踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量裝置研究

段學(xué)習(xí)，王蘊(yùn)嶺，汪 琦

（1.滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北滄州 061000；2.秦皇島市骨科醫(yī)院，河北秦皇島 066000）

踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量裝置研究

段學(xué)習(xí)1，王蘊(yùn)嶺1，汪 琦2

（1.滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北滄州 061000；2.秦皇島市骨科醫(yī)院，河北秦皇島 066000）

針對(duì)踝關(guān)節(jié)康復(fù)要求，基于生物醫(yī)學(xué)知識(shí)和機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)提出串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈等效人體足仿生機(jī)構(gòu)模型。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種踝關(guān)節(jié)受力測(cè)量裝置，將患者在康復(fù)過(guò)程中的足底受力折算到踝關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，間接得到患者踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力值，可作為醫(yī)護(hù)人員指導(dǎo)患者控制康復(fù)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的參照數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明安裝踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量裝置的康復(fù)器械提高了踝關(guān)節(jié)的康復(fù)效果，有效縮短了康復(fù)周期，降低了二次損傷的幾率。

踝關(guān)節(jié)；康復(fù)；力；力矩

康復(fù)醫(yī)學(xué)研究表明，功能康復(fù)訓(xùn)練中適宜的骨應(yīng)力刺激可加速組織愈合并有利于恢復(fù)韌帶的本體感覺(jué)，加快患者康復(fù)速度，還可預(yù)防由于踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)而造成的反復(fù)扭傷［1－3］，因此運(yùn)動(dòng)康復(fù)系統(tǒng)CPM機(jī)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。但是由于踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力不易直接測(cè)量，CPM機(jī)不具備踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力在線測(cè)量能力［4－8］。臨床醫(yī)生只能憑借經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下肢負(fù)重骨骨折病人做康復(fù)訓(xùn)練，病人也僅能通過(guò)主觀感覺(jué)對(duì)踝關(guān)節(jié)康復(fù)強(qiáng)度進(jìn)行控制，這難以保證康復(fù)效果，甚至可能因康復(fù)過(guò)程中康復(fù)強(qiáng)度過(guò)高導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)二次損傷。

課題組結(jié)合生物醫(yī)學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)，提出以串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈等效人體足的仿生機(jī)構(gòu)模型，開(kāi)發(fā)出踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量裝置應(yīng)用于下肢康復(fù)器械，實(shí)現(xiàn)患者踝關(guān)節(jié)康復(fù)過(guò)程中受力的自主控制。

1 踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量原理

1.1 踝關(guān)節(jié)模型

人足是由骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶等組成的生理系統(tǒng)，其中骨骼承擔(dān)壓力，肌肉收縮產(chǎn)生動(dòng)力，肌腱與肌肉實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的固定與連接。足關(guān)節(jié)包括距骨小腿關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)，兩關(guān)節(jié)在機(jī)能上是聯(lián)合關(guān)節(jié)。足跖屈時(shí)，關(guān)節(jié)窩大于關(guān)節(jié)頭，能作輕度的旋轉(zhuǎn)和側(cè)方的運(yùn)動(dòng)。背屈時(shí)，關(guān)節(jié)穩(wěn)固，不能作內(nèi)收和外展運(yùn)動(dòng)。距下關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，跟骨和舟骨連同其余的足骨對(duì)距骨作內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)。足的內(nèi)、外翻常伴以足的背屈。結(jié)合機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)，可知足關(guān)節(jié)具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和1個(gè)方向的微量移動(dòng)。足關(guān)節(jié)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線間的距離和軸線間的夾角很難測(cè)量，由足關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況和現(xiàn)有測(cè)量以及仿真結(jié)果可知，各轉(zhuǎn)動(dòng)軸線間距離很小，故足關(guān)節(jié)在機(jī)構(gòu)學(xué)中可近似為S副［9－10］，根據(jù)螺旋理論以3R副等效S副，則該模型等效為PRRR開(kāi)鏈?zhǔn)酱?lián)分支。考慮到患者康復(fù)過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)垂直方向變形較小，進(jìn)一步把PRRR串聯(lián)分支簡(jiǎn)化為3R串聯(lián)分支［11］。建立肢體坐標(biāo)系如圖1所示。

