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【天富平台主管】探讨物联网建设的方法,以及其在滚动式站立行走器上的表现和评价

许多老年人的步态功能不佳,影响了他们的日常生活活动,并使他们的生活质量下降,这是一个问题。为了加强步态功能的康复,最好能增加训练量。本研究开发了利用物联网和测量技术主动实现有效康复的步态训练装置的测量系统,旨在将ADL(除训练时间外)视为康复,实现gconstant康复。研究者提出了一种物联网测量系统模型,将物联网系统的各个功能按层次结构进行分类,以更有效地促进系统化发展。基于该模型,研究者(1)将测量上肢负荷、加速度和步态距离的设备模块化,(2)开发了利用互联网向用户直观呈现康复目标值的设备,(3)在商用滚动式站立行走器和步态训练设备上实现了该模型。研究者证实,使用每个安装的模块都能获得很好的测量结果。本文以“Proposal for a layer-based IoT construction method and its implementation and evaluation on a rolling stand-up walker”为题于2020年6月22日发布于《ROBOMECH Journal》杂志上。

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研究背景与过程

老年人步态功能的损害影响着老年人的日常生活能力(ADL)和生活质量的恶化。增加训练量,以加强步态功能康复的效果,是可取的。不过,虽然现时在职物理治疗师的数目似乎令人满意,但实际上并不足够,因为不能为每名病人提供足够的康复服务。从目前的情况来看,以下是解决这一问题的最有效的方法:(1)定量评价康复,并有效地实施康复;(2)开展“持续康复”,即量化ADL的锻炼信息,并在任何时间、任何地点评估康复效果。

然而,对步态训练中康复效果的评价大多是定性的,是由治疗师主观地进行的,目前,出于安全考虑,通常只进行固定时间的训练。此外,运动信息的获取也很难进行。在康复中心进行调整负荷步态训练的一种常见的支持方法是使用体重秤,将受影响的腿放在一个站立的位置上,感觉到适当的负荷,并在记住感觉的同时进行行走。这种方法很简单,因为它只发生在一个静止状态,并广泛应用于临床环境,因为它允许治疗师充分检查负载情况。然而,由于步行过程中无法确定受影响的脚的负荷,因此存在安全问题,因此训练效率通常较低,而且有错误地施加过多负荷的风险。

有一些系统可以向康复患者提供负荷目标值的反馈。例如,杉山开发了一个系统,该系统使用足底压力传感器向病人提供关于步行负荷变化的声音反馈。还有一种方法是使用凉鞋式负荷计和内置的负荷测量传感器。当设置值超过时,发出警告声音。病人继续增加负荷,直到听到警告声,并在听到警告声时训练以减轻负荷。在这种方法中,病人必须穿专门的凉鞋,这往往会让人感到烦琐。因此,这种方法很少在康复场所使用,因为患者无法在日常行走条件下进行训练。

另一方面,地板反作用力测量仪可以定量测量下肢的负载量,但安装位置有限。不仅不适合测量行走等连续运动,而且操作费用昂贵,操作复杂,限制了其在一般临床设施中的应用。福山开发了一个反馈实时信息的系统,在安装地面反作用力计的地方,将测量值显示在前面的显示器上。还提出了一种能测量步行过程中运动信息的步行支撑装置(机器人)。然而,测量装置被纳入一个专门的主要单位,因此很难将其介绍到康复地点。所有这些方法都要求在身体或大型专用设备上佩戴特殊的设备,不适合在家庭或ADL期间进行连续监测。

为了解决这些缺点,研究者开发了一个基于步行器的系统,这样病人就可以每天使用它,而不需要在身体上佩戴特殊的设备。该系统通过将测量到的上肢负荷等测量值实时以数值和图形的形式提供给康复训练者,从而使康复训练器具有较高的重现性。提出了一种利用物联网(物联网)测量系统的层次结构模型,通过多媒体为患者和理疗人员提供康复效果定量数据的构建方法。研究者的目标是在步态训练中提供锻炼信息的可视化,并实现恒定的康复,即ADL的康复,以及与物理治疗师进行专门的训练时间。

