TWI385011B - 雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統 - Google Patents

Description

雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統

本發明成果屬於復健醫學與醫學工程領域，主要應用在中風病患之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估。

腦血管疾病，俗稱腦中風，指因為腦血管阻塞或破裂而造成急性或慢性的腦部神經細胞壞死，而導致腦局部或全部的功能失調，嚴重者會導致猝死。中風後未傷及健全的腦細胞仍存在神經再塑(Neural Plasticity)功能，加強刺激訓練後，會加強腦皮質再整合(Cortex Re-organization)現象的發生，以促進損傷功能恢復。臨床上針對中風後病人的動作能力的恢復訓練，治療師們會結合多種不同的治療理論與手法，來教導、協助患者重新學習及改善適合的動作模式並避免不當姿勢產生，以達動作再學習(Motor Re-learning)的效果，或加強其他感官參與、採用有效替代技巧與運用輔助設備等，促進其生活技巧，使其可以恢復獨立生活。後來學者整合基礎理論延伸發展出了多元化的治療技術，其中以代償技巧(Ccompensatory Strategies)、限制性誘發動作治療(Constraint Induce Movement Therapy;CIMT)與雙手操作治療(Bimanual Therapy)為三大廣為接受的治療模式。代償技巧(Ccompensatory Strategies)藉由健側邊取代表現或環境設備調整，可早期增加患者生活上的獨立，但過度依賴會剝奪患側受刺激學習的機會，而明顯減少患側恢復程度。限制性誘發動作治療(Constraint Induce Movement Therapy;CIMT)已被證實對中風急性期誘發自主動作產生有助益，但缺乏健側邊動作參考標準與相互配合運用方面的訓練，對慢性期較高功能的患者其日常生活功能性動作推演效果仍受質疑。雙手操作治療(Bimanual Therapy)多元化地採用生活中常見的雙手動作模式來當訓練動作，有助於日常生活功能性活動延伸，且也多伴隨雙腦半球整合機制訓練，深受動作學習派的學者所推崇，但在實際訓練與評估上仍有進一步深入發展的空間。

Mudie和Matyas在1996年給予中風病患規律聽覺刺激且在一自行研發之平台上加裝可滑動式把手讓病患兩手同時做相同動作之「雙側等動量訓練」，操作雙手推拉的動作訓練。因其純屬一般機構設計，對於其施力情形及執行距離皆無法做到準確量化。

Cauraugh和Kim在2002年讓病患的患側肢體接受神經肌肉刺激，且搭配健側手同時執行雙側動作之訓練，最後以Block and Box Test(移動積木測試)做為評估來看其成效。在整體評估執行過程中，因為只單看移動積木數量來觀察患者的進步程度，無其他偵測力量或距離儀器，故不易區分患者雙側手是否有確實執行雙側動作，或是由健側帶領患側手做雙側動作訓練，如此恐無實質訓練意義，且無法精確量化成效。最近還有新研發的雙側上肢動作訓機構結合了視覺回饋，讓患者雙手握住一支撐桿的兩端把手，做前後左右四個方向動作訓練。雖然結合視覺回饋可增加其趣味性，但依舊不易區分患者雙側手是否有確實執行雙側動作，或者是皆由健側帶領患側手做雙側動作訓練，導致訓練效果的降低，亦無法客觀量化復健訓練的效果。

Rose在2005年提出了另一種方式，其在桌子上擺放了一個LED按鈕，要求受試者坐於桌子前方，在燈亮時請受試者用最快的速度、雙手同時向前將LED按鈕按熄，以此來觀察其動作反應時間及執行動作時間。此一方式，因為不確定是否雙手同時將燈按熄滅，且其反應時間中所記錄的動作起始時間，為以施測者肉眼所見之受試者動作起始為依據，所以其計時方式亦無法準確記錄受試者真正執行時間。

由以上的訓練方式可以了解，目前臨床所執行的訓練並無法將其訓練過程與結果進行準確地量化，所以導致訓練方式無法區分出患者雙側手是否有確實執行雙側動作，或者是皆由健側帶領患側手做雙側動作訓練，使得患側手無法實際受到實質訓練。

在此本發明為改進上述缺點，係提出一種雙側上肢對稱力訓練與評估系統，該系統至少包含：一雙側上肢施力單元、一活動桿機構單元、一訊號轉換單元、一運算單元以及一驅動單元，該系統中之雙側上肢施力單元具備的至少兩個力量感測器，當中風患者在進行訓練時，系統可即時偵測患者施予感測器的力量數值，以預先設定的訓練模式，判定是否驅動活動桿機構單元，讓患者的雙手進行前推或後拉的訓練動作，以促進雙腦半球整合機制訓練，改善患側上肢的動作能力。

