TWI594786B - 自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統及方法 - Google Patents

Description

自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統及方法

本發明是有關於一種自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統及穿戴式垂足電刺激控制方法，且特別是有關於一種透過即時調整電刺激參數以協助垂足患者產生更平滑、平穩的步態的穿戴式垂足電刺激控制系統及穿戴式垂足電刺激控制方法。

垂足(drop foot)是醫學臨床上常見的現象，其正式的名稱是踝關節蹠屈(equinus foot)。正常的踝關節可以進行背屈(dorsiflexion)、蹠屈(plantar flexion)、內翻(inversion)、外翻(eversion)等動作。當背屈的動作變差，便會出現垂足現象。正常步態需要有健全的踝關節功能，一旦發生垂足現象，就會有各種代償性步態出現。例如：骨盆上揚(hip-hiking)是利用提高骨盆來避免足部拖地；跨閾步態(steppage gait)是利用更多的髖關節屈曲和膝關節屈曲來延長足部離地時間；健側的腳可能出現跳躍現象(vaulting)來幫助患腳離地。症狀較輕微的患者，可能會出現患腳以前足(forefoot)著地或足部拍擊地面(foot slap)的情形。有些患者並不自覺上述情形而經常性地發生絆倒。因此對於患有垂足的患者，行走不但耗能而且危險，這是一個必須正視的問題。

當患者的足踝背屈肌力完全喪失時，臨床上通常會建議患者考慮足踝輔具或配戴功能性電刺激器。功能性電刺激治療可透過功能性電流刺激小腿脛前肌收縮，誘發腳板主動做出上勾動作，可以改善中風患者步態。臨床上為了協助垂足患者改善在行走(locomotion)時的垂足(drop foot)現象以及協助行走時的步態調整，使用皮膚表面功能性電刺激來刺激脛前肌收縮是常見的方法之一。經皮表面功能性電刺激(transcutaneous surface functional electrical stimulation, sFES)是一種在臨床上利用給予不受腦部控制的運動神經經皮的表面電刺激來誘發運動神經所支配的肌肉產生收縮反應的方法，此種方法可以協助因外在傷害而造成無法自主控制肌肉動作的患者恢復其身體部分功能以求改善其日常活動。目前現有之垂足電刺激器多使用足底開關(foot switch)或者含陀螺儀之慣性感測元件(inertial measurement unit, IMU)作為判斷啟動與關閉電刺激時機的依據。然而，現有的產品缺乏根據實際步態變化自動調整電刺激參數的控制方法，經常難以協助患者產生接近一般人正常行走的平穩步態。

本發明提供一種自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統及穿戴式垂足電刺激控制方法，可使垂足患者產生更平滑、平穩的步態。

本發明提出一種自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統，適用於垂足患者，包括第一慣性感測器、第二慣性感測器、微控制器及電刺激器。第一慣性感測器設置於小腿並感測小腿的第一運動姿態數據(locomotion data)。第二慣性感測器設置於足部並感測足部的第二運動姿態數據。微控制器耦接第一慣性感測器及第二慣性感測器，微控制器接收第一運動姿態數據及第二運動姿態數據，根據第一運動姿態數據及第二運動姿態數據即時分析步態階段後，以閉環回饋控制方法計算刺激參數，最後輸出包括刺激參數的控制指令。電刺激器耦接微控制器，電刺激器根據控制指令輸出脈波以刺激小腿，進而矯正病患步態。

在本發明的一實施例中，上述微控制器根據第一運動姿態數據計算小腿角度並根據第二運動姿態數據計算足部角度，且閉環回饋控制方法根據小腿角度、足部角度及步態階段計算刺激參數。

在本發明的一實施例中，上述步態階段包括支撐期及擺動期，擺動期包括擺動前期、擺動初期、擺動中期及擺動後期。

在本發明的一實施例中，上述穿戴式垂足電刺激控制系統，更包括一圖形使用者介面，耦接該微控制器，該圖形使用者介面提供該電刺激器的一初始化設定並記錄該第一運動姿態數據、該第二運動姿態數據、該步態階段及該脈波的一強度、一頻率及一脈波寬度。

