肢体运动功能评估方法及其实施系统与流程

本发明涉及医疗领域，特别是涉及一种肢体运动功能评估方法及其实施系统。

背景技术：

由于意外事故或疾病，人员肢体及神经系统受损时，会使得运动功能降低或不能进行正常活动。目前此种损伤的评估多以简便，但不客观且又不准确的阿什沃思量表(Ashworth Scale)方式进行评估。

目前上述损伤的的复健疗程多为由物理治疗师以人工牵引方式带动患者的肢体动作以达到复建的效果。然而这需要耗费大量的专业人力以及医疗成本来运行。此种复健方式无论是对于患者还是健保资源都造成了极大负担。

若干已知的肢体复健装置亦可让患者自行操作，并通过牵引肢体进行复健，但每一此种装置提供的运动路线及运动方式单一，复健病人的复原需经过多种装置的复健。再者，此种装置未能实时(real-time)客观地评估肢体功能的变化进而依照患者肢体复健情况进行复健训练强度及肢体运动路径形式的调整。此种缺陷使得复健的效率甚为低下而且常需复健人员的介入。

文献考查显示，数个欧美医疗技术研究单位近年尝试在受复健肢体上设置传统传感器如扭力计，速度规等以量测肢体运动功能。但此种方法因传感器的负载效应及其装设难以固定于肢体上导致过大量测误差及使用困难。再者，已公开发表文献显示上述研究并未妥善使用机械阻抗观念，导致量测所得数据具有较多误差。凡此种种，导致迄今未有恰当仪器可被临床使用。

综上所述，如何提供一种无需依赖装设于肢体上的器材而又能准确量化患者肢体运动功能及提供多种复健形式及强度，可随患者肢体最新复健成果来调整的复健装置乃本领域亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可导引患者肢体以不同形式重复运动，并同时量取、分析肢体复健状况的系统及其方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种肢体运动功能评估系统，包含肢体固定模块、肢体导引模块、驱动模块、传动机构模块、阻抗检测模块以及运动功能分析模块。所述肢体固定模块用以固定使用者肢体的第一端点；所述肢体导引模块用以导引使用者肢体的第二端点，所述第二端点与所述第一端点设有间距；所述驱动模块经由所述传动机构模块驱动所述肢体导引模块以让所述第二端点相对于所述第一端点运行；所述阻抗检测模块为连接驱动模块以量测使用者肢体于被动运行时呈现的机械阻抗；所述运动功能分析模块为连接阻抗检测模块，并依据所测得的机械阻抗对应使用者肢体的运动路径提供肢体运动功能曲线信息。

一种肢体运动功能评估方法，应用于肢体运动功能评估系统，包含下列步骤：首先，固定使用者肢体的第一端点；接着，导引所述使用者肢体的第二端点相对于所述第一端点运动；接着，量测所述使用者肢体运动时驱动点的机械阻抗；最后，依据所测得的所述机械阻抗对应所述使用者肢体的运动路径以提供肢体运动功能曲线。

一种用于分析肢体运动功能的计算机装置，所述计算机装置包含通讯模块以及处理模块。所述通讯模块以有线或无线通信连接至少一个上述肢体运动功能评估系统；而处理模块是连接通讯模块，并自至少一个上述肢体运动功能评估系统中存取复数笔的肢体运动功能曲线进行统计分析，以提供复健判别信息，所述复健判别信息用以判断所述肢体运动功能曲线代表的复健程度。一种用于分析肢体运动功能复健程度的方法，应用于计算机装置，所述计算机装置是与至少一个上述肢体运动功能评估系统通讯连接，所述方法包含下列步骤：首先，存取复数笔的肢体运动功能曲线；接着，统计所述肢体运动功能曲线，提供复健判断信息。一种用于分析肢体运动功能复健程度的计算机程序产品，当计算机装置加载并执行所述计算机程序产品后，可完成上述用于分析肢体运动功能复健程度的方法的步骤。

