TWI774500B - 智慧型關節護具及其監控系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種智慧型穿戴式關節護具及其監控系統，其整合慣性感測元件、肌電感測元件、人體計測資料、使用者輸入資訊，及人工智慧演算法，可精確量測關節活動角度、對應肌肉活化性，並預估三維關節作用力及扭力值；可即時提供量測關節肢段的運動學及運動力學，用於日常運動的傷害防治及關節術後之復健處方監測。

Description

智慧型關節護具及其監控系統

本發明關於一種關節護具，特別是關於一種可即時監控的智慧型關節護具及其監控系統。

關節韌帶提供肢體關節的穩定度，防止相連肢段過度運動時骨骼肌肉的傷害，提供人體動態姿勢的穩定度。當人們承受外力衝擊時，容易發生韌帶斷裂，例如運動中的激烈跳躍、急停動作都會增加十字韌帶的負擔。大約三分之一的人在受傷的時候會感覺到“波”的聲音。由於疼痛或關節不穩定，通常無法繼續運動，且關節會越來越痛，這是由於關節內出血腫脹的緣故，而二十四小時內會達到最高點。當腫脹逐漸消除時，病患暫時運動時不會感覺有困難；若此種狀況不予治療，再從事劇烈運動就可能造成反復膝關節不穩定。而長期的、慢性的不穩定則會造成關節軟骨與半月軟骨的磨損，最後導致關節的提早退化。回溯性的調查顯示青少年十字韌帶斷裂發生率約2.3%，但若沒做好防護及復建，再次發生斷裂的機率高達六倍以上。

另隨著人口老化趨勢的發展，患有退化性關節炎的老年患者數量急劇增加。2017年全球超過3億例髖關節和膝關節骨關節炎病例，在高收入國家婦女患者較男性高。在美國約有12%的成年人患有膝骨關節炎(Knee OA)；自2000年~2017，美國每年的全膝關節置換率增加一倍年長率143%，全 膝關節置換術約90萬次，醫療費用約為102億美元。膝骨關節炎患者術後通常有本體感覺知覺和平衡功能受損，導致步行或上下樓梯、跨越障礙物的不穩定性，進而跌倒。

一般關節護具(articular joint brace/orthosis)常用於運動傷害防治及/或關節重建術後保護與增強患處支撐減少疼痛。護具因關節傷害病症有不同的型式，然多以支撐患側、限制關節運動角度(range of motion)為主，對使用者之使用狀況及復健成效無法進行評估，屬被動照護。大多數韌帶撕裂或肌肉傷害如扭傷、橫紋肌溶解等的運動傷害以運動員居多，對於傷害前的防護與傷害後的長期評估更為重要。而中老年人之關節置換術後居家日常復健步行運動更攸關恢復日常生活進程。

本發明提供一種智慧型關節護具，包含：一固定部，用於將該關節護具固定於使用者之一關節；二慣性感測元件，分別設置於該固定部之一第一位置及一第二位置並根據該關節之運動輸出一慣性訊號，該第一位置位於該關節之近端肢段，該第二位置位於該關節之遠端肢段；以及一微處理器，接收該慣性訊號並以數學公式計算關節活動角度及加速度，搭配一人體計測統計資料、一使用者資料以計算出一關節即時受力值，再將該關節即時受力值與一受力基準值進行比較，以判定是否發出一提醒訊號。

本發明還提供一種智慧型關節護具監控系統，包含：一智慧型關節護具，包含：一固定部，用於將該智慧型關節護具固定於使用者之一關節；二慣性感測元件，分別設置於該固定部之一第一位置及一第二位置並根據該關節之運動輸出一慣性訊號，該第一位置位於該關節之近端肢段，該第二位 置位於該關節之遠端肢段；以及一微處理器，接收該慣性訊號並以數學公式計算關節活動角度及加速度，使用者在擺動肢段至設定閥值即自動啟動監測系統，另該慣性訊號搭配一人體計測統計資料、一使用者資料，以計算出一該關節即時受力值，再將該關節即時受力值與一受力基準值進行比較，以判定是否發出一提醒訊號；以及一遠端應用單元，運作在一移動裝置中，包含：一輸入模組供該使用者輸入該使用者資料；一顯示模組供該使用者查看該慣性訊號及該關節即時受力值之歷史紀錄；以及一傳輸模組，用以與該智慧型關節護具無線連接並互相交換資料；以及一遠端伺服器，與該遠端應用單元無線連接，並用以儲存該人體計測統計資料、該使用者資料、該慣性訊號及該歷史紀錄。

