一种旋转成形步态纠正假肢系统及其方法

技术领域

本发明属于步态纠正领域，特别是一种旋转成形步态纠正假肢系统及其方法。

背景技术

旋转成形术用于先天性股骨发育不全的手术治疗。1930年，Borggreve首次将旋转成形术用于治疗膝关节结核感染，Kostuik等人对手术做了改良。1975年，Kristen等人首次将旋转成形术用于治疗股骨远端骨肉瘤复发。Gillespie和Torode又使该手术更适用于PFFD重建性手术。膝关节固定与胫骨截骨一期完成，同时将胫骨截骨远端向外旋转180°，使踝关节行使膝关节功能：踝关节跖屈变成"膝关节"伸，踝关节背伸变成"膝关节"屈曲。基于此，术后患者的功能康复和步态面临着重要挑战。

针对这一现象，使用相应的步态纠正设备十分必要。其中，假肢纠正系统是最直接的设备，可以在日常的行走过程中不断发挥纠正作用。但是目前大部分设备没有植入智能系统，无法在步行过程中及时纠正异常步态，容易引发疼痛、膝踝关节骨骼退化等并发症，且当前假肢设备缺乏针对性，不能精确评估患者的异常步态参数，不能根据不同患者进行个体化的步态纠正及训练。

因此，如何精确评估患者的异常步态参数，实现根据不同患者进行个体化的步态纠正及训练，成为当前研究的关键问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种旋转成形步态纠正假肢系统及其方法，可以实现精确评估患者的异常步态参数，实现根据不同患者进行个体化的步态纠正及训练。

一方面，本发明实施例提供了一种旋转成形步态纠正假肢系统，包括：假肢本体，以及安装在所述假肢本体上的体表肌电信号传感器、压力传感器、听觉反馈子系统、控制子系统、可充电电池、开关和移动终端；

所述控制子系统分别与所述体表肌电信号传感器、压力传感器、听觉反馈子系统、可充电电池和开关控制连接；且所述控制子系统与所述移动终端通信连接；

所述移动终端用于设置步态参数；

所述体表肌电信号传感器和压力传感器分别用于采集体表肌电信号和压力值，形成步态信息；

所述控制子系统用于对所述步态信息和所述步态参数进行对比，并将对比结果和对应的步态信息发送至所述听觉反馈子系统；

所述听觉反馈子系统用于根据所述对比结果，将对应的所述步态信息转换为声音反馈信号；

所述可充电电池用于给系统进行供电；

所述开关用于控制系统的启停。

进一步地，所述假肢本体包括腿部、连接部和足部；所述连接部用于连接腿部和足部；

所述体表肌电信号传感器和开关安装在所述腿部；

所述压力传感器、听觉反馈子系统、控制子系统和可充电电池安装在所述足部。

进一步地，所述移动终端包括设置模块和工作模块；所述设置模块和工作模块均与所述控制子系统通信连接；

所述设置模块用于设置步态参数，并将该步态参数发送至所述控制子系统；

所述控制子系统将步态信息发送至所述工作模块上，由工作模块进行查看。

进一步地，所述步态参数包括：体表肌电信号≥137±48uv或≥256±72uv，Z方向压力-时间曲线峰值1.11±0.25N/m2或1.09±0.31N/m2，Y方向压力-时间曲线峰值0.17±0.04N/m2或0.18±0.07N/m2。

进一步地，所述控制子系统包括判断模块；

所述判断模块用于将所述步态信息和设置的所述步态参数进行对比，若所述步态信息中的体表肌电信号偏离所述步态参数超过50uv，或压力-时间曲线峰值偏离所述步态参数超过0.5N/m2，则判定患者步态错误。

