增强下肢离轴神经肌肉控制能力的训练系统及方法

专利名称：增强下肢离轴神经肌肉控制能力的训练系统及方法
技术领域：
本发明涉及到运动训练及损伤预防和伤后康复领域。
背景技术：
下肢肌肉骨骼往往在激烈的运动和娱乐活动中受到损伤。其中膝关节是最常见 的受伤部位，而以前十字交叉韧带(ACL)的损伤最为普遍。美国每年因前十字交叉韧带撕 裂的人数约8至25万人，所带来的治疗费用达近10亿美元(Griffin et al. Am J Sports Med. 34，1512-32)。受伤率最高的是年龄在15至25岁参加有下肢旋转运动的青年人。由 于下肢可在矢状面内自由活动(如膝关节弯曲/伸展，脚踝背屈/跖屈)，通常这种矢状面 内的关节运动运动不会导致肌肉韧带损伤；然而，在副轴(或称离轴，人体冠状平面和横向 面)上，下肢关节的运动(如膝关节外翻/内翻，即内转/外转，胫骨旋转，踝关节内翻/外 翻即内转/外转)可动自由度很有限；在冠状平面和横向面上的下肢关节的过度扭转或超 负荷运动则容易导致肌肉韧带损伤。例如前十字交叉韧带就是最常见的在运动中因下肢过 度旋转和外翻活动导致的一种损伤。因此提高在冠状平面和横向面上的下肢关节运动的神 经肌肉控制(例如，控制胫骨旋转/膝关节外翻)，以减少或避免肌肉韧带受伤就显得尤为 重要。然而，现有的训练和康复器械(如椭圆机，跑步机，登梯机)多强调在矢状面内的运 动，而缺乏便利有效的器械和方法来训练人们承受和控制在冠状平面和横向面上高负荷高 强度的离轴运动。单独的在冠状平面和横向面上运动训练，例如坐在椅子上做胫骨旋转或 外翻运动，可能是低效的及与功能运动无关的。因此，在矢状面上的步进/跑步运动中，训 练强调特定的在冠状平面和横向面上离轴运动的控制将有助于预防在训练和体育活动中 下肢肌肉韧带损伤的发生以及帮助伤后康复。

发明内容
这里所描述的是一种离轴训练和评估机制，旨在帮助提高人体的神经肌肉对下肢 离轴运动的控制，其中包括胫骨的内转/外转，内翻/外翻，左右及前后方向上的滑动，以及 这些运动的复合运动(改变可变因素，从而减少前十字交叉韧带和其它下肢损伤的风险)。 实际上，由于坐姿下单独的胫骨旋转或是冠状面内翻/外翻抵抗阻力的运动与功能性负重 活动没有太大联系，所以训练效果可能不明显或低效。因此，离轴训练结合下肢在矢状面上 运动，可以使下肢训练变得更为实际有效。在实际操作中，离轴训练(如小腿旋转和脚的滑 动)机制可以与各种矢状面运动的练习器械相结合，如椭圆机，登梯机和运动自行车等。更 进一步，离轴训练(如旋转和滑动)有多种实现方法，如单独的旋转机制，单独的滑动机制， 或是两个方向轴上的组合旋转复合滑动机制。


图1㈧一种旋转_滑动机制，受控的胫骨旋转和左右滑动的组合。可结合任何矢 状面运动器械进行矢状面及离轴运动的训练和评估。左右脚踏板的旋转和左右的滑动由两 个电机控制，可有各种扰动灵活组合。(B)旋转-滑动机制的俯视图。(C)实现旋转-滑动 机制的椭圆机。在矢状面的步进/跑步运动中，配合受控的胫骨旋转和左右滑动(膝关节 外翻/内翻)。图2旋转-滑动椭圆机训练的实时反馈。在矢状面运动过程中，受试者脚的位置 包括脚尖指向需保持在用户界面上箭头或滑条的指示位置。摄像头用来捕捉和实时显示下 肢姿势，这有助于受试者适当调整额状面的运动。箭头指示的下肢和鞋的目标位置可用来 帮助受试者达到期望的运动位置。图3(A)在矢状面走跑运动同时做可控旋转运动(胫骨旋转)的旋转椭圆机。通 过线缆驱动矢状面和离轴的组合(步进_旋转)运动，即滑轮在斜坡道上的运动伴随着旋 转踏盘旋转。(B)实现训练胫骨旋转运动的登梯机。通过线缆驱动，登梯机的步进运动伴随 踏板的耦合旋转。