於某些具體實施例中，智慧型關節護具與其監控系統進一步包含二肌電感測元件，分別設置於該固定部內側之一第三位置及一第四位置使其可量測該關節之重要控制肌肉並分別輸出一肌電訊號，該微處理器接收該肌電訊號並計算單位時間之該肌電訊號之快速傅立葉轉換之頻率中位數及對應之平均振幅均方根到一肌力標準值一預定範圍以下時，發出該提醒訊號。

於某些具體實施例中，該微處理器計算該關節即時受力值之步驟包含：使用該人體計測統計資料及該使用者資料計算出該遠端肢段及該近端肢段之一質心位置、一肢段質量及一肢段長度以取得該些慣性感測元件之轉動慣量；藉由該些慣性感測元件之轉動慣量及該些慣性訊號之角加速度資訊以分別取得該關節之關節扭力；以及使用該些關節扭力及該第一位置與該第二位置至該關節軸心距離取得該關節即時受力值。

於某些具體實施例中，該慣性感測元件為加速規時，該微處理器由該慣性訊號之加速度資訊計算出該關節活動角度。

於某些具體實施例中，該慣性感測元件包含加速規及陀螺儀時，該微處理器進一步計算該關節活動角度之步驟包含：將二該慣性感測元件所輸出之二該慣性訊號分別各自轉換為一四元素資訊，該四元素資訊轉換為尤拉角資訊，依照定義之旋轉順序得到一旋轉矩陣；再將二該慣性元件得到的二該旋轉矩陣計算出一轉換矩陣；以及將該轉換矩陣使用反三角函數求得該關節活動角度。

於某些具體實施例中，該微處理器進一步：輸入該關節即時受力值、肌電訊號或關節活動角度至一人工智慧網路模型內以得到一經正規化數值；使用該經正規化數值進行卷積層的轉換以提取一特徵矩陣；透過池化層取得該特徵矩陣之最大值並去除雜訊；藉由平坦層將該特徵矩陣拉平以得到一維度轉換特徵；以及將該維度轉換特徵輸入到全連接層以得到一經調整之該關節即時受力值、該肌電訊號或/及該關節活動角度。

於某些具體實施例中，智慧型關節護具與其監控系統進一步包含一警示元件，該提醒訊號觸發該警示元件，或該遠端應用單元進一步包含一警示模組，用以在接收該提醒訊號時以聲音或訊息提醒該使用者。該智慧型關節護具監控系統進一步包含：一系統自動啟動元件，當該慣性訊號大於一設定閥值時則自動連結遠端應用單元啟動該監測系統。

於某些具體實施例中，該慣性感測元件進一步包含一磁力計及/或一溫度計及/或一氣壓高度計，用以校正該線性加速度及角加速度資訊及該積分後關節活動角度。

本發明所提供之智慧型關節護具與其監控系統可以藉由關節角度資料、與肌電訊號有關的肌肉張力資料及關節扭力資料量化關節活動狀況、 即時偵測可能受傷時機及復健恢復狀況，在超出關節或肌力負荷時提出警告，或是提供後續復健訓練處方之建立與評估，適當的復健規畫可以減少84%的再次受傷風險。

除非另有定義，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬領域中的技術人員所通常理解相同的含義。

如本文所用，冠詞「一」、「一個」以及「任何」是指一個或多於一個(即至少一個)的物品的文法物品。例如，「一個元件」意指一個元件或於一個元件。

本文所使用的「約」、「大約」或「近乎」一詞實質上代表所述之數值或範圍位於20%以內，較佳為於10%以內，以及更佳者為於5%以內。於文所提供之數字化的量為近似值，意旨若術語「約」、「大約」或「近乎」沒有被使用時亦可被推得。

