TWI444213B - 虛擬實境踩踏運動復健裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

虛擬實境踩踏運動復健裝置及其控制方法

本發明是一種踩踏運動復健裝置，尤其是關於一種具有主動回饋之踩踏運動復健裝置。

肌肉張力異常是上運動神經元損傷患者臨床上常見的表徵，如腦中風患者的肌肉痙攣。影響肌肉張力的因素包括有牽張反射過強，會有過多的神經肌肉反應及不正常的阻力增加，因為肌肉痙攣或是關節活動度會導致不正常的肌肉活動，無法產生適當的肌肉動作型態，導致患者產生不對稱的動作型態，因此，如何抑制不正常的肌張力是患者回復功能性活動很重要的一部分。

踩車運動是一種多關節且有協調交替性、對稱性的兩側下肢運動，並且可以對於下肢關節提供被動拉張的運動以降低不正常張力，在踩車運動中，可以提供與動作表現相關的功能性測試，產生兩側下肢連續交替且對稱之多關節協調性動作。在這樣的活動中，不僅可以提供被動的關節伸張活動，也能增加下肢肌肉的自主收縮的活動，因此，踩車運動經常被用於兩側肢體受損狀況對稱患者之復健，例如脊髓損傷患者。

但對中風患者而言，由於偏癱側肢體能力不對等是中風患者在動作上最為明顯的缺失，該類型之中風患者兩側肢體狀況有極大差異，若讓中風患者直接使用前述的踏車運動進行復健，中風患者極有可能淪為以較為健康之一側的下肢來帶動患側下肢產生踩車動作，這對患側下肢只是屬於被動關節活動而已，反而無法獲得對患側肢體進行復健的目的，致使整體復健效果大打折扣。

基於偏癱中風患者使用一般習用踩踏復健裝置訓練患側下肢的效果不彰的技術問題，本發明之目的係為研發出一適用於中風患者之踩車系統，可依據患者兩側肢體不同的狀況，產生不同的場景顯示而警示患者，亦可進一步施予不同之踩車輔助，使兩側均可達到復健之目的。

本發明提供一種虛擬實境踩踏運動復健裝置，其包含：一踩踏運動模組，其包含一本體及設於該本體之二踏板、二力量感測單元、一角度感測器、一驅動單元，二該踏板分別以一曲柄連接於該本體並對該本體轉動，該力量感測單元透過感應應變或壓力而感應該踏板受力數值，該角度感測器感測該踏板對應該本體轉動之角度，該踏板之角度可以被紀錄並傳輸至一中央控制單元，該驅動單元可控制該踏板對該本體之轉動阻力與轉速；一虛擬實境模組，係可產生一虛擬場景；一控制主機，其與該踩踏運動模組、該虛擬實境模組電訊號連接，該控制主機接受該力量感測單元、該角度感測器之感測結果而獲得一使用者肢體狀態，其中，該虛擬實境模組包含一顯示裝置及一聲音輸出裝置係分別產生該虛擬場景之一影像內容及一聲音內容，其中該影像內容與該聲音內容與該使用者肢體狀態、該踏板對該本體之轉動阻力與轉速及該使用者之身體壓力重心位置有關。

其中，該踩踏運動模組包含設於該本體之一驅動單元，該驅動單元可控制該踏板對該本體之轉動阻力與轉速；該控制主機依據該使用者肢體狀態控制該驅動單元改變該踏板對該本體之轉動阻力與轉速。

進一步地，該虛擬實境踩踏運動復健裝置包含一電刺激模組，該電刺激模組受該控制主機之控制對一肢體產生一電刺激訊號而輔助該肢體之運動。

其中，該踩踏運動模組進一步包含一測力板單元，該測力板單元與該控制主機訊號連接，其讀取一使用者之身體壓力重心位置，並依據該身體壓力重心位置調整該虛擬場景之內容與狀態。

