本發(fā)明屬于醫(yī)療器械設(shè)備領(lǐng)域，具體說是一種具有平衡訓(xùn)練的下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、我國每年新發(fā)腦卒中病例約300萬人，其中約75％卒中患者留有肢體殘疾的后遺癥，最終喪失行走能力而不能獨立生活。為使得這些下肢失能的患者盡快通恢復(fù)行走能力，下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計，能讓下肢失能患者在放松的狀態(tài)下進行康復(fù)訓(xùn)練，盡早恢復(fù)行走功能，同時也較少了家人或護理人員輔助患者行走訓(xùn)練的體力和心理負擔(dān)，同時也降低了失能患者在恢復(fù)訓(xùn)練過程中的意外風(fēng)險。

2、下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)適合神經(jīng)康復(fù)急性期臥床患者，改變患者從臥位到站立位，避免因長期臥床而出現(xiàn)的骨質(zhì)疏松、體位性低血壓、褥瘡、肌肉萎縮等并發(fā)癥，具有改善心肺功能，維持人體應(yīng)力負荷、防止尿潴留、促進下肢乃至全身的新陳代謝等功能。通過主被動踏步運動訓(xùn)練，模擬人體正常行走時的生理步態(tài)，最高程度的恢復(fù)患者行走功能，抑制異常步態(tài)。幫助患者在早期的康復(fù)訓(xùn)練中建立正確的步行模式。

3、然而，當(dāng)前的多數(shù)在康復(fù)機構(gòu)實際使用的下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，在患者訓(xùn)練過程中，醫(yī)生只能通過長時間觀察患者的行走狀態(tài)，根據(jù)經(jīng)驗去主觀判斷患者的病情，或者基于臨床評價量表的方式進行打分。這種方法不僅效率低、主觀性較強，沒有可靠的檢測數(shù)據(jù)支撐，對患者的康復(fù)狀態(tài)判斷及治療方案的調(diào)整造成不利的影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的為通過設(shè)計一種具有平衡訓(xùn)練的下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，用于腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)損傷引起的下肢功能障礙患者的康復(fù)治療。系統(tǒng)采取主被動相結(jié)合的訓(xùn)練方式，根據(jù)人體生理步態(tài)曲線，精確控制踏步運動，是患者逐步“行走”起來，恢復(fù)行走功能，同時訓(xùn)練過程中通過對兩只腳踏步過程中的足底壓力檢測，進行左右腳行走時的平衡性分析，防止恢復(fù)行走后產(chǎn)生異常步態(tài)。同時減輕護理人員的負擔(dān)，降低護理成本。

2、本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種具有平衡訓(xùn)練的下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，包括：電控系統(tǒng)以及與電控系統(tǒng)連接的執(zhí)行機構(gòu)、壓力反饋系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)；

3、壓力反饋系統(tǒng)，用于在患者進行踏步訓(xùn)練過程中，監(jiān)測左、右腳對對應(yīng)踏板施加的壓力，并進行處理后得到壓力值，發(fā)送至電控系統(tǒng)；

4、執(zhí)行機構(gòu)，用于根據(jù)電控系統(tǒng)的控制指令，實現(xiàn)床體的高度升降、平躺站立、腳板伸縮以及靠背姿態(tài)調(diào)整，同時，控制左右腳踏板執(zhí)行往復(fù)運動；

5、人機交互系統(tǒng)，用于接收訓(xùn)練電機的運行狀態(tài)、各推桿的運行狀態(tài)、左右腿的訓(xùn)練協(xié)調(diào)性，并進行實時顯示；同時，動態(tài)提供情景互動語音提示，以使用戶主動訓(xùn)練，并將用戶的訓(xùn)練信息上傳至上位機，以使康復(fù)師隨時監(jiān)測患者的訓(xùn)練康復(fù)情況；

6、電控系統(tǒng)，用于接收上位機下發(fā)的訓(xùn)練控制參數(shù)，控制執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)運動；并將訓(xùn)練電機的運行狀態(tài)、各推桿的運行狀態(tài)、左右腿的訓(xùn)練協(xié)調(diào)性以及壓力反饋系統(tǒng)反饋的左、右腿的壓力值實時發(fā)送給上位機；同時，將訓(xùn)練電機的運行狀態(tài)、各推桿的運行狀態(tài)、左右腿的訓(xùn)練協(xié)調(diào)性以及左、右腿的壓力值在人機交互系統(tǒng)上實時顯示。