综上所述，本发明提供的肢体运动功能评估系统及其方法，无需在肢体上 加装传感器，通过分析使用者肢体反应的机械阻抗，能够精准地量化使用者的肢体复健状态，并将量化而得的肢体运动功能曲线提供给使用者或医护端进行判读或分析其复健状况，从而解决现有技术中由于复健人员主观判读所造成的缺失。

附图说明

图1为本发明的肢体复健评估系统的系统示意图。

图2为本发明的肢体复健评估装置操作位置调整示意图。

图3为本发明的肢体复健评估系统等效模型图。

图4.1～4.3为本发明的量测试验示意图。

图5为本发明实施例1中肢体导引模块的立体示意图。

附图标记说明

10 肢体运动功能评估装置

101 肢体驱动次系统

1011 肢体导引模块

1012 传动机构模块

1013 驱动模块

1014 阻抗检测模块

102 支持部

103 调整把手

104 底座

11 分析装置

111 运动功能分析模块

112 显示模块

12 信息通讯模块

13 承载装置

131 拉带

2 使用者

21 护托

h1 握持部

h2 插孔

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例来详细说明本发明。

请参阅图1，其为本发明的肢体运动功能评估系统。肢体运动功能评估系统包含肢体运动功能评估装置10、分析装置11、用于承载使用者2的承载装置13。承载装置13系设有用于固定使用者2肢体第一端点的肢体固定模块。进一步说明之，使用者2肢体的第一端点设有护托21，而肢体固定模块为连接承载装置13以及护托21的拉带131。

肢体运动功能评估装置10包含肢体驱动次系统101、支持部102、调整把手103、以及底座104。调整把手103与底座104分别设置于支持部102的两端，肢体驱动次系统101活动设置于支持部102上，承载装置13可与支持部102共同使用底座104。请参阅图2，使用者2可通过调整把手103来上下调整肢体驱动次系统101的高度，而肢体驱动次系统101亦可相对于支持部102调整其操作角度(以水平面为基准，上下0～90度调整；或沿支持部102的周围旋转调整)。

上述肢体驱动次系统101包含肢体导引模块1011、传动机构模块1012、驱动模块1013以及阻抗检测模块1014。驱动模块1013经由传动机构模块1012驱动肢体导引模块1011运行，而肢体导引模块1011用于导引使用者2肢体的第二端点于一空间进行运动。上述使用者2肢体第一端点以及第二端点相距一定间距。上述驱动模块1013为可变速的马达，例如有段变速或无段变速马达等。上述阻抗检测模块1014系连接驱动模块1013，并通过量测驱动模块1013的电信号来换算出肢体反应的机械阻抗。

若使用者肢体为手部，其第一端点可为肩部，第二端点可为手掌部；若使用者肢体为腿部，其第一端点可为臀部或腰部，第二端点可为脚掌部，上述肢体部位仅用于描述上、第二端点的相对关系，而非用于限定本发明的第一端点 与第二端点的范畴。

分析装置11为一种计算机装置。分析装置11包含了运动功能分析模块111以及显示模块112。运动功能分析模块111为连接上述的显示模块112。分析装置11还通过信息通讯模块12与阻抗检测模块1014电性连接，以接收量测的阻抗值并进行后续的分析作业。

当系统运行时，驱动模块1013会通过传动机构模块1012以及肢体导引模块1011来带动使用者2肢体的第二端点相对于第一端点进行等速或近等速运动。由于骨骼、肌肉、肌腱以及筋膜的形态、方向、张力等因素影响，肢体在受导引时会于驱动点呈现机械阻抗，而分析装置11经由分析其机械阻抗的成分(例如质量(m)、刚性(k)、或阻尼(c)等)，即可得知使用者2肢体的等效结构。

该系统更可通过不同类型的传动机构模块1012来设定肢体的导引运动路径。其运动路径为在一空间中的密闭曲线或直线段，其密闭曲线包含了圆形曲线、椭圆形曲线、8字形曲线、∞字形曲线等，而其密闭曲线更为空间中一平面的运动路径，或者是立体运动路径。而直线段由于往返运作的端点在运算上为奇异点，因此在计算肢体运动功能曲线时可选择将端点的数据排除。传动机构模块1012可为直连杆、滚珠轴承、四连杆、线性滑轨、凸轮、齿轮等可在空间中进行运动的装置。但运动路径以及传动机构模块1012的类型并不在此限。

