背部支撑减重静态平衡评定训练系统 【技术领域】
本发明涉及一种康复医疗器械， 尤其涉及一种背部支撑减重静态平衡评定训练系统。 背景技术 据统计， 我国脑血管病、 帕金森病、 颅脑外伤、 脊髓损伤年发病率各为 219/10 万、 100/10 万、 55.4/10 万和 6/10 万。而且由于老龄化、 自然灾害频发和意外事故增加的缘故， 发病率在逐年增加。 这些疾病和损伤会造成平衡功能障碍， 乃至残疾。 以目前存活的 320 ～ 400 万脑血管病重残患者为例， 平衡功能障碍是主要致残因素之一。多个循证医学证据表 明， 平衡功能练习是改善功能的重要方式， 而对平衡功能进行功能评定则是训练的前提和 总结疗效的必要措施。
静态平衡是基本平衡方式， 即人体在静止的支撑面上维持姿势稳定的能力。国外 发展平衡评定 / 训练系统多年， 较先进的产品有 ultracare 和 Biodex 平衡测试训练系统 等， 国内平衡评定和训练的数字化设备发展则相对滞后， 专利多局限为基础评定 / 训练设 备。针对缺乏独立站立能力的患者， 如何早期进行平衡训练是需要进行解决的问题。目前 的主要康复训练方式是使用悬吊设备进行减重训练。 悬吊设备使用悬吊带向上牵引患者体 重， 需束缚患者躯干部， 操作较繁琐， 且易带来患者不适。
此外， 以往的功能训练产品往往缺乏游戏化训练和视觉反馈， 这样患者和仪器就 不能进行互动， 训练激发不起病人的兴趣， 使病人对训练显得没有信心。 这种长期而乏味的 训练， 会影响患者的康复进程， 导致康复效果不理想。
发明内容
本发明的目的， 就是为了解决上述问题， 提供一种背部支撑减重静态平衡评定训练系统。 为了实现以上目的， 本发明采用了以下技术方案 ： 一种背部支撑减重静态平衡评 定训练系统， 其包括 ：
训练床， 包括床座、 床架和床板， 床架安装在床座上并与床座可转动相连， 床板固 定在床架上， 在床架的前端连接有左、 右脚踏板组件， 在床架与床座之间设有床板角度调节 机构， 该床板角度调节机构包含一台直线步进电机 ；
控制箱， 安装在床座上， 控制箱内设有传感装置接口电路、 电机驱动模块和电源模 块， 电源模块分别为传感装置接口电路和电机驱动模块提供电源 ； 电机驱动模块与床板角 度调节机构中的直线步进电机电信号相连 ；
主控计算机， 设置在操作台上， 主控计算机内设有数据采集模块和运动控制模块， 数据采集模块与控制箱中的传感装置接口电路电信号相连， 运动控制模块与控制箱中的电 机驱动模块电信号相连 ；
患者用显示装置， 活动设置在训练床的旁边并与主控计算机电信号相连 ；
主显示屏， 设置在操作台上并与主控计算机电信号相连。
所述的左、 右脚踏板组件结构对称相同， 各包括脚踏板支架、 脚前端缓冲器、 脚后 跟导向轴和脚踏板 ； 脚踏板支架与床架固定相连 ； 脚前端缓冲器和脚后跟导向轴分别连接 在脚踏板与脚踏板支架之间 ； 在脚踏板周围设有足底压力传感装置， 足底压力传感装置与 控制箱内的传感装置接口电路电信号相连。
所述的足底压力传感装置由贴有四根应变片的悬臂梁组成， 贴有四根应变片的悬 臂梁插装在由脚踏板、 脚踏板支架、 脚前端缓冲器和脚后跟导向轴组成的脚底受力部件内， 足底压力传感装置的实时数据是静态姿势图以及重心评估的基础。
所述的患者用显示装置包括移动小车、 安装在移动小车上的支架和安装在支架上 的显示屏， 显示屏与支架活动连接， 显示屏的高度和角度可以调节。
所述的训练床的床座上安装有多个万向调节脚轮， 并相应设有多个用于调节脚轮 上下伸缩的调节机构。
还包括床板角度显示器， 该床板角度显示器安装在床架上随床架一起移动。
本发明的背部支撑减重静态平衡评定训练系统在使用时， 患者在背部依靠可以倾 斜的床板或独立站立的状态下， 进行静态平衡的功能评定和训练。 一方面， 它利用角度可调 的床板对背部的支撑作用产生不同的减重效果， 另一方面， 它利用先进的计算机控制和传 感装置技术测试人体的重心和姿势变化。 它可以进行减重训练， 开展早期康复， 而又避免了 悬吊减重的缺点， 还具有智能化平衡系统的技术。 它的功能主要为 ：
