CN110974232A - 穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置 - Google Patents
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Abstract
一种穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置,包括:柔性足底压力测量鞋垫、数据采集模块、震动反馈模块以及内置下肢负重估算模型的智能手环,其中:数据采集电路接收来自柔性足底压力测量鞋垫中薄膜式压力传感器测得的足底各个区域的压力数据,并通过无线方式将压力数据分别发送至智能手环和震动反馈模块;智能手环根据下肢负重估算模型和压力数据实时计算并显示人体下肢负重数据;当来自智能手环的人体下肢负重数据超出合理负重范围时,与柔性足底压力测量鞋垫相连的震动模块发出震动提示。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术,具体是一种穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置。
背景技术
对于骨科下肢术后患者,合理有效的负重训练能促进骨质愈合与肢体功能恢复。为防止再次发生损伤,患者下肢负重不能超出合理范围。为获得良好的训练效果,患者下肢负重不能过低。然而,在实际负重训练中,由于缺乏有效的监测手段,患者往往难以遵从医生所给的合理负重力度,影响康复效果的同时,安全性难以得到保障。
发明内容
本发明针对现有下肢负重监测装置设计不够完善、精准性及舒适性难以兼顾的问题,提出一种穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置,用于骨科术后患者的下肢负重监测与康复训练。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明包括:柔性足底压力测量鞋垫、数据采集模块、震动反馈模块以及内置基于多元线性回归的下肢负重估算模型的智能手环,其中:数据采集电路接收来自柔性足底压力测量鞋垫中薄膜式压力传感器测得的足底各个区域的压力数据,并通过无线方式将压力数据分别发送至智能手环和震动反馈模块;智能手环根据下肢负重估算模型和压力数据实时计算并显示人体下肢负重数据;当来自智能手环的人体下肢负重数据超出合理负重范围时,与柔性足底压力测量鞋垫通过蓝牙相连接的震动模块发出震动提示。
所述的柔性足底压力测量鞋垫包括:柔性定型带和由上而下依次设置的鞋垫、薄膜式压力传感器和塑胶套,其中:柔性定型带分别与塑胶套和震动模块相连。
所述的薄膜式压力传感器为压阻式柔性足底压力传感器,8-10个压力敏感单元分别测量足底多个局部区域的受力,该压力敏感单元具体包括:外壳以及设置于其中的应变电阻和与之相连的引出线。
所述的数据采集模块与震动反馈模块置于与柔性足底压力测量鞋垫相连的柔性绑带内,以根据腿部受伤情况调整绑缚位置与松紧程度并与柔性足底压力测量鞋垫结合。
所述的下肢负重估算模型基于样本数据建立,优选为多元线性回归模型,通过实验采集大量样本数据建立,依据传感器测量值估算出总下肢负重力F=k0+k1f1+k2f2+k3f3+…+knfn,其中:n为敏感单元数量,f1-fn为各敏感单元测量值,k0-kn为经最小二乘法拟合的系数。
所述的多元线性回归模型通过逐步回归将压力敏感单元测量值逐个引入模型,由F检验、t检验与变量剔除来确保回归模型中只包含显著性变量,具体建立步骤包括:
1)建立压力敏感单元测量值与下肢负重参考值数据集;
2)将压力敏感单元测量值逐个引入模型,并评价当由于当前变量的引入导致前面引入的变量变得不再显著时,则将其删除,以确保回归模型中只包含显著性变量;
3)循环步骤2若干次直至无法再引入新的显著性变量时,完成模型建立。
所述的智能手环内置数据处理单元和图像显示单元,其中:数据处理单元通过下肢负重估算模型计算下肢负重,并分别控制震动模块和图像显示单元发出康复训练提示。
所述的骨科下肢术后智能康复应用程序还为患者提供训练计划设置、训练数据记录、训练报告查看与下载康复处方功能。
所述的震动反馈模块在人体下肢负重超出合理负重范围时发出震动提示,使患者能及时调整下肢负重。
技术效果
本发明整体解决了下肢负重缺乏有效监测手段的问题,在兼顾测量准确性与穿戴舒适性的情况下对下肢负重进行实时监测,为患者提供下肢负重训练提示,并通过应用程序为患者和医生提供训练数据查看、上传与交互功能。
与现有技术相比,本发明专为下肢术后患者设计,具有良好的穿戴性,避免对术后部位造成二次伤害;通过多元线性回归模型估算下肢负重,具有建模简单,计算效率高,实时性好等特点;本发明通过骨科下肢术后智能康复应用程序为患者提供训练导引、数据查看与上传、训练报告生成、医患交互等功能,有利于改善康复训练效果,避免临床数据流失。
附图说明
图1为实施例流程图;
图2为测力台参考值与多元线性回归模型估算值对比图;
图3为本发明所述的穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置的结构示意图;
图4为本发明所述的穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置的安装状态示意图;
图5为本发明所述的智能手环骨科下肢术后智能康复应用程序的信息架构图;