10:關節護具

11:固定部

12:肌電感測元件

121:肌電感測元件

122:肌電感測元件

13:慣性感測元件

131:慣性感測元件

132:慣性感測元件

14:無線傳輸單元

15:微處理器

16:警示元件

20:智慧型關節護具監控系統

21:遠端應用單元

211:輸入模組

212:顯示模組

213:傳輸模組

214:警示模組

22:遠端伺服器

A:位置

B:位置

C:位置

D:位置

E:位置

F:位置

G:位置

H:位置

第1A,1B圖為本發明實施例之智慧型關節護具之整體示意圖。

第2圖為本發明實施例之智慧型關節護具之系統方塊圖。

第3圖為本發明實施例之關節即時受力值之估算流程圖。

第4圖為本發明實施例之智慧型關節護具監控系統之系統方塊圖。

有關於本發明其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

如第1A圖、第1B圖及第2圖所示，本發明提供一種穿戴式的智慧型關節護具10，包含：一固定部11，用於將關節護具10固定於使用者一肢體之一關節；二慣性感測元件13，設置於固定部11之一第一位置及一第二位置並根據關節之運動輸出一慣性訊號，第一位置位於關節之近端肢段，第二位置位於關節之遠端肢段；一微處理器15，接收慣性訊號，並以數學公式計算活動角度及加速度，使用者在擺動肢段至設定閥值即自動啟動監測系統，慣性訊號另搭配一人體計測統計資料、一使用者資料以計算出一關節即時受力值，再將關節即時受力值與一受力基準值進行比較，以判定是否發出一提醒訊號。

在一實施例中，固定部11可以為常見依個人肢段圍度的關節護套，將護具整體固定於使用者之關節，讓各個元件位於關節周遭之固定的位置以確保量測的準確度，關節可以是肘關節、腕關節、膝關節、踝關節等。

在膝關節護具的實施例中，固定部11可以為髕骨處無開口的關節護套(圖1A)或開口的關節護套(圖1B)，前方開口的設計可協助髕骨緩衝膝關節所承受的壓力，對膝蓋受傷或慢性關節不適者可協助分擔過多的受力以降低受傷的機率。護套的膝圍大小可以分成S(28-34公分)、M(34-38公分)、L(38-45公分)、XL(大於45公分)等尺寸，而其相對應的長度大約在26-30公分不等，以不影響股四頭肌與腓腸肌的運動為基準。此外，固定部11亦可以是常見的髕骨帶。

慣性感測元件13至少有一對(131,132)，分別設置在固定部11之第一位置及第二位置，第一位置位於關節之近端肢段，第二位置位於關節之遠 端肢段。以膝關節為例，第一位置在膝蓋上方之大腿肢段，例如位置A、B或G，第二位置在膝蓋下方之小腿肢段，例如位置C、D或H。在一具體實施例中，慣性感測元件131亦可以與一肌電感測元件12設計嵌入在一起以減化組裝成本。

在一具體實施例中，慣性感測元件13可以包含加速規。加速規輸出之慣性訊號為藉由其內部質量系統受到關節運動時力的位移變化所計算出之加速度資訊，為呈現三個維度(x,y,z)的加速度數值。在另一具體實施例中，慣性感測元件13可以包含加速規與陀螺儀，其慣性訊號可以為三個維度的加速度資訊與角速度資訊，共六個數值。在其他具體實施例中，慣性感測元件13更可以進一步包含磁力計及/或溫度計及/或氣壓高度計，其慣性訊號則進一步包含三個維度的磁力資訊及/或一個維度的溫度資訊及/或一個維度的高度參考資訊，磁力資訊、溫度資訊及高度參考資訊可以用來校正線性加速度資訊、角加速度及積分後關節活動角度以增加準確度。

微處理器15與慣性感測元件13和肌電感測元件12電性及/或電訊連接以接收慣性訊號及肌電訊號。微處理器15可以與慣性感測元件13及/或肌電感測元件12設計組裝在一起，亦可以搭載一記憶體，或是包含一無線傳輸單元14以與外界的系統相連。

搭載的記憶體中可以儲存人體計測統計資料及使用者資料。使用者資料包含使用者的身高、體重，進一步可以包含年齡、人種等基礎資料。人體計測統計資料則使用人體測計學依照不同人種、年齡提供身體部位之長度比例、尺寸比例與重量比例。例如大腿跟小腿的比例約1：1，肚臍上下的身長比例約49：51，肢段近端部約38%~42%的肢段總長度佔了整個肢段的一半質量。 大腿肢段長約身高的0.245倍，小腿肢段長約身高的0.246倍。前臂肢段長約身高的0.146倍，上臂肢段長約身高的0.186倍。

