JP2004129698A - 運動機能障害者用リハビリテーション支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体性感覚空間および聴覚空間における無視領域の特定、および異種感覚空間の統合機能を評価することができる運動機能障害者用リハビリテーション支援装置を提供する。
【解決手段】本装置は、脊髄損傷あるいは脳血管障害などによって上肢に運動機能障害のある患者を対象とし、その機能的電気刺激（ＦＥＳ）を用いたリハビリテーションおよび検査を、仮想空間において実行するためのものであり、情報処理・制御・通信装置（１００）、仮想空間構成装置（２００）、鏡映型仮想空間表示装置（３００）、立体音響提示装置（４００）、視線追跡装置（５００）、力感覚提示装置（６００）、実時間運動計測装置（７００）、画像合成装置（８００）、患者監視教示用表示装置（９００）、患者教示用データ入力装置（１０００）、患者音声入力装置（１１００）、運動用機能的電気刺激装置（１２００）、データベース・システム（１３００）、インターネットあるいはイントラネット（１４００）から構成される。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運動機能障害者用リハビリテーション支援装置に係り、特に、脊髄損傷あるいは脳卒中（脳血管障害）などによって上肢に運動機能障害のある患者を対象とし、この患者に対する機能的電気刺激（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ＦＥＳ）を用いたリハビリテーションおよび検査を、仮想空間において実行するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
脊髄損傷による運動障害には、その損傷部位や程度によって、主として下肢が左右同時に麻痺する場合と、上肢と下肢の両方が左右同時に麻痺する場合がある。
【０００３】
一方、脳卒中による運動障害は、脳出血・脳梗塞による脳の損傷を原因として引き起こされる運動麻痺であり、障害部位が右脳に限局している場合には左半側の運動麻痺が生じ、左脳に限局している場合には右半側の運動麻痺が生じることを特徴とする。
【０００４】
さらに、脳卒中による運動障害は、損傷部位や程度によって運動麻痺ばかりでなく感覚・認知・認識機能の障害を伴う場合が多い。特に、空間認識機能を司る右半球の損傷において最も高頻度にみられる高次脳機能障害が半側空間無視である。右脳損傷による半側空間無視の患者は、病巣の反対側（左側）の刺激に反応せず、そちらを向こうとしない症状を呈する。たとえば、ベッドの左側から話しかけても右側だけを探して相手を見つけられなかったり、食事の際に左側にある皿には手をつけなかったりする。半側空間無視の患者は、車椅子の操作や起立・歩行訓練にも重大な支障をきたす。
【０００５】
一方、機能的電気刺激（ＦＥＳ）は、脊髄損傷あるいは脳卒中などを原因とする運動神経系の損傷により麻痺した四肢に対して、電気刺激により筋収縮を起こして関節運動をさせる技術である。
【０００６】
従来のＦＥＳによる麻痺肢の動作訓練では、健常者の筋電図パターンなどを参考にして作った刺激用電気信号を、皮下刺入電極または皮膚表面電極を介して麻痺肢の筋肉に与えることにより、所望の動作に近い動作を行わせるようにする。
【０００７】
しかし、実際の動作が初めから所望の動作に近いことはなく、両者の差が少なくなるように、前記刺激用電気信号を特徴付けるパラメータ（振幅や周波数）や刺激電極位置の試行錯誤的な微調整を繰り返す必要がある。この微調整は、通常、教示者（医師や作業療法士等）が行い、対象患者自身が行うことは困難である。
【０００８】
また、目標動作が異なる毎にこの調整を繰り返す必要がある。この作業は、教示者にとって大変厄介であるとともに、患者にとっても単調であるため、何らかの方法で患者の訓練に対する意欲を持続させる必要がある。
【０００９】
さらに、対象となる患者はそれぞれ異なる障害部位、重症度、訓練履歴を持つため、リハビリテーションの内容は患者毎に異なる。したがって、目標動作の選択および目標動作を実現させるためのＦＥＳ信号の設定は、教示者がその患者のリハビリテーションの内容に合わせて逐次行う必要がある。健常肢の場合、例えば、「手を伸ばして赤い物体に触れなさい」と教示者が口頭で指示するだけで患者は無意識のうちに目標動作を達成することができる。
【００１０】
しかし、ＦＥＳによって麻痺肢を動かす場合、まず、目標動作が「手を伸ばして赤い物体に触れること」であることを教示者が訓練装置に伝達し、これを受けて訓練装置は目標である赤い物体および現在の患者の手の３次元空間内の位置座標を何らかの方法で連続的に計測し、さらに、両者の位置座標の差が小さくなるようなＦＥＳ用電気信号を自動的に生成して、これを刺激電極に導くという一連の手続きが必要となる。
【００１１】
従来、上記の問題に関連し、ＦＥＳを用いない麻痺肢に対する通常の動作訓練においては、患者が計算機によって作られる仮想空間内でリハビリテーションを行うものが考案されている。すなわち、変化に富んだ仮想環境を与えることにより、訓練の単調さによる苦痛を和らげ、訓練に対する興味と意欲を増進させることを目的としたもの（下記〔特許文献１〕参照）や、日常の生活場面を仮想空間において再現し、この仮想空間における患者の動作の問題箇所を自動的に指摘し、これを矯正するための教示を行うもの（下記〔特許文献２〕参照）などが考えられている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−２８０７６２号公報（第３−４頁　第１図）