进一步地，所述控制子系统包括微控制器和无线通信模块；

所述微控制器分别与所述体表肌电信号传感器、压力传感器、听觉反馈子系统、可充电电池、开关和无线通信模块控制连接；

所述无线通信模块用于和移动终端实现通信。

进一步地，所述体表肌电信号传感器内嵌有三轴加速度测量装置；

所述三轴加速度测量装置包括：信号发射器、无线信号接收卡、电极线、电池充电器和发射器。

进一步地，所述可充电电池采用2775mWh USB充电锂电池。

另一方面，本发明实施例提供了一种旋转成形步态纠正假肢方法，应用于上述的旋转成形步态纠正假肢系统；该方法包括：

通过开关开启系统；

通过移动终端确定步态参数；

通过体表肌电信号传感器和压力传感器分别采集体表肌电信号和压力值，形成步态信息；

通过控制子系统对所述步态信息和所述步态参数进行对比，并将对比结果和对应的步态信息发送至所述听觉反馈子系统；

基于所述对比结果，通过听觉反馈子系统将该对比结果对应的步态信息转换为声音反馈信号，以提醒患者。

进一步地，所述控制子系统将所述步态信息发送至所述移动终端进行查看。

与现有技术相比，本发明记载的一种旋转成形步态纠正假肢系统及其方法，具有如下有益效果：

1、患者通过移动终端选择适合自己的步态参数后，系统自动监测不良步态，并通过听觉反馈子系统提醒纠正，可以实现精确评估患者的异常步态参数，实现根据不同患者进行个体化的步态纠正及训练。

2、本发明通过可充电电池供电，方便日常穿戴使用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的旋转成形步态纠正假肢系统框架示意图。

图2为本发明实施例提供的旋转成形步态纠正假肢系统结构示意图。

图3为本发明实施例提供的旋转成形步态纠正假肢方法流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参见图1所示，本发明实施例提供了一种旋转成形步态纠正假肢系统，包括：假肢本体，以及安装在假肢本体上的体表肌电信号传感器、压力传感器、听觉反馈子系统、控制子系统、可充电电池、开关和移动终端；控制子系统分别与体表肌电信号传感器、压力传感器、听觉反馈子系统、可充电电池和开关控制连接；且控制子系统与移动终端通信连接；移动终端用于设置步态参数；体表肌电信号传感器和压力传感器分别用于采集体表肌电信号和压力值，形成步态信息；控制子系统用于对步态信息和步态参数进行对比，并将对比结果和对应的步态信息发送至听觉反馈子系统；听觉反馈子系统用于根据对比结果，将对应的步态信息转换为声音反馈信号；可充电电池用于给系统进行供电；开关用于控制系统的启停。控制子系统还用于将步态信息发送到移动终端，由移动终端进行查看。

下面分别对上述组件进行详细说明。

1、假肢本体：

参见图2所示，假肢本体包括腿部、连接部和足部；其中，连接部用于连接腿部和足部；体表肌电信号传感器和开关安装在腿部；压力传感器、听觉反馈子系统、控制子系统和可充电电池安装在足部。

2、移动终端：

移动终端包括设置模块和工作模块；其中，设置模块采样率为256-2048HZ，共模抑制比≥110db，输入抗阻为1000000MQ，噪声≤3uV，灵敏度0.1uv。患者在首次使用移动终端时需要从设置模块中选择符合自身的步态参数；不同年龄组对应步态参数系统设定值参见表1所示；即本发明实施例中以13岁为分界点，患者可以根据自己的年龄选择对应的步态参数，即体表肌电信号≥137±48uv或≥256±72uv，Z方向压力-时间曲线峰值1.11±0.25N/m2或1.09±0.31N/m2，Y方向压力-时间曲线峰值0.17±0.04N/m2或0.18±0.07N/m2。工作模块可以对控制子系统所采集的步态信息进行查看；在进入到工作模式后，系统24h不间断记录患者行走过程中触地期、承重反应期、支撑相中期、支撑相末期、支撑相末期、摆动前期、摆动相早期、摆动相中期、摆动相末期的sEMG和压力值，并通过控制系统中的无线通信模块向移动终端发送，同时通过听觉反馈系统提醒并帮助纠正。

表1不同年龄组对应步态参数系统设定值

3、控制子系统

控制系统安装在假肢本体足部内部；控制子系统包括判断模块、微控制器和无线通信模块；其中，判断模块用于将步态信息和设置的步态参数进行对比，若步态信息中的体表肌电信号偏离步态参数超过50uv，或压力-时间曲线峰值偏离步态参数超过0.5N/m2，则判定患者步态错误；在一个步行周期中，只要传感器测得的sEMG和压力值在60％时间内落入设定范围，则认为患者的步态正常；微控制器可采用单片机MSP430等；该微控制器分别与体表肌电信号传感器、压力传感器、听觉反馈子系统、可充电电池、开关和无线通信模块连接；无线通信模块采用蓝牙无线通讯技术，无线电波ISM，频段2.4-2.485GHZUHF，用于实现与移动终端的通信。

