JP2024507172A - 感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのためのシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、一般的に、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのためのシステム（１００）であって、ユーザが訓練環境（１０４）におけるタスクの実行を制御できるようにするための入力システム（１０２）と、実行したタスクに関連している訓練環境からの出力に基づいてユーザに体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位と接触して設置可能な少なくとも１つのアクチュエータ（１０６）または電極（１０６）とを含むシステム（１００）に関する。【選択図】図６

Description

本発明は、一般的に、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのためのシステム、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのための訓練環境を制御するように構成される制御部、対応するコンピュータプログラム製品、ならびに、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのための方法に関する。

動いたり感知したりできないこと（感覚運動障害）によって、身体の障害のある部分における痛みを経験することになり得る。そのような障害は、切断、神経損傷、または脳卒中によって引き起こされる可能性がある。結果として生じる痛みは、本質的に神経障害であり、また、病因によって幻肢痛（ＰＬＰ）または脳卒中後疼痛として知られている。

さまざまな治療によりＰＬＰを治すことが提案されている。１つの例には、その症状を治すのではなく管理するための薬理的治療があり、これはかなりの副作用をもたらすことが多い。

別の例には、標的化筋肉再神経分布（ＴＭＲ）などの外科的処置法がある。しかしながら、ＴＭＲなどの外科的手法で治療された患者は依然、ＰＬＰを報告している（Ｔ．Ｋｕｉｋｅｎら、Ｔａｒｇｅｔｅｄ Ｍｕｓｃｌｅ Ｒｅｉｎｎｅｒｖａｔｉｏｎ、ｖｏｌ．２０１３１７３２．Ｔａｙｌｏｒ ＆ａｍｐ； Ｆｒａｎｃｉｓ、２０１３年）。さらに、外科的処置は合併症を引き起こす場合があり、患者にとって不都合であり得る。

動力義肢の使用はＰＬＰのより低い発生率と相関関係があることが見出されている（Ｍ．Ｌｏｔｚｅら、Ｎａｔ． Ｎｅｕｒｏｓｃｉ．、ｖｏｌ．２、ｎｏ．６、ｐｐ．５０１～２、１９９９年６月）が、大部分の患者が依然ＰＬＰを報告しており、その中には、ＰＬＰにより義肢を着用することさえできない患者もいる。

鏡療法は、ＰＬＰ、および複合性局所疼痛症候群（ＣＰＲＳ）などの同様の神経障害性疼痛の一般的な治療である。この治療では、１つの肢を失った患者は、対側のまだ健常な肢を鏡の前に置く。これは、欠けている肢がまだそこにあるという錯視をもたらす。患者はその後、欠けている肢を動かすと反応する動きを行うように求められる。鏡療法の成功率はさまざまであり、さらに、鏡療法は対側肢切断者には不可能である。

それ故に、感覚運動障害によって引き起こされる症状を治療するためのシステムおよび方法に関しては改善の余地がある。

先行技術の上述された欠点および他の欠点を考慮して、本発明の目的は、先行技術の欠点を少なくとも部分的に軽減する感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのための改善されたシステムを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのためのシステムが提供される、

システムは、ユーザが訓練環境におけるタスクの実行を制御できるようにするための入力システムと、実行したタスクに関連している訓練環境からの出力に基づいてユーザに体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位と接触して設置可能な少なくとも１つのアクチュエータまたは電極とを含む。

このユーザの身体部位は、患部に隣接している場合があるか、または肢切断者の場合、欠けている身体部位の場所に隣接している場合がある。さらに、身体部位は患部自体であり得るため、例えば、神経損傷または脳卒中の場合に、体性感覚刺激が患部に与えられ得る。よって、体性感覚刺激は、患部または、患部に直接関連しているか現在欠けている身体部位の以前の場所に関連している身体部位に与えられることを目的としている。

一般的に、身体部位とは、本明細書において、脳を除く任意の身体部位のことである。換言すれば、本明細書に開示される実施形態は、脳コンピュータインターフェースに関連していない。

患部は、感覚運動障害によって何らかの形で影響される身体部位を含むように広く解釈されるべきである。例えば、患部は、例えば神経損傷または脳卒中によって影響を受けている場合があり、例えば麻痺している場合がある。

ユーザによって実行されるタスクは、運動タスク、感覚タスク、および／または感覚運動タスクのうちの１つまたは複数であってよい。例えば、訓練タスクは、運動タスク、感覚タスク、および感覚運動タスクの組み合わせてあってよい。訓練タスクはまた、運動タスク、感覚タスク、および感覚運動タスクのうちの１つであってよい。

本発明は、ユーザによって実行されたタスクの結果に応えて、ユーザの患部に関連している身体部位にまたは患部に直接、体性感覚刺激を提供することによって、感覚運動障害によって引き起こされた症状を治療する効果的な方法が提供されるという認識に少なくとも部分的に基づいている。本発明者は、患側の感覚運動神経回路に意図的に関与することによって、これが痛みの処理から解放されることになるため、疼痛緩和をもたらすことを認識した。

本発明は、より使いやすい上に持ち運び可能なデバイスが、ユーザの身体部位の皮膚に設置可能なアクチュエータおよび／または電極によって与えられる体性感覚刺激に頼る本システムによって得られるという認識にさらに基づいている。そのような持ち運び可能なデバイスは、例えば、ユーザの身体に、例えば、ストラップ、スリーブもしくはベルト、または両面粘着片などの接着テープによって取り付けることによって着用可能であり得る。

さらに、このシステムは、例えば、経頭蓋磁気刺激（ＴＭＳ）、外科的処置、および不利な副作用があることも多い薬理的治療と比較してユーザにとってより利用しやすい。

訓練環境は、入力システムを使用することによってユーザによりタスクが実行される「空間」または「インフラストラクチャ」または「フレームワーク」または「エコシステム」である。よって、入力システムを使用して、ユーザは訓練環境の１つまたは複数の要素に影響を与え、それによって、訓練環境からの出力が提供される。この出力は、少なくとも１つのアクチュエータまたは電極によってユーザの身体部位に与えられる体性感覚刺激に変換される。訓練環境は、ビデオゲームを含む仮想環境であってよいが、入力システムを使用することによってユーザにより制御される機械要素またはロボット要素などを含む実際の環境であってもよい。

訓練環境からの出力は、タスクを実行するための訓練環境にユーザによって提供される入力に直接または間接的に関連している場合がある。例として、出力は、例えば、バイオフィードバックを使用する場合、入力に直接関連している場合がある。さらなる例として、ユーザの入力によって生じた訓練環境での結果を反映する出力の場合、出力は入力に間接的に関連している場合がある。どちらの場合も、訓練環境からの出力は、タスクを実行する時にユーザによって提供される入力に基づいて判断される。少なくとも１つのアクチュエータによって提供される触知出力は、ディスプレイの画素の触知表示と類似した訓練環境の触知表示を形成し得る。

他の実施形態では、出力は、訓練環境の音、例えば、音楽または特殊効果に関連している場合がある。例として、出力は、出力が音の強度に関連している訓練環境の映像からの音に関連している場合があり、または、出力は、音楽のビートに関連している場合がある。この環境では、システムは、音を録音し、かつその音を適切な出力に処理するためにマイクロホンを含んでよい。持ち運び可能なデバイスの形態での本発明の実施形態の可能な実装形態では、ユーザは、少なくとも１つのアクチュエータまたは電極を着用しながらテレビを見て、テレビの音に関連している体性感覚フィードバックを受信し得る。

入力システムは、例えば、キーボード、またはマウス、または、訓練環境の要素を制御するためにユーザが使用できる他のデバイスのうちの１つまたは複数を含み得る。一般的に、入力システムは、訓練環境の少なくとも１つの要素をユーザが完全に制御できるようにすることで、ユーザが訓練環境におけるタスクを実行できるように適応される。換言すれば、入力システムは、訓練環境における運動制御をユーザに提供する。

ユーザは、本明細書において、システムまたは方法を使用する患者とみなされ得る。患者は、感覚運動障害のリハビリテーションが必要である場合がある。

好ましい実施形態では、入力システムは、訓練環境におけるタスクを実行するために患部または欠けている身体部位の意図された運動を示すユーザの身体部位からのシグナルを収集するための一組のセンサと、シグナルを復号して意図された運動を推量するために運動意志デコーダを動作させ、かつ復号されたシグナルに基づいて訓練環境の少なくとも１つの要素を制御するように構成される処理回路とを含み得る。上に論じられるように、身体部位は脳であることは意図されていない。よって、センサは、ユーザの頭蓋骨の表面からシグナルを収集することによって、神経活動を示す脳からのシグナルを直接収集することを目的としていない。センサは好ましくは、患部に隣接しているかまたは肢切断者の場合は欠けている身体部位の場所に隣接している身体部位から、または患部自体からシグナルを収集するように構成される。

よって、一組のセンサは、患部に隣接しているかまたは患部自体であるかまたは欠けている身体部位に隣接しているユーザの身体部位から、訓練環境におけるタスクを実行するために患部または欠けている身体部位の意図された運動を示すシグナルを収集し得る。

運動神経回路は、ユーザが、複雑な動き、すなわち、ユーザの生体電気シグナルが供給された神経筋モデルまたは機械学習アルゴリズムによって復号される、患部、例えば肢の２つ以上の関節における同時運動を実行できるようにすることによって最大限に関与し得る。そのような生体電気シグナルは、例えば、ユーザの頭蓋骨上にまたは頭蓋骨の近くに配置された電極などの検出器を介して脳から直接ではなく、脊髄または末梢神経からの筋電気シグナルまたは神経電気シグナルであってよい。

運動制御は、運動意志デコーダによって、独立して、または、キーボード、マウス、タッチスクリーン、およびジョイスティックのうちの１つまたは複数などの従来のヒューマンマシンインターフェースと併せて実現され得る。

よって、いくつかの実施形態では、運動意志デコーダは、シグナルを復号し、かつ機械学習モデルなどのモデルに従ってユーザによる意図された運動を推量するように構成され得る。該モデルは前の学習データを使用して訓練され得る。

機械学習モデルは、人工神経網、サポートベクタマシン、またはｋ個の最近傍のみならず、ガウス混合モデルまたは線形判別分析などの他の確率的アルゴリズムであり得るがこれらに限らない。教師付き機械学習アルゴリズムおよび教師なし機械学習アルゴリズムは両方共、本発明の実施形態には考えられる。

センサは、電気シグナルを記録するためにユーザの皮膚に配置可能な電極であってよい。

他の実施形態では、センサは、電気シグナルを記録するためにユーザの身体に埋め込み可能である電極であってよい。このように、訓練要素のユーザ制御は脳コンピュータインターフェースを介して提供されてよい。

いくつかの実施形態では、システムは、有利には、体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位上に設置可能なアクチュエータおよび／または電極のアレイを含み得る。感覚神経回路は、例えば、振動、圧力、一撃、緊張、および接触などの強い体性感覚刺激を提供することによって最大限に関与している。これは、有利には、高精細度の触知マトリックスを提供するためにアクチュエータおよび／または電極のアレイを使用して達成される。

