專利名稱：用于上肢康復(fù)的便攜設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于供在同時(shí)進(jìn)行伸出和提升任務(wù)方面有困難的病損用戶進(jìn)行 康復(fù)的便攜設(shè)備。該設(shè)備特別適合于用于治療上肢的神經(jīng)血管或肌肉骨骼的損傷或疾病的 康復(fù)和/或物理治療程序。
背景技術(shù)：
每年有數(shù)十萬(wàn)人由于上肢運(yùn)動(dòng)病損而變?yōu)闅埣?。病損可能由諸如中風(fēng)(例如參見 由美國(guó)心臟協(xié)會(huì)和美國(guó)中風(fēng)協(xié)會(huì)公布的‘Heart disease and stroke statistics 2007，) 的神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起，或者可能由肌肉骨骼損傷引起。在這兩種情況下，疾病可能導(dǎo)致移動(dòng) 范圍縮小、肌無(wú)力、速度喪失和/或患肢的協(xié)調(diào)性降低。已知物理治療在降低殘疾的程度方面是有效的(Nancy Byl et al.， Neurorehabilitation and Neural Repair, Vol. 17, No. 3,176-191 (2003) ；Darlene Hertling, Lippincott Williams and Wilkins publishing，2005)。目前公開的研究工作 (Liesbet De Wit et al. ,Stroke. 2007 ；38 ；2101)證實(shí)了在患者每天接受更多長(zhǎng)時(shí)間治療 的護(hù)理中心獲得了關(guān)于康復(fù)效果的更好結(jié)果。物理治療目前僅在醫(yī)院或?qū)I(yè)的護(hù)理中心進(jìn) 行。物理治療師引導(dǎo)患者在訓(xùn)練課程期間進(jìn)行一系列重復(fù)的鍛煉，其中訓(xùn)練課程由于治療 師的時(shí)間安排以及費(fèi)用而通常在次數(shù)和持續(xù)時(shí)間上受到限制。此外，由于缺少客觀的測(cè)量 技術(shù)，通常難以評(píng)估治療開始時(shí)的病損程度并難以量化治療的益處。機(jī)器人設(shè)備具有改善這種境況的潛力。與患者的手臂機(jī)械耦合的智能機(jī)器人可用 于幫助患者在康復(fù)期中進(jìn)行訓(xùn)練，因而增加花在康復(fù)訓(xùn)練中的時(shí)間。此外，機(jī)器人的傳感器 可用于在治療周期開始時(shí)評(píng)估病損的程度并監(jiān)視進(jìn)程。事實(shí)上，在過去幾年里為了學(xué)術(shù)和商用目的已開發(fā)了許多機(jī)器人設(shè)備。例如，美國(guó) 西雅圖的華盛頓大學(xué)已開發(fā)了 7DoF電動(dòng)上肢骨骼作為康復(fù)/輔助設(shè)備以處理包括上肢力 缺乏的機(jī)能障礙。意大利比薩的kuola Superiore Sant' Anna的研究人員開發(fā)了 MEMOS 系統(tǒng)，一種低損耗的2維笛卡爾自由度的機(jī)器人，用于中風(fēng)后的上肢動(dòng)作恢復(fù)。美國(guó)西北大 學(xué)已開發(fā)了 ACT 3D系統(tǒng)以創(chuàng)建用于在抓握及釋放任務(wù)中手臂的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的虛擬世界。在學(xué)術(shù)環(huán)境中的研究也產(chǎn)生了少數(shù)商業(yè)設(shè)備。例如，美國(guó)波士頓的麻省理工學(xué) 院的在學(xué)術(shù)研究的框架下開發(fā)了 MIT-Manus，其在隨后被授予專利權(quán)(美國(guó)專利序列號(hào) 5,466,213(1995))并且現(xiàn)在由美國(guó)Interactive Motion Technology商業(yè)化作為用于肩 部、肘部及腰部康復(fù)的InMotionl，2，3設(shè)備。類似地，存在許多在該領(lǐng)域提交的專利。例如，Erlandson(美國(guó)專利序列號(hào) 4,936, 299(1990))公開了一種利用由CPU控制的機(jī)器人手臂用于康復(fù)的設(shè)備及方法。 Baker (專利序列號(hào)CA2244358 (2000))公開了一種用于腕部康復(fù)的治療性的腕部機(jī)器人。 Reinkensmeyer等(美國(guó)專利序列號(hào)6，613，000(2003))公開了一種對(duì)具有感官病損的患者 提供手臂運(yùn)動(dòng)治療的基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，其可在萬(wàn)維網(wǎng)上操作并提供治療性訓(xùn)練的個(gè)性化 方案。Diaz等(美國(guó)專利序列號(hào)2005/0273022AK20(^))公開了一種用于通過持續(xù)性被動(dòng)移動(dòng)進(jìn)行關(guān)節(jié)康復(fù)的便攜醫(yī)療設(shè)備。Dewald等(美國(guó)專利序列號(hào)2007/0066918A1 Q007)) 公開了一種用于對(duì)中風(fēng)或其他神經(jīng)障礙之后重力引起的肢體協(xié)調(diào)性機(jī)能障礙進(jìn)行康復(fù)的 系統(tǒng)。與諸如MIT-Manus的機(jī)器人進(jìn)行的研究及臨床試驗(yàn)的結(jié)果表明機(jī)器人介入的方 法是安全的，被患者普遍接受并且是有用的(例如參見Krebs et al. , Technol. Health Care 7,6 (Dec. 1999)，419-423)。