CN100384391C - 下肢假体和控制其致动机构的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本方法用于控制在患者(10)下体一侧上提供的假体(14)的致动机构(16)，该患者(10)在另一侧具有健康的腿(12)。因此，本方法包括：提供多个人工本体感受器(20)，至少一个人工本体感受器(20)位于健康腿(12)的一侧，且至少一个人工本体感受器(20)位于配备了假体(14)的一侧；在人工本体感受器(20)处实时地产生数据信号；和响应该数据信号，实时地产生控制信号用于控制致动机构(16)。

Description

下肢假体和控制其致动机构的方法及设备
本发明涉及与用于控制动力假体的控制***和/或方法一起使用的下肢人工本体感受器的定位。特别地，本发明良好地适用于控制用于膝上截肢患者的动力假腿。
如控制工程师所公知的，复杂机械***的自动化不是易于实现的。在该***中，众所周知，传统的动力假肢具有控制的问题。这些传统的假体配备有基础控制器，其在不与截肢患者进行交互的情况下人为地使关节运动，并且这些传统的假体仅能产生基本的运动。该基础控制器不考虑工作环境的动力学条件，忽略了这一事实，即需要假体在实际应用中产生适当的控制。它们通常缺乏所需用于预知假肢响应的预见性控制策略，而且缺乏能够针对假体运动调整控制参数的自适应调节。由于人类肢体的运动是一个复杂的过程，包括同时的随意事件、反射事件和随机事件，因此传统的肌电假体不具有同时与人类躯体和外部环境进行交互以具有最小的适当的机能的能力。
考虑到该背景，显而易见的是，需要为用于控制动力假体的控制***和/或方法提供同时与人类躯体和外部环境进行交互的能力，以便于满足截肢患者的需要，特别是膝上截肢的患者。
根据本发明的一个方面，提供了控制在患者下体一侧上提供的假体的致动机构以提供协调的运动的方法，该患者在另一侧具有健康的腿，该方法包括：
提供多个人工本体感受器，至少一个人工本体感受器位于健康腿的一侧，且至少一个人工本体感受器配备了假体；
在人工本体感受器处实时地产生数据信号，所述数据信号提供关于患者的运动的动力学特征的信息；
基于由来自健康腿和假体的数据信号提供的信息，对患者的运动进行分解；和
响应患者的运动，实时地产生控制信号用于控制致动机构。
根据本发明的另一个方面，提供了用于控制在患者下体一侧上提供的假体的致动机构以提供协调的运动的设备，该患者在另一侧具有健康的腿，该设备包括：
多个人工本体感受器，至少一个人工本体感受器构造成位于健康腿的一侧，且至少一个人工本体感受器构造成位于假体的一侧；
用于在人工本体感受器处实时地产生数据信号的装置，所述数据信号提供关于患者的运动的动力学特征的信息；
用于基于由来自健康腿和假体的数据信号提供的信息对患者的运动进行分解的装置；和
用于响应患者的运动而实时地产生控制信号用于控制致动机构的装置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种下肢假体，其构造成设置在患者下体的一侧以提供协调的运动，该患者在另一侧具有健康的腿，该假体包括：
多个人工本体感受器，至少一个人工本体感受器构造成位于健康腿的一侧，且至少一个人工本体感受器配备了假体；
用于在人工本体感受器处实时地产生数据信号的装置，所述数据信号提供关于患者的运动的动力学特征的信息；
用于基于由来自健康腿和假体的数据信号提供的信息对患者的运动进行分解的装置；
至少一个致动机构；和
用于响应患者的运动而实时地产生控制信号用于控制致动机构的装置。
结合附图，从以下说明中可以清楚地看到本发明的这些和其它方面。
图1示出了在一侧配备有假体而在另一侧具有健康腿的患者的下体。
图2是示出了用于具有致动机构的假体的控制***的框图。
图3是配备有足底压力传感器的鞋垫的示意性顶视图。
图4是图3所示传感器的剖面图。
图5a～5d典型的平地行走过程中使用足底压力传感器的四个数据信号的示例。
图6a～6d给出了获得自跟骨区域的足底压力传感器的数据信号及其前三阶导数的示例。
