TW201413630A - 以步態感測為主之穿戴式居家照護系統 - Google Patents

Abstract

一種以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，係包括：一智慧型腰帶、至少一中央伺服器及一手持式設備，該智慧型腰帶包含一皮帶、一訊號處理電路裝置及二加速度感測元件，該訊號處理電路裝置分別與各該加速度感測元件電性連接；該手持式設備包括一模式選單及一運動模式與復建模式測量選單，該模式選單設有一運動模式鍵及一復健模式鍵，該手持式設備在運動模式下可顯示運動時間、運動總移動距離及運動步數；另，該手持式設備在復健模式下可根據目前計算出的步態結果和所設定之目標做即時性的比對；中央伺服器儲存運動或復建模式下的量測資料。

Description

以步態感測為主之穿戴式居家照護系統

本發明係應用於居家健身與復建器材之技術領域，尤指一種以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，該居家照護系統包含一穿戴式腰帶與一手持式設備，該穿戴式腰帶利用加速度感測技術量測使用者運動或復建時的步態參數，透過手持式設備接收來自加速度感測元件的訊號，辨識步態訊號、並利用步態特徵即時回饋演算法隨即在手持式設備上運作，該手持式設備在運動模式下可顯示運動時間、運動總移動距離及運動步數；該手持式設備在復建模式下可計算出目前的步態結果跟以往的步態或預設的復健目標有無異常的部分，並以鈴聲或振動方式提醒使用者。

步行或跑步等運動主要是藉由下肢軀幹讓身體由一個位置移動到另外一個位置來活動身體，而在這樣的一個過程中，身體所表現的姿態、行為稱為步態(Gait)。跑步、散步是一件看似簡單的動作，但實際上卻牽涉到了複雜的神經控制、肌肉以及骨骼關節等系統的運作。只要任何一個環節出問題都可能導致不正常的步態。

過去有許多對於步態分析的研究、應用方法被提出來探討，例如對於老人而言，藉由檢測老人的步態，可以觀察老人的行走能力是否有退化或異常狀況，可以藉此來評估老人是否有骨關節疾病或是帕金森氏症等老年人疾病的一個前兆或傾向；另外對於 受傷病患而言，尤其是對於在腳部受傷而在復健中的傷患，在復建過程中如能同時對雙腳的步態做檢測，則醫師或復健治療師就能藉由檢測出的數據評估傷患的恢復情形，以隨時彈性調整復健計畫；最後，則是對於一般的健康成年人而言，步態檢測更可以應用在自我健身、運動規劃方面。例如跑步或散步時，藉由運動步態的檢測、分析，可以評量運動量、運動姿勢是否正確，或提供運動教練檢測結果來制定運動健身計畫。

最嚴謹的步態分析方法是利用專業的醫療儀器，例如在肢體上貼上反光標籤，並利用高速攝影設備將人走路的步伐一一擷取出來觀察分析。然而這種檢測方式成本高，且大多僅能在醫學中心做短距離、固定時間的測試，無法反應一般日常生活中步態的慣性動作，或長時間的資料累積。又甚者，這種醫療儀器需在專業的醫療人員或物理復健師監控下來使用，因此這種步態分析方法通常會用於嚴重肢體障礙、運動傷害或中風等患者治療。對於一般民眾運動健身規畫或自我健康檢測之用，則非常不方便，也不盡然可行。不受空間、時間限制的步態檢測方法中，計步器就是一種最簡單且容易取得的步態感測裝置。它可以粗略地估計運動過程中的步數或身體配戴部位的振動次數。然而由於可量測的參數過於簡略且不精準，並不適用於前述許多的步態分析應用中。近年來，越來越多的運動器材業者相繼推出運動腕表或腕帶等產品來取代計步器。這類產品多半應用單加速規的感測技術，來偵測使用者運動時的速度或位移資訊，準確性較計步器高，且 體積非常小，非常適合用於運動健身時隨身使用，然而這類運動腕表的產品與計步器有類似的問題，都只能量測肢體的整體運動量，對於雙腳運動或復建時的步態分析或平衡度的資訊，則無法量測，亦無法立即判斷異常狀況(包括跌倒意外或沒有遵照醫生建議)的發生，或提醒使用者遵照醫生或專家的指導建議從事運動或復建動作。

