患者康復訓練步行狀態分析系統及方法
2023-04-24 02:57:51
專利名稱：患者康復訓練步行狀態分析系統及方法
技術領域：
本發明涉及人體運動功能及康複評定系統，具體涉及ー種患者康復訓練步行狀態分析系統。
背景技術：
人體步態分析是研究人體步行規律的檢查方法，通過分析癱瘓者、膝關節炎患者、下肢假肢者的步長、步幅、步速、步頻、步寬、足偏角、歩行周期等步態特徵，來掲示人體步態異常的關鍵環節、影響因素、功能、療效與殘疾評定，指導步行訓練，並用於人體的骨、關節 假體與義肢的設計。步態分析已有ー百多年的歷史,但真正應用幹臨床僅二十多年。步態分析分定性與定量分析。定性分析是從前、後、側三個方向觀察病人在行走過程中關節、肌肉、骨盆的運動情況以及姿勢的協調性，對患者步態進行評價，即目測法，該方法簡便易行，但是不能定量，具有很強的主觀性。定量分析是ー種直觀描述步行過程中肢體運動的量化檢查與分析手段，可為臨床評定下肢功能狀態提供了一些有效的途徑，分析指標很多，如運動學分析、動力學分析、表面肌電分析以及氧耗分析等，其中研究最多、臨床應用最廣泛的指標是運動學中的歩行時空參數。歩行時空參數的測定，最常用方法是足印法，即在受試者足底塗上墨汁，囑受試者在鋪有白紙的步行通道上行走，留下足跡便可以進行步態分析，雖然這種方法簡單、快捷，但其準確性在很大程度上受到測試者技術水平的影響，且測試參數有限，遠遠不能滿足臨床步態分析的需要。誕生於上世紀九十年代的三維步態分析技術具有精度高、信息量大等優點，可以彌補目測法、足印法的不足，對臨床治療具有很大的指導價值，但這種步態分析系統大多採用專用的視頻設備和計算機設備，價格昂貴且不易更新換代，雖然精度較高，但同時也使操作過程具有很強的專業性、複雜性，難以普及使用。因此，目前在我國的絕大多數醫療和科研機構，仍採用目測、秒表、米尺等簡單工具對患者的步態進行定性分析及診斷。總之，隨著科技的發展，步態分析手段已經從最初的目測法發展為現今的三維步態分祈。由包括反光標誌點的光電系統、肌電描記系統、同步攝像系統組成的三維步態分析系統，能夠客觀、定量地評定人體的歩行功能，測試的精確性和可靠性較目測法、足印法都有了很大提高，但是這種方法存在操作複雜、專業性強、設備昂貴等不足。因此，急需研究ー種操作簡單快捷、測定準確客觀的步態分析系統，以滿足臨床工作之需要。
發明內容
針對上述技術問題，本發明的目的之ー是提供一種用於採集步伐圖像的步伐採集裝置。實現上述目的之一的技術方案如下步伐採集裝置，包括按鍵板，該按鍵板上設置若干個用於發出電信號的按鍵；以及與按鍵板電連接的多個按鍵控制模塊，該按鍵控制模塊用於讀取按鍵板上每個按鍵的狀態；以及與按鍵控制模塊電連接的控制器，按鍵控制模塊根據控制器提供的信號讀取按鍵板上各個按鍵的狀態，並將讀取的按鍵狀態輸出到該控制器。採用了上述方案，當人在按鍵板上行走時，腳接觸和離開按鍵板時產生壓カ使按鈕的開、合，經過信號轉換成高電平，未受壓的按鍵則始終發出低電平信號，因此，發出高電平的按鍵表明受到了腳的壓力，而發出低電平的按鍵表明未受壓力，因此通過高低電平則可表時按鍵的狀態。由於按鍵控制模塊實時接收各個按鍵發出的信號，在控制器的控制下，按鍵控制模塊將獲取的按鍵狀態也實時傳送給控制器。本發明的目的之ニ是提供ー種患者康復訓練步行狀態分析系統及方法，通過步伐採集裝置對步伐圖像進行採集，通過PC機計算出步長、步幅、步速、步頻、步寬、足偏角、步 行周期等時空參數，供醫生對患者的步態功能進行綜合評估。實現上述目的之ニ的技術方案如下患者康復訓練步行狀態分析系統，包括步伐採集裝置，該步伐採集裝置用於採集按鍵板上各個按鍵的狀態；以及與步伐採集裝置電連接的PC機，PC機根據步伐採集裝置提供的各個按鍵狀態，還原步伐圖像並計算步伐數據。