一種模擬人體步態足底壓力的磁共振兼容機電刺激裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于模擬人體步態對足底的壓力且兼容磁共振的機電裝置。此機電裝置包括：1.本發明由氣壓動力模塊、控制模塊、步態壓力模擬模塊組成，氣壓動力模塊由電驅動，控制模塊由24V電壓驅動，步態壓力模擬模塊由高壓空氣驅動；2.步態壓力模擬模塊全部部件均由非鐵磁性材料制成；3.氣壓動力模塊和控制模塊放在磁共振掃描間之外，步態壓力模擬模塊放在磁共振掃描間之內；4.設置特定參數，讓步態壓力模擬模塊的受氣缸驅動的壓力刺激直板刺激被試足底。本發明能夠有效地模擬人體步態的足底壓力變化，而且兼容磁共振環境，更能讓被試保持躺著的靜止狀態接受足底刺激。
【專利說明】
一種模擬人體步態足底壓力的磁共振兼容機電刺激裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于模擬人體步態對足底的壓力且兼容磁共振的機電裝置，屬于機電一體化產品技術領域。【背景技術】
[0002]磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)也稱核磁共振成像，是利用核磁共振原理，通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波，據此可以呈現出組織內部結構圖像。 在此基礎上發展的功能性磁共振(funct1nal MRI)技術，不僅可以定位腦激活，還能用來研究大腦活動的動態變化及其網絡功能，極大地推動了醫學、神經生理學和認知神經科學的發展。
[0003]步態是指人體步行時的姿態和行為特征，人體通過髖、膝、踝、足趾的一系列連續活動，使身體沿著一定方向移動的過程。步態通常可分為正常步態和病理步態。人類對步態的分析已經有300年的歷史，正常步態的研究對于體育健康領域的優化和提高運動成績具有重要價值;病理步態的研究對于康復工程的診斷和干預更具有不可替代的作用。研究發現，多種神經退行性疾病都會導致步態特征發生明顯變化，相應地其大腦控制網絡也會出現變化。
[0004]人們一直想要了解人體步行狀態下的大腦功能控制網絡是怎樣工作的，但面臨著兩個難題:一是傳統電子設備(比如章亞男等人的步態發生器，實用新型專利授權公告號CN 202719099 U)無法在磁共振工作間里正常工作，這是由于磁共振掃描間里的超強磁場高達 1.5T?7T，必然導致傳統機電設備包括的電線、電動機等金屬器件無法使用;二是目前的磁共振設備都必須要求被試躺在掃描臺上一動不動，但傳統步態模擬裝置要求被試站立且運動(比如宋全軍等人的步態康復訓練機器人控制系統，發明專利申請公布號CN 102225034 A)，很難在磁共振掃描間中有效地對人體步行時的足底壓力進行模擬。郝瑛等人的足底單點刺激儀(參見Hao，Y.，Manor，B.，Liu，J.，Zhang，K.，Chai，Y.F.，Lipsitz，L.，Peng，C.K?， Novak ,V., Wang,X.Y.,Zhang,J.,Fang,J.(2013)Novel MR1-Compatible Tactile Stimulator for Cortical Mapping of Foot Sole Pressure Stimuli with fMR1.Magn Reson Med，69:1194-1199)雖然可以兼容磁共振環境，但只能對足底進行單點刺激，無法做到模擬人體步態足底壓力的變化。
【發明內容】

[0005]本發明是為了避免傳統步態模擬裝置要求被試處于站立狀態和無法在磁共振環境下工作的不足，提供了一種兼容磁共振環境的人體步態足底壓力模擬設備的機電裝置， 按照此方法設計的裝置能夠兼容磁共振成像環境，能夠讓被試以靜止的被動狀態模擬人體主動步態的足底壓力變化，利用步態足底壓力模擬參數和磁共振大腦激活情況能夠進行被動康復訓練的設計與效果評估。
[0006]本發明為解決上述技術問題提出如下技術方案:
[0007]1)本發明由氣壓動力模塊、控制模塊、步態壓力模擬模塊組成。氣壓動力模塊、控制模塊、步態壓力模擬模塊三者之間用空心非鐵磁性氣管(比如塑料氣管)連接來傳送高壓空氣，高壓空氣從氣壓動力模塊生成，經控制模塊調制后輸入步態壓力模擬模塊(參見圖1， 實線箭頭代表氣流方向)；
[0008]2)步態壓力模擬模塊采用高壓空氣驅動，步態壓力模擬模塊的所有部件(包括但不限于氣缸、緩沖器、腳部固定器、小腿固定器、角度調整器、撐板、固定直板、壓力刺激直板、轉動點和直桿)均由非鐵磁性材料(比如氣缸由鋁制成、其余部件均由尼龍制成)制作而成(參見圖1，步態壓力模擬模塊的所有部件已用虛線圍起來)；
[0009]3)具有磁共振兼容性的步態壓力模擬模塊放在磁共振掃描間之內的掃描臺上，不具有磁共振兼容性的氣壓動力模塊和控制模塊放在磁共振掃描間之外；[0〇1〇]4)氣壓動力模塊包含氣栗和非鐵磁性氣管，氣壓動力模塊由220V交流電驅動，利用氣栗(比如醫用氣栗)輸出最高達〇.8Mpa的高壓空氣；
[0011]5)控制模塊由電驅動，電壓為12?24V，電流0.5?1A，可接受人工輸入的步態模擬參數，輸出0.1Mpa(常壓)?0.8Mpa的受控氣壓；
[0012]6)控制模塊包括比例閥、五通閥及其控制電路，預設的步態模擬參數可以通過控制電路調節模擬輸出的步態足底壓力時間序列，控制電路對比例閥進行控制從而調節氣壓動力模塊的輸出氣壓，控制電路對五通閥進行控制從而調節步態壓力模擬模塊的氣缸a和氣缸b的輸入氣壓；
[0013]7)控制模塊輸出兩路獨立的模擬步態氣壓，兩路獨立的模擬步態氣壓分別對接于氣缸a和氣缸b上，兩路獨立的模擬步態氣壓最小間隔換氣時間為0.1s，最小通氣時間為 0.1s；
[0014]8)氣缸a和氣缸b受控制模塊產生的兩路步態模擬氣壓控制，當控制模塊輸出的氣壓為常壓(0.1Mpa)時，氣缸a和氣缸b處于非工作狀態；
[0015]9)當控制模塊對氣缸a輸出的氣壓大于常壓時，氣缸a的氣孔a和氣孔b處于一個進氣另一個出氣的狀態:當二者的壓力差為正時，氣缸a連接的直桿a受迫伸出，當二者的壓力差為負時，氣缸a連接的直桿a受迫縮；
[0016]10)當控制模塊對氣缸b輸出的氣壓大于常壓時，氣缸b的氣孔c和氣孔d也處于一個進氣另一個出氣的狀態:當二者的壓力差為正時，氣缸b連接的直桿c受迫伸出，當二者的壓力差為負時，氣缸b連接的直桿c受迫縮回；[〇〇17]11)刺激被試足底的壓力刺激直板由非鐵磁性硬質材料(比如尼龍)制作而成，氣缸a固定連接的直桿a和氣缸b固定連接的直桿c與壓力刺激直板活動連接，壓力刺激直板的輸出力量范圍為〇?800N;
[0018]12)固定直板與撐板是連為一體的，氣缸a和氣缸b固定在固定直板上，腳部固定器和小腿固定器固定在撐板上，但腳部固定器和壓力刺激直板之間沒有接觸；[〇〇19]13)緩沖器固定在固定直板上，用來保證直桿b只垂直于固定直板法平面運動；
[0020]14)壓力刺激直板與被試的足部直接接觸，氣缸a和氣缸b在固定直板上的位置可以移動，直桿a對準前腳掌的中心位置，直桿c對準后腳跟的中心位置，通過固定與直桿a連接的轉動點a和與直桿c連接的轉動點c在調整槽中的位置，此設備可以適應中國標準25? 60碼的腳；
[0021] 15)通過調整腳部固定器和小腿固定器上，可以自適應地保證被試的腳部和小腿被固定住；
[0022] 16)腳部固定器和小腿固定器之間由角度調整器連接，角度調整器可以讓腳部固定器底面和小腿固定器腹部的夾角范圍做到30°?90°。[〇〇23]空氣不具有鐵磁性，不會受到強磁力環境影響。本發明的步態壓力模擬模塊采用高壓空氣驅動，保證了步態壓力模擬模塊的動力不會被磁共振的強磁力環境影響。鋁和尼龍等非鐵磁性材料不會受到強磁力環境的影響。步態壓力模擬模塊的所有部件均由非鐵磁性材料制作而成，保證了步態壓力模擬模塊本身不會受到磁共振的強磁力環境影響。
[0024]具有磁共振兼容性的步態壓力模擬模塊放在磁共振掃描間之內，讓被試能夠在磁共振掃描間中接受被動的步態足底壓力模擬。不具有磁共振兼容性的氣壓動力模塊和控制模塊放在磁共振掃描間之外，讓氣壓動力模塊和控制模塊不受磁共振的強磁力環境影響。