在本發明的一實施例中，上述的第一慣性感測器及第二慣性感測器各包括加速度計及陀螺儀。

本發明提出一種自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制方法，適用於垂足患者，包括藉由設置於小腿的第一慣性感測器來感測小腿的第一運動姿態數據。上述穿戴式垂足電刺激控制方法更包括藉由設置於足部的第二慣性感測器來感測足部的第二運動姿態數據。上述穿戴式垂足電刺激控制方法更包括藉由微控制器接收第一運動姿態數據及第二運動姿態數據，根據第一運動姿態數據及第二運動姿態數據即時分析步態階段後，以閉環回饋控制方法計算刺激參數，最後輸出包括刺激參數的控制指令。上述穿戴式垂足電刺激控制方法更包括藉由電刺激器根據控制指令輸出脈波以刺激脛前肌產生足踝背屈動作。

在本發明的一實施例中，上述微控制器根據第一運動姿態數據計算小腿角度並根據第二運動姿態數據計算足部角度，且閉環回饋控制方法根據小腿角度、足部角度及步態階段計算刺激參數。

在本發明的一實施例中，上述步態階段包括支撐期及擺動期，擺動期包括擺動前期、擺動初期、擺動中期及擺動後期。

在本發明的一實施例中，上述的穿戴式電刺激控制方法更包括藉由圖形使用者介面提供電刺激器的初始化設定並記錄第一運動姿態數據、第二運動姿態數據、步態階段及脈波的強度、頻率及脈波寬度。

在本發明的一實施例中，上述第一慣性感測器及第二慣性感測器各包括加速度計及陀螺儀。

基於上述，本發明的自適應於即時步態之穿戴式電刺激控制系統及穿戴式電刺激控制方法可藉由測量小腿及足部的角度計算步態階段，並在不同的步態階段中輸出具有對應參數的脈波刺激脛前肌收縮，使得垂足患者能藉由更精確的步態階段判定而產生更平滑、平穩的步態。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為根據本發明一實施例的穿戴式垂足電刺激控制系統的方塊圖。圖2為根據本發明一實施例的穿戴式垂足電刺激控制系統的示意圖。

請同時參照圖1及圖2，本發明的穿戴式電刺激控制系統100包括第一慣性感測器110、第二慣性感測器120、微控制器130及電刺激器140。微控制器130耦接第一慣性感測器110及第二慣性感測器120，且電刺激器140耦接微控制器130。第一慣性感測器110可包括加速度計111及陀螺儀112，第二慣性感測器120可包括加速度計121及陀螺儀122。微控制器130可為微處理器(Microprocessor)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)或其他類似裝置。電刺激器140包括脈波產生器143，且脈波產生器143可產生電刺激脈波由導線傳導到第一電極片141及第二電極片143。值得注意的是，雖然在本實施例中的第一慣性感測器110可包括加速度計(例如，三軸加速度計)111及陀螺儀112，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，第一慣性感測器110(以及第二慣性感測器120)也可包括任何可測得加速度值及角速度值的感測元件。

第一慣性感測器110可設置於患者患有垂足症狀的小腿201(例如小腿內側)並感測小腿201的第一運動姿態數據(locomotion data)。第二慣性感測器120可設置於足部202並感測足部202的第二運動姿態數據。第一運動姿態數據及第二運動姿態數據包括從加速度計111、加速度計121及陀螺儀112、陀螺儀122獲得的加速度值及角速度值。微控制器130可接收第一運動姿態數據及第二運動姿態數據並根據第一運動姿態數據及第二運動姿態數據輸出控制指令。值得注意的是，微控制器130可利用有線或無線的方式連接到第一慣性感測器110、第二慣性感測器120及電刺激器，而第一慣性感測器110、微控制器130及電刺激器140也可整合設置於小腿201上。

當電刺激器140接收到控制指令後，脈波產生器143可根據控制指令輸出電刺激脈波以刺激小腿201。具體來說，脈波產生器143可根據控制指令輸出電刺激脈波到第一電極片141以刺激小腿201的腓總神經210，同時電刺激脈波也可輸出到第二電極片142以刺激小腿201的脛前肌220，而輸出到第一電極片141與第二電極片142的電刺激脈波可具有相同或不同的強度。值得注意的是，第一電極片141及第二電極片142可貼在小腿201的表皮以傳導電刺激脈波，且脈波產生器143可根據微控制器130的控制指令產生特定強度(intensity)、頻率(frequency)與脈波寬度(pulse width)的雙向脈波(biphasic pulse train)以適當刺激腓總神經210、誘發脛前肌220收縮並產生踝足背屈動作(dorsiflexion)。

