TWI551284B

TWI551284B - Gait training tools

Info

Publication number: TWI551284B
Application number: TW103105626A
Authority: TW
Inventors: Chung Huang Yu; Hsiao Lan Wang; Chien Hsi Chen; Chih Hsiang Yang; Hsiao Kuan Wu
Original assignee: Univ Nat Yang Ming
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2016-10-01
Also published as: TW201532598A

Description

步態訓練工具

本發明係關於一種步行輔具，其特別有關於一種具步態訓練功能之步行輔具，以視覺及聽覺提醒方式，引導使用者進行自主性的步態訓練。

腦中風為我國老年人好發疾病之一，每年約有超過五十萬人因中風而需要長期接受復健治療，且根據衛福部2008年至2012年的統計資料顯示，在台灣每年產生約6.8萬新中風患者。中風患者除了可能產生心理、認知、情緒上的改變外，主要會造成其感覺與動作功能上的受損，其中尤以動作功能之損傷最為嚴重，必須經過長期持續的治療及復健過程，以恢復原有的身體機能。在漫長復健過程中，讓患者重拾獨立步行能力是非常重要的一環，更是恢復日常生活功能必要的訓練之一。目前臨床上在進行步態訓練時，多半是依賴治療師主觀評斷患者的能力來給予相對應的外在提醒以利誘發正確步態，然而當治療師沒有在旁監督給予明確之口令或引導時，患者可能在缺乏提醒的情況下以不良的姿勢行走，進而養成不好的跨步習慣，以致造成平衡上的缺損、患側下肢因承重減少所造成的骨質流失、健側下肢因長期負擔所造成之肌肉骨骼問題如疼痛或關節退化等問題，對於日後身體機能的維持十分不利。

相較下於同年齡之健康者，中風患者在行走時會出現各種異常步態，其跨步長、步頻及步速等也都呈現較差或較無對稱性的狀況，因此為了讓患者在復健過程中能夠採取較佳的跨步，目前醫療院所最常見的復健訓練方式，大多是在地板上貼附或繪製等距的橫線記號、圖案或是放置目標物作為引導。但這些方法都是侷限在有限的空間中，現階段還無法彈性應用到日常生活裡；且因部分使用者於訓練過程中，經常會過度以健側肢承重，無論對健側或患側皆有不好的影響。

為了有效提升患者步態表現及步態對稱性，於先前的相關研究中，係採用虛擬實境或是大型懸吊式跑步機等裝置。雖然由研究結果顯示，此類訓練方式對於中風患者的復健治療上具有正面的效果，例如參見：Jaffe,D.L.,et al.,Stepping over obstacles to improve walking in individuals with poststroke hemiplegia.J Rehabil Res Dev,2004.41(3A)：p.283-292.或Krishnan,C.,et al.,Active robotic training improves locomotor function in a stroke survivor.J Neuroeng Rehabil,2012.9：p.57，但由於需要耗費較高的人力、空間及成本，所以在臨床普及上仍具有相當大的困難度。

