JP2017029686A - 歩行評価装置と歩行を評価するための指針となるデータの収集方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の加速度計を用いた歩行評価の手法は、医療分野で有用な定量評価を行えるほどの実用化には至っていなかった。【解決手段】被験者の腰側部に取り付け、前被験者の進行方向への加速度を計測する加速度計と、前記加速度計の出力を周波数分析する周波数分析器と、前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をＰＳＤ１として読み出し、前記歩調基本周波数の１／２の周波数成分をＰＳＤ０．５として読み出し、ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出する制御器を有することを特徴とする歩行評価装置。【選択図】図１

Description

本発明は、被験者の歩行状態を評価するための指針となるデータの収集方法及び歩行評価装置に関するものであり、特に、被験者に加速度計を取付け、加速度計の周波数成分を用いる方法及び装置に関するものである。

歩行特性の分析は、３次元動作解析装置や床反力計、電気角度計など様々な機器や手法を用いて行われている。これらの手法では基本的に高価な機器が必要になる。一方、臨床への応用という観点から、近年では加速度計を用いた歩行分析も注目されている。

たとえば、リハビリテーション医療の中で最も多い疾患の一つである脳卒中片麻痺に対して、加速度情報を２回積分することで、歩行中における腰部の空間的な変位（上下、左右、前後方向）を算出し、片麻痺歩行の定量化とパターン分類に関する試みもなされている。

このような歩行パターン分類は、医療分野では伝統的な運動力学的分析にもとづき、歩行速度、歩行率、歩幅、重複歩距離、立脚時間、遊脚時間を歩行パラメーターとして採用してきたことにも大きく関係すると考えられる。

一方、特許文献１は、歩行者の腰側部に加速度計を取付け、加速度計の出力を周波数分析し、歩行機能の回復の程度を定量化することが開示されている。

特開２００４−３５８２２９号公報

特許文献１では、確かに被験者の腰の動き（加速度）を周波数分析する点の開示はある。しかし、特許文献１では加速度計を用いて歩幅や移動速度といった情報を算出する方法が記載されているだけである。被験者の左右の足の動きの違いについての言及は加速度計の出力の時刻歴波形（時間軸波形、時間軸情報等とも呼ぶ。）に着目し、プラス側とマイナス側を比較するといった点の言及にすぎない。

したがって、従来の時刻歴波形に着目した「波形の定量化」や「パターン分析」を行う手法と変わりなく、歩行状態の把握という観点からは煩雑な労力と手間を必要とする従来手法から抜け出せているとはいえないのが現状で、未だ研究レベル段階である。すなわち、従来の加速度計を用いた手法は、医療分野で有用な定量評価を行えるほどの実用化には至っていなかった。

本発明の発明者は、歩調基本周波数の０．５倍成分が深く関係していることを見出し、本発明を想到するに至った。

より具体的に本発明に係る歩行評価装置は、
被験者の腰側部に取付け、前記被験者の進行方向への加速度を計測する加速度計と、
前記加速度計の出力を周波数分析する周波数分析器と、
前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をＰＳＤ１として読み出し、前記歩調基本周波数の１／２の周波数成分をＰＳＤ０．５として読み出し、ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出する制御器を有することを特徴とする。

また、本発明に係る歩行評価を行うための指針となるデータ収集方法は、
被験者の腰側部の位置で、前記被験者の進行方向への加速度を計測する工程と、
前記加速度計の出力を周波数分析する工程と、
前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をＰＳＤ１として読み出し、前記歩調基本周波数の１／２の周波数成分をＰＳＤ０．５として読み出し、ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出する工程を有することを特徴とする。

腰側部における歩行方向の歩調基本周波数の半分の周波数にあたる半周波数のパワースペクトル（あるいは歩調以下の成分を取り出した加速度波形）が片麻痺歩行を初めとする歩行障害の定量的な評価指針になる。なお、本明細書では片麻痺と片足麻痺は区別せずともに「片麻痺」と呼ぶ。

