JP2008161227A - 歩行分析システム - Google Patents

Abstract

【課題】 被験者に負荷を与えることなく、被験者の足の動きを３次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムを実現する。
【解決手段】 歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信し所定期間保存する携帯端末と、
この携帯端末より取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、歩行者の歩行状態を計測、解析し、個々人の歩行パターンを識別可能にすることで能力向上の定量的な目安を得ることができる歩行分析システムに関し、特にリハビリテーション分野に於ける歩行訓練での歩行パターン分析への応用に適合する。

圧力センサを使って求めた足圧分布の計測結果から、歩行データを算出する歩行分析に関しては、特許文献１に技術開示がある。図８は、特許文献１に記載されている歩行分析装置の概観図である。

この発明の特徴は、床に帯状に設置された圧力センサ部１０１上を人が歩き、足圧分布の計測結果を分析装置１０２〜１０５により分析し、歩き方の良さを反映したパラメータを出力させる構成にある。

人に複数のセンサを取り付け、センサの検出データを無線手段でリモートに収集して体動を分析する計測器が特許文献２に開示されている。図９は、特許文献２に記載されている体動計測器の概観図である。

この発明の特徴は、足部の複数個所に取り付けた体動センサの検出データを無線により携帯受信装置に送りその記憶装置に保存すると共に、この検出データを分析装置に送り、分析結果を各種の形態で出力させる。

特開平１１−１１３８８４号公報 特開平１０−２７７０１５号公報

従来技術による歩行分析手法では、次のような問題点がある。
（１）特許文献１記載の発明では、足圧分布を測定するための圧力センサを床または地面に敷いて、歩行者がその上を歩行し、歩行時の足の圧力分布より歩行分析を行う。この場合には、圧力センサを予め歩行する場所に設置しなければならず、設置場所等の制約がでてしまう。

更に、圧力センサ上を歩くため、患者の日常歩行と異なる感覚、意識が発生し、歩行結果に違いが出る可能性がある。歩行結果も足跡に限られるため、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができない。また、歩行距離によっては、圧力センサを複数枚数用意しなければならない。

（２）特許文献２記載の発明では、体動作解析を行うための複数のセンサ（筋電計、下肢加重計）を、所定の位置に専用のバンドで被験者に取り付け固定する必要があり、測定が簡便に行えるわけではない。

また、歩行状態の３次元的な動きを測定する手段がなく、遊脚の空間的な動きを計測、解析することはできない。無線もセンサと腰等に取り付けた、CPU等を内蔵する分析装置との間の通信に使用するものであり、腰に分析装置を取り付けるという患者への負荷を軽減するものではない。

この発明は、被験者の筋電、下肢加重、関節の角度等を測定し、姿勢、歩数、心拍数等を分析するものであり、被験者の３次元的な歩行パターン解析ができるものではない。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、被験者に負荷を与えることなく、被験者の足の動きを３次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムの実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信し所定期間保存する携帯端末と、
この携帯端末より取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。

（２）前記歩行センサは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度センサまたはＸ，Ｙ，Ｚ方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする（１）に記載の歩行分析システム。

（３）前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする（１）または（２）に記載の歩行分析システム。

（４）前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする（１）または（２）に記載の歩行分析システム。

（５）前記携帯端末は、前記歩行者の近傍に所在する介助者により携帯されることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の歩行計分析システム。

（６）前記歩行解析装置は、前記携帯端末よりＵＳＢインタフェースを介して前記検出データを取得することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の歩行分析システム。

（７）前記歩行解析装置は、前記携帯端末より着脱可能な記憶手段を介して前記検出データを取得することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の歩行分析システム。

（８）前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の歩行分析システム。

（９）前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して２次元または３次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の歩行分析システム。

（１０）前記歩行解析装置は、直接またはネットワークを介して、医師、理学療法士、歩行者の少なくともいずれかにその出力情報を配信することを特徴とする（１）乃至（９）のいずれかに記載の歩行分析システム。

