TWI397408B - Physiological signal measurement and oxygen concentration compensation of the sports training system - Google Patents

Description

生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統

本發明是有關一種生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，尤指一種可監測使用者的生理與步態狀況，並利用即時視覺回饋系統顯示使用者之步態參數(如步距、步寬、步頻及步態不對稱等)，並進行跑帶速度控制。另外，本發明亦可監測使用者運動時吸入空氣之氧濃度，並利用伺服控制供氧流量以產生高氧濃度之跑步訓練模式。本發明可讓使用者在減緩體內代謝乳酸堆積與疲勞感產生之運動條件下，改善心肺功能、下肢肌耐力與體內代謝循環者。

中風病患因腦血管病變而出現神經功能障礙，依據血液阻塞的部位以及腦組織遭破壞的範圍而異，常見有肌力不足、感覺喪失、姿勢控制不良、肌肉張力改變等臨床症狀，並進一步造成肌肉萎縮和關節僵硬等問題；造成在日常生活上中風病患因行動不便，影響活動能力而衍生出心肺功能、肌耐力、體內代謝循環功能降低等問題，使患者無法獨立生活及社會參與能力受限。

上述所提及之身體機能障礙，造成中風病人在步行能力上的困難(步行緩慢、步頻減少、步態不對稱)，可能需他人協助步行且容易有跌倒的風險；而適當的復健，則不但可提昇步行能力、肌耐力、避免肌肉萎縮和關節僵硬，進而增進心肺功能與體內代謝循環功能；另，常壓下高濃度氧氣的使用，近期在動物的腦中風研究中已經被注意。文獻指出，一大氣壓下的高濃度氧氣治療，在局部缺血期間可顯著地增加腦部缺血邊緣地帶的氧氣供應量，以及血液再度灌流期間，增加缺血邊緣地帶的氧氣供應。研究顯示，常壓下高濃度氧氣可以保護大腦皮質，並且改善神經病理學的分析結果。因此，經由復健或補充高濃度氧氣來改善上述造成行動不便的情形，是目前極為常見而有效的作法。此外，研究指出，在高強度間歇運動負荷前中後持續攝取高濃度氧氣，對於血液中能量代謝產物乳酸量的產生以及知覺疲勞的產生具有減緩之效果。

已知各種運動訓練跑步機系統之功能分析如下：

在2000年，Luo等人發表一智慧型電動跑步機復健系統，其係利用壓力板量測使用者足底壓力，並配合類神經網路推斷出使用者之步態，將該壓力值及步態當成輸入參數，經由模糊理論得出跑步機跑帶之速度。

在2003年，Biodex公司發明一步態復健訓練跑步機，其可提供聲音及影像的回饋，並配合懸吊系統使用，以訓練使用者重新學習正確的步行方式。

在2004年，Chang開發一跑步機速度控制設備，其具有超音波發射及接收器，可依使用者高度進行調整，並提供聲音及影像的回饋，利用超音波傳輸的時間來計算出使用者與控制台之間的距離，藉此資訊以調整跑步機的運轉速度。

另有Hocoma公司開發一全自動機器人步態訓練與評估系統平台，其係以受控制的步態矯正器帶動患者的腿部在跑步機跑帶上進行運動，使患者可進行大幅度的步態訓練，並通過視覺化的反饋訓練、提高患者訓練的興趣和動力，進而減輕治療師的體力負擔。

上述運動訓練系統其價格昂貴、維修不便，且大多僅限專業醫療人士使用，中風病患與家屬無法在家練習，同時缺乏運動中生理參數(步距、步寬、腳底壓力傳遞路徑、下肢關節角度)之即時量測，據以適時調控跑步機速度之功能。除此，市售運動訓練產品僅著重肌力與心肺功能訓練，缺乏提供高氧濃度的訓練環境，容易造成使用者運動時身體代謝所產生之乳酸堆積與疲勞感。

然而，上述各專利案與市售運動訓練產品所揭示之內容皆係針對各種特定之部位或為達到特定功能而設計，缺乏整體之資訊與功能整合，其在臨床復健運動訓練應用上仍有下列不足之處：

1.跑步機無法依使用者之生理狀況(如步態參數)自動對應控制跑步機速度，仍需依賴現場治療師操作。

2.物理治療師以主觀經驗口訴指令給予病患復健指導，缺乏即時量化量測數據掌握病患步態訓練成效。

3.病患運動訓練復健時，由於運動功能障礙導致步態不穩，容易在跑步機上跌倒造成摔傷。

4.運動訓練設備缺乏視覺回饋，造成病患為了確認步態之正確，需低頭觀看下肢動作，容易造成步態不穩而跌倒，甚至影響復健之成效。

5.復健運動訓練設備缺乏氧氣供應裝置，無法減緩病患運動時，身體代謝所產生之乳酸堆積與疲勞感。

有鑑於習見之運動訓練跑步機在臨床復健運動訓練有上述缺點，發明人乃針對該些缺點研究改進，終有本發明產生。

本發明之主要目的在於提供一種生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其為一種作為可即時監測使用者生理與步態狀況，並兼具即時視覺回饋功能，且可達到使用者在高氧濃度環境下，透過有氧跑步改善心肺功能、減緩體內代謝乳酸堆積、增進下肢肌耐力功用，並具有依使用者步態參數調控跑步機參數之運動訓練系統者。

