CN107220479A - 一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统及过程控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统，包括主控计算机10、治疗控制模块20、柔性治疗模块40、数据采集模块50和安全报警模块30；所述主控计算机10与所述治疗控制模块20进行数据交互，向所述治疗控制模块20发送治疗指令，并对治疗控制模块20的控制过程实施监控；所述治疗控制模块20分别从主控计算机10获取指令、从所述数据采集模块50和安全报警模块30获取信息，向所述柔性治疗模块40发出治疗控制指令，对治疗过程实施控制；将所述计算机控制系统及其治疗过程控制方法应用于关节柔性治疗装置中，能够实现治疗过程的自动控制，实现柔性治疗，促进关节康复治疗的人性化和智能化，提高骨关节病患的治疗水平和治疗效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算机控制系统，特别涉及一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统及其治疗过程的控制方法。
背景技术
随着社会的发展，人们生活节奏加快，精神压力增大，慢性骨关节疾病的发病率也随之明显提高，并由此引发了患者多种慢性疾病的发生发展或者身体或肢体功能的丧失而导致身体残疾，严重地影响了患者的生活质量，甚至危及患者生命。目前，对慢性骨关节疾病的治疗主要是采用物理康复疗法来提高骨关节的运动功能，促进患者关节功能的恢复和肢体障碍的去除，阻止或减缓疾病症状的加重发展，现行使用的治疗装置形式繁杂、种类较多，包括有各种综合和专项的牵引理疗设施，但其中大多都是依靠医护人员手工操作实施治疗手动治疗装置，部分电动治疗装置也只是实现了简单的电力施加负载的功能，不能做到对治疗过程的精准控制，无法实现柔性加载、渐次卸载的人性化、智能化治疗过程，存在手段落后、效率低下的问题，有时甚至还会产生操作失误而导致治疗事故，给患者造成二次身体损害。因此，针对骨关节疾病的病患特点和治疗现状，开发智能型关节柔性治疗装置和设备已经成为当前提高医疗手段、改善医疗条件、满足医患需要、解除广大骨关节患者病患痛苦的一个重要课题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统及其过程控制方法，以实现骨关节康复治疗装置的人性化和智能化，提高骨关节疾病的治疗水平和治疗效果。
所述关节柔性治疗装置的计算机控制系统，包括：主控计算机10、治疗控制模块20、柔性治疗模块40、数据采集模块50和安全报警模块30。
其中：所述主控计算机10为人机对话终端计算机，安装有系统操作程序100，与所述治疗控制模块20进行数据交互，所述主控计算机10向所述治疗控制模块20发送治疗指令，同时从所述治疗控制模块20获取并存储治疗数据，对所述治疗控制模块20的治疗控制过程进行时时监控；所述治疗控制模块20为中央处理器，安装有治疗控制程序200，按照所述主控计算机10发出的治疗指令和所述数据采集模块50反馈的数据信息，生成并向所述柔性治疗模块40发出治疗控制指令，对治疗过程实施控制；同时，所述治疗控制模块20还从所述安全报警模块30获取安全报警信息，及时终止治疗过程；所述柔性治疗模块40由治疗床体403、机电传动机构401和柔性治疗机构402组成，在所述治疗控制模块20的指令下具体完成柔性治疗过程，柔性治疗预设两种模式，包括脊椎的静态牵拉治疗模式和关节的动态康复治疗模式；所述数据采集模块50由传感器组组成，所述传感器主从所述柔性治疗模块40采集数据，并向所述治疗控制模块20传送数据信息，反馈治疗状态；所述安全报警模块30为外部触发报警系统，由若干个一键触发式机械或者电子报警装置组成，可在紧急状态下迅速向所述治疗控制模块20发出安全警告信息，触发所述治疗控制模块20终止治疗过程。
所述主控计算机10中的系统操作程序100，包括有治疗监控系统101、方案设置系统102和治疗数据库103；所述方案设置系统102通过计算机外部设备接收医护人员输入的治疗数据，生成数据化的治疗方案存储于所述治疗数据库103中，同时还通过计算机外部设备接受医护人员指令，通过所述治疗监测系统101向所述治疗控制模块20发出治疗指令；在治疗过程中，所述主控计算机10可时时接收所述治疗控制模块20返回的治疗数据，所述治疗数据即时存储于所述治疗数据库103中，所述治疗监控系统101通过所述治疗数据对治疗过程进行时时监测；同时，所述治疗监控系统101还可按照医护人员的输入指令，随时向所述治疗控制模块20发出新的治疗指令，从而改变当前治疗状态或者结束当前的治疗进程，对治疗过程实施监控。
