基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，特別是指對慢性阻塞性肺病人呼吸困難度定量化，實 時監(jiān)控并基于該生物力學(xué)信息指導(dǎo)康復(fù)訓(xùn)練機器人輔助病人進行呼吸康復(fù)訓(xùn)練，提高患者 的訓(xùn)練依存性。
【背景技術(shù)】
[0002] 慢性阻塞性肺病（COPD)是全球第三大致死病因，它不僅對患者生理功能和生活 質(zhì)量造成了嚴重影響，而且增加了住院率和死亡率，給家庭和社會帶來巨大經(jīng)濟負擔(dān)。由于 近年來城市空氣質(zhì)量的普遍下降和生活習(xí)慣等因素的影響，我國40歲以上人群中，COPD的 發(fā)病率為8. 2%，居我國死因第二位，每年因此病致死的人數(shù)超過100萬人。COPD患者肺的 實質(zhì)性損傷、肺泡和小氣道彈性回縮能力的下降等因素使氣體滯留于肺內(nèi)，導(dǎo)致過度充氣 的發(fā)生，從而使患者易于發(fā)生呼吸困難；同時，由于呼吸肌肌力的下降，以及為代償性適應(yīng) 小氣道阻塞所致病理變化，患者易發(fā)生高中樞呼吸驅(qū)動狀態(tài)以維持有效通氣，而呼吸驅(qū)動 和呼吸困難感覺之間具有正相關(guān)性，即呼吸驅(qū)動的增強會使患者產(chǎn)生呼吸困難的感覺，它 是該病的主要癥狀。
[0003] 運動訓(xùn)練是COTO患者肺康復(fù)除藥物治療之外的唯一方法。運動訓(xùn)練方法主要是 通過減少呼吸過程中肌纖維血液中的乳酸生成量，并提高人體日常運動肌肉的協(xié)調(diào)性，因 此其可減少患者最大運動量時的通氣需求。最新臨床研宄表明，運動訓(xùn)練可使患者在進行 同等強度運動量時不至于出現(xiàn)呼吸驅(qū)動的增強，即盡量避免出現(xiàn)呼吸頻率的加快，從而使 通氣障礙得以緩解，有效減輕患者最大運動量時的呼吸困難。其次，運動訓(xùn)練可使肌肉組織 的結(jié)構(gòu)與功能、神經(jīng)系統(tǒng)對肌肉組織的調(diào)節(jié)功能及心血管功能得到改善，從而提高患者的 運動耐力，以減輕運動所致呼吸困難。此外，訓(xùn)練可使呼吸肌的肌力增強，而肌力的增強又 與呼吸驅(qū)動的下降相關(guān)聯(lián)，從而使患者的呼吸困難程度下降。
[0004] 盡管眾多研宄表明運動訓(xùn)練對于改善患者呼吸困難和肺功能發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但 是由于患者已存在通氣受限、高通氣需求和過度充氣等病理狀況，并且在訓(xùn)練初期這些狀 況更易發(fā)生，從而迫使患者拒絕參加訓(xùn)練。臨床研宄表明能堅持訓(xùn)練的Coro患者僅為1 %， 而訓(xùn)練的中斷會使訓(xùn)練所獲得的生理功能改善逐步回落至康復(fù)訓(xùn)練前的狀態(tài)。近年來漸進 式呼吸肌力訓(xùn)練和輔助式訓(xùn)練這一可穩(wěn)定運動訓(xùn)練依從性的方式越來越受到推崇。然而， 在實時采集人體呼吸動力學(xué)信息并反饋患者呼吸困難度的機器人輔助運動訓(xùn)練研宄中，少 見成功的臨床應(yīng)用實例，其主要原因可以歸納為：（i)無法實時反饋和定量化病人的呼吸 困難度，目前臨床對于患者呼吸困難評估主要是采用主觀感覺評價，缺乏精確模型通過非 侵入式測量數(shù)據(jù)的融合對coro患者的呼吸通暢程度的實時分析和計算方法，為康復(fù)輔助 機器人提供反饋，并且為病人和醫(yī)生提供定量化的康復(fù)評價參數(shù)；（2)需要解決運動康復(fù) 機器人與coro患者的友好交互問題，由于機器人和患者的運動空間高度交叉，機器人要對 患者不同肢體基礎(chǔ)肌力進行動態(tài)捕捉，從而給予不同肢體不同的輔助力量以協(xié)助患者完成 肢體運動，所以缺少實時而且精確的人體內(nèi)力信息，包括關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)力、關(guān)節(jié)能量和肌 肉張力等，將是影響機器人在肺康復(fù)臨床應(yīng)用的障礙。