JP2014223096A

JP2014223096A - 歩行訓練支援装置およびその制御方法

Info

Publication number: JP2014223096A
Application number: JP2011209739A
Authority: JP
Inventors: 大輔宮野; Daisuke Miyano; 光 ▲高▼橋; Hikari Takahashi
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2014-12-04
Also published as: WO2013046518A1

Abstract

【課題】歩行困難者の歩行状態を把握し、且つ、歩行困難者にとって無理の無い目標を設定するとを可能にする。
【解決手段】統計的な健常者の歩行時の足の上下運動の加速度を１０と正規化し、加速度と歩数で示される２次元空間内に、歩行困難者の一日の歩行運動における加速度と歩数で示される位置、ならびに、目標とする加速度と歩数で示される位置にそれぞれ区別可能なマークを表示する。
【選択図】図５

Description

本発明は歩行動作が困難な患者に向けた歩行訓練を支援する技術に関するものである。

人間の動作の中で歩くという動作は人間が獲得した自然な動作であり、生活していく上でも重要な動作と言える。ところがベッド上での生活する期間がある程度以上続いた場合、すぐさま元の歩行動作を戻すことは困難であり、歩行訓練を行うことが多い。特に、高齢者、とりわけ脳卒中をわずらった場合、歩行が困難になることが多いので、その訓練が重要になってくる。

歩行を基礎にした運動量を計測すると共に、運動を推奨する技術として知られてるものに特許文献１、２がある。特許文献１は、加速度センサを用いて、歩数と、体を大きく動かす行動時間を検出し、これら２つの値をを２次元座標上に示すと共に、その２次元座標位置に目標位置を示すことで、運動を推奨する技術が開示されている。また、引用文献２には、ユーザの日常生活での運動を行う頻度と、年齢、身長等の身体情報をパラメータとして、ユーザに推奨するための運動メニューを提示する技術が開示されている。

特開２００７−２６０２８８号公報特表２００８−２５０５５１号公報

しかし、特許文献１、２のいずれもが、健常者、すなわち、歩行動作が正常に行える者を対象とした技術であるので、利用者に提示する目標運動量も、歩行が正常に行える者を前提にしたものとなっている。従って、歩行が困難な者が仮に特許文献１、２に示される装置を利用したとしても、それにより提示される目標運動量は、到底達成し得ないものとなる可能性が高い。

本願発明は、健常者ではなく歩行困難者の歩行状態を把握し、且つ、歩行困難者にとって無理の無い目標を設定可能な歩行訓練支援技術を提供しようとするものである。

かかる課題を解決するため、例えば、本発明の歩行訓練支援装置は以下の構成を備える。すなわち、
歩行が困難な患者に向けた歩行訓練支援装置であって、
患者の歩行動作における足の上下運動の加速度を検出するための加速度センサと、
統計的に求めた健常者の歩行動作時における最大加速度を健常者加速度として記憶保持する記憶保持手段と、
前記加速度センサで検出される加速度から、一日当たりの歩数を計数する歩数計数手段と、
前記加速度センサで検出される加速度から、患者の歩行動作における一日当たりの平均加速度を求め、前記記憶保持手段に記憶保持された前記健常者加速度に対する、前記平均加速度の割合を歩行運動強度として算出する算出手段と、
前記健常者加速度を基準にした一日当たりの目標歩行運動強度及び目標歩数を設定する設定手段と、
歩行運動強度及び歩数それぞれを座標軸とする座標空間を表示すると共に、前記設定手段で設定した前記目標歩行運動強度及び前記目標歩数で示される位置、ならびに、前記算出手段及び前記歩数計数手段で得られた歩行運動強度及び歩数で示される座標位置に、それぞれ区別可能なマークを表示する表示手段とを有する。