患者康復訓練步行狀態分析方法,包括以下步驟步驟I，伐採集裝置將獲取的各個按鍵的狀態提供給PC機；步驟2，PC機根據各個按鍵的狀態還原步伐圖像；步驟3，根據還原的圖像，判斷是否存在偽影或錯誤的腳印；則刪除在偽影或錯誤的腳印後進入步驟4;步驟4，若步驟3的判斷結構為否，則順序連接步伐圖像，獲取整體的步伐軌跡曲線；步驟5，根據步伐軌跡曲線計算得到每步左右腳的步長、步幅、步寬、歩行時間、擺動時間、站立時間、單腳支撐時間、雙腳支撐時間、歩行速率以及每種數據的標準差，根據這些計算值班評估被測者的步態功能。採用了上述方案，當人按鍵板上行走時，通過腳接觸和離開步態墊控制壓カ按鈕的開、合，經過信號轉換，PC機就可實時收集。通過計算、分析,求出步長、步幅、步速、步頻、步寬、足偏角、歩行周期等時空參數。伐採集裝置不僅操作簡單、快捷，而且具有很高的信度、效度、精度，非常適合於臨床使用；同吋，步態墊可以摺疊攜帯，不佔空間，還適合於野外環境使用。本發明的步態分析系統通過測量患者步長、步幅、步速、步頻、步寬、足偏角、歩行周期等步態特徵，與正常的步行時空參數以及患者健側的步行參數進行比較，找出客觀的數值差異和步行時存在的問題。經過一段時間的康復治療後再進行步態分析，測得的數值與第一次的進行比較，能夠客觀地觀察療效。本發明的步態分析是研究步行規律的檢查方法，它可掲示步態異常的關鍵環節和影響因素；功能、療效與殘疾評定；指導步行訓練；骨、關節假體與義肢設計等。通過計算、分析，求出步長、步幅、步速、步頻、步寬、足偏角、歩行周期等時空參數。操作非常簡單、快捷，毎次測定僅需數分鐘。非常適用於臨床使用。將本發明的步態分析系統用於臨床測試，以期獲得偏癱、膝關節炎、大腿假肢者的步態特徵。
本發明可明確患者是否存在異常步態以及步態異常的性質和程度，掲示患者步態異常的關鍵環節和影響因素，步態分析還可以更好地評定患者的功能、療效與殘疾程度；協助完成骨、關節假體與義肢的設計和修改；針對性地指導患者進行步行訓練，為制定完善的康復治療計劃提供必要的依據。本項目中採用新技術至少適合於以下傷病的評估I.神經系統傷病腦卒中、腦外傷、脊髄損傷、格林-巴利症候群、帕金森氏徵、腦癱、坐骨神經痛等。2.肌肉骨骼系統傷病骨關節損傷、關節炎、關節置換、腰腿痛、截肢等。
圖I為本發明中步伐採集裝置的電路方框圖；
圖2為步伐採集裝置的控制器與按鍵控制模塊的電路結構圖；圖3為步伐採集裝置的單個鍵盤控制晶片與按鍵板連接的結構圖；圖4為本發明中患者康復訓練步行狀態分析系統的結構示意具體實施例方式參照圖I至圖3，本發明的步伐採集裝置I，步伐採集裝置I採用ASMl 117系列晶片的電源模塊為系統提供所需的電源。該步伐採集裝置I包括按鍵板10，該按鍵板上設置若干個用於發出電信號的按鍵。以及與按鍵板電連接的多個按鍵控制模塊20，該按鍵控制模塊用於讀取按鍵板上每個按鍵的狀態；按鍵控制模塊20包括鍵盤控制晶片20a，用於讀取按鍵板上各個按鍵的狀態，並將獲得的按鍵狀態輸出到控制器；以及與鍵盤控制晶片電連接的解碼器20b，該解碼器根據控制器提供的控制信號，發出控制命令使鍵盤控制晶片讀取按鍵板上各個按鍵的狀態。每ー個按鍵板I與5塊按鍵控制模塊2進行連接，每ー塊按鍵控制模塊20控制384個按鍵。每個按鍵控制模塊20包括I塊解碼器20b (74HC138晶片)和6塊鍵盤控制晶片20a (ZLG7289晶片)，通過控制器(MCU)的I/O數字ロ，輸入到解碼器20b的3個輸入端，再通過解碼器20b控制鍵盤控制晶片20a就能順序的讀取I個按鍵控制模塊控制的384個按鍵的狀態。