用于辅助步态干预和跌倒预防的系统和方法技术方案

本发明专利技术描述了一种用于步态干预和跌倒预防的系统。所述系统被结合到连体套装中，所述连体套装具有多个分布式传感器和前庭‑肌肉Biostim阵列。当所述前庭‑肌肉Biostim阵列包括多个分布式执行器时，所述传感器可操作以用于将生物传感器数据提供至所述分析模块。所述分析模块与所述连体套装和所述传感器连接并且可操作以用于接收生物传感器数据并且分析特定使用者的步态并且预测跌倒。最后，包括闭环Biostim控制模块以用于激活所述前庭‑肌肉Biostim阵列以补偿预测跌倒的风险。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于辅助步态干预和跌倒预防的系统和方法相关申请的交叉引用本专利技术是于2015年2月12日提交的美国临时申请No.62/115,495的非临时专利申请，该申请的内容全部以引用的方式结合在本文中。
技术介绍
(1)专利
本专利技术涉及一种跌倒预防系统，并且具体地，涉及一种结合套装和传感器以通过使用者预测即将发生的跌倒并且发起从事预防这种跌倒的协议的系统。(2)相关技术的描述跌倒是导致现役军人(参见所结合的参考文献列表，第33号和第35号参考文献)以及老年人住院治疗的重要原因。例如，每年有三分之一65岁以上的人将经历虚弱导致的跌倒，估计每年直接花费在跌倒上的健康治疗费用超过300亿美元(参见第8号参考文献)。负重(例如，背包重量)和疲劳增加跌倒事故的危险(参见第24号和第25号参考文献)。为了减轻跌倒的风险，需要可操作以保护使用者免受与这种跌倒相关联的损伤的系统。现有技术例如通过加速计检测跌倒，并且使用坚硬的承重外骨骼来停止跌倒。外骨骼的问题在于它们是不舒服的、笨重的和昂贵的。进一步地，这种外骨骼是笨拙的并且如果它们耗尽电量，则会阻碍穿戴者的移动性。利用这种笨重的、坚硬的外骨骼，现有技术解决方法可能等待，直到跌倒发生为止，然后检测跌倒并且使用该坚硬的外骨骼来停止跌倒。现有技术也受累于其感测能力。为了感测使用者的步态，仅可以将粗略的身体配置数据(诸如撞击足部定时)应用于某种步态病理学(诸如足下垂)(参见第42号参考文献)。进一步地，为了感测跌倒，在外骨骼中采用陀螺传感器(参见第3号参考文献)(其进行检测，但不进行预测)。有时采用不可穿戴的视频运动捕获系统(参见第44号参考文献)，其降低了这种系统的移动性。其它系统采用不可靠的自我报告(参见第9号参考文献)，其仅可以检测跌倒，但是不可以预测跌倒。进一步地，这种系统不主动监视外部跌倒预测指标，诸如绊倒的危险(参见第2号参考文献)。现有技术中存在关于推断和预测生物力学状态的能力的其它限制。例如，用于步态分析的一般生物力学模型不大可能捕获从高的、肌肉发达的军人到矮的老年患者的惯性属性的范围。针对肌肉骨骼动力学模拟推断出肌肉激活的现有技术分别是OpenSim(参见第7号参考文献)和CMC(参见第38号和第39号参考文献)。尽管精确，但是这些模型在计算上太密集以至于不能在实时嵌入式系统上运行(参见第34号和第31号参考文献)。现有控制软件也受到各种限制。例如，迄今为止，仅仅已经针对姿势稳定性研究了对动摇的人反应的正演模型(参见第18号、第19号和第21号参考文献)。另外，基于优化算法的传统关节力矩控制方法(参见第15号和第16号参考文献)在计算上太密集以至于不能在实时嵌入式系统上运行。进一步地，用于行走的领先的基于动量的方法包括捕获点方法(参见第23号参考文献)，并且当可用立足点受到限制时，立足点放置控制(参见第26号参考文献)可能是有问题的。用于现有系统的致动器也受到限制。外骨骼通常是重的且耗电的，并且在处于非辅助模式下时阻碍移动。进一步地，虽然已经使用了前庭电刺激(GVS)来增强姿势平衡控制(参见第32号参考文献)，但是在综合方法中还未采用其来控制肌肉刺激。相反，现有技术使用刺激肌肉激活的功能性电刺激(FES)；然而，仅仅将FES施加至一个或者两个位置，从而将其适用性限制到某种步态病理学(诸如足下垂)(如例如在第42号参考文献中所描述的)。最后，对跌倒预防的训练通常使用锻炼游戏(参见第41号参考文献)，这种训练是预防性的而非预测性的。因此，持续需要一种跌倒预防系统，该跌倒预防系统在仍然可操作用于通过使用者预测即将发生的跌倒并且发起参与预防这种跌倒的协议的同时是敏捷的(具有低功率和轻重量)并且可以易于使用者穿戴。
技术实现思路
