CN103417217B - 关节活动度量测装置及其量测方法 - Google Patents

Abstract

一种关节活动度量测装置量测一关节的转动角度，一人体具有一移动部与关节连接，关节活动度量测装置包括一姿态感测单元、一姿态运算单元以及一活动度运算单元。姿态感测单元设置于移动部，并感测移动部从一第一位置移动至一第二位置，且输出一感测信号。姿态运算单元与姿态感测单元耦接，并将感测信号转换成一姿态信号。活动度运算单元与姿态运算单元耦接，并依据姿态信号计算姿态感测单元于第二位置的一天顶角，进而得到关节的转动角度。本发明还揭露一种关节活动度量测方法。本发明可克服量测关节活动度时肌肉的旋转或移动姿势的偏移所造成的量测误差，得到较高的精准度。

Description

关节活动度量测装置及其量测方法

技术领域

本发明关于一种量测装置及其量测方法，特别关于一种关节活动度量测装置及其量测方法。

背景技术

由于人口老化及日常生活型态的改变，许多慢性疾病（例如中风、五十肩或退化性关节炎等）已经成为不可忽视的议题。这些慢性疾病除了带给被量测者疼痛外，还对被量测者的关节活动度（range of motion）造成影响，进而使得被量测者产生日常生活上的活动障碍。

在临床诊断上，医师必须透过关节活动度的量测来判断病患关节的严重程度，并给予适当的治疗。在临床治疗与诊断上，这些慢性病都是需要透过复健来增加被量测者的身体活动功能，并由医生或物理治疗师透过量测关节活动度来了解病患治疗后的恢复状况。由此可知，关节活动度的量测对于医师或物理治疗师而言，都是评估人体关节疾病的重要指标之一。

目前，针对关节活动度的测量方式大多是利用人工量角器来进行重复性的测量，其不仅耗费大量的时间，甚至在量测的过程中也需要其它的辅助人力，才能量测到准确的数值。然而，利用人工量角器量测到的数据会因为医师或治疗师的经验或量测时间的不同而产生误差。换言之，同一个病患、同一个关节活动角度会因为不同医师或治疗师而使量测到的数据有所不同；或者即便是同一个病患、同一个关节活动角度，再配合同一个医师或治疗师，但是在不同时间所量测到的数据亦可能会不同。因此，传统的人工量角器具有相当的量测误差，而且误差甚至可大到超过10度。为了改善人工量角器的缺点，近年来，电子式量角器已孕育而生。虽然，电子式量角器量测关节活动度的优点是可大大的降低量测时间，但是还是需要专业的治疗师进行手持量测，且其量测的数据也会因为电子式量角器所摆设位置的不同及医师或治疗师的经验，或量测时间的不同而造成误差。

请参照图1A至图1C所示，其分别为已知一种电子式量角器1进行肩关节活动度量测时的示意图。

如图1A及图1B所示，于正常量测情况下，被量测者的手臂是从图1A向前并往上举起时移动到图1B的位置，然而，如图1C所示，假若被量测者手臂上举时因故转动手臂，则上臂的肌肉将产生不自主的转动，此时，已知的电子式量角器1会因为上臂肌肉的不自主转动而改变其位置，如此一来，可能会影响电子式量角器1量测时的准确度。另外，如果被量测者的手臂上举时并没有垂直往上，而是向两侧左、右偏移时，也会影响电子式量角器1量测时的准确度。

因此，如何提供一种关节活动度量测装置及其量测方法，可克服量测关节活动度时肌肉的旋转或移动姿势的偏移所造成的量测误差，以得到较高的精准度，已成为重要课题。

发明内容

本发明的目的为提供一种可克服量测关节活动度时肌肉的旋转或移动姿势的偏移所造成的量测误差，以得到较高的精准度的关节活动度量测装置及其量测方法。

本发明可采用以下技术方案来实现的。

本发明的一种关节活动度量测装置量测一关节的转动角度，一人体具有一移动部与关节连接，关节活动度量测装置包括一姿态感测单元、一姿态运算单元以及一活动度运算单元。姿态感测单元设置于移动部，并感测移动部从一第一位置移动至一第二位置，且输出一感测信号。姿态运算单元与姿态感测单元耦接，并将感测信号转换成一姿态信号。活动度运算单元与姿态运算单元耦接，并依据姿态信号计算姿态感测单元于第二位置的一天顶角，进而得到关节的转动角度。

