一種智能化人體平衡功能檢測訓練系統的製作方法

2023-05-28 12:53:06

專利名稱：一種智能化人體平衡功能檢測訓練系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及醫學診療器械，具體的說是涉及一種人體平衡功能的檢測訓練系統。
背景技術：
平衡功能是人類的一項重要功能，也是健康人所具備的一項基本運動技能。許多疾病均會引起平衡功能障礙，從而嚴重影響患者的生活質量。因此如何評測、恢復人體平衡功能成為許多科研人員的研究課題。目前評測人體平衡功能的裝置，通常是基於靜態姿勢描記圖(SPG)方法設計的。這類評測裝置通常由以壓力傳感器為檢測元件的測力臺、檢測信號採集處理模塊構成的。如南京大學研究者研發BSR-I型人體平衡測試儀即是測試臺上安裝有三個壓力傳感器，測試時人體站在測試臺上，人體重心移動產生的壓力變化通過傳感器轉化為電壓值，再經過放大信號進入計算機，經數據分析軟體處理後，獲得測試結果。 (李文彬等.BSR-I人體平衡測試儀及其測試指標〔J〕.人類工效學.2001,9(3)22 25)； CN200520015938. 7公開的人體平衡測試儀是在測試臺上安裝有力傳感器和嵌入式數據採集板，其與BSR-I人體平衡測試儀的功能結構基本相同；CN200510094164. 6公開的人體平衡功能康復訓練系統，包括人體平衡壓力信號檢測裝置、重心位置的實時顯示、平衡功能顯示面板和電路。其人體平衡壓力信號檢測裝置也是在壓力檢測板下面設置壓力傳感器，當壓力作用於平板時，傳感器即給出與壓力相關的一定大小的電信號，壓力傳感器的輸出信號通過電路輸入接微處理器進行處理，最後通過發光二極體陣列顯示重心偏移情況。綜上所述，目前的人體平衡功能評測裝置，均是通過對人體靜止狀態下主動施力所產生的重心擺動曲線來評測人體平衡功能的優劣。但事實上，人體前庭和中樞神經在調節人體平衡過程中，還需要具有抵消來自外界幹擾的能力方可達到平衡。如人體在運動過程中要保持平衡，其前庭和中樞神經在促使身體重心向原鉛垂線回歸的同時，還必需克服動感引發的相關幹擾。由此可見，現有的人體平衡功能檢測儀，其檢測時被測者的測試狀態單一，檢測時的人體平衡調節狀態與實際調節狀態存在較大差異，故其所檢測的數據客觀性差，檢測結果的準確性低。另外，現有的人體平衡功能檢測儀僅能用於檢測人體平衡功能的優劣，而對人體平衡功能的訓練和恢復缺乏相應的技術手段。CN98810126. 2公開了一種人體平衡能力恢復的設備，該設備是以動力驅動方式對人體施加擺動，進而促進人體平衡能力恢復的設備。該設備雖然為人們提供了一種人體平衡功能康復設備，但其結構複雜、體型龐大，且功能單一。再則，人體平衡功能的恢復通常需要經過較長時間的訓練方可明顯見效，而人們在訓練過程中長時間不能看到訓練成果就會喪失訓練信心。從這個層面講，該設備的患者依從性差。

發明內容
本發明的目的就是要提供一種相對客觀、準確、使用方便、可集人體平衡功能檢測與訓練為一體的智能化人體平衡功能檢測訓練系統。本發明的目的是通過以下技術方案實現的
