专利名称：关节康复矫正器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于受伤和/或衰弱关节康复的矫正器。
肌肉和骨头都应进行锻炼以保持其强度。同时，更可断定的是承受容许重量并支撑压力的骨头比完全不受压力的骨头能更快地治愈。对于连接组织如韧带和一定的软骨，依靠施加合适的压力来增进康复也被认为是真实可靠的。
通过进行有选择的锻炼可以对组织施加合适的压力。例如，等长锻炼通常包括对着一个相对不动的物体施加力，该物体允许肢体没有运动。为实现等长锻炼可以使用一个固定装置，对于特定锻炼程序期间该装置具有基本上不变的位置。等长锻炼包括通过一定范围的运动对着相同的重量或阻力施力。等长锻炼是模拟运动场上或类似情况下发生的用力。当在模拟的环境下实现等长锻炼时，采用一个装置来提供同锻炼者所用力成正比的阻力。
等长锻炼特别适合用于有疼痛的损伤以降低进一步损伤的危险。同时，由于等长锻炼是在静止位置上完成的，因此它们允许具体部位的特定治疗。例如，爬楼梯，当一个人在膝关节大约成60°并结合臀部和踝关节时他需要更大的力量。因此，等长锻炼能够设计成集中在关节处在合适角度时的增强上，其中在该角度上关节需要额外的强度。如果以可控制的方式进行，那么等长锻炼能够在恢复阶段更早地执行以便加速恢复。当病人的恢复有进展时，等长锻炼或其他锻炼可以用来通过一定范围的关节运动再建立所需的强度。当康复最终完成时，病人就能够进行所有范围的活动。
给受伤关节施加力的困难包括在不适宜的时间施加或施加过度的力的危险。这会削弱康复和/或进一步损伤组织。因此，锻炼需要精心设计以提供合适的压力值。同时，锻炼的执行也需要精密地监测以降低损伤的危险。而且锻炼所需的精心设计和精密监测对于得到所需的锻炼量既增加了成本也设置了动机障碍。
第一方面，本发明关于一种矫正器，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；连接第一支撑部分和第二支撑部分的铰链；及同铰链相连的阻力施加器，其用于给铰链的转动施加阻力，该阻力施加器包括第一表面；第二表面，其通常与第一表面平行并能相对于第一表面有选择地运动；曲柄，其位于第一表面和第二表面之间并能相对于第一表面转动；及压缩单元；其位于第一表面和第二表面之间，该压缩单元对曲柄相对第一表面的转动施加阻力，该阻力的值同第一表面与第二表面之间的距离有关。
第一身体部分和第二身体部分可以通过多个接头连接。压缩单元可以包括多个曲柄环，曲柄环上布置有多个套环并且曲柄环与这些套环摩擦接触，其中曲柄环随曲柄而转动而套环随第一表面而转动。
另一方面，本发明关于一种矫正器，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；连接第一支撑部分和第二支撑部分的铰链；及阻力施加器，其用于将选择性的阻力施加到绕铰链的转动上；及同第一支撑部分可操作地相连接的应变传感器；及控制器，其经过校准以利用应变传感器的电阻来测量所施加的用以使铰链转动的力。
在优选实施例中，该控制器包括一个数字微处理器。
而且，本发明还适于一种实现闭链锻炼的方法，该方法包括
对着具有重复频率的测力传感器和由基于便携式控制器的数字微处理器所指定的施力目标施加力，测力传感器由施加给病人的外力支持固位；利用控制器测量施加到测力传感器上的力，其中控制器同测量传感器可操作地连接；及显示施加到测力传感器上的力。
数字微处理器能够用于计算病人生理组织内的相对力。
另一方面，本发明关于一种为训练神经进行协调锻炼的方法，该方法包括弯曲关节以便显示器上的光标移动以在选择和规定的时间到达显示器上的目标位置，光标的运动通过放置在关节周围的矫正器内的传感器与关节的运动或应变相关联。
在一些实施例中，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；将第一支撑部分和第二支撑部分相连的柔性连接；位置传感器，其同柔性连接可操作地相连接以便位置传感器能够探测到第一支撑表面相对于第二支撑表面的相对方位。
位置传感器能够同控制器可操作地相连，该控制器最好具有一个数字微处理器。另外，也可以采用成本较低的模拟判定阵列，该阵列具有一个电阻器网络且该网络同计量仪器，光触排或音响输出反馈相连。为此一种合适的模拟控制器是LM3914整体电路LED(发光二极管)驱动器。
另外，本发明关于一种仪表化的锻炼装置，该装置包括弹性绳索；传感器，其同绳索相连以便施加到绳索上的力从该传感器改变输出；及同传感器可操作相连的显示器。
上述传感器和显示器能够同数字微处理器连接。微处理器还可以用来根据传感器的输出执行计算和统计分析。
另外，本发明关于一种仪表化的锻炼装置，该装置包括骨架，其包括两个连接在一个接头上的杆臂；传感器，其同骨架相连以便通过该传感器测量对着骨架所施加的扭力；同传感器可操作连接的显示器。
另一方面，本发明关于一个成套组件，该成套组件包括两个铰链；两个骨架元件，它们分别从每个铰链伸出以便从其中一个铰链伸出的骨架元件的相对运动使该铰链转动；四个套子，其中套子容纳并紧紧地固定着骨架元件，其中每个套子分别固定在一个身体部分的罩上；同骨架元件相连接的应变传感器；及控制器，其显示与通过应变传感器测量到的应变相关的示数。
该控制器可以包括微处理器。套子可解除地固定着相应的骨架元件。另外，套子也可以不可逆地固定相应的骨架元件，其中套子可以被剪开并且不损坏骨架元件。
另外，本发明关于一种矫正器，该矫正器包括铰链；两个骨架元件，它们分别从每个铰链伸出以便从其中一个铰链伸出的骨架元件的相对运动使该铰链转动；两个套子，其中套子容纳并紧紧地固定骨架元件；两个一次性的刚性身体部分罩，一个身体部分罩装在病人关节第一侧的身体部分上而第二身体部分罩装在病人关节第二侧的身体部分上；同骨架元件连接的应变传感器；及控制器，其显示与通过应变传感器测量到的应变相关的示数。
另外，本发明关于一种矫正器，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；
连接第一支撑部分和第二支撑部分的铰链，该铰链具有一个锁定机构，通过压下按钮能够打开该锁定机构。
该矫正器还包括一个滑动件，该滑动件可解除地支持着处于压下和解锁位置的按钮。
另外，本发明关于一种矫正器，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；将第一支撑部分和第二支撑部分相连接的柔性连接；及固定套箍，其同支撑部分其中的一个相连，该固定套箍在骨骼系统窄的部分上可逆地紧缚在相应身体部分的周围以抑制支撑部分相对于身体部分的运动。
另一方面，本发明关于一种应变测量电路，该电路包括应变传感器；信号调节器，其利用已知电压给应变传感器加偏压并把偏压信号放大以便由于施加压力所产生的应变传感器阻力变量作为一个模拟信号输出；接收信号调节器输出的模拟-数字转换器；数字处理器，其接收模拟-数字转换器的输出并根据模拟-数字转换器的精度和信号调节器的特性求出应变测量值的误差，以便给数字-模拟转换器设定一个输出信号来调整应变测量值的基准，从而使测量值的误差恢复到公差值内；及数字-模拟转换器，其从数字处理器接收数字输出信号并输出作为基准信号的模拟信号给信号调节器。
另外，本发明关于一种校准应变测量值的方法，该方法包括把应变传感器组合到加法放大器电路内，其中加法放大器电路根据来自数字-模拟转换器的输入值完成放大功能；利用模拟-数字转换器将加法放大器电路的输出值数字化；根据模拟-数字转换器输出的比特数和放大器电路的增益来估算应变测量值的误差；
确定估算误差是否在公差值内；如果估算误差超出公差值那么就改变到数字-模拟转换器的输出值；另一方面，本发明关于一种关节施力器，该施力器包括施力器，其用于当放置在关节周围时对关节施加修正的力；配力器，其对着修正力配给力以便在关节运动期间，修正力对关节施加剪切力以改变关节的排列；测力传感器，其用于测量与修正力有关的量；及处理器，其用于显示与修正力有关的值。
该处理器可以是模拟或是数字处理器。配力器包括绑带，测力传感器包括同绑带可操作连接的应变传感器。测力传感器还可以包括同施力器可操作连接的压力传感器。
另一方面，本发明关于一种矫正器，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；将第一支撑部分和第二支撑部分连接的柔性连接；及位置传感器，其同柔性连接可操作地连接以便位置传感器能探测到第一支撑部分相对于第二支撑部分的相对方位；及基于同位置传感器连接的控制器的微处理器，其中第一支撑部分和第二支撑部分都分别具有用于固定在一个连续被动运动装置上的连接。该矫正器还可包括一个连续被动运动(CMP)装置，该CMP装置包括电机和骨架，该骨架具有匹配的连接件用于同第一支撑部分和第二支撑部分的固定，同时骨架同电机可操作地相连以便电机的运动使骨架运动并使第一支撑部分相对于第二支撑部分运动。
另外，本发明关于一种评估锻炼程序或病人对受伤反应的方法，该方法包括使用便携式控制器提示病人对一系列询问的反应；及通过审查对问题的反应来评估锻炼程序中病人的状况。
对问题反应的提示可以脱离保健设施进行。这些问题可以是涉及病人对疼痛的感受。
另一方面，本发明关于一种对便携式控制器编程以导引病人通过锻炼程序的方法，该方法包括从计算机上给便携式控制器下载一段程序，其中该程序是通过计算依据锻炼参数编制而成的，并且这些锻炼参数是通过保健专业人员输入计算机的。
另一方面，本发明关于一种监测站，该监测站包括可编程的数字计算机，该数字计算机用于根据通过计算机提示而输入计算机内的参数为基于控制器的微处理器编制一套微处理器程序；及用于将微处理器程序下载到控制器内的端口；另外，本发明关于一种仪表化的铰链，该铰链包括第一杆臂；第二杆臂；双轴铰链，其同第一杆臂和第二杆臂相连，该铰链包括一个位置传感器，该传感器用于提供与第一杆臂和第二杆臂相对方位有关的输出，该铰链具有两个连接的可转动的轴；及同双轴铰链的位置传感器相连的输出装置。
同双轴铰链和显示器相关联的位置传感器能够同数字微处理器相连接。同双轴铰链相连的一个或两个杆臂可以包括应变传感器。同样，该仪表化的双轴铰链可以并入一种仪表化的矫正器内成一个整体，该仪表化的矫正器包括第一支撑部分，其安装在一个关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于关节上与第一身体部分相对的一侧；双轴铰链，其同第一支撑部分和第二支撑部分相连，该铰链包括位置传感器，该传感器用于提供与第一杆臂和第二杆臂相对方位有关的输出，该铰链具有两个连接的可转动的轴；及同双轴铰链的位置传感器相连接的输出装置。
