基于主被動的腳踝康復系統(tǒng)

任媛媛，蒲文

（四川大學電子信息學院，成都 610065）

0 引言

腦性癱瘓（cerebral palsy）是一種神經(jīng)肌肉疾病，是導致兒童神經(jīng)和運動障礙的最常見原因。腦性癱瘓由多種亞型組成，最常見的類型是痙攣型腦癱。它與早產(chǎn)密切相關，影響神經(jīng)功能、運動功能和智力。它還與營養(yǎng)缺乏和胃腸功能障礙有關［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，總體生存時間更長，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、功能減退和生活質量下降［2］。

康復機器人領域在過去的時間里有了長足的發(fā)展。在成人中，對中風后偏癱患者的上肢機器人輔助治療的研究表明，與標準治療相比，在單獨控制、協(xié)調和力量方面都有顯著的進步［3］。踝關節(jié)損傷與腦癱患兒（CP）的功能限制密切相關。被動拉伸通常用于增加受損踝關節(jié)的運動范圍（ROM）。改善電機控制也是物理治療的焦點［4］。

有特定功能的腳踝康復系統(tǒng)已經(jīng)越來越多被開發(fā)出來，如西班牙馬德里學者設計了一款名為CPWalker的腳踝康復機，它由一個具有體重和自主運動支持的智能步行器和一個用于關節(jié)運動支持的外骨骼組成，同時，CPWalker提供了一些策略來改善行走時的姿勢控制［5］。后來，康復游戲也逐漸被引入腳踝康復系統(tǒng)。第一個為踝關節(jié)開發(fā)的虛擬康復系統(tǒng)是羅格斯踝關節(jié)［6］，由一個小型6自由度（DOFs）斯圖爾特平臺型并聯(lián)氣動機器人組成，結合了世界工具包［7］中編寫的定制康復視頻游戲。這個早期的系統(tǒng)成功地被患有慢性卒中后肌肉骨骼缺陷的患者使用。為了更方便的進行訓練，凱文·克利里等人的研究小組已經(jīng)為腦癱兒童開發(fā)了兩種版本的腳踝機器人。這兩個設備都提供三個自由度，并連接到一個飛機視頻游戲。孩子用他/她的腳作為飛機的控制器，并試圖通過一系列的環(huán)來操縱腳穿過踝關節(jié)［8］。

本文設計了一種新型便攜式、可穿戴的腳踝康復鞋，具有質量輕、結構簡潔、操作簡單、易于穿戴等特點，旨在為患者提供多樣化的康復訓練模式，能夠輔助患者在接近正常關節(jié)活動度范圍內(nèi)進行康復訓練，降低患者的治療成本，為患者在家庭環(huán)境內(nèi)進行康復訓練創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)設計

1.1 仿生機理

人體下肢由肌肉、骨骼與關節(jié)組成。由大腦運動元神經(jīng)發(fā)出電信號經(jīng)神經(jīng)傳導并刺激肌肉，肌肉帶動關節(jié)和骨骼運動，從而完成人體行走活動。本腳踝康復鞋設計模擬正常人行走過程，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

為了減輕康復過程中康復鞋子的重量，采用氣動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，其具備質量輕、抗靜電、吸能、隔熱、低密度、耐沖擊、耐磨損、耐化學腐蝕、抗低溫、耐老化等優(yōu)良性能。通過改變氣動肌腱的安裝位置來適應不同患者的小腿長度。為了使得氣動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，這一設計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，防止了氣動肌腱的彎曲，固定性更好。氣動肌腱充氣放氣模擬人體跖屈和背屈活動。

圖2 矯形鞋和氣動肌腱安裝方式

1.2 驅動結構選擇

目前用于外骨骼機器人動力元件主要包括三種：液壓驅動、電機驅動、氣動驅動。液壓驅動存在漏液、響應速度慢。電機轉速快、輸出力矩小，需要配置減速器進行控制。氣壓驅動剛好彌補了前兩者的缺點，并且有利于腳踝康復裝置實現(xiàn)輕量化［9］。其中應用最廣泛的是日本的MicKibben型氣動人工肌肉和Festo公司生產(chǎn)的DMSP型氣動肌肉［10］。

