基于主被動(dòng)的腳踝康復(fù)系統(tǒng)

任媛媛，蒲文

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

0 引言

腦性癱瘓（cerebral palsy）是一種神經(jīng)肌肉疾病，是導(dǎo)致兒童神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)障礙的最常見(jiàn)原因。腦性癱瘓由多種亞型組成，最常見(jiàn)的類(lèi)型是痙攣型腦癱。它與早產(chǎn)密切相關(guān)，影響神經(jīng)功能、運(yùn)動(dòng)功能和智力。它還與營(yíng)養(yǎng)缺乏和胃腸功能障礙有關(guān)［1］。由于存活的早產(chǎn)兒數(shù)量增加，正常體重的足月兒發(fā)病率更高，總體生存時(shí)間更長(zhǎng)，患有慢性胰腺炎的兒童數(shù)量在增加。該疾病影響兒童的發(fā)育活動(dòng)和功能。腦性癱瘓的其他表現(xiàn)包括步態(tài)不佳、功能減退和生活質(zhì)量下降［2］。

康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域在過(guò)去的時(shí)間里有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在成人中，對(duì)中風(fēng)后偏癱患者的上肢機(jī)器人輔助治療的研究表明，與標(biāo)準(zhǔn)治療相比，在單獨(dú)控制、協(xié)調(diào)和力量方面都有顯著的進(jìn)步［3］。踝關(guān)節(jié)損傷與腦癱患兒（CP）的功能限制密切相關(guān)。被動(dòng)拉伸通常用于增加受損踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍（ROM）。改善電機(jī)控制也是物理治療的焦點(diǎn)［4］。

有特定功能的腳踝康復(fù)系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越多被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如西班牙馬德里學(xué)者設(shè)計(jì)了一款名為CPWalker的腳踝康復(fù)機(jī)，它由一個(gè)具有體重和自主運(yùn)動(dòng)支持的智能步行器和一個(gè)用于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)支持的外骨骼組成，同時(shí)，CPWalker提供了一些策略來(lái)改善行走時(shí)的姿勢(shì)控制［5］。后來(lái)，康復(fù)游戲也逐漸被引入腳踝康復(fù)系統(tǒng)。第一個(gè)為踝關(guān)節(jié)開(kāi)發(fā)的虛擬康復(fù)系統(tǒng)是羅格斯踝關(guān)節(jié)［6］，由一個(gè)小型6自由度（DOFs）斯圖爾特平臺(tái)型并聯(lián)氣動(dòng)機(jī)器人組成，結(jié)合了世界工具包［7］中編寫(xiě)的定制康復(fù)視頻游戲。這個(gè)早期的系統(tǒng)成功地被患有慢性卒中后肌肉骨骼缺陷的患者使用。為了更方便的進(jìn)行訓(xùn)練，凱文·克利里等人的研究小組已經(jīng)為腦癱兒童開(kāi)發(fā)了兩種版本的腳踝機(jī)器人。這兩個(gè)設(shè)備都提供三個(gè)自由度，并連接到一個(gè)飛機(jī)視頻游戲。孩子用他/她的腳作為飛機(jī)的控制器，并試圖通過(guò)一系列的環(huán)來(lái)操縱腳穿過(guò)踝關(guān)節(jié)［8］。

本文設(shè)計(jì)了一種新型便攜式、可穿戴的腳踝康復(fù)鞋，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單、易于穿戴等特點(diǎn)，旨在為患者提供多樣化的康復(fù)訓(xùn)練模式，能夠輔助患者在接近正常關(guān)節(jié)活動(dòng)度范圍內(nèi)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，降低患者的治療成本，為患者在家庭環(huán)境內(nèi)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 仿生機(jī)理

人體下肢由肌肉、骨骼與關(guān)節(jié)組成。由大腦運(yùn)動(dòng)元神經(jīng)發(fā)出電信號(hào)經(jīng)神經(jīng)傳導(dǎo)并刺激肌肉，肌肉帶動(dòng)關(guān)節(jié)和骨骼運(yùn)動(dòng)，從而完成人體行走活動(dòng)。本腳踝康復(fù)鞋設(shè)計(jì)模擬正常人行走過(guò)程，使得腳踝呈現(xiàn)跖屈和背屈狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 跖屈和背屈圖

為了減輕康復(fù)過(guò)程中康復(fù)鞋子的重量，采用氣動(dòng)人工肌肉代替人體踝足肌腱，矯形鞋材料主體是超高分子聚乙烯（UHMWPE），作為一款新型工程塑料，其具備質(zhì)量輕、抗靜電、吸能、隔熱、低密度、耐沖擊、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、抗低溫、耐老化等優(yōu)良性能。通過(guò)改變氣動(dòng)肌腱的安裝位置來(lái)適應(yīng)不同患者的小腿長(zhǎng)度。為了使得氣動(dòng)肌腱盡可能多的代替人體的小腿肌腱，采用圖2所示安裝方式，這一設(shè)計(jì)不僅減輕了矯形鞋的重量，而且上下都采用L型的固定裝置，防止了氣動(dòng)肌腱的彎曲，固定性更好。氣動(dòng)肌腱充氣放氣模擬人體跖屈和背屈活動(dòng)。