图7a～7d给出了获得自跖趾(MP)区域的足底压力传感器的数据信号及其前三阶导数的示例。
图8a～8d给出了关于跟骨区域条件下的典型的局部足底压力信号及其前三阶导数的过零点的示例。
图9a～9c给出了关于跖趾(MP)区域条件下的典型的局部足底压力信号及其前三阶导数的过零点的示例。
附图示出了根据本发明的优选实施例的下肢的人工本体感受器(20)的定位，其与用于控制具有致动机构(16)的假体(14)的控制***(100)和方法一起使用。应当理解，本发明不限于所说明的实现方案，在不偏离附属权利要求的范围的前提下，可以进行不同的修改和变化。
图1示出了提供在患者(10)下体一侧的假体(14)，该患者(10)在另一侧具有健康腿(12)。在健康腿(12)和假体(14)上均提供人工本体感受器(20)。假体(14)包括致动机构(16)，其可以是无源的或者有源的。无源的致动机构通常可被定义为仅吸收机械能以便于修改假体的机械关节的动力学特征的机电部件，而有源的致动机构通常可被定义为吸收并提供机械能以便于修改假体的机械关节的动力学特征的机电部件。
在2004年7月20日授权的题为“ELECTRONICALLYCONTROLLED PROSTHETIC KNEE”的美国专利No.6,764,520中，描述了无源致动机构的一个示例。在Stéphane Bédard等人于2004年6月10日公布的题为“ACTUATED PROSTHESIS FOR ABOVE-KNEEAMPUTEES”的美国专利申请公布20040111163A1中，描述了有源致动机构的示例，在此引入其全部公开内容作为参考。
图2示出了同人工本体感受器(20)和具有致动机构(16)的假体(14)(诸如图1所示的)相结合的控制***(100)。控制***(100)的目的在于，提供允许控制致动机构(16)的所需信号。为此，控制***(100)使用人工本体感受器(20)连接到截肢患者(10)，用以确保截肢患者(10)和假体(14)的运动之间的正确的协调。人工本体感受器(20)的集合实时地捕获关于截肢患者运动的动力学信息，并且将该信息提供给控制***(100)。然后，在无源致动机构的情况中，控制***(100)用于确定施加给关节的阻力，或者在有源致动机构的情况中，控制***(100)用于确定关节的轨迹以及必须由关节施加的所需的力或者扭矩，以便于提供协调的运动。
应当注意，本发明不限于与图1中说明的机械设置一起使用。控制***(100)可以与具有不止一个关节的假腿一起使用。例如，其可以与这样的假体一起使用，其除了膝关节以外，还具有踝关节、跖趾关节或者髋关节。而且，与传统的空腔不同，还可以使用骨结合设备，保证了假体的机械部件和截肢患者骨骼之间的直接联接。也可以使用其他类型的假体。
图2中示出的控制***(100)包括接口(30)，通过其接收来自人工本体感受器(20)的数据。可以通过适当的线路或者通过无线传输接收它们。来自提供在健康腿(12)上的人工本体感受器(20)的数据信号有利地通过使用适当的射频(RF)模块的无线传输进行发送。当然，也可以使用诸如有线、无线、光等的通信链路技术的多种组合。
驻留在控制器(40)上的软件包含，所有上文提及的使控制***(100)能够提供允许控制致动机构(16)的所需信号的算法。
位于健康腿(12)和假体(14)上的人工本体感受器(20)可以包括肌电传感器、神经传感器、运动学传感器、动力学传感器或足底压力传感器。肌电传感器是用于测量骨骼肌的内部或外部肌电活动的电极。神经传感器是用于测量一个或者多个末梢神经的工作电位的总和的电极。运动学传感器用于测量连接关节的位置、下肢的运动速度或者加速度。动力学传感器用于测量连接关节处的旋转力或者下肢的作用力。足底压力传感器用于测量特定的足下区域的垂直足底压力。当然，还可以使用其他类型的提供关于人类运动的不同的动力学特征的信息的传感器。对于给定的应用，人工本体感受器(20)的使用不限于特定类型的传感器，可以使用多种组合的多个类型的传感器。