是以，針對上述習知產品所存在之問題點，如何開發一種更具理想實用性之創新產品，實為消費者所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。

有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。

近年來，越來越多的運動器材業者相 繼推出運動腕表或腕帶等產品來取代計步器。這類產品多半應用單加速規的感測技術，來偵測使用者運動時的速度或位移資訊，準確性較計步器高，且體積非常小，非常適合用於運動健身時隨身使用，然而這類運動腕表的產品與計步器都只能量測肢體的整體運動量，對於雙腳運動時的步態分析或平衡度的資訊，則無法量測，亦無法依據個人健康狀態判斷異常狀況的發生，或提醒使用者運動或復建時需注意的地方，實有改良之必要。

為改善上述之問題，本發明提供一種 以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，本發明以雙加速度感測元件為主的智慧型腰帶來量測步態，搭配手持式設備接收、計算並儲存來自該腰帶量測到的步態訊號。因此，使用者可長時間在居家環境室內、戶外就可以量測步態，不受空間、時間上的限制；本發明之硬體使用雙加速度感測元件作為量測步態資訊的感測器，在配戴智慧型腰帶時，雙加速度感測元件會分別位於髖關節的左右兩側，因此使用者於活動時，可量測到左右下肢分別的步態資訊，換句話說，可以針對雙腳各別的步態訊號作分析，獲得平衡度的資訊，並解決了上述使用單加速規估算整體步態參數的不準確性。此外，在本發明之中央伺服器上建立一資訊平台，提供使用者在運動結束後，可利用無線或有線網路的傳輸方式將步態結果上傳、長期記錄、分析比較與資料分享等，透過此一平台，使用者的步態資訊可以由運動教練、復健師或醫療專家檢視，作為步態疾病的診斷參考，醫療專家也可以透過該平台規劃運動計劃或復建目標，該規劃可轉存於手持式設備內，以供使用者平時運動復建時，可以透過智慧型腰帶即時比對使用者是否滿足計劃的要求。

一、本發明之硬體使用雙加速度感測元件組合成之智慧型腰帶，配戴時加速度感測元件的位置位於髖關節的左右兩側，於運 動時可以清楚的量測兩隻腳的步態差異，故可輕易的針對左右腳步態相關特徵作判斷。

二、本發明之訊號接收、處理的裝置採用智慧型手機，可以在運動期間即時顯示目前步態資訊、顯示目前所在地理位置，並透過無線傳輸方式將步態資訊上傳至後端資料庫長期管理。

三、醫療專家可以透過中央伺服器上所建立之資訊平台規劃運動計劃或復建目標，該規劃可轉存於手持式設備內，以供使用者平時運動復建時，可以透過智慧型腰帶即時比對使用者是否滿足計劃的要求。

四、本發明於運動期間透過智慧型手機接收來自加速度感測元件的訊號，步態訊號辨識、步態特徵即時回饋演算法隨即在手機上運作並計算出目前的步態結果跟以往的步態或預設的復健目標有無異常的部分，並以鈴聲或振動方式提醒使用者。

五、本發明於後端資料庫建立運動資訊平台，儲存並管理個人的運動資訊，醫生或復健師可透過運動資訊平台觀看受測者的資料並規畫運動計畫或給予適合的復健恢復計畫。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後，相信本發明上述之目的、構造及其特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。