1、 功能评定 ： 任意背部支撑角度 (0-90° ) 及独立站立状态下的静态姿势图， 所得 评定参数包括额状面摆动频率、 平均重心、 额状面最大摆幅、 额状面平均摆幅、 重心移动轨 迹总长度、 重心移动轨迹总面积和额状面侧方摆速等 ；
2、 功能训练 ： 任意背部支撑角度 (0-90° ) 及独立站立状态下的静态站立平衡练 习和相应的逐级难度递进的练习方案， 有视觉和声音反馈和虚拟环境训练方案及平衡游戏 训练方案。
附图说明
图 1 是本发明背部支撑减重静态平衡评定训练系统的整体结构示意图 ； 图 2 是足底压力传感装置放置位置示意图。具体实施方式
参见图 1， 本发明背部支撑减重静态平衡评定训练系统， 包括训练床 1、 控制箱 2、 主控计算机 3、 患者用显示装置 4 和主显示屏 5。控制箱 2 安装在训练床的床座 11 上， 主控 计算机 3 设置在操作台 ( 操作台未图示出来 ) 上， 患者用显示装置 4 活动设置在训练床的旁 边并与主控计算机电信号相连， 主显示屏 5 设置在操作台上并与主控计算机电信号相连。
本发明中的训练床 1 包括床座 11、 床架 12 和床板 13， 床架 12 安装在床座 11 上并 与床座 11 通过转轴 6 可转动相连， 并通过两顶杆 9( 分别设置在两侧 ) 支撑在床座 11 上方。 床板 13 固定在床架 12 上， 在床架 12 的前端连接有左、 右脚踏板组件 14， 在床架 12 与床座 11 之间设有床板角度调节机构 15， 该床板角度调节机构包含一台直线步进电机。在训练床的床座 11 上安装有多个万向调节脚轮 111， 并相应设有多个用于调节脚轮上下伸缩的调节 机构 112。在床架 12 上还安装有床板角度显示器 8， 床板角度显示器 8 随床架 12 一起移动 用于显示床架 12 及床板 13 倾斜的角度。
本发明中的左、 右脚踏板组件 14 结构对称相同， 各包括脚踏板支架 141、 脚前端缓 冲器 142、 脚后跟导向轴 143 和脚踏板 144。脚踏板支架 141 与床架 12 固定相连 ； 脚前端 缓冲器 142 和脚后跟导向轴 143 分别连接在脚踏板 144 与脚踏板支架 141 之间。在脚踏板 144 周围设有足底压力传感装置， 如图 2 所示。 该足底压力传感装置由贴有四根应变片的悬 臂梁组成， 贴有四根应变片的悬臂梁插装在由脚踏板、 脚踏板支架、 脚前端缓冲器和脚后跟 导向轴组成的脚底受力部件内， 并分别与控制箱 2 内的传感装置接口电路电信号相连。
控制箱 2 安装在训练床的床座 11 上， 控制箱内设有传感装置接口电路、 电机驱动 模块和电源模块 ( 未图示出来 )， 电源模块分别为传感装置接口电路和电机驱动模块提供 电源 ； 电机驱动模块分别与床板角度调节机构、 左下肢支架移动机构和右下肢支架移动机 构中的直线步进电机电信号相连。
主控计算机 3 设置在操作台 ( 操作台未图示出来 ) 上， 主控计算机内设有数据采 集模块和运动控制模块 ( 未图示出来 )， 数据采集模块与控制箱中的传感装置接口电路电 信号相连， 运动控制模块与控制箱中的电机驱动模块电信号相连。
患者用显示装置 4 活动设置在训练床 1 的旁边并与主控计算机 3 电信号相连， 该 患者用显示装置 4 包括移动小车 41、 安装在移动小车上的支架 42 和安装在支架上的显示屏 43， 显示屏与支架活动连接， 显示屏的高度和角度可以调节。
主显示屏 5 设置在操作台上并与主控计算机 3 电信号相连。
本发明采用主控计算机实现中心控制， 由两个显示屏进行显示。其中主显示屏放 置在操作台上， 供医护人员使用。 主显示屏能显示包含病人信息、 测试报告、 功能训练、 游戏 训练、 生成报告、 系统设置等所有内容， 同时能控制患者用显示屏的内容。患者用显示屏位 于患者训练时的前方， 显示训练过程、 游戏的参与过程以及训练的结果等， 供患者掌握。