請搭配參照第3圖，微處理器15計算關節即時受力值的步驟包含：使用人體計測統計資料及使用者資料計算出該遠端肢段及該近端肢段之一質心位置、一肢段質量及一肢段長度以取得該些慣性感測元件之轉動慣量(步驟S10)；藉由該些慣性感測元件之轉動慣量及該些慣性訊號之角加速度資訊以分別取得關節之關節扭力(步驟S20)；以及使用該些關節扭力及該第一位置與該第二位置至關節軸心距離取得關節即時受力值(步驟S30)。

在一具體實施例中，微處理器15依照使用者資料中之年齡、人種資料取得在人體計測統計資料(例如表一)中關節肢段的身體部位比例，搭配使用者之身高、體重資料可以計算出關節肢段之質量中心位置(質心位置)到關節中心的力臂r(公式1)與肢段質量m(公式2)，進一步分別求出兩個關節肢段質心位置的轉動慣量(公式3)作為慣性感測元件13之轉動慣量。在另一較佳實施方式中，亦可進一步利用平行軸原理、關節肢段質心位置與感測元件13之距離，計算兩個慣性感測元件13處的轉動慣量I(公式4及5)。接著，由慣性訊號取得角加速度α，並利用轉動慣量I可估算出關節扭力τ(公式6及7)。角加速度α可以計 算單位時間之角速度變化取得或是陀螺儀輸出的三軸線加速度。關節扭力τ是肢段繞著關節轉動的趨向，利用關節圍度資料(膝圍大小)可以取得關節軸心到慣性感測元件13位置的距離d，以公式τ=d x F反推關節即時受力值(公式6-7)。以膝關節為例，重要肌肉可以用股四頭肌作基準，關節受力值F _膝關節 為近端肢段的受力值F _大腿 與遠端肢段的受力值F _小腿 總和(公式8)。

大腿肢段長x 0.567=r _大腿 、小腿肢段長x 0.606=r _小腿 (公式1)

使用者體重x 0.100=m _大腿 、使用者體重x 0.061=m _小腿 (公式2)

I _大腿 =m _大腿 x r _大腿 ²、I _小腿 =m _小腿 x r _小腿 ² (公式3)

I ₁₃₁=I _大腿 或I ₁₃₁=I _大腿 +m _大腿 x r _大腿-131 ² (公式4)

I ₁₃₂=I _小腿 或I ₁₃₂=I _小腿 +m _小腿 x r _小腿-132 ² (公式5)

τ _大腿 =I ₁₃₁ x a _大腿 、τ _小腿 =I ₁₃₂ x a _小腿 (公式6)

τ _大腿 =d x F _大腿 、τ _小腿 =d x F _小腿 (公式7)

F _膝關節 =F _大腿 +F _小腿 (公式8)

其中，r _大腿 為大腿質心位置到膝關節中心的力臂，r _小腿 為小腿質心位置到膝關節中心的力臂，m _大腿 為大腿質量，m _小腿 為小腿質量，I _大腿 為大腿質心位置之轉動慣量，I _小腿 為小腿質心位置之轉動慣量，I ₁₃₁為第一位置之慣性感測元件131之轉動慣量，I ₁₃₂為第二位置之慣性感測元件132之轉動慣量，r _大腿-131為大腿到第一位置之距離，r _小腿-132為小腿到第二位置之距離，a _大腿 為第一位置之慣性感測元件131之角加速度，a _小腿 為第二位置之慣性感測元件132之角加速度，τ _大腿 為大腿對於膝關節的關節扭力，τ _小腿 為小腿對膝關節的關節扭力，d是遠端支點切線距，也就是該支段與遠端終點之力臂值，以本實施例來說膝關節軸心到慣性感測元件設置位置 的距離，F _大腿 是關節即時受力值之大腿部分，F _小腿 是關節即時受力值之小腿部分，F _膝關節 是所要求的膝關節即時受力值。