請參閱第一至第六圖所示，本發明係提供一種以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，係包含有： 一智慧型腰帶(10)，該智慧型腰帶(10)係包括一皮帶(101)、一訊號處理電路裝置(102)及二加速度感測元件(103)，該皮帶(101)繫於使用者腰部，其前端固設該訊號處理電路裝置(102)，二側分別固設該加速度感測元件(103)，該加速度感測元件(103)可視使用者腰圍調整其固設位置，該訊號處理電路裝置(102)分別與各該加速度感測元件(103)電性連接，該訊號處理電路裝置(102)係包括一微處理器(1021)、一電源模組(1022)及一無線網路連線模組(1023)，該電源模組(1022)提供該訊號處理電路裝置(102)所需電力，該無線網路連線模組(1023)負責該智慧型腰帶(10)與外部裝置之訊號傳輸與接收；至少一中央伺服器(21)，該中央伺服器(21)係設在運動或復健實驗室的電腦上，其與至少一使用者端電腦(22)、至少一運動教練和復健醫師端電腦(23)及一生理量測系統(50)連接，該生理量測系統(50)可為血壓計、心電圖量測儀或體重計等裝置；及一手持式設備(30)，該手持式設備(30)包括一模式選單(301)及一運動模式與復建模式測量選單(302)，該模式選單(301)設有一運動模式鍵(3011)及一復健模式鍵(3012)，當使用者點選該運動模式鍵(3011)或該復健模式鍵(3012)，即可進入該運動模式與復建模式 測量選單(302)，並與該訊號處理電路裝置(102)中的該無線網路連線模組(1023)連結，透過該訊號處理電路裝置(102)之該微處理器(1021)，可測量於運動或復建時的步態訊號，並由該無線網路連線模組(1023)傳送步態訊號至該手持式設備(30)，再交由該手持式設備(30)執行步態辨識演算和步態特徵即時分析/回饋演算；藉此，當使用者配戴該智慧型腰帶(10)活動並點選該運動模式鍵(3011)時，該手持式設備(30)即可接收來自該訊號處理電路裝置(102)所傳送出來的步態訊號，並計算和儲存所接收的步態訊號，當使用者按下該運動模式與復建模式測量選單(302)中的開始量測鍵(3023)後開始進行量測，當臨時有事可按下暫停量測鍵(3024)暫停量測動作，當欲放棄此次量測記錄可按下中止量測鍵(3025)，當欲上傳量測資料至中央伺服器可按上傳中央伺服器鍵(3026)，當量測狀態訊號燈(3027)顯示為紅燈時，表示處於量測狀態，當按下停止鍵(3021)後，即可顯示運動時間、運動總移動距離及運動步數；另，當使用者配戴該智慧型腰帶(10)活動並點選該復健模式鍵(3012)時，該手持式設備(30)即可接收來自該訊號處理電路裝置(102)所傳送出來的步態訊號，計算並儲存所接收的步態訊號，並根據目前計算出的步態結果和所設定之目標做即時性的比對，當發現計算出的步態結果和所設定目標差異甚大或異常步態時發出警示聲或振動提醒 使用者。

其中，當使用者配戴該智慧型腰帶(10)活動並點選該運動模式鍵(3011)時，該手持式設備(30)在運動模式下將執行運動步態訊號辨識演算(參閱第五圖)，其步驟為：步驟a(61).校正該加速度感測元件(103)：點選該運動模式鍵(3011)前，先請使用者站立不動3至5秒，並按下該運動模式與復建模式測量選單(302)中的該校正鍵(3022)後，該手持式設備(30)會平均上述站立不動時所接收的加速度值，供之後比對用，當該手持式設備(30)在點選該運動模式鍵(3011)後，會以固定頻率接收來自該智慧型腰帶(10)中的該加速度感測元件(103)所感測到的加速度值；步驟b(62).判斷目前運動狀態：在該手持式設備(30)中，根據目前所接收來自該智慧型腰帶(10)傳送出之加速度訊號跟校正之加速度值作一個相差的比較，再根據相差的值由大而小依序判定為跑步狀態、競走狀態、走路狀態或靜止不動狀態；步驟c(63).運動模式步態參數計算：將使用者從運動開始到結束的運動時間、運動總距移動距離及運動步數計算出來，並在使用者按下該運動模式與復建模式測量選單(302)中的停止鍵(3021)後，隨即顯示在該手持式設備(30)中。