本発明に係る歩行評価装置１の構成を示す図である。 歩行評価装置１の動作フローを示す図である。 加速度情報Ｄａと帯域処理加速度情報ＢＰＤａを例示する図である。 模擬歩行の足跡を示す図である。 通常歩行した場合の加速度計の出力を周波数分析した結果を示す図である。 ピーク値Ｐｎおよび周波数Ｆｎの決め方の例を示す図である。 図５を逆フーリエ変換し、時間軸情報に戻した結果を示す図である。 両足の揃う右足主体歩行（模擬歩行パターン１）を行った場合の周波数分析結果を示すグラフである。 両足の揃う右足主体歩行（模擬歩行パターン１）を行った場合の時間軸の波形の結果を示すグラフである。 模擬歩行パターン２を行った場合の周波数分析の結果を示すグラフである。 模擬歩行パターン２を行った場合の時間軸の波形の結果を示すグラフである。 模擬歩行パターン２の加速度計の出力から０．５−０．８Ｈｚ帯だけの周波数成分を取り出した波形を示すグラフである。 模擬歩行パターン３の加速度計の出力から０．５−０．７５Ｈｚ帯だけの周波数成分を取り出した波形を示すグラフである。 模擬歩行パターン１（両足が揃う歩行）について、右足主体歩行（左足引きずり歩行）の右腰部前後方向におけるパワースペクトルから、０．５倍成分と１倍成分（歩調成分）のパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出し、歩行速度に対する結果を示すグラフである。 模擬歩行パターン１（両足が揃う歩行）について、左足主体歩行（右足引きずり歩行）の左腰部前後方向におけるパワースペクトルから、０．５倍成分と１倍成分（歩調成分）のパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出し、歩行速度に対する結果を示すグラフである。 模擬歩行パターン２（両足が揃わない歩行）について、右足主体歩行（左足引きずり歩行）の右腰部前後方向におけるパワースペクトルから、０．５倍成分と１倍成分（歩調成分）のパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出し、歩行速度に対する結果を示すグラフである。 模擬歩行パターン２（両足が揃わない歩行）について、左足主体歩行（右足引きずり歩行）の左腰部前後方向におけるパワースペクトルから、０．５倍成分と１倍成分（歩調成分）のパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出し、歩行速度に対する結果を示すグラフである。 実際に片麻痺がある被験者の左右の腰の進行方向の加速度の０．５倍成分の位相差を示す図である。 実際に片麻痺がある被験者の左右の腰の進行方向の加速度の０．５倍成分の位相差を示す図である。 実際に片麻痺がある被験者の左右の腰の進行方向の加速度の０．５倍成分の位相差を示す図である。 健常者が普通に歩行した場合の左右の腰の進行方向の加速度の０．５倍成分の位相差を示す図である。 健常者が片足ぶん回しをしながら歩行した場合の左右の腰の進行方向の加速度の０．５倍成分の位相差を示す図である。

以下に本発明に係る歩行評価装置について図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

（実施の形態１）
図１に本発明に係る歩行評価装置１の構成を示す。歩行評価装置１は、加速度計１０と、記憶装置１２と、周波数分析器１４と、制御器１６を含む。また制御器１６の出力を表示する表示器２０を有していてもよい。

加速度計１０は、少なくとも歩行の前後方向の加速度を計測できるものを用いる。３軸の加速度計１０を用いても良い。加速度計１０は、被験者の腰側部に配置する。歩行する際の歩行方向の加速度を検出しやすいからである。腰側部とは、腸骨稜の少し上辺りがよく、通常ズボンをはく際にベルトをする高さでよい。加速度計１０は片方の腰に配置させればよいが、両腰側部に１つずつ取り付けても良い。

被験者が加速度計１０を腰側部に取り付けて歩行すると、加速度計１０は被験者の足の動きに応じて歩行方向の加速度情報Ｄａを出力する。この時、加速度計１０の腰側部への取り付け方によっては、被験者の腰の回転方向の動きに伴う加速度や上下方向の加速度成分も同時に含まれることになる。

しかし、少なくとも歩行方向の加速度を主として測定できればよい。本発明に係る歩行評価装置１は、進行方向の歩調周波数の比で評価するので、多少回転方向や上下方向の加速度成分が含まれていても良いからである。

加速度情報Ｄａは、基本的にプラス値（前進）およびマイナス値（後進）の波形が繰り返される周期データとなる。なお、加速度情報Ｄａはデジタル化されているものとする。デジタル化されていない場合は、情報の経路の望ましい箇所にＡＤ変換器を送入するのが望ましい。後段の装置がデジタル処理しやすくするためである。

加速度情報Ｄａは、より具体的には、被験者の歩行に関して歩行方向の加速度を、規定の時間間隔Δｔ（サンプリング間隔）ごとに測定したデータである。したがって、加速度情報Ｄａは、計測開始後の計測時間と加速度の対のデータである。

加速度計１０が出力した加速度情報Ｄａは、記憶装置１２に記録される。後段の周波数分析器１４は、一定時間の間の時間情報を周波数情報に変換するからである。記憶装置１２に記録される加速度情報Ｄａの時間間隔は、周波数分析器１４での分析が必要とされる精度が求められる時間間隔であればよい。

記憶装置１２に蓄積された加速度情報Ｄａは、周波数分析器１４に入力される。周波数分析器１４は、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）装置が好適に利用できる。なお、周波数分析器１４は、ＦＦＴ装置のように専用のハードで組み上げた装置であってもよいし、所謂バタフライ計算を行うＦＦＴソフトを搭載したコンピュータで実現してもよい。後述する制御器１６が周波数分析器１４を兼ねてもよい。

