JP2003097912A - 歩行動作の定量的評価システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動的に、かつリアルタイムで歩行データを
入手すると共に、身体の震えなどの細かい動きまでを再
現させる。 【解決手段】 被験者の各関節部位に固着したマーカー
ＬＥＤを順次点滅させて歩行活動を光点軌跡として表示
させ、この歩行活動をＰＳＤを備えたＰＳＤセンサユニ
ットによって計測し、ＰＳＤの出力信号を演算処理した
うえでパソコンに入力させ、パソコンに格納してある解
析プログラムによってデータのモデリングを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人間の基本的な運
動機能を代表する歩行動作を観察して、健常者が自然な
状態で歩行する場合と歩行機能に障害のある被験者の歩
行とを比較し、歩行動作の定量的な評価方法を求める技
術分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、歩行動作を観察して歩行データを
得るためには、被験者の各関節部位にマーカーとして豆
電球や反射球等を取り付けておき、予め設定した基準線
上を歩行させてその画像をデジタル・ビデオカメラに取
り込み、各関節部位に取り付けた豆電球による光点の軌
跡を観察して記録するシステムがある。このシステムで
は、充分な光量を得るために比較的暗い部屋の内を歩行
させる必要があり、家庭用ＮＴＳＣ（National Televis
ion System Committee）デジタル・ビデオカメラで撮影
し、この画像をパソコンに取り込み、取り込んだ画像１
コマ１コマについて、光点を手動でマウスをクリックす
ることにより座標を入力していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来方式の歩行動作の
データ入力方法では、手入力により座標入力しているた
め、データの完成までに長時間を要し、リアルタイム処
理はできなかった。また、撮影形式がＮＴＳＣ方式であ
るので、サンプリング周期が３０Ｈｚしかなく、被験者
の身体の震えなどの細かい動きまで再現できなかった。
さらに、比較的暗い部屋で撮影する必要があるため、歩
行機能に支障のある被験者が転倒する恐れなどもあっ
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した課題を
解決するためになされたものであって、自動入力によっ
てリアルタイムで歩行データ入力を行い、サンプリング
周期を上げて身体の震えなどの細かい動きまで再現させ
ると共に、比較的明るい部屋でもデータ入力を可能にす
る。即ち、マーカーＬＥＤ（発光ダイオード）とＰＳＤ
（位置検出素子）の組み合わせでサンプリング周期を速
くし、ＬＥＤを順次１点ずつ点灯させると共に、ＬＥＤ
点灯時と非点灯時それぞれの状態を検出し、外来光の影
響を取り除く。また、ＬＥＤの点灯は、単に点灯させる
のではなく、変調をかけて何チャンネル目のＬＥＤが点
灯しているのかの識別情報を含めるようにし、ＰＳＤ側
で復調させて、各点に分配して出力する。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例を図
面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る歩行
動作の定量的評価システムの構成を示すブロック図であ
り、図２はＰＳＤ処理ユニットの構成を示す回路図であ
る。また、図３はマーカーＬＥＤを各関節部位に固着し
た被験者と、その歩行動作を計測するＰＳＤセンサユニ
ットとの関係を示す説明図であり、図４と図５はＬＥＤ
点灯に伴う信号波形のシーケンスを示す。

【０００６】図１に示すように、本発明による歩行動作
の定量的評価システムは、被験者の歩行動作をＰＳＤセ
ンサユニット４によって計測し、マーカーＬＥＤの光点
位置の変化をＰＳＤ３と信号処理回路２によって信号処
理して計測する歩行計測システムと、この計測データを
前処理して表示やグラフ化する歩行計測データ処理シス
テムと、前処理されたデータを解析し判別する歩行計測
データ・モデリングシステムとによって構成されてい
る。なお、歩行計測データ処理システムと歩行計測デー
タ・モデリングシステムは、プログラムとしてパソコン
１２に格納してある。

【０００７】図３において、被験者の頭頂、肩、肘、
手、腰、膝、踵、足の８ヶ所にマーカーＬＥＤ１６_１〜
１６_８が取り付けてあり、予め設定してある基準線上を
歩行させる。ＰＳＤセンサユニット４は基準線上におけ
る中央部分と直角の位置に設置してあり、基準線上を歩
行する被験者の歩行動作を横方向から計測する。歩行動
作の計測は、広角レンズによってＰＳＤセンサユニット
４追尾の必要がない歩行範囲で行われる。

【０００８】マーカーＬＥＤは十分な輝度と広い指向性
を得るために複数のＬＥＤの集合で構成され、ベルクロ
テープ等によって身体の各関節部位に固着できるように
なっている。また、マーカーＬＥＤを１灯ずつ順次点滅
させる機能を備えたＬＥＤ制御回路１７を内蔵した制御
ユニット（図示せず）が、ベルト等で腰等に固定できる
ようになっており、それぞれのマーカーＬＥＤ１６_１〜
１６_８との間は、専用ケーブル（図示せず）によって接
続してある。

