ЭРГОМЕТР ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ, ВКЛЮЧАЮЩЕЙ АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ СПАЗМОМ
ERGOMETER FOR FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATION, INCLUDING AUTOMATIC SPASM CONTROL

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к системам функциональной электростимуляции (ФЭС) для реабилитации лиц, перенесших неврологические травмы. В частности, настоящее изобретение относится к устройству, в котором используется как механическая, так и электрическая стимуляция мышц индивидуума.
Уровень техники
[0002] Пациенты с повреждениями спинного мозга получают повышенный терапевтический эффект от тренировок на эргометрах с включением ФЭС. Однако, когда конечности пациента приводятся в движение и/или когда стимуляция применяется в начале сеанса, многие пациенты страдают от мышечных спазмов. Этот спазм часто не позволяет пациентам тренироваться в течение нескольких минут, пока спазмы не утихнут. Это может привести к потере времени как пациентом, так и терапевтом или лицом, осуществляющим уход, и привести к сокращению лечебных или профилактических эффектов, которые пациент получает от эргометра ФЭС.
[0003] Современные способы минимизации спазма включают:
[0004] 1. Растяжение ног пациента перед ездой. Проблема этого способа состоит в том, что он трудоемок и не всегда дает желаемые результаты.
[0005] 2. Наблюдение терапевта за пациентом при применении стимуляции и предотвращение вручную увеличения стимуляции, когда у пациента появляются ранние признаки спазма. Проблема с этим подходом состоит в том, что он требует присутствия хорошо обученного терапевта во время тренировки пациента. Это не всегда осуществимо.
[0006] 3. Настройка эргометра ФЭС на очень медленное увеличение уровней стимуляции на субъекте, чтобы мышцы пациента приспосабливались к стимуляции. Проблема с этим решением состоит в том, что терапевт должен быть обучен тому, как настроить эргометр ФЕС для пациента, у которого, как известно, есть спазмы. Другая проблема заключается в том, что пациенту требуется больше времени для получения максимальной пользы от подачи импульсов ФЭС, поскольку стимуляция нарастает медленно. Пациент может лишь иногда страдать от спазма и в этом случае было бы лучше активизировать стимуляцию быстрее, если пациент не страдает от спазма.
Раскрытие изобретения
[0007] В соответствии с изобретением предложено устройство функциональной электростимуляции, имеющее опору для левой конечности и опору для правой конечности, причем обе опоры для конечностей соединены с первичным приводным двигателем, выполненным с возможностью приведения в движение опоры для конечностей возвратно-поступательно; причем опора для левой конечности соединена с серводвигателем опоры левой конечности, а опора для правой конечности соединена с серводвигателем опоры правой конечности, при этом каждый из упомянутых серводвигателей опор для правой и левой конечностей выполнен с возможностью приведения во вращение соответствующей опоры для конечности вокруг оси. Устройство дополнительно имеет блок управления, соединенный с серводвигателями опор для левой и правой конечностей, выполненными с возможностью управления приведением в действие серводвигателей опор для левой и правой конечностей. Блок управления также может включать в себя выводы функциональной электростимуляции, прикрепленные к накожным клеящимся электродам, выполненным с возможностью подачи электростимуляции к мышцам пациента.
[0008] Устройство дополнительно содержит автоматическую систему регулирования спазма, содержащую монитор, выполненный с возможностью который непрерывного контроля крутящего момента, необходимого для вращения, сконфигурированный с возможностью вычисления скорости или обеих опор для левой и правой конечностей, и контроллер одной изменения указанного крутящего момента и для вычисления максимальной электростимуляции, максимальной скорости нарастания стимуляции, максимальной скорости серводвигателя и максимальной скорости разгона серводвигателя.
[0009] Согласно дополнительным вариантам воплощения система функциональной электростимуляции имеет два приводных рычага, соединяющих первичный приводной двигатель с каждой из указанных опор для левой и правой конечностей, причем приводные рычаги необязательно имеют различные точки крепления для соединения с соответствующими правым и левым кривошипами в разных положениях крепления. В соответствии с дополнительными вариантами воплощения, опоры для конечностей прикреплены к приводным рычагам посредством соответствующих левого и правого кривошипов.
