步態分析方法及步態分析系統的制作方法
【專利摘要】本申請涉及一種步態分析方法及步態分析系統。一種步態分析方法由步態分析系統實施，步態分析系統包括感測單元、處理單元以及儲存單元，處理單元分別與感測單元及儲存單元電性連接，儲存單元儲存復數運算程序，步態分析方法包括：由感測單元感測步態并輸出感測信號，其中步態周期包含站立期、推蹬期、擺動期及觸地期；由處理單元依據感測信號得到向量振幅信號及振幅累積信號；依據向量振幅信號、振幅累積信號辨識站立期、推蹬期、擺動期及觸地期，推蹬期、擺動期及觸地期依據動態閾值來決定；以及依據站立期、推蹬期、擺動期及觸地期對步態進行分類。本發明還公開一種步態分析系統。
【專利說明】步態分析方法及步態分析系統
【技術領域】[0001]本發明涉及一種步態分析方法及步態分析系統。
【背景技術】
[0002]一般而言，神經病變與骨骼肌肉系統的疾病都會造成行走的問題，從臨床的角度來看，疾病的狀態改變了肌肉、骨骼及神經，乃至于關節的協調平衡及互動，因而影響了步態(gait),而步態分析(gait analysis)可以抽絲剝苗幫我們分解出來，因此，在骨科學，復健學及神經學的領域里，應用步態分析來解決臨床問題的研究正如雨后春筍地發展了起來。
[0003]步態分析主要目的為提供醫師詳細的評估信息，以厘清受試者本身神經肌肉骨骼系統的癥結，經由這些評估結果，醫師可擬定最佳的治療計劃，以規劃手術、復健或穿戴輔具的方式對患者進行治療。另外，治療后的步態分析也可協助確認治療效果以及供醫師提出進一步的改善方案。以骨科治療為例，步態分析可以作為骨科疾病治療前后的偵測及評估；以復健治療為例，步態分析可以作為治療診斷、評估及恢復狀態衡量的參考。在義肢裝設上，步態分析也可作為協助設計，測試及義肢或輔具適應優劣的協助，而在神經學上，步態分析也可以用來測量特殊肢體活動來分析巴金森癥的特性及治療效果的追蹤。
[0004]此外，在預防醫學與流行病學方面，我們知道“跌倒”已成為威脅老年人的第三大危險因子，借助步態分析，也可找出導致跌倒的危險因素，通過早期排除這些容易跌倒的危險因素，再給予老年人適當的衛教、訓練，以作為日常生活上的調適，或者再配予步行輔助器械，或由旁人特別照料，將可大幅降低老年人因跌倒所致的傷害，進而大幅度地降低家庭及社會的負擔。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種步態分析方法及步態分析系統，可將受試者的步態進行分析及辨識，進而根據分析及辨識結果供醫師提供給受試者有關醫療及健康方面的建議。
[0006]為達上述目的，依據本發明的一種步態分析方法，由步態分析系統實施，步態分析系統包括感測單元、處理單元以及儲存單元，處理單元分別與感測單元及儲存單元電性連接，儲存單元儲存復數運算程序，步態分析方法包括:由感測單元感測步態并輸出感測信號，其中步態周期包含站立期、推蹬期、擺動期及觸地期；由處理單元依據感測信號得到向量振幅信號及振幅累積信號；依據向量振幅信號、振幅累積信號辨識站立期、推蹬期、擺動期及觸地期，其中推蹬期、擺動期及觸地期依據動態閾值來決定；以及依據站立期、推蹬期、擺動期及觸地期對步態進行分類。
[0007]為達上述目的，依據本發明的一種步態分析系統包括感測單元、儲存單元以及處理單元。感測單元感測步態并輸出感測信號，其中步態周期包含站立期、推蹬期、擺動期及觸地期。儲存單元儲存復數運算程序。處理單元分別與感測單元及儲存單元電性連接，處理單元依據感測信號得到向量振幅信號及振幅累積信號，并依據向量振幅信號、振幅累積信號辨識站立期、推蹬期、擺動期及觸地期，以對步態進行分類，推蹬期、擺動期及觸地期依據動態閾值來決定。
[0008]在一個實施例中，處理單元通過向量振幅運算程序的運算而得到向量振幅信號，并通過振幅累積運算程序的運算而得到振幅累積信號。