所述治疗控制模块20中的治疗控制程序200，包括有数据分析系统201、过程控制系统202和安全识别系统203。
其中：所述数据分析系统201对接收到的所述主控计算机10发出的治疗指令和所述数据采集模块50反馈的数据信息进行数据分析，按照治疗控制程序200的功能设定，对所述柔性治疗模块40的治疗动作进行柔化设计，生成新的治疗控制指令；所谓对治疗动作的柔化设计，就是从人体生理和生态学的特点出发，控制预设治疗模式下主要治疗参数的柔性变化，提高患者治疗的安全性和舒适性；在所述静态牵拉柔性治疗模式下，控制牵拉力F柔性变化，即：控制牵拉力F与时间t保持特定的函数关系，使所述牵拉力副F由零渐次增加或者减小，柔性达到程序预设的牵拉力治疗参数值Fmax或者从所述牵拉力治疗数值Fmax卸载；在所述动态康复柔性治疗模式下，控制牵拉和复位速度v柔性变化，即：控制牵拉和复位速度v与时间t保持特定的函数关系，使所述牵拉和复位速度v由零渐次提高或者降低，柔性达到程序预设的牵拉和复位速度治疗参数值vmax或者从所述牵拉和复位速度治疗参数值vmax归零。
为了实现所述柔性治疗过程，在所述治疗控制程序200的数据分析系统201中，可预先设定在静态牵拉柔性治疗模式和动态康复柔性治疗模式下主要治疗参数与时间的特性关系，所述特性关系可依据治疗目的、病患部位、设备特点等因素进行优选优化，例如，对较小的局部患处或者较低的负载载荷的情况，可选择线性函数特性关系，对躯干或者大关节的高负载治疗，则必须选择充分柔化的复杂曲线函数特性关系；所述优选优化的基本原则是：满足人体生理和生态学特征，在保证所述柔性治疗模块40实施柔性治疗的安全性和舒适性的前提下，尽可能缩短治疗时间，提高治疗效率。
所述过程控制系统202将所述数据分析系统201生成的治疗控制指令发送到所述柔性治疗模块40并对所述柔性治疗模块40的治疗过程实施控制，同时将所述治疗控制指令的数据信息传送到所述主控计算机10并存储在所述治疗数据库103当中。
所述安全识别系统203为安全判断程序，设置有双重保护功能措施。
一是内部保护功能，所述安全识别系统203预设有安全阈值数据库，所述安全阈值是判断治疗方案安全性的标准限值，不同治疗模式下、不同的治疗部位上的治疗参数都分别设置不同的安全阈值，这些数值数据构成了所述安全阈值数据库；在治疗过程中，所述安全识别系统203即时将所述数据分析系统201生成的所述治疗控制指令中的数据参数与相应的安全阈值进行比对，一旦发现有超过安全阈值的数据参数，立即向所述过程控制系统202发出终断指令，所述过程控制系统202向所述柔性治疗模块发出指令，停止治疗进程。
二是外部保护功能，所述外部安全警报信息由安全报警模块30触发，为了保证在紧急状态下迅速发出警报信息，所述一键触发式机械或者电子报警装置可安装设置在所述治疗床体400上患者易于触及的地方、治疗操作台上易于医护人员触及的地方、或者其他能够易于患者和医护人员触及的地方；所述报警装置一旦被触及，所述安全报警模块30将向所述治疗控制模块20发出报警信息，所述安全识别系统203识别后，立即向所述过程控制系统202发出终断指令，所述过程控制系统202向所述柔性治疗模块发出指令，停止治疗进程。
一种关节康复治疗装置的计算机过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤k210，由所述主控计算机10发出指令，使所述治疗控制模块20启动；
步骤k221，所述治疗控制模块20接收主控计算机10发出的治疗指令，包括治疗模式、以及相应的初始治疗数据；
步骤k222，所述治疗控制模块20接收数据采集模块50反馈的治疗数据信息，反映时时的治疗状态；
步骤k223，所述治疗控制模块20接收安全报警模块30传送的安全警报信息，实施时时的安全监测；
步骤k230，所述数据分析系统201对步骤k221接收到的治疗指令和步骤k222接收到的数据信息进行数据分析，按照所述治疗控制程序200的功能设定，生成新的治疗控制指令；
步骤k240，由所述安全识别系统203执行安全判断程序，判断步骤k230生成的所述新的治疗控制指令中是否有超过所述安全识别系统203中预设安全阈值的数据，或者步骤k223接收到的安全警报信息中是否安全报警的请求信息，如果答案为“是”，则转向执行步骤k270，结束治疗进程，如果答案为“否”，执行步骤k250，继续治疗进程；
