JP2004358229A - 身体運動解析装置および身体運動解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】 計測時の制限を緩和しつつ、短時間かつ安価に人の姿勢や運動に関して定量的に解析し得る運動解析装置等を提供する。
【解決手段】 加速度検出装置１０の加速度情報検出部１１は、少なくとも１軸の加速度センサにより、被験者が歩行することによって生ずる前後方向（または、左右方向）の加速度を計測し、この加速度を表わす加速度データを無線通信制御部１２に送信する。無線通信制御部１２は、加速度情報検出部１１において計測された加速度データを近距離の無線通信方式によって身体運動解析装置２０に送信する。一方、身体運動解析装置２０の無線通信制御部２１は、加速度検出装置１０から送信された加速度データを近距離の無線通信方式によって受信し、歩行速度検出部２２に送信する。歩行速度検出部２２は、受信した加速度データに基づいて歩幅および歩行周期を推定すると共に、歩幅と歩行周期から歩行速度を算出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、人間の運動時に抽出された物理的な特徴量に基づいて体勢や運動に関する解析を行う身体運動解析装置に関し、特にリハビリテーションシステムやスポーツトレーニングシステムにおける歩行機能テストに用いる身体運動解析装置等に関する。

近年の高齢化社会の到来という背景の下、高齢者や下肢疾患患者の下肢機能を回復させるための装置や治療方法が注目されている。特に人工関節患者や変形性関節症患者等における下肢機能の回復（又は悪化）の程度を定量的に把握することは、重要な課題の一つとなっており、従来においてもこれらのための装置等がいくつか提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１の「身体特徴点検出装置および身体運動解析装置」では、身体運動を撮影することによって収集した、身体部品毎の運動上の特徴に基づいて運動解析を行っている。また、特許文献２の「運動解析装置」では、磁気記録媒体上に形成されている着磁部の磁気を運動体に連動する磁気センサによって検出して運動量を定量的に計測している。さらにまた、特許文献３の「運動解析法およびその装置」では、身体の一部に明るい標点をつけて運動する物体を撮影し、標点の軌跡に基づいて運動解析を行っている。

また、一般に、寝たきりを誘引する、高齢者に懸念される転倒事故は、根本的には姿勢保持能力の低下に起因する。そして、この姿勢保持能力の低下は、歩行時に顕著に現れる。例えば、姿勢保持能力が低下すると、高齢者は、歩行速度が低下すると共に歩幅が短縮し、さらに、両足の左右方向の間隔（以下、スタンスという。）を拡張させて安定性を確保するという補償行動をとる。

そこで、歩行時のスタンスを測定する必要があるが、人体の運動解析を行う一般的な技術としては重心動揺計がある。この技術の特徴は、被験者の荷重を検出するための荷重検出板を水平な床に設置し、被験者が荷重検出板に乗ることで重心の運動解析を行うものである（例えば、特許文献４参照）。
特開平１０−１１１９４０号公報 特開平５−１８０８６１号公報 特開平５−２７４４３４号公報 特許第２７６０４７２号公報

しかしながら、上記の特許文献１〜３の画像解析手法等を用いた技術においては、取り扱うデータが膨大かつ冗長であるため、データ収集やデータ分析には多くの労力を要し、時間や費用などにおいて制約があるリハビリテーションやスポーツトレーニングの現場では活用される機会が極めて少ないという課題がある。

また、上記特許文献４の技術の場合は、人体の運動(軌跡)の計測は、荷重検出板上に被験者が乗って行わなければならず、運動を行う領域、運動の種類、及び姿勢などを制限する必要があるため、被験者及び計測者（例えば、医療担当者や介護担当者）にとっては煩わしく、また、歩行状態についての計測は出来ないという課題を有する。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、計測時の制限を緩和しつつ、短時間かつ安価に人の姿勢や運動に関して定量的に解析し得る運動解析装置等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る身体運動解析装置は、人の歩行機能を解析するための身体運動解析装置であって、人の運動に伴って生じる加速度を時間の経過に沿って検出する加速度検出手段と、検出された前記加速度に対して所定の分析を行い、特定の特徴量を抽出する加速度分析手段と、抽出された前記特徴量に基づいて、人の歩行機能に関する物理量を算出する歩行機能量算出手段とを備える。

これにより、加速度センサから受信した加速度データのみで、被験者についての運動量を算出することができるため、計測時に煩わしさを感じることなく、短時間かつ安価に被験者の歩行機能を解析することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る身体運動解析システムは、人の歩行機能を解析するための、加速度検出装置と解析装置を備える身体運動解析システムであって、前記加速度検出装置は、人の運動に伴って生じる加速度を時間の経過に沿って検出する加速度検出手段と、検出された前記加速度を電気信号に変換し、当該電気信号を解析装置に送信する加速度送信手段とを備え、前記解析装置は、加速度検出装置から電気信号を受信し、当該電気信号を加速度に変換する加速度受信手段と、変換された前記加速度に対して所定の分析を行い、特定の特徴量を抽出する加速度分析手段と、前記抽出された特徴量に基づいて、人の歩行機能に関する物理量を算出する歩行機能量算出手段とを備える。

これにより、被験者に装着した加速度センサによって加速度を測定するのみで、被験者についての運動量を算出することができるため、計測時に煩わしさを感じることなく、短時間かつ安価に被験者の歩行機能を解析し得る身体運動解析システムを提供することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明は、上記身体運動解析装置の特徴的な構成手段をステップとする身体運動解析方法として実現したり、それらのステップを全て含むプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのプログラムは、身体運動解析装置が備えるＲＯＭ等に格納しておくだけでなく、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体や通信ネットワーク等の伝送媒体を介して流通させることもできる。