另外，本发明关于一种矫正器，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在一个关节第一侧上的第一身体部分周围；
第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于关节上与第一身体部分相对的一侧；将第一支撑部分和第二支撑部分相连接的连接件；传感器，其同杆臂相连以便通过该传感器测量扭力；及同传感器可操作地相连接的输出装置。
图1为安装在病人膝关节周围矫正器的实施例的侧视图；图2为图1所示矫正器从病人身体上拆卸下来的局部透视图；图3为另一个矫正器实施例的侧视图，该矫正器利用滑轮并具有基于绳索的紧固件；图4为具有刚性壳体支撑部分和与该支撑部分组合成一个整体的活节铰链的矫正器实施例的侧视图；图5为具有刚性壳体支撑部分和与骨架元件相连的铰链的矫正器实施例的侧视图；图6为位于病人膝关节周围矫正器的主视图，其中该矫正器具有用于锻炼期间阻止矫正器运动的凸起；图7为位于病人膝关节周围矫正器的侧视图，其中该矫正器具有用于锻炼期间支持矫正器定位的绑带；图8为图7中所示矫正器中第一夹紧元件的后视图；图9为图7中所示矫正器中第二夹紧元件的后视图；图10为位于病人膝关节周围矫正器的透视图，其中矫正器同皮带相连接以便在锻炼或诸如行走活动期间帮助支持矫正器定位；图11A为套在膝关节周围的高摩擦力套子的主视图，在该套子上可以安装矫正器；图11B为病人所穿的高摩擦力内衣的主视图，其中病人膝关节周围的锻炼矫正器位于该内衣一部分的顶部；图12为同膝曲褶皱后面交叉带相固定的矫正器的侧视图；图13为利用销钉和外部固定件固定在病人身体上的仪表化的中间段的局部俯视图；图14为利用销钉和外部固定件固定在病人身体上的仪表化的中间段另一个实施例的局部俯视图15为阻力施加器实施例沿中间剖开的剖面图；图16为图15中所示阻力施加器沿图15中的线16-16剖开的剖面图；图17为图15中所示阻力施加器的壳体的俯视图；图18为图17中所示壳体沿线18-18剖开的剖面图，其中锁销已经拆除；图19为图17中所示壳体的第一锁销的侧视图；图20为图17中所示壳体的第二锁销的侧视图；图21为图15中所示阻力施加器的曲柄的俯视图；图22为图21中所示曲柄沿线22-22剖开的剖视图；图23为图21中所示曲柄沿线23-23剖开的剖视图；图24A为图15中所示阻力施加器的曲柄环的俯视图；图24B为图15中所示阻力施加器的套环的俯视图；图25为图15中所示阻力施加器的压缩弹簧的透视图；图26为图15中所示阻力施加器的旋钮的仰视图；图27为图26中所示旋钮的局部侧视图，其中部分握紧把手已拆除；图28为图15中所示阻力施加器的支撑单元的俯视图；图29为图28中所示支承组件沿图28中的线29-29剖开的剖视图；图30为适合于图15中所示阻力施加器应用的铰链的侧视图；图31为图30中所示铰链沿线31-31剖开的剖视图；图32为图30中所示铰链的拆分透视图；图33为图30中所示铰链所用止动销的侧视图；图34为用于固定图30中所示铰链的管销的侧视图；图35为手动铰链锁定解除装置的局部透视图；图36为适于图15中所示阻力施加器应用的双轴铰链的侧视图；图37为图36中所示双轴铰链的近端臂的侧视图；图38为图36中所示双轴铰链的远端臂的侧视图；图39为图36中所示双轴铰链的控制盘的侧视图；图40为图36中所示双轴铰链的内部平板的侧视图；图41为图36中所示双轴铰链的电阻环的侧视图42为放置在矫正器与一个分离便携式单元内之间的控制器元件的分区示意图；图43为用于应变测量的放大和平衡中的组件示意图；图44为在图43中用作一个元件的加法放大器实施例的电路图；图45为校准应变测量的过程的流程图；图46为放置在病人膝关节周围的骨节传感器的透视主视图；图47为一个仪表化的外展/内收锻炼器械的主视图；图48为另一个仪表化的外展/内收锻炼器械实施例的主视图；图49为仪表化的治疗绳索俯视图；图50A为仪表化治疗绳索使用的套箍的局部俯视图；图50B为具有仪表化附件的治疗绳索的局部俯视图；图51为经过修改适用于完成闭链锻炼的秤的透视图；图52为病人利用锻炼矫正器和图51所示的秤进行闭链锻炼的透视图；图53为位于房间内两个用于完成闭链锻炼的传感器的透视图；图54为利用本发明矫正器测量到的锻炼运动范围的曲线图；图55为用于执行协调本体感受锻炼并具有两个肢体件的本体感受支架的侧视图；图56为利用本发明矫正器测量的静力闭链锻炼曲线图；图57为利用本发明矫正器测量的动力闭链锻炼曲线图；图58为控制器偶然干预操作的实施例的流程图；图59为提示监测站的保健专业人员选择锻炼程序的计算机屏幕窗口的示意图；图60为锻炼时间参数进入监测站计算机的屏幕窗口显示的示意图；图61为等长锻炼参数进入监测站计算机的屏幕窗口显示的示意图；图62为锻炼运动范围参数进入监测站计算机的屏幕窗口显示的示意图；图63为本体感受锻炼参数进入监测站计算机的屏幕窗口显示的示意图；图64为等长锻炼形状参数进入监测站计算机的屏幕窗口显示的示意图；图65为要求与下载的锻炼数据图表有关的指令进入监测站计算机的屏幕窗口显示的示意图；图66为关于等长锻炼执行的原始数据在监测站屏幕上的曲线示意图。
矫正器能够有效地用以加快病人受伤和/或衰弱关节的康复。尤其是矫正器能够包括用于监测和协助锻炼执行的微处理器。该微处理器能够记录病人的表现并提供一套把病人的表现汇报给一个中央收集站或保健专业人员的方法。有效利用监测矫正器的微处理器的重要作用已经明确。通过将微处理器指令下达给病人来简化康复矫正器的应用并通过简化和改进对锻炼的监测，可以大大提高康复锻炼有效水平的可达性。一些改进的特征即使是没有微处理器控制也能够有效地用于改进的矫正器。
相应的矫正器安装在病人关节的周围，例如柔性连接的身体部分。该矫正器适于安装在任何关节或一系列关节的周围，如膝关节，腕关节，踝关节，臀关节，肘关节，肩关节，及脊柱/背脊。通常，矫正器包括多个支撑部分，这些支撑部分通过铰链等相连接。至少一个支撑部分安装在关节一侧的一个身体部分上，而另一个或多个支撑部分安装在关节另一侧的一个第二身体部分上。铰链可以是传统形式的也可以是下述改进形式的。利用外部紧固件或类似的固定方法可以将一个或多个支撑部分固定在病人身体上。
可以利用一个或多个康复程序协助相应的矫正器。尤其是，矫正器对于监测等长锻炼的完成特别有用。在受伤和/或衰弱关节的康复中等长锻炼可以相对较早地进行。在另一个优选实施例中，矫正器还可以监测锻炼运动范围锻炼，本体感受锻炼，等张锻炼和/或闭链锻炼的完成。同样，矫正器能够用于施加或监测可选择的压力以减小施加到关节磨损元件上的力。
当使用关节支撑元件时，一些优选实施例包括用于闭链锻炼的附加元件。闭链锻炼包括逆着阻力的肌肉运动以模仿自然运动或提供给关节平衡压力。闭链锻炼与开链锻炼不同，开链锻炼中肢体或类似部分在空间上被移动或被压迫并且除了肢体本身的重量没有其他的阻力抵抗该运动。闭链锻炼可以提供给病人肢体或躯体内不同肌肉群更多的平衡锻炼。闭链元件同关节支撑矫正器元件可以在身体上连接也可以不在身体上连接。
通过测量矫正器内的压力，应变传感器或应变测量器可以用于测量等长锻炼。控制器的部分设计特点使其能够使用相对廉价的硬件来得到有效的应变测量值。这些特点将在下面描述。
锻炼程序的协调最好通过基于控制器的微处理器来处理，控制器通过病人对锻炼程序执行的反应和监测程序来协助。通常，对控制器编程是利用保健专业人员挑选的目标锻炼程序进行的。控制器是利用锻炼的执行通过提供相对于目标程序的关于评估锻炼执行的中间反馈来协助病人的。控制器还可以储存所选择的关于病人锻炼执行的信息。该信息能够下载用于保健专业人员对顺从性和执行进行评估。
另外的仪表化的锻炼装置包括仪表化的外展/内收锻炼器械和仪表化的治疗阻力(伸展)绳索。这些仪表化的锻炼装置可以单独使用或与仪表化的矫正器结合使用。这些锻炼装置的仪表化提供了用于仪表化矫正器的监测和评估过程。
1．矫正器的结构有关的矫正器包括关节支撑元件，一个或多个传感器，控制单元，及可以有选择地包括一个或多个附加治疗元件。通常，整个矫正器是便携式的，因此当病人移动时关节支撑元件能够完全通过病人相应的身体部分支撑。由此矫正器就像一个铸模或类似件是可移动的，例如在病人活动期间由他们携带着。任何附加的治疗元件同关节支撑元件可以在身体上连接也可以不在身体上连接。关节支撑元件包括通过柔性连接或铰链相连的支撑部分。
一个相应的矫正器通常至少包括一个固定在关节相对一侧的支撑部分。关节一侧的一个或多个支撑部分同该关节另一侧的一个或多个支撑部分通过柔性连接相连。柔性连接最好是具可选择的灵活性以便柔性连接能够在一个特定的结构中被锁定。当然，合适的矫正器能够覆盖多个关节特别是利用一个背部矫正器。然而，如果不是通过其他特点而是通过包括矫正器的一套铰连元件两端的最后元件，那么该元件可以当作支撑部分。这些支撑部分可以具有多种结构。
图1和图2所示为放在病人102身上的矫正器或支架100。矫正器100包括支撑部分104,106，它们通过铰链108,110相连。铰链可以是机械式的，机电式的或它们的结合，下面将会对其作进一步的描述。支撑部分104包括左侧骨架元件120和右侧骨架元件122，它们通过柔性绑带124,126相连。
骨架元件120,122通常是同刚性材料制成，如钢材，铝材，其他的金属或合金，玻璃纤维，复合材料，其他类似材料或它们的结合。柔性绑带124,126最好是可调的以便支撑部分能够配合在病人身上。柔性绑带124,126的调整可以通过尼龙扣紧固件或其他任何包括传统紧固件在内的紧固件完成。在另外的实施例中，柔性绑带124,126可以用纺织薄片或类似件代替，其中它们能够利用尼龙扣紧固件或其他包括传统紧固件在内的紧固件进行调整。同样，支撑部分106包括左侧骨架元件140和右侧骨架元件142，它们通过柔性绑带144,146相连。支撑部分104,106可以包括连接件148用于同连续被动运动(CPM)装置固定，例如，固定在骨架元件120,122,140和142上。可以使用能够将力从CPM装置上传递到矫正器骨架上并不损坏矫正器的任何连接。合适的连接可以利用任何可拆紧固件制成，例如摁扣，夹子，枢轴等。在用电机使关节伸曲的情况下CPM装置是被动的。当肌肉还未充分治愈去积极地进行类似运动时，由于CPM装置能够使关节伸曲进行特定范围的运动，因此CPM装置能够有效地和等长锻炼装置相结合。相应的CPM机构应具有合适的连接器元件以固定在矫正器上。CPM机构还可以同矫正器的控制器相连。控制器用来控制电机的速度等参数。连接可以使用RS232连接，红外线连接，无线电连接等。