对驱动模块1013而言，上述肢体所反应的机械阻抗对驱动模块1013而言可视为输出的驱动负载变动(机械阻抗大→负载变重；机械阻抗小→负载变轻)。而阻抗检测模块1014为具有运算功能的电子装置，例如计算机装置、刻录有阻抗检测程序韧体的微芯片(micro-processor)电路、或由硬件描语言(Verilog、VHDL)等所建构的数字电路。因此阻抗检测模块1014便可对驱动模块1013的工作电压、电流信号进行量测，并在分析使用者2肢体的运动路径相对于每一运动周期其频域的电信号后，即可得知肢体反应的等效机械阻抗值，并将量测值经由信息通讯模块12传送至分析装置11进行分析。

为进一步说明本发明等效转换的概念，请接着参阅图3，其为本发明的肢体驱动次系统101的等效模型图。肢体驱动次系统101由肢体导引模块1011、传动机构模块1012、驱动模阻1013串接而成。此三模块各有一能量输入埠以及一 能量输出埠。各个模块在输入端口以势量(Potential variable)及流量(flow variable)由前一模块的输出端口取得能量。势量与流量的乘积为输入或输出的功率。势量与流量的商则为该埠的阻抗。各模块的输入阻抗决定功率向作功端传输的大小。

驱动模块1013(例如：马达)的功能为转换电能为机械能。其输入势量及流量分别为电压(voltage/E)与电流(current/I)，而输出势量及流量分别为扭矩(torque/T)以及转速(rotary speed/ω)。由于输出/入属于不同的能域，因此其间的功率传输关系为传感矩阵(transduction matrix)[TD]^D，其方程式如下所示：

传动机构模块1012(例如：齿轮齿条对)的功能为：

(1)改变机械作功的动作，例如改变转动为直线移动；以及

(2)调节肢体驱动次系统101的能量供应端与肢体作功端机械阻抗的匹配。相匹配的阻抗可使功率传输效率最好。此模块输出入势量流量间的关系的传输矩阵(transmission matrix)[TM]^M方程式如下所示：

肢体导引模块1011(例如：圆盘及把手)的功能为将收受的能量作功于肢体的第二端点上，其输出入势量流量间的关系可由传输矩阵[TM]^G表达：

由方程式(a)、(b)、及(c)可得：

因此肢体驱动次系统101其输入与输出的关系为：

上述矩阵[TD]^D、[TM]^M、[TM]^G、[T]中的A、B、C及D参数可由下列关系求得：

其中输出的F及v亦为分别为肢体第二端点的输入势量及流量。因为电阻抗为Z^e＝E/i、机械阻抗为Z^m＝F/v，方程式(d)可改写为：

方程式(f)表示A、B、C及D为已知时，量取肢体驱动次系统101便能由输入电阻抗Z^e来换算肢体在第二端点的驱动机械阻抗Z^m。

为说明上述公式意涵，本发明由弹簧组件来等效肢体结构，其驱动模块1013为一个直流马达、传动机构模块1012为一对齿轮、肢体导引模块1011为一个圆盘，其等效模型如图4.1所示，于该图中，theta(θ)为圆盘转动的角度、r为圆盘的半径、F为弹簧的受力、l为弹簧弹拉伸的长度、k为该弹簧的弹性系数。请接着参阅图4.2，其为圆盘转动的6种运动状态。其理论值以及量测的数值如图4.3(实线段为量测值、虚线段为理论值)所示，图4.3的横轴为转动角度、纵轴为机械阻抗。用于计算理论值的扭力T公式如下所示：

由图4.3可得知，本发明的理论值与实际量测值极为接近，而得以证明本发明其评估方法的可实现性。前述量测值与理论值间的差异为固定弹簧组件的连接组件所造成，该差异值为可量化以及估算的数值，并可藉由后端的信号处理程序加以消除，特此说明。

