TWI590805B - Limb motor function evaluation method, Limb motor function evaluation system, computer device, method and computer program product for analyzing limb motor function - Google Patents

Description

肢體運動功能評估方法、肢體運動功能評估系統、用於分析肢體運動功能之電腦裝置、方法及其電腦程式產品

本發明係一種肢體運動功能評估方法及其評估系統，尤指一種提供肢體不同移動路徑及強度之復健訓練及透過分析肢體受機電裝置驅動時所呈現之驅動點機械阻抗(mechanical impedance)來評估肢體運動功能之方法及其系統。本發明之實施尤以無需在肢體上加裝傳感器為特色。

由於意外事故或疾病，人員肢體及神經系統受損時，會使得運動功能因而降低或不能進行正常活動。目前此種損傷的評估多以簡便，但不客觀且又不準確Ashworth Scale方式進行評估。

目前上述損傷的的復健療程多由物理治療師以人工牽引方式帶動患者之肢體動作而達到復建的效果。因此需要耗費大量的專業人力以及醫療成本來運行。此種復健方式無論對於患者或者是健保資源都帶來了極大負擔。

若干習知技術之肢體復健裝置亦可讓患者自行操作，並以牽引肢體進行復健，但每一此種裝置提供的運動路線及運動方式單一，復健病人之復原需經過多種裝置之復健。再者，此種裝置未能即時(real-time)客觀地評估肢體功能的變化而依照患者肢體復健情況進行復健訓練強度及肢體運動路徑形式的調整。此種缺失使得復健之效率甚為低落而且常需復健 人員之介入。

文獻考查顯示，數個歐美醫療技術研究單位近年嘗試設置傳統傳感器如扭力計，速度規等在受復健肢體上以量測肢體運動功能。此種方法因傳感器的負載效應及其裝設難以固定於肢體上導致過大量測誤差及使用困難。再者，已公開發表文獻顯示上述研究並未妥善使用機械阻抗觀念，導致量測所得數據具有較多誤差。凡此種種，導致迄今未有恰當儀具可被臨床使用。

綜上所述，如何提供一種無需依賴裝設於肢體上之器材而又能準確量化患者肢體運動功能及提供多種復健形式及強度，可隨患者肢體最新復健成果來調整的復健裝置乃本領域亟需解決之技術問題。

為解決前揭之技術問題，本發明之目的係提供一種可導引患者肢體以不同形式重覆運動，並同時量取、分析肢體復健狀況之系統及其方法。

為達上述目的，本發明提出一種肢體運動功能評估系統，包含一肢體固定模組、一肢體導引模組、一驅動模組、一傳動機構模組、一阻抗檢測模組、以及一運動功能分析模組。肢體固定模組係用以固定外部使用者肢體之第一端點。肢體導引模組係用以導引使用者肢體之第二端點，前述之第二端點與第一端點設有一距離。驅動模組係經由一傳動機構模組驅動肢體導引模組以讓第二端點相對於第一端點運行。阻抗檢測模組為連接驅動模組以量測使用者肢體於被動運行時呈現之機械阻抗。運動功能分析模組為連接阻抗檢測模組，並依據所測得之機械阻抗對應使用者肢 體之運動路徑提供一肢體運動功能曲線資訊。

為達上述目的，本發明提出一種肢體運動功能評估方法，應用於一肢體運動功能評估系統，包含下列步驟：首先，固定使用者肢體之第一端點。接著導引使用者肢體之第二端點相對於第一端點運動。接著量測使用者肢體運動時驅動點反應之機械阻抗。最後依據所測得之機械阻抗對應使用者肢體之運動路徑以提供一肢體運動功能曲線。

為達上述目的，本發明提出一種用於分析肢體運動功能之電腦裝置。該電腦裝置包含通訊模組以及處理模組。通訊模組以有線或無線通訊連接至少一個前述之肢體運動功能評估系統。而處理模組係連接通訊模組，並自至少一肢體運動功能評估系統中存取複數筆之肢體運動功能曲線進行統計分析，以提供一復健判別資訊，前述之復健判別資訊係用以判斷肢體運動功能曲代表之復健程度。

為達上述目的，本發明提出一種用於分析肢體運動功能復健程度方法，應用於一電腦裝置，電腦裝置係與至少一如前述之肢體運動功能評估系統通訊連接，該方法包含下列步驟：首先，存取複數筆之肢體運動功能曲線。接著，統計該些肢體運動功能曲線，以提供復健判斷資訊。