加速度情報Ｄａを周波数分析した情報を周波数情報Ｄｆｆｔとする。周波数情報Ｄｆｆｔには、歩調基本周波数ＳＤ１と歩調基本周波数ＳＤ１の高調波成分ＳＤＨが含まれる。高調波成分ＳＤＨとは、歩調基本周波数ＳＤ１の倍数周波数を総称する。また、例えば、２倍の周波数なら第２高調波成分ＳＤ２と表示し、３倍の周波数なら第３高調波成分ＳＤ３と表示する。

また、周波数情報Ｄｆｆｔには、歩調基本周波数ＳＤ１の分周成分ＳＤＬも含まれる。ここで分周成分ＳＤＬとは、歩調基本周波数ＳＤ１の１／ｎの周波数をいう（ｎは２以上の自然数）。歩調基本周波数ＳＤ１の１／２周波数を半周波数ＳＤ０．５とする。本発明は後述するように、歩き方に左右の足の動きの対称性がなくなると、この歩調基本周波数ＳＤ１の半周波数ＳＤ０．５（０．５倍成分と呼んでもよい。）の成分が大きくなることを見出し、それに着目した点にポイントがある。

周波数情報Ｄｆｆｔは、周波数と、その周波数の時のパワーの対で表される。グラフにすると、横軸に周波数、縦軸に周波数成分毎のパワーを表すグラフ上にポイントされるデータ対である。周波数の最大値は、少なくとも歩調基本周波数ＳＤ１が含まれる周波数まで必要である。通常人は、０．９から２秒の周期で歩行する。したがって、１０Ｈｚ程度までの周波数成分が含まれていればよい。

制御器１６は、メモリとＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）からなるコンピューターが好適に利用できる。制御器１６は、周波数分析器１４に接続される。また、制御器１６内で周波数分析まで行う場合は、記憶装置１２に接続される。

周波数情報Ｄｆｆｔに対しては、ピーク値Ｐｎとその時の周波数Ｆｎが求められる。これは周波数分析器１４が行ってもよいし、周波数情報Ｄｆｆｔを受け取った制御器１６が行ってもよい。なお、ピーク値Ｐｎは周波数情報Ｄｆｆｔの複数のピーク値を表し、周波数Ｆｎはその時の周波数を表す。ピーク値Ｐｎは周波数Ｆｎの小さいほうから順に番号をつけて表してもよい。例えば、最初のピーク値をピーク値Ｐ１、その時の周波数を周波数Ｆ１とする等である。

制御器１６は、ピーク値Ｐｎの周波数Ｆｎのうち、歩調基本周波数ＳＤ１に相当する周波数Ｆｎを選択する。そして、その時のピーク値Ｐｎを歩調基本周波数ＳＤ１のパワースペクトルＰＳＤ１とする。また、歩調基本周波数ＳＤ１の半分の周波数Ｆｎのピーク値Ｐｎを半周波数ＳＤ０．５のパワースペクトルＰＳＤ０．５とする。そして、制御器１６は、ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出し、表示器２０等に結果を表示する。

制御器１６が周波数情報Ｄｆｆｔの中から歩調基本周波数ＳＤ１を選択する方法は、歩行評価装置１自体が判断する方法と、検査者若しくは被験者が周波数情報Ｄｆｆｔを見て、指定する方法、および被験者の歩くピッチを予め決めておく（歩調基本周波数ＳＤ１は予め決められている。）場合が考えられる。本発明の歩行評価装置はどの方法をとってもよい。ここでは、被験者の歩くピッチが予め決められている場合について説明を続ける。

なお、被験者の垂直方向の加速度は、歩行の特性にあまり影響を及ぼさないと考えられるので、歩行評価装置１自体が歩調基本周波数ＳＤ１を判断する場合は、被験者の鉛直方向の加速度を用いて、歩調基本周波数を求めてもよい。

検査者が周波数情報Ｄｆｆｔを見て歩調基本周波数ＳＤ１を決める場合は、検査者は被験者の歩行速度も測定するのが望ましい。

図２には、歩行評価装置１の動作フローが示される。図２を参照する。被験者は、加速度計１０を腰側部にベルト等で固定する。加速度計１０と記憶装置１２の間は有線若しくは無線で接続される。そして、メトロノーム等のピッチ提示装置（図示せず）で、被験者に歩くピッチを指示する。被験者は、ピッチ提示装置で指示されるピッチに合わせて一定の距離Ｌ（これを測定区間ＭＬと呼ぶ。）を歩く。したがって、歩調基本周波数ＳＤ１は決められている。