本発明に係る運動解析システムによれば、少なくとも１軸の加速度センサによって歩行時の前後方向の加速度又は左右方向の加速度を計測し、この加速度に基づいて歩幅や歩行速度出等を定量的に算出するので、人工関節患者や変形性関節症などの下肢疾患患者における運動機能の回復度合いを短時間かつ安価で定量的に示すことが可能となり、診療時間、労力、費用等において制約のあるリハビリテーションやスポーツトレーニングの現場における活用が期待される。

また、被験者に被験者自身の歩行等の身体機能の現状を提示することで、医療スタッフと被験者間で回復状況等に関する問題意識の共有化が可能となり、機能回復訓練をより効果的に支援することが可能となる。

さらに、本発明に係る身体運動解析システムによれば、計測時の制限が殆どない上、短時間かつ安価に歩行時のスタンスの解析を行うことが可能となる。
さらにまた、本発明に係る身体運動解析システムによれば、計測時の制限が殆どない上、短時間かつ安価に身体運動における両足の左右差を検出し、機能回復・悪化の程度を簡便に定量化することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態において、本発明について図面を用いて説明するが、本発明はこれらに限定することを意図しない。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における身体運動解析システム１００の概略図である。この身体運動解析システム１００は、歩行中の被験者１から取得した加速度データに基づいて歩幅や歩行速度等を算出するシステムであり、加速度検出装置１０と身体運動解析装置２０とを備える。

加速度検出装置１０は、内蔵する加速度センサにより、被験者１が歩行することによって生ずる加速度を計測し、そのデータを無線（例えば、bluetooth（「ザ ブルートゥース エスアイジー インコーポレーテッド」の登録商標）に準拠した通信方式）で身体運動解析装置２０に送信する装置であり、被験者１（例えば、下肢機能不全患者）の体の一部に固定されて使用される。なお、以下では、加速度検出装置１０が被験者１の右腰部に装着された場合であって、被験者１の歩行によって生ずる前後方向又は左右方向の加速度を計測し、計測した加速度に基づいて歩行速度を算出する実施例について説明する。

身体運動解析装置２０は、一般的なパーソナルコンピュータの機能を備えると共に、加速度検出装置１０から送信された加速度データを、上記bluetoothに準じた通信方式等によって受信し、この加速度データに基づいて被験者の歩幅や歩行速度等を算出する機能を有する。

図２は、本発明における加速度検出装置の装着位置と加速度センサの座標軸の関係を示す図である。なお、以下で説明する加速度検出装置の装着位置と加速度センサの座標軸との関係は、本実施の形態に限らず、以下の実施の形態２〜４においても共通である。図２に示されるように、加速度検出装置１０は、被験者１の右腰部に、例えばベルト状の装着具５によって固定される。また、本発明においては、被験者１の歩行に伴う加速度を計測する際、左右方向をＸ軸方向（右方向を“正の方向”）とし、前後方向をＹ軸方向（前方向を“正の方向”）と定義することとする。

図３は、上記加速度検出装置１０および身体運動解析装置２０の各機能構成を示すブロック図である。図３に示されるように、加速度検出装置１０は、加速度情報検出部１１および無線通信制御部１２を備える。一方、身体運動解析装置２０は、無線通信制御部２１、歩行速度検出部２２、表示部２３および蓄積部２４を備える。まず、加速度検出装置１０について説明する。

加速度情報検出部１１は、ＩＣ型の加速度センサ（例えば、２軸の加速度について計測が可能なもの）により、被験者１が活動することによって生ずる、前後方向（または、左右方向）の加速度を計測し、この加速度を表わす情報（以下、「加速度データ」という。）を無線通信制御部１２に送信する。より詳細に説明すると、例えば、所定の時間（例えば、１０秒間）、被験者１の歩行における前後方向の加速度をモニタリングし、最大±２Ｇ（１Ｇ＝９．８[m/s^２]）の加速度に応じた電圧変化を１２５Ｈｚのサンプリング周波数、１６ビットの量子化ビット数でサンプリングしてＡ／Ｄ変換を行い、このＡ／Ｄ変換された加速度データを無線通信制御部１２に送信する。

無線通信制御部１２は、例えば、制御プログラム等を格納するＲＯＭやＲＡＭ等を備えるＣＰＵであり、加速度検出装置１０全体を制御する。さらに、無線通信制御部１２は、加速度情報検出部１１において計測された加速度データを、例えば、上記bluetoothに準拠した通信方式によって身体運動解析装置２０に送信する。

次に、身体運動解析装置２０について説明する。
無線通信制御部２１は、上記加速度検出装置１０における無線通信制御部１２と同様に、制御プログラム等を格納するＲＯＭやＲＡＭ等を備えるＣＰＵであり、身体運動解析装置２０全体を制御する。さらに、無線通信制御部２１は、加速度検出装置１０から送信された加速度データを、例えば、上記bluetoothに準拠した通信方式によって受信し、歩行速度検出部２２に送信する。

歩行速度検出部２２は、受信した加速度データに基づいて歩幅および歩行周期を算出すると共に、歩幅と歩行周期から歩行速度を算出する。
表示部２３は、例えば液晶パネルを備える表示装置であり、無線通信制御部２１の指示により、被験者１の姿勢や運動に関する情報（例えば、歩行速度についての計測値や機能回復した様子など）やアドバイスのための情報などの表示を行う。

蓄積部２４は、例えば、ＲＡＭや固定ディスク等からなる記憶装置であり、加速度検出装置１０から受信した加速度を表わす情報を記憶すると共に、歩行速度検出部２２において算出された、歩行速度を表わす情報（以下、「歩行速度データ」という。）を記憶する。