在一实施例中，关节活动度量测装置以穿戴方式设置于移动部。

在一实施例中，姿态感测单元包括一陀螺仪、一加速度计、一磁力计或一电子罗盘，或其组合。

在一实施例中，感测信号包括移动部从第一位置移动至第二位置的位置变化所产生的一角速度、一加速度、一磁场强度或一地磁方位，或其组合。

在一实施例中，姿态运算单元依据一三轴向的陀螺仪所量测到的角速度经一次积分，以得到一姿态角。

在一实施例中，姿态运算单元依据一加速度计三轴向量测到地球重力分量，以得到一姿态角。

在一实施例中，姿态运算单元依据一磁力计三轴向量测到地磁强度利用地球磁场量测的地磁方位，以得到一姿态角。

在一实施例中，姿态运算单元依据一电子罗盘所量测到的地磁方位，以得到一姿态角。

在一实施例中，姿态运算单元依据角速度、加速度、磁场强度或地磁方位，或其组合，以得到一姿态角。

在一实施例中，活动度运算单元接收姿态角，并产生一转换矩阵。

在一实施例中，活动度运算单元将转换矩阵乘上姿态感测单元于第一位置的一第一位置向量，以得到姿态感测单元于第二位置的一第二位置向量，进而得到天顶角。

在一实施例中，关节的转动角度等于关节活动度的理想角度减去天顶角。

在一实施例中，关节的转动角度等于天顶角。

另外，本发明的一种关节活动度量测方法与一关节活动度量测装置配合，并应用于量测一人体的一关节的转动角度，人体还具有一移动部与关节连接。其中，关节活动度量测装置包括一姿态感测单元、一姿态运算单元及一活动度运算单元，而关节活动度量测方法包括以下步骤：通过姿态感测单元感测移动部从一第一位置移动至一第二位置，并输出一感测信号、通过姿态运算单元将感测信号转换成一姿态信号以及通过活动度运算单元依据姿态信号计算姿态感测单元于第二位置的一天顶角，进而得到关节的转动角度。

在一实施例中，关节活动度量测方法还包括通过活动度运算单元接收姿态角，并产生一转换矩阵。

在一实施例中，关节活动度量测方法还包括通过活动度运算单元将转换矩阵乘上姿态感测单元于第一位置的一第一位置向量，以得到姿态感测单元于第二位置的一第二位置向量，进而得到天顶角。

承上所述，因本发明的关节活动度量测装置及其量测方法通过姿态感测单元感测与被量测关节连接的移动部从一第一位置移动至一第二位置，且输出一感测信号，而姿态运算单元将感测信号转换成一姿态信号，另外，活动度运算单元依据姿态信号计算姿态感测单元于第二位置的一天顶角，进而得到关节的转动角度。借此，可克服量测关节活动度时肌肉的旋转或移动姿势的偏移所造成的量测误差，以得到较高的精准度。

附图说明

图1A至图1C分别为已知一种电子式量角器进行肩关节活动度量测时的示意图；

图2A及图2B分别为本发明优选实施例的一种关节活动度量测装置的量测示意图及功能方块示意图；

图3为本发明的关节活动度量测装置的三个轴向的角速度示意图；

图4为球坐标系的一位置与直角坐标系之间的相对关系示意图；

图5A为图2A中，关节活动度量测装置量测肩关节的屈曲运动的上视示意图；

图5B及图5C分别为关节活动度量测装置量测肩关节的另一侧视示意图；

图6为本发明优选实施例的一种关节活动度量测装置的另一功能方块示意图；以及

图7为本发明优选实施例的一种关节活动度量测方法的步骤流程图。

主要元件符号说明：

1：电子式量角器

2：关节活动度量测装置

21：姿态感测单元

22：姿态运算单元

23：活动度运算单元

24：信号显示及分析单元

F：固定部

M：移动部

O：原点

P′：位置

P1：第一位置

P2：第二位置

PS：姿态信号

S01～S03：步骤

SS：感测信号

Wx、Wy、Wz：角速度

X、-X、Y、Z、-Z、Xb、Yb、Zb、Xr、Yr、Zr：轴向

Φ：滚转角

θ：俯仰角

θ′：天顶角

ψ：偏航角

γ′：距离

方位角

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依本发明优选实施例的一种关节活动度量测装置及其量测方法，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。