图3所示为用于代替绑带124,126的另一个实施例，基于可调紧固件的绳索包括绕在滑轮162之间的绳索160。滑轮162可以用滑轮罩盖上。绳索160延伸至手柄166。手柄166包括同相应环状片168相固定的钩子，环状片168位于纺织罩170上，而纺织罩170卷绕在身体相应的部分上。通过有选择的放置具有尼龙扣紧固件的手柄能够实现矫正器所期望的收缩程度。利用与手柄164相关联的环圈，尼龙扣紧固件的结构可以反过来。电机可以用来调整张力以代替利用手柄人工收紧或松开绳索。这样一个电动化基于绳索的调整在背部支架中的应用已在授予海茵斯等人的美国专利5,226,874和5,346,461中公开，其中两个专利在此组合成整体参考。
如图4所示，在另一个矫正器200的实施例中，支撑部分202,204包括配合在合适身体部分上的伸展元件。支撑部分202,204通常是刚性的并且能够用多种材料制成。制造支撑部分202,204的优选材料包括例如注模塑料壳体，石膏，可热注模的热塑性塑料，水激活玻璃纤维，热缩性塑料或其他铸模成形材料。支撑部分202,204可以预先注模成各种尺寸以便根据病人的尺寸选择特定的尺寸。这些定制的铸模支撑部分由受过锻炼的医师或技术人员铸模配合到特定病人的身体部分上。
如图4所示，支撑部分202,204通过活节铰链206相连。活节铰链206可以利用诸如可弯曲的麦杆等有弹性可折叠的材料制成，滑动段可以相互滑过以形成活节，或其他类似的结构。滑动段利用固定在狭缝209上的夹子208可以彼此相对锁定，其中狭缝209限定了运动的范围，其中夹子208可手动夹紧在蝶形螺母或类似件上，或通电夹紧在螺线管或类似件上。如图5所示，在另一个实施例中，支撑部分202,204同右侧骨架元件210,212相连。右侧骨架元件210,212通过右侧铰链214相连。类似地左侧骨架元件和左侧铰链位于病人关节相对的一侧。
当支撑部分制成后，右侧骨架元件210,212和相应的左侧骨架元件可以铸进支撑部分202,204。在一些优选实施例中，鞘体220,222被铸进支撑部分202,204内。右侧骨架元件210,212锁定在鞘体220,222内以便右侧骨架元件210,212相对于支撑部分202,204被紧固。例如，鞘体可以包括一个凸缘其允许一系列的隆起单向通过以便骨架元件能配合进鞘体内但不能拆卸。另外，也可以使用一个可逆的锁定机构，例如，用一个锁销或类似件穿过鞘体并插进骨架元件内。
通过松开锁定机构或通过毁坏鞘体220,222可以将右侧骨架元件210,212松开。鞘体220,222可以用廉价的但耐用的聚合物制成。因此，骨架元件210,212和铰链214可以再用在另一个矫正器上。支撑部分的左侧也可以用类似的装置固定。右侧铰链214，右侧骨架元件210,212，鞘体220,222可以形成一个成套组件。如下所述，该成套组件通常还包括相应的左侧元件和/或应变传感器和控制器。尽管可以使用多个包装，该成套组件最好放入单个的包装内。
在优选实施例中，矫正器包括一个或多个应变传感器。利用处于锁定位置可选择的柔性连接/铰链，应变传感器可用于完成和监测等长锻炼。同样，等长锻炼期间应变传感器还可用于力的测量。当将扭力施加到可选择的柔性连接/铰链上时，应变传感器通常放置在处在压力下的刚性元件上。因此，应变传感器最好的位置依赖于矫正器的特定结构。如图2所示，应变传感器230固定在骨架元件140,142上。应变传感器230利用导线234能够同控制器232(图1)连接。另外，应变传感器还能够利用某种形式的遥感技术同控制器232连接。如图4所示，应变传感器230固定在支撑部分204上。
当病人对着矫正器施力时，矫正器趋向于相对病人的关节改变位置。该移动降低了利用矫正器进行锻炼的有效性并可能需要矫正器重新校整以正确配合。通过相应的设计，矫正器能够减少或消除这种移动。
如图6所示，防止关节矫正器在锻炼中滑动的一个方案是在矫正器正好位于膝盖上方的关节区域设置凹缺250,252。矫正器最好是仪表化的。为了进一步改善矫正器与病人的接触，可以给病人加上两个侧装的粘结垫，如装在凹缺250,260上。在该实施例中，凹缺或在骨架元件254,256上加工而成的缺口设置在铰链258,260的上方。类似的凹缺也可以用于其他的矫正器结构或为其他关节设计的矫正器上以便矫正器夹紧作为基础的骨头结构。
参考图7至图9，另一个解决方案为利用附加固定套箍270和/或271。固定套箍270,271能够在锻炼程序中被拉的更紧以帮助矫正器相对于关节的固定。夹紧元件272的下侧放置在膝盖上方的大腿上并最好具有一个半四边形的形状以便当被拉紧时，夹紧元件272能够将压力施加在膝盖骨的上方，同时推动膝盖并且不推动脉管系统和淋巴导流。套箍271包括放置在踝关节上方胫骨两侧的夹紧元件273。套箍271从下面稳固矫正器。套箍270,271能够利用多种紧固件如尼龙扣紧固件拉紧并且可以包括滑轮或与图3中所示类似的快速棘轮系统。另外，利用中部带有杠杆的控制杆和位于底部的绑带，当控制杆从杠杆的一侧移向另一侧时绑带变紧从而拉紧套箍。
固定矫正器的另一个方案为利用一个或多个绑带276将矫正器固定在皮带275上。在优选实施例中，绑带276和皮带275提供了电子元件277与皮带上的电子元件278之间的电通路。绑带276可以使用尼龙扣紧固件，钩子或其他任何合适的紧固件固定。
另一个方案为增加同矫正器或部分矫正器相接触表面的摩擦力。例如，在图11中，聚合物套子279套在膝盖上而矫正器放置在套子279上。套子279可以用一个薄片或氯丁橡胶网制成。矫正器是利用尼龙扣紧固件，摁扣，棱纹或其他用于摩擦固定的件固定在套子279上的。同样，如图11B所示，具有高的摩擦力的内衣280向下延伸并覆盖全部或部分放置矫正器的区域以帮助降低矫正器的移动。
如图12所示，另一个固定矫正器的方案为在膝盖的后面放置交叉绑带281。通过施加力将绑带281保持在膝曲褶皱内。另外，对于膝关节矫正器，其端部可以设置一个脚踝套282或带有绑带的蹬形件等，它们缠在脚踝的周围以将矫正器的底部固定在脚踝上。如图3所示，膝关节矫正器通过合适的连接件同脚踝套282固定以将铰链定位在膝关节上。类似的锚型结构也可以安装在矫正器上并覆盖身体的其他部分以阻止矫正器的位置变动。
应用期间无论利用这些康复关节方案中的哪一个，该方案最好具有充足的阻力以便皮肤的任何部分都不受到过度的压力，因为过度的压力可能会擦伤皮肤并会损坏或干扰神经和循环功能。
上述仪表化矫正器包括一个外部骨架其位于病人关节的周围。通过合适的设计，矫正器能够舒服地固定在关节周围并且当力施加到关节上时能阻止矫正器的移动。位于相应身体部分上的仪表化矫正器的另一种应用是该仪表化矫正器可以包括一个或多个同病人固定的刚性固定件。矫正器的这些替换形式采用诸如外部固定器等用于固定的结构。外部固定器已用于固定骨折的骨头并用于在病人的骨头上通过销子固定一个外部刚性骨架来减少断裂。当外部固定器组合进所述仪表化矫正器内成为一个整体时，其结构包括外部骨架与一个或多个铰链元件的固定。适用于具有外部固定器结构的矫正器内的铰链元件同适用于具有单纯外部骨架的矫正器内的铰链元件是相同的。
图13所示为同外部固定器固定的仪表化矫正器的第一实施例。骨架元件284，285同连接件286相连。连接件286可以为柔性连接件如铰链，或刚性连接件，该连接件将第一支撑部分和第二支撑部分支持在固定的角度上。如果连接件286是一个铰链，那么该铰链包括用于固定可拆卸阻力件的紧固件。另外，该铰链可以包括一个固有阻力件。阻力件最好能检验可调整的阻力以便能够选择所希望的阻力作用到铰链的转动上。夹子287固定在每个骨架元件284,285上。如图13所示，两个夹子287分别固定在骨架元件284,285上，如果需要，在每个骨架元件上还可以固定一个或两个以上的夹子。每个夹子还分别同销钉288固定。销钉288伸进病人体内并插入骨头内，如图13中虚线所示。通常，能够将夹子和骨架元件定位以得到所期望的相对于骨头的方位。也可以使用附加的骨架元件以在与销钉固定的骨架元件和铰链元件之间得到所希望的方位。
多种夹子和骨架元件结构可以采用。在下列美国专利中公开了合适的夹子，授予海茵等人名称为“具有改进的夹子的外部固定器及其使用方法”的美国专利5,674,221，授予马塔等人名称为“外部固定器”的美国专利5,891,144，在此为参考目的这些专利被组合成一个整体。通常，与控制器232相连的传感器固定在具有外部固定器结构的矫正器上，其固定方式同固定在具有单纯外部骨架的矫正器上类似。
外部固定器通常包括一个或多个传感器299，传感器299可以是一个应变传感器以便能够测量到杆臂内的应变。另外，如果连接件是铰链那么传感器299可以是一个位置传感器。位置传感器用于测量杆臂的相对方位。还可以包括附加的传感器299以测量骨头的变形/组织力。例如，在销钉上可以附加上一个应变传感器以便测量销钉内的应变。
图14所示为具有外部固定器连接件的仪表化矫正器的另一个实施例。在该实施例中，骨架元件289,290放置在身体部分的两侧。夹子291同骨架元件289,290及穿入病人骨头的销钉292固定，如图14中虚线所示。骨架元件289,290通过铰链元件295,296同骨架元件293,294连接。骨架元件293,294通过绑带296固定在病人身上。销钉292用于在锻炼期间防止整个矫正器移动。图13和图14所示矫正器实施例的许多特征可以按所需的方式结合。
类似的结构也可以用于脊柱的固定。在这些系统中，销钉可以用脊骨钩子或螺钉代替。在授予阿拉德等人名称为“脊髓移植系统”的美国专利5,281,222中公开了合适的脊柱固定系统，该专利在此为参考用被组和成一个整体。
如上结合图1到图5的描述，柔性连接可以是一个铰链，一套铰连元件等。在优选实施例中，柔性连接包括位置传感器以便可以通过控制器测量和监测连接的相对方位。在授予斯塔克等人名称为“仪表化的整形固位装置及其使用方法”的美国专利5,052,375中公开了用作位置传感器的类似电位计机构的使用，该专利在此为参考用被组合成一个整体。位置传感用于评估运动范围锻炼和其他类似的锻炼。