【０００９】図４は、各関節部位ごとに固着した８つの
マーカーＬＥＤから出力される光点による信号波形ＣＨ
_１〜ＣＨ_８を示すものであって、それぞれの信号波形に
変調をかけることにより、チャンネル識別用ビットと位
置計測用の連続信号を出力するビットによって構成して
ある。また、マーカーＬＥＤは時間をずらして順次時分
割点灯されるので、各関節部位の動きが明瞭に光点の軌
跡として順次表示され、その信号波形のシーケンスは図
５に示すようになる。

【００１０】図２は、ＰＳＤユニットの回路構成を示す
回路図である。ＰＳＤセンサユニット４に設けてあるレ
ンズ１を介してＬＥＤの光点の点滅がＰＳＤ（位置検出
素子）３で捉えられ、２次元の座標データ（アナログ）
となる。ＰＳＤのサンプリング周波数は１５０〜３００
Ｈｚであるので、３００フレーム／秒とすることにより
ＮＴＳＣビデオカメラ（３０フレーム／秒）よりも詳細
な歩行活動状態を表示でき、被験者の身体の震えなどの
細かい動きを再現できる。なお、ＬＥＤの点灯周期とＰ
ＳＤ周期とは同期するように構成してある。

【００１１】ＰＳＤ３からの出力信号はＸ座標検出回路
６_１とＹ座標検出回路６_２に入力し、それぞれの出力信
号（アナログ）はＡ／Ｄ変換回路７_１と７_２に入力して
デジタル信号に変換される。さらに、ＰＳＤから出力さ
れる受光光量は光量検出回路５に入力し、その出力信号
はデコーダ９を介してＸ座標検出回路６_１とＹ座標検出
回路６_２に入力すると共に、レジスタ１０_１〜１０_８に
入力して、Ａ／Ｄ変換回路７_１と７_２から出力されるデ
ジタル信号をサンプリングし、何チャンネル目のＬＥＤ
出力であるかを判別し、自動的にリアルタイムで出力す
る。

【００１２】レジスタ１０_１〜１０_８からの出力信号
は、インターフェース１１を介してパソコン１２に伝送
される。パソコン１２には、歩行計測システムから得ら
れたデータを前処理して表示やグラフ化する歩行計測デ
ータ処理システムと、この前処理で得られた歩行計測デ
ータを解析し、健常者および歩行障害者の各ケースにつ
いてデータのモデリングを行い、身体的な障害を定量化
する歩行計測データ・モデリングシステムにより成る解
析プログラムが格納してある。

【００１３】歩行計測データ処理システムは、歩行計測
システムから得られたデジタルデータを前処理すると共
に、表示やグラフ化をするプログラムである。このプロ
グラムは、計算ユニットと、描画ユニットと、プロセシ
ングユニットにより構成されている。計算ユニットは、
個体ごとの歩行を特徴づけるための（他者との比較デー
タとしての）、パワースペクトルを得るフーリエ変換機
能と、個体内での特徴を見出すための、相関マトリック
スを得る多変量解析機能を持つ。描画ユニットは、計算
ユニットの結果をそれぞれパワースペクトルグラフ、係
数のマトリックス（人体計測位置対応）で表示する機能
を持つ。プロセシングユニットは、デジタルデータを読
み込んで計算ユニットに入力し、計算ユニットからの出
力を描画ユニットや、歩行計測データ・モデリングシス
テムに出力するなど、プログラム全体進行を受け持って
いる。

【００１４】歩行計測データ・モデリングシステムは、
歩行計測データ処理システムのデジタルデータを多変量
解析し、顕在あるいは潜在の、身体的な障害の定量化を
行うプログラムである。また、定量化を構築するための
解析も行う。このプログラムは、入力インターフェイス
ユニットと、多変量解析ユニットと、出力インターフェ
イスユニットにより構成されている。多変量解析は、主
に主成分分析と判別分析を行い、相関マトリックスとし
て整理されている歩行時のデータから、健常者および歩
行障害者の各ケースについて、それぞれデータのモデリ
ングを行い、その特徴を抽出して得た評価パラメータの
対比により、障害の特定を統計的に行う。

【００１５】以上の説明においては、単独のＰＳＤセン
サユニットを使用した例であるが、複数のＰＳＤセンサ
ユニットを使用することにより、３次元計測を行うこと
もでき、マーカーＬＥＤを見失う可能性を少なくするこ
とができる。また、赤外線ＬＥＤと、レンズに赤外線フ
ィルター１８を用いることにより、背景光の影響を少な
くすることができる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る歩行
動作の定量的評価システムおよび方法は、自動的に、か
つ、リアルタイムに歩行動作データを入手することが可
能であり、サンプリング周波数を高くすることによって
身体の震えなどの細かい動きまで再現できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る歩行動作の定量的評価システムの
構成を示すブロック図。