以膝關節為例，許多退化性關節炎患者並非肌力出問題，而是關節重複受力過高，久而久之破壞了膝關節軟骨，為了在關節即時受力值過高時提醒使用者，因此微處理器15可以將關節即時受力值與一受力基準值比較，在關節即時受力值超過該受力基準值時，發出一提醒訊號。上述受力基準值可以是由醫學上統計得來之平均值，或是使用者自身的資料上限值。在一較佳之實施例中，受力基準值可以定義為利用人體計測統計資料、使用者資料及使用者初始運動時的慣性訊號計算而得的關節即時受力值，取其最大值之倍數，該倍數可以為1.2倍、1.3倍、1.4倍、1.5倍、1.6倍、1.7倍、1.8倍、1.9倍或2倍。

智慧型關節護具10可以進一步包含至少一肌電感測元件12，更佳為兩個肌電感測元件(121,122)，其設置在固定部11內側可以方便接觸皮膚的位置，以量測表面肌肉電位訊號，並輸出該肌電訊號。常見的為肌電圖儀，取樣率大約1000Hz，可以依照設計者的需求設定在500Hz~1000Hz之間。由於表面肌肉電位訊號較容易有雜訊，因此可以依照元件的性質在固定部11內側縫上導電布、導電絲或電極，或者可以設置簡單的氣囊確保元件與皮膚的接觸良好以提高測量品質。

同時參考第1A圖及第1B圖，同時，肌電感測元件12可以設置在關節之重要控制肌肉處。以膝關節為例，第三位置可以設置在股直肌或股內斜肌處(例如位置E、G)、股外斜肌及第四位置可置於內側腓腸肌處(例如位置F)、外側腓腸肌處(例如位置H)以量測並輸出肌肉活化時之肌電訊號。以肘關節為例，可以設置在肱二頭肌及肱撓肌處以量測並輸出其肌電訊號。

由於中位肌電頻率值及其相對應+N ms(N：100~200)之平均振幅值均方根(Root Mean Square,RMS)，或對應振幅與中位頻率乘積值可用於評估肌肉施力的強度。肌肉越用力時，肌電訊號的中位頻率值及平均振幅之方均根大。肌肉疲勞初期，因會有較大的肌電強度代償，以維持肌肉力量的表現，因此方均根會暫時增大，但到了疲勞的極限，肌電訊號受到抑制，肌電訊號中位頻率及對應平均振幅之方均根值隨著疲勞的發生而變小。因此，微處理器15由使用者依運動暖身或耐力訓練時肢段肌肉的動態等速收縮而得一肌電訊號之中位頻率及對應方均根值之相對肌力標準值。例如，使用者於每次運動起始時依行動裝置之遠端應用單元指導，就其綁定關節護具之肢段作一最大自主肌肉運動並記錄其60秒肌電訊號之快速傅立葉轉換之頻率中位數及對應之振幅值均方根為使用者之一肌力標準值。

微處理器15大約每300秒接收肌電訊號一次，每次約持續30秒，上述接收及紀錄間隔可依使用者需求進行設定。微處理器15持續計算30秒肌電訊號區間之快速傅立葉轉換之頻率中位數及相對應前後200毫秒(ms)之平均振幅值均方根。當肌電訊號中位頻率及振幅RMS同時降到運動起始所量測肌力標準值之60%以下時，給予提醒訊號告知肌肉已疲勞。可以依照不同使用者或患者的狀況設定不同的提醒標準，亦可以在肌力標準值之50%、52%、54%、56%、58%、62%、64%、66%、68%或70%之設定間距以下時給予提醒訊號。當肌力維持低下時間超過一定時間，給予提醒訊號告知須減緩運動，以避免運動傷害。計算肌肉疲勞方法除了均方根(RMS)，亦可以頻譜分析每單位時間區段之瞬時，平均和中位頻率，移動方均根(moving Root Mean Square,MRMS)計算出肌電線性分封包電位值(mRMS amplitude of linear envelop)，主軸分量分析 (principal component analysis)或小波和神經網絡分類SEMG具有等長肌肉收縮狀態，本創作可採用上述任一計算方法。

