TWI577340B - 平衡分析評估裝置及其分析評估方法 - Google Patents

平衡分析評估裝置及其分析評估方法 Download PDF

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TWI577340B
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    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1116—Determining posture transitions
    • A61B5/1117—Fall detection

Description

平衡分析評估裝置及其分析評估方法
本發明係關於一種分析評估裝置及其分析評估方法，特別關於一種人體的平衡分析評估裝置及其分析評估方法。
隨著國人生活水準以及醫療品質的提升，老年人口的比例也逐年提高。依據行政院經建會於民國95年的調查及推估，台灣老人人口所佔的全國人口比例，從1991年的6.5%預估到2016年會上升到13.0%，而在2018年更將達到15%。因此，老年人口的增加，使得年長者的長期照護已成為當今社會廣泛重視的一個議題。
在年長者(或稱身體機能退化者)的長期照護中，預防跌倒往往是最為重要的議題之一。由於身體機能退化，所以跌倒往往會造成年長者相當大的傷害，甚至造成生命的喪失。造成年長者跌倒的主因一般為年長者本身的平衡能力不佳或是身體肌力退化等因素。因此，如何隨時且長期監測與關注年長者的平衡感問題，及早且適時地給與年長者平衡感與肌力的訓練，對於防範年長者跌倒及長期照護皆是一大重要幫助。
另外，對於許多老年疾病，例如失智症(Dementia)、阿茲海默氏症(Alzheimer’s disease,AD)或帕金森氏症(Parkinson disease,PD)等等，平衡感失調亦為病症發生的前期徵兆之一。對於上述疾病而言，若能在發病初期即給予及早治療並穩定病情，對於病患、家屬及社會而言皆是一大福音。因此，如果可以隨時且長期監測與關注年長者的平衡感問題，進而評估跌倒的風險及罹患疾病的可能性，且適時地給予訓練與治療，對於年長者長期照護及疾病預防與治療是相當重要的。
目前醫護人員常見的平衡評估方式是透過受測者維持站姿 時間及晃動程度進行平衡感的評估，以量測受測者維持平衡時壓力中心(Center of Pressure,COP)的晃動位移變化，而常見的評估工具包含了壓力板與測力板。然而，這些評估工具往往價值高昂，體積龐大需要較大的量測空間，而且更不具可攜性，因此，往往只有在醫療院所進行定點式的量測評估，如此一來將造成了年長者量測時的不便性，也無法隨時且長期地進行平衡感監測，以達到早期訓練及預防治療的目的。
此外，在已發表的文獻資料中，例如發表於「IEEE JOURNAL OF BIOMEDICAL AND HEALTH INFORMATICS,VOL 18,NO.6,NOVEMBER 2014」的一篇論文：”Gait and Balance Analysis for Patients With Alzheimer’s Disease Using an Inertial-Sensor-Based Wearable Instrument”中提到，可利用加速度訊號計算傾斜角度，再得到一前後軸(anterior-posterior axis,AP)方向晃動及一內外側軸(medial-lateral axis,ML)方向晃動之身體質量中心(Center of Mass,COM)的平均偏移速度來當作平衡或跌倒的評估參數，再利用統計的方式來計算正常人與患者在前後軸與內外側軸的平均偏移軌跡在統計上的差異，以當作平衡或跌倒判定的基準。如此一來，僅能分別探討前後軸及內外側軸的移動速度與偏移軌跡在平衡或跌倒時的差異性，並沒有將該等參數進行融合來做進一步地探討平衡能力。
本發明的目的是提供一種可提供更客觀性的人體平衡能力量化評估數據，以期有效地輔助平衡感功能的檢測，以提升平衡能力檢測工具的可攜性、便利性及準確性，進而有助於平衡感與肌力之訓練、預防老年人跌倒以及老年疾病之早期預防治療之平衡分析評估裝置及其分析評估方法。
為達上述目的，依據本發明之一種平衡分析評估裝置，包括一量測模組、一平衡參數運算模組以及一平衡能力分析模組。量測模組感測一受測者執行靜態平衡或動態平衡之動作而產生至少一平衡感測訊號。平衡參數運算模組依據平衡感測訊號進行一質量中心偏移速度分析與一質 量中心偏移軌跡分析而產生一質量中心偏移軌跡訊號，進而產生複數個質量中心晃動參數，其中該些質量中心晃動參數選自一前後軸方向最大晃動幅度、一內外側軸方向最大晃動幅度、以該前後軸方向最大晃動幅度及該內外側軸方向最大晃動幅度為長短軸半徑之一橢圓面積、固定百分比之該橢圓面積的軌跡點個數及該前後軸方向與該內外側軸方向所構成平面之軌跡亂度所構成的群組。平衡能力分析模組依據該些質量中心晃動參數進行平衡能力分析，以產生一平衡能力分析結果。