控制器(40)确保，基于由人工本体感受器(20)提供的信息，实时地对患者(10)的运动进行分解。根据本发明，发现接收自位于患者(10)健康腿(12)和位于患者(10)的假体(14)的独立的人工本体感受器(20)的数据信号可以提供用于控制假体(14)的致动机构(16)的足够的信息。例如，在足底压力传感器的情况中，基于实验已经注意到，接收自足底压力传感器的数据信号以及这些信号的组合的斜率(一阶导数)、凹度的符号(二阶导数)和凹度的斜率(三阶导数)，给出了关于人类运动的高度准确的和稳定的信息，并且能够将人类运动分解为有限数目个段。该分解确保了下肢的完整的运动动力学特征的正确识别，以便于为人类运动建模。当然，足底压力传感器的使用是作为示例给出的，而并非将人工本体感受器的定义限制于该传感器。
示例
在样本应用中，人工本体感受器(20)可以包括局部足底压力传感器，其测量特定的足下区域的垂直足底压力，并且与一对陀螺仪和运动学传感器相结合，该陀螺仪测量下肢体节的角速度，而该运动学传感器测量假体(14)膝关节的角度。在两只脚下面使用足底压力传感器，这两只脚即健康腿(12)的脚和假体(14)的脚。一个陀螺仪位于健康腿(12)的胫部，而另一个位于膝关节上面的假体(14)的上部，即残留的股部。至于运动学传感器，其位于假体(14)的膝关节。当然，足底压力传感器、陀螺仪和运动学传感器的使用是作为示例给出的，而并非将人工本体感受器的定义限制于该传感器。
在图4中，在定制的鞋垫(18)中，提供了足底压力传感器(20)，其(20)优选地具有标准整形鞋垫的形式，对该鞋垫进行修改用以嵌入两个用于测量两个局部足底压力的传感器(20)。如图5中所示，每个传感器(20)优选地包括薄的力敏电阻(FSR)聚合物单元(22)，其直接连接到接口(30)或者使用中间***(未示出)，例如无线发射机，间接地连接到接口(30)。FSR单元(22)具有响应垂直施加到其表面上的力的增加而减小的电阻。每个单元(22)输出时变电信号，其强度与其表面区域上的总的垂直足底压力成比例。根据运动过程中由特定的足下区域提供的局部足底压力信号的稳定性和丰度(强度)定义足底压力传感器(20)的尺寸和位置。
实验证明，许多数据与足压力的空间分布有关，更具体地，有关运动过程中的足底压力最大变化(PPMV)。PPMV被定义为运动过程中特定点(具有坐标i，j的足下区域)处的足底压力的最大变化。图3中的X-Y轴(19)用于确定每个足下区域的i，j坐标。通过实验发现，跟骨和跖趾(MP)区域是两个其中可认为PPMV提供了稳定的和信息丰富的信号的足底区域。
在表1中示出了压力传感器的归一化的位置和它们的尺寸，其中长度L和宽度W分别是对象脚的长度和宽度。表1中的系数是通过实验获得的。足底压力传感器(20)的典型的直径在20～30mm之间。
表1：足底压力传感器的归一化的位置和尺寸
Figure C0381987900181
图5a～5d示出了在标准的109.5步/分钟的步行路线过程中来自四个局部足底压力传感器(20)的数据信号的示例。这四个信号fr1(t)、fr2(t)、fr3(t)和fr4(t)对应于，左脚的跟骨区域处的局部足底压力随时间的变化(图5a)、左脚的MP区域处的局部足底压力随时间的变化(图5b)、右脚的跟骨区域处的局部足底压力随时间的变化(图5c)和右脚的MP区域处的局部足底压力随时间的变化(图5d)。
图6a～6d和图7a～7d针对109.5步/分钟的直线步行路线，分别示出了跟骨区域和MP区域处的局部足底压力以及它们的一阶、二阶和三阶导数的图线的示例。
图8a～8d通过图线示出了在跟骨区域条件下关于典型的局部足底压力及其前三阶导数的过零点，其可由控制器(40)使用，用以分解患者(10)的运动，而图9a～9c通过图线示出了在MP区域条件下关于典型的局部足底压力及其前三阶导数的过零点。这示出了不同的数据和导数信号之间的关系。
在Stéphane Bédard于2003年6月20日提交、于2004年3月11日公布的题为“CONTROL SYSTEM AND METHOD FORCONTROLLING AN ACTUATED PROSTHESIS”的美国专利申请公布No.20040049290A1中，描述了使用包括足底压力传感器以及陀螺仪和运动学传感器的人工本体感受器的控制器(40)和控制***(100)。