また、被験者は、測定区間ＭＬより前から歩き始めるのが好ましい。歩き始めの大きな加速度が周波数分析の結果に影響を与えるからである。なお、検査者は、被験者が測定区間ＭＬを歩く時間（測定時間Ｔとする）を測定する。歩行速度を求めるためである。

歩行評価装置１がスタートすると（ステップＳ１００）、加速度計１０からの加速度情報Ｄａが、記憶装置１２に記録される（ステップＳ１０２）。記憶装置１２への記録時間ΔＴが経過したか否かが判断される（ステップＳ１０４）。ここで記録時間ΔＴは、被験者が測定区間ＭＬを歩ききるまでの時間であってもよいし、測定区間ＭＬを歩いている最中の時間であってもよい。記録時間ΔＴが経過していない場合（ステップＳ１０４のＮ分岐）は、ステップＳ１０２に戻って、記録が続けられる。

記録時間ΔＴが経過したら（ステップＳ１０４のＹ分岐）、記録した加速度情報Ｄａを周波数分析器１４に送信し、周波数分析器１４が加速度情報Ｄａを周波数情報Ｄｆｆｔに変換する（ステップＳ１０６）。

次に、周波数情報Ｄｆｆｔに対してピーク値Ｐｎとその時の周波数Ｆｎを求める（ステップＳ１０８）。これは周波数分析器１４若しくは制御器１６のいずれが行っても良い。次に制御器１６は、周波数情報Ｄｆｆｔの中から歩調基本周波数ＳＤ１のパワースペクトルＰＳＤ１と、半周波数ＳＤ０．５のパワースペクトルＰＳＤ０．５を選び出す。

この際に、予め決められている歩調基本周波数ＳＤ１とその半周波数ＳＤ０．５とぴったり同じ周波数でなくてもよい。つまり、歩調基本周波数ＳＤ１の近傍にあるピーク値Ｐｎを選択してもよい。また、ピーク値Ｐｎ周辺の大きなパワースペクトルを有する周波数成分を足し合わせてもよい。なお、このようにピーク値Ｐｎ周囲の大きなパワースペクトルのパワーを足し合わせて周波数成分とする場合は、この値に対する周波数は、選ばれたパワースペクトルに該当する周波数の平均若しくは加重平均によって決定するのが望ましい。ピーク値Ｐｎがブロードの場合に、ピーク値Ｐｎだけで評価するのは適切ではないからである。

次に制御器１６は、評価値ＥＶ１として、ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出する（ステップＳ１１０）。評価値ＥＶ１は、評価値ＥＶに積算され（ステップＳ１１２）、終了判定が行われる（ステップＳ１１４）。終了判定は、被験者が測定区間ＭＬを歩き終わったか否かで行われる。

終了していない場合（ステップＳ１１４のＮ分岐）は、再びステップＳ１０２に戻る。終了した場合（ステップＳ１１４のＹ分岐）は、評価値ＥＶを積算した回数Ｎで除して評価値ＥＶの平均値を求め、表示器２０に表示し（ステップＳ１１６）、終了する（ステップＳ１１８）。なお、評価値ＥＶは、予めゼロに初期設定されているものとし、評価値ＥＶを積算した回数Ｎは別途カウントされているものとする。

なお、記憶装置１２に加速度情報Ｄａが記録される記録時間ΔＴが、被験者が測定区間ＭＬを歩き終わるより前に設定されている場合は、ステップＳ１０４で加速度情報Ｄａが周波数分析器１４に送信された後も、連続して記憶装置１２は加速度情報Ｄａを記録し続けているようにしてもよい。加速度情報Ｄａの連続性を担保するためである。

評価値ＥＶはＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１として表された。したがって、評価値ＥＶは、歩調基本周波数ＳＤ１の成分に対する半周波数ＳＤ０．５の成分の比率である。通常左右の足の動きがほぼ対称な人は、半周波数ＳＤ０．５のパワースペクトルＰＳＤ０．５はほとんどゼロになる。

一方、左右の足の動きが対称でない場合は、この半周波数ＳＤ０．５のパワースペクトルＰＳＤ０．５が大きくなる。したがって、評価値ＥＶの値がほぼゼロである場合は、被験者の左右の足は対称に動いているということになる。一方、評価値ＥＶの値が大きくなると被験者の左右の足は、動きが対称ではないことを意味する。

また、歩く速度を変化させたときに、早く歩いても、遅く歩いても評価値ＥＶの値が変化なければ、被験者の歩き方は非常に安定しているといえる。また、足腰に衰えがある場合も考えられる。このように、歩調基本周波数ＳＤ１と半周波数ＳＤ０．５の成分の比である評価値ＥＶを測定することで、被験者の歩き方の評価を行うことができる。また、歩き方の評価を行うための指針となるデータを収集するといってもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で求めた加速度情報Ｄａをさらに加工して歩行状態を評価する方法を説明する。本実施の形態に係る歩行評価装置２は、実施の形態１の場合と同様である。従って、図１の構成と同じである。

