CN105581799A - 适用于姿势稳定度评估与训练的复健系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于姿势稳定度评估与训练的复健系统。该复健系统包含一传感器、一微电脑控制器及一无线传输单元，该传感器为惯性传感器。通过本发明提供的姿势稳定度评估与训练系统，以微型惯性组件被设置于人体上来感测人体晃动的角度，通过微型惯性组件对人体质量中心垂直于地面的倾斜角度进行感测，因而只需要设置高精密度的微型惯性组件，即可到良好的侦测效果，结构简单，成本不高，且不必经由足底压力中心讯号推算人体晃动数据之后处理，易于佩戴和使用。

Description

适用于姿势稳定度评估与训练的复健系统

技术领域

本发明涉及一种复健系统，尤其涉及一种利用微型惯性组件量测人体姿势稳定评估与训练的复健系统。

背景技术

维持姿势稳定度是一般人体质量中心(CenterofMass,COM)受到干扰时，最常用来维持平衡的平衡策略之一，亦是日常生活中常见的功能性动作，对于平衡控制是很大的挑战。人体若无法保持姿势稳定，则容易跌倒。目前临床上人体重心稳定度训练的相关设备缺乏，导致相关平衡性复健中难以有针对性地进行阶段性系统训练。因此，如何量测人体姿势稳定度及实时反馈病人复健状况所最适宜的复健角度范围，即是本发明所欲解决的问题。

现有技术中研究“动作”的实验室利用人体动作的生物力学分析人体姿势稳定度是否正常，并且病理动作对身体的控制方式可藉由实验室之仪器设备来侦测。然而人体姿势稳定度侦测牵涉复杂的神经肌肉骨骼系统以及各种外在环境因素影响，因此合理的实验设计、实验设备，与实验分析者的耐心与细心皆对研究结果影响很大。另外，在实验分析后，如何判断和解读各类动作分析参数的数据，并从众多的时间与空间参数、运动学参数、动力学参数与肌肉活动参数资料中，归纳出合理的解释，都在考验人体姿势稳定度研究者的智慧与经验。

人体姿势稳定度侦测因受到设备及量测环境的限制，因此一般仅局限于实验室环境以测力板(forceplate)测得足底压力中心(COP)讯号再经运算间接推估出人体质量中心(COM)的变化并搭配复杂的动作分析系统方可精确地获得人体姿势稳定度参数。由于人体动作分析系统是通过记录固定于人体身上的传感器，进而推算出人在三维空间中静态站立的晃动轨迹与坐标。该人体动作分析系统不仅价格昂贵，且其人体相对参考坐标的推算过程与晃动数据的后处理相当繁琐。此外，人体动作分析系统及其外围设备的架设步骤繁琐更需要特定的空间。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术的不足，提供一种构成简单、使用方便的人体姿势稳定度评估与训练系统。

为实现该目的，本发明的适用于姿势稳定度评估与训练的复健系统包含：一传感器、一微电脑控制器及一无线传输单元，该传感器包含一惯性传感器。

进一步地，传感器所量测之身体晃动角度变化，经微电脑控制器转换成模拟讯号后，由无线传输单元与一处理单元进行数据交换传输。

进一步地，处理单元包含一发声器和一显示屏。

进一步地，传感器、微电脑控制器、无线传输单元被装在一个壳体内。

进一步地，壳体可通过一固定部固定于人体。

进一步地，惯性传感器为三轴惯性传感器。

进一步地，三轴惯性传感器为一三轴加速度计、或三轴陀螺仪、或三轴电子罗盘、或高度计。

进一步地，三轴惯性传感器包含三个坐标方向的X、Y、Z轴，定义代表左右方向上的测量值为a，代表上下方向上的测量值为b，代表前后方向上的测量值为c，人体晃动倾斜角度值的计算式为：

进一步地，测量到的受测者在前、后、左、右方向上的最大倾斜角度被设定为复健训练的目标倾斜角度值。

进一步地，当受测者在某一方向上的倾斜角度超过目标值三次时，系统自动增加复健角度范围的值作为新的目标倾斜角度值。

通过本发明提供的姿势稳定度评估与训练系统，以微型惯性组件被设置于人体上来感测人体晃动的角度，通过微型惯性组件对人体质量中心垂直于地面的倾斜角度进行感测，因而只需要设置高精密度的微型惯性组件，即可到良好的侦测效果。

附图说明

图1为本发明首选实施方式的复健系统的结构方块示意图。

图2为本发明首选实施方式的复健系统的架构示意图。

图3为本发明首选实施方式的复健系统的人体晃动倾斜角度计算的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步的阐述。

如图1和图2所示，本发明首选实施方式的人体姿势稳定评估与训练之复健系统，包含有一微型惯性量测单元10和一处理单元20。其中该微型惯性量测单元10包含一个或一组传感器101、一微电脑控制器102及无线传输单元103。首选地，传感器101为惯性传感器，且为惯性加速度计，在其他实施方式中，也可以是陀螺仪、电子罗盘、高度计等合适的传感器。且在本首选实施方式中，传感器101首选地是三轴惯性传感器。

当人体晃动时，传感器101感测病人的人体晃动的角度变化，并输出传感器角度变化感测信号。首选地，传感器101的三轴惯性传感器包含X、Y、Z三个轴向。以三轴加速度计为例，当传感器位于人体质心处时，定义各轴向如下：X轴加速度为人体质心左右移动的加速度，并定义向左为正值；Y轴加速度为人体质心上下移动的加速度，并定义向上为正值；Z轴加速度为人体质心前后移动的加速度，并定义向后为正值。三轴加速度计输出的加速度信号经与传感器101相连的微电脑控制器102转换成模拟信号后，由无线传输单元103传输至处理单元20，处理单元20再通过一系列计算得到针对该病人而言最适合的复健角度范围值和一最大倾斜角度值，从而方便医生或病人根据该复健角度范围值调整复健训练的进程安排。