请参照图2A及图2B所示，其分别为本发明优选实施例的一种关节活动度量测装置2的量测示意图及功能方块示意图。

本发明的关节活动度量测装置2可量测人体的一关节的转动角度。其中，人体可具有一固定部F及一移动部M，且固定部F可通过关节与移动部Ｍ连接。其中，关节活动度量测装置2可设置于移动部M上。具体而言，以图2A量测肩关节的活动度为例，以上臂与肩膀交点（肩峰突）为固定点，上臂与前臂成一直线向前、往上举起的运动可称为屈曲（Flexion）运动。其中，移动部M则为与（肩）关节连接的上臂的中间部分，而固定部Ｆ可包括肩膀及身体的部分。于此，为将关节活动度量测装置2设置于上臂（移动部M）的中间部分。另外，举膝关节为例，移动部Ｍ可为与膝关节连接的小腿，而固定部Ｆ可为大腿的部分，因此，本发明可视量测那一个关节的转动角度而可对应的移动部Ｍ及固定部Ｆ。于此，并不加以限定。另外，本发明的关节活动度量测装置2可以穿戴方式设置于移动部M（上臂）上，并例如可以黏扣带将关节活动度量测装置2挂设于移动部Ｍ（上臂），借此，量测到的数据不会因医师或治疗师摆设位置的不同，或量测经验，或量测时间的不同而有所不同。

关节活动度量测装置2包括一姿态感测单元21、一姿态运算单元22以及一活动度运算单元23。

如图2A及图2B所示，姿态感测单元21设置于移动部M，并可感测移动部M从一第一位置P1移动至一第二位置P2，因此，姿态感测单元21可感测上臂从第一位置P1移动至第二位置P2，并输出一感测信号SS。在本实施例中，如图2A所示，第一位置P1即为姿态感测单元21于手臂下垂时朝向轴向-Z的位置，而第二位置P2即为手臂往前、往上抬至轴向Y时的位置。于图2A中，关节活动度量测装置2及姿态感测单元21同时设置于移动部M，不过，还可仅将姿态感测单元21设置于移动部M，而关节活动度量测装置2的姿态运算单元22及活动度运算单元23，或其它的构件设置于其它位置，并通过有线或无线传输等方式将姿态感测单元21输出的感测信号SS传输至姿态运算单元22及活动度运算单元23进行后续的处理即可。

姿态感测单元21例如可包括一陀螺仪、一加速度计、一磁力计或一电子罗盘，或上述仪器的组合，而上述的仪器可为单轴或多轴（例如三轴），于此，以三轴的陀螺仪，并量测到三轴向的角速度为例。另外，感测信号SS可包括移动部M从第一位置P1移动至第二位置P2的位置变化所产生的一角速度、一加速度、一磁场强度或一地磁方位，或其组合，且可包括多个轴向（例如三个轴向X、Y、Z）的角速度、加速度、磁场强度或地磁方位，或其组合。另外，在其它的实施例中，关节活动度量测装置还可包括一滤波单元（图未显示），滤波单元可滤除姿态感测单元21中的惯性组件（例如上述的陀螺仪、加速度计、磁力计或电子罗盘，或其组合）本身的噪声，或量测时动作的影响（例如手部颤抖）及其它外界环境所造成的影响而导致感测信号SS的误差。

姿态运算单元22与姿态感测单元21耦接，并可将感测信号SS转换成一姿态信号PS。其中，耦接可为实际导线的电性连接，或是为信号的耦接。于此并不加以限制。其中，姿态运算单元22可依据一三轴向的陀螺仪从第一位置P1移动至第二位置P2的位置变化产生的角速度通过一次积分后，得到关节转动的一姿态角（即姿态信号PS）。或者，在其它的实施态样中，姿态运算单元22可依据一加速度计从第一位置P1移动至第二位置P2的位置变化产生的地球重力的三轴向分量，得到关节转动的的一姿态角（即姿态信号PS）。或者，姿态运算单元22可依据一三轴向磁力计从第一位置P1移动至第二位置P2的位置变化产生的地磁强度或电子罗盘所量测的三轴向地磁方位，得到关节转动的一姿态角（即姿态信号PS）。因此，姿态运算单元22可依据关节活动度量测装置2从第一位置P1移动到第二位置P2的位置变化产生的角速度、加速度、磁场强度或地磁方位或其组合，以得到关节活动度量测装置2位置变化时的一姿态角。于此，以姿态感测单元21依据关节活动度量测装置2从第一位置P1移动到第二位置P2的位置变化产生的角速度，以得到关节活动度量测装置2移动的姿态角为例。