生物回饋為另一種研究許久的中風患者的步態訓練方式，主要利用視覺或聽覺之回饋給與病患明確的目標。例如：Boonsinsukh等人(Boonsinsukh,R.,L.Panichareon,and P.Phansuwan-Pujito,Light Touch Cue Through a Cane Improves Pelvic Stability During Walking in Stroke.Archives of Physical Medicine and Rehabilitation,2009.90(6)：p.919-926)即是透過可發出聲音提醒的輔具來訓練患者行走時的重心轉移，主要是利用在市售手杖上加裝力量感測器，以偵測患者步行時壓在手杖上的力量大小，同時將訊號傳輸至電腦進行擷取和紀錄。當患者行走時壓在手杖上的力量超過研究者預先設定的閾值時，便給予患者聽覺提示，提醒患者施加太多重量在手杖上，需要將重心移往患側。經過多次訓練之後，確實能有效誘發患側下肢於單腳站立時的承重肌肉活化(weight-bearing muscle activation)並增加行走時姿勢控制和步態的穩定度。而利用視覺提示的方式來訓練中風患者行走時之步態表現之相關技術，則可參見US 5,575,294號及US 6,330,888號美國專利。其中，US 5,575,294號專利係關於一種可安裝於拐杖或助行器上的光線投射裝置，藉由按鈕控制光線的射出，可於行走時投射出一條光線來導引帕金森氏症患者往前行走，以解決其凍結步態(freezing gait)的問題。而US6,330,888號專利案揭露一種具視覺刺激的拐杖，同樣是用來幫助帕金森氏症病人克服凍結步態問題，其於拐杖的底端設有一可摺收的塑膠橫木指示器，且該指示器可於需要時打開供使用者進行跨步提示，不需時則可收起做為一般拐杖使用。另外，US 2013/0167888則是有關於一種視覺及聽覺引導反饋之助行器，該裝置設有二個做為觸碰標的物的發光球體，經使用者下肢碰觸後會發出聲響，提示其完成一個步伐，藉以改善使用者的步態問題。

上述所知的視覺回饋技術中，無論是以橫條光線或是以橫桿視覺提示，皆是以一直線的指引方式，來促進帕金森氏病人行走。然而，此類引導方式僅能提供一固定距離的提示，並無法針對使用者的狀況調整指示位置，來提供最適合使用者行走時的跨步距離，以致降低復健訓練成效。

針對上述之缺失，本發明之主要目的在於提供一種新式之步態訓練工具，以幫助使用者在缺少治療師在旁給予明確之口令或引導時，可以正確的行走方式來自我訓練，提升復健治療之進展。

本發明之另一目的在於提供具有效率且客觀之步態訓練工具，能有效監測或增加使用者在行走時之客觀指標，如步態對稱性，藉以加強中風病人步行之訓練效果。

本發明之又一目的在於提供一種模組化之步態引導輔助裝置，可方便使用者自行安裝於現有之步行輔具上，以進行步態訓練。

為達上述目的，本發明提供一種步態訓練工具，包含有：一步行輔具及一步態引導輔助裝置；其中，該步行輔具，係具有一握持部及一支撐桿體；該步態引導輔助裝置包含：一基座，係供於該步行輔具之支撐桿體的一端設置於其上；以及一投射裝置，具有至少二光源模組，可各自相對於該投射裝置之主體改變角度，以分別對使用者之健側下肢及患側下肢提供點狀之跨步提示。

於本發明之一實施例，該步態引導輔助裝置之基座具有一樞轉機構，該樞轉機構進一步包含有一樞接部及一轉向器，該支撐桿體的一端係藉由該轉向器樞接於該基座內之樞接部上；其中，該轉向器可為一轉軸、萬向接頭或球形關節。

較佳地，本發明之步態引導輔助裝置進一步包含一極限開關，係設置於該基座之底部，當該基座之底部接觸地面時，即觸發該極限開關啟動該投射裝置，以提供光源提示。

更佳地，本發明進一步包含有一動態偵測裝置，係設置於該步行輔具及/或步態引導輔助裝置之一固定部位處，用以偵測該步態訓練工具之動作資訊，當資訊顯示該步態訓練工具處於穩定狀態時，該投射裝置始被啟動。

於本發明之另一實施例，該步態引導輔助裝置包含一控制系統及一力感測器，透過該力感測器接收使用者施加於該步行輔具上之壓力，並將壓力值回傳至位於該基座主體內部之控制系統。該步態訓練工具進一步包含一蜂鳴器，當該控制系統接收到該力感測器回傳之壓力值超過該設定之閾值時，該蜂鳴器即被啟動。