其中，當使用者配戴該智慧型腰帶(10)活動並點選該復 健模式鍵(3012)時，該手持式設備(30)在復健模式下將執行復建步態訊號辨識演算(參閱第六圖)，其步驟為：步驟a(71).設定復建步態參數：點選該復健模式鍵(3012)前，藉由有線或無線網路傳輸下載由該中央伺服器(21)中所訂定屬於個人的步態參數，譬如：步距(跨步距離)、步週(跨步時間)等，供步態特徵即時分析/回饋演算的一個比較對象；步驟b(72).校正該加速度感測元件(103)：點選該復健模式鍵(3012)前，先請使用者站立不動3至5秒，並按下該運動模式與復建模式測量選單(302)中的該校正鍵(3022)後，該手持式設備(30)會平均上述站立不動時所接收的加速度值，供之後比對用，當該手持式設備(30)在點選該復健模式鍵(3012)後，會以固定頻率接收來自該智慧型腰帶(10)中的該加速度感測元件(103)所感測到的加速度值；步驟c(73).復建模式步態參數計算：將使用者從運動開始到結束的運動時間、雙腳步距、雙腳步週及運動步數計算出來，並在使用者按下該運動模式與復建模式量測選單(302)中的停止鍵(3021)後，隨即顯示在該手持式設備(30)中；步驟d(74).步態參數即時回饋：使用者在運動過程中，將當下時間點計算出的步態參數(左右腳步距、左右腳步週)， 跟步驟a(71)中的步態參數作一個比較，當發現跟所設定之步態參數差異甚大或異常步態訊號時作出提醒動作，此一提醒動作係由該手持式設備(30)發出，可為一警示鈴聲或振動。

其中，該手持式設備(30)可為一個人數位助理(Personal Digital Assistant，PDA)、智慧型手機或掌上型電腦。

其中，該無線網路連線模組(1023)可為一藍芽無線網路傳輸裝置、Zigbee無線網路傳輸裝置或WiFi無線網路傳輸裝置。

其中，該手持式設備(30)與該中央伺服器(21)係以無線網路或有線網路連接。

本發明的可行實施例詳述如下，對於一般健康的運動族群來說，使用者在運動時，即可配戴該智慧型腰帶(10)與該手持式設備(30)在不設限的戶外場地運動，運動過程中，可以隨時查詢地理資訊、路線導航，也可以即時觀看跑步速度、運動總移動距離與運動時間等步態資料，當運動結束時，使用者即可立即觀看該手持式設備(30)所計算出之整體運動量，如運動時間、運動總移動距離及運動步數，並可以藉由無線網路傳輸方式上傳該中央伺服器(21)，供使用者本身作自我運動記錄與制定運動計畫，藉由生理量測系統(50)如血壓計、心電圖量測儀或體重計的自動量測協同健身教練檢視運動計畫執行成效。

另外，對於輕度肢體受傷患者屬復健族群來說，使用者在活 動前，先由無線網路傳輸方式從該中央伺服器(21)下載醫師建議的復建診斷至該手持式設備(30)，包含特定的肢體伸展動作或運動計畫，使用者於日常生活活動時，配戴該智慧型腰帶(10)與手持式設備(30)量測雙腳步態資訊，並即時計算且儲存於手持式設備(30)，該手持式設備(30)上的運動或復建步態辨識演算法則會根據醫師設定的限制條件，提醒使用者正確的復健活動要求，例如走路速度過快、左右腳針對特定步態事件累積時間過程或不足等，當運動結束時，使用者即可立即觀看手持式設備(30)所計算出之左右腳步態參數，如左右腳腳步距平衡度、左右腳步週平衡度、運動時間、運動總移動距離及運動步數，並可以藉由無線網路傳輸方式上傳中央伺服器(21)，供使用者本身作自我復健活動記錄，且協同復健醫師或醫療專家檢視復建計畫執行成效且適時修正屬於適合使用者的復健計畫。