該設計采用DMSP型氣動肌肉，其內(nèi)部結構如圖3所示。

圖3 氣動肌腱內(nèi)部結構

氣動肌腱的輸出力表達式為［11］：

表達式中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θ=90o時氣動人工肌肉的直徑。氣動人工肌肉輸出力會隨著其內(nèi)部氣壓的升高而增大，并與氣動人工肌肉長度在一定范圍內(nèi)線性相關。

1.3 矯形鞋控制方案

腳踝康復系統(tǒng)硬件設計分為人體感知、機械動力、控制核心與通信方式4個部分，如圖4所示。

圖4 腳踝康復系統(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傳感器數(shù)據(jù)和對機械動力部分的控制；機械動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藍牙設備連接核心控制端與手機端。

1.2.1 控制核心

本文所用的控制核心是意法半導體公司開發(fā)的增強型STM32F103xx系列微處理器產(chǎn)品，是第一款用ARMv7-M架構體系的32位標準精簡指令集（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 機械動力

通過控制氣動肌腱的伸縮，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，氣量的大小通過核心控制單元控制，并通過放大電路，最終輸出到比例閥控制器件，通過比例閥開關控制氣量進入排出氣動肌腱，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，康復訓練過程中實時采集上傳手機端顯示，根據(jù)前期設定的閾值標準，該數(shù)據(jù)可以作為是否疲勞的判別標準之一。根據(jù)患者行進過程中步態(tài)變化，控制矯形鞋模擬人的行走過程。

1.2.4 藍牙通信

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

2 訓練模式

2.1 被動模式

被動模式是康復訓練的第一階段，主要針對不能下地行走的患者，但患者又需要踝足相關運動來進行跖屈和背屈運動。該模式是下一階段康復訓練的前期準備階段，幫助患者增加肌肉運動記憶，頻率和幅度可調節(jié)的設計可增加受損踝關節(jié)的運動范圍。

被動模式下，患者進行坐姿訓練。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（即被動模式），第二位表示頻率檔位的選擇，設置有五位，當頻率檔為1時，表示1秒鐘氣動肌肉伸縮一次，當頻率檔為2時，表示1.5秒鐘氣動肌肉伸縮一次，當頻率檔為3時，表示2秒鐘氣動肌肉伸縮一次，當頻率檔為4時，表示2.5秒鐘氣動肌肉伸縮一次，當頻率檔為5時，表示3秒鐘氣動肌肉伸縮一次。第三位代表幅度檔，分別有三個幅度檔位，控制氣動肌肉伸縮的幅度。獲取到上述指令后，根據(jù)指令輸出相應的控制操作幫助患者進行腳踝康復訓練。在此期間，中斷只要接收到暫停信號則處于暫停模式，繼續(xù)則繼續(xù)當前訓練，中斷接收停止信號，則結束本次訓練，各個外設停止工作。

圖5 被動模式指令流程

2.2 主動模式

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

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

圖6 主動模式指令流程圖

3 軟件設計

程序主要包括主動、被動模式的控制，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。其中被動模式的關鍵代碼如下：

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;//清空標志位

while（1）

{

if（USART2_RX_STA&0X8000）break;

u2_printf（"pause "）;

//發(fā)送暫停指示至手機端

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)指示至手機端

delay_ms（600）;

}

else

{

break;

}

}

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

delay_ms（frequency）; //控制氣動肌肉伸縮頻率

HB_SPO2（50）;//采樣50次血氧這樣延時大概500 ms

t_hb_spo2_p++;//設置多長時間上傳血氧脈搏數(shù)據(jù)

if（t_hb_spo2_p==15）{

//13s上傳送一次數(shù)據(jù)至手機端

u2_printf（"B%d ",n_heart_rate）;

//上傳心率數(shù)據(jù)至手機端

delay_ms（10）;

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

t_hb_spo2_p=0;

}

}

4 結語

本文給出了基于主被動結合的腳踝康復系統(tǒng)，并用單片機最小系統(tǒng)結合心率、血氧采集器件實現(xiàn)了該系統(tǒng)的康復運作。主被動模式的設計，為患者不同康復需求提供了可能性，針對性能較強。生理數(shù)據(jù)的采集，為醫(yī)生查看患者康復訓練提供了參考。