专利名称：步行器助行动力学参数监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及临床康复助行装置的动力学参数监测，尤其是步行器的动力学参数监测。应用于相关辅助器械的有效使用指导与康复效果评价领域。
背景技术：
步行器是用于临床康复的一种重要的助行装置，可提供行走障碍患者外在的机械支持和减少下肢的荷重，如图2所示。近年来的使用率呈显著上升趋势。据有关调查统计显示，美国的步行器使用者在九十年代初就已超过170万人，且每年平均有近2万件的外伤事故涉及到步行器的使用，其中最常见的损伤就是髋骨骨折和上肢损伤。按此估计，全世界每年的新增步行器致伤病例当在60万以上。我国虽然尚无具体的统计数字，但步行器使用者早已被公认为一个亟需关注和照顾的特殊社会群体。
了解步行器使用过程中的动力学状况，尤其是实时鉴别其不同阶段的动力诉求，可以验证与疲劳有关的肌肉震颤发作危险区间，量化使用者的行走质量，在步态训练和日常生活中减少步行器使用风险。另外，由于使用者存在的不同步态畸形(例如胫腓骨骨折、截肢手术、轻偏瘫、偏瘫和脑瘫)会导致不同的步行器使用模式，也需要动力学研究有针对性地加以甄别，以了解使用者的不同需求，在步行器的结构再设计中加以考虑。
柄反作用矢量(Handle reaction vector，HRV)是目前有关步行器助行较为常用的动力学参数指标。它是将助行过程中使用者对步行器的作用合成简化为集中载荷，用位于步行器手柄中点横截面形心处的两个力学矢量来表示，其在不同方向上的分量可以分别表征使用者借助步行器所获得的力推进，力平衡和力支持水平，如图2所示。自1996年HRV概念提出以来，已经陆续有来自英、德、美多个课题小组开展了对HRV的检测研究，方法都采用将应变片电桥直接安装在步行器手柄表面进行测量。这种情况下，由于测量位置集中在手柄表面，应变片极易受到使用者手温和手湿的影响，导致测量精度的下降；另外，手柄上应变片的粘贴也会给使用者带来手握动作的不适和心理的某些暗示恐惧，从而影响其正常的步态，给后续基于动力学的步态分析引入不可知的错误因子。鉴于此，有必要开发了一套新型的步行器助行动力学参数监测装置，准确实时地鉴别其动力诉求，量化行走质量，减少步行器使用风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能量化行走质量、减少步行器使用风险的步行器助行动力学参数监测装置，它在不影响使用者正常助行过程的前提下，能够准确实时地鉴别其动力诉求，为步行器的有效使用指导及助行效果的可靠评价提供帮助。
为解决上述技术问题是，本发明的步行器助行动力学参数监测装置，包括步行器以及设置在步行器上的应变片。所述的应变片为12导联应变片电桥网络，用于间接提取HRV信息，它设置在所述步行器框架上手柄以外的位置；所述12导联应变片电桥网络连接有放大电路、模数转换电路和计算机；所述12导联应变片电桥网络的输出模拟信号经放大电路放大后输出至模数转换电路，模数转换电路将上述模拟信号转换为数字信号输出至计算机。
所述的计算机存储有Labview数据采集软件(基于虚拟仪器的数据采集软件，Labview的正式中文全称为“虚拟仪器”)和GUI数据处理软件(基于图形用户界面的数据处理软件，GUI的正式中文全称为“图形用户界面”)，所述计算机运行Labview数据采集软件时执行如下步骤采集通道设定，采集长度设定，采集频率设定，采集数据，文本存储和示波板监视；所述计算机运行GUI数据处理软件时执行如下步骤患者资料输入，选定待处理的数据文件，初始化，HRV计算，存储、显示、重复计算和清理输入，重复计算后返回“选定待处理的数据文件”步骤，清理输入后返回“患者资料输入”步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(一)采用安装在步行器框架上的12导联应变片电桥网络来间接提取HRV信息，避开手柄，从而最大程度地消除测量过程对使用者行走步态的影响，保证测量手段与测量数据间的相互独立性，提高测量结果的精度和可靠性；(二)可在相关辅助器械的有效使用指导与康复效果评价领域得到广泛应用。
