CN105455997B - 一种个性化全身振动治疗平台和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种个性化的全身振动治疗平台和控制方法，平台配置压力传感器，能对人体站立治疗时的足底压力分布情况进行实时监测，并在中央处理器中对足底压力进行分析。根据压力的分布情况得到标准压力中心和实际压力中心，并将其位置差转换为平衡加速度；同时通过足底压力的测量，记录足底压力中心的偏移情况，根据摆动情况调整预设加速度。在治疗中，预先加速度和平衡加速度求和得到校准加速度，校准加速度为校正后的目标加速度。将校准加速度和振动治疗时平台的实时加速度进行比较，通过闭环控制策略自动调节振动强度并使***尽快达到稳定。本发明通过调节校准加速度的方式进行自适应，做出振动强度调整，并使应力刺激的传导达到最佳效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种个性化的全身振动治疗平台和控制方法，尤其涉及一种针对人体不同平衡状态下的垂直往复运动治疗人体骨质疏松的全身振动仪器装置和控制方法。
背景技术
骨质疏松症是目前绝经期女性和老年人中常见的骨骼性疾病。治疗的方法主要有药物疗法、营养疗法和运动疗法。其中的药物和营养疗法存在较大弊端和局限性，运动疗法是唯一的非药物疗法，具有疗效可靠、副作用小、持续时间长等优点。全身振动（whole bodyvibration，WBV）是振动疗法中的一种。是指借助于振动仪器，使振动刺激通过下肢传导到躯干并作用于全身，使机体整体振动，起到类似于身体运动的作用，以达到改善骨质疏松状况目的的方法。
研究表明，绝经期的女性不仅易患骨质疏松，而且平衡能力也会下降；同样的，老年人随着年纪的增长平衡能力也会逐渐下降。我们知道，振动刺激的传导在人体的不同平衡状态下是不同的，尤其受到站立时足部受力中心位置的影响，当足部受力中心越靠近脚后跟时，振动刺激的传导越好，损耗越少；当足部受力中心越远离脚后跟时，振动刺激的传导越不好，损耗越大。此外，全身振动治疗初期由于头部震动与眼球震颤同时发生，使用者容易由于不适应感引发眩晕，进而引发平衡障碍。平衡障碍多为旋转性或上下左右摇摆性运动感，同样影响治疗效果。
现有的全身振动平台主要提供一个垂直位移，人站立在振动台上每一个点都维持着相同的振动。一个全身振动平台可提供几种不同的振动频率和强度的选项。但是频率和强度一经设定，人站立上去治疗的过程中并不会随人体的平衡状态改变而发生改变，这样导致振动刺激的传导在治疗过程中是不稳定的且非自适应的。尤其地，当绝经期女性或老年人进行治疗过程中由于久站而难以保持标准直立站姿时，振动刺激的传导由于受力中心的偏移而产生较大的损耗，导致无法达到最佳的治疗效果；而当使用者在治疗过程中由于全身振动引发眩晕感时，容易引起站立不稳和自发倾倒的现象发生。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明首先提出了一种个性化全身振动治疗平台，该平台能够对人体站立治疗时的受力进行实时的监测和分析，将人体平衡状况引入振动的闭环控制***并自动调节振动强度，以达到最佳的全身振动治疗效果。
本发明的又一目的是提出一种个性化全身振动治疗的控制方法，根据不同使用者在振动治疗过程中的平衡状态的改变，调节预设加速度并引入平衡加速度对实际治疗过程中的目标加速度进行校准，通过闭环控制策略自动调节振动强度，以实现到最优的振动输出。
为了实现上述目的，本发明的具体内容如下：
一种个性化全身振动治疗平台，包括全身振动治疗装置和设置在全身振动治疗装置内的传感器，其中的传感器包括加速度传感器和压力传感器；其中加速度传感器监测全身振动平台实时的加速度；压力传感器监测人体站立时的足底受力情况。
