一種基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復訓練系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及醫療設備領域，特別是指對慢性阻塞性肺病人呼吸困難度定量化，實時監控并基于該生物力學信息指導康復訓練機器人輔助病人進行呼吸康復訓練，提高患者的訓練依存性。
【背景技術】
[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濟負擔。由于近年來城市空氣質量的普遍下降和生活習慣等因素的影響，我國40歲以上人群中，COPD的發病率為8.2%，居我國死因第二位，每年因此病致死的人數超過100萬人。COPD患者肺的實質性損傷、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，導致過度充氣的發生，從而使患者易于發生呼吸困難；同時，由于呼吸肌肌力的下降，以及為代償性適應小氣道阻塞所致病理變化，患者易發生高中樞呼吸驅動狀態以維持有效通氣，而呼吸驅動和呼吸困難感覺之間具有正相關性，即呼吸驅動的增強會使患者產生呼吸困難的感覺，它是該病的主要癥狀。
[0003]運動訓練是COPD患者肺康復除藥物治療之外的唯一方法。運動訓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調性，因此其可減少患者最大運動量時的通氣需求。最新臨床研究表明，運動訓練可使患者在進行同等強度運動量時不至于出現呼吸驅動的增強，即盡量避免出現呼吸頻率的加快，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，運動訓練可使肌肉組織的結構與功能、神經系統對肌肉組織的調節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，訓練可使呼吸肌的肌力增強，而肌力的增強又與呼吸驅動的下降相關聯，從而使患者的呼吸困難程度下降。
[0004]盡管眾多研究表明運動訓練對于改善患者呼吸困難和肺功能發揮著關鍵作用，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，并且在訓練初期這些狀況更易發生，從而迫使患者拒絕參加訓練。臨床研究表明能堅持訓練的COPD患者僅為1%，而訓練的中斷會使訓練所獲得的生理功能改善逐步回落至康復訓練前的狀態。近年來漸進式呼吸肌力訓練和輔助式訓練這一可穩定運動訓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信息并反饋患者呼吸困難度的機器人輔助運動訓練研究中，少見成功的臨床應用實例，其主要原因可以歸納為:(1)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據的融合對COPD患者的呼吸通暢程度的實時分析和計算方法，為康復輔助機器人提供反饋，并且為病人和醫生提供定量化的康復評價參數；(2)需要解決運動康復機器人與COPD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肌力進行動態捕捉，從而給予不同肢體不同的輔助力量以協助患者完成肢體運動，所以缺少實時而且精確的人體內力信息，包括關節力矩、關節力、關節能量和肌肉張力等，將是影響機器人在肺康復臨床應用的障礙。(3)臨床上缺少穩定患者運動訓練依從性的定量化運動訓練處方，如果能夠實現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與康復機器人訓練程序設計融合，將有助于穩定患者運動訓練依從性，并為醫護人員制定患者漸進式肺康復訓練方案提供理論依據。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的在于針對現有技術的不足，提出一種基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復訓練系統。
[0006]本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的:一種基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復訓練系統，包括可穿戴式呼吸傳感監測系統和肺康復訓練機器人，所述可穿戴式呼吸傳感監測系統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節部位監測患者的呼吸信息；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節；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]所述肺康復訓練機器人包括中央處理器、PL C、伺服驅動器、第一伺服電機、軸承座、螺桿、X型支撐桿、腋下支撐板、平板、齒輪齒條結構、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形螺母的兩個側面均開有通孔，所述兩側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；螺桿一端通過聯軸器安裝第一伺服電機，第一伺服電機作為扭矩輸入端；當螺桿在第一伺服電機帶動下旋轉運動時，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，從而實現整個機構在垂直方向上的上下往復運動；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練過程中支撐患者胸腔重量；支撐臺后側楔入一塊平板，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動而前后移動，從而形成齒輪齒條結構；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，起到加強系統穩定性的作用；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動器相連，所述伺服驅動器與PL C相連，通過PL C控制電機的轉向和轉速；所述PL C、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]本實用新型的有益效果是:目前康復訓練機器人發明大多是對癱瘓患者進行上下肢體、腦部、身體關節等康復訓練，尚未出現針對于COPD患者的肺康復訓練的呼吸康復訓練機器人。本實用新型的另外一個創新之處在于，利用穿戴式傳感系統，對慢性肺阻塞性患者的呼吸困難度進行量化測定，利用此量化測定結果指導機器人進行康復訓練動作，實現患者呼吸困難度反饋的肺康復訓練要求，大大提高患者對康復訓練的依存性，提高呼吸康復訓練的效果。解決了現有的COPD患者肺康復訓練處方中無法實時反饋和定量化病人的呼吸困難度，以及運動康復機器人和COPD患者友好交互，從而增大患者肺康復運動訓練依從性的問題。
【附圖說明】
[0009]圖1為機器人肺康復訓練系統結構框圖；
[0010]圖2為可穿戴式呼吸傳感檢測系統示意圖；
[0011]圖3為肺康復訓練機器人機構圖；
[0012]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、齒輪齒條結構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】
[0013]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0014]如圖1所示，本實用新型一種基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復訓練系統，包括可穿戴式呼吸傳感監測系統和肺康復訓練機器人。如圖2所示，所述可穿戴式呼吸傳感監測系統包含若干可穿戴式慣性傳感器15、若干表面