專利名稱：利用輔助鍛煉來改善運動功能的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于醫(yī)學(xué)治療的系統(tǒng)和方法。在具體實施方式
中，本發(fā)明涉及用于改善遭受神經(jīng)障礙的患者的運動功能(motor function)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
神經(jīng)障礙，如包括那些本質(zhì)上變性的神經(jīng)運動和神經(jīng)認知障礙，可導(dǎo)致患者生活質(zhì)量的顯著降低。大多數(shù)神經(jīng)障礙在一定程度上可通過藥物治療。在帕金森病(PD)的情形中，雖然抗帕金森藥物可改善ro運動功能，但其有效性隨障礙發(fā)展降低，且通常在長期l-D0PA使用后形成禁止性運動障礙。而且，許多人優(yōu)選比藥物更自然的替換方案。在動物中已經(jīng)進行了某些研究以確定鍛煉是否有益于治療ro (參見，如，Poulton 等人，“Treadmill training ameliorates dopamine loss but not behavioraldeficits in hemi-Parkinsonian rats，，，Experimental Neurology, 193 :181-197(2005);和 Tillerson 等人，“Exercise induces behavioral recovery and attenuatesneurochemical deficits in rodent models of Parkinson’ s disease，，,Neuroscience,119:899-911 (2003)。實際上，動物研究已經(jīng)表明，強迫鍛煉改善運動功能并具有神經(jīng)保護質(zhì)量。具體地，在強迫鍛煉范例中，為了避免有害刺激，注射了 6-羥基多巴胺(6-0DHA)從而刺激I3D的嚙齒動物在馬達驅(qū)動的跑步機(踏車)上以比其優(yōu)選的鍛煉速度高的速度鍛煉。然而，來自動物強迫鍛煉研究的有前景的結(jié)果還沒有轉(zhuǎn)移到患ro的人類患者。帕金森患者采用了不同形式的鍛煉。例如，傳統(tǒng)機械治療活動、運動訓(xùn)練的執(zhí)行、無支撐的跑步機步行、部分體重支撐的跑步機步行、或持久鍛煉活動的組合都已經(jīng)用于改善ro運動技巧° (參見，Herman 等人，“Six weeks of intensive treadmill training improvesgait and quality of life in patients with Parkinson’ s disease:a pilot study，，，Arch. Phys. Med. RehabiI. ,88:1154-1158 (2007);和 Pohl 等人，“Immediate effects ofspeed-dependent treadmill training on gait parameters in early Parkinson’ sdisease”，Arch. Phys. Med. RehabiI.，84:1760-1766 (2003))。然而，元分析得出下面的結(jié)論，即，沒有足夠的證據(jù)支持鍛煉治療對帕金森患者的有效性。(參見，如，Smidt等人，“Effectiveness of exercise therapy:A best-evidence summary of systematicreviews”, Aust. J. Physiotherapy,51:71-85 (2005))。
此外，ro和其他神經(jīng)運動和神經(jīng)認知障礙的衰弱效果通常阻止人們在治療它們的各自障礙中實現(xiàn)全部的鍛煉益處。實際上，ro患者產(chǎn)生緩慢和無規(guī)則的運動限制了其以改善運動功能可能必須的相對高速度鍛煉的能力。參見,如DeLong MR, “Primate modelsof movement disorders of basal ganglia origin”，Trends in Neuroscience, 13 (7):281-185 (1990) ；Playford ED 等人，“Impaired activation of frontal areas duringmovements in Parkinson’s disease: a PET study”，Adv. Neurol. ,60:506-510 (1993);Playford 等人，“ Impaired mesial frontal and putamen activation in Parkinson’sdisease:a positron emission tomography study，，,Ann. Neurol. , 32(2):151-161( 1992);和Eidelberg等人,“The metabolic topography of parkinsonism，，, Journal of CerebralBlood Flow and Metabolism, 14:783-801 (1994))。