其中，該控制主機包含一使用者肢體狀態資料庫，其依據該使用者肢體狀態資料庫之內容調整該踏板對該本體之轉動阻力及 控制該電刺激模組之電刺激輸出。

本發明再提供一種虛擬實境踩踏運動復健之控制方法，其步驟包含：取得一使用者的肢體功能狀態；依據使用者的肢體功能狀態產生並改變一虛擬場景；依據使用者的肢體功能狀態產生一踩踏運動模式，並以該踩踏運動模式控制一踩踏運動模組之踏板的阻力與輔助轉動狀態。

其中，該踩踏運動模式包含一輔助驅動、一電刺激輔助驅動及一阻力增強驅動，其中，該電刺激輔助驅動為產生一電刺激訊號輸出至一人體，而該阻力增強驅動為依據該使用者的肢體功能狀態改變該踏板的轉動阻力。

藉此，本發明具有下列之諸多優點：

1.可以配合患者的肢體支配狀態，即時調整患者踩踏過程時的阻力，可以讓患者的復健能加強所需要訓練的患部肢體，讓復健更有效率。

2.提供患者虛擬場景，讓使用過程更具備樂趣與親身體驗感受，大幅提昇使用意願而解決既有技術使用意願低落的問題。

3.透過電刺激的輔助、讓患者可以輔助完成踩踏動作，真正達到復健的目的。

請參考第一圖及第二圖，其為本發明之虛擬實境踩踏運動復健裝置，其包含一控制主機10以及分別訊號連接於該控制主機10的一踩踏運動模組20、一電刺激模組30及一虛擬實境模組40，其中訊號連接之形式不限定，可以是有線或無線(例如：藍芽、WiFi等)形式的連接。

該控制主機10包含一中央控制單元12以及分別訊號連接於該中央控制單元12之一輸入及訊號轉換單元14、一踩踏回饋控制模組16及一虛擬場景控制模組18。

該輸入及訊號轉換單元14，為接受外部類比訊號或無線訊號輸入之介面，其將所接收的訊號轉換為該中央控制單元12可接受及處理之訊號(例如類比訊號轉換為數位訊號)後，輸入至該中央控制單元12。該中央控制單元12執行一虛擬實境主動回饋踩踏運動程式，計算由該踩踏運動模組20所讀取的訊號，分別輸出控制訊號予該踩踏回饋控制模組16及該虛擬場景控制模組18。

該虛擬場景控制模組18受該中央控制單元12之控制，建立虛擬物件及場景，透過該虛擬實境模組40之一顯示裝置42及一聲音輸出裝置44即時輸出一虛擬場景，讓使用者可以更融入、更互動地使用本實施例，提升使用者對於使用本實施例之意願。該虛擬場景控制模組18可以是內儲於該控制主機10、以3D軟體所建立的程式物件，其依據該中央控制單元12之驅動而選出一適合的虛擬場景，例如腳踏車行駛的路徑等。透過該虛擬場景之即時回饋顯示內容，使用者可以得知其操作該踩踏運動模組20之施力狀態是否正確，不僅可以讓使用者在使用本實施例時能更為有趣，可以以不斷提醒使用者使用本實施例時能夠持續保持正確的施力方式而達到復健效果。

該踩踏運動模組20包含一本體21、二踏板22、一飛輪23、一驅動單元25、二力量感測單元27、一個以上的角度感測器28及一測力板單元29。該踏板22係可轉動設於該本體21，其供使用者之雙足置於其上而進行踩踏運動，該踏板22透過曲柄連接於該飛輪23的軸心，當踩踏運動進行時，該飛輪23隨之轉動。

該驅動單元25、該力量感測單元27及該角度感測器28分別與該控制主機10電訊號連接，本實施例之該驅動單元25與該踩踏回饋控制模組16電性連接。該驅動單元25依該踩踏回饋控制模組16之訊號而調整其轉動模式進而輔助該飛輪23、踏板22之轉動。換言之，該飛輪23及其連接之該踏板22可以由該驅動單元25帶動而轉動輔助使用者的踩踏運動，用於復健時，可以輔助缺乏行為能力的患者進行踩踏運動。其中，該飛輪23與該驅動單元25之間的驅動方式不限定，可以是本實施例之皮帶或傳動齒盤 或變速裝置。

