智能型关节护具及其监控系统

技术领域

本发明关于一种关节护具，特别是关于一种可即时监控的智能型关节护具及其监控系统。

背景技术

关节韧带提供肢体关节的稳定度，防止相连肢段过度运动时骨骼肌肉的伤害，提供人体动态姿势的稳定度。当人们承受外力冲击时，容易发生韧带断裂，例如运动中的激烈跳跃、急停动作都会增加十字韧带的负担。大约三分之一的人在受伤的时候会感觉到“波”的声音。由于疼痛或关节不稳定，通常无法继续运动，且关节会越来越痛，这是由于关节内出血肿胀的缘故，而二十四小时内会达到最高点。当肿胀逐渐消除时，病患暂时运动时不会感觉有困难；若此种状况不予治疗，再从事剧烈运动就可能造成反复膝关节不稳定。而长期的、慢性的不稳定则会造成关节软骨与半月软骨的磨损，最后导致关节的提早退化。回溯性的调查显示青少年十字韧带断裂发生率约2.3％，但若没做好防护及复健，再次发生断裂的机率高达六倍以上。

另外地随着人口老化趋势的发展，患有退化性关节炎的老年患者数量急剧增加。2017年全球超过3亿例髋关节和膝关节骨关节炎病例，在高收入国家妇女患者较男性高。在美国约有12％的成年人患有膝骨关节炎(Knee OA)；自2000年～2017，美国每年的全膝关节置换率增加一倍，年长率143％，全膝关节置换术约90万次，医疗费用约为102亿美元。膝骨关节炎患者术后通常有本体感觉知觉和平衡功能受损，导致步行或上下楼梯、跨越障碍物的不稳定性，进而跌倒。

一般关节护具(articular joint brace/orthosis)常用于运动伤害防治及/或关节重建术后保护与增强患处支撑减少疼痛。护具因关节伤害病症有不同的形式，然多以支撑患侧、限制关节运动角度(range of motion)为主，对使用者的使用状况及复健成效无法进行评估，属被动照护。大多数韧带撕裂或肌肉伤害如扭伤、横纹肌溶解等的运动伤害以运动员居多，对于伤害前的防护与伤害后的长期评估更为重要。而中老年人的关节置换术后居家日常复健步行运动更攸关恢复日常生活进程。

发明内容

本发明的目的，在于超出关节或肌力负荷时提出警告，或是提供后续复健训练处方的建立与评估，适当的复健规划可以减少84％的再次受伤风险。

本发明提供一种智能型关节护具，包括：一固定部，用于将该关节护具固定于使用者的一关节；两个惯性感测元件，分别设置于该固定部的一第一位置及一第二位置并根据该关节的运动输出一惯性讯号，该第一位置位于该关节的近端肢段，该第二位置位于该关节的远端肢段；以及一微处理器，接收该惯性讯号并以数学公式计算关节活动角度及加速度，搭配一人体计测统计资料、一使用者资料以计算出一关节即时受力值，再将该关节即时受力值与一受力基准值进行比较，以判定是否发出一提醒讯号。

于某些具体实施例中，智能型关节护具，其还包括两个肌电感测元件，分别设置于该固定部内侧的一第三位置及一第四位置使其可测量该关节的重要控制肌肉并分别输出一肌电讯号，该微处理器接收该肌电讯号并计算单位时间的该肌电讯号的快速傅立叶转换的频率中位数及对应的平均振幅均方根到一肌力标准值一预定范围以下时，发出该提醒讯号。