图1是本发明步行器助行动力学参数监测装置的系统结构框图；图2是HRV定义示意图；图3是12导联应变片电桥网络位置图；图4是机前盒结构示意图；图5是基于GUI的数据处理界面；图6是基于虚拟仪器(Labview)的数据采集软件流程图；图7是基于图形用户界面(GUI)的数据处理软件流程图。
附图标记1是电话线束 2是220v电源线 3是68针接口 4是电源开关 5是电源指示灯具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明的步行器助行动力学参数监测装置，包括步行器以及设置在步行器上的应变片。所述的应变片为12导联应变片电桥网络，用于间接提取HRV信息，它设置在所述步行器框架上手柄以外的位置；所述12导联应变片电桥网络连接有放大电路、模数转换电路和计算机；所述12导联应变片电桥网络的输出模拟信号经放大电路放大后输出至模数转换电路，模数转换电路将上述模拟信号转换为数字信号输出至计算机。所述的计算机存储有Labview数据采集软件和GUI数据处理软件。
本发明以安装在步行器框架上的12导联应变片电桥网络为基础，设计了相应的硬件和软件系统，硬件系统包括传感器件、放大电路、稳压电源以及模数转换装置四部分组成，软件系统包括数据采集和处理两部分组成。
使用者在步行器助行过程中所施加的HRV会首先通过安装在步行器上的传感器件转化为电压信号。本实施例中采用的传感器件是日本Tokyo Sokki Kenkyujo公司生产的350欧姆，FLA-2系列应变片。从长期稳定性考虑，应变片粘贴采用的是环氧类，而非氰基丙烯酸盐类粘合剂。应变片采用弯曲模式。传感器件与后续放大电路之间通过4线芯的数据传输线缆(选用普通电话线)连接，其中2线芯用于电源供给，2线芯用于信号输出。本实施例中采用的放大电路的核心芯片是RS846-171。由于应变片电桥网络的信号输出往往要小于毫伏级，而其常规测量的共模电压却至少在伏级以上，根本无法满足后续数据采集的要求，必须要进行必要的放大和共模抑制。RS846-171是低噪声、低漂移、高可靠性和线性的放大器芯片，采用24管脚的封装，直流电供给。它可以通过消去共模电压的方式克服共模抑制，具体的工作原理是依靠调整Wheatstone电桥电源供给负端电压的大小，使得信号在其输出负端电压恒为零，而对于一个对称电桥，此时的电源供给正负端电压的大小相等、极性相反，因此也就取得输出信号的零共模电压。至于输出信号的放大功能是通过RS846-171的外围电路来实现的。其中信号放大实际选用1000倍。发明中采用的稳压电源大小为±12V。考虑到使用的方便，稳压电源采用外接AC220V进行转换产生。AC220V陆续经过12V变压器变压，二极管桥路整流和7812/7912稳压三个过程，转变为适合的稳定电压信号供给系统的放大电路。本实施例中采用的模数转换装置包括I/O连接板(I/O Connector Blocks)和多功能数据采集卡(DAQ Card)两部分组成。I/O连接板采用的是CB-68LPR，它内含68针公口，可以为DAQ提供符合规格的低噪声I/O信号输出。多功能数据采集卡采用的是NI 6024E，它具有16路单端/8路差分模拟输入，12位精度，200KS/s采样率，200KS/s磁盘写入速度，±0.05到±10V输入范围，最多两路12位模拟输出，最多32条数字I/O线，两路24位计数器/定时器，完全可以满足实际测量要求。另外，I/O连接板和多功能数据采集卡间的数据传输采用的是PSHR68-68屏蔽线缆。数据采集软件是基于Labview建立起来的，其中数据通过I/O 1～12通道读入，采样长度和采样频率可通过计算机调整，发明实际采用的是600点和10Hz。数据采集后通过软件接口送至GUI数据处理软件进行处理、显示和存储，同时有关使用者的个人资料信息也可利用该软件的图形用户界面数据处理界面进行录入，方便临床数据库的建立和整合。