アクチュエータのさらなるタイプは、圧力バンドおよび／またはスライド式バンド、ならびに腱振動部を含む。これによって、運動タスクおよび感覚タスクは、意識的に運動的および感覚的に取り組むように設計されたエクササイズにおいて調整され得、これによって、より良い疼痛緩和がもたらされ、意識的な感覚運動の取り組みにより、改善された運動制御および感覚認知などのさらなる機能的利得がもたらされる。

いくつかの実施形態では、アクチュエータおよび／または電極のアレイは、触覚ディスプレイに含まれる。

アクチュエータのアレイは、有利には、訓練環境の触知表示をユーザに提供し得る。

体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位と接触して設置可能な少なくとも１つのアクチュエータまたは電極は、身体部位の皮膚の表面上など、ユーザの身体上に配置可能であってよい。

実施形態では、体性感覚刺激を提供するための少なくとも１つの電極は、ユーザの身体部位に埋め込み可能な電極を含み得る。

いくつかの実施形態では、システムは、復号されたシグナルの結果に基づいてユーザの身体に運動感覚フィードバックを提供するように構成される運動感覚フィードバックデバイスを含み得る。運動感覚フィードバックを生じさせるためのさまざまなオプションがある。１つのオプションは、連結した筋肉が動くという錯覚を生じさせるように腱を振動させることである。さらなる運動感覚フィードバックデバイスは固有受容線維を活性化するための電気刺激用の電極を含む。別のオプションは、運動感覚情報を提供するために皮膚に緊張を施すことである。一般的に、これによって一層強くなった体性感覚刺激を提供することが可能になり、結果として、より良い疼痛緩和および感覚認知がもたらされる。

システムによって提供されるリハビリテーション性能をさらに改善するための出力として訓練環境からさらなるフィードバックを提供するためのさまざまなやり方がある。

例えば、１つの実施形態では、システムは、訓練環境からの視覚フィードバックを提供するためのディスプレイを含み得る。視覚フィードバックは訓練環境の視覚表示であり得る。よって、視覚フィードバックにおいて、ユーザは、要素および物体ならびにそれらの動き、またはユーザによって提供される入力によって引き起こされる他の結果を見ることができる。

１つの実施形態では、システムは、訓練環境からのさらなる出力に基づいて聴覚フィードバックをユーザに提供するためのオーディオデバイスを含んでよい。聴覚フィードバックは、訓練環境における一部の作用を高めるためのものであり得る。例えば、ユーザ入力は、訓練環境において、例えば、オーディオシグナルとしてユーザにフィードバックされる結果を生じさせ得る。

１つの実施形態では、システムは、訓練環境からのさらなる出力に基づいて熱的フィードバックをユーザに提供するための熱機器を含み得る。よって、訓練環境における一部の結果または作用をさらに高めるために、熱的フィードバックが提供され得る。

１つの実施形態では、システムは、ユーザの身体部位の運動を安定させるために配置可能である外骨格安定化部を含み得る。

外骨格安定化部は、タスクを実行する時にユーザが身体部位を動かすのを支援するために電力供給され得る。このように、何か他の運動感覚フィードバックデバイスによって提供される動きの錯覚の代わりに、アクティブに動かされる関節によってさらなる運動感覚フィードバックが提供され得る。外骨格安定化部はさらに、ユーザの筋肉が十分な神経駆動を受けずに、例えば、脳卒中および骨髄損傷のような場合に関節を動かす時の支援をもたらす。

１つの実施形態では、システムは、ユーザの脳を、興奮させる、抑制する、および／または刺激するように構成される脳調整および／または脳刺激デバイスを含んでよい。脳調整および／または刺激デバイスは、ユーザが訓練環境におけるタスクを実行している間に、および／またはシステムが体性感覚刺激をユーザに与えている間に、調整作用または刺激作用を提供するように構成されてよい。脳調整および／または刺激デバイスは、ユーザが訓練環境におけるタスクを終了すると、および／または、システムが関連の体性感覚刺激をユーザに提供することを完了しているうちに、調整作用または刺激作用を提供するように構成されてよい。脳調整および／または脳刺激を与え得る例示のデバイスには、経頭蓋直流電気刺激（ｔＤＣＳ）、経頭蓋交流電気刺激（ｔＡＣＳ）、経頭蓋ランダムノイズ刺激（ｔＲＮＳ）、経頭蓋パルス電流刺激（ｔＰＣＳ）などの経頭蓋電気刺激（ＴＥＳ）を提供できるデバイスが含まれる。脳調整および／または脳刺激を提供し得るさらなる例示のデバイスには、経頭蓋磁気刺激（ＴＭＳ）デバイスがある。

本発明の第２の態様によれば、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのための訓練環境を制御するように構成される制御部が提供される。この制御部は、ユーザが訓練環境におけるタスクを実行することに関連しているユーザ入力を受信することであって、ユーザ入力はユーザがタスクの実行を制御できるように構成される入力システムから受信可能である、ユーザ入力を受信することと、ユーザ入力に基づいて訓練環境におけるタスクに影響を提供するように少なくとも１つの要素を制御することと、実行されたタスクによってもたらされた訓練環境の変数を処理して、体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体上／身体内に設置可能な少なくとも１つのアクチュエータまたは電極への出力にすることとを行うように構成される。

プロセス変数の例には、場所または動き、例えば、訓練環境における物体の方向および速度、物体の密度または領域、物体のパターンまたは形状がある。変数は、訓練環境の現在の状態を表すものである。

そのようなプロセス変数は、座標系における訓練環境の要素を追跡するように構成される制御部によって計算され得る。

実施形態では、制御部は、一組のセンサによってユーザの身体部位から収集されたシグナルを受信することであって、シグナルは、訓練環境におけるタスクを実行するために患部または欠けている身体部位の意図された運動を示している、シグナルを受信することと、シグナルを復号することによって意図された運動を推量することと、復号されたシグナルに基づいて訓練環境におけるタスクに影響を提供するように少なくとも１つの要素を制御することとを行うように構成されてよい。

本発明の第２の態様のさらなる効果および特徴は、本発明の第１の態様に関連して上述されたものとほぼ同じである。

本発明の第３の態様によれば、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよびペインリハビリテーションのための訓練環境を制御するためのコンピュータプログラム手段が記憶されたコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品が提供される。該コンピュータプログラム製品は、訓練環境におけるタスクを実行することに関連しているユーザ入力を処理するためのコードであって、ユーザ入力はユーザがタスクの実行を制御できるように構成される入力システムから受信可能である、ユーザ入力を処理するためのコードと、ユーザ入力に基づいて訓練環境におけるタスクに影響を提供するように少なくとも１つの要素を制御するためのコードと、実行されたタスクによってもたらされたトレーニング環境の変数を処理して、体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体上／身体内に設置可能な少なくとも１つのアクチュエータまたは電極への出力にするためのコードとを含む。

実施形態では、コンピュータプログラム製品は、一組のセンサによってユーザの身体部位から収集されたシグナルを復号するためのコードであって、シグナルは訓練環境におけるタスクを実行するために患部または欠けている身体部位の意図された運動を示している、シグナルを復号するためのコードと、復号されたシグナルに基づいて訓練環境の少なくとも１つの要素を制御するためのコードと、実行されたタスクによって影響を受けた訓練環境の変数を処理して、体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位上／身体部位内に設置可能な少なくとも１つのアクチュエータまたは電極への出力にするためのコードと、を含んでよい。

本発明の第３の態様のさらなる効果および特徴は、本発明の第１の態様および第２の態様に関連して上述されたものとほぼ同じである。

本発明の第４の態様によれば、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよびペインリハビリテーションのための方法であって、訓練環境におけるタスクを実行することに関連しているユーザ入力を、ユーザが訓練環境におけるタスクの実行を制御できるように構成される入力システムから受信することと、ユーザ入力に基づいて訓練環境の少なくとも１つの要素を変換することと、少なくとも１つのアクチュエータまたは電極を使用してユーザの身体部位に体性感覚刺激を提供することであって、体性感覚刺激は、実行されたタスクに関連している訓練環境からの出力に基づいている、体性感覚刺激を提供することとを含む方法が提供される。

実施形態では、方法は、訓練環境におけるタスクを実行するために患部または欠けている身体部位の意図された運動を示すユーザの身体部位からのシグナルを収集することと、シグナルを復号して意図された運動を推量することと、復号されたシグナルに基づいて訓練環境の少なくとも１つの要素を変換することと、少なくとも１つのアクチュエータまたは電極を使用してユーザの身体部位に体性感覚刺激を提供することとであって、体性感覚刺激は、実行されたタスクに関連している訓練環境からの出力に基づいている、体性感覚刺激を提供することとを含んでよい。

実施形態では、方法は、前に実行されたタスクの結果に応じて次第に困難になっていくタスクをユーザに提供することを含んでよい。

実施形態では、方法は、ユーザが訓練環境におけるタスクを実行している間に、および／またはシステムがユーザに体性感覚刺激を与えている間に、ユーザに脳調整および／または脳刺激を提供することを含んでよい。有利には、脳刺激は、システムによって提供されるリハビリテーション性能を改善する感覚フィードバックを提供する手段を提供する。さらに、脳調整は、有利には、対象の神経回路に対する活性化閾値を調整、例えば低減して、訓練用タスクからの学習を向上させ、タスクの実行を容易にし、システムによって提供されたリハビリテーション性能の効率を全体的に改善するやり方を提供する。

脳調整または脳刺激は、例えば、ユーザがタスクを完了するもしくは開始すること、ユーザがタスク環境と対話する、例えば物体に触れること、または訓練環境における動きを実行することなど、他のフィードバックタイプと同様の訓練環境におけるイベント、または、行われた、もしくは行われるタスクに影響を与えている訓練環境の一部でありより周辺的なイベント、例えば、訓練環境における背景アイテムまたは背景音によってトリガされ得る。いくつかの実装形態では、脳調整／刺激の場所は、特定のタスクタイプに従って、例えば、タスクが、運動的、感覚的、および／または感覚運動的であるかどうかに応じて変更可能である。その上、脳調整／刺激は、神経回路の活性化を促進するおよび／または抑制するためにそれ相応にオン／オフにされ得る。

いくつかの実装形態では、脳調整および／または脳刺激は、訓練環境におけるタスクを実行することと並行して与えられ得る。この場合、脳調整および／または脳刺激は、訓練環境におけるイベントまたは作用から独立して与えられるため、そのようなイベントによってトリガされない。

実施形態では、方法は、ユーザが訓練環境におけるタスクの実行を完了すると、および／または体性感覚刺激がユーザに与えられたことに応えて、脳調整および／または脳刺激をユーザに提供することを含んでよい。

実施形態では、方法は、ユーザが訓練環境におけるタスクを実行するより前に、および／または体性感覚刺激がユーザに与えられたことに応えて、脳調整および／または脳刺激を提供することを含んでよい。