于某些具体实施例中，智能型关节护具，其中该微处理器计算该关节即时受力值的步骤包括：

使用该人体计测统计资料及该使用者资料计算出该远端肢段及该近端肢段的一质心位置、一肢段质量及一肢段长度以取得该惯性感测元件的转动惯量；

通过该惯性感测元件的转动惯量及该惯性讯号的角加速度资讯以分别取得该关节的关节扭力；以及

使用该关节扭力及该第一位置与该第二位置至该关节轴心距离取得该关节即时受力值。

于某些具体实施例中，智能型关节护具，其中该惯性感测元件为加速规时，该微处理器由该惯性讯号的加速度资讯计算出该关节活动角度。

于某些具体实施例中，智能型关节护具，其中该惯性感测元件包括加速规及陀螺仪时，该微处理器进一步计算该关节活动角度的步骤包括：

将两个该惯性感测元件所输出的两个该惯性讯号分别各自转换为一四元素资讯，该四元素资讯转换为尤拉角资讯，依照定义的旋转顺序得到一旋转矩阵；

再将两个该惯性元件得到的两个该旋转矩阵计算出一转换矩阵；以及

将该转换矩阵使用反三角函数求得该关节活动角度。

于某些具体实施例中，智能型关节护具，其中该微处理器进一步：

输入该关节即时受力值、肌电讯号或关节活动角度至一人工智能网路模型内以得到一经正规化数值；使用该经正规化数值进行卷积层的转换以提取一特征矩阵；通过池化层取得该特征矩阵的最大值并去除杂讯；通过平坦层将该特征矩阵拉平以得到一维度转换特征；以及将该维度转换特征输入到全连接层以得到一经调整的该关节即时受力值、该肌电讯号或该关节活动角度。

于某些具体实施例中，智能型关节护具，其还包括一警示元件，该提醒讯号触发该警示元件。

于某些具体实施例中，智能型关节护具，其中该惯性感测元件还包括一磁力计及/或一温度计及/或气压高度计，用以校正该处加速度资讯。

本发明还提供一种智能型关节护具监控系统，包括：一智能型关节护具，包括：一固定部，用于将该智能型关节护具固定于使用者的一关节；两个惯性感测元件，分别设置于该固定部的一第一位置及一第二位置并根据该关节的运动输出一惯性讯号，该第一位置位于该关节的近端肢段，该第二位置位于该关节的远端肢段；以及一微处理器，接收该惯性讯号并以数学公式计算关节活动角度及加速度，使用者在摆动肢段至设定阀值即自动启动监测系统，另外地该惯性讯号搭配一人体计测统计资料、一使用者资料，以计算出一该关节即时受力值，再将该关节即时受力值与一受力基准值进行比较，以判定是否发出一提醒讯号；以及一远端应用单元，运作在一移动装置中，包括：一输入模组供该使用者输入该使用者资料；一显示模组供该使用者查看该惯性讯号及该关节即时受力值的历史记录；以及一传输模组，用以与该智能型关节护具无线连接并互相交换资料；以及一远端伺服器，与该远端应用单元无线连接，并用以储存该人体计测统计资料、该使用者资料、该惯性讯号及该历史记录。

于某些具体实施例中，智能型关节护具与其监控系统还包括两个肌电感测元件，分别设置于该固定部内侧的一第三位置及一第四位置，使其可测量该关节的重要控制肌肉并分别输出一肌电讯号，该微处理器接收该肌电讯号并计算单位时间的该肌电讯号的快速傅立叶转换的频率中位数及对应的平均振幅均方根到一肌力标准值一预定范围以下时，发出该提醒讯号。

于某些具体实施例中，该微处理器计算该关节即时受力值的步骤包括：使用该人体计测统计资料及该使用者资料计算出该远端肢段及该近端肢段的一质心位置、一肢段质量及一肢段长度以取得该惯性感测元件的转动惯量；通过该惯性感测元件的转动惯量及该惯性讯号的角加速度资讯以分别取得该关节的关节扭力；以及使用该关节扭力及该第一位置与该第二位置至该关节轴心距离取得该关节即时受力值。

于某些具体实施例中，该惯性感测元件为加速规时，该微处理器由该惯性讯号的加速度资讯计算出该关节运动角度。

于某些具体实施例中，该惯性感测元件包括加速规及陀螺仪时，该微处理器进一步计算该关节活动角度的步骤包括：将两个该惯性感测元件所输出的两个该惯性讯号分别各自转换为一四元素资讯，该四元素资讯转换为尤拉角资讯，依照定义的旋转顺序得到一旋转矩阵；再将两个该惯性元件得到的两个该旋转矩阵计算出一转换矩阵；以及将该转换矩阵使用反三角函数求得该关节活动角度。

