关节治疗活动的控制装置 【技术领域】
本发明涉及与关节治疗活动和定位装置一起使用的控制装置，更具体地涉及通过分析判断(interpretation)治疗活动装置中的至少一个元件的变形来测定力的控制装置，其中，所述力是装置作用在病人上的力、病人作用在装置上的力或者这两种力的组合。
背景技术
在受伤关节和周围软组织的康复和治疗过程中使用治疗活动装置是公知的。治疗活动装置已经与连续被动运动(CPM)控制系统一起使用，以使关节在预定路径上连续运动预定时间。一个替代方案包括静态成套夹板疗法和动态成套夹板疗法。
CPM和夹板疗法可以通过关节相关的肢臂使关节移动一个被动控制的运动范围，而不需要任何肌肉协调。主动运动对受伤关节也是有益的，但是肌肉疲劳限制了病人能够维持运动的时间长度或位置，因此，给关节提供连续被动活动的装置对于最佳康复结果是十分重要的。许多研究已经证实了CPM和夹板疗法加速康复和维持运动范围的临床疗效。静态渐进夹板疗法(Static Progressive Splinting)(SPS)和动态夹板疗法(Dynamic Splinting)(DS)对于关节周围的软组织的治疗和塑形是可接受的，并且是有效的治疗形式。SPS和DS已经证明是有效的并且得到临床研究的支持。CPM、SPS和DS是一个成功治疗方案地完整组成部分。
但是，没有一个现有技术装置是能够自动进行一个渐进伸展和弛缓方案的装置。即，没有一个控制系统能够用于病人的渐进夹板疗法，以操纵他们的肢臂到达端部运动范围并保持在该位置。在病人松弛以及软组织伸展之后，病人能够继续沿着相同行进方向获得更大活动范围(ROM)。以前这是通过静态和动态夹板疗法来完成的。
【发明内容】
一种控制系统适合于与用于病人的治疗活动和夹板疗法装置一起使用。治疗活动装置具有至少一个被检测的元件。该控制系统包括如下步骤：在第一方向上为装置限定活动范围的第一最大限度；在第二方向上为装置限定活动范围的第二最大限度；为装置限定最大反向载荷(reverseon load)；监测装置至少一个元件上的反向载荷，包括监测至少一个元件的变形并且分析判断在病人和至少一个元件之间产生的载荷；第一移动步骤，沿着第一行进方向将装置移动到由第一最大限度和最大反向载荷之一限定的第一位置；第二移动步骤，沿着第二行进方向将装置移动到由第二最大限度和最大反向载荷之一限定的第二位置；以及重复第一和第二移动步骤。
在本发明的另一方面，提供一种用于治疗活动装置的控制系统的应变仪托架。应变仪包括托架和至少第一对应变仪。托架用于安装到治疗活动装置的至少一个元件上。托架具有基部、顶部以及在基部和顶部之间延伸的第一和第二间隔开的侧壁。第一对应变仪安装到托架的第一侧壁相对侧上并且形成第一桥，从而通过监测应变仪、确定元件的变形以及分析判断病人和元件之间产生的载荷来确定治疗活动装置的至少一个元件的反向载荷。
在本发明的再另一方面，提供一种用于治疗活动装置的控制系统的应变仪托架。应变仪包括用于安装到治疗活动装置的至少一个元件上的至少一对应变仪。该至少一对应变仪形成一个第一桥，从而通过监测应变仪、确定元件的变形以及分析判断病人和元件之间产生的载荷来确定至少一个元件的反向载荷。
在通常的CPM模式中，活动范围(ROM)被限定，装置在预定范围内运行。相反，在渐进伸展弛缓模式(PSR)中，一个限定的反向载荷力被施加到肢臂上，并且装置寻求最大活动范围。整个活动范围内灵敏的反向载荷力监测在提供安全和有效的活动方面是十分关键的。PSR将在顺序步骤中逐渐地找到每个循环的最大活动范围。PSR依赖于病人的自然松弛反应以及关节周围的软组织的可塑性。在渐进夹板疗法中，病人操纵他们的肢臂到达端部运动范围并保持在该位置。在病人松弛以及软组织伸展之后，病人能够继续沿着相同行进方向以获得更大ROM。装置中的灵敏应变仪将能够监测反向载荷(ROL)力以及病人和软组织的松弛反应，并在行进方向上继续进行。