ここで、加速度データから歩行速度を算出する方法について、図４〜図６を参照しながら詳細に説明する。
図４は、被験者の歩行機能テストにおける脚運びと加速度の変化との対応を時間の経過に従って示した一例である。図４における曲線４１は、被験者１が歩行機能テストを実施した際の左右方向の加速度の変化を示した図である。一方、曲線４２は、上記歩行機能テストを実施した際の前後方向の加速度の変動を示した図である。上記図２において説明したように、左右方向の加速度に対しては「右向き」を正の方向と定義し、前後方向の加速度に対しては「前向き」を正の方向と定義している。本実施の形態においては、次の（１）式における歩行速度の定義を用いることとする。

歩行速度＝（歩行周期）×（歩幅） （１）
ここで、上記（１）式における「歩行周期」とは、図４における曲線４２（即ち、前後方向の加速度の変化）の平均周期（例えば、Ｔ(i)−Ｔ(i-1)[sec]に相当する１０周期の平均）とする。この場合、上記曲線４２においては、負の値から正の値に変化する過程でゼロクロスする、隣り合う２点を用いることとする。

さらに、上記（１）式における「歩幅」については、例えば上記の１０周期に亙って計測した前後方向の加速度の曲線４２をフーリエ変換してパワースペクトルを求め、さらにそのピーク値（これを「周波数パワー」という。）の常用対数を求める。

図５に、上記曲線４２に関する周波数スペクトルを模式的に示した図である。図５に示される例では、周波数が「１」（即ち、１歩に要する時間が１秒）において周波数パワーが最大となる例（曲線５０１〜曲線５０４）を示しており、各々の最大パワーの常用対数値が示されている。従って、図５の曲線５０４の場合は、１秒間に８歩あるいたこととなる。

図６は、実験的に算出された、周波数パワーの常用対数と歩幅との関係を示す一例である。図６に示されるように、最大周波数パワーの常用対数と歩幅とは比例関係にある。図６の曲線６０１に基づいて、下記の（２）式が導出される（ここで、歩幅の単位は[cm]である。）。

歩幅＝１４３×(最大周波数パワーの常用対数)−２７１ （２）
なお、上記の関係は、個人毎に１つの曲線が定義され得る（従って、被験者が３人いる場合は、曲線６０１〜６０３のように３本の曲線が定義され得る。）。

以上の説明で明らかなように、上記（２）式で算出された「歩幅」を、上記（１）式に代入することにより「歩行速度」を算出することが可能となる。
次に、上記のように構成される身体運動解析装置２０の動作について説明する。
図７は、身体運動解析装置２０の処理の流れを示すフローチャートである。

最初に、無線通信制御部２１は、加速度検出装置１０から送信された加速度データを受信し（Ｓ７０１：Ｙｅｓ）、この加速度データに基づいて、歩行周期を算出する（Ｓ７０２）。次に、無線通信制御部２１は、受信した加速度データが左右方向の場合は（Ｓ７０３：Ｙｅｓ）、算出した歩行周期の値を２倍する（Ｓ７０４）。さらに、無線通信制御部２１は、受信した加速度データに基づいて歩幅を推定し（Ｓ７０５）、上記歩行周期と歩幅から歩行速度を算出する（Ｓ７０６）。

ここで、本身体運動解析システム１００の効果的な応用例について説明する。
図８は、表示部２３における、歩幅や歩行速度の最新の計測値と前回計測値との比較を行った場合の表示例である。

さらに、図９は、被験者１に関する身体運動機能の変化を表示した一例であり、股関節置換手術の患者を対象として術後のリハビリの回復過程における歩行速度の変化の様子を示したグラフである。図９の例では、術後５日目から第１回目の計測を開始し、第１回目の計測値を１００とした場合の、その後の歩行速度変化率を術後の経過日数と対応付けて示した図である。図９の例からわかるように、表示部２３は、１０日間毎の集計機能も有している。

以上のように、本実施の形態に係る身体運動解析システム１００を用いることにより、被験者に装着した、少なくとも１軸（前後方向、左右方向など）の加速度センサによって計測した加速度に基づいて、歩幅、歩行周期および歩行速度を算出することが可能となるため、リハビリテーションシステムやスポーツトレーニングシステムにおいて、短時間かつ安価に身体運動解析を実現することが可能となる。

なお、上記実施の形態１では、前後方向の加速度においては「前」を正の方向と定義し、左右方向の加速度においては「右」を正の方向と定義したが、これに限定するものではなく、それ以外の定義によって各加速度の値の正負を定義してもよい。また、上記実施の形態では、表示部２３に必要な情報の提示を行う実施例を示したが、これに限定するものではなく、例えば、音声によって通知したり、振動等の刺激によって通知したり、光の点滅等によって通知してもよい。

また、上記実施の形態においては、図４の如く、前後方向の加速度を検出するように構成し、検出した加速度に基づいて歩行周期、歩幅及び歩行速度を算出したが、左右方向の加速度に基づいて歩行周期を求め、前後方向の加速度から歩幅を算出してもよい。但し、その場合の歩行周期は、上記前後方向の加速度に基づいて算出した歩行周期の「１／２」となる点に注意する必要がある。

また、上記実施の形態では、近距離の無線通信を利用して加速度検出装置１０から身体運動解析装置２０に加速度データを送信する実施例を示したが、１台の装置に、上記加速度検出装置１０および身体運動解析装置２０の全ての機能を備えるように構成してもよい。

さらにまた、上記実施の形態では、被験者における歩行時について加速度を計測する実施例を示したが、歩行による加速度に限定するものではなく、周期性を有するその他の運動を被験者に実施させ、その加速度を計測することによって、被験者の運動機能を解析してもよい。

（実施の形態２）
上記実施の形態１においては、歩行中の被験者１から取得した加速度データに基づいて歩幅や歩行速度等を算出する身体運動解析システムについて説明したが、本実施の形態では、同じく取得した加速度データに基づいて歩行時のスタンス（左右方向の脚の開き）を算出する身体運動解析システムについて説明する。

