JP3380540B2

JP3380540B2 - 三次元画像解析システム

Info

Publication number: JP3380540B2
Application number: JP2000338857A
Authority: JP
Inventors: 貞治木村
Original assignee: 阪本 ▲高▼士
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2020-11-07
Also published as: JP2002143112A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、障害者、健常者、
スポーツ選手等（以下、被験者という）の基本的な動作
の機能回復・維持・予防を図る場合に使用される三次元
画像解析システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】被験者の基本的な動作の機能回復・維持
・予防を図ることを目的とする理学療法の場において、
被験者の運動機能等の検査測定及び評価の際に、三次元
画像解析装置が重要な役割を果している。現状の三次元
画像解析装置は、患者の動作を三次元座標により分析す
るものであるが、次のような問題点があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】第１に、前記解析装置
のディスプレイに表示される画像は、被験者の動きを精
度高く摸式化しているだけで、その画像だけからは、自
分のどこの部位がどのように使われているのか、被験者
が理解し難い。第２に、解析結果の表示について、リア
ルタイム性に欠ける。第３に、前記解析装置は文字通り
画像を解析するもので、その解析結果を臨床の場で訓
練、治療、指導に用いられることは少なく、臨床的に活
用されていなかった。

【０００４】そこで、本願発明は、被験者にも容易に理
解できる画像を表示可能な被験者を尊重した三次元画像
解析システムの提供、リアルタイムに解析結果を表示で
きる三次元画像解析システムの提供、解析結果とその評
価に基づく訓練、治療及び指導を臨床の場で行うことが
でき、臨床的活用の促進を図ることができる三次元画像
解析システムの提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本願発明は、少なくとも撮影手段、制御手段及び表
示手段を備え、前記撮影手段が被験者に取付けられた複
数の標点からの反射光を撮影し、前記制御手段が前記撮
影手段からの撮影信号に基づき、各標点の三次元座標を
演算すると共に、演算した各標点の三次元座標データに
基づきスティック動画データを生成し、前記表示手段が
前記スティック動画データに基づき、スティック動画を
表示する三次元画像解析装置において、前記被験者に取
付けられた筋電計と、この筋電計の筋放電信号に基づい
て筋放電状態を表示する筋放電表示領域を前記スティッ
ク動画の動きに対応させて設定する領域設定手段と、前
記筋放電表示領域に、前記筋放電信号に基づく筋放電値
の時間的変化を色調の変化に変換する変換手段を設け、
前記スティック動画と共に、色調の変化を前記表示手段
に表示すると共に、前記筋放電値は、表示手段の画像の
表示周波数に対応して選択された筋放電値を積分した値
にした（請求項１に記載の発明）。

【０００６】本発明によれば、測定時の被験者の動きを
表わすスティック動画と共に、これらのスティック動画
の動きに合わせて、前記筋放電表示領域に、筋放電値の
時間的変化が色調の変化として表示される。即ち、自己
の動きと同時に筋肉の収縮が色調の変化として表示手段
に表示されるので、被験者が視覚を通じて筋肉の動きを
認識することができる。よって、被験者が理解し易い解
析装置となっている。また、筋肉の使われ方がリアルタ
イムで画面に表示されるので、被験者に判かり易く、被
験者は視覚を通じて把握した筋肉の活動の感覚を元に、
次の訓練内容を試みることができる。よって、視覚と、
その認識による運動との連係（協調性）を図ることがで
き、活動をフィードバックする視覚と運動の閉回路での
学習、訓練ができる。リアルタイム表示により、被験者
が効果的な運動学習を行える。さらに、担当する理学療
法士或は医者等は、現実の患者の動きを表わしているス
ティック動画の背景に、筋の活動を知ることができるの
で、障害の特性を正確に理解できる。

【０００７】また、筋肉の放出エネルギーを正確に把握
できる。

【０００８】前記発明において、前記筋放電値は、計測
時の筋の収縮強度を示す積分値を、被験者の最大収縮強
度を示す積分値に対する比率で正規化したものであるこ
とが好ましい（請求項２に記載の発明）。検査、訓練、
治療及び指導の成果等の客観性を担保することができ
る。