螺旋扣可用来调整线缆的拉力，协调在矢状面上的登梯和离轴上的旋转 运动。图4实现胫骨旋转的可控旋转机制。这种旋转可配合各种练习器械在矢状面的运 动。踏板的旋转由一个电机控制。电机可对踏板添加多种扰动，也可以使其处于低阻力和 低摩擦力模式或自由转动模式。图5实现左右方向滑动的受控滑动机制。这种滑动可配合各种练习器械在矢状面 的运动。踏板的滑动可由线性电机控制。电机可对踏板添加多种扰动，也可以使其处于低 阻力和低摩擦力模式或自由滑动模式。图6旋转-滑动机制2010。通过登梯机在矢状面的登梯运动的同时，配合受控胫 骨旋转和左右滑动(膝外翻/内翻)实现。踏板的旋转和滑动通过线缆由一个旋转电机和 一个线形电机分别控制。各种不同的扰动可以灵活施加在旋转和/或滑动方向上。另外， 踏板控制也可以选择低阻力和低摩擦力模式和自由旋转/滑动模式。图7前后滑动机制。可与矢面状步进/跑步运动相结合。踏板的前后滑动通过一 个线形电机控制。各种不同的扰动可以灵活施加在滑动方向上。另外，踏板控制也可以选 择低阻力和低摩擦力模式和前后自由滑动模式。图8X-Y滑动机制。前后和左右方向可控各种滑动组合方式，可进一步与矢面状的 步进或跑步运动相结合。踏板的前后和左右滑动可由直线电机来控制。各种不同的扰动可 以灵活施加在滑动方向上。另外，踏板控制也可以选择低阻力和低摩擦力模式和在前后和 左右方向自由滑动模式。图9旋转机制可以结合倾斜机制，在具内翻/外翻和/背屈/跖屈的功能下，形成 旋转_倾斜机制。踏板脚跟部固定在球型关节700上，两个线性驱动器720 (也固定在球型 关节两端730和740)可以扰动踏板使其移动到内翻/外翻和/背屈/跖屈的目标位置。这 种旋转-倾斜机制，可结合矢状面训练器械，如椭圆机或登梯机在矢状面运动的同时进行 旋转/倾斜训练。踏板的旋转和倾斜通过线缆由一个旋转电机和一个线性电机分别控制。 各种不同的扰动可以灵活施加在旋转或倾斜运动方向上。另外踏板控制也可以选择低阻力 和低摩擦力模式和自由旋转/倾斜模式。
图10综合训练，包括训前诊断，离轴运动训练，训后评估。图11受试者使用新型旋转椭圆机进行旋转训练。(a)踏板在椭圆运动中锁定。 (b)踏板受一连串扭矩脉冲扰动来回旋转。要求受试者在椭圆步进的同时保持脚尖向前。 在这种抵抗扭力的椭圆步进过程中，受试者肌肉活动和控制能力得到增强。该图由上至下 显示踏板外旋力矩(胫骨内部旋转肌产生的扭矩是正向的)，滑动轮的位置(椭圆周期的测 量)，踏板旋转角度(外旋为正)，来自股直肌，股外侧肌，半腱肌，股二头肌，腓肠肌内侧和 腓肠肌外侧的肌电信号。
图12(a)旋转椭圆机上进行受控胫骨旋转训练的稳定性。训练之前和5次训练之 后的对比。图示数据来自同一个女性受试者。图中显示旋转的角度方差大幅减少，因而改 善了旋转稳定性。b)经过5次训练后，一个女性受试者改进了旋转椭圆机上前向运动中自 由旋转的不稳定性。后向运动中的旋转椭圆运动有相同的实验结果。(c)多名受试者在电 机的旋转扰动下，经过5次训练后观察到的旋转不稳定性。图13(a)女性受试者本体感受(5次训练受试前后)，以及男性受试者本体感受 (仅受试前)。(b)女性受试者反应时间对照(5次训练受试前后)，以及女性和男性本体两 者反应时间对照(受试前)。该受试者左腿承重(全部身体重量)站在旋转椭圆机上，右腿 弯曲且0负重。从左至右，这四个柱状图分别对应外转承重左腿反应时间、内转承重左腿反 应时间、外转0负重右腿反应时间以及内转0负重右腿反应时间。附图标记列表100提供旋转功能的电机110减速器120扭矩传感器130用于带动旋转运动的小滑轮140支撑梁150用于驱动旋转运动大滑轮160扭矩和旋转传动线缆200鞋固定板210鞋侧向固定块220 踏脚套230 鞋侧向固定扣300整个装置支撑板310后端直线轴承滑轨311前端直线轴承滑轨320支撑旋转装置的平板330旋转运动的限位块400提供滑动功能的电机410滑动运动的内侧限位保护411滑动运动的外侧限位保护420传递滑动力和运动的L字型连接板430 电机驱动的直线滑轨