為達上述目的，依據本發明之一種平衡分析評估方法，與一平衡分析評估裝置配合，並用以評估一受測者之平衡能力程度，平衡分析評估裝置包含一量測模組、一平衡參數運算模組及一平衡能力分析模組，分析評估方法包含以下步驟：由量測模組感測受測者執行靜態平衡或動態平衡之動作而產生至少一平衡感測訊號；由平衡參數運算模組依據平衡感測訊號進行一質量中心偏移速度分析與一質量中心偏移軌跡分析而產生一質量中心偏移軌跡訊號，進而產生複數個質量中心晃動參數，其中該些質量中心晃動參數選自一前後軸方向最大晃動幅度、一內外側軸方向最大晃動幅度、以前後軸方向最大晃動幅度及內外側軸方向最大晃動幅度為長短軸半徑之一橢圓面積、固定百分比之橢圓面積的軌跡點個數及前後軸方向與內外側軸方向所構成平面之軌跡亂度所構成的群組；以及由平衡能力分析模組依據該些質量中心晃動參數進行平衡能力分析，以產生一平衡能力分析結果。
在一實施例中，量測模組包含一加速度計或一陀螺儀，或其組合，且平衡感測訊號包含一加速度訊號或一角速度訊號，或其組合。
在一實施例中，平衡參數運算模組更包含一傾斜角度運算單元，傾斜角度運算單元依據加速度訊號或角速度訊號，或其組合進行一質量中心傾斜角度分析，以產生一質量中心傾斜角度訊號。
在一實施例中，平衡參數運算模組更包含一質量中心偏移速度運算單元，質量中心偏移速度運算單元依據質量中心傾斜角度訊號進行質量中心偏移速度分析，以產生一質量中心偏移速度訊號。
在一實施例中，質量中心偏移速度分析包含計算受測者每個 取樣時間點之量測模組與地面的距離、計算每個取樣時間點之身體質量中心的偏移量及計算每個取樣時間點之身體質量中心之平均偏移速度。
在一實施例中，平衡參數運算模組更包含一質量中心偏移軌跡運算單元，質量中心偏移軌跡運算單元依據質量中心偏移速度訊號進行質量中心偏移軌跡分析而產生質量中心偏移軌跡訊號。
在一實施例中，平衡參數運算模組更包含一質量中心晃動參數運算單元，質量中心晃動參數運算單元依據質量中心偏移軌跡訊號進行一質量中心晃動程度分析，以產生該些質量中心晃動參數。
在一實施例中，平衡分析評估裝置更包括：一認知功能評估模組，其依據該些質量中心晃動參數及平衡能力分析結果，以產生一認知功能評估結果。
在一實施例中，認知功能評估模組包含一認知功能資料庫單元與一認知功能評估單元，認知功能資料庫單元係儲存至少一認知功能檢測資訊，認知功能檢測資訊包含一認知功能實際分數，且認知功能評估單元依據該些質量中心晃動參數、平衡能力分析結果及認知功能檢測資訊而產生認知功能評估結果。
在一實施例中，平衡分析評估裝置更包括：一跌倒評估模組，其依據該些質量中心晃動參數及平衡能力分析結果，以產生一跌倒評估結果。
在一實施例中，跌倒評估模組包含一跌倒評估資料庫單元與一跌倒評估單元，跌倒評估資料庫單元係儲存至少一跌倒評估檢測資訊，跌倒評估檢測資訊包含一跌倒評估實際分數，且跌倒評估單元依據該些質量中心晃動參數、平衡能力分析結果及跌倒評估檢測資訊而產生跌倒評估結果。
在一實施例中，於產生該些質量中心晃動參數的步驟中，係藉由平衡參數運算模組之一傾斜角度運算單元依據平衡感測訊號之一加速度訊號或一角速度訊號，或其組合進行一質量中心傾斜角度分析而產生一質量中心傾斜角度訊號。
在一實施例中，於產生該些質量中心晃動參數的步驟中，更 藉由平衡參數運算模組之一質量中心偏移速度運算單元依據質量中心傾斜角度訊號進行質量中心偏移速度分析而產生一質量中心偏移速度訊號。
在一實施例中，質量中心偏移速度分析包含計算受測者每個取樣時間點之量測模組與地面的距離、計算每個取樣時間點之身體質量中心的偏移量及計算每個取樣時間點之身體質量中心之平均偏移速度。
在一實施例中，於產生該些質量中心晃動參數的步驟中，更藉由平衡參數運算模組之一質量中心偏移軌跡運算單元依據質量中心偏移速度訊號進行質量中心偏移軌跡分析而產生質量中心偏移軌跡訊號。
在一實施例中，於產生該些質量中心晃動參數的步驟中，更藉由平衡參數運算模組之一質量中心晃動參數運算單元依據質量中心偏移軌跡訊號進行一質量中心晃動程度分析而產生該些質量中心晃動參數。
在一實施例中，分析評估方法更包括以下步驟：由一認知功能評估模組依據該些質量中心晃動參數及平衡能力分析結果而產生一認知功能評估結果。
在一實施例中，分析評估方法更包括以下步驟：由一跌倒評估模組依據該些質量中心晃動參數及平衡能力分析結果而產生一跌倒評估結果。
在一實施例中，於產生跌倒評估結果的步驟中，更藉由跌倒評估模組之一跌倒評估單元依據該些質量中心晃動參數、平衡能力分析結果及跌倒評估模組之一跌倒評估資料庫單元所儲存至少一跌倒評估檢測資訊而產生跌倒評估結果。
承上所述，因本發明之平衡分析評估裝置及其分析評估方法中，係藉由量測模組感測受測者執行靜態平衡或動態平衡之動作而產生至少一平衡感測訊號，再藉由平衡參數運算模組依據平衡感測訊號進行質量中心偏移速度分析與質量中心偏移軌跡分析而產生質量中心偏移軌跡訊號，進而產生複數個質量中心晃動參數，其中該些質量中心晃動參數選自一前後軸方向最大晃動幅度、一內外側軸方向最大晃動幅度、以前後軸方向最大晃動幅度及內外側軸方向最大晃動幅度為長短軸半徑之橢圓面積、固定百分比之橢圓面積的軌跡點個數及前後軸方向與內外側軸方向所構成 平面之軌跡亂度所構成的群組；之後，再藉由平衡能力分析模組依據該些質量中心晃動參數進行平衡能力分析，以產生平衡能力分析結果。藉此，相較於習知的平衡評估工具而言，本發明之平衡分析評估裝置及其分析評估方法可提供更客觀性的人體平衡能力量化評估數據，以期有效地輔助平衡感功能的檢測，以提升平衡能力檢測工具的可攜性、便利性及準確性，進而有助於平衡感與肌力之訓練、預防老年人跌倒以及老年疾病之早期預防治療。