本发明要点在于应变片电桥的有限元法定位；多导联信号的冗余-优化处理方法；机前盒的设计；基于GUI的数据处理界面；系统的静态标定等技术环节。
应变片电桥的有限元法定位在监测过程中，HRV总共有六种未知量，即步行器每只手柄各x，y，z三个方向分量(左手Flx，Fly，Flz；右手Frx，Fry，Frz)，要求被系统测得，因此需要在一架标准两轮步行器两侧框架梁各安装六套应变片电桥，见图3。电桥具体的安装位置是由对步行器框架进行的结构力学有限元分析(FEA)结果决定的。由于步行器框架在不同方向分量力作用下会产生不同的形变效果，电桥都是被安排在相关力学分量作用下的框架相对最大形变位置以取得最可靠的结果。其中，B-1和B-2、B-7和B-8分别对应于x向的两个分量，B-3和B-4、B-5和B-6分别对应于y向的两个分量，B-9和B-10、B-11和B-12分别对应于z向的两个分量。另外，根据所测力学分量所引发弯距方向的不同，电桥粘贴位置还需对应于梁管的相应变形侧面。
多导联信号的冗余-优化处理方法本发明中，针对HRV的单一方向力采用两套电桥的设计属于一种冗余测量。这其中冗余的一套电桥对于减少被测力的非线性和交互干扰是非常必要的。从理论上讲，一套应变片电桥的输出信号与对应的某一方向分量力应呈线性关系。但实际上，这种线性关系并不理想，而且不同分量力之间会产生较大交互干扰。为了解决这个问题，设计中采用了“冗余-优化”方法。其优势在于1)通过增大有效信息量的方法最大程度地减轻了输出关系的非线性化；2)将不同导联的输出之间建立起了网络联系，产生了一个综合平衡结果，减少了方向分量力之间的交互干扰。具体说来，本研究中冗余的测量信息可以有效补充电桥输出因各种偶然因素，如作用力中心微移，所带来的非线性化。另外，这两套电桥(主要，灵敏度权重值较高)和其他十套电桥(参考，灵敏度权重值较低)在此方向校准过程中会被视为一个整体网络来考虑。标定后，系统的原始灵敏度系数矩阵[SM]将是一个12×6的超定矩阵，而非6×6的方阵。再对[SM]进行转置求[SM]-1的时候，实际上也就是针对一个超定方程优化求解过程，最终得到的就是一个平衡了所有信息的网络优化结果，这也大大减少了各方向力之间的交互干扰。
机前盒的设计为方便测量和提高系统的可携性，本发明把除粘贴在步行器上的传感器件和附着在计算机内的数据采集卡在外的所有硬件装置都安装在一个机前盒里，见图4，1是电话线束，2是220v电源线，3是68针接口，4是电源开关，5是电源指示灯。机前盒只保留一个数据输入口，一个数据输出口和一个电源输入口。考虑到每个应变片电桥和其后续放大电路之间是通过电话线连接的，因此机前盒的数据输入口实际上就是由12根电话线接口组成的。数据输出口是I/O连接板的68针公口，为PSHR68-68屏蔽线缆接驳用。电源输入口是预留一个AC220V的三相插头。另外，机前盒还设有一个电源开关和一个电源指示灯，可以便于实际操作。如此一来，整个步行器测力硬件系统就可以简化为三个主要实体构件步行器(含应变片)、机前盒和计算机(含采集卡)，其中这里的步行器与一般步行器的区别只是在于框架表面附着了些微小的应变片和引出了些细线缆，从外形和重量来说几乎没有变化，因而也不会影响到使用者的正常步态。
