用于颞下颌关节紊乱康复的软外骨骼可穿戴设备

1.本发明公开一种用于颞下颌关节紊乱的可穿戴设备和由此所涉及的方法。


背景技术：

2.颞下颌关节紊乱(tmd)是一种影响个体包括颞下颌关节(tmj)以及肌肉进行颚部运动的疾病。颞下颌关节紊乱的症状包括在患者运动颚部时的运动受限和发出噪音并且产生巨大的疼痛。患有颞下颌关节紊乱的患者会有说话困难并伴随咀嚼食物的困难。这种疾病可能是由颞下颌关节的错位或者咀嚼肌引起的。据报道，世界上有近1000万人患有颞下颌关节紊乱这种疾病，而且未曾发明出适当的疗法。现已证实，借助于医疗植入物产生的不可逆治疗并非是有效的而且增加引起颚部更严重的疼痛和永久损伤的可能性。
3.导致治疗颞下颌关节紊乱困难源于颞下颌关节的复杂性，所述颞下颌关节包括围绕也平移运动的运动学轴线的旋转。当颚部略微张开时，颞下颌关节几乎只旋转，而颚部更大程度的张开则缘于颞下颌关节的平移运动。这种旋转运动和滑移运动的结合难以用机械结构进行再现，尤其是不同个体独特的颚部尺寸更难以用机械结构进行再现。
4.鉴于治疗颞下颌关节紊乱的迫切需求，医疗工作者和研究人员已经提出并且制造出各种不同的用于训练的设备。由于患者会有运动颚部来张开口腔和闭合口腔的困难，现有的训练设备更关注通过施加外部力来帮助患者开启受限的口腔。早期的人工训练通常借助于仅具有在竖向平面的运动的基于操纵杆的工具进行。近期则出现更复杂的治疗设备而且对人类颚部运动的模拟进行了研究。单一的具有刚性连杆的开启治疗与真实的颚部运动轨迹并非一致，因此会进一步引发疼痛和伤害。通过模拟在口腔张开过程中医生的手部运动已经开发出一种能够再现与人类颚部同样运动范围及其受力的六自由度的平行机构。为了颞下颌关节的实践性训练这一目的提出了一种四连杆式基于头盔的可穿戴设备，利用电机和驱动带来再现人类颚部的运动。为了保持下颌部或齿部在咀嚼轨迹上保持相同的正确的朝向，又增加了两个连杆以形成六连杆机构，以提出带有规划的咬合角度和速度。提出了用于颞下颌关节紊乱的神经训练的安装在肩部的机器外骨骼的概念设计，其具有移动的电机驱动的关节和用于将力转移到下齿部来驱使口腔张开的口腔内的板。然而，这种方法本身就具有极其巨大的系统，并未考虑患者的最大利益和舒适程度地进行设计，因此产生以下局限：1)整个系统庞大、笨重并且患者穿戴不便，这限制训练和康复的便利。2)刚性机构顺应性不足，其预规划的运动不适合每个不同的个体，这将会导致安全问题和进一步的损伤。
5.在大多数已有的颞下颌关节训练设备中，比较满意的方法会尽可能轻便、安全和舒适，并且满足患者的需要。其中，外骨骼机器利用针对训练的模拟提供更多的便捷之处，但传统的电机驱动且基于连杆的机构设计则在颚部运动输出方面具有非常有限的顺应性和可调节性，因此限制了其在对安全和易于定制有需求的颞下颌关节关节训练的应用。


技术实现要素：

6.下文呈现本发明的简要概述以提供对本发明的某些方面的基本理解。该概述并非是本发明的高度概括。其目的并不是区别本发明的主要或关键部件，也并非界定本发明的范围。然而，该概述的目的在于以简化的形式呈现本发明的某些构思，以作为后文所呈现的更详细描述的前序部分。