1.2 運(yùn)動(dòng)模型靜力分析

人站立時(shí)，以足跟結(jié)節(jié)，第1與第5蹠骨頭3點(diǎn)著地。踝關(guān)節(jié)損傷患者術(shù)后康復(fù)過(guò)程中由于身體及心理因素而行動(dòng)遲緩，患足部承受部分負(fù)重，步態(tài)與正常步態(tài)不同，通常足部平面接觸地面，足部3個(gè)受力支撐點(diǎn)同時(shí)受力，其受力分布近似如圖2所示。

坐標(biāo)系OA－X1Y1Z1與踝關(guān)節(jié)固連，令踝關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)副的回轉(zhuǎn)軸線與Z1重合，考慮到患者康復(fù)過(guò)程中的行動(dòng)特點(diǎn)，令踝關(guān)節(jié)固定，踝關(guān)節(jié)與固定坐標(biāo)系固連。則腳部視為動(dòng)平臺(tái)，處于開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈的末端，動(dòng)坐標(biāo)系與其固連。采用D-H參數(shù)法描述腳部相對(duì)于踝關(guān)節(jié)的位姿。利用連桿坐標(biāo)系，可以定義連桿參數(shù)如下：

ai＝從Zi到Zi＋1沿Xi測(cè)量的距離；

αi＝從Zi到Zi＋1繞Xi旋轉(zhuǎn)的角度；

di＝從Xi－1到Xi沿Zi測(cè)量的距離；

θi＝從Xi－1到Xi繞Zi旋轉(zhuǎn)的角度。

建立踝關(guān)節(jié)以下肢體D-H參數(shù)表，如表1所示。

表1 肢體分支D-H參數(shù)表Tab.1 D-H parameters table of physical branch

圖1 肢體坐標(biāo)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of body coordinate system

圖2 足部受力分布Fig.2 Foot force distribution

齊次變換矩陣：

式（1）整理后可得到連桿變換矩陣的一般表達(dá)式：

據(jù)以上分析可得等效串聯(lián)分支各連桿變換矩陣如下：

由式（14）、式（15）分別代入式（12）和式（13）可以求得動(dòng)平臺(tái)所承受外力在固定坐標(biāo)系中的表達(dá)式：

通過(guò)角度傳感器獲取踝關(guān)節(jié)角度，通過(guò)力傳感器拾取動(dòng)平臺(tái)所受的支撐力，可以計(jì)算得到踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力和力矩。

2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量裝置硬件結(jié)構(gòu)

踝關(guān)節(jié)損傷患者處于康復(fù)期時(shí)，腳踝連同小腿以托架方式固定，故3R相對(duì)轉(zhuǎn)角近似為零。為保證患者患肢平衡，康復(fù)器械的托架底部固定安裝有4個(gè)力傳感器的測(cè)力板測(cè)量踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力［12］。帶有踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量裝置的康復(fù)器械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，托架用低溫?zé)崴懿牧现谱?，其大小形狀根?jù)患者腳踝參數(shù)量身定制，用于固定患者小腿和腳踝。力傳感器采用電阻應(yīng)變式傳感器，在足跟結(jié)節(jié)著地點(diǎn)下方對(duì)稱(chēng)安裝2個(gè)，第1蹠骨頭與第5蹠骨頭著地點(diǎn)各安裝一個(gè)?？刂齐娐废到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，康復(fù)力測(cè)量裝置通過(guò)無(wú)線模塊PTR2000與上位機(jī)通信。

圖3 踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械示意圖Fig.3 Schematic diagram of the ankle rehabilitation device

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of system hardware

器械使用時(shí)，用粘接帶將患足與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練器托架固定，康復(fù)受力測(cè)量裝置控制器用粘接帶粘接在托架小腿部位處，按醫(yī)護(hù)人員要求設(shè)定安全康復(fù)極限后進(jìn)行康復(fù)。康復(fù)過(guò)程中，患者根據(jù)康復(fù)受力測(cè)量裝置測(cè)量的康復(fù)受力值自主通過(guò)拐杖調(diào)節(jié)患足康復(fù)受力。踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量裝置微處理器選取美國(guó)TI公司16位單片機(jī)MSP430F4270IDL。該型號(hào)微處理器電壓低、功耗低，具有4個(gè)并行口，自帶16位A／D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)16位定時(shí)器，串行通信接口，內(nèi)置的硬件乘法器和溫度傳感器，滿足系統(tǒng)力信號(hào)采集處理和數(shù)據(jù)通信需求，適用于以鋰電池為電源的便攜式儀器儀表。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

