JP2012085891A

JP2012085891A - 歩行能力測定装置

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Publication number: JP2012085891A
Application number: JP2010236100A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Manabe; 周平真鍋; Masayuki Imaida; 昌幸今井田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: JP5494409B2

Abstract

【課題】歩行能力を評価するのに適した指標を計測する歩行能力測定装置を提供する。
【解決手段】歩行能力測定装置１００は、荷重センサ１９と足位置センサ２３、２５と表示装置３０を備える。荷重センサは、歩行中に脚の足裏が床面から受ける荷重を計測する。足位置センサは、腰位置に対する前後方向における脚の足位置を計測する。表示装置は、センサデータを加工し計測結果を表示する。表示装置は、足位置センサのセンサデータに基づいて、一歩毎に荷重が予め定められた第１荷重閾値を超えたときの第１足位置と、荷重が予め定められた第２荷重閾値を下回ったときの第２足位置を計測する。表示装置は、計測された複数歩分の第１足位置と第２足位置を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、人の脚の歩行能力、特に、少なくとも一部を自由に動かすことができない患脚の歩行能力を評価するのに適した状態量を計測する装置に関する。

人の脚に装着し、アクチュエータによって脚の関節にトルクを加え、人の歩行動作を支援する歩行支援装置が研究されている（例えば特許文献１）。そのような歩行支援装置は、典型的には、特許文献１に開示されているように、人の大腿と下腿のそれぞれに装着する大腿リンクと下腿リンクが膝関節と同軸の位置で回動可能に連結されているとともに、下腿リンクを揺動させるアクチュエータを備えている。アクチュエータは典型的には電動モータであるが、油圧式や空気圧式のアクチュエータであってもよい。

本願は、上記した歩行支援装置を人が利用するのに適した状態にあるか否かを評価するのに役立つ装置を開示する。即ち、本願は、人の歩行能力を評価するのに適した人の状態量（関節角などの物理量）を計測する技術に関する。ここで、脚の能力を計測する関連技術として、特許文献２、特許文献３を挙げておく。特許文献２は、歩行中に被験者の足底の任意の被計測部位が接地するタイミングを計測する足底圧センサを提供する。また、特許文献３は、片方の靴の少なくとも２箇所に三軸ジャイロセンサを備えた靴を提供する。特許文献３の技術は、ランニングやウォーキングのフォームを改良するための能力測定を目的としている。

特開２００６−７５４５６号公報特開２００５−１９２７４４号公報特開２００８−７３２８５号公報

発明者らも、脚の少なくとも一部を自由に動かせない非健常者の歩行支援あるいはリハビリを目的として、アクチュエータ付き歩行支援装置を検討してきた。そのような支援装置を試作し、非健常者を対象にテストを繰り返すうち、非健常者の状態によってはアクチュエータ付き歩行支援装置を利用するのに適していないことが分かってきた。具体的には、運動能力のリハビリテーションにおける急性期リハと呼ばれる期間に該当する非健常者はアクチュエータ付き歩行支援装置を適用するには適していない。なお、運動能力のリハビリテーションは、急性期、回復期、及び、維持期に分けられ、急性期リハとは、急性期病床における発症後数日以内のリハ計画の実施から1ヶ月を目処に行われるリハで、主として廃用症候群の防止を目的としている。回復期リハは、発症後３ヶ月以内から最長９ヶ月までのリハで、一旦失われた機能を少しでも回復させることにより、家庭内、できれば社会復帰を目指すことを目的としている。

急性マヒ等を発症し、脚を自由に動かすことができなくなった非健常者では、急性期においては脚の力が弱く、歩行が極めて不安定である。発明者らの検討によると、急性期のリハビリにはアクチュエータ付き歩行支援装置は馴染まず、従来の長下肢装具、或いは補助手摺などを使った非常にゆっくりとした動作訓練が好ましい。逆に、回復期、及び、維持期では、アクチュエータ付き歩行支援装置は、非健常者の能力回復を促進する上で高い効果が見込まれる。