7.如本文所述，新颖的外骨骼可穿戴设备至少包括以下之一：1)利用软机器人方法实现真实的人类颚部运动，减少整个可穿戴机器的重量并且增加安全和舒适程度；2)保持颚部在水平平面中的顺应性的同时引导其在竖向平面的滑行运动；3)考虑用于潜在颞下颌关节紊乱治疗的特定的颞下颌关节特征。在图1中示出了所提出的外骨骼软体可穿戴设备。所提出的机构可以利用适当的设计来实现很多特征，其广泛用于基于顺应性的软致动器的机器手和仿生工程。在这些工作中，通过视觉跟踪既在工作台又在颅骨处执行并且验证双致动器软关节的系统性分析和研究。实验结果表明所提出的软外骨骼可穿戴设备的运动性能并且详细讨论了这些研究。
8.本文所公开的外骨骼可穿戴设备被设置为用于将髁突推离出颅骨的颞关节结构的外骨骼可穿戴设备，包括两个各带有椭圆形横截面的呈波纹管状的致动器；构造为安装在患者前额并且用作两个呈波纹管状的致动器的基座的上部部件；以及构造为安装至患者下颌部的下部部件并且所述下部部件相对于下颌部是基本固定不动的但相对于上部部件在水平平面和竖直平面中运动。
9.本发明还公开了一种用于治疗颞下颌关节紊乱的方法，包括将外骨骼可穿戴设备附接至患者的颅骨；并且使用所述的外骨骼可穿戴设备来促进患者颚部的张开或闭合运动中的至少一者。
10.为实现上述的和相关的技术问题，本发明包括下文充分描述的技术特征并且尤其在权利要求中指出了这些技术特征。以下描述和附图详细地描述了本发明所示的各个方面和实施方式。然而，这只是说明了本发明的原理可以采用的多种实施方式的一部分。通过以下结合附图的本发明的详细描述来呈现本发明所要解决的其他的技术问题、技术优势和新颖性特征。
附图说明
11.图1示出根据一个实施例的穿戴至颅骨模型的外骨骼软体装置的侧视图(左)和正视图(右)。
12.图2示出人类咀嚼系统的解剖结构。右上示出闭合的颚部，其中髁突与颞关节结构吻合。右下示出张开的颚部，其中髁突滑出颞关节结构。
13.图3示出颞下颌关节软机器人关节和分析模型的主要参数。
14.图4示出软机器人关节的控制方案的一个实施例。
15.图5示出气动控制平台的一个实施例。
16.图6示出所述实验平台的一个实施例。左图示出桌面软机器人关节单元测试平台，该测试平台带有两个用于采集运动的实际轨迹和运动学表征的标记。右图示出在颅骨上测试平台，该测试平台带有驱动颚部张开的主运动的气缸。
17.图7示出横向顺应性实验。在所示方向上施加力以测试位移。在致动器致动时没有
明显的区别。
18.表1记载了根据一个实施例的软机器人关节的结构和材料参数。
19.图8示出了仅致动上部致动器的测试结果。实际轨迹与所计算的轨迹进行比较。图8a示出真实的轨迹角度与所计算的轨迹角度很好吻合，具有小于1毫米的偏差。图8b示出运动学表征，包括速度、加速度、角速度和角加速度。急剧变化的斜率示出一旦致动致动器时运动的快速响应。
20.图9示出了仅致动下部致动器时的实验结果。图9a示出轨迹比较和角度变化。图9b示出运动学表征。
21.图10示出致动两个致动器时的实验结果。图10a示出轨迹比较和角度变化。所述角度在致动过程中几乎没有改变。图10b示出运动学表征。角速度和角加速度通过计算在非常小的范围内振荡，这是因为角度变化值近似为零。
22.图11示出轨迹模拟的测试结果。图11a示出通过位移函数逆向求解出的压力。实际压力很好地沿袭了利用气动平台所计算的压力。图11b示出轨迹比较和角度变化。实际轨迹的倾角很好地与所设计的倾角相符合。图11c示出运动学表征。
23.图12示出在颅骨上的测试结果。图12a示出轨迹比较和角度变化。绿圈在右侧放大在颅骨上所采集的轨迹。三角形示出该设备未被致动时所采集的轨迹，而圆点示出被致动后的轨迹。灰色三角形和圆点分别示出致动初始阶段相同的趋向。通过蓝色三角形和红色圆点示出在致动该设备时的区别，端部执行器可以将髁突明显地推离出颞关节结构。角度变化曲线示出该运动为首先旋转，而后滑行。图12b示出运动学表征。
