CN111388862B - 一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***，涉及康复理疗技术领域。所述下肢电刺激助行***包括：髋关节角度检测模块，安装于人体髋关节处；中央处理器模块，与所述髋关节角度检测模块无线连接，用于判断下肢运动状态并发出指令；电刺激模块，连接所述中央处理器模块，执行所述指令开始或者停止作用于关节运动肌群的电刺激。本发明通过检测髋关节角度的参数，适时地进行助行相关的电刺激，具有明确的刺激起始点和结束点，避免了刺激时间长，容易对患者造成伤害的问题。
Description
技术领域
本发明属于康复治疗技术领域，特别涉及一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***。
背景技术
如今，脑卒中、脑瘫、脊髓神经损伤等由神经***功能损伤所引起的肢体运动功能障碍越来越多，并且中老年人群肢体关节运动能力下降，肢体运动能力无法达到正常人的水平，运动功能障碍严重影响他们的日常生活。
下肢运动障碍者主动步行运动时，一方面受到肌肉强直作用，膝关节弯曲角度并不能弯曲到正常人步行的状态，另一方面受到足下垂的影响，致使无法完成正常步行，长期以往容易形成异常的步行状态。当前下肢运动障碍者的助行主要依靠外部器械辅助训练或者他人协助，无法主动运动，并且不能达到正常人的步行状态。传统电刺激运用于偏瘫肢体的运动治疗，但没有明确的刺激起始点和结束点，并且多数采用卧式刺激法，刺激时间长，容易对患者造成伤害。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***，通过对比正常人步态特点，检测髋关节角度来控制电刺激的开始与结束，当患者髋关节角度达到膝关节电刺激起始角度时，开始刺激膝关节运动肌群，帮助患者进行膝关节的弯曲，帮助患者膝关节弯曲达到正常人膝关节的运动范围以及模拟正常人的步行过程，在髋关节角度达到踝关节电刺激起始角度时，电刺激踝关节运动肌群，帮助患者踝关节背屈，从而实现下肢运动障碍者助行以及康复训练的目的，对于脑卒中患者日常生活运动起到帮助作用。
本发明的目的在于提供一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***，以解决现有技术存在的没有明确的刺激起始点和结束点，刺激时间长，容易对患者造成伤害的问题。
解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***，包括：
髋关节角度检测模块，安装于人体髋关节处，用于采集所述髋关节角度的变化特征；
中央处理器模块，与所述髋关节角度检测模块连接，依据采集的所述髋关节角度的变化特征，判断下肢运动状态并发出指令；
电刺激模块，连接所述中央处理器模块，依据所述指令执行启动或者停止作用于关节运动肌群的电刺激。
在本发明的一个实施例中，所述中央处理器模块的运行步骤包括：
当髋关节角度变化到第一起始角时，发出一号电刺激启动指令；
当髋关节角度变化到第一结束角或第一时间阈值时，发出一号电刺激停止指令。
在本发明的一个实施例中，所述中央处理器模块的运行步骤还包括：
当髋关节角度变化到第二起始角时，发出二号电刺激启动指令；
当髋关节角度变化到第二结束角或第二时间阈值时，发出二号电刺激停止指令。
在本发明的一个实施例中，所述第一起始角定义为所述第一结束角定义为β1＝k1*θmax，其中：θmax、θmin分别为前一个步行周期中所述髋关节角度变化的最大值和最小值，n取值为6～10，k1取值满足90≤β1≤θmax。
在本发明的一个实施例中，所述第二起始角定义为所述第二结束角定义为β2＝k2*θmax，其中：θmax为前一个步行周期中所述髋关节角度变化的最大值，ke取值为4～6，k2取值满足90≤β2≤θmax。
在本发明的一个实施例中，所述髋关节角度检测模块包括惯性测量单元。
在本发明的一个实施例中，所述惯性测量单元为倾角传感器或加速度传感器与陀螺仪的组合或姿态传感器。
本发明还提供了一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行方法，其步骤至少包括：
将髋关节角度检测模块安装在人体髋关节处；
由髋关节角度检测模块采集康复运动者的所述髋关节角度的变化特征，并发送所述髋关节角度的变化特征至中央处理器模块；
所述中央处理器模块，接收所述髋关节角度的变化特征，据此判断下肢运动状态，并发出指令至电刺激模块；
由所述电刺激模块依据所述指令执行启动或者停止作用于关节运动肌群的电刺激。