1、1a、1b‧‧‧平衡分析評估裝置
11‧‧‧量測模組
111‧‧‧加速度計
112‧‧‧陀螺儀
12‧‧‧平衡參數運算模組
121‧‧‧傾斜角度運算單元
122‧‧‧質量中心偏移速度運算單元
123‧‧‧質量中心偏移軌跡運算單元
124‧‧‧質量中心晃動參數運算單元
13‧‧‧平衡能力分析模組
14‧‧‧認知功能評估模組
141‧‧‧認知功能資料庫單元
142‧‧‧認知功能評估單元
15‧‧‧跌倒評估模組
151‧‧‧跌倒評估資料庫單元
152‧‧‧跌倒評估單元
ax、ay、az‧‧‧加速度訊號
AP‧‧‧前後軸
C‧‧‧橢圓
C1~C4‧‧‧面積
dx、dy‧‧‧偏移量
ML‧‧‧內外側軸
P‧‧‧質量中心晃動參數
r1‧‧‧長軸半徑
r2‧‧‧短軸半徑
S01~S05‧‧‧步驟
S1‧‧‧平衡感測訊號
S2‧‧‧質量中心傾斜角度訊號
S3‧‧‧質量中心偏移速度訊號
S4‧‧‧質量中心偏移軌跡訊號
Sh‧‧‧距離
T‧‧‧平均偏移軌跡曲線
X、Y、Z‧‧‧軸向
α、β、γ‧‧‧角度
圖1A為本發明較佳實施例之一種平衡分析評估裝置的功能方塊示意圖。
圖1B為本發明較佳實施例之一種平衡分析評估方法的步驟流程圖。
圖2A為身體質量中心軌跡投影之各座標軸的示意圖。
圖2B為於執行平衡動作時，一實施例的身體質量中心的投影軌跡示意圖。
圖2C至圖2E分別為一實施例之平均偏移軌跡曲線的示意圖。
圖3A為本發明較佳實施例之另一平衡分析評估裝置的功能方塊示意圖。
圖3B為配合圖3A的平衡分析評估裝置之平衡分析評估方法的步驟流程圖。
圖4A為本發明較佳實施例之又一平衡分析評估裝置的功能方塊示意圖。
圖4B為配合圖4A的平衡分析評估裝置之平衡分析評估方法的步驟流程圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種平衡分析評估裝置及其分析評估方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
本發明提出一種配戴於腰部(例如後腰部)的可攜式平衡分析評估裝置，該可攜式的平衡分析評估裝置可記錄人體執行靜態平衡或動態平衡時所產生感測訊號，進而進行人體質量中心(COM)晃動偏移分析而產生特徵參數，以評估人體的平衡能力。相較於習知使用壓力板或測力板所產生的壓力中心(COP)的晃動位移變化，本發明更能夠正確評估受測者本身的平衡能力。
請參照圖1A並配合圖1B所示，以說明本發明較佳實施例之一種平衡分析評估裝置1及其分析評估方法。其中，圖1A為本發明較佳實施例之一種平衡分析評估裝置1的功能方塊示意圖，而圖1B為本發明較佳實施例之一種平衡分析評估方法的步驟流程圖。
如圖1A所示，平衡分析評估裝置1包括一量測模組11、一平衡參數運算模組12以及一平衡能力分析模組13。另外，如圖1B所示，本發明的平衡分析評估方法與平衡分析評估裝置1配合，並用以評估受測者之平衡能力程度。其中，平衡分析評估方法包含步驟S01至步驟S03。
首先，步驟S01為：由量測模組11感測一受測者執行靜態平衡或動態平衡之動作而產生至少一平衡感測訊號S1。本實施例中，量測模組11可配載於受測者的(後)腰部，藉此感測受測者執行靜態平衡，例如站立平衡時的平衡動作，或執行動態平衡，例如計時起走(Timed Up & Go test,TUGT)時的平衡動作。其中，站立平衡測驗可例如包含雙腳併攏站立、一腳在前一腳在後站立、單腳站立等多種站立方式，且又可分為睜眼及閉眼測試。而計時起走測驗的測驗方式可例如為：受測者於一椅子上坐穩後，起身往前行走3公尺後，轉身折返並返回座位轉身坐下，以透過整體測驗的執行時間、起身時間及坐下時間進行身體的平衡評估。
量測模組11可包含一加速度計111或一陀螺儀112，或上述儀器的組合，而上述儀器可為單軸或多軸(例如三軸)。因此，平衡感測訊號S1可包含一加速度訊號或一角速度訊號，或其組合。如圖1A所示，本實施例之量測模組11係以包含一三軸的加速度計111與一三軸的陀螺儀112的組合為例。不過，在其他的實施例中，量測模組11也可只具有一個慣性感測器，例如加速度計111，或是陀螺儀112，並不限定。
加速度計111主要是用來量測受測者執行靜態平衡或動態平衡時的加速度值；當受測者執行平衡的動作時，加速度計111所量測到的加速度訊號，包含待測者動作時所產生的運動加速度及重力加速度。另外，陀螺儀112主要用來量測待測者動作時的相對旋轉角速度。其中，陀螺儀112量測的角速度必須經過一次積分方能獲得角度訊號。要再說明的是，量測模組11更可包括一濾波單元(圖未顯示)，濾波單元可濾除量測模組11中的慣性元件(例如上述之加速度計111、陀螺儀112)本身的雜訊，或可濾除量測時動作的影響及其他外界環境所造成之影響而導致平衡感測訊號S1的誤差。
由量測模組11得到平衡感測訊號S1後，可進行步驟S02：由平衡參數運算模組12依據平衡感測訊號S1進行一質量中心偏移速度分析與一質量中心偏移軌跡分析而產生一質量中心偏移軌跡訊號S4，進而產生複數個質量中心晃動參數P。其中，該些質量中心晃動參數P至少選自一前後軸(AP)方向最大晃動幅度、一內外側軸(ML)方向最大晃動幅度、以前後軸(AP)方向最大晃動幅度及內外側軸(ML)方向最大晃動幅度為長短軸半徑之一橢圓面積、固定百分比之橢圓面積的軌跡點個數及前後軸(AP)方向與內外側軸(ML)方向所構成平面之軌跡亂度所構成的群組。以下將詳細說明。