[0009]在一個實施例中，向量振幅運算程序依據感測信號的第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量進行運算，振幅累積運算程序依據向量振幅信號及第二方向分量進行運
笪
[0010]在一個實施例中，處理單元通過標準差運算程序對振幅累積信號進行運算，標準差運算程序包含由振幅累積信號中計算標準差，并依據振幅累積信號、標準差及時間閾值在振幅累積信號中辨識出站立期。
[0011]在一個實施例中，站立期的持續時間大于時間閾值。
[0012]在一個實施例中，動態閾值的初始值依據站立期而得到。
[0013]在一個實施例中，處理單元通過動態閾值運算程序的運算而得到動態閾值，動態閾值運算程序依據不同時間點的向量振幅信號來決定動態閾值。
[0014]在一個實施例中，向量振幅信號及動態閾值分別具有相同的第一時間點及第二時間點，當第二時間點的向量振幅信號的信號值大于或等于第一時間點的動態閾值時，第二時間點的動態閾值不改變。
[0015]在一個實施例中，當第二時間點的向量振幅信號的信號值小于第一時間點的動態閾值時，第二時間點的動態 閾值改變。
[0016]在一個實施例中，處理單元通過時間運算程序的運算而得到觸地期、站立期、推蹬期及擺動期所占的比例。
[0017]在一個實施例中，當推蹬期加上擺動期的時間和小于或等于觸地期的時間時，步態為下樓，當推蹬期的時間大于觸地期的時間時，步態為上樓。
[0018]在一個實施例中，步態分析方法還包括:由處理單元依據站立期、推蹬期、擺動期及觸地期計算步態的步數、步速、步長及步距。
[0019]承上所述，因本發明的步態分析方法及步態分析系統中，由感測單元感測步態并輸出感測信號，并由處理單元依據感測信號得到向量振幅信號及振幅累積信號。另外，再依據向量振幅信號、振幅累積信號辨識站立期、推蹬期、擺動期及觸地期，其中推蹬期、擺動期及觸地期依據動態閾值來決定。此外，再依據站立期、推蹬期、擺動期及觸地期步態進行分類。由此，可將受試者的步態進行分析及辨識，進而根據分析及辨識的結果供醫師提供給受試者有關醫療及健康方面的建議。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1A為本發明優選實施例的一種步態分析方法的流程示意圖。
[0021]圖1B為步態周期的示意圖。
[0022]圖2為本發明優選實施例的一種步態分析系統的功能方塊示意圖。
[0023]圖3A至圖3C分別為受試者行走時的向量振幅信號的波形示意圖。
[0024]圖4A至圖4C分別為受試者行走時的振幅累積信號的波形示意圖。
[0025]圖5A及圖5B分別為受試者行走時的另一振幅累積信號的波形示意圖。[0026]圖6為步態周期的信號波形示意圖。
[0027]圖7A至圖7C分別為受試者行走時的向量振幅信號及其對應的動態閾值的示意圖。
[0028]圖8為本發明的步態分類的判斷流程圖。
[0029]圖9為本發明優選實施例的一種步態分析方法的另一流程示意圖。
[0030]【符號說明】
[0031]1:步態分析系統
[0032]11:感測單元
[0033]12:處理單元
[0034]13:儲存單元
[0035]DT:動態閾值
[0036]SOl ~S05:步驟
[0037]Tp:推蹬期的時間
[0038]Th:觸地期的時間
[0039]Tw:擺動期的時間
[0040]TH2d:下邊界
[0041]TH2u:上邊界
【具體實施方式】
[0042]以下將參照相關附圖，說明依據本發明優選實施例的步態分析方法及步態分析系統，其中相同的元件將以相同的參考符號加以說明。