而且，在某些神經(jīng)障礙的后期，包括PD，藥物效果較小，因此進一步削弱患者鍛煉的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面包括用于改善呈現(xiàn)異常運動功能的患者運動功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有可活動部分(movable portions)的鍛煉器械(鍛煉機器，鍛煉機)，其響應(yīng)于對患者提供的所述可活動部分的運動的第一貢獻(第一作用，first contribution)而運動。該系統(tǒng)也包括耦接到所述鍛煉器械的馬達，其提供對所述可活動部分的所述運動的第二貢獻(第二作用，second contribution)。該系統(tǒng)也包括在鍛煉器械上的至少一個機械傳感器，其感測患者或馬達的機械參數(shù)。該系統(tǒng)進一步包括耦接至鍛煉器械的控制系統(tǒng)，該鍛煉器械耦接至馬達和機械傳感器，并被程序化以接收來自機械傳感器的數(shù)據(jù)，且基于來自機械傳感器的數(shù)據(jù)改變第二貢獻的量。在優(yōu)選的實施方式中，機械傳感器感測患者的速度或節(jié)奏、患者產(chǎn)生的扭矩、馬達產(chǎn)生的扭矩、患者產(chǎn)生的功率、或馬達產(chǎn)生的功率。在優(yōu)選的實施方式中，該系統(tǒng)在鍛煉過程中增大患者的節(jié)奏。因為患者主動對鍛煉器械的可活動部分的運動做出貢獻，所以該系統(tǒng)增大但不取代患者的自愿努力。本發(fā)明的另一個方面包括用于改善遭受異常運動功能，如神經(jīng)障礙的患者的運動功能的方法。該方法包括從患者接收對鍛煉器械的可活動部分運動的第一貢獻，并感測對應(yīng)于患者或鍛煉器械的機械參數(shù)的數(shù)據(jù)。該方法進一步包括經(jīng)由耦接至所述鍛煉器械的馬達為所述鍛煉器械的所述可活動部分的所述運動提供第二貢獻，基于感測的數(shù)據(jù)計算患者的總分(summary score),比較患者的總分與預(yù)設(shè)的期望總分范圍，以及基于該得分的比較改變第二貢獻。在優(yōu)選的實施方式中，機械參數(shù)是患者的速度或節(jié)奏、患者產(chǎn)生的扭矩、馬達產(chǎn)生的扭矩、患者產(chǎn)生的功率、或馬達產(chǎn)生的功率。在優(yōu)選的實施方式中，神經(jīng)障礙是神經(jīng)馬達或神經(jīng)認知障礙。


圖I示出了根據(jù)本發(fā)明方面的用于改善具有異常運動功能的患者的運動功能的系統(tǒng)的實施例。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明方面的控制系統(tǒng)的實施例。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明方面的用于改善遭受異常運動功能的患者的運動功能的方法的實施例。
圖4a示出了安裝在機械訓(xùn)練設(shè)備(trainer)上的雙人自行車(tandem bicycle),該機械訓(xùn)練設(shè)備具有在訓(xùn)練機器(前)和患者(后)位置固定的前叉和安裝的曲軸組件(cranksets)，如實施例I中使用的。圖4b示出了在實施例I的“強迫鍛煉”(“FE”)一段時間過程中，人訓(xùn)練機器產(chǎn)生175±11瓦特的功率，而患者產(chǎn)生54±17瓦特功率?；颊邊⑴c者的節(jié)奏和心率分別是83. 2±17rpm和128. 8 ±5. 3bpm。
圖5a示出了與實施例I的基線得分相比，在鍛煉治療(“EOT”)結(jié)束時和在治療結(jié)束后4周(“E0T+4”)統(tǒng)一帕金森病評分量表(UPDRS)運動得分的結(jié)果。對于“自愿鍛煉”(“VE”)組中患者，UPDRS得分沒有變化。圖5b是條形圖，其示出了在通過治療一半的另外時間的UPDRS得分和實施例I在治療結(jié)束后2周的UPDRS得分。圖6a示出了雙手靈巧性任務(wù)。圖6b示出了用于穩(wěn)定化和操縱實施例I的VE和FE組中患者的肢體的代表性抓握負荷坐標(biāo)繪圖(grip-load coordination plot)。F1D患者中抓握負荷關(guān)系通常是未耦接的(分離的)且是不規(guī)則的。在8周鍛煉后，抓握負荷關(guān)系在FE組中看起來更多耦接，但在VE后不變。圖6c示出了 FE組中抓握時間延遲的平均變化從基線顯著減小到EOT和EOT+4。VE組中沒有看到抓握時間延遲的變化。圖6d示出了操縱手時力產(chǎn)生的速率的平均變化在8周FE后顯著增加，且在VE后稍微減小。圖7示出了在實施例I的用于穩(wěn)定化和操縱肢體的每個評估點，所有患者每次試驗的壓力數(shù)據(jù)的中心。圖8示出了在左手正弦力任務(wù)(a-b)和左手恒力任務(wù)(c-d)后，實施例2的激活的腦區(qū)的fMRI掃描。在p〈0. 001 (校正的)，圖有閾值。圖9示出了在如實施例3中所述的三種不同實驗組中十個患者的平均fMRI數(shù)據(jù)。