該力量感測單元27係為感測使用者踩踏兩個踏板22之施力大小的感測器，其可以是安裝於該踏板22之力量感應器或該踏板22連接於該本體21之間的二曲柄之扭力感測器或荷重元件(load cell)。本實施例包含兩個扭力感測之該力量感測單元27，每個力量感測單元27分別安裝於兩個踏板22所連接之曲柄，其分別感應使用者踩踏兩個踏板22進行繞圈踩踏過程時之施力，兩個該力量感測單元27與該輸入及訊號轉換單元14訊號連接，該力量感測單元27將感應之使用者施力結果輸出至該輸入及訊號轉換單元14後傳給中央控制單元12。其中，扭力感測器係利用量測曲柄或連接曲柄之相關組件因為踩踏運動造成的應變上的變化而產生不同大小之電訊號的類比輸出，該輸入及訊號轉換單元14則將此電類比訊號數位化之後，輸出至該中央控制單元12。

於兩邊踏板22均設置一個力量感測單元27之目的，是為了量測肢體活動能力不對稱之患者(例如偏癱之中風患者)之健側(健康的一側)與患側(能力障礙之一側)之肢體的施力狀況，藉此評估患者健側與患側肢體的功能差異，並以此數據輸出給該中央控制單元12，使該中央控制單元12透過該踩踏回饋控制模組16控制該驅動單元25調整輔助該踏板22轉動的狀態。

該角度感測器28係安裝於該踏板22之一縱向軸上，當使用者控制該踏板22對縱向軸進行滾翻(roll)的動作時，該踏板22之角度可以被紀錄並傳輸至中央控制單元12。

該測力板單元29於使用時被置於中風患者或使用者的臀部下方，當患者或使用者使用進行踩踏運動時，該測力板單元29可以測得患者身體壓力中心(center of pressure,COP)的轉移，進而得知患者的身體重心偏移量。

該電刺激模組30與該中央控制單元12電訊號連接並接受控制而對使用者輸出電刺激訊號。該電刺激模組30係為可以對患者的肌肉群直接輸入電訊號而使該該些肌肉群產生相應的動作反應而順利進行踩踏運動，請參考第三A、B圖，該些電刺激模組30 可以貼於大腿前面91B之一股四頭肌(第三A圖左圖)、一大腿後面91A後腱肌(第三A圖右圖)、小腿前面之脛前肌(第三B圖左圖)、小腿後面之腓腸肌(第三B圖右圖)等，透過該些電刺激模組30的電訊號，可以分別控制患者的大腿、小腿動作，如此，即可使患者的足部順利動作而達到復健的功效。由於中風患者之痙攣肢體在踩車過程中，會受到不正常肌肉張力與協同動作的影響而無法達成順利且週期性的踩車運動；為了進一步使踩車動作平順，或者達到患側肢體持續踩車的目的，本實施例利用結合功能性電刺激器(functional electrical stimulation,FES)訓練病患。因此對中風患者而言，該電刺激模組30除了可以直接對於所要訓練的肌肉進行刺激之外，還可以經由其電刺激對於所期望的動作進行誘發，進而提升比較協調性的動作模式來完成功能性的活動。基於物理治療理念，透過功能導向型的訓練模式(即動作學習理論)，臨床上患者若常做的踩車運動是類似行走時雙下肢交替彎曲、伸直等單一重複性動作之反覆地訓練，可使痙攣之下肢於踩車的過程能重新學習正確的下肢協調性動作和更進一步的恢復步行功能；因此，透過電刺激輔助進行踩踏運動可以有效協助患者執行復健。

請參考第四圖，該虛擬實境踩踏運動復健裝置亦可整合製作成為一體，例如將一電路版形式之一控制主機10A結合於一踩踏運動模組20A之基座，一座椅上則設有一測力板單元29A，同時一虛擬實境模組40A則結合於一輸出裝置內。

