JP2016137085A - 身体運動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被験者の身体可動部の運動を精度よく計測することが可能な運動計測装置を提供する。
【解決手段】、磁気センサ２０のセンサヘッド２２が被験者の身体可動部の体表面であるセンサ取付部位に配設され、周囲の磁界に対して身体可動部が運動する際に生じる磁気信号の時間変化が検出される。そして、信号処理部８４により、磁気センサ２０によって検出される磁気信号の時間変化に基づいて身体可動部の動作が検出されるので、磁気センサ２０を用いた被験者の運動を精度よく検出および計測することが可能となる。ここで、周囲の磁界は、環境磁界、もしくは、身体可動部近傍に配設される磁場生成装置によって形成される局所的な勾配磁界であるので、被験者のセンサ取付部位に配設されたセンサヘッド２２は、被験者の運動に伴って好適に磁界の変化を検出することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、身体運動計測装置に関するものであり、特に、身体の可動部の体表面に配設される磁気センサを備えた身体運動計測装置に関するものである。

被験者の身体の微小な運動を検出するための運動計測装置が知られている。たとえば特許文献１や特許文献２に記載のものがそれである。これら運動計測装置は、被験者の所定部位に設けられ、被験者に電気的な刺激が与えられた場合の筋肉の動きを検出するのに用いられる。

ここで上記運動計測装置としては、特許文献１においては感圧式トランスジューサが、また、特許文献２においては加速度センサがそれぞれ用いられている。

特開２００２−１５９４９７号公報 特開２００６−３２６０５０号公報

しかしながら、前述の特許文献１や特許文献２のように、運動計測装置を筋弛緩の程度を評価するのに用いる場合には、被験者の微小な運動を計測する必要があるところ、前述の感圧式トランスジューサや加速度センサを用いた場合、必ずしも十分ではない場合があった。特に、被験者が子供であるような場合には、絶対的な動作量が小さいため、精度よく運動の検出を行うことが困難である場合があった。そこでより精度よく被験者の運動を検出することが可能な運動計測装置が望まれていた。

本発明は、以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、被験者の身体可動部の運動を精度よく計測することが可能な運動計測装置を提供することにある。

かかる目的を達成するための第１の発明の要旨とするところは、（ａ）被験者の身体可動部の体表面に配設されるセンサヘッドを有する磁気センサと、（ｂ）該磁気センサの信号を演算する信号処理部とを備える身体運動計測装置であって、（ｃ）前記磁気センサは、周囲の磁界に対して前記身体可動部が運動する際に生じる磁気信号の時間変化を検出するものであり、（ｄ）前記信号処理部は、前記磁気センサによって検出される前記磁気信号の時間変化に基づいて前記身体可動部の動作を検出するものであり、（ｅ）前記周囲の磁界は、環境磁界、もしくは、前記身体可動部近傍に配設される磁石によって形成される局所的な勾配磁界であることを特徴とする。

本発明の運動計測装置によれば、磁気センサのセンサヘッドが被験者の身体可動部の体表面に配設され、周囲の磁界に対して前記身体可動部が運動する際に生じる磁気信号の時間変化が検出される。そして、前記信号処理部により、前記磁気センサによって検出される前記磁気信号の時間変化に基づいて前記身体可動部の動作が検出されるので、磁気センサを用いた被験者の運動を精度よく検出および計測することが可能となる。ここで、前記周囲の磁界は、環境磁界、もしくは、前記身体可動部近傍に配設される磁石によって形成される局所的な勾配磁界であるので、被験者の身体可動部の体表面に配設されたセンサヘッドは、被験者の運動に伴って好適に磁界の変化を検出することができる。

第２の発明の要旨とするところは、前記信号処理部は、（ｆ）前記磁気センサによって検出される磁気信号、もしくは、前記磁気センサによって検出される磁気信号と前記周囲の磁界の方向の磁気信号との強度の比の逆余弦関数に基づいて得られる角度を、１階時間微分処理もしくは２階時間微分処理を行うセンサ信号処理部と、（ｇ）該センサ信号処理部において処理された信号の極値およびその前後における変化に基づいて、前記被験者の運動を評価する運動評価部とを有することを特徴とする。このようにすれば、前記センサ信号処理部において、前記磁気センサによって検出される磁気信号、もしくは、前記磁気センサによって検出される磁気信号と前記周囲の磁界の方向の磁気信号との強度の比の逆余弦関数に基づいて得られる角度に基づいて前記被検者の身体可動部の動作における加速度に対応する数値を得ることができ、運動評価部において、その加速度に関連する数値の極値およびその前後における変化に基づいて被検者の運動を評価することができる。

第３の発明の要旨とするところは、（ｈ）前記被験者の筋肉に電気刺激を与える電気刺激部を備え、（ｉ）前記磁気センサは、該電気刺激部によって刺激される筋肉の反応に伴って動く身体可動部の体表面に配設されること、を特徴とする。このようにすれば、前記電気刺激部によって前記被検者に対して電気刺激を与えることによって生ずる反応としての被検者の身体可動部の動作を検出することができる。

