JP2008161228A - 歩行解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】 リハビリテーションを行う歩行者に負荷を与えることなく、歩行者の足の動きを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解析システムを実現する。
【解決手段】 歩行訓練リハビリテーションを行う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する無線通信装置と、
この無線通信装置を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部に関するリハビリテーション用解析項目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解析システムに関し、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解析システムに関しては、特許文献１に技術開示がある。図１１は、特許文献１に記載されている歩行解析システムの概観図である。

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上を歩行者が歩き、足圧分布の計測結果を歩行解析装置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。

図１２は、従来の歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。歩行解析装置は、圧力センサ１０１等で計測される歩行者の歩行生データを歩行計測装置インタフェース１０６で受信する。

歩行解析装置は、歩行生データ１０７を、解析アルゴリズムを実装した歩行解析部１０８に渡して解析し、歩行解析データ１０９として出力して表示部１１０により表示すると共に、データ記録部１１１に保存する。保存された歩行解析データは、表示部１１０によりいつでも閲覧できる。

歩行解析データには、歩行評価項目として、ストライド長，ステップ長，歩行周期，歩行率，歩行速度及びこれら項目の平均値，標準偏差，変動係数等のリハビリテーション用歩行解析項目が含まれる。

特開平１１−１１３８８４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。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）歩行結果も足跡に限られるため、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することはできない。従って、リハビリテーションの評価項目として重要な立脚相，遊脚相，両足支持相等の解析項目を算出することができない。

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、リハビリテーションを行う歩行者に負荷を与えることなく、歩行者の足の動きを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解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）歩行訓練リハビリテーションを行う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する無線通信装置と、
この無線通信装置を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部に関するリハビリテーション用解析項目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解析システム。

（２）前記歩行解析装置は、前記足部のストライド長、ステップ長、立脚相、遊脚相、両足支持相、歩行周期、歩行率、歩行速度、これらの平均値、標準偏差、変動係数の少なくともいずれかを前記リハビリテーション用解析項目として算出することを特徴とする（１）に記載の歩行解析システム。

（３）前記歩行解析装置は、所定期間の前記リハビリテーション用解析項目のデータをトレンド表示することを特徴とする（１）または（２）に記載の歩行解析システム。

（４）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）乃至（３）のいずれかに記載の歩行解析システム。

（５）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）乃至（４）のいずれかに記載の歩行解析システム。

（６）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）乃至（４）のいずれかに記載の歩行解析システム。

（７）前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の歩行解析システム。

（８）前記無線通信装置は、前記歩行者の近傍に所在する介助者により携帯される携帯端末であることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の歩行解析システム。

（９）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前記リハビリテーション用解析項目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解析システム。

（１０）前記歩行解析装置は、一歩毎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（９）のいずれかに記載の歩行解析システム。

（１１）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（１０）のいずれかに記載の歩行解析システム。

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、歩行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、トレンド表示により歩行者の過去から現在までの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視覚的、定量的に把握することができる。

（４）介助者が携帯端末を持って、介助しながら歩行者の近傍で測定をおこなう歩行データ収集の形態では、歩行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。

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解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解析システムは、歩行センサ１、無線アクセスポイント２、ネットワーク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、無線通信装置の一形態である無線アクセスポイント２と無線通信する。

無線アクセスポイント２は、歩行センサ１と通信する無線インタフェース２１及びネットワーク３に接続するネットワークインタフェース２２を備え、歩行センサ１より収集した歩行データを、ネットワーク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、リハビリテーション用解析項目算出部４２、ネットワークインタフェース４３を備える。歩行データ計測部４１は、無線アクセスポイント２から渡される歩行データを保存する。

リハビリテーション用解析項目算出部４２は、保存された歩行データに基づき足部の相対移動距離を算出すると共に、歩行解析アプリケーションによりリハビリテーション用解析項目を算出する。

リハビリテーション用解析項目は、足部のストライド長、ステップ長、立脚相、遊脚相、両足支持相、歩行周期、歩行率、歩行速度、これらの平均値、標準偏差、変動係数等である。

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、無線アクセスポイント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２３を介して無線インタフェース２１で受信したデータは、ＣＰＵ２４で演算処理され、ネットワークインタフェース２２を介してネットワーク３に出力される。

ＣＰＵ２４は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源２５を有しており、受信データの一時的なバッファ機能を備える。バッファに蓄積された受信データは、一定量になった段階でネットワーク３に送出される。

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。無線アクセスポイント２からのデータは、ネットワークインタフェース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リハビリテーション用解析項目算出部４２に渡し、各種の解析処理を実行させる。解析結果は、解析項目ファイルに保存されると共に、表示装置５や印刷装置６に出力される。

リハビリテーション用解析項目は、直接またはネットワークを介して外部機器や機関、リハビリテーションを指導する医師、理学療法士、更には歩行者自身を含むユーザ７に配信することができる。

図５は、リハビリテーション用解析項目算出部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足部のストライド長、ステップ長、立脚相、遊脚相、両足支持相、歩行周期、歩行率、歩行速度、これらの平均値、標準偏差、変動係数等のリハビリテーション用解析項目である。

