一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统

技术领域

本发明涉及医疗康复器械领域，具体为用于脑瘫儿童的康复训练方法。

背景技术

脑性瘫痪(脑瘫)是一组持续存在的中枢性运动和姿势发育障碍、活动受限症候群，这种症候群是由于发育中的胎儿或婴幼儿脑部非进行性损伤所致。脑性瘫痪的运动障碍常伴有感觉、知觉、认知、交流和行为障碍，以及癫痫和继发性肌肉、骨骼问题。现代医学神经可塑性理论认为，通过向中枢神经不断重复传入一定强度的刺激，能够有效恢复中枢神经损伤后患儿不同程度的功能性行走能力。常规的脑瘫患儿下肢康复训练是由专业的康复治疗师执行，以不同的康复训练方案促使患儿完成特定运动，通过长期反复训练与再学习，以促进患儿神经肌肉功能发育，逐步获得行走能力。但这样的治疗方式对康复治疗师依赖程度高，且难以实现标准化以及较高的精确度，同时训练趣味性不强，患儿主动参与度不高，行走训练难度大，可造成巨大的人力、金钱、时间浪费。

动力外骨骼辅助治疗为脑瘫患儿持续有效的训练提供了一条新途径。但现有的基于脑瘫患儿辅助训练动力外骨骼的康复治疗方案，缺少完整的康复方案管理办法和统一准确的运动能力、康复评价体系，导致其康复疗效迥异，不利于相关脑瘫患儿辅助训练动力外骨骼研究的进一步开展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其康复周期完整，评价体系完善，辅助训练操作简单，能够产出具有针对性的康复训练策略，并极大地丰富脑瘫患儿康复治疗数据库，易于脑瘫康复相关研究的成果产出。

本发明提供了一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征在于：包括康复系统主体；

上述康复系统主体，包括运动能力评估模块、康复方案生成模块、辅助训练模块和病例管理模块；

其中，上述病例管理模块，存储患儿的病历信息；

上述运动能力评估模块，根据患儿的病历信息，获得运动能力评估结果；

上述康复方案生成模块，根据运动能力评估结果，生成对应的个性化训练方案；

上述辅助训练模块，将患儿训练过程中的各项数据同步至病例管理模块。

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

上述运动能力评估模块，包括GMFCS分级评价单元和量化评价单元；

上述GMFCS分级评价单元，对患儿运动能力做定性评估，获得初步分级结果；

上述康复方案生成模块，根据初步分级结果，生成初步训练方案；

上述量化评价单元，对患儿运动能力做量化评估，获得量化评估结果；

上述康复方案生成模块，根据量化评估结果，对初步训练方案中的参数进行调整，生成个性化训练方案。

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

获得上述量化评估结果的方法为：

S1.获取患儿的必要指标：年龄、BMI指数、肌力、关节运动能力；

S2.从预设的数据库中选取与患儿对应年龄的健康儿童数据，并获得该健康儿童的BMI指数、肌力和关节运动能力数据，将其设为评价基准

S3.将S1中获取的患儿的各项指标分别与评价基准进行比较；用以确定与相同生理条件(年龄、身高、体重)的正常儿童相比，患儿的肌力、关节运动能力等与正常儿童的差距，也可以用于设定最终的康复目标。