然而，現(xiàn)有的一代康復(fù)機(jī)器人還存在一些未解決的、妨礙其大規(guī)模使用的問題。其 中，費(fèi)用是一個(gè)重要問題。機(jī)器人設(shè)備應(yīng)當(dāng)足夠便宜才能被護(hù)理中心廣泛采用。在機(jī)器人 設(shè)備必須由患者在家里使用的情況下，易用性也是一個(gè)問題?！凹矣谩碧卣鬟€要求設(shè)備的便 攜性。事實(shí)上，先前描述的設(shè)備和/或?qū)＠纱笾路譃閮深?1)可用于實(shí)施多種不同康 復(fù)方案因此具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的昂貴且非便攜的設(shè)備；(2)可用于有限數(shù)量的康復(fù)方案的更簡(jiǎn) 單的、更專門的設(shè)備。對(duì)這種專門的設(shè)備已被授予了一些專利。例如，美國(guó)專利序列號(hào)2007/0021692公 開了一種用于執(zhí)行誘導(dǎo)肢體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。通過位置傳感器記錄手及腳的軌跡，并且可記錄 由肢體施加的壓力。WO專利序列號(hào)99/61110公開了一種用于訓(xùn)練快速伸出運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)(向前輸送的 運(yùn)動(dòng))。該系統(tǒng)結(jié)合了位置測(cè)量(手、手臂、關(guān)節(jié))、EMG測(cè)量及對(duì)用戶的反饋。美國(guó)專利序列號(hào).US7, 311，643公開了一種便攜式上肢及肩部練習(xí)板。其提供了 具有離散可變的摩擦系數(shù)在平面內(nèi)移動(dòng)手柄的裝置。日本專利序列號(hào)2007185325公開了一種在桌子上執(zhí)行伸出練習(xí)的系統(tǒng)。該系統(tǒng) 是便攜式的并且提供了測(cè)量由主體使用的柄的位置以及測(cè)量在該柄上的作用力的裝置。該 柄的位置不提供關(guān)于手臂構(gòu)造的信息。日本專利序列號(hào)2002272795公開了一種上肢康復(fù)設(shè)備，其包括對(duì)用戶在柄(運(yùn)輸 設(shè)備)上的位置及施加的力的測(cè)量，及反饋設(shè)備。該系統(tǒng)要求具有所述運(yùn)輸設(shè)備可在其上 移動(dòng)的軌道的儀器化桌子。日本專利序列號(hào)2004008605公開了一種上肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。其提供了測(cè)量由位 于固定設(shè)備上的肢體施加的力的裝置，以及向患者提供反饋(諸如視頻、聲音、振動(dòng))的裝置。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種能使用戶在大的工作空間進(jìn)行伸出運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單 且合算的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
由此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1的便攜設(shè)備。在從屬 權(quán)利要求246中限定了有利的實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明使在同時(shí)進(jìn)行伸出及提升任務(wù)方面有困難的病損用戶進(jìn)行康復(fù)的便 攜設(shè)備包括用戶前臂可固定在其上的扶手，以及用于使扶手能夠在表面上運(yùn)動(dòng)的裝置。該 便攜設(shè)備還進(jìn)一步包括用于監(jiān)視扶手運(yùn)動(dòng)的裝置，即扶手的位置/速度/加速度及定位。該 便攜設(shè)備最后還包括用于感測(cè)由用戶手臂在正交于所述表面的方向上向扶手施加的力的直ο在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，在設(shè)計(jì)中引入簡(jiǎn)單化及成本減少。所提出的設(shè)備實(shí)際上 是一種移動(dòng)機(jī)器人而不是固定設(shè)備、基于框架的設(shè)備或在鐵軌或軌道上移動(dòng)的設(shè)備。因而 提高了便攜性。此外，它通過模塊化的方式滿足特殊康復(fù)技術(shù)的需要。根據(jù)本發(fā)明的所述設(shè)備，不同于上述的現(xiàn)有設(shè)備，能使用戶在前臂受支撐并固定 的情況下在大的工作空間進(jìn)行伸出運(yùn)動(dòng)。前臂被支撐并固定在該設(shè)備上的事實(shí)允許更好地 控制肩部訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)、避免如果僅抓住一個(gè)手柄時(shí)可能發(fā)生的肘部水平的失控軌線。同時(shí)，假 設(shè)前臂固定在該設(shè)備上，則感測(cè)設(shè)備位置及旋轉(zhuǎn)確保了更好的定量評(píng)估手臂的三維位置。該設(shè)備設(shè)計(jì)用于肘部及肩部訓(xùn)練，但也可通過增加特定模塊用于手腕及抓握訓(xùn) 練?？赏ㄟ^在設(shè)備的中央處理單元上運(yùn)行的軟件來(lái)控制訓(xùn)練課程的數(shù)量、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度及 類型。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能使得其可用于用戶和理療醫(yī)師不在同一個(gè) 地方的遠(yuǎn)程康復(fù)環(huán)境，但理療醫(yī)師可在需要時(shí)在任何時(shí)間監(jiān)視并改變康復(fù)方案的參數(shù)。