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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711147969.1 (22)申请日 2017.11.17 (71)申请人 中国科学院宁波材料技术与工程研 究所 地址 315201 浙江省宁波市镇海区庄市大 道519号 申请人 中国科学院宁波工业技术研究院慈 溪生物医学工程研究所 (72)发明人 何勇 左国坤 施长城 史斌君 (74)专利代理机构 北京中政联科专利代理事务 所(普通合伙) 11489 代理人 姚海波 (51)Int.Cl. A63B 71/06(2006.01) (54)发明名称 一种用于帕金森病人步态。
2、运动改善和训练 监测的智能脚环 (57)摘要 本发明请求保护的用于帕金森病人步态运 动改善和训练监测的智能脚环， 包括脚环本体， 及设于脚环本体上的控制系统， 所述控制系统具 有运动传感器、 肌电检测模块、 通信模块、 微控制 器及振动器； 其中所述运动传感器及肌电检测模 块分别用于检测患者的运动状态， 所述通信模块 用于将所述运动传感器及肌电检测模块检测得 到的数据信息传输给微控制器， 所述微控制器用 于将通信模块传输来的数据信息进行分析， 以控 制振动器进行相应模式的振动。 本发明实现了对 患者FOG以及其他异常步态的智能检测并实现振 动前馈的智能启动和前馈转后馈的自动转换， 解 决了患者。
3、病态的检测以及改善问题。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 107998643 A 2018.05.08 CN 107998643 A 1.一种用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 佩戴于患者的脚部， 其 特征在于： 包括脚环本体， 及设于脚环本体上的控制系统， 所述控制系统具有运动传感器、 肌电检测模块、 通信模块、 微控制器及振动器； 其中所述运动传感器及肌电检测模块分别用 于检测患者的运动状态， 所述通信模块用于将所述运动传感器及肌电检测模块检测得到的 数据信息传输给微控制器， 所述微控制器用于将通信模块传输来的数据信息进行分析， 以 控制振动器进行相应模式的振动。。
4、 2.根据权利要求1所述的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 其特 征在于： 所述控制系统进一步包括数据处理器， 所述数据处理器用于将所述运动传感器及 肌电检测模块检测得到的数据信息进行滤波、 降噪处理。 3.根据权利要求1所述的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 其特 征在于： 所述控制系统进一步包括存储单元， 所述存储单元用于将通信模块传输来的数据 信息进行存储。 4.根据权利要求1所述的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 其特 征在于： 所述控制系统进一步包括显示器， 所述显示器用于将所述运动传感器及肌电检测 模块检测得到的数据信息进行表显。 5。
5、.根据权利要求1所述的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 其特 征在于： 所述控制系统进一步包括用于供电的电池， 所述电池为充电锂电池。 6.根据权利要求1所述的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 其特 征在于： 所述肌电检测模块集成在柔性电路板上， 且所述肌电检测模块的电极为皮肤接触 式电极， 用于检测皮肤表面肌电。 7.根据权利要求1所述的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 其特 征在于： 所述通信模块上包含有无线通信模块， 所述无线通信模块向外与智能终端设备进 行连接， 以将所述存储单元所存储的数据信息向外传输给智能终端设备。 8.根据权利要求1。