请参照图3所示，其中，轴向Xb、Yb、Zb为关节活动度量测装置2的体坐标系统（body coordinate），轴向Xr、Yr、Zr为参考坐标系统（referencecoordinate），而姿态角主要的功能在于获得关节活动度量测装置2的体坐标系统与参考坐标系统之间的相对角度或转动关系。

姿态角可包括一滚转角Φ（roll angle）、一俯仰角θ（pitch angle）及一偏航角ψ（yaw angle）。如图3所示（图3未显示滚转角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ），滚转角Φ为关节活动度量测装置2沿着轴向Xb转动的角度，其可由姿态感测单元21量测移动部M从第一位置P1移动到第二位置P2于轴向Xb的角速度Wx变化后，通过一次积分而得到。再者，在其它的实施态样中，滚转角Φ可为关节活动度量测装置2沿着轴向Xb转动的角度，其可由姿态感测单元21量测移动部M从第一位置P1移动到第二位置P2中加速度计三轴向所量测地球重力分量的变化而得到。另外，俯仰角θ为关节活动度量测装置2沿着轴向Yb转动的角度，其可由姿态感测单元21量测移动部M从第一位置P1移动到第二位置P2于轴向Yb的角速度Wy的变化后，通过一次积分而得到。再者，在其它的实施态样中，俯仰角θ可为关节活动度量测装置2沿着轴向Yb转动的角度，其可由姿态感测单元21量测移动部M从第一位置P1移动到第二位置P2中加速度计三轴向所量测地球重力分量的变化而得到。此外，偏航角ψ为关节活动度量测装置2沿着轴向Zb转动的角度，其可由姿态感测单元21量测移动部M从第一位置P1移动到第二位置P2于轴向Zb的角速度Wz的变化后，通过一次积分而得到。再者，在其它的实施态样中，偏航角ψ可为关节活动度量测装置2沿着轴向Zb转动的角度，其可由姿态感测单元21量测移动部M从第一位置P1移动到第二位置P2中磁力计所量测的磁场强度或电子罗盘所量测的地磁方位的变化而获得。再者，滚转角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ可由姿态感测单元21量测移动部M从第一位置P1移动到第二位置P2的角速度、加速度、磁场强度或地磁方位、或其组合而获得。于此，并不加以限制。

另外，请再参照图2B所示，活动度运算单元23与姿态运算单元22耦接，并可依据姿态信号PS（即姿态角：滚转角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ）计算姿态感测单元21于第二位置P2的一天顶角θ′，进而可得到关节的转动角度。

请参照图4所示，其为球坐标系的一位置P′(γ′,θ′,)与直角坐标系（x,y,z）之间的相对关系示意图。

球坐标系统的位置P′由径向距离γ′、天顶角θ′及方位角所组成，如图4所示，原点O与位置P′之间的径向距离为γ′，原点O到位置P′的联机与轴向Z的正向方向之间的夹角为天顶角θ′，而原点O到位置P′的联机，在X-Y平面上的投影线与正轴向X之间的夹角为方位角其中，径向距离γ′、天顶角θ′及方位角与直角坐标系的X-Y-Z三轴之间的转换关系如下：

${\mathrm{\γ}}^{\′}=\sqrt{x^2+y^2+z^2},$ ${\mathrm{\θ}}^{\′}=\arctan \left(\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{z}\right),$ ${\mathrm{\φ}}^{\′}=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)$ ---方程式（1）。

另外，活动度运算单元23可接收姿态运算单元22输出的姿态角，并产生一转换矩阵T。于此，转换矩阵为：

$T\left(\mathrm{\ι}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\left(t\right)& -\sin \mathrm{\ψ}\left(t\right)& 0\\ \sin \mathrm{\ψ}\left(t\right)& \cos \mathrm{\ψ}\left(t\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)& 0& \sin \mathrm{\θ}\left(t\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)& 0& \cos \mathrm{\θ}\left(t\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\φ}\left(t\right)& -\sin \mathrm{\φ}\left(t\right)\\ 0& \sin \mathrm{\φ}\left(t\right)& \cos \mathrm{\φ}\left(t\right)\end{array}\right]$ ---方程式（2）。