本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
（１）歩行データを容易に取得できるため、リハビリテーション等、病院等の治療の現場での使用が容易となる。靴に歩行センサを装着することが可能なため、歩行者は、靴を履くだけでよい。このため、測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことができ、被験者への負担が極めて小さい。

（２）歩行センサは、超小型に実装可能のため、測定場所への制約が少ない。また、多人数が存在するリハビリ訓練室等での使用が可能になる。

（３）歩行データは、歩行解析装置内に蓄積できるため、歩行者の過去と現在の状態を比較して見ることで歩行状態の変化を簡単に把握することができ、リハビリの回復度合いを定量的に把握することができる。

（４）介助者は小型軽量の携帯端末を持って、介助しながら被験者の近傍で測定をおこなうことができる。被験者と介助者との間に無線通信の障害物がないので、安定した通信が確保できる。

（５）歩行センサ手段に内蔵した３軸の加速度センサ、３軸の角速度（ジャイロ）センサにより、それらの出力を演算処理することで足の３次元空間内での動きを測定でき、歩行パターンの違いを上下左右前後から解析することができる。

（６）特にリハビリテーションへの応用では、障害内容による歩き方の違いを３次元的に解析でき、感圧マット等による足跡解析では不可能な、着地していない足（遊脚）の動きが解析できる。

（７）携帯端末とデータの送受信ができるセンサ数は、１個に限られることがないため、複数人の歩行動作でも同時測定が可能になる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した歩行分析システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の歩行分析システムは、歩行センサ１、携帯端末２、ＵＳＢケーブル３、歩行解析装置４からなる。

歩行センサ１は、歩行者Ｍの片足または両足部に直接または履物（つま先部または踵部）に装着され、加速度センサ１１、角速度センサ１２、無線インタフェース１３を備え、介助者Ｒが携帯する携帯端末２と無線通信する。

携帯端末２は、歩行センサ１と通信する無線インタフェース２１、ＵＳＢケーブル３に接続するＵＳＢインタフェース２２、データ保存部２３を備え、歩行センサ１より収集した歩行データ所定期間保存し、ＵＳＢケーブル３を介して歩行解析装置４に渡す。

歩行解析装置４は、歩行データ計測部４１及び歩行データ解析部４２を備え、携帯端末２から渡される歩行データを保存すると共に、歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出する。

更に、歩行解析装置４は、この相対移動距離に基づき歩行解析アプリケーションにより各種の分析を実行する。分析対象項目は、歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率等である。

図２は、歩行センサ１の構成例を示す機能ブロック図である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出する３個の加速度センサ１１、同じくＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の角速度を検出する３個の角速度センサ１２、これらセンサの検出値をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１４を備える。

Ａ／Ｄ変換器１４の出力は、ＣＰＵ１５に渡されて１次フィルタリング等の演算処理が実行される。ＣＰＵ１５は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源１６を有しており、検出データの一時的な保存も可能となっている。

ＣＰＵ１５の演算結果は、無線インタフェース１３を介して無線アンテナ１７より携帯端末２に送信される。この歩行センサ１は、充電可能な電池１８で駆動されると共に、充電回路１９を備えている。

歩行センサ１を構成するこれら要素は、きわめて小型のチップとして実装することが可能であり、歩行者の片足または両足部に直接または履物に装着したときに、歩行者は測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことがでるので、被験者への負担を極めて小さくすることができる。

図３は、携帯端末２の構成例を示す機能ブロック図である。外付け、あるいは内蔵の無線アンテナ２５を介して無線インタフェース２１で受信したデータは、ＣＰＵ２４で処理され、FLASHメモリ、ROM等で構成されるデータ保存部２３で所定期間保存される。

データ保存部２３のデータは、ＣＰＵ２４で読み出され、ＵＳＢインタフェース２２よりコネクタ２６を介してＵＳＢケーブル３に出力される。更に、充電可能な電池による電源部２７、介助者がＣＰＵ２４に指令する操作ボタンを持つ操作部２８、ＣＰＵ２４から各種情報を表示する表示部２９を備えている。