7、所述執(zhí)行機構(gòu)，包括：床體姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)和腿部訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)；

8、所述床體姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于根據(jù)接收到電控系統(tǒng)的控制指令，控制床體運動，進而實現(xiàn)床體姿態(tài)變換；

9、所述腿部訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)設(shè)于床體尾部，用于根據(jù)接收到電控系統(tǒng)的控制指令，運行并帶動失能患者左、右腿進行往復(fù)運動。

10、所述床體的姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)，包括：床體起立推桿、整體升降推桿、腿部調(diào)節(jié)推桿以及背部調(diào)節(jié)推桿；

11、其中，床體起立推桿固定端安裝在床體的可升降框架上，伸縮端安裝在床板結(jié)構(gòu)框架上，用于接收電控系統(tǒng)的控制指令，執(zhí)行推桿伸縮動作，實現(xiàn)床體上失能患者的由平躺到起立的姿態(tài)變化；

12、整體升降推桿固定端安裝在床體底部框架上，伸縮端安裝在可升降框架上，用于接收電控系統(tǒng)的控制指令，執(zhí)行推桿伸縮動作，實現(xiàn)床體的整體高度調(diào)節(jié)，避免床體執(zhí)行站立后，腿長伸縮結(jié)構(gòu)與地面產(chǎn)生干涉碰撞；

13、腿部調(diào)節(jié)推桿固定端安裝于床板結(jié)構(gòu)框架上，伸縮端安裝在此框架的可伸縮結(jié)構(gòu)上，用于接收電控系統(tǒng)的控制指令，執(zhí)行推桿伸縮帶動并改變腳踏板的位置，即改變腳踏板與膝蓋綁腿位置之間的距離；

14、背部調(diào)節(jié)推桿固定端安裝于床板結(jié)構(gòu)框架上，伸縮端安裝在此框架的可俯仰結(jié)構(gòu)上，用于接收電控系統(tǒng)的控制指令，執(zhí)行推桿伸縮，實現(xiàn)床板背部位置后仰姿態(tài)調(diào)節(jié)，即實現(xiàn)患者在床板上起立訓(xùn)練時，背部向后仰，進而獲得更舒適的身體姿勢。

15、所述腿部訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)設(shè)有兩個，分別為對應(yīng)失能患者左右兩腿的驅(qū)動電機，且分別與左、右腳踏板連接；

16、所述驅(qū)動電機接收電控系統(tǒng)的控制指令，分別交替對左、右腳踏板進行上下往復(fù)運動，進而實現(xiàn)帶動患者雙腿進行踏步行走的康復(fù)訓(xùn)練。

17、所述電控系統(tǒng)，包括：核心控制板以及與核心控制板連接的電機驅(qū)動板、推桿驅(qū)動板、信號采集接口；

18、電機驅(qū)動板與腿部訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)的左、右電機連接，用于驅(qū)動左、右電機進行往復(fù)運動，帶動左、右腳踏板進行上下往復(fù)運動，進而實現(xiàn)帶動患者雙腿進行踏步行走的康復(fù)訓(xùn)練；同時電機驅(qū)動板對電機的運行時的電流進行實時監(jiān)測，判斷患者訓(xùn)練過程中是否產(chǎn)生痙攣，若發(fā)生痙攣，則停止訓(xùn)練并驅(qū)動電機進行緩慢的反向運動，緩解痙攣；

19、推桿驅(qū)動板，用于控制電動推桿的伸長和縮短，同時對推桿的霍爾值進行實時監(jiān)測，進而判斷各推桿的伸長量，同時解析成對應(yīng)床體結(jié)構(gòu)的角度和高度，實時顯示在上位機界面上；

20、信號采集接口，用于外圍傳感器的數(shù)據(jù)輸入接口，對各模塊的狀態(tài)信息、各結(jié)構(gòu)處的位置狀態(tài)信息、足底訓(xùn)練壓力信息、安全信息進行實時收集，傳送給系統(tǒng)核心控制板進行分析處理；

