TWI558391B - Electronically stimulated rehabilitation training equipment and its method - Google Patents

Description

電刺激復健訓練設備及其方法

本發明是有關於一種訓練設備及其方法，特別是指一種能夠自動調整神經肌肉刺激參數的電刺激復健訓練設備及其方法。

身體行動不便之人士，或是體弱年長者通常需要透過一些復健設備以進行簡單運動，達到訓練肌肉或肌力之目的。

現有用以訓練肌肉或肌力之電刺激復健訓練裝置，其包括二用以供使用者踩踏之踏板、二分別與該等踏板相連接之曲柄、一傳動機構、一透過該傳動機構而連接該等曲柄以提供驅動或制動之電動馬達，以及一電刺激器。該電動馬達能提供帶動訓練或主動阻力訓練，而控制該電刺激器輸出特定波形與輸出時機，讓電刺激器在適當時機刺激並誘發癱瘓患者的肢體肌肉收縮，進而模擬接近正常活動的訓練動作，以達到肢體癱瘓患者的肢體主動阻力訓練。

在使用電刺激復健訓練裝置時，需手動調整電刺激器的輸出時機以達到連續且接近正常活動的訓練動 作。由於手動調整電刺激器的輸出時機須考慮使用者所乘坐之座椅高度、患者肢體擺位及刺激訊號與實際誘發動作的時間差等因素，因此，需仰賴治療師依據經驗進行多次手動調校，此經驗法則的調校方式造成電刺激復健訓練裝置的使用門檻較高，便利性較低。此外，在使用時，通常會使用固定的波形輸出，但固定的波形輸出，易導致神經肌肉適應其刺激模式而降低功能性動作的誘發情況，從而造成復健訓練效果降低。

因此，本發明之目的，即在提供一種能夠自動調整神經肌肉刺激參數之電刺激復健訓練設備。

本發明之另一目的，則是在於提供一種能夠自動調整神經肌肉刺激參數，進而調整出適當強度的電刺激復健訓練，讓使用者能在訓練中增強肢體的肌力與學習控制肢體，以使訓練效果更佳之電刺激復健訓練方法。

於是，本發明電刺激復健訓練設備，包含一主體、一人機操作面板、一傳動單元、一受力單元、一感測單元、一刺激單元，以及一控制單元。

該人機操作面板設置於該主體上端處而用以供輸入設定訓練參數及輸出多媒體資訊。

該傳動單元設置於該主體並用以輸出驅動作用力。

該受力單元是用以承載一使用者之肢體，且可由該傳動單元驅動而帶動該使用者之肢體活動或接受該使 用者之肢體的施力活動。

該感測單元是設置於該使用者之肢體或該受力 單元或該傳動單元，而用以感測該使用者之肢體的施力資訊及該傳動單元的轉動資訊。

該刺激單元是用以可重覆撕離地貼附於該使用 者之肢體並能輸出電刺激作用。

該控制單元設置於該主體並能與該感測單元與 該傳動單元和該刺激單元進行資訊互動，該控制單元會依據經由該人機操作面板所輸入的設定訓練參數，及該使用者之肢體的施力資訊與該傳動單元的轉動資訊，控制該傳動單元的轉動，及該刺激單元的電刺激狀態。

另一方面，本發明電刺激復健訓練方法，適用 於上述電刺激復健訓練設備，該電刺激復健訓練方法包含下列步驟：(a)利用該控制單元控制該傳動單元帶動該使用者的兩側肢體轉動或由該使用者自行主動施力活動一段時間，該感測單元感測該傳動單元的轉動資訊與該使用者的施力資訊；(b)該控制單元根據該感測單元感測到該傳動單元的轉動資訊與該使用者的施力資訊，經計算分析找出至少一姿勢基準點，該姿勢基準點是在一圈內出現使用者的肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極大值時的角度；(c)該控制單元以該姿勢基準點為基準，計算出 該使用者接受刺激部位的各肌肉群在一圈內最佳的刺激角度範圍；(d)該控制單元依據各肌肉群在一圈內最佳的刺激角度範圍，設定該刺激單元的輸出時機；(e)該控制單元控制該刺激單元於所設定的輸出時機開始刺激以進行訓練，同時不斷改變該刺激單元所輸出的刺激狀態。