4、体表肌电信号传感器(sEMG传感器)：

肌电这类生物电学信号能够直接反映假肢佩戴者的运动意图，此类信号通常早于动作发生之前，因此生物电信号控制的假肢能够较好克服执行装置固有的响应滞后，获得理想的实时性控制效果。在本发明实施例中，将体表肌电信号传感器的数量设为3个，分别安装在假肢本体腿部下部正前方和正后方，用于采集患者步行过程中的股四头肌肌肉力量；且该体表肌电信号传感器的高度可调节；上述体表肌电信号传感器共包含一个通道，需3个表面电极(正、负、参考电极)，电极片型号分别为LT-1-A正、负电极和LT-1-C参考电极。

体表肌电信号传感器内嵌有三轴加速度测量装置，采用USB连接，包括一个信号发射器、无线信号接收卡、电极线、电池充电器和发射器。体表肌电信号传感器的尺寸为35mm×25mm×15mm，延迟时间<500us，内部采样率为2048Hz，分辨率为16bits；肌电信号由体表电极片采集，随后被引入由放大电路、工频滤波电路、低通滤波电路和高通滤波电路组成的肌电预处处理电路中，进行肌电信号的预处理。设计的肌电信号采集电路可以对50HZ的工频干扰起到很好的抑制作用，利用高通滤波解决了零点漂移的问题，对信号进行前置放大，消除噪声和伪迹，并能有效提取到20-500HZ的肌电信号。

5、压力传感器

压力传感器安装在假肢本体足部整个底部，可以测试患者在静态、动态时的足底状况，并对患者的身体平衡能力进行分析；本发明实施例中，压力传感器采用型号为MS5561C，16位的数字传感器；

6、听觉反馈子系统：

听觉反馈子系统安装在假肢本体足部内踝侧，可以将步态信息转换为声音反馈信号，从而实现提醒患者步态错误。本发明实施例中，在控制子系统的控制下，该听觉反馈子系统可以发出60-80dB蜂鸣音以提醒患者，所测量的步态信息与设定的步态参数二者偏离地程度越大，声音频率越高，且该声音持续进行直到系统再次判定患者sEMG和压力值恢复设定值。

7、可充电电池

可充电电池通过螺钉固定安装在假肢本体足部内部，并连接有充电接口。本发明实施例中，可充电电池采用2775mWh USB充电锂电池，规格26mm×16mm×48m，电压1.5V，重量27g，充满一次电需要时间1.5h，电池充满电后可连续使用14h。

8、开关：

开关安装在假肢本体腿部上部外侧面，用于控制系统的启停；该开关包括ON控制模块和OFF控制模块，患者将开关调至ON即可开启系统，调至OFF即可关闭系统。

本发明实施例提供了一种旋转成形步态纠正假肢系统，该系统的原理为：使用的时候，患者将开关调至ON即可开启系统，调至OFF关闭系统。当开启系统后，移动终端与控制系统通过蓝牙通信技术建立通信，启动移动终端的设置模块进入旋转成形步态纠正智能假肢系统的设置模式，在设置模式下，输入患者的年龄，可以确定对应的步态参数；移动终端启动工作模块后进入工作模式，系统以当前患者年龄分组对应的步态参数作为设置的步态参数，若步态信息中的体表肌电信号偏离步态参数超过50uv，或压力-时间曲线峰值偏离步态参数超过0.5N/m2，则判定患者步态错误；此时在控制子系统的控制下，听觉反馈子系统发出60-80dB蜂鸣音以提醒患者，所测量的步态信息与设定的步态参数二者偏离地程度越大，声音频率越高，且该声音持续进行直到系统再次判定患者sEMG和压力值恢复设定值。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种旋转成形步态纠正假肢方法，应用于上述的旋转成形步态纠正假肢系统；该方法包括：

通过开关开启系统；通过移动终端确定步态参数；通过体表肌电信号传感器和压力传感器分别采集体表肌电信号和压力值，形成步态信息；通过控制子系统对所述步态信息和所述步态参数进行对比，并将对比结果和对应的步态信息发送至所述听觉反馈子系统；基于所述对比结果，通过听觉反馈子系统将该对比结果对应的步态信息转换为声音反馈信号，以提醒患者。控制子系统将所述步态信息发送至所述移动终端进行查看。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。