步态分析方法及步态分析系统的制作方法
【专利摘要】本申请涉及一种步态分析方法及步态分析系统。一种步态分析方法由步态分析系统实施，步态分析系统包括感测单元、处理单元以及储存单元，处理单元分别与感测单元及储存单元电性连接，储存单元储存复数运算程序，步态分析方法包括：由感测单元感测步态并输出感测信号，其中步态周期包含站立期、推蹬期、摆动期及触地期；由处理单元依据感测信号得到向量振幅信号及振幅累积信号；依据向量振幅信号、振幅累积信号辨识站立期、推蹬期、摆动期及触地期，推蹬期、摆动期及触地期依据动态阈值来决定；以及依据站立期、推蹬期、摆动期及触地期对步态进行分类。本发明还公开一种步态分析系统。
【专利说明】步态分析方法及步态分析系统
【技术领域】[0001]本发明涉及一种步态分析方法及步态分析系统。
【背景技术】
[0002]一般而言，神经病变与骨骼肌肉系统的疾病都会造成行走的问题，从临床的角度来看，疾病的状态改变了肌肉、骨骼及神经，乃至于关节的协调平衡及互动，因而影响了步态(gait),而步态分析(gait analysis)可以抽丝剥苗帮我们分解出来，因此，在骨科学，复健学及神经学的领域里，应用步态分析来解决临床问题的研究正如雨后春笋地发展了起来。
[0003]步态分析主要目的为提供医师详细的评估信息，以厘清受试者本身神经肌肉骨骼系统的症结，经由这些评估结果，医师可拟定最佳的治疗计划，以规划手术、复健或穿戴辅具的方式对患者进行治疗。另外，治疗后的步态分析也可协助确认治疗效果以及供医师提出进一步的改善方案。以骨科治疗为例，步态分析可以作为骨科疾病治疗前后的侦测及评估；以复健治疗为例，步态分析可以作为治疗诊断、评估及恢复状态衡量的参考。在义肢装设上，步态分析也可作为协助设计，测试及义肢或辅具适应优劣的协助，而在神经学上，步态分析也可以用来测量特殊肢体活动来分析巴金森症的特性及治疗效果的追踪。
[0004]此外，在预防医学与流行病学方面，我们知道“跌倒”已成为威胁老年人的第三大危险因子，借助步态分析，也可找出导致跌倒的危险因素，通过早期排除这些容易跌倒的危险因素，再给予老年人适当的卫教、训练，以作为日常生活上的调适，或者再配予步行辅助器械，或由旁人特别照料，将可大幅降低老年人因跌倒所致的伤害，进而大幅度地降低家庭及社会的负担。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种步态分析方法及步态分析系统，可将受试者的步态进行分析及辨识，进而根据分析及辨识结果供医师提供给受试者有关医疗及健康方面的建议。
[0006]为达上述目的，依据本发明的一种步态分析方法，由步态分析系统实施，步态分析系统包括感测单元、处理单元以及储存单元，处理单元分别与感测单元及储存单元电性连接，储存单元储存复数运算程序，步态分析方法包括:由感测单元感测步态并输出感测信号，其中步态周期包含站立期、推蹬期、摆动期及触地期；由处理单元依据感测信号得到向量振幅信号及振幅累积信号；依据向量振幅信号、振幅累积信号辨识站立期、推蹬期、摆动期及触地期，其中推蹬期、摆动期及触地期依据动态阈值来决定；以及依据站立期、推蹬期、摆动期及触地期对步态进行分类。
[0007]为达上述目的，依据本发明的一种步态分析系统包括感测单元、储存单元以及处理单元。感测单元感测步态并输出感测信号，其中步态周期包含站立期、推蹬期、摆动期及触地期。储存单元储存复数运算程序。处理单元分别与感测单元及储存单元电性连接，处理单元依据感测信号得到向量振幅信号及振幅累积信号，并依据向量振幅信号、振幅累积信号辨识站立期、推蹬期、摆动期及触地期，以对步态进行分类，推蹬期、摆动期及触地期依据动态阈值来决定。
[0008]在一个实施例中，处理单元通过向量振幅运算程序的运算而得到向量振幅信号，并通过振幅累积运算程序的运算而得到振幅累积信号。
[0009]在一个实施例中，向量振幅运算程序依据感测信号的第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量进行运算，振幅累积运算程序依据向量振幅信号及第二方向分量进行运
笪
[0010]在一个实施例中，处理单元通过标准差运算程序对振幅累积信号进行运算，标准差运算程序包含由振幅累积信号中计算标准差，并依据振幅累积信号、标准差及时间阈值在振幅累积信号中辨识出站立期。
[0011]在一个实施例中，站立期的持续时间大于时间阈值。
[0012]在一个实施例中，动态阈值的初始值依据站立期而得到。
[0013]在一个实施例中，处理单元通过动态阈值运算程序的运算而得到动态阈值，动态阈值运算程序依据不同时间点的向量振幅信号来决定动态阈值。
[0014]在一个实施例中，向量振幅信号及动态阈值分别具有相同的第一时间点及第二时间点，当第二时间点的向量振幅信号的信号值大于或等于第一时间点的动态阈值时，第二时间点的动态阈值不改变。
[0015]在一个实施例中，当第二时间点的向量振幅信号的信号值小于第一时间点的动态阈值时，第二时间点的动态 阈值改变。
[0016]在一个实施例中，处理单元通过时间运算程序的运算而得到触地期、站立期、推蹬期及摆动期所占的比例。