于某些具体实施例中，该微处理器进一步：输入该关节即时受力值、肌电讯号或关节活动角度至一人工智能网路模型内以得到一经正规化数值；使用该经正规化数值进行卷积层的转换以提取一特征矩阵；通过池化层取得该特征矩阵的最大值并去除杂讯；通过平坦层将该特征矩阵拉平以得到一维度转换特征；以及将该维度转换特征输入到全连接层以得到一经调整的该关节即时受力值、该肌电讯号或/及该关节活动角度。

于某些具体实施例中，智能型关节护具与其监控系统还包括一警示元件，该提醒讯号触发该警示元件，或该远端应用单元还包括一警示模组，用以在接收该提醒讯号时以声音或讯息提醒该使用者。该智能型关节护具监控系统，其关节护具还包括：一系统自动启动元件，当该惯性讯号大于一设定阀值时则自动连接远端应用单元启动该监测系统。

于某些具体实施例中，该惯性感测元件还包括一磁力计及/或一温度计及/或一气压高度计，用以校正该加速度资讯及角加速度资讯及该积分后关节活动角度。

本发明所提供的智能型关节护具与其监控系统可以通过关节角度资料、与肌电讯号有关的肌肉张力资料及关节扭力资料量化关节活动状况、即时监测可能受伤时机及复健恢复状况，在超出关节或肌力负荷时提出警告，或是提供后续复健训练处方的建立与评估，适当的复健规划可以减少84％的再次受伤风险。

除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域中的技术人员所通常理解相同的含义。

如本文所用，冠词“一”、“一个”以及“任何”是指一个或多于一个(即至少一个)的物品。例如，“一个元件”意指一个元件或多于一个元件。

本文所使用的“约”、“大约”或“近乎”一词实质上代表所述的数值或范围位于20％以内，较佳为于10％以内，以及更佳者为于5％以内。于文所提供的数字化的量为近似值，意旨若术语“约”、“大约”或“近乎”没有被使用时也可被推得。

附图说明

图1A,1B为本发明实施例的智能型关节护具的整体示意图；

图2为本发明实施例的智能型关节护具的系统方块图；

图3为本发明实施例的关节即时受力值的估算流程图；

图4为本发明实施例的智能型关节护具监控系统的系统方块图。

附图标记说明

10：关节护具

11：固定部

12：肌电感测元件

121：肌电感测元件

122：肌电感测元件

13：惯性感测元件

131：惯性感测元件

132：惯性感测元件

14：无线传输单元

15：微处理器

16：警示元件

20：智能型关节护具监控系统

21：远端应用单元

211：输入模组

212：显示模组

213：传输模组

214：警示模组

22：远端伺服器

A：位置

B：位置

C：位置

D：位置

E：位置

F：位置

G：位置

H：位置。

具体实施方式

有关于本发明其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

如图1A、图1B及图2所示，本发明提供一种穿戴式的智能型关节护具10，包括：一固定部11，用于将关节护具10固定于使用者一肢体的一关节；两个惯性感测元件13，设置于固定部11的一第一位置及一第二位置并根据关节的运动输出一惯性讯号，第一位置位于关节的近端肢段，第二位置位于关节的远端肢段；一微处理器15，接收惯性讯号，并以数学公式计算活动角度及加速度，使用者在摆动肢段至设定阀值即自动启动监测系统，惯性讯号另外地搭配一人体计测统计资料、一使用者资料以计算出一关节即时受力值，再将关节即时受力值与一受力基准值进行比较，以判定是否发出一提醒讯号。

在一实施例中，固定部11可以为常见依个人肢段围度的关节护套，将护具整体固定于使用者的关节，使各个元件位于关节周遭的固定的位置以确保测量的准确度，关节可以是肘关节、腕关节、膝关节、踝关节等。

在膝关节护具的实施例中，固定部11可以为髌骨处无开口的关节护套(图1A)或开口的关节护套(图1B)，前方开口的设计可协助髌骨缓冲膝关节所承受的压力，对膝盖受伤或慢性关节不适者可协助分担过多的受力以降低受伤的机率。护套的膝围大小可以分成S(28-34厘米)、M(34-38厘米)、L(38-45厘米)、XL(大于45厘米)等尺寸，而其相对应的长度大约在26-30厘米不等，以不影响股四头肌与腓肠肌的运动为基准。此外，固定部11也可以是常见的髌骨带。