本發明系統包括有運動平臺子系統、重心檢測裝置、計算機處理子系統，其中的運動平臺子系統包括有運動控制器、運動平臺、伺服電機；運動平臺中的平臺面板連接有傳動機構；運動控制器的一個輸出端與伺服電機的電路控制接口相連接，另一輸出端與計算機處理子系統中的數據接口連接；伺服電機通過聯軸器與運動平臺中的傳動機構連接；伺服電機尾部連接有編碼器，編碼器通過串口數據線與運動控制器相連接；重心檢測裝置緊固在運動平臺中的平臺面板上，重心檢測裝置通過其內設的信息採集處理模塊的接口與計算機處理子系統連接。本發明系統在重心檢測裝置的基礎上增設了運動平臺子系統，測試時，被測試者站在重心檢測裝置中的測試臺上，此時運動控制器發出指令，伺服電機驅動傳動機構工作， 運動平臺中的平臺面板在傳動機構的作用下或沿軸向平動，或繞軸向轉動，由此模擬出動態環境。被測試者的足底受到此運動激勵後，其平衡調整過程能滿足一般動態系統的激勵響應原理，即存在反映重心偏移與調節過程的固有動力學模型。由此可見，本發明系統所檢測的數據更接近於客觀事實，檢測的準確性亦更高。本發明系統通過運動平臺不僅能夠分別對前庭器官中前半規管(Anterior canal)、外半規管(Horizontal canal)、後半規管(Posterior canal)施加不同轉動方向的定量激勵，對橢圓囊(Utricle)與球囊(Mccule)施加不同平動運動方向的定量激勵，也可通過施加任意組合運動激勵，對多種前庭器官綜合刺激。同時，此類運動激勵還可對其它平衡相關功能器官(如足底神經、髖關節、膝關節、踝關節和各肌肉組織等)進行定量刺激。 因此，本發明系統可以實現對決定人體平衡能力的多種器官的功能進行全面、精確的定量激勵，避免了人為的隨意性與不確定性。本發明系統不僅可以用於評價、測試人的平衡功能，同時因在測試過程中能夠對被測者足底施加不同轉動方向的定量激勵，由此反覆激活被測者的前庭和中樞神經進行平衡調節，如此反覆訓練，有效增強了患者的人體平衡功能。本發明系統在用於訓練、恢復人體平衡功能時，可隨時進行平衡功能測試。因此， 患者可隨時看到其平衡功能訓練、恢復的效果，因而也大大提升了患者的康復積極性。故患者對該系統具有良好的依從性。以下通過附圖及具體實施例對本發明做進一步的詳述。


圖1是本發明系統的功能結構框圖。圖2是本發明系統中運動平臺具體實施例的結構示意圖。圖3是圖2的局部放大圖。圖4是本發明系統中計算機處理子系統測評軟體的功能框圖。圖5是本發明系統中重心檢測裝置的結構示意圖。圖6是本發明系統在人體重心的調節過程中的模型結構示意圖。
具體實施例方式本發明系統的整體功能框架結構如圖1所示，包括有運動平臺子系統1、重心檢測裝置2、計算機處理子系統3。
本發明系統中的運動平臺子系統1為位置閉環控制系統，其包括有運動控制器 104、運動平臺101、伺服電機102。運動控制器104選擇可任意並能夠同時對多運動軸進行控制的市售產品(Quanser Q8運動控制器)。運動控制器104的輸出端通過PCI協議接口與計算機處理子系統3中的主機連接並進行數據交換，運動控制器104的另一個輸出端與伺服電機102的驅動器控制接口相連接；運動平臺101中設有平臺面板101-1，該平臺面板 101-1上連接有傳動機構；伺服電機102通過聯軸器與運動平臺101中傳動機構相連接，伺服電機輸出扭矩，驅動傳動機構，使運動平臺101中平臺面板可以進行平動或轉動。運動平臺101的具體結構如圖2、圖3所示，包括有底座101-5、平臺面板101_1和傳動機構承載架101-3，傳動機構安裝在傳動機構承載架101-3上。運動平臺101中平臺面板101-1可在其一側面連接有橫向傳動機構，也可以在其相鄰的兩側面設有橫向傳動機構 (即X、Y軸向傳動機構)，還可以在平臺面板101-1的底面連接有縱向傳動機構101-6，也可同時在平臺面板101的相鄰的兩側面設有橫向傳動機構，在平臺面板101的底面設有縱向傳動機構(即平臺面板同時連接有χ、γ、ζ軸向傳動機構)。