另外，优选的柔性连接在所选择的方位上可以锁定。如果柔性连接锁定，等长锻炼可以在锁定的方位上完成。锁定可以松开并且在一个新的方位上再锁定以在新的方位上完成另外的锻炼。在以前的美国专利5,052,375中公开了一对锁定机构。同样，柔性连接可以将所选值的阻力施加到转动上也是有用的。如果施加了所选值的阻力，矫正器能够更有效地完成等长锻炼。斯塔克等人的名称为“支持两个或多个治疗系统的整形装置及相关方法”的待审查美国专利申请08/442,954中公开了利用控制单元电子选择期望值的机械阻力，在此该申请为参考目的被组合成一个整体。
虽然柔性连接内转动阻力的电气控制具有优点，但考虑成本和设计的简单则愿意用单纯的机械式铰链。应变传感器的读数能够精确校准以反应逆着机械阻力施加器的一个设定值所施加的移动铰链的力。因此，尽管阻力不是电气控制的，控制器也能够用于监测等长锻炼。在这方面，用于铰链的阻力施加器300(图15-图29)已经设计出来。阻力施加器可以和铰链制成一个整体，但是在一些实施例中，阻力装置300能够同铰链分离以便当不希望有阻力时没有阻力施加到铰链上。阻力施加器300能够将阻力微小的变化放大，该阻力与旋钮位置的变化有关。
参考图15，其所示为从阻力施加器中心剖开的截面图。同样，图16所示为图15沿线16-16剖开的截面图。阻力施加器包括壳体304，曲柄306，压缩结构308，旋钮310，支承组件312，垫圈314及隔板316。
参考图17至19，壳体304包括基板326和锁销328,330。锁销328,330提供了用于阻力施加器300同铰链固定的可松开连接。摩擦力施加器同铰链的固定也可采用另外的锁定方案。基板326包括用于同旋钮310配合的螺纹孔332和用于分别同锁销328,330配合的螺纹孔334,336。基板326还包括用于同压缩结构308配合的凸起338。锁销328包括用于同螺纹孔334配合的螺纹340，锁销330包括用于同螺纹孔336配合的螺纹342。另外，锁销328,330可以通过焊接等方法连接到基板326上。
参考图21至23，曲柄306具有一个中心部分350和臂部352。中心部分350包括用于同压缩结构308配合的槽口354。臂部352包括脊部356和瓦垫358。脊部356和瓦垫358同矫正器的骨架元件122或类似的骨架元件配合(图1和图2)，以便矫正器铰链的转动使曲柄306相对于壳体304转动。
压缩结构308用于提供阻力的微小变化，该阻力变化是由于旋钮310转动时垫圈314和壳体304之间的间距变化产生的，由此利用旋钮可以放大阻力的变化。由于壳体304和曲柄306之间的相对运动在压缩结构308内产生剪切力，结果通常是在压缩结构308内产生摩擦力。在图15至29所示的实施例中，压缩结构308包括交互式曲柄环370和用于形成复式离合器板的套环372(图24B)。压缩结构308还包括一个压缩弹簧373。
曲柄环370包括同槽口354配合的凸起374以使曲柄环370随曲柄306转动。套环372具有一个中心孔376其同壳体304上的凸起338配合以使套环372随壳体304转动。压缩弹簧373包括一个具有中心孔379的弹性凸起部分378。压缩弹簧373可以由弹簧垫圈或类似件代替。在一个优选实施例中，压缩结构在交替的层中包括7个套环372和6个曲柄环370。如果愿意也可以使用其他数量的套环372和曲柄环370。
参考图26和27，旋钮310包括把手380和螺纹轴382，螺纹轴382具有螺纹并且其直径适合于同壳体304内的螺纹孔332配合。参考图28至29，支承组件312包括支承壳体386内的球体支承环384。支承组件312可以由其他支承结构或其他降低摩擦的方法替代，如液体轴承。
垫圈314具有合适的内径以便螺纹轴382能够穿过其内径而支承组件312不能穿过。垫圈314的外径能其靠在曲柄306的中心部分350上并覆盖壳体304与曲柄306之间通向压缩结构308的开口。隔板316具有垫圈的形状但同垫圈314相比其内径较大而外径较小以便隔板316配合在曲柄306与壳体304之间用于支撑压缩结构308的空隙内。
阻力施加器300的主要元件最好用金属和/或合金制成。铝合金和不锈钢材料是制造壳体和曲柄元件的合适材料。刚性聚合物可以代替金属材料用于制造壳体和曲柄元件。隔板最好是用黄铜制造。套环最好是用弹簧钢制造，曲柄环最好是用弹簧性质的磷青铜制造。支承壳体可以用尼龙(Nylon)制造。
阻力施加器300同一个铰链相固定以便壳体304随固定在铰链一侧的骨架元件移动而曲柄306随固定在铰链另一侧的骨架元件移动。因此，铰链的转动使壳体304相对于曲柄306转动。旋钮310变紧将垫圈314压下到压缩组件308上。当壳体304相对于曲柄306转动时套环372和曲柄环370彼此相对转动。增加作用在压缩组件308上的压力，由于套环372同曲柄环306之间的摩擦力，因此使得壳体304相对于曲柄306转动的阻力增加。套环372和/或曲柄环370数量的增加使得阻力增加。这种设计使得通过旋钮310的转动提供了转动阻力的精调，该旋转阻力是由阻力施加器300提供的。套环372和曲柄环370可以具有不一致的厚度和不一致的形状以便阻力的大小作为转动角度的一个函数而变化。
图30至32所示为阻力施加器300所用的左侧铰链400的一个特定实施例。该铰链的结构能使病人用一只手容易地松开锁定。铰链的方位通过位置传感器测量以协助病人在期望的方位再设定锁定。右侧铰链如同图30至32中铰链的镜像。
铰链400包括外侧板402，垫圈404，锁定组件406，环杆408，电阻环410和内侧板412。外侧板402同骨架元件418连接。外侧板402和内侧板412包括同心的止动孔420，插销孔422，连接孔424和长槽426。左侧外侧板402与内侧板412之间相应的孔对准。
一个或多个止动销430(图33)能够穿过外侧板402和内侧板412内的对准止动孔420用于限定铰链转动的极限或终端止动。管销432(图34)包括插入元件434和容纳元件436或其他紧固件，该管销432穿过插销孔422固定以共同支持铰链400。阻力施加器300的锁销328,330穿过连接孔424固定以将阻力施加器相对于铰链400固定在一个可操作的位置上。电阻环410靠在内侧板412内的凹穴438内。电阻环由导线440通电。锁定组件406包括控制盘446，滑块448，滑块弹簧450和锁定插销452。控制盘446包括切口454，滑块448在该切口内滑动。滑块448具有凹槽456和带有掣子460的凹缺458。锁定插销452具有把手462和闩块464。闩块464在长槽426内滑动并能配合在凹槽456内以在压下未锁定的位置固定滑块448。
环杆408同骨架元件470连接。环杆408具有开口472并且具有一个比控制盘446稍大的直径以便控制盘446能配合在开口472内。控制盘446的厚度最好比环杆408的厚度稍大。在环杆408开口的边缘上具有一组槽口474。滑块448的掣子460配合在槽口474内以便当滑块448处于伸展位置时将铰链锁定在特定的方位上。滑块448逆着弹簧450的弹力下压使掣子460从其中一个槽口474内脱离以便铰链400在任何止动销430所限定的范围内自由转动。环杆408包括一个电触点476，其放置在孔478内并和电阻环410接触。电触点通过导线480和控制器232或其他的阻力测量计相连。垫圈404能够放置在外侧板402和控制盘446之间。外侧板402，内侧板412，环杆408，控制盘446，锁定插销452和滑块448最好是用刚性耐用的材料制成。尤其是，外侧板402和内侧板412最好是用铝合金制成，环杆408，控制盘446，锁定插销452和滑块448最好是用不锈钢制成。弹簧450通常是用弹性钢或类似材料制成。垫圈404和止动销430通常是用聚四氟乙烯或类似材料制成。电阻环410可以用电路板材料通过将电阻元件屏蔽印制在其表面上制成。
骨架元件418和470分别朝着铰链相对的两侧伸展以便骨架元件418同骨架元件470的相对运动使铰链400转动。当铰链400转动时，外侧板402和内侧板412相对于环杆408转动。外侧板402，内侧板412和控制盘446通过穿过插销孔422的插销彼此相对固定。铰链400处于锁定的方位直到滑块448被压下掣子460从槽口474中脱离。锁定插销452能够将滑块448控制在压下解锁的位置。环杆408相对于内侧板412的位置能够通过电触点在电阻环410上的位置测量到。电触点476沿电阻环410的相对位置能够提供一个变化的电阻以传感位置/方位。
利用遥控装置松开铰链也许会很方便。美国专利5,052,375公开了利用来自控制单元的指令来松开铰链。也许希望使用简单的机械远程松开装置。简单的照相快门开关490(图35)能够实现此目的。快门开关490通过其螺纹尖端492旋进控制盘446的螺纹孔494内从而旋进铰链400(图32)。按压柱塞496使钢索498前行。当快门开关490旋进铰链400时前行钢索498压下滑块448由此松开铰链400。转动旋钮500使柱塞496弹回到其伸展位置撤回钢索498并且滑块448伸展使掣子460和一个槽口配合而锁定铰链400。用于手动铰链松开装置固定的其他设计包括拉动柱塞，柱塞依次拉动滑块448从而打开锁定和铰链通过松开的柱塞再次锁定。
诸如膝关节等确定的关节都是凸轮，它们不是绕着单个的轴转动。双轴铰链能够更接近关节凸轮的运动。图36至41所示是对铰链400结构一般化的双轴铰链510。双轴铰链510包括近侧臂512和远侧臂514。近侧臂512包括齿形件516，其和远侧臂514上的齿形件518啮合。近侧臂512还包括锁定槽口530和用于位置(方位)传感的电触点532。控制盘534的操作同铰链400中控制铰链锁定/解锁的控制盘446的操作类似。内侧板536包括用于固定电阻环540的凹陷538。电阻环540用于根据铰链的方位提供变化的电阻，铰链的方位是由电触点532相对于电阻环540的位置确定的。
在简化的实施例中，控制器232可以仅包括模拟电路和合适的显示器。在优选实施例中，控制器232包括数字处理器用于给病人提供更精密的接口并实现更多的监测功能。该数字处理器最好是一个微处理器。数字处理器可以用多种计算机语言编程，例如Basic语言，汇编语言，C语言，C++语言等。控制器最好是便携式的，其在上下文中含义是指控制器足够小以便病人能拿在手中。更佳的是，控制器232小到可以放入普通衬衣的口袋内。
基于控制器232的微处理器最好是具有几个子系统，如一个九伏电池的电源，下面将描述的传感器偏置电路，A/D转换器，微处理器，实时时钟，RAM(随机存取存储器)和永久存储器，如FLASH(快闪存储器)或EEPROM(电可擦除只读存储器)，带有相应驱动器的图形显示器，键盘，音响或触觉式反馈装置，到传感器的数据链路，及用于串联或调制解调器入口的RS232标准输出，如64×128象素的LCD(液晶显示器)显示器。