如圖1A所示，本實施例的平衡參數運算模組12包含一傾斜角度運算單元121、一質量中心偏移速度運算單元122、一質量中心偏移軌跡運算單元123及質量中心晃動參數運算單元124。
於此，係藉由傾斜角度運算單元121依據平衡感測訊號S1之加速度訊號或角速度訊號，或其組合，進行一質量中心傾斜角度分析而產生一質量中心傾斜角度訊號S2。本實施例的傾斜角度運算單元121係利用加速度計111所產生的加速度訊號與陀螺儀112所產生的角速度訊號來進行質量中心傾斜角度分析，進而產生質量中心傾斜角度訊號S2。
請參照圖2A所示，其為身體質量中心軌跡投影之各座標軸的示意圖。
傾斜角度運算單元121的運算過程如下：先由加速度計111 量測在執行平衡動作時，每個取樣時間點(t)的三軸加速度訊號(ax(t),ay(t),az(t))。其中，ax(t),ay(t),az(t)分別代表X-Y-Z三軸於執行平衡能力量測時各取樣時間點(t)的加速度訊號；接著，再計算各取樣時間點(t)的加速度訊號(ax(t),ay(t),az(t))之訊號強度向量(signal vector magnitude,SVM)。其算式為：
之後，再利用訊號強度向量(SVM)計算各個軸向之定向餘弦值(即cos α(t),cos β(t),cos γ(t))。其中，cos α(t),cos β(t),cos γ(t)分別為每個取樣時間點(t)中三軸的加速度訊號相對於加速度訊號強度向量(SVM)的定向餘弦值，而α(t),β(t),γ(t)分別為每個取樣時間點(t)中，三軸加速度訊號與加速度訊號強度向量(SVM)之間的角度，此角度即為質量中心傾斜角度，其訊號即為質量中心傾斜角度訊號S2。
不過，在另一實施例中，若量測模組11只有一個陀螺儀112時，可利用陀螺儀112量測執行平衡動作量測時每個取樣時間點(t)的三軸角速度訊號(ωx(t),ωy(t),ωz(t))；接著，將各個軸向的角速度訊號(ωx(t),ωy(t),ωz(t))進行一次積分後，即可獲得各個軸向在執行平衡能力量測時的旋轉角度(α(t),β(t),γ(t))，此旋轉角度(α(t),β(t),γ(t))即為質量中心傾斜角度。其算式如下所示：
另外，本實施例更藉由質量中心偏移速度運算單元122依據質量中心傾斜角度訊號S2進行質量中心偏移速度分析，以產生一質量中心偏移速度訊號S3。其中，質量中心偏移速度分析包含以下動作：計算受測者每個取樣時間點(t)之量測模組11(即加速度計111、陀螺儀112)與地面的距離、計算每個取樣時間點(t)之身體質量中心(COM)的偏移量，以及 計算每個取樣時間點(t)之身體質量中心(COM)之平均偏移速度(其訊號即為質量中心偏移速度訊號S3)。以下說明其內容。
於此，如圖2A所示，可利用使用者的腰部至地面的距離Sh及Z軸之定向餘弦值(cos γ(t))來計算量測模組11放置的人體位置與地面之距離：D(t)。其算式如下所示：D(t)=S h /cos γ(t)
其中，Sh為使用者的腰部至地面的距離(即量測模組11與地面的距離)。於此，可利用人體黃金比例，將Sh設定為0.618乘上受測者的身高；或者在臨床量測上，Sh也可為實際量測受測者腰部至地面的距離。
接著，請參照圖2B所示，其為於執行平衡動作時，一實施例的身體質量中心(COM)的投影軌跡示意圖。
利用距離(D(t))與X軸之定向餘弦值(cos α(t))可計算每個取樣時間點(t)之身體質量中心(COM)在身體內外側軸(ML，即圖2B之X軸)方向上的偏移量dx(t)。另外，更可利用距離(D(t))與Y軸之定向餘弦值(cos β(t))計算每個取樣時間點(t)之身體質量中心(COM)在身體前後軸(AP，即圖2B之Y軸)方向上的偏移量dy(t)。其算式分別如下：d x (t)=D(t)cos α(t)
d y (t)=D(t)cos β(t)
接著，再將每個取樣時間點(t)間身體質量中心(COM)在身體內外側軸(ML)方向上偏移量(dx(t))的差值相加，再除以執行平衡任務時間，即為身體質量中心(COM)在身體內外側軸(ML)方向的平均偏移速度(VML)。其算式如下所示：
另外，再將每個取樣時間點(t)間身體質量中心(COM)在身體前後軸(AP)方向上偏移量(dy(t))的差值相加，再除以執行平衡任 務時間，即為身體質量中心(COM)在身體前後軸(AP)方向的平均偏移速度(VAP)。其算式如下所示(訊號VML與VAP即為質量中心偏移速度訊號S3)：
之後，再藉由質量中心偏移軌跡運算單元123依據質量中心偏移速度訊號S3進行質量中心偏移軌跡分析而產生質量中心偏移軌跡訊號S4。其中，質量中心偏移軌跡訊號S4包含受測者身體質量中心在內外側軸(ML)方向的偏移軌跡訊號與前後軸(AP)方向的偏移軌跡訊號。
於此，係將每個取樣時間點(t)間的身體質量中心(COM)在身體內外側軸(ML)方向上偏移量(dx(t))的差值相加，即為身體質量中心(COM)在身體內外側軸(ML)方向的偏移軌跡(PML)。另外，更將每個取樣時間點(t)間身體質量中心(COM)在身體前後軸(AP)方向上偏移量(dy(t))的差值相加，即為身體質量中心(COM)在身體前後軸(AP)方向的偏移軌跡(PAP)。其算式分別如下所示(訊號PML與PAP即為質量中心偏移軌跡訊號S4)：