本發明之又一目的在於提供一種生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其係利用無線(藍芽)方式進行資料傳輸，可達到遠距監控、居家運動復健之功效，並可有效簡化整體之配線結構，避免繁雜配線造成安裝不易及維修困難之問題。

本發明之再一目的在於提供一種生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其可整合一視覺之人機界面(螢幕)，以提供使用者在運動訓練時，經由螢幕上顯示之步態參數，即時自我調適。

為達成上述目的及功效，其所採行的技術手段包括：一運動訓練系統，具有至少一馬達、一可受該等馬達驅動之跑帶，以及一可顯示相關運動資訊之人機界面；一感測組件，係由至少一腳底壓力感測模組、一步長步寬感測模組、一關節角度感測模組所組成，該腳底壓力感測模組係可感測使用者之腳底各部壓力情形，並輸出該腳底壓力感測信號，而該步長步寬感測模組則可感測使用者之跨步距離及寬度，並輸出該步長步寬感測信號，而該關節角度感測模組可感測使用者跨步時之各部關節彎曲角度，並輸出該關節角度感測信號；一無線信號傳輸組件，係可接收上述該感測組件之各感測信號，並對外傳輸至下述電惱；一電腦，可接收該無線信號傳輸組件傳輸之各感測信號，於該電腦中儲存有完整資料庫，以供處理比對後，再經由馬達控制跑帶之運轉速度，或經由人機界面輸出各種查詢資訊。

依上述結構，其中該感測組件另包括一含氧感測模組，以供感測使用者之面罩中含氧量，並輸出一含氧感測信號至電腦，而該電腦接收該等信號後，可驅動一氧氣瓶之輸出端上設置的供氧電子調壓閥，以控制對使用者之供氧量。

依上述結構，其中另包括一吊掛架，該吊掛架係跨設於該跑帶上方，並可經由至少一吊帶束吊該使用者。

依上述結構，其中該腳底壓力感測模組係利用壓力感應電阻(Force Sensing Resistor,FSR)貼於使用者之腳跟、蹠骨頭底側所組成。

依上述結構，其中該步長步寬感測模組係於該運動訓練跑步機之跑帶周側分別設有二組對應之縱、橫向光遮罩式感測器，該光遮罩式感測器具有一可產生複數組光線之光遮罩發射單元及一可接收光線之光遮罩接收單元，藉由使用者於活動帶進行步態訓練時，其腳部遮蔽光線之位置，而可取得偵測信號。

依上述結構，其中該關節角度感測模組係分別設置於使用者之踝關節、膝關節、髖關節等部位，其係利用二連動件分別結合於該關節兩側之活動部位，並於該二連動件之間設置一可變電阻，利用該可變電阻受二連動件帶動而可改變該可變電阻之電阻值，以達到偵測關節角度之功能。