实施例1

本实施例提供了一种肢体运动功能评估系统，请参阅图1，其肢体导引模块1011为圆盘(如图5所示)。于本实施例中，其使用者2肢体的第一端点定义为肩部、肢体的第二端点定义为手掌，其肢体导引模块1011为设有握持部h1的圆环或圆盘，圆环或圆盘上设有复数个插孔h2，使用者2可将握持部h1插设在不同半径的插孔h2以设定旋转半径。其传动机构模块1012为直连杆，而直连杆 的两端分别通过万向接头与驱动模块1013的输出轴以及圆环或圆盘的转轴活动式连接，以让肢体导引模块1011导引使用者2肢体运行时形成圆形运动路径。在运行过程中，阻抗检测模块1014以及运动功能分析模块112会分析肢体导引模块1011的运行角度以及该角度所反应回来的机械阻抗，以计算其肢体运动功能曲线，并经由显示模块112显示结果，或传送至医护端的计算机装置以提供医护人员进行评估，而用户可依显示结果或医护人员的建议调整驱动模块1013的转速，来调整复健的强度。

上述运动功能分析模块112更可将多次快速测得的肢体运动功能曲线扣除前后肌肉松紧变异以及量测误差后，提供更为准确的量测信息来分析目前肢体的活动状态。显示模块112此时可选择地显示量测信息以及分析信息，以让使用者2得知肢体的活动状态。使用者2在得知目前肢体的活动状况后，则能设定驱动模块1013的马达的运行速度，来增加复健强度。

上述信息通讯模块113更可选择地将上述机械阻抗、肢体运动功能曲线等数据讯通过通讯网络传送至医护端的计算机装置，以让医护人员评估目前的复原状况，医护端的计算机装置更可依据评估结果来建议用户调整设定其驱动模块1013的运行强度。上述通讯网络系包含有线通讯网络或无线通信网络等形式。

实施例2

本实施例提供了一种测量肢体运动功能的方法，该方法应用于上述肢体运动功能评估系统，包含下列步骤：

S101：固定使用者2肢体的第一端点于肢体运动功能评估装置10上。

S102：导引使用者2肢体的第二端点以相对于第一端点运动。

S103：量测用户2肢体运动时驱动点反应的机械阻抗。

S104：依据所测得的机械阻抗并对应使用者肢体的运动路径以提供肢体运动功能曲线。

实施例3

本实施例提供了一种可用于分析上述肢体运动功能的计算机装置，该计算 机装置包含通讯模块以及与之连接的处理模块。通讯模块用以连接至少一个上述肢体运动误评估系统。处理模块从至少一个上述肢体运动功能评估系统存取复数笔的肢体运动功能曲线进行统计分析，并提供复健判别信息，复健判别信息用以判断肢体运动功能曲线代表的复健程度。

实施例4

本实施例提供了一种可用于分析上述肢体运动能力的计算机装置，实施例4与实施例3相似，差异仅在于实施例4的医护人员可藉由计算机装置自每一用户的肢体运动误评估系统取得多笔的肢体运动功能曲线进行统计分析。为提升统计的精准度，计算机装置可对每一使用者传送的多笔肢体运动功能曲线中取出部分的曲线进行统计，例如每一使用者传送100笔肢体运动功能曲线，并取中间的50％(第41笔～第70笔)的资料进行统计分析。使用者在每日复健后，计算机装置便会分析并评估本日的复健程度，以让使用者或者医护端实时得知客观的评估结果。

实施例5

本实施例提供了一种可用于分析上述肢体运动能力的计算机装置，实施例5与实施例3相似，差异仅在于实施例5的使用者可通过手持电子装置，例如平板计算机、智能型手机等装置，来与肢体运动评估系统通讯连接，并执行上述分析统计作业，而用户便能从手持电子装置中实时掌握每日的复健进度。

实施例6

本实施例提供了一种可用于分析上述肢体运动能力的计算机装置，实施例6与实施例3相似，差异仅在于实施例6的医护端可通过计算机装置取得大量用户的肢体运动功能曲线，并依据各个使用者肢体的严重程度设置级距(例如级距1～5)，而当用户操作该系统时，便能通过查询该级距信息得知自身的复健阶段。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。