該虛擬實境主動回饋踩踏運動程式之執行步驟，可包含下列：

(81)取得使用者的肢體功能狀態： 該中央控制單元12讀取一患者的肢體功能狀態，取得該患者的功能狀態可以是透過讀取該控制主機10內儲之一使用者肢體狀態資料庫，也可以是該使用者踩踏該踩踏運動模組20時該力量感測單元27、該角度感測器28及該測力板單元29後之感測結果，舉例而言，該使用者可能被要求先嘗試試用該踩踏運動模組20，藉以取得使用者的一最大施力狀態、一肢體平衡施力狀態(力量感測單元27之感測結果)、 一協調性及控制能力(該角度感測器28、該測力板單元29之感應結果)、一肌肉張力...等，該中央控制單元12取得該些結果後，評估使用者之肢體狀態。該控制主機10亦可先依據患者的測試踩踏結果儲存於該使用者肢體狀態資料庫，讓該患者於下次使用時，即可得知前次的使用狀況與肢體控制能力，藉此對該患者提供適當的復健課程。

(82)依據使用者的肢體功能狀態產生一虛擬場景： 該中央控制單元12依據使用者(患者)的肢體功能狀態，驅使該虛擬場景控制模組18輸出一適當的一虛擬場景，並透過該顯示裝置42及該聲音輸出裝置44予以播放。所謂的該肢體功能狀態，可以依據患者對肢體的控制能力而分成不同層次，讓該中央控制單元12可以依據肢體功能狀態而提供患者適當的輔助，舉例如下：A. 無自主動作：患者對肢體無控制能力；B. 不可獨立完成踩車動作：患者無法自行完成整圈、循環性的踩車動作(例如偏癱)；C. 可獨立完成踩車動作：患者可以自行完成整圈循環的踩車動作。

該中央控制單元12可以依據前述的肢體功能狀態，透過該虛擬實境模組40產生、輸出對患者難度適當的虛擬場景，由於該中央控制單元12可以依據角度感測器28等感應裝置獲取患者的踩踏週期，因此，可以計算患者的行進速度，同時藉此連續改變該虛擬場景的內容，讓患者有身歷其境的感受，藉此提高其使用意願與成就感受。舉例說明之，對A類型患者於該顯示裝置42顯示一直線平路的虛擬場景圖像；對B類型患者透過顯示裝置42輸出有一有彎道之平路之虛擬圖像、並同時於患者偏離彎道時產生立體聲的警示(例如超過右邊路緣時於右耳部分產生鼓聲警示)；對C類型患者則於該顯示裝置42輸出一具有爬降坡及彎道的道路虛擬圖像。

透過提供不同肢體控制能力之患者不同的虛擬場景，可以讓患者達到適切的「復健」課程，大幅提升使用意願與復健成效。

(83)依據使用者的肢體功能狀態產生一踩踏運動模式： 與步驟(82)近似，該中央控制單元12可以依據患者的肢體控制狀態，透過該踩踏回饋控制模組16驅動該驅動單元25對該飛輪23輸出一踩踏運動模式，該踩踏運動模式可包含一輔助驅動、一電刺激輔助驅動及一阻力增強驅動等。

所謂的輔助驅動，為該驅動單元25傳動該飛輪23轉動，此一傳動模式適合前述A類型的患者，如此的復健過程讓患者之肢體肌肉、神經熟悉肢體控制，達到完全提供輔助踩踏的功效。