在康復(fù)領(lǐng)域，通過根據(jù)本發(fā)明的所述設(shè)備解決的其中一個(gè)問題是涉及上肢機(jī)能障 礙的評(píng)估及治療，所述上肢機(jī)能障礙歸因于由肢體本身的重量起作用的肩外展及屈肘之間 的異常協(xié)調(diào)作用。慢性中風(fēng)患者是呈現(xiàn)異常轉(zhuǎn)矩模式生成(torque pattern generation) 的病損個(gè)體的一個(gè)例子。當(dāng)病損主體嘗試遠(yuǎn)離身體向外伸出并且必須完全補(bǔ)償作用在肢 體上的重力時(shí)，他的/她的伸出運(yùn)動(dòng)無(wú)意識(shí)地伴隨著屈肘。這阻止了該主體以正常方式執(zhí) 進(jìn)行所述伸出運(yùn)動(dòng)。雖然如此，據(jù)證實(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力仍然出現(xiàn)在慢性中風(fēng)患者中，其可允 許恢復(fù)更多肩部及肘部活動(dòng)的功能模式(Ellis et al. , Muscle Nerve. 2005 Aug ；32 (2) 170-8)。主體可通過本發(fā)明進(jìn)行伸出運(yùn)動(dòng)，其中手臂受到支撐并且優(yōu)選地通過力傳感器測(cè) 量他/她能夠施加的提升力的程度。在優(yōu)選的實(shí)施例中，還向主體提供關(guān)于前臂位置和定 向以及施加的提升力的反饋。然后他/她進(jìn)行伸出和提升運(yùn)動(dòng)以完成在虛擬場(chǎng)景中表示的 一些任務(wù)，所述場(chǎng)景用于訓(xùn)練他的/她的正確肘/肩協(xié)同作用的功能恢復(fù)。例如提升力及 位置可用于在LCD屏上顯示的類似游戲的場(chǎng)景中控制兩維自由度。因而，本發(fā)明可用于提 供一種在康復(fù)訓(xùn)練開始時(shí)對(duì)主體狀況的定量評(píng)估并能夠有效地提供訓(xùn)練。此外，該結(jié)果的 實(shí)現(xiàn)無(wú)需使用鉸接機(jī)器人或懸索式矯形器。本發(fā)明提供一種訓(xùn)練或/和自訓(xùn)練并輔助具有導(dǎo)致局部失去移動(dòng)上肢的能力的 神經(jīng)或肌肉骨骼障礙的個(gè)體的設(shè)備和訓(xùn)練和測(cè)量方法。該設(shè)備優(yōu)選地為模塊化允許獲得不 同程度的系統(tǒng)復(fù)雜性/功能性。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述設(shè)備是在桌子(或任何其他合適的表面)上操作的重 量輕且尺寸小的移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人配備有包括球形輪或常規(guī)輪的基座平臺(tái)。在基座平 臺(tái)上安裝有扶手，用戶可將他的/她的前臂固定至該扶手。扶手連接到機(jī)器人基座使得其 相對(duì)于所述基座的高度在預(yù)定值的范圍內(nèi)選擇。此外，其配備有力/轉(zhuǎn)矩傳感器使得至少 可測(cè)量并記錄由用戶沿著縱軸施加的力。移動(dòng)基座裝配備傳感器，例如光學(xué)追蹤傳感器，其 使得能夠監(jiān)視機(jī)器人并且因而能夠監(jiān)視其扶手的位置/速度/加速度。該設(shè)備包括用于將 前臂固定至扶手的固定裝置，其中所述固定裝置選自下組尼龍搭扣帶(Velcro strap)、氣 動(dòng)表帶及適合于單用戶前臂形狀的3D印刷表帶。提供通常為顯示屏(但可使用視頻、音頻、 觸覺或這些的組合)的反饋界面，從而用戶可監(jiān)視他/她自己的活動(dòng)。該設(shè)備是配備有處理單元、存儲(chǔ)單元及有線/無(wú)線通信單元系統(tǒng)的一部分。設(shè)計(jì)該機(jī)器人使得其可由患者操作?？商峁┮环N通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與機(jī)器人遠(yuǎn)程通信 的輔助系統(tǒng)。該輔助系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為由醫(yī)務(wù)人員使用并且與適當(dāng)軟件一起提供處理和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)裝置以分析并解釋在康復(fù)課程期間由機(jī)器人收集并發(fā)送的數(shù)據(jù)。為了建立病損的初始程度并且監(jiān)視用戶隨著治療的改善，可執(zhí)行一種測(cè)量方法。 該方法依賴于測(cè)量及記錄機(jī)器人的移動(dòng)基座的運(yùn)動(dòng)以及由用戶施加在扶手上的力/轉(zhuǎn)矩。該康復(fù)訓(xùn)練方法通過使用移動(dòng)機(jī)器人利用互動(dòng)式指導(dǎo)患者執(zhí)行任務(wù)的軟件。所述 患者持續(xù)接收關(guān)于在一種互動(dòng)式游戲中他/她的表現(xiàn)的反饋。執(zhí)行的這種類型的練習(xí)可由護(hù)理中心人員遠(yuǎn)程確定和/或不斷地適應(yīng)于用戶表 現(xiàn)。完整的系統(tǒng)可以是模塊化的，從而先前描述的實(shí)施例可通過附加并入以擴(kuò)展系統(tǒng) 功能。在一個(gè)實(shí)施例中，為了引入移動(dòng)機(jī)器人在桌面上的輔助的(用戶初始所述運(yùn)動(dòng)并 且系統(tǒng)幫助用戶完成該運(yùn)動(dòng))或主動(dòng)的(系統(tǒng)以安全的方式驅(qū)動(dòng)用戶手臂通過預(yù)定的軌 道)位移而可將執(zhí)行機(jī)構(gòu)添加至移動(dòng)基座，從而可以模擬力場(chǎng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述移動(dòng)單元不包括輪，而包括可在襯墊上拖動(dòng)的基座。