[0043]請參照圖1A、圖1B及圖2所示，其中，圖1A為本發明優選實施例的一種步態分析方法的流程示意圖，圖1B為步態周期(gait cycle)的示意圖,而圖2為本發明優選實施例的一種步態分析系統I的功能方塊示意圖。
[0044]本發明的步態分析方法由步態分析系統I實施。如圖2所不,步態分析系統I包括感測單元11、處理單元12以及儲存單元13，處理單元12分別與感測單元11及儲存單元13電性連接，且儲存單元13儲存復數個運算程序。另外，如圖1A所示，步態分析方法包括步驟SOl至步驟S04。
[0045]首先，步驟SOl為:由感測單元11感測步態并輸出感測信號，如圖1B所示，其中步態周期(即一個完整步伐)包含站立期(stance phase)、推瞪期(push-off phase)、擺動期(swing phase)及觸地期(heel-strike phase)。本發明的感測單元11為可穿戴式,并例如但不限于為三軸的加速度計或角速度計。在本實施例中，感測單元11以三軸的加速度計，并配戴于受試者的腳踝上為例，因此，感測信號為三方向的加速度信號(包含第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量，圖中未顯示)。其中，步驟SOl中所提到的步態可為一個步伐或復數個步伐，并包含至少一個完整的步態周期。
[0046]—個步態周期(即一個完整步伐)包含站立期、推蹬期、擺動期及觸地期。換言之，受試者配戴感測單元11并實際行走一段離后，感測信號即為行走該段距離所得到的三方向加速度信號。在此，“行走”指的是，受試者配戴感測單元11在平地上行走，或上樓梯，或下樓梯。另外，在進行步驟S02之前，處理單元12需先對感測信號進行信號的前處理，以降低基準線飄移(baseline drift)及高頻的噪聲對后續步態分析的影響。
[0047]接著，執行步驟S02:由處理單元12依據感測信號得到向量振幅信號及振幅累積信號。其中，在得到向量振幅信號及振幅累積信號的步驟S02中，處理單元12先通過儲存于儲存單元13的向量振幅運算程序的運算而得到向量振幅信號(以下稱為SVM，SignalVector Magnitude)。在此，向量振幅運算程序依據感測信號的第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量進行運算，且經由以下的方程序計算而得到向量振幅信號SVM:
[0048]
【權利要求】
1.一種步態分析方法，由步態分析系統實施，該步態分析系統包括感測單元、處理單元以及儲存單元，該處理單元分別與該感測單元及該儲存單元電性連接，該儲存單元儲存復數運算程序，該步態分析方法包括: 由該感測單元感測步態并輸出感測信號，其中步態周期包含站立期、推蹬期、擺動期及觸地期； 由該處理單元依據該感測信號得到向量振幅信號及振幅累積信號； 依據該向量振幅信號、該振幅累積信號辨識該站立期、該推蹬期、該擺動期及該觸地期，其中該推蹬期、該擺動期及該觸地期依據動態閾值來決定；以及 依據該站立期、該推蹬期、該擺動期及該觸地期對該步態進行分類。
2.根據權利要求1所述的步態分析方法，其中在得到該向量振幅信號及該振幅累積信號的步驟中，該處理單元通過向量振幅運算程序的運算而得到該向量振幅信號，并通過振幅累積運算程序的運算而得到該振幅累積信號。
3.根據權利要求2所述的步態分析方法，其中該向量振幅運算程序依據該感測信號的第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量進行運算，該振幅累積運算程序依據該向量振幅信號及該第二方向分量進行運算。
4.根據權利要求1所述的步態分析方 法，其中在辨識該站立期、該推蹬期、該擺動期及該觸地期的步驟中，該處理單元通過標準差運算程序對該振幅累積信號進行運算，該標準差運算程序包含由該振幅累積信號中計算標準差，并依據該振幅累積信號、該標準差及時間閾值在該振幅累積信號中辨識出該站立期。
5.根據權利要求4所述的步態分析方法，其中該站立期的持續時間大于該時間閾值。
6.根據權利要求4所述的步態分析方法，其中該動態閾值的初始值依據該站立期而得到。
7.根據權利要求6所述的步態分析方法，其中該處理單元通過動態閾值運算程序的運算而得到該動態閾值，該動態閾值運算程序依據不同時間點的該向量振幅信號來決定該動態閾值。
8.根據權利要求7所述的步態分析方法，其中該向量振幅信號及該動態閾值分別具有相同的第一時間點及第二時間點，當該第二時間點的該向量振幅信號的信號值大于或等于該第一時間點的該動態閾值時，該第二時間點的該動態閾值不改變。
9.根據權利要求8所述的步態分析方法，其中當該第二時間點的該向量振幅信號的信號值小于該第一時間點的該動態閾值時，該第二時間點的該動態閾值改變。
10.根據權利要求1所述的步態分析方法，其中于對該步態進行分類的步驟中，該處理單元通過時間運算程序的運算而得到該觸地期、該站立期、該推蹬期及該擺動期所占的比例。
11.根據權利要求10所述的步態分析方法，其中當該推蹬期加上該擺動期的時間和小于或等于該觸地期的時間時，該步態為下樓，當該推蹬期的時間大于該觸地期的時間時，該步態為上樓。
12.根據權利要求1所述的步態分析方法，更包括: 由該處理單元依據該站立期、該推蹬期、該擺動期及該觸地期計算該步態的步數、步速、步長及步距。
13.—種步態分析系統,包括: 感測單元，感測步態并輸出感測信號，其中步態周期包含站立期、推蹬期、擺動期及觸地期；以及 儲存單元，儲存復數運算程序；以及 處理單元，分別與該感測單元及該儲存單元電性連接，該處理單元依據該感測信號得到向量振幅信號及振幅累積信號，并依據該向量振幅信號、該振幅累積信號辨識該站立期、該推蹬期、該擺動期及該觸地期，以對該步態進行分類， 其中，該推蹬期、該擺動期及該觸地期依據動態閾值來決定。
14.根據權利要求13所述的步態分析系統，其中該處理單元通過向量振幅運算程序的運算而得到該向量振幅信號，并通過振幅累積運算程序的運算而得到該振幅累積信號。
15.根據權利要求14所述的步態分析系統，其中該向量振幅運算程序依據該感測信號的第一方向分量、第二方向分量及第三方向分量進行運算，該振幅累積運算程序依據該向量振幅信號及該第二方向分量進行運算。
16.根據權利要求13所述的步態分析系統，其中該處理單元提供標準差運算程序對該振幅累積信號進行運算，該標準差運算程序包含由該振幅累積信號中計算標準差，并依據該振幅累積信號、該標準差及時間閾值在該振幅累積信號中辨識出該站立期。
17.根據權利要求16所述的步態分析系統，其中站立期的持續時間大于該時間閾值。
18.根據權利要求13所述的步態分析系統，其中該處理單元通過動態閾值運算程序的運算而得到該動態閾值，該動態閾值運算程序依據不同時間點的該向量振幅信號來決定該動態閾值。
19.根據權利要求18所述的步態分析系統，其中該向量振幅信號及該動態閾值分別具有相同的第一時間點及第二時間點，當該第二時間點的該向量振幅信號的信號值小于該第一時間點的該動態閾值時，該第二時間點的該動態閾值改變。
20.根據權利要求13所述的步態分析系統，其中該處理單元通過時間運算程序的運算而得到該站立期、該推蹬期、該擺動期及該觸地期所占的比例，并依據該站立期、該推蹬期、該擺動期及該觸地期計算該步態的步數、步速、步長及步距。
【文檔編號】A61B5/11GK103519819SQ201310282004
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月5日 優先權日:2012年7月6日
【發明者】王振興, 林哲偉 申請人:王振興