步骤k250，所述过程控制系统202向所述柔性治疗模块40发出步骤k230生成的所述新的治疗控制指令，控制所述柔性治疗模块40做出进一步的治疗动作，同时所述治疗控制系统202将所述治疗控制指令的数据信息传送到所述主控计算机10并存储在所述治疗数据库103当中；
步骤k260，由所述过程控制系统202执行时间判断程序，判断当前已进行的治疗时间是否达到了步骤k221从主控计算机10接收到治疗指令中预设的治疗时间，如果答案为“是”，继续执行步骤k270，结束治疗进程，如果答案为“否”，则转向执行步骤k221、步骤k222和步骤k223，继续治疗进程；
步骤k270，由所述过程控制系统202向所述主控计算机返回治疗数据；
步骤k280，所述治疗控制模块20停止工作，结束治疗进程。
本发明的有益效果是：提供一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统及其治疗过程的控制方法，应用于骨关节康复治疗装置当中，能够实现治疗过程的全自动控制，还能实现治疗载荷的柔性加载和渐次卸载，促进了关节康复治疗的人性化和智能化，该系统应用于肩、肘、膝、踝、髋等关节、以及颈椎、脊椎等疾病的治疗设施中，能够显著提高治疗水平、治疗效果和诊疗效率。
附图说明
图1、关节柔性治疗装置的计算机控制系统网络结构图。
图2、治疗控制模块治疗控制过程工作流程图。
图3、静态牵拉治疗载荷柔性加载、卸载的时间特性曲线。
图4、动态康复治疗牵拉速度增加、减小的时间特性曲线。
具体实施例
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步描述。
一种关节康复治疗装置的计算机控制系统，如图1所示，包括：主控计算机10、治疗控制模块20、柔性治疗模块40、数据采集模块50和安全报警模块30。其中：所述主控计算机10为PC计算机，所述治疗控制模块20为ARM单板机，所述柔性治疗模块40由治疗床体403、机电传动机构401和柔性治疗机构402组成，具有脊椎静态牵拉治疗和关节动态康复治疗两种柔性治疗模式，所述数据采集模块50由传感器组组成，所述传感器系统包括有压力传感器、位移传感器和速度传感器，所述安全报警模块30由两个按键式机电报警装置组成，分别设置安装于治疗床体403上和治疗操作台上。
医护人员对患者进行治疗时，首先启动所述主控计算机10，从所述治疗数据库103调取患者往诊信息，同时依据病人病患程度确定治疗方案，所述治疗方案既可以是单一治疗功能模式下的单一治疗动作，也可以是单一治疗功能模式下的多种治疗动作的组合，还可以是两种治疗功能模式组合下的多种治疗动作的组合；治疗方案确定后，医护人员将所述治疗方案的控制参数输入所述方案设置系统102中，对治疗方案进行数据化设置，其中，静态牵拉治疗模式下需要输入的数据参数应包括有治疗时间T和最大牵拉力Fmax等，动态康复治疗模式下需要输入的数据参数应包括有治疗时间T和牵拉受力点相对于治疗关节运动的最大线速度vmax；设置完成后通过所述治疗监控系统101向所述治疗控制模块20发出治疗指令，所述治疗控制模块20按照图2所示的工作流程对患者实施治疗，医护人员通过所述治疗监控系统101对治疗过程进行全程时时监控；当出现意外或者紧急情况时，医护人员和患者可迅速按下分别设置于诊疗台和治疗床400上的机电报警装置，触发所述安全报警模块30发出警报信息，停止治疗进程。
在治疗控制程序200中，所述数据分析系统201设定的静态牵拉治疗模式下牵拉力F随时间t变化的特性函数关系和动态康复治疗模式下牵拉和复位速度v随时间t变化的函数关系，均分别优选为正弦函数关系，在所述优选的正弦函数关系条件下，所述柔性治疗模块40实施的治疗动作能够在保证治疗安全性和舒适性的前提下，具有较短的载荷增减或者速度提降时间，保证治疗效率，提高治疗效果。
图3所示为静态牵拉治疗模式下牵拉力F柔性加载、卸载特性曲线，反映了牵拉力F随时间t的变化规律。其中：OA区段为负荷加载阶段，所述治疗控制模块20控制载荷由零逐步增加到治疗方案设定值Fmax；AB区段为负荷保持阶段，保持载荷恒定进行牵拉治疗；BT区段为负荷卸载阶段，所述治疗控制模块20控制治疗载荷由Fmax逐步减小到零，达到预设治疗时间T后完成治疗过程。
各阶段函数表达式如下。
OA段：。
AB段：。