【０００９】前記発明において、筋放電表示領域の色
は、訓練前の筋放電値と、訓練後の筋放電値とで異なる
ようにしてもよいし、また、前記筋放電表示領域の色
は、健常者の筋放電値と、被験者の筋放電値とで異なる
ようにしてもよい（請求項３又は４に記載の発明）。訓
練前の画像と訓練後の画像について画像を分割し或は重
複して表示する場合、色彩が異なるので、筋肉の使われ
方の相違が、一目瞭然となる。健常者の画像と被験者の
画像について画像を分割し或は重複して表示する場合も
同様である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る実施形態の三次元画
像解析システムを図１及び図２に基づいて説明する。図
１は同システムの構成例図、図２は同システムの構成ブ
ロック図である。これらの各図及び後述する各図におい
て、同一の符号を付した構成は、同一の構成を示すもの
とする。

【００１１】前記三次元画像解析システムは、撮影手段
としての２台のＣＣＤカメラ１，２と、同期発生装置３
と、画像ボード４，５と、前記ＣＣＤカメラ１，２から
の撮影信号及び後述する筋電計８からの筋放電信号をプ
ログラムに従って加工する制御手段としてのパーソナル
コンピュータ（以下、パソコンという）６と、表示手段
としてのディスプレイ７を備えている。また、被験者Ｈ
は、各関節毎に標点としてマーカーＭ１…Ｍｎを貼る。
ここでは、運動障害である片麻痺の患者を想定してお
り、両脚の上下肢にそれぞれ前記筋電計８，８，８…の
電極を付ける。前記被験者Ｈの腰には、各筋電計８と無
線又は有線により接続されている送信機９が装着されて
いる。この送信機９と前記パソコン６は有線又は無線に
より接続されている。

【００１２】前記２台のＣＣＤカメラ１，２は、各マー
カーＭｎの三次元座標を算出し易いように、各カメラ
１，２の各光軸と前記被験者Ｈとで三角形を形成するよ
うに配置する。

【００１３】前記パソコン６は、前記ＣＣＤカメラ１，
２からの撮影信号等に基づき、前記マーカーＭ１…Ｍｎ
の三次元座標を算出すると共に、スティック動画データ
を生成し、前記ディスプレイ７にスティック動画を表示
させる。また、前記パソコン６は図２に示したように、
前記筋電計８からの筋放電信号に基づき筋放電状態を表
示する筋放電表示領域を前記スティック動画に隣接して
設定する領域設定手段６０と、前記筋放電信号により求
められる電圧値である筋放電値の時間的変化を色調の変
化に変換する変換手段６１を備えている。

【００１４】前記ディスプレイ７は、CRTディスプレイ
でもよいし、液晶ディスプレイでもよい。

【００１５】このように構成されたシステムの動作例を
図３に示したフロー図を参照しつつ説明する。前記パソ
コン６は、前記同期発生装置３によりタイミングが調整
された前記ＣＣＤカメラ１，２からの撮影信号を、それ
ぞれメモリに格納する（ステップ１）。

【００１６】と同時に、被験者Ｈの上下肢の筋電計８…
が出力する筋放電アナログ信号が前記送信機９を介しパ
ソコン６に送出されると、前記信号はアナログデジタル
変換回路において、所定のサンプリング周波数でデジタ
ル化された筋放電値となり、各チャンネル毎にメモリに
格納される（ステップ２）。

【００１７】この場合、前記各筋放電信号のデータと前
記撮影信号のデータは、時間的に関連付けておく。例え
ば、前記撮影信号のデータを格納するメモリのアドレス
には、撮影時間のデータが、一方、前記筋放電信号のデ
ータを格納しているアドレスにも計測時間のデータを書
込んで、相互に関連付ける（ステップ３）。