21、核心控制板，用于通過上位機通信接口與上位機連接，用于將訓(xùn)練電機的運行狀態(tài)、各推桿的運行狀態(tài)、左右腿的訓(xùn)練協(xié)調(diào)性的信息發(fā)送給上位機，同時接收上位機下發(fā)的訓(xùn)練控制參數(shù)，以通過電機驅(qū)動板和推桿驅(qū)動板對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。

22、所述壓力反饋系統(tǒng)，包括：壓力信號放大器板、左腿壓力傳感器和右腿壓力傳感器；

23、所述左腿壓力傳感器和右腿壓力傳感器分別對應(yīng)安裝在左、右腿的踏板上，用于在患者進行踏步訓(xùn)練過程中，監(jiān)測左、右腳對對應(yīng)踏板施加的壓力，再通過壓力信號放大器板將壓力信號放大后傳輸至電控系統(tǒng)的核心控制板進行運算分析，通過與預(yù)設(shè)的訓(xùn)練模型進行比較，對患者的左右腿的恢復(fù)狀態(tài)和協(xié)調(diào)性進行分析，為患者指定康復(fù)訓(xùn)練計劃；同時左、右腿的壓力值經(jīng)過核心控制板處理后發(fā)送給上位機，在訓(xùn)練界面上會實時顯示兩腿的壓力值，同時通過界面動畫顯示患者的訓(xùn)練步態(tài)，進而改變不協(xié)調(diào)的踏步狀態(tài)。

24、所述人機交互系統(tǒng)，包括：交互訓(xùn)練模塊、處理器單元、顯示屏、視覺訓(xùn)練反饋模塊、信息存儲模塊以及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊；

25、處理器單元，用于接收核心控制板發(fā)送的訓(xùn)練電機的運行狀態(tài)、各推桿的運行狀態(tài)、左右腿的訓(xùn)練協(xié)調(diào)性以及壓力反饋系統(tǒng)反饋的左、右腿的壓力值，并在顯示屏上顯示；同時，對接收視覺訓(xùn)練反饋模塊發(fā)送的視覺訓(xùn)練反饋結(jié)果進行調(diào)整互動情景和重新分配訓(xùn)練任務(wù)；

26、交互訓(xùn)練軟件，安裝于所述處理器單元上，包括：情景互動游戲模塊和視覺訓(xùn)練反饋模塊；

27、情景互動游戲模塊，用于提供情景互動語音提示，以使用戶主動訓(xùn)練，同時，執(zhí)行處理器單元調(diào)整后的互動情景和重新分配后的訓(xùn)練任務(wù)；

28、視覺訓(xùn)練反饋模塊，配置于所述交互訓(xùn)練軟件中，用于在患者訓(xùn)練過程中，捕捉患者視覺動作，并將視覺訓(xùn)練反饋結(jié)果至處理器單元；

29、信息存儲模塊，設(shè)置于處理器單元內(nèi)，用于存儲患者的訓(xùn)練信息，包括訓(xùn)練狀態(tài)、訓(xùn)練進度和康復(fù)狀態(tài)信息；

30、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，集成于所述處理器單元中，用于將患者的訓(xùn)練信息通過wifi上傳至上位機，以使康復(fù)師隨時監(jiān)測患者的訓(xùn)練康復(fù)情況。

31、一種具有平衡訓(xùn)練的下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方法，包括以下步驟：

32、1)電控系統(tǒng)接收上位機下發(fā)的訓(xùn)練控制參數(shù)，控制執(zhí)行機構(gòu)對應(yīng)執(zhí)行床體的高度升降、平躺站立、腳板伸縮、靠背姿態(tài)調(diào)整以及控制左右腳踏板執(zhí)行往復(fù)運動，實現(xiàn)用戶的被動訓(xùn)練；

33、2)電控系統(tǒng)將獲取到的訓(xùn)練電機的運行狀態(tài)、各推桿的運行狀態(tài)、左右腿的訓(xùn)練協(xié)調(diào)性以及壓力反饋系統(tǒng)反饋的左、右腿的壓力值實時發(fā)送給上位機；