具体实施方式
24.本文公开利用未在现有技术中发现的利用软的方式进行的康复。在此描述的软机构具有下述至少一种优势：
25.1.考虑了真实的颞下颌关节机制；
26.2.重量轻、舒适且安全；
27.3.天然的顺应性，不会引起进一步损伤；
28.4.轨迹规划和定制；
29.现有的用于颞下颌关节紊乱的训练设备笨重且巨大、制造上未考虑到患者的舒适和安全程度，其目的在于强制地驱动髁突运动。本发明在此提供一种重量轻且可定制的设备，采用软的方式来帮助患者在家中通过使用气动控制驱动的软致动器来训练矫正颚部运动，其重量轻而且顺应个体区别。本文描述了一种可穿戴的具有用气动控制规划轨迹的外骨骼设备。这实现了用于致动设备来再现人类颚部运动的初步气动控制。为优化性能并优化定制，可以开发出利用各种有效负载的精确控制。
30.颞下颌关节紊乱的病例需要对患者的下颌部的运动进行正确的和充分地引导。最理想的应用是在由医生执行的外科手术之外，还需要将机器人设备用于运动训练。所提供的是一种双软致动器机器人关节设计，该设计应用于相对于已有训练设备具有实质性改进的外骨骼软体可穿戴设备。考虑到患者的舒适和安全，该软体设备有助于大幅减少设备的重量并且保留系统的顺应性，这带来了最佳的穿戴性能和最佳的自训练性能。基于气动控制的轨迹规划能够定制化所述设备，以满足适应患者个体差异这一目的。
31.以下将详细呈现用于颞下颌关节紊乱的外骨骼软体可穿戴设备的设计、建模、制作和验证。桌面单元和颅骨上的测试两者都能够表明其根据真实的人体生理引导下颌部移动的显著能力，为这类疾病的进一步医疗应用开拓了道路。
32.下颌部运动机制
33.人类的咀嚼系统具有发达的结构，能够执行咀嚼、搅拌和吞咽食物的功能。如图2所示，下颌部通过容纳肌肉和韧带的附着物来实现各种运动。理论上，由于下颌部的刚性，完全可以使用单点取向和位置来重新构建位置。如果上颌骨和下颌骨是装好的，就可以通过了解颞下颌关节的髁突位置来获知下颌部的运动。
34.颞下颌关节是可以在两块骨骼之间移动的动关节，由一系列骨质和软组织成分构成。骨质部分包括下颌部的髁突和颅骨上的颞关节结构。这种组合可以有效地用作为多维运动的枢转点，如作为杠杆的支点，以及作为下颌部的运动的引导。而软组织主要包括关节盘，该关节盘是位于骨质和颞下颌关节的关节表面之间的连续结构。
35.该关节盘避免多个骨质部分彼此之间的碰撞，并且它的运动也保证了髁突的平稳运动。该关节盘的位移会引起颞下颌关节紊乱，导致咔哒声、滑膜炎、疼痛和运动受限。利用该关节盘的防护，髁突可以围绕水平轴线转动并且沿着关节结节滑行。由于复杂的结构和颞下颌关节的运动机制，现有的诊疗机器中所忽视的是髁突的真实运动轨迹。机械地和强制地开启患者的口腔会导致髁突、关节盘或整个颞下颌关节的进一步损伤。
36.颞下颌关节软机器人关节设计
37.为了确保颚部运动的训练矫正并且不会引起进一步的损伤，一种双软致动器关节设计提供外骨骼支持，作为真实的颞下颌关节运动轨迹来致动。利用两个组合的气动致动器，所提出的软方式能够通过压力控制来再现不同个体的髁突运动轨迹，与已有的诊疗设备相比，该设备的重量会更轻而且顺应性更强以使患者感到舒适、安全。
38.软致动器经选为经过充分研究的波纹管状并且与传统的平行结构相比成角度地安装以具有固有的多个自由度。此外，由于在横向平面的范围内变形，所以选择椭圆形横截面的致动器以比圆形横截面的致动器更有效地进行弯曲。图3中示出推导出来的用于研究所提出的关节的变形和几何关系的分析模型。