Claims (78)

1.一种控制在患者(10)下体一侧上提供的假体(14)的致动机构(16)以提供协调的运动的方法，该患者(10)在另一侧具有健康的腿(12)，该方法包括：
提供多个人工本体感受器(20)，至少一个人工本体感受器(20)位于健康腿(12)的一侧，且至少一个人工本体感受器(20)位于配备了假体(14)的一侧；
在人工本体感受器(20)处实时地产生数据信号，所述数据信号提供关于患者(10)的运动的动力学特征的信息；
基于由来自健康腿(12)和假体(14)的数据信号提供的信息，对患者(10)的运动进行分解；和
响应患者(10)的运动，实时地产生控制信号用于控制致动机构(16)。
2.权利要求1的方法，其中至少一个数据信号是经由有线连接提供的。
3.权利要求1的方法，其中至少一个数据信号是经由无线连接提供的。
4.权利要求1的方法，其中致动机构(16)是吸收机械能量以便于修改假体(14)的机械关节的动力学特征的无源机电部件。
5.权利要求1的方法，其中致动机构(16)是吸收和提供机械能量以便于修改假体(14)的机械关节的动力学特征的有源机电部件。
6.权利要求1的方法，其中人工本体感受器(20)包括肌电传感器。
7.权利要求6的方法，其中肌电传感器包括用于测量患者(10)的骨骼肌的肌电活动的外部电极。
8.权利要求6的方法，其中肌电传感器包括用于测量患者(10)的骨骼肌的肌电活动的内部电极。
9.权利要求1的方法，其中人工本体感受器(20)包括神经传感器。
10.权利要求9的方法，其中神经传感器是用于测量患者(10)的末梢神经的一个或者多个工作电位的总和的电极。
11.权利要求1的方法，其中人工本体感受器(20)包括运动学传感器。
12.权利要求11的方法，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的连接关节的位置的装置。
13.权利要求11的方法，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的运动速度的装置。
14.权利要求11的方法，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的运动加速度的装置。
15.权利要求11的方法，其中至少一个运动学传感器位于患者(10)的健康腿(12)的胫部。
16.权利要求11的方法，其中至少一个运动学传感器位于假体(14)的空腔中。
17.权利要求1的方法，其中人工本体感受器(20)包括动力学传感器。
18.权利要求17的方法，其中动力学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的连接关节处的旋转力的装置。
19.权利要求17的方法，其中动力学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分处的作用力的装置。
20.权利要求17的方法，其中至少一个动力学传感器位于假体(14)的贯胫柱。
21.权利要求1的方法，其中人工本体感受器(20)包括足底压力传感器。
22.权利要求21的方法，其中足底压力传感器包括测量至少一个人体平面中的足下区域处的压力的力敏电阻。
23.权利要求21的方法，其中至少一个足底压力传感器位于健康腿(12)的脚的跖趾区域且至少一个足底压力传感器位于健康腿(12)的脚的跟骨区域。
24.权利要求21的方法，其中至少一个足底压力传感器位于假体(14)的假脚的跖趾区域且至少一个足底压力传感器位于假体(14)的假脚的跟骨区域。
25.权利要求4的方法，其中所述控制信号包括由所述无源机电部件施加给所述假体(14)的机械关节的阻力。
26.权利要求5的方法，其中所述控制信号包括所述机械关节的轨迹和由所述有源机电部件施加给所述假体(14)的机械关节的扭矩。