歩行評価装置２は、被験者に左右の腰側部にそれぞれ１つずつの加速度計１０を取付ける。そして、それぞれの加速度計１０からの加速度情報Ｄａを実施の形態１同様に周波数分析し、周波数情報Ｄｆｆｔを得る。

そして、周波数情報Ｄｆｆｔのうち、半周波数ＳＤ０．５に相当する周波数帯域の信号以外の成分をゼロにする。すなわち、周波数情報Ｄｆｆｔに対してバンドパスフィルタを通過させたと同じ処理を行う。このような処理をバンドパスフィルタ処理とよび、バンドパスフィルタ処理された周波数情報Ｄｆｆｔを帯域処理周波数情報ＢＰＤｆｆｔと呼ぶ。

次にこの帯域処理周波数情報ＢＰＤｆｆｔをフーリエ逆変換し、時間軸情報にもどす。これは加速度情報Ｄａに対してバンドパスフィルタを通過させたと同じ状態の信号を観察することになる。このように再生された加速度情報Ｄａを帯域処理加速度情報ＢＰＤａとする。

左右の腰側部に取り付けた加速度計１０からの加速度情報Ｄａを帯域処理加速度情報ＢＰＤａにし、それらの位相を調べる。後述する実施例で示すように、歩行の状態によって、これら左右の帯域処理加速度情報ＢＰＤａは、位相の関係が異なる。

図３にこの様子を示す。図３は横軸は時間であり、縦軸は加速度の大きさである。図３（ａ）は、加速度情報Ｄａであり、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、半周波数ＳＤ０．５に相当する帯域の成分（すなわちＢＰＤａである。）だけを取り出したものである。点線と実線は左右の加速度計１０の違いである。図３に示すように、歩き方によって、左右の加速度情報Ｄａの位相が異なる。

したがって、左右の腰側部に設けた加速度計１０から得られた加速度情報Ｄａの半周波数ＳＤ０．５を含む帯域のバンドパスフィルタを通過させた帯域処理加速度情報ＢＰＤａの位相状態を比較することでも、歩行状態を定量的に調べることができる。また、歩行状態の評価を行うための指針となるデータを収集するといってもよい。

なお、上記の説明では、帯域処理加速度情報ＢＰＤａは、加速度情報Ｄａをフーリエ変換（周波数分析）し、所定の帯域以外の周波数成分をゼロにし、再度逆フーリエ変換することで求めた。しかし、加速度情報Ｄａを直接バンドパスフィルタに通過させて得るようにしてもよい。

また、左右の加速度情報Ｄａに対する帯域処理加速度情報ＢＰＤａの位相の比較は、時刻歴波形を視認して確認するだけでなく、リサージュ図形の真円度（長軸と短軸との比）によって、定量化してもよい。もちろん、時刻歴波形から位相差を算出してもよい。具体的には、図３（ｂ）若しくは図３（ｃ）において、点線および実線のゼロクロス点を求め、それらの位相差を順次求めて、それらの平均を算出するといった方法が考えられる。

なお、ここでは、加速度情報Ｄａをデータ処理することで、バンドパスフィルタ処理を行ったが、図１において、実際に加速度計１０の後段にバンドパスフィルタを送入して測定してもよい。すなわち、本明細書においては、実際にバンドパスフィルタを用いても、制御器１６が歩調基本周波数ＳＤ１の１／２の半周波数ＳＤ０．５を含む帯域を抜き出したと言ってよい。

（実施例１）
被験者となる成年男子の腰側部に小型加速度計をベルトでとりつけ、測定区間２０ｍを歩行させた。加速度計は、鉛直方向と前後方向のものを左右にそれぞれつけた。したがって、加速度計は全部で４台用い、左右の腰側部に鉛直方向用と前後方向用の２つずつの加速度計が取り付けられた。

歩行は、通常歩行と模擬歩行の２種類について行った。ここで模擬歩行とは、左右の足の一方の膝を曲げずに、他方の足を主体とする歩き方である。ここでは、左膝をあまり曲げず、右足主体で歩いた。これは外見的には、左足を引きずる歩き方となる。

図４には、模擬歩行の足跡を示す。模擬歩行は左右どちらかの足を主体とする歩き方であるが、左足が右足の横にきて、両足が揃うように歩行する場合（模擬歩行パターン１：図４（ａ））と左足が右足よりさらに前方に送り出され、両足が揃わないように歩行する場合（模擬歩行パターン２：図４（ｂ））の２種類を設定した。