BT段：。
其中：ω为频率常数，参照预设载荷Fmax大小取值，一般选取范围为0.5～1.0。
图4所示为动态康复治疗模式下牵拉和复位速度v柔性增大、减小特性曲线，反映了牵拉和复位速度v随时间t的变化规律。其中：OE区段为加速牵拉阶段，所述治疗控制模块20控制牵拉速度v由零逐步增加到治疗方案设定值vmax；CD区段为恒速保持阶段，保持躯干或者肢体以vmax恒速运动；DE区段为控制减速阶段，在躯干或者肢体运动到预设治疗体位之前，所述治疗控制模块20控制牵拉速度由vmax逐步减小，达到治疗体位时降低到零；EG区段为加速复位阶段，所述治疗控制模块20控制控制躯干或者肢体复位运动，使反向牵拉速度由零逐步增加到治疗方案设定值vmax；GH区段为恒速复位阶段，保持躯干或者肢体以vmax恒速复位；HT区段为复位减速阶段，在躯干或者肢体恢复到初始体位之前，所述治疗控制模块20控制复位速度由vmax逐步减小，达到初始体位时降低到零，完成治疗过程。
各阶段函数表达式如下。
OC段：。
CD段：。
DE段和EG段：。
GH段：。
HT段：。
其中：ω为频率常数，参照预设治疗牵拉速度vmax大小取值，一般选取范围为0.4～0.8。
Claims (8)
1.一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统，其特征在于：包括主控计算机（10）、治疗控制模块（20）、柔性治疗模块（40）、数据采集模块（50）和安全报警模块（30）；
其中：所述主控计算机（10）为人机对话计算机，安装有系统操作程序（100），与所述治疗控制模块（20）进行数据交互，所述主控计算机（10）向所述治疗控制模块（20）发送治疗指令，同时从所述治疗控制模块（20）获取并存储治疗数据，对所述治疗控制模块（20）的治疗控制过程进行时时监控；所述治疗控制模块（20）为中央处理器，安装有治疗控制程序（200），按照所述主控计算机（10）发出的治疗指令和所述数据采集模块（50）反馈的数据信息，生成并向所述柔性治疗模块（40）发出治疗控制指令，对治疗过程实施控制；同时，所述治疗控制模块（20）还从所述安全报警模块（30）获取安全报警信息，及时终止治疗过程；所述柔性治疗模块（40）由机电传动机构（401）和柔性牵拉机构（402）组成，在所述治疗控制模块（20）指令下具体实施柔性治疗过程；所述数据采集模块（50）由传感器组组成，从所述柔性治疗模块（40）采集数据，向所述治疗控制模块（20）传送数据信息，反馈治疗状态；所述安全报警模块（30）为外部触发报警系统，可向所述治疗控制模块（20）发出安全警告信息，触发所述治疗控制模块（20）终止治疗过程。
2.如权利要求1所述的一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统，其特征在于：所述系统操作程序（100）包括有治疗监控系统（101）、方案设置系统（102）和治疗数据库（103）。
3.如权利要求1所述的一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统，其特征在于：所述治疗控制程序（200）包括有数据分析系统（201）、过程控制系统（202）和安全识别系统（203）。
4.如权利要求3所述的一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统，其特征在于：所述安全识别系统（203）具有内部和外部双重安全保护功能。
5.如权利要求1所述的一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统，其特征在于：所述数据采集模块（50）中的传感器组包括有压力传感器、位移传感器和速度传感器。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统，其特征在于：所述柔性治疗模块（40）在所述治疗控制模块（20）指令下具体实施的柔性治疗过程包括静态牵拉和动态康复两种柔性治疗模式；
在所述静态牵拉柔性治疗模式下，控制牵拉力柔性变化，即：控制牵拉力（F）与时间（t）保持特定的函数关系，使所述牵拉力由零渐次增加或者减小，柔性达到程序预设的牵拉力治疗参数值（Fmax）或者从所述牵拉力治疗数值（Fmax）卸载；