【特許文献２】
特開２００１−７９０５０号公報（第１４−１５頁　第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置では、ＦＥＳによる麻痺上肢のリハビリテーションを想定したものがなく、これに必要な諸機能を具備した装置は存在しない。
【００１４】
一方、半側空間無視患者のリハビリテーションを的確に進めていくためには、患者の症状の様相や重症度を検査・評価することが重要である。半側空間無視に関する伝統的な検査法としては、抹消試験（紙の上に散らばって描かれた線分を抹消させる課題を与え、抹消しなかった度合いを判定するもの）、模写試験（簡単な絵を書き写す課題を与え、写し損なった度合いを判定するもの）、線分二等分試験（左右に横たわった線分の中点に印を付ける課題を与え、真の中点からのずれを判定するもの）などがある。
【００１５】
これらの検査法は、机上で簡単に実施できる反面、用いる刺激図版が一定しておらず、診断基準があいまいであるとともに、このような机上での試験の成績と実際の日常行動の巧緻が必ずしも一致しない場合がある。さらに、半側空間無視は視空間（視覚に基づいて認識される空間）だけに生じるとは限らず、体性感覚空間（皮膚などに生じる表面感覚と筋・関節などに生じる深部感覚に基づいて認識される空間）および聴覚空間（聴覚に基づいて認識される空間）においても生じるばかりでなく、これらの異種感覚空間を統合する機能自体が損なわれている可能性がある。
【００１６】
机上で行う伝統的な検査の代わりに仮想空間を用いて運動機能障害者の検査を行うことのできる従来の装置として、半側空間無視を呈する患者の評価を、注視点を計測することで定量的に行うもの（上記〔特許文献２〕参照）が考えられている。しかし、この装置では、視空間における無視領域の特定を自動的に行うことはできるが、前記体性感覚空間および聴覚空間における無視領域の特定を行う機能、および異種感覚空間の統合機能を評価することはできない。
【００１７】
そこで、本発明では、脊髄損傷あるいは脳卒中などによって上肢に運動機能障害が存在する患者に対するＦＥＳを用いた麻痺肢の動作訓練を行うことができる運動機能障害者用リハビリテーション支援装置を提供することを目的とする。
【００１８】
より具体的には下記のような課題を解決することができる。
（１）目標動作の設定が簡単に実行できるようにすること。
（２）実際の動作が目標動作に近づくようにするために行うＦＥＳのパラメータの試行錯誤的な微調整に伴う繰り返し作業を排除すること。
（３）教示者と患者が受ける単調作業の苦痛を軽減し、患者の訓練に対する意欲や興味を持続させること。
（４）半側空間無視を呈する患者において、視空間、体性感覚空間および聴覚空間における無視領域の特定を自動的に行うこと。
（５）半側空間無視を呈する患者において、視空間、体性感覚空間および聴覚空間の統合機能を定量的に評価すること。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕運動機能障害者用リハビリテーション支援装置において、情報処理・制御・通信装置１００と、この情報処理・制御・通信装置１００に接続される仮想空間構成装置２００と、この仮想空間構成装置２００に接続されるとともに、ビデオカメラ８００ａを有する画像合成装置８００と、この画像合成装置８００の出力側に接続され、出力側に前記情報処理・制御・通信装置１００を接続するビデオ信号分配器８０と、このビデオ信号分配器８０の出力側に接続されるとともに、ブラウン管３００ａと、ハーフミラー３００ｂを有し、仮想物体の実像３００ｃ、仮想物体の虚像３００ｄ、ブラウン管の虚像３００ｅを生成し、立体視用眼鏡同期赤外線発生装置３００ｆと、立体視用眼鏡３００ｇとを具備する鏡映型仮想空間表示装置３００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、スピーカー４００ａを有する立体音響提示装置４００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、ビデオカメラ５００ａを有する視線追跡装置５００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、駆動部６００ａと、第１アーム部６００ｂと、第２アーム部６００ｃと、エンドエフェクタ６００ｄを有する力感覚提示装置６００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、上腕部センサ７００ａと、下腕部センサ７００ｂと、手甲部センサ７００ｃとを有する実時間運動計測装置７００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続される患者監視教示用表示装置９００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続される患者教示用データ入力装置１０００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続される患者音声入力装置１１００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続される患者音声出力装置１１０１と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、電気信号発生器１２００ａと、麻痺上肢に装着される複数の電極とを有する運動用機能的電気刺激装置１２００とを備え、異種感覚空間融合機能と、目標動作指示機能と、目標軌道生成機能と、軌道誤差修正機能と、動的負荷生成機能と、訓練者空間・教示者空間融合機能と、遠隔監視教示機能と、データベース構築参照機能とを有し、異種感覚空間の統合機能を評価することを特徴とする。