第４の発明の要旨とするところは、（ｊ）前記信号処理部は、前記電気刺激部による電気刺激と、前記運動機能評価部において評価される前記被験者の運動とに基づいて、前記被験者の筋弛緩の深度を評価する筋弛緩評価部を有すること、を特徴とする。このようにすれば、既知の筋弛緩評価方法に基づいて前記電気刺激部により被検者に電気刺激を与えるとともに、前記磁気センサによりその電気刺激に対する被検者の身体可動部の動作を検出し、前記筋弛緩評価部によりそれを評価することにより、既知の筋弛緩評価方法をより精度よく実施することができる。

好適には、前記センサヘッドは、それぞれ直行する磁界成分を検出可能な複数のセンサヘッドから構成されるものである。このようにすれば、被検者の身体可動部がいずれの方向に動く場合であってもより精度よくその動作を検出することが可能となる。

本発明の身体運動計測装置の実施例における外観を説明する図である。 本実施例の身体運動計測装置が具えている機能の要部を説明するブロック図である。 本実施例におけるセンサヘッドの構成の一例を説明する図である。 センサ駆動回路部、センサ検出回路部の構成の一例を説明する図である。 電極、センサヘッドの取付例を説明する図である。また、センサ取付部位の回転面、環境磁界の向きを合わせて説明する図でもある。 （ａ）は磁気センサの出力を、（ｂ）は磁気センサの環境磁界に対する角度を、また、（ｃ）は磁気センサの環境磁界に対する角度の２階微分値を、それぞれ説明する図である。 本実施例の身体運動計測装置が備えるタッチパネルの表示例を説明する図である。 本発明の別の実施例において、環境磁界生成装置によって生じる環境磁界のモデルを説明する図である。 本発明の別の実施例において、磁気センサの回転角度をセンサ取付部位９の回転面を考慮して算出した場合を説明する図であって、図６（ｂ）に対応する図である。

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である身体運動計測装置１０の外観を説明する図である。この身体運動計測装置１０は、本体部１２と、その本体部１２とケーブル１８により電気的に接続された電気刺激部１４の電極１６と、本体部１２とケーブル２４により接続された磁気センサ２０のセンサヘッド２２を主として含んで構成される。なお、本実施例においては図１などに示す様に、正極および負極の２つの電極１６が設けられている。また、本体部１２にはタッチパネル３０が設けられており、必要な情報が表示されるとともに、身体運動計測装置１０の作動に関する必要な操作を行なうことができるようになっている。すなわち、タッチパネル３０は操作入力部および表示部として機能する。また、本体部１２は電源ケーブル２８が接続されており、身体運動計測装置１０の作動に必要な電気が供給される。なお、これは一例であって、身体運動計測装置１０に必要な電気は図示しない電池、二次電池などによって供給されることもできる。

前記センサヘッド２０からの出力は、プリアンプ２６を介して本体部２４に供給されるようになっている。このプリアンプはセンサヘッドから例えば２００ｍｍ程度の所定距離以上離して設けられるもので、プリアンプ２６においては必要な増幅が行なわれる。後述する様に、ケーブル２４には磁気センサ２０を駆動するためのケーブル、磁気センサ２０の出力信号を出力するためのケーブル、プリアンプ２６を駆動するためのケーブルなどが含まれる。また、ケーブル１８、ケーブル２４はそれぞれ、あるいはケーブル１８と２４とがまとめて一本のケーブルに複数の線が束ねられた複合ケーブルとして設けられてもよい。また、センサヘッド２２からの出力が伝達されるケーブルについては、信号の減衰を防止するために好適には同軸ケーブルが用いられる。

電極１６はパッド状の一対の電極であり、自己粘着性を有しており、被検者の特定の部位に貼り付けられる。後述する電気刺激回路部４０から電流が供給されると、貼り付けられた部分を介して被検者にその電流を流すことができる。

図２は、本発明の本体部に設けられる回路部３４の有する機能の概要を説明する機能ブロック図である。この回路部３４は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えた所謂マイクロコンピュータを含んで構成されており、ＣＰＵはＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って信号処理を行うことにより磁気センサ２０の駆動や磁気センサ２０から得られた信号の処理、電気刺激部１４の駆動などの処理を実行するようになっている。また、回路部３４は入出力インタフェース３２を介して前述の操作入力部および表示部としてのタッチパネル３０と接続されている。

回路部３４は、センサ駆動回路部３６、センサ検出回路部３８、電気刺激回路部４０、制御回路部４２、および、信号処理部４４を機能的に含んで構成されている。このうちセンサ駆動回路部３６は、前述のセンサヘッド２２、プリアンプ２６、センサ検出回路部３８などとともに磁気センサ２０を構成する。また、制御回路部４２は、これら回路部３４の全体の作動を制御するためのものであって、例えば前記タッチパネル３０を介した入出力や、センサ駆動回路部３６、センサ検出回路部３８、電気刺激回路部４０、信号処理部４４のそれぞれが必要な情報の受け渡しをするなど、協調して作動するための制御を行なう。