具體實施例方式一般地，本發(fā)明涉及強迫鍛煉干預(yù)作為用于改善遭受醫(yī)學(xué)障礙的患者癥狀的方法。醫(yī)學(xué)障礙可以是神經(jīng)障礙，如神經(jīng)運動或神經(jīng)認知障礙，如下面更詳細地描述的。在特定實施方式中，本發(fā)明涉及強迫鍛煉作為用于改善遭受異常運動功能的患者運動功能的方法。術(shù)語“強迫鍛煉”或“強迫的有氧鍛煉”通常指這樣的鍛煉活動(程序，routine)或計劃，期間患者被要求以預(yù)定的鍛煉強度范圍鍛煉，該范圍大于患者愿意或能夠執(zhí)行的范圍。在示例性實施方式中，具有醫(yī)學(xué)障礙的患者，如神經(jīng)障礙，優(yōu)選神經(jīng)運動或神經(jīng)認知障礙，操作馬達驅(qū)動的鍛煉器械。本發(fā)明的系統(tǒng)在患者在鍛煉器械上進行鍛煉活動的過程中，經(jīng)由傳感器監(jiān)視患者的實時反饋數(shù)據(jù)和/或鍛煉器械的反饋數(shù)據(jù)。傳感器可測量機械或生理參數(shù)?；颊叩氖纠陨韰?shù)是心率。患者的示例性機械參數(shù)包括患者在鍛煉過程中產(chǎn)生的節(jié)奏(如踩踏速率)、速度、扭矩、和功率。鍛煉器械的示例性機械參數(shù)包括馬達產(chǎn)生的扭矩和功率。功率和功定義如下功率=功/時間，而功=力X位移。雖然控制系統(tǒng)可程序化從而僅考慮一個參數(shù)，如在鍛煉器械上執(zhí)行過程中患者的速度或節(jié)奏，控制系統(tǒng)也可以利用算法程序化，其組合大量參數(shù)以生成患者總分?？刂葡到y(tǒng)可將患者的總分和指令輸出到顯示系統(tǒng)，如指示患者更快或更慢地鍛煉，該顯示系統(tǒng)如計算機化的顯示屏或打印輸出。作為實例，生理數(shù)據(jù)的參數(shù)和/或機械數(shù)據(jù)可加權(quán)從而生成患者總分。因此，可為患者提供在所需速率鍛煉必須的信息，從而獲得減輕他或她醫(yī)學(xué)障礙癥狀的最大臨床益處?？商鎿Q地或額外地，控制系統(tǒng)可程序化從而激活馬達以輔助患者以所需的速率鍛煉從而實現(xiàn)上面提及的益處。為了實施鍛煉系統(tǒng)，患者總分可與預(yù)設(shè)的所需得分范圍比較。可首先指示患者增加他或她的速度、節(jié)奏、功率或扭矩，從而保持在所需范圍內(nèi)的鍛煉水平。如果患者不能增加速度、節(jié)奏、功率或扭矩，則控制系統(tǒng)經(jīng)程序化以激活馬達從而輔助患者達到所需范圍內(nèi)的總分。因此，控制系統(tǒng)可基于患者的功率、扭矩、節(jié)奏、或速度控制馬達提供的輔助的大小。結(jié)果，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到患者需要額外輔助從而保持總分在所需范圍內(nèi)時，馬達可提供更多輔助，并當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到患者需要較少輔助從而保持總分在所需范圍內(nèi)時，可提供較少輔助。因此，患者能夠保持鍛煉在所需范圍內(nèi)，從而接收用于減輕醫(yī)學(xué)障礙癥狀的最大臨床益處。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的方面用于減輕醫(yī)學(xué)障礙的癥狀的系統(tǒng)10的實例。系統(tǒng)10示出了患者12在鍛煉器械14上鍛煉。在圖I的實例中，鍛煉器械14被示為靜止鍛煉自行 車，然而，應(yīng)該理解，鍛煉器械14可以是任何鍛煉器械，其可接收來自患者的功率貢獻(即，主動貢獻)和來自機器馬達的功率貢獻，并具有傳感器和控制系統(tǒng)。示例性鍛煉器械具有可移動部件，其響應(yīng)于患者的運動以周期運動移動。例如，鍛煉器械14可以是豎立的靜止自行車、斜躺的靜止自行車、半斜躺的自行車、樓梯攀爬機器、交叉訓(xùn)練機器、跑步機(包括體重支撐的跑步機)、爬坡機(treadc I imber )、越野滑雪機、橢圓機、劃式練力機(劃艇機)、馬達驅(qū)動的非靜止自行車、手臂肌力訓(xùn)練機(arm ergometer)、或任意多種其他鍛煉器械。因此，鍛煉器械可要求來自患者下肢、上肢、或兩者的功率貢獻。如實施例I中所示，鍛煉下肢導(dǎo)致上肢和/或下肢運動功能的改善。在某些實施方式中，鍛煉上肢導(dǎo)致上肢和/或下肢運動功能的改善。在某些實施方式中，鍛煉下肢導(dǎo)致上肢運動功能的改善。實施系統(tǒng)10從而為患者12提供強迫鍛煉，以便如上所述，通過要求患者以比患者愿意或能夠無輔助執(zhí)行的范圍大的預(yù)定鍛煉強度范圍鍛煉來減輕患者12的醫(yī)學(xué)障礙的癥狀。鍛煉運動的強度可以以任何合適方式測量。在某些情形中，強度可作為節(jié)奏或速度測量。如這里所用的，“節(jié)奏”意味著在進行鍛煉時患者的肢體運動的重復(fù)速率(如，每分鐘)。患者的肢體運動以傳統(tǒng)方式計數(shù)，其可根據(jù)特定類型的鍛煉或使用的鍛煉器械改變。例如，在靜止自行車上，節(jié)奏可以是踩踏速率(如，每分鐘踏板轉(zhuǎn)數(shù)或RPM);但在跑步機或爬樓機(stair climber)上,節(jié)奏可以是步進速率(如,每分鐘的腳步數(shù)目)。強度也可測量為速度，例如每小時的英里數(shù)。