実施形態では、脳調整または脳刺激は、訓練環境においてユーザによって実行されるタスクから独立してユーザに提供されてよい。よって、脳調整または刺激は、特定のタスクから独立して使用されてよい。例えば、脳調整または脳刺激は、開始する前にオンにされてよく、例えば、感覚的、運動的、および／または感覚運動的な、さまざまな訓練タスク中および該訓練タスク同士間に活性化し続けていてよく、特定のタスクによってトリガされることなく、訓練セッション全体が終了した後でもオンのままであってよい。単なる例としてだが、訓練セッションは、脳刺激としてｔＤＣＳなどの脳調整／刺激を開始することと、運動訓練／タスクをある時間分、例えば、２０分実行することと、その後、感覚訓練／タスクをある時間分、例えば、２０分実行することと、その後、感覚運動訓練／タスクをある時間分、例えば、３０分実行することと、その後、例えばｔＤＣＳといった脳調整／刺激を停止することとを含んでよい。

脳調整／刺激を与え得る例示のデバイスは、ｔＤＣＳ、ｔＡＣＳ、ｔＲＮＳ、ｔＰＣＳ、ＴＭＳ、ＴＥＳ、または類似したものを含む。

本発明の第４の態様のさらなる効果および特徴は、本発明の第１の態様、第２の態様、および第３の態様に関連して上述されたものとほぼ同じである。

本発明の第５の態様によれば、感覚運動障害リハビリテーションシステムを制御するための方法であって、訓練環境におけるタスクを実行することに関連しているユーザ入力を、ユーザが訓練環境におけるタスクの実行を制御できるように構成される入力システムから受信することと、ユーザ入力に基づいて訓練環境の少なくとも１つの要素を変換することと、少なくとも１つのアクチュエータまたは電極を使用してユーザの身体部位に体性感覚刺激を提供することであって、体性感覚刺激は、実行されたタスクに関連している訓練環境からの出力に基づいている、体性感覚刺激を提供することとを含む方法が提供される。

本発明の第５の態様のさらなる効果および特徴は、本発明の第１の態様、第２の態様、第３の態様、および第４の態様に関連して上述されたものとほぼ同じである。

本発明のさらなる特徴および本発明による利点は、添付の特許請求の範囲および以下の説明を検討すると明らかになるであろう。本発明のさまざまな特徴が、本発明の範囲から逸脱することなく、下記に説明されるもの以外の実施形態を生じさせるように組み合わせられてよいことは、当業者には認識されることである。

本発明のこれらのおよび他の態様について、ここで、本発明の例示の実施形態を示す添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。

本発明の実施形態による、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのためのシステムのボックス図である。 本発明の実施形態によるシステムを概念的に示す図である。 本発明の実施形態によるシステムにおいて運動意志入力をもたらす機能上のボックス図である。 本発明の実施形態によるシステムのユーザに提供され得るさまざまなタイプの感覚フィードバックのボックス図である。 本発明の実施形態によるシステムの概要を示すボックス図である。 本発明の実施形態によるシステムを概念的に示す図である。 本発明の実施形態による訓練環境および対応する感覚フィードバックの一例を示す図である。 本発明の実施形態による訓練環境および対応する感覚フィードバックの一例を示す図である。 本発明の実施形態による訓練環境および対応する感覚フィードバックの一例を示す図である。 本発明の実施形態によるシステムを概念的に示す図である。 本発明の実施形態によるシステムを概念的に示す図である。 本発明の実施形態によるシステムを概念的に示す図である。 本発明の実施形態によるシステムを概念的に示す図である。 ユーザが、本発明の実施形態によるシステムを使用しているところを概念的に示す図である。 本発明の実施形態による外骨格部を概念的に示す図である。 本発明の実施形態による外骨格部を概念的に示す図である。 ユーザが、本発明の実施形態によるシステムを使用しているところを概念的に示す図である。 ユーザが、本発明の実施形態によるシステムを使用しているところを概念的に示す図である。 本発明の実施形態による方法ステップのフローチャートである。 本発明の実施形態による方法ステップのフローチャートである。 対応するタイプのユーザ制御およびフィードバックによるタスクのさまざまな難易度の表である。 難易度を漸次的に高めたゲームの一例を概略的に示す図である。 難易度が、フィードバックとしてユーザに提供されるさまざまなタイプの出力にどのように関連しているかを概略的に示すボックス図である。 難易度が、フィードバックとしてユーザに提供されるさまざまなタイプの出力にどのように関連しているかを概略的に示すボックス図である。 難易度が、フィードバックとしてユーザに提供されるさまざまなタイプの出力にどのように関連しているかを概略的に示すボックス図である。 難易度が、フィードバックとしてユーザに提供されるさまざまなタイプの出力にどのように関連しているかを概略的に示すボックス図である。 難易度が、フィードバックとしてユーザに提供されるさまざまなタイプの出力にどのように関連しているかを概略的に示すボックス図である。 本発明の実施形態による触覚フィードバック装置を概念的に示す図である。 ユーザの身体部位に取り付けられた触覚フィードバック装置を概念的に示す図である。

本発明の詳細な説明において、本発明のさまざまな実施形態について、特有の実装形態を参照して本明細書に記載する。実施形態を説明するにあたり、明確にするために特有の専門用語が用いられている。しかしながら、本発明は、そのように選択された特有の専門用語に限定されることは意図されていない。特有の例示的な実施形態について論じられているが、これは、例証のみを目的として論じられていることは理解されるべきである。本発明の範囲から離れることなく他の構成要素および構成が使用可能であることを、当業者は認識するであろう。

図１は、本発明の実施形態による、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのためのシステム１００のボックス図である。システム１００は、ユーザが訓練環境１０４におけるタスクの実行を制御できるようにするための入力システム１０２を含む。

システム１００は、実行したタスクに関連している訓練環境１０４からの出力に基づいてユーザに体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位と接触して設置可能な少なくとも１つのアクチュエータ１０６または電極１０６をさらに備える。

入力システム１０２は、ユーザが入力シグナルを訓練環境に提供して、タスクを解決するように訓練環境の要素を制御できるようにする。入力シグナルは、実行されたタスクに従って制御部１０８などの処理回路によって処理される。処理の結果、すなわち、実行されたタスクの結果に応じて、対応する出力シグナルが、少なくとも１つのアクチュエータ１０６または電極１０６に提供される。出力は、少なくとも１つのアクチュエータ１０６または電極１０６によって体性感覚刺激に変換される。

入力システム１０２は、ユーザが訓練環境１０４において運動制御できるようにする。本発明の実施形態に適用可能ないくつかの考えられる入力システムがあり、例示の入力システムは、運動意志エンコーダと、キーボード、マウス、タッチスクリーン、およびジョイスティックなどのヒューマンマシンインターフェースとを含む。

図２は、本発明の実施形態によるシステム２００を概念的に示す。システム２００は、ユーザの身体部位１０１からのシグナルを収集するための一組のセンサ２０２を含む入力システムを含む。シグナルは、患部または欠けている身体部位の意図された運動を示しており、ここで、意図された運動は、図１と関連して論じられたように、訓練環境１０４におけるタスクを実行することを対象としている。さらに、処理回路、例えば、制御部２０４は、シグナルを復号して意図された運動を推量するために運動意志デコーダを動作させ、かつ復号されたシグナルに基づいて訓練環境１０４の少なくとも１つの要素を制御するように構成される。換言すれば、処理回路は、無線でまたは有線によって、センサ２０２によって記録されたシグナルを受信し、そのシグナルを復号してユーザが患部または欠けている身体部位で実行しようとする運動を推量することが可能である。

有利には、運動意志デコーダは、ユーザが特定のタスクを制御できるようにしつつ、そのタスクに関係がある感覚フィードバックが、例えば、少なくとも１つのアクチュエータ１０６または電極１０６を介して主に触覚フィードバックによって、ユーザに提供される。換言すれば、運動意志デコーダは、訓練環境に入力を提供しつつ、例えば、触覚アクチュエータがその出力を構成する。このために、システムは、ユーザによって訓練環境に提供された入力を、現在実行されているタスクによってもたらされる出力に変換するように構成される運動デコーダを含めて、図２における２０４および１０８によって表される電子インターフェースを含む。このように、ユーザの運動意志は、タスクが実行されている訓練環境をもたらす入力に変換され、入力の結果はユーザにフィードバックされる。換言すれば、フィードバックは、訓練環境における変数の状態をフィードバックアクチュエータまたは電極への出力に変換することによって生じさせる。

センサは好ましくは、電気シグナル、いわゆる筋電図シグナルを記録するためにユーザの皮膚上に配置可能な電極である。しかしながら、センサは、いくつかの実施形態では、電気シグナルを記録するためにユーザの身体に埋め込み可能な電極であり得る。

考えられる他のセンサには、いわゆる圧力マップまたは慣性測定シグナルを形成する圧力センサが含まれる。

処理回路によって動作させる運動意志デコーダは、有利には、シグナルを復号し、かつ、モデルの事前訓練に従ってユーザによって意図された運動を推量するように構成される。これは、図３を参照してより詳細に論じられる。

図３は、本発明の実施形態によるシステム２００において運動意志入力をもたらす機能上のボックス図である。センサ２０２は、例えば、ＥＭＧなどの生体電気シグナル、または身体部位１０１からの圧力マップもしくは慣性測定値を収集する。取得およびデジタル化電子機器２０４は、収集されたシグナルを受信かつ標本化し、フィルタ処理されデジタル化されたシグナルを、ここでは２０４に含まれる運動デコーダに提供する。運動デコーダは、シグナルを復号し、かつモデルの事前訓練に従ってユーザによって意図された運動を推量するように動作し得る。復号の結果は、訓練環境１０４の少なくとも１つの要素が復号されたシグナルに基づいて制御されるように処理される。

センサに関して、筋電図（ＥＭＧ）シグナルの場合、筋肉の収縮によって生成される電気的活性を捕えるようにユーザの皮膚の表面に従来の受動表面電極および／または能動表面電極が適用可能である。機械学習手法で使用されるような同時記録用のアレイを生じさせるように、複数の電極が一緒に使用可能である。

さらに、侵襲的なソース、すなわち、埋め込み電極からの筋電図シグナルおよび神経電気シグナルが、コネクタと取得電極との間の基本的で安全な互換性がある場合、さらに取得可能である。

圧力シグナルの場合、筋肉の収縮によって生成される圧力分布パターンを捕えるようにユーザの皮膚の表面に力感知抵抗器（ＦＳＲ）センサのマトリックスが適用可能である。

慣性シグナルの場合、加速度計、ジャイロスコープ、および磁気計を含む慣性測定装置（ＩＭＵ）は、並進運動と回転とによって生成される運動の活動状態を捕えるようにユーザの対象の身体部位に適用可能である。ＩＭＵは、ユーザの皮膚に直接、および／または対象の身体部位上に着用される弾性バンド内に適用可能である。神経筋モデリングおよび機械学習手法において従来使用されるような同時記録のための結合マップを作成するように、複数の電極が一緒に使用可能である。

