一种截瘫患者用双下肢活动支具及其控制方法与流程

本发明涉及康复器械
技术领域：
，更具体的是，本发明涉及一种截瘫患者用双下肢活动支具及其控制方法。
背景技术：
：全瘫患者由于不能自主活动，容易四肢肌肉萎缩，关节僵硬，通过下肢运动器材可以活动患者下肢，促进肌肉活动和血液循环，有效预防双下肢血栓，减缓截瘫患者的患肢萎缩时间。中国发明专利200910045233.2公开一种自助式下肢运动康复器，其由不锈钢壳体支架，变频电机，螺杆传动装置，线路控制装置，遇阻自动回转装置以及三节腿部搁板连接组成，通过在腿部搁板之间设置有活动页，经过螺杆传动装置带动搁板进行前后、上下往复运动，以帮助活动患者下肢。中国实用新型专利200820132523.1公开一种床上智能控制双腿下肢运动康复器，通过在康复器支架上设置有两个平行且结构一致的轨道，在轨道上设置有适应腿下肢运动的传动部分和支撑部分，通过传动部分带动支撑部分的后支杆和前支杆摆动，使患者进行双下肢运动。上述技术均具有如下缺陷：(1)只能对患者下肢进行屈膝运动，并不能实现患者下肢的抬腿运动以及左右摆动运动，并且脚踝也不能进行踝泵运动，患者下肢活动方式较单一，并不能多部位活动患者下肢，使得患者下肢活动效果较差。(2)上述装置均需要设置有腿部搁板或者腿部支撑部分，人工辅助进行腿部固定时操作繁琐，并且器材整体体积较大。技术实现要素：本发明的一个目的是设计开发了一种截瘫患者用双下肢活动支具，无需腿部支撑部，即可进行患者下肢的屈膝、抬腿、左右摆动以及踝泵运动，实现患者下肢多部位活动，活动效果更好。本发明的另一个目的是设计开发了一种截瘫患者用双下肢活动支具的控制方法，提供了患者下肢多部位活动的方法，能够根据患者信息调节患者下肢多部位活动的幅度，提高下肢活动效果。本发明提供的技术方案为：一种截瘫患者用双下肢活动支具，包括：支撑板，其为矩形板状结构，且水平设置；支撑架，其竖直且能够沿所述支撑板轴向滑动设置在所述支撑板上；滑动梁，其垂直设置在所述支撑架上，且能够沿所述支撑架轴向运动；一对水平导轨，其对称固定设置在所述滑动梁上；一对连接架，其一一对应可滑动设置在对应所述水平导轨上；一对旋转板，其为l型，且一端与所述连接架一一对应，并竖直可旋转设置在对应所述连接架上；一对脚板，其一一对应固定设置在对应所述旋转板的另一端；多条固定带，其分别设置在所述脚板上，用于固定脚部。优选的是，还包括：第一滑轨，其轴向设置在所述支撑板上；滑动板，其可滑动设置在所述第一滑轨上；第一导向轨道，其平行所述第一滑轨，并固定设置在所述支撑板上；第一滑块，其可滑动设置在所述第一导向轨道上，且外端面与所述滑动板底面固定连接；其中，所述支撑架竖直固定设置在所述滑动板上；第二滑轨，其轴向固定设置在所述支撑架上；其中，所述滑动梁可滑动设置在所述第二滑轨上。第二导向轨道，其平行所述第二滑轨，并固定设置在所述支撑架上；第二滑块，其可滑动设置在所述第二导向轨道上，且外端面与所述滑动梁底面固定连接。优选的是，还包括：一对按摩带，其分别缠绕在患者双下肢上，用于按摩下肢；所述按摩带包括：大腿按摩带，其缠绕固定在患者大腿部；小腿按摩带，其缠绕固定在患者小腿部，且与所述大腿按摩带通过弹性绳连接。优选的是，还包括：固定板，其垂直固定设置在所述支撑板轴向一端；多个固定座，其沿所述固定板径向等间距设置，用于固定所述固定板；所述固定座包括：相互贴合的第一夹板和第二夹板；其中，所述第一夹板轴向一端与所述固定板固定连接；半圆形凹槽，其分别设置在所述第一夹板和第二夹板的贴合面的一侧，并且位置对应形成通孔，用于容纳夹紧床管；多个螺栓孔，其分别设置在所述第一夹板和第二夹板轴向两端且位置对应；多个螺栓，其一一对应穿过所述螺栓孔；多个螺母，其与所述螺栓一一对应连接，用于夹紧所述第一夹板和所述第二夹板；其中，所述一夹板和第二夹板远离所述固定板一端位置对应形成弧形开口。优选的是，所述水平导轨、第一滑轨和第二滑轨为单轴机器人；所述旋转板通过旋转电机竖直可旋转设置在对应所述连接架上。