再者，對於一般老年人屬下肢退化族群來說，使用者在活動前，先由無線網路傳輸方式從中央伺服器(21)下載醫師或醫療專家建議的適性、適量或適時的步態參數至手持式設備(30)，包含特定的左右腳平衡度參數或運動速度，使用者於日常生活活動時，配戴智慧型腰帶(10)與手持式設備(30)量測雙腳步態資訊，並即時計算且儲存於手持式設備(30)，該手持式設備(30)上的運動或復建步態辨識演算法則會根據醫師或醫療專家設定的限制條件，提醒使用者正確的活動要求，例 如走路速度過快、左右腳針對特定步態事件累積時間過程或不足等，當運動結束時，使用者即可立即觀看手持式設備(30)所計算出之左右腳步態參數，如左右腳步距平衡度、左右腳步週對稱度、運動時間、運動總移動距離及運動步數，亦可做為老年人日常生活跌倒意外發生時之偵測設備，並與醫師或專家建議之步態參數做即時性的比對，並在異常狀況發生時，以警示聲或振動方式提醒使用者，並可以藉由無線網路傳輸方式上傳中央伺服器(21)，供使用者本身作自我活動記錄，且協同醫師或醫療專家檢視步態分析結果討論肢體關節退化程度，以提早發覺相關疾病的徵兆，減緩老化的速度，維持生活品質。

前文係針對本發明之可行實施例為本發明之技術特徵進行具體說明；惟，熟悉此項技術之人士當可在不脫離本發明之精神與原則下對本發明進行變更與修改，而該等變更與修改，皆應涵蓋於如下申請專利範圍所界定之範疇中。

(10)‧‧‧智慧型腰帶

(101)‧‧‧皮帶

(102)‧‧‧訊號處理電路裝置

(103)‧‧‧加速度感測元件

(1021)‧‧‧微處理器

(1022)‧‧‧電源模組

(1023)‧‧‧無線網路連線模組

(21)‧‧‧中央伺服器

(22)‧‧‧使用者端電腦

(23)‧‧‧運動教練和復健醫師端電腦

(30)‧‧‧手持式設備

(301)‧‧‧模式選單

(302)‧‧‧運動模式與復建模式測量選單

(3011)‧‧‧運動模式鍵

(3012)‧‧‧復健模式鍵

(3021)‧‧‧停止鍵

(3022)‧‧‧校正鍵

(3023)‧‧‧開始量測鍵

(3024)‧‧‧暫停量測鍵

(3025)‧‧‧中止量測鍵

(3026)‧‧‧上傳中央伺服器鍵

(3027)‧‧‧量測狀態訊號燈

(50)‧‧‧生理量測系統

(61)‧‧‧步驟a

(62)‧‧‧步驟b

(63)‧‧‧步驟c

(71)‧‧‧步驟a

(72)‧‧‧步驟b

(73)‧‧‧步驟c

(74)‧‧‧步驟d

第一圖：係本發明其一實施例之智慧型腰帶設計示意圖。

第二圖：係本發明其一實施例之訊號處理電路架構示意圖。

第三圖：係本發明其一實施例之系統架構示意圖。

第四A圖：係本發明其一實施例之手持式設備中模式選單示意圖。

第四B圖：係本發明其一實施例之手持式設備中測量選單示意圖。

第五圖：係本發明其一實施例之運動模式下步態訊號辨識演算流程圖。

第六圖：係本發明其一實施例之復健模式下步態訊號辨識演算流程圖。

(10)‧‧‧智慧型腰帶

(21)‧‧‧中央伺服器

(22)‧‧‧使用者端電腦

(23)‧‧‧運動教練和復健醫師端電腦

(30)‧‧‧手持式設備

(50)‧‧‧生理量測系統

Claims (7)