取得電極およびデジタル化電極は、取得されるシグナルの性質に応じて適したアナログフィルタ処理を含み得る。フィルタは、ＤＣおよびアーチファクト除去用の従来の高域、電力線雑音除去用のノッチ、および、平滑化およびアンチエイリアシングを目的とした低域を含み得る。さらに、適応性のあるフィルタ処理解決策が適用されてよい。目下の実装形態に応じて、フィルタは、基本的なＲＣ構成要素および低雑音演算増幅器を含むことができる。アナログフィルタ処理部分はまた、ユーザに基本的な電気上の安全を提供できる構成要素、ならびに、ユーザに対する／ユーザからの静電放電（ＥＳＤ）イベントをブロックするためのダイオード、ユーザに流れる直流をブロックするためのコンデンサ、ユーザに流れるあらゆる漏洩電流を限定するための抵抗器およびコンデンサなどの電子機器を組み込んでよい。

さらに、取得されるシグナルとの適当な接続を可能にするシグナル増幅器が含まれてよい。増幅器の設計および構成は、対象のシグナルの性質に左右される。増幅器は、例えば、独立して、または使用時に電極およびセンサに適応させるように組み合わせて使用され得る。例えば、単極増幅器および／または双極増幅器が使用可能である。ハードウェア差異取得（すなわち、双極増幅器）が利用可能でない場合、ソフトウェア差異解決策が、本実装形態にとって十分であると思われる場合に実施可能である。

多重チャネル取得が必要とされる時、これは、例えば、チャネルごとの専用増幅器によって、または単一増幅器を時分割することによって実現可能である。統合されたアナログフロントエンドの解決策が好ましいが、パラメータのより高度なカスタマイズが必要とされる時はいつでも、任意の他のカスタム解決策も可能である。利得、ダイナミックレンジ、および帯域幅などのパラメータは、対象シグナルに、および、標本化およびデジタル化電子機器の含まれるモジュールに適応される。

表面ＥＭＧシグナルの場合、専用参照電極は、普通は、身体の電気的に中性の部分（例えば、手首または肘関節のような骨ばった箇所）に適用される。侵襲的なＥＭＧシグナルについて、埋め込み電極上または表面電極上のどちらかを参照し得る。

圧力シグナルの場合、ＦＳＲセンサのマトリックスは、普通は、電極の接地が参照され、余分に適用される電極は必要とされない。同じことが慣性シグナルにも適用されることが多い。

アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）および中央処理装置（ＣＰＵ）、すなわち、処理回路は、好ましくは、対象シグナルのデジタル化を完成させるために使用される。このステップによって、以下のソフトウェアモジュールは、データを処理し、最終的にユーザの運動意志を推量することが可能になる。ＡＤＣは、ＣＰＵに含まれても含まれなくてもよい。後者の場合、ＡＤＣは、従来の、例えば、ＳＰＩ、ＵＳＡＲＴ、およびＩ２Ｃを介した、またはカスタムシリアルプロトコルを介したシグナル読み出しのために、ＣＰＵによってインターフェース接続される。ＡＤＣにおいて、分解能および標本化周波数などのパラメータは、目下の実装のために対象シグナルに適応される。ＥＭＧシグナルの場合、１６ビット以上の分解能が好ましい。標本化周波数は、ナイキストの定理によって、［０÷１０００］Ｈｚの典型的な対象帯域幅に適合している。オーバーサンプリング、ノイズシェーピング、およびデシメーション技法は、測定の精度を高めるために使用可能である。

圧力シグナルおよび慣性シグナルの場合、分解能および標本化周波数の状況での需要が低下しており、この場合、１２ビット以上の分解能、および１５０Ｈｚ以上の周波数が普通は適切である。

同様に、増幅器のモジュールには、統合されたアナログフロントエンドの解決策が好ましい。そのようなシナリオでは、増幅段階およびデジタル化段階は両方共、外部のデバイスと通信可能である単一の集積チップによって処理可能である。このチップはさらにまた、パラメータ較正およびシグナル読み出しのためにＣＰＵによって接続される。

デコーダは、取得電子機器およびデジタル化電子機器から標本化され処理されたシグナルを受信する。デコーダでは、機械学習または確率論的手法、とりわけ、パターン認識および回帰アルゴリズムが、ＥＭＧシグナル、圧力シグナル、および慣性シグナルから運動意志を復号するために適用される。そのような手法の主な想定は、それぞれの動きが、完全なままの肢からのものであろうと「幻」肢からのものであろうと、特徴のセットによって表され得る再現可能な筋肉の収縮によって特徴付けられる。その特徴は、特徴空間においてそれぞれの動きを別個のクラスターとして表すことで、アルゴリズムの復号タスクが容易になる。

これらの特徴とユーザから記録された実際のシグナルとの間の電気物理的に有意義な関係は、一定の復号に対して十分堅牢であることが判明する限りにおいて、必要ではなく関係があるわけでもないことは理解されたい。この特徴は、時間領域、周波数領域、および時間周波数領域において定義可能である。特徴のいくつかの例には、平均絶対値、ゼロ交差、波形長、傾斜変化、中央値、分散、標準偏差、相関、共分散、自己回帰係数、ウェーブレット係数、二乗平均、累乗、最大フラクタル長、フラクタル次元、エントロピー、ウィルソン振幅、振幅平均値が含まれる。これらの特徴は全て、独立して、または処理されたシグナルおよび／またはユーザに適応させるように組み合わせて使用可能である。

該特徴は、普通は長さが５０～２５０ミリ秒で変化し得る記録されたシグナルの時間断片（すなわち、時間窓）から抽出される。さらに、近隣の時間窓間の重複が使用されてよい。

復号出力は、離散的（例えば、分類、パターン認識アルゴリズム）または連続的（例えば、回帰アルゴリズム）とすることができる。復号アルゴリズムは、訓練試料として事前標示されたデータを必要とするかどうかに応じて、教師付きおよび教師なしとして分類可能であり、両方共、統計（例えば、ナイーブベイズ、線形判別分析）、論理（例えば、決定木）、生物学（例えば、人工神経網）、および幾何学的形状（例えば、サポートベクタマシン）の影響を受ける可能性がある。分類タスクについて、単一のおよび／または複数のクラスに対して単一のおよび／または複数の復号アルゴリズムが構成され、単一、個体としての全動き、アゴニスト／アンタゴニスト混合、１対全て、１対１、および全てと１などの異なるアルゴリズムトポロジを構成する。使用されるトポロジに応じて、復号出力は個別運動および／または同時運動を可能にする。同時運動の場合、ユーザの複数の意図でコヒーレントに複数の自由度を同時に機能させることが可能である（例えば、肘を曲げる、握りこぶしを作る）。

神経筋骨格系モデルも、記録された筋肉の収縮から、オプションとして慣性および他の感覚測定とも併せて、人体運動学を推定するために使用可能である。これらの手法について、予測対象は、どの特定の動きが実行されるのかではなく、達するよう意図された関節角度に対して設定される。神経筋骨格系モデルは、ＥＭＧシグナルから直接、または運動単位放出率で機能する可能性があり、これはＥＭＧから推定されることがある。どちらの場合も、対象の身体部位に対する正確な運動モデルが必要とされる。

復号出力のストリームは、潜在的な予測誤りを除去するためにさらに処理可能である。この範囲について、多数決バッファ、速度ベース判定ランプ、フィルタ処理、および平滑化などの予測後アルゴリズムが利用される。

復号出力の堅牢性および正確さに続き、これら出力の比例関係において、ユーザによって展開される実際の筋肉収縮レベルに次の優先順位が設定される。比例する運動制御出力を生成することができることで、そのようなヒューマンマシンインターフェースの実施形態が容易になり得る。比例関係は、本質的に回帰手法から生じ得るか、または最小強度および最大強度（または速度）について知られている基準値と比較することによって計算可能であるか、または、このタスク専用の別の機械学習アルゴリズムによって予測可能である。

運動意志デコーダによって実現される運動制御も、独立して、または、キーボード、マウス、タッチスクリーン、およびジョイスティックなどの従来のヒューマンマシンインターフェースと併せて使用可能である。

図４は、本発明の実施形態によるシステムのユーザに提供され得るさまざまなタイプの感覚フィードバックの概要である。出力シグナルは訓練環境から提供され、この出力シグナルは、タスクを実行する訓練環境にユーザによって提供される入力に直接または間接的に関連している。出力シグナルは、駆動電子機器に、１つまたは複数のフィードバックデバイスを介してユーザにフィードバックを提供させる。

よって、感覚フィードバックは、２つ以上のフィードバックデバイスを使用してユーザに提供され得、この場合、２つ以上のフィードバックデバイスによって提供された感覚フィードバックまたは体性感覚フィードバックは、訓練環境からの出力に基づく。それ故に、ユーザ入力によって直接または間接的に生じた訓練環境における結果は、図４において概念的に示されるように、２つ以上のフィードバックデバイスを介して制御部によってユーザに対する体性感覚フィードバックおよび／または感覚フィードバックに変換されてよい。この図４には、熱的フィードバックデバイス、触覚フィードバックデバイス、視覚フィードバックデバイス、および聴覚フィードバックデバイスを含むいくつかのタイプのフィードバックデバイスが例示されている。

例えば、システムは、体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位上に設置可能なアクチュエータおよび／または電極のアレイを含み得る。そのようなアクチュエータおよび電極は、触覚フィードバックを提供するためのデバイスに対応する。例えば、アクチュエータおよび／または電極のアレイは触覚ディスプレイであってよい。

触覚フィードバックは、触知および電気触知刺激の組み合わせとして提供されてよい。アクチュエータは身体部位の機械受容器を刺激するが、電極は身体部位における遠位に関連した感覚を生じさせる神経を刺激する。

さらに、体性感覚刺激を提供するための少なくとも１つの電極は、ユーザの身体部位に埋め込み可能な電極、例えば、埋め込み可能神経刺激装置を含み得る。

本発明の実施形態によれば、触知フィードバックは、有利には、２つ以上のやり方で提供され得るが、これは、異なるメカニズムが異なる触感を活性化するからである。これらは異なる機械受容器を活性化することによって活性化される。

１つのそのような機械受容器として、例えば超音波によって活性化されるマイスナー小体、例えばアレイ状の磁気アクチュエータによってもたらされる触知点、音響／エラストマー／強磁性流体ディスプレイ、誘電エラストマーアクチュエータ、圧力弁アクチュエータ、電気触知ディスプレイ、または、本発明の実施形態による、ある先端部が皮膚に施される任意の他のメカニズムがある。例えば、触知点のアレイを形成するためにアレイ状に設置されたアクチュエータは触知／触覚ディスプレイをもたらす。このディスプレイは、（訓練される身体部位である）身体部位の皮膚に対して設置される。該ディスプレイを使用して、ゲームの画素または物体を示すことができる。振動を使用して、ゲーム内のイベントのプレーヤに警告することができる。