図３はセンサヘッド２２の構成の一例を説明する図である。図３に示すセンサヘッド２２は、いわゆる磁気インダクタンスセンサ（ＭＩセンサ）であり、後述するパルスジェネレータ６２から供給される駆動電流（励磁電流）Ｐｅが流されるためのＭＩ素子５２と該ＭＩ素子５２の周囲の磁界を計測するための検出コイル５４とを含んで構成されている。この検出コイル５４は、ＭＩ素子５２によって生ずる磁界変化を検出することができる位置に数百〜数千回巻き回されて設けられており、図３の例においてはソレノイド状のコイル５４の中心をＭＩ素子５２が突き抜けるように配設されている。後述するパルスジェネレータ６２とセンサヘッド２２のＭＩ素子５２とは電気的に接続されており、パルスジェネレータ６２から出力された駆動電流Ｐｅは、ＭＩ素子５２を流れるようになっている。ＭＩ素子５２は例えば１０ｍｍ程度の長さのアモルファスワイヤなどの磁気異方性材料により構成されている。そのため、駆動電流ＰｅがＭＩ素子５２に流されるとその表皮効果により検出コイル５４に一過性の誘導起電力波形を生ずることとなる。センサヘッド２２の検出コイル５４の出力Ｏｃｏｉｌ（以下、センサヘッド２２の出力Ｏｃｏｉｌともいう。）はそれぞれ後述するＡＣカップル器６４に入力される。

図４は、センサ駆動回路部３６、センサ検出回路部３８の構成の一例を説明する図である。センサ駆動回路部３６は、クロック回路６０、パルスジェネレータ（パルスゲート）６２を含んで構成されている。また、センサ検出回路部３８は、ＡＣカップル器６４、アンプ６６、ＡＣカップル器６８、ロックインアンプ７０、ローパスフィルタ７２などを含んで構成されている。

このうち、クロック回路６０は後述するパルスジェネレータ６２やロックインアンプ７０の差動のタイミングを決定するためのクロック信号をそれらに供給する。クロック回路６０としては、繰り返し時間の精度が高く、好適には５桁以上の精度を持って正確に繰り返すファンクションジェネレータなどがクロックとして使用される。このクロック回路６０において、クロック信号の繰り返し時間を可変にする事により、適切な励起効率を得ることが出来る。なお、このクロック回路６０はセンサ駆動回路部３６に設けられても良いし、回路部３４内のいずれかに設けられてクロック信号がセンサ駆動回路部３６に供給されるものであってもよい。

パルスジェネレータ６２は、前記センサヘッド２２を駆動するためのパルス状の駆動電流Ｐｅをセンサヘッド２２に供給するためのもので、図示しない電源部によって供給された電力により作動する。またパルスジェネレータ６２は前記クロック回路６０から出力されたクロック信号に基づいて駆動電流を反復的に出力する。この駆動電流Ｐｅは、地磁気などの影響を考慮して、例えば５Ｖ、１００ｎｓ程度のパルスが０．２５乃至１ＭＨｚ程度の周波数とされる。

センサヘッド２２の出力ＯｃｏｉｌはＡＣカップル器（バンドパスフィルタ）６４に入力され、例えば１０ｋＨｚから１００ＭＨｚ程度のカップリングが行われる。そして、アンプ６６において所定の増幅率による増幅が行われる。このアンプ６６には、好適には例えば２ＭＨｚ以上の信号伝達が可能な高速アンプが用いられる。

アンプ６６の出力は、更にＡＣカップル器６８によりクロック回路６０のクロック周波数（繰り返し周波数）に適合した所定のバンドパスフィルタによる処理が行われ、さらにロックインアンプ７０に入力される。ロックインアンプ７０には前述のクロック回路部６０からクロック信号が供給されるようになっており、ロックインアンプ７０はアンプ６６によって増幅されたセンサヘッド２２の出力Ｏｃｏｉｌの振幅を、クロック回路６０のクロック信号と同期して検出する。具体的には検出した振幅、すなわちピーク値を連続的に出力する。そしてこの出力は、所定のオフセット電圧だけオフセットされた後に所定の増幅率、例えば１０００倍程度に増幅される。このロックインアンプ７０の出力は、さらにローパスフィルタ７２により高周波成分が取り除かれた後、センサ検出回路部３８の出力信号、すなわち磁気センサ２０の出力信号とされる。なお、好適には、このように生成した出力信号だけではなく、前記オフセット電圧や、検出位相（ディレイ時間）についても併せて出力するようにしてもよい。

なお、図４の例においては、センサ駆動回路部３６、センサ検出回路部３８を構成する部材のうち、パルスジェネレータ６２、センサヘッド２２、ＡＣカップル器６４、およびアンプ６６が一つの筐体に収められて、センサプローブとされることも可能である。

図５は、本実施例における電極１６、センサヘッド２２の被検者への取付例を説明する図である。本実施例においては、麻酔中の筋弛緩効果の判定を行なうための身体運動計測装置を一例として、電極１６は前腕部の尺骨神経を刺激することができる位置である電極取付部位８に貼り付けられる。一方、前記尺骨神経を刺激した場合には、母指の内転筋が動作するので、例えば母指の先端近くであるセンサ取付部位９に固定される。センサヘッド２２はセンサ取付部位９に貼り付けることによって固定されてもよいし、ベルト等の固定具によって固定されてもよい。この実施例における母指が、本発明の身体可動部に対応する。この場合、電極１６に流される電流は、閾値上刺激、すなわち、最大筋収縮を生ずるのに必要な強度以上の出力のものとされる。