為了在患者行走時更精確的提供電刺激脈波以產生更平穩的步態，微控制器130可根據第一運動姿態數據及第二運動姿態數據分別計算出小腿201及足部202的角度，並根據小腿201及足部202的角度計算步態階段，再根據步態階段輸出控制指令。詳細來說，微控制器130可根據小腿201及足部202的角度判斷目前正屬於步態階段的支撐期(stance phase)或擺動期(swing phase)。微控制器130只會在擺動期控制電刺激器140輸出電刺激脈波。此外，擺動期又可再細分為擺動前期(pre-swing)、擺動初期(initial swing)、擺動中期(mid-swing)及擺動後期(terminal swing)等四個子階段。擺動前期及擺動後期可代表足部202部分貼地且部分懸空的狀態，而擺動初期及擺動中期則可代表足部202完全懸空的狀態。微控制器130可在偵測到擺動前期時控制電刺激器140輸出電刺激脈波，直到偵測到擺動後期時控制電刺激器140停止輸出電刺激脈波，以輔助患者在擺動期做出適當的踝足背屈動作來克服垂足症狀。

在擺動期中，微控制器130可根據細分的子階段以及小腿201與足部202的角度作為回饋參數，進一步計算當下所需的電刺激電流強度以誘發脛前肌220產生所需強度的收縮，進而產生一個平滑、平穩的步態。也就是說，微控制器130會在患者每一步的每一個步態階段根據即時回饋的第一運動姿態數據及第二運動姿態數據來即時調整電刺激器140的電刺激強度。

本發明的穿戴式垂足電刺激控制系統100還包括圖形使用者介面150。圖形使用者介面150可為運作於個人電腦、筆記型電腦、智慧型手機、平板電腦或其他行動裝置上的軟體模組並透過無線通訊方式耦接到微控制器130，例如透過藍芽無線傳輸與微控制器130進行通訊。圖形使用者介面150可提供電刺激器140的初始化設定並記錄第一運動姿態數據、第二運動姿態數據、脈波的強度、頻率及脈波寬度與各個步態階段之間的關係。

在本實施例中，第一慣性感測器110與第二慣性感測器120是以有線方式連接到微控制器130，但本發明並不以此為限。例如，在另一實施例中，第一慣性感測器110與第二慣性感測器120可與通訊晶片整合並透過無線通訊方式將第一運動姿態數據及第二運動姿態數據傳輸到微控制器130。如此一來，可增加患者使用本發明的穿戴式電刺激控制系統100的便利性。此外，本發明的第一慣性感測器110、第二慣性感測器120、微控制器130及電刺激器140皆可使用可充電式電池(例如，鋰離子電池)供電，以達可穿戴性與可攜性。

圖3為根據本發明一實施例的穿戴式電刺激控制方法的流程圖。

請參照圖3，在步驟S301中，藉由設置於小腿的第一慣性感測器來感測小腿的第一運動姿態數據。

在步驟S303中，藉由設置於足部的第二慣性感測器來感測足部的第二運動姿態數據。

在步驟S305中，藉由微控制器接收第一運動姿態數據以計算小腿角度並接收第二運動姿態數據以計算足部角度。

在步驟S307中，藉由小腿角度與足部角度計算即時步態階段。

在步驟S309中，以閉環回饋控制方法藉由小腿角度、足部角度與步態階段調整適當的電刺激參數，並輸出包括此電刺激參數的控制指令。

在步驟S311中，藉由電刺激器根據控制指令輸出脈波以刺激小腿。

在步驟S311之後，患者會產生踝足背屈動作，此時可回到步驟S301及S303中再次感測運動姿態數據，以此運動姿態數據作為回饋參數來計算下一個步態階段的輸出脈波強度。

綜上所述，本發明的穿戴式電刺激控制系統及穿戴式電刺激控制方法可藉由測量小腿及足部的角度計算步態階段，並在不同的步態階段中輸出對應的電刺激脈波刺激小腿的腓總神經及脛前肌，使得垂足患者的足部能在各步態階段中更精確的模擬正常人的踝足背屈動作，從而產生更平滑、平穩的步態。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧穿戴式電刺激控制系統