そのようなアクチュエータはさまざまなやり方で実装されてよく、この場合、１つの考えられる実装形態は、磁気アクチュエータのアレイによるものであり、ここで、それぞれの触知点、例えば、それぞれのアクチュエータは、磁心を有するコイルを含む。コイルを作動させることによって、磁心はコイル内でおよびコイル外に移動して、ユーザの身体部位の皮膚に触れる時に触知点をもたらす。

１つのそのような機械受容器には、例えば、本発明の実施形態による低周波数での振動アクチュエータによって活性化されるメルケルディスクがある。

１つのそのような機械受容器には、本発明の実施形態による、例えば、モータ、バンド、プーリー、空気力学、または水力学によって生成された高周波数および圧力による力に対する、例えば、振動アクチュエータによって活性化されるパチーニ小体がある。

１つのそのような機械受容器には、本発明の実施形態による、例えば、摺動部といったスライドアクチュエータ、または空気流によって活性化される毛叢がある。例えば、腕に巻かれるロープまたは紐は、紐の端部のそれぞれにおいて連続サーボモータに取り付けられる。両方のサーボモータを同じ方向に作動させることによって、摺動感覚（毛叢）が実現される。ロープに、例えば、結び目、もしくは玉または真珠といった他の固定要素、または類似物を加えることは、紐の軸上の１つの位置を特定する可能性に寄与する。両方のサーボモータを相対する方向に作動させることによって、圧力感覚（パチーニ小体）が実現される。訓練環境のゲーム内アプリケーションは、摺動部のうちの１つの位置を他の位置に適合させるためのもの、または互いに比較される２つのゲーム内要素の位置を示すためのものであり得る。

１つのそのような機械受容器には、本発明の実施形態による、例えば、皮膚を伸ばすまたは緊張させるメカニズムによって活性化されるルフィニ終末がある。例えば、筋線維の方向に皮膚の上に置かれたロープまたは紐は、片側でサーボモータに連結され、もう片側で固定点に連結される。サーボモータを作動させることによって、ロープが締め付けられて、皮膚が伸びる感覚（ルフィニ終末）をもたらし、固有受容性の錯覚、すなわち、交互関節配置をもたらす。訓練環境のゲーム内アプリケーションは、例えば、レースゲームにおける身体に対するＧ力を模倣するためのもの、または物体の方向を示すためのものであり得る。

体性感覚はまた、電気刺激によって与えられ得る。電気刺激の使用は、非侵襲的解決策（例えば、皮膚電極）および侵襲的解決策（例えば、埋め込み電極）の両方によって実現可能である。両方のタイプについて、神経刺激による遠位に関連した感覚（例えば、身体のより遠位に位置する部分において感知される感覚をもたらす近位の場所における刺激）を引き起こすことが可能である。

いくつかの可能な実装形態では、システムは、訓練環境からの視覚フィードバックを提供するためのディスプレイを含む。そのようなディスプレイは、デスクトップディスプレイ、携帯電話またはタブレットまたはスマートウォッチなどのスマートデバイス、ラップトップ、コンピュータディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどであってよい。視覚フィードバックは有利には、訓練／リハビリテーションタスク（例えば、ゲームまたは演習）、および、ユーザの運動意志の結果（例えば、リアルタイムまたはその他の場合での運動指令）の表示を提供する。このフィードバックはまた、訓練の進捗を監視するために使用可能である。

さらに、システムは、訓練環境からのさらなる出力に基づいてユーザに聴覚フィードバックを提供するためのオーディオデバイスを含んでよい。そのようなオーディオデバイスは、例えば、スピーカー、ヘッドホン、イヤホン、骨伝導デバイスなどであってよい。聴覚フィードバックは、訓練中の主要なまたは補足の案内のために使用されてよい。

聴覚フィードバックは、訓練環境における現在の対話に基づいて調整されてよい、または刺激環境に対するゲームにおける特殊効果であってよい。該フィードバックはまた、ユーザによって実行されるタスクを言葉で説明することによって視覚または体性感覚フィードバックの機能性を引き継ぐことが可能である。聴覚フィードバックは、訓練に対する案内を提供することとユーザを刺激することとの組み合わせを提供するために使用されてよい。

さらに、システムは、訓練環境からのさらなる出力に基づいて熱的フィードバックをユーザに提供するための熱機器を含み得る。熱的フィードバックは、温感および冷感という２つのタイプの感覚を伴う。熱の感覚について、レーザまたは光源を適用するためのオプションがある。ペルチェ素子は、温感および冷感両方に対する代替的なオプションである。熱流体は熱感または冷感を表面に施すための別のオプションである。

システムは、復号されたシグナルの結果に基づいてユーザの身体に運動感覚フィードバック、いわゆる触知による固有受容感覚を提供するように構成される運動感覚フィードバックデバイスを含み得る。運動感覚フィードバックは、固有受容感覚を訓練するために使用されてよい。固有受容フィードバックは、入力されたＥＭＧシグナルに従って与えられ得る。これは、有利には、例えば、筋肉活性化が困難である、関節を曲げることができない、筋肉が弱すぎるか、または切断箇所があるユーザには有用であり得る。運動シグナルが送られるが、ユーザが関節を曲げることができない時、運動感覚フィードバックは、ユーザが正しいシグナルを活性化したことの代替的な確認として使用可能である。運動感覚を、入力されたＥＭＧシグナルに連結する必要はなく、入力されたＥＭＧシグナルから独立した個々のフィードバック要素であり得る。筋肉の動きの感覚を生じさせることは、一部のゲームまたは訓練目的で使用可能である。

運動感覚フィードバックを提供するための考えられるデバイスには、連結された筋肉が動くという錯覚をもたらすための腱振動部が含まれる。固有受容線維を活性化するための電気刺激もオプションとしてある。別のさらなる可能な実装形態は、運動感覚情報を提供するために皮膚に緊張を施すことである。動きの錯覚をもたらす以外に、代替的なオプションとして、例えば、アクティブな外骨格部によって関節をアクティブに動かすことがある。

図５は、本発明の実施形態によるシステム概要を示すボックス図である。入力側では、筋肉の動きを記録するシステム、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ゲームコントローラ、および発話などのさまざまな入力システムが概略的に表されている。これらの入力システムのうちの１つまたは複数は本発明の実施形態において使用されてよい。

入力システムは、取得電子機器およびデジタル化電子機器、ならびにデコーダを含めて、図３を参照して説明される電子インターフェースに連結される。訓練環境の出力側では、駆動電子機器は、聴覚フィードバック、視覚フィードバック、触覚フィードバック、および熱的フィードバックを含めて、図４との関係で論じられるような一組のフィードバックシステムのうちの１つまたは複数を制御する。

いくつかの実施形態では、システムはまた、図５におけるシステムの出力側に示されるようにユーザの脳に脳調整シグナルおよび／または脳刺激シグナルを提供するように構成される。これによって、訓練環境におけるタスクを実行する間に、タスクを実行する前に、またはタスクが完了した後に、ユーザの脳に対して、興奮、抑制、および／または刺激を提供することが可能である。脳調整および／または刺激は、駆動電子機器を介して訓練環境におけるイベントによってトリガされ得る。しかしながら、調整および／または刺激は、他の実装形態では、訓練環境におけるイベントから独立して提供され得、そのような場合、それ自体の駆動電子機器によって、他のフィードバックシステムのうちの１つまたは複数を制御する駆動電子機器から独立して機能させてよい。

図６は、本発明の実施形態によるシステム６００を概念的に示す。システム６００は、好ましくは、肢６０４上のここではユーザの皮膚の表面上に配置可能な電極６０２の形態の一組のセンサを含む。電極６０２は、電極６０２が設置される身体部位６０４に隣接した患側の肢６０６の意図された運動を示すシグナルを収集する。患側の肢６０６は、感覚運動障害により影響を受けている。例えば、患側の肢６０６は麻痺した肢であり得る。

収集されたシグナルは処理回路６０８によって処理されて、患側の肢６０６の意図された運動を推量するように動作する運動意志デコーダを使用して収集されたシグナルを復号する。処理回路６０８は、電極６１８によって収集されたシグナルを、ここでは、ゲームを視覚的に表すためのディスプレイ６１４を含む電子デバイス６１２上でプレイされるゲームの形態で示される、訓練環境６１０における要素の動きに変換する。

さらに、システム６００は、体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位上に設置可能なアクチュエータおよび／または電極のアレイ６１６を含む。例えば、アレイ６１６は触覚ディスプレイであってよく、この場合、アクチュエータ６１８のそれぞれ（１つのみに番号が付されている）は、ユーザの身体部位６０４の皮膚に圧力を施してよい。触覚ディスプレイによってユーザの皮膚に施された圧力パターンは、訓練環境からの出力、例えば、ゲームの現在の状態を表す。よって、処理回路は意図された運動を訓練環境への入力に変換し、ここで入力は触覚ディスプレイへの出力に変換され、この場合、この変換は実行されたタスクおよびタスクのタイプに左右される。アクチュエータ６１８を含む触覚ディスプレイによってユーザの皮膚に施された圧力パターンは、ディスプレイ６１４の画素値に対応し得る。よって、ディスプレイ上に示される要素の場所は、触覚ディスプレイにおける１つまたは複数の圧点によって表され得る。

触覚ディスプレイ６１６は好ましくは、効果的な体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位６０４にしっかりと取り付けられる。

図６の上記の説明では、アクチュエータ６１８は、患部６０６に隣接した身体部位６０４に体性感覚刺激を提供する。しかしながら、治療のタイプに応じて、体性感覚刺激は患部自体に施されてよく、センサ６１８は患部からのシグナルを収集し得る。これは、例えば、脳卒中の治療の場合にあり得る。よって、身体部位６０４は患部であり得、これによって、患側の肢の意図された運動を示すシグナルを収集するための電極６０２が患部上に設置される。さらに、アクチュエータおよび／または電極のアレイ６１６は、ユーザの患部に体性感覚刺激を提供するために該患部上に設置可能である。

図７は、ユーザのためのリハビリテーションプログラムの一部であり得るゲームの形態の訓練環境７０２の一例である。体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位７０６上に設置可能であるアクチュエータおよび／または電極のアレイ７０４は、訓練環境の触覚フィードバック刺激への変換を示す。ここで、ゲームの移動可能な積み木７０８が、活性化されている充填アクチュエータ７１０によって表されており、例えば、アクチュエータ７１０は積み木７０８を表す。空の位置、例えば、訓練環境７０４における位置７１２は、活性化されていないアクチュエータである空きアクチュエータ７１４によって表されている。ユーザは積み木の運動を制御し、例えば、ここでは、積み木７１６は、患部の意図された運動によって制御されるシステムなどの入力システムを使用して右に移動させる。ユーザによって提供された入力が積み木７１６を右に動かして位置７１２になるように影響を提供すると、触覚ディスプレイ７０４は、アクチュエータ７１８を非活性化し、アクチュエータ７１４を活性化して積み木７１６の新たな位置を表す。摺動部７２０は、積み木７１６の運動を表す触覚フィードバックを提供する。