また、図５に示す様に、母指の動作する範囲（可動域）の近傍には、環境磁界生成装置６が設けられ、その環境磁界生成装置６によって、母指の可動域を含む近傍に一様な平行磁界が環境磁界として存在している。この環境磁界生成装置６は例えば永久磁石であってもよいし、あるいは電磁石であってもよい。また、前記母指の可動域における一様な平行磁界として地磁気が利用できる場合には、特に環境磁界生成装置６を設けることをせず、その地磁気を利用するものであってもよい。

図２に戻って、電気刺激回路部４０は、電極１６が貼り付けられた前記被検者の所定部位に与える電流を発生させる。この電流は、例えば電圧が３００Ｖ、電流が０〜６０ｍＡ、パルス幅が２００μｓｅｃのようなものであって、既存の刺激の種類に対応する電流がＤＡコンバータなどにより発生される。既存の刺激とは、例えば筋弛緩効果のモニタリングに用いられる刺激パターンである、単一刺激、５０〜２００Ｈｚの早い連続した刺激であるテタヌス刺激、あるいは、Ｔｒａｉｎ ｏｆ Ｆｏｕｒ（ＴＯＦ；連続４回刺激法）と呼ばれる２Ｈｚ２秒間の４回の刺激などが該当する。例えば、予め複数の電流のパターンを準備しておき、操作者により前述のタッチパネル３０を用いて選択された電流が出力される様にしても良いし、あるいはタッチパネル３０を用いて入力した任意の周波数、長さ、電流などによって設定されたパターンの電流が出力されてもよい。

この電気刺激回路部４０には例えば、回路を駆動するための電流と、前記電極１６に供給される電流のもととなる電流がそれぞれ供給される。また、電気刺激回路部４０は、好適には感電対策が行なわれると共に、例えば同時に使用され得る機器、例えば電気メスや除細動器などの影響を受けないように設計される。

信号処理部８４は、磁気センサ部２０の出力信号に基づいて様々な処理を行なうものであって、センサ信号処理部８８、運動評価部９２、筋弛緩評価部９４などを機能的に有している。

このうちセンサ信号処理部８８は、センサ検出回路３８の出力信号に基づき、センサが取り付けられたセンサ取付部位９、すなわち親指の動きを示す数値に変換する処理を行なう。具体的には、磁気センサ２０は、その磁気センサ２０の周囲における前記環境磁界、すなわち一様な平行磁界に対して、平行とされた場合に最大の出力（電圧）を生じ、環境磁界との角度が大きくなるほどその出力が小さくなる様にされている。言い換えれば、磁気センサ２０の出力値は、その磁気センサ２０と環境磁界とがなす角度に対応した値である。従って、磁気センサ２０の出力値の１階時間微分処理を行なった値は、磁気センサ２０と環境磁界とがなす角度の変化速度に対応した値であり、磁気センサ２０の出力値の２階時間微分処理を行なった値は、磁気センサ２０と環境磁界とがなす角度の変化加速度に対応した値である。なお、このセンサ信号処理部８８における処理は前述の様にいわゆるコンピュータによって実現される場合においては、微分処理は微小時間間隔における差分処理として実行されてもよい。

また、センサ信号処理部８８は、角度算出部９０を機能的に有している。この角度算出部は、前記磁気センサ２０の出力に基づいて、磁気センサ２０の環境磁界に対する角度を算出する。磁気センサ２０の出力Ｚは、前述の通りセンサ取付部位９の環境磁界に対する角度θに伴って変化するものであり、具体的には、
Ｚ＝Ｆ×ｃｏｓ θ
の関係となる。これは、本実施例の磁気センサ２０として用いられるＭＩセンサにおいては、磁気センサ２０の出力Ｚは、センサ周囲の磁束密度ベクトルの感度軸方向成分の大きさに比例するためである。また、Ｆはθ＝０、すなわち磁気センサ２０の向きと、環境磁界の向きとが平行の場合に出力される磁気センサ２０の出力である。この値は、予めキャリブレーションを目的として実際に磁気センサ２０を環境磁界の向きと平行になる様に設置して計測することなどによって得られる。なおＦは、磁気センサの身体筋肉に沿った角度運動が同一平面内で行われるという仮定の下で、測定値全体の中の絶対値が最大値である値を抜き出してもよい。すなわち、ある磁気センサ２０の出力Ｚにおける、磁気センサ２０の向きと環境磁界の向きとの角度θは、
θ＝ａｒｃｃｏｓ （Ｚ／Ｆ） ・・・（１）
となる。角度算出部９０は、この関係を用いることにより、磁気センサ２０の出力Ｚを磁気センサ２０と環境磁界との角度θ（ｒａｄ）に時系列的に変換する。なお、磁気センサ２０の向きとは、本実施例のように磁気センサ２０としてＭＩセンサが用いられる場合には、その磁性材料５２の向きである。

そして、センサ信号処理部８８は、角度算出部９０によって算出された磁気センサ２０の回転角度Ｙの１階時間微分、および、２階時間微分を算出することによりセンサ取付部位９の回転面の角度の影響を考慮した角速度、および、角加速度をそれぞれ算出することができる。