在一个特定的实施例中，微处理器为Motorola MC68HC11A1FN型8位微控制器，其具有用在激活事件，可编程串行接口与8频道，8比特A/D转换器之间电源保存的内置深睡眠关闭模式。在该实施例中，控制器232能够提供模拟多路和A/D变换以适应从0.0到+5.0伏电压范围内的8个模拟输入信号。例如，三个频道可以用于提供信号调节以配合三个应变传感器，三个频道提供信号调节以配合三个位置(角度)传感器。剩余的两个输入频道可以用于另外的治疗装置。
控制器的记忆模式可分为FLASH,SRAM(静态存贮器)和EEPROM。每一段可以单独设定地址。在一个特定实施例中，FLASH为128k个字，EEPROM为32k个字，每个字为8比特(1个字节)。16k的SRAM部分用于记忆管理。EEPROM支持利用微控制器串行频道在线路中再编程以更新代码。SRAM具有备用电池，当微控制器不供电时，FLASH提供记录数据的永久存储。实时时钟也是电池供电以便当微控制器线路断开时继续计时。实时时钟能够以可编程的速率产生周期性的中断以在运行模式改变期间给转换电路供电从而使微控制器工作。
RS-232接口包括三个导体(T×D,R×D和GND)插口型连接器并具有一个机械式开关以便当插头插入时自动将电源切换到开的状态以给所有装载的电子元件供电。接口的波特率可以用标准速率如9600和19200进行编程。合适的显示器是Hantronix HGS13Y或DensitronTMLE3328型LCD并具有HD61202或HD61203型LCD控制器芯片装置。该显示器可以用5伏电源工作，该电源既可以同控制器232其他元件的电源分离也可以不分离。在该实施例中，同微控制器相接的是一个四键键盘。
控制器232的所有组件可以放置在矫正器上或一个单独的壳体内。控制器232的组件能够组成一个整体放入单个的包装内或自然分开，一部分安装在矫正器骨架上和/或部分放置在一个或多个小壳体内。如图42所示，其中矫正器一侧与便携式组件一侧之间的连接可以用硬导线制成或用遥测装置制成。通常，组件不是完全相同的以便能够按图表所选择的路线得到多种结合。在一个优选实施例中，控制器232安装在一个单独的壳体内，该壳体可拆卸地固定在矫正器骨架上，因此壳体能够放置在骨架上并且当希望更容易地读取显示结果时可以拆下来。在另一个优选实施例中，显示器和相应的驱动器可以安装在一个壳体内，该壳体可以移动以便当其他组件固定在矫正器的骨架上时能更容易地观看。显示器能够利用导线，通过无线电通讯或通过红外线通讯同控制器其余部分接通。控制器内带有RF(射频)调制解调器并用以将宽带视频信号转换为模拟NTSC信号的视频卡可以不安装在图形显示器内而安装在电视机内。利用该电视能够提供更好的图像并能够更好地保存电池电能，因为电池的电量主要被显示器消耗。对于视力较弱的人可以用另一种输出以提供音响反馈，该音响反馈可以是可辨的声音形式，当目标达到时该声音通过音调或音量的变化而改变，也可以是一个声音电子合成器的形式，该声音电子合成器能够向病人讲话，如“再用力些”“好的”或“现在歇一会儿吧”。
控制器232最好存储一段管理病人康复的装置使用的程序。该软件利用音响和/或振荡信号能够提醒病人完成锻炼的预定时间。控制器232最好向病人提供锻炼指令并提供反馈和增强信息。控制器更详细的操作将在下面给出。
有关病人锻炼完成的存储信息通常每隔一段特定的时间下载给监管的保健专业人员。信息的下载可以通过多种方式进行。如果病人是到保健专业人员的办公室，利用RS232端口或其他端口通过包括标准协议在内的合适协议，控制器232可以直接同监测站/计算机连接。另外，控制器232可以通过RS232端口或其他合适的端口同调制解调器连接。对特定的实施例，由于文件相对小，因此可以使用单个芯片和9伏电源的Rockwell牌2400波特的调制解调器。控制器232能够和监测站利用无线电通讯。那么控制器232应具有一个无线电发射器并且可以有选择地具有一个接收器。与监测站的无线电通讯在下面待审查的美国专利申请中有进一步的描述，斯塔克等人的名称为“用于仪表化矫正器控制装置的通讯系统及其方法”的美国专利申请08/389,680，及名称为“用于仪表化矫正器控制装置的本地监测系统及其方法”的美国专利申请08/804,950，两个专利申请为参考用，在此被组合为一个整体。显示器或电视机也可以通过无线电传送或红外线通讯同控制器232类似地通讯，因此导线的连接就不必要了。
对于同应变传感器相关的电阻值，为了能作为等长锻炼期间所施加压力的尺度，该值必需被参考为近似为“零”的值相当于没有张力施加到矫正器时的一个值。该零值可以由保健专业人员或病人手动调节设置。然而，该“零”值最好是能自动建立而无需使用者校准。另外，由应变传感器得到的阻力变化最好是转换成放大的电压值以有效利用具有特定数量二进制数字的模拟-数字(A/D)转换器。
框图43所示为完成该校准的方案。加法放大器600将基于应变传感器电阻的-个信号相对于从数字-模拟(D/A)转换器602来的一个输入信号放大。该信号从加法放大器600到A/D转换器604。该信号从A/D转换器604到处理器(CPU)606。处理器606对从A/D转换器来的信号是否在所希望的范围内进行评估并且如果将来自A/D转换器的信号恢复到一个特定的范围内合适的话那么处理器606就将该信号调整以使其适应D/A转换器。可以采用松下Semiconductor牌的8比特，8频道D/A芯片。处理器606还使用监测锻炼程序的信号并显示结果，或者将该信号输入不同的处理器以完成上述功能。
图44所示为加法放大器610的实施例。加法放大器610是个两阶段放大器，其包括第一放大器电路612和第二放大器电路614。第一放大器电路612包括连接地线618的应变传感器电阻RSG616，参考电压VREF，源电压VCC和D/A参考电压VD/A。第一放大器电路612还包括放大器624，电容器C36626和电阻R13628,R15630,R16632和R19634。第一放大器电路612输出一个电压V01给第二放大器电路614。
第二放大器电路614包括放大器638和电阻R17640,R18642,R21644和R210646。电阻R210还同时接地。第二放大器电路614输出电压V02及电流i02给A/D转换器604。
对于加法放大器610的输出电压可以如下计算出 ×[R13(R15+R16)+R15R16R13R15-R16R13R19RscrainRscrain(R13+R16)R13R14]]]>X2=((R17+R18R17)-(R18R21R210(R12)2(R21+R210)+R17R21R210))]]>×(R16RscrainRscrain(R13+R19)+R13R19+R16R210R17(R21+R210)+R21R210)]]>X3=(R16R15)((R17+R18R17)-(R16R21R210(R12)2(R21+R210)+R17R210R21))]]>对于通常使用的350欧姆的应变仪/传感器，除了下面所描述的，使用具有1％公差的电阻器可以得到合适的精度。合适的应变仪/传感器可以从维沙微测量集团(罗利，北卡罗莱州)(Vishay MicromeasurementsGroup)(例如125AD型，零件号EK-XX-125AD-350并具有双层铜垫)，或JP技术公司(圣贝纳迪诺，加州)(JP Technologies)购买到。输入电压Vcc可以设定为5.0V±0.1％及VRef可以设定为2.5V±0.1％。然后，电阻器和电容器的一个合适设定值为R13=1kΩ,R15=150kΩ,R16=100kΩ,R17=1.5kΩ,R18=32kΩ,R19=350+0.1％kΩ,R21=2.5kΩ,R210=2.5kΩ,RSG=350±0.1％kΩ及C=0.01μF。利用元件的这些值，使输出电压在大约0V到大约5V之间移动的应变仪电阻的范围是1.2515Ω-1.3568Ω。该加法放大器总共能提供大约为2300的额定增益，精度为+/-0.125ft-1bs。
图45所示为完成校准的流程图660。通过假设病人没有在矫正器上施加力而将D/A输出给加法放大器600的输出设定为中心水平使校准开始662。接着，A/D的输入由CPU606读取664。数字化应变测量值中的误差在期望的设定点上被计算出666，其中放大器600和A/D转换器605的特性给予该设定点。将误差同允许的公差值相比较668。如果误差在公差值内，那么校准终止670。如果误差超出公差值，来自D/A转换器的一个新的输出被计算出670以使来自A/D转换器的输出的误差恢复到公差值的内。来自D/A转换器的输出值被设定674到调整值。然后，来自A/D转换器的输入再次被读取664并且步骤664-668被重复直到误差位于公差值之内。
附属的治疗装置可以和锻炼矫正器结合以帮助关节的康复。例如，控制器232能够将等长锻炼和/或等张锻炼治疗同能量传递变换器治疗协调起来。在斯塔克申请的名称为“支持两个或多个治疗系统的矫正装置及相关方法”的待审查美国专利申请No.08/442,945中公开了锻炼/变换器结合治疗的方案。在此为参考用该申请被组合成一个整体。基于能量传递变换器的治疗包括如超声波治疗，脉冲电磁治疗和导电治疗。
另外，用于缓解由于骨关节炎引起的疼痛的治疗装置也可以通过控制器232或类似装置监测。骨关节炎治疗装置可以有效地单独使用也可以和矫正器结合使用。关节的磨损通常是不均匀的。这就造成由于骨与骨接触使软骨磨损的地方产生疼痛。通过在关节的周围可以放置支撑件以将压力转移到关节磨损较少的部分可以缓解疼痛。
参考图46，其所示为适用于膝关节的骨关节炎支撑件。骨关节炎支撑件680包括限制件682和施力器684。膝关节通常是在中间(内侧)磨损过分。通过在膝关节的侧面(外侧)施加力能够将压力从膝关节的中间转移到侧面，在这种情况下，支撑件可以相应地调整。施力器684可以是一个垫子，一个囊状物或类似装置。施力器684应当将力分部在一个合理的区域内以便不损伤皮肤并且循环或神经功能不发生中断。限制件682可以是任何合适的绑带或类似件以便力在从关节上转移到的合适位置上平衡。
施加到关节上的力最好能测量以避免施加过度的力并监测顺从性。侧向施加的力可以利用施力器684里面或上面的压力传感器或应变传感器686测量和/或利用限制件682上的应变传感器688测量。压力传感器686/应变传感器688可以通过导线690同控制器连接。