図１０は、本実施の形態に係る身体運動解析システム２００における加速度検出装置１０および身体運動解析装置３０の各機能構成を示すブロック図である。なお、以下では、上記実施の形態１における身体運動解析システム１００と同じ機能構成については同じ符番を付し、その説明は省略することとする。

加速度検出装置１０は、被験者１に対して前後方向、左右方向、上下（鉛直）方向のうち、少なくとも１方向における加速度を計測し、加速度に相当する信号（以下、加速度データという）を無線通信制御部１２に出力する。

身体運動解析装置３０は、計測された加速度データに基づいて歩行時のスタンスを算出する装置であり、無線通信制御部２１、運動解析部３１、表示部２３および蓄積部２４を備える。

運動解析部３１は、上記実施の形態１における歩行速度検出部２２に対応する機能を有する部署であり、無線通信制御部２１から受信した加速度データに対して所定の時間間隔で波形解析を行う機能を備えている。

図１１は、運動解析部３１の機能構成を示すブロック図である。図１１に示されるように、運動解析部３１は、周波数分析部３２、極大値検出部３３、極大値周波数検出部３４、最低周波数検出部３５、配列保存部３６及び評価部３７を備える。

周波数分析部３２は、無線通信制御部２１から受信した加速度データに対して周波数分析を実行する。極大値検出部３３は、周波数分析部３２から入力したパワースペクトラムからパワーの極大値を検出する。極大値周波数検出部３４は、極大値検出部３３において検出された極大値に対応する周波数を検出する。最低周波数検出部３５は、極大値周波数検出部３４において抽出された各周波数の中から、０Ｈｚを除いた最低の周波数を検出する。配列保存部３６は、最低の周波数、最低の周波数に対応する極大値、及びそれらの計測日時とからなる配列を保存する。評価部３７は、配列保存部３６に蓄積されているデータから、指定された日時のデータを読み出して無線通信制御部２１に出力する。

ここで、左右方向の加速度データを用いて運動解析部３１の機能について詳細に説明する。
図１２は、被験者１に実施された歩行テストにおける歩行時の左右方向の加速度の時系列データの一例である。図１２においては、横軸は時間[sec]を、縦軸は加速度をそれぞれ示している。図１２の場合は、１０秒間の歩行に対して１２５Ｈｚのサンプリングレートで収集した加速度データである。

最初に、周波数分析部３２は、無線通信制御部２１を介して受信した加速度データに対して周波数分析を行い、そのパワースペクトラムを生成する。次に、極大値検出部３３は、加速度データから生成されたパワースペクトラムに対して、１以上の包絡線を特定し、特定された包絡線毎に極大値の検出を行う。

続いて、極大値周波数検出部３４は、検出された極大値を有する波形の周波数を検出する。
図１３は、周波数分析部３２において生成されたパワースペクトラムの一例を示す図である。図１３において、横軸は周波数［Hz]を、縦軸はパワーを表す。図１３の中のＡ〜Ｆは、極大値検出部３３において検出された、包絡線で表される複数の凸状部分における各極大値を示すスペクトルを示しており、ａ〜ｆは、極大値周波数検出部３４によって特定されたそれぞれの極大値に対応する周波数を示している。

次に、最低周波数検出部３５は、ａ〜ｆの周波数のうち、０Ｈｚを除く最低の周波数を抽出する。図１３の例では、ａに相当する。この後、配列保存部３６は、上記ように特定された最低の周波数と、この最低の周波数に対応する極大値（図１３では、Ａに相当する。）とを、それらを計測した日付を対応付けて配列データとして保存する。

続いて、評価部３７は、被験者１あるいはその介護者から受け付けた指示に従い、配列保存部３６に蓄積されている配列データを読み出す。そして、日毎の最低の周波数に対する極大値をグラフ化表示するためのデータを無線通信制御部２１に送信する。無線通信制御部２１は、評価部３７から受信したデータに基づいて表示を行うべく、表示部２３に指示を行う。

図１４は、歩行時のスタンスを変えて収集した左右方向の加速度波形のパワースペクトラムを用いて特定した、最低の周波数におけるパワー値を示すスタンス評価指数と歩行スタンスとの関係の一例を示す図である。図１４において、横軸が歩行スタンス[ｃｍ]を示し、縦軸が上記極大値を常用対数で表したスタンス評価指数である。図１４により、歩行時のスタンスと極大値との間には線形の関係があることがわかる。

図１５は、上記図１４の関係を利用して作成した、歩行テストによって得られたスタンスの変化の様子を示す一例である。図１５において、横軸は歩行テストの日付、縦軸は歩行スタンス評価指数を示している。

図１５では、日付の進行に伴って左右方向の歩行スタンスが短縮しており、下肢機能不全患者（被験者１）の運動機能回復の度合いを定量的に把握することができる。
次に、以上のように構成される身体運動解析システム２００の動作について説明する。図１６は、身体運動解析システム２００の処理の流れを示すフローチャートである。

最初に、周波数分析部３２は、無線通信制御部２１から加速度データを受信すると（Ｓ１６０１）、この加速度データに対して周波数分析を実行し（Ｓ１６０２）、その結果を極大値検出部３３に出力する。

次に、極大値検出部３３は、周波数分析部３２から入力したパワースペクトラムからパワーの極大値を検出する（Ｓ１６０３）。これにより、極大値周波数検出部３４は、極大値検出部３３において検出された極大値に対応する周波数を検出する（Ｓ１６０４）。

さらに、最低周波数検出部３５は、極大値周波数検出部３４において検出された各周波数の中から、０Ｈｚを除いた最低の周波数を検出する（Ｓ１６０５）。そして、配列保存部３６は、最低の周波数、最低の周波数に対応する極大値、及びそれらの計測日時とからなる配列を保存する。