惯性感测元件13至少有一对(惯性感测元件131,惯性感测元件132)，分别设置在固定部11的第一位置及第二位置，第一位置位于关节的近端肢段，第二位置位于关节的远端肢段。以膝关节为例，第一位置在膝盖上方的大腿肢段，例如位置A、位置B或位置G，第二位置在膝盖下方的小腿肢段，例如位置C、位置D或位置H。在一具体实施例中，惯性感测元件131也可以与一肌电感测元件12设计嵌入在一起以减化组装成本。

在一具体实施例中，惯性感测元件13可以包括加速规。加速规输出的惯性讯号为通过其内部质量系统受到关节运动时力的位移变化所计算出的加速度资讯，为呈现三个维度(x,y,z)的加速度数值。在另一具体实施例中，惯性感测元件13可以包括加速规与陀螺仪，其惯性讯号可以为三个维度的加速度资讯与角速度资讯，共六个数值。在其他具体实施例中，惯性感测元件13还可以还包括磁力计及/或温度计及/或气压高度计，其惯性讯号则还包括三个维度的磁力资讯及/或一个维度的温度资讯及/或一个维度的高度参考资讯，磁力资讯、温度资讯及高度参考资讯可以用来校正加速度资讯、角加速度资讯及积分后关节活动角度以增加准确度。

微处理器15与惯性感测元件13和肌电感测元件12电性及/或电讯连接以接收惯性讯号及肌电讯号。微处理器15可以与惯性感测元件13及/或肌电感测元件12设计组装在一起，也可以搭载一存储器，或是包括一无线传输单元14以与外界的系统相连。

搭载的存储器中可以储存人体计测统计资料及使用者资料。使用者资料包括使用者的身高、体重，还可以包括年龄、人种等基础资料。人体计测统计资料则使用人体测计学依照不同人种、年龄提供身体部位的长度比例、尺寸比例与重量比例。例如大腿跟小腿的比例约1:1，肚脐上下的身长比例约49:51，肢段近端部约38％～42％的肢段总长度占了整个肢段的一半质量。大腿肢段长约身高的0.245倍，小腿肢段长约身高的0.246倍。前臂肢段长约身高的0.146倍，上臂肢段长约身高的0.186倍。

表一人体计测学资料表

请搭配参照图3，微处理器15计算关节即时受力值的步骤包括：使用人体计测统计资料及使用者资料计算出该远端肢段及该近端肢段的一质心位置、一肢段质量及一肢段长度以取得该惯性感测元件的转动惯量(步骤S10)；通过该惯性感测元件的转动惯量及该惯性讯号的角加速度资讯以分别取得关节的关节扭力(步骤S20)；以及使用该关节扭力及该第一位置与该第二位置至关节轴心距离取得关节即时受力值(步骤S30)。

在一具体实施例中，微处理器15依照使用者资料中的年龄、人种资料取得在人体计测统计资料(例如表一)中关节肢段的身体部位比例，搭配使用者的身高、体重资料可以计算出关节肢段的质量中心位置(质心位置)到关节中心的力臂r(公式1)与肢段质量m(公式2)，进一步分别求出两个关节肢段质心位置的转动惯量(公式3)作为惯性感测元件13的转动惯量。在另一较佳实施方式中，也可进一步利用平行轴原理、关节肢段质心位置与感测元件13的距离，计算两个惯性感测元件13处的转动惯量I(公式4及5)。接着，由惯性讯号取得角加速度α，并利用转动惯量I可估算出关节扭力T(公式6及7)。角加速度α可以计算单位时间的角速度变化取得或是陀螺仪输出的三轴线加速度。关节扭力τ是肢段绕着关节转动的趋向，利用关节围度资料(膝围大小)可以取得关节轴心到惯性感测元件13位置的距离d，以公式τ＝dxF反推关节即时受力值(公式6-7)。以膝关节为例，重要肌肉可以用股四头肌作基准，关节受力值F膝关节为近端肢段的受力值F