[00010] Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения контроллер указанной автоматической системы регулирования спазма сконфигурирован с возможностью идентификации возможного начала спазма, когда контролируемая величина крутящего момента или скорость изменения крутящего момента превышает предварительно заданное значение, и при превышении контролируемой величины крутящего момента или скорости изменения крутящего момента в отношении указанного заранее заданного значения для сравнения текущего уровня электростимуляции с указанной вычисленной максимальной стимуляцией и сравнения текущей частоты вращения кривошипа с указанной вычисленной максимальной скоростью кривошипа, и для отправки команды к упомянутому блоку управления, подключенному к серводвигателям левой и правой опор для конечностей, и к указанным выводам функциональной электростимуляции для уменьшения величины электростимуляции и частоты вращения кривошипа.
[00011] Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения предложено терапевтическое устройство для тренировки мышц, имеющее основание велотренажера, сконфигурированное с возможностью установки верхних или нижних конечностей субъекта и оказания помощи субъекту в тренировке мышц; причем основание велотренажера имеет первую опору для конечностей и вторую опору для конечностей, причем указанные опоры для конечностей, выполнены с возможностью приведения в движение двигателем, управляемым контроллером, или сопротивления движению, при этом устройство дополнительно содержит контроллер функциональной электростимуляции, причем контроллер функциональной стимуляции и первая и вторая опоры для конечностей и основание велотренажера сконфигурированы с возможностью помощи субъекту в движении верхних или нижних конечностей; при этом указанное устройство дополнительно содержит автоматическую систему регулирования спазма, содержащую монитор, сконфигурированный с возможностью непрерывного мониторинга крутящего момента, необходимого для вращения одной или обеих из указанных опор для левой и правой конечности, причем упомянутый контроллер сконфигурирован с возможностью вычисления скорости изменения указанного крутящего момента, максимальной скорости серводвигателя и максимальной скорости разгона серводвигателя, причем указанный контроллер функциональной электростимуляции сконфигурирован с возможностью вычисления максимальной электрической стимуляции и максимальной скорости нарастания стимуляции.
[00012] Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения контроллер выполнен с возможностью управления изометрической функциональной электростимуляцией мышц субъекта.
[00013] В соответствии с дополнительными вариантами воплощения изобретения предложен способ тренировки конечностей субъекта, включающий: размещение конечностей субъекта в опоре для конечностей устройства, описанного в настоящем документе, размещение электродов электростимуляции на конечностях субъекта и выполнение тренировки конечностей субъекта.
[00014] Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения этап тренировки включает в себя активную помощь субъекту в перемещении конечностей субъекта путем вращения опор для конечностей вокруг точки опоры для конечностей.
[00015] В соответствии с дополнительными вариантами воплощения изобретения способ включает в себя оказание помощи субъекту в тренировке конечностей субъекта посредством изометрической функциональной электростимуляции.
[00016] Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения способ включает в себя увеличение электростимуляции мышц и уменьшение двигательной помощи.
[00017] Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения электростимуляция вызывает скоординированные сокращения мышц, и опоры конечностей не приводятся во вращение.
[00018] Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения, способ включает в себя увеличение двигательной помощи и уменьшение электростимуляции.
[00019] Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения, автоматическая система регулирования спазма сконфигурирована с возможностью идентификации возможного начала спазма, при превышении контролируемой величины крутящего момента или скорости изменения крутящего момента в отношении заранее заданного значения, и при превышении контролируемой величины крутящего момента или скорости изменения крутящего момента в отношении указанного заранее заданного значения, и сравнения текущей частоты вращения кривошипа с указанной вычисленной максимальной частотой вращения кривошипа, причем указанный контроллер электростимуляции сконфигурирован с возможностью сравнения текущего уровня электростимуляции с указанной вычисленной максимальной стимуляцией.