（3)臨床上缺少穩(wěn)定患者運動訓(xùn)練依 從性的定量化運動訓(xùn)練處方，如果能夠?qū)崿F(xiàn)慢性阻塞性肺疾病患者個體的全身肌肉運動耐 力和呼吸困難度等參數(shù)與康復(fù)機器人訓(xùn)練程序設(shè)計融合，將有助于穩(wěn)定患者運動訓(xùn)練依從 性，并為醫(yī)護人員制定患者漸進式肺康復(fù)訓(xùn)練方案提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于呼吸困難度反饋的機器人 肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種基于呼吸困難度反饋的機器人 肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括可穿戴式呼吸傳感監(jiān)測系統(tǒng)和肺康復(fù)訓(xùn)練機器人，所述可穿戴式呼 吸傳感監(jiān)測系統(tǒng)包含若干可穿戴式慣性傳感器、若干表面肌電傳感器、若干觸覺傳感器和 電子鼻，在患者的各個呼吸肌及關(guān)節(jié)部位監(jiān)測患者的呼吸信息；所述電子鼻安裝在患者口 鼻腔附近，測量患者的呼氣量大小和氣體流速信號；所述可穿戴式慣性傳感器通過彈性橡 膠粘附在患者運動關(guān)節(jié)；所述表面肌電傳感器和觸覺傳感器通過彈性橡膠粘附在患者的呼 吸肌表面。
[0007] 所述肺康復(fù)訓(xùn)練機器人包括中央處理器、PLC、伺服驅(qū)動器、第一伺服電機、軸承 座、螺桿、X型支撐桿、腋下支撐板、平板、齒輪齒條結(jié)構(gòu)、抓手、第二伺服電機、豎直滑軌、X 型固定架、基座、U形螺母和支撐臺；其中，所述基座固定在病床或座椅上，基座的前端固定 兩個軸承座；一根兩端具有相反旋向螺紋的螺桿固定在兩個軸承座中，可以做旋轉(zhuǎn)運動，水 平方向固定；所述U形螺母的下端開有與螺桿的螺紋相配合的螺孔，兩個U形螺母分別安裝 在螺桿的兩端螺紋上；U形螺母的兩個側(cè)面均開有通孔，所述兩側(cè)通孔的中心軸與下端螺 孔的中心軸垂直；所述X型支撐桿的中心具有可轉(zhuǎn)動的銷軸，兩個底端均開有通孔，兩個底 端分別置于兩個U形螺母的U形槽中，通過銷軸穿過通孔將X型支撐桿與U形螺母連接；螺 桿一端通過聯(lián)軸器安裝第一伺服電機，第一伺服電機作為扭矩輸入端；當(dāng)螺桿在第一伺服 電機帶動下旋轉(zhuǎn)運動時，帶動兩個U型螺母做相向或相反運動，同時帶動X型支撐桿的兩個 底端做相向或相反運動，從而實現(xiàn)整個機構(gòu)在垂直方向上的上下往復(fù)運動；所述支撐臺的 中部下端開有兩個平行的兩面槽口，X型支撐桿兩個上端分別插入兩面槽口與之滑動配合， 兩個腋下支撐板分別安裝在支撐臺伸出的手臂上，從而使得腋下支撐板能在訓(xùn)練過程中支 撐患者胸腔重量；支撐臺后側(cè)楔入一塊平板，平板上用兩個軸承座固定一個齒輪，齒輪下方 配合安裝一段齒條，齒條可以隨著齒輪的轉(zhuǎn)動而前后移動，從而形成齒輪齒條結(jié)構(gòu)；所述兩 個抓手均與齒條的末端相連，能和齒條一同前后運動；所述第二伺服電機和齒輪用聯(lián)軸器 相連；支撐臺尾部兩端分別伸出兩個燕尾型凸起與所述豎直滑軌的燕尾槽滑動配合；所述 X型固定架與所述豎直滑軌焊接，起到加強系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用；所述豎直滑軌底部用螺釘 固定在基座上；所述第一伺服電機和第二伺服電機均與伺服驅(qū)動器相連，所述伺服驅(qū)動器 與PLC相連，通過PLC控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速；所述PLC、可穿戴式慣性傳感器、表面肌電傳 感器、觸覺傳感器和電子鼻均與中央處理器相連。