模擬歩行パターン１は、やや重度の片麻痺歩行を模したものであり、模擬歩行パターン２は、軽微な片麻痺歩行で通常歩行に比較的近い歩き方を模したものである。

図５に通常歩行した場合の、加速度計の出力を周波数分析した結果を示す。加速度計は右側の腰につけたものの、前後方向の加速度を示す。なお、図５では２Ｈｚ以上の周波数成分をゼロとした。これを２ＨｚＬＰＦ処理と呼ぶ。また図６には、図５の周波数分析の結果をフーリエ逆変換し、時間軸信号に直した波形を示す。

図５を参照して、縦軸にはパワースペクトル（（ｍ／ｓ^２）^２・ｓ）を表し、横軸は周波数（Ｈｚ）である。図５より、通常歩行をした場合は、この時の被験者の歩調基本周波数ＳＤ１である１．７０９Ｈｚがほぼすべての周波数成分を占めていた。半周波数ＳＤ０．５はこの場合０．８３０Ｈｚであるが、ＰＳＤ０．５は非常に小さかった。

なお、周波数分析を行った場合、ピーク値に隣接する周波数成分も比較的大きなパワーを有する。したがって、ピーク値の周囲のパワースペクトルのうち、パワーの大きな値を４つ加え合わせたものをピーク値Ｐｎとした。また、これらの４つの周波数の平均をピーク値に対する周波数Ｆｎとした。これは歩調基本周波数ＳＤ１についても、半周波数ＳＤ０．５についても同様の処理を行った。したがって、歩調基本周波数ＳＤ１と半周波数ＳＤ０．５は、正確に倍半分の関係にはなっていないが、概ね倍半分の関係になっている。

図６にこの処理についてより具体的に示す。図６では、横軸は周波数（Ｈｚ）であり、縦軸はパワースペクトル（（ｍ／ｓ^２）^２・ｓ）である。これはＦＦＴを行った結果例とする。今周波数Ｆｐ２のときのＰＰＳ２の点がピーク値（２階微分がゼロ）の点である。しかし、この周辺の周波数Ｆｐ１、Ｆｐ３、Ｆｐ４についてもピーク値に含め評価する。

したがって、ピーク値ＰＰＳ２に対応するピーク値ＰｎはＰＰＳ１＋ＰＰＳ２＋ＰＰＳ３＋ＰＰＳ４である。一方、この時の周波数Ｆｎは、（Ｆｐ１＋Ｆｐ２＋Ｆｐ３＋Ｆｐ４）／４として求めても良いが、ピーク値ＰＰＳ２に対応するＦｐ２を代用しても良い。周波数情報Ｄｆｆｔは、ピーク値Ｐｎとその時の周波数Ｆｎをこのようにして求めてもよい。

図７は、横軸が時間（ｓｅｃ）で縦軸が加速度（ｍ／ｓ^２）である。図５の２ＨｚＬＰＦ処理をした後に逆フーリエ変換を行った結果である。加速度ゼロのラインを中心にプラス方向およびマイナス方向がバランスよく並ぶ波形状であり、歩行方向前後の加速度が対称になっていることが読み取れる。

図８および図９に、両足の揃う右足主体歩行（模擬歩行パターン１）を行った場合の周波数分析および時間軸の波形の結果を示す。図８および図９とも、縦軸および横軸は図５および図７の場合と同じである。

図８を参照して、模擬歩行パターン１を行った場合は、歩調基本周波数ＳＤ１（１．４８９３Ｈｚ）の成分ＰＳＤ１に対して、半周波数ＳＤ０．５（０．７５６８Ｈｚ）の成分ＰＳＤ０．５が大きく観測された。また、図９を参照すると、ＰＳＤ０．５が卓越しているものの、ＰＳＤ１も少し混在した波形パターンとなっているのがわかる。

図１０および図１１には、模擬歩行パターン２を行った場合の周波数分析および時間軸の波形の結果を示す。図１０および図１１とも、縦軸および横軸は図５および図７の場合と同じである。

図１０及び図１１の結果より、ＰＳＤ０．５（半周波数成分）とＰＳＤ１（歩調基本周波数成分）は、概ね同じ程度の大きさである。時間軸の波形（図１１）を見ると、歩調基本周波数ＳＤ１と半周波数ＳＤ０．５がおおむね同じだけ混在しているので、２つの山がある乱れた波形パターンとなっていることがわかる。

片足が何らかの原因で麻痺して自由に動かせない場合、遊脚期に下肢を外側に円弧を描くように振り回して歩く「ぶん回し歩行」を行う場合がある。そこでぶん回し歩行の場合も同様の実験を行ってみた。これを模擬歩行パターン３とする。なお、ぶん回し歩行とは足跡のパターンからは模擬歩行パターン２と同じである。その結果、ぶん回し歩行においても、半周波数ＳＤ０．５の成分ＰＳＤ０．５は卓越することがわかった。