优选的是，还包括：控制面板，用于输入截瘫患者信息；控制器，其与所述控制面板、水平导轨、第一滑轨、第二滑轨和旋转电机电连接，用于接收所述控制面板输入的患者信息，并控制所述水平导轨、第一滑轨、第二滑轨和旋转电机工作。一种截瘫患者用双下肢活动支具的控制方法，包括如下步骤：步骤1、确定双下肢训练参数和影响因子；其中，所述双下肢训练参数包括抬腿运动、屈膝运动、左右摆动和踝泵运动；所述影响因子包括患者性别、年龄、瘫痪年限、骨密度和下肢肌肉萎缩程度；步骤2、根据影响因子建立双下肢训练模型，确定双下肢运动量：屈膝运动幅度为：抬腿运动幅度为：左右摆动幅度为：llr＝4d；式中，lb为滑动板的运动幅度，l为患者腿长，t为患者下肢肌肉萎缩程度，dbm为患者骨密度，dbm,0为标准骨密度，g为患者性别，当患者为男性时，g＝1，当患者为女性时，g＝2，e为自然对数的底数，hk为滑动梁运动幅度，θ0为腿部的标准抬腿角度，yi为患者瘫痪年限，y为患者年龄，llr为左右摆动幅度，d为患者大腿根部直径；踝泵运动为：脚部从初始状态向远离腿部方向运动80°～90°，并回复初始状态，再向靠近腿部方向运动10°～20°，并回复初始状态；其中，脚部的初始状态为脚面与腿的轴线垂直。步骤3、根据影响因子确定运动频率和运动时间，完成一个周期训练后，休息1.5～2.5h后，再进行下一个周期的训练。优选的是，在所述步骤2中，在进行下肢抬腿运动时，控制滑动板和滑动梁同时运动，且滑动板和滑动梁的运动距离的平方和为腿长度的平方。优选的是，在所述步骤3中，所述运动频率和运动时间的确定包括：输入患者信息；确定三层bp神经网络的输入层神经元向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5}；其中，x1为患者性别，x2为患者年龄，x3为患者瘫痪年限，x4为患者骨密度，x5为患者下肢肌肉萎缩程度；其中，所述输入层神经元x5＝[0,-0.25,-0.5,-0.75]，0为轻度萎缩，-0.25为中度肌萎缩，-0.5为重度肌萎缩，-0.75为完全萎缩；所述输入层向量映射到隐层，隐层的神经元为s个；得到输出层神经元向量o＝{o1,o2}；其中，o1为运动频率，o2为运动时间；其中，所述输出层神经元o1＝[h1,h2,h3,h4]、o2＝[t1,t2,t3,t4]，h1,t1分别为屈膝运动的频率和运动时间，h2,t2分别为抬腿运动的频率和运动时间，h3,t3分别为左右摆动的频率和运动时间，h4,t4分别为踝泵运动的频率和运动时间。优选的是，所述隐层的神经元为7个；所述隐层及所述输出层的激励函数均采用s型函数fj(x)＝1/(1+e-x)。本发明所述的有益效果：(1)本发明设计开发的截瘫患者用双下肢活动支具，无需腿部支撑部，即可进行患者下肢的屈膝、抬腿、左右摆动以及踝泵运动，实现患者下肢多部位活动，活动效果更好。(2)本发明设计开发的截瘫患者用双下肢活动支具的控制方法，提供了患者下肢多部位活动的方法，能够根据患者信息调节患者下肢多部位活动的幅度，促进肌肉活动和血液循环，有效预防双下肢血栓，减缓截瘫患者的患肢萎缩时间。附图说明图1为本发明所述截瘫患者用双下肢活动支具的结构示意图。图2为本发明所述截瘫患者用双下肢活动支具的结构示意图。图3为本发明所述截瘫患者用双下肢活动支具的结构示意图。图4为本发明所述截瘫患者用双下肢活动支具的结构示意图。图5为本发明所述截瘫患者用双下肢活动支具的结构示意图。图6为本发明所述截瘫患者用双下肢活动支具的结构示意图。图7为本发明所述截瘫患者用双下肢活动支具的结构示意图。图8为本发明所述固定座的结构示意图。图9为本发明所述按摩带的结构示意图。附图标记说明100.支撑板；110.支撑架；111.第一滑轨；112.滑动板；113.第一导向轨道；114.第一滑块；120.滑动梁；121.第二滑轨；122.第二导向轨道；123.第二滑块；130.水平导轨；140.连接架；141.旋转电机；150.旋转板；160.脚板；161.固定带；170.