27.一种用于控制在患者(10)下体一侧上提供的假体(14)的致动机构(16)以提供协调的运动的设备，该患者(10)在另一侧具有健康的腿(12)，该设备包括：
多个人工本体感受器(20)，至少一个人工本体感受器(20)构造成位于健康腿(12)的一侧，且至少一个人工本体感受器(20)构造成位于假体(14)的一侧；
用于在人工本体感受器(20)处实时地产生数据信号的装置，所述数据信号提供关于患者(10)的运动的动力学特征的信息；
用于基于由来自健康腿(12)和假体(14)的数据信号提供的信息对患者(10)的运动进行分解的装置；和
用于响应患者(10)的运动而实时地产生控制信号用于控制致动机构(16)的装置。
28.权利要求27的设备，其中至少一个数据信号是经由有线连接提供的。
29.权利要求27的设备，其中至少一个数据信号是经由无线连接提供的。
30.权利要求27的设备，其中致动机构(16)是吸收机械能量以便于修改假体(14)的机械关节的动力学特征的无源机电部件。
31.权利要求27的设备，其中致动机构(16)是吸收和提供机械能量以便于修改假体(14)的机械关节的动力学特征的有源机电部件。
32.权利要求27的设备，其中人工本体感受器(20)包括肌电传感器。
33.权利要求32的设备，其中肌电传感器包括用于测量患者(10)的骨骼肌的肌电活动的外部电极。
34.权利要求32的设备，其中肌电传感器包括用于测量患者(10)的骨骼肌的肌电活动的内部电极。
35.权利要求27的设备，其中人工本体感受器(20)包括神经传感器。
36.权利要求35的设备，其中神经传感器是用于测量患者(10)的末梢神经的一个或者多个工作电位的总和的电极。
37.权利要求27的设备，其中人工本体感受器(20)包括运动学传感器。
38.权利要求37的设备，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的连接关节的位置的装置。
39.权利要求37的设备，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的运动速度的装置。
40.权利要求37的设备，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的运动加速度的装置。
41.权利要求37的设备，其中至少一个运动学传感器位于患者(10)的健康腿(12)的胫部。
42.权利要求37的设备，其中至少一个运动学传感器位于假体(14)的膝关节处。
43.权利要求27的设备，其中人工本体感受器(20)包括动力学传感器。
44.权利要求43的设备，其中动力学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的连接关节处的旋转力的装置。
45.权利要求43的设备，其中动力学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分处的作用力的装置。
46.权利要求43的设备，其中至少一个动力学传感器位于假体(14)的贯胫柱。
47.权利要求27的设备，其中人工本体感受器(20)包括足底压力传感器。
48.权利要求47的设备，其中足底压力传感器包括测量至少一个人体平面中的足下区域处的压力的力敏电阻。
49.权利要求47的设备，其中至少一个足底压力传感器位于健康腿(12)的脚的跖趾区域且至少一个足底压力传感器位于健康腿(12)的脚的跟骨区域。
50.权利要求47的设备，其中至少一个足底压力传感器位于假体(14)的假脚的跖趾区域且至少一个足底压力传感器位于假体(14)的假脚的跟骨区域。
51.权利要求30的设备，其中所述控制信号包括由所述无源机电部件施加给所述假体(14)的机械关节的阻力。
52.权利要求31的设备，其中所述控制信号包括所述机械关节的轨迹和由所述有源机电部件施加给所述假体(14)的机械关节的扭矩。
53.一种下肢假体(14)，其构造成设置在患者(10)下体的一侧以提供协调的运动，该患者(10)在另一侧具有健康的腿(12)，该假体(14)包括：