S4.通过对各项指标进行加权求和计算得到最终评分。

上述用于计算评分的公式的初始为：S

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

上述对初步训练方案中的参数进行调整的具体方法为：

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

还包括辅助训练设备组件；

上述辅助训练设备组件，包括训练设备单元、场景模拟单元、运动监测单元和数据交互单元；

其中，上述训练设备单元，为一个或多个训练装备，佩戴于患儿的指定部位；

上述场景模拟单元，包括若干虚拟场景；

上述运动监测单元，包括一个或多个内置于训练装置的传感器，以及佩戴于患儿指定部位的监测器；

上述数据交互单元，与康复系统主体进行数据交互。

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

上述数据交互的过程为：

S1.康复系统主体与辅助训练装备进行配对后，接收当前患儿的个性化训练方案；

S2.根据个性化训练方案，调整训练装备的运行策略；

S3.训练过程中，将训练装备的运动轨迹、传感器和监测器，同步实时传送至康复系统主体。

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

上述康复系统主体，还包括监视模块；

上述监视模块，根据回传的训练装备的运动轨迹进行监测，当发现运动轨迹的偏离率大于额定值时，根据预设的幅度调整运动策略。

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

上述场景模拟单元，还包括影像获取和输出设备；

上述影像获取和输出设备，采集虚拟场景下的患儿训练情况，并通过数据交互单元将采集到的信息同步传送至康复系统主体。

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

上述康复系统主体，还包括监测模块；

上述监测模块，对实时获取的传感器和监测器回传的患儿体征特点进行评估，当评估结果偏离健康值时，向康复系统主体反馈警示提示，并停止当前训练。

进一步地，本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，其特征还在于：

上述康复系统主体，还包括反馈模块；

上述反馈模块，对当前平台下的患儿康复情况进行统计和分析。

本发明的作用和特点：

本发明提供的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，优选的具体由运动能力评估、康复方案生成、辅助训练动力外骨骼、训练反馈、病历管理系统五个模块组成。

上述运动能力评估模块通过云端的患儿病历，将患儿生理参数和运动信息输入运动能力评价模型，在基于GMFCS的分级之上对患儿的能力做出定量评估为后续诊疗提供参考依据。康复方案生成策略与辅助训练动力外骨骼的控制策略相对应。根据运动能力评估结果可以分为助力康复训练和阻力康复训练两种模式。由于评估结果是量化的，因此在每种模式内还可以根据量化结果将控制所需参数细化调整，从而达到与患儿运动能力的高度匹配。

同时在本系统中，还提出了将基于动力外骨骼的康复训练过程与本系统的主体部分进行通讯连接，从而实现将患儿的运动信息同步至病历管理系统上的效果，一方面通过实时监控的方式来实现对训练过程中不适应情况进行调整，另一方面还能实时监测患儿的身体指标，从而避免过激运动或超负荷状态的下训练。而且，通过上述同步的过程还能有效反映不同患儿的特异性，为研究者提供有效的连续性数据，进而实现方案的完善和更新。

附图说明

图1为本发明康复方法的系统结构框图。

具体实施方式

如图1所示的一种基于动力外骨骼的儿童下肢运动辅助康复系统，具体由运动能力评估、康复方案生成、辅助训练动力外骨骼、训练反馈与随访、病历管理系统五大模块组成。

其中，运动能力评估模块，其包括第一层级GMFCS能力评估单元和第二层级量化结果评估单元，通过建立患儿生理信息、运动信息与运动能力的评分模型，基于GMFCS的分级之上对患儿的能力做出定量评估为后续诊疗提供参考依据。

该康复方案生成模块，根据运动能力评估模块获得的第一层级GMFCS能力评估结果，确定初步方案后，再根据第二层级量化评估结果，对初步方案中的助力或阻力参数进行微调获得最终方案。

具体如下：

S1-1.基于患儿的基础数据，参照GMFCS分级规则，进行第一层级GMFCS能力评估，将患儿划分为GMFCSI、GMFCSII、GMFCSIII、GMFCSIV、GMFCSV，五个等级。

GMFCS分级测定通过观察患儿是否能够独立行走和行走状态等进行判定，该过程一般由前端的医师根据患儿的初检状态进行对应项的录入，系统根据录入的结果进行级别的定义。其具体的判定标准依据粗大运动功能分级系统(the gross motor functionclassification system,GMFCS)进行或本领域公认的分级标准进行。在本系统中仅需在设备前端/或与本系统对接的数据输入端，输入/获取分级所依据的指标内容即可。

S1-2.基于第一层级GMFCS评价体系对患儿运动能力做了初步的定性评估，故而，系统能够确定康复运动的初步策略。

即、当GMFCS分级为I和II级时，对应阻力康复训练模式；

当GMFCS分级为III、IV和V级时，对应助力康复训练模式。

上述划分的目的在于为维持关节活动和增加肌力，分别依据传统康复训练方法中的关节活动度维持与改善训练和渐增阻力训练。助力康复训练模式适用于GMFCS分级大于或等于III级的患儿，即患儿不能独立完成步行运动，在训练中借助辅助训练设备(如：动力外骨骼)完成训练活动。阻力康复训练指的是患儿在对抗辅助训练设备的关节干扰力矩情况下完成训练活动，要求患儿具有独立的步行运动能力，适用于GMFCS分级I和II级的患儿。