該電刺激輔助驅動模式則主要適合B、C類型的患者，其進行踩踏復健的過程中，該電刺激模組30受該中央控制單元12控制對患者輸出電刺激訊號，讓患者的肌肉可以獲得該電刺激模組30之刺激型式(stimulation pattern)的電流脈波，刺激下肢的肌肉做動態且循環性的收縮，以肌群收縮所產生的力量克服負載阻力做持續的週期性運動。透過電刺激之輔助，可以讓患者完整完成踩踏週期運動。更進一步地，進行該電刺激輔助驅動模式時，該中央控制單元12可以依據使用者肢體狀態資料庫之資料，並配合設於曲柄的該力量感測單元27之感測結果，得知患者的患側腳在整個踩踏過程中，何時應該出力而未出力，或有出力但無法踩動該踏板22。當有前述狀況發生時，該中央控制單元12驅動該電刺激模組30適時產生經皮電流以刺激患側下肢之股直肌群、膕膀肌群、脛前肌、腓腸肌等，使下肢產生屈曲及伸張動作配合完成踩車運動，達到輔助之功效。

該阻力增強驅動方面，主要適用於B、C型之患者；當患者有能力做出踩車動作時，不論患者是否有能力完成整圈踩車動作，就算是只能做出部份踩踏的動作但無法完成踩車運動，都能選擇不同阻力模式來訓練、復健。由於患側下肢的肌肉張力可能可藉由不同的承力模式而改變，因此本實施例可藉由驅動單元25提供阻力，除了訓練其患側下肢肌肉強度外，亦希望可釐清不同的承力模式對肌肉張力的影響。換言之，該中央控制模組12依據患者的狀況，透過該踩踏回饋控制模組16控制該驅動單元25，使驅 動單元調整該飛輪23之轉動狀態與阻力大小，可讓使用者的健部與患部肢體進行兩邊的踩踏週期所遭遇的阻力不同；當患者的患側腳可出力配合健側腳協助完成踩車運動時，便可利用不同的阻力模式訓練其肌力。阻力的設定是依據每個患者的情況給予不同的阻力，首先，先請患者盡全力踩踏該踏板22，經由曲柄軸上的該力量感測單元27可測得最大出力，再依病患狀況，給予阻力設定。實際舉出範例如下： A. 於步驟(81)過程讀取患者的最大出力值，當患者後來使用本實施例時，小於病患最大出力值之阻力模式：病患只能做出部分的踩車動作者可選擇此模式；該驅動單元25提供小於病患最大出力值之阻力後，患者的患側下肢必需出力去克服阻力完成部分踩車運動，其餘無法完成之踩車動作；該中央控制單元12可以下列兩種方式完成：(a)該中央控制單元12可由該角度感測器28之感應結果發現患者的踏板22使用過程沒有角度的變化，便驅使該驅動單元25啟動，帶動患者之雙腳完成踩車動作；(b)該中央控制單元12比較該力量感測單元27測知患側腳出力與該驅動單元25所提供阻力值的差，該中央控制單元12以此驅動該電刺激模組30以刺激患側下肢之肌肉群，使其出力增加以克服阻力完成踩車運動。

B. 該力量感測器27之感測結果大於病患最大出力值之阻力模式：該病患能做出完全的踩車動作者可選擇此模式，藉以訓練下肢肌力。起始時，該驅動單元25提供大於病患最大出力值之阻力，患者的患側下肢必需出力去克服阻力完成踩車運動，若患者疲乏，無法完成踩車動作時，該中央控制單元12可依據該角度感測器28無感應到角度之變化，進而透過該踩踏回饋控制模組16調整該驅動單元25對該飛輪23之驅動能力，例如以5%的值往下降低阻力，讓患者完成踩車動作。