最後，再藉由質量中心晃動參數運算單元124依據質量中心偏移軌跡訊號S4進行一質量中心晃動程度分析而產生該些質量中心晃動參數P。
請配合參照圖2C至圖2E所示，以說明如何得到上述之質量中心晃動參數P。其中，圖2C至圖2E分別為一實施例之平均偏移軌跡曲線T的示意圖。於此，圖2C至圖2E中所顯示的平均偏移軌跡曲線T為受測者執行一靜態平衡測驗的平均偏移軌跡曲線，且平均偏移軌跡曲線T可被一橢圓C所涵蓋。於此，係將橢圓C的長短軸半徑(r1、r2)分別定義為平均偏移軌跡PAP之最大晃動幅度及平均偏移軌跡PML之最大晃動幅度。
該些質量中心晃動參數P可選自以下第(1)項至第(21)項中的任一項的參數或該些參數所構成的任何群組。第(1)項至第(21)項的定義為：(1)前後軸(AP)方向最大晃動幅度(即圖2C之橢圓C的長軸半徑r1)、(2)內外側軸(ML)方向最大晃動幅度(即圖2C之橢圓C的短軸半徑r2)、(3)以前後軸(AP)方向及內外側軸(ML)方向最大晃動幅度為長短軸半徑(r1、r2)之橢圓面積(即圖2D之橢圓C的面積，橢圓C面積=C1+C2+C3+C4)、(4)橢圓C最大半徑之0%~25%面積之軌跡點個數(即圖2E面積C1的軌跡點個數)、(5)橢圓C最大半徑之25%~50%面積之軌跡點個數(即圖2E面積C2的軌跡點個數)、(6)橢圓C最大半徑之50%~75%面積之軌跡點個數(即圖2E面積C3的軌跡點個數)、(7)橢圓C最大半徑之75%~100%面積之軌跡點個數(即圖2E面積C4的軌跡點個數)、(8)橢圓C最大半徑之大於100%面積之軌跡點個數(即圖2E之橢圓C外部的軌跡點個數)、(9)橢圓C最大半徑之0%~25%面積之軌跡點個數占所有軌跡點之百分比、(10)橢圓C最大半徑之25%~50%面積之軌跡點個數占所有軌跡點之百分比、(11)橢圓C最大半徑之50%~75%面積之軌跡點個數占所有軌跡點之百分比、(12)橢圓C最大半徑之75%~100%面積之軌跡點個數占所有軌跡點之百分比、(13)橢圓C最大半徑之大於100%面積之軌跡點個數占所有軌跡點之百分比、(14)前後軸(AP)方向軌跡之平均值、(15)內外側軸(ML)方向軌跡之平均值、(16)前後軸(AP)方向軌跡之標準差、(17)內外側軸(ML)方向軌跡之標準差、(18)前後軸(AP)方向軌跡之變異性、(19)內外側軸(ML)方向軌跡之變異性、(20)前後軸(AP)方向-內外側軸(ML)所構成平面之軌跡亂度、(21)前後軸(AP)方向-內外側軸(ML)方向-時間之三維空間軌跡亂度。其中，當質量中心晃動參數P選自上述第(1)項至第(21)項的數量越多時，其對質量中心晃動程度分析的準確性越高。
於上述之二維平面(前後軸(AP)方向-內外側軸(ML))的軌跡亂度中，亂度(Entropy)係指用來描述混亂的程度，公式定義為：
上式中的P(w)可為自行定義的機率公式。上述公式將定義範圍(k到l)內所有的P(w)logP(w)加總。因此，投影軌跡為二維的訊號(PML、PAP)，其前後軸(AP)方向-內外側軸(ML)所構成平面之軌跡亂度(H)可為：
上式中x的範圍為介在內外側軸(ML)的最大(PMLmax)與最小值(PMLmin)之間；y的範圍為介在前後軸(AP)的最大(PAPmax)與最小值(PAPmin)之間。另外，上述的機率公式可自行定義，於此，以高斯分布為例，其機率公式可定義如下：
其中，上式中的和分別是所有投影軌跡的PML值平均以及PAP值平均。σ x 和σ y 則分別是所有投影軌跡的PML值的標準差以及PAP值的標準差。
此外，再特別說明的是，相較於先前技術所提到的論文，本案技術具有以下的特點或優點：1、先前技術的論文只利用加速度訊號來計算傾斜角度，進而進行後續的運算。而本實施例的技術除了利用加速度計111所產生的加速度訊號來計算傾斜角度外，更加入陀螺儀112所量測到的角速度訊號來計算傾斜角度。2、除了在傾斜角度計算時的訊號來源不同以外，先前技術的論文與本案在計算得到前後軸(AP)方向晃動及內外側軸(ML)方向晃動後的後續運算亦不同。說明如下：先前技術的論文在得到前後軸(AP)方向與內外側軸(ML)方向之身體質量中心(COM)之平均偏移速度(VML、VAP)後，僅利用統計的方式來計算正常人與受測者在PML與PAP兩參數值在統計上的差異。但是，本案技術在得到前後軸(AP)方向與內外側軸(ML)之身體質量中心(COM)之平均偏移速度(VML、VAP)後，更進一步地去計算平均偏移軌跡(PML、PAP)，並且計算平均偏移軌跡PML、PAP之最大晃動幅度，進而分 別將其定義為橢圓C之長短軸半徑(r1、r2)，以得到質量中心晃動參數P。另外，本案技術亦可利用該橢圓C長短軸半徑(r1、r2)來計算橢圓面積及固定百分比橢圓面積之軌跡點個數，以得到質量中心晃動參數P。更進一步地，更可利用亂度計算由平均偏移軌跡PML、PAP所構成的二維偏移軌跡之混亂特徵值，以得到質量中心晃動參數P。簡言之，在先前技術論文中僅是利用平均偏移速度VML與VAP兩參數訊號來當作平衡或跌倒判定的參數；而在本案技術更進一步擷取平均偏移軌跡PML與PAP的參數訊號及其特徵值(即上述的21種參數)當作後續平衡或跌倒判定的質量中心晃動參數P。