しかしながら、アクチュエータ付き歩行支援装置自体がいまだ普及してはおらず、その適用の可否を判定するのに役立つ歩行能力の測定手法が確立されてはいない。なお、従来は、歩行能力に限らず、医療の分野においては、急性期／回復期の明確な判別手法は確立されていない。本明細書は、アクチュエータ付きの歩行支援装置を利用するのにユーザの歩行能力が適しているか否かを評価するのに役立つ指標（例えば関節角度など、脚の動きに関係した物理量）を計測する装置を提供する。

発明者らが検討した結果、足の揺動振幅が歩行能力を測る一つのポイントであることが判明した。「足の揺動振幅」は、より正確には、足先が腰よりもどの位後方に振れるか、及び、腰よりもどの位前方まで振れるか、を意味する。本明細書は、歩行能力を測る指標として足先の前方及び後方への振れ幅を計測する装置を提供する。

本明細書が開示する歩行能力測定装置は、主として、脚の少なくとも一部（特に膝関節）を自由に動かすことができない被験者の歩行能力を評価するための装置である。より正確には、本明細書が開示する新規な装置は、歩行能力の評価に適した脚の状態量を計測する装置である。その歩行能力測定装置の一態様は、荷重センサと足位置センサと表示装置を備える。荷重センサは、歩行中に脚（自由に動かすことができない脚：患脚）の足裏が床面から受ける荷重を計測する。足位置センサは、腰位置に対する前後方向における脚（荷重を計測する側の脚）の足位置を計測する。表示装置は、センサデータを加工し計測結果を表示する。表示装置は足位置センサのセンサデータに基づいて、荷重が予め定められた第１荷重閾値を超えたときの第１足位置と、荷重が予め定められた第２荷重閾値を下回ったときの第２足位置を一歩毎に計測する。表示装置は、計測された複数歩分の第１足位置と第２足位置を表示する。本明細書における「表示装置」は、センサデータを加工する処理を含む装置を意味することに留意されたい。

「荷重が第１荷重閾値を超えたとき」とは、計測した荷重が第１荷重閾値より低い値から高い値に切り換わったとき、と換言できる。同様に、「荷重が第２荷重閾値を下回ったとき」とは、計測した荷重が第２閾値より高い値から低い値に切り換わったとき、と換言できる。「荷重が第１荷重閾値を超えたとき」とは、足が着地した直後に相当し、脚が最も前方に振れた時点付近に相当する。「荷重が第２閾値を下回ったとき」とは、足が離地する前に相当し、脚が最も後方へ振れた時点付近に相当する。以上のとおりであるから、荷重閾値はゼロ以上である。典型的には、第２荷重閾値は第１荷重閾値より大きく設定される。

上記の歩行能力測定装置は、複数歩に亘って第１足位置と第２足位置を計測し、表示する。従って、測定者は、第１足位置と第２足位置のそれぞれのばらつきが一見で把握でき、歩行能力の評価がし易くなる。

発明者らによると、第１、第２足位置の他に、荷重のピーク値も重要な指標の一つであることが判明した。そこで、歩行能力測定装置の表示装置は、一歩毎の荷重ピーク値を複数歩分表示できることが好ましい。

さらに発明者らは、歩行能力を評価するのに適した新たな指標も発案した。その指標とは、複数歩分の第１足位置Ｄ１、第２足位置Ｄ２、及び、荷重ピーク値Wｍａｘを使った関数である。具体的には、指標Ｉｎｄｅｘ＝ａ１・σ１＋ａ２・σ２＋ａ３・σ３＋ｂ１・ΔＤ１＋ｂ２・ΔＤ２＋ｂ３・ΔＷで表される。ここで、σ１は複数歩分の第１足位置の分散であり、σ２は複数歩分の第２足位置の分散であり、σ３は複数歩分の荷重ピーク値の分散である。また、ΔＤ１は、複数歩分の第１足位置の平均値（正確には平均値と予め定められた基準値Ｄ１ｔとの差）であり、ΔＤ２は複数歩分の第２足位置の平均値（正確には平均値と予め定められた基準値Ｄ２ｔとの差）であり、ΔＷは複数歩分のピーク荷重の平均値（正確には平均値と予め定められた荷重基準値Ｗｔとの差）である。また、ａ１、ａ２、ａ３、ｂ１、ｂ２、ｂ３は予め定められた重み係数である。ここで、歩行能力測定装置の表示装置は、第１足位置と第２足位置と荷重ピーク値のそれぞれの複数歩分の平均と分散とを変数とする歩行能力指標を算出して表示することが好ましい。