优选地，所述全身振动治疗装置包括底板、顶板、振动臂、电机、弹簧、加速度传感器和压力传感器及硬件电路组成；
电机装配在底板，提供振动源；电机与振动臂连接，振动臂通过机械传导结构与顶板配合，从而将振动传送至顶板；弹簧一端与底板连接，一端与顶板连接，辅助产生振动并对振动起到缓冲作用；加速度传感器垂直安装于顶板的下表面，用于监测振动平台的振动加速度；压力传感器安装在顶板的上表面，用于监测人体站立时的足底受力情况；
硬件电路安装在底板上，硬件电路包括加速度处理模块、压力处理模块、模-数转换模块、中央处理器、数-模转换模块、脉宽调制模块；所述加速度传感器与加速度处理模块连接，压力传感器与压力处理模块连接，加速度处理模块和压力处理模块的输出接入模-数转换模块，模-数转换模块的输出接入中央处理器，中央处理器输出接入数-模转换模块，数-模转换模块的输出接入脉宽调制模块，脉宽调制模块的输出接入电机。
一种个性化全身振动治疗控制方法，是在全身振动治疗装置内的设置有加速度传感器和压力传感器；其中加速度传感器监测全身振动平台实时的加速度；压力传感器监测人体站立时的足底受力情况。压力传感器得到的压力分布情况，并通过形态学结构计算出标准压力中心点SCOP，通过实际压力分布计算出实际压力中心点ACOP，标准压力中心点SCOP与实际压力中心点ACOP的差值通过线性/非线性关系转化为平衡加速度BA；记录每个时间段T内的实际压力中心点ACOP摆动的情况，根据摆动情况分成不同等级（可判定使用者是否产生眩晕感并对此眩晕情况做出分级。分级后的眩晕情况可依次对应调节全身振动平台的预设加速度PA），根据摆动情况的等级结果对预设加速度PA进行调整；
将调整后的预设加速度PA与平衡加速度BA求和得到校准加速度RA，校准加速度RA为校正后的目标加速度，用于将人体在非平衡状态下导致的应力刺激传导损耗及由于晕眩导致的足底压力中心摆动，通过调整个性化全身振动治疗平台目标振动幅度的方式得到补偿。
优选地，以校准加速度RA为输入参量参与闭环控制策略自动调节振动强度；具体地，加速度传感器测得振动时的实时加速度RTA与校准加速度RA进行比较，实时加速度RTA小于校准加速度RA时，增大振动强度；实时加速度RTA大于校准加速度RA时，则减小输出振动强度；调节后的输出振动强度又改变振动平台的实际加速度RTA，***进入闭环控制策略，可以快速达到稳定。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1）本发明提出的个性化全身振动治疗平台考虑了使用者站立平衡能力的差异及使用过程中易发生晕眩的情况，针对使用者在治疗过程中出现的不同平衡状态下应力刺激向上传导的损耗及由于晕眩导致的足底压力中心摆动，通过调节校准加速度的方式进行自适应，做出自动的振动强度调整，并使应力刺激的传导达到最佳效果。
2）本发明所述的个性化全身振动治疗平台的压力传感器能够实时监测使用者脚型压力分布情况，并在中央处理器中计算出标准压力中心点SCOP和实际压力中心点ACOP，将两个参量的差值通过线性/非线性关系转化为平衡加速度BA，并记录实际压力中心点ACOP的摆动情况调节预设加速度PA，最终平衡加速度BA和预设加速度PA共同参与校正目标加速度。
3）个性化全身振动治疗平台还提供了一种优化的闭环控制方法：引入校准加速度RA（而非***预设加速度PA）和实时加速度RTA进行比较，通过闭环控制策略自动调节振动强度。这样在使用者重心偏移导致足部受力中心偏移时，***将增大输出振动强度。使用者保持平衡稳定时，个性化全身振动治疗平台能在小于1s的时间内达到稳定的振动输出。
附图说明
图1为个性化全身振动平台的具体实施例的整体结构图。
图2为个性化全身振动平台的具体实施例的矩形片式压力测量垫示意图。
图3为个性化全身振动平台所需硬件电路连接示意图。