図６は、（ａ）磁気センサ２０の出力Ｚ、（ｂ）角度算出部９０によって算出される磁気センサ２０の環境磁界に対する角度θ、および、（ｃ）センサ信号処理部８８によって算出されるその２階微分の値のそれぞれを時系列的に示した図である。具体的には、被検者の左手首の電極取付部位８に電極１６を、左母指のセンサ取付部位９にセンサヘッド２２を取り付け、電流３０ｍＡ、時間幅２００μｓｅｃの電気刺激を０．５秒おきに４回連続で印可した場合に対応している。

図６（ａ）に示す様に、磁気センサ２０の出力Ｚとして、センサ周囲の磁束密度ベクトルの感度軸方向成分の大きさに比例した値が出力される。図６（ａ）は、電気刺激部１４による電気刺激によって母指の運動に伴って、振幅約１（Ｖ）のスパイク上の波形が観測されている。図６（ｂ）は、角度算出部９０によって算出される磁気センサ２０の環境磁界に対する角度θを表している。この例においては磁気センサ２０と環境磁界との向きが一致した（平行となった）場合のセンサ２０の出力Ｚの値Ｆは、Ｆ＝２．９６（Ｖ）であり、これと図６（ａ）のように得られたデータとを上記（１）式に適用することにより得られたものである。図６（ｂ）に示す様に、磁気センサ２０は電気刺激によって約−０．０４（ｒａｄ）回転していることがわかる。図６（ｃ）は磁気センサ２０の角度の時間変化を２階微分したものであって、磁気センサ２０の角加速度に対応する値である。図６（ｃ）に示す様に、この例においては、電気刺激にともなうセンサ取付部位９の動作は、負のスパイク状の波形Ｔ１〜Ｔ４として観測されている。なお、センサ２０の角度とセンサ取付部位９との相対的な角度は、その取付状態に依存するものであり、例えば、本実施例において説明した様にセンサ取付部位９が母指である場合には、その長手方向に磁気センサ２０の向きが向く様に取り付けた場合には、センサ２０の向きとセンサ取付部位９である母指の向きとは同一である。

図２に戻って、信号処理部８４の運動評価部９２は、前記センサ信号処理部８８において処理された磁気センサ２０の出力信号に基づいて、被検者の運動を評価する。具体的に本実施例においては、運動評価部は、磁気センサ２０の回転加速度についての値の時間変化において、電気刺激部１４による刺激に伴って生じた変化を特定し、そのピーク（極値）における波高の絶対値を算出する。なお、運動評価部９２は、例えば前記電気刺激部１４が電気刺激を行なった時刻についての情報を電気刺激部１４などから得ることにより、その時刻から例えば０．１ｓｅｃ以内のように所定時間内に生じた前記回転加速度の変化を、対応する電気刺激部１４による刺激に伴って生じた運動であると推定する。逆に、電気刺激部１４による刺激を行なった時刻から前記所定時間内に前記回転加速度の変化が生じなかった場合には、当該刺激によっては運動は生じなかったと判定する。例えば前記ピークの波高の絶対値がベースラインの３σの場合には、ピークが生じなかったものと判定する。また、前記所定時間は、例えば通常の状態、すなわち、麻酔のされていない状態にある被検者に電気刺激を与えた場合に、センサ取付部位９に運動が生じるのに平均的な時間として実験的に得られるものである。なお、以下の説明においては、磁気センサ２０の回転加速度におけるピークを、単にピークと呼ぶことがある。

信号処理部８４の筋弛緩評価部９４は、電気刺激部１４において前述のように既存の刺激パターンにより電流が発生される場合に、その刺激パターンに応じて前記運動評価部９２の評価結果をさらに評価する。例えば、本実施例の身体運動計測装置１０がＴＯＦモードと呼ばれるモードで作動させられる場合、前述のＴＯＦと呼ばれる刺激パターンが選択される。筋弛緩評価部９４は、前記運動評価部９２によって特定された、前記磁気センサ２０の回転加速度の時間変化におけるピークについて、その刺激パターンに含まれる４回の刺激のそれぞれへの対応づけを行なう。この対応づけは、前述の様に、刺激を行なってから予め定められた所定時間内にピークが生じたことに基づいて行なわれる。そして、４回の刺激のそれぞれに対応するピークが存在すると判断された場合には、４回の刺激のうち最初の刺激に対応するピーク（図６（ｃ）の例においてはＴ１）の大きさに対する、４回目の刺激に対応するピーク（図６（ｃ）の例においてはＴ４）の大きさの比率を算出し、出力手段としてのタッチパネル３０に表示させる。一方、４回の刺激のすべてに対応するピークが存在しなかった場合には、連続検出したピークの数としてＴＯＦ反応数を表示させる。３回目の刺激に対応するピークまで検出された場合、すなわち、４回目の刺激に対応するピークのみ検出されなかった場合にはＴＯＦ反応数はＴ３であり、２回目の刺激に対応するピークまで検出された場合、すなわち、３回目の刺激以降に対応するピークが検出されなかった場合にはＴＯＦ反応数はＴ２となる。また、いずれの刺激に対応するピークも検出されなかった場合にはＴＯＦ反応数はＴ０となる。