34、3)電控系統(tǒng)的核心控制板將訓(xùn)練電機的運行狀態(tài)、各推桿的運行狀態(tài)、左右腿的訓(xùn)練協(xié)調(diào)性發(fā)送至人機交互系統(tǒng)；同時，壓力反饋系統(tǒng)采集左、右腳踏板的左、右腿的壓力值，并進行處理后分別發(fā)送至上位機和人機交互系統(tǒng)；

35、4)人機交互系統(tǒng)接收核心控制板發(fā)送的訓(xùn)練電機的運行狀態(tài)、各推桿的運行狀態(tài)、左右腿的訓(xùn)練協(xié)調(diào)性以及壓力反饋系統(tǒng)反饋的左、右腿的壓力值，并在顯示屏上顯示；

36、5)人機交互系統(tǒng)還提供情景互動語音提示，以使用戶完成主動訓(xùn)練，并將患者的訓(xùn)練信息上傳至上位機，以使康復(fù)師隨時監(jiān)測患者的訓(xùn)練康復(fù)情況。

37、所述壓力反饋系統(tǒng)采集左、右腳踏板的左、右腿的壓力值，并進行處理后分別發(fā)送至上位機和人機交互系統(tǒng)，具體為：

38、(1)壓力數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理：

39、左腿壓力傳感器和右腿壓力傳感器以固定頻率對腳踏板上的壓力進行實時監(jiān)測，獲取壓力原始數(shù)據(jù)；通過低通濾波算法對壓力原始數(shù)據(jù)去除高頻噪聲成分，平滑壓力曲線，得到壓力數(shù)據(jù)信號；

40、對濾波后的壓力數(shù)據(jù)信號進行歸一化處理，將數(shù)據(jù)映射到設(shè)定的數(shù)值范圍，以便于后續(xù)的比較和計算；

41、(2)壓力信號放大與傳輸：

42、經(jīng)過預(yù)處理后的壓力數(shù)據(jù)傳輸至壓力信號放大器板，壓力信號放大器板根據(jù)預(yù)設(shè)的放大倍數(shù)，對壓力信號進行放大處理，以提高信號的強度和分辨率；放大后的壓力信號傳輸至電控系統(tǒng)的核心控制板；

43、(3)核心控制板數(shù)據(jù)接收與解析：

44、核心控制板接收到來自放大器板的壓力信號后，按照預(yù)先設(shè)定的通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析，將其還原為左右腿的壓力數(shù)值信息，并存儲在緩沖區(qū)中，以便后續(xù)的批量處理。

45、(4)與預(yù)設(shè)訓(xùn)練模型比較分析：

46、從緩沖區(qū)中讀取設(shè)定時間段內(nèi)的左右腿壓力數(shù)據(jù)序列，計算左右腿各項特征參數(shù)，包含平均壓力值、壓力峰值、壓力變化率、壓力持續(xù)時間參數(shù)；

47、將左右腿的特征參數(shù)與預(yù)設(shè)的訓(xùn)練模型中的標準參數(shù)進行對比分析；其中，預(yù)設(shè)訓(xùn)練模型為基于健康人群和不同康復(fù)階段患者的踏步訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立的，包含了不同康復(fù)程度下左右腿壓力參數(shù)的正常范圍和變化趨勢；

48、計算左右腿壓力參數(shù)與標準參數(shù)之間的差異程度，采用歐幾里得距離公式計算特征向量之間的距離，距離越大表示與標準狀態(tài)的偏離程度越大；同時，分析左右腿壓力參數(shù)之間的相關(guān)性，通過計算協(xié)方差來判斷雙腿在踏步過程中的協(xié)調(diào)性；如果協(xié)方差接近0，表示協(xié)調(diào)性較差；如果協(xié)方差為正值且大于閾值，說明雙腿動作具有一致性和協(xié)調(diào)性；

49、(5)恢復(fù)狀態(tài)和協(xié)調(diào)性評估：

50、根據(jù)與預(yù)設(shè)訓(xùn)練模型比較得到的差異程度和相關(guān)性結(jié)果，對患者左右腿的恢復(fù)狀態(tài)和協(xié)調(diào)性進行綜合評估；如果某一側(cè)腿的壓力參數(shù)與標準參數(shù)差異大于預(yù)設(shè)值且另一側(cè)腿相對小于預(yù)設(shè)值，表示某一側(cè)腿腿的恢復(fù)程度相對落后；如果雙腿壓力參數(shù)的差異程度都小于預(yù)設(shè)值且協(xié)調(diào)性較好，表明患者的整體恢復(fù)狀態(tài)較好；并將評估結(jié)果按照預(yù)定的分級標準進行分級；