本发明通过对比正常人步态特点，检测髋关节角度来控制电刺激的开始与结束，所述下肢电刺激助行***具有明确的刺激起始点和结束点，避免了电刺激时间长，容易对患者造成伤害的问题。当患者髋关节角度达到膝关节电刺激起始角度时，开始刺激膝关节运动肌群，帮助患者进行膝关节的弯曲，帮助患者膝关节弯曲达到正常人膝关节的运动范围以及模拟正常人的步行过程，在髋关节角度达到踝关节电刺激起始角度时，电刺激踝关节运动肌群，帮助患者踝关节背屈，从而实现下肢运动障碍者助行以及康复训练的目的，对于脑卒中患者日常生活运动起到帮助作用。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***示意图。
图2为图1中本发明所述助行***的模块工作关系框图。
图3为图1中本发明所述助行***的髋关节角度最大值与最小值示意图。
图4为图1中本发明所述助行***为膝关节康复运动者助行方法流程图。
图5为图1中本发明所述助行***为膝关节和踝关节康复运动者助行方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案作进一步清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2所示，本发明提供了一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***，包括：髋关节角度检测模块101，中央处理器模块102，电刺激模块103和供电模块104。
请参阅图1和图2所示，康复运动者进行步行训练时，安装于人体髋关节处的所述髋关节角度检测模块101实时采集所述髋关节角度的变化特征，并将所述变化特征参数传输到中央处理器模块102。所述髋关节角度检测模块101包括惯性测量单元，所述惯性测量单元能够采集所述髋关节的方向、加速度、位移等特征参数，也可以具备角度特征的计算功能。所述惯性测量单元例如可以为倾角传感器或者九轴姿态传感器，用于输出所述髋关节的三轴加速度以及三轴角度。所述惯性测量单元也可以为六轴惯性传感器，由陀螺仪与加速度传感器组成。所述惯性测量单元也可以包括双轴加速度传感器和单轴陀螺仪，用于输出运动过程中所述髋关节的加速度及位置参数。所述髋关节角度检测模块101与中央处理器模块102无线连接，所述无线连接方式例如可以为蓝牙传输。所述髋关节角度检测模块101还包括USB充电接口，所述髋关节角度检测模块101可以通过所述USB接口连接所述供电模块104实现即时供电，也可以连接外部电源进行充电。
请参阅图1和图2所示，所述中央处理器模块102包括中央处理器单元1021和数据传输单元1022，由所述供电单元为其供电。所述中央处理器单元1021与所述髋关节角度检测模块101无线连接，对接收到的所述髋关节角度的变化特征参数进行转换，获得所述髋关节的角度参数，基于所述髋关节的角度参数判断下肢运动状态并发出指令，将所述指令通过所述数据传输单元1022发送至所述电刺激模块103。所述中央处理器模块102例如可以为单片机或者简易的集成电路板，允许在训练和运动时放置在裤兜里或者捆绑在下肢合适的位置。
请参阅图1和图2所示，所述电刺激模块103与所述中央处理器模块102连接，用于执行来自所述中央处理器模块102的所述指令，开始或者停止作用于关节运动肌群的电刺激，帮助肢体障碍人群步行。所述指令为脉冲波信号，由所述中央处理器模块102控制所述脉冲波信号的波形、频率、时间、大小参数。所述电刺激模块103具有多个通道，每个所述通道包括一对刺激电极1031，所述电极1031贴于皮肤表面。
请参阅图1至图4所示，当康复运动者只存在膝关节运动障碍时，步行过程中，所述中央处理器模块102接收到所述髋关节角度检测模块101采集的髋关节的参数，经过数据转换获得所述髋关节的角度参数数据，所述中央处理器单元1021发现当所述髋关节角度变化到第一电刺激起始角时，发出一号电刺激启动指令，所述数据传输单元1022将所述指令发送至所述电刺激模块103，此时所述电刺激模块103产生电刺激通过所述电极1031作用于膝关节运动肌群，所述屈膝运动肌群包括股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌、股薄肌、腓肠肌，所述膝关节开始弯曲在电刺激的作用下开始弯曲。当髋关节角度变化到第一结束角或电刺激持续至第一时间阈值时，发出一号电刺激停止指令，所述电刺激模块103停止对所述运动肌群的电刺激作用，所述膝关节回位，完成一个步行周期，如此循环实现帮助肢体障碍人群步行的功能。所述第一起始角定义为所述第一结束角定义为β1＝k1*θmax，其中：n取值为6～10，k1取值满足90≤β1≤θmax。