Описание чертежей
[00020] Последующее описание предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения представлено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
[00021] На фиг. 1 показана система велотренажера с функциональной электростимуляцией RT300™ посредством восстановительной терапии с автоматической системой регулирования спазма согласно изобретению, установленной в контроллере RT300™.
Подробное описание изобретения
[00022] Раскрытие изобретения, приведенное выше, можно лучше понять, обратившись к нижеследующему описанию, прилагаемым чертежам и формуле изобретения, приведенным ниже. Описание варианта воплощения, изложенное ниже, чтобы обеспечить возможность реализации изобретения, предназначено не для ограничения предпочтительного варианта воплощения, а для того, чтобы служить его конкретным примером. Специалистам в данной области должно быть понятно, что они могут легко использовать идею и конкретные варианты воплощения, раскрытые в качестве основы, для модификации или разработки других способов и систем для достижения тех же целей настоящего изобретения. Специалисты в данной области также должны понимать, что такие эквивалентные узлы не выходят за пределы сущности и объема изобретения в его самой широкой форме. Хотя изобретение описано здесь в контексте велотренажерной системы RT300-SLSA, оно может использоваться вместе с любой системой велотренажера с ФЭС, включая системы, описанные в патентах США №№ 8 905 951 и 9 511 256, описания которых включены в настоящее описание в полном объеме.
[00023] Как показано на фиг. 1, один вариант воплощения настоящего изобретения содержит терапевтическое устройство 100 для тренировки мышц, используемое для лечения пациентов, которые могут иметь частичный или полный паралич рук и/или ног. Устройство 100 содержит основание 105 велотренажера, которое установлено на мобильной опоре 103.
[00024] Основание 105 велотренажера имеет первую опору 108 для конечностей и вторую опору 109 для конечностей. Предполагается, что в некоторых вариантах воплощения может быть включена опора только для одной конечности, для облегчения лечения субъектов, которые потеряли конечность. Каждая опора 108 и 109 для конечностей прикреплена к основанию велотренажера с помощью первого вращающегося рычага 114 и второго вращающегося рычага 115, соответственно.
[00025] Вращающиеся рычаги 114 и 115 прикреплены к опорам 108 и 109 для конечностей в точке 130 и 131 поворота опор для конечностей. Такая конфигурация позволяет ноге субъекта вращаться как обычно, как это было бы при естественном выполнении циклического движения. Вращающиеся рычаги соединены с основанием 105 велотренажера в точке 140 поворота основания. В предпочтительном варианте воплощения точка 140 поворота основания содержит вал, проходящий через канал, который проходит через основание; при этом вал соединяет конец основания первого вращающегося рычага 114 с концом основания второго вращающегося рычага 115. В таком варианте воплощения вал затем равномерно вращается вокруг точки 140 поворота основания. В других вариантах воплощения вращающиеся рычаги 114, 115 могут соединяться с двумя независимо вращающимися валами в точке 140 поворота основания, что позволяет опорам 108 и 109 для конечностей вращаться независимо друг от друга.
[00026] Основание 105 велотренажера также содержит две опоры 148, 149 для икр ног. В некоторых вариантах воплощения опоры 148 и 149 для икр ног соединены с опорами для конечностей 108 и 109 посредством соединительного звена 153, 154. В других вариантах воплощения опоры 148 и 149 для икр ног могут быть не связаны с опорами для конечностей 108 и 109.
