TWI580403B - Joint gripping line measuring device and its measuring method - Google Patents

Description

關節極心線量測裝置及其量測方法

本發明係有關一種用以量測人體膝關節極心線之系統與方法，尤指一種以可快速量測且可準確求得極心線之關節極心線量測裝置及其量測方法。

膝關節是人體最為複雜的關節之一，膝關節負責維持人體的穩定度完成各種運動行為，在站立時是負荷體重所產生的荷重，而在運動中則承受相當大的力矩，因此膝關節及其附近的組織十分容易受到影響，嚴重時恐會產生關節炎、骨折、韌帶受傷等傷害，而隨著人們年齡的增長或遭遇交通意外及運動傷害等，將面臨的膝關節退化、受傷等問題。

面對膝關節骨折或退化性關節炎等狀況，嚴重時可能會需要進行人工膝關節置換手術，手術後的回復過程及復健期間，可透過膝關節輔具加強膝關節穩定性並協助其復健過程，以利復健者早日回復正常步態。

而由於人體膝關節運動具有滾動及滑動的特性，並非單純繞單一軸心迴轉運動，因此採用單一迴轉設計的膝關節輔具並不符合膝關節原本運動特性，因此目前膝關節輔具大多採用極心線的方法設計。

極心線是能有效描述膝關節運動特性的一種方法，目前對人體腿部的運動狀態進行測量以求得極心線之方式，例如：Freudenstein以X光持續拍攝人體膝關節運動情形，並進一步求得極心線，Gerber利用連續 拍攝的X光片，重疊兩張描繪股骨與脛骨的真實位置，透過相鄰位置中垂線法求得極心，發現極心線在韌帶受傷處會有異常的現象，Frankel將股骨視為一剛體，並在股骨上取兩個特徵點，以X光進行拍攝紀錄膝關節運動時特徵點位置，利用相鄰位置中垂線法求得極心，上述方法中皆以影像法及兩相鄰位置中垂線法，記錄兩相鄰位置間之極心，並將各點之極心依序連線，取得受試者之極心線。

惟，透過照相法求得之極心線一直以來其精確度都是需要改善的部分，再加上利用X光片判別特徵位置時，必須由具備判讀X光片知識之專業人士依序判讀，因此相當耗時費力。

本案發明人鑑於上述影像法之缺失，因此乃亟思加以改良創新，並經苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件以機構方式量測且方便快速的關節極心線量測裝置及其量測方法。

本發明之主要目的係在於提供一種以機械方式連續測量膝關節運動時極心之位置以求得極心線之關節極心線量測裝置及其量測方法。

本發明之次要目的係在於提供一種方便量測且精準快速的關節極心線量測裝置及其量測方法。

為達上述目的，本發明之關節極心線量測裝置及其量測方法其主要包括一量測平台、一量測座椅、一可調式外骨架機構、一六連桿機構、一第一旋轉譯碼器、一第二旋轉譯碼器、一第三旋轉譯碼器及一計算單元，該量測平台上具有至少一滑軌及以滑塊與滑軌連接之L型踏板，該可 調式外骨架機構包括一上固定架及一下固定架，該六連桿機構係樞接於該上固定架及該下固定架之間，該第一旋轉譯碼器、第二旋轉譯碼器及該第三旋轉譯碼器係設於該六連桿機構中部份連桿之旋轉軸上。

當受試者座於量測坐椅上時，透過將受試者之大腿固定於上固定架，將受試者之小腿固定於下固定架，並將受試者之腳底板平貼於L型踏板上，藉由一驅動器驅使滑塊帶動L型踏板沿著滑軌向量測座椅方向作線性位移，而令受測者之小腿由伸直至彎曲，此時利用第一旋轉譯碼器、第二旋轉譯碼器及第三旋轉譯碼器讀取受試者小腿伸直至彎曲之數值，並重複測量多次後取其平均值以求得極心線。

