可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及神经损伤疾病康复辅助技术领域，具体涉及一种可穿戴式下肢康复训 练和步行辅助系统及方法，将足底压力信号转变成音频信号，来改善脑卒中、脑外伤、帕金 森病、阿尔兹海默病、多发性硬化症、神经系统肿瘤、脑瘫、脊髓损害等神经损伤相关疾病的 运动功能。
【背景技术】
[0002] 每年我国脑卒中年发生率为200/10万，存活着中70%以上有不同程度的功能障 碍，而步行能力降低是其中最常见的功能障碍，同时也是患者渴求改善的功能障碍。早期不 能步行者约占2/3,即便到恢复期仍然有1/3者遗留步行障碍。而步行障碍又将导致患者 运动能力及运动耐力下降，心肺功能下降，肌肉萎缩、骨折疏松，进而导致卒中后并发症的 出现或加重。这给社会、家庭及患者本人均带来极大的影响。感觉是运动恢复的前提，然而 脑卒中患者常常合并偏瘫侧肢体感觉障碍，导致站立及步行时患者对患足是否触地、患腿 负重等情况感知下降，从而导致两种结果：①患者有意将重心向健侧偏移，减少患侧下肢负 重，缩短患侧下肢支撑时间，健侧下肢负担增加，导致步行稳定性及步速下降，长时间采用 这种步行方式又将引起患侧下肢肌肉萎缩、肌力下降、运动能力减退等；②在缺乏准确感觉 信息情况下，不减少患侧负重，则步行稳定性差、易摔伤、骨折等。
[0003] 总之，脑卒中等神经系统疾病患者常因偏瘫侧肢体感觉障碍限制肢体运动功能的 恢复，而运动功能恢复差进一步导致患肢废用，而废用则反过来进一步加重功能障碍，从而 陷入恶性循环中。而感觉恢复又较运动功能恢复困难且过程缓慢，因此需要利用外在设备 采集患侧下肢负重信息，幸运的是此类疾病对同侧的听觉几无影响，故可将压力信号转化 为音频信号，来弥补神经损伤后肢体感觉缺失造成的不良影响，加速运动功能恢复，从而及 时避免或减轻废用性功能下降。
[0004] 目前，已申请专利的关于足底压力测试的技术尚无针对神经损伤疾病领域。其 中一部分技术方案是将所测数值显示于屏幕，需要使用者始终观察屏幕，这显然不能在步 行中使用；另有一些运用于骨折疾患领域的如专利号为[200620138550. 0]、[03205538. 2] 等，这些技术虽有音频提示，但其音频转换方案只是强调让骨折病人在可承受的范围内尽 量增加患肢的负重，其音频提示主要是在压力超过受力极限时，无法做到细化压力段，使用 者不能感知负重的大小，无法直观地获知足底的受力情况，不能很好的弥补足底的触压觉 功能障碍带来的不利影响。
[0005] 另外，相当一部分脑卒中患者在发生后还会长期存在小腿三头肌痉挛等症状，这 些症状严重阻碍了下肢运动功能的恢复。虽然患者在住院期间可以利用多个仪器或治疗项 目来改善这些障碍，但当患者出院后家中的条件有限，但又不能忽视这些，因此需要结合肌 肉痉挛预判的功能来实现下肢康复。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有设备在上述方面的局限性，本发明提供一种可穿戴式下肢康复训练 和步行辅助系统，该系统不仅能实时将所测压力等信息转变成音频信号，发挥感觉替代功 能，还具有肌肉痉挛预判作用，且携带方便、成本低，能适应户外多种环境。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一种可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，包括康复施力检测装置、控制主板 和上位机，所述控制主板包括：信号调理模块，用于将所述康复施力检测装置获取的足底压 力信号进行采样、滤波及模数转换，得到动态变化的足底压力数字信息；位置速度感应模 块，用于获取使用者足部的位置速度信号；主控芯片，用于将所述足底压力数字信息经过压 力音频信号转换算法，转换成对应的声音频率信号；蓝牙模块，用于将声音频率信号和位置 速度信号发送给上位机；电源管理模块，用于向信号调理模块、位置速度感应模块、主控芯 片以及蓝牙模块提供电源；所述上位机，用于分析声音频率和位置速度变化，并播放相应的 声音以提醒使用者。
[0009] 进一步地，所述康复施力检测装置包括压力传感器，康复施力检测装置使用时置 于使用者脚底，所述压力传感器通过接口连接至所述信号调理模块。
[0010] 进一步地，所述压力传感器分别与第一跖、第一和二跖骨头中点、第四跖骨头、外 侧足弓以及足跟对应设置。
[0011] 优选地，所述康复施力检测装置为康复训练和步行辅助专用鞋或专用鞋垫。
[0012] 本发明还提供一种下肢康复训练和步行辅助方法，包括如下步骤：
[0013] (1)康复施力检测装置记录足底每个压力传感器每次的压力和时间数据；
[0014] (2)将康复施力检测装置获取的足底压力信号传送给信号调理模块，信号调理模 块对该足底压力信号进行采样、滤波及模数转换，得到动态变化的足底压力数字信息；
[0015] (3)位置速度感应模块获取使用者足部的位置速度信号，并将该位置速度信号通 过蓝牙模块发送给上位机；
[0016] (4)主控芯片将所述足底压力数字信息经过压力音频信号转换算法，转换成对应 的声音频率信号，并将该声音频率信号和位置速度信号通过蓝牙模块发送给上位机；
[0017] (5)上位机分析声音频率和位置速度变化，利用压力音频转换方法，运用仿生学原 理来模仿触压觉的生理过程，建立足底受力与听觉信号间的一对一的联系，并播放相应的 声音以提醒使用者，实现感觉替代功能。
[0018] 进一步地，步骤（5)中，还包括肌肉痉挛预判方法，通过分析各压力传感器的数据 变化，在小腿肌肉痉挛尚未出现之前便可提示即将出现肌痉挛，所述压力传感器包括前足 区传感器和后足区传感器，所述肌肉痉挛预判具体方法如下：