图4为个性化全身振动平台控制方法的流程示意图。
具体实施方式
按照本发明的具体实施例是针对使用者治疗时的平衡能力差异及晕眩反应而进行个性化全身振动治疗的仪器和装置。由于骨质疏松症多见于绝经期女性和老年人，他们的平衡能力也随着年龄的增长有所下降。因此，本发明的具体实施例主要是提供一种个性化全身振动治疗平台，可以同时监测振动平台的振动情况和使用者的平衡状态，并且提供一种控制方法，可以将使用者的平衡状态当成可变参量输入到闭环控制策略之中。
在具体实施例中，个性化全身振动治疗平台结构如图1所示：底板107通常为矩形，放置于水平地面起支撑的作用，电机106放置于底板中间提供垂直振动源与振动臂105连接，振动臂105通过机械传导结构与顶板101配合从而将振动传导至振动平台顶部；弹簧104一端与底板107连接，一端与顶板101连接，辅助产生振动并对振动起到一定的缓冲作用。此外103为固定加速度传感器的模块，垂直安装于顶板101的下部。压力传感器102贴紧放置于顶板101之上，底板107可放置配套的硬件电路。
个性化全身振动治疗平台中的传感器既属于***装置的一部分，又属于硬件电路的一部分，同时传感器所采集的信号参与了闭环控制策略。
加速度传感器主要用于监测振动平台的实时加速度RTA，在具体实施例中，可选用可测X、Y轴方向加速度值的二维加速度计，亦可选用可测X、Y、Z轴方向加速度值的三维加速度计。加速度计以振动方向为Y轴安装在个性化全身振动治疗平台的顶板114下部，由于振动方式为周期性的垂直振动，故加速度计测得的加速度值为周期性的类似正弦信号，且均值为1g。通过加速度计得到的信号输出为电压输出，经过加速度处理模块的放大、滤波处理后得到不含有噪声及毛刺的模拟信号，通过模-数模块将模拟信号转换为数字信号，接入中央处理器芯片中。
压力传感器主要用于监测使用者在治疗过程中足底的压力分布情况，安装在个性化全身振动平台顶板的表面，并严格与顶板保持贴合。从解剖学上来说，足底分为10个区域： 第1趾、第2~5趾、第1跖骨、第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨、足中部、足跟内侧和足跟外侧。为使压力传感器能分辨足底的每一个解剖学结构，如图2所示，在具体实施例中，设计两个长为300mm宽为150mm的矩形片式压力测量垫，两个压力测量垫又被划分为200个15mm×15mm的小矩形框。传感器选用电阻式应变片压力传感器，放置于15mm×15mm矩形框中心。200个传感器构成一个传感器阵列，利用多个多路模拟开关组合成256通路模拟开关器，实现200路信号的快速切换传输。压力传感器空载时，输出为0V，受力后输出正比于受力大小的电信号。当压力传感器输出最大为0.05V时，为满足模数转换的要求，需先经过压力处理模块进行放大、滤波后使得最大电压不超过3.3V或5V（该电压值取决于模-数转换模块的门限电压）。用2路信号完成两个矩形片式压力测量垫的信号传输，再经由模-数转换模块将模拟信号转换为数字信号，接入中央处理器芯片中。
个性化全身振动治疗平台对应的硬件电路如图3所示。如上所述，加速度传感器201采集到振动平台的加速度信号，经由加速度处理模块203的放大、滤波后再经由模-数模块205将模拟信号转换为数字信号；同样的，压力传感器202采集到人体站立时的足底压力信号，经由压力处理模块204的放大、滤波后再经由模-数模块205将模拟信号转换为数字信号。转换为数字信号的加速度信号和压力信号即可在中央处理器206中进行设定的信号处理。待中央处理器206做出决策输出振动的数字信号，又经由数-模转换模块207将数字信号转换为模拟信号，再经由功率放大模块208放大后驱动电机209产生振动。
