CN106419836A - 平衡分析评估装置及其分析评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的题目是平衡分析评估装置及其分析评估方法。一种平衡分析评估装置包括一量测模块、一平衡参数运算模块以及一平衡能力分析模块。量测模块感测一受测者执行静态平衡或动态平衡的动作而产生至少一平衡感测讯号。平衡参数运算模块依据平衡感测讯号进行一质量中心偏移速度分析与一质量中心偏移轨迹分析而产生一质量中心偏移轨迹讯号，进而产生复数个质量中心晃动参数。平衡能力分析模块依据所述质量中心晃动参数进行平衡能力分析，以产生一平衡能力分析结果。本发明亦揭露一种平衡分析评估方法。
Description
技术领域
本发明是关于一种分析评估装置及其分析评估方法，特别关于一种人体的平衡分析评估装置及其分析评估方法。
背景技术
随着国人生活水平以及医疗质量的提升，老年人口的比例也逐年提高。依据调查及推估，我国台湾老人人口所占的全国人口比例，从1991年的6.5％预估到2016年会上升到13.0％，而在2018年更将达到15％。因此，老年人口的增加，使得年长者的长期照护已成为当今社会广泛重视的一个议题。
在年长者(或称身体机能退化者)的长期照护中，预防跌倒往往是最为重要的议题之一。由于身体机能退化，所以跌倒往往会造成年长者相当大的伤害，甚至造成生命的丧失。造成年长者跌倒的主因一般为年长者本身的平衡能力不佳或是身体肌力退化等因素。因此，如何随时且长期监测与关注年长者的平衡感问题，及早且适时地给与年长者平衡感与肌力的训练，对于防范年长者跌倒及长期照护皆是一大重要帮助。
另外，对于许多老年疾病，例如失智症(Dementia)、阿兹海默氏症(Alzheimer’sdisease，AD)或帕金森氏症(Parkinson disease，PD)等等，平衡感失调亦为病症发生的前期征兆之一。对于上述疾病而言，若能在发病初期即给予及早治疗并稳定病情，对于病患、家属及社会而言皆是一大福音。因此，如果可以随时且长期监测与关注年长者的平衡感问题，进而评估跌倒的风险及罹患疾病的可能性，且适时地给予训练与治疗，对于年长者长期照护及疾病预防与治疗是相当重要的。
目前医护人员常见的平衡评估方式是透过受测者维持站姿时间及晃动程度进行平衡感的评估，以量测受测者维持平衡时压力中心(Center of Pressure，COP)的晃动位移变化，而常见的评估工具包含了压力板与测力板。然而，这些评估工具往往价值高昂，体积庞大需要较大的量测空间，而且更不具可移植 性，因此，往往只有在医疗院所进行定点式的量测评估，如此一来将造成了年长者量测时的不便性，也无法随时且长期地进行平衡感监测，以达到早期训练及预防治疗的目的。
此外，在已发表的文献资料中，例如发表于【IEEE JOURNAL OF BIOMEDICAL ANDHEALTH INFORMATICS，VOL 18，NO.6，NOVEMBER 2014】的一篇论文：“Gait and BalanceAnalysis for Patients With Alzheimer’s Disease Using an Inertial-Sensor-BasedWearable Instrument”中提到，可利用加速度讯号计算倾斜角度，再得到一前后轴(anterior-posterior axis，AP)方向晃动及一内外侧轴(medial-lateral axis，ML)方向晃动的身体质量中心(Center of Mass，COM)的平均偏移速度来当作平衡或跌倒的评估参数，再利用统计的方式来计算正常人与患者在前后轴与内外侧轴的平均偏移轨迹在统计上的差异，以当作平衡或跌倒判定的基准。如此一来，仅能分别探讨前后轴及内外侧轴的移动速度与偏移轨迹在平衡或跌倒时的差异性，并没有将所述参数进行融合来做进一步地探讨平衡能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种可提供更客观性的人体平衡能力量化评估数据，以期有效地辅助平衡感功能的检测，以提升平衡能力检测工具的可移植性、便利性及准确性，进而有助于平衡感与肌力的训练、预防老年人跌倒以及老年疾病的早期预防治疗的平衡分析评估装置及其分析评估方法。
为达上述目的，依据本发明的一种平衡分析评估装置，包括一量测模块、一平衡参数运算模块以及一平衡能力分析模块。量测模块感测一受测者执行静态平衡或动态平衡的动作而产生至少一平衡感测讯号。平衡参数运算模块依据平衡感测讯号进行一质量中心偏移速度分析与一质量中心偏移轨迹分析而产生一质量中心偏移轨迹讯号，进而产生复数个质量中心晃动参数，其中所述质量中心晃动参数选自一前后轴方向最大晃动幅度、一内外侧轴方向最大晃动幅度、以所述前后轴方向最大晃动幅度及所述内外侧轴方向最大晃动幅度为长短轴半径的一椭圆面积、固定百分比的所述椭圆面积的轨迹点个数及 所述前后轴方向与所述内外侧轴方向所构成平面的轨迹乱度所构成的群组。平衡能力分析模块依据所述质量中心晃动参数进行平衡能力分析，以产生一平衡能力分析结果。
为达上述目的，依据本发明的一种平衡分析评估方法，与一平衡分析评估装置配合，并用以评估一受测者的平衡能力程度，平衡分析评估装置包含一量测模块、一平衡参数运算模块及一平衡能力分析模块，分析评估方法包含以下步骤：由量测模块感测受测者执行静态平衡或动态平衡的动作而产生至少一平衡感测讯号；由平衡参数运算模块依据平衡感测讯号进行一质量中心偏移速度分析与一质量中心偏移轨迹分析而产生一质量中心偏移轨迹讯号，进而产生复数个质量中心晃动参数，其中所述质量中心晃动参数选自一前后轴方向最大晃动幅度、一内外侧轴方向最大晃动幅度、以前后轴方向最大晃动幅度及内外侧轴方向最大晃动幅度为长短轴半径的一椭圆面积、固定百分比的椭圆面积的轨迹点个数及前后轴方向与内外侧轴方向所构成平面的轨迹乱度所构成的群组；以及由平衡能力分析模块依据所述质量中心晃动参数进行平衡能力分析，以产生一平衡能力分析结果。
在一实施例中，量测模块包含一加速度计或一陀螺仪，或其组合，且平衡感测讯号包含一加速度讯号或一角速度讯号，或其组合。
在一实施例中，平衡参数运算模块更包含一倾斜角度运算单元，倾斜角度运算单元依据加速度讯号或角速度讯号，或其组合进行一质量中心倾斜角度分析，以产生一质量中心倾斜角度讯号。
在一实施例中，平衡参数运算模块更包含一质量中心偏移速度运算单元，质量中心偏移速度运算单元依据质量中心倾斜角度讯号进行质量中心偏移速度分析，以产生一质量中心偏移速度讯号。
在一实施例中，质量中心偏移速度分析包含计算受测者每个取样时间点的量测模块与地面的距离、计算每个取样时间点的身体质量中心的偏移量及计算每个取样时间点的身体质量中心的平均偏移速度。
在一实施例中，平衡参数运算模块更包含一质量中心偏移轨迹运算单元，质量中心偏移轨迹运算单元依据质量中心偏移速度讯号进行质量中心偏移轨 迹分析而产生质量中心偏移轨迹讯号。
在一实施例中，平衡参数运算模块更包含一质量中心晃动参数运算单元，质量中心晃动参数运算单元依据质量中心偏移轨迹讯号进行一质量中心晃动程度分析，以产生所述质量中心晃动参数。
在一实施例中，平衡分析评估装置更包括：一认知功能评估模块，其依据所述质量中心晃动参数及平衡能力分析结果，以产生一认知功能评估结果。
在一实施例中，认知功能评估模块包含一认知功能数据库单元与一认知功能评估单元，认知功能数据库单元是储存至少一认知功能检测信息，认知功能检测信息包含一认知功能实际分数，且认知功能评估单元依据所述质量中心晃动参数、平衡能力分析结果及认知功能检测信息而产生认知功能评估结果。
在一实施例中，平衡分析评估装置更包括：一跌倒评估模块，其依据所述质量中心晃动参数及平衡能力分析结果，以产生一跌倒评估结果。
在一实施例中，跌倒评估模块包含一跌倒评估数据库单元与一跌倒评估单元，跌倒评估数据库单元是储存至少一跌倒评估检测信息，跌倒评估检测信息包含一跌倒评估实际分数，且跌倒评估单元依据所述质量中心晃动参数、平衡能力分析结果及跌倒评估检测信息而产生跌倒评估结果。
在一实施例中，在产生所述质量中心晃动参数的步骤中，其藉由平衡参数运算模块之一倾斜角度运算单元依据平衡感测讯号之一加速度讯号或一角速度讯号，或其组合进行一质量中心倾斜角度分析而产生一质量中心倾斜角度讯号。
在一实施例中，在产生所述质量中心晃动参数的步骤中，更藉由平衡参数运算模块之一质量中心偏移速度运算单元依据质量中心倾斜角度讯号进行质量中心偏移速度分析而产生一质量中心偏移速度讯号。
在一实施例中，质量中心偏移速度分析包含计算受测者每个取样时间点的量测模块与地面的距离、计算每个取样时间点的身体质量中心的偏移量及计算每个取样时间点的身体质量中心的平均偏移速度。
在一实施例中，在产生所述质量中心晃动参数的步骤中，更藉由平衡参数 运算模块的一质量中心偏移轨迹运算单元依据质量中心偏移速度讯号进行质量中心偏移轨迹分析而产生质量中心偏移轨迹讯号。
在一实施例中，在产生所述质量中心晃动参数的步骤中，更藉由平衡参数运算模块的一质量中心晃动参数运算单元依据质量中心偏移轨迹讯号进行一质量中心晃动程度分析而产生所述质量中心晃动参数。
在一实施例中，分析评估方法更包括以下步骤：由一认知功能评估模块依据所述质量中心晃动参数及平衡能力分析结果而产生一认知功能评估结果。
在一实施例中，分析评估方法更包括以下步骤：由一跌倒评估模块依据所述质量中心晃动参数及平衡能力分析结果而产生一跌倒评估结果。
在一实施例中，于产生跌倒评估结果的步骤中，更藉由跌倒评估模块的一跌倒评估单元依据所述质量中心晃动参数、平衡能力分析结果及跌倒评估模块的一跌倒评估数据库单元所储存至少一跌倒评估检测信息而产生跌倒评估结果。
承上所述，因本发明的平衡分析评估装置及其分析评估方法中，其藉由量测模块感测受测者执行静态平衡或动态平衡的动作而产生至少一平衡感测讯号，再藉由平衡参数运算模块依据平衡感测讯号进行质量中心偏移速度分析与质量中心偏移轨迹分析而产生质量中心偏移轨迹讯号，进而产生复数个质量中心晃动参数，其中所述质量中心晃动参数选自一前后轴方向最大晃动幅度、一内外侧轴方向最大晃动幅度、以前后轴方向最大晃动幅度及内外侧轴方向最大晃动幅度为长短轴半径的椭圆面积、固定百分比的椭圆面积的轨迹点个数及前后轴方向与内外侧轴方向所构成平面的轨迹乱度所构成的群组；之后，再藉由平衡能力分析模块依据所述质量中心晃动参数进行平衡能力分析，以产生平衡能力分析结果。藉此，相较于习知的平衡评估工具而言，本发明的平衡分析评估装置及其分析评估方法可提供更客观性的人体平衡能力量化评估数据，以期有效地辅助平衡感功能的检测，以提升平衡能力检测工具的可移植性、便利性及准确性，进而有助于平衡感与肌力的训练、预防老年人跌倒以及老年疾病的早期预防治疗。
附图说明
图1A为本发明较佳实施例的一种平衡分析评估装置的功能方块示意图。
图1B为本发明较佳实施例的一种平衡分析评估方法的步骤流程图。
图2A为身体质量中心轨迹投影的各坐标轴的示意图。
图2B为于执行平衡动作时，一实施例的身体质量中心的投影轨迹示意图。
图2C至图2E分别为一实施例的平均偏移轨迹曲线的示意图。
图3A为本发明较佳实施例的另一平衡分析评估装置的功能方块示意图。
图3B为配合图3A的平衡分析评估装置的平衡分析评估方法的步骤流程图。
图4A为本发明较佳实施例的又一平衡分析评估装置的功能方块示意图。
图4B为配合图4A的平衡分析评估装置的平衡分析评估方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的一种平衡分析评估装置及其分析评估方法，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。
本发明提出一种配戴于腰部(例如后腰部)的可携式平衡分析评估装置，所述可携式的平衡分析评估装置可记录人体执行静态平衡或动态平衡时所产生感测讯号，进而进行人体质量中心(COM)晃动偏移分析而产生特征参数，以评估人体的平衡能力。相较于习知使用压力板或测力板所产生的压力中心(COP)的晃动位移变化，本发明更能够正确评估受测者本身的平衡能力。
请参照图1A并配合图1B所示，以说明本发明较佳实施例的一种平衡分析评估装置1及其分析评估方法。其中，图1A为本发明较佳实施例的一种平衡分析评估装置1的功能方块示意图，而图1B为本发明较佳实施例的一种平衡分析评估方法的步骤流程图。
如图1A所示，平衡分析评估装置1包括一量测模块11、一平衡参数运算模块12以及一平衡能力分析模块13。另外，如图1B所示，本发明的平衡分析评估方法与平衡分析评估装置1配合，并用以评估受测者的平衡能力程 度。其中，平衡分析评估方法包含步骤S01至步骤S03。
首先，步骤S01为：由量测模块11感测一受测者执行静态平衡或动态平衡的动作而产生至少一平衡感测讯号S1。本实施例中，量测模块11可配载于受测者的(后)腰部，藉此感测受测者执行静态平衡，例如站立平衡时的平衡动作，或执行动态平衡，例如计时起走(Timed Up&Go test，TUGT)时的平衡动作。其中，站立平衡测验可例如包含双脚并拢站立、一脚在前一脚在后站立、单脚站立等多种站立方式，且又可分为睁眼及闭眼测试。而计时起走测验的测验方式可例如为：受测者于一椅子上坐稳后，起身往前行走3公尺后，转身折返并返回座位转身坐下，以透过整体测验的执行时间、起身时间及坐下时间进行身体的平衡评估。
量测模块11可包含一加速度计111或一陀螺仪112，或上述仪器的组合，而上述仪器可为单轴或多轴(例如三轴)。因此，平衡感测讯号S1可包含一加速度讯号或一角速度讯号，或其组合。如图1A所示，本实施例的量测模块11是以包含一三轴的加速度计111与一三轴的陀螺仪112的组合为例。不过，在其它的实施例中，量测模块11也可只具有一个惯性传感器，例如加速度计111，或是陀螺仪112，并不限定。
加速度计111主要是用来量测受测者执行静态平衡或动态平衡时的加速度值；当受测者执行平衡的动作时，加速度计111所量测到的加速度讯号，包含待测者动作时所产生的运动加速度及重力加速度。另外，陀螺仪112主要用来量测待测者动作时的相对旋转角速度。其中，陀螺仪112量测的角速度必须经过一次积分方能获得角度讯号。要再说明的是，量测模块11更可包括一滤波单元(图未显示)，滤波单元可滤除量测模块11中的惯性组件(例如上述的加速度计111、陀螺仪112)本身的噪声，或可滤除量测时动作的影响及其它外界环境所造成的影响而导致平衡感测讯号S1的误差。
由量测模块11得到平衡感测讯号S1后，可进行步骤S02：由平衡参数运算模块12依据平衡感测讯号S1进行一质量中心偏移速度分析与一质量中心偏移轨迹分析而产生一质量中心偏移轨迹讯号S4，进而产生复数个质量中心晃动参数P。其中，所述质量中心晃动参数P至少选自一前后轴(AP)方向 最大晃动幅度、一内外侧轴(ML)方向最大晃动幅度、以前后轴(AP)方向最大晃动幅度及内外侧轴(ML)方向最大晃动幅度为长短轴半径之一椭圆面积、固定百分比的椭圆面积的轨迹点个数及前后轴(AP)方向与内外侧轴(ML)方向所构成平面的轨迹乱度所构成的群组。以下将详细说明。
如图1A所示，本实施例的平衡参数运算模块12包含一倾斜角度运算单元121、一质量中心偏移速度运算单元122、一质量中心偏移轨迹运算单元123及质量中心晃动参数运算单元124。
于此，其藉由倾斜角度运算单元121依据平衡感测讯号S1的加速度讯号或角速度讯号，或其组合，进行一质量中心倾斜角度分析而产生一质量中心倾斜角度讯号S2。本实施例的倾斜角度运算单元121是利用加速度计111所产生的加速度讯号与陀螺仪112所产生的角速度讯号来进行质量中心倾斜角度分析，进而产生质量中心倾斜角度讯号S2。
请参照图2A所示，其为身体质量中心轨迹投影的各坐标轴的示意图。
倾斜角度运算单元121的运算过程如下：先由加速度计111量测在执行平衡动作时，每个取样时间点(t)的三轴加速度讯号(ax(t)，ay(t)，az(t))。其中，ax(t)，ay(t)，az(t)分别代表X-Y-Z三轴于执行平衡能力量测时各取样时间点(t)的加速度讯号；接着，再计算各取样时间点(t)的加速度讯号(ax(t)，ay(t)，az(t))的讯号强度向量(signal vectormagnitude，SVM)。其算式为：
之后，再利用讯号强度向量(SVM)计算各个轴向的定向余弦值(即cosα(t)，cosβ(t)，cosγ(t))。其中，cosα(t)，cosβ(t)，cosγ(t)分别为每个取样时间点(t)中三轴的加速度讯号相对于加速度讯号强度向量(SVM)的定向余弦值，而α(t)，β(t)，γ(t)分别为每个取样时间点(t)中，三轴加速度讯号与加速度讯号强度向量(SVM)之间的角度，此角度即为质量中心倾斜角度，其讯号即为质量中心倾斜角度讯号S2。
不过，在另一实施例中，若量测模块11只有一个陀螺仪112时，可利用陀螺仪112量测执行平衡动作量测时每个取样时间点(t)的三轴角速度讯号 (ωx(t)，ωy(t)，ωz(t))；接着，将各个轴向的角速度讯号(ωx(t)，ωy(t)，ωz(t))进行一次积分后，即可获得各个轴向在执行平衡能力量测时的旋转角度(α(t)，β(t)，γ(t))，此旋转角度(α(t)，β(t)，γ(t))即为质量中心倾斜角度。其算式如下所示：
另外，本实施例更藉由质量中心偏移速度运算单元122依据质量中心倾斜角度讯号S2进行质量中心偏移速度分析，以产生一质量中心偏移速度讯号S3。其中，质量中心偏移速度分析包含以下动作：计算受测者每个取样时间点(t)的量测模块11(即加速度计111、陀螺仪112)与地面的距离、计算每个取样时间点(t)的身体质量中心(COM)的偏移量，以及计算每个取样时间点(t)的身体质量中心(COM)的平均偏移速度(其讯号即为质量中心偏移速度讯号S3)。以下说明其内容。
于此，如图2A所示，可利用使用者的腰部至地面的距离Sh及Z轴的定向余弦值(cosγ(t))来计算量测模块11放置的人体位置与地面的距离：D(t)。其算式如下所示：
D(t)＝Sh/cosγ(t)
其中，Sh为使用者的腰部至地面的距离(即量测模块11与地面的距离)。于此，可利用人体黄金比例，将Sh设定为0.618乘上受测者的身高；或者在临床量测上，Sh也可为实际量测受测者腰部至地面的距离。
接着，请参照图2B所示，其为于执行平衡动作时，一实施例的身体质量中心(COM)的投影轨迹示意图。
利用距离(D(t))与X轴的定向余弦值(cosα(t))可计算每个取样时间点(t)的身体质量中心(COM)在身体内外侧轴(ML，即图2B的X轴)方向上 的偏移量dx(t)。另外，更可利用距离(D(t))与Y轴的定向余弦值(cosβ(t))计算每个取样时间点(t)的身体质量中心(COM)在身体前后轴(AP，即图2B的Y轴)方向上的偏移量dy(t)。其算式分别如下：
dx(t)＝D(t)cosα(t)
dy(t)＝D(t)cosβ(t)
接着，再将每个取样时间点(t)间身体质量中心(COM)在身体内外侧轴(ML)方向上偏移量(dx(t))的差值相加，再除以执行平衡任务时间，即为身体质量中心(COM)在身体内外侧轴(ML)方向的平均偏移速度(VML)。其算式如下所示：
另外，再将每个取样时间点(t)间身体质量中心(COM)在身体前后轴(AP)方向上偏移量(dy(t))的差值相加，再除以执行平衡任务时间，即为身体质量中心(COM)在身体前后轴(AP)方向的平均偏移速度(VAP)。其算式如下所示(讯号VML与VAP即为质量中心偏移速度讯号S3)：
之后，再藉由质量中心偏移轨迹运算单元123依据质量中心偏移速度讯号S3进行质量中心偏移轨迹分析而产生质量中心偏移轨迹讯号S4。其中，质量中心偏移轨迹讯号S4包含受测者身体质量中心在内外侧轴(ML)方向的偏移轨迹讯号与前后轴(AP)方向的偏移轨迹讯号。
于此，其将每个取样时间点(t)间的身体质量中心(COM)在身体内外侧轴(ML)方向上偏移量(dx(t))的差值相加，即为身体质量中心(COM)在身体内外侧轴(ML)方向的偏移轨迹(PML)。另外，更将每个取样时间点(t)间身体质量中心(COM)在身体前后轴(AP)方向上偏移量(dy(t))的差值相加，即为身体质量中心(COM)在身体前后轴(AP)方向的偏移轨迹(PAP)。其算式分别如下所示(讯号PML与PAP即为质量中心偏移轨迹讯号S4)：
最后，再藉由质量中心晃动参数运算单元124依据质量中心偏移轨迹讯号S4进行一质量中心晃动程度分析而产生所述质量中心晃动参数P。
请配合参照图2C至图2E所示，以说明如何得到上述的质量中心晃动参数P。其中，图2C至图2E分别为一实施例的平均偏移轨迹曲线T的示意图。于此，图2C至图2E中所显示的平均偏移轨迹曲线T为受测者执行一静态平衡测验的平均偏移轨迹曲线，且平均偏移轨迹曲线T可被一椭圆C所涵盖。于此，其将椭圆C的长短轴半径(r1、r2)分别定义为平均偏移轨迹PAP的最大晃动幅度及平均偏移轨迹PML的最大晃动幅度。
所述质量中心晃动参数P可选自以下第(1)项至第(21)项中的任一项的参数或所述参数所构成的任何群组。第(1)项至第(21)项的定义为：(1)前后轴(AP)方向最大晃动幅度(即图2C的椭圆C的长轴半径r1)、(2)内外侧轴(ML)方向最大晃动幅度(即图2C的椭圆C的短轴半径r2)、(3)以前后轴(AP)方向及内外侧轴(ML)方向最大晃动幅度为长短轴半径(r1、r2)的椭圆面积(即图2D的椭圆C的面积，椭圆C面积＝C1+C2+C3+C4)、(4)椭圆C最大半径的0％～25％面积的轨迹点个数(即图2E面积C1的轨迹点个数)、(5)椭圆C最大半径的25％～50％面积的轨迹点个数(即图2E面积C2的轨迹点个数)、(6)椭圆C最大半径的50％～75％面积的轨迹点个数(即图2E面积C3的轨迹点个数)、(7)椭圆C最大半径的75％～100％面积的轨迹点个数(即图2E面积C4的轨迹点个数)、(8)椭圆C最大半径的大于100％面积的轨迹点个数(即图2E的椭圆C外部的轨迹点个数)、(9)椭圆C最大半径的0％～25％面积的轨迹点个数占所有轨迹点的百分比、(10)椭圆C最大半径的25％～50％面积的轨迹点个数占所有轨迹点的百分比、(11)椭圆C最大半径的50％～75％面积的轨迹点个数占所有轨迹点的百分比、(12)椭圆C最大半径的75％～100％面积的轨迹点个数占所有轨迹点的百分比、(13)椭圆 C最大半径的大于100％面积的轨迹点个数占所有轨迹点的百分比、(14)前后轴(AP)方向轨迹的平均值、(15)内外侧轴(ML)方向轨迹的平均值、(16)前后轴(AP)方向轨迹的标准差、(17)内外侧轴(ML)方向轨迹的标准差、(18)前后轴(AP)方向轨迹的变异性、(19)内外侧轴(ML)方向轨迹的变异性、(20)前后轴(AP)方向-内外侧轴(ML)所构成平面的轨迹乱度、(21)前后轴(AP)方向-内外侧轴(ML)方向-时间的三维空间轨迹乱度。其中，当质量中心晃动参数P选自上述第(1)项至第(21)项的数量越多时，其对质量中心晃动程度分析的准确性越高。
于上述的二维平面(前后轴(AP)方向-内外侧轴(ML))的轨迹乱度中，乱度(Entropy)是指用来描述混乱的程度，公式定义为：
上式中的P(w)可为自行定义的机率公式。上述公式将定义范围(k到1)内所有的P(w)logP(w)加总。因此，投影轨迹为二维的讯号(PML、PAP)，其前后轴(AP)方向-内外侧轴(ML)所构成平面的轨迹乱度(H)可为：
上式中x的范围为介在内外侧轴(ML)的最大(PMLmax)与最小值(PMLmin)之间；y的范围为介在前后轴(AP)的最大(PAPmax)与最小值(PAPmin)之间。另外，上述的机率公式可自行定义，于此，以高斯分布为例，其机率公式可定义如下：
其中，上式中的和分别是所有投影轨迹的PML值平均以及PAP值平均。σx和σy则分别是所有投影轨迹的PML值的标准差以及PAP值的标准差。
此外，再特别说明的是，相较于先前技术所提到的论文，本案技术具有以下的特点或优点：
1、先前技术的论文只利用加速度讯号来计算倾斜角度，进而进行后续的运算。而本实施例的技术除了利用加速度计111所产生的加速度讯号来计算倾斜角度外，更加入陀螺仪112所量测到的角速度讯号来计算倾斜角度。2、除了在倾斜角度计算时的讯号来源不同以外，先前技术的论文与本案在计算得到前后轴(AP)方向晃动及内外侧轴(ML)方向晃动后的后续运算亦不同。说明如下：
先前技术的论文在得到前后轴(AP)方向与内外侧轴(ML)方向的身体质量中心(COM)的平均偏移速度(VML、VAP)后，仅利用统计的方式来计算正常人与受测者在PML与PAP两参数值在统计上的差异。但是，本案技术在得到前后轴(AP)方向与内外侧轴(ML)的身体质量中心(COM)的平均偏移速度(VML、VAP)后，更进一步地去计算平均偏移轨迹(PML、PAP)，并且计算平均偏移轨迹PML、PAP的最大晃动幅度，进而分别将其定义为椭圆C的长短轴半径(r1、r2)，以得到质量中心晃动参数P。另外，本案技术亦可利用所述椭圆C长短轴半径(r1、r2)来计算椭圆面积及固定百分比椭圆面积的轨迹点个数，以得到质量中心晃动参数P。更进一步地，更可利用乱度计算由平均偏移轨迹PML、PAP所构成的二维偏移轨迹的混乱特征值，以得到质量中心晃动参数P。简言之，在先前技术论文中仅是利用平均偏移速度VML与VAP两参数讯号来当作平衡或跌倒判定的参数；而在本案技术更进一步撷取平均偏移轨迹PML与PAP的参数讯号及其特征值(即上述的21种参数)当作后续平衡或跌倒判定的质量中心晃动参数P。
进一步来说，本案技术中可计算出前后轴平均偏移速度(VAP)及内外侧轴平均偏移速度(VML)后，更进一步地计算其前后轴平均偏移轨迹(PAP)及内外侧轴平均偏移轨迹(PML)，并将其当作椭圆C的长短轴半径(r1、r2)。如此一来，相较于习知论文而言，本案技术可将前后轴(AP)方向与内外侧轴(ML)方向的两个单一维度参数加以融合成二维平面维度的特征，以作为平衡或跌倒判定的基准。例如：椭圆面积、固定百分比椭圆面积的轨迹点个数及二维轨迹乱度，来加以评估受测者平衡或跌倒的能力。其中，(1)、透过计算椭圆C长短轴半径长度，可以知道受测者在执行平衡测试时，身体质量中 心(COM)是容易往前后倾或左右晃动的趋势。(2)、透过计算椭圆C的面积，可以得知受测者在执行平衡测试时，身体质量中心(COM)晃动的稳定度与幅度；于此，椭圆C的面积越小，代表身体质量中心(COM)晃动的稳定度愈佳，晃动幅度较小，亦即平衡感愈佳；反之，椭圆C的面积越大，代表身体质量中心(COM)晃动的稳定度愈差，晃动幅度较大，亦即平衡感越差。(3)、透过计算固定百分比椭圆面积的轨迹点个数，可以得知身体质量中心(COM)在二维平面上晃动的趋势，亦可藉此了解到身体质量中心(COM)的平衡稳定性。(4)、透过计算二维轨迹乱度，则可得知身体质量中心(COM)在二维平面上晃动轨迹的混乱程度；乱度越小，代表身体质量中心(COM)晃动呈现一定的趋势(即平衡感较佳)；反之，乱度越大，代表身体质量中心(COM)晃动呈现不规则混乱的状况(即平衡感较差)。
在此再补充一点的是，上述椭圆C的长短轴的定义，除了使用固定方向(内外侧轴ML与前后轴AP)外，亦可使用Expectation-maximization(EM)算法，以将投影轨迹找出最符合的二维高斯来表示其轨迹分布；其中，考虑到人体摆动的方向并非一定是依照前后、左右的方向，因此透过此方法的应用，可将椭圆C的长轴、短轴计算进行修改并应用。
接着，请再参照图1B所示，再进行步骤S03：由平衡能力分析模块13依据所述质量中心晃动参数P进行平衡能力分析，以产生一平衡能力分析结果。于此，平衡能力分析模块13可依据上述得到的质量中心晃动参数P来分析受测者的平衡或跌倒的能力，以产生平衡能力分析的结果，藉此可辅助医生对受测者提供更具客观性的平衡能力分析结果。
另外，请参照图3A并配合图3B所示，其中，图3A为本发明较佳实施例的另一平衡分析评估装置1a的功能方块示意图，而图3B为配合图3A的平衡分析评估装置1a的平衡分析评估方法的步骤流程图。
平衡分析评估装置1a与平衡分析评估装置1主要的不同在于，平衡分析评估装置1a更包括一认知功能评估模块14，认知功能评估模块14可依据所述质量中心晃动参数P及所述平衡能力分析结果，以产生一认知功能评估结果(认知能力是否有问题)。另外，图3B的平衡分析评估方法除了上述的步 骤S01至步骤S03之外，更包括一步骤S04：由认知功能评估模块14依据所述质量中心晃动参数P及所述平衡能力分析结果而产生一认知功能评估结果。
于此，认知功能评估模块14包含一认知功能数据库单元141与一认知功能评估单元142。认知功能数据库单元141可储存至少一认知功能检测信息，而认知功能检测信息包含一认知功能实际分数。另外，认知功能评估单元142可依据所述质量中心晃动参数P、平衡能力分析结果及认知功能检测信息而产生认知功能评估结果。其中，认知功能评估结果是包含所述质量中心晃动参数P及平衡能力分析结果的至少其中之一与一认知功能分数的映像关系。另外，认知功能数据库单元141可由临床医师或治疗师利用认知功能量表评估分数(即认知功能评估实际分数)来建立其数据库。于此，认知功能量表可为下列量表的其中之一：1、认知功能障碍筛检量表(cognitive abilities screening instrument，CASI)；2、简易心智量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)。
藉由认知功能评估模块14所产生的认知功能评估结果，可以辅助传统的认知功能检测分析：例如认知功能障碍筛检量表(cognitive abilities screening instrument，CASI)或简易心智量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)，进而提供医生更具客观性的认知功能检测参数，以辅助其在临床认知功能检查时协助筛检出失智症或认知功能障碍患者。
另外，请参照图4A并配合图4B所示，其中，图4A为本发明较佳实施例的又一平衡分析评估装置1b的功能方块示意图，而图4B为配合图4A的平衡分析评估装置1b的平衡分析评估方法的步骤流程图。
平衡分析评估装置1b与平衡分析评估装置1主要的不同在于，平衡分析评估装置1b更包括一跌倒评估模块15，跌倒评估模块15可依据所述质量中晃动参数P及所述平衡能力分析结果，以产生一跌倒评估结果(跌倒的风险高或低)。另外，图4B的平衡分析评估方法除了上述步骤S01至步骤S03之外，更包括一步骤S05：由跌倒评估模块15依据所述质量中心晃动参数P及所述平衡能力分析结果而产生一跌倒评估结果。
于此，跌倒评估模块15包含一跌倒评估数据库单元151与一跌倒评估单元152。其中，跌倒评估数据库单元151可储存至少一跌倒评估检测信息，而 跌倒评估检测信息包含一跌倒评估实际分数。另外，跌倒评估单元152可依据所述质量中心晃动参数P、平衡能力分析结果及跌倒评估检测信息而产生跌倒评估结果。其中，跌倒评估数据库单元151可由临床医师或治疗师利用跌倒量表评估分数(即跌倒评估实际分数)来建立其数据库。于此，跌倒量表可为下列量表的其中之一：1、Tinetti步态评估量表；2、巴氏日常生活功能量表；3、跌倒高危险群筛检量表；4、博格氏平衡量表；5、Tinetti平衡评估量表。
藉由跌倒评估模块15所产生的跌倒评估结果，可以辅助医生对受测者提供更具客观性的平衡能力及跌倒风险评估，进而评估其罹患疾病的可能性，以适时地给予训练及治疗。
此外，平衡分析评估装置1a、1b及其评估方法的其它技术特征可参照上述相同组件及对应说明，不再赘述。
另外，在不同的实施例中，平衡分析评估装置可同时包含上述的量测模块11、平衡参数运算模块12、平衡能力分析模块13、认知功能评估模块14以及跌倒评估模块15，且平衡分析评估方法亦可包含上述的步骤S01至步骤S05，本发明并不限制。再说明的是，本领域具有通常知识者应所述知道，图1A、图3A与图4A中的平衡参数运算模块12、平衡能力分析模块13、认知功能评估模块14与跌倒评估模块15等功能方块都可以利用硬件，例如计算器、芯片、计算机、行动装置、中央处理器等的方式实现，亦可利用像是软件或韧体的形式来实现其功能，本发明均不限制。
综上所述，因本发明的平衡分析评估装置及其分析评估方法中，其藉由量测模块感测受测者执行静态平衡或动态平衡的动作而产生至少一平衡感测讯号，再藉由平衡参数运算模块依据平衡感测讯号进行质量中心偏移速度分析与质量中心偏移轨迹分析而产生质量中心偏移轨迹讯号，进而产生复数个质量中心晃动参数，其中所述质量中心晃动参数选自前后轴方向最大晃动幅度、内外侧轴方向最大晃动幅度、以前后轴方向最大晃动幅度及内外侧轴方向最大晃动幅度为长短轴半径的椭圆面积、固定百分比的椭圆面积的轨迹点个数及前后轴方向与内外侧轴方向所构成平面的轨迹乱度所构成的群组；之后，再藉由平衡能力分析模块依据所述质量中心晃动参数进行平衡能力分析，以产 生平衡能力分析结果。藉此，相较于习知的平衡评估工具而言，本发明的平衡分析评估装置及其分析评估方法可提供更客观性的人体平衡能力量化评估数据，以期有效地辅助平衡感功能的检测，以提升平衡能力检测工具的可移植性、便利性及准确性，进而有助于平衡感与肌力的训练、预防老年人跌倒以及老年疾病的早期预防治疗。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。
Claims (20)
1.一种平衡分析评估装置，包括：
一量测模块，其感测一受测者执行静态平衡或动态平衡的动作而产生至少一平衡感测讯号；
一平衡参数运算模块，依据所述平衡感测讯号进行一质量中心偏移速度分析与一质量中心偏移轨迹分析而产生一质量中心偏移轨迹讯号，进而产生复数个质量中心晃动参数，其中所述质量中心晃动参数选自一前后轴方向最大晃动幅度、一内外侧轴方向最大晃动幅度、以所述前后轴方向最大晃动幅度及所述内外侧轴方向最大晃动幅度为长短轴半径的一椭圆面积、固定百分比的所述椭圆面积的轨迹点个数及所述前后轴方向与所述内外侧轴方向所构成平面的轨迹乱度所构成的群组；以及
一平衡能力分析模块，依据所述质量中心晃动参数进行平衡能力分析，以产生一平衡能力分析结果。
2.如权利要求1所述的平衡分析评估装置，其中所述量测模块包含一加速度计或一陀螺仪，或其组合，且所述平衡感测讯号包含一加速度讯号或一角速度讯号，或其组合。
3.如权利要求2所述的平衡分析评估装置，其中所述平衡参数运算模块更包含一倾斜角度运算单元，所述倾斜角度运算单元依据所述加速度讯号或所述角速度讯号，或其组合进行一质量中心倾斜角度分析，以产生一质量中心倾斜角度讯号。
4.如权利要求3所述的平衡分析评估装置，其中所述平衡参数运算模块更包含一质量中心偏移速度运算单元，所述质量中心偏移速度运算单元依据所述质量中心倾斜角度讯号进行所述质量中心偏移速度分析，以产生一质量中心偏移速度讯号。
5.如权利要求4所述的平衡分析评估装置，其中所述质量中心偏移速度分析包含计算所述受测者每个取样时间点的所述量测模块与地面的距离、计算每个取样时间点的身体质量中心的偏移量及计算每个取样时间点的身体质量中心的平均偏移速度。
6.如权利要求4所述的平衡分析评估装置，其中所述平衡参数运算模块更包含一质量中心偏移轨迹运算单元，所述质量中心偏移轨迹运算单元依据所述质量中心偏移速度讯号进行所述质量中心偏移轨迹分析而产生所述质量中心偏移轨迹讯号。
7.如权利要求6所述的平衡分析评估装置，其中所述平衡参数运算模块更包含一质量中心晃动参数运算单元，所述质量中心晃动参数运算单元依据所述质量中心偏移轨迹讯号进行一质量中心晃动程度分析，以产生所述质量中心晃动参数。
8.如权利要求1所述的平衡分析评估装置，更包括：
一认知功能评估模块，依据所述质量中心晃动参数及所述平衡能力分析结果，以产生一认知功能评估结果。
9.如权利要求8所述的平衡分析评估装置，其中所述认知功能评估模块包含一认知功能数据库单元与一认知功能评估单元，所述认知功能数据库单元是储存至少一认知功能检测信息，所述认知功能检测信息包含一认知功能实际分数，且所述认知功能评估单元依据所述质量中心晃动参数、所述平衡能力分析结果及所述认知功能检测信息而产生所述认知功能评估结果。
10.如权利要求1所述的平衡分析评估装置，更包括：
一跌倒评估模块，依据所述质量中心晃动参数及所述平衡能力分析结果，以产生一跌倒评估结果。
11.如权利要求10所述的平衡分析评估装置，其中所述跌倒评估模块包含一跌倒评估数据库单元与一跌倒评估单元，所述跌倒评估数据库单元是储存至少一跌倒评估检测信息，所述跌倒评估检测信息包含一跌倒评估实际分数，且所述跌倒评估单元依据所述质量中心晃动参数、所述平衡能力分析结果及所述跌倒评估检测信息而产生所述跌倒评估结果。
12.一种平衡分析评估方法，与一平衡分析评估装置配合，并用以评估一受测者的平衡能力程度，所述平衡分析评估装置包含一量测模块、一平衡参数运算模块及一平衡能力分析模块，所述分析评估方法包含以下步骤：
由所述量测模块感测所述受测者执行静态平衡或动态平衡的动作而产生至少一平衡感测讯号；
由所述平衡参数运算模块依据所述平衡感测讯号进行一质量中心偏移速度分析与一质量中心偏移轨迹分析而产生一质量中心偏移轨迹讯号，进而产生复数个质量中心晃动参数，其中所述质量中心晃动参数选白一前后轴方向最大晃动幅度、一内外侧轴方向最大晃动幅度、以所述前后轴方向最大晃动幅度及所述内外侧轴方向最大晃动幅度为长短轴半径的一椭圆面积、固定百分比的所述椭圆面积的轨迹点个数及所述前后轴方向与所述内外侧轴方向所构成平面的轨迹乱度所构成的群组；以及
由所述平衡能力分析模块依据所述质量中心晃动参数进行平衡能力分析，以产生一平衡能力分析结果。
13.如权利要求12所述的分析评估方法，其中在产生所述质量中心晃动参数的步骤中，其藉由所述平衡参数运算模块的一倾斜角度运算单元依据所述平衡感测讯号的一加速度讯号或一角速度讯号，或其组合进行一质量中心倾斜角度分析而产生一质量中心倾斜角度讯号。
14.如权利要求13所述的分析评估方法，其中在产生所述质量中心晃动参数的步骤中，更藉由所述平衡参数运算模块的一质量中心偏移速度运算单元依据所述质量中心倾斜角度讯号进行所述质量中心偏移速度分析而产生一质量中心偏移速度讯号。
15.如权利要求14所述的分析评估方法，其中所述质量中心偏移速度分析包含计算所述受测者每个取样时间点的所述量测模块与地面的距离、计算每个取样时间点的身体质量中心的偏移量及计算每个取样时间点的身体质量中心的平均偏移速度。
16.如权利要求14所述的分析评估方法，其中在产生所述质量中心晃动参数的步骤中，更藉由所述平衡参数运算模块的一质量中心偏移轨迹运算单元依据所述质量中心偏移速度讯号进行所述质量中心偏移轨迹分析而产生所述质量中心偏移轨迹讯号。
17.如权利要求16所述的分析评估方法，其中在产生所述质量中心晃动参数的步骤中，更藉由所述平衡参数运算模块的一质量中心晃动参数运算单元依据所述质量中心偏移轨迹讯号进行一质量中心晃动程度分析而产生所述质量中心晃动参数。
18.如权利要求12所述的分析评估方法，更包括以下步骤：
由一认知功能评估模块依据所述质量中心晃动参数及所述平衡能力分析结果而产生一认知功能评估结果。
19.如权利要求12所述的分析评估方法，更包括以下步骤：
由一跌倒评估模块依据所述质量中心晃动参数及所述平衡能力分析结果而产生一跌倒评估结果。
20.如权利要求19所述的分析评估方法，其中在产生所述跌倒评估结果的步骤中，更藉由所述跌倒评估模块的一跌倒评估单元依据所述质量中心晃动参数、所述平衡能力分析结果及所述跌倒评估模块的一跌倒评估数据库单元所储存至少一跌倒评估检测信息而产生所述跌倒评估结果。
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