本発明によれば、健常者ではなく歩行困難者の歩行状態を把握し、且つ、歩行困難者にとって無理の無い目標を設定が可能になる。

実施形態における活動量計の子機の構成図である。実施形態における活動量計の親機の構成図である。子機の加速度センサの検出する波形を示す図である。親機における目標値の設定画面を示す図である。測定結果の表示例を示す図である。親機の処理内容を示すフローチャートである。測定結果の表示例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態では、脳卒中等をわずらって歩行が困難な患者の宅に、例えば１週間に一度の割合で療法士が訪問し、歩行リハビリの指導を行う場合を想定して説明する。すなわち、療法士は、過去の歩行データをチェックし、必要に応じて目標歩行情報を患者に提示し、患者はその目標歩行情報に近づくように訓練を行う、ということ繰り返す例である。

図１は実施形態における活動量計の子機１００のブロック構成図、図２は親機２００のブロック構成図である。子機１００は、患者の身に付けられるものであり、患者の一日の歩行情報を収集するための装置である。それ故、子機１００は掌に容易に持つことができる程度のサイズと重さである。親機２００は、子機で収集した歩行情報を受信し、歩行データの解析、保管、表示を行う装置である。

図１に示すように、子機１００は、装置全体の制御を司る制御部１１０、３次元加速度センサに代表される加速度センサ１１１、加速度センサ１１１で検出した加速度を示すアナログ信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部１１２、測定して得られたデータを記憶する記憶部１１３、各種スイッチやボタンで構成される操作部１１４、各種メッセージを表示する表示部１１５、親機と通信するためのインタフェース（Ｉ／Ｆ）１１６、及び、タイマ１１７を有する。

図３は、縦軸に加速度、横軸に時間としたとき、歩行時の加速度センサ１１１で検出された加速度データで表わされる曲線を示している（実際は、加速度センサ１１１によるサンプリング周波数（例えば１００Ｈｚとする）でとびとびになる）。隣り合う２つの山の頂点間が一歩に相当する期間となる。実施形態では、記憶すべきデータ量を少なくするため、サンプリングデータそのものではなく、図示の頂点（黒丸）、すなわち、ピーク時の加速度を検出し、そのピーク時の加速度と時刻とをペアにして記憶部１１３に追加的に格納していく。また、ピークの検出回数が歩数を示している。そこで、記憶部１１３の予め確保されたアドレス位置には歩数を格納する領域を設けた。そして、歩数については、患者がリアルタイムで確認できるように、制御部１１０が表示部１１５に表示するようにした。

親機２００は、図２に示すように、装置全体の制御を司るＣＰＵ２１０、ＣＰＵ２１０の処理手順であるプログラムを格納しているＲＯＭ２１１、ＣＰＵ２１０のワークエリアとして使用されるＲＡＭ、測定データを記憶保持するための大容量の記憶装置であるハードディスク（ＨＤＤ）２１３、グラフィカル表示を行う表示部、各種キースイッチで構成される操作部２１５、子機１００と通信を行うためのインタフェース２１６、電源制御部２１７で構成される。

親機２００は、子機１００で計測された歩行データ（歩数、及び、「加速度と時刻」のペアのデータ）を受信し、患者の歩行状況を解析することになる。先に説明したように、実施形態では、歩行困難者の歩行訓練を支援する技術を説明している。従って、子機で測定された加速度は健常者の歩行時の加速度よりは小さいものとなるし、その小さい加速度を評価する必要がある。それ故、複数の健常者の歩行時の最大加速度の平均値Ｖ_ACを統計的に求めておき、それをＨＤＤ２１３等の記憶手段に保持しておく。そして、制御部２１０は、子機１００からの加速度を、健常者の加速度に対する割合で示す数値で表現する。例えば、健常者の最大加速度の平均値を「１０．０」とし、現実に患者から測定した加速度データを０．０乃至１０．０の範囲の数値で表わす（仮に、もし１０．０を超える値が検出されても１０．０にクロップする）。このようにする理由は、重力加速度で表現するよりは、健常者のそれを「１０．０」としたときの相対割合で示した方が理解が容易になるからである。