【００２０】
〔２〕上記〔１〕記載の運動機能障害者用リハビリテーション支援装置において、前記運動用機能的電気刺激装置の複数の電極は、第１の電極１２００ｂと、第２の電極１２００ｃと、第３の電極１２００ｄと、第４の電極１２００ｅとからなることを特徴とする。
【００２１】
〔３〕上記〔１〕記載の運動機能障害者用リハビリテーション支援装置において、データベース・システム１３００が接続される外部通信ネットワーク１４００とを具備することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示す運動機能障害者用リハビリテーション支援装置の全体構成図である。
【００２４】
この図において、６０は運動機能障害者用リハビリテーション支援装置（ユニット）、７０は運動機能障害者（患者：被験者）、８０はビデオ信号分配器、１００は情報処理・制御・通信装置、２００は仮想空間構成装置、３００は鏡映型仮想空間表示装置、３００ａはブラウン管、３００ｂはハーフミラー、３００ｃは仮想物体の実像、３００ｄは仮想物体の虚像、３００ｅはブラウン管の虚像、３００ｆは立体視用眼鏡同期赤外線発生装置、３００ｇは立体視用眼鏡、４００は立体音響提示装置、４００ａはスピーカー、５００は視線追跡装置、５００ａはビデオカメラ、６００は力感覚提示装置、６００ａは駆動部、６００ｂは第１アーム部、６００ｃは第２アーム部、６００ｄはエンドエフェクタ、７００は実時間運動計測装置、７００ａは上腕部センサ、７００ｂは下腕部センサ、７００ｃは手甲部センサ、８００は画像合成装置、８００ａはビデオカメラ、９００は患者監視教示用表示装置、１０００は患者教示用データ入力装置、１１００は患者音声入力装置、１１０１は患者音声出力装置、１２００は運動用機能的電気刺激装置、１２００ａは電気信号発生器、１２００ｂは第１電極、１２００ｃは第２電極、１２００ｄは第３電極、１２００ｅは第４電極、１３００はデータベース・システム、１４００はインターネットあるいはイントラネットである。
【００２５】
このように、本発明の運動機能障害者用リハビリテーション支援装置は、情報処理・制御・通信装置１００と、この情報処理・制御・通信装置１００に接続される仮想空間構成装置２００と、この仮想空間構成装置２００に接続されるとともに、ビデオカメラ８００ａを有する画像合成装置８００と、この画像合成装置８００の出力側に接続され、出力側に前記情報処理・制御・通信装置１００を接続するビデオ信号分配器８０と、このビデオ信号分配器８０の出力側に接続されるとともに、ブラウン管３００ａと、ハーフミラー３００ｂを有し、仮想物体の実像３００ｃ、仮想物体の虚像３００ｄ、ブラウン管の虚像３００ｅを生成し、立体視用眼鏡同期赤外線発生装置３００ｆと、立体視用眼鏡３００ｇとを具備する鏡映型仮想空間表示装置３００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、スピーカー４００ａを有する立体音響提示装置４００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、ビデオカメラ５００ａを有する視線追跡装置５００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、駆動部６００ａと、第１アーム部６００ｂと、第２アーム部６００ｃと、エンドエフェクタ６００ｄを有する力感覚提示装置６００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続されるとともに、上腕部センサ７００ａと、下腕部センサ７００ｂと、手甲部センサ７００ｃとを有する実時間運動計測装置７００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続される患者監視教示用表示装置９００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続される患者教示用データ入力装置１０００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続される患者音声入力装置１１００と、前記情報処理・制御・通信装置１００に接続される患者音声出力装置１１０１と、前記情報処理・制御・通信装置に接続されるととも、電気信号発生器１２００ａと、麻痺上肢に接続される第１電極１２００ｂと、第２電極１２００ｃと、第３電極１２００ｄと、第４電極１２００ｅとを有する運動用機能的電気刺激装置１２００とを備える。
【００２６】
まず、本発明の運動機能障害者用リハビリテーション支援装置の概略構成を図２を参照しながら説明する。
【００２７】
この図に示すように、患者（被験者）７０の視線の動きを、ビデオカメラ５００ａと視線追跡装置５００からなる視覚追跡装置（赤外線ＣＣＤカメラ）によって検出し、瞳孔を抽出して、計測用ＰＣ１００Ａを介してその視線情報を仮想空間提示用ＰＣ１００Ｂに取り込む。また、上肢の下腕の動きは３次元位置センサ９０により検出し、上肢運動情報として、仮想空間提示用ＰＣ１００Ｂに取り込む。