為使本發明的上述目的、功效及特徵可獲致更具體的瞭解，茲依下列附圖說明如下：

請參第1至3圖所示，明顯可看出，本發明第一實施例之結構主要包括：運動訓練跑步機1、感測組件2、無線信號傳輸組件3、信號處理組件4及供氧組件5等部份，其中該運動訓練跑步機1具有至少一跑帶11，於該跑帶11一端側設有一機箱14，於該機箱14內設有可驅動該跑帶11之馬達141及相關控制電路，且該運動訓練跑步機1於跑帶11之兩側分別設有一扶手12，另於跑帶11前方設有一人機界面13(可為一螢幕)，感測組件2基本上係由一腳底壓力感測模組21、一步長步寬感測模組22、一關節角度感測模組23所組成，且可依需要另增加一含氧感測模組24，該腳底壓力感測模組21係利用壓力感應電阻(Force Sensing Resistor,FSR)貼附在使用者足底之腳跟、蹠骨頭位置，藉以感測使用者之腳底壓力傳遞情形，並可輸出一對應之腳底壓力感測信號，步長步寬感測模組22係由二組設置於跑帶11周邊對應側之縱、橫向光遮罩式感測器所組成，該縱向光遮罩式感測器具有一可發出多組縱向延伸光線之縱向光遮罩發射單元221及一可接收光線之縱向光遮罩接收單元222，而該橫向光遮罩式感測器具有一可發出多組橫向延伸光線之橫向光遮罩發射單元223及一可接收光線之橫向光遮罩接收單元224，藉以形成具複數縱、橫格狀分佈之光線，當使用者於跑帶11上進行步態訓練時，取其二腳部分別遮蔽光線之位置，即可獲得代表跨步距離及寬度之步長步寬感測信號，關節角度感測模組23係分別設置於使用者之踝關節、膝關節、髖關節等部位，其係利用二連動件分別結合於該關節兩側之活動部位，並於該二連動件之間設置一可變電阻，利用該可變電阻受二連動件帶動而可改變該可變電阻之電阻值，進而可感測使用者跨步時之各部關節彎曲角度，並輸出該關節角度感測信號，而該含氧感測模組24為一般之空氣含氧偵測裝置，其可偵測空氣中含氧量，並分別輸出一含氧感測信號，無線信號傳輸組件3包括一設置於使用者身上(或旁側)之一無線發射裝置31及一無線接收裝置32(可設置於機箱14內)，該無線發射裝置31係電性連接於上述感測組件2之各感測模組，且可利用無線傳輸方式發送上述各感測信號，而該無線接收裝置32則可接收該無線發射裝置31發送之信號，並傳輸至下述之信號處理組件4，信號處理組件4至少係由一電腦41(個人電腦)及一數位類比轉換單元42組成，該電腦41係可接收並儲存該無線信號傳輸組件3傳輸之各感測信號，且於該電腦41中儲存有完整資料庫，以供處理比對後，可輸出一控制信號，該控制信號除可直接經由人機界面13(螢幕)，以提供使用者在運動訓練時，經由螢幕上顯示之步態參數，即時自我調適。同時，該控制信號亦可經一數位類比轉換單元42轉換為類比信號後，可輸出至馬達141控制該跑帶11之運轉速度，並經由一供氧電子調壓閥52控制一氧氣瓶51之氧氣輸出，而該供氧組件5則除了該供氧電子調壓閥52、氧氣瓶51外，另包括一可罩合於使用者口鼻之供氧面罩53，於該供氧面罩53內設有含氧感測器531，且於供氧面罩53表面上有複數孔洞532。

上述結構於實際應用時，當使用者於跑帶11進行步態訓練(可為慢步走、快步走、慢跑、快跑等)時，該無線發射裝置31可將該感測組件2之各感測模組輸出之各感測信號對外以無線式送出，再由該無線接收裝置32接收各感測信號，並送至電腦41，於該電腦41中儲存有完整資料庫，可綜合比對該腳底壓力感測信號、步長步寬感測信號以及關節角度感測信號，再輸出語音信號至人機界面13(螢幕)，以顯示明確有效之提示，進而即時糾正復健或運動者之各項(步長、部寬、關節角度)不足或提出鼓勵，若上述之姿勢完整正確或有進步，亦可由人機界面13(螢幕)提出鼓勵之影像與語音；在此同時，氧氣瓶51內之氧氣經過管線而由供氧電子調壓閥52控制，再進入供氧面罩53內，當使用者吸氣時，即可吸到由孔洞532進入之大氣與氧氣瓶51提供之氧氣，兩者混合進入供氧面罩53內，當呼氣時，氧氣瓶51繼續保持供氧氣，吐出之氣體由孔洞532排出；因為含氧感測器531設置在供氧面罩53內，所以隨著使用者的吸氣與吐氣偵測到的含氧量會有周期性的起伏，因為吸氣時供氧面罩53內含氧量值為最高，吐氣時含氧面罩53內含氧量值為最低；經由含氧量感測器即時量測供氧面罩內，使用者吸入空氣時之含氧濃度，經與預設之含氧濃度比對，進而調控供氧電子調壓閥52控制該氧氣瓶51之氧氣流量，以期達到使用者在運動訓練時獲得適量之氧氣供應，達到心肺功能及肌耐力訓練之目的。

請參第4、5圖所示，可知本發明第二實施例之結構係以前述第一實施例之結構為基礎，除具有相同之運動訓練跑步機1、感測組件2、無線信號傳輸組件3、信號處理組件4、供氧組件5之外，另設有一吊掛架6，該吊掛架6係跨設於該跑帶11上方，並可經由至少一吊帶束61束套於使用者之上半身，以令該使用者於跑帶11上行走或跑步時，得以形成一保護，進而有效避免因步伐不穩而跌倒造成傷害。

綜合以上所述，本發明可即時監測使用者生理與步態狀況，並兼具即時視覺回饋功能，且可達到使用者在高氧濃度環境下，透過有氧跑步改善心肺功能、減緩體內代謝乳酸堆積、增進下肢肌耐力功用，並具有依使用者步態參數調控跑步機參數之運動訓練系統者，實為一具新穎性及進步性之發明，爰依法提出申請發明專利；惟上述說明之內容，僅為本發明之較佳實施例說明，舉凡依本發明之技術手段與範疇所延伸之變化、修飾、改變或等效置換者，亦皆應落入本發明之專利申請範圍內。