固定板；180.固定座；181.第一夹板；182.第二夹板；183.半圆形凹槽；184.螺栓；185.螺母。200.按摩带；210.大腿按摩带；220.小腿按摩带。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。如图1-9所示，本发明提供一种截瘫患者用双下肢活动支具，包括：支撑板100，其为矩形板状结构，且水平设置。在支撑板100上竖直设置有支撑架110，其能够沿支撑板100轴向运动。在支撑架110上水平垂直设置有滑动梁120，即能够沿支撑架110轴向运动，即滑动梁120能够支撑板100竖直方向运动。再滑动梁120上对称固定设置有一对水平导轨130。在每个水平导轨130上一一对应可滑动设置有连接架140。在每个连接架140上通过旋转电机141竖直可旋转设置有旋转板150，其为l型，且一端竖直可旋转设置在对应连接架140上，另一端固定设置有脚板160，在脚板160上设置有多条固定带161，用于固定脚步。通过旋转板150的旋转，能够带动脚板160旋转，进而实现踝泵运动。通过支撑架110沿支撑板100轴向运动，实现下肢的屈膝运动。通过支撑架110和滑动梁120的同时运动，实现下肢的抬腿运动，通过连接架140沿水平导轨130轴向运动实现下肢的左右摆动。作为本发明的另一实施例，在支撑板100上设置有第一滑轨111，轴向设置在支撑板100上。在滑轨111上设置有滑动板112，其可滑动设置在滑轨111上，支撑架110竖直固定设置在滑动板112上，为例提高滑动稳定性，在支撑板100上平行第一滑轨111设置有第一导向轨道113，在第一导向轨道113上设置有第一滑块114，第一滑块114的外端面与滑动板112的底面固定连接。避免滑动板112沿第一滑轨111轴向运动时发生晃动，提高整体稳定性。本实施例中，第一滑轨111为单轴机器人，进而能够驱动滑动板112运动，进而带动支撑架110沿支撑板100轴向运动。作为本发明的另一实施例，在支撑架110上轴向固定设置有第二滑轨121，其同样为单轴机器人，滑动梁120可滑动设置在第二滑轨121上，水平导轨130固定设置在滑动梁120上，水平导轨130同样为单轴机器人。为了进一步提高滑动梁120沿第二滑轨121轴向运动的稳定性，在支撑架110上，平行第二滑轨121固定设置有第二导向轨道122，滑动梁120通过第二滑块123可滑动设置在第二导向轨道122上，在滑动梁120沿第二滑轨121轴向运动时，避免滑动梁120发生晃动，提高了滑动梁120的运动稳定性。本实施例中，还包括一对按摩带200，其分别缠绕在患者双下肢上，用于按摩下肢。所述的按摩带200包括：大腿按摩带210，其通过魔术贴缠绕固定在患者大腿部；小腿按摩带220，其同样通过魔术贴缠绕固定在患者小腿部，且与大腿按摩带210通过弹性绳230连接，导线设置在弹性绳中，以方便两个按摩带之间电连接，同时进行按摩操作。分别在大腿按摩带210和小腿按摩带220内部设置有按摩球，结构类似于颈部按摩器或者按摩枕内的按摩球，工作原理与颈部按摩器或者按摩枕内的按摩球的工作原理一致，因此，其结构在此不做赘述。作为本发明的另一实施例，还包括：固定板170，其垂直固定设置在支撑板100轴向一端。在固定板170的外端面沿其轴向等间距设置有多个固定座180，优选为2个，用于将固定板170固定在床管上，以固定整体结构；所述的固定座180包括相互贴合的第一夹板181和第二夹板182；所述的第一夹板181轴向一端与固定板170外端面固定连接。在第一夹板181和第二夹板182的贴合面的一侧分别设置有半圆形凹槽183，并且位置对应形成通孔，用于容纳夹紧床管。在第一夹板181和第二夹板182轴向两端且位置对应处设置有螺栓孔(图中未示出)，贯穿螺栓孔设置有螺栓184，并对应螺纹连接有螺母185，通过螺母185的旋松或者旋紧，实现第一夹板181和第二夹板182松开或者夹紧。在第一夹板181和第二夹板182远离固定板170一端位置对应形成弧形开口，便于床管通过弧形开口进入半圆形凹槽183形成的通孔内。