6、所述的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 其特 征在于： 所述振动器为微型振动马达， 且所述微型振动马达的振动频率及振幅可调。 9.根据权利要求1所述的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 其特 征在于： 所述存储单元内的振动参数包括频率60Hz120Hz， 振幅0.1mm2mm。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 107998643 A 2 一种用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环 技术领域 0001 本发明属于辅助医疗技术领域， 特别是涉及一种用于帕金森病人步态运动改善和 训练监测的智能脚环。 背景技术 0002 帕金森病(PD)是好发于老年人的。
7、神经变性病， 帕金森病全人群患病率约为0.3。 作为一种典型的老年慢性疾病， 帕金森病在老年人群中患病率成倍增加， 65岁以上老年人 群患病率为12、 85岁以上为35。 根据年龄累积发生率可知， 60岁老年人在80岁 时罹患帕金森病的风险约为2.5。 0003 帕金森病的临床主要特征为运动障碍包括进行性运动迟缓、 肌强直、 静止性震颤 和姿势步态异常等。 而冻结步态是帕金森病病人临床表现中常见且最具有致残性的病理步 态， 多发生于疾病的中晚期， 易导致跌倒、 外伤、 抑郁， 严重影响病人的生活质量和社会功 能。 冻结步态被定义为 “企图行走时或前进过程中步伐短暂、 突然地中止或明显减少” ，。
8、 主要 表现为运动的短暂性阻滞， 步态常呈非对称性， 单侧下肢偶发起始， 病人起始犹豫， 不能行 走或行走时感觉自己的脚像 “粘” 在地板上或被地板吸住， 抬脚、 迈步困难， 一般持续数秒 钟， 偶尔也可长达30s， 最严重时， 病人任何时候行走均出现， 需要他人或拐杖辅助， 可伴有 一定程度的双腿颤抖。 大概有38的帕金森病人每年都会发生跌倒。 跌倒几乎都是在病人 改变行走方向或转身时发生的， 此类跌倒的发生往往和冻结步态有着密切关系， 存在冻结 步态的帕金森病人就有着比没有此项症状的其他病人有着更高的跌倒风险。 0004 相关研究表明人体下肢的运动神经相对发达， 振动触觉与平衡控制的研究主。
9、要集 中在人体下肢部分。 帕金森病是一种慢性渐进的中枢神经系统疾病， 其表现为病人自身一 种本体感受缺陷和运动功能的混乱。 肌肉振动力觉不仅能够从一定程度上弥补病人的感觉 缺陷， 还可以从行走运动的末端给病人明确的振动提示。 因此， 在合适的部位给予病人适当 的肌肉振动力觉刺激能有效的帮助人体调整姿态以及改善步态。 0005 临床对帕金森病人运动状态的评估主要是参考病人对自己情况的描述和医生观 察， 然后通过帕金森量表(如统一帕金森量表UPDRS、 Hoehn&Yahr量表、 N-FOGQ等)进行人为 评分诊断。 但是这样的诊断方式受主观性较大， 医生无法得到较为准确且长时间的数据作 为评定依。
10、据。 故这样的方法造成的评价误差较大。 而随着智能硬件向着小型化、 轻量化的方 向发展， 使得帕金森病人可以穿戴便携式设备在缓解病态和改善病情的同时采集他们的运 动相关数据。 然后分析病人出现步态冻结和运动失衡的数据来判断他们病情的严重程度或 者改善程度， 相对于医生短时间的观察和病人自身感官的描述更具有客观性。 如此， 医生可 以根据病人病情给出更优的治疗康复方案， 同时， 病人在治疗期间的运动数据医生可以及 时跟踪， 可为治疗方案的调整和该类病特异性研究提供依据。 0006 目前， 现有技术中， 有如中国科学院苏州生物医学工程技术研究于2015年07月01 日授权公开的实用新型专利(专利名。
11、称： 一种用于缓解帕金森病患者冻结步态的智能手环， 授权公告号： CN204426918U)。 具体公开了通过对该智能手环患者的手部运动来检测， 并通 说 明 书 1/5 页 3 CN 107998643 A 3 过中央处理器来以触觉刺激、 听觉或者视觉刺激的方式来缓解帕金森病患者的冻结步态 (下面简称FOG)。 但是上述的技术方案所采用的振动刺激、 触觉刺激、 听觉或者视觉刺激的 方式来缓解， 其不利于老年病人的使用， 且放置在手部提示刺激对步态的影响不明显。 发明内容 0007 基于此， 有必要针对上述技术问题， 提供一种用于帕金森病人步态运动改善和训 练监测的智能脚环。 0008 具体地。