[0019] 设定痉挛触发值Es:记录使用者感觉患肢出现僵硬感的前N步对应的前足区传感 器压力值sql、Sq2、? ? ?Sqn和后足区传感器压力值Shl、Sh2 ? ? ?Shn，其中n彡3 ;计算前足 区冲量占比&作为痉挛触发值，公式如下：
【主权项】
1. 一种可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，包括康复施力检测装置、控制主板和 上位机，其特征在于，所述控制主板包括：信号调理模块，用于将所述康复施力检测装置获 取的足底压力信号进行采样、滤波及模数转换，得到动态变化的足底压力数字信息；位置速 度感应模块，用于获取使用者足部的位置速度信号；主控芯片，用于将所述足底压力数字信 息经过压力音频信号转换算法，转换成对应的声音频率信号；蓝牙模块，用于将声音频率信 号和位置速度信号发送给上位机；电源管理模块，用于向信号调理模块、位置速度感应模 块、主控芯片以及蓝牙模块提供电源；所述上位机，用于分析声音频率和位置速度变化，并 播放相应的声音以提醒使用者。
2. 根据权利要求1所述的可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，其特征在于，所述 康复施力检测装置包括压力传感器，康复施力检测装置使用时置于使用者脚底，所述压力 传感器通过接口连接至所述信号调理模块。
3. 根据权利要求2所述的可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，其特征在于，所述 压力传感器分别与第一跖、第一和二跖骨头中点、第四跖骨头、外侧足弓以及足跟对应设 置。
4. 根据权利要求1所述的可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统，其特征在于，所述 康复施力检测装置为康复训练和步行辅助专用鞋或专用鞋垫。
5. -种下肢康复训练和步行辅助方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 康复施力检测装置记录足底每个压力传感器每次的压力和对时间数据； (2) 将康复施力检测装置获取的足底压力信号传送给信号调理模块，信号调理模块对 该足底压力信号进行采样、滤波及模数转换，得到动态变化的足底压力数字信息； (3) 位置速度感应模块获取使用者足部的位置速度信号，并将该位置速度信号通过蓝 牙模块发送给上位机； (4) 主控芯片将所述足底压力数字信息经过压力音频信号转换算法，转换成对应的声 音频率信号，并将该声音频率信号和位置速度信号通过蓝牙模块发送给上位机； (5) 上位机分析声音频率和位置速度变化，利用压力音频转换方法，运用仿生学原理来 模仿触压觉的生理过程，建立足底受力与听觉信号间的一对一的联系，并播放相应的声音 以提醒使用者，实现感觉替代功能。
6. 根据权利要求5所述的下肢康复训练和步行辅助方法，其特征在于，步骤（5)中，还 包括肌肉痉挛预判方法，通过分析各压力传感器的数据变化，在小腿肌肉痉挛尚未出现之 前便可提示即将出现肌痉挛，所述压力传感器包括前足区传感器和后足区传感器，所述肌 肉痉挛预判具体方法如下： 设定痉挛触发值Es:记录使用者感觉患肢出现僵硬感的前N步对应的前足区传感器压 力值SqnSf ·· ^Sqn和后足区传感器压力值SpSh2 ·· .Shn，其中η彡3;计算前足区冲 量占比&作为痉挛触发值，公式如下：
进行痉挛预判：实际使用时，记录使用者最后N步的前足区传感器和后足区传感器的 压力值，将前足区传感器和后足区传感器的压力值代入公式（1)中，计算实际前足区冲量 占比E，当E多1(*&时，播放相应的声音以提醒使用者，当E〈K*E 3时，则继续发挥感觉替代 功能，其中系数K为痉挛预判敏感度。
7. 根据权利要求6所述的下肢康复训练和步行辅助方法，其特征在于，所述前足区传 感器分别与第一跖、第一和二跖骨头中点、第四跖骨头以及外侧足弓对应设置，所述后足区 传感器与足跟对应设置。
8. 根据权利要求6所述的下肢康复训练和步行辅助方法，其特征在于，所述系数K取 80%〇
9. 根据权利要求6所述的下肢康复训练和步行辅助方法，其特征在于，步骤（5)中，所 述压力音频转换方法具体为： 设定压力零点A、量程下限B、安全值C以及压力上限值D-共四个节点，该四个节点将 足底压力值分为四个档位，当压力值位于A-B段时，无任何声音播放；当压力值位于C-D段 时，播放音调较高的音频，提示接近压力上限值；当压力值超过D时，播放音调尖锐的音频； 当压力值位于B-C段时，配以多种音调的音频，使用者可根据音调不同感知负重大小。
【专利摘要】本发明提供一种可穿戴式下肢康复训练和步行辅助系统及方法，包括康复施力检测装置、控制主板和上位机，所述控制主板包括信号调理模块、位置速度感应模块、主控芯片、蓝牙模块以及电源管理模块，将所测压力等信息转变成音频信号，通过分析声音频率和位置速度变化，并播放相应的声音以提醒使用者，发挥感觉替代功能。建立另一种反馈途径，弥补神经损伤后触压觉功能障碍，从而形成反馈环路指导并提高运动的能力。
【IPC分类】A61B5-22, A61H3-00
【公开号】CN104757985
【申请号】CN201510203160
【发明人】刘郑, 倪朝民, 陈进, 曾菊, 陈城, 吴鸣, 范文祥, 穆景颂, 刘孟, 蒋慧娣
【申请人】曾菊, 陈城, 刘郑
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月24日