本明細書が開示する技術は、歩行能力を評価するのに役立つ物理量を計測する歩行能力測定装置を提供する。

測定装置の概略図である。計測値を説明する図である。表示画面の一例を示す図である。第２実施例の測定装置の概略図である。第３実施例の測定装置の概略図である。

本実施例の歩行能力測定装置１００の概要図を図１に示す。以下、「歩行能力測定装置１００」を簡単に「測定装置１００」と称する。測定装置１００は、被験者が装着する脚装具１０と表示装置３０で構成される。

脚装具１０は、被験者の腰から脚に沿って装着される多リンク型の機構で構成されている。脚装具は、ピッチ軸方向から見たときに、脚の関節構造と類似の多リンク構造を有しており、脚とともに揺動する。詳しくは、脚装具１０は、被験者の腰に装着される腰リンク１２、大腿に装着される大腿リンク１４、下肢に装着される下腿リンク１６、及び、足に装着される足リンク１８を備える。腰リンク１２と大腿リンク１４は、被験者が脚装具１０を装着したときに股関節ピッチ軸と同軸に位置する腰ジョイント１３で揺動可能に連結されている。大腿リンク１４と下腿リンク１６は、被験者が脚装具１０を装着したときに膝関節ピッチ軸と同軸に位置する膝ジョイント１５で揺動可能に連結されている。下腿リンク１６と足リンク１８は、被験者が脚装具１０を装着したときに足首関節ピッチ軸と同軸に位置する足首ジョイント１７で揺動可能に連結されている。腰ジョイント１３、膝ジョイント１５、及び、足首ジョイント１７の夫々には、隣接するリンク間の角度を計測する角度センサ２３、２５、及び、２７が搭載されている。角度センサ２３は、腰リンク１２に対する大腿リンク１４のピッチ軸回り揺動角を計測する。角度センサ２５は、大腿リンク１４に対する下腿リンク１６のピッチ軸回り揺動角を計測する。角度センサ２７は、下腿リンク１６に対する足リンク１８のピッチ軸回り揺動角を計測する。足リンクの下部、即ち足底には、脚が地面から受ける荷重を計測するための荷重センサ１９が配置されている。

腰リンク１２にはトランスポンダ２０が取り付けられている。トランスポンダ２０は、各センサが計測したデータを表示装置３０へ無線にて送信する。

表示装置３０は、トランスポンダ２０からの電波を受けるアンテナ３２を備えるコンピュータである。表示装置３０は、脚装具１０が送信したセンサデータから足位置を算出し、モニタ３４に表示する。大腿リンク１４と下腿リンク１６の長さは既知であるから、表示装置は、大腿リンク１４と下腿リンク１６の長さと、角度センサ２３、２５の角度データから、腰位置Ｐｈを基準とした前後方向の足位置Ｄを算出する。なお、本実施例では、足位置は、腰位置Ｐｈを基準に前方を正とし、後方を負とする。表示装置３０は、足位置Ｄを随時算出しながら、荷重が第１荷重閾値Ｗｔｈ１を超えたときの第１足位置Ｄ１と、荷重が第２荷重閾値Ｗｔｈ２を下回ったときの第２足位置Ｄ２を特定し、記憶する。第１荷重閾値Ｗｔｈ１と第２荷重閾値Ｗｔｈ２は、被験者の体重に基づいて予め定められる。以下、足の位置に関する記述は、腰位置を基準（原点）としたときの足の位置を意味することに留意されたい。

図２に、歩行中の荷重と足位置の経時的変化の一例を示す。上が荷重Ｗの変化を示すグラフであり、下が足位置Ｄの変化を示すグラフである。横軸は時間を表している。タイミングＴａで荷重Ｗがゼロから立ち上がる。タイミングＴａは、着地タイミングに相当する。この着地タイミングＴａで足位置Ｄは最大値をとる。即ち、タイミングＴａで足が最も前方に位置する。荷重Ｗが増減したのち、再びゼロとなるタイミングＴｂは、足が地面から離れる離地タイミングを示している。この離地タイミングＴｂで足位置Ｄは最小値（負値）をとる。即ち、タイミングＴｂで足が最も後方に位置する。