為達上述目的，本發明提出一種用於分析肢體運動功能復健程度之電腦程式產品，當電腦裝置載入並執行該電腦程式產品後，可完成前述之「用於分析肢體運動功能復健程度方法」之步驟。

綜上所述，本發明之肢體運動功能評估系統及其方法透過分析使用者肢體反應之機械阻抗，而得以精準的量化使用者之肢體復健狀態，並將量化而得之肢體運動功能曲線提供給使用者或醫護端進行判讀或 分析其復健狀況，而得以解決先前技術藉由復健人員主觀判讀所造成的缺失。

10‧‧‧肢體運動功能評估裝置

101‧‧‧肢體驅動次系統

1011‧‧‧肢體導引模組

1012‧‧‧傳動機構模組

1013‧‧‧驅動模組

1014‧‧‧阻抗檢測模組

102‧‧‧支持部

103‧‧‧調整把手

104‧‧‧底座

11‧‧‧分析裝置

111‧‧‧運動功能分析模組

112‧‧‧顯示模組

12‧‧‧訊息通訊模組

13‧‧‧承載裝置

131‧‧‧拉帶

2‧‧‧使用者

21‧‧‧護托

h1‧‧‧握持部

h2‧‧‧插孔

第1圖係為本發明之肢體復健評估系統之系統示意圖。

第2圖係為本發明之肢體復健評估裝置操作位置調整示意圖。

第3圖係為本發明之肢體復健評估系統等效模型圖。

第4A~4C圖係為本發明之量測試驗示意圖。

第5圖係為本發明第一實施例其肢體導引模組之立體示意圖。

以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。

請參閱第1圖，其為本發明之肢體運動功能評估系統。肢體運動功能評估系統包含肢體運動功能評估裝置10、分析裝置11、用於承載使用者2之承載裝置13。承載裝置13係設有用於固定使用者2肢體第一端點之肢體固定模組。進一步說明之，使用者2肢體之第一端點設有一護托21，而肢體固定模組係為連接承載裝置13以及護托21之拉帶131。

肢體運動功能評估裝置10包含肢體驅動次系統101、支持部102、調整把手103、以及底座104。調整把手103與底座104係分別設置於支持部102之二端，肢體驅動次系統101係活動設置於支持部102上，前述之承載裝置13係可與支持部102共同使用底座104。請參閱第2圖，使用者2可透 過調整把手103來上下調整肢體驅動次系統101之高度，而肢體驅動次系統101亦可相對於支持部102調整其操作角度(以水平面為基準，上下0~90度調整；或沿支持部102之周圍旋轉調整)。

前述之肢體驅動次系統101包含肢體導引模組1011、傳動機構模組1012、驅動模組1013、以及阻抗檢測模組1014。驅動模組1013係經由傳動機構模組1012驅動肢體導引模組1011之運行，而肢體導引模組1011係用於導引使用者2肢體之第二端點於一空間進行運動。前述使用者2肢體第一端點以及第二端點相距一距離。前述之驅動模組1013係為一可變速之馬達，例如有段變速或無段變速馬達等。前述之阻抗檢測模組1014係連接驅動模組1013，阻抗檢測模組1014並透過量測驅動模組1013之電氣信號來換算出肢體反應之機械阻抗。

若使用者肢體為手部，其第一端點可為肩部，第二端點可為手掌部；若使用者肢體為腿部，其第一端點可為臀部或腰部，第二端點可為腳掌部，上述肢體部位僅用於描述上、第二端點之相對關係，而非用於限定本發明之第一端點與第二端點之範疇。

分析裝置11係為一電腦裝置。分析裝置11包含了運動功能分析模組111以及顯示模組112。運動功能分析模組111為連接前述之顯示模組112。分析裝置11並透過訊息通訊模組12與阻抗檢測模組1014電性連接，以接收量測之阻抗值並進行後續之分析作業。

當系統運行時，驅動模組1013會透過傳動機構模組1012以及肢體導引模組1011來帶動使用者2肢體之第二端點相對於第一端點進行等速或近等速運動。由於骨骼、肌肉、肌腱以及筋膜其形態、方向、張力等 因素影響，肢體在受導引時會於驅動點呈現一機械阻抗，而分析裝置11經由分析其機械阻抗之成分(例如質量(m)、剛性(k)、或阻尼(c)等)，即可得知使用者2肢體之等效結構。