微處理器15接收慣性訊號並可用以計算關節活動角度。當慣性感測元件13包含加速規與陀螺儀時，微處理器15計算關節活動角度之步驟包含：將二該慣性感測元件(131,132)所輸出之二該慣性訊號分別各自轉換為一四元素資訊，該四元素資訊轉換為尤拉角資訊，依照定義之旋轉順序得到一旋轉矩陣；再將二該慣性元件(131,132)得到的二該旋轉矩陣計算出一轉換矩陣；以及將該轉換矩陣使用反三角函數求得該關節活動角度。四元素在進一步轉換為尤拉角時可以定義出12種旋轉順序排列組合：XYX、XYZ、XZX、XZY、YXY、YXZ、YZX、YZY、ZXY、ZXZ、ZYX、ZYZ，經多方實驗，旋轉順序YZX是最接近真實狀況而能得到較佳效果，故作為本實施例範例，但本發明不限於此旋轉順序。

首先，將加速規與陀螺儀所輸出之慣性訊號(包含加速度資料及角速度資料)轉換為四元素資訊。透過程式將該四元素資訊轉換為尤拉角資訊並定義其旋轉順序為YZX以得到三個平面的座標轉換矩陣，其相對應的角度

、

為側翻角(roll angle)、θ ₁、θ ₂為仰角(pitch angle)以及ψ ₁、ψ ₂為指向角(yaw angle)(公式(1)-(3))，其中

、θ ₁和ψ ₁為近端肢段(s)得出的尤拉角；

、θ ₂和ψ ₂為遠端肢段(h)得出的尤拉角。將近端肢段與遠端肢段得出的三個平面的座標轉換矩陣分別代入空間轉換座標公式(公式(4)-(5))得到旋轉矩陣R _s 和R _h ，其分別代表近端肢段上慣性感測元件131及遠端肢段上慣性感測元件132的座標。經由近段肢段(s)相對於遠端肢段(h)之兩個旋轉矩陣R _s 和R _h 得到轉換矩陣T(公式6)，最後用反三角函數求得該關節角度(公式7)。

θ_z1=asin(r₁₀)、θ_y1=atan2(-r₂₀,r₀₀)、θ_x1=atan2(-r₁₂,r₁₁) 公式(7)

微處理器15進一步將上述計算結果輸入到人工智慧神經網路模型內，以預估實際人體活動之狀態。人工智慧網路模型處理步驟包含：輸入關節即時受力值、肌電訊號或關節活動角度至一人工智慧網路模型，並結合使用者輸入資料可即時顯示關節活動角度、關節肌電訊號、及即時關節受力值。並將原始數值進行正規化得一經正規化數值以減少模型發生過度擬合的現象；使用該經正規化數值進行卷積層的轉換以提取一特徵矩陣；透過池化層取得該特徵矩陣的最大值並去除雜訊；藉由平坦層將該特徵矩陣拉平以得到一維度轉換特徵；最後將該維度轉換特徵輸入到全連接層通過調整權重及偏差以得到最終 符合人體實際活動之狀態之經調整的該關節即時受力值、該肌電訊號及該關節活動角度。

人工神經網路模型輸入上述計算結果後，藉由線性整流函數f(x)=max(0,x)做為激勵函數，以防止當數據過大時造成的梯度消失的問題。

如第4圖所示，在行動式的智慧型關節護具監控系統20中，智慧型關節護具10透過一無線傳輸單元14與遠端應用單元21無線連接以提供使用者更多功能的輔助。遠端應用單元21包含輸入模組211、顯示模組212及傳輸模組213。遠端應用單元21係運作在移動裝置中，移動裝置可以為手機、平板、筆電、移動護理站等電子裝置。

在一具體實施例中，當智慧型關節護具10之微處理器15接收到的慣性訊號超過一固定值時，就啟動連接遠端應用單元21的步驟，亦可以直接將運動的原始資料持續傳給連接遠端應用單元21。上述固定值可以為使用者穿戴智慧型關節護具10移動時輸出的加速度資訊之平均數值。

第一次使用時，使用者可由輸入模組211輸入使用者資料、肌電訊號接收及記錄間隔，並藉由傳輸模組213與無線傳輸單元14相連，提供資訊傳遞功能，以將使用者資料提供微處理器15使用。顯示模組212則可以將所有歷史資料調出並查看肌電訊號、慣性訊號、關節活動角度、關節即時受力值、關節扭力等資料，亦可以打開不同視窗進行不同歷史資料間的比對，可供使用者或復建專業人員了解使用者的復原狀況或是肌力狀況。