1. 一種以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，係包含有一智慧型腰帶，該智慧型腰帶係包括一皮帶、一訊號處理電路裝置及二加速度感測元件，該皮帶繫於使用者腰部，其前端固設該訊號處理電路裝置，二側分別固設該加速度感測元件，該訊號處理電路裝置分別與各該加速度感測元件電性連接，該訊號處理電路裝置係包括一微處理器、一電源模組及一無線網路連線模組，該電源模組提供該訊號處理電路裝置所需電力，該無線網路連線模組負責該智慧型腰帶與外部裝置之訊號傳輸與接收；至少一中央伺服器，該中央伺服器與至少一使用者端電腦、至少一運動教練和復健醫師端電腦及一生理量測系統連接；及一手持式設備，該手持式設備包括一模式選單及一運動模式與復建模式測量選單，該模式選單設有一運動模式鍵及一復健模式鍵，當使用者點選該運動模式鍵或該復健模式鍵，即可進入該運動模式與復建模式測量選單，並與該訊號處理電路裝置中的該無線網路連線模組連結，透過該訊號處理電路裝置之該微處理器，可測量於運動時的步態訊號，並由該無線網路連線模組傳送步態訊號至該手持式設備，再交由該手持式設備執行步態辨識演算和步態特徵即時分析/回饋演算。
2. 如申請專利範圍第1項所述之以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，其中當使用者配戴該智慧型腰帶活動並點選該運動模式鍵時，該手持式設備在運動模式下將執行運動步態訊號辨識演算，其步驟為： a.校正該加速度感測元件：點選該運動模式鍵前，先請使用者站立不動3至5秒，並按下該運動模式與復建模式測量選單中的該校正鍵後，該手持式設備會平均上述站立不動時所接收的加速度值，供之後比對用，當該手持式設備在點選該運動模式鍵後，會以固定頻率接收來自該智慧型腰帶中的該加速度感測元件所感測到的加速度值；b.判斷目前運動狀態：在該手持式設備中，根據目前所接收來自該智慧型腰帶傳送出之加速度訊號跟校正之加速度值作一個相差的比較，再根據相差的值由大而小依序判定為跑步狀態、競走狀態、走路狀態或靜止不動狀態；c.運動模式步態參數計算：將使用者從運動開始到結束的運動時間、運動總距移動距離及運動步數計算出來，並在使用者按下該運動模式與復建模式測量選單中的該停止鍵後，隨即顯示在該手持式設備中。
3. 如申請專利範圍第1項所述之以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，其中當使用者配戴該智慧型腰帶活動並點選該復健模式鍵時，該手持式設備在復健模式下將執行復建步態訊號辨識演算，其步驟為：a.設定復建步態參數：點選該復健模式鍵前，藉由有線或無線網路傳輸下載由該中央伺服器中所訂定屬於個人的步態參數，供步態特徵即時分析/回饋演算的一個比較對象；b.校正該加速度感測元件：點選該復健模式鍵前，先請使用 者站立不動3至5秒，並按下該運動模式與復建模式測量選單中的該校正鍵後，該手持式設備會平均上述站立不動時所接收的加速度值，供之後比對用，當該手持式設備在點選該復健模式鍵後，會以固定頻率接收來自該智慧型腰帶中的該加速度感測元件所感測到的加速度值；c.復建模式步態參數計算：將使用者從運動開始到結束的運動時間、雙腳步距、雙腳步週及運動步數計算出來，並在使用者按下該運動模式與復建模式量測選單中的該停止鍵後，隨即顯示在該手持式設備中；d.步態參數即時回饋：使用者在運動過程中，將當下時間點計算出的步態參數(左右腳步距、左右腳步週)，跟步驟a中的步態參數作一個比較，當發現跟所設定之步態參數差異甚大或異常步態訊號時由該手持式設備發出提醒動作。
4. 如申請專利範圍第1項所述之以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，其中該手持式設備可為一個人數位助理(PDA)、智慧型手機或掌上型電腦。
5. 如申請專利範圍第1項所述之以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，其中該無線網路連線模組可為一藍芽無線網路傳輸裝置、Zigbee無線網路傳輸裝置或WiFi無線網路傳輸裝置。
6. 如申請專利範圍第1項所述之以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，其中該手持式設備與該中央伺服器係以無線網路或有線網路連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之以步態感測為主之穿戴式居家照護系統，其中該生理量測系統可為血壓計、心電圖量測儀或體重計。