進一步來說，本案技術中可計算出前後軸平均偏移速度(VAP)及內外側軸平均偏移速度(VML)後，更進一步地計算其前後軸平均偏移軌跡(PAP)及內外側軸平均偏移軌跡(PML)，並將其當作橢圓C之長短軸半徑(r1、r2)。如此一來，相較於習知論文而言，本案技術可將前後軸(AP)方向與內外側軸(ML)方向之兩個單一維度參數加以融合成二維平面維度的特徵，以作為平衡或跌倒判定的基準。例如：橢圓面積、固定百分比橢圓面積之軌跡點個數及二維軌跡亂度，來加以評估受測者平衡或跌倒的能力。其中，(1)、透過計算橢圓C長短軸半徑長度，可以知道受測者在執行平衡測試時，身體質量中心(COM)是容易往前後傾或左右晃動的趨勢。(2)、透過計算橢圓C的面積，可以得知受測者在執行平衡測試時，身體質量中心(COM)晃動的穩定度與幅度；於此，橢圓C的面積越小，代表身體質量中心(COM)晃動的穩定度愈佳，晃動幅度較小，亦即平衡感愈佳；反之，橢圓C的面積越大，代表身體質量中心(COM)晃動的穩定度愈差，晃動幅度較大，亦即平衡感越差。(3)、透過計算固定百分比橢圓面積之軌跡點個數，可以得知身體質量中心(COM)在二維平面上晃動的趨勢，亦可藉此了解到身體質量中心(COM)的平衡穩定性。(4)、透過計算二維軌跡亂度，則可得知身體質量中心(COM)在二維平面上晃動軌跡的混亂程度；亂度越小，代表身體質量中心(COM)晃動呈現一定的趨勢(即平衡感較佳)；反之，亂度越大，代表身體質量中心(COM)晃動呈現不規則混亂的狀況(即平衡感較差)。
在此再補充一點的是，上述橢圓C的長短軸的定義，除了 使用固定方向(內外側軸ML與前後軸AP)外，亦可使用Expectation-maximization(EM)演算法，以將投影軌跡找出最符合的二維高斯來表示其軌跡分布；其中，考慮到人體擺動的方向並非一定是依照前後、左右的方向，因此透過此方法的應用，可將橢圓C的長軸、短軸計算進行修改並應用。
接著，請再參照圖1B所示，再進行步驟S03：由平衡能力分析模組13依據該些質量中心晃動參數P進行平衡能力分析，以產生一平衡能力分析結果。於此，平衡能力分析模組13可依據上述得到的質量中心晃動參數P來分析受測者的平衡或跌倒的能力，以產生平衡能力分析的結果，藉此可輔助醫生對受測者提供更具客觀性的平衡能力分析結果。
另外，請參照圖3A並配合圖3B所示，其中，圖3A為本發明較佳實施例之另一平衡分析評估裝置1a的功能方塊示意圖，而圖3B為配合圖3A的平衡分析評估裝置1a之平衡分析評估方法的步驟流程圖。
平衡分析評估裝置1a與平衡分析評估裝置1主要的不同在於，平衡分析評估裝置1a更包括一認知功能評估模組14，認知功能評估模組14可依據該些質量中心晃動參數P及該平衡能力分析結果，以產生一認知功能評估結果(認知能力是否有問題)。另外，圖3B的平衡分析評估方法除了上述的步驟S01至步驟S03之外，更包括一步驟S04：由認知功能評估模組14依據該些質量中心晃動參數P及該平衡能力分析結果而產生一認知功能評估結果。
於此，認知功能評估模組14包含一認知功能資料庫單元141與一認知功能評估單元142。認知功能資料庫單元141可儲存至少一認知功能檢測資訊，而認知功能檢測資訊包含一認知功能實際分數。另外，認知功能評估單元142可依據該些質量中心晃動參數P、平衡能力分析結果及認知功能檢測資訊而產生認知功能評估結果。其中，認知功能評估結果係包含該些質量中心晃動參數P及平衡能力分析結果之至少其中之一與一認知功能分數的映射關係。另外，認知功能資料庫單元141可由臨床醫師或治療師利用認知功能量表評估分數(即認知功能評估實際分數)來建立其資料庫。於此，認知功能量表可為下列量表的其中之一：1、認知功能障礙篩 檢量表(cognitive abilities screening instrument,CASI)；2、簡易心智量表(Mini-Mental State Examination,MMSE)。
藉由認知功能評估模組14所產生的認知功能評估結果，可以輔助傳統的認知功能檢測分析：例如認知功能障礙篩檢量表(cognitive abilities screening instrument,CASI)或簡易心智量表(Mini-Mental State Examination,MMSE)，進而提供醫生更具客觀性的認知功能檢測參數，以輔助其在臨床認知功能檢查時協助篩檢出失智症或認知功能障礙患者。
另外，請參照圖4A並配合圖4B所示，其中，圖4A為本發明較佳實施例之又一平衡分析評估裝置1b的功能方塊示意圖，而圖4B為配合圖4A的平衡分析評估裝置1b之平衡分析評估方法的步驟流程圖。
平衡分析評估裝置1b與平衡分析評估裝置1主要的不同在於，平衡分析評估裝置1b更包括一跌倒評估模組15，跌倒評估模組15可依據該些質量中晃動參數P及該平衡能力分析結果，以產生一跌倒評估結果(跌倒的風險高或低)。另外，圖4B的平衡分析評估方法除了上述步驟S01至步驟S03之外，更包括一步驟S05：由跌倒評估模組15依據該些質量中心晃動參數P及該平衡能力分析結果而產生一跌倒評估結果。