440力传感器450小L字形的连接板500 伺服电机501 减速器510 滑动块520伺服电机驱动的直线滑轨530足外翻和内翻的装置600用于驱动旋转运动的线缆滑轮610 线缆滑轮620 线缆630 线缆滑轮640 线缆滑轮650测量运动周期的电位计700后部球形关节关节710 安装板720右侧线性驱动器730支撑球形关节关节740顶端球形关节关节750右侧线性驱动器1000流行的健身设备(椭圆机)1010所发明装置的安装位置1020电位器电缆1030测量椭圆机运动周期的电位器2010左侧的旋转和滑动装置2020右侧的旋转和滑动装置安装基座3010 旋转梁3020旋转运动的传动轮盘3030线缆滑轮3040线缆滑轮3050 线缆3060被动阻尼装置
具体实施例方式这项发明是关于离轴训练以及评估的发明，适于多种矢状面运动的器械。下面以实现旋转滑动组合机制的椭圆机应用简要举例。一种新型的旋转/滑动椭圆机取代椭圆机传统踏板的是一对定制的旋转-滑动装置(图1)。受试者两脚分别站 在每个旋转-滑动系统的转盘上。通过转盘，两脚可在胫骨旋转方向上自由旋转。受试者 的鞋通过趾扣和内外侧鞋扣被固定在转盘上(也可采用类似滑雪板的固定装置安在转盘上)，同时鞋可跟随转盘自由转动；另一方面要保证双脚在训练完毕又能方便的脱离器械(图IA和图1B)。每个转盘由电机通过线缆驱动装置控制(图1A)。在电机上的编码器和 扭矩传感器能分别测量旋转的角度和扭矩(图1)。旋转装置包括转盘和控制电机(图1)。该装置将安装在一对直线导轨上(两端 设有停止装置)，并由左右方向上线性电机(图IA和图1B)控制。左右运动导致膝关节外 翻/内翻扰动。脚的旋转和左右运动可单独控制以做旋转或内外翻训练，也可以同时控制 以做旋转和内外翻组合训练。离轴运动与矢面状运动可以结合产生与步进周期同步的3维 运动(图1C)。线性位置传感器是用来测量在倾斜轨道上滑轮的直线运动，从而确定椭圆运动周 期(图1C)。0%相当于在倾斜轨道上滑轮的最高位置，一个整周期对应一个步行周期(图 IC如果需要，肌电图可以用来评估下肢肌肉活动状态，以观察哪些肌肉是在什么样椭圆运 动方式和运动阶段被激活，以此研究胫骨旋转/外翻运动，椭圆方向运动(前向后向)，和滑 道的坡度对肌肉活动的影响(图1)。旋转/滑动控制训练可以采取两种电机控制模式1.在进行矢状面运动的同时，踏板受到导致胫骨旋转的扭矩扰动来回，或者同时 还有额状面左右的滑动力的扰动。受试者要抵抗脚/胫骨的旋转扭力，或者同时还要抵抗 左右的滑动力，以保持脚的位置和朝向。在训练过程中扰动可同时施加到两个踏板。随机 施加扰动或者施加高频扰动使受试者不能预期的扰动脉冲，并对此做出反应。胫骨旋转/ 左右扰动扭矩/位置幅度、方向、频率和波形可灵活调整。扰动可贯穿整个训练过程，也可 在需要时施加。2.踏板不受电机控制，可在机械结构上自由旋转和滑动。受试者要适时调整下肢 保持稳定性。这两种模式都用于改善胫骨旋转和/或外翻/内翻的神经肌肉控制。借助旋转_滑动椭圆机讲行离轴神经肌肉控制训练踏板位置数据的实时反馈用来更新用户显示界面上指示脚的显示位置。这样可以 帮助受试者合适的定位脚的位置(图2A)。网络摄像头用来捕获和实时显示下肢姿势，这有 助于受试者适当调整额状面的运动(图2B)。测量到的踏板的旋转和滑动与实际的受试者的旋转和滑动密切相关。