在所述动态康复柔性治疗模式下，控制牵拉和复位速度柔性变化，即：控制牵拉和复位速度（v）与时间（t）保持特定的函数关系，使所述牵拉和复位速度由零渐次提高或者降低，柔性达到程序预设的牵拉和复位速度治疗参数值（vmax）或者从所述牵拉和复位速度治疗参数值（vmax）归零。
7.如权利要求6所述的一种关节柔性治疗装置的计算机控制系统，其特征在于：
所述在静态牵拉柔性治疗模式下，所述牵拉力（F）与时间（t）保持的特定函数关系为正弦函数关系；
所述在动态康复柔性治疗模式下，所述牵拉和复位速度（v）与时间（t）保持的特定函数关系为正弦函数关系。
8.一种关节柔性治疗装置的计算机过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤k210，由所述主控计算机（10）发出指令，使所述治疗控制模块（20）启动；
步骤k221，所述治疗控制模块（20）接收主控计算机（10）发出的治疗指令，包括治疗模式、以及相应的初始治疗数据；
步骤k222，所述治疗控制模块（20）接收数据采集模块（50）反馈的治疗数据信息，反映时时的治疗状态；
步骤k223，所述治疗控制模块（20）接收安全报警模块（30）传送的安全警报信息，实施时时的安全监测；
步骤k230，所述数据分析系统（201）对步骤k221接收到的治疗指令和步骤k222接收到的数据信息进行数据分析，按照所述治疗控制程序（200）设定，生成新的治疗控制指令；
步骤k240，由所述安全识别系统（203）执行安全判断程序，判断步骤k230生成的所述新的治疗控制指令中是否有超过所述安全识别系统（203）中预设安全阈值的数据，或者步骤k223接收到的安全警报信息中是否安全报警的请求信息，如果答案为“是”，则转向执行步骤k270，结束治疗进程，如果答案为“否”，执行步骤k250，继续治疗进程；
步骤k250，所述过程控制系统（202）向所述柔性治疗模块（40）发出步骤k230生成的所述新的治疗控制指令，控制所述柔性治疗模块（40）做出进一步的治疗动作，同时所述治疗控制系统（202）将所述治疗控制指令的数据信息传送到所述主控计算机（10）并存储在所述治疗数据库（103）当中；
步骤k260，由所述过程控制系统（202）执行时间判断程序，判断当前已进行的治疗时间是否达到了步骤k221从主控计算机（10）接收到治疗指令中预设的治疗时间，如果答案为“是”，继续执行步骤k270，结束治疗进程，如果答案为“否”，则转向执行步骤k221、步骤k222和步骤k223，继续治疗进程；
步骤k270，由所述过程控制系统（202）向所述主控计算机返回治疗数据；
步骤k280，所述治疗控制模块（20）停止工作，结束治疗进程。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103817695A (zh) * | 2014-02-28 | 2014-05-28 | 浙江大学 | 一种机器人柔性关节的控制方法及驱动装置 |
| CN104784012A (zh) * | 2015-04-14 | 2015-07-22 | 上海大学 | 基于并联机构的肢体关节康复器 |
-
2017
- 2017-05-04 CN CN201710306363.1A patent/CN107220479A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103817695A (zh) * | 2014-02-28 | 2014-05-28 | 浙江大学 | 一种机器人柔性关节的控制方法及驱动装置 |
| CN104784012A (zh) * | 2015-04-14 | 2015-07-22 | 上海大学 | 基于并联机构的肢体关节康复器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 孙熠璇: "基于虚拟环境训练及视觉运动辨识的上肢康复技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
| 尹诗明: "踝关节康复机器人概念化设计及其控制策略研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
| 潘培娟: "外骨骼式上肢康复机器人人机交互系统与康复评价方法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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