於此，跌倒評估模組15包含一跌倒評估資料庫單元151與一跌倒評估單元152。其中，跌倒評估資料庫單元151可儲存至少一跌倒評估檢測資訊，而跌倒評估檢測資訊包含一跌倒評估實際分數。另外，跌倒評估單元152可依據該些質量中心晃動參數P、平衡能力分析結果及跌倒評估檢測資訊而產生跌倒評估結果。其中，跌倒評估資料庫單元151可由臨床醫師或治療師利用跌倒量表評估分數(即跌倒評估實際分數)來建立其資料庫。於此，跌倒量表可為下列量表的其中之一：1、Tinetti步態評估量表；2、巴氏日常生活功能量表；3、跌倒高危險群篩檢量表；4、柏格氏平衡量表；5、Tinetti平衡評估量表。
藉由跌倒評估模組15所產生的跌倒評估結果，可以輔助醫生對受測者提供更具客觀性的平衡能力及跌倒風險評估，進而評估其罹患疾病的可能性，以適時地給予訓練及治療。
此外，平衡分析評估裝置1a、1b及其評估方法的其他技術 特徵可參照上述相同元件及對應說明，不再贅述。
另外，在不同的實施例中，平衡分析評估裝置可同時包含上述的量測模組11、平衡參數運算模組12、平衡能力分析模組13、認知功能評估模組14以及跌倒評估模組15，且平衡分析評估方法亦可包含上述的步驟S01至步驟S05，本發明並不限制。再說明的是，本領域具有通常知識者應該知道，圖1A、圖3A與圖4A中的平衡參數運算模組12、平衡能力分析模組13、認知功能評估模組14與跌倒評估模組15等功能方塊都可以利用硬體，例如計算機、晶片、電腦、行動裝置、中央處理器等的方式實現，亦可利用像是軟體或韌體的形式來實現其功能，本發明均不限制。
綜上所述，因本發明之平衡分析評估裝置及其分析評估方法中，係藉由量測模組感測受測者執行靜態平衡或動態平衡之動作而產生至少一平衡感測訊號，再藉由平衡參數運算模組依據平衡感測訊號進行質量中心偏移速度分析與質量中心偏移軌跡分析而產生質量中心偏移軌跡訊號，進而產生複數個質量中心晃動參數，其中該些質量中心晃動參數選自前後軸方向最大晃動幅度、內外側軸方向最大晃動幅度、以前後軸方向最大晃動幅度及內外側軸方向最大晃動幅度為長短軸半徑之橢圓面積、固定百分比之橢圓面積的軌跡點個數及前後軸方向與內外側軸方向所構成平面之軌跡亂度所構成的群組；之後，再藉由平衡能力分析模組依據該些質量中心晃動參數進行平衡能力分析，以產生平衡能力分析結果。藉此，相較於習知的平衡評估工具而言，本發明之平衡分析評估裝置及其分析評估方法可提供更客觀性的人體平衡能力量化評估數據，以期有效地輔助平衡感功能的檢測，以提升平衡能力檢測工具的可攜性、便利性及準確性，進而有助於平衡感與肌力之訓練、預防老年人跌倒以及老年疾病之早期預防治療。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
S01~S03‧‧‧步驟

Claims (20)

  1. 一種平衡分析評估裝置，包括：一量測模組，係感測一受測者執行靜態平衡或動態平衡之動作而產生至少一平衡感測訊號；一平衡參數運算模組，依據該平衡感測訊號進行一質量中心偏移速度分析與一質量中心偏移軌跡分析而產生一質量中心偏移軌跡訊號，進而產生複數個質量中心晃動參數，其中該些質量中心晃動參數選自一前後軸方向最大晃動幅度、一內外側軸方向最大晃動幅度、以該前後軸方向最大晃動幅度及該內外側軸方向最大晃動幅度為長短軸半徑之一橢圓面積、固定百分比之該橢圓面積的軌跡點個數及該前後軸方向與該內外側軸方向所構成平面之軌跡亂度所構成的群組；以及一平衡能力分析模組，依據該些質量中心晃動參數進行平衡能力分析，以產生一平衡能力分析結果。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之平衡分析評估裝置，其中該量測模組包含一加速度計或一陀螺儀，或其組合，且該平衡感測訊號包含一加速度訊號或一角速度訊號，或其組合。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之平衡分析評估裝置，其中該平衡參數運算模組更包含一傾斜角度運算單元，該傾斜角度運算單元依據該加速度訊號或該角速度訊號，或其組合進行一質量中心傾斜角度分析，以產生一質量中心傾斜角度訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之平衡分析評估裝置，其中該平衡參數運算模組更包含一質量中心偏移速度運算單元，該質量中心偏移速度運算單元依據該質量中心傾斜角度訊號進行該質量中心偏移速度分析，以產生一質量中心偏移速度訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之平衡分析評估裝置，其中該質量中心偏移速度分析包含計算該受測者每個取樣時間點之該量測模組與地面的距離、計算每個取樣時間點之身體質量中心的偏移量及計算每個取樣時間點之身體質量中心之平均偏移速度。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之平衡分析評估裝置，其中該平衡參數運算 模組更包含一質量中心偏移軌跡運算單元，該質量中心偏移軌跡運算單元依據該質量中心偏移速度訊號進行該質量中心偏移軌跡分析而產生該質量中心偏移軌跡訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之平衡分析評估裝置，其中該平衡參數運算模組更包含一質量中心晃動參數運算單元，該質量中心晃動參數運算單元依據該質量中心偏移軌跡訊號進行一質量中心晃動程度分析，以產生該些質量中心晃動參數。