研究者开发了一个步态训练测量系统,解决了脊柱和下肢疾病患者需要步态训练的传统方法存在的问题。为了解决这些问题,需要一个满足以下条件的系统:(1)病人没有负担;(2)可以测量行走过程中的负荷;(3)系统具有反馈功能,允许病人施加适当的负荷。

针对其对实际康复工作场所的实际介绍,将可连接到许多步行辅助设备上的测量装置模块化,以提高通用性和便利性。因此,可以通过将运动信息附加到家庭日常康复和日常生活中使用的步行辅助装置来测量运动信息。该系统能够向患者提供量化和可视化信息的反馈,从而实现有效的持续康复。

在研究者之前的研究中,研究者对测量仪器进行了模块化,并将其纳入Ka-391中进行了,评估由派拉蒙床制造。机器人运动步行者的外部视图如图所示。此外,还利用原型进行训练,结果发现步行训练中上肢依赖负荷可以用一个数值指标来表示,随着病人获得独立,这个指数逐渐减小。能够提供和改善家庭康复动力的持续康复也可以在病人出院后每天继续进行。

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本研究的目的和方法如下:(1)将测量仪器模块化,使其能够安装在商用步行机上;(2)引入物联网技术,将集中管理的数据可视化;(3)从日常训练到日常生活,不断测量锻炼信息。该系统具有随时随地评价运动信息和确认康复效果的特点,因为有一个可以用于康复的装置和测量系统,它与患者在家中的距离很近。此外,它还具有这样的特点,即除了日常使用的设备之外,不需要附加任何其他设备。此外,对于治疗师,可以通过自动数据管理部分和锻炼信息的量化来澄清和简化评估标准。因此,该装置具有使治疗师和病人都能集中精力进行治疗的功能。

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为了持续测量和管理康复训练期间的运动信息,在构建的测量系统中引入了物联网技术。因此,为了更有效地促进系统的发展,研究者提出了物联网测量系统模型(IMSM),该模型将物联网系统的各个功能划分为一个层次结构。

本方案的目的是明确每一项信息处理任务和系统结构。在开发物联网系统时,必须考虑到系统的性能、处理速度和零件成本,才能得到最优解。同时,需要作出相当大的努力,查明数据处理中的技术问题和瓶颈。因此,有许多因素阻碍了发展。研究者的哲学是,一个更有效的系统开发是可能的,如果找到最优解的方法是组织的,同时试图实现所设想的系统。实现这一目标的障碍之一是,每个人对物联网系统的定义可能不同;因此,如何在系统中执行每个过程或功能的想法可能因人而异。因此,决定最好界定物联网系统的共同分类,并在这些分类的基础上建立一种发展方法。IMSM随后通过在层中组织每个功能和过程,然后组织每个层的连接来定义。为了更简单地构造最优系统,决定根据每一层的测量数据流对其进行分类。这种方法是拟议的IMSM的基础。利用该方法构建系统,清晰地组织和指示了传感、数据通信和数据处理的各项任务,并在多个成员之间高效、有效地实现了系统解决方案开发过程中的信息共享。

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基于imsm的测量系统,该系统在滚动站步行器上实现,每个传感器系统都被模块化,允许在第三层的服务器上使用udp在Wi-Fi上访问,用户恢复csv数据文件在第5层被传输到服务器使用ftp。

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图为用户界面屏幕显示

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图为模块流程图

在正常和不对称步行条件下进行的示范试验的测量结果RUW目标值如图所示。这些测量是针对主语H进行的,每个图都显示了移动距离的图表。ly,上肢重量ml,mr和WU和加速度ay。显示了在正常行走条件下使用带RUW目标值为30%。给出了在非对称步行条件下的结果。RUW目标值为30%。13A显示在正常行走条件下的结果。RUW目标值为40%,给出了在非对称步行条件下的结果。RUW目标值为40%。

