用于减少下体肢体损伤的手段和方法与流程

本发明总体上涉及矫形术，并且更具体地，涉及一种用于降低远侧下肢损伤的风险的手段(“means”)和方法。

背景技术：

1、在运动员之中下肢损伤占损伤多于50％。所有下肢损伤的大部分是踝损伤和韧带扭伤，但是也可能包括小腿肌的内侧腓肠肌损伤。这些损伤对损伤个体的自然步态具有直接影响。身体中的肌肉以不同方式收缩以进行移动并且帮助使特定身体段稳定。个体的自然步态用“震动吸收”完成以传递和转换由肌肉产生然后从地面反射回到身体的能量。从地面反射回的能量然后被转换成各种形式的能量(即，热和力)，其然后由影响和改变下肢关节各处的移动的各种组织和肌肉层处理。身体到脚的对准的变化影响移动效率。下肢损伤破坏这种影响移动，并且经常，其从不完全恢复，而且个体的步态受到损害，从而导致体育表现削弱。

2、量化神经肌肉用力在确定个体的损伤倾向方面是非常有用的。在本领域中存在如下普遍共识：外在因素和内在因素都在确定个体的损伤尤其是下体肢体损伤倾向方面发挥作用。外在风险因素包括但不限于竞技水平、技术水平、鞋类型、踝支撑和比赛场地。内在风险因素包括但不限于年龄、性别、月经周期阶段(仅限女性)、既往损伤和康复不足、体型、肢体(limb)优势、柔韧性(包括全身关节松弛、踝和膝盖松弛、肌肉紧度、运动范围)、肢体周长、肌肉力量、姿势稳定性、解剖对准、脚形态和有氧适能。

3、传统上，矫形外科研究、临床医生和体育教练已经寻求通过获得对脚功能的更好理解来降低下肢损伤的风险的方式。在本领域已知有若干验证的表现测试，包括rootian理论、组织应力理论和优选移动路径理论。rootian理论是基于对准对脚功能和脚病理进行系统分类并且要求使用矫形器来调整异常对准以预防和治疗脚损伤。组织应力理论强调作用在脚和下肢的结构组件内的应力的病理幅度。相反地，优选移动路径理论强调对准和应力两者在远侧下肢的功能中的影响，以使得肌肉系统能够在其优选路径中移动。遗憾的是，虽然这些理论被广泛接受，但是它们未出于测量下肢损伤的风险的目的确定内外肌肉用力以及关节力矩和位移。

4、尽管未成功，但是已经尝试解决此问题。关于总体上公开了一种用于脚评估的系统和方法的美国专利no.7,582,064b2能够看到一种说明性尝试。虽然该公开总体上教导一种用于评估脚位移和与一个人的下肢损伤倾向的关联相关性的方法，但是该公开未出于测量下肢损伤的风险的目的确定内外肌肉用力以及关节力矩和位移。

5、关于总体上公开了一种用于评估关节损伤的风险的方法和装置的美国专利no.9,829,493b2能够看到另一种尝试。尽管该公开通常教导用于识别许可干预以降低关节损伤的风险的方法的测试套件和方法，但是该公开强调生物力学移动模式并且未出于测量下肢损伤的风险的目的确定内外肌肉用力以及关节力矩和位移。

6、关于总体上公开了一种用于评估儿童损伤的风险的方法和装置的美国专利no.6,192,329bl能够看到又一种尝试。虽然该公开确实考虑计算机辅助物理解剖模型来评估损伤的风险，但是该公开确实未出于测量下肢损伤的风险的目的确定内外肌肉用力以及关节力矩和位移。

7、诸如美国专利no.9,008,784a1和美国专利申请no.2018/0028109a1等的其他公开教导诸如膝盖支架的可穿戴设备预防下肢损伤特别是膝盖损伤的风险。然而，这些公开仅在范围上限于物理设备的使用，并且未测量损伤的实际风险。

