長庚一號(CGU-1)運動控制診斷評估用手套之開發

Development of CGU-1 Glove for Hand Motor Control Diagnostic and Assessment

李明義 鄭智仁

Ming-Yih Lee Je-Ren Jen

長庚大學機械工程研究所 醫療自動化與復健工程研發室

Hospital Automation and Rehabilitation Engineering Laboratory

Department of Mechanical Engineering, Chang Gung University

 

摘要 - 自主性運動控制能力的障礙是患有上運動神經病變之病患(如腦中風、頭部外傷、脊髓損傷等)常見的病症。尤其對於腦中風患者,雖然經過診治後均可改善言語和步行功能,但是大多數仍無法恢復其手部運動功能。因此,手部運動訓練乃是病患復健治療重要之一環。然而,臨床上對於手部運動復健之療效尚無一套完整功能之定量評估工具。因此本研究之主要目標在於設計開發一套專供臨床使用之手部運動功能診斷、評估系統,具有關節活動度即時量測顯示、指壓偵測、肌電訊號收集、3D虛擬手部互動畫面、手勢識別等功能;本系統發展完成將可立即提供臨床醫師對病患進行臨床評估使用。

 

Abstract - Impairment of volitional motor activity is common after stroke, head injury, spinal cord injury and other conditions of upper motor neuron dysfunction. This finding is particularly relevant in stroke patients who have achieved substantial recovery of speech and gait, but volitional motor activity of the hand remained incomplete or absent. Traditional hand motor control diagnostics use manual measurement of joint angles. Measurement data is corrupted by parallax error. Additionally, data is measured one finger at a time and is not available on-line. Therefore, this research is focused on the development of a hand motor control diagnostic and assessment system ( CGU-1 glove ). The function of this system consists of real-time measurement ( joint range of motion, finger pressure, EMG ), 3D hand animation and gesture recognition.

 

前言

臨床上,評估病患手部運動功能,多係由醫療人員以手指關節量角器(goniometer)分別對個別手指關節進行活動度(range of motion)量測,因此量測時除了人為量測誤差影響(如目測誤差或關節間相互耦合影響)外,也無法即時同步量取所有關節之活動度。而且手部肌肉的誘發型態與抓取物件時指部壓力目前臨床上並無有效之定量評估工具,而此些生理訊號也是評估手部運動功能復健治療的重要指標。因此,本研究將依臨床之需要【1,2】,建構一套可同時自動量取手部關節活動度、手掌部位壓力及肌電訊號之手套系統。量測之生理訊號可即時記錄、顯示,並與3D虛擬手部模型產生同步互動,作為醫師評估之參考。另外,本系統還具有手勢識別之功能,可進一步提供發展手部復健訓練及環境控制介面之基礎。

 

系統設計與建構

本系統之設計包括硬體與軟體兩部份說明如下:

(一)硬體單元:

1)感應手套:本系統採用5DT GloveFifth Dimension Technologies)作為手部關節活動度量測之基本架構,此手套具有5個光纖感測器,分別置於每根手指;另有兩個磁感測器作為腕部旋轉自由度之量測。經由RS-232介面將手指彎曲角度之訊號傳至電腦。由於本系統採用開放式軟体設計方式,因此可依需要適用不同種類之市售感應手套【3,4】。當手套內之感測器數目較少,無法同時量測到各手指關節活動度時,系統會自動以內插法計算個別手指的彎曲角度。

2)壓力感測單元:本系統在手套上手指及手掌部位貼附有12個壓力感測元件,此種薄膜壓阻之感測元件(Interlink ElectronicsPart #402)係一種傳導性聚合材料(conductive polymer),經由壓力改變電阻方式量測【5】。其圓形之有效感測區直徑(如圖一所示)為12.7 mm、厚度為0.46mm,壓力測量範圍為0.1-10kg/個。此指壓訊號經放大電路及類比/數位轉換器(研華PCL-813介面卡)輸入電腦。當患者抓取物件時,可由此些感測元件即時記錄指端壓力變化量,並利用內插法,計算手部的壓力分佈圖。

3EMG訊號量測單元:本系統具有12個肌電訊號擷取輸入頻道;肌電訊號係利用前級放大器及60Hz陷波器,過濾60Hz之雜訊,並加四階主動ButterWorth帶通濾波器,將40-400Hz的頻率訊號保留,最後利用精密全波整流器及二階30Hz的主動ButterWorth低通濾波器產生一線性包封肌電值,經研華PCL-818H訊號擷取卡將訊號輸入至電腦。

(二)軟體模組:

本系統使用者介面軟體係使用Borland C++ Builder V1.0為開發工具,並以Microsoft Visual C++ V4.2 為核心演算法實作編譯器。操作環境係以Windows NT/95作業系統為建構之平台。軟體模組可依其功能劃分為:(1)患者資料輸入及處理程式模組,主要是記錄病人個人資料、分析比較量測結果及建構資料庫(2)生理訊號資料擷取程式模組,作為系統同步接收感應手套、肌電位及指壓訊號之控制介面。(3)即時顯示及動畫模擬程式模組,其目的係供系統量測之資料可以即時顯示在電腦螢幕上,並且可依需要以圖表方式呈現。另外,為發揮電腦視覺化之功能,本系統還利用Open GL 3D繪圖程式庫設計三維虛擬手部模型,隨著使用者手部關節的活動產生互動畫面,不但增加系統親和力並提供醫師可由不同角度觀察患者手部活動之情形,亦可達到存檔、重播之目的。(4)手勢識別程式模組:手勢辨識之演算法係採用隱藏馬可夫模式(Hidden Markov ModelsHMM)。本程式模組設計之目的不僅可提供手勢復健訓練之用,並可作為評估使用者是否達到臨床上訓練之預期手勢。訓練時並可透過音效提示,達到互動學習之效果。

 

系統製作

圖二為本系統開發雛形之實體照片,圖中螢幕堜疻膆雂坐滼※妗e可隨穿戴感應手套之使用者手部活動而產生互動之視覺效果;圖三為本系統生理訊號量測之視窗畫面,左方為手部動畫子視窗,中間為手掌部位肌電位十二個頻道的動態反應時序子視窗,右上方為手部壓力變化之即時量測直方顯示子視窗,右下方則手指關節活動度之直方顯示子視窗,此些資料亦可改換其他圖形方式表達。目前所完成之硬軟體介面經初步測試已能符合原設定目標,俟系統整合後將立即提供臨床醫師試用評估。

結論

本研究主要重點在於因應臨床上手部運動控制定量評估之需求,建構完成一套“長庚一號生理訊號量測手套系統”。本系統包括手部關節活動度、指壓及肌電訊號量測功能,並兼具評估與訓練機制。系統完成後,將可立即提供臨床醫師及復健治療師作為評估手部運動功能之工具。

圖二、長庚一號手套系統開發雛形實體照片

圖三、生理訊號量測電腦畫面

 

參考文獻

1.Newman, M. :The Process of Recovery after Hemiplegia,Stroke 3,702-710(1972)

2.Hunter,Mackin and Callahan : Rahabilitation of Hand :Surgery and Therapy, Mosby-Year Book, Inc. ,(1990)

3.Grigore C. Burdea : Force and Touch Feedback for VirtualReality, John Wiley & Sons,Inc. ,(1996)

4.Walter J. Greenleaf :Developing the Tools for Practical VRApplications,IEEE Engineering in Medicine and Biology .,vol. 15, no.5, Marvh/April 1996

5.Maria Claudia F. Castro and Alberto Cliquet, Jr. :A Low-Cost Instrumented Glove for Monitoring Forces DuringObject Manipulation, IEEE Transations on RehabilitionEngineering, vol. 5, no. 2, June 1997