[0017]在一个实施例中，当推蹬期加上摆动期的时间和小于或等于触地期的时间时，步态为下楼，当推蹬期的时间大于触地期的时间时，步态为上楼。
[0018]在一个实施例中，步态分析方法还包括:由处理单元依据站立期、推蹬期、摆动期及触地期计算步态的步数、步速、步长及步距。
[0019]承上所述，因本发明的步态分析方法及步态分析系统中，由感测单元感测步态并输出感测信号，并由处理单元依据感测信号得到向量振幅信号及振幅累积信号。另外，再依据向量振幅信号、振幅累积信号辨识站立期、推蹬期、摆动期及触地期，其中推蹬期、摆动期及触地期依据动态阈值来决定。此外，再依据站立期、推蹬期、摆动期及触地期步态进行分类。由此，可将受试者的步态进行分析及辨识，进而根据分析及辨识的结果供医师提供给受试者有关医疗及健康方面的建议。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1A为本发明优选实施例的一种步态分析方法的流程示意图。
[0021]图1B为步态周期的示意图。
[0022]图2为本发明优选实施例的一种步态分析系统的功能方块示意图。
[0023]图3A至图3C分别为受试者行走时的向量振幅信号的波形示意图。
[0024]图4A至图4C分别为受试者行走时的振幅累积信号的波形示意图。
[0025]图5A及图5B分别为受试者行走时的另一振幅累积信号的波形示意图。[0026]图6为步态周期的信号波形示意图。
[0027]图7A至图7C分别为受试者行走时的向量振幅信号及其对应的动态阈值的示意图。
[0028]图8为本发明的步态分类的判断流程图。
[0029]图9为本发明优选实施例的一种步态分析方法的另一流程示意图。
[0030]【符号说明】
[0031]1:步态分析系统
[0032]11:感测单元
[0033]12:处理单元
[0034]13:储存单元
[0035]DT:动态阈值
[0036]SOl ~S05:步骤
[0037]Tp:推蹬期的时间
[0038]Th:触地期的时间
[0039]Tw:摆动期的时间
[0040]TH2d:下边界
[0041]TH2u:上边界
【具体实施方式】
[0042]以下将参照相关附图，说明依据本发明优选实施例的步态分析方法及步态分析系统，其中相同的元件将以相同的参考符号加以说明。
[0043]请参照图1A、图1B及图2所示，其中，图1A为本发明优选实施例的一种步态分析方法的流程示意图，图1B为步态周期(gait cycle)的示意图,而图2为本发明优选实施例的一种步态分析系统I的功能方块示意图。
[0044]本发明的步态分析方法由步态分析系统I实施。如图2所不,步态分析系统I包括感测单元11、处理单元12以及储存单元13，处理单元12分别与感测单元11及储存单元13电性连接，且储存单元13储存复数个运算程序。另外，如图1A所示，步态分析方法包括步骤SOl至步骤S04。
[0045]首先，步骤SOl为:由感测单元11感测步态并输出感测信号，如图1B所示，其中步态周期(即一个完整步伐)包含站立期(stance phase)、推瞪期(push-off phase)、摆动期(swing phase)及触地期(heel-strike phase)。本发明的感测单元11为可穿戴式,并例如但不限于为三轴的加速度计或角速度计。在本实施例中，感测单元11以三轴的加速度计，并配戴于受试者的脚踝上为例，因此，感测信号为三方向的加速度信号(包含第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量，图中未显示)。其中，步骤SOl中所提到的步态可为一个步伐或复数个步伐，并包含至少一个完整的步态周期。
[0046]—个步态周期(即一个完整步伐)包含站立期、推蹬期、摆动期及触地期。换言之，受试者配戴感测单元11并实际行走一段离后，感测信号即为行走该段距离所得到的三方向加速度信号。在此，“行走”指的是，受试者配戴感测单元11在平地上行走，或上楼梯，或下楼梯。另外，在进行步骤S02之前，处理单元12需先对感测信号进行信号的前处理，以降低基准线飘移(baseline drift)及高频的噪声对后续步态分析的影响。
[0047]接着，执行步骤S02:由处理单元12依据感测信号得到向量振幅信号及振幅累积信号。其中，在得到向量振幅信号及振幅累积信号的步骤S02中，处理单元12先通过储存于储存单元13的向量振幅运算程序的运算而得到向量振幅信号(以下称为SVM，SignalVector Magnitude)。在此，向量振幅运算程序依据感测信号的第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量进行运算，且经由以下的方程序计算而得到向量振幅信号SVM:
[0048]
【权利要求】