请参阅图1至图5所示，当康复运动者同时存在膝关节运动痉挛和踝关节运动障碍时，步行过程中，当髋关节角度变化到第一起始角时，发出一号电刺激启动指令，所述电刺激模块103产生电刺激作用于所述膝关节运动肌群，帮助下肢痉挛患者进行膝关节弯曲，当髋关节角度变化到第一结束角或电刺激持续至第一时间阈值时，发出一号电刺激停止指令，所述电刺激模块103停止对所述膝关节运动肌群的电刺激作用。在髋关节角度变化过程中，当检测到髋关节角度变化到第二起始角时，发出二号电刺激启动指令，所述电刺激模块103产生电刺激作用于所述踝关节运动肌群，帮助康复运动者进行踝关节背屈。所述踝关节背屈运动肌群，是指胫骨前肌、拇长伸肌、趾长伸肌和第三腓骨肌等肌群。当髋关节角度变化到第二结束角或电刺激持续至第二时间阈值时，发出二号电刺激停止指令，所述电刺激模块103停止对所述踝关节运动肌群的电刺激作用，所述膝踝关节回位，完成一个步行周期，如此循环实现帮助同时存在膝关节运动痉挛和踝关节运动障碍的人群步行的功能。所述第二起始角定义为所述第二结束角定义为β2＝k2*θmax，其中：ke取值为4～6，k2取值满足90≤β2≤θmax。
请参阅图3所示，由于每个康复运动者运动障碍程度不同，所述θmax为正常步态下髋关节角度变化的最大值2，所述θmin为正常步态下髋关节角度变化的最小值1。所述助行***在康复运动者的第一个步行周期检测并记录θmax和θmin，所述电刺激模块不工作，此后每个周期的θmax和θmin都以上一个周期记记录的值为标准更新。所述θmax不超过140度，当超过140度时，θmax更新为140度。所述θmin不小于50度，当小于50度时，θmin更新为50度。所述电刺激时间阈值是指电刺激作用最大时长，电刺激时间阈值根据康复运动者身体状态及运动能力进行设置和调整。
本发明通过对比正常人步态特点，检测髋关节角度来控制电刺激的开始与结束，所述下肢电刺激助行***具有明确的刺激起始点和结束点，避免了电刺激时间长，容易对患者造成伤害的问题。当患者髋关节角度达到膝关节电刺激起始角度时，开始刺激膝关节运动肌群，帮助患者进行膝关节的弯曲，帮助患者膝关节弯曲达到正常人膝关节的运动范围以及模拟正常人的步行过程，在髋关节角度达到踝关节电刺激起始角度时，电刺激踝关节运动肌群，帮助患者踝关节背屈，从而实现下肢运动障碍者助行以及康复训练的目的，对于脑卒中患者日常生活运动起到帮助作用。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***，其特征在于，包括：
髋关节角度检测模块，用于采集所述髋关节角度的变化特征；
中央处理器模块，与所述髋关节角度检测模块连接，依据采集的所述髋关节角度的变化特征，判断下肢运动状态并发出指令，所述下肢包括髋关节、膝关节和踝关节；
电刺激模块，连接所述中央处理器模块，依据所述指令执行启动或者停止作用于关节运动肌群的电刺激；
所述中央处理器模块的运行步骤包括：当髋关节角度变化到第一起始角时，发出一号电刺激启动指令，所述电刺激模块产生电刺激作用于所述膝关节运动肌群；
当髋关节角度变化到第一结束角或第一时间阈值时，发出一号电刺激停止指令；
当髋关节角度变化到第二起始角时，发出二号电刺激启动指令，所述电刺激模块产生电刺激作用于所述踝关节运动肌群；
当髋关节角度变化到第二结束角或第二时间阈值时，发出二号电刺激停止指令；
其中，所述第一起始角定义为所述第一结束角定义为β1＝k1×θmax，其中：θmax、θmin分别为前一个步行周期中所述髋关节角度变化的最大值和最小值，n取值为6～10，k1取值满足90≤β1≤θmax；
所述第二起始角定义为所述第二结束角定义为β2＝k2×θmax，其中：θmax为前一个步行周期中所述髋关节角度变化的最大值，ke取值为4～6，k2取值满足90≤β2≤θmax。
2.根据权利要求1所述的一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***，其特征在于，所述髋关节角度检测模块包括惯性测量单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于髋关节角度变化特征反馈的下肢电刺激助行***，其特征在于，所述惯性测量单元为倾角传感器或加速度传感器与陀螺仪的组合或姿态传感器。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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