於本發明之另一方面，係提供一種步態引導輔助裝置，包含：一基座，係供一步行輔具組設於其上；以及一投射裝置，係設置於該基座之主體外部之一側，且包含有二光源模組，用以投射出點狀或圖形狀之光源，可各自相對於該投射裝置之主體改變角度，調整光源投射位置，藉以分別對使用者之健側下肢及患側下肢進行跨步提示；其中，該基座與該投射裝置係為一模組化設計。

本發明所提供之步態訓練工具，係透過雷射光點作為踏步目標，且無段調整之設計可明確指示健側肢與患側肢的踩踏位置，並配合基座上的樞轉機構，以確保該基座放置於地面後，光點投射位置固定，且可於輔具承重超過閾值時，即時提供一警示音提醒。

本發明所提供之步態訓練工具，僅需透過簡單的操作技巧，並經由裝置所提供的視覺及聽覺指引，便能使中風或其他有步態復健需求之患者在無專業人員監督下進行正確地自主訓練，並改善患者之步態表現及步長對稱性，提升病人步態復建之效率。

100‧‧‧步行輔具

110‧‧‧握持部

120‧‧‧支撐桿體

121‧‧‧內管

122‧‧‧外管

123‧‧‧限位組件

200‧‧‧步態引導輔助裝置

210‧‧‧基座

211‧‧‧樞轉機構

212‧‧‧樞接部

213‧‧‧轉向器

214‧‧‧槽孔

215‧‧‧防滑墊

216‧‧‧軸套

220‧‧‧投射裝置

221‧‧‧光源模組

222‧‧‧球狀接頭

223‧‧‧連接部

230‧‧‧供電組件

240‧‧‧極限開關

250‧‧‧控制系統

260‧‧‧力感測器

270‧‧‧蜂鳴器

280‧‧‧記憶模組

290‧‧‧動態偵測裝置

291‧‧‧上肢穩度偵測器

292‧‧‧底部穩度偵測器

第1圖係本發明一實施例之步態訓練工具之立體圖。

第2圖係本發明之步態訓練工具之局部構件分解圖。

第3圖係本發明之步態訓練工具之使用狀態示意圖。

第4圖係本發明另一實施例之步態引導輔助裝置方塊圖。

第5圖係本發明之控制系統執行流程圖。

本發明之其他特色及優點將於下列較佳實施範例中被進一步舉例與說明，而該實施範例僅作為輔助說明，並非用於限制本發明之範圍。

請同時參閱第1、2圖所示，係分別為本發明一實施例之步態訓練工具之立體圖及局部構件分解圖。該步態訓練工具，包含：一步行輔具100及一步態引導輔助裝置200，該步態引導輔助裝置200進一步包含：一基座210、一投射裝置220及一供電組件230。

本發明之該步行輔具100可為助行器、四腳拐或標準拐杖(單拐)，據研究指出，對於步態不對稱之中風患者，標準拐杖的使用能顯著增加其步態對稱性及步態表現，故於本實施例中係選用標準拐杖來進行說明。該步行輔具100具有一握持部110及一支撐桿體120，且該支撐桿體120的一端連接該握持部110。該支撐桿體120係為一伸縮式設計，由一內管121與一外管122相互套接而成，於管體上設置有一限位組件123，可依據使用者的身高改變該限位組件123間的卡固位置，藉以調整該支撐桿體120的高度，一般係以人體之大轉子(Greater trochanter)的高度為最佳握把高度。該步態引導輔助裝置200之基座210具有一樞轉機構211，其包含有一樞接部212及一轉向器213，該支撐桿體120的另一端係藉由該轉向器 213樞接於該基座210之樞接部210；其中，該轉向器213可為一轉軸、萬向接頭或球形關節。