本发明中数据的采集和处理， 由压力传感装置组采集足底压力数据， 传输到控制 箱内的传感装置接口电路， 由多路传感变送集成卡 ( 经过信号放大、 滤波、 采样保持 ) 进入 数据采集卡， 然后输出到主控计算机对信号进行处理， 使左右足部用力大小以直观的柱状 图显示出来， 从而使病人根据自己的情况调节姿势和力度。当然病人也可以直观的了解到 通过一段时间的训练， 自己取得了多大的进步， 有利于帮助病人建立康复的信心， 激发他们 的训练欲望。同时能通过采集的各种信号， 进行额状面摆动频率、 平均重心、 额状面最大摆 幅、 额状面平均摆幅、 重心移动轨迹总长度、 重心移动轨迹总面积和额状面侧方摆速等参数 的计算及显示。
本发明中的主控计算机内设有运动控制模块， 主控计算机通过运动控制模块驱动 床板角度调节机构中的直线步进电机。通过同步控制步进电机使其正、 反转来实现床板的 转动， 以此来达到床板 0 ～ 90 度任意倾斜的效果。这样患者就可以实现平躺、 斜躺甚至站 立进行训练， 实现了各种角度减负状态下的评估与训练。床板角度调节机构中的直线步进 电机控制床板运动， 实现身体的倾斜以减重。
上述硬件实现了自动减重功能， 同时通过硬件中传感装置组以及数据采集装置采 集相关压力等数据， 主控计算机进行数据处理、 显示、 存储和打印。本发明在主控计算机内设有静态平衡评定训练系统软件， 该软件包含测试评估模 块和功能训练模块。 采用本发明的背部支撑减重静态平衡评定训练系统对患者进行测试评 估和功能训练的方法如下 ：
a、 让患者倾斜躺在训练床上， 并让其左右脚分别踩在左右脚踏板上， 使左右脚踏 板处于同一水平面上 ；
b、 根据患者的实际情况确定所需的减重重量， 并通过调节训练床的倾斜角度以实 现该减重重量 ；
c、 患者根据患者显示屏的左右下肢用力大小以直观的柱状图显示， 使病人可以了 解到自己的实际情况， 适当调节姿势和力度， 维持站立平衡。
d、 计算机进入静态平衡评定训练系统的测试评估模块， 进行静态平衡测试， 以得 到各项静态姿势图参数的测试评估结果 ；
e、 计算机进入静态平衡评定训练系统的功能训练模块， 根据测试评估结果， 选择 合适的训练时间和减重角度， 进行静态平衡训练， 训练成绩以重心落在离正常重心零位 ±5％、 ±10％、 ±20％和 ±30％区域内的时间比和良好重心百分比表示。
患者静态平衡测试过程中的重心变化是静态姿势图参数评估的基础， 在下面所述 的七个参数的计算中都要用到， 一般人体重心 (center of gratitude， COG) 在第二骶骨前。 该系统中的重心投影指的是人体重心在脚踏板上的投影， 由于人体处于站立平衡过程中侧 向力很小， 因此人体重心投影位置测试原理就可以简化为 ： x ＝ (FA+FB-FC-FD)·L/G
y ＝ (FB+FD-FA-FC)·M/G
式中， L 为 O(O 点为左右踏板检测平台中心 ) 到传感器的 X 轴的距离， M 为 O 点到 传感器的 Y 轴的距离， G 为减重后的患者人体的重量， FA， FB， FC， FD 分别为四个传感器的读 数， 传感器对称放置在左右脚踏板下方如附图 2 所示， 受力大小通过传感器测得。
患者在背部支撑减重静止站立过程中评估额状面摆动频率变化， 反映了在一定时 间内， 重心投影在额状面即水平方向正负值的变化频率， 在算法中仅表示重心投影位置沿 X 轴方向变化的快慢， 该参数值越大， 即变化的频率越高， 反映患者抖动越严重， 重心控制越 不稳， 如帕金森病。
额状面摆动频率变化算法为 ： 由上述静态平衡测试过程中的重心变化， 再根据病 人重心投影从左侧区域移动到右侧区域以及从右侧区域移动到左侧区域的次数与时间之 比， 即：
式中， N 为重心投影从左侧区域到右侧区域以及从右侧区域到左侧区域摆动的次 数， T 为选择的测试时间。