また、ＰＴＣ（Ｐｏｓｔ Ｔｅｔａｎｉｃ Ｃｏｕｎｔ）モードと呼ばれるモードで本実施例の身体運動計測装置１０が作動させられる場合には、電気刺激部１４からは、まず、１Ｈｚの電気刺激を１５回発生させ、その１５回の刺激に対して前記ピークが検出されなかった場合に、５０Ｈｚ、５秒間のテタヌス刺激を発生させる。その５秒後に１Ｈｚの電気刺激を１５回再度発生させる。筋弛緩評価部９４は、再度発生された１５回の刺激に対して何回のピークを検出できたかをカウントし、タッチパネル３０に表示する。

また、１Ｈｚモードと呼ばれるモードで本実施例の身体運動計測装置１０が作動させられる場合には、電気刺激部１４からは、まず、１Ｈｚの電気刺激が発生される。筋弛緩評価部９４は、その刺激の１秒以内に発生した前記ピークについて、前記運動評価部９２によって計測されたピークの大きさを表示する。

図７は、前記タッチパネル３０の表示例を説明する図である。左上の動作モード領域１０２においては、電気刺激の開始／停止を制御するためのボタンが表示されるとともに、身体運動計測装置１０の選択可能な動作モードがそのモードを選択するためのボタンとして表示される。

なお、図７の動作モード領域１０２における最大上刺激設定モードとは、最大上刺激（ｓｕｐｒａｍａｘｉｍａｌ ｓｔｉｍｕｌｕｓ）の大きさを設定するためのモードである。具体的には次の様に作動する。まず、電流２０ｍＡの刺激を１回発生させ、前記ピークの発生により動作を確認する。次いで、６０ｍＡで１Ｈｚの刺激を５回発生させ、それらに対するピークの大きさがその平均の±５％以内であるかを確認する。不安定、すなわち±５％を上回る場合には本モードを終了する一方、安定、すなわち±５％以内である場合には、最後の１回の刺激に対するピークの大きさを１００％として記憶する。その後５ｍＡずつ電流値を下げながら１Ｈｚの刺激を１回ずつ発生させ、その刺激に対するピークの大きさが９０％となった時の電流値を最大刺激電流値として記憶する。さらに６０ｍＡで１Ｈｚの刺激を５回発生させ、それらの刺激に対するピークの大きさがその平均の±５％以内であるか否かを確認する。±５％以内である場合には、最大刺激電流値の１１０％の電流値を最大上刺激電流値として設定する。

また、キャリブレーションモードとは、電気刺激部１４による刺激の発生をすることなく、センサヘッド２２を様々な方向に向けることにより、その環境における磁気センサ２０の出力の最大値を検出し、記憶するためのものである。このモードにより検出された最大値は前述のＦの値として利用される。前述したようにＦは、磁気センサの身体筋肉に沿った角度運動が同一平面内で行われるという仮定の下で、測定値全体の中の絶対値が最大値である値を抜き出してもよい。その場合はキャリブレーションモードを用いることなく測定を実行することができる。

また、図７の電流表示・設定領域１０４においては、現在の電気刺激の電流値が表示されるとともに、上下キーが表示され、そのキーをタッチすることにより電流値の変更が可能とされている。

また、表示領域１０４、１０６、１０８においては、それぞれ、ＴＯＦモードで測定された値、ＴＯＦ反応数、あるいは他のモードでの測定・評価結果や現在の測定の進行状況、設定内容などが必要に応じて表示されるようになっている。

本実施例の身体運動計測装置１０によれば、磁気センサ２０のセンサヘッド２２が被験者の身体可動部の体表面であるセンサ取付部位９に配設され、周囲の磁界に対して前記身体可動部が運動する際に生じる磁気信号の時間変化が検出される。そして、前記信号処理部８４により、前記磁気センサ２０によって検出される前記磁気信号の時間変化に基づいて前記身体可動部の動作が検出されるので、磁気センサ２０を用いた被験者の運動を精度よく検出および計測することが可能となる。ここで、前記周囲の磁界は、環境磁界、もしくは、前記身体可動部近傍に配設される磁場生成装置６によって形成される局所的な勾配磁界であるので、被験者のセンサ取付部位９に配設されたセンサヘッド２２は、被験者の運動に伴って好適に磁界の変化を検出することができる。

また、本実施例の身体運動計測装置１０によれば、前記信号処理部４８は、前記磁気センサ２０によって検出される磁気信号、もしくは、前記磁気センサ２０によって検出される磁気信号と前記周囲の磁界の方向の磁気信号との強度の比の逆余弦関数に基づいて得られる角度を、１階時間微分処理もしくは２階時間微分処理を行うセンサ信号処理部８８と、該センサ信号処理部８８において処理された信号のピークおよびその前後における変化に基づいて、被験者の運動を評価する運動評価部９２と、を有するので、前記磁気センサ２０によって検出される磁気信号と前記周囲の磁界の方向の磁気信号との強度の比の逆余弦関数に基づいて得られる角度に基づいて前記被検者の身体可動部の動作における加速度に対応する数値を得ることができるとともに、その加速度に関連する数値のピークおよびその前後における変化に基づいて被検者の運動を評価することができる。