12、， 一种用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 是佩戴于患 者的脚部， 包括脚环本体， 及设于脚环本体上的控制系统， 所述控制系统具有运动传感器、 肌电检测模块、 通信模块、 微控制器及振动器； 其中所述运动传感器及肌电检测模块分别用 于检测患者的运动状态， 所述通信模块用于将所述运动传感器及肌电检测模块检测得到的 数据信息传输给微控制器， 所述微控制器用于将通信模块传输来的数据信息进行分析， 以 控制振动器进行相应模式的振动。 0009 作为本发明的优选方案， 所述控制系统进一步包括数据处理器， 所述数据处理器 用于将所述运动传感器及肌电检测模块检测得到的数据信息进行滤波、 降噪处。
13、理。 0010 作为本发明的优选方案， 所述控制系统进一步包括存储单元， 所述存储单元用于 将通信模块传输来的数据信息进行存储。 0011 作为本发明的优选方案， 所述控制系统进一步包括显示器， 所述显示器用于将所 述运动传感器及肌电检测模块检测得到的数据信息进行表显。 0012 作为本发明的优选方案， 所述控制系统进一步包括用于供电的电池， 所述电池为 充电锂电池。 0013 作为本发明的优选方案， 所述肌电检测模块集成在柔性电路板上， 且所述肌电检 测模块的电极为皮肤接触式电极， 用于检测皮肤表面肌电。 0014 作为本发明的优选方案， 所述通信模块上包含有无线通信模块， 所述无线通信模 。
14、块向外与智能终端设备进行连接， 以将所述存储单元所存储的数据信息向外传输给智能终 端设备。 0015 作为本发明的优选方案， 所述振动器为微型振动马达， 且所述微型振动马达的振 动频率及振幅可调。 0016 作为本发明的优选方案， 所述存储单元内的振动参数包括频率60Hz120Hz， 振幅 0.1mm2mm。 0017 通过上述技术方案的应用， 本发明相较于现有技术具有如下优点： 0018 本发明所提供的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 采用运动 传感器及肌电检测模块来对患者的运动状态进行检测， 确保了对患者步态判断精确， 并根 据微控制器的分析来实现对患者FOG以及其他异常步。
15、态的智能检测并实现振动前馈的智能 启动和前馈转后馈的自动转换， 解决了患者病态的检测以及改善问题， 进而满足了患者的 病态需求， 以帕金森病人的日常生活及康复； 同时该智能缴环佩戴在脚部， 并用振动器来进 行不同振动模式的输出， 不仅步态检测精确性高， 而且振动刺激对患者步态的影响效果好。 附图说明 说 明 书 2/5 页 4 CN 107998643 A 4 0019 图1为本发明所提供的智能脚环的结构示意图。 0020 图2为本发明所提供的智能脚环展开后的结构示意图。 0021 图3为本发明所提供的智能脚用于FOG及其他异常步态检测并解除功能示意方图。 0022 图4为本发明所提供的智能脚。
16、环用于患者运动正常后步态反馈功能示意方图。 0023 图5为本发明所提供的智能脚环用于运动信息显示功能示意方图。 0024 其中， 10、 运动传感器； 20、 肌电检测模块； 30、 通信模块； 40、 微控制器； 50、 存储单 元； 60、 振动器； 70、 数据处理器； 80、 显示器； 90、 电池； 100、 脚环本体。 具体实施方式 0025 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发 明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其。
17、他实施 例， 都属于本发明保护的范围。 0026 请参阅图1图5， 本发明请求保护的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的 智能脚环， 具体是佩戴在患者的脚部。 亦即患者在使用时， 可在患者的左、 右脚上分别佩戴 一个智能脚环， 智能脚环能够实现对帕金森患者的异常步态尤其是FOG的智能检测， 智能脚 环还能够改善帕金森患者的运动步态并能监测帕金森患者的训练。 0027 在本实施例中， 所述智能脚环包括脚环本体100， 及设于脚环本体100上的控制系 统。 0028 其中， 脚环本体100用于套在患者的脚步， 优选采用柔性弹性透气材料， 外形类似 于护膝， 以提高患者的佩戴舒适度。 0029 所。