圖3示意出了單個鍵盤控制晶片與按鍵板連接的結構，鍵盤控制晶片2b使能管腳接收解碼器2a輸出的控制信號，從而完成單片鍵盤控制晶片2b控制的64個按鍵狀態的讀取。圖3中在按鍵與鍵盤控制晶片2b之間設置了限流電阻，因為是讀取按鍵的狀態值，因此使用限流電阻降低系統的功耗。以及與按鍵控制模塊電連接的控制器30，按鍵控制模塊根據控制器2提供的信號讀取按鍵板上各個按鍵的狀態，並將讀取的按鍵狀態輸出到該控制器。控制器30選用DSP系列晶片或者ARM系列晶片。通過控制器(MCU)的數字I/O ロ接到解碼器20b的3位輸入端，選用8路輸出中的6路分別使能6片鍵盤控制晶片20a，讀取6片鍵盤控制晶片20a控制的384個按鍵狀態。這樣，控制器通過順序控制5片解碼器20b，就可以分別讀出30片鍵盤控制晶片20a控制的1920個按鍵狀態。通過RS232串ロ通信模塊，按鍵狀態被送到上位的PC機中，通過處理後，得到還原地步伐圖像及相關數據。參照圖4，本發明的患者康復訓練步行狀態分析系統，包括步伐採集裝置1，該步伐採集裝置用於採集按鍵板上各個按鍵的狀態；以及
與步伐採集裝置電連接的PC機2，PC機2根據步伐採集裝置提供的各個按鍵狀態，還原步伐圖像並計算步伐數據。本發明的患者康復訓練步行狀態分析方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1，伐採集裝置將獲取的各個按鍵的狀態提供給PC機；步驟I中步伐採集裝置獲取按鍵板上各個按鍵的狀態的步驟如下步驟10，開機後控制器發出控制信號，向按鍵控制模塊索取按鍵狀態；步驟11，患者赤腳在按鍵板上行走，行走時腳接觸和離開按鍵板產生的壓カ使按鍵板上按鈕的開合產生高電平電信號，未被腳壓的按鍵始終發出低電平信號；步驟12，按鍵控制模塊實時讀取按鍵板上每個按鍵的發出的電信號，井根據控制 器的請求將獲取的各個按鍵的狀態發送給控制器。步驟I完成後進入步驟2 步驟2，PC機根據各個按鍵的狀態還原步伐圖像；步驟3，根據還原的圖像，判斷是否存在偽影或錯誤的腳印；則刪除在偽影或錯誤的腳印後進入步驟4;步驟4，若步驟3的判斷結構為否，則順序連接步伐圖像，獲取整體的步伐軌跡曲線；步驟5，根據步伐軌跡曲線計算得到每步左右腳的步長、步幅、步寬、歩行時間、擺動時間、站立時間、單腳支撐時間、雙腳支撐時間、歩行速率以及每種數據的標準差，根據這些計算值班評估被測者的步態功能。再通過以下步驟對本發明的步行狀態分析系統及方法進行說明I.選擇偏癱患者、膝關節炎患者、大腿假肢穿戴患者各20例。2.採集受試者性別、年齡、身高、體重、腿長等人口學基本資料。3.患者脫鞋後在步墊上行走，收集每人4次步行數據。4.應用Gaitmat II軟體對數據進行計算，取4次步行數據的平均值形成分析樣本，建立相關檔案，判斷患者異常步態程度。5. 一定治療時間後，對同一患者再次進行步態測試，收集每人4次步行數據，應用Gaitmat II軟體對數據進行計算，取4次步行數據的平均值。得出的平均值與前次結果進行比較分析，從而對人體運動系統和神經系統疾病的病因分析和診斷；對功能、療效與殘疾進行評定；指導骨、關節假體與義肢設計；指導偏癱、骨骼肌肉關節疾病等病人的行走功能
重建治療。通過對7例腦卒中偏癱患者進行步態分析，並與正常參考值相比較，首次發現步長、單腿支撐時間、步速異常是影響腦卒中偏癱患者歩行能力恢復的主要因素，採取針對性康復訓練後，患者歩行能力、日常生活活動能力取得顯著改善。若將該本發明廣泛應用於臨床，如假肢的設計訓練、脊髄損傷、腦外傷等病人的評估與訓練，必將帶來顯著的社會效益與經濟效益。表I 2是採用本發明所述系統的步態分析(上述7例中的2例)實施例I步態分析被測人XXX研究科題偏癱步態