【００１８】前記パソコン６は、ステップ４において各
マーカの三次元座標を算出する。この算出方法は、例え
ば前記カメラ１と前記各マーカ（映像信号中の輝点）間
を結ぶ直線の直線方程式と前記カメラ２と前記各マーカ
（映像信号中の輝点）間を結ぶ直線の直線方程式から各
直線の交点を算出し、座標を求める。求められた座標は
前記時間データと共にメモリに格納され、次のステップ
５において、各座標を結んだ動画データを作成するステ
ィック動画データ処理に移行する。

【００１９】このスティック動画データ処理において
は、動画データを作成するとともに、前記領域設定手段
６０が、前記動画データの座標情報を基準に、筋放電表
示領域を区画する各座標を算出する。

【００２０】次のステップ６では、前記変換手段６１が
前記筋放電値の時間的変化を、例えば「赤色」の色調デ
ータの変化に置換える。

【００２１】次のステップ７では、前記時間データを基
準に、前記色調データ、動画データ、筋放電表示領域デ
ータから、表示パターンを作成する。その後に、表示パ
ターンデータをグラフックメモリに書込み、表示プログ
ラムに従って前記ディスプレイ７に、前記スティック動
画と色調の変化を表示させる。

【００２２】このような構成において、図４に示したよ
うに、スティック画面Ｓが動きながら、筋肉の最活動値
は真赤（筋放電表示領域６０２）、不活動値は透明（筋
放電表示領域６００，６０１）、それの中間の活動値は
赤（筋放電表示領域６０３）というように、活動値によ
って色調が変化する。よって、リアルタイムで画像を動
かしながら、色調が変化するので、使われるべき筋の正
確な運動を促し、その運動を繰返すことにより、退院指
導等に導くことができる。

【００２３】前記サンプリングとしては、前記ディスプ
レイ７のフレーム周波数に一致させたサンプリンク周波
数にしてもよい。

【００２４】色調データの作成は、次のような作成方法
でもよい。即ち、図５に模式的に示したように、所定区
間Ｔ（時間）内の筋放電値の平均値を求め、その平均値
を色調データとする。

【００２５】その他、前記筋放電値の積分値を求め、そ
の積分値データを色調データとする。例えば、色調デー
タは、ディスプレイ６のフレーム周波数との関係で、次
のように計算される。即ち、前記ディスプレイ７の画像
のフレーム周波数が、例えば６０ヘルツであれば、フレ
ーム・レートは、約１６．６ｍｓとなる。一方、筋放電
信号が１ｋヘルツである場合には、１ｍｓ毎に筋放電値
のデータが乗っている。よって、図６に示したように、
１フレームＦ毎の約１６個の筋放電値のデータにつき、
積分値を求め、この値に応じて色調データを算出する。

【００２６】上記の実施形態では、フレーム周波数の６
０ヘルツに合わせて、サンプルを間引きしているが、ス
ポーツ選手の筋放電データを解析する場合には、より高
周波数のフレーム周波数であることが必要である。よっ
て、このような場合には、その周波数に合わせて、サン
プルデータを間引きする。

【００２７】上記実施形態では、前記筋放電値の積分値
を算出し、その積分値をそのままその値と色調とを対応
付けているが、次のような算出方法でもよい。図７に模
式的に示したように、被験者の動作時の収縮強度に対応
する筋放電値を、被験者の最大収縮強度に対応する筋放
電値の積分値に対する比率で正規化した上で、色調デー
タとする。筋肉の使い方は、同じ被験者でもその日の体
調等によって異なり、また場面、場面においても変化す
るもので、同じ動作であっても、使われるエネルギーが
異なることから、積分値をそのまま色調に変換して表示
しても、意味が薄れる場合がある。一方、最大収縮時の
筋放電積分値を１００％とした時の相対的な活動量を割
合（図７の場合は３８％）で表わし、この割合に基づき
色調データを算出することで、筋肉の活動を客観的に視
覚化できる。この場合には、検査前に、被験者の最大収
縮時の筋放電積分値を予め計測し、メモリに格納してお
く。