所述的傳動機構最好選擇滾珠絲槓螺母副傳動機構。具體設計方案是伺服電機102固定在傳動機構承載架101-3上， 其通過聯軸器與滾珠絲槓101- 連接，螺母副101-2b通過球鉸101-2c、剛性連杆101_2d 與平臺面板101-1連接。其更為具體的連接關係為在底座101-5上安裝有三組傳動機構承載架101-3，其中一組傳動機構承載架的頂部水平安裝兩路X軸向傳動機構，一組傳動機構承載架的頂部水平安裝一路Y軸向傳動機構，另一組傳動機構承載架安裝三路Z軸向傳動機構，由此構成六路傳動機構。其中X軸向、Y軸向傳動機構的球鉸位於同一平面，Z軸向傳動機構的球鉸位於同一平面，且位於等邊三角形三個頂點上，兩平面相互平行。其初始安裝狀態為，兩路X軸向傳動機構其延長線通過Z軸向傳動機構對應三角形定點，一路Y軸向傳動機構延長線通過三角形中心。在以上設計中，每個傳動機構中都連接一個獨立的伺服電機102，在運動控制器 104的控制下，多臺伺服電機可同時驅動並聯的傳動機構。由此運動平臺中的平臺面板 (101-1)在多臺伺服電機驅動下產生包括沿X軸、Y軸、Z軸的平動，或繞X軸、Y軸、Z軸的轉動。在運動控制器104的控制下，上述幾種基本轉動形式還可任意組合。伺服電機102尾部連接有編碼器103，伺服電機102的實際轉角通過位於電機尾部的編碼器103進行反饋，形成位置閉環。編碼器碼器103的輸出端通過數據線接Quanser Q8運動控制器104的編碼器信號輸入埠，編碼器104的輸出信號作為伺服電機位置控制閉環的反饋量。該伺服電機102輸出扭矩驅動並聯傳動機構使運動平臺面板101-1產生可控的位移或轉動激勵。該激勵具有O 8Hz的帶寬，以激發人體平衡調節過程的數字特徵。重心檢測裝置2緊固在運動平臺的平臺面板101-1上。當運動平臺101對站在重心檢測裝置上的人體足底施加位移或轉角激勵時，重心檢測裝置2與運動平臺101之間無相對位移。所述的重心檢測裝置如圖4所示，包括有上蓋板201和下蓋板203，兩蓋板之間垂直安裝有三個相同的壓力傳感器202。上蓋板201是供人體站立或座位的承重板，也稱為測試平臺。三個傳感器呈三角形排列，每個傳感器位於等邊三角形的一個頂點，且該三角形的中心與上、下蓋板的中心在同一軸線上。設三角形中心為坐標系原點，任意兩傳感器間距為2a,當被測人站立於上蓋板201上時，三個傳感器所測得力分別為F1，F2，F3，根據力守恆原理可得，人體重心相對於原點的坐標為(X，,)彳 ^-F2)a-F2-Ρι)αλ據此原理，即可實時得到被測人的重心。在重心檢測裝置的下蓋板體中內嵌有信息採集處理模塊，重心檢測裝置2通過信息採集處理模塊203的接口與計算機處理子系統3連接。安裝時，將重心檢測裝置2下蓋板204中心與平臺面板101-1的中心重合，再與通過螺母連接固定。重心檢測裝置2內嵌的信息採集處理模塊203其功能結構與現有人體平衡測試儀中的信息採集處理模塊基本相同，其包括有傳感器信號濾波電路、傳感器信號放大電路、模數轉換電路、基準電壓電路; 其數據採集、保存以及系統控制軟體可採用NI公司開發的LabVIEW軟體環境進行設計。本發明系統中的重心檢測裝置2將人體重心移動產生的壓力變化信息通過傳感器轉化為電壓值，再經過放大信號進入計算機，經數據分析軟體處理後，最終獲得檢測結^ ο本發明中的計算機處理子系統3包括有中央處理器(CPU)、人體平衡功能評測模塊。其中人體平衡功能評測模塊參照人體平衡功能評測軟體設計。