図４は、歩行解析装置４の構成例を示す機能ブロック図である。携帯端末２からのデータは、ＵＳＢインタフェース４３を介してＣＰＵ４４に渡される。歩行データ計測部４４の歩行データ収集手段４１１は、ＣＰＵ４４から歩行データを取得して計測データファイル４１２に所定期間格納する。格納する計測データは、加速度及び角速度データである。

ＣＰＵ４４は、計測データファイル４１２より格納データを読み出して歩行データ解析部４２に渡し、各種の解析処理を実行させる。解析結果は、表示装置５や印刷装置６に出力される。

解析結果は、直接またはネットワークを介して外部機器や機関、リハビリを指導する医師、理学療法士、更には歩行者自身にも配信することができる。

次に、歩行センサ１から携帯端末２を経由して歩行データ計測部４１までのデータ収集の手順を、図１乃至図３により説明する。
（１）歩行者Ｍは、歩行センサ１を足部に装着する。
（２）介助者Ｒは、携帯端末２を携帯する。

（３）介助者Ｒは、携帯端末２の操作部２８の測定開始ボタンを押す。
（４）測定開始ボタンが押されると、携帯端末２は無線インタフェース２１経由で、歩行センサ１に開始信号を送信する。

（５）歩行センサ１は、開始信号を受信すると、歩行センサ上にある加速度センサ１１及び角速度センサ１２の測定値を、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル値に変換し、無線インタフェース１３経由で携帯端末２に送信する。
（６）携帯端末２は、無線インタフェース２１経由でデータを受信し、データ保存部２３に受信データを保存する。

（７）介助者Ｒは、適当な時間経過後（たとえば10m歩行後）、携帯端末２の操作部２８の停止ボタンを押してデータ収集を停止する。
（８）停止ボタンが押されると、携帯端末２は、無線インタフェース２１経由で、歩行センサ１に停止信号を送信する。

（９）歩行センサ１は、停止信号を受信すると、データ変換、データの通信を停止する。
前記（３）〜（８）項の測定を、複数回繰り返す。
（１０）携帯憶端末２を、ＵＳＢケーブル３により歩行解析装置４のＵＳＢインタフェース４３に接続し、操作部２８からの指令で、データ保存部２３の保存データを歩行データ計測部４１に転送する。

図５は、歩行データ解析部４２の構成例を示す機能ブロック図である。歩行解析手段４２１は、計測データファイル４１２に格納されている計測データを取り出し、歩行解析アルゴリズム４２１Ａに渡して各種の解析を実行し、解析結果を歩行解析アプリケーション４２２に出力する。

歩行解析アプリケーション４２２による解析結果は、歩行者の足の３次元位置情報並びに歩行時間、速度、立脚、遊脚データ等の歩行状態情報である。

歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、計測データファイル４１２に格納されている、加速度データを１回積分演算して速度を算出する。この積分演算は、Ｘ，Ｙ，Ｚ成分毎に実行される。

算出された速度は、もう１回積分演算され、距離データとなる。角速度は、同様に積分演算されて、角度が算出される。このように、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸のデータが算出されるため、３次元の位置情報を求めることが可能である。

同時に、歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、歩行の状態情報を算出するために、歩の区切りを算出する。歩の区切りは、加速度、角速度データから、停止していると思われる期間を停止期間として算出し、動作している期間と停止している期間と分けることで、決定される。

足部の停止状態の検出は、角速度の検出値がある閾値以下または加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断する。

歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、歩の区切りから、立脚時間（足が地面に接地している時間）、遊脚時間（足が地面から離れている時間）等、歩に関連する状態情報を算出する。

一歩毎の距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差の少なくとももいずれかを用いることができる。算出された距離データは、角度データと合わせて、座標データに変換される。

これら位置情報及び状態情報の歩行データを歩行解析手段４２１から取得する歩行解析アプリケーション４２２は、歩行解析装置４に接続された表示装置５に歩行データを表示することができ、ユーザは歩行状態を容易に把握することができる。

また、過去データをファイルとして蓄積しているため、過去から現在に至る歩行状態を参照でき、トレンドグラフ等で、歩行状態の変化を表示することが可能である。更に必要であれば、印刷装置６への出力も可能である。