評価部３７は、配列保存部３６に蓄積されているデータから、指定された日時のデータを読み出して無線通信制御部２１に出力する（Ｓ１６０６）。
以上のように、本実施の形態に係る身体運動解析システム２００により、下肢機能不全患者の運動機能回復の様子を日単位で比較することが可能となる。

（実施の形態３）
上記実施の形態１では、歩行中の被験者１から取得した加速度データに基づいて歩幅や歩行速度等を算出する身体運動解析システムについて説明したが、本実施の形態では、加速度の差に基づいて歩行機能の回復の程度を定量化する身体運動解析システムについて説明する。

図１７は、本実施の形態における身体運動解析システム３００における加速度検出装置１０および身体運動解析装置２０の各機能構成を示すブロック図である。
この身体運動解析システム３００は、加速度検出装置１０と身体運動解析装置４０とを備え、被験者１が運動することによって生ずる、左右それぞれの足に起因する加速度を加速度検出装置１０によって計測し、これらの計測された加速度の差に基づいて歩行機能の回復の程度を定量化するシステムである。なお、以下では、被験者１の運動の一例として歩行する場合を想定し、加速度検出装置１０は、被験者１の歩行時の加速度を計測するものとする。また、上記実施の形態１における身体運動解析システム１００と同じ機能構成については同じ符番を付し、その説明は省略することとする。

身体運動解析装置４０は、一般的なパーソナルコンピュータの機能を備えると共に、加速度検出装置１０から送信された加速度データを、上記bluetoothに準拠した通信方式等によって受信し、この加速度データに基づいて被験者の回復度等を定量化する機能を有する。

図１７に示されるように、身体運動解析装置４０は、無線通信制御部２１、左右差判定部４３、表示部２３および蓄積部２４を備える。
左右差判定部４３は、無線通信制御部２１から受信した加速度データに基づいて数値演算を行うプロセッシングユニットであり、左右の脚に起因する前後方向の加速度の差異を表す左右差判定ポイントを算出する。より詳細には、左右差判定部４３は、左右方向の加速度データから歩行の際の加速させる脚を判定すると共に、前後方向の加速度データから左足に起因する加速度データと、右足に起因する加速度データとを抽出し、それらの加速度の比、又はそれらの加速度の差として上記左右差判定ポイントを算出する。

表示部２３は、例えば液晶パネルを備える表示装置であり、無線通信制御部２１の制御の指示により、上記左右差判定部４３において算出された左右差判定ポイント等の表示を行う。

蓄積部２４は、例えば、ＲＡＭ又は固定ディスク等を備える記憶装置であり、無線通信制御部２１とのデータのやり取りのための入出力インタフェースを備える。さらに、蓄積部２４は、無線通信制御部２１の指示により、加速度データや左右差判定部４３において算出された左右差判定ポイントを被験者１や計測日時等に対応づけて記憶する。

図１８は、上記左右差判定部４３における処理内容を説明するための図であり、被験者１の脚運びと左右方向及び上下方向の加速度データとの対応関係を示した図である。図１８に示されるように、上段が被験者１の歩行時における左右方向の加速度を示した図であり、下段が同じく前後方向の加速度を示した図である。前述したように、本実施の形態においては、前後方向の加速度情報に対しては前向きが正の方向、左右方向の加速度情報に対しては右向きが正の方向と定義している。

本実施の形態においては、被験者１の回復度を定量化することが特徴である。そこで、左右の脚の速度の差異を左右差判定ポイントとして、健常脚による速度に対する非健常脚による速度の比率（百分率）として定義することとする。即ち、
[左右差判定ポイント]
＝[非健常脚による速度]／[健常脚による速度]×１００ (３)
によって表現する。

図１８に示されるように、左右の脚に起因する前後方向の速度は、前後方向の加速度の正の部分を時間軸に沿って積分した値で定義され、一つの積分区間は、前後方向の加速度が正になった時点から負になった時点までの区間で定義される。しかし、前後方向の加速度だけを参照した場合、加速度の有無は判別できても、その加速度が左右のどちらの脚に起因するのかを判別することは不可能である。そこで、本実施の形態では、左右方向の加速度を用いてこの問題を解決することとする。

即ち、左右方向の加速度の変動に対しては、脚の左右の運びの関与が強く、左脚が接地している時の左右方向の加速度は正の方向に偏位し、右足が接地している時の左右方向の加速度は負の方向に偏位することから、左右の脚に起因する前後方向の速度を算出する際に、左右方向の加速度データを参照することで、前後方向の加速度が左と右のどちらの脚に起因するのかを判別することが可能となる。

上記のように、本実施の形態においては、左右の脚に起因する速度を算出する際は、積分開始時点における左右方向の加速度が負である場合は右脚が接地しており、正である場合は左脚が接地しているという一定の関係を利用している。

なお、前記積分期間は、上記実施の形態１の場合と同様に、計測された加速度の時間的変化に基づいて周波数スペクトルを生成し、生成された周波数スペクトルの中から極大値を有する周波数スペクトルを特定する。さらに、特定された周波数スペクトルの周波数を特定し、特定された周波数の半周期をもって積分期間とする。

次に、上記のように構成される身体運動解析システム１００の動作について説明する。図１９は、本身体運動解析システム３００の処理の流れを示すフローチャートである。
最初に、加速度情報検出部１１において加速度データが収集されると（Ｓ１）、左右差判定部４３が速度を算出する（Ｓ２）。さらに、左右差判定部４３は、算出された速度に基づいて、左右差判定ポイントを算出し（Ｓ３）、表示部２３が算出された左右差判定ポイント等を表示する（Ｓ４）。

より詳細には、所定の時間区間内で同時に計測された前後方向の加速度情報と左右方向の加速度情報を入力し（Ｓ１）、入力した加速度情報に対して、一つの積分区間ごとにその積分値を算出し保持する。