1.一种步态分析方法，由步态分析系统实施，该步态分析系统包括感测单元、处理单元以及储存单元，该处理单元分别与该感测单元及该储存单元电性连接，该储存单元储存复数运算程序，该步态分析方法包括: 由该感测单元感测步态并输出感测信号，其中步态周期包含站立期、推蹬期、摆动期及触地期； 由该处理单元依据该感测信号得到向量振幅信号及振幅累积信号； 依据该向量振幅信号、该振幅累积信号辨识该站立期、该推蹬期、该摆动期及该触地期，其中该推蹬期、该摆动期及该触地期依据动态阈值来决定；以及 依据该站立期、该推蹬期、该摆动期及该触地期对该步态进行分类。
2.根据权利要求1所述的步态分析方法，其中在得到该向量振幅信号及该振幅累积信号的步骤中，该处理单元通过向量振幅运算程序的运算而得到该向量振幅信号，并通过振幅累积运算程序的运算而得到该振幅累积信号。
3.根据权利要求2所述的步态分析方法，其中该向量振幅运算程序依据该感测信号的第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量进行运算，该振幅累积运算程序依据该向量振幅信号及该第二方向分量进行运算。
4.根据权利要求1所述的步态分析方 法，其中在辨识该站立期、该推蹬期、该摆动期及该触地期的步骤中，该处理单元通过标准差运算程序对该振幅累积信号进行运算，该标准差运算程序包含由该振幅累积信号中计算标准差，并依据该振幅累积信号、该标准差及时间阈值在该振幅累积信号中辨识出该站立期。
5.根据权利要求4所述的步态分析方法，其中该站立期的持续时间大于该时间阈值。
6.根据权利要求4所述的步态分析方法，其中该动态阈值的初始值依据该站立期而得到。
7.根据权利要求6所述的步态分析方法，其中该处理单元通过动态阈值运算程序的运算而得到该动态阈值，该动态阈值运算程序依据不同时间点的该向量振幅信号来决定该动态阈值。
8.根据权利要求7所述的步态分析方法，其中该向量振幅信号及该动态阈值分别具有相同的第一时间点及第二时间点，当该第二时间点的该向量振幅信号的信号值大于或等于该第一时间点的该动态阈值时，该第二时间点的该动态阈值不改变。
9.根据权利要求8所述的步态分析方法，其中当该第二时间点的该向量振幅信号的信号值小于该第一时间点的该动态阈值时，该第二时间点的该动态阈值改变。
10.根据权利要求1所述的步态分析方法，其中于对该步态进行分类的步骤中，该处理单元通过时间运算程序的运算而得到该触地期、该站立期、该推蹬期及该摆动期所占的比例。
11.根据权利要求10所述的步态分析方法，其中当该推蹬期加上该摆动期的时间和小于或等于该触地期的时间时，该步态为下楼，当该推蹬期的时间大于该触地期的时间时，该步态为上楼。
12.根据权利要求1所述的步态分析方法，更包括: 由该处理单元依据该站立期、该推蹬期、该摆动期及该触地期计算该步态的步数、步速、步长及步距。
13.—种步态分析系统,包括: 感测单元，感测步态并输出感测信号，其中步态周期包含站立期、推蹬期、摆动期及触地期；以及 储存单元，储存复数运算程序；以及 处理单元，分别与该感测单元及该储存单元电性连接，该处理单元依据该感测信号得到向量振幅信号及振幅累积信号，并依据该向量振幅信号、该振幅累积信号辨识该站立期、该推蹬期、该摆动期及该触地期，以对该步态进行分类， 其中，该推蹬期、该摆动期及该触地期依据动态阈值来决定。
14.根据权利要求13所述的步态分析系统，其中该处理单元通过向量振幅运算程序的运算而得到该向量振幅信号，并通过振幅累积运算程序的运算而得到该振幅累积信号。
15.根据权利要求14所述的步态分析系统，其中该向量振幅运算程序依据该感测信号的第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量进行运算，该振幅累积运算程序依据该向量振幅信号及该第二方向分量进行运算。
16.根据权利要求13所述的步态分析系统，其中该处理单元提供标准差运算程序对该振幅累积信号进行运算，该标准差运算程序包含由该振幅累积信号中计算标准差，并依据该振幅累积信号、该标准差及时间阈值在该振幅累积信号中辨识出该站立期。
17.根据权利要求16所述的步态分析系统，其中站立期的持续时间大于该时间阈值。
18.根据权利要求13所述的步态分析系统，其中该处理单元通过动态阈值运算程序的运算而得到该动态阈值，该动态阈值运算程序依据不同时间点的该向量振幅信号来决定该动态阈值。
19.根据权利要求18所述的步态分析系统，其中该向量振幅信号及该动态阈值分别具有相同的第一时间点及第二时间点，当该第二时间点的该向量振幅信号的信号值小于该第一时间点的该动态阈值时，该第二时间点的该动态阈值改变。
20.根据权利要求13所述的步态分析系统，其中该处理单元通过时间运算程序的运算而得到该站立期、该推蹬期、该摆动期及该触地期所占的比例，并依据该站立期、该推蹬期、该摆动期及该触地期计算该步态的步数、步速、步长及步距。
【文档编号】A61B5/11GK103519819SQ201310282004
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月5日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】王振兴, 林哲伟 申请人:王振兴