図６は、歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で加速度、角速度センサの個体差に基づくデータを補正し、ステップＳ２では歩の停止を検出する。具体的には、加速度、角速度データより、歩行停止区間を算出する。

ステップＳ３では、角速度データを積分して、角度を算出する。ステップＳ４では、加速度、角速度のＸ，Ｙ，Ｚ軸を、ローカル座標（センサ上の座標）から、ワールド座標（ユーザ空間）に変換する。

ステップＳ５では、加速度データを積分して、速度を算出する。更にステップＳ６では、位置座標を算出する。具体的には、速度×サンプリング時間で距離を求め、前回値に加算することで相対移動距離（位置）を算出する。

図７は、歩行解析アプリケーション４２２のデータ処理手順を示すフローチャート図である。ステップＳ１では、歩行解析アルゴリズム４２１Ａの出力データとして、３次元の位置情報、歩の停止位置情報、速度情報を取得する。

ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した出力データを計算し、歩行時間、歩行速度、歩幅、立脚、遊脚時間等の歩行の状態情報を算出する。

以下、本発明の応用実施例を説明する。
（１）歩行解析装置４は、歩行データをファイルに蓄積すると同時にリアルタイムに演算して現在の歩行の軌跡を画面上に表示させることができるので、病院内での患者の動きもリアルタイムで把握することが可能になる。

（２）携帯端末２と、歩行解析装置４間の接続をＵＳＢケーブル３以外の手段、例えば、無線ＬＡＮ等で接続することも可能である。

（３）携帯端末２のデータ保存部２３を、着脱可能な記憶手段（可搬型ＨＤＤ、ＵＳＢクリッブメモリ等）で構成し、これを外して歩行解析装置４に直接接続して保存データを渡すことができる。

（４）歩行センサ１は、ＣＰＵ１５による演算処理機能を備えており、測定値のフィルタ処理等の１次処理を歩行センサ１内で実行することで、携帯端末２への無線通信データ量を削減して通信速度を向上させることができる。

本発明を適用した歩行分析システムの基本構成を示す機能ブロック図である。 歩行センサの構成例を示す機能ブロック図である。 携帯端末の構成例を示す機能ブロック図である。 歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。 歩行データ解析部の構成例を示す機能ブロック図である。 歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。 歩行解析アプリケーションのデータ処理手順を示すフローチャート図である。 特許文献１に記載されている歩行分析装置の概観図である。 特許文献２に記載されている体動計測器の概観図である。

符号の説明

１ 歩行センサ
１１ 加速度センサ
１２ 角速度センサ
１３ 無線インタフェース
２ 携帯端末
２１ 無線インタフェース
２２ ＵＳＢインタフェース
２３ データ保存部
３ ＵＳＢケーブル
４ 歩行解析装置
４１ 歩行データ計測部
４２ 歩行データ解析部
４３ ＵＳＢインタフェース

Claims (10)

1. 歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
   前記検出データを受信し所定期間保存する携帯端末と、
   この携帯端末より取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
   を備えることを特徴とする歩行分析システム。
2. 前記歩行センサは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度センサまたはＸ，Ｙ，Ｚ方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする請求項１に記載の歩行分析システム。
3. 前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする請求項１または２に記載の歩行分析システム。
4. 前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする請求項１または２に記載の歩行分析システム。
5. 前記携帯端末は、前記歩行者の近傍に所在する介助者により携帯されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の歩行計分析システム。
6. 前記歩行解析装置は、前記携帯端末よりＵＳＢインタフェースを介して前記検出データを取得することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の歩行分析システム。
7. 前記歩行解析装置は、前記携帯端末より着脱可能な記憶手段を介して前記検出データを取得することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の歩行分析システム。
8. 前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の歩行分析システム。
9. 前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して２次元または３次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の歩行分析システム。
10. 前記歩行解析装置は、直接またはネットワークを介して、医師、理学療法士、歩行者の少なくともいずれかにその出力情報を配信することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の歩行分析システム。

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