專利名稱:三步態(tài)便攜式電腦截癱助行器的制作方法
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的康復(fù)醫(yī)學(xué)儀器，特別是一種可有三種不同步態(tài)的便攜式的能夠幫助C5-T11脊椎部位受傷或因疾而造成運(yùn)動障礙的截癱病人重新站立、行走的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
國際上現(xiàn)有的截癱病人的助行系統(tǒng)，一般是由傳感器、計(jì)算機(jī)、電刺激器和安全裝置組成的閉環(huán)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的程序是根據(jù)正常人行走時(shí)的步態(tài)預(yù)先編制的。在使用中，計(jì)算機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換讀知固定在病人髖、膝、踝關(guān)節(jié)上的角度傳感器和裝在靴子前端和后跟的壓力傳感器的狀態(tài)信息，有的系統(tǒng)還讀入固定在左、右臂上的換能器的信息，從而探知病人當(dāng)前處于的姿態(tài)，計(jì)算機(jī)運(yùn)算后通過D/A轉(zhuǎn)換向電刺激器提供刺激脈沖所需的相應(yīng)的幅度信息，用以按照預(yù)先的程序準(zhǔn)確控制病人的行走，這樣就形成了閉環(huán)系統(tǒng)。目前，這樣的計(jì)算機(jī)行走系統(tǒng)，尚處于實(shí)驗(yàn)室試用階段，原因是整套系統(tǒng)很重，縱橫交錯(cuò)的導(dǎo)線過多，穿戴各種傳感器很麻煩，另外，還沒有多種步態(tài)以供實(shí)際使用。
本發(fā)明的任務(wù)是要提供一種便攜式的、具有多種步態(tài)和功能的幫助高位截癱病人站立、行走的步行器，并且使用很方便，不必穿戴那么多傳感器。
本發(fā)明的任務(wù)是這樣實(shí)現(xiàn)的它增加了一個(gè)可分離的類似菜單的提示式人機(jī)對話接口，從而使計(jì)算機(jī)本質(zhì)上由數(shù)據(jù)驅(qū)動。原來的步態(tài)是預(yù)先編成程序的，即原來的步行系統(tǒng)是程序驅(qū)動的。現(xiàn)在的步態(tài)由醫(yī)生根據(jù)病人的情況，通過人機(jī)對話接口鍵入的各種數(shù)據(jù)所決定，這些數(shù)據(jù)是不同步態(tài)的各種動作中每群肌肉所需的刺激參數(shù)。本發(fā)明的計(jì)算機(jī)今后就工作在這些數(shù)據(jù)所規(guī)定的狀態(tài)中。從這意義上說，本系統(tǒng)是數(shù)據(jù)驅(qū)動的，是開環(huán)的系統(tǒng)。
另一方面，本步行系統(tǒng)還盡量采用一些反饋，如系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有足跟、足尖開關(guān)和膝開關(guān)的信息的反饋，這樣，即使計(jì)算機(jī)的運(yùn)行與病人的實(shí)際行走節(jié)奏相協(xié)調(diào)，又使系統(tǒng)在可能有擾動的工作狀態(tài)中進(jìn)行自適應(yīng)運(yùn)行。從這意義上說，本系統(tǒng)是采用反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的開環(huán)特點(diǎn)，使得本系統(tǒng)能在大范圍內(nèi)有靈活性，只要醫(yī)生給出新的參數(shù)，系統(tǒng)就可完成新的動作，幾種動作可組成新的步態(tài)，本系統(tǒng)可有三種不同步態(tài)，以適合實(shí)際需要。另外，當(dāng)醫(yī)生給出其他參數(shù)，系統(tǒng)可以用于其他目的如電刺激治療與肌肉訓(xùn)練、肌體功能恢復(fù)等。
本系統(tǒng)的低頻電刺激器輸出全部采用恒流源方式，用以配合輸入?yún)?shù)時(shí)的開環(huán)特性。
對于各通道輸出量大小的調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)不采用通常的通過D/A轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅度的方法，而是采用軟件調(diào)節(jié)它們的脈寬與脈沖的頻率的方法，這樣，省去了D/A變換等硬件。
本系統(tǒng)通過軟硬件配合，可對8個(gè)大肌肉群采取正負(fù)脈沖刺激方式，即負(fù)脈沖為正脈沖的刺激作電荷聚集的準(zhǔn)備，負(fù)脈沖發(fā)生后間隔100微秒才發(fā)生正脈沖刺激，這樣保持被刺激肌體部位相對電中性，這樣可以減輕肌肉疲勞和避免肌肉疲勞而過早引起痙攣。
本系統(tǒng)的16個(gè)通道通過軟硬件配合全部隔開，各通道相互間完全獨(dú)立，這樣避免了各通道肌肉刺激電流之間的相互干擾而產(chǎn)生的交錯(cuò)干擾刺激。