具体的には、制御部２１０は加速度センサで検出した加速度をＡとしたとき、
１０．０×Ａ／Ｖ_AC
演算した結果を、正規化後の加速度として変換すればよい。なお、ここでは、健常者の加速度を１０．０とする例を示したが、「１００」としても良いので、上記例で本願発明が限定されるものではない。

子機１００、親機２００の通信は、それぞれのインタフェース１１６、２１６を介して行うことになるが、本実施形態では、患者の多くが高齢者になることを想定し、その通信に係る操作が煩雑とならず、容易にできるよう、非接触通信（例えば、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３の省電力ＩＣ通信技術等）により通信を行うものとした。それ故、親機２００のインタフェース２１６は、ＲＦＩＤリーダとし、子機１００を載置するトレイ（不図示）内に設けるようにした。そして、患者が、一日の歩行訓練を終えたと判断した場合、子機１００を親機２００に設けられたトレイに単に載置するだけで、その日一日の歩行データが親機２００に転送され、解析、蓄積、表示を行うようにした。

親機は不図示のスイッチによって電源をＯＮにすることもできるが、上記の通り、高齢者にとって操作を容易にするため、親機のインタフェース２１６（ＲＦＩＤリーダを内蔵）には常時電源が供給されるようにした。そして、子機１００がトレイに上に載置されたことを検出すると、電源制御部２１７に装置全体への電源供給を指示する。この結果、ＣＰＵ２１０を始めとする各構成要素が起動する。ＣＰＵ２１０は、インタフェース２１６を介して、トレイ上に子機１００が載置されていると判定すると、その子機１００の記憶部１１３のデータを読み出し、解析、表示、更にはハードディスク２１３へのデータ格納を行う（詳細後述）。そして、一連の処理を終えたとき、ＣＰＵ２１０が装置自身の電源をＯＦＦにすべく電源制御部２１７に電源断を指示する。

以上、実施形態における活動量計の子機、親機の構造と、その動作概要を簡単に説明した。子機１００の動作処理は、上記の通り、歩行１歩を検出するたびに記憶部１１３内の歩数を保持する領域の値を“１”だけ増加させ、表示させる処理、ならびに、歩行動作中の１歩毎の最大加速度とその時刻のペアを記憶部１１３に格納する処理がメインとなる。これ以外に、子機１００の処理には親機２００との通信があるが、それは親機の説明から明らかになるので省略する。従って、以下では親機２００の処理を更に詳しく説明することとする。

図４は親機２００の表示部２１４に表示される目標値設定画面の例を示している。この画面は、例えば１週間に一度の在宅訪問する療法士が設定するものであり、患者の１日当たりの歩行動作の目標運動量を設定するためのものである。図示の如く、目標値の項目の種類は、運動強度、歩数、歩行時間の３種類があり、それぞれの値を入力する欄４１１乃至４１３が設けられている。ここで、「運動強度」は、これまで説明した正規化した加速度である。「加速度」は、一般に聞き慣れないものであり、更に、実施形態の場合には健常者の歩行時の足の上下運動を１０．０と正規化した場合の値でもあり、足の上下運動の激しさを示す指標値でもあるので、ＧＵＩ画面では「運動強度」とし、療法士、患者の双方にとって馴染み易い表現にした。図示の場合の運動強度「５」は目標運動強度であり、その値に近づくように足の上下運度を早く行なわせるための目標値である。項目「歩数」については説明するまでもないであろう。「歩行時間」は、一日のうち、この時間を歩行運動に時間をついやしましょう、という目標値である。実施形態の場合、子機１００からは加速度と時刻のペアのデータを取得できるので、連続する２つのペア間の時刻の差が閾値（例えば５秒）以下の場合、その間は歩行中として歩行時間の累積対象とする。逆に言えば、連続する２つのペア間の時刻の差が閾値を超える場合、その間は歩行していないとして判定し、その間を歩行時間から除外する。療法士が図４の画面で目標値の設定を終え、ＯＫボタン４１４を操作すると、設定された目標値がハードディスク２１３に格納され保持される。また、キャンセルボタン４１５を操作した場合、設定した値は無視され、以前に設定された値が変更されることはない。