软件系统软件系统包括数据采集和处理两部分组成。如图6所示，计算机运行Labview数据采集软件时执行如下步骤采集通道设定，采集长度设定，采集频率设定，采集数据，文本存储和示波板监视。如图7所示，计算机运行GUI数据处理软件时执行如下步骤患者资料输入，选定待处理的数据文件，初始化，HRV计算，存储、显示、重复计算和清理输入，重复计算后返回“选定待处理的数据文件”步骤，清理输入后返回“患者资料输入”步骤。
基于GUI的数据处理界面考虑到监测数据和临床资料处理的方便，本发明设计建立了基于GUI的数据处理界面，见图5。界面内的选项共有四大类组成，分别是文本输入选项名字(Name)，年龄(Age)，以cm为单位的身高(Height)和以kg为单位的体重(Weight)。
菜单下拉选项性别(Sex)，下拉内选项包括男(Male)、女(Female)，默认/显示项为男(Male)，刺激侧(Side)，下拉内选项包括两侧(Both)、左侧(Left)、右侧(Right)、无(Nil)，默认/显示项为两侧(Both)。
图形弹出选项包括 三个按钮，可以分别显示HRV的各项结果。
一般功能选项包括 和 五个按钮，这些都是和处理有关的功能选项。前三个分别是打开、初始化和存储数据程序，后两个分别是重复计算和清理文本输入。
系统的静态标定系统静态标定过程中，已知标准重量沿HRV各分量方向被逐步施加到步行器手柄上，通过相应的输出信号计算得到系统的灵敏度系数矩阵。
系统灵敏度系数矩阵与输出电压，施加HRV负载的线性关系可用下式表示[V]＝[SM][F](1)这里[V]是代表输出电压的列向量，[F]是代表HRV负载列向量，灵敏度系数矩阵[SM]把这二者联系起来。由(1)式看出，标定时的灵敏度系数矩阵可由下式解得[SM]＝[Flx./Vlx，Fly./Vly，...，Frz./Vrz](2)这里Flx./Vlx，Fly./Vly，Flz./Vlz分别是左手x，y，z方向分量力作用下灵敏度系数列向量，Frx./Vrx，Fry./Vry，Frz./Vrz是右手x，y，z方向分量力作用下灵敏度系数列向量。这样，随着[SM]的确定，所有施加到手柄上的合力HRV矢量就都可从下式推出[F]＝[SM]-1[V](3)需要注意，系统的初始化测量对于标定结果的获取是十分必要的。因为受到温度，湿度等外界环境的影响，应变片电桥输出即使在空载时也不会维持一个固定值。因此在标定之前，必须要进行系统初始化，得到当时当地空载的系统输出值。在后续进行数据处理过程中，正式测量值要减去空载值以消除环境影响，正确反映行走过程中HRV的变化。
误差校验实验为了考查本发明在力学监测方面的可靠性和可行性，进行了相关的误差校验实验，其中包括系统的非线性、交叉干扰和力学精度检验。
非线性检验系统的非线性检验是运用多轴框架和一系列标准重量来进行的。HRV单方向分量力被施加到步行器手柄上。x，y和z向量程范围分别是20，20和80kg，单次5kg的负重从0到满量程逐步增加，再逐步递减至0。这样介于0和满量程之间，每个等值测试点都会有加载和卸载的两个测量值。这二者之间的差值取最大，代入下式就可以得到非线性误差El=|DmaxFful|×100%---(4)]]>这里Dmax是测量到的加载卸载的最大差值，Ffull是量程范围。
表1给出的是系统非线性误差值，最大的非线性误差出现在Flx分量力方向上，为2.901％，最小的非线性误差出现在Fly分量力方向上，为0.615％。
交叉干扰检验在系统的交叉干扰检验过程中，当每个HRV单方向分量力被施加到步行器手柄上时，根据测得的电信号输出值和标定后的系统灵敏度系数矩阵，在其它5个分量方向上都可以计算出相应的伪输出力。交叉干扰误差就可以按照下式来计算CTi-j=|FiFj|×100%---(5)]]>这里Fi是系统在i方向上的伪输出，Fj是施加在j方向上的测试分量。