在具体实施例中，中央处理器输出的振动信号经由数-模转换模块处理后为正弦波信号，由于该信号最大幅值受到中央处理器的门限电压限制（通常是3.3V或5V），其输出功率不足以提供电机合适大小的驱动，故再经由功率放大模块进行信号放大，得到与输入电压成比例的输出电压。在具体实施例中，功率放大模块可选用D类音频放大器，其特点是转换效率高、体积小、功率消耗低，其输出为两路幅值相等、占空比变化的脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）信号，再通过两个积分电路可以得到两路反相的放大正弦模拟信号。经由功率放大模块放大后的信号可以向电机提供足够大的驱动功率。提供振动源的电机选用无刷音圈电机。
本发明所述的个性化全身振动治疗平台的压力传感器监测使用者在治疗过程中足底的压力分布情况，经由压力处理模块放大、滤波后通过模-数转换输入中央处理器，可在中央处理器中得到每一个微型压力传感器对应的放大后瞬时输出电压。通过微型压力传感器的输出电压分布可得到足底的形态学结构分布，根据形态学结构分布可以计算得到标准压力中心点SCOP（即认为压力中心在该点时振动刺激的向上传导是最有效的，SCOP依使用者的足底形态学结构而各异）；通过微型压力传感器的输出电压大小和分布，可计算得到实际压力中心点ACOP。标准压力中心点SCOP与实际压力中心点ACOP的位置差通过线性/非线性关系转化为平衡加速度BA。
研究表明，频率约为30Hz、振动幅度约为0.3g的应力刺激可以有效增加人体骨矿物质含量，但具体的治疗效果因人而异。在具体实施例中，将个性化全身振动治疗平台的目标频率设置为30Hz，可通过设定输出的振动正弦波信号周期为1/30s实现；将个性化全身振动治疗平台的初始加速度预先设定为0.3g，在治疗过程中，实时记录实际压力中心点ACOP的位置变化情况，将每10s内摆动情况分成不同等级。根据摆动情况的等级结果分别对预设加速度PA进行调整。优选的，0级对应10s内往复摆动0次；1级对应10s内往复摆动1次；2级对应10s内往复摆动2次；以此规律递增。当摆动等级为0级时，不对预设加速度PA进行调整；当摆动等级为1级时，对预设加速度值减小0.02；当摆动等级为2级时，对预设加速度值减小0.04；以此规律递增。
此外，考虑到使用者的平衡情况改变会影响振动刺激的向上传导效率，引入实时的平衡加速度BA，将调整后的预设加速度PA与平衡加速度BA求和得到校准加速度RA。校准加速度RA为校正后的目标加速度，其目的是将人体在非平衡状态下导致的应力刺激传导损耗及由于晕眩导致的足底压力中心摆动，通过调整个性化全身振动治疗平台目标振动幅度的方式得到补偿。
本发明同时提供了一种优化的控制方法，其工作流程如图4所述。安装在振动治疗平台顶板下的加速度传感器测得振动时的实时加速度RTA，经由加速度处理模块放大、滤波后得到成比例放大的干净加速度信号，再经由模-数转换后得到数字信号入中央处理器；利用压力传感器测得的压力信号，在中央处理器中计算得到平衡加速度BA后与预设加速度PA后求和得到校准加速度RA。在中央处理器中将实时加速度RTA与校准加速度RA进行比较。实时加速度RTA较校准加速度RA小时，增大振动强度；反之，实时加速度RTA较校准加速度RA大时，则减小输出振动强度。使用者保持状态稳定时，个性化全身振动治疗平台能在小于1s的时间内达到稳定的振动输出。
