踝关节康复评估训练装置及训练评估方法与流程

本发明涉及一种踝关节康复评估训练装置、训练评估方法及游戏化装置，属于医疗设备。

背景技术：

1、踝关节是人体重要承重关节之一，在运动中起到重要作用。踝扭伤是最常见的运动损伤，在关节、韧带损伤中居首位，可引起局部关节疼痛、肿胀，并对各种活动及运动参与者构成重大风险。

2、另外踝关节功能性不稳患者长期踝关节肌力缺失，会影响患者膝关节肌群的肌力，也会影响患者健侧膝关节肌群的肌力。踝关节等速肌力评估训练可以进一步探究踝关节不稳的力学特征，提高患者踝关节活动度，还对保护双侧膝关节肌肉也有积极作用。

3、当前的踝关节训练仪(等速训练仪、踝关节机器人等)，如授权公告号是cn211461075u的中国实用新型专利所公开的一种踝关节康复机器人，其为训练系统，对踝关节活动范围和肌力情况缺乏较为准确的定量评估手段，不能根据患者踝关节的活动范围和肌力情况选择最适宜的训练方式。

4、申请公布号是cn108744432a的中国发明专利申请公开的跌倒评估与训练装置设置踝关节测试装置针对患者的踝关节进行平衡性训练，通过监测椅上的压力传感器，检测患者背部和臀部的施力情况，腿部康复装置针对患者的腿部进行平衡训练，通过患者由平衡测试台跌落或者失去平衡的时间，来检测患者腿部平衡的状况，其仅能获得训练时的数据，不能是在训练前先对踝关节活动范围和肌力情况进行评估，故其仍不能根据患者的实际情况去选择最适宜的训练方式。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种踝关节康复评估训练装置，解决现有技术中的踝关节训练装置不能根据患者踝关节的活动范围和肌力情况选择最适宜的训练方式的技术缺陷。

2、为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：踝关节康复评估训练装置，包括

3、脚托组件，用于在使用状态下绑定患者的脚部；

4、训练组件，训练组件用于连接脚托组件并驱动脚托组件转动；

5、信号检测模块，该信号检测模块用于检测患者的脚部位置信息；

6、处理模块，处理模块用于接收及处理信号检测模块发送的脚部位置信息，并依据处理结果对踝关节康复训练进行评估。

7、本发明的另一个目的是提供一种踝关节康复训练评估方法，其技术方案是：踝关节康复训练评估方法，采用踝关节康复评估训练装置，包括脚部活动空间评估、等速肌力评估及等长肌力评估，并在使用时选择其中的一种进行评估，其中：

8、脚部活动空间评估：是通过信号检测模块检测受试者脚部主动运动时受试者的脚部的角度位置，并获得受试者的脚部位置信息；处理模块接收信号采集模块发送的脚部位置信息，并基于脚部位置信息计算受试者脚部停止位置与目标位置差值，进而评估活动空间；

9、等速肌力评估是由训练者主动运动，信号采集模块采集受试者主动运动过程中脚部位置信息并计算出相应的速度信息发送给处理模块，确定受试者脚部运动速度是否大于设定速度，当受试者脚部运动速度大于设定速度时，训练组件提供阻力，采集受试者在检测中脚部的外力矩信息，并将外力矩转换为肌力，计算该肌力与对应年龄段肌力标准值的偏差百分比，根据偏差百分比判断对用户进行分级，并得出分级对应的运动模式；

10、等长肌力评估是在检测中，训练组件被动训练下保持位置和时间，在到达指定位置处停止运动并保持一段时间，采集受试者在检测中脚部的外力矩信息，并将外力矩转换为肌力，计算该肌力与对应年龄段肌力标准值的偏差百分比，根据偏差百分比判断对用户进行分级，并得出分级对应的运动模式。

11、作为本发明的进一步改进，脚部活动空间评估包括

12、标定中立位，记录中立位值a0；

13、训练者主动背屈最大值为标定背屈值bmax，主动跖屈最大值为标定跖屈值zmax；

14、计算脚部活动度为[zmax–a0,bmax–a0]。

15、作为本发明的进一步改进，等速肌力评估包括

16、设定等速速度vmax；

17、信号采集模块采集主动模式运动过程中脚部的位置信息，处理模块计算得出当前脚部速度v，并判断v是否大于vmax，当v>vmax时训练组件给予脚部反向阻力，以保证肌肉以恒定速度进行收缩，当v<vmax时，训练组件不给予脚步反向阻力；

18、动量观测器估算外力矩；

19、力矩转换为肌力；

20、肌力与对应年龄段肌力标准值的偏差百分比；

21、根据偏差百分比判断对用户进行分级；

22、根据分级确定对应的运动模式。

23、作为本发明的进一步改进，等长肌力评估包括

24、被动模式到达设定位置停止运动并保持指定时间；

25、离散计算动量观测器估算外力矩，并做均值滤波；

26、力矩转换为肌力；

27、肌力与对应年龄段肌力标准值的偏差百分比；

28、根据偏差百分比判断对用户进行分级；

29、根据分级确定对应的运动模式。

30、作为本发明的进一步改进，动量观测器估算外力矩包括

31、根据动力学模型计算机器人系统的惯量矩阵m和科氏力与向心力矩阵c；

32、采样关节的角度为q，速度为为加速度，g为重力向量；

33、

34、其中τ是实际关节力矩，τe是外力在关节的等效作用力矩；

35、定义广义动量对时间的导数为：

36、

37、令增益ko＝diag(ko,i)，koi是大于0的常数，r是τe的一阶滤波，得：

38、

39、计算出指定时间内的平均力矩r。

40、作为本发明的进一步改进，力矩转换为肌力的的转换公式是

41、f＝r/0.2，其中f为肌力，0.2是力臂。

42、作为本发明的进一步改进，肌力与对应年龄段肌力标准值的偏差百分比计算方式是abs(f–fs)/fs*100％，其中fs是对应年龄段的肌力标准值。

43、作为本发明的进一步改进，运动模式包括

44、被动模式：设备带动肢体关节做运动的训练模式，动力来源于设备；

45、抗阻模式：设备提供阻力，肢体抵抗此外力进行运动，以恢复和锻炼肌肉耐力的主动训练；

46、助力模式：设备提供辅助力，配合并帮助肢体进行运动，以使肢体做连贯的主动训练；

47、牵伸模式：设备提供动力，在到达边界位置处停止运动并保持一段时间，以达到牵伸效果的被动训练。

48、作为本发明的进一步改进，抗阻模式包括恒力、弹性和惯性三种训练方法，恒力抗阻在用户运动时会始终提供一个恒定大小的阻力，弹性抗阻模拟了弹簧的抗阻情景，惯性抗阻是模拟通过滑轮及绳索提起重物的运动场景。

49、综上所述，本发明的有益效果是：1.本发明通过设置信号检测模块，检测患者脚部的角度位置信息，从而可以在患者主动运动时获得患者背屈值的最大值和跖屈的最大值，并对患者踝关节活动的范围进行确定，并根据信号检测模块检测到的数据从脚部活动空间、等速肌力和等长肌力等维度进行评估，确定患者踝关节感知能力，并选择最适合的训练方式。

50、2.本发明基于无力传感器的动量观测器实现等速和等长两种情况下的肌力评估，帮助治疗师分析当前患者的肌力等级，并制定相应的疗程训练方案，提高患者训练效率和康复质量。

51、3.本发明量化评估了患者prom(被动关节活动度)情况，可以使训练处于安全的活动范围之内，帮助治疗师分析当前患者的活动空间能力，并给予患者定制化的疗程训练方案，提高患者训练效率和康复质量。