【００２８】
次に、表示画像情報が仮想空間提示用ＰＣ１００Ｂから取り出され、立体視用眼鏡（ディスプレイハーフミラー液晶シャッタ眼鏡）３００ｇにより被験者７０に立体画像が提示される。また、仮想空間提示用ＰＣ１００Ｂから取り出された力感覚情報は力覚ディスプレイ３００′により力感覚〔表示物体（仮想物体の虚像）３００ｄ〕の提示が行われる。さらに、上肢には複数の電極が装着されたＦＥＳシステムが備えられ、このＦＥＳシステムへ仮想空間提示用ＰＣ１００Ｂから電気刺激信号生成用操作量が出力される。
【００２９】
以下、上記装置において、実施される各機能について説明する。
【００３０】
〔Ａ〕異種感覚空間融合機能
本機能は、（１）患者の上肢付近の現実の視空間、（２）仮想空間に対応する視空間、（３）仮想空間に対応する体性感覚空間、および（４）仮想空間に対応する聴覚空間、の４つの空間を、各空間が互いに対応するように融合させて患者に提示するものである。
【００３１】
これにより、動作訓練および半側空間無視検査に利用するための視覚・体性感覚・聴覚に基づく仮想環境の提示、および、このような仮想環境と患者の上肢との間の相互作用が実現可能となる。動作訓練においては、目標物、手で動かすべき対象物、目標軌道、障害物などを視覚的に提示し、手の運動と仮想物体との間に生じる力感覚を生成し、それらの物体が発する効果音・訓練を教示するためのナレーション・教示者の発する音声等を提示することにより、ゲーム性のある動作訓練が可能となる。現実の空間とは異なり、本発明においては仮想環境の構造・複雑さや目標動作の難易度を自由に変更することが可能であるため、患者が受ける単調作業の苦痛が軽減され、患者の訓練に対する意欲や興味が持続する。
【００３２】
本機能は具体的には次のように実現される。
【００３３】
まず、情報処理・制御・通信装置１００は、構成すべき視覚に基づく仮想空間を特徴付けるパラメータを仮想空間構成装置２００へ伝える。仮想空間構成装置２００は仮想空間を作成し、その映像信号と、ビデオカメラ８００ａで撮影された患者（被験者）７０の上肢の映像信号が、画像合成装置８００によって合成され、分配器８０を経て鏡映型仮想空間表示装置３００に送られる。鏡映型仮想空間表示装置３００ではそのブラウン管３００ａ上に仮想空間の映像と患者の上肢の映像が融合して再生されて仮想物体の実像３００ｃとなる。仮想物体の実像３００ｃはハーフミラー３００ｂで反射され患者７０の目に至る。患者７０は立体視用眼鏡３００ｇを通してハーフミラー３００ｂで反射された仮想物体の実像３００ｃを見ることになるが、患者７０にはハーフミラー３００ｂの奥側に仮想物体の虚像３００ｄが存在するように見える。立体視用眼鏡３００ｇは、仮想空間構成装置２００からの映像信号をトリガとする立体視用眼鏡同期赤外線発生装置３００ｆで発生された赤外線信号で同期しており、仮想物体の立体視を可能にする。なお、鏡映型仮想空間表示装置３００は、頭部搭載型ディスプレイ（ｈｅａｄ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）で置き換えてもよい。
【００３４】
次に、情報処理・制御・通信装置１００は、構成すべき体性感覚に基づく仮想空間を特徴付けるパラメータを力感覚提示装置６００へ伝える。力感覚提示装置６００は駆動部６００ａへ指令信号を送り、この信号に基づき駆動部６００ａは第１アーム部６００ｂ、第２アーム部６００ｃ、エンドエフェクタ６００ｄを駆動して、体性感覚に基づく仮想空間に対応した力感覚を患者７０の手に提示する。
【００３５】
力感覚として発生するのは対象仮想物体の重力・慣性力・摩擦力・弾性力・外力に対応するものである。力感覚提示装置６００は、仮想空間に対応する力感覚を提示できるものであれば、駆動部６００ａ、第１アーム部６００ｂ、第２アーム部６００ｃ、およびエンドエフェクタ６００ｄの構成以外の構成であってもよい。力感覚提示装置６００として適した市販の製品には、ＳｅｎｓＡｂｌｅ社製Ｐｈａｎｔｏｍシリーズなどがある。
【００３６】
さらに、情報処理・制御・通信装置１００は、構成すべき聴覚に基づく仮想空間を特徴付けるパラメータを立体音響提示装置４００へ伝える。立体音響提示装置４００はスピーカー４００ａに音声信号を送り、スピーカー４００ａは仮想空間に対応する音響を患者７０に提示する。
【００３７】
以上のように、視覚空間、体性感覚空間、および聴覚空間がハーフミラー３００ｂの下方で互いに対応するため、患者７０は、視覚空間、体性感覚空間、および聴覚空間が融合した仮想空間を認識することができる。
【００３８】
あるいはまた、故意にこれら相互の関係をずらしたり、矛盾させたりすることも可能である。
【００３９】
以下、かかる場合を詳細に説明する。
【００４０】
視覚空間、体性感覚空間および聴覚空間の統合機能とは、脳の高次機能の一つである異種感覚情報の統合機能の一部である。主として大脳の頭頂連合野の損傷によりこの機能が失われると、視覚空間、体性感覚空間および聴覚空間が互いに乖離し、適切な運動制御ができなくなる。例えば、健常者であれば、コンピュータの画面上のカーソルの位置（視覚空間）とその位置を変化させるマウスの位置（体性感覚空間）とが一致せず、互いに異なる位置にあっても、カーソルの位置を適切に操作することが可能である。
【００４１】