【図２】ＰＳＤ処理ユニットの構成を示す回路図。

【図３】マーカーＬＥＤを各関節部位に固着した被験者
と、その歩行動作を計測するＰＳＤセンサユニットとの
関係を示す説明図。

【図４】ＬＥＤ点灯に伴う信号波形のシーケンス。

【図５】ＬＥＤ点灯に伴う信号波形のシーケンス。

【符号の説明】

１ レンズ ２ 信号処理回路 ３ ＰＳＤ ４ ＰＳＤセンサユニット ５ 光量検出回路 ６_１，６_２ Ｘ座標，Ｙ座標検出回路 ７_１，７_２ Ａ／Ｄ変換回路 ９ デコーダ １０_１〜１０_８ レジスタ １１ インターフェース １２ パソコン １３ 歩行計測データ処理システム １４ 歩行計測データ・モデリングシステム １５ 三脚 １６_１〜１６_８ マーカーＬＥＤ １７ マーカーＬＥＤ制御回路 １８ フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 彰 神奈川県川崎市高津区久末1972番１号 (72)発明者 西澤 紘一 東京都目黒区大岡山１丁目24番14号 (72)発明者 高橋 靖昌 東京都八王子市元本郷町１丁目９番９号 中央電子株式会社内 (72)発明者 高橋 圭 東京都八王子市元本郷町１丁目９番９号 中央電子株式会社内 (72)発明者 木村 行男 東京都八王子市元本郷町１丁目９番９号 中央電子株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA04 AA07 AA14 AA20 AA37 BB15 BB29 CC16 DD04 DD06 DD11 FF09 FF61 FF63 GG07 GG13 GG15 JJ03 JJ05 JJ16 LL26 MM12 MM28 NN02 NN08 QQ03 QQ16 QQ21 QQ25 QQ41 RR08 4C038 VA12 VB14 VC01 VC20 5B057 AA07 BA02 BA19 BA29 DA07 DB02 DC05 DC36

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基準線上を歩行する被験者の各関節部位
   に固着したマーカーＬＥＤ、および前記マーカーＬＥＤ
   の点灯を制御する、前記被験者が携帯する制御ユニット
   と、 前記被験者の歩行活動を計測して得た前記マーカーＬＥ
   Ｄによる光点位置の変化を２次元的に捉えるＰＳＤ（位
   置検出素子）、および前記ＰＳＤが出力するアナログ信
   号を演算処理した上でデジタル信号に変換してパソコン
   に伝送する、前記基準線の中央部において直角に設置し
   たＰＳＤセンサユニットとによって構成した歩行計測シ
   ステムと、 前記ＰＳＤセンサユニットからのデジタル・データを前
   処理して表示やグラフ化する歩行計測データ処理システ
   ム、および前記歩行計測データ処理システムで得られた
   歩行計測データを解析し、健常者および歩行障害者の各
   ケースについてモデリングを行い、具体的な障害を定量
   化する歩行計測データ・モデリングシステムとを解析プ
   ログラムとして格納したパソコンと、によって構成した
   ことを特徴とする歩行動作の定量的評価システム。
2. 【請求項２】 基準線上を歩行する被験者の各関節部位
   に固着したマーカーＬＥＤの点灯を順次点滅させて、該
   被験者の歩行活動を光点軌跡として表示させるステップ
   と、 前記基準線の中央部において直角の位置に設置した前記
   ＰＳＤセンサユニットによって前記被験者の歩行活動を
   計測し、該ＰＳＤセンサユニットに内蔵のＰＳＤにより
   マーカーＬＥＤの光点位置の変化を２次元的に捉え、該
   ＰＳＤの出力データを演算処理したうえでＡ／Ｄ変換し
   て束ね、インターフェースを介してデジタルデータをパ
   ソコンに伝送するステップと、 入力したデジタルデータを計算ユニットに読み込み、フ
   ーリエ変換されたデータを基にパワースペクトルを求
   め、計算ユニットからの出力を描画ユニットにつなげて
   計算結果をパワースペクトルあるいはマトリックスに表
   示するステップと、 前記ステップからの歩行計測データを処理して得られる
   相関マトリックス・データを多変量解析して判別関数ま
   たは評価関数を求め、健常者および歩行障害者の各ケー
   スについてデータのモデリングを行い、その特徴を抽出
   して得た評価パラメータの対比により障害の特定が統計
   的に可能となるようにするステップと、によって構成し
   たことを特徴とする歩行動作の定量的評価方法。
3. 【請求項３】 被験者の各関節部位に固着したマーカー
   ＬＥＤを、時間をずらして順次時分割点灯させると共
   に、各マーカーＬＥＤに変調をかけ、それぞれのＬＥＤ
   からの信号波形にチャンネル識別ビットを含めるように
   したことを特徴とする請求項２に記載の歩行動作の定量
   的評価方法。
4. 【請求項４】 ＰＳＤを搭載した複数のＰＳＤセンサユ
   ニットによって被験者の歩行動作を同時に計測し、それ
   ぞれのＰＳＤセンサユニットにより捉えられたマーカー
   ＬＥＤの光点位置の軌跡を、１台のパソコンに入力させ
   てデータ処理するようにしたことを特徴とする請求項２
   に記載の歩行動作の定量的評価方法。