18、述控制系统包括运动传感器10、 肌电检测模块20、 微控制器40及振动器60。 运动 传感器10、 肌电检测模块20、 通信模块30及振动器60均与控制器40连接。 所述运动传感器10 及肌电检测模块20通过通信模块30与微控制器40连接， 用于将运动传感器10及肌电检测模 块20获取到的数据信息传输给微控制器40。 0030 所述运动传感器10与肌电检测模块20用于获取患者的运动数据并将获取到的运 动数据传送至微控制器40， 控制器40根据接收到运动信息以及肌电信息判断患者的步态是 否异常， 并根据判断结果控制振动器60以相应地振动模式进行振动。 其中， 运动传感器10获 取的运动信息包括步。
19、态的频率、 速度及加速度等运动信息。 肌电检测模块20包括柔性电路 板上及设于柔性电路板上的电极， 且该肌电检测模块20的电极为皮肤接触式电极， 以与患 者的皮肤接触获取患者的肌电信息。 0031 另外， 需要说明的是， 本实施例的振动器60至少有两种振动模式， 优选为两种振动 模式。 第一种振动模式为振动前反馈， 也就是说当运动传感器10及肌电检测模块20检测到 患者发生异常步态时， 微控制器40会控制振动器60发生一种模式的振动， 以刺激患者进行 正常步态； 第二种工作模式为振动反馈刺激， 也就是说当运动传感器10及肌电检测模块20 检测到患者步态正常时， 微控制器40会控制振动器60发生。
20、另一种模式的振动， 以增强患者 正常步态的本体感受， 起到了增强患者对自己步态感觉的作用。 0032 本实施例的智能脚环在具体使用时， 一方面用运动传感器10来检测患者的步态频 率、 速度、 加速度等运动信息， 然后与内部设定的正常步态数据进行比对， 判断是否超过一 说 明 书 3/5 页 5 CN 107998643 A 5 定阈值， 如超过则该运动传感器10检测的步态为FOG或者其他非正常的步态； 另一方面则是 通过肌电检测模块20来检测与该肌电检测模块20的电极贴合的皮肤的表面肌电， 具体可以 对小腿肌肉表面的肌电进行检测， 然后经数据处理， 不断对比以确定是否出现FOG或者其他 非正常。
21、的步态。 也就是说， 本实施例需综合以上两点来判断患者是否处于异常步态， 并控制 实现该智能脚环启动振动前馈， 确保了对患者步态的精确判断。 当运动传感器10和肌电检 测模块20检测到的数据信息是正常步态运动数据时， 振动前反馈提示暂停一段时间， 转换 为振动反馈刺激。 0033 进一步地， 所述控制系统还包括存储单元50， 存储单元50与微控制器40连接， 存储 模块50内还存储上述的参考数据， 以便于微控制器40调用， 微控制器40还将接收到数据存 储在存储单元50内， 以便于将运动数据到处， 进而便于患者或者其它人直接获取佩戴该智 能脚环的患者在运动时， 运动传感器10及肌电检测模块20。
22、获取到的运动数据。 在本实施例 中， 存储单元50内还存储振动器60的振动参数， 振动参数包括频率60Hz120Hz， 振幅 0.1mm2mm。 当智能脚环提供振动提示时， 两个脚环的交替振动的节律设置为高正常行走 节律10的频率， 同时患者可以以此为基础根据自己的感觉进行调节。 0034 在本实施例中， 所述通信模块30上包含有无线通信模块(图未示)， 所述无线通信 模块向外是用于与智能终端设备(图未示)进行连接， 以将所述存储单元50所存储的运动数 据信息向外传输给智能终端设备。 其中所述无线通信模块31可以为WIFI通信、 蓝牙通信、 3G 通信、 4G通信或者5G通信而， 智能终端设备。
23、则可为手机、 平板、 电视机等相关设备， 进而可使 患者或者其他人可以通过智能终端获取存储单元50内存储的运动数据。 0035 进一步地， 本实施例的智能脚环上的控制系统还包括数据处理器70， 数据处理器 70与通信模块30以及微控制器40连接， 用于将所述运动传感器10及肌电检测模块20检测得 到的数据信息进行滤波、 降噪处理， 以便于微控制器40对数据信息进行分析。 0036 所述微控制器40是用于将通信模块30传输来的数据信息进行分析， 以控制振动器 60进行相应模式的振动。 可以理解， 所述振动器60为该控制系统的输出模块， 本实施例的振 动器60具体可以有多种振动模式， 以对应患者步。