圖2 矯形鞋和氣動(dòng)肌腱安裝方式

1.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)選擇

目前用于外骨骼機(jī)器人動(dòng)力元件主要包括三種：液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)存在漏液、響應(yīng)速度慢。電機(jī)轉(zhuǎn)速快、輸出力矩小，需要配置減速器進(jìn)行控制。氣壓驅(qū)動(dòng)剛好彌補(bǔ)了前兩者的缺點(diǎn)，并且有利于腳踝康復(fù)裝置實(shí)現(xiàn)輕量化［9］。其中應(yīng)用最廣泛的是日本的MicKibben型氣動(dòng)人工肌肉和Festo公司生產(chǎn)的DMSP型氣動(dòng)肌肉［10］。

該設(shè)計(jì)采用DMSP型氣動(dòng)肌肉，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)肌腱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)肌腱的輸出力表達(dá)式為［11］：

表達(dá)式中θ為纖維編織網(wǎng)的編織角度;P為橡膠管內(nèi)部氣壓;D0為當(dāng)θ=90o時(shí)氣動(dòng)人工肌肉的直徑。氣動(dòng)人工肌肉輸出力會(huì)隨著其內(nèi)部氣壓的升高而增大，并與氣動(dòng)人工肌肉長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)線(xiàn)性相關(guān)。

1.3 矯形鞋控制方案

腳踝康復(fù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為人體感知、機(jī)械動(dòng)力、控制核心與通信方式4個(gè)部分，如圖4所示。

圖4 腳踝康復(fù)系統(tǒng)硬件部分

人體感知部分的作用是為步態(tài)分析提供數(shù)據(jù)，也為踝足矯形器的控制提供依據(jù)；控制核心的作用是控制人體感知部分采集三類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)和對(duì)機(jī)械動(dòng)力部分的控制；機(jī)械動(dòng)力的作用是輔助患者行走，改善其步態(tài)；通信方式的作用是通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備連接核心控制端與手機(jī)端。

1.2.1 控制核心

本文所用的控制核心是意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)型STM32F103xx系列微處理器產(chǎn)品，是第一款用ARMv7-M架構(gòu)體系的32位標(biāo)準(zhǔn)精簡(jiǎn)指令集（RISC）微處理器，代碼效率高效，該系列微控制器的工作頻率為72 MHz。

1.2.2 機(jī)械動(dòng)力

通過(guò)控制氣動(dòng)肌腱的伸縮，從而控制矯形鞋呈現(xiàn)跖屈和背屈狀態(tài)。氣源由氣泵產(chǎn)生，氣量的大小通過(guò)核心控制單元控制，并通過(guò)放大電路，最終輸出到比例閥控制器件，通過(guò)比例閥開(kāi)關(guān)控制氣量進(jìn)入排出氣動(dòng)肌腱，使得矯形鞋呈現(xiàn)跖屈和背屈的狀態(tài)。

1.2.3 人體感知部分

共采集脈搏、血氧和俯仰角三部分信息。采用HXDZ-30102-ACC脈搏波模塊，佩戴于患者指尖或者手腕處，康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中實(shí)時(shí)采集上傳手機(jī)端顯示，根據(jù)前期設(shè)定的閾值標(biāo)準(zhǔn)，該數(shù)據(jù)可以作為是否疲勞的判別標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)患者行進(jìn)過(guò)程中步態(tài)變化，控制矯形鞋模擬人的行走過(guò)程。

1.2.4 藍(lán)牙通信

利用該模塊將采集到的生理數(shù)據(jù)以及角度發(fā)送給手機(jī)端查看，并且通過(guò)藍(lán)牙端口，可以發(fā)送主動(dòng)或者被動(dòng)的指令控制腳踝進(jìn)行不同模式的選擇。

2 訓(xùn)練模式

2.1 被動(dòng)模式

被動(dòng)模式是康復(fù)訓(xùn)練的第一階段，主要針對(duì)不能下地行走的患者，但患者又需要踝足相關(guān)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行跖屈和背屈運(yùn)動(dòng)。該模式是下一階段康復(fù)訓(xùn)練的前期準(zhǔn)備階段，幫助患者增加肌肉運(yùn)動(dòng)記憶，頻率和幅度可調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)可增加受損踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。