さて、患者が一日の歩行訓練を終え、子機１００を親機２００のトレイに載置すると、親機２００の電源が自動的にＯＮになり、子機１００と親機２００が通信状態になる。そして、親機２００のＣＰＵ２１０は、子機１００から、その日に収集した歩数、ならびに、「加速度＋時刻」のペアの全データを読み出し、読み出した「加速度＋時刻」の全データから、加速度の平均値を算出する。そして、健常者の最大加速度Ｖ_ACに対する割合を算出し、その値をその日の歩行運動の「運動強度」として算出する。また、ＣＰＵ２１０は、「加速度＋時刻」のペアの全データの時刻から、先に説明した条件に従って、その日の歩行時間を算出する。そして、算出した運動強度、歩行時間、ならびに、歩数を、その日の「日付」と関連付けてハードディスク２１３に格納すると共に、患者にその日の歩行状況が、療法士が設定した目標値にどれだけ近付いたかを示す画面を、表示部２１４に表示する。

図５（Ａ），（Ｂ）はその表示画面を示している。図５（Ａ）は縦軸に運動強度、横軸に歩数の２次元座標空間を示している。そして、図５（Ａ）の表示画面の座標空間中には、療法士が設定した目標値（図４の運動強度と歩数）を示す星マークと、今日の活動量（今日の運動強度、歩数）を示す丸マーク、ならびに、過去１週間の活動量の平均値を示す四角マークが表示される（データの区別が付けば良いので、マークの形状だけでなく、色を別々にしてもよいし、形と色の両方で区別しても構わない）。現在、過去、そして、目標を座標空間に示すことで、過去に対する歩行の改善された度合が把握でき、且つ、目標に対してどの程度到達しているかが把握できるので、運動リハビリに対しての意欲をそそる表示となっている。図５（Ｂ）は、縦軸にはやはり運動強度、横軸には歩行時間とする２次元座標空間が示され、過去、現在、目標の３つが表示される点は図５（Ａ）と同じである。そして、図５（Ａ）と図５（Ｂ）の表示の切り換えは、操作部２１５の設けられた切り換えボタン（不図示）を操作により行うものとした。勿論、表示部２１４の表示画面が十分な広さならびに解像度を持っているのであれば、これら２つの画面を並べて表示しても良い。

また、実施形態では、その日の歩行データから得られた歩数、運動強度、歩行時間をパラメータとして、患者に与えるメッセージを画面上部に表示した。このため、予めハードディスク２１３には予め複数のメッセージを格納しておき、上記３つから目標値に対する到達距離を算出し、その距離から該当するメッセージを選択して表示するようにした。

以上であるが、親機２００のＣＰＵ２１０の処理を更に詳しく説明するため、図６のフローチャートに従って説明する。同図のフローチャートにかかるプログラムは、ＲＯＭ２１１（或いはハードディスク２１３）に格納されているものでもある。

親機２００の不図示の電源スイッチ、或いは、子機１００をトレイ上に載置したことによりＣＰＵ２１０を始めとする各回路に電源が投入されると、子機１００と通信可能になっているか否か（ステップＳ６０１）、所定キー（療法士にとっては既知のキー）が押下されたか（ステップＳ６０２）を、所定時間（例えば５秒）経過するまで判定する（Ｓ６０３）。この期間で、子機１００と通信可能になっていると判断した場合には、ステップＳ６０４に進み、子機からその日一日のデータ（歩数、及び、加速度と時刻のペアの全データ）を取得し、加速度の平均値と健常者の加速度Ｖ_ACから「運動強度」を算出し、加速度に付随する時刻から「歩行時間」を算出する。そして、その日の日付と関連づけ、歩数と、算出した「運動強度」、「歩行時間」を追加可能すると共に、過去１週間の「運動強度」、「歩行時間」、「歩数」の平均値も計算する。この後、ステップＳ６０６に進み、図５（Ａ）又は図５（Ｂ）の表示を行う。そして、終了の指示があるまで、この表示を行ない、終了の指示があるとＣＰＵ２１０は電源制御部２１７を制御して電源をＯＦＦにする。一方、子機１００との通信が不可のまま、所定キーの操作も行われなかった場合、患者が歩行訓練の程度を再度見たいと要求しているものとし、ステップＳ６０６以降の処理を行う。この場合、最新の歩行データを基準に表示を行う。