多个人工本体感受器(20)，至少一个人工本体感受器(20)构造成位于健康腿(12)的一侧，且至少一个人工本体感受器(20)位于配备了假体(14)的一侧；
用于在人工本体感受器(20)处实时地产生数据信号的装置，所述数据信号提供关于患者(10)的运动的动力学特征的信息；
用于基于由来自健康腿(12)和假体(14)的数据信号提供的信息对患者(10)的运动进行分解的装置；
至少一个致动机构(16)；和
用于响应患者(10)的运动而实时地产生控制信号用于控制致动机构(16)的装置。
54.权利要求53的假体(14)，其中至少一个数据信号是经由有线连接提供的。
55.权利要求53的假体(14)，其中至少一个数据信号是经由无线连接提供的。
56.权利要求53的假体(14)，其中致动机构(16)是吸收机械能量以便于修改假体(14)的机械关节的动力学特征的无源机电部件。
57.权利要求53的假体(14)，其中致动机构(16)是吸收和提供机械能量以便于修改假体(14)的机械关节的动力学特征的有源机电部件。
58.权利要求53的假体(14)，其中人工本体感受器(20)包括肌电传感器。
59.权利要求58的假体(14)，其中肌电传感器包括用于测量患者(10)的骨骼肌的肌电活动的外部电极。
60.权利要求58的假体(14)，其中肌电传感器包括用于测量患者(10)的骨骼肌的肌电活动的内部电极。
61.权利要求53的假体(14)，其中人工本体感受器(20)包括神经传感器。
62.权利要求61的假体(14)，其中神经传感器是用于测量患者(10)的末梢神经的一个或者多个工作电位的总和的电极。
63.权利要求53的假体(14)，其中人工本体感受器(20)包括运动学传感器。
64.权利要求63的假体(14)，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的连接关节的位置的装置。
65.权利要求63的假体(14)，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的运动速度的装置。
66.权利要求63的假体(14)，其中运动学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的运动加速度的装置。
67.权利要求63的假体(14)，其中至少一个运动学传感器位于患者(10)的健康腿(12)的胫部。
68.权利要求63的假体(14)，其中至少一个运动学传感器位于假体(14)的膝关节处。
69.权利要求53的假体(14)，其中人工本体感受器(20)包括动力学传感器。
70.权利要求69的假体(14)，其中动力学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分的连接关节处的旋转力的装置。
71.权利要求69的假体(14)，其中动力学传感器包括用于测量患者(10)的下肢部分处的作用力的装置。
72.权利要求69的假体(14)，其中至少一个动力学传感器位于假体(14)的贯胫柱。
73.权利要求53的假体(14)，其中人工本体感受器(20)包括足底压力传感器。
74.权利要求73的假体(14)，其中足底压力传感器包括测量至少一个人体平面中的足下区域处的压力的力敏电阻。
75.权利要求73的假体(14)，其中至少一个足底压力传感器位于健康腿(12)的脚的跖趾区域且至少一个足底压力传感器位于健康腿(12)的脚的跟骨区域。
76.权利要求73的假体(14)，其中至少一个足底压力传感器位于假体(14)的假脚的跖趾区域且至少一个足底压力传感器位于假体(14)的假脚的跟骨区域。
77.权利要求56的假体(14)，其中所述控制信号包括由所述无源机电部件施加给所述假体(14)的机械关节的阻力。
78.权利要求57的假体(14)，其中所述控制信号包括所述机械关节的轨迹和由所述有源机电部件施加给所述假体(14)的机械关节的扭矩。
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