然而，如果 要求更精确的胫骨旋转/内外翻的角度，需加上一个膝关节量角器来测量6-自由度的膝盖 运动(Zhang et al. , Gait & Posture, 2003)。在膝盖的肌肉中，腿筋和腓肠肌有最强烈的离轴方向的运动，以控制胫骨旋转和 内外翻转。因此，它们在旋转-滑动训练中是需要强化的。进一步来说，外侧腿筋和内侧腓 肠肌在胫骨外转过程中有很强烈的离轴方向的运动，所以如果训练前诊断出对胫骨外转的 控制需要增强，训练目标则是使这些肌肉增强。必要的话，可以观察这些肌肉电信号；另一 方面，加强内侧腿筋和外侧腓肠肌则是胫骨内转控制训练的目标。值得注意的是，为了控制 更加精确，可让训练加强激动剂肌和拮抗肌。因此，外侧腿筋和内侧腓肠肌，以及内侧腿筋 和外侧腓肠肌都需要训练强化，只是内外侧训练的方法不同(角度不同)。胫骨旋转/内外翻的离轴神经力学属性的训前诊断/评估，以及在外胫骨旋转/ 外翻过程中的前交叉韧带腔的凹壁和前交叉韧带撞击可能性可用于指导特定受试者的训练内容。如果训练需要强化某一个方向，伺服电机相应的控制则是在该方向产生更强的扰 动。例如，如果受试者胫骨向外旋转能力弱，如高度松弛/不稳定、肌肉无力、本体感受不敏 感和/或反应慢，那么旋转/滑动椭圆机上的训练则应强调在外胫骨旋转即在相应方向上 对踏板的扰动相应被设置得更强烈、更快速和更持久。总体来讲，在来回的运动中受试者会 在外胫骨和内胫骨旋转上都得到训练，这样可增强神经肌肉在胫骨旋转中的控制能力。同 时应注意把强化训练的重点应放到对方向的辨识上。类似的理论可以指导根据训前诊断而 确定的外翻/内翻训练。进一步来讲，训练可以关注在组合的离轴负荷上。例如，一名女受 试者被诊断为由于关节腔过窄以及过度的胫骨外旋而具有很高的前交叉韧带损伤的几率， 其训练重点则是外胫骨旋转和外翻的组合。旋转/滑动椭圆机将会被设置成在外胫骨旋转 和外翻方向组合上更强烈、训练时间更长的模式。总之，在椭圆运动中，踏板旋转/滑动被扰动的幅度从中度开始，逐渐增至受试 者承受范围内的更剧烈的扰动。该训练鼓励受试者在尽可能剧烈的扰动下进行胫骨旋转 /内外翻训练，而这种扰动可在预设在某范围内以保证训练适度并且安全。必要时可采用 肩_胸安全带加强受试者安全。作为另一种方案，胫骨旋转练习可以靠低成本的改装椭圆机来完成。这种椭圆机， 如图3A的例子，被动运行而没有电机控制。一条皮革线使滑轮的线性运动和转盘的旋转运 动耦合，当受试者进行椭圆运动的同时，踏板在胫骨旋转中来回旋转。旋转扭力的程度可以 通过调整线缆滑轮系统的张力来实现。受试者要抵抗这种旋转，而保持脚在椭圆运动中的 直向(图3A)。在另一种训练模式下，皮革线松弛，这样转盘可以自由旋转。受试者在这种 情况下需要保持椭圆运动下腿在胫骨旋转中的稳定(图3A)。电机不参与以上两种模式，即 耦合胫骨旋转和自由胫骨旋转的控制。
离轴训练可以用其他类似的器械来实现。譬如，一台具有同样机理(胫骨旋转配 合步进运动)的登梯机，通过一条皮革线实现步进运动与踏板/鞋的旋转耦合(图3B)。这 种装置可以也同样可用来训练胫骨旋转中的神经肌肉的控制。旋转和滑动扰动同时施加至踏板上对于受试者的训练而言极富挑战。由于在不同 功能运动中，外胫骨旋转可能与外翻耦合，单独训练胫骨旋转也可能帮助改善外翻的控制。 进一步讲，由于膝关节的外展相对困难(Zhang et al.，Med Sci Sports Exerc，2001)，旋 转脚和胫骨将更加实际有效。所以，对于简易的训练，旋转椭圆机可着重胫骨旋转训练(图 4A)。类似，如果训练/评估需要着重在额状面上，可单独采用中间侧面滑动的机制(图4B)。 换句话说，可以在滑动/旋转机制中锁定在其中单独某一项机制上。