接下来,让研究者考虑每个条件下的结果。在正常行走的上肢重量图中,认为左右上肢重量的波形峰值是由于重心向左右移动,在行走过程中又向后移动而出现的。在这种运动过程中,加速度也发生了很大的变化,可以从波形中读出步行运动。还可以看出,加速度的波峰和波谷是有规律地排列的,它们分别代表步行者在离开地面时所受到的正加速度,以及当脚放在地面上时所施加的负加速度。步骤数可以被测量,计算加速度峰值的数目。在行进方向的加速度波形中有一个特征,在这里,脚后跟着陆(脚后跟撞击)和脚趾头起飞(脚趾头脱落)的时间可以从山峰中确定。从加速度波形数据中也可以找到行走周期时间。另一方面,可以根据移动距离数据计算步长和行走速度。一般来说,所有有用的数据,有效的康复可以获得使用该装置。

对于不对称步行数据,上肢重量图中有规则间隔出现高峰值。在加速度方面,两个峰值出现在与上肢重量峰值相同的时间间隔。因为右脚附着在块上,当重量施加于右脚时,左脚的重量很少。因此,左上肢届时会承受沉重的负荷。此外,可以看出,当重量施加在左脚,右上肢重量较轻。

考虑所需时间的移动距离图,移动距离为3m,所需时间随所需时间的不同而变化。从3m的运动距离和加速度图看,在正常行走中,7步走约3.5s。相反,在不对称行走中,发现在6个步骤中大约需要3s。人们认为出现较短的时间是因为在后一项测试中,步幅更大。由于4厘米的块附着在右脚的鞋底上,所以腿的长度变长了。上肢重量随目标值的增加而增加。

接下来,可以看出,波形特征并没有随目标值而有很大的变化。RUW在每种情况下,波形的外观均无显着性差异。这表明,即使通过改变不同目标的负荷来进行康复,也可以确定康复效果引起的步态变化。

通过这种方法,还可以计算出上肢承受的负荷量,并且通过同时检查加速度值,可以根据步态来可视化负荷平衡。利用这一事实,提出将康复运动信息量化为有效康复的可能性,并将其定性地应用于研究者的康复装置和方法中。

在本研究中,为了开发一个能够积极利用物联网和测量技术进行有效康复训练的步态训练测量系统,研究者提出了一种基于层的物联网测量系统,该系统是在一个滚动站立行走器上实现的。

实验结论

该研究开发了上肢重量、加速度和移动距离的测量系统模块。考虑到多功能性和方便性,这些模块已经能够实现到商业滚动站立步行器。每个测量数据都可以通过Web访问查看。结果表明,上肢负荷、加速度和步态距离可以通过各测量模块正常测量,通过同时检测加速度值,可以根据步态实现负荷平衡的可视化。从而了解康复运动的信息。利用这一事实,研究者认为,通过量化到目前为止在质量上应用的康复,有可能实现有效的康复。今后,医院将同时使用多个步态训练装置,提高测量精度。同时,利用医院局域网上的数据服务器进行数据通信,努力使康复训练和日常生活中的锻炼信息共同管理,使康复更加有效。

研究者开发了测量系统模块,测量上肢重量、加速度和移动距离。所有测量数据都可以通过互联网查看。结果表明,安装的各测量模块均能正常测量上肢负荷、加速度和步态距离,同时检查加速度值,可根据步态实现负荷平衡的可视化。这种方法使使用者能够理解和调整康复的锻炼信息。利用这一事实,可以通过量化迄今在质量上适用的康复来实现有效的康复。今后,医院将同时使用多个步态训练装置,以提高测量精度。同时,通过与医院局域网数据服务器的数据通信,使康复训练和日常生活中的锻炼信息更加有效。

参考文献:Katsushi Ogawa, Kenji Uegami, Itaru Chiba, Kyono Uno, Hiroki Aoyama, Kazuo Yonenobu & Seonghee Jeong Proposal for a layer-based IoT construction method and its implementation and evaluation on a rolling stand-up walker  ROBOMECH Journal volume 7, Article number: 27 (2020)

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