1‧‧‧量測平台

11‧‧‧滑軌

12‧‧‧L型踏板

121‧‧‧迴轉軸

13‧‧‧滑塊

2‧‧‧可調式外骨架機構

21‧‧‧上固定架

22‧‧‧下固定架

3‧‧‧六連桿機構

31‧‧‧第一連桿

32‧‧‧第二連桿

33‧‧‧第三連桿

34‧‧‧第四連桿

35‧‧‧第五連桿

36‧‧‧第六連桿

37‧‧‧旋轉軸

4‧‧‧第一旋轉譯碼器

5‧‧‧第二旋轉譯碼器

6‧‧‧第三旋轉譯碼器

7‧‧‧驅動器

S01~S03‧‧‧步驟

第1圖 為本發明關節極心線量測裝置之立體外觀圖；第2圖 為本發明之六連桿機構示意圖；第3圖 為本發明關節極心線量測方法之流程圖；以及第4圖 為本發明量測之固定及心線示意圖。

請參閱第1~2圖，本發明之關節極心線量測裝置主要包括一量測平台1、一量測座椅(圖中未示)、一可調式外骨架機構2、一六連桿機構3、一第一旋轉譯碼器4、一第二旋轉譯碼器5、一第三旋轉譯碼器6、一驅動器7及一計算單元(圖中未示)，該量測平台1包括至少一滑軌11及一L型踏板12，該L型踏板12之垂直角具有一迴轉軸121，該迴轉軸121係樞接於至少一滑塊13上，該滑塊13係用以帶動該L型踏板12於該滑軌11上作線性移動，該滑軌11上設有一線性光學尺(圖中未示)用以量測該L型踏板12之位移距離， 該量測座椅係設於該量測平台1之一端，該可調式外骨架機構2包括一上固定架21及一下固定架22，該下固定架22之一端係與該L型踏板12連接，該驅動器7係用以帶動該滑塊13使該L型踏板12於該滑軌11上做線性移動，該計算單元係用以紀錄第一旋轉譯碼器4、第二旋轉譯碼器5及第三旋轉譯碼器6讀取之數值，以計算出受試者膝關節極心線。

該六連桿機構3包括一第一連桿31、一第二連桿32、一第三連桿33、一第四連桿34、一第五連桿35及一第六連桿36，該第一連桿31係與該上固定架21連接，該第四連桿34係與該下固定架22連接，該第一連桿31一端之旋轉軸37係與該第二連桿32之一端樞接，該第二連桿32相對第一連桿31另一端之旋轉軸37係與該第三連桿33樞接，該第三連桿33相對第二連桿32另一端之旋轉軸37係與該第四連桿34樞接，該第四連桿34相對第三連桿33另一端之旋轉軸37係與該第五連桿35樞接，該第五連桿35相對第四連桿34另一端之旋轉軸37係與該第六連桿36樞接，該第六連桿36相對第五連桿35另一端之旋轉軸37係與該第一連桿31樞接，該第一旋轉譯碼器4係設於該第一連桿31與該第二連桿樞32接之旋轉軸37上，該第二旋轉譯碼器5係設於該第一連桿31與該第六連桿36樞接之旋轉軸37上，該第三旋轉譯碼器6係設於該第六連桿36與該第五連桿35樞接之旋轉軸37上。

請參閱第1~3圖，本發明之關節極心線量測裝置進行極心線測量前，係先對第一旋轉譯碼器4、第二旋轉譯碼器5、第三旋轉譯碼器6設定原點、歸零的動作，並對線性線性光學尺進行調整與校正，接著讓受試者坐於量測座椅上，透過可調式外骨架機構2之上固定架21固定受試者的大腿，及透過可調式外骨架機構2之下固定架22固定受試者的小腿，並讓受試 者將腳底板平貼於L型踏板12上，再將受試者的腳踝固定於L型踏板12上，避免腳踝運動帶來過多肌肉變化，而影響量測結果。

當上述動作完成後，本發明之關節極心線量測裝置進行極心線測量時，係透過該驅動器7帶動該滑塊13，使該L型踏板12於該滑軌11上作線性移動，並以該第一旋轉譯碼器4、該第二旋轉譯碼器5及該第三旋轉譯碼器6讀取受試者小腿伸直至彎曲不同位置之數值S01，接著重複上述步驟取得複數組數值後，各位置取其平均值S02，然後藉由曲線擬合方法將不同位置各自之平均值擬合以計算出膝關節極心線S03。