上面已对合适的应变传感器进行了描述。压力传感器686可以是任何合适型号的。许多合适的压力传感器都可以购买到。优选的压力传感器包括摩托罗拉(Motorola)生产的MPX系列压力传感器，因为它们的输出成线性并且尺寸小。其他合适的压力传感器使用的是通过绝缘材料隔离表面涂着在表面上的氧化银或当受压时产生电压的压电材料。因为表面应变是囊状物内压力的一个作用，因此合适的应变传感器包括固定在囊状物表面的应变传感器。
用于缓解骨关节炎的骨关节炎支撑件680可以用于锻炼矫正器。等长锻炼或等张锻炼的执行刺激了关节内天然润滑液的分泌。因此，支撑件能够充分地缓解疼痛以进行锻炼，由于润滑液的分泌这种锻炼能进一步地缓解疼痛。锻炼矫正器和骨关节炎支撑件680的结合能大大改善病人的状况。骨关节炎支撑件680能够容易地再设计以用于其他关节或缓解与特定关节非正常磨损有关的疼痛。
其他仪表化的锻炼装置能够和矫正器/支架结合使用并应用单个控制器232或多个控制器，或者单独使用以替代矫正器/支架。外展/内收锻炼装置就是这样的替代锻炼装置。图47所示为仪表化外展/内收锻炼装置700的第一个实施例。锻炼装置700与矫正器702结合使用。外展/内收锻炼装置700包括两个杆臂704,706。杆臂704,706连接在铰链708上。锻炼装置700的杆臂706通过连接件712同矫正器702的铰链710可拆卸地固定。杆臂704同加衬套箍714固定，套箍714能够通过尼龙扣紧固件或类似件固定在病人大腿的周围。
通常，铰链708在选择的方位上可以松开或锁定。铰链708在锁定的方位上用于进行等长锻炼。另外，铰链708可以自由转动，杆臂704,706可以通过弹簧716固定在标定位置上并能够利用施加的力彼此相对运动。使杆臂704,706运动所需的力值可以通过合适地选择弹簧改变。
仪表化外展/内收锻炼装置700包括用于测量锻炼装置700内压力的应变传感器718或类似件。应变传感器718同控制器232或独立的控制单元连接。因此，当病人进行伸曲或压迫并松开锻炼装置700时，作为锻炼程序的一部分，同施加到矫正器上的力相似，病人施加的压力能够被测量，提示和监测。
在该特定的实施例中，外展/内收锻炼装置700利用病人的腿而伸曲。经过简单的修改就可以制出用于身体其他可伸曲部位的锻炼装置，例如通过病人的臂相对于其身体躯干的运动而伸曲的锻炼装置。
参考图48，其所示为外展/内收锻炼装置的另一个实施例，锻炼器械730包括杆臂732,734。杆臂732,734连接在阻力可变化的铰链736上。可变阻力的施加可以利用如上面对照图15-29所描述的机械式阻力施加器完成。另外，也可以使用上面所述的电控可变阻力铰链。杆臂732,734同套箍738,740固定，其中套箍738,740能与病人的腿或其他合适的身体部位结合。
外展/内收锻炼器械730包括合适的传感器例如同铰链736相连的应变传感器742和/或位置传感器744。传感器742,744同控制器232或同另一个合适控制单元/显示器相连。从传感器得到的测量值病人可以用于监测，提示和评估锻炼。
另一种替代的仪表化锻炼器械是仪表化的治疗绳索如绑带或软管。现在销售的这些装置非仪表化的样式有以下几个牌子Thera-Band,MediCordz和StretchCordz。仪表化治疗绳索提供了多方面，低成本的替代锻炼，如上所述，其可以单独使用也可以和仪表化矫正器结合使用。将这些装置的主题统一起来的是弹性绳索，该弹性绳索通过病人提供抵抗运动的阻力。
图49所示为仪表化治疗绳索750的实施例。治疗绳索750包括两个与弹性绳索756相连的手柄/夹子752,754。一个或多个手柄/夹子752可以用套箍758替代，如图50A所示。套箍758可以配合在病人的手腕，肢体，或桌腿及其他刚性物体上用于完成特定的锻炼。如图50B所示，一个或多个手柄/夹子可以用一个紧固件替代，如一个与固定手柄762相连的钩子。将仪表化的治疗绳索紧固在固定的物体上用于完成锻炼的方案有许多。如果愿意还可以应用附加的手柄/夹子或套箍用以完成特定的锻炼。
绳索756通过手柄或类似件同传感器764直接或间接地连接。如图49和50A所示，传感器764连在绳索764与手柄754或套箍758之间，传感器764也可以连接在绳索764的其他位置上。如果传感器764是间接地连接，传感器应当固定在当力施加到绳索756上时经受应变的手柄或类似件上，因此在两个实施例中，应变传感器测量到的力就是施加到绳索上的力。传感器764可以是应变传感器或延展传感器。合适的延展传感器可以购买到，并且是以压电传感器，分子网阻力传感器等为基础。传感器可以连在一个基板上用以固定。传感器760可以同控制器232或其他合适的控制单元连接。
为了利用治疗绳索进行锻炼，手柄/夹子752,754可以连在一个不能移动的物体上，如关闭门的门把手上。然后病人通过手，脚，四肢或身体的其他部位使用另外的手柄/夹子752,754，套箍758等来拉伸绳索以锻炼相应的肌肉。另外，当把治疗绳索750上的两点或多点如两个手柄/夹子752,754接起来时，病人也可以拉伸绳索757。通过适当地选择治疗绳索的布置能够完成许多种锻炼。
为了调节使用治疗绳索锻炼中所需的用力，可以购买阻力不同的治疗绳索。如果愿意，可以通过绳索，手柄或一部分绳索的颜色对阻力的不同级别进行颜色标码。每个具有不同阻力级别的绳索需要进行校准以便应变传感器的示数和所用的力相关联。使用单独的查阅表可以为每一级别的阻力对控制器进行编程。如果将绳索的阻力级别输入控制器，控制器能够产生合适的相关性。
为了进行闭链锻炼，身体的一部分对着基本上不可移动的表面推动。这个表面可以是地板，墙壁，桌面等。为了监测所施加的力，在身体部分与表面之间应用了一个传感器。例如图1中所示的矫正器100其包括脚部支撑件800。脚部支撑件800包括连接件802和压力传感器804。
作为与关节周围矫正器相连的脚部支撑件应用的替代，测力传感器可以为一个独立单元。特别是，脚部支撑件800可以用一个秤810或类似件代替，如图51和52所示。秤810最好包括端口812其用于通过导线同控制器232连接。另一方面，秤810可以包括无线电发送器用于将测量结果传送到控制器232。
如果对其他关节而不是膝关节进行闭链锻炼，可以采用合适的测力传感器。例如，用手对着桌子上的垫式传感器810或墙上的垫式传感器820推动可以锻炼肘关节，如图53所示。这些传感器可以同控制器连接，其中连接方式与同秤810连接的方式相同。
闭链锻炼的进行可以使用多个测力传感器。控制器可以指令病人分别改变两个测力传感器上的力。例如，可以应用两个仪表化的秤，其中一个秤具有受伤腿施加的力而第二个秤具有没受伤的腿施加的力。病人可以在指令下以预先规定的速率切换两腿之间的力。
保健专业人员可以使用监测站来计划和监测病人的治疗。这一功能可以用任何计算机完成。特别是，尽管可以使用基于Unix,Macintosh,LINUX,html，或JAVA的系统，但是Windows系统是最合适的系统。监测站应具有匹配的端口用于同控制器232连接。
对于任何附加治疗装置，包括骨关节炎支撑件，外展/内收锻炼器械，治疗绳索及闭链锻炼监测器，就像对于仪表化矫正器本身一样，显示器可以用于向病人提供概要和统计。
显示的合适统计包括如锻炼时间，重复次数，卡路里的消耗及曲线，其中曲线下面的区域表示病人在一个锻炼循环中所作的功。同样，锻炼期间锻炼目标与实际完成之间的差异也可以显示。
2．矫正器的控制对上述控制器的编程最好是在合适的保健专业人员的控制下进行。下面对所需程序的选择进行进一步的描述。在这部分中，对利用基于控制器的微处理器来监测所选类型的治疗进行了描述。
在一优选实施例中，控制器有四个工作模式关闭(OFF)，待机(STNDBY)，报警(ALERT)，完全打开(FULL ON)。在关闭模式中，原电池和备用电池拆除，控制器中没有发生操作。在待机模式中，原电池电源不供电而是利用备用电池电源维持实时时钟和SRAM的运行。备用电源可以由钮扣电池或类似的电池供电。待机模式通常是在更换电池或电池再充电时应用。
在报警模式中，实时时钟以程序化的周期性间隔产生信号以激活装载的所有电子元件。报警-运行(ALERT-ACTIVE)子模式使所有电路运行。锻炼通常是在报警-运行模式期间完成的。在报警-睡眠(ALERT-SLEEP)子模式中，只有实时时钟和SRAM保持运行。报警-睡眠模式是在锻炼提示之间运行的标准模式。为了能在子模式之间进行切换，在报警模式期间原电池和备用电池电源应该都能利用。可以使用呼叫功能提醒病人锻炼时间已到。
完全打开模式主要用于编程和数据传输操作期间。所有装载的电子元件和显示器处于运行状态。当接口电缆接通时，完全打开模式能够自动被激活。
在优选实施例中，控制器能够提示，监测等长锻炼，运动范围锻炼，本体感受锻炼和/或等张锻炼的完成。当保健专业人员对控制器进行编程后，从该设置中可以选择所希望进行的锻炼及用于该锻炼的相关参数和时间条件。同样，控制器最好能储存两个或多个锻炼程序的设置，其中锻炼程序能够用于相对于康复开始不同的时间间隔内。换而言之，在一个特定的时间段内使用了锻炼程序的第一个设置之后，控制器选择第二个，通常是更困难的锻炼设置以供病人完成。这些锻炼能够用于选择的任何关节。
控制器最好是在进行所选择的锻炼时提示病人。在部分实施例中，当病人准备开始锻炼时按下一个键。监测器上的显示器能够通过用于特定锻炼的合适坐标以图表的形式来显示出病人的运动并将它们同目标进行比较判断是否合适。控制器能够存储一段时间内完成的一套锻炼的所有定点数据或平均数据。在一些实施例中，控制器的按钮为痛感按钮，当病人在锻炼中感到疼痛时按下该按钮。按下该按钮所得到的疼痛点数据可能与时间，方位和活动有关，因此可以得到用于评估锻炼程序的更多信息。
为进行等长锻炼，将铰链/柔性连接件调节到特定的角度。如果使用的是一个手动铰链，该铰链通过手动调节。如果铰链设定到所希望的角度，控制器可以指令病人。在恰当的角度下，病人在一个方向或其他方向上对着固定铰链施加压力。如果施加的压力在目标值的公差范围内，控制器就会指令病人。控制器最好是提示病人锻炼的计时，包括重复速率和维持施力的时间量。在完成所选数量的重复锻炼后，锻炼终止或将铰链选择到一个新的角度。该过程一直重复下去直到病人完成了在所有希望角度上的锻炼。
实现所期望的运动范围(ROM)有益于关节的改善，如上所述，利用具有合适位置传感铰链/柔性连接件的矫正器能够对ROM进行监测。将铰链设置的可以转动，至少是能在可能转动范围内的一部分上能够转动。图54用极坐标描绘出了ROM的完成。角坐标表示矫正器内铰链的角度，径向坐标表示时间。这些程序可以用于四周时间的锻炼或用于其他合适时间段的锻炼。程序的标号越大表示运动的角度范围越大。