傳輸模組213與智慧型關節護具10無線連接並互相交換資料，包括將使用者資料、人體計測統計資料傳輸至智慧型關節護具10或是接收智慧型關節護具10測得或計算出來的資料，包括肌電訊號、慣性訊號、關節活動角 度、關節即時受力值、關節扭力等資料。傳輸模組213與遠端伺服器22無線連接使遠端應用單元21能與遠端伺服器22互相交換資料，不論是人體計測統計資料、肌電訊號及慣性訊號的原始資料或是處理過的結果，甚至是醫學上的診斷資料亦可以經由傳輸模組213傳輸到遠端伺服器22中並加以儲存，以供遠端應用單元21隨時提取。

請同時參考第2圖及第4圖，在一實施例中，智慧型關節護具10可以進一步包含一警示元件16，例如燈光單元或聲音單元，微處理器發出提醒訊號時可以觸發警示元件16，用來提醒使用者避免過度運動。在另一實施例中，亦可由遠端應用單元21進一步包含一警示模組214，用以在接收到提醒訊號時以聲音或訊息提醒使用者，避免過度運動。在另一實施例中，智慧型關節護具之微處理器15還其進一步包含：一自動啟動元件，當該慣性訊號大於一設定閥值時則自動透過無線傳輸單元14連結遠端應用單元21啟動該監測系統。

10:關節護具

12:肌電感測元件

121:肌電感測元件

122:肌電感測元件

13:慣性感測元件

131:慣性感測元件

132:慣性感測元件

15:微處理器

16:警示元件

Claims (14)

