平衡功能障碍智能化评定 训练治疗系统的结构设计与分析

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 2.66MB 76 页 15积分
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摘 要
具有平衡功能障碍的患者最有效的治疗手段是借助仪器做反复的平衡功能锻
炼，以改善患者的肢体功能，提高人体的平衡能力。然而目前大多数康复训练设
备功能单一，仅适合于主动性训练，要求病人有较强的动作协调能力，对于重症
肢体活动能力差的患者，则无法进行多功能训练和测试。同时，由于脑卒中等具
有平衡功能障碍的患者常伴有高血压、心脏病等疾病，需对患者在身体重量减负
的情况下进行训练。因此，设计一台减重状态下集主动和被动训练方式、静态平
衡功能评定于一体的多功能康复评定训练设备具有重要的实际意义。
本文的主要工作是针对具有平衡功能障碍的人群，设计智能化评定/训练治疗
系统的主体机械结构，并利用有限元分析软件对其进行静强度分析，随后进行临
床试验以验证结构设计的合理性和有效性。具体工作包括：
1、研究了人体下肢基本生理结构和基本尺寸，重点分析了下肢各个关节的结
构及运动状况，总结了目前临床上针对平衡功能障碍患者的康复治疗方法，为康
复评定训练设备的结构设计奠定了基础。
2、确定了本项目机械结构设计的总体目标，主要包括：（1）实现多角度（0°～
90°）背部支撑减重功能；（2）实现下肢被动同步、交替的屈伸；（3）实现针对不
同身高患者的手动操作控制台的调节；（4）实现背板滑动功能。
3、基于三维设计软件 Solidworks，建立了实现上述各项功能的三维模型，确
立了在设计阶段设备的雏形。
4、基于有限元分析平台 ANSYS Workbench，对所设计的三维模型进行了不同
角度工况下的静力分析，得到了装置应力应变集中的区域和具体的数据，验证了
结构设计的安全性且具有进一步的优化空间。
5、在上述研究的基础上，开发了一套针对具有平衡功能障碍人群的智能化评
定/训练治疗系统的样机。通过在试点医院进行的初步临床试验，验证了机械结构
的安全有效性和整体设计的合理性，并为将来进一步的结构优化和功能完善提供
了参考依据。
关键词：平衡功能障碍 下肢 康复训练 结构设计 有限元分析 临
床试验
ABSTRACT
The most effective treatment approach for the balance function disability is to
practice the training of balance repeatedly by virtue of device, which can improve the
extremity function and body balance ability. However, at present most of the
rehabilitation training devices have limitations in their functions and available range.
On the other hand, patients are required to have a good ability of motion coordination
since these devices are basically used for active training. It is impossible for patients
with a severe case and a poor ability of motion to practice multi-function training and
testing via these devices. Furthermore, the patients with balance function disability need
to be trained under the condition of body weight-relieving since they also undergo some
complications such as hypertension and heart disease. Therefore, it’s very important to
design a rehabilitation system which is assembled with the functions of training being
active or passive and assessment on static balance under the condition of body
weight-relieving.
The main research work done in this dissertation are, for the patients with
balance function disability, design the mechanic structure of intelligent system for
rehabilitation assessment/ training and treatment. Then, static strength analysis is
performed with finite element analysis software. Lastly, the reasonability and
validity of the structure design are verified by clinical test. The details as follows.
1. The physical structure and dimension parameters of the lower limb are
researched. The structure and movement mechanism of each joints of lower limb are
analyzed. The rehabilitation training methods for the balance function disability used
in the clinic are summarized. All of the above laid the foundation for the structure
design of the rehabilitation assessment/ training system.
2. The overall objective of the mechanical structure design is ascertained, including:
(1) different inclined angles (from 0o to 90o) for weight-relieving; (2) the passive
training of bilateral simultaneous or alternative flexion and extension movement in
lower limbs; (3) the regulation of manual operation console for the patients with
different heights; (4) the slide function of the backboard.
3. The 3D model with all the above functions is established based on the 3D design
software Solidworks.
4. The static strength analysis of 3D model under the different angle conditions is
performed based on the finite element software ANSYS Workbench. The stress
concentration areas and values are obtained, which verify the safety of structure design
and indicate that the further optimization need to be carry out in the furture.