大腿肢段长x0.567＝r

使用者体重x0.100＝m

I

I

I

τ

τ

F

其中，r

以膝关节为例，许多退化性关节炎患者并非肌力出问题，而是关节受力过高，久而久之破坏了膝盖软骨，为了在关节即时受力值过高时提醒使用者，因此微处理器15可以将关节即时受力值与一受力基准值比较，在关节即时受力值超过该受力基准值时，发出一提醒讯号。上述受力基准值可以是由医学上统计得来的平均值，或是使用者自身的资料上限值。在一较佳的实施例中，受力基准值可以定义为利用人体计测统计资料、使用者资料及使用者初始运动时的惯性讯号计算而得的关节即时受力值，取其最大值的倍数，该倍数可以为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。

智能型关节护具10可以还包括至少一肌电感测元件12，更佳为两个肌电感测元件(肌电感测元件121，肌电感测元件122)，其设置在固定部11内侧可以方便接触皮肤的位置，以测量表面肌肉电位讯号，并输出该肌电讯号。常见的为肌电图仪，取样率大约1000Hz，可以依照设计者的需求设定在500Hz～1000Hz之间。由于表面肌肉电位讯号较容易有杂讯，因此可以依照元件的性质在固定部11内侧缝上导电布、导电丝或电极，或者可以设置简单的气囊确保元件与皮肤的接触良好以提高测量品质。

同时参考图1A及图1B，同时，肌电感测元件12可以设置在关节的重要控制肌肉处。以膝关节为例，第三位置可以设置在股直肌或股内斜肌处(例如位置E、位置G)、股外斜肌及第四位置可置于内侧腓肠肌处(例如位置F)、外侧腓肠肌处(例如位置H)以测量并输出肌肉活化时的肌电讯号。以肘关节为例，可以设置在肱二头肌及肱挠肌处以测量并输出其肌电讯号。

由于中位肌电频率值及其相对应+N ms(N:100～200)的平均振幅值均方根(RootMean Square,RMS)，或对应振幅与中位频率乘积值可用于评估肌肉施力的强度。肌肉越用力时，肌电讯号的中位频率值及平均振幅的方均根大。肌肉疲劳初期，因会有较大的肌电强度代偿，以维持肌肉力量的表现，因此方均根会暂时增大，但到了疲劳的极限，肌电讯号受到抑制，肌电讯号中位频率及对应平均振幅的方均根值随着疲劳的发生而变小。因此，微处理器15由使用者依运动暖身或耐力训练时肢段肌肉的动态等速收缩而得一肌电讯号的中位频率及对应方均根值的相对肌力标准值。例如，使用者于每次运动起始时依移动装置的远端应用单元指导，就其绑定关节护具的肢段作一最大自主肌肉运动并记录其60秒肌电讯号的快速傅立叶转换的频率中位数及对应的振幅值均方根为使用者的一肌力标准值。

微处理器15大约每300秒接收肌电讯号一次，每次约持续30秒，上述接收及记录间隔可依使用者需求进行设定。微处理器15持续计算30秒肌电讯号区间的快速傅立叶转换的频率中位数及相对应前后200毫秒(ms)的平均振幅值均方根。当肌电讯号中位频率及振幅RMS同时降到运动起始所测量肌力标准值的60％以下时，给予提醒讯号告知肌肉已疲劳。可以依照不同使用者或患者的状况设定不同的提醒标准，也可以在肌力标准值的50％、52％、54％、56％、58％、62％、64％、66％、68％或70％的设定间距以下时给予提醒讯号。当肌力维持低下时间超过一定时间，给予提醒讯号告知须减缓运动，以避免运动伤害。计算肌肉疲劳方法除了均方根(RMS)，也可以频谱分析每单位时间区段的瞬时，平均和中位频率，移动方均根(moving Root Mean Square,MRMS)计算出肌电线性分封包电位值(mRMS amplitudeof linear envelop)，主轴分量分析(principal component analysis)或小波和神经网络分类SEMG具有等长肌肉收缩状态，本发明可采用上述任一计算方法。