図８は、ユーザのためのリハビリテーションプログラムの一部であり得るゲームの形態の訓練環境８０２の別の例である。体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体部位７０６上に配置可能なアクチュエータおよび／または電極のアレイ７０４は、訓練環境の触覚フィードバック刺激への変換を示す。

ユーザは、「玉」８０６を捕えるように左右に動くために入力システムを介して要素８０４の運動を制御する。要素８０４の運動および位置は、摺動部７２０によって提供された触覚フィードバックによって表される。訓練環境８０２における玉８０６の現在の位置は、活性化されたアクチュエータまたは電極７２２によって表される。ユーザが、可動要素８０４を使用して玉を偏向させるかまたは撃つことによって撃ち落とそうと試みる細片８０８は、活性化されたアクチュエータまたは電極７２４によって表される。玉が細片８０８に当たるとこの細片は消滅し、対応するアクチュエータまたは電極は非活性化させる。「玉」８０６の動きはまた、ディスプレイ上部に別の摺動部７２３によって表され得るため、下部摺動部７２０は可動要素８０４の場所を表し、上部の摺動部は「玉」８０６の場所を表す。

図９は、ユーザのためのリハビリテーションプログラムの一部であり得るゲームの形態の訓練環境９０２の別の例である。この例では、ユーザは、例えば、上に論じられるような筋肉の動きによって制御される、入力システムを介した訓練環境９０２におけるトラックに沿ってレーシングカー９０４を制御する。トラック上のレースカーの位置および操舵運動を表す触覚フィードバックは、アクチュエータおよび／または電極のアレイ７０４、ならびに、例えばハンドルを回す角度またはトラックの曲率を表すために皮膚を伸ばすまたは緊張させるように適応される伸長デバイス７３０を介してユーザにフィードバックされる。

図７～図９に示される例では、訓練環境は視覚ディスプレイおよび／または触覚ディスプレイ上に示される。

訓練環境の例示の変数は、例えば、図７～図９に描かれる「玉」、積み木、および要素の、例えば、場所、動き、サイズ、および存在である。ユーザ入力に応えて変数が変化すると、例えば、積み木７１６が動かされるか、玉８０６を動かすもしくはそらせるか、細片８が除去されるか、ハンドルが回されるかすると、出力が生成され、体性感覚フィードバックを含む感覚フィードバックの形態でユーザに提供される。

例えば、訓練環境における物体を動かす時にユーザに提供される体性感覚フィードバックは、入力に直接関連している出力の１つの例であり、これは例えばバイオフィードバックであってよい。

要素の除去または玉の動きなどのユーザ入力の結果に関連している出力は、入力に間接的に関連している出力の例である。

図１０Ａは、本発明の実施形態によるシステム１０００を示し、ここで、一組の異なる出力フィードバックシステムが概略的に示されている。システム１０００は、電極６０２と、処理回路６０８と、図６と併せて論じられるアクチュエータ６１８および／または電極のアレイ６１６とを含む。

さらに、システムは、聴覚フィードバックを提供するためのオーディオデバイス１００２と、触覚摺動部１００４と、腱振動部１００６とを含む。

タスクの訓練環境６１０からの変数は、ユーザにそれらの状態に関して通知する出力に変換される。この変換は、限定はされないが、触知アクチュエータ６１８を使用して位置および力を表す触覚表示、視覚表示、聴覚表示、または熱表示を含むことができ、触覚摺動部１００４もしくは腱振動部１００６、および／またはタスクの物体との接触および／またはアクションにおける振動デバイスを介した、タスクの物体の水平移動、垂直移動、または横移動を表す。

入力／出力変換の正確なタイミングおよび一貫性は、感覚運動訓練を容易にするために必要であるため、いずれの変換時間も、知られている人間の時間での知覚可能な遅延を下回る、すなわち、約２５０ミリ秒であるかまたは２５０ミリ秒を下回る。

触覚フィードバックは、図１０Ｂに示されるような触知および電気触知刺激の組み合わせとして提供されてよい。図１０Ｂにおいて、一組の電極２０２は、ここでは前腕１００１上のユーザの身体部位からのシグナルを収集するために使用される。収集された筋電図シグナルは、手１００３の関節の意図された運動を示し得、ユーザが訓練環境１００７の要素を制御できるようにする。例えば、意図された運動によって、ユーザは、ディスプレイ１０１４を介して視覚フィードバックも提供する電子デバイス１０１２上のゲームをプレイする時に玉１０１０を捕えるためにバー１００８の水平位置を制御してよい。ここで、訓練環境におけるタスクは、玉１０１０をバー１００８から積み木１０１６の方にそらせて、玉が積み木に当たると積み木が除去されることである。

さらに、例えば、積み木１０１６の除去が正常に行われたこと、または玉１０１０をバー１００８からそらせたことの確認を訓練環境から出力すると、すなわち、バー１００８をユーザが正常に移動させることで動いている玉１０１０が捕えられた時、機械アクチュエータ１０２０は、身体部位、ここでは指の機械受容器を刺激する一方、電極１０２２は、指先における遠位に関連した感覚を生じさせる神経を刺激する。さらに、処理回路２０４は、シグナルを復号して意図された運動を推量するための運動意志デコーダを動作させるように、および、復号されたシグナルに基づいて訓練環境１０１４の少なくとも１つの要素１００８を制御するように構成される。換言すれば、処理回路は、無線でまたは有線によって、センサ２０２によって記録されたシグナルを受信し、シグナルを復号して、ユーザが患部または欠けている身体部位で実行しようとする運動を推量することができる。

いくつかの可能な実装形態では、システム１０００は、図１０Ｃに概念的に示されるような脳調整および／または脳刺激デバイス１０３０を含む。脳調整および／または脳刺激デバイス１０３０は、ユーザがタスクを実行している間に、ならびに／またはタスクの前および／もしくはタスクの完了後に生じる訓練環境におけるイベントに応えて、ユーザの脳を興奮させる、抑制する、および／または刺激するように構成される。脳調整および／または脳刺激デバイス１０３０はここでは、処理回路６０８に連結して、ここから、デバイス１０３０からの脳刺激または調整のユーザの脳への提供を制御する制御シグナルを受信する。このように、脳調整および／または脳刺激デバイス１０３０は、例えば、脳調整および／または脳刺激のユーザへの提供を活性化する訓練環境におけるイベントをトリガすることを示すトリガシグナルを処理回路６０８から受信してよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、脳刺激デバイス１０３０は、訓練環境から独立して、脳調整および／または脳刺激をユーザに与え、そのような場合、脳刺激デバイス１０３０は、図１０Ｄに概念的に示されるように、処理回路と同時に動作させてよい。そのような場合、脳調整または脳刺激は、訓練環境においてユーザによって実行されたタスクから独立してユーザに与えられてよい。

脳調整および／または脳刺激を与え得る例示のデバイス１０３０は、ｔＤＣＳ、ｔＡＣＳ、ｔＲＮＳ、ｔＰＣＳ、ＴＭＳ、ＴＥＳ、または類似したものを含む。そのようなデバイスは、刺激または調整を提供するためにユーザの頭蓋骨上で着用されるか、またはユーザの頭蓋骨の近くに設置されることが多い。

図１１Ａは、ユーザ１１０１が、本発明の実施形態によるシステムを使用していることを概念的に示す。システム１１０２は、患側の肢１１０４の意図された運動を示すシグナルを収集するための電極１１０３を含む。この実施形態では、システムは、ユーザの身体部位１１０４の運動を安定させるために配置可能な外骨格安定化部１１０６を含む。処理回路１１０８は、電極１１０２からシグナルを受信しかつ復号する。システムは、ディスプレイ１１１０上に示される訓練環境におけるタスクを実行する時に聴覚フィードバックをユーザ１１０１に提供する聴覚デバイス１１０９をさらに含んでよく、ここでは、テトリス（登録商標）をプレイする形態にある。聴覚フィードバックは、ディスプレイ上で発生するアクションを向上させ得、例えば、テトリスゲームの積み木の移動または設置を正常に行い得る。

外骨格安定化部１１０６は、タスクを実行する時にユーザが身体部位を動かすのを支援するように電力供給され得る。そのような場合、処理回路は、復号されたシグナルに従って、外骨格安定化部１１０６に電力供給するために配置される電気モータを制御するように構成されてよい。

図１１Ｂおよび図１１Ｃは、２つのタイプの外骨格安定化部１１０６ａおよび１１０６ｂを概念的に示す。外骨格安定化部は、ユーザの身体部位、ここでは上腕１１２２の周りに取り付けられるように適応されるカラーとして成形された第１の取り付け部材１１２０を含む。第１の取り付け部材１１２０は、例えば、ユーザの腕に巻かれてよい。さらに、外骨格安定化部は、ユーザの下腕１１２６にまたはこの周りに取り付けられた２つの下部取り付け部材１１２４ａ～ｂを含む。

ここで、図１１Ｂに移ると、このユーザの部位の運動を安定させるために配置可能な受動型外骨格安定化部１１０６ｂが概念的に示されている。この実施形態では、外骨格安定化部１１０６ｂは、第１の取り付け部材１１２０を下部取り付け部材１１２４ａ～ｂに結合するための連係アーム１１２８を含む。よって、連係アーム１１２８は、第１の取り付け部材１１２０および下部取り付け部材１１２４ａ～ｂに連結される。さらに、連係アームのそれぞれは、結合部１１３４で結合される第１のリンク部１１３０および第２のリンク部１１３２を含む。結合部１１３４は、第１のリンク部と第２のリンク部との間の回転可能な連結部を提供することで、ユーザは自分の肘関節を伸ばし得る。

図１１Ｃは、タスクを実行する時にユーザが身体部位を動かすのを支援するために電力供給される能動型外骨格安定化部１１０６ｃを概念的に示す。ここで、第１のリンク部１１３０と第２のリンク部１１３２との間の結合部１１３６は、ユーザが自分の肘関節を使用するのを支援し得る電気モータを含む。よって、結合部１１３６を、電気的に作動させ得ることにより、結合部１１３６における第１のリンク部１１３０と第２のリンク部１１３２との間の角度が変化する。

図１２は、ユーザ１２０１が、本発明の実施形態によるシステムを使用していることを概念的に示す。ユーザはここでは肢切断者であり、大腿部である身体部位１２０３に隣接した肢が欠けている。よって、ユーザは、デスクトップディスプレイ１２０７上に示される訓練環境においてゲームをプレイするかまたはタスクを実行するためにゲームコントローラ１２０５の形態の入力システムを使用している。欠けている肢の運動意志はまた、ゲームをプレイするための入力として使用される大腿部１２０３における電極１２０９からのシグナルを使用して復号可能である。身体部位１２０９と接触して設置された電極および／またはアクチュエータ１２１０を介して体性感覚刺激が与えられ得る。訓練環境からの聴覚フィードバックが、ヘッドホン１２１１を使用して提供されてよい。