該系統更可透過不同類型的傳動機構模組1012來設定肢體之導引運動路徑。其運動路徑係為在一空間中之密閉曲線或為直線段，其密閉曲線包含了圓形曲線、橢圓形曲線、8字形曲線、∞字形曲線等，而其密閉曲線更為空間中一平面之運動路徑，或者是立體運動路徑。而直線段由於往返運作之端點在運算上係為奇異點，因此在計算肢體運動功能曲線時可選擇將端點之數據排除。傳動機構模組1012可為直連桿、滾珠軸承、四連桿、線性滑軌、凸輪、齒輪等可在空間中進行運動之裝置。惟運動路徑以及傳動機構模組1012之類型並不在此限。

對驅動模組1013而言，前述肢體所反應之機械阻抗對驅動模組1013而言可視為輸出之驅動負載變動(機械阻抗大→負載變重；機械阻抗小→負載變輕)。而阻抗檢測模組1014係為一具運算功能之電子裝置，例如電腦裝置、燒錄有阻抗檢測程序韌體之微晶片(micro-processor)電路、或由硬體描語言(Verilog、VHDL)等所建構之數位電路。因此阻抗檢測模組便可對驅動模組1013之工作電壓、電流訊號進行量測，並在分析使用者2肢體之運動路徑相對於每一運動週期其頻域之電氣訊號後，即可得知肢體反應之等效機械阻抗值，並將量測值經由訊息通訊模組12傳送至分析裝置11進行分析。

為進一步說明本發明等效轉換之概念，請接著參閱第3圖，其為本發明之肢體驅動次系統101之等效模型圖。肢體驅動次系統101由肢 體導引模組1011、傳動機構模組1012、驅動模阻1013串接而成。此三模組各有一能量輸入埠以及一能量輸出埠。各個模組在輸入埠以一勢量(Potential variable)及一流量(flow variable)由前一模組的輸出埠取得能量。勢量與流量之乘積為輸入或輸出之功率。勢量與流量的商則為該埠的阻抗。各模組的輸入阻抗決定功率向作功端傳輸的大小。

驅動模組1013(例如：馬達)之功能為轉換電能為機械能。其輸入勢量及流量分別為電壓(voltage/E)與電流(current/I)，而輸出勢量及流量分別為扭矩(torque/T)以及轉速(rotary speed/ω)。由於輸出/入屬於不同的能域，因此其間的功率傳輸關係為傳感矩陣(transduction matrix)[TD] ^D ，其方程式如下所示：

傳動機構模組1012(例如：齒輪齒條對)之功能為：(1)改變機械作功的動作，例如改變轉動為直線移動；以及(2)調節肢體驅動次系統101之能量供應端與肢體作功端機械阻抗的匹配。相匹配的阻抗可使功率傳輸效率最好。此模組輸出入勢量流量間的關係之傳輸矩陣(transmission matrix)[TM] ^M 方程式如下所示：

肢體導引模組1011(例如：圓盤及把手)之功能為將收受的能量作功於肢體的第二端點上，其輸出入勢量流量間的關係可由傳輸矩陣[TM] ^G 表達：

由方程式(a)、(b)、及(c)可得：

因此肢體驅動次系統101其輸入與輸出的關係為：

上述矩陣[TD] ^D 、[TM] ^M 、[TM] ^G 、[T]中的A、B、C及D參數可由下列關係求得：

其中輸出的F及v亦為分別為肢體第二端點的輸入勢量及流量。因為電阻抗為Z ^e =E/i、機械阻抗為Z ^m =F/v，方程式(d)可改寫為：

方程式(f)表示A、B、C及D為已知時，量取肢體驅動次系統101便能由輸入電阻抗Z ^e 來換算肢體在第二端點的驅動機械阻抗Z ^m 。

為說明上述之公式意涵，本發明由一彈簧元件來等效一肢體結構，其驅動模組1013係為一直流馬達、傳動機構模組1012係為一對齒輪、肢體導引模組1011係為一圓盤，其等效模型如第4A圖所示，於該圖中，theta(θ)為圓盤轉動之角度、r為圓盤之半徑、F為彈簧之受力、l為彈簧彈拉伸之長度、k為該彈簧之彈性係數。請接著參閱第4B圖，其為圓盤轉動的6種運動態樣。其理論值以及量測之數值如4C圖(實線段為量測值、虛線段為 理論值)所示，第4C圖之橫軸為轉動角度、縱軸為機械阻抗。用於計算理論值之扭力T公式如下所示：

由第4C圖可得知，本發明之理論值與實際量測值極為接近，而得以證明本發明其評估方法之可實現性。前述量測值與理論值間之差異係為固定彈簧元件之連接元件所造成，該差異值係為一可量化以及估算之數值，並可藉由後端之訊號處理程序加以消除，特此說明。