39.对于波纹管状的软致动器，具有卷数n、外径/内径比α、横截面面积s、杨氏模量e、壁厚t、泊松比μ、以及初始长度l0，软致动器肿胀之后的长度为：
[0040][0041]
其中l0是致动器1的拉伸长度、ky是轴向刚度、p1是致动器1的内部压力。
[0042]
使致动器弯曲的扭矩为：
[0043][0044]
其中m1是由端部执行器引起的扭矩，mp是由致动器的内部压力引起的扭矩、而r则是椭圆形致动器的简化圆内径。
[0045]
接下来，按照悬臂梁理论，致动器1的变形函数w1可以写成：
[0046][0047]
其中x1是致动器在x轴的位置、i
xellipse
是椭圆形管在x平面的转动惯量，而β＝b/a则是具有半长轴a和半短轴b的椭圆的参数。
[0048]
由在致动器1和致动器2上的端部执行器产生的力可以表示为f1和f2，并且有如下关系：
[0049]
p1·
s＝f1·
cosγ+f2ꢀꢀ
(4)
[0050]
由于两个致动器也与端部执行器连接，因此应具有几何关系：
[0051][0052]
其中γ是预先设定的端部执行器角度。
[0053]
将边界条件加至所内置的端部件和上述的几何关系：
[0054][0055][0056][0057]
其中δθ是端部执行器的旋转角度，就可以求解所有的积分约束。
[0058]
因此，可以推导出端部执行器的位移和致动器的内部压力之间的关系(dc，dy)＝f(p1，p2)。求解这个已给定的所需x和y方向位移的方程，就可以获得用于轨迹规划的压力指令。
[0059]
外骨骼可穿戴设备的设计
[0060]
外骨骼可穿戴设备由所提出的双软致动器的机器人关节连接，因此外骨骼可穿戴设备包括两个重量轻且可穿戴的主要部件，如图1所示。上部部件安装在患者的头部并且设计为薄环件。该环件既柔软也可以调节，用作为机器人关节的基座。上部部件相对于颅骨上的颞关节结构是固定不动的并且在运动过程中用作基点。接着，下部部件安装至下颌部并且相对于下颌部是固定不动的。在致动时将力加至下颌部，连接左部件和右部件的束带即被绷紧至患者的下颚部。利用由软机器人关节连接的两个可穿戴的部件，患者就在借助气动控制进行口腔张开训练时有支持力和运动。同样出于舒适安全和可调节性的目的，可用弹性材料制作该外骨骼设备并且将类似橡胶的密封垫附接至患者皮肤的接触处。
[0061]
整个设备固有地保有在包括在水平平面和在竖向平面的所有运动自由度范围内
的顺应性。这种顺应性通过允许个体独特性的容差来确保安全，这是因为人类下颌部的真实运动轨迹并非仅在一个平面内的简单来回曲线。传统的训练设备牺牲这种顺应性，忽略个体的差异和运动的复杂，这会引起患者在训练过程中的进一步的损伤。本文所描述的设备利用软方式允许并适应个体差异，同时提供了充分的支撑以有助于将髁突推出颅骨的颞关节。
[0062]
控制方案
[0063]
为探究所提出的外骨骼软体可穿戴设备在颞下颌关机紊乱训练中的影响，可以控制该系统并且能够根据所需的运动轨迹精确地生成压力指令输出。针对所提出的软致动器，由尤其是能够通过脉宽调制(pwm)信号调节工作循环和工作频率的电磁阀来控制压力。图4示出了该穿戴设备的整体控制图。由规划人考虑所需的运动轨迹以生成目标压力，该目标压力通过专有的频率和阀的控制器的工作循环进行进一步评价。所生成的指令接着传递至脉宽调制发生器模块以生成对应的脉宽调制信号。两种脉宽调制信号通过两个功率放大器放大并且发送至阀。由此建立压力反馈循环以监控用于实现更精确轨迹的实际压力。