以下說明計算膝關節極心線之計算：在X-Y平面上，有一剛體存在A、B兩點，當剛體由第一個位置位移至第二個位置時，剛體位移矩陣可由以下公式表示：

式中

剛體在平面上運動時，兩相鄰位置間會有一點不發生相對移動的點，此點稱之為極心，當剛體做連續有限位移時，極心的運動軌跡，即為極心線。

將該L型踏板12視為剛體，令其迴轉軸軸心為e點，軸心至平台中心線垂直距離為e點路徑座標下式所示： Xe _i =(L+S _i )×cos(φ _i )-δ×sin(φ _i ) Ye _i =(L+S _i )×sin(φ _i )+δ×cos(φ _i ) (3.2)

已知平面上一點P_i，透過剛體位移矩陣運算後得P_i+1，若此點經剛體位移矩陣運算前後不變，則此點即為極心，即為(3.3)式

式中，兩相鄰位置之剛體位移矩陣

式中：△θ _i =φ _i+1-φ _i +ψ _i+1-ψ _i

將(3.3)式展開整理後，可計算出兩相鄰位置間之極心座標P_i(Xp_i,Yp_i)，如(3.5)式所示

量測座椅取得數組參數後計算其平均，並直接求出極心線之結果。

以下透過一實施例說明本發明關節極心線量測裝置及其量測方法，本實施例需記錄三個角度值( α _i 、 β _i 、 γ _i )，透過三個旋轉譯碼器讀取三個參數來記錄下肢的運動過程。藉由線性光學尺來記錄量測滑臺之滑軌位移距離，以便作為曲線擬合之依據。

本實施例中將該第二旋轉譯碼器5與該第一旋轉譯碼器4軸 心的連線定義成量測座標系Y軸，，接著將線性光學尺推至該滑軌11遠離量測座椅之一端進行調整與校正，然後令受試者穿戴本發明關節極心線量測裝置於受試者腿部外側，透過該可調式外骨架機構2之該上固定架21固定受試者的大腿，及透過該可調式外骨架機構2之該下固定架22固定受試者的小腿，同時令受試者之腳底板與腳踝垂使Y軸平行於腳底板，並令該Y軸相垂直為X軸。

接著開始進行量測，量測過程中腳掌須貼齊該L型踏板12，以避免腳踝的彎曲使肌肉產生變化，而影響該第一旋轉譯碼器4、該第二旋轉譯碼器5及該第三旋轉譯碼器6的讀值。

透過該驅動器7驅動該滑塊13，該滑塊13的位移量可藉由線性光學尺觀測，當滑塊位移10mm時，擷取該第一旋轉譯碼器4、該第二旋轉譯碼器5及該第三旋轉譯碼器6的讀值，即記錄受試者小腿的運動參數。記錄受試者伸直至彎曲運動，為一組數據，藉此可計算受試者極心線。

每組數據量取55個位置，每個位置量取五次即記錄五組數據後，將每一位置各譯碼器紀錄之讀值取平均值及標準差，如表一~三所示。

表一

接著將該第一旋轉譯碼器4、該第二旋轉譯碼器5及該第三旋轉譯碼器6之平均值作為量測結果，代入極心計算公式，求得之膝關節極心線，此時若極心線呈現散亂的樣子，即可能是肌肉變化影響譯碼器讀值不平滑的結果，此時可透過旋轉譯碼器的讀值，個別對線性光學尺的讀值來做平滑化，以處理膝關節極心線不平滑的問題。

當膝關節極心線為平滑曲線時，即將所量測到的離散數據進 行曲線擬合。本實施例透過MATLAB軟體中Curve Fitting Tool子程式，以光學尺讀值為共同參數分別對該第一旋轉譯碼器4、該第二旋轉譯碼器5及該第三旋轉譯碼器6的讀值之讀取數據進行1至9階之多項式曲線擬合。曲線擬合前後對照表如表四~七所示。

本實施例依經驗法則選擇 α 為2階、 β 為4階、 γ 為7階的擬合的參數，來計算極心求得受試者膝關節極心線，每個極心點個別對應一個角度即小腿彎曲的角度(如第4圖所示)。