使用旋转/滑动设备进行的旋转(或是旋转/滑动)训练除了膝关节之外，还牵 扯到脚踝和臀部的训练。然而考虑到躯干和整个下肢在旋转运动中的损伤可能，更合适的 是对整个下肢整合训练，而不是单独训练膝关节。因此，由于多个关节的参与，旋转/滑动 训练对于下肢损伤预防和/或者恢复具有积极作用。总体来讲，离轴训练通过各种不同的矢状面训练器械进行。旋转/滑动装置2010， 如图6，配合一个受控胫骨旋转和中间侧面滑动(膝关节外翻/内翻)的登梯机，可进行矢 状面上的登梯运动。其他扰动和自由运动可类似地实现。例如，受控的前后向滑动机制可在一个矢状 面训练机上配合实现(图7)。踏板的滑动受线性电机的控制，在接受不同扰动模式和低阻力和摩擦力的自由滑动模式之间选择(图7)，并对矢状面上步进/跑步的可能出现的打滑 进行仿真，用以训练过程中打滑的预防。更进一步讲，X-Y滑动机制可以施加在更一般的在左右和前后向的矢状面步进/ 跑步的滑动控制中(图8)。二维滑动的打滑也可在矢状面上步进/跑步运动中仿真，用以 训练过程中打滑的预防。另外，旋转机制还可以与倾斜机制配合起来。在这两种机制下装置具有受控内翻 /外翻和/背屈/跖屈的功能(图9)。踏板脚跟部固定在球形关节700上，两个线性驱动 器720 (也固定在球形关节关节两端730和740)可以扰动踏板使其移动到内翻/外翻和/ 背屈/跖屈的目标位置。这种旋转倾斜机制可与各种矢状面训练器械相结合，如椭圆机或 楼梯登山机进行旋转/倾斜训练。踏板的旋转和倾斜通过线缆由一个旋转电机和一个线性 电机分别控制。各种不同的扰动可以灵活施加在旋转或倾斜运动方向上。另外，踏板控制 也可以选择低阻力和摩擦力的模式和自由旋转/倾斜模式。使用旋转/滑动椭圆机确定训练导向下神经力学的变化使用旋转/滑动椭圆机讲行神经力学诊断/评估以上描述的旋转/滑动椭圆机同样可以用于离轴风险的训前诊断和训后结果评 估。整个过程作为一个特定受试者的训练项目(图10)。受试者站在转盘上(图1)。可借 助各种下肢姿势进行诊断/评估。例如以下姿势首先，受试者一条腿承重站立，并且该腿 膝盖全伸展；对侧膝盖屈膝45度。依次测量两条腿的数据。屈膝的姿势有助于区别胫骨旋 转和股骨旋转，而靠膝关节伸展的腿测量整个下肢数据。接下来姿势与第一种姿势刚好相 反。测试的顺序是随机的，以提高对控制学习的效果。以下是在各姿势下进行的对胫骨旋 转不同的神经肌肉控制的各种测量1.关节柔韧度指标受试者按所选姿势站立在旋转椭圆机上，伺服电机对踏板 提供可控速度和角度的扰动，测量其导致的旋转和扭矩。关节转动柔韧度指标可以从扭 矩-角度之间的关系的斜率求出。普通姿势的外胫骨旋转和内胫骨旋转都可以(Chung e al. ，Arch PhysMed Rehab，2004)。2.能量损失指标对于关节粘弹性，能量损失指标由滞回曲线所包围的面积计算 得出(Chung e al.，Arch Phys Med Rehab，2004)。3.本体感受电机作用下，踏板将缓慢旋转(例如1度每秒)，受试者在感受到旋 转运动的瞬间要按下一个手持开关。本体感受评估受试者对脚和胫骨旋转的感知。随机扰 动在内转或外转方向加到左腿或右腿上。在按下开关的同时，受试者要指出踏板旋转作用 在哪支腿上。为了避免视觉提示，必要时可蒙上双眼进行。4.对突然的胫骨旋转扰动的反应时间从放松状态开始，受试者的腿会某在随机 时刻受控旋转，此刻受试者应作相应反应，抵抗这种胫骨旋转的扭矩。根据电机扰动发生和 抵抗扭力反馈的时间差测量出反应时间。在左腿和右腿的内转和外转两个方向上进行多次试验。5.稳定性(或不稳定性)胫骨旋转的稳定性由矢状面运动中踏板旋转的角度方