[0064]
为调研所提出的外骨骼可穿戴设备对下颌部运动的影响，已开发出机器人原型并且已经在单个机器人关节和颅骨模型上进行过测试。将会详细呈现出结论和讨论。
[0065]
软机器人关节
[0066]
所提出的软机器人关节由三部分构成：基座、端部执行器、和两个波纹管状的椭圆形软致动器，如图6所示。基座和端部执行器两者都可以用聚乳酸(pla)材料通过消费级的3d打印机制作而成。软致动器通过吹塑方式制作并且参照表1中所示的参数进行选择。
[0067]
气动控制系统
[0068]
专用实验平台由图5所示的气动控制系统构成。气动压力源和液力系统包括两个泵和两个压力箱，软致动器的膨胀和收缩分别通过两个连接至压力源和液力箱的高频电磁阀来进行控制。整个系统由单片机(stm)板进行控制，而模数转换(ad)和驱动板则用于传感器和阀。压力传感器连接至压力源和液力箱以用于维持压力的高低水平。此外，每个软致动器都由一个压力传感器监控，以实现压力的反馈控制。因此，该气动控制系统可以产生到所提出的设备的致动部分的稳定且可靠的压力输出。
[0069]
颅上实验平台
[0070]
除了颞下颌关节结构，正常的颚部张开也可通过一系列包括舌骨上肌、翼侧肌、咬肌、二腹肌等人体肌肉来进行致动。在该测试案例中，未考虑肌肉群的功能障碍，这意味着假设患者具有使颚部运动的肌肉力量，然而关节卡住导致疼痛，或肌肉没有以正确的方式施力。可穿戴设备帮助患者实现正确的颚部运动。因此，本工作的目标是关注对颞下颌关节的帮助而不是强制使其张开。所以，用于颚部运动的复杂肌肉群是通过图6所示的简易气缸来实现的。与下颚部柔性连接的气缸再现下齿列稍微弯曲的运动轨迹。所提出的软关节和气缸同时致动下颌部以执行模拟真实的生物过程的常规口腔的张开和闭合。
[0071]
总体上，在一个实施例中，所制作的外骨骼软体可穿戴设备的可穿戴部分重量为340克或小于340克，通过两根气管与气动控制平台连接。
[0072]
横向顺应性测试
[0073]
为了验证软机器人关节的顺应性保留能力，在工作台单元上进行了一组测试。在图7所示的方向施加力，并且记录竖向位移。对三组压力下致动进行了测试，包括0千帕
(kpa)、20千帕和40千帕。从结果看，为实现相同的位移，不需要施加不同的负载，这意味着在致动过程期间，可以显著保持在竖向平面的顺应性。
[0074]
软机器人关节测试
[0075]
为了验证所提出的软机器人关节的模拟性能，通过不同的气压控制指令来致动具有两个椭圆形的软致动器的桌面测试单元。进行了三组重复试验，包括带有线性压力变化地仅致动上部致动器、仅致动下部致动器以及致动两个致动器。通过摄像机来进行追踪两个标记的运动，并且利用计算机视觉技术来获取实际轨迹。测试结果在图8、图9和图10中示出，表明与所计算的轨迹非常吻合，最大偏差不超过1毫米(mm)。分析模型对该平面内的位移给出令人满意的模拟。因此，为了反向求解关于压力的位移函数，接着通过所期望的位移生成压力指令。通过气动控制平台施加这种指令，依据所期望的轨迹对运动进行模拟。
[0076]
此外，利用计算机视觉来计算运动学表征。呈现出速度、加速度、角速度和角加速度。致动响应快速，而且可以监控运动性能并让运动性能与控制系统协作，该设备有能力让患者单独调节训练过程。
[0077]