これらの解析結果は、解析データファイル４２３に保存される。保存データは、読み出されて外部の機器やユーザに出力されると共に、トレンド表示部４２４に渡されて解析項目毎に歩行者の所定期間における解析データの推移を表示させる。

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、トレンド表示部４２４により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、ストライド長，ステップ長，立脚相，遊脚相，両足支持相，歩行周期，歩行率，歩行速度及びこれらの平均値，標準偏差，変動係数等のリハビリテーション用解析項目を算出する。

以下、歩行解析項目をトレンドグラフ表示することによるリハビリテーションのおけるメリットを説明する。図８は、男女夫々の各年代の健常者の歩行速度(meter/sec)と歩行率(歩数/sec)の値を示した表である。

表に示すように、男女夫々年齢により歩行速度及び歩行率は異なる。歩行に障害のある人が歩いた場合には、歩行速度が遅く歩行率も上記の基準より低くなる。しかしながら、リハビリにより回復してくるにつれて、上記に示す健常者の歩行に近づいてくる。

従って、歩行計測毎のデータをトレンドグラフに表示することにより、視覚的に歩行者の回復度合い、リハビリの進行度合いが判断でき、最終的にはどの程度まで回復できるのか推測する際の評価材料になる。

図９は、リハビリテーション用解析項目である、左右脚の立脚相，遊脚相，両足支持相を説明するイメージ図示である。歩行時にはそれぞれの足には「遊脚相」と「立脚相」が存在する。

「遊脚相」とは、歩行時に脚の底部が地面に接地していないことをいい、図の横線が引かれている枠で示している。「立脚相」とは脚の底部が接地していることをいい、図の縦線で引かれている枠で示している。

「両足支持相」とは、各脚の立脚相の重なった部分をいい、図においては縦線枠の重なった部分が「両足支持相」の状態であることがわかる。一般的な健常者の歩行では次式の関係があるといわれている。
立脚相：遊脚相：両足支持相＝６：４：２ （１）

図１０は、左右脚の歩行解析項目の立脚相（Ａ），遊脚相（Ｂ），両足支持相（Ｃ）を時系列で並べたトレンドグラフである。トレンドグラフ表示により、リハビリが進行していくに従い、これらの表示が（１）式の関係に近づいてくることを視覚的に判断することができる。

本発明は、３軸の加速度センサ、３軸の角速度センサを内蔵した無線通信機能を持つ歩行センサを利用することにより、歩行計測が終了したあとリアルタイムに歩行データを利用することができる。

計測された歩行データ及び解析データを、リアルタイムに利用することができることにより、歩行者はリハビリ直後にトレンドグラフを閲覧することができる。本人がリハビリの回復度合いをすぐに把握できることで、リハビリの励みとなる。

また、歩行計測をリハビリ前に行うことで理学療法士や医師が、歩行者にその日に最適なリハビリプログラムを選択するためのデータとして利用することができる。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。
（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）歩行センサ１からデータ収集する無線アクセスポイント２に代えて、リハビリを指導する介助者が身につける、無線通信機能並びにデータ保存機能を備える携帯端末を用いることができる。

（３）携帯端末で所定期間収集した歩行データは、ＵＳＢケーブル手段、無線ＬＡＮ等で歩行解析装置４に渡す。または、携帯端末のデータ保存部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もできる。

（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、無線アクセスポイントや携帯端末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解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。 リハビリテーション用解析項目算出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である。 男女夫々の各年代の健常者の歩行速度(meter/sec)と歩行率(歩数/sec)の値を示した表である。 左右脚の立脚相，遊脚相，両足支持相を説明するイメージ図である。 左右脚の立脚相，遊脚相，両足支持相を時系列で並べたトレンドグラフである。 特許文献１に記載されている歩行解析システムの概観図である。 従来の歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。

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 無線アクセスポイント
２１ 無線インタフェース
２２ ネットワークインタフェース
３ ネットワーク
４ 歩行解析装置
４１ 歩行データ計測部
４２ リハビリテーション用解析項目算出部
４３ ネットワークインタフェース

Claims (11)

1. 歩行訓練リハビリテーションを行う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する無線通信装置と、
   この無線通信装置を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部に関するリハビリテーション用解析項目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解析システム。
2. 前記歩行解析装置は、前記足部のストライド長、ステップ長、立脚相、遊脚相、両足支持相、歩行周期、歩行率、歩行速度、これらの平均値、標準偏差、変動係数の少なくともいずれかを前記リハビリテーション用解析項目として算出することを特徴とする請求項１に記載の歩行解析システム。
3. 前記歩行解析装置は、所定期間の前記リハビリテーション用解析項目のデータをトレンド表示することを特徴とする請求項１または２に記載の歩行解析システム。
4. 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乃至３のいずれかに記載の歩行解析システム。
5. 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乃至４のいずれかに記載の歩行解析システム。
6. 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乃至４のいずれかに記載の歩行解析システム。
7. 前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の歩行解析システム。
8. 前記無線通信装置は、前記歩行者の近傍に所在する介助者により携帯される携帯端末であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の歩行解析システム。
9. 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前記リハビリテーション用解析項目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解析システム。
10. 前記歩行解析装置は、一歩毎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９のいずれかに記載の歩行解析システム。
11. 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１０のいずれかに記載の歩行解析システム。

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