本实施例中，还包括控制面板，用于输入截瘫患者信息，还能与按摩带连接，调节按摩带的按摩强度(具体强度调节原理和按摩带的工作原理为现有技术，再此不做赘述)。控制器，其与控制面板、按摩带、水平导轨、第一滑轨、第二滑轨和旋转电机电连接，用于接收控制面板输入的患者信息，并控制按摩带、水平导轨、第一滑轨、第二滑轨和旋转电机工作。本发明设计开发的截瘫患者用双下肢活动支具，无需腿部支撑部，即可进行患者下肢的屈膝、抬腿、左右摆动以及踝泵运动，实现患者下肢多部位活动，活动效果更好。本发明还提供一种截瘫患者用双下肢活动支具的控制方法，具体包括如下步骤：步骤1、确定双下肢训练参数和影响因子；其中，所述双下肢训练参数包括抬腿运动、屈膝运动、左右摆动和踝泵运动；所述影响因子包括患者性别、年龄、瘫痪年限、骨密度和下肢肌肉萎缩程度；步骤2、根据影响因子建立双下肢训练模型，确定双下肢运动量：屈膝运动幅度为：抬腿运动幅度为：左右摆动幅度为：llr＝4d；式中，lb为滑动板的运动幅度，l为患者腿长，t为患者下肢肌肉萎缩程度，dbm为患者骨密度，dbm,0为标准骨密度，g为患者性别，当患者为男性时，g＝1，当患者为女性时，g＝2，e为自然对数的底数，hk为滑动梁运动幅度，θ0为腿部的标准抬腿角度，yi为患者瘫痪年限，y为患者年龄，llr为左右摆动幅度，d为患者大腿根部直径；踝泵运动为：脚部从初始状态向远离腿部方向运动80°～90°，并回复初始状态，再向靠近腿部方向运动10°～20°，并回复初始状态；其中，脚部的初始状态为脚面与腿的轴线垂直。需要说明的是，在进行下肢抬腿运动时，控制滑动板和滑动梁同时运动，且滑动板和滑动梁的运动距离的平方和为腿长度的平方。步骤3、根据影响因子确定运动频率和运动时间，完成一个周期训练后，休息1.5～2.5h后，再进行下一个周期的训练。所述的运动频率和运动时间的确定包括：步骤3.1、建立bp神经网络模型。bp模型上各层次的神经元之间形成全互连连接，各层次内的神经元之间没有连接，输入层神经元的输出与输入相同，即oi＝xi。中间隐含层和输出层的神经元的操作特性为opj＝fj(netpj)其中，p表示当前的输入样本，ωji为从神经元i到神经元j的连接权值，opi为神经元j的当前输入，opj为其输出；fj为非线性可微非递减函数，一般取为s型函数，即fj(x)＝1/(1+e-x)。本发明采用的bp网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应表示n个输入信号，这些信号参数由数据预处理模块给出；第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定；第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。该网络的数学模型为：输入向量：x＝(x1,x2,...,xn)t中间层向量：y＝(y1,y2,...,ym)t输出向量：o＝(o1,o2,...,op)t本发明中，输入层节点数为n＝5，输出层节点数为p＝2，隐藏层节点数m＝7。输入层5个参数分别表示为：x1为患者性别，x2为患者年龄，x3为患者瘫痪年限，x4为患者骨密度，x5为患者下肢肌肉萎缩程度；其中，所述输入层神经元x5＝[0,-0.25,-0.5,-0.75]，0为轻度萎缩，-0.25为中度肌萎缩，-0.5为重度肌萎缩，-0.75为完全萎缩；输出层2个参数分别表示为：o1为运动频率，o2为运动时间；其中，所述输出层神经元o1＝[h1,h2,h3,h4]、o2＝[t1,t2,t3,t4]，h1,t1分别为屈膝运动的频率和运动时间，h2,t2分别为抬腿运动的频率和运动时间，h3,t3分别为左右摆动的频率和运动时间，h4,t4分别为踝泵运动的频率和运动时间。步骤3.2、进行bp神经网络的训练。建立好bp神经网络节点模型后，即可进行bp神经网络的训练。