在 該襯墊與移動(dòng)機(jī)器人基座之間的摩擦可通過選擇他們制作的材料而改變。例如特氟龍 (Teflon)在特氟龍上呈現(xiàn)0. 04的靜摩擦系數(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可通過適當(dāng)開發(fā)的扶手設(shè)備包括手腕內(nèi)轉(zhuǎn)外轉(zhuǎn)或橈尺偏差訓(xùn) 練?？梢韵嗤姆绞教砑幼ノ沼?xùn)練。在另一個(gè)實(shí)施例中，為了改善治療可在系統(tǒng)功能中增加功能性電刺激(FES)。在另一個(gè)實(shí)施例中，為了向醫(yī)務(wù)人員提供更多關(guān)于肌肉活動(dòng)性的數(shù)據(jù)可增加上肢 肌肉的EMG監(jiān)視從而相應(yīng)地調(diào)整治療。在另一個(gè)實(shí)施例中，可引入EEG監(jiān)視以向醫(yī)務(wù)人員提供關(guān)于康復(fù)期間的腦活動(dòng)模 式的信息。在另一個(gè)實(shí)施例中，可沿著垂直軸在扶手和移動(dòng)設(shè)備之間的界面上添加線性執(zhí)行 機(jī)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可將關(guān)節(jié)位置測(cè)量系統(tǒng)并入所述設(shè)備以直接監(jiān)視患者手腕、 肘部及肩部關(guān)節(jié)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可將3D位置測(cè)量系統(tǒng)(諸如例如!^astrak Polhemus或 Patriot等)并入所述設(shè)備以直接監(jiān)視患者手腕、肘部及肩部關(guān)節(jié)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述球形輪配備有電控制制動(dòng)器，從而能夠控制移動(dòng)所述移 動(dòng)機(jī)器人所需的努力。在另一個(gè)實(shí)施例中，存在可用于定性且/或定量地視頻監(jiān)視訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)(肢體的軌 線和/或角度位置)的一組CMOS或CXD攝像機(jī)。在另一個(gè)實(shí)施例中，在襯墊上使用所述移動(dòng)設(shè)備。該襯墊可包含具有不同高度的 區(qū)域。由設(shè)備的平面位置與襯墊的3D軟件地圖共同推斷該設(shè)備的垂直位置。本發(fā)明的這些和其他方面將通過參考下文所述的實(shí)施例而變得顯而易見并得到 說(shuō)明。


通過結(jié)合說(shuō)明書并參考附圖將更好地理解本發(fā)明并且本發(fā)明的諸多目標(biāo)及優(yōu)勢(shì) 將對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員變得更顯而易見，附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的便攜設(shè)備的俯視圖。圖2示出了圖1所描述的設(shè)備的長(zhǎng)側(cè)的示意圖。圖3示出了圖1所描述的設(shè)備的仰視示意圖。圖4示出了圖1所描述的設(shè)備的短側(cè)的示意圖。圖5示出了圖1所描述的設(shè)備的簡(jiǎn)化三維視圖。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的康復(fù)系統(tǒng)的框圖。圖7示出了圖1所描述的設(shè)備的一個(gè)可能使用情況的示意圖。圖8示出了并行康復(fù)概念的框圖。圖9示出了所述便攜設(shè)備的位置和方位計(jì)算。在各附圖中類似的附圖標(biāo)記指代類似的元件。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考圖1-5，將描述根據(jù)本發(fā)明的便攜設(shè)備10的一個(gè)示意性實(shí)施例。在本說(shuō) 明書中還被稱為移動(dòng)單元或移動(dòng)機(jī)器人的所述便攜設(shè)備包括在本說(shuō)明書中還被稱為移動(dòng) 平臺(tái)的設(shè)備基座14，該基座帶有布置在等邊三角形的頂點(diǎn)的球形輪16，由此能夠移位該便 攜設(shè)備。Alwayse或Omnitrack或相似的商用球轉(zhuǎn)移設(shè)備可用作為被動(dòng)球形輪。用戶的前 臂可固定至扶手12，該扶手12連接到所述移動(dòng)平臺(tái)。光學(xué)跟蹤設(shè)備嵌入該移動(dòng)平臺(tái)14，由 此能夠在設(shè)備移動(dòng)時(shí)計(jì)算該設(shè)備的位置和定向。所述光學(xué)跟蹤設(shè)備包括兩個(gè)光電鼠標(biāo)傳感器18。這兩個(gè)傳感器中的一個(gè)被放置在 移動(dòng)平臺(tái)的中央；另一個(gè)則被放置在離中央距離L處并且位于扶手的長(zhǎng)軸方向。這兩個(gè)傳 感器的讀數(shù)提供相對(duì)位置的測(cè)量值。通過將系統(tǒng)放在預(yù)定位置和定向上而在開始使用時(shí)校 正所述系統(tǒng)?，F(xiàn)在參考圖9，如果相對(duì)于以初始位置P(Po)為中心、P至Q的X軸及Y軸并且被 定向?yàn)榫哂袕淖烂嫦蛏现傅腪軸的正交坐標(biāo)系，P三(Xp，Yp)是中央光傳感器的位置并且 QE (Xq, Yq)是另一傳感器的位置，那么設(shè)備在每一刻的位置是(紐，Yp)并且可通過簡(jiǎn)單 的三角公式計(jì)算設(shè)備的定向(扶手的長(zhǎng)軸相對(duì)于其初始位置的角度)。