因此，可透过姿态感测单元21与姿态运算单元22获得上臂从第一位置P1移动到第二位置P2的过程中，某一时间在三维空间中的姿态角变化，并且可利用姿态角变化而获得某一时间的转换矩阵T。于此，活动度运算单元23还可将转换矩阵T乘上姿态感测单元21于第一位置P1的一第一位置向量V1，以得到姿态感测单元21于第二位置P2的一第二位置向量V2，进而可得到天顶角θ′。其表达式如下所示：

V2＝T×V1---方程式（3）。

其中，V1为前一个时间（例如第一位置P1的时间）在直角坐标系中的位置向量，而V2为当下时间（例如第二位置P2的时间）在直角坐标系中的位置向量。

最后，再通过得到的天顶角θ′来获得关节的转动角度。其中，关节的转动角度等于关节活动度的理想角度减去天顶角θ′，或关节的转动角度等于天顶角θ′。以下，仍以图2A的例子进一步说明本发明的关节活动度量测装置2是如何量测以及如何运算的过程。

请参照图2A、图5A及图5B所示，其中，图5A为图2A中，关节活动度量测装置2量测肩关节的屈曲运动的上视示意图，而图5B为关节活动度量测装置2量测肩关节的另一侧视示意图。于此，仍以量测肩关节的屈曲运动，且如图5B所示，上臂仍从第一位置P1移动至第二位置P2。

在本实施例中，以被量测者的头顶上方的方向设定为轴向Z的正向方向。其中，在初始时间时（即手臂下垂于第一位置P1时），手臂的屈曲角度为0度，此时，姿态感测单元21所量测到的初始滚转角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ皆为0度。另外，假设上臂与肩膀交点（肩峰突）为一不变的原点Ｏ，其坐标为(0,0,0)，而上臂的中间位置（即设置关节活动度的姿态感测单元21的位置）的坐标设为(0,0,-1)，通过这两点的坐标可获得第一位置向量V1为 $\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -1\end{array}\right].$

当手臂从第一位置P1移动至第二位置P2时，姿态感测单元21感测到的滚转角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ的变化分别为90度、0度、0度。因此，将滚转角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ的变化角度代入方程式（2）可得到：

转换矩阵 $T=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& -1\\ 0& 1& 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& -1\\ 0& 1& 0\end{array}\right].$

再将转换矩阵T代入方程式（3），可得到于第二位置P2的第二位置向量V2

等于转换矩阵乘上第一位置向量 $V1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& -1\\ 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right].$

由于原点O的坐标(0,0,0)是固定不变的，因此可得到于第二位置P2时，姿态感测单元21在直角坐标系中的绝对位置为(0,1,0)。再将直角坐标系的x=0、y=1及z=0代入方程式（1），可求得天顶角θ′等于90度。由于本实施例以被量测者的头顶上方的方向设定为轴向Z的正向方向，故关节的转动角度等于关节活动度的理想角度减去天顶角θ′。其中，所谓关节活动度的理想角度即是正常人的所述关节的理想转动角度。肩关节在屈曲运动时的理想转动角度为180度，故此时肩关节从第一位置P1转动至第二位置P2的转动角度为180度-90度＝90度。因此，本发明可量测一患者的实际关节转动角度，并透过上述的方程式（1）、（2）及（3）得到第二位置P2的移动部M的天顶角θ′，进而可得到关节的转动角度。另外，再进一步说明的是，如图5B所示，若一患者屈曲运动时，手臂上举至一位置，经量测其姿态角变化后计算其天顶角θ′为45度时，则由图5B的天顶角45度往右侧对应，即可得到对应的肩关节转动角度为135度，其余可以此类推。

另外，请再参照图5A所示，假设有一被量测者因故无法将手臂上举至图5A的实线位置，而是将手臂上举但偏移至图5A的虚线位置时，由图5B中可发现，虚线位置的移动部M的天顶角θ′与正常上举的手臂的天顶角θ′为相同的90度，故肩关节的转动角度仍为90度。另外，若被量测者的上臂肌肉因不自主转动而改变姿态感测单元21的位置时，其天顶角也与正常上举时的天顶角相同。