根据产品的历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值。(1)训练方法各子网采用单独训练的方法；训练时，首先要提供一组训练样本，其中的每一个样本由输入样本和理想输出对组成，当网络的所有实际输出与其理想输出一致时，表明训练结束；否则，通过修正权值，使网络的理想输出与实际输出一致。(2)训练算法bp网络采用误差反向传播(backwardpropagation)算法进行训练，其步骤可归纳如下：第一步：选定一结构合理的网络，设置所有节点阈值和连接权值的初值。第二步：对每个输入样本作如下计算：(a)前向计算：对l层的j单元式中，为第n次计算时l层的j单元信息加权和，为l层的j单元与前一层(即l-1层)的单元i之间的连接权值，为前一层(即l-1层，节点数为nl-1)的单元i送来的工作信号；i＝0时，令为l层的j单元的阈值。若单元j的激活函数为sigmoid函数，则且若神经元j属于第一隐层(l＝1)，则有若神经元j属于输出层(l＝l)，则有且ej(n)＝xj(n)-oj(n)；(b)反向计算误差：对于输出单元对隐单元(c)修正权值：η为学习速率。第三步：输入新的样本或新一周期样本，直到网络收敛，在训练时各周期中样本的输入顺序要重新随机排序。bp算法采用梯度下降法求非线性函数极值，存在陷入局部极小以及收敛速度慢等问题。更为有效的一种算法是levenberg-marquardt优化算法，它使得网络学习时间更短，能有效地抑制网络陷于局部极小。其权值调整率选为δω＝(jtj+μi)-1jte其中j为误差对权值微分的雅可比(jacobian)矩阵，i为输入向量，e为误差向量，变量μ是一个自适应调整的标量，用来确定学习是根据牛顿法还是梯度法来完成。在系统设计时，系统模型是一个仅经过初始化了的网络，权值需要根据在使用过程中获得的数据样本进行学习调整，为此设计了系统的自学习功能。在指定了学习样本及数量的情况下，系统可以进行自学习，以不断完善网络性能。同时，在获得新的数据后会更新训练集，并不断的自学习，以不断完善网络性能。下面结合实施例对本发明提供的截瘫患者用双下肢活动支具的控制方法进行详细说明。选取14组患者、编号，每组患者为5人，并开始为期1年的监测观察。编号为1-6组的患者采用本发明提供的截瘫患者用双下肢活动支具及其控制方法进行下肢训练。编号为7-12组的患者采用常见的只能进行屈膝运动的训练器材进行下肢运动，编号为13-14组的患者不使用训练器材，仅通过看护人员的手动按摩和运动，以及温水擦拭腿部。同一组的患者的信息基本一致，具体如表1所示。表1患者信息以上每组患者的其中一个训练周期的数据如表2所示。表2训练数据为期一年后，对各组患者的肌肉萎缩程度进行检测，具体结果如表3所示。序号试验初始肌肉萎缩程度一年后肌肉萎缩程度1中度轻度2重度中度3重度轻度4完全完全5中度轻度6轻度轻度7轻度轻度8中度重度9轻度轻度10完全完全11中度重度12重度完全13中度完全14中度完全由表3可知，采用本发明提供的截瘫患者用双下肢活动支具及其控制方法进行下肢训练的患者的肌肉萎缩程度均有很大程度的好转，不仅可以减缓肌肉萎缩的程度，还能够改善肌肉萎缩的程度，需要说明的是，已经完全萎缩的不会有明显的改善效果，但是仍然会延缓肌肉萎缩的时间。而采用普通的训练设备的患者的肌肉萎缩程度一部分没有发生改变，一部分有向严重程度发展的趋势。而仅通过看护人员的手动按摩和运动，以及温水擦拭腿部的患者的下肢基本已经全完萎缩，说明下肢运动可以减缓肌肉萎缩的程度，而下肢多部位活动，不仅可以减缓肌肉萎缩的程度，还能够改善肌肉萎缩的程度，有效延缓肌肉萎缩的时间。本发明设计开发的截瘫患者用双下肢活动支具的控制方法，提供了患者下肢多部位活动的方法，能够根据患者信息调节患者下肢多部位活动的幅度，促进肌肉活动和血液循环，有效预防双下肢血栓，减缓截瘫患者的患肢萎缩时间。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页12