8、已经做出各种尝试来测量下肢损伤的风险，这些尝试可以在相关技术中找到，但是尚未成功。因此，存在对用于确定一个人在某环境(即矫形器、鞋、支架或假肢)内如何高效地维持下肢神经肌肉稳定性以测量下肢损伤的风险的更有效手段的需要。

技术实现思路

1、应当理解，在本公开中，所有实施例都是作为许多可能的实施例的说明性和非限制性代表来提供的。另外，术语“是”、“能够”、“将”等被用作诸如“可以”、“可以提供”和“设想本发明可以”等的术语的同义词并且可与其互换。

2、此外，按名称列举的所有元件，诸如惯性测量单元(“imu”)、肌电图传感器、神经肌肉、疲劳、矫形器和下肢，都意在包括或者包含此类元件的所有等同物。针对本文命名的每个元件设想了此类等同物。

3、出于概括的目的，本文提供了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，并不可以在任何一个具体实施例中提供所有此类方面、优点或新颖特征。因此，可以以实现或优化一个方面、优点或新颖特征或特征组而不实现如可以教导或建议的所有方面、优点或新颖特征的方式体现或执行所公开的主题。

4、鉴于已知技术中固有的上述缺点，本发明涉及用于识别内外关节功中涉及的相关生理因素以确定一个人在某环境(即矫形器、鞋、支架或假体)内如何高效地维持下肢的神经肌肉稳定性的更有效手段和方法。将随后更详细地描述的本发明的一般目的是为了测量并降低下肢损伤的风险。

5、在说明书的结论部分中特别指出并且明确地要求保护本发明的被认为新颖的特征。作为非限制性示例，本发明提供了一种新颖手段和方法来识别内外关节功中涉及的相关生理因素以确定一个人在某环境(即矫形器、鞋、支架或假肢)内如何高效地维持下肢神经肌肉稳定性。参考以下附图和详细描述，本发明的这些及其他特征、方面和优点将变得被更好地理解。

6、本发明解决下肢损伤的预测。通过利用imu、计算机视觉、emg传感器和新颖的损伤预测算法，个体能够识别内外关节功中涉及的主要相关生理因素以确定测量下肢损伤的风险。

7、根据本发明的一个方面，提供了一种肌肉活动相关性方法以用于计算用于找到如通过以下等式观察到的踝处的力和力矩两者的地面反作用力：

8、

9、其中mg是通过emg读取的肌肉活动，mvc是在评估之前测量的最大可变收缩，并且w是个体受试者的重量。

10、根据本发明的另一方面，肌肉活动相关性方法计算个体受试者的踝的力矩。该方法涉及使用来自imu的方位信息以及由emg通过首先建立肌肉活动与来自地面的反作用力之间的关系所测量的肌肉活动或收缩。关于地面接触点、踝关节和脚的质心将imu考虑在内对个体受试者的踝中起作用的扭力的汇总分析通过以下等式来观察：

11、

12、其中m是脚的质量，ω1是脚的角加速度矢量，rc1/s1是从imu指向脚的质心的矢量，αs1是传感器的角加速度矢量，并且fg是地面反作用力矢量。

13、根据本发明的另一方面，提供了一种肌肉活动相关性方法以用于通过利用如通过以下等式观察到的力矢量来计算个体受试者的踝处的矩稳定性：

14、

15、其中ma是踝的矩矢量，mg是地面与脚之间的接触点的矩矢量，j1是脚绕其质心的惯性张力，并且rc1/g和rc1/a分别表示从地面的接触点指向脚的质心的矢量和从踝指向脚的质心的矢量。本发明的这个方面假定mg为零，因为在地面与脚之间的接触点处没有对抗运动。

16、根据本发明的另一个方面，来自imu传感器和emg传感器的数据是随着mvc和imu传感器与emg传感器之间的读数的频率对准而同时测量的。