图中:1织物护膝、2数据采集模块、3绑带、4震动反馈模块、5电池、6柔性定型带、7鞋垫、8薄膜式压力传感器、9塑胶套、10智能手环、11智能手环、12助行器、13穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置。
具体实施方式
如图1所示,为本实施例包括:柔性足底压力测量鞋垫、数据采集模块、震动反馈模块、智能手环、下肢负重估算模型和电源模块,其中:柔性足底压力测量鞋垫包括薄膜式压力传感器、塑胶套、鞋垫、柔性定型带;数据采集和震动反馈模块通过蓝牙模块将数据传输至智能手环,智能手环接收数据,并通过下肢负重估算模型依据传感器测量值估算下肢总负重;智能手环控制震动反馈模块发出训练提示,并记录训练数据,生成训练报告。
本实施例涉及的下肢负重估算模型为多元线性回归模型,基于大量样本数据建立,并通过逐步回归来保证模型中只包含显著性变量。图2所示为模型估计值与测力台参考值对比曲线,模型估算均方根误差为50.36N(约为最大测量值的9.90%),相关系数为0.92,满足行走过程中的下肢负重测量要求。
本实施例使用时,下肢术后患者可将柔性足底压力测量鞋垫6、7、8、9置于康复鞋中或功能性鞋垫下方,并在小腿处固定护膝1与绑带3、数据采集模块2、5与震动反馈模块4,训练前,利用智能手环11设置负重计划。患者可在助行器12的辅助下进行康复训练,训练过程中,数据采集模块2将采集到的足底压力数据发送给智能手环11,智能手环11利用下肢估算模型对下肢负重进行估算,测量结果以数据和曲线的形式呈现在智能手环11的屏幕中,使患者能准确、及时地了解下肢负重。智能手环11根据负重力度限制控制震动模块4发出震动提示,使患者能及时调整下肢负重,保持下肢负重在合理有效的范围内。
本实施例为下肢术后患者提供一种便于穿戴的负重训练智能辅助装置及下肢负重估算方法,可适用于术后下肢负重训练,疾病后的步行功能训练及其他下肢康复训练。
本发明利用仅含少量敏感单元(8-10个)的柔性足底压力测量鞋垫测量足底压力,并基于样本数据建立了多元线性回归模型来估算下肢负重,该模型具有良好估计精度,且计算效率高,实时性好。
本发明通过多元线性回归模型估算均方根误差为50.36N(约为最大测量值的9.90%),相关系数为0.92,满足行走过程中的下肢负重测量要求。
与现有技术相比,本装置在极大改善穿戴性的情况下,多元线性回归模型具有良好的下肢负重估算精度,且建模简单,计算效率高,适用于下肢负重的实时监测。本装置具有下肢负重训练反馈功能,实验表明下肢负重训练能显著改善患者对下肢负重力度的依从能力,从而改善康复效果,并保证训练安全性。本装置通过骨科下肢术后智能康复应用程序记录训练数据,生成训练报告,方便医患沟通,有利于改善患者的康复训练效果。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (4)
1.一种穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置,其特征在于,包括:柔性足底压力测量鞋垫、数据采集模块、震动反馈模块以及内置下肢负重估算模型的智能手环,其中:数据采集电路接收来自柔性足底压力测量鞋垫中薄膜式压力传感器测得的足底各个区域的压力数据,并通过无线方式将压力数据分别发送至智能手环和震动反馈模块;智能手环根据下肢负重估算模型和压力数据实时计算并显示人体下肢负重数据;当来自智能手环的人体下肢负重数据超出合理负重范围时,与柔性足底压力测量鞋垫相连的震动模块发出震动提示;
所述的柔性足底压力测量鞋垫包括:柔性定型带和由上而下依次设置的鞋垫、薄膜式压力传感器和塑胶套,其中:柔性定型带分别与塑胶套和震动模块相连;
所述的薄膜式压力传感器为压阻式柔性足底压力传感器,8-10个压力敏感单元分别测量足底多个局部区域的受力;
所述的数据采集模块与震动反馈模块置于与柔性足底压力测量鞋垫相连的柔性绑带内,以根据腿部受伤情况调整绑缚位置与松紧程度并与柔性足底压力测量鞋垫结合;
所述的下肢负重估算模型基于样本数据建立,具体为多元线性回归模型,通过实验采集大量样本数据建立,依据传感器测量值估算出总下肢负重力F=k0+k1f1+k2f2+k3f3+…+knfn,其中:n为敏感单元数量,f1-fn为各敏感单元测量值,k0-kn为经最小二乘法拟合的系数。
2.根据权利要求1所述的穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置,其特征是,所述的压力敏感单元具体包括:外壳以及设置于其中的应变电阻和与之相连的引出线。
3.根据权利要求1所述的穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置,其特征是,所述的多元线性回归模型通过逐步回归将压力敏感单元测量值逐个引入模型,由F检验、t检验与变量剔除来确保回归模型中只包含显著性变量,具体建立步骤包括:
1)建立压力敏感单元测量值与下肢负重参考值数据集;
2)将压力敏感单元测量值逐个引入模型,并评价当由于当前变量的引入导致前面引入的变量变得不再显著时,则将其删除,以确保回归模型中只包含显著性变量;
3)循环步骤2若干次直至无法再引入新的显著性变量时,完成模型建立。
4.根据权利要求1所述的穿戴式负重监测与康复训练智能辅助装置,其特征是,所述的智能手环内置数据处理单元和图像显示单元,其中:数据处理单元通过下肢负重估算模型计算下肢负重,并分别控制震动模块和图像显示单元发出康复训练提示。
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