本發明之有益效果為：在訓練的部分，具備復健訓練療程(Rehabilitation Training Protocol)的適性調整機能，可依據中風患者的個別狀況，調整、呈現相對應的訓練模式、時間與強度。中風病患在進行復健訓練的同時，系統會以視覺、聽覺回饋的方式，提供其雙側上肢力輸出對稱資訊，讓患者隨時調整健側與患側的力輸出表現。而在評估的部分，則具備雙側上肢力輸出對稱性指標(Symmetry Index,SI)的即時、量化評估介面，可用以鑑別中風病人其不同上肢動作之恢復程度。當病患在執行訓練之後，可以立即得知其上肢動作表現的評估結果，達到客觀、量化的評量效果。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖一繪示本發明一實施例之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統的方塊圖，圖二繪示使用者使用圖一之系統的示意圖。請同時參照圖一與圖二，本實施例之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統1主要包含一雙側上肢施力單元12、一活動桿機構單元13、一訊號轉換單元14、一運算單元15以及一驅動單元16。

在本實施例中，雙側上肢施力單元12具至少二力量感測器121，該力量感測器121係用於感測一使用者施力力量值，為使使用者方便進行推、拉等動作於力量感測器上，故該力量感測器可再連接一裝置，例如握把、搖桿等，本發明並不對此加以限制。

在本實施例中，活動桿機構單元13，一端耦接雙側上肢施力單元12，其中該活動桿機構單元13包含複數個活動桿131，另一端耦接驅動單元16。

在本實施例中，訊號轉換單元14，耦接力量感測器121，係用以將力量感測器121感測之使用者施力力量值轉換成連續的電訊號，該訊號轉換單元14更包含了訊號放大器141或訊號濾波器142，係將前述力量感測器121所感測之電訊號進行訊號放大或濾波的作業。

在本實施例中，其運算單元15，將前述之訊號轉換單元14產生的電訊號進行運算，以產生一判別結果，該運算單元15最佳為一電腦主機且內含一訓練與評估軟體，用以即時運算產出一判別結果，本發明並不對此加以限制，此運算單元15更包含了軸控卡151與訊號擷取卡152，訊號擷取卡152耦接訊號轉換單元14，係為擷取前述經放大與濾波後的電訊號，將其送往運算單元15內進行運算產生一判別結果，該軸控卡係耦接驅動單元16，根據判別結果可使軸控卡151控制驅動單元16內的馬達模組161與電源供應模組162，使其可驅動該活動桿機構單元13，讓使用者可進行推、拉等動作，或是將其鎖定，不讓使用者進行推、拉等動作。除此之外，該運算單元15更包含了一資料庫模組153，用以儲存對應使用者之操作歷程，如使用者每次訓練的施力力量值、預設參數或使用者個人資料等，本發明並不對此加以限制。

在本實施例中，更包含了一輸出單元17，此輸出單元主要為輸出評估結果或指示使用者執行預設動作之指示，並提供其雙側上肢力輸出對稱資訊，讓患者隨時調整健側與患側的力輸出表現，該輸出模式可為影像、聲音、圖形等模式，本發明並不對輸出模式加以限制。

在此請再參考圖三，更可瞭解本發明在運算單元15如何產生一判別結果。圖三為雙側上肢對稱力輸出訓練與評估方法流程圖，本實施例之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估方法包括下列步驟。

首先，如步驟21所述，在進行訓練與評估之前，需先針對使用者狀況進行一預設之設定，量測、紀錄使用者雙側上肢同時施力時，雙側個別之施力力量值，並計算出一最大施力值，該最大施力值係為健側最大施力值乘以75%(在過去的研究發現，雙手共同施力最大值是單一側最大施力的百分之七十五)，健側最大施力值則是未受損肢體側上肢最大拉/推力。

如步驟22所述，依據使用者狀況設定出一預設施力力量值，預設施力力量值定義為使用者患側手應達到之施力值，該預設施力力量值為前述之最大施力值乘以一適當百分比，該適當百分比可依照使用者狀況作調整。

如步驟23所述，依據雙側個別之施力力量值，計算出一對稱指標值(Symmetry Index,SI)，該對稱指標值係由對稱值(Symmetry Value,SV)計算所得，兩者詳細定義如下：

雙側上肢力輸出對稱值(Symmetry Value,SV)定義為受測者於操作過程中，患側手施力值佔雙手施力值總合的百分比值，單位為百分比(%)：

其中F_A 為患側手施力值，F_S 為健側手施力值。

雙側上肢力輸出對稱值(SV)越接近50%，表示患側手施力值(FA)與健側手施力值(FS)越相等越對稱，通常患側手施力值(FA)小於健側手施力值(FS)，所以雙側上肢力輸出對稱值(SV)通常小於50%。理想施力對稱值為50%。