上下文中的本体感受是指病人在空间内的方位感觉，如特定关节的弯曲。这个看起来是天生的本领其实是通过锻炼获得的，其包括来自神经知觉的复杂相互作用，其中这些来自传感器的神经知觉被处理并与反馈和校正相结合。一个关节具有几十个单细胞测量传感器高尔基氏腱器，面包状的感受器，鲁菲尼细胞等。大脑和脊髓对来自这些细胞传感器的信息进行处理。当关节损伤时，几十个传感器可能永久损失了。例如，膝关节的前十字韧带具有60多个传感器/感受器细胞，其中当韧带撕裂后它们可能损失掉。身体通过接受来自相邻地方新传感器的信息来弥补感受器的损失。神经系统必需重新了解新的通道和分析。利用合适的矫正器能加快和加强这个过程。
在一个实施例中，控制器显示器通过图形显示来提示动作，例如，为将一个球体放回到一个圆内，病人必需反应迅速，并通过伸曲矫正器内的康复关节在屏幕移动球体。球体在屏幕上的位置通过矫正器内的位置传感器与关节的位置相关联，其中矫正器可操作地同控制器连接。通过改变关节如膝关节的位置，病人能够将球体移回到圆内或其他类似的目标内。病人完成这个动作的时间是有限的。随着病人的进展，给予她的反应时间通常越来越少直到关节完全恢复。对于位于四肢上的关节，可以相对于相对一侧的关节对恢复进行评估。这种锻炼可以编入到很多中游戏环境中进行，其中输入是来自矫正器而不是操作杆或类似件。这种锻炼提高了协作性和协调性。类似的游戏形式也可以用于等长锻炼，其中通过应变传感器测量到的应变量用于移动指针。
因为本体感受包括整个身体，因此并行的肢体如未受伤的肢体对于受伤肢体本体感受的完成有重要的影响。如果将这些肢体如受伤和未受伤的腿一起锻炼是非常有利的。图55所示为合适的本体感受支架780。支架780包括上部骨架元件782和下部骨架元件784，它们通过铰链786相连。合适的绑带788或类似件可以用于将支架780固定在肢体上。绑带788可以带有尼龙扣紧固件或其他简单的紧固系统。
铰链786最好包括位置传感器790，其能够与控制器232相连。在应用中，病人受伤的肢体(如腿)带上仪表化矫正器而未受伤的肢体(如腿)带上本体感受支架，病人可以在指令下在特定时限内将力从一个肢体上转移到另一个肢体上，该特定时限是通过控制器屏幕上所显示物体的运动来指示的。例如，在一系列的闭链锻炼如承重本体感受锻炼中可以指令病人将重量从一条腿上转移到另一条腿上。
除了在铰链/柔性连接上设置所选择的阻力，等张锻炼与关节运动范围锻炼是类似的。阻力可以通过手动装置如上面的阻力装置300来设置或通过控制器操纵的电阻力铰链设置。无论何种情况，所需的阻力值都是通过人工设定或自动设定的。然后关节在一个规定的运动范围内伸缩。控制器可以利用位置传感器和在伸缩期间利用应变传感器所施加的力值监测关节伸缩的程度。应变传感器可以校准以便应变的示数与施加到铰链上的相应扭矩匹配。如果仪表化矫正器包括一个应变传感器和一个位置传感器，那么与这两个不同传感器相关的输出可以在指示器或类似仪器的显示器上用二维运动表示，它们在各自空间的位置由相应传感器的读数决定。
如上所述，控制器上可以加上多种附加装置，如闭链锻炼装置，能量传递变换器，关节传感器等用于协助治疗。通常，这些附加装置运行的监测可以利用控制器以直接的方式实现。下面对闭链锻炼装置的应用进行更详细的描述。
闭链锻炼可以静力/等长模式或以动力/等张模式进行。在静力模式中，病人将膝关节或其他关节弯曲到所希望的角度，然后斜靠在一个相反的表面上以施加所需大小的力。在锻炼期间铰链可以锁定和解锁。在完成许多个程序化的重复后，病人在指令下将关节移到一个不同的方位。在新的方位下，病人根据预先程序化的力的目标数量再次施加力。该过程一直重复下去直到完成了所有方位的锻炼。另外，锻炼可以编到许多游戏中，如障碍滑雪者，篮球罚篮，公路赛路线，简单的移动障碍物曲线图，“pong”等。
图56所示为用于在7个不同角度完成闭链锻炼的过程。图56中所用的为极坐标，其中角坐标代表绕铰链的转动，径向坐标为施加到闭链测力传感器上的力。角度和力可以通过控制器监测并存储下来用于将来的评估。同样，角度和力也可以显示出来用于在锻炼中向病人提供即时的反馈。
为完成动力闭链锻炼，矫正器的铰链在锻炼期间可以自由转动。首先使矫正器处于一个特定的方位。接着，在该方位上施加所希望大小的力并维持一段时间。当力施加在闭链测力传感器上时，铰链转动到另一个选择的方位。在新的方位上，施加的力值改变并维持一段特定的时间。再次，当力正在施加时方位又被改变。该过程根据控制器内的程序重复。动力闭链锻炼产生小的但是有益的并可以控制的关节剪力。
图57中以极坐标的形式表示出来用于单个动力闭链锻炼程序的过程。角坐标与矫正器铰链的角度方位一致而径向坐标为施加在闭链锻炼测力传感器上的力值。箭头表示施加的力或病人锻炼方位的改变而点表示停止点，其中力和方位在此维持固定一段时间。整个锻炼根据预定的程序可以利用相同的参数重复也可以利用不同的参数重复。同样，方位的变化是可逆的以便病人能将铰链从较大的角度移到较小的角度。
控制单元也可以程序化以接收病人的其他输入。特别是，向病人询问可以在锻炼程序的开始，结束或其他时间进行，答案连同有关程序化锻炼完成的有关信息被储存用于下载给保健专业人员。下面对有关询问类型的附加信息作进一步的描述。
作为监测操作的一部分，控制器最好是连续地监测锻炼的执行以防止困难。图58所示为偶然情况处理的实施例。信号通知902病人以启动锻炼。对锻炼的执行进行评估以确定锻炼是否正在被执行904。如果不是，对计数器评估以确定警告界限是否到达906。如果警告界限还没到，用于启动锻炼的提示或信号被重复908，确定锻炼是否正在被执行904的评估被重复。如果警告的界限已经达到，那么对无动作阶段的界限是否已经达到910进行评估。如果无动作阶段的界限还未达到，那么控制器进入睡眠模式912。如果无动作阶段的界限已经达到，那么病人在指示914下呼叫医生。
如果锻炼在步骤904已经开始，那么就对传感器参数进行评估以确定正在执行916的锻炼是否在特定参数范围内。如果它们在公差范围内，那么就对锻炼是否完整918进行评估。如果锻炼是完整的，控制器就进入睡眠模式920。如果锻炼是不完全的，那么对锻炼执行916的评估就重复进行。
如果锻炼不是在公差范围内，就对锻炼进行评估以确定过度的力是否正在施加922。如果过度的力正在施加，就给出924一个声音警告，并且对锻炼916的评估重复进行。如果过度的力没有正在施加，就要确定926预先是否对病人就锻炼没有正确执行进行了最长时间的警告。如果还没有给予最长时间的警告，那么就再次通知928病人并且评估916继续进行。如果预先还没有对病人进行预定时间的警告，就对锻炼参数进行评估以确定930它们是否在程序化的界限内。如果不是，那么参数就被修改932并且评估916重复进行。如果参数在预先程序化的界限内，就确定934预先是否给出了一个误差警告即参数在它们的界限内。如果预先没有给出误差警告，那么就给出936警告并且监测916重复进行。如果预先已给出警告，病人在指示下938呼叫医生并且控制器进入睡眠模式940。
处理器存储的信息周期性地下载给保健专业人员。下载信息的许多方法上面已进行了描述。从原理上讲，控制器可以存储关于完成特别设定的锻炼程序的所有信息并能将这些信息全部下载用于分析。另外，控制器还可以完成一些数据初始分析以减少必须存储和传送的数据量。因此，原始数据或分析过的数据都能够传送。
由控制器完成的初步分析，如果有的话，可以包括在特定时间段内对锻炼组的分组和/或平均和/或在一天内的特定时间所完成的锻炼。这种分析可以包含对进展时间变化的评估以协助保健专业人员评估病人是否取得了充分的改善及评估编入控制器的锻炼程序是否合适。在一个实施例中，控制器下载了下列参数日期，时间，锻炼重复的次数，力的曲线，实现的运动范围的终端，在本体感受游戏中敲击的次数，及病人按动疼痛按钮的次数。
3．矫正器的使用为了降低病人使用矫正器过程中损伤自己的可能，病人在使用矫正器之前最好经过保健专业人员检查。根据对病人状况的评估，对控制器编制合适的锻炼程序。在优选实施例中，监测站利用编程过程协助保健专业人员(HCP)。尤其是，监测站可以引导编程者通过一套问题来涉及所需的锻炼程序。根据对问题的回答，监测站为控制器将程序拼凑在一起。一旦利用合适的协议将控制器通过RS232连接，调制解调器连接，无线电连接，IR连接或其他合适的连接同监测站相连，程序就下载到控制器中。
通常，监测站存储有关特定病人的信息，所以HCP最初通过监测站来确定病人是第一次来还是以前来过。初始问题最好包括一定范围内病人的年龄，性别，涉及的关节和损伤的类型。
在一个优选实施例中，监测器引导HCP通过一系列屏幕显示来填有关五个不同时间段内锻炼执行的信息，如图59-64所示。HCP可以简单说明每一阶段将持续的天数。然后设定将要完成的每种锻炼的参数，见图60-64。监测器可以程序化以根据输入的病人信息来建议锻炼的程序。HCP可以根据需要修改建议程序。
附加的屏幕显示可以用来提供有关附加治疗另外的输入和/或有关控制器和连通控制器方法的信息。一旦HCP完成了锻炼程序的指定，控制器就可以同监测站连接并利用锻炼程序对控制器进行编程。
在规定的时间段内，存储在控制器内有关病人完成锻炼的信息可以下载到监测站。下载的时间间隔可以根据控制器的存贮量，HCP评估进展所用的合适长度等条件确定。信息从控制器到监测站的下载可以在保健设施所在地完成或在远程位置完成。如果在保健设施所在地进行，信息可以通过将控制器直接连在监测站上或通过一个调制解调器，无线电连接，红外线连接等连接下载。远程连通可以通过一个调制解调器连接，无线电连接或其他较长范围的连接如互联网。
合适的分析靠数据进行。例如，下载的有关锻炼的数据能够以原始的形式描绘出来或依照平均或挑选数据的一些形式。如图65-66所示例子。根据对下载数据的评估，HCP可以以最初程序化的形式维持锻炼程序或修改锻炼程序以解决未预料到的进展。在优选实施例中，HCP可以对控制器进行远程再编程以便病人无须到保健设施处就可以完成程序中所需数据的改变。
为了促进监测作用，可以进行实时通讯以便当病人锻炼时保健专业人员可以收到锻炼的有关信息。同样，病人和保健专业人员也可以实时交流。实时通讯包括远程电信会议或视频会议。另外，病人和/或保健专业人员可以接入一个网站以进入或维护数据基础信息和/或作为一个通讯接口。在奥耶恩等人提出的名称为“仪表化矫正器的远程监测”的美国专利申请No.09/266,866中公开了有关这些远程监测方案的附加信息，该申请在此为参考用组合成一个整体。