S1-3.基于患儿的年龄、身高、体重和肌力、关节运动能力的计算模型再对GMFCS的五个评级进行第二层级的定量评估。

具体如下：

根据患儿的身高、体重获取BMI指数；

上述肌力，可以通过特定的肌力信号采集系统来获取，一般来说，系通过最大等长收缩时的肌电信号来测定，例如：利用辅助训练动力训练装置限制患儿关节运动，测得患儿最大等长收缩的肌电信号，作全波整流并计算肌电平均值，与数据库中同龄健康儿童的最大等长收缩肌电平均值做比值得到患儿肌力相对于同龄健康儿童的肌力百分比，其后根据通过对比获得肌肉的相对力量状况。

一般来说，上述肌电信号采集系统(如：Bortec Biomedical AMT-8)，多用于监测下肢关节屈肌和伸肌的活跃状态，共有13个通道，分别位于双侧下肢的股直肌、股二头肌、半腱肌、股内侧肌、胫骨前肌和外侧腓肠肌，另外还需要标定一个零位肌电通道。

上述关节运动能力，包括关节运动范围(即、每个关节在能活动的平面内的两个极限位置)和运动速度(每个关节在能活动的平面内的两个方向的最大速度)，可以通过辅助训练动力设备的关节角度传感器测定，在测定时需要将辅助训练动力设备调整至零力矩状态，即、各关节辅助力矩

当获得上述数据后，进行如下步骤：

S1-2-1.从数据库中选取对应年龄的健康儿童并计算BMI指数，肌力和关节运动能力得到各指标的评价基准

S1-2-2.将患儿的各项指标分别与基准进行比较，并通过对各项指标进行加权求和计算得到最终评分。S

S1-4.通过S1-3定量的运动能力评分结果,针对初步策略后的训练模式，系统控制参数，即、调整相应的助力或阻力大小从而来对应不同的患儿，实现一个个性化的参数设定。

即、当患儿的肌力达到正常水平后为阻力模式，达到之前为助力模式。

输出力矩大小＝(1-评分)*τ

τ为关节辅助力矩；

随着康复进程进行，评分将会从逐渐增大，当评分大于1的时候输出力矩大小为负值，此时为阻力。

具体地，上述的两种康复训练方案可以通过改变控制参数来调整与患儿运动水平相匹配的助力或阻力大小，通过将运动能力第二层级的量化评估结果输入运动能力与控制参数的映射模型来获得具体的控制系统参数实现按需助力。

一般来说，康复训练方案在一个正常的康复周期内由助力训练逐渐过渡至阻力训练，代表着患儿的肌力逐渐增强，运动能力逐渐恢复。因此康复训练方案和控制参数在一个周期内处于连续变化，这一康复进程可以由系统控制，也可以由康复师手动进行调整。

故而，该运动能力评价需要在每一次康复训练进行前进行评估并及时同步至病历管理系统以达到训练方案与运动能力的最佳匹配。

该辅助训练设备模块，即为相关的配套训练设备(如：辅助训练借助脑瘫辅助训练设备)，该设备可以为利用现有的设备或对其进行改造获得(此处的改造指在原有设备的基础上，根据儿童体征特点，或目标对抗的病症特点，对设备结构进行调整，此外，改造还体现在针对指定测试部位进行各类传感设备的安装)。由于大部分患儿存在肌肉痉挛(肌肉痉挛的辨识通过观察肌电信号即可得出)，基于脑瘫辅助训练动力外骨骼的辅助训练首先要通过对应肌肉的牵张运动消除痉挛，可通过康复治疗师手法缓解，也可使用AFO矫形支具，然后再进行其他康复运动。

该病例管理模块，用于处于患儿的基础信息，病例信息，每次训练过程中的测量信息等等内容。

具体如下：在训练时将患儿与辅助训练设备通过绑带连接固定，运动过程中的信息将通过自带的监控系统实时监控并用于虚拟交互系统的更新。训练结束后康复训练过程的运动信息将同步至病历管理系统用于新一轮的康复训练流程。

该脑瘫辅助训练设备可以为特定的整机设备，也可以为多个临床现有装置进行的组合，其一般由下肢训练机、交互控制系统、虚拟场景模拟系统和运动状态监测系统四个部分组成。

其中，上述下肢训练机具有髋膝踝三关节的主动自由度，满足驱动力和控制性能需求，为患儿的双侧下肢三关节提供康复运动所要求的助力或阻力力矩。同时具有满足康复运动需求的自由度，以辅助患儿完成康复训练。例如：包括牵张运动与步行训练。