差测量出。6.肌肉力度旋转的肌肉力度可使用旋转椭圆机测出。转盘固定在脚的自然方 向，受试者依次在胫骨外转和胫骨内转的方向做最大主动肌肉收缩力。同一方向重复两三次最大主动肌肉收缩测量。类似利用旋转作评估，额状面神经力学属性可以用旋转_滑动椭圆机评估出。例 如，膝关节在额状面上的不稳定性可以由矢状面步进运动下脚左右滑动的方差得到。对于训前诊断，旋转/滑动椭圆机进行的测量可以用来判断离轴风险因子，从而 指导后续的特定受试者的离轴训练。类似地，训后结果评估可着眼于特定个体受试者相对 薄弱的下肢运动方向上。尽管旋转/滑动椭圆机进行的测量不仅仅局限于膝关节，但这种 闭链条件下对整个下肢参与的评估更符合实际的损伤情况。图1所示的旋转/滑动椭圆机同样可以用于评估训练结果。受试者站立在转盘上， 并且鞋固定在转盘上(如图1C)。评估可在多种姿势下进行。例如以下姿势首先，受试者 一只腿承重站立，并且该腿膝盖全伸展；对侧膝盖屈膝45度。在这两条腿上依次测量。屈 膝的姿势有助于区别胫骨旋转和股骨旋转，而靠膝盖伸展的腿测量整个下肢数据。接下来 姿势与第一种姿势刚好相反。测试的顺序是随机的，这样可以减小学习效应。以下是在各 姿势下进行的对胫骨旋转不同的神经肌肉控制的各种测量
1.关节柔韧度指标受试者按所选姿势站立在旋转椭圆机上，伺服电机对踏板 提供可控速度和角度的扰动，测量其导致的旋转和扭矩。关节转动柔韧度指标可以从扭 矩_角度之间的关系的斜率求出。2.能量损失指标对于关节粘弹性，能量损失指标由滞回曲线所包围的面积计算 得出。3.本体感受电机作用下，踏板将缓慢旋转(例如1度每秒)，受试者在感受到旋 转运动的瞬间要按下一个手持开关。本体感受评估受试者对脚和胫骨旋转的感知。随机扰 动在内转或外转方向加到左腿或右腿上。在按下开关的同时，受试者要指出踏板旋转作用 在哪支腿上。为了避免视觉提示，必要时可闭上双眼进行。4.对突然的胫骨旋转扰动的反应时间从放松状态开始，受试者的腿会某在随机 时刻受控旋转，此刻受试者应作相应反应，抵抗这种胫骨旋转的扭矩。根据电机扰动发生和 抵抗扭力反馈的时间差测量出反应时间。在左腿和右腿的内转和外转两个方向上进行多次试验。5.稳定性(或不稳定性)胫骨旋转的稳定性由矢状面运动中踏板旋转的角度方
差测量出。6.肌肉力度旋转的肌肉力度可使用旋转椭圆机测出。转盘固定在脚的自然方 向，受试者依次在胫骨外转和胫骨内转的方向做最大主动肌肉收缩。同一方向重复两三次 最大主动肌肉收缩测量。通过旋转椭圆机的离轴旋转训练得到的改善椭圆运动下，人体受试者容易习惯双脚的旋转扰动而进行自然的旋转椭圆运动。 而这些扰动可以增强目标下肢肌肉活动。腿筋和腓肠肌的活动在有扰的椭圆运动下大量加 强，如图11所示。在椭圆运动下，我们可以观察到感知运动的改善。通过5个30分钟的训练阶段， 受试者在胫骨旋转控制上显示了不稳定性降低的改善，如图12A。转盘自由旋转的情况下， 受试者在椭圆运动同时被要求保持脚部的稳定，包括脚尖朝向。旋转椭圆练习过程中旋转 角度的标准差用来指示旋转不稳性。由图12A所示，训练后旋转不稳定性大大降低。图12B显示出左右腿的不稳定性都得到改善。椭圆的前向运动和后向运动都有类似的结论。有趣的是，对右撇子而言，其右侧稳定性普遍比左侧高(所有参与试验的受试者都是右撇子)。 在电机控制踏板旋转的情况下，受试者的旋转不稳定性也有类似的改善，如图12C。同时该 图还显示出女性受试者不稳定性高于男性。这种稳定性的增强可能与胫骨旋转肌肉的加强 有关。这些肌肉都在若干训练阶段后得到加强。 胫骨旋转的本体感受在训练中也有改善，如图13A。除此之外，承重腿反应时间与 非承重腿相比也减短。这种训练导致的反应时间减短可由实验观测到(图13B)。
权利要求