应用经过验证的软机器人关节，对所期望的轨迹模拟进行测试。按照真实的人类髁突运动已经对端部执行器的运动轨迹进行过规划。利用所规划的轨迹，压力指令通过关系函数被反向求解。接着，采集到实际轨迹并且将其与规划的轨迹进行比较，如图11所示。在气动控制平台的控制下，所监测到的实际压力很好地遵循了压力指令，而运动的趋向则与所规划的轨迹非常一致，然而由于所采用的阀的控制精度，端部执行器的运动略微振荡。
[0078]
利用软机器人关节的验证，在真实情况下能够采用通过所提议的可穿戴设备执行运动。
[0079]
颅上测试
[0080]
为了进一步探究所提出的可穿戴设备对口腔张开的影响，进行颅上测试。通过软束带将头部环件安装至颅骨并且通过软束带将该设备的端部执行器安装至下颌部。假定颅骨是固定不动的并且安装至支架。下颚部连接至气缸并且通过该气缸来致动张开的主运动。采集并且分析以下两种张开轨迹：1)未致动该设备；2)致动该设备。在图12中比较并且示出两种轨迹。如图中蓝色三角形和红色圆点所示，可以明显地观察到应用所提出的设备将模型髁突推离出颞关节结构的滑行运动，这符合人体的生理。这种滑行式外骨骼支撑可以训练患者正确地张开口腔而不带有对颞下颌关节的其他损伤。
[0081]
该实验性的结果和观察对颞下颌关节紊乱的康复设备的开发至关重要。相对于现有的诊疗方法，所提出的外骨骼软设备的设计已经带来了三种主要的贡献：1)显著模拟真实的人类颚部运动轨迹，考虑了患者的舒适和安全，减少了可穿戴设备的总重量；2)在颚部在滑行平面内的致动过程中，保留了系统在其他方向的顺应性，减少训练过程中由于个体差异而引起的进一步损伤；3)符合颞下颌关节的特点，能够通过气动控制进行可定制的轨迹规划，为进一步的颞下颌关节紊乱的治疗铺平了道路。此外，在颅骨模型上证实利用所提出的可穿戴设备可以有效地将下颌部的髁突推离出颞关节结构。
[0082]
本发明通过提供一种软方式来生成颞下颌关节运动，解决了用于颞下颌关节紊乱治疗的外骨骼可穿戴设备所面临的挑战。对双致动器软机器人关节进行探究，表明其利用气动控制在轨迹模拟方面的卓越性能。使用吹塑法和3d打印技术开发了外骨骼软体可穿戴设备以实现下颌部运动的引导。在两种所提出的软机器人关节和颅骨模型上进行了实验和
计算机视觉采集，揭示了颞下颌关节运动的基本机制和显著表征。与现有训练方式相比，所提出的软外骨骼可穿戴设备对患者而言重量超轻、舒适且安全，并且其实施更符合人体的生理。
[0083]
本发明还为康复设备的设计提供了启发，利用与软方式相适应的系统为患者提供了可变的解决方案。此外，由气动控制提供的适应个体差异的方便的轨迹规划能够为不同的患者的生理结构提供定制。这种惊人的定制能力为复杂疾病的康复应用带来了实用性和安全性。
[0084]
除非在示例中以及在说明书和权利要求中另有说明，所有的部分和百分比均以重量计，所有的温度均以摄氏度计，压力为大气压力或近似大气压力。
[0085]
对于给定特征的附图或编号范围，一个范围的附图或参数可以与用于同样特征的另一范围的附图或参数结合以产生一个数字范围。
[0086]
除了在操作示例中，或其他另有指示，在说明书和权利要求中使用的所有涉及成分数量、反应条件等的数字、数值和/或表示都应被理解在所有的情况下通过术语“大约”进行修改。
[0087]
由于本发明针对一定的实施例进行解释，因此应理解的是，在阅读说明书时，各种修改对于本领域技术人员均显而易见。所以应理解，在此公开的本发明意在覆盖落入所附权利要求范围内的此类修改。