一方、所定キーが操作されたと判断した場合、療法士による操作であるものとして判定し、ステップＳ６０７に処理を進める。ステップＳ６０７では、目標値の設定（変更）を行うのか、患者の過去の歩行データをより詳しく閲覧するのかを選択メニューを表示する。

データ閲覧であると判断した場合、処理はステップＳ６０９に進み、ハードディスク２１３に格納されている各日の歩数、運動強度、歩行時間を時系列に表示する。図７（Ａ）乃至（Ｃ）は、このとき表示する表示例を示しており、これらの切り換えは操作部２１５のキー操作で行う。療法士は、これらの表示例を閲覧して、過去から現在にかけての患者の歩行状況を把握し、現在の目標値のままよいのか、変更すべきかを判断することになる。従って、目標値を設定（初回の場合）或いは変更が指示された場合には、その旨の指示キーを操作して、ステップＳ６１０に進む。ステップＳ６１０に処理は進むと、先に示した図４の目標値設定画面を表示し、患者の歩行の目標値の設定を行う。

そして、ステップＳ６１１にて、操作終了の指示キーが操作されたと判断した場合、ＣＰＵ２１０は電源制御部２１７を制御して本体の電源をＯＦＦにし、本処理を終える。

以上説明したように本実施形態によれば、健常者の足の上下運動の加速度を正規化の上限値として採用し、患者の足の上下運動の加速度をその正規化した範囲で示すことで、歩行困難者に向けた適切な歩行訓練の指標を提供できるし、歩行困難者にとっても無理の無い目標値が設定できることになり、正常な歩行に向けた意欲を掻き立てることが可能になる。

なお、上記実施形態では、統計的に求めた健常者の加速度Ｖ_ACをハードディスクに保持しているものとしたが、この値は療法士が変更できるようにしても良い。このようにすると、患者が６０歳台であれば、同年齢の健常者の加速度をＶ_ACとして設定でき、同年齢の健常者を目標とする歩行訓練を行うことができる。

また、上記実施形態では、子機と親機で活動量計を構成している例を示したが、子機１００内の制御部１１０が十分な処理能力を有し、表示部１１５も図５（Ａ），（Ｂ）のようなグラフを表示するための解像度を有し、且つ、記憶部１１３も十分な記憶容量を有するのであれば、患者が身につける単独の装置に、上記実施形態の親機の機能を持たせても良い。この場合、単独の装置となる操作部１１４には、理学療法士が直接目標値を設定できるようなキーを配置し、更には、歩行時間や運動強度の算出のトリガにするためや、グラフ表示を指示するための患者が操作するスイッチを設けるようにすれば良いであろう。従って、本発明は、上記の如く、子機と親機との別々の装置にのみ限定されるものではない。また、親機は、可能であれば専用機であることが望ましいが、子機と通信するハードウェアを有する、パーソナルコンピュータであっても良い。この場合、親機の処理は、アプリケーションプログラムで実現することになるであろう。また、実施形態では、歩行訓練を行う患者として、脳卒中などの脳血管疾患を対象にしたが、これに限らず、整形疾患である関節症、骨折、またサルコペニアを含む虚弱高齢者を含んでも構わないのは勿論である。

１００…活動量計の子機、１１０…制御部、１１１…加速度センサ、１１２…Ａ／Ｄ変換部、１１３…記憶部、１１４…操作部、１１５…表示部、１１６…インタフェース、１１７…タイマ、２００…活動量計の親機、２１０…ＣＰＵ、２１１…ＲＯＭ、２１２…ＲＡＭ、２１３…ＨＤＤ、２１４…表示部、２１５…操作部、２１６…インタフェース、２１７…電源制御部