さらに、各積分値に対して、その積分開始時における左右方向の加速度の符号を参照することにより、各積分値が左右どちらの脚に対応しているかを示すラベルを付与する。その様にして左右脚に振り分けられた積分値を平均して、健常脚による速度と非健常脚による速度を算出する（Ｓ２）。

このとき、本実施の形態に係る身体運動解析装置においては、予め、左右どちらの脚が非健常脚であり、他の足が非健常脚であるという情報を保持しており、最終的には、上記（３）式で定義した左右差判定ポイントを生成する。

なお、両足とも非健常脚の場合は加速の大きい方を健常脚とみなす。また、左右の脚の判別が困難な場合も同様である。
さらに、前記左右差判定ステップ（Ｓ３）で生成された左右差判定ポイントを、本実施の形態に係る身体運動解析装置の蓄積部２４に出力する（Ｓ４）。

図２０は、表示部２３に表示される被験者１の身体運動機能の回復程度を定量的に表示した一例であり、上記（３）式で算出された左右差判定ポイントの表示例である。
なお、本実施の形態においては、左右方向の加速度における正の向きを「右」、前後方向の加速度における正の向きを「前」としたが、それ以外の場合であってもよく、各方向で符号が特定できればよい。

また、上記実施の形態では、表示部２３を、液晶パネル等を備える表示装置で構成する実施例を示したが、視覚に対して提示するものに限らず、音声合成や振動など、聴覚や触覚等に対して提示するように構成してもよい。
(実施の形態４)
上記実施の形態３では、被験者が歩行することによって生ずる加速度の差に基づいて歩行機能の回復の程度を定量化するシステムについて説明したが、本実施の形態では、上記システムに、さらに被験者の運動が歩行か否かを自動的に判定し得る機能を有するシステムについて説明する。

図２１は、本実施の形態における身体運動解析システム４００の機能構成を示すブロック図である。図２１に示されるように、身体運動解析システム４００は、加速度検出装置１０と身体運動解析装置４５を備える。なお、以下では、上記実施の形態１における身体運動解析システム１００と同じ機能構成については同じ符番を付し、その説明は省略することとする。

身体運動解析装置４５は、一般的なパーソナルコンピュータの機能を備えると共に、加速度検出装置１０から送信された加速度データに基づいて被験者の運動が歩行か否かを判定し、歩行と判定した場合に加速度データに基づいて被験者の回復度等を定量化する機能を有し、無線通信制御部２６、左右差判定部４３、表示部２３、蓄積部２４および歩行検出部２７を備える。

無線通信制御部２６は、上記実施の形態１における無線通信制御部２１の機能に加え、歩行検出部２７から被験者１の運動が歩行である旨の通知を受信すると、左右差判定部４３に左右差判定ポイントを算出するように指示する。

歩行検出部２７は、入力した上下方向の加速度データから歩行か否かを自動的に判定し、判定結果を無線通信制御部２６に通知する。
図２２は、上記歩行検出部２７において歩行判定時に参照される、被験者１の歩行時における上下方向の加速度の変化を示す波形の一部である。

一般に歩行時は、脚の接地に伴って床（又は地面）からの反力が律動的に生じる。図２２は、上記の床反力の変化を示している。
そこで、歩行検出部２７は、以下に示す何れかの条件を満たした場合に「歩行」と判定する。すなわち、
（条件１）：
「規定時間（例えば、１６０[msec]）の上下方向の加速度において、「極大→極小→極大」の変化が発生し、かつ、極大値−極小値間（又は極小値−極大値間）の振幅（図２２の場合であれば、Ａ−Ｂ間又はＢ−Ｃ間の振幅）が規定値（例えば、０．１５Ｇ）以上であり、かつ極大値と極小値（又は極小値と極大値）の中点（図２２の場合であれば、Ｄ又はＥ）の値が規定範囲（例えば、０．５Ｇ〜１．５Ｇ）に収まる場合」
（条件２）：
「所定の時間（例えば２秒）に条件１が規定回数（例えば５回）以上発生し、その際の被験者の姿勢が立位の場合」
の２条件である。

上記の歩行検出部２７における歩行判定は、加速度データが取得した後で、速度を算出する前（上記実施の形態３における図１９における「加速度情報の入力（Ｓ１）」と「速度の算出（Ｓ２）」の間）に実施する。

以上のように、本実施の形態における身体運動解析システムによれば、被験者１の歩行時における３次元の加速度データを収集し、これらの加速度データに基づいて歩行か否かを判定し、さらに歩行機能の回復の程度を定量化することが可能となる。

なお、上記実施の形態２の身体運動解析装置４５をインターネット等のネットワークを介して遠隔地にある医療施設の端末（例えば、パーソナルコンピュータ）に接続することも可能である。

図２３は、上記のように、被験者宅２にある身体運動解析装置４５と医療施設４の端末２９とがネットワーク３を介して接続されている様子を示した図である。図２３に示されるように身体運動解析装置４５と端末２９とをネットワーク３を介して接続することにより、被験者１の回復度等に関する情報を両装置で共有することが可能となる。

図２４は、上記の端末２９のモニタ（図示せず）において表示された、被験者１の左右差判定ポイントの変化の様子を示す図である。このように、医療施設のスタッフは、遠隔地に居ながら被験者１の回復状況を把握すると共に、適切なアドバイス等も行うことが可能となる。

また、図２４は、医療施設の端末２９に具備する表示部２３に、通信回線を介して表示される被験者１の身体運動機能に関する情報を表示する一例であり、表示部２３の機能により、術後日数で過去の左右差判定ポイントをグラフ化したものである。

このように医療スタッフに被験者の身体運動機能の回復を定量的に示すことで、機能回復の進捗管理を支援することが可能になる。また、通信回線を活用することで在宅の患者と機能回復の程度を共有することもできる。