地址略ID:課題研究日期03/24/11性別男年齡46 身高(m) :1.72 體重(kgs) :82左腿(cm):87右腿(cm) :87測試狀態一人在旁保護，獨立步行診斷幫助左側大腦半球出血術後3月餘，康復治療40天
表1-1第一次
權利要求
1.步伐採集裝置，其特徵在於包括按鍵板，該按鍵板上設置若干個用於發出電信號的按鍵；以及 與按鍵板電連接的多個按鍵控制模塊，該按鍵控制模塊用於讀取按鍵板上每個按鍵的狀態；以及 與按鍵控制模塊電連接的控制器，按鍵控制模塊根據控制器提供的信號讀取按鍵板上各個按鍵的狀態，並將讀取的按鍵狀態輸出到該控制器。
2.根據權利要求I所述的步伐採集裝置，其特徵在於還包括與控制器電連接的PC機，控制器將獲得的各個按鍵的狀態傳遞給PC機。
3.根據權利要求I所述的步伐採集裝置，其特徵在於所述按鍵控制模塊包括鍵盤控制晶片，用於讀取按鍵板上各個按鍵的狀態，並將獲得的按鍵狀態輸出到控制器；以及 與鍵盤控制晶片電連接的解碼器，該解碼器根據控制器提供的控制信號，發出控制命令使鍵盤控制晶片讀取按鍵板上各個按鍵的狀態。
4.根據權利要求3所述的步伐採集裝置，其特徵在於每個按鍵控制模塊由6個鍵盤控制晶片和I個解碼器組成。
5.根據權利要求3所述的步伐採集裝置，其特徵在於所述鍵盤控制晶片為ZLG7289晶片，所述解碼器為74HC138晶片。
6.一種患者康復訓練步行狀態分析系統，其特徵在於，包括步伐採集裝置，該步伐採集裝置用於採集按鍵板上各個按鍵的狀態；以及 與步伐採集裝置電連接的PC機，PC機根據步伐採集裝置提供的各個按鍵狀態，還原步伐圖像並計算步伐數據。
7.一種患者康復訓練步行狀態分析方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟1，伐採集裝置將獲取的各個按鍵的狀態提供給PC機； 步驟2，PC機根據各個按鍵的狀態還原步伐圖像； 步驟3，根據還原的圖像，判斷是否存在偽影或錯誤的腳印；則刪除在偽影或錯誤的腳印後進入步驟4 ； 步驟4，若步驟3的判斷結構為否，則順序連接步伐圖像，獲取整體的步伐軌跡曲線； 步驟5，根據步伐軌跡曲線計算得到每步左右腳的步長、步幅、步寬、步行時間、擺動時間、站立時間、單腳支撐時間、雙腳支撐時間、步行速率以及每種數據的標準差，根據這些計算值班評估被測者的步態功能。
8.根據權利要求8所述患者康復訓練步行狀態分析方法，其特徵在於，步驟I中步伐採集裝置獲取按鍵板上各個按鍵的狀態的步驟如下 步驟10，開機後控制器發出控制信號，向按鍵控制模塊索取按鍵狀態； 步驟11，患者赤腳在按鍵板上行走，行走時腳接觸和離開按鍵板產生的壓力使按鍵板上按鈕的開合產生高電平電信號，未被腳壓的按鍵始終發出低電平信號； 步驟12，按鍵控制模塊實時讀取按鍵板上每個按鍵的發出的電信號，並根據控制器的請求將獲取的各個按鍵的狀態發送給控制器。
全文摘要
患者康復訓練步行狀態分析系統，包括步伐採集裝置，該步伐採集裝置用於採集按鍵板上各個按鍵的狀態；以及與步伐採集裝置電連接的PC機，PC機根據步伐採集裝置提供的各個按鍵狀態，還原步伐圖像並計算步伐數據。本發明通過步伐採集裝置對步伐圖像進行採集，通過PC機計算出步長、步幅、步速、步頻、步寬、足偏角、步行周期等時空參數，供醫生對患者的步態功能進行綜合評估。
文檔編號A61B5/11GK102697507SQ201210213030
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月26日 優先權日2012年6月26日
發明者常紅, 曾登芬, 林輝勇, 舒彬, 舒春鳳, 蔣宛凌 申請人:中國人民解放軍第三軍醫大學第三附屬醫院