所述旋转装置可以提供附加在沿胫骨旋转轴方向上的扰动运动，其特征在于，所述使用者下肢在进行矢状面内的主运动的同时，需要对抗所述在沿胫骨旋转轴方向上的副运动；所述复合运动可以改善使用者在所述下肢离轴转动方向上的神经肌肉控制能力。
2.根据权利要求1所述线缆传动结构，其特征在于，运动通过所述线缆将电机转动传 递到所述的旋转轴上。
3.根据权利要求1所述线缆传动结构，其包括一个固定在力矩传感器(120)上的小皮 带轮(130)和传动线缆(160)，该线缆另一端固定在一个大的皮带轮上(150)。
4.根据权利要求1，其包括一个固定在大的皮带轮(150)上面的鞋固定器(200)。
5.根据权利要求4，所述鞋固定器(200)包括一个可以锁紧不同尺寸鞋的踏脚套。
6.根据权利要求4，包括侧面夹子(230)，其特征在于，可以防止鞋从侧面划出。
7.所述训练方法，其特征在于，可以提供附加在沿胫骨旋转轴方向上的旋转扰动。
8.根据权利要求7，其特征在于，所述马达驱动器产生正弦力矩，并用于扰动运动。
9.所述训练方法，其特征在于，所述脚踏板可以自由旋转，激励使用者去改善他们在离 轴方向上神经肌肉的运动控制能力。
10.所述滑动机构，其特征在于，可以提供下肢在侧向滑动方向(额状面内)上的扰动 运动或是自由滑动运动；此训练方法可以给使用者更多挑战，并改善他们在离轴方向上神 经肌肉的运动控制能力。
11.根据权利要求10，其特征在于，所述马达驱动器产生正弦力矩，并用于扰动运动。
12.根据权利要求10，其特征在于，所述脚踏板可以自由滑动，激励使用者去改善他们 在离轴方向上神经肌肉的运动控制能力。
13.所述旋转机构，其特征在于，可以提供下肢外翻/内翻和背屈/跖屈扰动运动或自 由运动，或者至少两种运动之一。所述旋转机构，可以激励使用者去改善他们在离轴方向上 神经肌肉的运动控制能力。
14.根据权利要求13，所述电机执行器可以产生正弦力矩，并用于下肢外翻/内翻和背 屈/跖屈扰动运动。
15.根据权利要求13，其特征在于，所述脚踏板可以在外翻/内翻和背屈/跖屈方向上 自由转动，激励使用者去改善他们在离轴方向上神经肌肉的运动控制能力。
16.所述滑动机构，其特征在于，可以提供脚固定版在矢状面上的向前和向后的扰动运 动或自由运动。所述滑动机构，可以激励使用者去改善他们在离轴方向上神经肌肉的运动 控制能力。
17.根据权利要求16，其特征在于，所述马达驱动器产生正弦力矩，并用于扰动运动。
18.根据权利要求16，其特征在于，所述脚踏板可以自由滑动，激励使用者去改善他们 在前后滑动运动方向上的离轴运动的神经肌肉控制能力。
19.所述膝关节训练机构，其组成可以包括五种所述运动机构(旋转，侧向滑动，外翻/ 内翻，背屈/跖屈和前后滑动)中的至少其中一个，并被附加安装在其他椭圆训练机，楼梯 机(图6)或自行车训练机上，进行使用。
20.所述膝关节训练机构，其组成可以包括五种所述运动机构(旋转，侧向滑动，外翻 /内翻，背屈/跖屈和前后滑动)中的其中两个，并被附加安装在其他椭圆训练机，楼梯机 (图6)或自行车训练机上，进行使用。
21.所述膝关节训练机构，其组成可以包括五种所述运动机构(旋转，侧向滑动，外翻 /内翻，背屈/跖屈和前后滑动)中的其中三个，并被附加安装在其他椭圆训练机，楼梯机 (图6)或自行车训练机上，进行使用。
22.所述膝关节训练机构，其组成可以包括五种所述运动机构(旋转，侧向滑动，外翻 /内翻，背屈/跖屈和前后滑动)中的其中四个，并被附加安装在其他椭圆训练机，楼梯机 (图6)或自行车训练机上，进行使用。
23.所述膝关节训练机构，其组成可以包括全部五种所述运动机构(旋转，侧向滑动， 外翻/内翻，背屈/跖屈和前后滑动)，并被附加安装在其他椭圆训练机，楼梯机(图6)或 自行车训练机上，进行使用。