例如對(duì)于(Xq-Xp) > 0且(Yp-Yq)彡0，β = atan((Yp-Yq)/(Xq-Xp))。覆蓋整個(gè)定向空間的該公式的擴(kuò)展， 或其他等效公式對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯見的。在圖1-5中所描述的該便攜設(shè)備可有利地用于圖6所描述的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括 三個(gè)主要的單元用于被動(dòng)地或主動(dòng)地支撐肢體抵抗重力同時(shí)允許無(wú)約束的平面運(yùn)動(dòng)的便 攜設(shè)備10、反饋和計(jì)算單元30、以及遠(yuǎn)程控制和可視化單元60。此外，襯墊(具有織紋的聚 合物表面或聚酯表面等)可用于提供一種用于便攜設(shè)備10運(yùn)動(dòng)的適當(dāng)表面。該襯墊可以 包括一些特別設(shè)計(jì)的、其中可驅(qū)動(dòng)移動(dòng)設(shè)備的障礙物或路徑或三維結(jié)構(gòu)。移動(dòng)平臺(tái)14主存嵌入式處理單元26(諸如Gumstix 模塊等)，后者具有模擬輸 入擴(kuò)展、數(shù)字輸入/輸出擴(kuò)展、以及有線/無(wú)線通信擴(kuò)展。所述模擬輸入擴(kuò)展接收來(lái)自測(cè)量施加在扶手12上的力的力/轉(zhuǎn)矩傳感器13、光傳感器(18)或兩者的信號(hào)。在所述設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例中，扶手12配備有3DoF力傳感器，用于在垂直軸上以及 在識(shí)別平行于水平表面的平面的兩個(gè)軸上監(jiān)視力?？赏ㄟ^使用應(yīng)力計(jì)或如在商用產(chǎn)品(ATI 力/轉(zhuǎn)矩傳感器等)中所使用的類似技術(shù)操作所述力傳感器。扶手還可配備有當(dāng)力施加在 垂直軸上時(shí)允許扶手在該軸上進(jìn)行有限且可選擇的偏移的阻尼設(shè)備。該扶手還提供有尼龍 搭扣帶或其他類似設(shè)置20以將患者的手臂固定至所述移動(dòng)設(shè)備。便攜設(shè)備可包括用于提供移動(dòng)基座的輔助運(yùn)動(dòng)或主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)22，以及用 于控制扶手相對(duì)于所述設(shè)備基座的高度和/或?qū)Υ怪绷Φ捻槒亩鹊膱?zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)。反饋和計(jì)算單元30包括處理單元32、用于將數(shù)據(jù)發(fā)送至嵌入式處理單元沈并從 其接收數(shù)據(jù)的收發(fā)器單元34、存儲(chǔ)單元36/以及用于向用戶50提供反饋的反饋界面40。反饋和計(jì)算單元30提供允許患者通過由便攜設(shè)備10支撐的病損手臂在虛擬場(chǎng)景 中行動(dòng)的視覺和/或聽覺和/或觸覺反饋。在一個(gè)實(shí)施例中，反饋和計(jì)算單元由與商用PC 通信的屏幕(LCD或其他商用屏幕)和揚(yáng)聲器組成。PC能夠采集由傳感器經(jīng)無(wú)線鏈接傳輸 的數(shù)據(jù)，所述傳感器放置在便攜設(shè)備10上、或放置在環(huán)境中，或用戶身上、或兩者。所述無(wú) 線傳輸可通過使用802. 11協(xié)議或類似協(xié)議(例如WUSB等)實(shí)現(xiàn)。類似游戲的軟件在PC 上運(yùn)行并且用戶使用該軟件以執(zhí)行康復(fù)任務(wù)。所述軟件還通過有意編寫的例程來(lái)執(zhí)行原始 數(shù)據(jù)收集以及用戶表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)的計(jì)算和收集。此外，所述軟件具有經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接向存在 于護(hù)理中心的服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。所述軟件還能接收新的參數(shù)集以根據(jù)護(hù)理中心醫(yī)務(wù) 人員的決定而調(diào)整康復(fù)任務(wù)遠(yuǎn)程控制和可視化單元60由標(biāo)準(zhǔn)PC組成，所述PC具有將信息62傳輸至反饋和 計(jì)算單元30并從其接收信息62的裝置，例如網(wǎng)絡(luò)接口。醫(yī)務(wù)人員80使用該P(yáng)C監(jiān)視和控 制由患者在家進(jìn)行的康復(fù)程序。在該P(yáng)C上運(yùn)行的軟件通過加密連接收集來(lái)自所有客戶的 信息以保護(hù)患者隱私。信息被存儲(chǔ)在永久存儲(chǔ)器上，諸如但不限于硬盤。也可提供數(shù)據(jù)備 份系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)。該軟件可用于對(duì)患者的實(shí)時(shí)監(jiān)視(框64)。該軟件能夠通過若干GUI 70顯示信息并且能夠計(jì)算并顯示數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及可用于醫(yī)務(wù)人員監(jiān)視康復(fù)訓(xùn)練過程的其他 信息(框66)。醫(yī)務(wù)人員還能使用所述軟件設(shè)置便攜設(shè)備的參數(shù)(框68)?，F(xiàn)包括以上在此所述的系統(tǒng)的一些示意性使用情況作為闡明本發(fā)明的一些可能 性用途的方式。