在節(jié)奏的情形中，為了確定患者愿意鍛煉(“自愿鍛煉)的自愿強度，可通過測量患者自愿鍛煉的最大能力來確定閾值節(jié)奏值，即，沒有來自另一人或機械的輔助。為了確定患者被迫鍛煉的強度，可確定超閾值節(jié)奏范圍，該范圍是用于治療的期望范圍。超閾值范圍的底線是超過患者閾值節(jié)奏值并導(dǎo)致患者障礙癥狀改善的值。超閾值范圍的頂部是患者的癥狀沒有進一步改善之后的值?；颊呖山柚鷣碜缘谌交驒C器的輔助來實現(xiàn)這樣的節(jié)奏值，其在超閾值節(jié)奏范圍內(nèi)。如上所述，在超閾值節(jié)奏值的范圍內(nèi)的鍛煉速率是患者被迫鍛煉的速率。為了實施強迫鍛煉，系統(tǒng)10包括耦接至鍛煉器械14的馬達16，如耦接至活動部件(如耦接至踏板的自行車曲柄)。因此，馬達16可輔助鍛煉器械14的可活動部件的運動，以便患者12可為可活動部件的運動提供第一貢獻，且馬達16可為可活動部件的運動提供第二貢獻。馬達16可由控制系統(tǒng)18控制，其將警報馬達16速度的信號30提供給馬達。如下面更詳細地描述的，控制系統(tǒng)18可響應(yīng)來自多種源中任一種的反饋數(shù)據(jù)20，經(jīng)由信號30改變馬達16的速度。為了控制馬達16的速度，控制系統(tǒng)18被程序化以實施馬達控制算法22。雖然在實施例I中，馬達控制算法22是作為控制系統(tǒng)18的部件描述的，但應(yīng)該理解，馬達控制算法22可存儲在計算機可讀存儲介質(zhì)中，其可由控制系統(tǒng)18內(nèi)的處理器讀取。馬達控制算法22可程序化激活馬達16、停止馬達16、和/或控制馬達16的速度，從而保持患者12的鍛煉速率在相應(yīng)于減輕特定患者的各自醫(yī)學(xué)障礙癥狀的所需范圍內(nèi)。因此，為了控制馬達16，馬達控制算法22可響應(yīng)于由患者12提供的鍛煉器械14的可活動部件運動的第一貢獻，以及與鍛煉器械14和患者12的運動關(guān)聯(lián)的其他因素。任何或所有這些因素可對反饋數(shù)據(jù)20都有貢獻，該反饋數(shù)據(jù)20由控制系統(tǒng)18收集并由馬達控制算法22用于控制馬達16。作為實例，反饋數(shù)據(jù)20可包括與患者12的有氧鍛煉和/或生理狀況關(guān)聯(lián)的生理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)10因此包括生物反饋傳感器24，其可耦接至患者12且其提供生理數(shù)據(jù)。作為 實例，生物反饋傳感器24可包括心臟監(jiān)視器，從而提供患者的心率。應(yīng)該理解，生物反饋傳感器24也可包括多種額外或可替換類型的生物反饋傳感器中的任一種，類似地，如測量體溫的體溫計、神經(jīng)脈沖電極、和/或心電圖(EKG)電極，從而提供其他類型的生理數(shù)據(jù)。感測的其他生理數(shù)據(jù)可包括患者有氧活動的任何測量，如呼吸速率、血壓、代謝速率、熱消耗速率、以及CO2呼出量、燃燒的卡路里、以及踩踏對稱性。在圖I的實例中，生理數(shù)據(jù)經(jīng)信號32從生物反饋傳感器24傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)18。其他類型的反饋可以在系統(tǒng)10中生成，從而對反饋數(shù)據(jù)20有貢獻。作為實例，與鍛煉器械14關(guān)聯(lián)的機械反饋可提供給控制系統(tǒng)18，在圖I的實例中展示為信號34。例如，鍛煉器械14可包括耦接至活動部件(如踏板)的功率表，其測量患者12提供的功率量(單位為瓦特)，且因此測量對鍛煉器械14的活動部件的運動的第一貢獻。由信號34提供的反饋也可包括鍛煉器械14的活動部件的周期性運動的節(jié)奏，如鍛煉自行車踏板的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)或患者鍛煉的速度。鍛煉器械14的節(jié)奏可從鍛煉器械14的電子控制提供，或可從耦接至可活動部件本身的外部傳感器提供。而且，馬達16可提供指示馬達16自身提供的功率的反饋。在圖I的實例中，馬達16的功率反饋被展示為從馬達16提供給控制系統(tǒng)18的信號36。馬達控制算法22可因此利用反饋數(shù)據(jù)20來控制馬達16的操作和/或速度，從而為患者12提供所需的鍛煉范圍。作為實例，所需的鍛煉速率可基于多種因素對患者12是特定的，如患者12的神經(jīng)障礙、患者12的年齡和/或生理健康、用于減輕患者12的神經(jīng)障礙癥狀的鍛煉計劃的時間階段、或多種其他因素中任何一種。因此，對于給定的患者12，所需的鍛煉速率可從一種強迫鍛煉過程改變?yōu)榱硪环N。所需的鍛煉速率可提供給控制系統(tǒng)作為預(yù)定的所需總分范圍，展示為信號40，如在每個強迫鍛煉過程的開始。馬達控制算法22可編譯反饋數(shù)據(jù)20并將其與由信號40設(shè)定的預(yù)定總分范圍比較，從而確定馬達16的適當(dāng)?shù)目刂坪?或速度，從而確保患者12在所需的治療范圍內(nèi)鍛煉。因此，馬達控制算法22可設(shè)定馬達16的速度，從而增加鍛煉器械14的活動部件的運動的第二貢獻，使得患者12在以大于他或她能夠單獨執(zhí)行的速率鍛煉中得到輔助?？