由于開、閉環(huán)特點(diǎn)，本系統(tǒng)不采用A/D轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的傳感器系統(tǒng)，可以減輕重量和降低成本，也方便了使用。
對于每一種步態(tài)，系統(tǒng)都提供三種不同使用方式，以適合同一種數(shù)據(jù)工作在不同方式下的要求(1)肌肉訓(xùn)練方式;(2)手控方式;(3)足跟開關(guān)方式。
以下將結(jié)合附圖1、2、3對發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖1是本發(fā)明的硬件框圖。
圖2是本發(fā)明的軟件框圖。
圖3(a)是本發(fā)明的正負(fù)脈沖輸出的一個(gè)通道的電原理圖。圖3(b)是單脈沖輸出的一個(gè)通道的電原理圖。圖3(c)是同組諸通道的框圖。圖3(d)是不同組輸出的框圖。圖3(e)是本發(fā)明的電源框圖。
參照圖1，醫(yī)生可以通過人機(jī)對話接口輸入或修改各種參數(shù)，并經(jīng)轉(zhuǎn)換存入非易失性隨機(jī)存貯器中。
參照圖2，系統(tǒng)在步行循環(huán)的換腿時(shí)詢問病人是否要改換步態(tài)，若要，則通過開關(guān)切換，就可進(jìn)入新步態(tài)。系統(tǒng)將“行走”看成是由若干小步組成的循環(huán)。每一小步分別由兩腿的不同動作(也可相同動作)組成，每一動作可由該腿部多達(dá)8個(gè)通道(也可少于8個(gè)通道)的協(xié)調(diào)發(fā)出電刺激來完成，其中每一通道的脈寬、脈沖頻率都計(jì)算機(jī)可調(diào)。每一小步的持續(xù)時(shí)間也計(jì)算機(jī)可調(diào)。所有這些數(shù)據(jù)(脈寬、脈沖頻率、小步時(shí)間等)都可通過參數(shù)輸入模塊方便地輸入或修改，然后通過“轉(zhuǎn)換模塊1”轉(zhuǎn)換成內(nèi)部存貯格式送非易失性隨機(jī)存貯器中存貯。
存貯格式的數(shù)據(jù)在使用前經(jīng)“轉(zhuǎn)換模塊2”再轉(zhuǎn)換成為驅(qū)動格式，驅(qū)動格式的數(shù)據(jù)達(dá)到三個(gè)要求(1)形成脈寬。將輸出子程序編得使其執(zhí)行時(shí)間為100微秒，以此作為脈寬的最小單元，脈寬數(shù)即調(diào)用此子程序次數(shù)，軟件調(diào)脈寬。(2)包含正負(fù)脈沖信息。系統(tǒng)對每個(gè)通道分別給出“信號”與“允許”兩組信息，配合硬件就能形成正負(fù)脈沖。在“允許”態(tài)時(shí)，“信號”O(jiān)可以對應(yīng)負(fù)脈沖，“信號”1就對應(yīng)正脈沖;在“不允許”態(tài)時(shí)，不管“信號”如何都作為無脈沖或高阻態(tài)。(3)有分時(shí)功能。因?yàn)橥ǖ婪譃椴煌M，同組的通道將共用電源與地線，所以需要驅(qū)動數(shù)據(jù)能依次分別將同組的不同通道與共用的電源與地線接通，以此方式隔離同組的各通道。至于不同組的通道，因使用不同的電源與地線(參照圖3(d))隔離不同組的各通道，所以不分時(shí)即它們的輸出可同時(shí)發(fā)生。
硬件的中斷驅(qū)動電路每毫秒發(fā)生一次中斷，軟件的記時(shí)模塊一方面根據(jù)發(fā)生的中斷進(jìn)行記時(shí)，當(dāng)預(yù)置的時(shí)間到就結(jié)束當(dāng)前小步轉(zhuǎn)入下一小步;另一方面根據(jù)各通道頻率要求判斷該通道在當(dāng)前中斷時(shí)刻是否應(yīng)該有刺激脈沖輸出。
圖2中的訓(xùn)練模塊、手控模塊和足跟開關(guān)模塊分別提供使用本系統(tǒng)的不同的方式。訓(xùn)練模塊可以對肌體進(jìn)行長時(shí)間的重復(fù)刺激，適用于對肌肉進(jìn)行增強(qiáng)訓(xùn)練。手控模塊以手控開關(guān)方式控制行走時(shí)每條腿的起動，足跟開關(guān)模塊則以足跟開關(guān)方式控制行走時(shí)每條腿的起動，使系統(tǒng)的運(yùn)行與實(shí)際行走的節(jié)奏相協(xié)調(diào)。
參照圖3(a)，計(jì)算機(jī)輸出與電刺激器之間用光電耦合管隔離，這樣，防止了低頻高電壓對計(jì)算機(jī)部分的任何可能的影響。此外，計(jì)算機(jī)的“允許”線控制著各通道與它們所屬組的共用電源的連接，只在“允許”時(shí)才與共用電源相接，否則就斷開。VR電壓為Vi電壓的比較電壓，將計(jì)算機(jī)的輸出的信號電壓轉(zhuǎn)換為正負(fù)脈沖電壓，然后通過V-I輸出電路，變成恒流源電流輸出。參照圖3(c)，信號控制開關(guān)K則控制著各通道與它們所屬組的共用地線的連接，在有信號時(shí)亦即“允許”時(shí)才將該通道與共用地線相接，否則斷開。這樣，雖然同組的通道共用了電源與地線，但是通道相互間卻全部隔離開，并且各通道在無信號時(shí)也無靜態(tài)電流損耗。此外，計(jì)算機(jī)分時(shí)地將同組內(nèi)的各通道的電源與地線與該組的共用電源與地線接通，這里使用的時(shí)間間隔為十毫秒數(shù)量級，不為人所覺察，所以也是可行的。