[00027] Устройство 100 также содержит контроллер 175 функциональной электростимуляции. Контроллер 175 управляет электрическими импульсами, подаваемыми к мышцам субъекта, через ряд выводов 159, которые соединены с контроллером 175 посредством подводящего кабеля 156. Контроллер 175 также управляет двигателем (не показан), который управляет частотой вращения вращающихся рычагов 114 и 115. Контроллер 175 координирует вращение вращающихся рычагов 114 и 115 в сочетании с функциональной электростимуляцией через выводы 159 в зависимости от уровня потребностей субъекта. В некоторых случаях контроллер 175 будет направлять полное движение вращающихся рычагов 114 и 115 в сочетании с электрической стимуляцией, приводящей к полностью вызванному ФЭС движению. В качестве альтернативы контроллер 175 может уменьшить уровень содействия, предоставляемого двигателем и электростимуляцией, позволяя субъекту произвольное движение. В еще одном дополнительном варианте воплощения контроллер 175 не будет оказывать никакого содействия, чтобы позволить субъекту вращать опоры для конечностей 108, 109 без посторонней помощи. Контроллер 175 предоставляет такое содействие, которое необходимо субъекту, и регулируется пользователем.
[00028] Аналогичным образом, могут быть предусмотрены опоры 208 и 209 для запястья и кисти, которые могут быть прикреплены к вращающимся рычагам 214 и 215 в точке 240 поворота основания с последующим креплением к опорам 208 и 209 для запястья и кисти.
[00029] В одном варианте воплощения предложен способ тренировки конечностей субъекта. Согласно этому варианту воплощения система непрерывно вращается с заданной скоростью, и она либо способствует, либо противодействует усилиям пациента. Усилия пациента являются либо произвольными, либо вызванными ФЭС. На первом этапе способа двигатель системы приводит в движение конечности субъекта, а контроллер обеспечивает начальную электростимуляцию мышц. Этот первый этап можно назвать этапом разогрева. На следующем этапе, называемом активным переходом, контроллер увеличивает электростимуляцию мышц и уменьшает двигательную поддержку до тех пор, пока мышца не примет на себя движение опор для конечностей, или пока не будет достигнут 100% порог стимуляции. На последующем этапе, называемом активным этапом, электростимуляция вызывает скоординированные сокращения мышц, когда вращающиеся рычаги 114 и 115 (и/или 214 и 215) поворачиваются вокруг точки 140 поворота (и/или 240), в результате чего мышцы субъекта выполняют циклическое движение. Комбинация вращающихся рычагов 114 и 115 (и/или 214 и 215), соединенных в точке 140 поворота (и/или 240), в настоящем документе также называется кривошипом. Как только мышечная усталость достигнута и/или обнаружена контроллером, электростимуляция снижается, а двигатель основания велотренажера принимает на себя циклическое движение. На последнем этапе, называемом успокоением, двигатель полностью выполняет циклическое движение, позволяя мышцам субъекта отдыхать, в то же время, обеспечивая движение в определенном диапазоне движения.
[00030] В соответствии с дополнительным вариантом воплощения, функция автоматической системы регулирования спазма по настоящему изобретению регулировать величину крутящего момента, необходимого для перемещения рук или ног пациента с начала терапевтического сеанса. Система также контролирует характер и скорость изменения или плавность требуемого крутящего момента при каждом повороте кривошипа эргометра. Автоматическая система регулирования спазма согласно изобретению использует увеличение необходимого крутящего момента, а также снижение плавности требуемого крутящего момента для определения мышечного тонуса и для обнаружения возникновения мышечного спазма.
[00031] Для каждой величины обнаруженного мышечного тонуса система автоматического регулирования спазма в соответствии с настоящим изобретением устанавливает максимальный уровень стимуляции, максимальную скорость нарастания стимуляции, максимальную частоту вращения кривошипа и скорость разгона кривошипа. Если возникает полный мышечный спазм, то автоматическая система регулирования спазма на некоторое время блокирует вращение кривошипа двигателя, а затем снова пытается начать сеанс терапии.
[00032] Следующий пример относится к пациенту, начинающему сеанс терапии для ног, с последующим увеличением уровня стимуляции. Если у пациента возникает спазм, крутящий момент, необходимый для помощи вращению ног, начинает колебаться, причем колебание крутящего момента будет обнаруживаться системой автоматического регулирования спазма. Аналогичным образом, если у пациента начинает проявляться высокий мышечный тонус, крутящий момент двигателя, необходимый для помощи ноге при вращении кривошипа, будет увеличиваться, и автоматическая система регулирования спазма обнаружит это увеличение. В любом случае, автоматическая система регулирования спазма вычислит максимальный уровень стимуляции и темп езды на велотренажере, подходящий для предотвращения повышения мышечного тонуса или его превращения в спазм мышц.