人足底具有多個(gè)自由度，即使踝關(guān)節(jié)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，各力傳感器受力隨腳底形態(tài)變化而變化。1＃至4＃力傳感器拾取動(dòng)平臺(tái)所受的支撐力，代入式（16）和式（17）計(jì)算出踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力和力矩。某踝關(guān)節(jié)患者患肢負(fù)重50 kg強(qiáng)度康復(fù)過(guò)程中各力傳感器測(cè)量計(jì)算得到踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力、力矩如圖5—圖7所示。圖中1＃力為1＃力傳感器測(cè)量值，1＃力矩為由1＃力傳感器測(cè)量值計(jì)算得到的力矩分量，其他3個(gè)亦然。

圖5 踝關(guān)節(jié)Z向康復(fù)受力Fig.5 Z-ankle rehabilitation force

圖6 踝關(guān)節(jié)X向康復(fù)力矩Fig.6 X-ankle rehabilitation torque

由圖5可知在康復(fù)過(guò)程中康復(fù)負(fù)重不變時(shí)，Z向總康復(fù)受力基本保持恒定，可以作為腳踝Z向骨應(yīng)力的計(jì)算依據(jù)。由圖6可知X向總力矩大于某些力傳感器測(cè)量分力矩，如果以X向總力矩作為腳踝局部損傷部位康復(fù)依據(jù)會(huì)導(dǎo)致康復(fù)強(qiáng)度不足，影響患者愈合速度。由圖7可知以Y向的總力矩小于各個(gè)力傳感器測(cè)量分力矩，如果以Y向總力矩作為腳踝局部損傷部位康復(fù)依據(jù)會(huì)造成應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致二次損傷。

經(jīng)秦皇島骨科醫(yī)院40例資料完整、符合條件的老年骨折術(shù)后患者隨機(jī)分實(shí)驗(yàn)組（應(yīng)用帶壓力傳感器保護(hù)裝置的康復(fù)訓(xùn)練支具）和對(duì)照組各20例實(shí)驗(yàn)比對(duì)，實(shí)驗(yàn)組骨性愈合時(shí)間12～16周，平均13.7周，對(duì)照組骨性愈合時(shí)間14～20周，平均16.6周［13］。

圖7 踝關(guān)節(jié)Y向康復(fù)力矩Fig.7 Y-ankle rehabilitation torque

4 結(jié) 語(yǔ)

基于串聯(lián)運(yùn)動(dòng)鏈等效人足仿生機(jī)構(gòu)模型的踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了踝關(guān)節(jié)康復(fù)受力和力矩的間接測(cè)量，便于患者在醫(yī)生的指導(dǎo)下自主地控制康復(fù)強(qiáng)度。經(jīng)秦皇島市骨科醫(yī)院臨床試用表明該系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)器械能有效地幫助患者控制骨應(yīng)力，提高腳踝損傷患者康復(fù)效果，縮短康復(fù)時(shí)間，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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Study on ankle rehabilitation force measuring device

DUAN Xue-xi1，WANG Yun-ling1，WANG Qi2
（1.Department of Electric Engineering，Cangzhou Vocational Technical College，Cangzhou Hebei 061000，China；2.Qinhuangdao Orthopaedic Hospital，Qinghuangdao Hebei 066000，China）

According to the requirements for ankle rehabilitation，based on biomedical knowledge and institutional knowledge，the equivalent of open serial kinematic chain model of human foot bionic body is built.An ankle rehabilitation device is designed to get the force of ankle rehabilitation indirectly by static analysis of integrated model and change of the plantar force to ankle rehabilitation coordinate system.The rehabilitation equipment with ankle rehabilitation force measuring device can improve the effect of ankle rehabilitation and shorten the recovery time.

ankle；rehabilitation；force；torque

TP249

A

1008-1542（2011）05-0460-06

2011-06-01；

2011-09-02；責(zé)任編輯:馮 民

河北省科技基金資助項(xiàng)目（092764180D-4）

段學(xué)習(xí)（1974-），男，河北河間人，講師，碩士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用方面的研究。