1. 一種智慧型關節護具，包含：一固定部，用於將該關節護具固定於使用者之一關節；二慣性感測元件，分別設置於該固定部之一第一位置及一第二位置並根據該關節之運動輸出一慣性訊號，該第一位置位於該關節之近端肢段，該第二位置位於該關節之遠端肢段；以及一微處理器，接收該慣性訊號，搭配一人體計測統計資料、一使用者資料以計算出一關節即時受力值，再將該關節即時受力值與一受力基準值進行比較，以判定是否發出一提醒訊號；其中該微處理器計算該關節即時受力值之步驟包含：使用該人體計測統計資料及該使用者資料計算出該遠端肢段及該近端肢段之一質心位置、一肢段質量及一肢段長度以取得該些慣性感測元件之轉動慣量；藉由該些慣性感測元件之轉動慣量及該些慣性訊號之角加速度資訊以分別取得該關節之關節扭力；以及使用該些關節扭力及該第一位置與該第二位置至該關節軸心距離取得該關節即時受力值。
2. 如請求項1所述之智慧型關節護具，其進一步包含二肌電感測元件，分別設置於該固定部內側之一第三位置及一第四位置使其可量測該關節之重要控制肌肉並分別輸出一肌電訊號，該微處理器接收該肌電訊號並計算單位時間之該肌電訊號之快速傅立葉轉換之頻率中位數及對應之平均振幅均方根到一肌力標準值一預定範圍以下時，發出另一提醒訊號。
3. 如請求項1所述之智慧型關節護具，其中該慣性感測元件為加速規時，該微處理器由該慣性訊號之加速度資訊計算出該關節活動角度。
4. 如請求項1所述之智慧型關節護具，其中該慣性感測元件包含加速規及陀螺儀時，該微處理器進一步計算該關節活動角度之步驟包含：將二該慣性感測元件所輸出之二該慣性訊號分別各自轉換為一四元素資訊，該四元素資訊轉換為尤拉角資訊，依照定義之旋轉順序得到一旋轉矩陣；再將二該慣性元件得到的二該旋轉矩陣計算出一轉換矩陣；以及將該轉換矩陣使用反三角函數求得該關節活動角度。
5. 如請求項1至4中之任一項所述之智慧型關節護具，其中該微處理器進一步：輸入該關節即時受力值、肌電訊號或關節活動角度至一人工智慧網路模型內以得到一經正規化數值；使用該經正規化數值進行卷積層的轉換以提取一特徵矩陣；透過池化層取得該特徵矩陣之最大值並去除雜訊；藉由平坦層將該特徵矩陣拉平以得到一維度轉換特徵；以及將該維度轉換特徵輸入到全連接層以得到一經調整之該關節即時受力值、該肌電訊號或該關節活動角度。
6. 如請求項1至4中之任一項所述之智慧型關節護具，其進一步包含一警示元件，該提醒訊號觸發該警示元件。
7. 如請求項1至4中之任一項所述之智慧型關節護具，其中該慣性感測元件進一步包含一磁力計及/或一溫度計及/或氣壓高度計，用以校正該加速度資訊。
8. 一種智慧型關節護具監控系統，包含：一智慧型關節護具，包含： 一固定部，用於將該智慧型關節護具固定於使用者之一關節；二慣性感測元件，分別設置於該固定部之一第一位置及一第二位置並根據該關節之運動輸出一慣性訊號，該第一位置位於該關節之近端肢段，該第二位置位於該關節之遠端肢段；以及一微處理器，接收該慣性訊號，搭配一人體計測統計資料、一使用者資料以計算出一關節即時受力值，再將該關節即時受力值與一受力基準值進行比較，以判定是否發出一提醒訊號，其中該微處理器計算該關節即時受力值之步驟包含：使用該人體計測統計資料及該使用者資料計算出該遠端肢段及該近端肢段之一質心位置、一肢段質量及一肢段長度以取得該些慣性感測元件之轉動慣量；藉由該些慣性感測元件之轉動慣量及該些慣性訊號之角加速度資訊以分別取得該關節之關節扭力；以及使用該些關節扭力及該第一位置與該第二位置至該關節軸心距離取得該關節即時受力值；以及一遠端應用單元，運作在一移動裝置中，包含：一輸入模組供該使用者輸入該使用者資料；一顯示模組供該使用者查看該慣性訊號及該關節即時受力值之歷史紀錄；以及一傳輸模組，用以與該智慧型關節護具無線連接並互相交換資料；以及一遠端伺服器，與該遠端應用單元無線連接，並用以儲存該人體計測統計資料、該使用者資料、該慣性訊號及該歷史紀錄。
9. 如請求項8所述之智慧型關節護具監控系統，其進一步包含二肌電感測元件，分別設置於該固定部內側之一第三位置及一第四位置使其可量 測該關節之重要控制肌肉並分別輸出一肌電訊號，該微處理器接收該肌電訊號並計算單位時間之該肌電訊號之快速傅立葉轉換之頻率中位數及對應之平均振幅均方根到一肌力標準值一預定範圍以下時，發出另一提醒訊號。
10. 如請求項8所述之智慧型關節護具監控系統，其中該慣性感測元件為加速規時，該微處理器由該慣性訊號之加速度資訊計算出該關節運動角度。
11. 如請求項8所述之智慧型關節護具監控系統，其中該慣性感測元件包含加速規及陀螺儀時，該微處理器進一步計算該關節活動角度之步驟包含：將二該慣性感測元件所輸出之二該慣性訊號分別各自轉換為一四元素資訊，該四元素資訊轉換為尤拉角資訊，依照定義之旋轉順序得到一旋轉矩陣；再將二該慣性元件得到的二該旋轉矩陣計算出一轉換矩陣；以及將該轉換矩陣使用反三角函數求得該關節活動角度。
12. 如請求項8至11中之任一項所述之智慧型關節護具監控系統，其中該微處理器進一步：輸入該關節即時受力值、肌電訊號或關節活動角度至一人工智慧網路模型內以得到一經正規化數值；使用該經正規化數值進行卷積層的轉換以提取一特徵矩陣；透過池化層取得該特徵矩陣之最大值並去除雜訊；藉由平坦層將該特徵矩陣拉平以得到一維度轉換特徵；以及將該維度轉換特徵輸入到全連接層以得到一經調整之該關節即時受力值、該肌電訊號及該關節活動角度。
13. 如請求項8至11中之任一項所述之智慧型關節護具監控系統，其關節護具進一步包含：一系統自動啟動元件，當該慣性訊號大於一設定閥值時則自動連結遠端應用單元啟動該監測系統；以及一警示元件，該提醒訊號觸發該警示元件，或該遠端應用單元進一步包含一警示模組，用以在接收該提醒訊號時以聲音或訊息提醒該使用者。
14. 如請求項8至11中之任一項所述之智慧型關節護具監控系統，其中該慣性感測元件進一步包含一磁力計及/或一溫度計及/或一氣壓高度計，用以校正該加速度資訊。

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