PSR将顺序地增大施加到肢臂上的载荷直到限定的最大安全载荷。装置将驱动肢臂通过其活动范围达到第一顺序目标ROL并监测力，直到它松弛到第一顺序目标的预定值。如果目标松弛载荷值在预定暂停时间之前达到，装置将增大它的目标顺序ROL并继续在行进方向驱动肢臂。装置再一次监测肢臂上的载荷并等待松弛反应以增大顺序目标载荷。一旦达到最大顺序目标载荷，装置沿着相反行进方向重复该循环。如果在暂停时间内没有达到目标顺序载荷，装置将改变行进方向并继续以第一目标顺序ROL进行。如果病人抵制活动或者施加比最大预定ROL更大的载荷到装置上时，装置将方向。
控制系统将允许治疗活动装置以CPM或者PSR模式运行。在PSR模式中，装置的主要运行参数是反向载荷(ROL)。在PSR模式中，最大安全ROM被编程以限定一个关节将经历的绝对ROM。从而一个安全有效的载荷被施加到关节上，以使关节经历每个循环的最大活动范围。PSR的目的是对特定关节加速达到ROM目标。PSR代表了渐进夹板疗法的微处理器控制的机电实施例。渐进夹板疗法是通常与CPM一起使用的一种常见的有效治疗方式。
在下面的描述中将对本发明的其它特征作进一步描述。
【附图说明】
以下将参照附图通过实施例对本发明进行描述，其中：
图1是与PSR装置相比较的CPM装置的活动范围相对于时间的示意图，每个装置分别使用了根据本发明的控制装置；
图2是与本发明的控制系统一起使用的测力计托架的立体图；
图3是图2的测力计托架的侧视图；
图4是图2的测力计托架的俯视图；
图5是沿着图3线5-5截取的剖视图；
图6是沿着图3线6-6截取的剖视图；
图7是包括本发明控制系统的组合掌心向下旋转/掌心向上旋转和弯曲治疗活动装置的立体图；
图8是图7的治疗活动装置的掌心向下旋转/掌心向上旋转组件的主视图，显示带有本发明的控制系统的测力计托架；
图9是采用本发明的控制系统的膝盖治疗活动装置的侧视图；
图10是采用本发明的控制系统的肩部治疗活动装置的侧视图；以及
图11是包括本发明控制系统的组合掌心向下旋转/掌心向上旋转和弯曲治疗活动装置替代实施例的立体图。
【具体实施方式】
图1显示了与连续被动运动模式(CPM)10相比较的渐进夹板弛缓(PSR)模式12相对于时间的活动范围示意图。从图中可以看出，对于CPM模式，活动范围(ROM)被限定，并且装置在限定的恒定范围内运行。相反，在渐进夹板弛缓模式(PSR)中，一个限定的载荷被施加到肢臂上，并且装置寻求每个循环的最大活动范围。在PRS模式中，病人使他们的肢臂被操纵到达端部活动范围并保持在该位置。在病人松弛以及软组织伸展之后，病人能够继续沿着相同行进方向获得更大ROM。
参看图2-6，测力计托架以标号14表示。测力计托架和安装到其上的测力计设计成用于分析判断施加到病人肢臂上的转矩和力。六个测力计或应变仪16、18、20、22、24和26安装到托架14上。测力计设计成形成三个电桥。具体地，由测力计16和18形成第一电桥，测力计20和22形成第二电桥，测力计24和26形成第三电桥。
托架14包括基部28、顶部30、以及侧部32和34。设置有凹口36和38以放大沿着侧部32和34分布的力和转矩，从而从应变仪16、18、20、22、24和26获得可预测的输出结果。
采用上述托架的治疗活动装置的示例在图7中以标号40表示。治疗活动装置40包括上臂或近端肱部支撑件42、肘或弯曲致动器组件42以及腕或掌心向下旋转/掌心向上旋转致动器组件46。这里所显示的治疗活动装置40构成一个单独的发明，它是一个没有授权的申请，因此仅仅在涉及本发明的控制装置时对它进行简单地描述。
治疗活动装置40通过塞绳装置50与病人控制器48电连接。病人控制器48上的开关52打开和关闭装置40。病人控制器48通过电缆56连接到电源54。病人控制器48包括充电电池并且能够在与墙上插座连接或者不连接的情况下给装置40供电。