[00033] Если текущая терапия осуществляет стимуляцию на более высоком уровне, чем вычисленный максимальный уровень стимуляции, подходящий для предотвращения повышения мышечного тонуса или его превращения в спазм, автоматическая система регулирования спазма вызовет соответствующее снижение уровня стимуляции. Аналогичным образом, если текущий темп терапии ноги в настоящий момент идет быстрее, чем максимальный темп езды на велотренажере, чтобы предотвратить повышение мышечного тонуса или его превращение в спазм, автоматическая система регулирования спазма вызовет снижение скорости темпа.
[00034] И наоборот, если текущий уровень стимуляции ниже, чем вычисленное максимальное значение стимуляции, тогда система вычислит максимальную скорость нарастания уровня стимуляции, которая подходит для предотвращения повышения мышечного тонуса или его превращения в мышечный спазм. Система будет обеспечивать повышение уровня стимуляции со скоростью, не превышающей этот максимум.
[00035] Если темп ниже, чем вычисленное максимальное значение темпа езды на велотренажере, тогда система вычислит максимальную скорость разгона, которая подходит для предотвращения повышения мышечного тонуса или его превращения в мышечный спазм. Система будет обеспечивать повышение темпа со скоростью, не превышающей эту вычисленную максимальную скорость.
[00036] Если мышечный тонус продолжает повышаться, то все эти максимальные уровни будут дополнительно снижаться. Это позволяет мышцам пациента приспосабливаться к стимуляции, что в конечном итоге снижает мышечный тонус. По мере снижения мышечного тонуса система
будет увеличивать все эти максимальные уровни. Когда мышечный тонус отсутствует или является минимальным, система не устанавливает никаких ограничений. В этот момент сеанс терапии ФЭС будет продолжен с использованием заданного уровня стимуляции и параметров темпа.
[00037] В случае, если обнаруженный мышечный тонус не снижается с течением времени, указывая на то, что мышцы не приспосабливаются либо к предписанным уровням темпа, либо к стимуляции, автоматическая система регулирования спазма будет медленно обеспечивать более высокий уровень темпа и стимуляции. Это позволяет пациенту перейти к активной тренировке на велотренажере, даже если он или она проявляет тонус. В этом случае вполне вероятно, что обнаруженный тонус был вызван не спазмом, а другим фактором, таким как миотатический рефлекс. В соответствии с различными вариантами воплощения изобретения система может соответствующим образом регулировать уровни темпа и стимуляции для спазма и миотатического рефлекса.
[00038] Настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительный вариант воплощения. Хотя конкретные значения, взаимосвязи, материалы и этапы были изложены с целью описания сущности изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в изобретение могут быть внесены многочисленные изменения и/или модификации, как показано в конкретных вариантах воплощения, без отклонения от сущности или объема основных идей и принципов действия изобретения, которые описаны обобщенно. Следует признать, что в свете вышеприведенных идей специалисты в данной области техники могут изменять эти принципы, не отступая от сущности изобретения, изложенной в настоящем документе. Теперь, когда полностью изложены предпочтительные варианты воплощения и некоторые варианты принципов, лежащих в основе настоящего изобретения, различные другие варианты воплощения, а также определенные варианты и модификации вариантов воплощения, показанных и описанных в настоящем документе, будут очевидны специалистам в данной области техники после ознакомления с такими основными принципами. Подразумевается, что включены все такие модификации, изменения и другие варианты воплощения, если они входят в объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов. Таким образом, следует понимать, что изобретение может быть осуществлено на практике иначе, чем конкретно изложено в настоящем документе. Следовательно, настоящие варианты воплощения следует рассматривать во всех отношениях как иллюстративные без ограничения.