本發明之步態訓練工具係以三點式步行訓練方式之概念進行設計，為達到較好之步態對稱效果，該步態引導輔助裝置200之投射裝置220設置有二光源模組221，用以投射出點狀或圖形狀之雙光源，以分別對使用者之健側下肢及患側下肢提供點狀之跨步提示。該些光源模組221較佳係採用雷射光源模組，且具有一球狀接頭222之設計，可各自相對於該投射裝置220之主體改變角度，以調整雷射光點之投射位置。該投射裝置220可選擇性地安裝於步行輔具100之支撐桿體120或基座210的一預定位置，但為避免雷射光點投影位置因步行輔具100角度改變而變動，以致造成使用者行進上的困擾，該投射裝置220較佳係設置於該基座210上。如第2圖所示，該投射裝置220係藉由一連接部223卡固於該基座210主體之一槽孔214，配合前述之步行輔具100與基座210間之樞轉設計，可確保該投射裝置220於行進中不會因為步行輔具100之支撐桿體120所產生的擺動或晃動而改變雷射光點投影位置。本發明之該供電組件230可如第2圖所示組設於該投射裝置220之主體內，亦可選擇設置於該基座210之主體內，以提供該投射裝置220所需電力。而該供電組件230可為一電池。

於本實施例中，該步態訓練工具進一步包含有一極限開關240，係組設於該步態引導輔助裝置200之基座210底端，於該基座210底端觸地時，即觸發該極限開關240啟動該投射裝置200，以提供光點提示。當選用之步行輔具100為四腳拐時，該極限開關240則可選擇組設於四腳拐輔具之四個腳架之底端；同樣地，於四腳拐之腳架底端觸地時，即觸發極限開關240，以啟動投射裝置產生點光源指示。利用步態進行上下肢的自然協同關係，光點的投射與否自動配合使用者的步態周期達成，無須人為介入。此外，針對某些特定的使用者，本發明另可於該步行輔具100及/或步態引導輔助裝置200之一固定部位處設置一動態偵測裝置290，用於偵測該步態訓練工具之動作資訊，當該動態偵測裝置290所擷取之資訊顯示該步態訓練工具處於穩定狀態時，該投射裝置220始被啟動，藉以調整/延後雷射光點出現時機，待使用者上肢穩定後才出現指示光點，亦可另以一聲音提示使用者可跨步的方式，以增加使用者在行進中的安全性。於本發明中，該動態偵測裝置290可包含有一上肢穩度偵測器291及/或一底部穩度偵測器292，其中，該上肢穩度偵測器291係設置於該步行輔具100之握持部110，亦可選擇設置於該支撐桿體120之一任意部位，用以偵測使用者上肢施力之穩度；而該底部穩度偵測器292較佳係設置於基座210之一預定位置，以偵測步態引導輔助裝置200之底部穩定度。當由該上肢穩度偵測器291之訊號判定該步行輔具100處於穩定狀態時，及/或由該底部穩度偵測器292之訊號判定該步態引導輔助裝置200係穩定時，始啟動該雷射投影裝置220。於本實施例中，該動態偵測裝置290係為一加速規。此外，該基座210之底端可進一步具有一防滑設計，其與地板之接觸面係設置有複數個防滑墊215，以增加行走穩定度。

第3圖所示，為本發明第一實施例之使用狀態示意圖。使用者在進行三點式步行訓練前，先由治療師依使用者偏癱類型(左或右)手動調整二光源模組221之雷射光點投影位置，一般而言，患側部之投射目標A係調整至該步態訓練工具前端之水平延伸處，而健側部之投射目標B則位於步態訓練工具前約15-20公分處。爾後，使用者即可在無專業人員監督下，依據投射於患側腳與健側腳前之點狀視覺指引位置進行自主訓練。

為了讓使用者於行走時上半身能維持良好的姿勢且有效地將重心輪流乘載於雙腳，於本發明之另一實施例中，進一步具有一承重提示設計，用以偵測及記錄使用者於步行時施加在該步態訓練工具上之力量分布情形，並於使用者過度施力於健側肢時，適時提供一聲音警示提醒。現請參閱第4圖所示之本發明另一實施例之裝置方塊圖，並配合第5圖所示之控制系統執行流程圖，以說明本發明之具體操作步驟。於本實施例中所述之步態引導輔助裝置200，係利用量測使用者施加在輔具上的重量，來作為判斷重心轉移的主要方式。除前述之基座210、投射裝置220及供電組件230等構件外，其進一步包含有一控制系統250、一力感測器260及一蜂鳴器270。