雙側上肢力輸出對稱指標值(Symmetry Index,SI)定義為受測者於操作過程中，雙側上肢力輸出對稱值(SV)與理想施力對稱值(50%)的比值，單位為百分比(%)：

雙側上肢力輸出對稱指標值(SI)越接近100%，表示患側手施力值(FA)與健側手施力值(FS)對稱越高，通常雙側上肢力輸出對稱值(SV)小於50%，所以雙側上肢力輸出對稱指標值(SI)通常小於100%。

如步驟24所述，依據使用者狀況設定出一預設對稱指標值範圍，該預設對稱指標值係為使用者於一定時間內(如10秒)，維持此段時間所得之對稱指標值的平均值，得到此平均值後，再依據使用者狀況設定一預設對稱指標值之範圍，如±10%等。

如步驟25所述，使用者開始進行訓練，雙手同時施力，運算單元15判別使用者患側之施力值是否達到一預設施力力量值與一預設對稱指標值範圍內，在此施力過程中皆會被運算單元15所紀錄，如皆達到後，則運算單元15即會送出一判別結果至驅動單元16，如步驟26所述，如達到則控制驅動單元驅動活動桿機構單元執行預設動作，該預設動作即是可讓使用者進行推、拉等動作；反之若未達到，則系統維持不動直到使用者達到上述一預設施力力量值與一預設對稱指標值範圍內。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統

12．．．雙側上肢施力單元

121．．．力量感測器

13．．．活動桿機構單元

14．．．訊號轉換單元

141．．．訊號放大器

142．．．訊號濾波器

15．．．運算單元

151．．．軸控卡

152．．．訊號擷取卡

153．．．資料庫模組

16．．．驅動單元

161．．．馬達模組

162．．．電源供應模組

17．．．輸出單元

21~25．．．各個步驟

圖一繪示本發明一實施例之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統的方塊圖。

圖二繪示使用者使用圖一之系統的示意圖。

圖三雙側上肢對稱力輸出訓練與評估方法流程圖。

12．．．雙側上肢施力單元

121．．．力量感測器

13．．．活動桿機構單元

14．．．訊號轉換單元

141．．．訊號放大器

142．．．訊號濾波器

15．．．運算單元

151．．．軸控卡

152．．．訊號擷取卡

16．．．驅動單元

161．．．馬達

162．．．電源供應模組

17．．．輸出單元

Claims (17)

1. 一種雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，係包含：一雙側上肢施力單元，具至少二力量感測器，該力量感測器係用於感測一使用者施力力量值；一活動桿機構單元，耦接前述之雙側上肢施力單元，其中該活動桿機構單元包含複數個活動桿；一訊號轉換單元，耦接前述之力量感測器，係用以將前述力量感測器感測之使用者施力力量值轉換成連續的電訊號；一運算單元，將前述之訊號轉換單元產生的電訊號進行運算，以產生一判別結果；以及一驅動單元，係根據前述之運算單元判別結果來驅動該活動桿機構單元。
2. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該使用者施力力量值係包含使用者左上肢之施力力量值及右上肢施力之施力力量值。
3. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該訊號轉換單元更包含一訊號放大器。
4. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該訊號轉換單元更包含一訊號濾波器。
5. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該運算單元更包含一訊號擷取卡，用以將訊號轉換單元之電訊號傳遞至運算單元加以運算。
6. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該驅動單元更包含一馬達模組。
7. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該驅動單元更包含一電源供應模組。
8. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該運算單元更包含一軸控卡，用以控制該驅動單元驅動該活動桿機構單元執行預設動作。
9. 如請求項8所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該預設動作包含向前或向後的移動動作。
10. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該運算單元係可分別記錄使用者由前述力量感測器所感測之左、右上肢施力力量值，並由該左、右上肢施力力量值最大者計算出一最大施力值，並依據使用者狀況設定出一預設施力力量值。
11. 如請求項10所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中設定出一預設施力力量係由該最大施力值乘以一百分比所得。
12. 如請求項10所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該運算單元係依據該左、右上肢施力力量值運算出一對稱指標值。
13. 如請求項10所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該運算單元係更運算出一預設對稱指標值，該預設對稱指標值為使用者一定時間內所得之對稱指標值之平均值。
14. 如請求項13所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該判別結果係為該運算單元判別前述使用者左、右上肢之患側上肢施力值是否達到一預設施力力量值，且該對稱指標值是否達到一預設對稱指標值範圍內，如皆達到則控制驅動單元驅動活動桿機構單元執行預設動作。
15. 如請求項14所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該預設對稱指標值範圍係依據使用者狀況來調整。
16. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，更包含一輸出單元，可輸出評估結果或指示使用者執行預設動作之指示。
17. 如請求項1所述之雙側上肢對稱力輸出訓練與評估系統，其中該運算單元更包含一資料庫模組，用以儲存對應使用者之操作歷程。