図１３は、ユーザ１３０１が、本発明の実施形態によるシステムを使用していることを概念的に示す。ユーザ１３０１は、ここでは上半身を回す形態の意図された運動を示すシグナルを収集するためにユーザの背中１３０５上に配置された検出電極１３０３を有する。訓練環境からの視覚フィードバックが、デスクトップディスプレイ１２０７上に提供され、例えば、背中の痛みを治療するために身体部位１３０５と接触して設置された電極および／またはアクチュエータ１３０７を介して体性感覚刺激が与えられてよい。

図１４は、本発明の実施形態による方法ステップのフローチャートである。方法は、訓練環境におけるタスクを実行することに関連しているユーザ入力を、ユーザが訓練環境におけるタスクの実行を制御できるように構成される入力システムから受信するステップＳ１０２を含む。ステップＳ１０４において、ユーザ入力に基づいて訓練環境の少なくとも１つの要素を形質変換する。ステップＳ１０６において、少なくとも１つのアクチュエータまたは電極を使用して体性感覚刺激をユーザの身体部位に提供する。この体性感覚刺激は、実行されるタスクに関連している訓練環境からの出力に基づいている。

図１５は、本発明の実施形態による方法ステップのフローチャートである。方法は、訓練環境におけるタスクを実行するために患部または欠けている身体部位の意図された運動を示すシグナルをユーザの身体部位から収集するステップＳ２０２を含む。ステップＳ２０４において、シグナルを復号して意図された運動を推量する。ステップＳ２０６において、復号されたシグナルに基づいて訓練環境の少なくとも１つの要素を変換する。ステップＳ２０８において、少なくとも１つのアクチュエータまたは電極を使用して体性感覚刺激をユーザの身体部位に提供する。この体性感覚刺激は、実行されるタスクに関連している訓練環境からの出力に基づいている。

方法は、前に実行されたタスクの結果に応じて次第に困難になっていくタスクをユーザに提供することを含んでよい。これは、図１６および図１７に概略的に示されている。

本明細書におけるリハビリテーション態様では、痛みを軽減しかつ機能を回復させるために神経可塑性に頼っている。従って、本発明を使用することによって、難易度を適切に調節することによって、目下のリハビリテーションタスクへのユーザの関心を引き付け続ける（例えば、心を込める）ことを確実にする。心を込めることは、神経可塑性を有効にする必須条件であることが知られている。

困難さを高めていくリハビリテーションタスクは、療法の進行を通してユーザに利用可能とされる。最初の演習は単に運動的または感覚的なものであり、その後、１つだけの動きおよびいくつかのタイプの感覚フィードバックを伴う簡易な閉ループ制御タスクになる。以下のルールは、その後に難易度が上がる一例である：
１．体性感覚以外の感覚フィードバックのタイプの数が低減される。これによってユーザは体性感覚フィードバックにもっと頼らざるをえなくなる。
２．感覚刺激の分解能が増大する。これはタスクを達成するために感覚識別のより高い技能を必要とする。
３．運動制御のために実行される動きの数が増大する。これはユーザが運動技能を改善することを必要とする。
４．運動制御のために、単なる個々の動きではなく同時の動きが必要とされる。これはより高い運動制御技能を必要とする。
５．誤差の許容可能範囲が低減される。これはユーザがより精密な制御およびより微細な感覚識別を提供することを必要とする。

上記の要因１～５の組み合わせは、ユーザの性能に基づいて適切に変更される。図１６における表１は、難易度がレベル１からレベル５まで増大するにつれてフィードバックのタイプが低減し、制御入力の数が増大する一例を示す。この表は、フィードバックタイプの低減を例示しているが、並行して、ユーザにより高い識別技能を求めるように触覚フィードバックの分解能を増大させることができる（図示せず）。

例えば、難易度１では、キーボード、マウス、およびタッチスクリーンなどの入力システムが使用されるのに対し、訓練環境からの出力として完全な視覚、聴覚、および触覚フィードバックが提供される。

難易度２では、筋肉の動きに頼る入力システム、例えば、１また２入力のみが必要とされる復号済みの意図された運動が使用され、部分的な視覚フィードバックのみおよび全触覚フィードバックが使用される。

難易度３では、筋肉の動き、例えば、３～６の異なる運動が入力として使用される復号済みの意図された運動に頼る入力システムが使用され、部分的な視覚フィードバックのみおよび全触覚フィードバックがユーザに出力として提供される。

難易度４では、筋肉の動き、例えば、７～１０の異なる運動が入力として使用される復号済みの意図された運動に頼る入力システムが使用され、部分的な触覚フィードバックがユーザに出力として提供される。

難易度５では、筋肉の動き、例えば、１０を超える異なる運動が入力として使用される復号済みの意図された運動に頼る入力システムが使用され、さらにもっと低減された部分的な触覚フィードバックがユーザに出力として提供される。

それ故に、次第に困難になっていくタスクを提供することは、難易度１から始まって、タスクを実行するにあたってのユーザの成果に応じてより高いレベルに移ることに対応し得る。

図１７は、全ての感覚タイプが最も低い難易度（レベル１）で提供されるゲームの一例で、困難さを例えば、レベル２～５まで高めるために、感覚タイプの提供がどのくらい低減可能であるかを概略的に示す。図１８Ａ～Ｅは、難易度が、フィードバックとしてユーザに提供されるさまざまなタイプの出力にどれくらい関連しているかを概略的に示す。図１７および図１８Ａ～Ｅについて併せて論じられる。

例えば、図１７および図１８Ａの難易度１では、キーボード上の矢印キーが入力として使用され、出力は、聴覚フィードバック、視覚フィードバックの全部、ならびにアクチュエータのアレイ、摺動部、振動部、および圧縮バンドによって提供される触覚フィードバックである。

困難さが図１７および図１８Ｂのレベル２まで進行すると、矢印キーの組み合わせ、例えば、カノン砲を移動させるための右キーおよび左キーによる入力が提供され（レベル１の視覚フィードバックを参照）、カノン砲で撃つための運動意志入力が提供される。カノン砲を除去することによって視覚フィードバックを低減させ、このカノン砲の位置はここで摺動部およびアレイ状のアクチュエータによる触覚フィードバックのみによって提供される。さらに、アクチュエータのアレイ、摺動部、振動部、および圧縮バンドによって触覚フィードバックが提供される。

困難さが図１７および図１８Ｃのレベル３まで進行すると、矢印キーの組み合わせ、例えば、カノン砲を移動させるための運動意志、およびカノン砲を撃つための上向き矢印キーによる入力が提供される。カノン砲、およびカノン砲によって生じた光線を除去することによって視覚フィードバックを低減させ、これらの位置はここで摺動部およびアレイ状のアクチュエータによる触覚フィードバックのみによって提供される。さらに、アクチュエータのアレイ、摺動部、および圧縮バンドによって触覚フィードバックが提供される。

困難さが図１７および図１８Ｄのレベル４まで進行すると、さまざまな関節における運動意志が、カノン砲を移動させかつカノン砲を撃つために使用され得る場合の運動意志のみによる入力が提供される。視覚フィードバックが除去され、触覚フィードバックのみが訓練環境からの出力として提供される。カノン砲および光線の位置はアレイ状のアクチュエータおよび摺動部によって表される。

困難さが図１７および図１８Ｅのレベル５まで進行すると、入力は運動意志のみによって提供されるが、ここでは、カノン砲を移動しカノン砲を撃つために同じ関節を使用するという運動意志を使用して入力が提供される。出力として、訓練環境から触覚フィードバックのみが提供される。カノン砲および光線の位置はアレイ状のアクチュエータによって表される。

本発明の実施形態は、さまざまなやり方で、好ましくは、できるだけ少数の構成要素によって感覚受容器を活性化させるように適応される。図１９Ａ～Ｂについて併せて説明する。

図１９Ａは、ユーザの肢などの身体部位の周りに配置されるように適応される例示の触覚フィードバック装置１９００を概念的に示し、図１９Ｂは、ユーザの上腕１９０３に取り付けられた触覚フィードバック装置１９００を示す。触覚フィードバック装置１９００は、ユーザの肢に巻き付けられるように意図されているカフ１９０１またはカラーとして成形される。

アクチュエータ１９０２のアレイ（１つのみに番号が付せられている）は、触覚フィードバック装置１９００の内側、すなわち、カフ１９０１の内側に位置しており、それによって、触知刺激がユーザの身体部位の皮膚上に与えられ得る。

さらに、カフ１９０１の両方の遠位端に、対応する摺動デバイス１９０６ａ、ｂが配置されている。摺動デバイス１９０６ａについてここで説明すると、摺動部１９０６ｂは摺動デバイス１９０６ｂと同じ構成要素を含む。摺動部１９０６ａは、肢に巻き付けられ得るロープまたは紐１９０８を含む。紐１９０８の端部は対応する連続サーボモータ１９１０に取り付けられる。両方のサーボモータ１９１０を同じ方向に作動させることによって、ユーザの身体部位の皮膚上の摺動感覚（毛叢）が実現される。例えば、図１９Ｂにより良く見られる結び目１９０９を紐１９０８上に加えることは、紐の軸上の１つの位置を特定する可能性に寄与する。摺動デバイス１９０６ｂのサーボモータは１９１１と示されている。

さらに、触覚フィードバック装置１９００は、摺動デバイス１９０６ｂが位置するカフ１９０１の遠位端に別の感覚フィードバックデバイスを含む。感覚フィードバックデバイスはここでは、皮膚を伸ばすまたは緊張させるように適応される伸長デバイス１９２０の形態のものである。伸長デバイス１９２０は、ユーザの肢の周りに取り付けられかつ締め付けられるように適応されるカラー１９２２またはバンドを含む。さらに、紐１９２４は、一方の側、ここではカラー１９２２側でサーボモータ１９２６に連結され、他方の側、ここではカフ１９０１側で固定点に連結される。

サーボモータ１９２６のうちの１つを作動させることによって、対応する紐１９２４が締め付けられ、これによって、カラーの対応する側がカフ１９０１の方へ移動させられることで、皮膚の伸びる感覚（ルフィニ終末）がもたらされて、固有受容性の錯覚がもたらされる。

さらに、触知点を提供するための可能な実装形態が、図１９Ｂにおける詳細図のうちの１つに概念的に示される。アクチュエータ１９０２は、磁心１９４４を有するコイル１９４０を含む。コイルを作動させることによって、磁心はコイル１９４０内でおよびコイル１９４０外に移動して、ユーザの身体部位１９０３の皮膚１９４６に触れる時に触知点をもたらす。