24、态的状态， 具体地， 所述振动器60为微型振 动马达， 且所述微型振动马达的振动频率及振幅可调。 0037 作为本发明的优选方案， 所述控制系统进一步包括显示器80， 所述显示器80用于 将所述运动传感器10及肌电检测模块20检测得到的数据信息进行表显， 亦即本实施例可通 过显示器80来显示患者步态的运动信息， 以供患者或者医生查询对比最近的运动信息数 据。 在本实施例中， 所述显示器80优选为OLED等触摸显示屏。 当然需要说明的是， 本实施例 的控制系统还包括有用于给该整个控制系统进行供电的电池90， 其中所述电池优选为充电 锂电池。 0038 由上可知， 本实施例的智能脚环在使用时对患者。
25、提高了振动感觉的刺激提示， 当 患者出现FOG和其他异常步态时， 智能脚环就会发出振动前馈提示， 首先， 其中一个智能脚 环先振动如左脚， 患者迈出左脚， 由左脚上的运动传感器10采集运动数据信息， 由左脚上的 通信模块30传输数据信息给右脚上的通信模块30， 右脚上的通信模块30再将数据信息传给 数据处理器70以进行滤波、 降噪等处理， 然后再传给微控制器40， 右脚上的微控制器40根据 左脚运动数据进行分析， 以此来判断患者行走重心已经移到左脚上， 控制右脚上的智能脚 环的振动器60振动， 提示病人右脚运动， 然后右脚智能脚环上的运动传感器10采集运动数 说 明 书 4/5 页 6 CN 。
26、107998643 A 6 据， 由右脚上的通信模块30传输数据信息给左脚上的通信模块30， 通过通信模块30传输给 数据处理器70， 进行滤波、 降噪等处理， 传给左脚上的微控制器40， 控制振动器60振动， 提示 病人左脚运动， 以此方式循环， 从而不断提示病人按照两个脚环振动的节律前进。 当患者 FOG或其他异常步态缓解， 正常行走时， 停止振动， 过30s， 智能脚环给病人提供运动反馈刺 激， 其功能系统示意图如附图4， 智能脚环的运动传感器10采集病人运动数据信息， 然后将 数据信息传输给数据处理器70， 进行滤波、 降噪等处理， 再传给微控制器40， 微控制器40接 收到运动数据信。
27、息， 判断病人的重心已经移动到佩戴脚环的脚上， 控制振动器60振动， 给病 人反馈现在自身运动感觉。 0039 综上， 本发明所提供的用于帕金森病人步态运动改善和训练监测的智能脚环， 采 用运动传感器及肌电检测模块来对患者的运动状态进行检测， 确保了对患者步态判断精 确， 并根据微控制器的分析来实现对患者FOG以及其他异常步态的智能检测并实现振动前 馈的智能启动和前馈转后馈的自动转换， 解决了患者病态的检测以及改善问题， 进而满足 了患者的病态需求， 以帕金森病人的日常生活及康复； 同时该智能脚环佩戴在脚部， 并用振 动器来进行不同振动模式的输出， 不仅步态检测精确性高， 而且振动刺激对患者步。
28、态的影 响效果好。 0040 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合， 为使描述简洁， 未对上述实 施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述， 然而， 只要这些技术特征的组合不存 在矛盾， 都应当认为是本说明书记载的范围。 0041 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式， 其描述较为具体和详细， 但并 不能因此而理解为对发明专利范围的限制。 应当指出的是， 对于本领域的普通技术人员来 说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护 范围。 因此， 本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 说 明 书 5/5 页 7 CN 107998643 A 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/3 页 8 CN 107998643 A 8 图3 图4 说 明 书 附 图 2/3 页 9 CN 107998643 A 9 图5 说 明 书 附 图 3/3 页 10 CN 107998643 A 10 。