110‧‧‧第一慣性感測器

111、121‧‧‧加速度計

112、122‧‧‧陀螺儀

120‧‧‧第二慣性感測器

130‧‧‧微控制器

140‧‧‧電刺激器

141‧‧‧第一電極片

142‧‧‧第二電極片

143‧‧‧脈波產生器

150‧‧‧圖形使用者介面

201‧‧‧小腿

202‧‧‧足部

210‧‧‧腓總神經

220‧‧‧脛前肌

S301、S303、S305、S307、S309、S311‧‧‧穿戴式電刺激控制方法的步驟

圖1為根據本發明一實施例的穿戴式垂足電刺激控制系統的方塊圖。 圖2為根據本發明一實施例的穿戴式垂足電刺激控制系統的示意圖。 圖3為根據本發明一實施例的穿戴式垂足電刺激控制方法的流程圖。

100‧‧‧穿戴式電刺激控制系統

110‧‧‧第一慣性感測器

111、121‧‧‧加速度計

112、122‧‧‧陀螺儀

120‧‧‧第二慣性感測器

130‧‧‧微控制器

140‧‧‧電刺激器

141‧‧‧第一電極片

142‧‧‧第二電極片

143‧‧‧脈波產生器

150‧‧‧圖形使用者介面

Claims (10)

1. 一種自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統，適用於一垂足患者，包括：一第一慣性感測器，設置於一小腿並感測該小腿的一第一運動姿態數據；一第二慣性感測器，設置於一足部並感測該足部的一第二運動姿態數據；一微控制器，耦接該第一慣性感測器及該第二慣性感測器，該微控制器接收該第一運動姿態數據及該第二運動姿態數據，根據該第一運動姿態數據及該第二運動姿態數據即時分析一步態階段，並在該步態階段中根據即時回饋的該第一運動姿態數據及該第二運動姿態數據以一閉環回饋控制方法即時計算一刺激參數，並輸出包括該刺激參數的一控制指令；以及一電刺激器，耦接該微控制器，該電刺激器根據該控制指令輸出一脈波以刺激該小腿。
2. 如申請專利範圍第1項所述的自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統，其中該微控制器根據該第一運動姿態數據計算一小腿角度並根據該第二運動姿態數據計算一足部角度，且該閉環回饋控制方法根據該小腿角度、該足部角度及該步態階段計算該刺激參數。
3. 如申請專利範圍第2項所述的自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統，其中該步態階段包括一支撐期及一擺動 期，該擺動期包括一擺動前期、一擺動初期、一擺動中期及一擺動後期。
4. 如申請專利範圍第1項所述的自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制系統，更包括一圖形使用者介面，耦接該微控制器，該圖形使用者介面提供該電刺激器的一初始化設定並記錄該第一運動姿態數據、該第二運動姿態數據、該步態階段及該脈波的一強度、一頻率及一脈波寬度。
5. 如申請專利範圍第1項所述的自適應於即時步態之穿戴式電刺激控制系統，其中該第一慣性感測器及該第二慣性感測器各包括一加速度計及一陀螺儀。
6. 一種自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制方法，適用於一垂足患者，包括：藉由設置於一小腿的一第一慣性感測器來感測該小腿的一第一運動姿態數據；藉由設置於一足部的一第二慣性感測器來感測該足部的一第二運動姿態數據；藉由一微控制器接收該第一運動姿態數據及該第二運動姿態數據，根據該第一運動姿態數據及該第二運動姿態數據即時分析一步態階段，並在該步態階段中根據即時回饋的該第一運動姿態數據及該第二運動姿態數據以一閉環回饋控制法即時計算一刺激參數，並輸出包括該刺激參數的一控制指令；以及藉由一電刺激器根據該控制指令輸出一脈波以刺激該小腿。
7. 如申請專利範圍第6項所述的自適應於即時步態之穿戴式電刺激控制方法，其中該微控制器根據該第一運動姿態數據計算一小腿角度並根據該第二運動姿態數據計算一足部角度，且該閉環回饋控制方法根據該小腿角度、該足部角度及該步態階段計算該刺激參數。
8. 如申請專利範圍第7項所述的自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制方法，其中該步態階段包括一支撐期及一擺動期，該擺動期包括一擺動前期、一擺動初期、一擺動中期及一擺動後期。
9. 如申請專利範圍第6項所述的自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制方法，更包括藉由一圖形使用者介面提供該電刺激器的一初始化設定並記錄該第一運動姿態數據、該第二運動姿態數據、該步態階段及該脈波的一強度、一頻率及一脈波寬度。
10. 如申請專利範圍第6項所述的自適應於即時步態之穿戴式垂足電刺激控制方法，其中該第一慣性感測器及該第二慣性感測器各包括一加速度計及一陀螺儀。