[0008] 用戶主要針對的是患有慢性阻塞性肺病的患者，也可以適用于其它呼吸功能障礙 患者。將傳感器測得患者的呼吸困難信息，包括胸腔、肌肉的運動狀況，呼吸肌的肌肉電信 號，胸腔壓力信號，呼氣量的大小以及氣體流速信號由外設(shè)接口傳輸至機器人的中央處理 器，中央處理器對患者呼吸信號進行量化處理，得到量化的患者呼吸困難度信號，將呼吸困 難度類比于電機工作時的負載，利用阻抗反饋的控制算法，控制電機的轉(zhuǎn)速和運轉(zhuǎn)方向，實 現(xiàn)呼吸困難度的反饋控制。
[0009] 所述的阻抗反饋控制方法是利用患者呼吸困難度等效為電機的負載阻抗，由負載 的大小變化對電機的輸出力矩進行控制，假設(shè)Te、Tm、Tn分別為伺服驅(qū)動電機的電磁轉(zhuǎn)矩、患 者呼吸困難度等效的負載轉(zhuǎn)矩和抬升機器人和患者所需的力矩，J、B分別為伺服驅(qū)動電機 的轉(zhuǎn)動慣量和粘性摩擦系數(shù)，w為電機角速度，則：
[0011] 以患者呼吸困難度等效力矩、患者運動和機器人運動所需力矩之和Tm+Tn作為輸 入量，控制電機的輸出力矩Te，G(s)為對系統(tǒng)摩擦損耗的補償系數(shù)，H (s)為病人訓(xùn)練時自身需 求的設(shè)置參數(shù)，K(s)為呼吸困難度等效負載的反饋系數(shù)，則閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ (s)為：
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：目前康復(fù)訓(xùn)練機器人發(fā)明大多是對癱瘓患者進行上下肢 體、腦部、身體關(guān)節(jié)等康復(fù)訓(xùn)練，尚未出現(xiàn)針對于coro患者的肺康復(fù)訓(xùn)練的呼吸康復(fù)訓(xùn)練 機器人。本發(fā)明的另外一個創(chuàng)新之處在于，利用穿戴式傳感系統(tǒng)，對慢性肺阻塞性患者的呼 吸困難度進行量化測定，利用此量化測定結(jié)果指導(dǎo)機器人進行康復(fù)訓(xùn)練動作，實現(xiàn)患者呼 吸困難度反饋的肺康復(fù)訓(xùn)練要求，大大提高患者對康復(fù)訓(xùn)練的依存性，提高呼吸康復(fù)訓(xùn)練 的效果。解決了現(xiàn)有的coro患者肺康復(fù)訓(xùn)練處方中無法實時反饋和定量化病人的呼吸困 難度，以及運動康復(fù)機器人和coro患者友好交互，從而增大患者肺康復(fù)運動訓(xùn)練依從性的 問題。
【附圖說明】
[0015] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可 以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0016] 圖1為機器人肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0017] 圖2為可穿戴式呼吸傳感檢測系統(tǒng)示意圖；
[0018] 圖3為肺康復(fù)訓(xùn)練機器人機構(gòu)圖；
[0019] 圖4為電機負載控制方塊圖；
[0020] 圖中，第一伺服電機1、軸承座2、螺桿3、X型支撐桿4、腋下支撐板5、平板6、齒輪 齒條結(jié)構(gòu)7、抓手8、第二伺服電機9、豎直滑軌10、X型固定架11、基座12、U形螺母13、支 撐臺14、可穿戴式慣性傳感器15、表面肌電傳感器16、觸覺傳感器17、彈性橡膠18。
【具體實施方式】
[0021] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明一種基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括可 穿戴式呼吸傳感監(jiān)測系統(tǒng)和肺康復(fù)訓(xùn)練機器人。如圖2所示，所述可穿戴式呼吸傳感監(jiān)測 系統(tǒng)包含若干可穿戴式慣性傳感器15、若干表面肌電傳感器16、若干觸覺傳感器17和電子 鼻；所述電子鼻安裝在患者口鼻腔附近，測量患者