また、マウスの左右の動きと、コンピュータの画面上のカーソルの左右の動きが反転している場合でも、繰り返し動作をするにつれて、適切な操作を実行できるようになる。このような動作ができる理由は、脳において異種感覚情報の統合機能が適切に働いているからである。
【００４２】
しかし、左半側空間無視の症状を呈する患者の場合、反対側の右手でマウスを操作することが可能であっても、コンピュータの画面上のカーソルが無視領域に存在すれば当然カーソルの操作はできない。さらに、カーソルが無視領域以外の右側にあっても、マウスの動きとカーソルの動きが反転している場合には、適応能力が健常者と比較して低い場合が多い。
【００４３】
そこで、本発明では、視覚空間、体生感覚空間および聴覚空間のうち２つの感覚空間相互の統合機能を定量的に評価するために、次のような検査を実行する。
【００４４】
（１）視覚空間−体性感覚空間の統合機能に関する検査
（ａ）仮想空間構成装置２００は、目標物体として仮想空間内のランダムな位置に１つの物体を作り、鏡映型仮想空間表示装置３００はこの物体を表示する。
（ｂ）実時間運動計測装置７００は、患者７０の健常側の手の位置を常に計測し、この情報を、情報処理・制御・通信装置１００を経て、仮想空間構成装置２００へ送る。
（ｃ）鏡映型仮想空間表示装置３００は、患者７０の手の位置座標に対応する位置座標に指示用物体（例えば矢印型物体）を表示する。
（ｄ）患者７０は、鏡映型仮想空間表示装置３００で表示された仮想物体の位置と、指示用物体の位置が一致するように、その手を動かす。
（ｅ）両者の位置が一致したと患者７０が判断した場合には、その位置を保つ。
（ｆ）仮想空間構成装置２００は、仮想空間内の物体の位置と実時間運動計測装置７００で計測された位置の誤差を計算し、この値が指定された閾値以下に留まっている時間が指定された時間以上であれば、目標物体を消滅させる。
（ｇ）上記（ａ）からの経過時間が指定された検査時間を超えた場合は、（ｈ）に進み、そうでない場合は、上記（ａ）に戻って作業を繰り返す。
（ｈ）作業終了時点で、仮想空間構成装置２００は、仮想物体の位置座標、手の位置座標、両者の誤差および誤差の２乗平均値の平方根を記憶するとともに、これらの情報を、情報処理・制御・通信装置１００を経て、患者監視教示用表示装置９００に送る。
（ｉ）健常側の手の位置の計測は、実時間運動計測装置７００の代わりに、力感覚提示装置６００を用いて行ってもよい。
（ｊ）上記（ｃ）において、患者７０の手の位置座標に対応する位置座標に指示用物体をそのまま表示する代わりに、指示用物体の位置座標を適当に変換して表示する。例えば、左右方向の座標値の極性を反転させて表示し、手を左に動かしたときに画面上では指示用物体が右に動くようにして上記（ａ）から上記（ｈ）を行う。誤差の２乗平均値について、変換を施さない通常の場合と変換を施した場合とを比較する。
【００４５】
（２）聴覚空間−体性感覚空間の統合機能に関する検査
（ａ）仮想空間構成装置２００は、目標物体として仮想空間内のランダムな位置に１つの物体を作る。この場合、鏡映型仮想空間表示装置３００はこの物体および患者７０の手を表示しない。
（ｂ）実時間運動計測装置７００は患者７０の健常側の手の位置を常に計測し、この情報を、情報処理・制御・通信装置１００を経て、仮想空間構成装置２００へ送る。
（ｃ）立体音響提示装置４００は、目標物体に対応する位置から聞こえるような、適切な音を持続的に発生させる。
（ｄ）患者７０は、音が発生していると感じる位置または方向と、手の位置または方向が一致するように、その手を動かす。
（ｅ）両者の位置または方向が一致したと患者７０が判断した場合には、その位置を保つ。
（ｆ）仮想空間構成装置２００は、仮想空間内の物体の位置または方向と実時間運動計測装置７００で計測された手の位置または方向の誤差を計算し、この値が指定された閾値以下に留まっている時間が指定された時間以上であれば、目標物体を消滅させる。
（ｇ）上記（ａ）からの経過時間が、指定された検査時間を越えた場合は、（ｈ）に進み、そうでない場合は、上記（ａ）に戻って作業を繰り返す。
（ｈ）作業終了時点で、仮想空間構成装置２００は、仮想物体の位置座標、手の位置座標、両者の位置または方向の誤差の２乗平均値の平方根を記憶するとともに、これらの情報を、情報処理・制御・通信装置１００を経て、患者監視教示用表示装置９００に送る。
（ｉ）健常側の手の位置の計測は、実時間運動計測装置７００の代わりに、力感覚提示装置６００を用いて行ってもよい。
【００４６】
（３）視覚空間−聴覚空間の統合機能に関する検査
（ａ）仮想空間構成装置２００は、仮想空間内に物体をランダムに散在させる。この場合、鏡映型仮想空間表示装置３００はこれらの物体および患者の手の映像を表示しない。
（ｂ）立体音響提示装置４００は、これらの物体のうちの１つに対応する位置から聞こえるような、適切な音を持続的に発生させる。
（ｃ）患者７０は、その音が聞こえると感じる方向に視点を移動し、固定する。
（ｄ）視線追跡装置５００は患者７０の視線を計測し、これを仮想空間構成装置２００に送る。
（ｅ）仮想空間構成装置２００は、仮想空間内の物体の位置から計算される患者の目から物体までを結ぶ線と、視線追跡装置５００から受け取る患者７０の実際の視線とがなす角度を計算する。
（ｆ）この角度が指定された閾値以下で指定された時間以上留まっていれば、この角度（誤差）の平均値を記憶し、仮想空間構成装置２００は、その物体を消滅させ、立体音響提示装置４００は音の発生を停止する。