本發明之功效在於藉由該感測單元感測該使用 者之肢體的施力資訊及該傳動單元的轉動資訊，該控制單元根據感測單元的感測訊號計算出至少一姿勢基準點，並以該姿勢基準點為基準，計算出該使用者接受刺激部位的各肌肉群在一圈內最佳的刺激角度範圍，並據此設定該刺激單元的輸出時機，進而控制該刺激單元開始刺激以進行訓練，同時不斷改變該刺激單元所輸出的刺激狀態，進而讓使用者能在訓練中增強肢體的肌力與學習控制肢體，以使訓練效果更佳。

1‧‧‧主體

11‧‧‧底座

12‧‧‧直立座

13‧‧‧握桿

2‧‧‧人機操作面板

21‧‧‧螢幕

22‧‧‧控制鍵

3‧‧‧傳動單元

31‧‧‧馬達

311‧‧‧輸出軸

32‧‧‧傳動齒輪組

4‧‧‧受力單元

41‧‧‧曲柄

42‧‧‧受力載體

6‧‧‧感測單元

61‧‧‧攝影單元

62‧‧‧影像處理單元

63‧‧‧肢體姿勢感測器

7‧‧‧刺激單元

71‧‧‧電刺激器

72‧‧‧電極片

73‧‧‧傳輸線

8‧‧‧控制單元

S1至S5‧‧‧步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明電刺激復健訓練設備之第一實施例；圖2是一示意圖，說明本發明電刺激復健訓練設備之第二實施例；圖3是一示意圖，說明本發明電刺激復健訓練設備之 第三實施例；圖4是一方法流程示意圖，說明本發明電刺激復健訓練方法之一實施例；以及圖5是一示意圖，輔助說明圖4，顯示一使用者腳長、使用者髖關節至一受力載體與一曲柄接點間的距離、一座椅高度與一傳動單元的轉軸高度呈一幾何關係。

參閱圖1，本發明電刺激復健訓練設備之第一實施例，包含一主體1、一人機操作面板2、一傳動單元3、一受力單元4、一感測單元6、一刺激單元7，以及一控制單元8。

該主體1包括一用以置於地面上之T型狀之底座11、一立設於該底座11上之直立座12，以及二分別由該直立座12兩相反表面向外凸伸之握桿13。

該人機操作面板2設置於該主體1之直立座12的上端處，且具有一能用以顯示多媒體資訊之螢幕21，及多數可供輸入設定訓練參數之控制鍵22。

該傳動單元3設置於該主體1上並能輸出驅動作用力。在本實施例中，該傳動單元3至少包括一具有二輸出軸311(因視圖角度關係僅顯示一個)之馬達31，及二分別與該等輸出軸311相連接並受連動之傳動齒輪組32。

該受力單元4包括二曲柄41，以及二受力載體42。該等曲柄41分別位於該傳動單元3兩相反側且一端皆與該傳動單元3相連接，該等受力載體42分別設置於該等 曲柄41的另一端且用以供承載一使用者的兩側肢體。當該傳動單元3處於運轉狀態時，會驅動該等曲柄41進而傳動該等受力載體42同步旋轉，此時使用者之兩側肢體可被動地接受該等受力載體42之帶動而進行活動。另外，在該傳動單元3處於運轉狀態下，使用者之兩側肢體也可同步地主動施力於該等受力載體42，此時該傳動單元3能控制該等受力載體42之轉速以提供適當的阻力，以提升使用者之兩側肢體的肌力訓練強度。再者，當該傳動單元3處於停止運轉狀態時，該使用者之兩側肢體也能主動施力於該等受力載體42而連動該等曲柄41旋轉，此時，對於使用者之兩側肢體的肌力訓練強度達到最大。

該感測單元6是設置於傳動單元3，且電連接該控制單元8，用以感測該使用者之肢體的施力資訊及該傳動單元3的轉動資訊，且將所感測到的轉動資訊傳遞至該控制單元8。所述轉動資訊包括運轉角度、轉速或扭力等。所述施力資訊則包括肌力大小。特別說明的是，該感測單元6是選自：編碼器、轉速計、扭力計、應變規或陀螺儀。在本實施例中，該感測單元6是以轉速計與編碼器做說明。

該刺激單元7包括一電連接該控制單元8之電刺激器71、二電極片72，以及二電連接該等電極片72且用以插設於該電刺激器71之傳輸線73。該等電極片72是用以可撕離地貼附於該使用者的肢體上並能傳導電刺激作用。