控制矫正器的微处理器的几个重要功能中的一个就是根据锻炼的执行监测锻炼。通过执行对病人的心理评估可以取得顺从性监测功能的有益附属功能。心理测试可以在治疗过程不直接同锻炼相连的情况下用于评估程序化锻炼的合适性及揭示其他潜在的问题。
心理测试相对简单的形式包括在进行锻炼之前有关病人意愿的问题和完成锻炼后有关锻炼作用的问题。询问可以采取从有代表性的图画选择中进行挑选的形式进行，如一副高兴的面孔，一副皱眉的面孔等等。更复杂的测试包括有关病人对疼痛感觉的问题。有关疼痛的一套系统化的问题已在麦基尔(McGILL)大学提出并被称为麦基尔疼痛调查表(McGILL Pain Questionnaire)。有关麦基尔疼痛调查表进一步的描述发表在R.麦尔扎克的“麦基尔疼痛调查表主要特征和得分方法”疼痛1227-299(1975)中。为了合适可以对问题进行更新和修改。
心理测试可以作为对病人评估的一部分。特别是，锻炼程序可以为部分相应病人的精神态度而修改以帮助进一步顺应锻炼和提高病人的舒适程度。所以这些因素的平衡可以加速病人的康复。在斯塔克等人申请的名称为“康复矫正器”的美国专利申请09/339,071中公开了作为整形外科治疗附属的心理评估应用的附加描述，该申请为参考用在此并入成一个整体。
上述实施例仅为举例而非用于限定。其他的实施例也在下述权利要求的保护范围内。尽管优选实施例对本发明结合进行了描述，但本领域的技术人员在不脱离本发明思想和范围的前体下可以作出形式和细节上的改变。
权利要求
1．一种矫正器，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；连接第一支撑部分和第二支撑部分的铰链；及同铰链相连的阻力施加器，其用于给铰链的转动施加阻力，其中该阻力施加器包括第一表面；第二表面，其通常与第一表面平行并能相对于第一表面有选择地运动；曲柄，其位于第一表面和第二表面之间并且能相对于第一表面转动；及压缩单元；其位于第一表面和第二表面之间，该压缩单元对曲柄相对第一表面的转动施加阻力，该阻力的值同第一表面与第二表面之间的距离有关。
2．根据权利要求1所述的矫正器，其中所述压缩单元包括多个曲柄环，该曲柄环上布置有多个套环并且曲柄环与这些套环摩擦接触，其中曲柄环随曲柄而转动而套环随第一表面而转动。
3．根据权利要求1所述的矫正器，其中所述压缩单元内的压力通过一个旋钮的转动变化，该旋钮的转动改变了第一表面与第二表面之间的距离。
4．根据权利要求1所述的矫正器，其中所述阻力施加器利用一个锁销同铰链可逆地固定。
5．根据权利要求1所述的矫正器，其中所述阻力施加器包括位于第一表面与第二表面之间的弹簧。
6．根据权利要求1所述的矫正器，其中所述铰链包括可选择的终端止动装置，该终端止动装置限定了铰链转动的范围。
7．根据权利要求1所述的矫正器，其中所述阻力施加器提供了转动的阻力，该阻力随铰链的方位而变化。
8．一种矫正器，该矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；连接第一支撑部分和第二支撑部分的铰链；及阻力施加器，其用于将选择性的阻力施加到绕铰链的转动上；及同第一支撑部分可操作地相连接的应变传感器；及控制器，其经过校准并利用应变传感器的电阻来测量所施加的用以使铰链转动的力。
9．根据权利要求8所述的矫正器，其中所述阻力施加器的转动阻力是电子控制的。
10．根据权利要求8所述的矫正器，其中所述阻力施加器的转动阻力是手动控制的。
11．根据权利要求8所述的矫正器，其中所述应变传感器同加法放大器连接，利用一个参考电压对该加法放大器加偏压以使放大器的输出建立在所希望的范围内，该加法放大器的输出传给控制器。
12．根据权利要求8所述的矫正器，其中所述铰链包括一个位置传感器，其提供与铰链方位有关的输出。
13．根据权利要求12所述的矫正器，其中所述控制器包括数字微处理器，且所述矫正器还包括同微处理器可操作连接的显示器，该显示器以二维形式显示光标的运动，其中光标在相应维上的位置与应变传感器和位置传感器的值一致。
14．根据权利要求8所述的矫正器，其中所述控制器包括数字微处理器。
15．一种进行闭链锻炼的方法，该方法包括对着具有重复频率的测力传感器和由基于便携式控制器的数字微处理器所指定的施力目标施加力，测力传感器由施加给病人的外力支持固位；利用控制器测量施加到测力传感器上的力，其中控制器同测量传感器可操作地连接；及显示施加到测力传感器上的力。
16．根据权利要求15所述的进行闭链锻炼的方法，其中所述测力传感器为仪表化的秤。
17．根据权利要求15所述的进行闭链锻炼的方法，其中所述方法还包括利用单独的身体部分给第二测力传感器施加力。
18．根据权利要求15所述的进行闭链锻炼的方法，其中所述测力传感器为靠着不能移动的表面放置的垫式传感器。
19．根据权利要求15所述的进行闭链锻炼的方法，其中所述方法还包括将关节定位在所选择的角度上以进行静力闭链锻炼。
20．根据权利要求15所述的进行闭链锻炼的方法，其中所述方法还包括在施力期间调整关节的角度以进行动力闭链锻炼。
21．根据权利要求20所述的进行闭链锻炼的方法，其中所述显示器显示通过施加目标力能够达到的所要实现的目标。
22．根据权利要求20所述的进行闭链锻炼的方法，其中所述显示器显示通过将关节弯曲到目标角度能够达到的所要实现的目标。
23．根据权利要求20所述的进行闭链锻炼的方法，其中关节角度的方位利用同仪表化矫正器相连的显示器监测，及其中显示器还显示施加的力的大小，力的方位和大小利用光标的二维运动来显示。
24．一种为训练神经进行协调锻炼的方法，该方法包括弯曲关节以便显示器上的光标移动以在所选择和规定的时间到达显示器上的目标位置，光标的运动通过放置在关节上的矫正器内的传感器与关节的运动或应变相关联。
25．根据权利要求24所述的为训练神经进行协调锻炼的方法，其中所述矫正器包括第一支撑部分，其安装在病人关节第一侧上的第一身体部分周围；第二支撑部分，其安装在第二身体部分周围，第二身体部分位于病人关节上与第一身体部分相对的一侧；将第一支撑部分和第二支撑部分相连的柔性连接；位置传感器，其同柔性连接可操作地相连接以便位置传感器能够探测到第一支撑表面相对于第二支撑表面的相对方位。
26．根据权利要求24所述的为训练神经进行协调锻炼的方法，其中所述传感器同控制器可操作地连接，该控制器包括一个数字微处理器。
27．根据权利要求24所述的为训练神经进行协调锻炼的方法，其中所述光标的运动利用应变传感器同关节的应变相关联。
28．根据权利要求24所述的为训练神经进行协调锻炼的方法，其中所述光标在二维空间移动，并且其中一维上的运动同位置传感器的输出一致而在另一维上的运动同应变传感器的输出一致。
29．根据权利要求24所述的为训练神经进行协调锻炼的方法，其中所述方法还包括伸曲第二关节以同时改变连同第一关节运动的显示，其中由于第二关节运动而造成的显示变化由第二关节上的位置传感器或应变传感器的输出决定。
30．根据权利要求29所述的为训练神经进行协调锻炼的方法，其中所述传感器同控制器可操作地连接，所述控制器包括一个数字微处理器，该数字微处理器用于在显示器上为第一关节和第二关节的伸曲设置目标。
31．根据权利要求24所述的为训练神经进行协调锻炼的方法，其中所述传感器是从由应变传感器和位置传感器组成的一组传感器中挑选出来的。
32．一种仪表化的锻炼装置，该装置包括弹性绳索；传感器，其同绳索相连以便施加到绳索上的力从该传感器改变输出；及同传感器可操作相连的显示器。
33．根据权利要求32所述的仪表化锻炼装置，其中所述装置还包括同绳索相连接的手柄。
34．根据权利要求32所述的仪表化锻炼装置，其中所述装置还包括固定在身体部分周围的套箍，同时该套箍还与绳索固定。
35．根据权利要求32所述的仪表化锻炼装置，其中所述绳索包括弹性绑带或弹性管。
36．根据权利要求32所述的仪表化锻炼装置，其中所述传感器为应变传感器或拉伸传感器。
37．根据权利要求32所述的仪表化锻炼装置，其中所述装置还包括同传感器和显示器可操作地连接的数字微处理器。
38．根据权利要求37所述的仪表化锻炼装置，其中所述微处理器被程序化以显示有关完整的锻炼程序的信息。
39．根据权利要求37所述的仪表化锻炼装置，其中所述微处理器包括输出装置，该输出装置是从由串行连接，调制解调器，无线电发送器，红外线发送器和电话连接组成的一组连接中挑选出来的。
40．一种仪表化的锻炼装置，该装置包括骨架，其包括两个连接在一个接头的杆臂；传感器，其同骨架连接以便通过其传感器测量对着骨架所施加的扭力；同传感器可操作连接的显示器。
41．根据权利要求40所述的仪表化锻炼装置，其中所述接头包括铰链。
42．根据权利要求41所述的仪表化锻炼装置，其中所述铰链具有可调节的阻力。
43．根据权利要求40所述的仪表化锻炼装置，其中所述装置还包括一个弹簧，该弹簧固定在杆臂上以便通过杆臂的运动压缩弹簧。
44．根据权利要求40所述的仪表化锻炼装置，其中所述传感器包括应变传感器。
45．根据权利要求44所述的仪表化锻炼装置，其中所述应变传感器的输出与所施加的力相关。
46．根据权利要求40所述的仪表化锻炼装置，其中所述传感器位置传感器，该位置传感器同铰链相连以便该位置传感器的输出与铰链的方位相关联。
47．根据权利要求40所述的仪表化锻炼装置，其中所述装置还包括固定在身体部分上的套箍，其中该套箍还同杆臂固定。
48．根据权利要求40所述的仪表化锻炼装置，其中所述装置还包括同传感器和显示器相连的数字微处理器。
49．根据权利要求48所述的仪表化锻炼装置，其中所述微处理器包括一个输出装置，该输出装置是从由串行连接，调制解调器，无线电发送器，红外线发送器和电话连接组成的一组连接中挑选出来的。
全文摘要
一种矫正器,其具有微处理器控制并放置在病人关节周围用于执行和监测关节的等长,运动范围,本体感受和等张锻炼。矫正器内具有许多改进的硬件元件,它们的使用更方便且能更有效地同控制器相互作用以允许监测更大范围的运动,并且降低了成本及提供了对锻炼的精确评估。对锻炼进行编程,监测及评估的有效方法提供了一套用于受伤关节或衰弱关节康复的综合程序。
文档编号G01L5/00GK1324260SQ99812468
公开日2001年11月28日 申请日期1999年8月30日 优先权日1998年9月1日
发明者约翰·G·斯塔克, 杜安·P·M·奥耶蒽, 托马斯·拜比, 阿瑟·M·洛曼, 乔尔·L·博伊德 申请人:Izex技术有限公司