评估背部支撑减重静止站立时平均重心， 反映了静止站立运动过程中， 双下肢用 力平衡情况， 绝对值越小， 表示平衡程度越好， 正值越大， 表明右下肢较左下肢更有力 ； 负值 越大， 则相反。临床资料表明， 平均重心投影值越大， 身体对称性越差， 如卒中偏瘫者。其定 义为病人重心投影偏移距离之和与采集次数之比， 计算方法为 ：
式中， Gi 为每次采集重心在足板上的投影偏移的位置 ； i ＝ 1、 2、 3、 4…… N(i、 N为 整数 )， N 为选择的测试时间内采集的点数。
评估背部支撑减重静止站立时额状面最大摆幅， 反映患者双下肢在 X 方向上用力 偏移程度的最大值。额状面最大摆幅越大表明患者在减重状态下， 静止站立运动时左右两 下肢用力差值， 该差值与身体对称性有关， 差值越大表明对称性差， 稳定性弱。相关疾病如 截肢者， 偏瘫者。
其定义为病人重心投影偏移正常重心投影零位的最大距离， 其计算方法为 ：
Smax ＝ Max|Si|
式中， Si 为每次采集的重心投影偏移正常重心投影零位的长度， i ＝ 1、 2、 3、 4…… N(i、 N 为整数 )。
评估背部支撑减重静止站立时额状面平均摆幅， 反映患者减重状态下， 静止站立 过程中在 X 方向上抖动剧烈程度及快慢， 其值越大表明患者平衡能力越差， 相关疾病如锥 体外系疾病。其计算方法为 ：
式中， Si 为每次采集的重心投影偏移正常重心投影零位的长度， i ＝ 1、 2、 3、 4…… N(i、 N 为整数 )， N 为选择的测试时间内采集的点数。
评估背部支撑减重静止站立时重心投影移动轨迹总长度， 反映了患者减重状态 下， 静止站立时重心投影移动轨迹总长度， 其值越大表明重心投影偏移距离总和越长， 患者 平衡能力越差。
根据轨迹分类 ( 中心型、 前后型、 左右型、 多中心型、 弥散型 )， 来评估判断患者状 态， 正常为多中心型。多中心型重心投影移动轨迹总长度的计算方法为 ：
式中， Xi， Yi 为每次采集重心投影偏移位置的坐标。i ＝ 0、 1、 2、 3、 4…… N(i、 N为整数 )。 评估背部支撑减重静止站立时单位时间内重心投影移动轨迹总面积， 反映了单位 时间内身体控制重心的稳定性及平衡程度。在设定相同周期下， 对不同康复训练期进行前 后对比， 确定训练效果， 数值越大， 反映稳定性及平衡越差， 如帕金森病， 小脑共济失调等。 单位时间内重心投影移动轨迹总面积算法为 ：
式中， Xi， Yi 为每次采集重心在足板上的投影偏移的位置的坐标。i ＝ 0、 1、 2、 3、 4…… N(i、 N 为整数 ) ； Tc 为每次采集的时间。评估背部支撑减重静止站立时单位时间内额状面侧方摆速， 反映在 X 轴方向上最 大摆幅时重心投影的移动速度， 其值越大， 表示重心控制越差。相关疾病如扭转痉挛、 舞蹈 病等。其计算方法为 ：
式中， S′ max 为额状面最大摆幅的前一个采样值， T 为采样时间。
患者在背部支撑减重静态平衡训练中评估良好重心百分比的计算方法 ： 在患者左 右两脚用力对称均匀时， 设其中心为正常重心零位， 以偏离正常重心零位 +50％代表重心全 部落在右脚， 以偏离正常重心零位 -50％代表重心全部落在左脚， 重心落在离正常重心零位 各区域内 (±5％、 ±5％至 ±10％、 ±10％至 ±20％、 ±20％至 ±30％ ) 的时间比的计算 公式如下 ：
式中， n3 为重心在离正常重心零位上述各值 (±5％、 ±5％至 ±10％、 ±10％至 ±20％、 ±20％至 ±30％ ) 区域内范围内摆动的次数， N 为选择的测试时间内采集的点数 ；
重心落在离正常重心零位 ±5 ％的值越大， 表明患者状态越好， ±10 ％次之， ±20％更次之、 ±30％次次之。例如某甲病人两次康复训练后控制在 ±5％以内的时间比 都是 20％， 而重心控制在 ±10％以内的时间百分比却有所提高， 则同样可以证明康复训练 的有效性。