机架底座1上；第一电动推杆4运动，从而改变屈髋角度，达到屈髋角度范围10°～90°的调节。

所述屈膝模块包括第二电动推杆8、膝关节9、小腿固定杆10、小腿固定支撑11和小腿移动支撑12；小腿固定杆10与膝关节9焊接，其远端通过小腿调节架14与脚底托板13相连；小腿固定杆10内套有横向防滑锁用以连接小腿移动支撑12，小腿移动支撑12的另一端与第二电动推杆8相连，第二电动推杆8的另一端与小腿固定支撑11活动连接，小腿固定支撑11通过横向防滑锁固定于大腿固定杆5上；第二电动推杆8收进，从而改变屈膝角度，达到屈膝角度范围90°～180°的调节。

所述转踝系统包括脚底托板13、双端铰链16、第三电动推杆17和小腿调节架14；转踝支撑板内插入销杆15用以转动脚踝，脚底托板13与第三电动推杆17相连，第三电动推杆17的另一端通过横向防滑锁固定于小腿固定杆10上；第三电动推杆17收进，从而改变转踝角度，达到转踝背伸角度范围20°～30°，趾屈角度范围40°～50°的调节。屈髋伸膝踝背伸极限位置及屈髋屈膝趾屈极限位置如图2所示。

如图3所示所述人机交互模块由机箱19、有线控制器22、电源连接点24、控制蓝牙发送数据按键开关20和触摸屏21组成，控制蓝牙发送数据按键开关20设置在机箱19上，机箱19与触摸屏21连接。

所述治疗仪的屈膝屈髋的最大精度均达1°。

无线通信设计如下：

前端治疗设备与android智能设备间的连接通信通过蓝牙进行无线连接。与其它无线方式相比，蓝牙连接功耗低，支持设备多，十分适合本装置短距离实时无线控制的使用要求。

android应用程序具体如下：

本发明最大的特色是利用了android智能设备作为整个下肢康复治疗的一部分，从而使得额外需要的硬件及人力上能最大程度被精简，只需实现最基本的下肢被动运动功能，另外为了与android智能设备通信，还需有无线通信模块。用户的操作全部在android设备上完成，包括对前端治疗设备的控制、图形曲线的查看以及对数据的管理等。

利用android平台的设备作为下肢康复治疗的一部分，主要的工作就是开发相应的应用程序。应用程序的主要功能模块如图5所示，主要包括与治疗设备的通信，以实现对治疗前端的控制与数据的接收，同时还有数据曲线的绘制显示、处理分析、保存管理、知识推送、线上交流等功能。

实施例2

实施例1中所述基于android系统的智能化下肢康复治疗仪的原理如图4所示，使用方法如下：

1.调整大小腿长度

先测量患者大腿及小腿的长度，松解可调支架3及大腿可调杆6的横向防滑锁，调节可调支架3在机架底座1不锈钢管中插入的深度以及大腿可调杆6在大腿固定杆10中插入的深度来适应大腿长度，将小腿调节架14在小腿固定杆10上水平滑动来适应小腿部的长度。

2.配对连接前端治疗设备与android智能设备连接

接入220v电源，按下电源控制开关，图中电源指示灯23被点亮，触摸屏21也会亮屏，指示当前供电状态。蓝牙模块未连接时，图中的蓝牙指示灯18每秒快闪2次；运行android设备上的应用程序，进入开始界面，如图6(b)所示，点击“智能康复”按钮搜寻并连接检测前端设备，若设备处在搜寻范围内将被android设备找到并显示在搜索列表中，选择需要连接的设备进行连接，待连接成功，界面上将出现相应提示信息，并显示前端治疗设备的运动范围，同时前端治疗设备上蓝牙指示灯18每2秒慢闪1次。若前端治疗设备与android设备是首次进行互联或配对被删除，需要先进行配对，若需要配对密码，如密码为1234，则输入“1234”，配对成功后即可进行连接，以后再次连接则无需配对。

3.设置治疗参数，

点击“设置参数”，进入参数设置页面，如图6(g)所示，用户根据实际需要进行自定义设置，或者选择预快捷设置的参数设置，另外还可将参数设置保存用于下一次的康复治疗。设置参数的步骤默认将根据用户选择的治疗方案自动设置好。

4.开始与结束治疗

将参数设置好之后，可选择治疗时间；随后点击开始按键即可。当治疗过程中感受疼痛时可使用急停按键，急停按键长按可结束治疗；或当设置治疗时间到达后，也会自动停止治疗。

5.数据查询

待所有康复治疗完成后，即可进行最后的数据分析。首先进入数据管理页面，选择相应关节的治疗数据，可自动生成相应关节每次活动的范围与时间，即生成治疗曲线，如图6(d)所示；所有的数据都将存入数据库内。

6.在线咨询与知识推送

知识推送模块，如图6(f)与数据库相结合，交互了解用户的治疗情况，建立信息关联，运用物联网技术和协同过滤算法中的基于项目的协同算法(item-basedcollaborativefilteringalgorithms)，根据用户病情及浏览、收藏记录，精准分析用户喜好，确定用户兴趣点，向用户推荐相关知识，满足不同用户的需求。

在线咨询模块，如图6(e)利用物联网技术(internetoftings)设计建立医患之间的康复交流平台，在该模块用户可提交关于康复方面的问题、附上相应图片，与医护专家团队进行线上交流。专家可根据用户提供的内容进行分析，提供专业准确的康复指导。该模块的设计可减少距离医疗机构较远的用户入院排队等候及来往医院花费的时间和成本，是建立患者与医疗团队长期沟通的有效方法。