表示装置３０は、足位置Ｄを連続的に算出しながら、荷重Ｗが第１荷重閾値Ｗｔｈ１を超えたときの（荷重Ｗが第１荷重閾値Ｗｔｈ１より低い値から高い値に変化したときの）足位置（第１足位置Ｄ１）を特定する。表示装置３０は、また、荷重Ｗが第２荷重閾値Ｗｔｈ２を下回ったときの（荷重Ｗが第２荷重閾値Ｗｔｈ２より高い値から低い値に変化したときの）足位置（第２足位置Ｄ２）を特定する。表示装置３０は、一歩毎に第１足位置Ｄ１と第２足位置Ｄ２を特定し、記憶する。また、表示装置３０は、一歩毎に荷重Ｗのピーク値Ｗｍａｘを特定し、記憶する。

図３に、表示画面の一例を示す。モニタ画面３４には、５歩分の第１足位置Ｄ１の棒グラフ（画面部分３４ａ）と、５歩分の第２足位置Ｄ２の棒グラフ（画面部分３４ｂ）と、５歩分の荷重ピーク値Ｗｍａｘの棒グラフ（画面部分３４ｃ）が表示されている。第１足位置Ｄ１の棒グラフについて説明する。グラフ中の「ＡＶＲ」は５歩分の第１足位置の平均を表している。「Ｄ１ｔ」は、予め定められた第１足位置の基準値（第１基準値）を表している。「ΔＤ１」は、第１基準値Ｄ１ｔと平均ＡＶＲとの差を表している。第１基準値Ｄ１ｔを導入するのは、平均ＡＶＲから一定の値（第１基準値Ｄ１ｔ）を差し引くことによって平均の値を見易くするためである。「σ１」は、５歩分の第１足位置Ｄ１の分散を意味している。第２足位置Ｄ２の棒グラフ、及び、荷重ピーク値Ｗｍａｘの棒グラフも同様である。なお、荷重ピーク値Ｗｍａｘの棒グラフのうち、「Ｗｔ」は、予め定められた荷重の基準値を意味している。

画面３４にはまた、歩行能力を表す一つの指標（Ｉｎｄｅｘ：歩行能力指標）の式が示されている（画面部分３４ｄ）。この指標の式において、σ１、σ２、σ３、ΔＤ１、ΔＤ２、ΔＷは前述したとおりである。また、ａ１、ａ２、ａ３、ｂ１、ｂ２、ｂ３は、予め定められた重み係数である。この指標は、上記した物理量の線型結合の式で表される。画面３４にはまた、この指標Ｉｎｄｅｘの各項の値も示されている（画面部分３４ｅ）。また歩行能力指標の値も示されている（画面部分３４ｆ）。なお、画面部分３４ｄの式は、記号で表されているが、画面部分３４ｆ、３４ｅでは、実際は記号ではなく、記号に対応する実際の数値が表示されることに留意されたい。

測定装置１００の利点を述べる。測定装置１００は、被験者の脚が歩行中に腰より前方へどの位振れるか、及び、腰より後方へどの位振れるか、を複数歩に亘って計測して表示する。さらに測定装置１００は、一歩毎に足裏に加わる荷重のピーク値を複数歩に亘って計測して表示する。直感的に理解されるように、脚を自由に動かせない被験者の場合、脚の振り幅が小さくなる。前後の振り幅を別々に、しかも複数歩に亘って計測し表示することによって、この測定装置１００は、被験者の歩行能力がアクチュエータ付き歩行支援装置の利用に適しているか、あるいは、利用するにはまだ時期尚早であるのか、計測者（あるいはリハビリを担当する療法士）が評価するのに大いに役立つ。特に、この測定装置１００は、第１足位置の分散σ１、第２足位置の分散σ２、荷重ピーク値の分散σ３、第１足位置の平均ΔＤ１、第２足位置の平均ΔＤ２、荷重ピーク値の平均ΔＷの線形式で表される歩行能力指標Ｉｎｄｅｘの各項を別々に表示する（画面部分３４ｅ）。この表示を見ることによって、計測者は、どの項目が低いかを一瞥で把握することができ、被験者の歩行能力を低下させている原因を容易に特定することができる。