図１２と図１３に、模擬歩行パターン２と模擬歩行パターン３の加速度計の出力から０．５−０．８Ｈｚ帯だけの周波数成分（０．５倍成分のみ）を取り出した波形を示す。この波形は、帯域処理加速度情報ＢＰＤａである（図３参照）。これは、加速度計の出力をフーリエ変換し、その０．５−０．８Ｈｚ帯域以外の成分をゼロとし、逆フーリエ変換して求めたものである。共に、左右の腰の加速度計からの出力について０．５−０．８Ｈｚ帯域の信号を示している。

図１２を参照して、模擬歩行パターン２（引きずり歩行）の場合は、左右の腰部の波形は同位相になっている。つまり、波形の山はそれぞれ同じ時間に生じている。一方、図１３を参照して、模擬歩行パターン３（ぶん回し）の場合は、左右の腰部の波形は逆位相になっている。つまり、位相が１８０度ずれるので、正負の山のピークのがほぼ同じ時間に発生している。

このように、腰側部における歩行方向の歩調基本周波数ＳＤ１の半分の周波数にあたる半周波数ＳＤ０．５のパワースペクトルＰＳＤ０．５（あるいは歩調以下の成分を取り出した加速度波形）が片麻痺歩行を初めとする歩行障害の定量的な評価指針になり得ることがわかった。

（実施例２）
次に被験者の数を増やした結果を示す。上記の被験者を含め全部で１３人に模擬歩行パターン１および模擬歩行パターン２について同様の歩行評価を行った。

やや重度の片麻痺歩行を想定した模擬歩行パターン１（両足が揃う歩行）について、右足主体歩行（左足引きずり歩行）の右腰部前後方向と左足主体歩行（右足引きずり歩行）の左腰部前後方向におけるパワースペクトルから、０．５倍成分と１倍成分（歩調成分）のパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出した。歩行速度に対する結果をそれぞれ図１４と図１５に示す。

図１４および図１５は、横軸は歩行速度（ｍ／ｓ）を表し、縦軸はＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を示す。歩行速度（ｍ／ｓ）は、測定区間ＭＬを歩ききる測定時間Ｔをストップウォッチで計測することで算出した。

これらの図より、健常者の通常歩行（図中の白丸印や白三角印の白塗り記号）では、パワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１は最大でも０．２程度以下であり、非常に小さいことがわかる。これに対して、個人差は大きいものの、歩行パターン１の右足主体歩行（図中の黒丸印黒塗り記号）ではパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１はおおよそ１〜６の範囲（図１４）に、左足主体歩行（図中の黒三角印黒塗り記号）ではパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１はおおよそ１〜９の範囲（図１５）に、分布していることがわかる。

また、模擬歩行パターン２（軽微な片麻痺歩行で通常歩行に比較的近い歩き方）について、同様に０．５倍成分と１倍成分（歩調成分）のパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出した。歩行速度に対する結果をそれぞれ図１６と図１７に示す。

これらの図より、歩行パターン２の右足主体歩行（図中の黒丸印黒塗り記号）ではパワースペクトル比はおおよそ０．２〜１．６程度の範囲（図１６）に、左足主体歩行（図中の黒三角印黒塗り記号）ではパワースペクトル比ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１はおおよそ０．２〜１．３程度の範囲（図１７）にあり、歩行パターン１と比較してパワースペクトル比は低下するが、それでも健常者の通常歩行（図中の白丸印や白三角印の白塗り記号）と比較して、明らかに大きなパワースペクトル比を呈していることがわかる。

以上のように、実施例１の場合の解析結果に加え、１３人の片麻痺模擬歩行した実験結果からも、歩調の０．５倍成分に着目すれば歩行障害者の歩行特性を定量的に評価できると言える。

（実施例３）
実施例１と同様に被験者の腰側部に小型加速度計をベルトでとりつけ、測定区間２０ｍを歩行させた。加速度計は、鉛直方向と前後方向のものを左右にそれぞれつけた。したがって、加速度計は全部で４台用い、左右の腰側部に鉛直方向用と前後方向用の２つずつの加速度計が取り付けられた。

本実施例では、実際に片足に麻痺のある者を被験者（Ａ、Ｂ、Ｃ）から取得したデータも示す。図１８、１９、２０には３名の片麻痺のある被験者の加速度計の出力から０．５倍成分のみを取り出した波形を示す。

図１８に被験者Ａの結果を示す。被験者Ａは右足に麻痺があり、右足を突っ張って歩く。この被験者の場合０．５倍成分は、０．５３−０．７３Ｈｚ帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、約９０°であった。