那些使用情況不表示對(duì)本發(fā)明的限制。在典型場(chǎng)景中，所述系統(tǒng)可用于進(jìn)行治療以減少單側(cè)腦損傷的患者具有的重力引 起的協(xié)調(diào)缺乏。事實(shí)上，已知特別設(shè)計(jì)的訓(xùn)練計(jì)劃可幫助慢性中風(fēng)患者顯著減少異常轉(zhuǎn)矩 模式生成并且因而改善移動(dòng)執(zhí)行的到達(dá)區(qū)域和速度(Ellis et al. , Muscle Nerve. 2005 Aug ；32 (2) :170-8)。對(duì)應(yīng)于該場(chǎng)景，患者最初在護(hù)理中心由推薦的系統(tǒng)評(píng)估他的/她的狀況。記錄的 信息被存儲(chǔ)作為參考。評(píng)估后，醫(yī)務(wù)人員選擇治療程序并且相應(yīng)地配置系統(tǒng)軟件。然后可 指導(dǎo)該患者如何正確使用所述系統(tǒng)。醫(yī)務(wù)人員也可決定患者是否應(yīng)當(dāng)在護(hù)理中心開始治療 還是可將他/她送回家以使用便攜設(shè)備繼續(xù)治療。在家時(shí)(或甚至在護(hù)理中心時(shí))，患者可 進(jìn)行所述練習(xí)而無(wú)需持續(xù)幫助，并且醫(yī)務(wù)人員可遠(yuǎn)程監(jiān)視他的進(jìn)程，并且可根據(jù)患者狀況 的改善而調(diào)整訓(xùn)練練習(xí)。如圖7所示，當(dāng)使用所述設(shè)備時(shí)，用戶50舒適地坐在其上放置著便攜設(shè)備10的桌子110前面。取決于實(shí)施情況可使用特制的襯墊120。他/她通過條帶或由所述設(shè)備提供 的任何其他固定系統(tǒng)將病損手臂的前臂140固定在扶手上。所述系統(tǒng)于是可被打開，進(jìn)行 自檢，并且可要求患者執(zhí)行簡(jiǎn)單的任務(wù)以完成校準(zhǔn)階段。完成自檢和校準(zhǔn)后，系統(tǒng)將初始從 便攜設(shè)備的初始位置130開始的訓(xùn)練課程。在典型的場(chǎng)景中，反饋和計(jì)算單元30包括顯示屏(IXD或其他)以及與處理單元 32連接以從便攜設(shè)備10接收數(shù)據(jù)的揚(yáng)聲器。顯示屏和揚(yáng)聲器向用戶呈現(xiàn)他必須玩的用以 執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)的互動(dòng)游戲。便攜設(shè)備10用作該游戲的輸入設(shè)備。此外，系統(tǒng)可與特別設(shè)計(jì)的能夠進(jìn)行集體治療的服務(wù)器連接。以此方式，若干用戶 可同時(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，接收關(guān)于其他人活動(dòng)的信息，并且作為訓(xùn)練的一部分進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)或合作。集體治療可采取在線CRPG (在線電腦角色扮演游戲)或MMORPG (大型多人在線角 色扮演游戲)的形式。圖8描繪了這種并行康復(fù)概念的框圖。病損用戶IU l...n使用在 圖6中所述并標(biāo)注著‘家庭或護(hù)理中心’的系統(tǒng)部分。非病損用戶NU 1. . . η使用商用輸入 設(shè)備(控制桿、鍵盤等)。護(hù)理中心90的醫(yī)務(wù)人員使用圖6中所述的并標(biāo)注著‘護(hù)理中心’ 的系統(tǒng)部分。以此方式可實(shí)現(xiàn)如下訓(xùn)練形式(1)用戶可連接至“虛擬康復(fù)中心”(可能位于基于因特網(wǎng)的類似第二人生的虛擬 世界中)并和其他用戶一起遵循治療師的指導(dǎo)；(2)用戶可作為具有同樣進(jìn)行訓(xùn)練的其他用戶的團(tuán)隊(duì)游戲的一部分而執(zhí)行康復(fù)任 務(wù)；(3)用戶可與非病損人員一起玩游戲，所述非病損人員使用常規(guī)輸入設(shè)備以在游 戲中互動(dòng)。所有這些形式有可能將“娛樂”或“樂趣”方面引入康復(fù)例程，其可改善治療本 身的可接受性和效果。在典型的情況下，訓(xùn)練包括執(zhí)行結(jié)合了手臂抬高(肩膀外展)的伸出移動(dòng)。用戶 將其前臂固定在便攜設(shè)備10上。該設(shè)備可自由地在桌面上移動(dòng)。所述伸出移動(dòng)使該設(shè)備 在桌子上移動(dòng)，同時(shí)位置傳感器18記錄便攜設(shè)備10的相對(duì)位置和定向，因而記錄扶手12 及固定于其上的前臂的相對(duì)位置和定向。在典型的情況下，由于例如中風(fēng)后產(chǎn)生的異常協(xié) 同作用，用戶將不能在沒有幫助時(shí)正確地進(jìn)行肩膀外展和伸出。然而，扶手支撐將允許用戶 克服這種協(xié)同作用，因?yàn)樗麩o(wú)需提升手臂重量。在這個(gè)簡(jiǎn)單的情況下，扶手12具有相對(duì)于移動(dòng)基座的固定位置，以允許等距的肩 膀外展訓(xùn)練。由嵌入扶手移動(dòng)基座連接件的力傳感器13監(jiān)視前臂施加在扶手上的力。因 而，用戶可測(cè)量他在進(jìn)行伸出移動(dòng)的同時(shí)提升手臂的能力方面的進(jìn)步，因?yàn)樗麑⒛軌蚩吹?力傳感器所測(cè)的力的下降。在該理想情況下，用戶應(yīng)當(dāng)能夠在進(jìn)行伸出任務(wù)時(shí)完全地支撐