Claims

歩行が困難な患者に向けた歩行訓練支援装置であって、
患者の歩行動作における足の上下運動の加速度を検出するための加速度センサと、
統計的に求めた健常者の歩行動作時における最大加速度を健常者加速度として記憶保持する記憶保持手段と、
前記加速度センサで検出される加速度から、一日当たりの歩数を計数する歩数計数手段と、
前記加速度センサで検出される加速度から、患者の歩行動作における一日当たりの平均加速度を求め、前記記憶保持手段に記憶保持された前記健常者加速度に対する、前記平均加速度の割合を歩行運動強度として算出する算出手段と、
前記健常者加速度を基準にした一日当たりの目標歩行運動強度及び目標歩数を設定する設定手段と、
歩行運動強度及び歩数それぞれを座標軸とする座標空間を表示すると共に、前記設定手段で設定した前記目標歩行運動強度及び前記目標歩数で示される位置、ならびに、前記算出手段及び前記歩数計数手段で得られた歩行運動強度及び歩数で示される座標位置に、それぞれ区別可能なマークを表示する表示手段と
を有する歩行訓練支援装置。
前記表示手段は、過去の予め設定された日数における平均歩行運動強度及び平均歩数で示される位置に、過去の歩行状態を示すマークを表示することを特徴とする請求項１に記載の歩行訓練支援装置。
１日当たりの歩行時間を計時する計時手段と、
１日当たりの目標歩行時間を設定する第２の設定手段と、
歩行運動強度及び歩行時間それぞれを座標軸とする座標空間を表示すると共に、前記設定手段で設定した前記目標歩行運動強度及び前記目標歩行時間で示される位置、ならびに、前記算出手段及び前記計時手段で得られた歩行運動強度及び歩行時間で示される座標位置に、それぞれ区別可能なマークを表示する第２の表示手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載の歩行訓練支援装置。
前記第２の表示手段は、過去の予め設定された日数における平均歩行運動強度及び平均歩行時間で示される位置に、過去の歩行状態を示すマークを表示することを特徴とする請求項３に記載の歩行訓練支援装置。
前記歩行訓練支援装置は、患者に装着される子機と、前記子機とは独立し固定設置される親機で構成され、
前記子機は、
前記加速度センサ、
前記歩数計数手段、
歩行中の一歩の毎の最大加速度を蓄積すると共に前記歩数を記憶するためのメモリを有し、
前記親機は、
前記記憶保持手段と、
前記子機と通信し、当該子機の前記メモリに記憶された歩数、及び、各歩毎の最大加速度を取得する取得手段と、
前記算出手段と、
前記設定手段と、
前記表示手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載の歩行訓練支援装置。
患者の歩行動作における足の上下運動の加速度を検出するための加速度センサと、統計的に求めた健常者の歩行動作時における最大加速度を健常者加速度として記憶保持する記憶保持手段とを有し、歩行が困難な患者に向けた歩行訓練支援装置の制御方法であって、
前記加速度センサで検出される加速度から、一日当たりの歩数を計数する歩数計数工程と、
前記加速度センサで検出される加速度から、患者の歩行動作における一日当たりの平均加速度を求め、前記記憶保持手段に記憶保持された前記健常者加速度に対する、前記平均加速度の割合を歩行運動強度として算出する算出工程と、
前記健常者加速度を基準にした一日当たりの目標歩行運動強度及び目標歩数を設定する設定工程と、
歩行運動強度及び歩数それぞれを座標軸とする座標空間を表示すると共に、前記設定工程で設定した前記目標歩行運動強度及び前記目標歩数で示される位置、ならびに、前記算出工程及び前記歩数計数工程で得られた歩行運動強度及び歩数で示される座標位置に、それぞれ区別可能なマークを表示する表示工程と
を有する歩行訓練支援装置の制御方法。