該控制單元8內建有多種訓練模式，且設置於該主體1並電連接該感測單元6與該傳動單元3和該刺激單元7，該控制單元8會依據經由該人機操作面板2所輸入的設定訓練參數，控制該傳動單元3的轉速、角度、扭力，及該刺激單元7的輸出電量、輸出頻率與波寬，以執行其中一種訓練模式，該控制單元8同時會依據以所接收該感測單元6所測得之傳動單元3的轉動資訊作為執行中之該訓練模式的變數，進而調整控制該傳動單元3的轉速、角度、扭力，及該刺激單元7的輸出電量、輸出頻率與波寬，以達到特定訓練之作用。

參閱圖1，當使用者要進行肢體的訓練使用時，先透過該人機操作面板2輸入訓練參數，如該傳動單元3之轉速、角度、扭力，以及電刺激參數等，再將兩側肢體分別放置在該等受力載體42上，並將該等電極片72貼附在其中一側或兩肢體的股四頭肌群與膕繩肌群處，藉此當該電刺激器71被啟動時，該等電極片72會對股四頭肌群與膕繩肌群輸出電刺激作用，同時該控制單元8會依照使用者所輸入的訓練參數，執行其中一種特定訓練模式，去控制該傳動單元3的轉速、角度與扭力，及該刺激單元的電刺激狀態。在特定的模式下，使用者的肢體先不用施力，僅由該傳動單元3帶動，此時該傳動單元3的轉速、角度與扭力會受使用者被帶動的肢體姿勢影響。藉此，該感測單元6會感測該傳動單元3的轉速、角度、扭力等轉動資訊，並進一步將感測到該傳動單元3的轉動資 訊傳遞至該控制單元8，並由該控制單元8進行分析、計算出使用者關節角度資訊，再以此關節角度調整控制該傳動單元3的轉速、角度、扭力，及該刺激單元7的輸出電量、輸出頻率與波寬，使得使用者的肢體能在該等電極片72的電刺激作用下，同時配合該傳動單元3的帶動而轉動，以達到特定訓練之作用。

參閱圖2，本發明電刺激復健訓練設備之第二實施例，本實施例與第一實施例大致相同，不同的地方是在於該感測單元6包含一攝影單元61，以及一電連接該攝影單元61與該控制單元8之影像處理單元62。藉此在使用者之肢體的運動過程中，利用該攝影單元61拍攝使用者之肢體活動的影像訊號，影像訊號進一步傳遞至影像處理單元62進行辨識與處理以取得使用者的骨架資訊後，再傳回該控制單元8以進行分析、計算出使用者的關節角度資訊，再依此一關節角度資訊調整控制該傳動單元3的轉速、角度、扭力，及該刺激單元7的輸出電量、輸出頻率與波寬，使得使用者的肢體同樣能在該等電極片72的電刺激作用及該傳動單元3的帶動下，進行特定訓練，因此，本實施例能達到與第一實施例相同之功效。

參閱圖3，本發明電刺激復健訓練設備之第三實施例，本實施例與第二實施例大致相同，不同的地方是在於該感測單元6還包括多數肢體姿勢感測器63，用以分別黏附於使用者肢體上，在本實施例中該肢體姿勢感測器63是以應變規做說明，並能黏附於使用者之大腿、膝蓋及 小腿。此時該感測單元6之該等肢體姿勢感測器63所量測的施力資訊是肢體關節角度，當關節角度改變時，該等肢體姿勢感測器63即可量測到關節的角度。特別說明的是，該等肢體姿勢感測器63不以應變規為限，例如也可以是包括多數陀螺儀或加速規，當關節角度改變時，該等陀螺儀或該等加速規所量測的貫量與加速度也會跟著改變，藉此亦可量測關節的角度。另外，該感測單元6所量測到的感測訊號可以有線或無線方式傳送至該控制單元8。因此，本實施例能達到與第二實施例相同之功效。

參閱圖1、4，本發明電刺激復健訓練方法之一實施例，適用於本發明之電刺激復健訓練設備，包含下列步驟S1至S5：

在步驟S1中，該控制單元8會依照使用者所輸入的訓練參數，控制該傳動單元3的轉速、角度與扭力以執行一特定訓練模式，帶動該使用者的兩側肢體轉動或由該使用者自行主動施力活動一段時間，在本實施例中是以帶動該使用者的兩側肢體轉動10圈做說明。此時使用者無需出力，同時該感測單元6會感測該傳動單元3的轉動資訊(包括轉速、角度、扭力)，並傳送至該控制單元8。