また、本実施例の身体運動計測装置１０によれば、前記被験者の筋肉に電気刺激を与える電気刺激部１４を備え、前記磁気センサ２０は、該電気刺激部１４によって刺激される筋肉の反応に伴って動く身体可動部のセンサ取付部位９に配設されるので、前記電気刺激部１４によって前記被検者に対して電気刺激を与えることによって生ずる反応としての被検者の身体可動部の動作を検出することができる。

また、本実施例の身体運動計測装置１０によれば、前記信号処理部８４は、前記電気刺激部１４による電気刺激と、前記運動機能評価部９２において評価される前記被験者の運動とに基づいて、前記被験者の筋弛緩の深度を評価する筋弛緩評価部９４を有するので、既知の筋弛緩評価方法に基づいて前記電気刺激部１４により被検者に電気刺激を与えるとともに、前記磁気センサ２０によりその電気刺激に対する被検者の身体可動部の動作を検出し、前記筋弛緩評価部９４によりそれを評価することにより、既知の筋弛緩評価方法をより精度よく実施することができる。

続いて、本発明の別の実施例について説明する。以下の説明において、実施例相互に共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

前述の実施例においては、角度算出部９０は、磁気センサ２０の出力Ｚとその最大値Ｆとの比を逆余弦関数に適用することによって、環境磁界に対するセンサヘッド２２の角度を得た。一方、本実施例においては、角度算出部９０は、実施例１における方法に代えて、身体可動部である母指の回転面と環境磁場とがなす角度Ｘを考慮することにより、センサヘッド２２の回転角をより精度よく得るものである。以下、具体的に説明する。

図８は、前記環境磁界生成装置６によって生じる環境磁界のモデルを説明する図である。図８に示す様に、母指の回転面と環境磁場とがなす角度Ｘ（ｒａｄ）と、母指の回転角度Ｙ（ｒａｄ）に対して磁気センサの出力Ｚ（Ｖ）が、
Ｚ＝２．８×（ｃｏｓ Ｘ）×（ｃｏｓ Ｙ） ・・・（２）
となるように定められている。ここで、２．８は装置固有の係数Ｋ（装置係数）である。

また、センサ信号処理部８８は、角度算出部９０を機能的に有している。この角度算出部は、前述の環境磁界生成装置６によって前記（２）式に示す様な環境磁界モデルが生成されている場合に、前記磁気センサ２０の出力に基づいて、センサ取付部位９の回転角度Ｙを算出する。この算出は次の様に行なわれる。まず、前述の様に、センサ取付部位９の回転面と環境磁場とがなす角度Ｘ（ｒａｄ）、母指の回転角度Ｙ（ｒａｄ）、および、磁気センサの出力Ｚ（Ｖ）に対して、環境磁界モデルが前記（２）式で表されており、センサ取付部９の回転前すなわちＹ＝０における磁気センサ２０の出力ＺがＺ＝Ｚ₀である場合、
Ｚ＝Ｆ×ｃｏｓ Ｘ×ｃｏｓ ０＝Ｆ×ｃｏｓ Ｘ
であるので、
ｃｏｓ Ｘ＝Ｚ₀／Ｆ ・・・（３）
となる。上記（２）式および（３）式より、
Ｚ＝Ｆ×ｃｏｓ Ｙ×Ｚ₀ ／Ｆ＝ｃｏｓ Ｙ×Ｚ₀
となって、
ｃｏｓ Ｙ＝Ｚ／Ｚ₀ ・・・（４）
すなわち、
Ｙ＝ａｒｃｃｏｓ（Ｚ／Ｚ₀） ・・・（５）
である。角度算出部９０は、この（５）式の関係を用いることにより、磁気センサ２０の出力Ｚを磁気センサ２０の回転角度Ｙ（ｒａｄ）に時系列的に変換する。ここで、前記Ｙ＝０における磁気センサ２０の出力Ｚ₀ の値は、例えば事前にキャリブレーションを行なうことなどによって得る、または磁気センサの身体筋肉に沿った角度運動が同一平面内で行われるという仮定の下で、測定値全体の中の絶対値が最大値である値を抜き出して得ることができる。

そして、センサ信号処理部８８は、角度算出部９０によって算出された磁気センサ２０の回転角度Ｙの１階時間微分、および、２階時間微分を算出することによりセンサ取付部位９の回転面の角度の影響を考慮した角速度、および、角加速度をそれぞれ算出することができる。

図９は、上記角度算出部９０によって算出される磁気センサ２０の回転角度Ｙの時間変化の一例を示す図であって、センサ取付部位９の回転面と環境磁場とがなす角度Ｘを考慮しないで算出した場合の値と比較した図である。図９の上側に示された値（左目盛り）は、センサ取付部位９と環境磁場とがなす角度の変化を示す一方、図９の下側に示された値（右目盛り）は、磁気センサ２０の回転角度Ｙを表すものである。このように、角度算出部９０によって得られる値を用いることで、磁気センサ２０の回転角度Ｙ、すなわちセンサ取付部位９の回転をより精度よく把握し得る。