5. Based on the above researches, a model machine with intelligent assessment/
training and treatment system for the patients with balance function disability is
developed. By the preliminary clinical tests performed in the hospital, the safety,
validity and reasonability of mechanical structure design have been verified, and
the important reference for the further structure optimization and function
improvement in the future are provided.
Key Word: Balance function disability, Lower limb,
Rehabilitation training, Structure design, Finite element analysis,
Clinical test
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ......................................................... 1
§1.1 引言 ........................................................ 1
§1.2 国内外发展与研究现状 ........................................ 1
§1.2.1 国外研究现状 ............................................ 1
§1.2.2 国内研究现状 ............................................ 6
§1.3 课题来源及主要工作 .......................................... 7
§1.3.1 课题来源与研究意义 ...................................... 7
§1.3.2 本文的主要研究工作 ...................................... 9
§1.4 本章小结 ................................................... 10
第二章 平衡功能障碍患者下肢运动及康复研究 .......................... 11
§2.1 引言 ....................................................... 11
§2.2 平衡功能障碍评定 ........................................... 11
§2.2.1 人体平衡的概述 ......................................... 11
§2.2.2 平衡的分类 ............................................. 11
§2.2.3 平衡功能评定方法 ....................................... 12
§2.3 下肢生理结构及运动机理的研究 ............................... 13
§2.3.1 下肢解剖学 ............................................. 13
§2.3.2 平衡功能障碍患者下肢肌肉骨骼运动原理 ................... 19
§2.4 下肢主要尺寸与自由度 ....................................... 22
§2.4.1 人体测量基本数据 ....................................... 22
§2.4.2 人体下肢各关节的运动自由度 ............................. 23
§2.5 平衡功能障碍患者的康复治疗方法 ............................. 25
§2.5.1 脑卒中患者的康复治疗方法 ............................... 25
§2.5.2 脊髓损伤患者的康复治疗方法 ............................. 26
§2.5.3 颅脑外伤患者的康复治疗方法 ............................. 26
§2.5.4 脑瘫患者的康复治疗方法 ................................. 26
§2.6 本章小结 ................................................... 26
第三章 平衡功能障碍评定/训练系统机械结构设计 ....................... 28
§3.1 引言 ....................................................... 28
§3.2 整体设计模型 ............................................... 28
§3.2.1 多角度背部支持减重结构 ................................. 31
§3.2.2 下肢被动屈伸结构 ....................................... 36
§3.2.3 手动控制台结构 ......................................... 39
§3.2.4 背板滑动结构 ........................................... 42
§3.3 本章小结 ................................................... 43
第四章 系统结构的静力有限元分析 .................................... 44
§4.1 简介 ....................................................... 44
§4.1.1 有限元分析方法 ......................................... 44
§4.1.2 ANSYS Workbench 12.0 软件介绍 ......................... 45
§4.2 有限元模型的建立 ........................................... 47
§4.3 载荷与边界条件 ............................................. 48
§4.4 结果分析 ................................................... 50