在步驟S2中，該控制單元8會根據該感測單元6所感測到該傳動單元3的轉速、角度、扭力，經分析計算出至少一姿勢基準點，該姿勢基準點是在一圈內出現使用者的肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極小值時的角度，在該傳動單元3的帶 動下，每一圈內會有二個使用者的肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極小值，對應到該使用者兩側肢體的姿勢基準點，該控制單元8在分析出各圈的該等姿勢基準點後，依據下列公式計算出該使用者的兩側肢體的平均姿勢基準點角度： 其中，A_Rad：代表右側肢體平均姿勢基準點角度；A_Lad：代表左側肢體平均姿勢基準點角度；A_Rd：代表右側肢體於每圈出現肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極小值時的角度；A_Ld：代表左側肢體於每圈出現肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極小值時的角度；n為整數。

特別說明的是，較常採用的姿勢基準點的定義為肢體處於最大伸張姿勢的角度，因此，可將使用者腳長、使用者髖關節至受力載體42與曲柄4接點間的距離、座椅高度、傳動單元3的轉軸高度視為一幾何關係，以下配合參閱圖5，進一步說明此幾何關係：

圖中之a是表示左大腿，a’是表示右大腿，b是表示左小腿，b’是表示右小腿，H是表示寬關節的位置，B是表示左膝關節的位置，B’是表示右膝關節的位置，C是表示左踏板的位置，C’是表示右踏板的位置。

由於姿勢基準點的位置會隨著使用者的座椅高度而跟著變動，因此本發明的做法是，以馬達31帶動肢體轉動，因肢體重量會影響馬達31的轉動，而重量影響會隨著姿勢不同而有所變化，因此只要量測帶動時的轉速、角度、扭力的變化，再依照肢體與曲柄41的幾何關係就可推算出姿勢基準點的位置與最佳輸出時機。

在步驟S3中，該控制單元8以該姿勢基準點為基準，與預設於控制單元8中的預設標準值進行比較，再計算該使用者接受刺激部位的各肌肉群在一圈內最佳的施力角度範圍，進而再依據電刺激訊號輸出時間點與肌肉群收縮的時間誤差，計算出此次訓練兩側肢體之目標肌肉群最佳的刺激角度範圍。

在步驟S4中，該控制單元8依據各肌肉群在一圈內最佳的刺激角度範圍，設定為該刺激單元7的輸出時機。藉以實現順暢的電刺激作用。

在步驟S5中，該控制單元8控制該刺激單元7開始電刺激作用，同時不斷改變該刺激單元7輸出波形的頻率與波寬。藉此能避免長時間刺激所產生的適應性，例如，在200μs~500μs的範圍內，每圈10μs為單位增加或降低波寬。因此，能有效提升復建治療效果。

綜上所述，本發明電刺激復健訓練設備及其方法，藉由上述設計，能夠自動調整神經肌肉刺激參數，進而調整出適當強度的電刺激復健訓練，且避免長時間刺激所產生的適應性，讓使用者能在訓練中增強患側肢體的肌 力與學習控制患側肢體，尤其是能適用於偏癱肢體之訓練，改善已知技術中因無法偵測患者用健側肢體帶動患側肢體，導致患側肢體訓練強度不足的狀況，進而讓偏癱患者能在訓練中增強患側肢體的肌力與學習控制患側肢體，以使偏癱訓練效果更佳，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧主體

11‧‧‧底座

12‧‧‧直立座

13‧‧‧握桿

2‧‧‧人機操作面板

21‧‧‧螢幕

22‧‧‧控制鍵

3‧‧‧傳動單元

31‧‧‧馬達

311‧‧‧輸出軸

32‧‧‧傳動齒輪組

4‧‧‧受力單元

41‧‧‧曲柄

42‧‧‧受力載體

6‧‧‧感測單元

7‧‧‧刺激單元

71‧‧‧電刺激器

72‧‧‧電極片

73‧‧‧傳輸線

8‧‧‧控制單元

Claims (8)