參照圖3(a)，各通道以電流源形式作輸出，電流脈沖的幅度可以通過電位器w模擬調(diào)節(jié)，這樣，根據(jù)病人對各通道使用的要求，可將電流波形的幅度相對固定在不同的數(shù)量級，再配合脈寬與頻率的數(shù)字式調(diào)節(jié)，機(jī)器就能適應(yīng)較寬的使用范圍。
輸出恒流源采用NPN，PNP管組合，其輸出特性Ic不隨負(fù)載阻R1變化而變化，而隨Ib改變改變，以提供所需的刺激電流。為了便攜，系統(tǒng)還對另外8個(gè)通道采用單向脈沖(圖3(b))的輸出方式，此種方式除了脈沖為單向外，其余特性均與正負(fù)脈沖輸出方式類似。
電源采用9V直流電源，通過DC-DC變換升壓以供各級使用(參看圖3(e))。
輸出電極采用通常的表面電極方式。
作為開環(huán)系統(tǒng)，本發(fā)明的步行器需要使用該步行器的醫(yī)生具有關(guān)于刺激參數(shù)的一定知識，并且需要醫(yī)生鍵入各種參數(shù)。這一點(diǎn)固然比全閉環(huán)步行系統(tǒng)不需要鍵入?yún)?shù)來得麻煩。但是，癱瘓病人在使用任何系統(tǒng)能夠站起來以前總需要一段時(shí)期的肌肉增強(qiáng)訓(xùn)練，在站起來和能夠行走時(shí)也需要有練習(xí)與試驗(yàn)的時(shí)間，而本系統(tǒng)的相對每一時(shí)期所需的數(shù)據(jù)量是不多的，并且數(shù)據(jù)非易失性地保存著，可供隨時(shí)修改，這樣，相對來說鍵入?yún)?shù)的麻煩是可以容忍的。在另一方面，本系統(tǒng)省去了全閉環(huán)步行系統(tǒng)必須的各式傳感器，這一點(diǎn)使病人在使用本系統(tǒng)時(shí)感到方便。此外，恒流源輸出和本系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的閉環(huán)特性減少了修改數(shù)據(jù)的必要性。這樣，一旦病人的肌肉得到訓(xùn)練和增強(qiáng)，能夠站立與行走，數(shù)據(jù)就可以不需要經(jīng)常修改。加上人機(jī)對話接口可以脫離整個(gè)系統(tǒng)，病人使用時(shí)只需攜帶一個(gè)180×120×40mm3，重量在0.5公斤左右的盒子(不包括電源部分)。所有這一切，會使醫(yī)生和病人都感到十分便利。
權(quán)利要求
1.一種康復(fù)醫(yī)學(xué)儀器，特別是可以幫助高位截癱病人站立、行走的計(jì)算機(jī)助行器，該助行器有計(jì)算機(jī)和電刺激器，其特征在于a、可有三種步態(tài)[4]，b、有人機(jī)對話接口[1]開環(huán)式地輸入?yún)?shù)，c、有開關(guān)狀態(tài)[2]信息反饋運(yùn)行時(shí)形成閉環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的助行器，其特征是非易失性隨機(jī)存貯器〔3〕，用來保存參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的助行器，其特征是軟件的轉(zhuǎn)換模塊2〔5〕，軟件來調(diào)節(jié)脈寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的助行器，其特征是輸出子程序〔6〕的執(zhí)行時(shí)間為100微秒，該子程序的執(zhí)行次數(shù)即形成實(shí)際的脈寬。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的助行器，其特征是運(yùn)行時(shí)可有訓(xùn)練、手控、足跟開關(guān)三種方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的助行器，其特征是計(jì)算機(jī)輸出與電刺激器之間用光電耦合〔7〕方式隔開。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的助行器，其特征是電刺激器的16通道分成4組，各通道完全隔開，即同組之間分時(shí)地使用相同的電源與地線，不同組之間可同時(shí)地使用不同的電源與地線。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的助行器，其特征是電刺激器以恒流源作為輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的助行器，其特征是電刺激器有正負(fù)脈沖輸出的通道，其正負(fù)脈沖間有100微秒間隔。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種可有三種不同步態(tài)的便攜式的能夠幫助C
文檔編號A61F4/00GK86104096SQ86104096
公開日1988年5月18日 申請日期1986年11月7日
發(fā)明者劉建新, 邵一謙 申請人:邵一謙, 劉建新導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan