TWI549655B - 關節活動度量測裝置及其量測方法 - Google Patents

Description

關節活動度量測裝置及其量測方法

本發明係關於一種量測裝置及其量測方法，特別關於一種關節活動度量測裝置及其量測方法。

由於人口老化及日常生活型態的改變，許多慢性疾病(例如中風、五十肩或退化性關節炎等)已經成為不可忽視的議題。這些慢性疾病除了帶給被量測者疼痛外，也對被量測者的關節活動度(range of motion)造成影響，進而讓被量測者產生日常生活上的活動障礙。

在臨床診斷上，醫師必須透過關節活動度的量測來判斷病患關節的嚴重程度，並給子適當的治療。在臨床治療與診斷上，這些慢性病都是需要透過復健來增加被量測者的身體活動功能，並由醫生或物理治療師透過量測關節活動度來了解病患治療後的恢復狀況。由此可知，關節活動度的量測對於醫師或物理治療師而言，都是評估人體關節疾病的重要指標之一。

目前，針對關節活動度的測量方式大多是利用人工量角器來進行重複性的測量，其不僅耗費大量的時間，甚至在量測的過程中也需要其他的輔助人力，才能量測到準確的數值。然而，利用人工量角器量測到的數據會因為醫師或治療師的經驗或量測時間的不同而產生誤差。換言之，同一個病患、同一個關節活動角度會因為不同醫師或治療 師而使量測到的數據有所不同；或者即便是同一個病患、同一個關節活動角度，再配合同一個醫師或治療師，但是在不同時間所量測到的數據亦可能會不同。因此，傳統的人工量角器具有相當的量測誤差，而且誤差甚至可大到超過10°。為了改善人工量角器的缺點，近年來，電子式量角器已孕育而生。雖然，電子式量角器量測關節活動度的優點是可大大的降低量測時間，但是還是需要專業的治療師進行手持量測，且其量測的數據也會因為電子式量角器所擺設位置的不同及醫師或治療師的經驗，或量測時間的不同而造成誤差。

請參照圖1A至圖1C所示，其分別為習知一種電子式量角器1進行肩關節活動度量測時的示意圖。

如圖1A及圖1B所示，於正常量測情況下，被量測者的手臂是由圖1A向前並往上舉起時移動到圖1B的位置，然而，如圖1C所示，假若被量測者手臂上舉時因故轉動手臂，則上臂的肌肉將產生不自主的轉動，此時，習知的電子式量角器1會因為上臂肌肉的不自主轉動而改變其位置，如此一來，可能會影響電子式量角器1量測時的準確度。另外，如果被量測者的手臂上舉時並沒有垂直往上，而是向兩側左、右偏移時，也會影響電子式量角器1量測時的準確度。

因此，如何提供一種關節活動度量測裝置及其量測方法，可克服量測關節活動度時肌肉的旋轉或移動姿勢的偏移所造成的量測誤差，以得到較高的精準度，已成為重要 課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可克服量測關節活動度時肌肉的旋轉或移動姿勢的偏移所造成的量測誤差，以得到較高的精準度之關節活動度量測裝置及其量測方法。

為達上述目的，依據本發明之一種關節活動度量測裝置係量測一關節的轉動角度，一人體具有一移動部與關節連接，關節活動度量測裝置包括一姿態感測單元、一姿態運算單元以及一活動度運算單元。姿態感測單元設置於移動部，並感測移動部由一第一位置移動至一第二位置，且輸出一感測訊號。姿態運算單元與姿態感測單元耦接，並將感測訊號轉換成一姿態訊號。活動度運算單元與姿態運算單元耦接，並依據姿態訊號計算姿態感測單元於第二位置之一天頂角，進而得到關節之轉動角度。

在一實施例中，關節活動度量測裝置係以穿戴方式設置於移動部。

在一實施例中，姿態感測單元包含一陀螺儀、一加速度計、一磁力計或一電子羅盤，或其組合。

在一實施例中，感測訊號包含移動部由第一位置移動至第二位置的位置變化所產生之一角速度、一加速度、一磁場強度、一地磁方位或其組合。

在一實施例中，姿態運算單元依據一三軸向的陀螺儀 所量測到的角速度經一次積分，以得到一姿態角。

在一實施例中，姿態運算單元依據一加速度計三軸向量測到地球重力分量，以得到一姿態角。

在一實施例中，姿態運算單元依據一磁力計三軸向量測到地磁強度利用地球磁場量測之地磁方位，以得到一姿態角。

在一實施例中，姿態運算單元依據一電子羅盤所量測到的地磁方位，以得到一姿態角。

在一實施例中，姿態運算單元依據角速度、加速度、磁場強度、地磁方位或其組合，以得到一姿態角。

在一實施例中，活動度運算單元接收姿態角，並產生一轉換矩陣。

在一實施例中，活動度運算單元將轉換矩陣乘上姿態感測單元於第一位置之一第一位置向量，以得到姿態感測單元於第二位置之一第二位置向量，進而得到天頂角。

在一實施例中，關節之轉動角度等於關節活動度之理想角度減去天頂角。

在一實施例中，關節之轉動角度等於天頂角。

為達上述目的，依據本發明之一種關節活動度量測方法係與一關節活動度量測裝置配合，並應用於量測一人體之一關節的轉動角度，人體更具有一移動部與關節連接。 其中，關節活動度量測裝置包含一姿態感測單元、一姿態運算單元及一活動度運算單元，而關節活動度量測方法包括以下步驟：藉由姿態感測單元感測移動部由一第一位置 移動至一第二位置，並輸出一感測訊號、藉由姿態運算單元將感測訊號轉換成一姿態訊號以及藉由活動度運算單元依據姿態訊號計算姿態感測單元於第二位置之一天頂角，進而得到關節之轉動角度。

在一實施例中，關節活動度量測方法更包括藉由活動度運算單元接收姿態角，並產生一轉換矩陣。

在一實施例中，關節活動度量測方法更包括藉由活動度運算單元將轉換矩陣乘上姿態感測單元於第一位置之一第一位置向量，以得到姿態感測單元於第二位置之一第二位置向量，進而得到天頂角。

承上所述，因本發明之關節活動度量測裝置及其量測方法係藉由姿態感測單元感測與被量測關節連接之移動部由一第一位置移動至一第二位置，且輸出一感測訊號，而姿態運算單元係將感測訊號轉換成一姿態訊號，另外，活動度運算單元係依據姿態訊號計算姿態感測單元於第二位置之一天頂角，進而得到關節之轉動角度。藉此，可克服量測關節活動度時肌肉的旋轉或移動姿勢的偏移所造成的量測誤差，以得到較高的精準度。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種關節活動度量測裝置及其量測方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖2A及圖2B所示，其分別為本發明較佳實施 例之一種關節活動度量測裝置2的量測示意圖及功能方塊示意圖。

本發明之關節活動度量測裝置2係可量測人體之一關節的轉動角度。其中，人體可具有一固定部F及一移動部M，且固定部F係可藉由關節與移動部M連接。其中，關節活動度量測裝置2係可設置於移動部M上。具體而言，以圖2A量測肩關節的活動度為例，以上臂與肩膀交點(肩峰突)為固定點，上臂與前臂成一直線向前、往上舉起的運動可稱為屈曲(Flexion)運動。其中，移動部M則為與(肩)關節連接之上臂的中間部分，而固定部F可包含肩膀及身體的部分。於此，係將關節活動度量測裝置2設置於上臂(移動部M)的中間部分。另外，舉膝關節為例，移動部M可為與膝關節連接之小腿，而固定部F可為大腿的部分，因此，本發明可視量測那一個關節的轉動角度而可對應的移動部M及固定部F。於此，並不加以限定。另外，本發明之關節活動度量測裝置2係可以穿戴方式設置於移動部M(上臂)上，並例如可以黏扣帶(俗稱魔鬼氈)將關節活動度量測裝置2掛設於移動部M(上臂)，藉此，量測到的數據不會因醫師或治療師擺設位置的不同，或量測經驗，或量測時間的不同而有所不同。

關節活動度量測裝置2包括一姿態感測單元21、一姿態運算單元22以及一活動度運算單元23。

如圖2A及圖2B所示，姿態感測單元21係設置於移動部M，並可感測移動部M由一第一位置P1移動至一第 二位置P2，因此，姿態感測單元21可感測上臂由第一位置P1移動至第二位置P2，並輸出一感測訊號SS。在本實施例中，如圖2A所示，第一位置P1即為姿態感測單元21於手臂下垂時朝向軸向-Z的位置，而第二位置P2即為手臂往前、往上抬至軸向Y時的位置。於圖2A中，關節活動度量測裝置2及姿態感測單元21係同時設置於移動部M，不過，也可只將姿態感測單元21設置於移動部M，而關節活動度量測裝置2之姿態運算單元22及活動度運算單元23，或其它的構件設置於其它位置，並藉由有線或無線傳輸等方式將姿態感測單元21輸出之感測訊號SS傳輸至姿態運算單元22及活動度運算單元23進行後續的處理即可。

姿態感測單元21例如可包含一陀螺儀、一加速度計、一磁力計或一電子羅盤，或上述儀器的組合，而上述之儀器可為單軸或多軸(例如三軸)，於此，係以三軸的陀螺儀，並量測到三軸向的角速度為例。另外，感測訊號SS可包含移動部M由第一位置P1移動至第二位置P2的位置變化所產生的一角速度、一加速度、一磁場強度、一地磁方位或其組合，且可包含多個軸向(例如三個軸向X、Y、Z)的角速度、加速度、磁場強度、地磁方位或其組合。另外，在其它的實施例中，關節活動度量測裝置更可包括一濾波單元(圖未顯示)，濾波單元可濾除姿態感測單元21中的慣性元件(例如上述之陀螺儀、加速度計、磁力計或電子羅盤，或其組合)本身的雜訊，或量測時動作的影 響(例如手部顫抖)及其他外界環境所造成之影響而導致感測訊號SS的誤差。

姿態運算單元22與姿態感測單元21耦接，並可將感測訊號SS轉換成一姿態訊號PS。其中，耦接可為實際導線的電性連接，或是為訊號的耦接。於此並不加以限制。其中，姿態運算單元22可依據一三軸向的陀螺儀由第一位置P1移動至第二位置P2的位置變化產生之角速度經過一次積分後，得到關節轉動的一姿態角(即姿態訊號PS)。或者，在其它的實施態樣中，姿態運算單元22亦可依據一加速度計由第一位置P1移動至第二位置P2的位置變化產生之地球重力的三軸向分量，得到關節轉動的之一姿態角(即姿態訊號PS)。或者，姿態運算單元22亦可依據一三軸向磁力計由第一位置P1移動至第二位置P2的位置變化產生之地磁強度或電子羅盤所量測之三軸向地磁方位，得到關節轉動的一姿態角(即姿態訊號PS)。因此，姿態運算單元22可依據關節活動度量測裝置2由第一位置P1移動到第二位置P2的位置變化產生之角速度、加速度、磁場強度或地磁方位或其組合，以得到關節活動度量測裝置2位置變化時之一姿態角。於此，係以姿態感測單元21依據關節活動度量測裝置2由第一位置P1移動到第二位置P2的位置變化產生之角速度，以得到關節活動度量測裝置2移動之姿態角為例。

請參照圖3所示，其中，軸向Xb、Yb、Zb為關節活動度量測裝置2之體座標系統(body coordinate)，軸向 Xr、Yr、Zr係為參考座標系統(reference coordinate)，而姿態角主要的功能在於獲得關節活動度量測裝置2之體座標系統與參考座標系統之間的相對角度或轉動關係。

姿態角可包含一滾轉角Φ(roll angle)、一俯仰角θ(pitch angle)及一偏航角ψ(yaw angle)。如圖3所示(圖3未顯示滾轉角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ)，滾轉角Φ係關節活動度量測裝置2沿著軸向Xb轉動之角度，其可由姿態感測單元21量測移動部M由第一位置P1移動到第二位置P2於軸向Xb的角速度Wx變化後，經由一次積分而得到。再者，在其它的實施態樣中，滾轉角Φ也可為關節活動度量測裝置2沿著軸向Xb轉動之角度，其可由姿態感測單元21量測移動部M由第一位置P1移動到第二位置P2中加速度計三軸向所量測地球重力分量的變化而得到。另外，俯仰角θ係關節活動度量測裝置2沿著軸向Yb轉動之角度，其可由姿態感測單元21量測移動部M由第一位置P1移動到第二位置P2於軸向Yb的角速度Wy的變化後，經由一次積分而得到。再者，在其它的實施態樣中，俯仰角θ也可為關節活動度量測裝置2沿著軸向Yb轉動之角度，其可由姿態感測單元21量測移動部M由第一位置P1移動到第二位置P2中加速度計三軸向所量測地球重力分量的變化而得到。此外，偏航角ψ係關節活動度量測裝置2沿著軸向Zb轉動之角度，其可由姿態感測單元21量測移動部M由第一位置P1移動到第二位置P2於軸向Zb的角速度Wz的變化後，經由一次積分而得到。再 者，在其它的實施態樣中，偏航角ψ也可為關節活動度量測裝置2沿著軸向Zb轉動之角度，其可由姿態感測單元21量測移動部M由第一位置P1移動到第二位置P2中磁力計所量測之磁場強度或電子羅盤所量測之地磁方位的變化而獲得。再者，滾轉角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ也可由姿態感測單元21量測移動部M由第一位置P1移動到第二位置P2之角速度、加速度、磁場強度或地磁方位、或其組合而獲得。於此，並不加以限制。

另外，請再參照圖2B所示，活動度運算單元23係與姿態運算單元22耦接，並可依據姿態訊號PS(即姿態角：滾轉角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ)計算姿態感測單元21於第二位置P2之一天頂角θ'，進而可得到關節之轉動角度。

請參照圖4所示，其為球座標系之一位置P'(γ',θ',)與直角坐標系(x,y,z)之間的相對關係示意圖。

球座標系統之位置P'係由逕向距離γ'、天頂角θ'及方位角所組成，如圖4所示，原點O與位置P'之間的徑向距離為γ'，原點O到位置P'的連線與軸向Z的正向方向之間的夾角為天頂角θ'，而原點O到位置P'的連線，在X-Y平面上的投影線與正軸向X之間的夾角係為方位角。其中，逕向距離γ'、天頂角θ'及方位角與直角座標系之X-Y-Z三軸之間的轉換關係如下： (1)。

另外，活動度運算單元23係可接收姿態運算單元22輸出的姿態角，並產生一轉換矩陣T。於此，轉換矩陣

因此，係可透過姿態感測單元21與姿態運算單元22獲得上臂由第一位置P1移動到第二位置P2的過程中，某一時間在三維空間中的姿態角變化，並且可利用姿態角變化而獲得某一時間的轉換矩陣T。於此，活動度運算單元23更可將轉換矩陣T乘上姿態感測單元21於第一位置P1之一第一位置向量V1，以得到姿態感測單元21於第二位置P2之一第二位置向量V2，進而可得到天頂角θ'。其運算式如下所示：V2=T×V1---方程式(3)。

其中，V1為前一個時間(例如第一位置P1的時間)在直角座標系中的位置向量，而V2為當下時間(例如第二位置P2的時間)在直角座標系中的位置向量。

最後，再藉由得到的天頂角θ'來獲得關節的轉動角度。其中，關節之轉動角度等於關節活動度之理想角度減去天頂角θ'，或者關節之轉動角度等於天頂角θ'。以下，仍以圖2A的例子進一步說明本發明之關節活動度量測裝置2是如何量測以及如何運算的過程。

請參照圖2A、圖5A及圖5B所示，其中，圖5A為 圖2A中，關節活動度量測裝置2量測肩關節之屈曲運動的俯視示意圖，而圖5B為關節活動度量測裝置2量測肩關節之另一側視示意圖。於此，仍以量測肩關節的屈曲運動，且如圖5B所示，上臂仍由第一位置P1移動至第二位置P2。

在本實施例中，係以被量測者之頭頂上方的方向設定為軸向Z之正向方向。其中，在初始時間時(即手臂下垂於第一位置P1時)，手臂之屈曲角度為0°，此時，姿態感測單元21所量測到之初始滾轉角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ皆為0°。另外，假設上臂與肩膀交點(肩峰突)為一不變之原點O，其座標為(0,0,0)，而上臂的中間位置(即設置關節活動度之姿態感測單元21的位置)的座標設為(0,0,-1)，藉由這兩點的座標可獲得第一位置向量V1為

當手臂由第一位置P1移動至第二位置P2時，姿態感測單元21感測到的滾轉角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ的變化分別為90°、0°、0°。因此，將滾轉角Φ、俯仰角θ及偏航角ψ的變化角度代入方程式(2)可得到：

再將轉換矩陣T代入方程式(3)，可得到於第二位置P2之第二位置向量V2等於轉換矩陣乘上第一位置向量V1

由於原點O的座標(0,0,0)是固定不變的，因此可得到於第二位置P2時，姿態感測單元21在直角座標系中的絕對位置為(0,1,0)。再將直角座標系的x=0、y=1及z=0代入方程式(1)，可求得天頂角θ'等於90°。由於本實施例係以被量測者之頭頂上方的方向設定為軸向Z之正向方向，故關節之轉動角度等於關節活動度之理想角度減去天頂角θ'。其中，所謂關節活動度之理想角度即是正常人的該關節之理想轉動角度。肩關節在屈曲運動時的理想轉動角度係為180°，故此時肩關節由第一位置P1轉動至第二位置P2之轉動角度為180°-90°=90°。因此，本發明可量測一患者的實際關節轉動角度，並透過上述的方程式(1)、(2)及(3)得到第二位置P2之移動部M的天頂角θ'，進而可得到關節的轉動角度。另外，再進一步說明的是，如圖5B所示，若一患者屈曲運動時，手臂上舉至一位置，經量測其姿態角變化後計算其天頂角θ'為45°時，則由圖5B之天頂角45°往右側對應，即可得到對應的肩關節轉動角度為135°，其餘可以此類推。

另外，請再參照圖5A所示，假設有一被量測者因故無法將手臂上舉至圖5A的實線位置，而是將手臂上舉但偏移至圖5A的虛線位置時，由圖5B中可發現，虛線位置之移動部M的天頂角θ'與正常上舉之手臂的天頂角θ'係相同的90°，故肩關節的轉動角度仍為90°。另外，若被 量測者的上臂肌肉因不自主轉動而改變姿態感測單元21的位置時，其天頂角也與正常上舉時之天頂角相同。

請參照圖5C為本發明之關節活動度量測裝置2量測肩關節之又一側視示意圖。

本實施態樣與圖5B主要的不用在於，圖5C係將被量測者之頭頂上方的方向設定為軸向Z之負向方向，並將被量測者之腳底下方的方向設定為軸向Z之正向方向。因此，姿態感測單元21的位置座標為(0,0,1)，經上述同樣的計算後可得到的天頂角θ'雖然仍是90°，但是其活動角度係等於天頂角θ'。換言之，若將被量測者之頭頂上方的方向設定為軸向Z之負向方向，並將被量測者之腳底下方的方向設定為軸向Z之正向方向，則經計算而得到的天頂角θ'實際上即等於關節的轉動角度。

此外，請參照圖6所示，關節活動度量測裝置2更可包括一訊號顯示及分析單元24，訊號顯示及分析單元24可接收關節之轉動角度，並顯示及分析關節的活動度。其中，訊號顯示及分析單元24例如可顯示量測數值並產生互動式介面，例如可由虛擬人物產生與所配戴肢體的部位相對應的動作，並可與使用者產生互動。另外，訊號顯示及分析單元24也可進行分析評估，以供醫師或治療師評估病患接受治療後的療效。

承上，本發明提出一種穿戴式人體關節活動度量測裝置2，並可將量測裝置配戴於病患的患肢或軀幹上面，藉此可收集人體肢體部位移動時所產生的運動訊號，而配戴 人體關節活動度量測裝置2之病患只需透過自主性的關節活動，便可透過姿態角的量測而得到天頂角θ'，進而計算其關節活動角度。因此，本發明之穿戴式人體關節活動度量測裝置2的佩戴方式簡易方便，且不會因配戴位置的差異而產生數據的偏差，更不會因為不同醫師與治療師的經驗及量測時間的關係而造成誤差，藉此可提供更客觀性的量測數據，以期有效地輔助醫生或治療師在臨床診斷上評估分析病患的關節治療情況。另外，本發明可克服量測關節活動度時肌肉的旋轉或移動姿勢的偏移所造成的量測誤差，並可得到較高的精準度。

請同時參照圖2B及圖7所示，其中，圖7為本發明較佳實施例之一種關節活動度量測方法的步驟流程圖。

本發明之關節活動度量測方法係與關節活動度量測裝置2配合，並應用於量測人體之關節的轉動角度，人體更具有移動部M與關節連接，而關節活動度量測裝置2可以穿戴方式設置於移動部M，並包含一姿態感測單元21、一姿態運算單元22及一活動度運算單元23。

本發明之關節活動度量測方法可包括以下的步驟S01~S03。

步驟S01為：藉由姿態感測單元21感測移動部M由第一位置P1移動至第二位置P2，並輸出感測訊號SS。於此，感測訊號SS可包含移動部M由第一位置P1移動至第二位置P2的位置變化所產生之一角速度、一加速度、一磁場強度、一地磁方位或其組合。

步驟S02為：藉由姿態運算單元22將感測訊號SS轉換成一姿態訊號PS。其中，姿態運算單元22可依據角速度、加速度、磁場強度、地磁方位或其組合，以得到一姿態角。

步驟S03為：藉由活動度運算單元23依據姿態訊號PS計算姿態感測單元21於第二位置P2之一天頂角θ'，進而得到關節之轉動角度。其中，係可藉由活動度運算單元23接收姿態角，並產生一轉換矩陣T。另外，藉由活動度運算單元23可將轉換矩陣T乘上姿態感測單元21於第一位置P1之一第一位置向量V1，以得到姿態感測單元21於第二位置P2之一第二位置向量V2，進而可得到天頂角θ'。其中，關節之轉動角度可等於關節活動度之理想角度減去天頂角θ'。或者，在另一實施例中，關節之轉動角度可等於天頂角θ'。

此外，本發明之關節活動度量測方法的其它技術特徵已於上述中詳述，於此不再贅述。

綜上所述，因本發明之關節活動度量測裝置及其量測方法係藉由姿態感測單元感測與被量測關節連接之移動部由一第一位置移動至一第二位置，且輸出一感測訊號，而姿態運算單元係將感測訊號轉換成一姿態訊號，另外，活動度運算單元係依據姿態訊號計算姿態感測單元於第二位置之一天頂角，進而得到關節之轉動角度。藉此，可克服量測關節活動度時肌肉的旋轉或移動姿勢的偏移所造成的量測誤差，以得到較高的精準度。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧電子式量角器

2‧‧‧關節活動度量測裝置

21‧‧‧姿態感測單元

22‧‧‧姿態運算單元

23‧‧‧活動度運算單元

24‧‧‧訊號顯示及分析單元

F‧‧‧固定部

M‧‧‧移動部

O‧‧‧原點

P'‧‧‧位置

P1‧‧‧第一位置

P2‧‧‧第二位置

PS‧‧‧姿態訊號

S01~S03‧‧‧步驟

SS‧‧‧感測訊號

Wx、Wy、Wz‧‧‧角速度

X、-X、Y、Z、-Z、Xb、Yb、Zb、Xr、Yr、Zr‧‧‧軸向

Φ‧‧‧滾轉角

θ‧‧‧俯仰角

θ'‧‧‧天頂角

ψ‧‧‧偏航角

γ'‧‧‧距離

‧‧‧方位角

圖1A至圖1C分別為習知一種電子式量角器進行肩關節活動度量測時的示意圖；圖2A及圖2B分別為本發明較佳實施例之一種關節活動度量測裝置的量測示意圖及功能方塊示意圖；圖3為本發明之關節活動度量測裝置之三個軸向的角速度示意圖；圖4為球座標系之一位置與直角坐標系之間的相對關係示意圖；圖5A為圖2A中，關節活動度量測裝置量測肩關節之屈曲運動的俯視示意圖；圖5B及圖5C分別為關節活動度量測裝置量測肩關節之另一側視示意圖；圖6為本發明較佳實施例之一種關節活動度量測裝置的另一功能方塊示意圖；以及圖7為本發明較佳實施例之一種關節活動度量測方法的步驟流程圖。

2‧‧‧關節活動度量測裝置

21‧‧‧姿態感測單元

22‧‧‧姿態運算單元

23‧‧‧活動度運算單元

SS‧‧‧感測訊號

PS‧‧‧姿態訊號

Claims (17)

1. 一種關節活動度量測裝置，係量測一人體之一關節的轉動角度，該人體更具有一移動部與該關節連接，該關節活動度量測裝置包括：一姿態感測單元，設置於該移動部，並感測該移動部由一第一位置移動至一第二位置，且輸出一感測訊號；一姿態運算單元，與該姿態感測單元耦接，並將該感測訊號轉換成一姿態訊號，其中該姿態訊號包含一姿態角；以及一活動度運算單元，與該姿態運算單元耦接，該活動度運算單元接收該姿態角，並產生一轉換矩陣，且該活動度運算單元更依據該轉換矩陣計算該姿態感測單元於該第二位置之一天頂角，進而得到該關節之轉動角度，其中該活動度運算單元將該轉換矩陣乘上該姿態感測單元於該第一位置之一第一位置向量，以得到該姿態感測單元於該第二位置之一第二位置向量，進而得到該天頂角。
2. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置，其中該關節活動度量測裝置係以穿戴方式設置於該移動部。
3. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置，其中該姿態感測單元包含一陀螺儀、一加速度計、一磁力計或一電子羅盤，或其組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置，其中該感測訊號包含該移動部由該第一位置移動至該第二位置的位置變化所產生之一角速度、一加速度、一磁場強度或一地磁方位，或其組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置，其中該姿態運算單元依據一三軸向的陀螺儀所量測到的角速度經一次積分，以得到該姿態角。
6. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置，其中該姿態運算單元依據一加速度計三軸向量測到的地球重力分量，以得到該姿態角。
7. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置，其中該姿態運算單元依據一磁力計三軸向量測到的地磁強度利用地球磁場量測之地磁方位，以得到該姿態角。
8. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置，其中該姿態運算單元依據一電子羅盤所量測到的地磁方位，以得到該姿態角。
9. 如申請專利範圍第4項所述之關節活動度量測裝置，其中該姿態運算單元依據該角速度、該加速度、該磁場強度或該地磁方位，或其組合，以得到該姿態角。
10. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置，其中該關節之轉動角度等於該關節活動度之理想角度減去該天頂角。
11. 如申請專利範圍第1項所述之關節活動度量測裝置， 其中該關節之轉動角度等於該天頂角。
12. 一種關節活動度量測方法，係與一關節活動度量測裝置配合，並應用於量測一人體之一關節的轉動角度，該人體更具有一移動部與該關節連接，該關節活動度量測裝置包含一姿態感測單元、一姿態運算單元及一活動度運算單元，該關節活動度量測方法包括以下步驟：藉由該姿態感測單元感測該移動部由一第一位置移動至一第二位置，並輸出一感測訊號；藉由該姿態運算單元將該感測訊號轉換成一姿態訊號，其中該姿態訊號包含一姿態角；以及藉由該活動度運算單元接收該姿態角，並依據該姿態角產生一轉換矩陣，且更依據該轉換矩陣計算該姿態感測單元於該第二位置之一天頂角，進而得到該關節之轉動角度，其中藉由該活動度運算單元將該轉換矩陣乘上該姿態感測單元於該第一位置之一第一位置向量，以得到該姿態感測單元於該第二位置之一第二位置向量，進而得到該天頂角。
13. 如申請專利範圍第12項所述之關節活動度量測方法，其中該關節活動度量測裝置係以穿戴方式設置於該移動部。
14. 如申請專利範圍第12項所述之關節活動度量測方法，其中該感測訊號包含該移動部由該第一位置移動至該第二位置的位置變化所產生之一角速度、一加速度、 一磁場強度、一地磁方位或其組合。
15. 如申請專利範圍第14項所述之關節活動度量測方法，其中該姿態運算單元依據該角速度、該加速度、該磁場強度或該地磁方位，或其組合，以得到該姿態角。
16. 如申請專利範圍第12項所述之關節活動度量測方法，其中該關節之轉動角度等於該關節活動度之理想角度減去該天頂角。
17. 如申請專利範圍第12項所述之關節活動度量測方法，其中該關節之轉動角度等於該天頂角。