（ｇ）上記（ａ）からの経過時間が指定された時間を越えた場合は、（ｈ）に進み検査を終了させる。そうでない場合は（ａ）に戻って、作業を繰り返す。
（ｈ）作業終了時点で、残った物体の位置座標に対応する方向および個数を仮想空間構成装置２００が記憶するとともに、これらの情報を、情報処理・制御・通信装置１００を経て、患者監視教示用表示装置９００に送る。残った物体の位置座標は無視領域を示している。
【００４７】
〔Ｂ〕目標動作指示機能
通常の上肢に対するリハビリテーションの場合、例えば、装置あるいは教示者が目標動作を「散在する物体の中から赤い物体に触れなさい」などのように、画面表示あるいは口頭で患者に指示するだけでよい。しかし、ＦＥＳを用いた麻痺上肢のリハビリテーションの場合には、「散在する物体の中から赤い物体に触れなさい」という指示があっても、患者自身がＦＥＳ信号を作ることはできないため、目標行為を実現することが困難である。
【００４８】
そこで、本発明では、教示者あるいは情報処理・制御・通信装置１００からの指示、たとえば「散在する物体の中から赤い物体に触れなさい」という指示に対しては、次のようにして目標動作を指示する。すなわち、
（１）目標物体（たとえば「赤い物体」）がどこにあるかを患者７０が視線を移動することで指示する。
【００４９】
（２ａ）教示者あるいは情報処理・制御・通信装置１００が複数の目標動作の例を患者７０に示し、それらの一つを患者７０が選択する。
【００５０】
あるいは、
（２ｂ）情報処理・制御・通信装置１００が事前にプログラムされた目標動作を定め、患者７０は動作を選択しない。
【００５１】
本機能は具体的には次のように実現される。
【００５２】
上記（１）の場合、ビデオカメラ５００ａで撮影された患者７０の目の映像信号が視線追跡装置５００に送られ、視線追跡装置５００は、患者７０の視線の座標を計算し、この視線情報を情報処理・制御・通信装置１００に送る。情報処理・制御・通信装置１００は、視線情報と合致する仮想空間の物体を、患者７０の手が触れるべき目標物体と認識する。
【００５３】
上記（２ａ）の場合、情報処理・制御・通信装置１００が、患者の取るべき目標動作の種類に対応するリストを仮想空間上に提示し、患者７０は、上記（１）の場合と同様に視線の位置によってそのリストを選択するか、あるいは、患者音声入力装置１１００によって、選択するリストの番号を音声で情報処理・制御・通信装置１００に教える。
【００５４】
上記（２ｂ）の場合、情報処理・制御・通信装置１００が、事前にプログラムされた患者の取るべき目標動作を選択する。
【００５５】
〔Ｃ〕目標軌道生成機能
通常の上肢に対するリハビリテーションであれば、目標動作を実現するための軌道生成は患者自身が無意識的に行うことができる。しかし、ＦＥＳを用いた麻痺上肢のリハビリテーションの場合には、患者は自分で目標軌道を生成することはできない。
【００５６】
そこで、目標動作を実現するための軌道生成は、本発明の情報処理・制御・通信装置１００が自動的に行う。
【００５７】
本機能は具体的には次のように実現される。
【００５８】
患者７０の上腕部センサ７００ａ、下腕部センサ７００ｂ、手甲部センサ７００ｃの信号が実時間運動計測装置７００に送られ、実時間運動計測装置７００は、これらの信号から患者７０の上肢の３次元的姿勢を実時間で計測する。そして、現在の上肢の３次元的姿勢と目標物体の位置座標に基づき、現在から目標物体到達時までの肘関節のオイラー角の時間関数が生成される。
【００５９】
上腕部センサ７００ａ、下腕部センサ７００ｂ、手甲部センサ７００ｃは、加速度、あるいは磁界を検出するものである。上肢の３次元的姿勢を実時間で計測する方法として、他の方式、たとえば光学的に計測する方法をとってもよい。
【００６０】
〔Ｄ〕軌道誤差修正機能
通常の上肢に対するリハビリテーションであれば、目標軌道と現在の軌道に誤差が生じたとき、この誤差の修正を患者自身が行うことができる。しかし、ＦＥＳを用いた麻痺上肢のリハビリテーションの場合には、患者はこの誤差修正ができない。
【００６１】
そこで、目標軌道の誤差修正は、フィードバック制御アルゴリズムに基づき、本発明の情報処理・制御・通信装置１００が自動的に行う。
【００６２】
本機能は、具体的には次のように実現される。
【００６３】
前記目標軌道生成機能で述べたのと同様な方法で、患者７０の現在の上肢の３次元的姿勢を実時間で計測する。誤差は、目標軌道生成機能で生成された目標軌道に対応する目標値と現在の上肢の姿勢から決まる値（制御量）の差として定義される。具体的には肘関節のオイラー角に関する誤差か、あるいは手甲部センサ７００ｃの３次元的位置座標に関する誤差のどちらかを用いる。この誤差ができるだけ少なくなるように、一般のフィードバック制御アルゴリズムを使って操作量を生成し、これを運動用機能的電気刺激装置１２００に送る。この操作量に対応し、運動用機能的電気刺激装置１２００は、電気信号発生部１２００ａより、第１電極１２００ｂ、第２電極１２００ｃ、第３電極１２００ｄ、第４電極１２００ｅに対応する適切な電気信号を発生させるよう指令を送る。各電極に発生した電気信号は、上肢の適切な筋肉収縮を起こし、上記の誤差が減少するように働く。
【００６４】
電極の数としては、第１電極１２００ｂ、第２電極１２００ｃ、第３電極１２００ｄ、第４電極１２００ｅ以外の適切な個数でもよい。また、電極としては、ＦＥＳ電極であれば、皮膚表面電極あるいは皮下刺入電極のどちらでもよい。
【００６５】