24.所述椭圆训练方法，进一步包括虚拟现实显示功能。
25.根据权利要求24，所述下肢的目标位置和鞋的位置被现显示在屏幕上，同时箭头 标识用来引导使用者，使其运动到所期望的下肢和脚的位置。
26.根据权利要求24，所述摄像头用于录制和现实下肢实时的姿势，该功能将引导使 用者在额状面调整下肢姿势，使其运动到正确的位置。
27.具有附加旋转功能的椭圆训练机可以不使用电机来驱动附加的旋转功能，而是通 过绳索来实现；在椭圆机运动过程中，绳索产生一个耦合同步的附加旋转运动。
28.根据权利要求27，其结构包括一个皮革绳索(620)。该绳索被固定在绳索固定器 上并安装在椭圆训练机上。该绳索直接通过滑轮组(610，630，640)，并紧紧的缠绕在大滑轮 (600)上；绳索的另一端被固定在椭圆训练机另一侧的绳索固定器上。
29.具有所述旋转功能的楼梯机可以不使用电机来驱动所述旋转功能，而是通过绳索 来实现；在楼梯机运动过程中，绳索产生一个耦合同步的所述旋转运动。
30.根据权利要求29，其结构包括一个皮革绳索(3050)。该绳索被固定在楼梯机的框 架上(3000)。该绳索直接通过滑轮组(3030，3040)，并紧紧的缠绕在大滑轮(3020)上；绳 索的另一端被固定在楼梯机的框架的另一侧上。
31.膝关节训练方案包括训练前的诊断，离轴训练和训练后的评估，三个部分。
32.根据权利要求31所述诊断方案，包括关节柔韧度测量，通过力矩除以位移得到。
33.根据权利要求31所述诊断方案，包括关节能量损失测量，通过位置-力(角度-力 矩)曲线的滞回曲线的面积得到。
34.根据权利要求31所述诊断方案，包括本体感受测量。电机以标准的慢速度驱动所 述脚固定板，使用者被要求当他们感觉到运动的时候就要按下按钮。所述的扰动运动会在 左侧和右侧，向内转动和向外转动方向上，随机生成。使用者被要求回答当他们按下按钮的 时候他们感受到哪一侧和哪一个方向的运动。使用者被同时要求闭上眼，其避免视觉线索。 本体感受通过记录运动开始时刻和使用者按下按钮时刻之间的转动角度(和滑动位移)， 来计算得出。
35.根据权利要求31所述诊断方案，包括反应时间测量。开始于一个放松的状态，使用 者的下肢被以一个可控的速度旋转。使用者被要求一旦感觉到移动，就作出阻止所述移动 的反应。测试将在左腿和右腿，以及向内转动和向外转动方向上执行。从运动开始到使用 者作出反应，之间的时间间隔被测量，作为所述反应时间。
36.根据权利要求31所述诊断方案，包括下肢关节的运动稳定性测量。该指标由在椭圆运动过程中，脚的旋转(脚的位移)程度决定。
37.根据权利要求31所述诊断方案，包括肌肉力量测量。机构被锁定在一个脚自然站 立的状态，使用者被要求产生一个最大的肌肉收缩力。此最大的肌肉收缩力在每个方向上 测量两次。
全文摘要
前交叉韧带是体育运动中，特别是旋转运动中最常受伤的膝关节韧带。尽管膝关节可自由弯曲/伸展，但在副轴(或称离轴)上的运动(如胫骨旋转，内翻/外翻)自由度有限，超负荷或超运动量的离轴运动容易导致前交叉韧带损伤。因此，配合矢状面的运动/练习，旋转/滑动机制既可用作离轴神经力学诊断工具和非接触式前交叉韧带损伤的因素进行评估，又可作为离轴训练的干预工具，在诊断的基础上通过训练来减少前交叉韧带损伤的发病率。另外，旋转/滑动机制还可用于评估训练结果。总之，旋转/滑动机制可配合多种矢状面运动器械，增强下肢离轴控制能力以及减小下肢损伤风险。
文档编号A63B23/04GK101827635SQ200880016971
公开日2010年9月8日 申请日期2008年3月24日 优先权日2007年3月22日
发明者任宇鹏, 张立群, 朴亨顺 申请人:雷哈博泰克有限责任公司