下肢训练机包括大腿、小腿和踝部三个模块，每个模块都由电机带动相应的连杆产生转动。在训练开始前将大小腿连杆长度进行调整以适应不同身材的患儿，其人机接口具有舒适性以延长训练时间。训练机关节处设置有机械限位以保证康复运动的安全性，由于下肢训练机具备牵张运动的功能，其角度的限位设置大于正常步行运动中关节角度运动范围。

上述下肢训练机存在重力补偿机构以使GMFCS分级较高、运动能力较弱的儿童也可以在康复早期进行行走训练加快康复进程。即、由于患儿自身并没有负担全部重力的能力，此时利用重物平衡儿童一部分的重力，使儿童自身的负担减小，从而尽快地投入到步行训练中。

上述下肢训练机可以通过增加关节矫形器对患儿关节畸形状况加以改善。

另外，该设备除了能够实现对下肢特定的训练功能外，还具有运动状态监测系统，来实现实时监控和传送训练信息的功能，考虑到训练过程中，人体症和生理数据的实时监控和测量，故而还再特定的部位设置了传感设备和检测设备，例如：由心率血压监控模块、运动信息采集单元和肌电信号采集单元构成。心率血压监测模块用于获取病人的心率和血压值，用于康复训练过程中监测病人的生理情况保证安全。运动信息采集模块用于采集康复运动中关节的运动范围、运动速度等信息，结合肌电信号采集单元所采集的肌电信号一同上传于病历管理系统，用于评估患儿最新的运动水平。具体如：用于监控训练过程中的心跳、血压等数据的传感器、位于辅助训练动力外骨骼的双侧下肢髋膝踝三关节矢状面内，测量精度为0.01°的关节角度传感器等设备。

上述的交互控制系统，具体包括交互操作系统和动力外骨骼控制系统。一方面能够实现将训练数据和监测数据实时向主体进行传输的功能，也能实时接收主体部分传达的信息和指令，控制系统策略与康复方案策略相适应，以满足所制定的康复方案对关节运动的协同控制要求。

上述控制过程为基于健康儿童步态轨迹的调控，使其在轨迹输出上具有柔性的特点，在人机间的交互力达到设定阈值的情况下能够对输入运动轨迹进行调整，保证使用者不会被拉伤。

上述人机交互力通过绑带上的薄膜压力传感器测得，每只绑带在矢状面内的前后侧分别设置一个。

上述的虚拟场景模拟系统基于沉浸理论设计，可以实现肢体动作采集和特定场景下的康复模拟，提高康复训练效果。上述虚拟场景系统通过下肢训练机返回的运动速度信息和摄像机拍摄的姿态信息实时更新渲染场景并通过图像输出设备输出至显示器以实现沉浸体验。

此外，考虑到方案完善和确认的需要，上述交互操作系统在使用时首先需要康复师登入内部账号，通过医院的信息管理系统授予操作权限。在读取到患儿的病历信息后，可以对系统自动生成的康复方案和控制参数进行调整/确认，并对康复训练的时长、场景等进行选定/确认后，开始训练。

在训练过程中能够获取运动状态检测系统的反馈并实时显示患儿康复训练的运动状态信息和患儿自身的生理信息，当运动状态监测系统反馈异常信号时将自动发送异常终止信号至控制系统，训练立即终止。

上述的训练反馈与随访由康复效果评价、家庭康复和跟踪调查组成。

上述康复效果评价通过综合考虑康复起点和终点患儿运动能力评估结果的差异、康复周期长度得到量化的康复效果评定结果，并分析其中的本质原因为后续的康复方案制定提供参考。最后将分析结果同步至病历管理系统。

上述家庭康复依据传统康复训练方案和患儿具体情况进行选择，目的是维持患儿关节活动度，促进患儿肌肉生长发育，最大限度保留康复训练效果。

上述随访评估以定期复查和发放问卷的方式跟踪患儿状态。

上述的病历管理系统，其特征在于：可以根据康复运动训练采集的运动信息和病人生理信息生成用于康复诊疗全周期的电子病历。

上述的病历管理系统，可以根据康复运动训练采集的运动信息和病人生理信息生成用于康复诊疗全周期的电子病历。

上述的病历管理系统会在每次康复训练结束后询问操作权限，并在获取操作权限后更新数据信息以保证康复方案制定的针对性。