本专利技术描述了一种用于步态干预和跌倒预防的系统。在各个实施方式中，该系统包括连体套装，该连体套装具有多个分布式传感器和前庭-肌肉Biostim阵列(vestibulo-muscularbiostimarray)。分析模块与连体套装和传感器连接。分析模块可操作以用于接收传感器数据，并且基于该传感器数据来分析特定使用者的步态并且预测跌倒。闭环Biostim控制模块还包括在系统中，并且按照期望与套装连接。闭环Biostim控制模块可操作以用于激活所述前庭-肌肉Biostim阵列以补偿预测跌倒的风险。在另一方面中，前庭-肌肉Biostim阵列包括多部位前庭电刺激(GVS)执行器，该GVS执行器靠近套装的头部，因此，GVS执行器可操作以用于增强使用者的前庭感觉。在又一方面中，前庭-肌肉Biostim阵列还包括功能性电刺激(FES)执行器，该FES执行器定位成靠近套装的腿部，因此，FES执行器可操作以用于刺激使用者的肌肉以产生对使用者的关节力矩的直接控制。另外，闭环Biostim控制模块包括Biostim控制器，该Biostim控制器在闭环控制中将力矩和平衡调节施加至前庭-肌肉Biostim阵列的GVS执行器的FES执行器，在闭环控制中，施加力矩和平衡调节，直到达到补偿效果为止。进一步地，连体套装是由弹性布料制成的共形连体套装，其中，前庭-肌肉Biostim阵列与连体套装连接，使得在穿戴连体套装时将前庭-肌肉Biostim阵列的执行器被定位成抵靠使用者的身体。在另一方面中，多个分布式传感器选自由肌电(EMG)传感器、惯性测量单元(IMU)传感器和地面反作用力(GRF)传感器组成的组。另外，在各个实施方式中，至少一些传感器可操作以用于将生物传感器数据提供至分析模块。分析模块包括肌肉骨骼模型、步态分析模块和跌倒预测模块。步态分析模块基于生物传感器数据来更新肌肉骨骼模型并且分析特定使用者的步态。进一步地，跌倒预测模块提前运行更新的肌肉骨骼模型以确定跌倒风险是否增高。在又一方面中，闭环Biostim控制模块包括平衡控制器，该平衡控制器确定补偿预测跌倒的风险所要求的关节力矩和前庭平衡调节。在另一方面中，前庭-肌肉Biostim阵列包括触觉执行器，该触觉执行器靠近套装的腰部，因此触觉执行器可操作以用于警告使用者预测的跌倒。最后并且如上所提到的，本专利技术还包括计算机程序产品和计算机实现方法。计算机程序产品包括计算机可读指令，该计算机可读指令存储在非暂时性计算机可读介质上，该计算机可读指令可由具有一个或者多个处理器的计算机执行，使得在执行该指令时，使得一个或者多个处理器执行本文所列出的操作。可替代地，计算机实现方法包括使计算机执行这种指令并且执行所得到的操作的动作。附图说明结合对以下附图的参考，本专利技术的目的、特征和优点将通过本专利技术的各个方面的以下详细描述变得显而易见，在附图中，图1是示出根据本专利技术的各个实施方式的系统的组件的框图；图2是具体实现为本专利技术的一方面的计算机程序产品的图示；图3是示出了结合到软套装并且由使用者穿戴的根据各个实施方式的系统的图示；图4是示出了根据各个实施方式的系统的模块的高级系统示意图；图5A是集成主要子系统以执行感测、处理和致动的软套装的图示；图5B是提供了根据本专利技术的各个实施方式的适用于结合到重量轻且功率低的软套装的各个组件的示例的表格；图5C是提供了根据本专利技术的各个实施方式的适用于结合到重量轻且功率低的软套装的各个组件的示例的表格；图6是示出了根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于步态干预和跌倒预防的系统，所述系统包括：连体套装，所述连体套装具有多个分布式传感器和前庭‑肌肉Biostim阵列；分析模块，所述分析模块与所述连体套装和传感器连接，所述分析模块可操作以用于接收传感器数据并且基于所述传感器数据来分析特定使用者的步态并且预测跌倒；以及闭环Biostim控制模块，所述闭环Biostim控制模块可操作以用于激活所述前庭‑肌肉Biostim阵列以补偿所预测的跌倒的风险。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.12 US 62/115,4951.一种用于步态干预和跌倒预防的系统，所述系统包括：连体套装，所述连体套装具有多个分布式传感器和前庭-肌肉Biostim阵列；分析模块，所述分析模块与所述连体套装和传感器连接，所述分析模块可操作以用于接收传感器数据并且基于所述传感器数据来分析特定使用者的步态并且预测跌倒；以及闭环Biostim控制模块，所述闭环Biostim控制模块可操作以用于激活所述前庭-肌肉Biostim阵列以补偿所预测的跌倒的风险。