请参照图5C为本发明的关节活动度量测装置2量测肩关节的又一侧视示意图。

本实施态样与图5B主要的不同在于，图5C将被量测者的头顶上方的方向设定为轴向Z的负向方向，并将被量测者的脚底下方的方向设定为轴向Z的正向方向。因此，姿态感测单元21的位置坐标为(0,0,1)，经上述同样的计算后可得到的天顶角θ′虽然仍是90度，但是其活动角度等于天顶角θ′。换言之，若将被量测者的头顶上方的方向设定为轴向Z的负向方向，并将被量测者的脚底下方的方向设定为轴向Z的正向方向，则经计算而得到的天顶角θ′实际上即等于关节的转动角度。

此外，请参照图6所示，关节活动度量测装置2还可包括一信号显示及分析单元24，信号显示及分析单元24可接收关节的转动角度，并显示及分析关节的活动度。其中，信号显示及分析单元24例如可显示量测数值并产生交互式接口，例如可由虚拟人物产生与所配戴肢体的部位相对应的动作，并可与使用者产生互动。另外，信号显示及分析单元24也可进行分析评估，以供医师或治疗师评估病患接受治疗后的疗效。

承上，本发明提出一种穿戴式人体关节活动度量测装置2，并可将量测装置配戴于病患的患肢或躯干上面，借此可收集人体肢体部位移动时所产生的运动信号，而配戴人体关节活动度量测装置2的病患只需透过自主性的关节活动，便可透过姿态角的量测而得到天顶角θ′，进而计算其关节活动角度。因此，本发明的穿戴式人体关节活动度量测装置2的佩戴方式简易方便，且不会因配戴位置的差异而产生数据的偏差，还不会因为不同医师与治疗师的经验及量测时间的关系而造成误差，借此可提供更客观性的量测数据，以期有效地辅助医生或治疗师在临床诊断上评估分析病患的关节治疗情况。另外，本发明可克服量测关节活动度时肌肉的旋转或移动姿势的偏移所造成的量测误差，并可得到较高的精准度。

请同时参照图2B及图7所示，其中，图7为本发明优选实施例的一种关节活动度量测方法的步骤流程图。

本发明的关节活动度量测方法与关节活动度量测装置2配合，并应用于量测人体的关节的转动角度，人体还具有移动部M与关节连接，而关节活动度量测装置2可以穿戴方式设置于移动部M，并包括一姿态感测单元21、一姿态运算单元22及一活动度运算单元23。

本发明的关节活动度量测方法可包括以下的步骤S01～S03。

步骤S01为：通过姿态感测单元21感测移动部M从第一位置P1移动至第二位置P2，并输出感测信号SS。于此，感测信号SS可包括移动部M从第一位置P1移动至第二位置P2的位置变化所产生的一角速度、一加速度、一磁场强度或一地磁方位，或其组合。

步骤S02为：通过姿态运算单元22将感测信号SS转换成一姿态信号PS。其中，姿态运算单元22可依据角速度、加速度、磁场强度或地磁方位，或其组合，以得到一姿态角。

步骤S03为：通过活动度运算单元23依据姿态信号PS计算姿态感测单元21于第二位置P2的一天顶角θ′，进而得到关节的转动角度。其中，可通过活动度运算单元23接收姿态角，并产生一转换矩阵T。另外，通过活动度运算单元23可将转换矩阵T乘上姿态感测单元21于第一位置P1的一第一位置向量V1，以得到姿态感测单元21于第二位置P2的一第二位置向量V2，进而可得到天顶角θ′。其中，关节的转动角度可等于关节活动度的理想角度减去天顶角θ′。或者，在另一实施例中，关节的转动角度可等于天顶角θ′。

此外，本发明的关节活动度量测方法的其它技术特征已于上述中详述，于此不再赘述。

综上所述，因本发明的关节活动度量测装置及其量测方法通过姿态感测单元感测与被量测关节连接的移动部从一第一位置移动至一第二位置，且输出一感测信号，而姿态运算单元将感测信号转换成一姿态信号，另外，活动度运算单元依据姿态信号计算姿态感测单元于第二位置的一天顶角，进而得到关节的转动角度。借此，可克服量测关节活动度时肌肉的旋转或移动姿势的偏移所造成的量测误差，以得到较高的精准度。