前述の実施例によれば、前記角度算出部９０において、センサヘッド２２、すなわち身体可動部である母指の回転面と環境磁場とがなす角度Ｘを考慮することにより、センサヘッド２２の回転角をより精度よく得ることができる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

例えば、前述の実施例においては、磁気センサ２０としてＭＩセンサが用いられたがこれに限られない。一様な磁界に対して角度が変化するのに伴って出力信号が変化する磁気センサであれば本発明に適用可能である。具体的には、ホール素子、フラックスゲートなどが用いられてもよい。

また、前述の実施例においては、センサ信号処理部８８は、センサ出力（もしくはその回転角度への換算値）の２回時間微分、すなわち角加速度に関連する値を算出し、運動評価部９２、筋弛緩評価部９４はそれに基づいてセンサ取付部位９である母指の運動を評価したが、これに限られない。例えば、センサ出力（もしくはその回転角度への換算値）の１回時間微分、すなわち角加速度に関連する値を算出し、それに基づいてセンサ取付部位９である母指の運動を評価することもできるし、微分しない値を用いる場合であっても、それに基づいてセンサ取付部位９の運動の評価をすることもできる。

また、前述の実施例においては、単一のセンサヘッド２２を有する磁気センサ２０が用いられたが、これに限られず、複数のセンサヘッド２２を有する磁気センサ２０であってもよい。特にこれら複数のセンサヘッド２２が相互に直交する成分を検出可能であれば、センサ取付部位９の動作を３次元に検出することができる。また、一のセンサヘッド２２が環境磁界の向き対して直交するような場合においても、良好にセンサ取付部位９の動作を検出、評価することができる。

また、前述の実施例においては、身体運動計測装置１０が筋弛緩状態の評価に用いられることを前提として、その運動評価部９２は、センサ取付部位９に対応する身体の可動部の動作を、センサヘッド２２の回転加速度における電気刺激タイミングに対応するピークの絶対値の大きさやピークの有無により評価したが、これに限られない。例えば、電気刺激からピーク発生までの時間など、様々な評価が可能である。

また、前述の実施例においては、身体運動計測装置１０が筋弛緩状態の評価に用いられることを前提として、電極取付部位８が例えば左手の尺骨神経に対応する部位とされ、センサ取付部位９が左手の親指とされたが、このような用途や態様に限定されない。具体的には例えば、首の筋肉の動作を評価することにより被検者の嚥下機能を評価することも可能であるなど、筋肉の動作を検出・評価するのに広く用いられ得るものである。この場合、必ずしも電気刺激部１４は必要とされない。また、従来筋電計により筋電図を測定していた場合に、これに代えて本発明の身体運動計測装置１０を用いることも可能である。この場合、筋電計を用いた検査のためには、筋肉に針を刺すことが必要であったが、本発明の身体運動計測装置によればその必要がなく、非侵襲により測定できる。

また、前述の実施例においては、身体運動計測装置１０は、タッチパネルとしての表示部３０を出力手段として有していたが、それに代えて、あるいはそれに加えて、音声、点滅・点灯光などによって必要な報知を行なう出力手段を有していてもよい。

６：磁場生成装置、９：センサ取付部位、１０：身体運動計測装置、１４：電気刺激部、２０：磁気センサ、２２：センサヘッド、４８：信号処理部、８４：信号処理部、８８：センサ信号処理部、９２：運動評価部、９４：筋弛緩評価部

Claims (4)

1. 被験者の身体可動部の体表面に配設されるセンサヘッドを有する磁気センサと、
   該磁気センサの信号を演算する信号処理部とを備える身体運動計測装置であって、
   前記磁気センサは、周囲の磁界に対して前記身体可動部が運動する際に生じる磁気信号の時間変化を検出するものであり、
   前記信号処理部は、前記磁気センサによって検出される前記磁気信号の時間変化に基づいて前記身体可動部の動作を検出するものであり、
   前記周囲の磁界は、環境磁界、もしくは、前記身体可動部近傍に配設される磁石によって形成される局所的な勾配磁界であること、
   を特徴とする身体運動計測装置。
2. 前記信号処理部は、
   前記磁気センサによって検出される磁気信号、もしくは、前記磁気センサによって検出される磁気信号と前記周囲の磁界の方向の磁気信号との強度の比の逆余弦関数に基づいて得られる角度を、１階時間微分処理もしくは２階時間微分処理を行うセンサ信号処理部と、
   該センサ信号処理部において処理された信号の極値およびその前後における変化に基づいて、前記被験者の運動を評価する運動評価部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の身体運動計測装置。
3. 前記被験者の筋肉に電気刺激を与える電気刺激部を備え、
   前記磁気センサは、該電気刺激部によって刺激される筋肉の反応に伴って動く身体可動部の体表面に配設されること、
   を特徴とする請求項２に記載の身体運動計測装置。
4. 前記信号処理部は、
   前記電気刺激部による電気刺激と、前記運動機能評価部において評価される前記被験者の運動とに基づいて、前記被験者の筋弛緩の深度を評価する筋弛緩評価部を有すること、
   を特徴とする請求項３に記載の身体運動計測装置。