1‧‧‧量測平台

11‧‧‧滑軌

12‧‧‧L型踏板

121‧‧‧迴轉軸

13‧‧‧滑塊

2‧‧‧可調式外骨架機構

21‧‧‧上固定架

22‧‧‧下固定架

3‧‧‧六連桿機構

4‧‧‧第一旋轉譯碼器

5‧‧‧第二旋轉譯碼器

6‧‧‧第三旋轉譯碼器

7‧‧‧驅動器

Claims (8)

1. 一種關節極心線量測裝置，其係用以測量受試者膝關節之極心線，主要包括：一量測平台，該量測平台包括至少一滑軌及一供受試者腳底板平貼之L型踏板，該L型踏板之垂直角具有一迴轉軸，該迴轉軸係樞接於至少一滑塊上，透過該滑塊使該L型踏板於該滑軌上做線性移動，該滑軌上設有一線性光學尺用以量測該L型踏板之位移距離；一量測座椅，該量測座椅係設於鄰近該量測平台一端；一可調式外骨架機構，該可調式外骨架機構包括分別固定受試者大腿部之一上固定架及固定受試者小腿部之一下固定架，該下固定架之一端係與該L型踏板作樞接；一六連桿機構，該六連桿機構係樞接於該上固定架及該下固定架之間；複數旋轉譯碼器，該等旋轉譯碼器係用以讀取六連桿機構之旋轉自由度及量測座標平面的X軸及Y軸之位移量；一計算單元，該計算單元係用以紀錄第一旋轉譯碼器、第二旋轉譯碼器及第三旋轉譯碼器讀取之數值，以計算出受試者膝關節極心線。
2. 如請求項1所述之關節極心線量測裝置，其中更包括一驅動裝置，該驅動裝置係用以控制該L型踏板於該滑軌上線性移動。
3. 如請求項1所述之關節極心線量測裝置，其中該六連桿機構包括一第一連桿、一第二連桿、一第三連桿、一第四連桿、一第五連桿及一第六連桿，該第一連桿係與該上固定架連接，該第四連桿係與該下固定架連接，該第一連桿之兩端旋轉軸係分別與第二連桿及第六連桿樞接，該第 四連桿之兩端旋轉軸係分別與第三連桿及第五連桿樞接，該第二連桿相對第一連桿另一端之旋轉軸係與該第三連桿相對第四連桿另一端之旋轉軸作樞接，該第五連桿相對第四連桿另一端之旋轉軸係與該第六連桿相對第一連桿另一端之旋轉軸作樞接，該等旋轉譯碼器係設於該六連桿機構之旋轉軸上。
4. 如請求項3所述之關節極心線量測裝置，其中該等旋轉譯碼器包括一第一旋轉譯碼器、一第二旋轉譯碼器及一第三旋轉譯碼器，該第一旋轉譯碼器係設於該第一連桿與該第二連桿樞接之旋轉軸上，該第二旋轉譯碼器係設於該第一連桿與該第六連桿樞接之旋轉軸上，該第三旋轉譯碼器係設於該第六連桿與該第五連桿樞接之旋轉軸上。
5. 如請求項1所述之關節極心線量測裝置，其中該量測座標平面Y軸為第一旋轉譯碼器與第二旋轉譯碼器之連線。
6. 如請求項1所述之關節極心線量測裝置，其中該量測座標平面X軸為與第一旋轉譯碼器與第二旋轉譯碼器連線相垂直。
7. 如請求項1所述之關節極心線量測裝置，其中更包括一驅動器，該驅動器係用以帶動該滑塊使該L型踏板於該滑軌上做線性移動。
8. 一種關節極心線量測方法，其主要係將透過可調式外骨架機構固定受試者的大腿及小腿，並將受試者的腳底板平貼於L型踏板上，再將受試者的腳踝固定於L型踏板上，以進行量測，其量測步驟包括：a.利用滑塊帶動L型踏板於滑軌上作線性移動，並以第一旋轉譯碼器、第二旋轉譯碼器及第三旋轉譯碼器讀取受試者小腿伸直至彎曲不同位置之數值； b.重複步驟a於取得複數組數值後，不同位置各取其平均值；c.曲線擬合方法將不同位置各自之平均值擬合以計算出膝關節極心線。