〔Ｅ〕動的負荷生成機能
力感覚提示装置６００が作り出す力感覚は、対象仮想物体の重力・慣性力・摩擦力・弾性力・外力に対応するものである。これによって、負荷特性が変化した場合の上肢運動の適切な調整能力の検査および訓練が可能となる。
【００６６】
例えば、対象物体の重さをさまざまに変えた状況で、患者にその対象物体を移動させるような動作訓練を実行させることができる。すなわち、対象物体が軽いものでも重いものでも適切な動作が可能かどうかを検査したり、それが可能となるように訓練することができる。
【００６７】
〔Ｆ〕訓練者空間・教示者空間融合機能
動作訓練および検査において、教示者は、目標動作の指示、患者の動作の確認、監視、誘導を行う必要がある。本機能はこのために行うものであり、患者の動作空間と教示者の空間が融合した状態で、教示者に患者への指示、患者動作の確認・監視・誘導を行わせるものである。
【００６８】
本機能は具体的には次のように実現される。
【００６９】
患者７０の実際の上肢と仮想空間の映像は画像合成装置８００で合成され、その合成画像信号が分配器８０により分配されて、一つは鏡映型仮想空間表示装置３００に送られ、もう一つが情報処理・制御・通信装置１００に送られる。更に、この画像信号は、情報処理・制御・通信装置１００により、患者監視教示用表示装置９００に送られ、この画面に患者が見ているのと同一の映像が提示される。教示者はこの映像を見ながら、患者教示用データ入力装置１０００を使って患者への指示、患者動作の確認・監視・誘導を行う。
【００７０】
患者教示用データ入力装置１０００は、通常のパーソナルコンピュータ用の入出力装置であるキーボード、マウスの他に、教示者の声を患者に伝えるためのマイクロフォン、２次元位置入力装置であるタブレットや、磁気的、音響的、あるいは光学的に３次元的位置を入力する装置でもよく、あるいはこれらの組み合わせでもよい。
【００７１】
この入力情報は、情報処理・制御・通信装置１００に送られ、視覚空間、体性感覚空間および聴覚空間を構成するためのパラメータ変更、運動用機能的電気刺激装置１２００のパラメータ変更、および、患者に教示者の指示を直接伝えるスピーカー４００ａから発する音声として利用される。
【００７２】
さらに、患者７０の音声は、患者音声入力装置（マイクロフォンなど）１１００で計測し、情報処理・制御・通信装置１００を経由して、患者音声出力装置（スピーカーなど）１１０１で、教示者に伝えられ、患者の理解度を音声で確認できる。
【００７３】
また、ユニット６０のうち、教示者用構成部分である患者監視教示用表示装置９００、患者教示用データ入力装置１０００、患者音声出力装置１１０１を除いた構成の装置だけで用いてもよい。この場合、上記したような、訓練者空間・教示者空間融合機能は実現できないが、教示者が患者７０のそばにいることにより、直接、目標動作の指示、患者の動作の確認、監視、誘導を行うことができる。
【００７４】
〔Ｇ〕遠隔監視教示機能
本発明は、同一構成のユニット６０を単位とした複数の装置１５００か、あるいは、ユニット６０のうち、教示者用構成部分である患者監視教示用表示装置９００、患者教示用データ入力装置１０００、患者音声出力装置１１０１を除いた構成の装置を単位とした複数の装置か、あるいはそれらが混在したものを、インターネットあるいはイントラネット１４００でネットワーク化した構成をとる。このため、一人の教示者によって、一度に複数の患者の目標動作の指示、患者の動作の確認、監視、誘導を行うことが可能である。
【００７５】
具体的には、情報処理・制御・通信装置１００への入出力情報を、インターネットあるいはイントラネット１４００経由で他のユニットの情報処理・制御・通信装置１００との間で送受信する。これらのうち、サーバとなるユニット６０を１台決めておき、このユニット６０が情報の授受を統括・制御する。
【００７６】
ただし、実際の運用ではユニット６０をインターネットあるいはイントラネット１４００に接続せず、単独で用いてもよい。当然この場合、遠隔監視教示機能は存在しない。
【００７７】
〔Ｈ〕データベース構築参照機能
本発明は、遠隔監視教示機能と同様に、複数の装置１５００、あるいはそこから教示者用構成部分を除いた複数の装置を、インターネットあるいはイントラネット１４００でネットワーク化した構成をとる。このため、各ユニット６０で得られる患者のリハビリテーション・データおよび検査データをインターネットあるいはイントラネット１４００に接続されたデータベース・システム１３００に集め、統計的な標準データを構築することができる。
【００７８】
具体的には、各患者の動作訓練の成績、検査の結果等の、患者を特徴付けるさまざまなパラメータを各ユニット６０から自動的に収集することによって、それらの平均値、標準偏差、分布等の統計的データを構築する。
【００７９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００８０】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００８１】
（Ａ）脊髄損傷あるいは脳血管障害などによって上肢に運動機能障害のある患者が仮想空間内でリハビリテーションを行うための支援を的確に行うことができる。つまり、異種感覚空間融合機能、目標動作指示機能、目標軌道生成機能、軌道誤差修正機能、動的負荷生成機能、訓練者空間・教示者空間融合機能、遠隔監視教示機能、データベース構築参照機能を備えているため、一般の運動機能障害者に加えて、特に脊髄損傷や脳血管障害などにより上肢に運動機能障害を有する患者に対して、ＦＥＳによる麻痺上肢のリハビリテーションを効率的に実施することができる。