刂葡到y(tǒng)18也可被程序化成為患者12提供機會以嘗試在所需的范圍內(nèi)借助來自馬達16的少量輔助或無輔助鍛煉。具體地，系統(tǒng)10包括顯示系統(tǒng)26，其可配置為計算機監(jiān)視器或一組視覺指示器，其為患者12提供他或她的總分指示。作為實例，顯示系統(tǒng)26可整體或單個要素(components)地顯示反饋數(shù)據(jù)20,并可顯示用于特定參數(shù)的所需范圍，如節(jié)奏或功率。因此，患者12可基于視覺指示來嘗試調(diào)節(jié)他或她的鍛煉速率。此外，控制系統(tǒng)18可基于反饋數(shù)據(jù)20與預(yù)定的所需總分的比較，利用算法產(chǎn)生信號38，該信號經(jīng)顯示系統(tǒng)26提供患者指令28。作為實例，患者指令28可基于反饋數(shù)據(jù)20指示患者12增加他或她的踩踏速率,該反饋數(shù)據(jù)20指示患者12正在以大于所需的速率鍛煉。同樣，患者指令28可基于反饋數(shù)據(jù)20指示患者12減小他或她的踩踏速率,該反饋數(shù)據(jù)20指示患者12正在以大于所需的速率鍛煉?？刂葡到y(tǒng)18可因此提供患者指令28作為第一次嘗試，從而鼓勵患者12在所需范圍內(nèi)鍛煉。然后，如果控制系統(tǒng)18確定患者12不能在無輔助時達到在所需范圍內(nèi)的總分，如基于患者12不能滿足特定條件，則控制系統(tǒng)18可然后調(diào)用馬達控制算法22來控制馬達16以輔助患者12達到在所需范圍內(nèi)的總分。系統(tǒng)10因此經(jīng)配置成使得具有醫(yī)學(xué)障礙的患者12從強迫鍛煉受益從而基本上改 善他或她各自的狀況。具體地，輔助鍛煉計劃使患者12具有基本緩解醫(yī)學(xué)狀況的效果的可能性，特別是對于不能在無輔助情況下達到相當(dāng)大鍛煉的具有虛弱運動障礙的患者12。該輔助鍛煉也可為患者12提供相當(dāng)大的心臟益處，特別對于他或她本身不能達到足夠保持適當(dāng)?shù)男呐K健康的有氧鍛煉強度的患者12。在某些實施方式中，系統(tǒng)包括都與中央監(jiān)視站(monitoring station)通信的多種鍛煉器械。中央監(jiān)視站裝配有計算機系統(tǒng)部件，其用于接收和/或發(fā)射信號、處理數(shù)據(jù)、和輸出數(shù)據(jù)。例如，中央監(jiān)視站可包括一個或更多屏幕顯示器供醫(yī)療提供商察看。該特征在這樣的情形是有用的，即，通過使醫(yī)學(xué)提供商同時監(jiān)視多個患者的表現(xiàn)，系統(tǒng)用于臨床設(shè)施。在某些情形中，除了接收數(shù)據(jù)，中央監(jiān)視系統(tǒng)也可將控制指令傳輸至單個鍛煉器械，從而以本文其他處所述的方式提供強迫鍛煉干預(yù)。例如，馬達控制算法可在中央監(jiān)視站執(zhí)行。中央監(jiān)視站和鍛煉器械之間的通信鏈路可以以合適的方式提供，例如包括無線通信。圖2示出根據(jù)本發(fā)明方面的控制系統(tǒng)50的實例。控制系統(tǒng)50可配置為計算機或計算機系統(tǒng)，或可配置為專用控制器。作為實例，控制系統(tǒng)50可相應(yīng)于圖I的實例中的控制系統(tǒng)18。因此，在圖2的下面描述中參考圖I的實例?？刂葡到y(tǒng)50包括總分發(fā)生器(summary score generator) 52?？偡职l(fā)生器52被配置成編譯反饋數(shù)據(jù)，如圖I的實例中的集合反饋數(shù)據(jù)20，從而生成表示反饋數(shù)據(jù)的患者總分54。作為實例，患者總分54可以是具有來自反饋數(shù)據(jù)的部分或所有源的加權(quán)貢獻(weighted contributions)的單個數(shù)值。在圖2的實例中，總分發(fā)生器52提供有分別來自生物反饋傳感器24、鍛煉器械14、和馬達16的反饋信號32、34、和36。因此，總分發(fā)生器52接收反饋的各自的獨立源，并基于集合反饋生成患者總分54。在圖2的實例中，患者總分包括鍛煉運動的強度(其可包括自愿和馬達輔助的分量)、如節(jié)奏56 (單位為rpm),并進一步包括對鍛煉運動的患者貢獻58 (即，自愿的)、對鍛煉運動的馬達貢獻60 (即，輔助的)、或這兩者，以及對患者測量的生理參數(shù)，如心率62。應(yīng)該指出，患者貢獻(患者作用)、或馬達貢獻(馬達作用)、或兩者可以被包括在總分中。生理參數(shù)可以包括在總分中或可以不包括在總分中。對鍛煉運動的患者貢獻和/或馬達貢獻可以以合適的方式測量。例如，對鍛煉運動的患者貢獻和/或馬達貢獻可測量為由患者或馬達施加的功率、扭矩、節(jié)奏、或速度。作為實例，患者功率58可從耦接至靜止鍛煉器械14的可活動部件的功率表測量，并且可從信號34傳輸?shù)椒答伩倻y量發(fā)生器52。作為實例，馬達功率60可從馬達16或關(guān)聯(lián)的馬達控制器(未不出)測量，并可從信號36傳輸?shù)娇偡职l(fā)生器52。總分中的每個因子被分配以一定的權(quán)重，其以這樣的方式設(shè)定以便使可用于本發(fā)明算法的總分可為患者提供臨床有益的治療。因子權(quán)重也取決于所使用的測量的單位。然而，本發(fā)明使用的總分不是用于限制任何特定單位測量，而是包括使用可替換測量單位的任何打分技術(shù)，但其他方面在進行適當(dāng)?shù)膯挝晦D(zhuǎn)換時，等效于本發(fā)明的打分技術(shù)。