近端肱部支撑件42和末端肱部支撑件62通过平行杆57和58刚性地固定到矫正装置上。可调节支撑件60可伸缩地连接到平行杆57和58上，并且支撑着近端肱部护套42。
弯曲致动器组件44包括致动器66和68，它们的相对位置通过圆筒螺母64来调节，圆筒螺母64螺纹连接到所述致动器上。转动的圆筒螺母64导致致动器66和68相对彼此以平行方式移动，但仍然位于同一轴线70上。致动器66和68可滑动地安装到平行杆57和58上。平行杆57和58分别具有一个成角度的部分，使得当致动器66和68之间的距离增大时，轴线70与肱部护套42和62之间的距离也增大。这将适应臂尺寸的差异，以便对齐。驱动肘弯曲致动器68和空转肘致动器66具有相应的输出旋转轴72和74。输出轴72和74以与矫正解剖学肘轴线70同轴的方式转动。驱动拉杆76和78可枢转地连接到输出轴72和74上并且绕着轴线80和82枢转。驱动拉杆76和78在它们的末端相互连接并且具有同一枢轴84。枢轴84校正病人的外翻提携角的变化以及在肘致动器之间的可调节距离。两个平行杆86和88合适地固定到枢轴84上。
掌心向下旋转/掌心向上旋转组件包括可滑动地安装到杆86和88上的壳体90。螺旋机构92和94安装到环96的内侧。软物品98和100可枢转地安装到螺旋机构92和94上，并且能够被调节以适应病人末端的桡骨和尺骨尺寸的变化以及沿着掌心向下旋转/掌心向上旋转轴线71使病人的肢臂居中。环96具有一个中心并且该中心与掌心向下旋转/掌心向上旋转轴线71同心。环96可滑动地安装在壳体90上。外部驱动带102使环96相对于壳体90以旋转方式运动。
托架14的基部28合适地固定到壳体90上，如图8所示。环96机械地连接到托架14的顶部30上并且机械地隔离。壳体90具有显示在图8中的间隔103，以使壳体90的基部与壳体90的顶部通过托架14机械地隔离。测力计托架的侧部设计成在康复过程中能够对这个方向的载荷可预测地作出反应并且与所经历的载荷成比例地调节。
在PSR模式中，该装置将依次地增大施加到肢臂上的ROL直到限定的最大安全载荷。该装置将驱动肢臂通过其活动范围达到第一顺序目标ROL并监测载荷，直到它松弛到第一顺序目标的预定值。如果目标松弛载荷值在预定暂停时间之前达到，装置将增大它的目标顺序ROL并继续在行进方向驱动肢臂。装置再一次监测肢臂上的载荷并等待松弛反应以增大顺序目标载荷。一旦达到最大顺序目标载荷，装置沿着相反行进方向重复该循环。如果在暂停时间内没有达到目标顺序ROL，装置将改变行进方向并继续以第一目标顺序载荷进行。
力通过第二电桥(测力计22和24)以及第三电桥(测力计26和20)以简单形式分析判断。通过监测第二和第三电桥之间的差别分析判断转矩。当装置和肢臂的位置在整个活动范围内变化时，由于重力的不同作用，第一电桥(16和18)被监测以校正装置位置的变化。
一种在肘的整个活动范围内在肘关节处形成内脱位(distraction)的方法可以增加到现有装置的矫正中。一个单一的可调节的抗拉部件102可以固定在掌心向下旋转/掌心向上旋转驱动器的壳体90和平行杆86，88之间。当肘行进通过其活动范围时，抗拉部件101可以在转矩没有变化的情况下释放连续的内脱位。通过使抗拉部件101的近端部分连接到掌心向下旋转/掌心向上旋转壳体90上、其末端部分连接到装置端部，当装置掌心向下旋转/掌心向上旋转固定方法被确定时，肘将经历内脱位。肘通过带63和43相对于轴线70以及肱部护套42和62被保持在位。
通过将加压部件放置在掌心向下旋转/掌心向上旋转壳体90的近端可以取得相同结果，其中，加压部件近端部分被沿着平行杆86，88固定，所述加压部件的末端推压掌心向下旋转/掌心向上旋转壳体90的近端部分。