以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。

Claims (17)

1.一种关节活动度量测装置，量测一人体的一关节的转动角度，所述人体还具有一移动部与所述关节连接，其特征在于，所述关节活动度量测装置包括：

一姿态感测单元，设置于所述移动部，并感测所述移动部从一第一位置移动至一第二位置，且输出一感测信号；

一姿态运算单元，与所述姿态感测单元耦接，并将所述感测信号转换成一姿态角；以及

一活动度运算单元，与所述姿态运算单元耦接，并依据所述姿态角计算所述姿态感测单元于所述第二位置的一天顶角，进而得到所述关节的转动角度，

其中所述活动度运算单元接收所述姿态角，并产生一转换矩阵，且所述活动度运算单元将所述转换矩阵乘上所述姿态感测单元于所述第一位置的一第一位置向量，以得到所述姿态感测单元于所述第二位置的一第二位置向量，进而得到所述天顶角。

2.根据权利要求1所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述关节活动度量测装置以穿戴方式设置于所述移动部。

3.根据权利要求1所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述姿态感测单元包括一陀螺仪、一加速度计、一磁力计或一电子罗盘，或其组合。

4.根据权利要求1所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述感测信号包括所述移动部从所述第一位置移动至所述第二位置的位置变化所产生的一角速度、一加速度、一磁场强度或一地磁方位，或其组合。

5.根据权利要求4所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述姿态运算单元依据一三轴向的陀螺仪所量测到的角速度经一次积分，以得到所述姿态角。

6.根据权利要求4所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述姿态运算单元依据一加速度计三轴向量测到的地球重力分量，以得到所述姿态角。

7.根据权利要求4所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述姿态运算单元依据一磁力计三轴向量测到的地磁强度利用地球磁场量测的地磁方位，以得到所述姿态角。

8.根据权利要求4所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述姿态运算单元依据一电子罗盘所量测到的地磁方位，以得到所述姿态角。

9.根据权利要求4所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述姿态运算单元依据所述角速度、所述加速度、所述磁场强度或所述地磁方位，或其组合，以得到所述姿态角。

10.根据权利要求1所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述关节的转动角度等于所述关节活动度的理想角度减去所述天顶角。

11.根据权利要求1所述的关节活动度量测装置，其特征在于，所述关节的转动角度等于所述天顶角。

12.一种关节活动度量测方法，与一关节活动度量测装置配合，并应用于量测一人体的一关节的转动角度，所述人体还具有一移动部与所述关节连接，所述关节活动度量测装置包括一姿态感测单元、一姿态运算单元及一活动度运算单元，其特征在于，所述关节活动度量测方法包括以下步骤：

通过所述姿态感测单元感测所述移动部从一第一位置移动至一第二位置，并输出一感测信号；

通过所述姿态运算单元将所述感测信号转换成一姿态角；

通过所述活动度运算单元依据所述姿态角计算所述姿态感测单元于所述第二位置的一天顶角，进而得到所述关节的转动角度；

通过所述活动度运算单元接收所述姿态角，并产生一转换矩阵；以及

通过所述活动度运算单元将所述转换矩阵乘上所述姿态感测单元于所述第一位置的一第一位置向量，以得到所述姿态感测单元于所述第二位置的一第二位置向量，进而得到所述天顶角。

13.根据权利要求12所述的关节活动度量测方法，其特征在于，所述关节活动度量测装置以穿戴方式设置于所述移动部。

14.根据权利要求12所述的关节活动度量测方法，其特征在于，所述感测信号包括所述移动部从所述第一位置移动至所述第二位置的位置变化所产生的一角速度、一加速度、一磁场强度或一地磁方位，或其组合。

15.根据权利要求14所述的关节活动度量测方法，其特征在于，所述姿态运算单元依据所述角速度、所述加速度、所述磁场强度或所述地磁方位，或其组合，以得到所述姿态角。

16.根据权利要求12所述的关节活动度量测方法，其特征在于，所述关节的转动角度等于所述关节活动度的理想角度减去所述天顶角。

17.根据权利要求12所述的关节活动度量测方法，其特征在于，所述关节的转动角度等于所述天顶角。