基于可穿戴式膝关节内收力矩测量的步态训练反馈系统

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膝关节内收力矩是判断膝关节骨性关节炎的重要参数,对于膝关节骨性关节炎患者的康复来说具有重要的意义。然而,常见的膝关节内收力矩测量方法需要通过步态实验室中配备的运动捕捉系统和固定的测力台来实现,这对于膝关节骨性关节炎患者的临床治疗和日常康复来说并没有实际作用。本论文的目的是针对膝关节骨性关节炎患者的步态训练和日常康复,设计一套基于可穿戴式膝关节内收力矩测量的步态训练反馈系统。在这套传感系统中,为了实现膝关节内收力矩在日常活动中的实时测量,我们首先设计了可穿戴式膝关节内收力矩测量方法。在此基础上,针对膝关节骨性关节炎患者常见的步态训练方法,设计出对应的可穿戴式步态训练反馈系统。在这套可穿戴传感系统中,我们利用六个分布在足底的压力传感器和一个位于足面的运动传感器实现膝关节内收力矩的可穿戴式测量和步态训练反馈。六个压力传感器位于足底典型受力区域,用于实现行走过程中足底压力的采集。利用行走过程中采集到的足底压力数据和实验室采集到的膝关节内收力矩参考值,我们建立了神经网络模型用于膝关节内收力矩的计算。穿戴于足面上的运动传感器用于捕捉行走过程中脚的姿态,实现行走过程足行进角进行检测。通过对检测到的角度进行判断来控制运动传感器的外接振子振动,从而实现行走过程步态的训练和反馈。为了判断所设计的可穿戴式传感系统的可行性,我们进行了三次实验探究。第一次实验对比了膝关节内收力矩的计算值和参考值,实验结果两条曲线的相关系数大于0.9且误差小于0.4,这证明了所设计的膝关节内收力矩可穿戴式测量方法是准确且可行的。第二次实验对不同步态的膝关节内收力矩进行分析,结果表明所设计的膝关节内收力矩可穿戴式测量方法能对不同的步态进行判断。第三次实验对八名实验人员进行仿病人步态反馈训练,实验研究表明所设计的基于可穿戴式膝关节内收力矩测量的步态训练反馈系统能够实时的对人的行走步态进行训练和改变,减轻膝关节的压力。
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