在本发明的首选实施方式中，无线传输单元103为蓝牙单元。本领域普通技术人员可以理解到，无线传输单元还可以有很多其他形式，例如WiFi、群峰无线网络(ZigBee)、超宽带(UltraWideBand；UWB)、Sub-GHz(1GHz以下频段)、以及其他合适的形式等。

使用时，将传感器101穿戴于受测者的腰部、膝盖等平衡保持关键部位，受测者以自身能力的极限分别向前、后、左、右四个方向做最大倾斜(人体晃动极限)，以三轴加速度计为例，三轴加速度计量测地心引力相对于三轴加速度计的X、Y、Z轴三个轴向的数值变化，以推算本系统的各轴向倾斜的角度。下面计算以Z轴为转轴的倾斜角度θ_X为例。如图3所示，三轴加速度计因受到地心引力影响，当Z轴水平于地面，且无任何外力施加于三轴加速度计上时，地心引力的重力加速度为X轴和Y轴所测量到的加速度总和；以向量分析，X轴加速度a、Y轴加速度b、重力加速度g三者形成一个以重力加速度为斜边的直角三角形。所以，要计算三轴加速度计以Z轴为转轴倾斜角度θ_X为多少时，可以通过测量X轴、Y轴加速度，再利用反三角函数tan^-1计算出倾斜角θ_X的值，计算式为：

${\mathrm{\θ}}_X={\tan }^{-1}\left(\frac{a}{b}\right)$

同理，定义Z轴加速度为c，则在Z轴方向上绕着X轴旋转产生的倾斜角计算式为：

${\mathrm{\θ}}_Z={\tan }^{-1}\left(\frac{c}{b}\right)$

当受测者完成向前、后、左、右四个方向做最大的倾斜后，得到在这四个方向上所测得的倾斜角数值，以此作为复健角度范围的目标倾斜角度值，即作为复健训练的目标倾斜角度值；当使用时，受测者分别向前、后、左、右倾斜超过目标倾斜角度值时，系统将发出声音提示，首选地通过处理单元20附带的喇叭发声提示；当在同一方向上连续三次倾斜超过目标倾斜角度值，程序自动增加复健角度范围的值作为新的复健训练目标让受测者挑战。首选地，这些值在处理单元20附带的屏幕上显示，以便于观察和记录。首选地，处理单元20为一计算机。在其他实施方式中，处理单元20也可以是其他合适形式的信号处理和计算装置。

在本发明的首选实施方式中，传感器101、微电脑控制器102、无线传输单元103被设计安装在微型惯性量测单元10的壳体内，该壳体上设有适合于固定于人体主躯干上(例如腰部、大腿等部分)的固定部，使之成为可配戴在人体上的姿势稳定评估与训练之复健系统，其不仅可立即提供临床有效之人体晃动极限评估，也可以提供一实时反馈病人复健状况所最适宜的复健角度范围值来调整复健进程。首选地，固定部可为带扣、夹扣带、胶带、皮带等固定件，也可以是其他合适形式的固定元件或装置。

在本发明的首选实施方式中，处理单元20为体积较大的计算机，因此与微型惯性量测单元10为分体式设计，以便于受测者能够方便地携带和佩戴微型惯性量测单元10。在其他实施方式中，当处理单元20为小体积装置时，也可以与微型惯性量测单元10合体设计，这样更方便受测者携带本发明的复健系统，而不必到有计算机的场合中受测。

本发明的上述人体姿势稳定评估与训练之复健系统结构简单，成本不高，且不必经由足底压力中心讯号推算人体晃动数据之后处理，易于佩戴和使用。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明的保护范围，在没有背离本发明原理的情况下下，本发明的实施方式的任何变形或修改仍属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，所述复健系统包含一传感器、一微电脑控制器及一无线传输单元，其特征在于，所述传感器包含一惯性传感器。

2.如权利要求1所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，所述传感器所量测之身体晃动角度变化，经所述微电脑控制器转换成模拟讯号后，由无线传输单元与一处理单元进行数据交换传输。

3.如权利要求2所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，所述处理单元包含一发声器和一显示屏。

4.如权利要求1所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，所述传感器、所述微电脑控制器、所述无线传输单元被装在一个壳体内。

5.如权利要求4所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，所述壳体可通过一固定部固定于人体。

6.如权利要求1所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，所述惯性传感器为三轴惯性传感器。

7.如权利要求6所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，所述三轴惯性传感器为加速度计、或陀螺仪、或电子罗盘、或高度计。

8.如权利要求7所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，所述三轴惯性传感器包含三个坐标方向的X、Y、Z轴，定义代表左右方向上的测量值为a，代表上下方向上的测量值为b，代表前后方向上的测量值为c，人体晃动倾斜角度值的计算式为：

9.如权利要求1-8中任一项所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，测量到的受测者在前、后、左、右方向上的最大倾斜角度被设定为复健训练的目标倾斜角度值。

10.如权利要求9所述的适用于人体姿势稳定评估与训练的复健系统，其特征在于，当受测者在某一方向上的倾斜角度超过所述目标值三次时，系统自动增加复健角度范围的值作为新的目标倾斜角度值。