在實施方式中，總分可包括兩個或更多下列因數(shù)節(jié)奏(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，包括自愿和強迫分量);患者的功率貢獻(單位為瓦特);馬達的功率貢獻(單位為瓦特);和/或患者的心率(每分鐘心跳)。在該總分中，節(jié)奏可被分配以總分中的最高權(quán)重，即節(jié)奏(每分鐘單位)被分配以比患者或馬達功率貢獻(單位為瓦特)或心率(每分鐘心跳)大的權(quán)重。可用于本發(fā)明的總分的特定代表性實例在下面的等式中提供總分=E A (節(jié)奏)+B (患者功率)+C (馬達功率)+D (心率)其中系數(shù)A是節(jié)奏的權(quán)重貢獻，系數(shù)B是患者功率的權(quán)重貢獻，系數(shù)C是馬達功率的權(quán)重貢獻，以及系數(shù)D是心率。在某些情形中，在上面的總分中，系數(shù)A大于系數(shù)B、C、和
D。在某些情形中，分配給患者功率的權(quán)重貢獻大于分配給馬達功率的權(quán)重貢獻，即系數(shù)B大于系數(shù)C。在某些情形中，在上面的總分中，系數(shù)D小于系數(shù)A、B和C。一種被認為臨床有用的特定的權(quán)重分配如下A=0. 40，B=O. 25，C=O. 20，且D=O. 15，但其他權(quán)重分配也是有用的。雖然上述打分技術(shù)是根據(jù)特定測量單位給出的，但使用不同測量單位，但在別的方面在進行適當(dāng)單位轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)化為相同打分技術(shù)的任何可替換打分技術(shù)也旨在包括在本發(fā)明內(nèi)。因此，例如，雖然替換打分技術(shù)可使用馬力，而非瓦特作為功率度量，但馬力可轉(zhuǎn)化為瓦特，且加權(quán)系數(shù)相應(yīng)地調(diào)整從而確定是否替換打分技術(shù)包括在本發(fā)明內(nèi)。在另一個實例中，雖然替換打分技術(shù)可使用每小時踏板轉(zhuǎn)數(shù)，而非每分鐘踏板轉(zhuǎn)數(shù)，但前者可轉(zhuǎn)化為后者，且加權(quán)系數(shù)可相應(yīng)調(diào)整從而確定是否替換打分技術(shù)包括在本發(fā)明內(nèi)?？偡种锌煽紤]的其他因素包括速度、由機器產(chǎn)生的扭矩、由患者產(chǎn)生的扭矩、平均踩踏速率、踩踏對稱性、患者產(chǎn)生的功、訓(xùn)練機器產(chǎn)生的功、產(chǎn)生的總功、目標(biāo)心率區(qū)中的時間、平均節(jié)奏速率、高于或低于平均節(jié)奏速率的時間、患者年齡、疾病嚴重度、參加的鍛煉過程的數(shù)目、從診斷開始的時間、有效踩踏力、無效踩踏力、最大有效踩踏力過程中的曲柄角度、無效踩踏力過程中的曲柄角度、踩踏對稱性、時間節(jié)奏小于30%的無輔助速率、時間節(jié)奏超過30%的無輔助速率、等等。關(guān)于具有踏板的鍛煉器械，對于ro患者優(yōu)選的變量/參數(shù)和這些變量的平均值以及導(dǎo)致ro患者改善的這些變量的值(且因此是所需值)在下面的表中給出。
權(quán)利要求
1.一種用于改善呈現(xiàn)異常運動功能的患者的運動功能的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 具有可活動部分的鍛煉器械，其響應(yīng)于患者對所述可活動部分的運動的第一貢獻而運動；以及 耦接至所述鍛煉器械的馬達，所述馬達為所述可活動部分的所述運動提供第二貢獻；在所述鍛煉器械上的至少ー個機械傳感器，所述機械傳感器感測速度、節(jié)奏、扭矩、或功率；以及 耦接至所述馬達和所述機械傳感器的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被程序化成 從所述機械傳感器接收數(shù)據(jù)，以及 基于來自所述機械傳感器的數(shù)據(jù)改變所述第二貢獻的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個機械傳感器包括多個傳感器，所述多個傳感器感測由所述患者產(chǎn)生的速度或節(jié)奏、扭矩，由所述馬達產(chǎn)生的扭矩，以及由所述馬達產(chǎn)生的功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，改變所述第二貢獻的量改變所述馬達的速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)進一歩被程序化成 基于來自所述機械傳感器的數(shù)據(jù)計算患者總分，其中所述總分包括以下加權(quán)因子 (a)鍛煉運動的強度，以及 (b)對鍛煉運動的患者貢獻，或?qū)﹀憻掃\動的馬達貢獻，或兩者；以及 