1．．．運動訓練跑步機

11．．．跑帶

12．．．扶手

13．．．人機界面(螢幕)

14．．．機箱

141．．．馬達

2．．．感測組件

21．．．腳底壓力感測模組

22．．．步長步寬感測模組

221．．．縱向光遮罩發射單元

222．．．縱向光遮罩接收單元

223．．．橫向光遮罩發射單元

224．．．橫向光遮罩接收單元

23．．．關節角度感測模組

24．．．含氧感測模組

3．．．無線信號傳輸組件

31．．．無線發射裝置

32．．．無線接收裝置

4．．．信號處理組件

41．．．電腦

42．．．數位類比轉換單元

5．．．供氧組件

51．．．氧氣瓶

52．．．供氧電子調壓閥

53．．．供氧面罩

531．．．含氧感測器

532．．．孔洞

6．．．吊掛架

61．．．吊帶

第1圖係本發明之第一實施例構造示意圖，

第2圖係本發明之第一實施例主要結構方塊圖，

第3圖係本發明之第一實施例之應用情形示意圖，

第4圖係本發明之第二實施例構造示意圖，

第5圖係本發明之第二實施例之應用情形示意圖。

1．．．運動訓練跑步機

11．．．跑帶

12．．．扶手

13．．．人機界面(螢幕)

14．．．機箱

2．．．感測組件

21．．．腳底壓力感測模組

22．．．步長步寬感測模組

221．．．縱向光遮罩發射單元

222．．．縱向光遮罩接收單元

223．．．橫向光遮罩發射單元

224．．．橫向光遮罩接收單元

23．．．關節角度感測模組

31．．．無線發射裝置

5．．．供氧組件

51．．．氧氣瓶

52．．．供氧電子調壓閥

53．．．供氧面罩

6．．．吊掛架

61．．．吊帶

Claims (7)

1. 一種生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其至少包括：一運動訓練跑步機，具有至少一馬達、一可受該等馬達驅動之跑帶，以及一可顯示相關運動資訊之人機界面；一感測組件，係由至少一腳底壓力感測模組、一步長步寬感測模組、一關節角度感測模組及一含氧感測模組所組成，該腳底壓力感測模組係可感測使用者之腳底各部壓力情形，並輸出該腳底壓力感測信號，而該步長步寬感測模組則可感測使用者之跨步距離及寬度，並輸出該步長步寬感測信號，而該關節角度感測模組可感測使用者跨步時之各部關節彎曲角度，並輸出該該關節角度感測信號，而該含氧感測模組則可感測使用者之含氧口罩內空氣中含氧量，並輸出一含氧感測訊號；一無線信號傳輸組件，係可接收上述該感測組件之各感測信號，並對外傳輸至下述電惱；一供氧組件，至少係由一氧氣瓶及一供氧面罩所組成，於該氧氣瓶及供氧面罩之間設有一供氧電子調壓閥；一電腦，可接收該無線信號傳輸組件傳輸之各感測信號，於該電腦中儲存有完整資料庫，以供處理比對後，再經由馬達控制跑帶之運轉速度，再經由人機界面輸出各種查詢資訊，並可驅動該供氧電子調壓閥控制該氧氣瓶輸出至含氧面罩之氧氣流量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其中另包括一吊掛架，該吊掛架係跨設於該跑帶上方，並可經由至少一吊帶束吊該使用者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其中該無線信號傳輸組件具有一可以無 線方式對外發散信號之無線發射裝置，及一可接收該無線信號之無線接收裝置。
4. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其中該腳底壓力感測模組係利用壓力感應電阻(Force Sensing Resistor,FSR)貼附在使用者之腳跟、蹠骨頭底側所組成。
5. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其中該步長步寬感測模組係於該運動訓練跑步機之跑帶周側分別設有二組對應之縱、橫向光遮罩式感測器，該光遮罩式感測器分別具有一可產生複數組光線之光遮罩發射單元及一可接收光線之光遮罩接收單元，藉由使用者於跑帶上進行步態訓練時，其腳部遮蔽光線之位置，而可取得偵測信號。
6. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其中該關節角度感測模組係分別設置於使用者之踝關節、膝關節或髖關節部位，其係利用二連動件分別結合於該關節兩側之活動部位，並於該二連動件之間設置一可變電阻，利用該可變電阻受二連動件帶動而可改變該可變電阻之電阻值，以達到偵測關節角度之功能。
7. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之生理訊號量測及氧濃度補償之運動訓練系統，其中該運動訓練跑步機於跑帶兩側設有扶手。