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之平衡分析評估裝置，更包括：一認知功能評估模組，依據該些質量中心晃動參數及該平衡能力分析結果，以產生一認知功能評估結果。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之平衡分析評估裝置，其中該認知功能評估模組包含一認知功能資料庫單元與一認知功能評估單元，該認知功能資料庫單元係儲存至少一認知功能檢測資訊，該認知功能檢測資訊包含一認知功能實際分數，且該認知功能評估單元依據該些質量中心晃動參數、該平衡能力分析結果及該認知功能檢測資訊而產生該認知功能評估結果。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之平衡分析評估裝置，更包括：一跌倒評估模組，依據該些質量中心晃動參數及該平衡能力分析結果，以產生一跌倒評估結果。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之平衡分析評估裝置，其中該跌倒評估模組包含一跌倒評估資料庫單元與一跌倒評估單元，該跌倒評估資料庫單元係儲存至少一跌倒評估檢測資訊，該跌倒評估檢測資訊包含一跌倒評估實際分數，且該跌倒評估單元依據該些質量中心晃動參數、該平衡能力分析結果及該跌倒評估檢測資訊而產生該跌倒評估結果。
  12. 一種平衡分析評估方法，與一平衡分析評估裝置配合，並用以評估一受測者之平衡能力程度，該平衡分析評估裝置包含一量測模組、一平衡參數運算模組及一平衡能力分析模組，該分析評估方法包含以下步驟：由該量測模組感測該受測者執行靜態平衡或動態平衡之動作而產生至 少一平衡感測訊號；由該平衡參數運算模組依據該平衡感測訊號進行一質量中心偏移速度分析與一質量中心偏移軌跡分析而產生一質量中心偏移軌跡訊號，進而產生複數個質量中心晃動參數，其中該些質量中心晃動參數選自一前後軸方向最大晃動幅度、一內外側軸方向最大晃動幅度、以該前後軸方向最大晃動幅度及該內外側軸方向最大晃動幅度為長短軸半徑之一橢圓面積、固定百分比之該橢圓面積的軌跡點個數及該前後軸方向與該內外側軸方向所構成平面之軌跡亂度所構成的群組；以及由該平衡能力分析模組依據該些質量中心晃動參數進行平衡能力分析，以產生一平衡能力分析結果。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之分析評估方法，其中於產生該些質量中心晃動參數的步驟中，係藉由該平衡參數運算模組之一傾斜角度運算單元依據該平衡感測訊號之一加速度訊號或一角速度訊號，或其組合進行一質量中心傾斜角度分析而產生一質量中心傾斜角度訊號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之分析評估方法，其中於產生該些質量中心晃動參數的步驟中，更藉由該平衡參數運算模組之一質量中心偏移速度運算單元依據該質量中心傾斜角度訊號進行該質量中心偏移速度分析而產生一質量中心偏移速度訊號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之分析評估方法，其中該質量中心偏移速度分析包含計算該受測者每個取樣時間點之該量測模組與地面的距離、計算每個取樣時間點之身體質量中心的偏移量及計算每個取樣時間點之身體質量中心之平均偏移速度。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之分析評估方法，其中於產生該些質量中心晃動參數的步驟中，更藉由該平衡參數運算模組之一質量中心偏移軌跡運算單元依據該質量中心偏移速度訊號進行該質量中心偏移軌跡分析而產生該質量中心偏移軌跡訊號。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之分析評估方法，其中於產生該些質量中心晃動參數的步驟中，更藉由該平衡參數運算模組之一質量中心晃動 參數運算單元依據該質量中心偏移軌跡訊號進行一質量中心晃動程度分析而產生該些質量中心晃動參數。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之分析評估方法，更包括以下步驟：由一認知功能評估模組依據該些質量中心晃動參數及該平衡能力分析結果而產生一認知功能評估結果。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之分析評估方法，更包括以下步驟：由一跌倒評估模組依據該些質量中心晃動參數及該平衡能力分析結果而產生一跌倒評估結果。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之分析評估方法，其中於產生該跌倒評估結果的步驟中，更藉由該跌倒評估模組之一跌倒評估單元依據該些質量中心晃動參數、該平衡能力分析結果及該跌倒評估模組之一跌倒評估資料庫單元所儲存至少一跌倒評估檢測資訊而產生該跌倒評估結果。
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