比較所述患者總分與預(yù)定的期望總分范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述患者總分包括對所述鍛煉運動的患者貢獻；并且 其中，根據(jù)每分鐘單位的節(jié)奏速率表達的所述強度的加權(quán)大于根據(jù)瓦特功率表達的對所述鍛煉運動的患者貢獻的加權(quán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述患者總分包括對鍛煉運動的患者貢獻；并且 其中，所述強度的加權(quán)大于對所述鍛煉運動的患者貢獻的加權(quán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述患者總分包括對所述鍛煉運動的馬達貢獻；并且 其中，根據(jù)每分鐘單位的節(jié)奏表達的所述強度的加權(quán)大于根據(jù)瓦特功率表達的對鍛煉運動的馬達貢獻的加權(quán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述患者總分包括對所述鍛煉運動的馬達貢獻；并且 其中所述強度的加權(quán)大于對所述鍛煉運動的馬達貢獻的加權(quán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述患者總分包括對鍛煉運動的患者貢獻和對鍛煉運動的馬達貢獻；并且 其中對鍛煉運動的患者貢獻的加權(quán)大于根據(jù)相同度量単位表達的對鍛煉運動的馬達貢獻的加權(quán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述患者總分包括對鍛煉運動的患者貢獻和對鍛煉運動的馬達貢獻；并且 其中對鍛煉運動的患者貢獻的加權(quán)大于對鍛煉運動的馬達貢獻的加權(quán)。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進ー步包括生理傳感器，所述生理傳感器感測指示有氧活動的患者的生理條件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中感測的生理條件是心率、血壓、體溫、和腦活動中的ー種。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)被進一歩程序化成 基于來自生理傳感器和機械傳感器的數(shù)據(jù)計算患者總分，其中所述總分包括下列加權(quán)因子 (a)所述鍛煉運動的強度， (b)對鍛煉運動的患者貢獻，或?qū)﹀憻掃\動的馬達貢獻，或兩者，以及 (c)患者的心率；以及 比較患者總分與預(yù)定的期望總分范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述鍛煉運動的強度是速度或節(jié)奏，患者對鍛煉運動的貢獻是由所述患者產(chǎn)生的功率，而馬達對所述鍛煉運動的貢獻是由所述馬達產(chǎn)生的功率。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中如果所述患者總分小于預(yù)定的期望總分范圍，則所述控制系統(tǒng)被進一歩程序化成 為所述患者提供指令從而增加所述第一貢獻。
16.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中如果所述患者總分大于所述預(yù)定的期望總分范圍，則所述控制系統(tǒng)被進一歩程序化成 為所述患者提供指令從而減小所述第一貢獻。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中如果所述患者在設(shè)定的時間間隔后不増加所述第一貢獻，則所述控制系統(tǒng)被進一歩程序化以 増加所述第二貢獻。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述鍛煉器械是靜止鍛煉自行車、跑步機、樓梯攀爬器、踏車、劃式練カ機、或馬達驅(qū)動自行車中的ー種。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中神經(jīng)障礙包括帕金森病、阿爾茨海默氏病、癡呆、帕金森綜合癥、多發(fā)性硬化、肌萎縮性側(cè)索硬化、肌張カ障礙、中風(fēng)、以及創(chuàng)傷引起的腦損傷中的至少ー種。
20.一種用于改善遭受神經(jīng)運動或神經(jīng)認知障礙的患者的運動功能的方法，所述方法包括 從患者接收對鍛煉器械的可活動部分的運動的第一貢獻； 感測對應(yīng)于與速度或節(jié)奏、扭矩、或鍛煉器械的功率關(guān)聯(lián)的參數(shù)的數(shù)據(jù)； 經(jīng)由耦接至所述鍛煉器械的馬達為所述鍛煉器械的所述可活動部分的所述運動提供第二貢獻； 基于感測的數(shù)據(jù)來計算患者總分； 比較患者總分與預(yù)定的期望總分范圍；以及 基于得分的比較來改變所述第二貢獻。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述患者總分包括下列加權(quán)因子 (a)所述運動的強度；以及 (b)對所述運動的患者貢獻、或?qū)λ鲞\動的馬達貢獻、或兩者。