請再參閱第1圖，其為本發明第一實施例。其肢體導引模組1011係為圓盤(如第5圖所示)。於本實施例中，其使用者2肢體之第一端點係定義為肩部、肢體之第二端點係定義為手掌，其肢體導引模組1011為設有握持部h1之圓環或圓盤，圓環或圓盤上設有複數個插孔h2，使用者2可將握持部h1插設在不同半徑之插孔h2以設定旋轉半徑。其傳動機構模組1012係為直連桿，而直連桿之二端分別透過萬向接頭與驅動模組1013之輸出軸以及圓環或圓盤之轉軸活動式連接，以讓肢體導引模組1011導引使用者2肢體運行時形成圓形運動路徑。在運行過程中，阻抗檢測模組1014以及運動功能分析模組112會分析肢體導引模組1011之運行角度以及該角度所反應回來的機械阻抗，以計算其肢體運動功能曲線，並經由顯示模組112顯示結果，或傳送至醫護端之電腦裝置以提供醫護人員進行評估，而使用者可依顯示結果或醫護人員之建議調整驅動模組1013之轉速，來調整復健之強度。

前述之運動功能分析模組112更可將多次快速測得之肢體運動功能曲線扣除前後肌肉鬆緊變異以及量測誤差後，以提供更為準確之量 測資訊來分析目前肢體之活動狀態。顯示模組112此時可選擇的顯示量測資訊以及分析資訊，以讓使用者2得知肢體之活動狀態。使用者2在得知目前肢體之活動狀況後，則能設定驅動模組1013之其馬達運行速度，來增加復健強度。

前述之訊息通訊模組113更可選擇的將前述之機械阻抗、肢體運動功能曲線等資料訊透過通訊網路傳送至醫護端之電腦裝置，以讓醫護人員41評估目前之復原狀況，醫護端之電腦裝置更可依評估結果來建議使用者調整設定其驅動模組1013之運行強度。前述之通訊網路係包含有線通訊網路或無線通訊網路等形式。

本發明之第二實施例為一種測量肢體運動功能之方法，該方法應用於前述之肢體運動功能評估系統，並包含下列步驟：

S101：固定使用者2肢體之第一端點於肢體運動功能評估裝置10上。

S102：導引使用者2肢體之第二端點以相對於第一端點運動。

S103：量測使用者2肢體運動時驅動點反應之機械阻抗。

S104：依據所測得之機械阻抗並對應使用者肢體之運動路徑以提供一肢體運動功能曲線。

本發明之第三實施例係提供一種可用於分析前述肢體運動功能之電腦裝置。該電腦裝置包含一通訊模組以及連接之處理模組。通訊模組係用以連接至少一個前述之肢體運動誤評估系統。處理模組更自肢體運動功能評估系統存取複數筆之肢體運動功能曲線進行統計分析，並提供一復健判別資訊，復健判別資訊係用以判斷肢體運動功能曲線代表之復健程度。

本發明之第四實施例為提供一種可用於分析前述肢體運動能力之電腦裝置，第四實施例與第三實施例相似，惟其差異在於第四實施例之醫護人員可藉由電腦裝置自每一使用者之肢體運動誤評估系統取得多筆之肢體運動功能曲線進行統計分析。為提升統計之精準度，電腦裝置可對每一使用者傳送之多筆肢體運動功能曲線中取出部分之曲線進行統計，例如每一使用者傳送100筆肢體運動功能曲線，並取中間的50%(第41筆~第70筆)之數據進行統計分析。使用者在每日復健後，電腦裝置便會分析並評估本日之復健程度，以讓使用者或者醫護端即時得知客觀的評估結果。

本發明之第五實施例為提供一種可用於分析前述肢體運動能力之電腦裝置，第五實施例與第三實施例相似，惟其差異在於第五實施例之使用者可透過手持電子裝置，例如平板電腦、智慧型手機等裝置，來與肢體運動評估系統通訊連接，並執行前述之分析統計作業，而使用者便能從手持電子裝置中即時掌握每日之復健進度。

本發明之第六實施例為提供一種可用於分析前述肢體運動能力之電腦裝置，第六實施例與第三實施例相似，惟其差異在於第六實施例之醫護端可透過電腦裝置取得大量使用者之肢體運動功能曲線，並依據各個使用者肢體之嚴重程度設置一級距(例如級距1~5)，而當使用者操作本系統時，便能透過查詢該級距資訊得知自身之復健階段。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