优选的，采用双阈值法作为加速度比较方法。由于加速度信号为周期性的类似正弦波信号，当预设振动加速度为0.3g时，实际对应的是均值为1g，峰-峰值为0.3g的加速度波形（即波峰值为1.15g，波谷值为0.85g的周期性类似正弦信号）。若在某个瞬时得到平衡加速度为0.1g，则校准加速度RA为0.4g（对应为波峰值为1.2g，波谷值为0.8g的周期性类似正弦信号）。当个性化全身振动治疗平台的加速度允许误差为±20%时，我们取校准加速度RA的波峰值（或波谷值）的最大允许误差的下限值作为第一门限值（threshold1，T1），这里T1=1.16g；取校准加速度RA取最大允许误差的上限值作为第二门限值（threshold2，T2），这里T2=1.24g。将实时加速度RTA的波峰值与第一门限值T1、第二门限值T2进行比较：当RTA<T1且RTA< T2时，增大输出振动强度；当T1≤ RTA≤T2时，输出振动强度保持不变；当RTA>T1且RTA> T2时，减小输出振动强度。调节后的输出振动强度又反过来改变振动平台的实际加速度RTA，***进入闭环控制策略，可以快速达到稳定。
Claims (4)
1.一种个性化全身振动治疗平台，其特征在于，包括全身振动治疗装置和设置在全身振动治疗装置内的传感器，其中的传感器包括加速度传感器和压力传感器；其中加速度传感器监测全身振动平台实时的加速度；压力传感器监测人体站立时的足底受力情况；
压力传感器得到足底压力分布情况，并通过形态学结构计算出标准压力中心点SCOP，通过实际压力分布计算出实际压力中心点ACOP，标准压力中心点SCOP与实际压力中心点ACOP的差值通过线性/非线性关系转化为平衡加速度BA，记录实际压力中心点ACOP的摆动情况调节预设加速度PA，平衡加速度BA和调整后的预设加速度BA共同参与校正目标加速度。
2.根据权利要求1所述的个性化全身振动治疗平台，其特征在于，所述全身振动治疗装置包括底板、顶板、振动臂、电机、弹簧、加速度传感器和压力传感器及硬件电路；
电机装配在底板，提供振动源；电机与振动臂连接，振动臂通过机械传导结构与顶板配合，从而将振动传送至顶板；弹簧一端与底板连接，一端与顶板连接，辅助产生振动并对振动起到缓冲作用；加速度传感器垂直安装于顶板的下表面，用于监测振动平台的振动加速度；压力传感器安装在顶板的上表面，用于监测人体站立时的足底受力情况；
硬件电路安装在底板上，硬件电路包括加速度处理模块、压力处理模块、模-数转换模块、中央处理器、数-模转换模块、脉宽调制模块；所述加速度传感器与加速度处理模块连接，压力传感器与压力处理模块连接，加速度处理模块和压力处理模块的输出接入模-数转换模块，模-数转换模块的输出接入中央处理器，中央处理器输出接入数-模转换模块，数-模转换模块的输出接入脉宽调制模块，脉宽调制模块的输出接入电机。
3.一种个性化全身振动治疗控制方法，其特征在于，在全身振动治疗装置内设置有加速度传感器和压力传感器；其中加速度传感器监测全身振动平台实时的加速度；压力传感器监测人体站立时的足底受力情况；
压力传感器得到的压力分布情况，并通过形态学结构计算出标准压力中心点SCOP，通过实际压力分布计算出实际压力中心点ACOP，标准压力中心点SCOP与实际压力中心点ACOP的差值通过线性/非线性关系转化为平衡加速度BA；记录每个时间段T内的实际压力中心点ACOP摆动的情况，根据摆动情况分成不同等级，根据摆动情况的等级结果对预设加速度PA进行调整；
将调整后的预设加速度PA与平衡加速度BA求和得到校准加速度RA，校准加速度RA为校正后的目标加速度，用于将人体在非平衡状态下导致的应力刺激传导损耗及由于晕眩导致的足底压力中心摆动，通过调整个性化全身振动治疗平台目标振动幅度的方式得到补偿。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，以校准加速度RA为输入参量参与闭环控制策略自动调节振动强度；具体地，加速度传感器测得振动时的实时加速度RTA与校准加速度RA进行比较，实时加速度RTA小于校准加速度RA时，增大振动强度；实时加速度RTA大于校准加速度RA时，则减小输出振动强度；调节后的输出振动强度又改变振动平台的实际加速度RTA，***进入闭环控制策略。
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