他手臂的重量。在更復(fù)雜的情況下，可通過阻尼系統(tǒng)控制或者可通過一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)輔助扶手相對(duì) 于基座的垂直位移，從而可實(shí)施更復(fù)雜的康復(fù)模式。在任何情況下，所述位置、定向以及力測(cè)量構(gòu)成可用于與類似游戲的訓(xùn)練軟件互 動(dòng)的輸入。所述軟件可以非常簡(jiǎn)單，如2D游戲。例如，用戶通過使用前臂的位置和定向在 一個(gè)簡(jiǎn)單的迷宮中移動(dòng)，同時(shí)通過努力抬高手臂(克服障礙，伸手去拿懸掛的獎(jiǎng)勵(lì)積分等) 而完成任務(wù)。在更復(fù)雜的情景中，設(shè)備可用于在多用戶在線游戲和/或基于因特網(wǎng)的虛擬世界中與其他病損用戶或與健全用戶互動(dòng)。以此方式，加入康復(fù)訓(xùn)練的社交和娛樂方面可 使康復(fù)加速并/或使其更有效率。盡管在附圖和前面的描述中已詳細(xì)說(shuō)明和描述了本發(fā)明，但這些說(shuō)明和描述被認(rèn) 為是說(shuō)明性的或示意性的并且是非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過研究附圖、說(shuō)明書及所附權(quán)利要求理解并影響對(duì)所公開的 實(shí)施例的其他變化。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“a” 或“an”不排除復(fù)數(shù)。單獨(dú)的處理器或其他單元可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中所述的若干項(xiàng)目的功能。 在多個(gè)不同的從屬權(quán)利要求中引用的一些測(cè)量值的事實(shí)不表明這些測(cè)量值的組合不能加 以利用。計(jì)算機(jī)程序可存儲(chǔ)/分布在適合的介質(zhì)上，例如與其他硬件一起或作為其一部分 提供的光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，但也可以其他形式分布，例如經(jīng)由因特網(wǎng)或其他有線的 或無(wú)線的電信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的任何標(biāo)號(hào)不應(yīng)被解釋為對(duì)范圍的限制。
權(quán)利要求
1.用于在同時(shí)進(jìn)行伸出和提升任務(wù)方面有困難的病損用戶進(jìn)行康復(fù)的便攜設(shè)備 (10)，包括-所述用戶的前臂能夠固定至的扶手(12)，-用于使扶手能夠在表面上運(yùn)動(dòng)的裝置(16)，-用于監(jiān)視扶手的運(yùn)動(dòng)的裝置(18)，以及-用于感測(cè)由用戶手臂在正交于所述表面的方向上施加的力的裝置(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜設(shè)備，其中用于使扶手能夠運(yùn)動(dòng)的所述裝置是球形輪或 常規(guī)輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜設(shè)備，其中用于使扶手能夠運(yùn)動(dòng)的所述裝置由能在襯墊 (120)上拖動(dòng)的平基座構(gòu)成。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的便攜設(shè)備，進(jìn)一步包括至少一個(gè)用于提供輔助運(yùn) 動(dòng)或主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)02)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的便攜設(shè)備，包括至少一個(gè)用于控制所述運(yùn)動(dòng)的制 動(dòng)系統(tǒng)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的便攜設(shè)備，其中用于感測(cè)由用戶手臂施加的力的 所述裝置包括至少一個(gè)力傳感器。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的便攜設(shè)備，其中用于監(jiān)視扶手的運(yùn)動(dòng)的所述裝置 適于監(jiān)視扶手的位置、和/或速度、和/或加速度、和/或定向，并且包括至少一個(gè)位置傳感器。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的便攜設(shè)備，進(jìn)一步包括提供用于所述設(shè)備在表面 上移動(dòng)的裝置的基座G)，所述扶手(1 連接至該設(shè)備基座。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的便攜設(shè)備，包括用于將扶手固定在相對(duì)于所述設(shè)備基座的不 同高度的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的便攜設(shè)備，其中所述扶手配備有至少一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(M)，用 于控制扶手相對(duì)于設(shè)備基座的高度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的便攜設(shè)備，其中所述扶手能自由旋轉(zhuǎn)或通過受控的執(zhí)行機(jī) 構(gòu)沿其主軸旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)前臂的內(nèi)轉(zhuǎn)-外轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的便攜設(shè)備，進(jìn)一步包括用于將前臂固定至扶手 的固定裝置，其中所述固定裝置從下組中選出尼龍搭扣帶、氣動(dòng)表帶、3D印刷表帶或夾、 可變形固定夾。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的便攜設(shè)備，進(jìn)一步包括關(guān)節(jié)位置測(cè)量裝置，用于 直接監(jiān)視患者腕、肘和肩關(guān)節(jié)。