§4.6 本章小结 ................................................... 54
第五章 初步临床试验研究 ............................................ 55
§5.1 简介 ....................................................... 55
§5.2 临床试验方法 ............................................... 57
§5.2.1 病例选择标准 ........................................... 57
§5.2.2 试验方法 ............................................... 57
§5.3 临床评价标准 ............................................... 62
§5.4 临床试验结果与分析 ......................................... 63
§5.5 适应症、适用范围、禁忌症和注意事项 ......................... 65
§5.6 本章小结 ................................................... 66
第六章 总结与展望 .................................................. 67
§6.1 主要工作总结 ............................................... 67
§6.2 展望 ....................................................... 68
参考文献 ........................................................... 69　
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
平衡功能障碍是脑卒中患者最常出现的功能问题之一，严重影响患者的步行
能力、日常生活活动能力和生存质量。保持人体平衡[1]需要感觉输入(包括本体觉、
视觉、前庭觉)、中枢整合、运动控制的参与。对于具有平衡功能障碍的患者使用
智能化的评定与训练治疗系统是当今康复训练领域的前沿方向。本文涉及的平衡
功能障碍训练评定设备属于康复机器人的范畴，康复机器人[2]作为医疗机器人的一
个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、
材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一
个研究热点。康复机器人通过引入先进的机器人技术，实现了康复医学与机器人
技术的完美结合。目前，康复机器人[3]已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治
疗等方面，促进了康复医学以及相关领域的新技术和新理论的发展。
§1.2 国内外发展与研究现状
§1.2.1 国外研究现状
国外医疗卫生事业较为发达，医疗器械产业已经形成相当规模，特别在高端
医疗器械方面具有绝对的优势。目前国际高新技术医疗设备市场主要被美日德等
少数国家的几个跨国大公司所垄断。康复机器人作为康复医疗领域集机械、电子、
计算机为一身的高端设备，同样被欧美等发达国家所主导。
持续被动式运动 （Continuous Passive Motion，CPM）机器在 20 世纪 60 年代
就已被医生们用来进行术后康复治疗。以持续被动运动理论[4]为基础的 CPM 下肢
关节康复器，通过模拟人体自然运动，激发人的自然复原力，发挥组织代偿作用，
进行下肢关节功能恢复训练。在运动的末端，它可以提供肌肉刺激，恢复患者手
术后下肢活动功能。该设备的缺点是，只有在早期、正确地使用 CPM 机的情况下，
才会有显著效果，而且因为技术水平的影响，这类 CPM 机只对膝关节等“大关节”
有较强的锻炼作用，而对髋、踝关节效果不太明显。图 1-1 是发展到如今比较智能
化的 CPM 机。
平衡功能障碍智能化评定/训练治疗系统的结构设计与分析
2
图1-1 智能化 CPM 机
1987 年，英国研制的最早期的 Handy 1 康复机器人[5]是目前世界上最成功的
一种低价康复机器人系统，如图 1-2 所示，它可以独立地帮助一名患有脑瘫的 11
岁儿童进食。经过不断的改进，如今的 Handy 1（如图 1-3 所示）除了可以辅助残
疾人进食喝水，还能够帮助他们清洗、刷牙、刮胡子甚至化妆等，为残疾人的生
活提供了很多方便。
图1-2 最早期的 Handy 1 康复机器人
第一章 绪论
3
图1-3 如今的 Handy 1
2000 年，德国弗朗霍费尔[6]（Fraunhofer IPK）自动化机器人研究中心和柏林
慈善医科大学机构的 Henning Schmidt 以及 Stefan Hesse 等人共同开发出下一代下
肢康复训练机器人 Gait Trainer（GT I），如图 1-4 所示。该设备[7]采用双滑轮配重
式减重支撑系统，两个机器脚交替前后移动，模拟真实步态训练；配有起重系统，
可帮助病人从轮椅移动到步行机器人上；与传统的减重康复跑台治疗设备相比，
这种训练方式不再借助治疗师搀扶或帮助病人进行躯干移动；独特的吊带背心设
计，既可转移病人，又可以帮助病人减重和保护病人安全。由于 Gait Trainer（GT I）
只能模仿在平地上行走的姿态，因而不能满足患者对于日常生活中其它运动模式
的需要。在 Gait Trainer（GT I）的基础上，2003 年研究员们又开发出了第二代的
下肢康复机器人 Haptic Walker，如图 1-5 所示。该设备具有 6自由度足部运动仿
真器，与悬吊减重配合使用，通过脚踏板带动患者双脚实现矢状面内的任意轨迹
和姿态运动。在虚拟现实控制模式中[8]，患者通过头盔显示器以及装有六自由度力
传感器的脚踏板，感受虚拟现实场景，与虚拟场景互动，单调的训练气氛可以通
过场景和音乐的改变得到很好的改善，从而使患者的训练兴趣增强，达到心理治
疗的目的。它可以带动患者的下肢进行平地行走以及上、下台阶等模拟训练，对
恢复较快的病人还能提供模拟蹬自行车和滑雪的训练。
摘要：

摘要具有平衡功能障碍的患者最有效的治疗手段是借助仪器做反复的平衡功能锻炼，以改善患者的肢体功能，提高人体的平衡能力。然而目前大多数康复训练设备功能单一，仅适合于主动性训练，要求病人有较强的动作协调能力，对于重症肢体活动能力差的患者，则无法进行多功能训练和测试。同时，由于脑卒中等具有平衡功能障碍的患者常伴有高血压、心脏病等疾病，需对患者在身体重量减负的情况下进行训练。因此，设计一台减重状态下集主动和被动训练方式、静态平衡功能评定于一体的多功能康复评定训练设备具有重要的实际意义。本文的主要工作是针对具有平衡功能障碍的人群，设计智能化评定/训练治疗系统的主体机械结构，并利用有限元分析软件对其进行静强...

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