【００２８】なお、前記ディスプレイ７の画面を分割す
る画像分割手段を前記パソコン６に設け、同様に前記デ
ィスプレイ７の画面を重複させる画像重複手段を設けて
もよい。これにより、ビデオ画像と前記スティック画像
との重複表示処理も行うことができる。また、歩行に関
しては、個人差を考慮して１歩行周期で正規化し、健常
者の色調データと被験者の色調データを重複して表示し
てもよい。この場合、健常者の筋放電値と、被験者の筋
放電値とで異なる色調にしてもよい。また、健常者の筋
放電値は、年齢別、性別等に区分し、出来るだけ多くの
データを蓄積することが望ましく、このようにすること
によってカスタマイズ機能を発揮させることができる。

【００２９】同一の被験者について、初期評価時、再評
価時等２回のデータを色調を変えることによって重複表
示してもよい。例えば、初期評価時の色調データを青色
調で画面に表示し、再評価時の色調データを赤色調で画
面に表示する。その結果、被験者、理学療法士及び医師
等も過去、現在の状態を理解し易い。

【００３０】上記実施形態では、片麻痺の被験者を対象
にしたが、この解析システムは筋力増強運動、バランス
運動等にも使える。また、スティック動画に代えて、シ
ルエットモデルでもよい。

【００３１】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、被験者が理解
し易い被験者本位の解析装置となっている。また、協調
性を図ることができ、活動をフィードバックする視覚と
運動の閉回路での学習、訓練ができる。さらに、担当す
る理学療法士、医者は、その患者が動いている背景に、
筋の活動を知ることができるので、障害の特性を正確に
理解できる。

【００３２】また、筋肉の放出エネルギーを正確に把握
できる。

【００３３】請求項２に記載の発明によれば、検査の客
観性を担保することができる。

【００３４】請求項３又は４の発明によれば、訓練の前
後、健常者と被験者間で、色調が異なるので、筋肉の使
われ方の相違が、一目瞭然となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係る三次元解析システムの概略
図、

【図２】同構成ブロック図、

【図３】同フロー図、

【図４】同動作説明図、

【図５】信号処理の模式図、

【図６】信号処理の模式図、

【図７】信号処理の模式図。

【符号の説明】

１２カメラ３同期発生装置４５画像ボード６ＣＰＵ７ディスプレイ８筋電計９送信機６０領域設定手段６１変換手段６００６０１６０２６０３筋放電表示領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】撮影手段と、制御手段と、表示手段を備
え、前記撮影手段が被験者に取付けられた複数の標点か
らの反射光を撮影し、前記制御手段が前記撮影手段から
送出された撮影信号に基づき、各標点の三次元座標を演
算すると共に、演算した各標点の三次元座標データに基
づきスティック動画データを生成し、前記表示手段が前
記スティック動画データに基づき、スティック動画を表
示する三次元画像解析システムにおいて、前記被験者に取付けられた筋電計と、この筋電計の筋放電信号に基づいて筋放電状態を表示す
る筋放電表示領域を前記スティック動画の動きに対応さ
せて設定する領域設定手段と、前記筋放電表示領域に、前記筋放電信号に基づく筋放電
値の時間的変化を色調の変化に変換する変換手段を設
け、前記スティック動画と共に、色調の変化を前記表示手段
に表示すると共に、前記筋放電値は、前記表示手段の画像の表示周波数に対
応して選択された筋放電値を積分した値であることを特
徴とする三次元画像解析システム。
【請求項２】前記筋放電値は、計測時の筋の収縮強度
を示す前記積分値を、最大収縮強度を示す積分値に対す
る比率で正規化したものであることを特徴とする請求項
１記載の三次元画像解析システム。
【請求項３】前記筋放電表示領域の色は、被験者の訓
練前の筋放電値と、訓練後の筋放電値とで異なることを
特徴とする請求項１又は２に記載の三次元画像解析シス
テム。
【請求項４】前記筋放電表示領域の色は、健常者の筋
放電値と、被験者の筋放電値とで異なることを特徴とす
る請求項１又は２に記載の三次元画像解析システム。