10‧‧‧肢體運動功能評估裝置

101‧‧‧肢體驅動次系統

1011‧‧‧肢體導引模組

1012‧‧‧傳動機構模組

1013‧‧‧驅動模組

1014‧‧‧阻抗檢測模組

102‧‧‧支持部

103‧‧‧調整把手

104‧‧‧底座

11‧‧‧分析裝置

111‧‧‧運動功能分析模組

112‧‧‧顯示模組

12‧‧‧訊息通訊模組

13‧‧‧承載裝置

131‧‧‧拉帶

2‧‧‧使用者

21‧‧‧護托

Claims (15)

1. 一種肢體運動功能評估方法，應用於一肢體運動功能評估系統，包含：固定使用者肢體之第一端點；導引該使用者肢體之第二端點相對於該第一端點運動，該第二端點與該第一端點具有一距離；量測該使用者肢體運動時反應至該肢體運動功能評估系統之驅動模組之工作電訊號變異以提供一機械阻抗，其中該機械阻抗係定義導引時之力量除以導引時之運動速度；以及依據所測得之該機械阻抗沿該第二端點之運動路徑變化以提供一肢體運動功能曲線。
2. 如請求項1所述之方法，其中該使用者肢體之運動路徑係為一在空間中之密閉曲線。
3. 如請求項2所述之方法，其中該密閉曲線包含圓形曲線、∞字形曲線、橢圓曲線其中之一、或擇二以上之組合。
4. 如請求項2所述之方法，其中該密閉曲線可為空間中的一平面上。
5. 如請求項1所述之方法，其中該運動路徑為直線。
6. 如請求項2所述之方法，其中該密閉曲線包含線段型往返曲線，該肢體運動功能曲線係排除該線段型往返曲線之奇異點。
7. 如請求項1所述之方法，其中該機械阻抗係定義該使用者肢體之骨骼、肌肉、或肌腱之形態於運動時其驅動點反應之阻抗值。
8. 如請求項1所述之方法，其中該機械阻抗係等效該使用者肢體之質量(m)、剛性(k)、阻尼(c)其中之一、或擇二以上之各種組合。
9. 一種肢體運動功能評估系統，包含：一肢體固定模組，用以固定外部使用者肢體之第一端點；一肢體導引模組，用以導引該使用者肢體之第二端點，該第二端點與該第一端點具有一距離；一驅動模組以及一傳動機構模組，該傳動機構模組係用以產生不同運動路徑，該驅動模組更經由該傳動機構模組驅動該肢體導引模組以讓該第二端點相對於該第一端點進行運動；一阻抗檢測模組，連接該驅動模組以量測該使用者肢體進行運動時反應之機械阻抗，其中該機械阻抗係定義導引時之力量除以導引時之運動速度；以及一運動功能分析模組，連接該阻抗檢測模組，該運動分析模組係依據所測得之該機械阻抗並對應該使用者肢體之運動路徑以提供一肢體運動功能曲線資訊。
10. 如請求項9所述之系統，其中該阻抗檢測模組係自該驅動模組之測量埠取得之電訊號以分析該使用者肢體之該運動路徑於每一運動週期之電阻抗，以換算該機械阻抗。
11. 如請求項10所述之系統，更透過該驅動模組之傳感矩陣、該傳動機構模組之傳輸矩陣、以及該肢體導引模組之傳輸矩陣換算該機械阻抗。
12. 如請求項9所述之系統，更包含一訊息通訊模組，該訊息通訊模組係連接該運動功能分析模組，以選擇性的傳送該機械阻抗或該肢體運動功能曲線至外部一電腦裝置，並觸發該電腦裝置進行分析。
13. 一種用於分析肢體運動功能之電腦裝置，包含： 一通訊模組，通訊連接至少一個如請求項12所述之肢體運動功能評估系統；以及一處理模組，連接該通訊模組，該處理模組更自該至少一肢體運動功能評估系統存取複數筆之該肢體運動功能曲線進行統計分析，並提供一復健判別資訊，該復健判別資訊係用以判斷該肢體運動功能曲線所代表之復健程度。
14. 一種用於分析肢體運動功能復健程度之方法，應用於一電腦裝置，該電腦裝置係與至少一如請求項12所述之肢體運動功能評估系統通訊連接，包含下列步驟：存取複數筆之該肢體運動功能曲線；以及統計該等肢體運動功能曲線，以提供一復健判斷資訊，該復健判別資訊係用以判斷該肢體運動功能曲線所代表之復健程度。
15. 一種用於分析肢體運動功能復健程度之電腦程式產品，當電腦裝置載入並執行該電腦程式產品，可完成請求項14所述之方法。