[0025]人體在實際行走時主要是前腳掌和后腳跟這兩個點著地，因此本發明使用了兩個氣缸來控制壓力刺激直板對被試進行足底刺激，氣缸a和氣缸b分別固定連接的直桿a和直桿c受控制模塊提供的受控氣壓控制而伸縮并以緩沖器控制的直桿b為支點，進而控制壓力刺激直板刺激被試足底。在模擬步態的過程中，直桿a、b、c可以做到同時伸出以模擬足底完全著地的足底壓力，直桿a、b、c可以做到同時縮回以模擬足底完全離地的足底壓力，也可以做到直桿a伸出的同時直桿c縮回以模擬前腳掌著地的足底壓力，更可以做到直桿a縮回的同時直桿3伸出以模擬后腳跟著地的足底壓力。
[0026]壓力刺激直板直接刺激被試的足底，氣缸a和氣缸b在固定直板上的位置可以移動，直桿a對準前腳掌的中心位置，直桿c對準后腳跟的中心位置，通過固定與直桿a連接的轉動點a和與直桿c連接的轉動點c在調整槽中的位置，此設備可以適應中國標準25?60碼的腳
[0027]腳部固定器和小腿固定器可以讓被試的腳部和小腿固定在撐板上保持靜止，從而讓被試能夠接受被動的足底壓力刺激。角度調整器可以調節腳部固定器和小腿固定器的角度，從被試在躺下時能夠曲腿接受足底刺激，從而更加舒服。[〇〇28]與已有技術對比來看，本發明的有益效果體現在:
[0029]本發明能夠有效地模擬人體步態的足底壓力變化，而且兼容磁共振環境，更能讓被試保持躺著的靜止狀態接受足底刺激。【附圖說明】
[0030]圖1為本發明裝置的邏輯模塊示意圖，實線箭頭代表氣流方向，步態壓力模擬模塊包含的所有部件已用虛線圍起來。
[0031]圖2是本發明裝置的結構示意圖。
[0032]圖3是步態壓力模擬機電裝置放置在磁共振掃描間外的水模磁共振掃描圖a和工作的步態壓力模擬機電裝置放置在磁共振掃描間內的水模磁共振掃描圖b。[〇〇33]圖4是本發明模擬的足底總壓力值與實際行走的足底總壓力值對比圖。
[0034]圖中標號:1氣壓動力模塊;2控制模塊;3非鐵磁性氣管;4氣缸a;5緩沖器;6氣孔c; 7.氣孔a; 8氣孔b; 9固定直板;10直桿a; 11轉動點a; 12直桿b; 13轉動點b; 14.壓力刺激直板； 15腳部固定器；16角度調整器；17小腿固定器；18直桿c; 19氣缸b; 20撐板;21氣孔d; 22調整槽;23轉動點c; 24步態壓力模擬模塊。【具體實施方式】[〇〇35]以下通過具體實施例對本發明做進一步說明，以便更好地理解本發明，但本發明并不局限于此。下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的電源、材料等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。[〇〇36]1 ?常規實施流程如下:[〇〇37]1)使用塑料空心氣管連接氣壓動力模塊、控制模塊、步態壓力模擬模塊，使用鋁制成的氣缸a和氣缸b，使用尼龍制成的氣缸、緩沖器、腳部固定器、小腿固定器、角度調整器、 撐板、固定直板、壓力刺激直板、轉動點和直桿；[〇〇38]2)在磁共振工作室外放置氣壓動力模塊和控制模塊，并在控制模塊上設置好步態模擬參數，使輸出的兩路模擬步態氣壓是方波波形的氣壓脈沖，最高氣壓為〇.24MPa，脈沖頻率1Hz，相位差為90°，占空比50 %，刺激周期時長Is，刺激重復次數7次，刺激間隔時間 30s ；[〇〇39]3)將步態壓力模擬模塊放置在磁共振工作室內；
[0040]4)右利腳被試進入磁共振工作室，躺在工作臺上后，其右腳放置在步態壓力模擬模塊的腳部固定器和小腿固定器中；[〇〇4115)—種梯度回波平面成像序列(GRE-EPI)被用在GE的3T磁共振掃描機上，其采集參數設置如下:GE的3T磁共振掃描機，一種梯度回波平面成像序列(GRE-EPI)，TR = 2000ms， TE = 30ms，翻轉角=90°，矩陣=64 X 64，厚度/間距=，F0V = 24*24cm，33交錯軸位片；[〇〇42]6)給氣壓動力模塊接通220V的常規電源，給控制模塊接通24V的輸入電源，打開控制開關，讓步態壓力模擬模塊開始工作。在一個刺激周期中，壓力刺激直板會先只刺激被試的后腳跟，再刺激被試的前腳掌和后腳跟，然后刺激被試的前腳掌，最后既不刺激前腳掌也不刺激后腳跟。[〇〇43]2.磁共振兼容效果測試:
[0044]為了檢驗此裝置的磁共振兼容性，我們在磁共振掃描間中放置了水模進行磁共振兼容性掃描測試，掃描參數如下:GE的3T磁共振掃描機，一種梯度回波平面成像序列(61^_ EPI)，TR = 2000ms，TE = 30ms，翻轉角=90°，矩陣=64 X 64，厚度/ 間距=4mm/ 1mm，F0V = 24* 24cm2，33交錯軸位片。此測試選擇了 2種情況進行對照實驗:1.把步態壓力模擬機電裝置放置在磁共振掃描間外進行水模的掃描(參見圖3a) ;2.把正在工作的步態壓力模擬機電裝置放置在磁共振掃描臺上進行水模的掃描(參見圖3b)。對比實驗結果(參見圖3)，我們可以發現二者之間沒有明顯區別，說明此步態壓力模擬機電裝置具有磁共振兼容性，不會影響磁共振圖像的質量。[〇〇45]3.人體步態足底壓力模擬效果測試:[〇〇46]為了檢驗此裝置模擬步態足底壓力的效果，我們使用了足底壓力測量鞋墊(壓力傳感器個數=99，采樣頻率=2ms，采集壓力范圍=0?1000N，精度=0.01N)來測量被試實際行走時的足底總壓力和被試在此裝置上一個周期內受到的足底總壓力。一名被試(年齡 =23歲，體重= 60kg)的典型結果是實際行走的步態壓力時間序列與步態模擬足底壓力的時間序列的皮爾遜相關系數為0.87(參見圖4)，說明此裝置具有模擬步態足底壓力的可行性。
【主權項】
1.本發明是一種磁共振兼容的人體步態足底壓力模擬機電裝置，其特征在于:所述的 步態足底壓力模擬器由氣壓動力模塊(1 )、控制模塊(2 )、步態壓力模擬模塊(24)組成，步態 壓力模擬模塊(24)包含的氣缸a (4)和氣缸b (8)分別與直桿a (10)和直桿c (18)固定連接，直 桿a(10)、直桿b(12)和直桿c(18)與壓力刺激直板(14)活動連接，腳部固定器(15)和壓力刺 激直板(14)之間沒有接觸，固定直板(9)與撐板(20)固定連接，氣缸a(4)、氣缸b(8)和緩沖 器(5)固定于固定直板(9)。2.根據權利要求1所述的人體步態足底壓力模擬裝置，其特征在于:氣壓動力模塊(1)、 控制模塊(2)、步態壓力模擬模塊(24)之間用非鐵磁性氣管(3)連接，步態壓力模擬模塊 (24)采用高壓空氣驅動，且步態壓力模擬模塊(24)全部部件均由非鐵磁性材料制成，步態 壓力模擬模塊(24)的全部部件包含但不限于氣缸a(4)、氣缸b(8)、緩沖器(5)、腳部固定器 (15)、小腿固定器(17)、角度調整器(16)、固定直板(9)、壓力刺激直板(14)、直桿a(10)、直 桿 b(12)、直桿 c(18)。3.根據權利要求1所述的人體步態足底壓力模擬裝置，其特征在于:氣壓動力模塊(1) 由電驅動，輸出最高壓力為〇.8Mpa。4.根據權利要求1所述的人體步態足底壓力模擬裝置，其特征在于:控制模塊(2)由電 驅動，輸入電壓為12?24V，輸入電流為0.5?1A，輸出最高壓力為0.8Mpa。5.根據權利要求1所述的人體步態足底壓力模擬裝置，其特征在于:步態壓力模擬模塊 (24)由高壓空氣驅動，壓力刺激直板(14)的輸出壓力范圍為0?800N。6.根據權利要求1所述的人體步態足底壓力模擬裝置，其特征在于:步態壓力模擬模塊 (24)包含腳部固定器(15)、小腿固定器(17)，腳部固定器(15)和小腿固定器(17)之間由角 度調整器(16)連接，腳部固定器(15)底面和小腿固定器(17)腹部的夾角范圍可調節并固定 為30° ?90°。7.根據權利要求1所述的人體步態足底壓力模擬裝置，其特征在于:氣缸a(4)和氣缸b (19)在固定直板(9)上的位置可以移動，直桿a(10)對準前腳掌的中心位置，直桿c(18)對準 后腳跟的中心位置，壓力刺激直板(14)與被試足底接觸。
【文檔編號】A61B5/103GK105963023SQ201610249066
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月20日
【發明人】張凱, 龍云飛, 柴玉峰, 郝瑛, 布萊德·曼納, 張曉東, 王霄英, 張玨, 方競
【申請人】北京大學