51、(6)康復(fù)訓(xùn)練計劃制定：

52、根據(jù)患者左右腿的恢復(fù)狀態(tài)和協(xié)調(diào)性評估等級，核心控制板在其內(nèi)置的康復(fù)訓(xùn)練計劃庫中選擇訓(xùn)練計劃；選擇的康復(fù)訓(xùn)練計劃通過顯示屏或語音提示的方式告知患者和康復(fù)師，患者按照計劃進行后續(xù)的踏步訓(xùn)練，并且在訓(xùn)練過程中系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)，實時調(diào)整訓(xùn)練計劃以適應(yīng)患者的康復(fù)進展。

53、所述步驟5)，具體為：

54、a.情景互動游戲模塊提供用戶情景互動語音提示，用戶根據(jù)語音提示完成主動訓(xùn)練，同時，視覺訓(xùn)練反饋模塊在患者訓(xùn)練過程中，捕捉患者視覺動作，并將視覺訓(xùn)練反饋結(jié)果至處理器單元；

55、視覺訓(xùn)練反饋模塊通過攝像頭采集患者訓(xùn)練時的視覺圖像序列，利用圖像識別算法對圖像中的包含眼睛、手部的人體關(guān)鍵部位進行定位與識別，提取關(guān)鍵部位的運動軌跡信息；并將軌跡信息與存儲在本地數(shù)據(jù)庫中，針對不同訓(xùn)練任務(wù)設(shè)定不同的標準動作模板進行比對分析，計算動作的準確性、速度以及幅度參數(shù)，形成視覺訓(xùn)練反饋結(jié)果數(shù)據(jù)，并將其傳輸至處理器單元；

56、b.處理器單元對接收視覺訓(xùn)練反饋模塊發(fā)送的視覺訓(xùn)練反饋結(jié)果進行調(diào)整互動情景和重新分配訓(xùn)練任務(wù)；

57、處理器單元接收到視覺訓(xùn)練反饋結(jié)果后，首先依據(jù)預(yù)設(shè)的評估規(guī)則對患者當(dāng)前的訓(xùn)練表現(xiàn)進行評估；

58、如果動作準確性低于設(shè)定閾值且速度低于設(shè)定值，表明患者對當(dāng)前訓(xùn)練任務(wù)的掌握程度較差；此時，處理器單元按照訓(xùn)練難度和訓(xùn)練目標進行分類索引，在其內(nèi)部的情景數(shù)據(jù)庫中搜索與當(dāng)前訓(xùn)練任務(wù)相關(guān)聯(lián)且難度低于上一個難度的互動情景，并根據(jù)新情景的要求重新分配訓(xùn)練任務(wù)；重新分配任務(wù)時，參考患者之前的存儲在本地存儲模塊中訓(xùn)練信息歷史記錄，避免重復(fù)分配已經(jīng)多次訓(xùn)練且效果不佳的任務(wù)類型，優(yōu)先選擇未曾訓(xùn)練且難度適配的任務(wù)；

59、c.執(zhí)行處理器單元件調(diào)整后的互動情景和重新分配后的訓(xùn)練任務(wù)發(fā)送至情景互動游戲模塊，用戶根據(jù)新的互動情景和訓(xùn)練任務(wù)執(zhí)行相應(yīng)動作，重復(fù)步驟(1)～步驟(2)直至停止主動訓(xùn)練。

60、本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：

61、本發(fā)明設(shè)計了一種具有平衡訓(xùn)練的下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，系統(tǒng)采取主被動相結(jié)合的訓(xùn)練方式，根據(jù)人體生理步態(tài)曲線，精確控制踏步運動，是患者逐步“行走”起來，恢復(fù)行走功能，同時訓(xùn)練過程中通過對兩只腳踏步過程中的足底壓力檢測，進行左右腳行走時的平衡性分析，防止恢復(fù)行走后產(chǎn)生異常步態(tài)。同時減輕護理人員的負擔(dān)，降低護理成本。