図１９に被験者Ｂの結果を示す。被験者Ｂは右足に麻痺があり、右足を突っ張って歩く。この被験者の場合０．５倍成分は、０．５１−０．７１Ｈｚ帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、ほぼ０°であった。

図２０に被験者Ｃの結果を示す。被験者Ｃは左足に麻痺がある。この被験者の場合０．５倍成分は、０．６８−０．９８Ｈｚ帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、約９０°であった。

図２１には、健常者の被験者の場合の結果を示す。この被験者の場合０．５倍成分は、０．８０−１．２０Ｈｚ帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、約１８０°であった。なお、図２１で示したケースだけでなく、健常者の歩行では左右の腰の加速度の位相差はほぼ１８０°であった。

図２２には、健常者の被験者が左足をぶん回しした場合の結果を示す。この被験者の場合０．５倍成分は、０．５８−０．７８Ｈｚ帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、約３０°であった。

以上の結果より以下のことが結論できる。実際に片麻痺の被験者の左右の腰の加速度の０．５倍成分の位相差は、０から９０°であった。これは図１２で示した健常者が模擬歩行パターン２（片足を引きずる）で歩いた場合の結果と一致した。

一方、図１３で示した健常者が模擬歩行パターン３（片足ぶん回し）で歩いた場合と、図２２の同じく健常者が片足ぶん回しで歩いた場合は、左右の腰の加速度の０．５倍成分の位相差が１８０°と３０°で大きく異なっていた。

しかし、健常者の通常の歩行では左右の腰の加速度の０．５倍成分の位相差は１８０°であることから、健常者が片麻痺のぶん回しを模倣した場合、模倣しきれない場合があるといえる。

したがって、左右の腰の前進方向の加速度の０．５倍成分の位相差が１８０°である場合は、健常者と判定し、麻痺がある場合は０°〜９０°になる。より積極的にいうと、左右の腰の前進方向の加速度の０．５倍成分の位相差が１８０°からずれると、歩き方に何らかの支障があると判断できる。

本発明に係る歩行評価装置は、歩行障害の定量的な評価に利用できるだけでなく、モデル職を目指す人や、接客業等の研修で歩き方を評価する場合にも好適に利用することができる。

１、２ 歩行評価装置
１０ 加速度計
１２ 記憶装置
１４ 周波数分析器
１６ 制御器
２０ 表示器
Ｄａ 加速度情報
ＢＰＤａ 帯域処理加速度情報
Ｄｆｆｔ 周波数情報
ＢＰＤｆｆｔ 帯域処理周波数情報
ＳＤ１ 歩調基本周波数
ＳＤ０．５ 半周波数
Ｐｎ ピーク値
Ｆｎ 周波数
ＰＳＤ１ 歩調基本周波数ＳＤ１のパワースペクトル
ＰＳＤ０．５ 半周波数ＳＤ０．５のパワースペクトル
ＭＬ 測定区間
Ｔ 測定時間
ΔＴ 記録時間
ＥＶ 評価値

Claims (5)

1. 被験者の腰側部に取り付け、前記被験者の進行方向への加速度を計測する加速度計と、
   前記加速度計の出力を周波数分析する周波数分析器と、
   前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をＰＳＤ１として読み出し、前記歩調基本周波数の１／２の周波数成分をＰＳＤ０．５として読み出し、ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出する制御器を有することを特徴とする歩行評価装置。
2. 前記加速度計の出力を一次記憶する記憶装置をさらに有することを特徴とする請求項１に記載された歩行評価装置。
3. 前記加速度計は前記被験者の両腰側部にそれぞれ取り付けられ、
   前記制御器は、
   前記両加速度計の出力に対して前記１／２の周波数を含む帯域だけを取り出し、それぞれの信号の位相差を求めることを特徴とする請求項１に記載された歩行評価装置。
4. 被験者の腰側部の位置で、前記被験者の進行方向への加速度を計測する工程と、
   前記加速度計の出力を周波数分析する工程と、
   前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をＰＳＤ１として読み出し、前記歩調基本周波数の１／２の周波数成分をＰＳＤ０．５として読み出し、ＰＳＤ０．５／ＰＳＤ１を算出する工程を有することを特徴とする歩行を評価するための指針となるデータの収集方法。
5. 被験者の両腰側部の位置で、前被験者の進行方向への加速度を計測する工程と、
   前記加速度を計測する工程は、前記被験者の両腰側部の加速度を計測し、
   前記加速度に前記被験者の歩調基本周波数の１／２の周波数を含むバンドパスフィルタ処理を行う工程と、
   前記両腰側部の加速度の前記バンドパスフィルタ処理された信号の位相差を求める工程を有することを特徴とする歩行を評価するための指針となるデータの収集方法。