具體的人體平衡功能評測軟體的功能框圖如圖4所示，該軟體首先調用計算機內已採集的人體重心移動過程的數據，然後提取、存儲與人體平衡功能相關的數據，由此構建被測者的個體模型，將所構建的個體模型與先期構建的標準模型進行比較，分析、測算被測者人體平衡功能的優劣，最後得出檢測結果。發明系統進行人體平衡功能的檢測原理是當被測試者足底受到運動平臺產生的多維空間內運動激勵後，人體保持平衡的本能將促使其重心向原來的平衡中心調整。該調整過程滿足一般動態系統的激勵響應原理，即存在反映重心偏移與調節過程的固有動力學模型。該裝置據此基本原理，採用激勵響應法建立被測個體重心調節過程模型。具體地說， 利用重心檢測裝置檢測採集的數據，通過計算機數據處理，並存儲人體重心調節過程的數據。在構建的數學模型結構下，辨識得到模型的參數，並利用該參數生成反應人體平衡能力的定量指標。該數學模型結構可以是線性系統模型結構(如圖6所示的二階線性系統模型)，也可以是非線性系統模型結構(如臺勞(Taylor)級數展開形式、小波(Wavelet)展開形式、神經網絡等)。辨識得到的模型參數應能定量表徵動態系統的反應速度相關指標。 該原理的典型應用方法之一為設人體重心的調節過程為典型二階欠阻尼線性系統模型結構，利用激勵下實時檢測並存儲得到的重心變化曲線，根據所得到的波峰、波谷值(如圖6 中的A、B、C所代表的數值)計算得到反映該模型結構下系統反應時間快慢的「調節時間」， 並以此作為評測人體平衡能力的指標。同時，本發明通過利用工程上激勵響應原理建立平衡調節過程的響應模型，可採用先進的算法得到與平衡能力相關的定量評測指標，最大限度保證評測結果的客觀性。上述人體平衡功能評測軟體更為具體的構架即功能設計如下，將人體重心變化數據文件利用MATLAB軟體開發的程序保存，保存格式為MATLAB數據文件格式*. mat)，在一定的數學模型結構下，辨識得到模型的參數，並利用該參數生成反應人體平衡能力的定量指標。在控制計算機中，利用MATLAB處理人體處於激勵刺激過程時所保存的重心變化數據，提取反映平衡能力的定量指標。如假設人體對重心的調節過程為典型二階欠阻尼線性系統 (見圖6)，通過選擇合理的數據片段，利用MATLAB軟體提取重心變化數據的二階欠阻尼線性系統模型的特徵數值點，以此計算得到反映該模型結構下調節過程快慢的「調節時間」， 作為評測人體平衡能力的指標。人體平衡功能評測軟體，所用模型的調節時間的計算方法為由二階欠阻尼線性系統典型響應曲線數據可知A點坐標Jtc^ya) ；B點坐標(、， Yb) ；C點坐標(t2，y。)。振蕩周期為T=(、-、)，貝1」2· Ji/Wd = T0根據二階線性欠阻尼系統的階躍響應曲線特性可知:ωηΛΙ\-ζ2 =ω =2·π/Τ M ·Λ ωη =-(l0g(M))/To進而可計算得調節時間為TS = 4/ζ ωη，依此值的大小，可評價人的平衡能力。時間越短，平衡能力越強；時間越長，平衡能力越差。其中，T為振蕩周期，ζ為阻尼係數，ωη為無阻尼自然振蕩角頻率，為阻尼振蕩角頻率，M= (y。-yb)/(ya_yb)，為衰減係數，Ts為調節時間。本發明系統的使用方法步驟如下(1)開機，開啟計算機及人體平衡功能評測模塊，等待初始化完成。(2)被測者站立於重心檢測裝置的測試平臺上上，操作人員通過計算機窗口界面觀察被測者在平臺上的重心坐標，幫助被測試者微調位置於平臺中央。(3)設置運動平臺參數，包括選擇激勵方式，激勵幅度大小，啟動運動平臺，同時開始採集，並計算獲得人體重心坐標數據。(4)當一個方向測試完畢後，改變軟體參數，期間被測試可以進行短時間的放鬆休息，以免使測試者產生疲勞，影響測試結果。之後按以上方法重複進行其他激勵方式(或靜態或動態)和激勵幅度大小的測試。(5)測試的同時，計算機實時保存人體重心移動過程的數據，然後提取、存儲與人體平衡功能相關的數據。(6)完成測試後，操作者啟動人體平衡功能評測模塊中的分析程序，構建被測者的個體模型，將所構建的個體模型與先期構建的標準模型進行比較，分析、測算，最後得出映人體平衡能力的定量指標，供臨床參考與使用。