図４に、第２実施例の測定装置２００を示す。なお、第１実施例の測定装置１００と同じ部品には同じ符号を付している。測定装置２００は、腰リンクと大腿リンクの間の角度を計測する角度センサ（図１の角度センサ２３）の代わりに、鉛直に対する大腿リンクのピッチ軸回りの傾斜角を計測する傾斜角センサ２０１を備える点で第１実施例の測定装置１００と異なる。傾斜角センサ２０１は大腿リンク１４に固定されている。腰リンクに対する大腿リンクの揺動角（第１実施例の角度センサ２３が計測する角度）に替えて大腿の傾斜角（傾斜角センサ２０１が計測する角度）を用いても、腰位置に対する前後後方の足位置を求めることができる。第２実施例の測定装置２００は、腰リンクを装着する必要がないので、被験者への負担が小さい。

図５に、第３実施例の測定装置３００を示す。なお、第１実施例の測定装置１００と同じ部品には同じ符号を付している。測定装置３００は、多リンク機構の脚装具の代わりに、被験者の腰位置と足首位置に取り付けられるマーカ（３０２、３０３）と、マーカを撮影してマーカの位置を特定する画像処理装置３０４を備える。マーカ３０２、３０３は、例えば色の異なるボールでよい。色を検出してその位置を計測する画像処理については良く知られているので説明は省略する。なお、被験者に取り付けられるトランスポンダ２０は、足底に配置した荷重センサのセンサデータのみを表示装置３０へ送ればよい。画像処理装置３０４も独自のトランスポンダを内蔵しており、マーカの位置を表示装置へ送信する。表示装置３０は、腰と足首のマーカの位置関係から、腰位置を基準とした前後方向の足位置を算出する。第３実施例の測定装置は、被験者に装着するデバイスがさらに少なく、負担をさらに小さくすることができる。

実施例の測定装置の留意点を述べる。第１実施例の測定装置１００では、大腿リンク１４の角度を計測する角度センサ２３と、下腿リンク１６の角度を計測する角度センサ２５が「腰位置に対する前後方向の足の位置を計測する足位置センサ」に相当する。第２実施例の測定装置２００では、大腿のピッチ軸回りの傾斜角を計測する傾斜角センサ２０１と、大腿リンク１４に対する下腿リンク１６の揺動角を計測する角度センサ２５が「足位置センサ」に相当する。第３実施例の測定装置３００では、被験者の腰と足首に取り付けられるマーカ３０２、３０３、及び、画像処理装置３０４が「足位置センサ」に相当する。

第１、第２実施例の歩行能力測定装置は、脚に装着するリンク機構を有していたが、第３実施例に示したように、歩行能力測定装置は、荷重センサと足位置センサが機構的には独立していてもよい。また、本明細書が開示する歩行能力測定装置は、荷重センサと足位置センサを既存の長下肢装具に取り付けて実現するものであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：脚装具
１２：腰リンク
１３、１５、１７：ジョイント
１４：大腿リンク
１６：下腿リンク
１８：足リンク
１９：荷重センサ
２０：トランスポンダ
２３、２５、２７：角度センサ
３０：表示装置
３４：モニタ画面
２０１：傾斜角センサ
３０２、３０３：マーカ
３０４：画像処理装置
１００、２００、３００：歩行能力測定装置

Claims

脚の歩行能力を評価するのに適した状態量を測定する歩行能力測定装置であり、
歩行中に脚の足裏が床面から受ける荷重を計測する荷重センサと、
腰位置に対する前後方向における前記脚の足位置を計測する足位置センサと、
計測結果を表示する表示装置と、
を備えており、
表示装置は、前記足位置センサによる計測データに基づいて、一歩毎に荷重が予め定められた第１荷重閾値を超えたときの第１足位置と、荷重が予め定められた第２荷重閾値を下回ったときの第２足位置と、を計測し、
前記表示装置は、計測された複数歩分の第１足位置と第２足位置を表示することを特徴とする歩行能力測定装置。
前記表示装置は、さらに、一歩毎の荷重ピーク値を複数歩分表示することを特徴とする請求項１に記載の歩行能力測定装置。
前記表示装置は、前記第１足位置と前記第２足位置と前記荷重ピーク値のそれぞれの複数歩分の平均と分散とを変数とする歩行能力指標を算出して表示することを特徴とする請求項２に記載の歩行能力測定装置。