以上のように、本実施の形態における身体運動解析システム４００は、歩行を自動的に検知し、被験者に自身の身体運動機能を提示することで自律的な機能回復訓練の支援を行うことができる。

なお、上記実施の形態１〜４では、被験者１の腰部右側に加速度検出装置１０が固定する実施例について説明した。これは、人体の左右方向の歩行スタンスの変動を求める場合は、手や足等ではなく、人体の体幹であることが好ましいためである。さらには、人体の重心に近い腰部である程、より好ましい。

また、上記実施の形態１〜４においては、１２５Ｈｚのサンプリングレートで加速度データを収集する実施例を示したが、サンプリングレートは、少なくとも０から２０Ｈｚの周波数帯域に含まれる加速度波形が得られるレートであればよい。

さらに、実施の形態１〜４では、歩行について運動解析を行う実施例を示したが、身長、体重等の関係から美しい歩行か否かの判定にも応用することが可能である。また、ジョギング、マラソン等の走り方の分析に適用し、効率のよい走り方の研究に利用することも可能である。

なお、上記実施の形態４では、条件２における所定の時間を「２秒」としたが、この値は被験者１の状況等に応じて任意の値に設定することとする。

以上のように、本発明の身体運動解析システム及び身体運動解析装置は、リハビリテーションシステム、スポーツトレーニング装置、リハビリテーション施設における端末装置、高齢者住宅における通信端末などとして適用が可能である。

実施の形態１における身体運動解析システムの概略図である。 本発明における加速度検出装置の装着位置と加速度センサの座標軸の関係を示す図である。 実施の形態１における加速度検出装置および身体運動解析装置の各機能構成を示すブロック図である。 被験者の歩行機能テストにおける脚運びと加速度の変化との対応を時間の経過に従って示した一例である。 前後方向の加速度曲線に関する周波数スペクトルを模式的に示した図である。 実験的に算出された、周波数パワーの常用対数と歩幅との関係を示す一例である。 身体運動解析装置の処理の流れを示すフローチャートである。 表示部における、歩幅や歩行速度の最新の計測値と前回計測値との比較を行った場合の表示例である。 被験者に関する身体運動機能の変化を表示した一例である。 実施の形態２における加速度検出装置および身体運動解析装置の各機能構成を示すブロック図である。 運動解析部の機能構成を示すブロック図である。 被験者に実施された歩行テストにおける歩行時の左右方向の加速度の時系列データの一例である。 周波数分析部において生成されたパワースペクトラムの一例を示す図である。 最低の周波数におけるパワー値を示すスタンス評価指数と歩行スタンスとの関係の一例を示す図である。 歩行テストによって得られたスタンスの変化の様子を示す一例である。 実施の形態２における身体運動解析システムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態３における加速度検出装置および身体運動解析装置の各機能構成を示すブロック図である。 被験者の脚運びと左右方向及び上下方向の加速度データとの対応関係を示した図である。 実施の形態３における身体運動解析システムの処理の流れを示すフローチャートである。 被験者についての左右差判定ポイントの表示例である。 実施の形態４における身体運動解析システムの機能構成を示すブロック図である。 歩行検出部において歩行判定時に参照される、被験者の歩行時における上下方向の加速度の変化を示す波形の一部である。 被験者宅にある身体運動解析装置と医療施設の端末とがネットワークを介して接続されている様子を示した図である。 遠隔地の端末上に表示された被験者の左右差判定ポイントの変化の様子を示す図である。

符号の説明

１ 被験者
２ 被験者宅
３ ネットワーク
４ 医療施設
５ 装着具
１０ 加速度検出装置
１１ 加速度情報検出部
１２ 無線通信制御部
２０ 身体運動解析装置
２１ 無線通信制御部
２２ 歩行速度検出部
２３ 表示部
２４ 蓄積部
２６ 無線通信制御部
２７ 歩行検出部
２９ 端末
３０ 身体運動解析装置
３１ 運動解析部
３２ 周波数分析部
３３ 極大値検出部
３４ 極大値周波数検出部
３５ 最低周波数検出部
３６ 配列保存部
３７ 評価部
４０ 身体運動解析装置
４３ 左右差判定部
４５ 身体運動解析装置
１００ 身体運動解析システム
２００ 身体運動解析システム
３００ 身体運動解析システム
４００ 身体運動解析システム

Claims (19)