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列包括多部位前庭电刺激GVS执行器，所述GVS执行器靠近所述套装的头部，因此，所述GVS执行器可操作以用于增强使用者的前庭感觉；其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列还包括功能性电刺激FES执行器，所述FES执行器被定位成靠近所述套装的腿部，因此，所述FES执行器可操作以用于刺激使用者的肌肉以产生对所述使用者的关节力矩的直接控制；其中，所述闭环Biostim控制模块包括Biostim控制器，所述Biostim控制器在施加力矩和平衡调节直到实现补偿效果的闭环控制中将所述力矩和平衡调节施加至所述前庭-肌肉Biostim阵列的GVS执行器的所述FES执行器；其中，所述连体套装是由弹性布料制成的共形连体套装，其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列与所述连体套装连接，使得在穿戴所述连体套装时所述前庭-肌肉Biostim阵列的所述执行器被定位成抵靠使用者的身体；其中，所述多个分布式传感器选自由肌电EMG传感器、惯性测量单元IMU传感器和地面反作用力GRF传感器组成的组；其中，所述传感器可操作以用于将生物传感器数据提供至所述分析模块；其中，所述分析模块包括肌肉骨骼模型、步态分析模块和跌倒预测模块，其中，所述步态分析模块基于所述生物传感器数据来更新所述肌肉骨骼模型并且分析特定使用者的步态，以及其中，所述跌倒预测模块提前运行更新后的所述肌肉骨骼模型以确定跌倒风险是否增高；其中，所述闭环Biostim控制模块包括平衡控制器，所述平衡控制器确定补偿所预测的跌倒的风险所要求的关节力矩和前庭平衡调节；以及其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列包括触觉执行器，所述触觉执行器被定位成靠近所述套装的腰部，因此，所述触觉执行器可操作以用于警告使用者所预测的跌倒。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列包括多部位前庭电刺激GVS执行器，所述GVS执行器靠近所述套装的头部，因此，所述GVS执行器可操作以用于增强使用者的前庭感觉。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列包括功能性电刺激FES执行器，所述FES执行器被定位成靠近所述套装的腿部，因此，所述FES执行器可操作以用于刺激使用者的肌肉以产生对所述使用者的关节力矩的直接控制。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列包括多部位前庭电刺激GVS执行器，所述GVS执行器靠近所述套装的头部，以及其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列包括功能性电刺激FES执行器，所述FES执行器被定位成靠近所述套装的腿部，以及其中，所述闭环Biostim控制模块包括Biostim控制器，所述Biostim控制器在施加力矩和平衡调节直到实现补偿效果的闭环控制中将所述力矩和平衡调节施加至所述前庭-肌肉Biostim阵列的GVS执行器的所述FES执行器。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列包括多个分布式执行器，以及其中，所述连体套装是由弹性布料制成的共形连体套装，其中，所述前庭-肌肉Biostim阵列与所述连体套装连接，使得在穿戴所述连体套装时所述前庭-肌肉Biostim阵列的所述执行器被定位成抵靠使用者的身体。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个分布式传感器选自由肌电EMG传...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·德萨皮奥，M·D·霍华德，S·E·切兰，M·齐格勒，M·E·菲利普斯，K·R·马丁，H·霍夫曼，
申请(专利权)人：赫尔实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US