微处理器15接收惯性讯号并可用以计算关节活动角度。当惯性感测元件13包括加速规与陀螺仪时，微处理器15计算关节活动角度的步骤包括：将两个该惯性感测元件(惯性感测元件131，惯性感测元件132)所输出的两个该惯性讯号分别各自转换为一四元素资讯，该四元素资讯转换为尤拉角资讯，依照定义的旋转顺序得到一旋转矩阵；再将两个该惯性元件(惯性元件131，惯性元件132)得到的两个该旋转矩阵计算出一转换矩阵；以及将该转换矩阵使用反三角函数求得该关节活动角度。四元素在进一步转换为尤拉角时可以定义出12种旋转顺序排列组合：XYX、XYZ、XZX、XZY、YXY、YXZ、YZX、YZY、ZXY、ZXZ、ZYX、ZYZ，经多方实验，旋转顺序YZX是最接近真实状况而能得到较佳效果，故作为本实施例范例，但本发明不限于此旋转顺序。

首先，将加速规与陀螺仪所输出的惯性讯号(包括加速度资料及角速度资料)转换为四元素资讯。通过程序将该四元素资讯转换为尤拉角资讯并定义其旋转顺序为YZX以得到三个平面的坐标转换矩阵，其相对应的角度

θ

微处理器15进一步将上述计算结果输入到人工智能神经网路模型内，以预估实际人体活动的状态。人工智能网路模型处理步骤包括：输入关节即时受力值、肌电讯号或关节活动角度至一人工智能网路模型，并结合使用者输入资料可即时显示关节活动角度、关节肌电讯号、及即时关节受力值。并将原始数值进行正规化得一经正规化数值以减少模型发生过度拟合的现象；使用该经正规化数值进行卷积层的转换以提取一特征矩阵；通过池化层取得该特征矩阵的最大值并去除杂讯；通过平坦层将该特征矩阵拉平以得到一维度转换特征；最后将该维度转换特征输入到全连接层通过调整权重及偏差以得到最终符合人体实际活动的状态的经调整的该关节即时受力值、该肌电讯号及该关节活动角度。

人工神经网路模型输入上述计算结果后，通过线性整流函数f(x)＝max(0，x)作为激励函数，以防止当数据过大时造成的梯度消失的问题。

如图4所示，在行动式的智能型关节护具监控系统20中，智能型关节护具10通过一无线传输单元14与远端应用单元21无线连接以提供使用者更多功能的辅助。远端应用单元21包括输入模组211、显示模组212及传输模组213。远端应用单元21运作在移动装置中，移动装置可以为手机、平板、笔电、移动护理站等电子装置。

在一具体实施例中，当智能型关节护具10的微处理器15接收到的惯性讯号超过一固定值时，就启动连接远端应用单元21的步骤，也可以直接将运动的原始资料持续传给连接远端应用单元21。上述固定值可以为使用者穿戴智能型关节护具10移动时输出的加速度资讯的平均数值。

第一次使用时，使用者可由输入模组211输入使用者资料、肌电讯号接收及记录间隔，并通过传输模组213与无线传输单元14相连，提供资讯传递功能，以将使用者资料提供微处理器15使用。显示模组212则可以将所有历史资料调出并查看肌电讯号、惯性讯号、关节活动角度、关节即时受力值、关节扭力等资料，也可以打开不同视窗进行不同历史资料间的比对，可供使用者或复健专业人员了解使用者的复原状况或是肌力状况。

传输模组213与智能型关节护具10无线连接并互相交换资料，包括将使用者资料、人体计测统计资料传输至智能型关节护具10或是接收智能型关节护具10测得或计算出来的资料，包括肌电讯号、惯性讯号、关节活动角度、关节即时受力值、关节扭力等资料。传输模组213与远端伺服器22无线连接使远端应用单元21能与远端伺服器22互相交换资料，不论是人体计测统计资料、肌电讯号及惯性讯号的原始资料或是处理过的结果，甚至是医学上的诊断资料也可以通过传输模组213传输到远端伺服器22中并加以储存，以供远端应用单元21随时提取。

请同时参考图2及图4，在一实施例中，智能型关节护具10可以还包括一警示元件16，例如灯光单元或声音单元，微处理器发出提醒讯号时可以触发警示元件16，用来提醒使用者避免过度运动。在另一实施例中，也可由远端应用单元21进一步包括一警示模组214，用以在接收到提醒讯号时以声音或讯息提醒使用者，避免过度运动。在另一实施例中，智能型关节护具的微处理器15还其进一步包括：一自动启动元件，当该惯性讯号大于一设定阀值时则自动通过无线传输单元14连接远端应用单元21启动该监测系统。