1. 一種電刺激復健訓練設備，包含：一主體；一人機操作面板，設置於該主體上端處而用以供輸入設定訓練參數及輸出多媒體資訊；一傳動單元，設置於該主體並用以輸出驅動作用力；一受力單元，用以承載一使用者之肢體，且可由該傳動單元驅動而帶動該使用者之肢體活動或接受該使用者之肢體的施力活動；一感測單元，設置於該使用者肢體或該受力單元或該傳動單元，而用以感測該使用者之肢體的施力資訊及該傳動單元的轉動資訊，該感測單元包括多數肢體姿勢感測器，用以量測使用者之肢體的關節角度；一刺激單元，用以可重覆撕離地貼附於該使用者之肢體並能輸出電刺激作用；以及一控制單元，設置於該主體並能與該感測單元與該傳動單元和該刺激單元進行資訊互動，當該等肢體姿勢感測器量測到肢體的關節角度改變時，會將量測訊號傳送至該控制單元而做為施力資訊，該控制單元會依據經由該人機操作面板所輸入的設定訓練參數，及該使用者之肢體的施力資訊與該傳動單元的轉動資訊，控制該傳動單元的轉動資訊，及該刺激單元的電刺激狀態。
2. 如請求項1所述的電刺激復健訓練設備，其中，該刺激單元包括一電連接該控制單元之電刺激器、至少一用以可重覆撕離地貼附於該使用者之肢體的電極片，以及至少一電連接該電極片且用以插設於該電刺激器之傳輸線，該控制單元會依據經由該人機操作面板所輸入的設定訓練參數，及該使用者之肢體的施力資訊與該傳動單元的轉動資訊，控制該電刺激器對於該使用者之肢體的電刺激強度。
3. 如請求項2所述的電刺激復健訓練設備，其中，該受力單元包括二曲柄，以及二受力載體，該等曲柄分別位於該傳動單元兩相反側且一端皆與該傳動單元相連接，該等受力載體分別設置於該等曲柄的另一端且用以供承載該使用者之肢體，該傳動單元可驅動該等曲柄進而傳動該等受力載體同步旋轉，以帶動位於該等受力載體上的該使用者之肢體進行活動，或於該使用者之肢體主動帶動該等受力載體活動時提供阻力。
4. 如請求項1所述的電刺激復健訓練設備，其中，該等感測單元是選自：編碼器、轉速計、扭力計、應變規或陀螺儀。
5. 如請求項1所述的電刺激復健訓練設備，其中，該等感測單元包含有一用以拍攝該使用者之肢體活動的影像訊號之攝影單元，以及一電連接該攝影單元與該控制單元之影像處理單元，該影像處理單元接收處理該攝影單元所拍攝之影像訊號並傳遞至該控制單元以進行 分析計算。
6. 一種適用於如請求項1至5中任一項所述的電刺激復健訓練設備之電刺激復健訓練方法，包含：(a)利用該控制單元控制該傳動單元帶動該使用者的兩側肢體轉動或由該使用者自行主動施力活動一段時間，該感測單元感測該傳動單元的轉動資訊與該使用者的施力資訊；(b)該控制單元根據該感測單元感測到該傳動單元的轉動資訊或該使用者的施力資訊，經計算出至少一姿勢基準點，該姿勢基準點是在一圈內出現使用者的肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極小值時的角度；(c)該控制單元以該姿勢基準點為基準，與預設於控制單元中的預設標準值進行比較，計算出該使用者接受刺激部位的各肌肉群在一圈內最佳的施力角度範圍，進而再依據電刺激訊號輸出時間點與肌肉群收縮的時間誤差，計算出該使用者之兩側肢體之目標肌肉群最佳的刺激角度範圍；(d)該控制單元依據各肌肉群在一圈內最佳的刺激角度範圍，設定該刺激單元的輸出時機；(e)該控制單元控制該刺激單元於所設定的輸出時機開始刺激以進行訓練，同時不斷改變該刺激單元所輸出的刺激狀態。
7. 如請求項6所述的電刺激復健訓練方法，其中，在步驟 (b)中，該傳動單元的轉動資訊包括運轉角度、轉速或扭力，而該使用者的施力資訊包括肌力大小、肢體關節角度；另外，在步驟(e)中，該控制單元是藉由不斷改變該刺激單元的輸出電量、輸出頻率與波寬，而使該刺激單元所輸出的刺激狀態改變。
8. 如請求項7所述的電刺激復健訓練方法，其中，在步驟(b)中，在該傳動單元的帶動下，一圈內會有二個使用者的肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極小值，對應到該使用者之肢體的姿勢基準點，該控制單元在分析出各圈的該等姿勢基準點後，依據下列公式計算出該使用者的兩側肢體的平均姿勢基準點角度： 其中，A_Rad：代表右側肢體平均姿勢基準點角度，A_Lad：代表左側肢體平均姿勢基準點角度，A_Rd：代表右側肢體於每圈出現肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極小值時的角度，A_Ld：代表左側肢體於每圈出現肌力大小或肢體關節角度或該傳動單元的轉動扭力或轉速的極大值或極小值時的角度，n為整數。