【００８２】
（Ｂ）視空間、体性感覚空間、および聴覚空間の３つの空間のそれぞれにおける無視領域の自動特定機能、この３空間の相互関係を人為的に改変する機能、および無視側への注意誘導機能を備えているため、特に半側空間無視を呈する運動機能障害者の検査およびリハビリテーションを効率的に実施することができる。
【００８３】
本発明により、運動機能障害者の適切な検査およびリハビリテーションが実行できるため、運動機能障害者の社会復帰が促進され、総医療費の抑制に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す運動機能障害者用リハビリテーション支援装置の全体構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す運動機能障害者用リハビリテーション支援装置の概略構成図である。
【符号の説明】
６０　　運動機能障害者用リハビリテーション支援装置（ユニット）
７０　　運動機能障害者（患者：被験者）
８０　　ビデオ信号分配器
９０　　３次元位置センサ
１００　　情報処理・制御・通信装置
１００Ａ　　計測用ＰＣ
１００Ｂ　　仮想空間提示用ＰＣ
２００　　仮想空間構成装置
３００　　鏡映型仮想空間表示装置
３００ａ　　ブラウン管
３００ｂ　　ハーフミラー
３００ｃ　　仮想物体の実像
３００ｄ　　仮想物体の虚像
３００ｅ　　ブラウン管の虚像
３００ｆ　　立体視用眼鏡同期赤外線発生装置
３００ｇ　　立体視用眼鏡（ディスプレイハーフミラー、液晶シャッタ眼鏡）
３００′　　力覚ディスプレイ
４００　　立体音響提示装置
４００ａ　　スピーカー
５００　　視線追跡装置
５００ａ　　ビデオカメラ
６００　　力感覚提示装置
６００ａ　　駆動部
６００ｂ　　第１アーム部
６００ｃ　　第２アーム部
６００ｄ　　エンドエフェクタ
７００　　実時間運動計測装置
７００ａ　　上腕部センサ
７００ｂ　　下腕部センサ
７００ｃ　　手甲部センサ
８００　　画像合成装置
８００ａ　　ビデオカメラ
９００　　患者監視教示用表示装置
１０００　　患者教示用データ入力装置
１１００　　患者音声入力装置
１１０１　　患者音声出力装置
１２００　　運動用機能的電気刺激装置
１２００ａ　　電気信号発生器
１２００ｂ　　第１電極
１２００ｃ　　第２電極
１２００ｄ　　第３電極
１２００ｅ　　第４電極
１３００　　データベース・システム
１４００　　インターネットあるいはイントラネット
１５００　　複数の運動機能障害者用リハビリテーション支援装置（複数のユニット）

Claims (3)

1. （ａ）情報処理・制御・通信装置と、
   （ｂ）該情報処理・制御・通信装置に接続される仮想空間構成装置と、
   （ｃ）該仮想空間構成装置に接続されるとともに、ビデオカメラを有する画像合成装置と、
   （ｄ）該画像合成装置の出力側に接続され、出力側に前記情報処理・制御・通信装置を接続するビデオ信号分配器と、
   （ｅ）該ビデオ信号分配器の出力側に接続されるとともに、ブラウン管と、ハーフミラーを有し、仮想物体の実像、仮想物体の虚像、ブラウン管の虚像を生成し、立体視用眼鏡同期赤外線発生装置と、立体視用眼鏡とを具備する鏡映型仮想空間表示装置と、
   （ｆ）前記情報処理・制御・通信装置に接続されるとともに、スピーカーを有する立体音響提示装置と、
   （ｇ）前記情報処理・制御・通信装置に接続されるとともに、ビデオカメラを有する視線追跡装置と、
   （ｈ）前記情報処理・制御・通信装置に接続されるとともに、駆動部と、第１アーム部と、第２アーム部と、エンドエフェクタを有する力感覚提示装置と、
   （ｉ）前記情報処理・制御・通信装置に接続されるとともに、上腕部センサと、下腕部センサと、手甲部センサとを有する実時間運動計測装置と、
   （ｊ）前記情報処理・制御・通信装置に接続される患者監視教示用表示装置と、（ｋ）前記情報処理・制御・通信装置に接続される患者教示用データ入力装置と、
   （ｌ）前記情報処理・制御・通信装置に接続される患者音声入力装置と、
   （ｍ）前記情報処理・制御・通信装置に接続される患者音声出力装置と、
   （ｎ）前記情報処理・制御・通信装置に接続されるととも、電気信号発生器と、麻痺上肢に装着される複数の電極とを有する運動用機能的電気刺激装置とを備え、
   （ｏ）異種感覚空間融合機能と、目標動作指示機能と、目標軌道生成機能と、軌道誤差修正機能と、動的負荷生成機能と、訓練者空間・教示者空間融合機能と、遠隔監視教示機能と、データベース構築参照機能とを有し、異種感覚空間の統合機能を評価することを特徴とする運動機能障害者用リハビリテーション支援装置。
2. 請求項１記載の運動機能障害者用リハビリテーション支援装置において、前記運動用機能的電気刺激装置の複数の電極は、第１の電極と、第２の電極と、第３の電極と、第４の電極とからなることを特徴とする運動機能障害者用リハビリテーション支援装置。
3. 請求項１記載の運動機能障害者用リハビリテーション支援装置において、データベース・システムが接続される外部通信ネットワークとを具備することを特徴とする運動機能障害者用リハビリテーション支援装置。

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