制御部６０８は、図６を参照すると、感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのための訓練環境を制御するように構成され得る。制御部は、ユーザが訓練環境におけるタスクを実行することに関連しているユーザ入力を受信することであって、ユーザ入力はユーザがタスクの実行を制御できるように構成される入力システムから受信可能である、ユーザ入力を受信することと、ユーザ入力に基づいて訓練環境におけるタスクに影響を提供するように少なくとも１つの要素を制御することと、実行されたタスクによってもたらされた訓練環境の変数を処理して、体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体上／身体内に設置可能な少なくとも１つのアクチュエータ６０８または電極への出力にすることとを行うように構成される。

制御部は、一組のセンサによってユーザの身体部位から収集されたシグナルを受信することであって、シグナルは、訓練環境におけるタスクを実行するために患部または欠けている身体部位の意図された運動を示している、シグナルを受信することと、シグナルを復号することによって意図された運動を推量することと、復号されたシグナルに基づいて訓練環境におけるタスクに影響を提供するように少なくとも１つの要素を制御することとを行うように構成されてよい。

感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよびペインリハビリテーションのための訓練環境を制御するためのコンピュータプログラム手段が記憶されたコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品がさらに提供される。該コンピュータプログラム製品は、訓練環境におけるタスクを実行することに関連しているユーザ入力を処理するためのコードであって、ユーザ入力はユーザがタスクの実行を制御できるように構成される入力システムから受信可能である、ユーザ入力を処理するためのコードと、ユーザ入力に基づいて訓練環境におけるタスクに影響を提供するように少なくとも１つの要素を制御するためのコードと、実行されたタスクによってもたらされた訓練環境の変数を処理して、体性感覚刺激を提供するためにユーザの身体上／身体内に設置可能な少なくとも１つのアクチュエータまたは電極への出力にするためのコードとを含む。

コンピュータプログラム製品は制御部６０８上で動作していてよい。

処理回路または制御部は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ、または別のプログラマブルデバイスを含んでよい。制御部は、さらにまたは代わりに、特定用途向け集積回路、プログラマブルゲートアレイもしくはプログラマブルアレイ論理、プログラマブル論理デバイス、またはデジタルシグナルプロセッサを含んでよい。制御部が、上に述べた、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、またはプログラマブルデジタルシグナルプロセッサなどのプログラマブルデバイスを含む場合、プロセッサは、プログラマブルデバイスの動作を制御するコンピュータ実行可能コードをさらに含んでよい。

１つまたは複数の例では、説明される機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせで実装されてよい。機能は、ソフトウェアで実装される場合、コンピュータ可読媒体上で１つまたは複数の命令もしくはコードとして記憶されまたは送信され、かつ、ハードウェアベースの処理部によって実行されてよい。コンピュータ可読媒体は、データ記憶媒体などの有形的表現媒体に対応するコンピュータ可読記憶媒体、または、例えば、通信プロトコルに従って、ある場所から別の場所までのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体を含んでよい。このように、コンピュータ可読媒体は一般的に、（１）非一時的である有形のコンピュータ可読記憶媒体、または、（２）シグナル波または搬送波などの通信媒体に対応し得る。データ記憶媒体は、本開示に説明される技法の実装のための命令、コード、および／またはデータ構造を検索するために、１つもしくは複数のコンピュータまたは１つもしくは複数のプロセッサがアクセスできる任意の利用可能な媒体であってよい。コンピュータプログラム製品は、コンピュータ可読媒体を含んでよい。

限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、もしくは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージもしくは他の磁気ストレージデバイス、フラッシュメモリ、または、命令またはデータ構造の形態で所望のプログラムコードを記憶するために使用可能であり、かつコンピュータによってアクセス可能である任意の他の媒体を含むことができる。

本発明は、本発明の具体的な例示の実施形態を参照して説明されているが、多くのさまざまな変更および修正などが当業者には明らかになるであろう。

さらに、開示された実施形態の変形は、図面、本開示、および添付の特許請求の範囲を検討して、特許請求された発明を実践する際に当業者によって理解されかつもたらされ得るものである。特許請求の範囲において、「備える」という語は、他の要素またはステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を除外するものではない。ある特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが利益をもたらすために使用できないことを示すものではない。

Claims (26)

1. 感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのためのシステム（１００）であって、
   ユーザが訓練環境（１０４）におけるタスクの実行を制御できるようにするための入力システム（１０２）であって、前記訓練環境における前記タスクを実行するために、患部に隣接したもしくは前記患部そのものであるか、または欠けている身体部位に隣接したユーザの身体部位から、前記患部または前記欠けている身体部位の意図された運動を示すシグナルを収集するための一組のセンサと、前記シグナルを復号して前記意図された運動を推量するための運動意志デコーダを動作させるように構成される処理回路とを含む、入力システム（１０２）を含み、
   前記システム（１００）は、実行した前記タスクに関連している前記訓練環境からの出力に基づいて前記ユーザに体性感覚刺激を提供するために前記ユーザの身体部位と接触して設置可能な少なくとも１つのアクチュエータ（１０６）または電極（１０６）をさらに含み、
   前記処理回路は、復号された前記シグナルに基づいて前記訓練環境の少なくとも１つの要素を制御するように構成されている、システム（１００）。
2. 前記運動意志デコーダが、前記シグナルを復号し、モデルに従って前記ユーザによる前記意図された運動を推量するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記センサが、電気シグナルを記録するためにユーザの皮膚に配置可能な電極である、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記センサが、電気シグナルを記録するために前記ユーザの身体に埋め込み可能である電極である、請求項１または２に記載のシステム。
5. 前記体性感覚刺激を提供するために前記ユーザの身体部位上に設置可能なアクチュエータおよび／または電極のアレイを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記アクチュエータのアレイが、前記訓練環境の触知表示を前記ユーザに提供する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記アクチュエータおよび／または電極のアレイが触覚ディスプレイである、請求項４または５に記載のシステム。
8. 前記体性感覚刺激を提供するための少なくとも１つの前記電極が、前記ユーザの身体部位に埋め込み可能な電極を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記復号されたシグナルの結果に基づいて前記ユーザの身体に運動感覚フィードバックを提供するように構成されている運動感覚フィードバックデバイスを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記訓練環境からの前記出力が、前記タスクを実行するための前記訓練環境に前記ユーザによって提供される入力に直接または間接的に関連している、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記訓練環境からの視覚フィードバックを提供するためのディスプレイを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記ユーザの身体部位の前記運動を安定させるために配置可能な外骨格安定化部を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記外骨格安定化部が、前記タスクを実行する時に前記ユーザが前記身体部位を動かすのを支援するために電力供給される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記訓練環境からのさらなる出力に基づいて聴覚フィードバックを前記ユーザに提供するためのオーディオデバイスを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 前記訓練環境からのさらなる出力に基づいて熱的フィードバックを前記ユーザに提供するための熱機器を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記訓練環境が仮想訓練環境である、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記ユーザの脳を、興奮させる、抑制する、および／または刺激するように構成されている脳調整および／または脳刺激デバイスを含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記タスクが、運動訓練タスク、感覚訓練タスク、および／または感覚運動訓練タスクのうちの少なくとも１つである、請求項１から１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよび／またはペインリハビリテーションのための訓練環境を制御するように構成されている制御部であって、
    一組のセンサによってユーザの身体部位から収集されたシグナルを受信することであって、前記身体部位は、患部に隣接しておりもしくは前記患部そのものであり、または欠けている身体部位に隣接しており、前記シグナルは、前記訓練環境におけるタスクを実行するために前記患部または前記欠けている身体部位の意図された運動を示しており、入力システムから受信可能である前記ユーザ入力は、ユーザが前記タスクの実行を制御できるように構成されている前記一組のセンサを含む、前記シグナルを受信する、
    前記シグナルを復号することによって前記意図された運動を推量する、
    復号された前記シグナルに基づいて前記訓練環境における前記タスクに影響を提供するように少なくとも１つの要素を制御する、
    実行された前記タスクによってもたらされた前記訓練環境の変数を処理して、体性感覚刺激を提供するために前記ユーザの身体上／身体内に設置可能な少なくとも１つのアクチュエータまたは電極への出力にするように構成されている、制御部。
20. 感覚運動障害による機能性リハビリテーションおよびペインリハビリテーションのための訓練環境を制御するためのコンピュータプログラム手段が記憶されたコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品であって、
    訓練環境におけるタスクを実行することに関連しているユーザ入力を処理するためのコードであって、前記ユーザ入力はユーザが前記タスクの実行を制御できるように構成される入力システムの一組のセンサによってユーザの身体部位から収集されるシグナルから受信可能であり、前記身体部位は、患部に隣接しておりもしくは前記患部そのものであり、または欠けている身体部位に隣接しており、前記シグナルは、前記訓練環境における前記タスクを実行するために前記患部または前記欠けている身体部位の意図された運動を示している、前記ユーザ入力を処理するためのコードと、
    シグナルを復号することによって前記意図された運動を推量するためのコードと、
    復号された前記シグナルに基づいて前記訓練環境における前記タスクに影響を提供するように少なくとも１つの要素を制御するためのコードと、
    実行された前記タスクによってもたらされた前記訓練環境の変数を処理して、体性感覚刺激を提供するために前記ユーザの身体上／身体内に設置可能な少なくとも１つのアクチュエータまたは電極への出力にするためのコードと
    を含む、コンピュータプログラム製品。
21. 感覚運動障害リハビリテーションのための方法であって、
    訓練環境におけるタスクを実行することに関連するユーザ入力を、ユーザが前記訓練環境における前記タスクの実行を制御できるように構成される入力システムから受信することであって、前記ユーザ入力を受信することは、患部に隣接したもしくは前記患部そのものであるか、または欠けている身体部位に隣接した前記ユーザの身体部位からシグナルを収集することを含み、前記シグナルは、前記訓練環境における前記タスクを実行するために前記患部または前記欠けている身体部位の意図された運動を示している、前記ユーザ入力を受信することと、
    前記シグナルを復号して前記意図された運動を推量することと、
    復号された前記シグナルに基づいて前記訓練環境の少なくとも１つの要素を変換変換することと、
    少なくとも１つのアクチュエータまたは電極を使用してユーザの身体部位に体性感覚刺激を提供することであって、前記体性感覚刺激は、実行された前記タスクに関連している前記訓練環境からの出力に基づいている、前記体性感覚刺激を提供することとを含む、方法。
22. 前に実行された前記タスクの結果に応じて次第に困難になっていくタスクを前記ユーザに提供することを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記ユーザが前記訓練環境におけるタスクを実行している間に、前記ユーザに脳調整または脳刺激を提供することを含む、請求項２１または２２に記載の方法。
24. 前記ユーザが前記訓練環境におけるタスクを実行するより前に、または前記ユーザが前記訓練環境におけるタスクの実行を完了すると、脳調整または脳刺激を提供することを含む、請求項２１から２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記訓練環境において前記ユーザによって実行される前記タスクから独立して脳調整または脳刺激を前記ユーザに提供することを含む、請求項２１から２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記実行されたタスクは、運動訓練タスク、感覚訓練タスク、および／または感覚運動訓練タスクのうちの少なくとも１つである、請求項２１から２５のいずれか一項に記載の方法。
    

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