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述患者總分包括對所述運動的患者貢獻；并且 其中，根據(jù)每分鐘單位的節(jié)奏速率表達的所述運動的強度的加權(quán)大于根據(jù)瓦特功率表達的對運動的患者貢獻的加權(quán)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述患者總分包括對所述運動的患者貢獻；并且 其中所述運動的強度的加權(quán)大于對運動的所述患者貢獻的加權(quán)。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述患者總分包括對所述運動的馬達貢獻；并且 其中根據(jù)每分鐘單位的節(jié)奏速率表達的所述運動的強度的加權(quán)大于根據(jù)瓦特功率表達的對運動的所述馬達貢獻的加權(quán)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述患者總分包括對所述運動的馬達貢獻；并且 其中所述運動的強度的加權(quán)大于對運動的所述馬達貢獻的加權(quán)。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述總分包括對運動的患者貢獻和對運動的馬達貢獻；并且 其中對運動的所述患者貢獻的加權(quán)大于根據(jù)相同度量単位表達的對運動的馬達貢獻的加權(quán)。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述總分包括對運動的患者貢獻和對運動的馬達貢獻；并且 其中對運動的所述患者貢獻的加權(quán)大于對運動的馬達貢獻的加權(quán)。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述運動的強度是患者的節(jié)奏或速度，并且具有最聞加權(quán)百分比。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述患者貢獻加所述馬達貢獻等于總功率。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法,其中所述患者總分還包括指示患者有氧活動的患者的生理參數(shù)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述患者總分包括 (a)所述運動的強度， (b)對運動的患者貢獻， (C)對運動的馬達貢獻，以及 Cd)患者的心率。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述運動的強度是節(jié)奏或速度，對運動的患者貢獻是由患者產(chǎn)生的功率，而對運動的馬達貢獻是由馬達產(chǎn)生的功率。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述心率的加權(quán)具有最低加權(quán)百分比。
34.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中如果患者總分小于預(yù)定的期望總分范圍，則改變所述第二貢獻包括増加所述第二貢獻；并且 其中如果所述患者總分大于預(yù)定的期望總分范圍，則改變所述第二貢獻包括減小所述第二貢獻。
35.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括對于初始時間段，通過將所述第二貢獻的所述大小設(shè)定成近似為零，來獲得所述第一貢獻。
36.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中如果所述患者總分小于所述預(yù)定的期望總分范圍，貝Ij還包括 為所述患者提供指令從而增加所述第一貢獻的所述大小。
37.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中如果所述患者總分大于所述預(yù)定的期望總分范圍，貝Ij還包括 為所述患者提供指令，從而減小所述第一貢獻的所述大小。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中如果在設(shè)定的時間間隔之后，所述第一貢獻沒有增加，則還包括 増加所述第二貢獻的所述大小。
全文摘要
本發(fā)明的一個實施方式包括通過強迫鍛煉來減輕患者的醫(yī)學(xué)障礙癥狀的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括具有可活動部分的鍛煉器械，該可活動部分響應(yīng)于患者的第一貢獻并響應(yīng)于馬達的第二貢獻而運動。該系統(tǒng)進一步包括至少一個機械傳感器和控制系統(tǒng)，其程序化響應(yīng)與感測的數(shù)據(jù)通過馬達來改變第二貢獻。
文檔編號A63B24/00GK102695490SQ201080055051
公開日2012年9月26日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者杰伊·L·艾伯茨 申請人:克利夫蘭臨床醫(yī)學(xué)基金會