1. 人の歩行機能を解析するための身体運動解析装置であって、
   人の運動に伴って生じる加速度を時間の経過に沿って検出する加速度検出手段と、
   検出された前記加速度に対して所定の分析を行い、特定の特徴量を抽出する加速度分析手段と、
   抽出された前記特徴量に基づいて、人の歩行機能に関する物理量を算出する歩行機能量算出手段と
   を備えることを特徴とする身体運動解析装置。
2. 前記加速度検出手段は、
   人の運動に伴って生じる前後方向の加速度、左右方向の加速度および上下方向の加速度のうち、少なくとも一の加速度を時間の経過に沿って検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の身体運動解析装置。
3. 前記加速度分析手段は、
   検出された前記加速度の時間的変化に基づいて、周波数スペクトルを生成する周波数分析部と、
   生成された前記周波数スペクトルの中から極大値に対応する周波数を特定する周波数特定部とを備え、
   前記歩行機能量算出手段は、
   特定された前記周波数に基づいて、前記物理量を算出する
   ことを特徴とする請求項２記載の身体運動解析装置。
4. 前記身体運動解析装置は、さらに、
   算出された前記物理量を被験者及び日時に対応付けて記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段から前記物理量を読み出して日付に対応付けて表示する表示手段とを備える
   ことを特徴とする請求項３記載の身体運動解析装置。
5. 前記周波数特定部は、
   生成された前記周波数スペクトルの中から極大値に対応する周波数を特定し、さらに、その中から０Ｈｚを除く最低の周波数を特定する
   ことを特徴とする請求項３記載の身体運動解析装置。
6. 前記加速度分析手段は、さらに、
   特定された前記周波数スペクトルのピーク値から常用対数値を算出する対数値算出部を備え、
   前記歩行機能量算出手段は、
   予め求められている近似式に、前記算出された常用対数値を適用することにより、歩行時における所定の長さを算出する
   ことを特徴とする請求項５記載の身体運動解析装置。
7. 前記歩行時の所定の長さは、歩幅である
   ことを特徴とする請求項６記載の身体運動解析装置。
8. 前記歩行時の所定の長さは、スタンスである
   ことを特徴とする請求項６記載の身体運動解析装置。
9. 前記加速度分析手段は、さらに、
   特定された前記周波数を用いて積分期間を算出する期間算出部と、
   検出された前記左右方向の加速度を用いて、検出された前記前後方向の加速度が左右の何れの脚に起因するのかを特定する脚特定部とを備え、
   前記歩行機能量算出手段は、
   算出された前記積分期間について、前記特定された脚に係る前後方向の加速度を積分して、左脚および右脚の速度を算出する速度算出部と、
   算出された前記速度に基づいて、左右の脚の速度の割合を算出する速度比算出部とを備える
   ことを特徴とする請求項３記載の身体運動解析装置。
10. 前記身体運動解析装置は、さらに、
    検出された前記上下方向の加速度に基づいて、前記運動が歩行か否かを判定する歩行検出手段を備え、
    前記歩行検出手段において歩行と判定された場合に、前記加速度分析手段は前記特徴量を抽出し、前記歩行機能量算出手段は前記物理量を算出する
    ことを特徴とする請求項２記載の身体運動解析装置。
11. 前記加速度検出手段は、
    前記人の重心に近い腰部において、前記加速度を検出する
    ことを特徴とする請求項２記載の身体運動解析装置。
12. 前記加速度分析手段は、
    前記特定の特徴量として歩幅と歩行周期とを算出し、
    前記歩行機能量算出手段は、
    算出された前記歩幅と前記歩行周期とに基づいて、前記物理量として歩行速度を算出する
    ことを特徴とする請求項２記載の身体運動解析装置。
13. 前記加速度分析手段は、
    検出された前記前後方向の加速度に基づいて歩幅を算出し、検出された前記左右方向の加速度に基づいて歩行周期を算出する
    ことを特徴とする請求項１２記載の身体運動解析装置。
14. 前記加速度分析手段は、さらに、
    検出された前記左右方向の加速度を表わす曲線においてゼロクロス点を特定するゼロクロス点特定部と、
    前記特定された、少なくとも２つのゼロクロス点から歩行周期を算出する歩行周期算出部とを備える
    ことを特徴とする請求項１３記載の身体運動解析装置。
15. 前記加速度分析手段は、さらに、
    前記検出された前後方向の加速度を表わす曲線から周波数スペクトルを生成するスペクトル生成部と、
    前記生成された周波数スペクトルの中から最大のスペクトル成分を特定する最大スペクトル特定部と、
    前記特定された最大のスペクトル成分のピーク値から常用対数値を算出する対数値算出部と、
    予め求められている近似式に、前記算出された常用対数値を適用することによって歩幅を算出する歩幅算出部とを備える
    ことを特徴とする請求項１３記載の身体運動解析装置。
16. 前記加速度分析手段は、さらに、
    前記検出された左右方向の加速度を表わす曲線においてゼロクロス点を特定するゼロクロス点特定部と、
    前記特定された、少なくとも２つのゼロクロス点から歩行周期を算出する歩行周期算出部と、
    前記検出された前後方向の加速度を表わす曲線から周波数スペクトルを生成するスペクトル生成部と、
    前記生成された周波数スペクトルの中から最大のスペクトル成分を特定する最大スペクトル特定部と、
    前記特定された最大のスペクトル成分のピーク値から常用対数値を算出する対数値算出部と、
    予め求められている近似式に、前記算出された常用対数値を適用することによって歩幅を算出する歩幅算出部とを備える
    ことを特徴とする請求項１３記載の身体運動解析装置。
17. 人の歩行機能を解析するための、加速度検出装置と解析装置を備える身体運動解析システムであって、
    前記加速度検出装置は、
    人の運動に伴って生じる加速度を時間の経過に沿って検出する加速度検出手段と、
    検出された前記加速度を電気信号に変換し、当該電気信号を解析装置に送信する加速度送信手段とを備え、
    前記解析装置は、
    加速度検出装置から電気信号を受信し、当該電気信号を加速度に変換する加速度受信手段と、
    変換された前記加速度に対して所定の分析を行い、特定の特徴量を抽出する加速度分析手段と、
    前記抽出された特徴量に基づいて、人の歩行機能に関する物理量を算出する歩行機能量算出手段と
    を備えることを特徴とする身体運動解析システム。
18. 人の歩行機能を解析するための身体運動解析方法であって、
    人の運動に伴って生じる加速度を時間の経過に沿って検出する加速度検出ステップと、
    検出された前記加速度に対して所定の分析を行い、特定の特徴量を抽出する加速度分析ステップと、
    前記抽出された特徴量に基づいて、人の歩行機能に関する物理量を算出する歩行機能量算出ステップと
    を有することを特徴とする身体運動解析方法。
19. 人の歩行機能を解析するための身体運動解析装置のためのプログラムであって、
    人の運動に伴って生じる加速度を時間の経過に沿って検出する加速度検出ステップと、
    検出された前記加速度に対して所定の分析を行い、特定の特徴量を抽出する加速度分析ステップと、
    前記抽出された特徴量に基づいて、人の歩行機能に関する物理量を算出する歩行機能量算出ステップと
    をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

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