14.包括反饋和計(jì)算單元(30)以及根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的便攜設(shè)備(10) 的系統(tǒng)，包括中央處理單元(32)、存儲(chǔ)單元(36)、反饋界面(40)、和有線或無(wú)線通信單元 034)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述反饋和計(jì)算單元(30)配備為用于實(shí)現(xiàn)視 覺、聽覺、或觸覺反饋，或是它們的組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的系統(tǒng)，其中所述反饋和計(jì)算單元(30)適于向用戶提 供一種通過附連用戶前臂的便攜設(shè)備來(lái)執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)的供玩的互動(dòng)游戲。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適用于群體治療，所述用 戶在所述群體治療中可與其他用戶針對(duì)訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)或合作。
18.根據(jù)權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適于連接至游戲服務(wù)器 (100)，用于與多用戶在線游戲和/或基于因特網(wǎng)的虛擬世界互動(dòng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求14-18中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于提供功能性電刺激 (FES)的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求14-19中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于EMG監(jiān)視手臂肌肉的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求14-20中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于在康復(fù)期間EEG監(jiān)視腦 活動(dòng)模式的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求14-21中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于定性且/或定量地視頻 監(jiān)視手臂訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)的一組低分辨率CMOS或CXD攝像機(jī)。
23.根據(jù)權(quán)利要求14-22中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括襯墊，所述襯墊包含具有不 同高度的區(qū)域。
24.根據(jù)權(quán)利要求14-23中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括由醫(yī)務(wù)人員(80)使用以 監(jiān)視并控制患者的康復(fù)程序的遠(yuǎn)程控制和可視化單元(60)，所述遠(yuǎn)程控制和可視化單元 (60)包括處理器，該處理器具有用于向所述反饋和計(jì)算單元(30)發(fā)送信息并從中接收信 息的裝置(62)。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中所述遠(yuǎn)程控制和可視化單元(60)包括用于設(shè)置 便攜設(shè)備的參數(shù)的裝置(68)。
26.根據(jù)權(quán)利要求M或25所述的系統(tǒng)，其中用于向所述反饋和計(jì)算單元(30)發(fā)送信 息并從中接收信息的所述裝置(62)使用加密連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于供同時(shí)進(jìn)行伸展和提升運(yùn)動(dòng)有困難的殘疾用戶使用的便攜康復(fù)設(shè)備(10)。該設(shè)備包括用于固定用戶前臂的手臂支撐元件(12)，以及用于在表面上移動(dòng)使該手臂支撐元件的裝置(16)。所述設(shè)備還包括用于監(jiān)視手臂支撐元件的運(yùn)動(dòng)的裝置(18)，以及用于檢測(cè)由用戶手臂在正交于所述表面的方向上施加的力的裝置(13)。該設(shè)備使用戶能夠在大面積內(nèi)執(zhí)行伸展運(yùn)動(dòng)，其中用戶的前臂被支撐并固定。由于前臂被支撐并固定，所述設(shè)備能夠改善對(duì)肩部訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)的控制，避免在抓取手柄時(shí)發(fā)生的不受控的肘部運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)A61H1/02GK102088945SQ200880130314
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者E·卡瓦爾拉洛, T·凱勒 申請(qǐng)人:法特羅尼克基金會(huì)