權利要求
1.一種智能化人體平衡功能檢測訓練系統，其特徵在於該系統包括有運動平臺子系統(1)、重心檢測裝置O)、計算機處理子系統(3)，其中的運動平臺子系統(1)包括有運動控制器(104)、運動平臺101)、伺服電機(102)；運動平臺(101)中的平臺面板(101-1)連接有傳動機構(101-2)；運動控制器(104)的一個輸出端與伺服電機102)的控制接口相連接， 另一輸出端與計算機處理子系統(3)中的數據接口連接；伺服電機(10 通過聯軸器與傳動機構相連接；伺服電機(102)尾部連接有編碼器103)，編碼器(103)通過串口數據線與運動控制器(104)相連接；重心檢測裝置( 緊固在平臺面板(101-1)上，重心檢測裝置(2)通過其內置的信息採集處理模塊O03)的接口與計算機處理子系統C3)連接。
2.根據權利要求1所述智能化人體平衡功能檢測訓練系統，其特徵在於所說的運動平臺(101)設有底座(101-5)、平臺面板(101-1)和傳動機構承載架(101-3)，平臺面板 (101-1)的側面連接有平行傳動機構(101-2)。
3.根據權利要求1所述的智能化人體平衡功能檢測訓練系統，其特徵在於所說的平臺面板(101-1)的相鄰側面設有x、Y軸向傳動機構。
4.根據權利要求1所述的智能化人體平衡功能檢測訓練系統，其特徵在於所說的平臺面板(101-1)的底面連接有縱向傳動機構(101-6)。
5.根據權利要求1所述的智能化人體平衡功能檢測訓練系統，其特徵在於所說的平臺面板(101)的相鄰側面設有X、Y軸向傳動機構，平臺面板(101)的底面設有Z軸向傳動機構。
6.根據權利要求2、3、4或5所述的智能化人體平衡功能檢測訓練系統，其特徵在於所說的傳動機構由滾珠絲槓螺母副構成，伺服電機(102)固定在傳動機構承載架(101-3)上， 其通過聯軸器與滾珠絲槓(101-2a)連接，螺母副(101-2b)通過球鉸(101-2c)、剛性連杆 (101-2d)與平臺面板(101-1)連接。
全文摘要
本發明公開了一種智能化人體平衡功能檢測訓練系統，其包括有運動平臺子系統、重心檢測裝置、計算機處理子系統，其中的運動平臺子系統包括有運動控制器、運動平臺、伺服電機；運動平臺中的平臺面板連接有傳動機構；運動控制器的一個輸出端與伺服電機的電路控制接口相連接，另一輸出端與計算機處理子系統中的數據接口連接；伺服電機通過聯軸器與運動平臺中的傳動機構連接；伺服電機尾部連接有編碼器，編碼器通過串口數據線與運動控制器相連接；重心檢測裝置緊固在運動平臺中的平臺面板上，重心檢測裝置通過其內設的信息採集處理模塊的接口與計算機處理子系統連接。本發明系統客觀、準確、使用方便、且集人體平衡功能與檢測與恢復訓練於一體。
文檔編號A61B5/00GK102247150SQ201110101569
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者劉坤, 楊信才, 王洪瑞, 肖金壯, 高徵 申請人:河北大學