表2给出的是系统交互干扰值，最大的交互干扰出现在施加Flz分量力时对Frz分量力的干扰，为3.188％，其次为施加Frz分量力时对Flz分量力的干扰，为3.034％。
力学精度检验系统力学精度的检验是依靠分别施加八个方向的负载来进行的。这八个方向是按照已建立起的笛卡尔直角坐标系的三坐标轴对全部实验空间来划分的。前面用到的一系列标准重量被作为参考负载。运用多轴框架将参考负载分别按这八个方向加载到步行器手柄上。通过校准公式，相应的电压信号会转化为每个手柄上的力输出Fx，Fy和Fz。
任意方向的力输出幅值大小可以按照下式计算Fr=Fx2+Fy2+Fz2---(6)]]>系统的力学精度误差可以按照下式计算Ef=|Fr-FlcFlc|×100%---(7)]]>这里Flc是标准重量施加的参考负载。
表3给出的是系统八方向力学精度值，最大的力学精度误差出现在左手(-Fx，-Fy，+Fz)这个方向空间里，为1.01％。
误差校验实验结果显示本发明的测力非线性度小于2.901％，交互干扰小于3.2％，精确度好于1.01％，完全可以达到研究中步行器助行动力学参数HRV的监测要求。另外，本发明具有准确实时、方便可行的特点，还能在保证使用者正常步行器行走训练的同时实施HRV监测功能，量化行走质量，减少步行器使用风险，并为未来临床康复中的助行动力学研究和步行器的生物力学再设计方案提供可靠的科学依据。
本发明提的步行器助行动力学参数监测方法，在不影响使用者正常助行过程的前提下，能够准确实时地鉴别其动力诉求，量化行走质量，减少步行器使用风险。该项发明可为步行器的有效使用指导及助行效果的可靠评价提供帮助，并获得可观的社会效益和经济效益。最佳实施方案拟采用专利转让、技术合作或产品开发。
表1.非线性误差
表2.交互干扰
表3.八方向力学精度
权利要求
1.一种步行器助行动力学参数监测装置，包括步行器以及设置在步行器上的应变片，其特征是，所述的应变片为12导联应变片电桥网络，用于间接提取HRV信息，它设置在所述步行器框架上手柄以外的位置；所述12导联应变片电桥网络连接有放大电路、模数转换电路和计算机；所述12导联应变片电桥网络的输出模拟信号经放大电路放大后输出至模数转换电路，模数转换电路将上述模拟信号转换为数字信号输出至计算机。
2.根据权利要求1所述的一种步行器助行动力学参数监测装置，其特征是，所述的计算机存储有Labview数据采集软件和GUI数据处理软件，所述计算机运行Labview数据采集软件时执行如下步骤采集通道设定，采集长度设定，采集频率设定，采集数据，文本存储和示波板监视；所述计算机运行GUI数据处理软件时执行如下步骤患者资料输入，选定待处理的数据文件，初始化，HRV计算，存储、显示、重复计算和清理输入，重复计算后返回“选定待处理的数据文件”步骤，清理输入后返回“患者资料输入”步骤。
全文摘要
本发明公开了一种步行器助行动力学参数监测装置，包括步行器以及设置在步行器上的应变片。应变片为12导联应变片电桥网络，用于间接提取HRV信息，它设置在所述步行器框架上手柄以外的位置；12导联应变片电桥网络连接有放大电路、模数转换电路和计算机；12导联应变片电桥网络的输出模拟信号经放大电路放大后输出至模数转换电路，模数转换电路将上述模拟信号转换为数字信号输出至计算机。计算机存储有Labview数据采集软件和GUI数据处理软件。本发明采用安装在步行器框架上的12导联应变片电桥网络来间接提取HRV信息，避开手柄，从而最大程度地消除测量过程对使用者行走步态的影响，保证测量手段与测量数据间的相互独立性，提高测量结果的精度和可靠性。
文档编号G06F17/00GK1729955SQ20051001457
公开日2006年2月8日 申请日期2005年7月19日 优先权日2005年7月19日
发明者明东, 万柏坤 申请人:天津大学