在使用时，上述装置可以PSR模式使用，其中，装置在顺序步骤中渐进地寻找每个循环的最大活动范围。PSR依赖于病人的自然松弛反应以及关节周围的软组织的可塑性。在渐进夹板疗法中，病人操纵他们的肢臂到达端部运动范围并保持在该位置。在病人松弛以及软组织伸展之后，病人能够继续沿着相同行进方向以获得更大ROM。装置中的应变仪将能够监测病人和软组织的松弛反应并在行进方向上继续进行。PSR将顺序地增大施加到肢臂上的载荷直到限定的最大安全载荷。装置将驱动肢臂通过其活动范围达到第一顺序目标ROL并监测ROL，直到它松弛到第一顺序目标的预定值。如果目标松弛载荷值在预定暂停时间之前达到，装置将增大它的目标顺序ROL并继续在行进方向驱动肢臂。装置再一次监测肢臂上的载荷并等待松弛反应以增大顺序目标载荷。一旦达到最大顺序目标载荷，装置沿着相反行进方向重复该循环。如果在暂停时间内没有达到目标顺序载荷，装置将改变行进方向并继续以第一目标顺序ROL进行。以上描述公开了力和转矩在其中被监测的控制系统。本领域的技术人员应理解的是，该系统不局限于仅仅监测力或者转矩。因此，上述控制系统可用于控制和分析判断由治疗活动装置产生并给予病人的力，从而该控制系统可以监测固定到这种装置上的一个元件的变形。
力的分析判断和控制能够以单一或多种平面布局、旋转运动或旋转和平面运动组合方式被监测。控制和分析判断可以是一个元件的不连续变形的结果，以分析判断力或者几个元件的组合变形。力的控制和分析判断也可以是监测元件在多个位置的变形的结果。
单平面的运动的代表是膝盖、腕关节、踝关节、脊骨、趾、臀部、肩部和肘的运动。所有这些关节能够进行单平面运动。分析判断和控制涉及单平面运动的力的方法可以通过将解剖学特征或肢臂固定并支撑在关节末端和近端部分上以最简单的方式来完成。用于末端或近端部分的支撑结构之一被机械地隔离。用于分析判断和控制给予关节的力的元件变形部分被机械地隔离、并且独立地将近端或末端支撑结构连接到将力给予肢臂的装置上。本领域的技术人员应理解的是，相对于病人/装置界面的力也可以在没有机械隔离的情况下存在，但这将导致对相互作用力粗略的监测。
图9显示了单平面运动装置的示例，并以标号110表示。装置110用在腿112上，该装置包括末端支撑件114和近端支撑件116。这些支撑件的相对运动以箭头118表示。机械地隔离的元件以标号120表示。
转矩或旋转运动的代表是但不局限于肩部、前臂和臀部。应注意的是，大多数单平面运动绕着单一轴线进行并可认为是转矩，尽管通常被认为是平面对旋转运动。在施加转矩时，与单平面运动中同样的原理也适用。被视为监测变形或分析判断和控制转矩的元件应当机械地隔离并且负责在装置的近端和末端部分之间传送转矩。单一或多个元件可用于分析判断和控制转矩，或者多个元件可在多个位置被监测。
图10显示了旋转运动装置的示例，并以标号122表示。装置122用在臂124上，该装置包括末端支撑件126和近端支撑件128。机械地隔离的元件以标号130表示。
图11显示了组合掌心向下旋转/掌心向上旋转和弯曲治疗活动装置替代实施例，并以标号140表示。装置140与图7和8中所示装置类似。装置140包括掌心向下旋转/掌心向上旋转组件142，它类似于上述装置40中的掌心向下旋转/掌心向上旋转组件。但是，弯曲致动器组件144略微不同于装置40中的弯曲致动器组件。弯曲致动器组件144包括矫正拉杆146，并在150处可枢转地连接到致动器148上，而且可绕着肘弯曲旋转轴线152枢转。矫正拉杆146的枢转点150与肘枢转轴线134同轴。矫正拉杆130在一端可枢转地致动器148上。矫正拉杆146的末端连接到外翻枢轴154上。掌心向下旋转/掌心向上旋转组件142通过杆156安装到外翻枢轴154上。与装置40一样，测力计设置在掌心向下旋转/掌心向上旋转组件142中。
对于所有这些治疗活动和夹板疗法装置，重要的是使装置合适地定位，以使病人的关节与治疗活动装置上的枢转点对齐。
应当理解的是，以上仅仅是通过示例对本发明进行了描述。在不脱离本发明权利要求所限定的范围的情况下，本领域技术人员可对本发明进行多种修改，这些修改也应包括在本发明的范围内。