該控制系統250係設置於該基座210之主體內，可為一晶片式系統或一微控制單元，本發明係選用晶片式系統，並透過撰寫C語言程式碼控制該晶片式系統的運作。操作上，治療師依照使用者之狀態調整該投射裝置220之雷射光點最佳指示位置後，透過設置於該基座210之主體外側的一控制面板啟動該控制系統250，並於模式一下設定使用者之體重資料。之後，使用者在進行步態自主訓練時，以其健側手持握本發明之步行輔具100，當該基座210接觸地面後，該極限開關240與該動態偵測裝置290即被啟動並傳送訊號至該控制系統250。當該控制系統250同時接收到該極限開關240與該動態偵測裝置290所傳送之訊號，並由該動態偵測裝置290所擷取之訊號內容判斷該步態訓練工具係處於穩定狀態時，始啟動該雷射投影裝置220，並進入行走模式(模式二)，而位於該基座210之軸套216內的力感測器260亦隨即被啟動，以接收使用者施加於該步態訓練工具上之壓力，並將壓力值回傳至該控制系統250。當該控制系統250接收到該力感測器260所回傳之壓力值超過一設定閾值時，該控制系統250即啟動設置於該基座210上之一蜂鳴器270，提醒使用者目前的姿勢已過度偏向健側和下肢承重分配不均，讓使用者能夠在下一次跨步時自我調整，達到動作控制和動作學習的目的。該蜂鳴器270啟動閾值之設定，可參考Chen等人於Temporal stride and force analysis of cane-assisted gait in people with hemiplegic stroke.Arch Phys Med Rehabil,2001.82(1)：p.43-8研究中所提到的數據值，即一般中風患者使用拐杖行走時，拐杖所承受之平均重量介於使用者體重的12.7%~25%之間，來選擇設定之閾值大小。同時，該控制系統250亦可將所偵測到之壓力值大小記錄於一記憶模組280中，以作為後續臨床診斷與復健計畫之參考。

於本發明中，該基座210、該投射裝置220、該供電組件230、該極限開關240、該控制系統250、該力感測器260、該蜂鳴器270及該底部穩度偵測器292可為一模組化設計。透過該模組化設計，使用者除了可購買整組的步態訓練工具外，亦可單獨選購步態引導輔助裝置200，自行將其安裝於現有之步行輔具100上。

本發明之步態引導輔助裝置，可提供類似治療師所給予之口令或跨步提醒，其所投射之雷射光點指示可依使用者狀態調整步伐遠近大小，並客觀確實地記錄使用者之使用情況，輔助治療師進行臨床步態訓練。另外再透過警示聲提醒使用者之施力情形，能更精準訓練使用者之步行、動作控制及協調能力。藉由本發明之步態引導輔助裝置，使用者無需另外穿戴其他裝置，且不必經過特別訓練或學習，只需藉由簡單的操作技巧，即可在沒有專業人員監督的情況下，進行自主性的復健訓練。此外，使用者的腳部與步行輔具間無機械式接觸，故不會限制或妨礙到步態訓練的進行。

本說明書中所揭示之全部特徵可以任何組合方式組合。於是，本說明書中所揭示之各別特徵可由依相同、相等或類似目的之替代特徵取代。因此，除非另行清楚地指示，所揭示之各特徵僅為一系列同等物或類似特徵之實例。

從前述之說明，習於該項技藝人士可容易地確定本發明之基本特徵，且在未偏離其範圍下，可進行本發明之各種改變與修飾，以使其適於各種不同用途與狀況。因此，於申請專利範圍內亦包含其他具體態樣。