被動(dòng)模式下，患者進(jìn)行坐姿訓(xùn)練。具體操作流程如圖5所示，接收到三位數(shù)的指令，其分別含義如下：第一位表示模式選擇（即被動(dòng)模式），第二位表示頻率檔位的選擇，設(shè)置有五位，當(dāng)頻率檔為1時(shí)，表示1秒鐘氣動(dòng)肌肉伸縮一次，當(dāng)頻率檔為2時(shí)，表示1.5秒鐘氣動(dòng)肌肉伸縮一次，當(dāng)頻率檔為3時(shí)，表示2秒鐘氣動(dòng)肌肉伸縮一次，當(dāng)頻率檔為4時(shí)，表示2.5秒鐘氣動(dòng)肌肉伸縮一次，當(dāng)頻率檔為5時(shí)，表示3秒鐘氣動(dòng)肌肉伸縮一次。第三位代表幅度檔，分別有三個(gè)幅度檔位，控制氣動(dòng)肌肉伸縮的幅度。獲取到上述指令后，根據(jù)指令輸出相應(yīng)的控制操作幫助患者進(jìn)行腳踝康復(fù)訓(xùn)練。在此期間，中斷只要接收到暫停信號(hào)則處于暫停模式，繼續(xù)則繼續(xù)當(dāng)前訓(xùn)練，中斷接收停止信號(hào)，則結(jié)束本次訓(xùn)練，各個(gè)外設(shè)停止工作。

圖5 被動(dòng)模式指令流程

2.2 主動(dòng)模式

主動(dòng)模式可作為康復(fù)訓(xùn)練的第二階段，主要針對(duì)患者可以下地行走，但是需要一定的機(jī)器輔助訓(xùn)練情況。訓(xùn)練期間，該矯形鞋可隨時(shí)根據(jù)患者的行走狀態(tài)調(diào)整到合適的跖屈和背屈，起到除固定之外的另一個(gè)重要作用。

主動(dòng)模式下，患者進(jìn)行行走訓(xùn)練。具體操作流程如圖6所示，當(dāng)中斷接收到小程序發(fā)回來(lái)的主動(dòng)模式的指令后，獲取當(dāng)前角度傳感器mpu6050數(shù)據(jù)，得到俯仰角（pitch角）數(shù)據(jù)，依據(jù)不同角度設(shè)定范圍，輸出對(duì)應(yīng)的壓力值控制氣泵輸出相應(yīng)的氣量，從而使得矯形鞋讓該病患在此狀態(tài)下輸出對(duì)應(yīng)的步態(tài)。每計(jì)算一次角度需要50 ms，計(jì)算時(shí)間相對(duì)較短，延時(shí)基本肉眼看不到。該狀態(tài)下矯形鞋依據(jù)，病患的步行狀態(tài)，實(shí)時(shí)做出調(diào)整。該狀態(tài)下有血氧心率以及角度的采集，并且實(shí)時(shí)上傳給手機(jī)。在該模式下，增加足底壓力的采集系統(tǒng)，每個(gè)足底都有八個(gè)傳感器，時(shí)時(shí)采集足底壓力的變化，壓力采集模塊采集后是阻值，通過(guò)柔性薄膜壓力傳感器數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊MY2901將組織轉(zhuǎn)換成壓力值，并且8路同時(shí)采集。

圖6 主動(dòng)模式指令流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

程序主要包括主動(dòng)、被動(dòng)模式的控制，心率血氧的采集，足底壓力數(shù)據(jù)的采集，俯仰角數(shù)據(jù)的采集。其中被動(dòng)模式的關(guān)鍵代碼如下：

while（1）

{

if（USART2_RX_STA&0X8000）//判斷是否接受到中斷

{

if（USART2_RX_BUF［0］==48）//指 令0是

暫停

{

Dac_Output_Control（1）; //控制輸出氣量為0

USART2_RX_STA=0;//清空標(biāo)志位

while（1）

{

if（USART2_RX_STA&0X8000）break;

u2_printf（"pause "）;

//發(fā)送暫停指示至手機(jī)端

delay_ms（300）;

}

}

else if（USART2_RX_BUF［0］==56）

//指令8代表繼續(xù)

{

USART2_RX_STA=0;

delay_ms（600）;

u2_printf（"go on "）;

//發(fā)送繼續(xù)指示至手機(jī)端

delay_ms（600）;

}

else

{

break;

}

}

Dac_Output_Control（range）;//根據(jù)手機(jī)端設(shè)置指令控制輸出氣量

delay_ms（frequency）; //控制氣動(dòng)肌肉伸縮頻率

HB_SPO2（50）;//采樣50次血氧這樣延時(shí)大概500 ms

t_hb_spo2_p++;//設(shè)置多長(zhǎng)時(shí)間上傳血氧脈搏數(shù)據(jù)

if（t_hb_spo2_p==15）{

//13s上傳送一次數(shù)據(jù)至手機(jī)端

u2_printf（"B%d ",n_heart_rate）;

//上傳心率數(shù)據(jù)至手機(jī)端

delay_ms（10）;

u2_printf（"S%d ",n_sp02）;//上傳血氧數(shù)據(jù)至手機(jī)端

t_hb_spo2_p=0;

}

}

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了基于主被動(dòng)結(jié)合的腳踝康復(fù)系統(tǒng)，并用單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)合心率、血氧采集器件實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的康復(fù)運(yùn)作。主被動(dòng)模式的設(shè)計(jì)，為患者不同康復(fù)需求提供了可能性，針對(duì)性能較強(qiáng)。生理數(shù)據(jù)的采集，為醫(yī)生查看患者康復(fù)訓(xùn)練提供了參考。