由前述之說明可知，本實施例具有下列之諸多優點：

4. 可以配合患者的肢體支配狀態，即時調整患者踩踏過程時 的阻力，可以讓患者的復健能加強所需要訓練的患部肢體，讓復健更有效率。

5. 提供患者虛擬場景，讓使用過程更具備樂趣與親身體驗感受，大幅提昇使用意願而解決既有技術使用意願低落的問題。

6. 透過電刺激的輔助、讓患者可以輔助完成踩踏動作，真正達到復健的目的。

10,10A‧‧‧控制主機

12‧‧‧中央控制單元

14‧‧‧輸入及訊號轉換單元

16‧‧‧踩踏回饋控制模組

18‧‧‧虛擬場景控制模組

20,20A‧‧‧踩踏運動模組

21‧‧‧本體

22‧‧‧踏板

23‧‧‧飛輪

25‧‧‧驅動單元

27‧‧‧力量感測單元

28‧‧‧角度感測器

29,29A‧‧‧測力板單元

30‧‧‧電刺激模組

40,40A‧‧‧虛擬實境模組

42‧‧‧顯示裝置

44‧‧‧聲音輸出裝置

第一圖為本發明較佳實施例之系統方塊示意圖。

第二圖為本發明較佳實施例之系統示意圖。

第三A、B圖為人體下肢之肌肉群位置及電刺激位置示意圖。

第四圖為本發明之一整合型虛擬實境踩踏運動復健裝置示意圖。

10．．．控制主機

20．．．踩踏運動模組

21．．．本體

22．．．踏板

23．．．飛輪

25．．．驅動單元

29．．．測力板單元

30．．．電刺激模組

40．．．虛擬實境模組

Claims (7)

1. 一種虛擬實境踩踏運動復健裝置，其包含：一踩踏運動模組，其包含一本體及設於該本體之二踏板、二力量感測單元、一角度感測器、一驅動單元，二該踏板分別以一曲柄連接於該本體並對該本體轉動，該力量感測單元透過感應應變或壓力而感應該踏板受力數值，該角度感測器感測該踏板對應該本體轉動之角度，該踏板之角度可以被紀錄並傳輸至一中央控制單元，該驅動單元可控制該踏板對該本體之轉動阻力與轉速；一虛擬實境模組，係可產生一虛擬場景；一控制主機，其與該踩踏運動模組、該虛擬實境模組電訊號連接，該控制主機接受該力量感測單元、該角度感測器之感測結果而獲得一使用者肢體狀態，其中，該虛擬實境模組包含一顯示裝置及一聲音輸出裝置係分別產生該虛擬場景之一影像內容及一聲音內容，其中該影像內容與該聲音內容與該使用者肢體狀態、該踏板對該本體之轉動阻力與轉速及該使用者之身體壓力重心位置有關，該控制主機依據該使用者肢體狀態控制該驅動單元改變該踏板對該本體之轉動阻力與轉速；及一電刺激模組，該電刺激模組受該控制主機之控制對一肢體產生一電刺激訊號而輔助該肢體之運動。
2. 如請求項1所述的虛擬實境踩踏運動復健裝置，該踩踏運動模組進一步包含一測力板單元，該測力板單元與該控制主機訊號連接，其讀取一使用者之身體壓力重心位置，並依據該身體壓力重心位置調整該虛擬場景之內容與狀態。
3. 如請求項2所述的虛擬實境踩踏運動復健裝置，該控制主機包含一使用者肢體狀態資料庫，其依據該使用者肢體狀態資料庫之內容調整該踏板對該本體之轉動阻力及控制該電刺激模組之電刺激輸出。
4. 如請求項3所述的虛擬實境踩踏運動復健裝置，該控制主機比較該力量感測單元所感測之結果及一最大施力狀態之差異， 調整該踏板對該本體之轉動阻力及轉速。
5. 如請求項4所述的虛擬實境踩踏運動復健裝置，該力量感測單元為扭力感測器或荷重元件。
6. 一種虛擬實境踩踏運動復健之控制方法，其步驟包含：取得一使用者的肢體功能狀態；依據使用者的肢體功能狀態產生並改變一虛擬場景；依據使用者的肢體功能狀態產生一踩踏運動模式，並以該踩踏運動模式控制一踩踏運動模組之踏板的阻力或輔助踏板之轉動狀態，該踩踏運動模式包含一輔助驅動、一電刺激輔助驅動及一阻力增強驅動，其中，該電刺激輔助驅動為產生一電刺激訊號輸出至一人體，而該阻力增強驅動為依據該使用者的肢體功能狀態改變該踏板的轉動阻力。
7. 如請求項6的虛擬實境踩踏運動復健之控制方法，該使用者的肢體功能狀態包含身體壓力重心位置、踩踏扭力或踩踏力量。