JP4500104B2 - 歩行時の平衡機能検定装置 - Google Patents

Description

本発明は歩行時の平衡機能検定装置に関し、特に高齢者の転び易さを検査するのに適した検定装置に関する。

従来から、人の平衡機能を測定するものとして重心の移動を平面情報として捉える重心動揺計や、平衡機能を回復させるリハビリ装置として重心移動訓練装置などが存在している。特許文献１には求められた多数の重心位置から、より正確な重心中心に近い重心中心を求めることができる重心揺動計を提供することを目的とし、被検体の各足が乗せられる検出板と、該検出板に設けられて被検体の各足にかかる全荷重の中心を検出する複数の荷重検出手段と、該荷重検出手段からの検出信号に基づき、被検体の重心位置を算出する演算手段と、該演算手段によって算出された重心位置を予め設定されたＸ−Ｙ座標上の位置に変換するとともに、変換された連続的あるいは断続的なＸＹ座標位置を多数のＸＹ座標として記憶するＸＹ座標位置記憶手段と、該ＸＹ座標位置記憶手段によって記憶された多数のＸＹ座標位置を、それぞれＸ座標位置、Ｙ座標位置毎にその加重平均を求めて加重平均ＸＹ座標位置を算出し、算出された加重平均ＸＹ座標位置を重心中心位置に決定する決定手段とを備えたものが提示されている。しかし、この種の重心揺動計は、検査板の上に人が立ち、脚を開いた状態とか閉めた状態、また目を開けた状態や閉じた状態で静止した立位を保つようにし、その際の重心の振れを二次元的に検出記録して平衡機能を測定するものである。

また、特許文献２には重心移動の回復訓練をトレーナーなしに独自ででき、しかもこれを楽しくできるようにした重心移動訓練装置を提供することを目的とした「重心移動訓練装置」が開示されている。この内容は「被検者の各足が全て乗せられる検出板と、該検出板に設けられて前記被検者の各足にかかる全荷重の中心を検出する複数の荷重検出手段と、これら荷重検出手段からの検出信号に基づき、前記被検者の重心位置を実時間で算出する演算手段と、算出された重心位置をイメージとして表示する表示装置と、該表示装置上に重心移動目標となる目標イメージを表示する目標イメージ表示手段とを有し、前記重心位置のイメージを目標イメージに重ねるようにすることによって被検者が自己の重心移動を訓練するための重心移動訓練装置であって、前記目標イメージ表示手段に、目標イメージを表示装置上で移動させる移動機能と、前記目標イメージの移動パターンを入力するための入力手段と、該入力手段によって入力された設定データに基づいて目標イメージの移動パターンを設定し、前記移動機能を作動させる設定機能とを備えたことを特徴とする重心移動訓練装置」である。これは動的な動作を促しつつ人の平衡機能を訓練するためのものである。

さて、歩行という行為は、人が生活していく上で極めて重要な基本動作であるが、高齢化によって、あるいは脳梗塞や脳溢血といった病気によって、バランス良く安定してこれを行うことが困難となる場合が生じる。人の平衡機能がどの程度健全であるのかを検定することが求められているところである。そのための装置として、前記の特許文献１のような重心動揺計が提示されているが、この検査方法は人が静止状態を保つという形態での測定であるため、歩行状態における平衡機能を必ずしも正確に測定することができない。左右の脚を交互に進行方向に進める歩行という動作では重心位置を前後左右方向に移しつつ、安定姿勢を保つことが求められる。この動作における安定度の測定、すなわち、歩行における平衡機能を精度良く測定するためには重心位置の移動という動的な形態をとる中で測定することが必要である。特許文献２に開示されている「重心移動訓練装置」は、人に重心移動という動的な形態をとらせながら行うものではあるが、指定された重心移動を実行する訓練をゲーム感覚で楽しませながら行うためのもので、そのデータ結果は歩行時の平衡機能を測定するものではなく、指定された重心移動をどれだけ達成できたかの程度を示すものである。日常生活の中で、どの程度安定した歩行が可能であるのかを、歩行という動作に近い形態で正確に測定する方法を提示することが求められているところである。
特開平７−２５０８２２号公報 「重心動揺計」 平成７年１０月３日公開 特許第２８１２３８４号公報 「重心移動訓練装置」 平成１０年８月７日登録 平成１０年（１９９８）１０月２２日発行

本発明が解決しようとする課題は、歩行という動作に近い動的形態での検査によって、歩行時における人の平衡機能を精度良く測定する検定装置を提供することにある。

本発明の歩行時の平衡機能検定装置は、人が両足で乗って重心移動を行うときの移動量を検出して積算する手段と、重心移動方向を戻す動作を判別すると移動量の積算を中断する手段と、正立姿勢の重心位置にあたる中心位置の円領域である中心領域に中心領域に重心が所定時間留まったことを検知すると重心の移動量を再度積算開始する手段と、所定時間内の積算移動量を平衡機能の指標として表示する手段とを備えるようにした。
また、本発明に係る他の歩行時の平衡機能検定装置は、所定時間内の重心の積算移動量を平衡機能の指標として表示する手段に換えて、進行方向に存在する静止障害物やすれ違う人或いは自転車などの動的障害物を表示させる表示手段と、前記障害物を避けることが出来たかを演算して判定する手段とを備えるようにした。

本発明の歩行時の平衡機能検定装置は、人が両足で乗って重心移動を行うときの移動量を検出して積算する手段と、移動方向を戻す動作を判別すると移動量の積算を中断する手段と、中心領域に所定時間留まったことを検知すると重心の移動量を再度積算開始する手段と、所定時間内の積算移動量を平衡機能の指標として表示する手段とを備えるようにしたものであるから、進行方向への重心移動と正立姿勢における重心位置に戻す動作を一歩の歩行と対応させ、これを繰り返す歩行に類似の形態をとる中で平衡を取りながら、所定時間内にどれだけ体重移動が出来るかが測定でき、歩行における平衡機能をより精度良く検定することができる。
所定時間内の積算移動量を平衡機能の指標として表示する手段に換えて、進行方向に存在する静止障害物やすれ違う人或いは自転車などの動的障害物を表示させる表示手段と、前記障害物を避けることが出来たかを演算して判定する手段とを備えるようにした本発明に係る他の歩行時の平衡機能検定装置は、表示手段に進行方向に存在する障害物を表示させて、それに対処するための体重移動を促しながら検査をするものであるから、より実際の歩行に近い形態をシミュレーションして安全歩行の検査を実行することが出来る。

本発明は、前述したように歩行という動作に近い動的形態での検査によって、歩行時における人の平衡機能を精度良く測定する検定装置を提供することを目的に開発されたものであるため、従来の重心動揺計のように単に重心位置を割り出してディスプレイ画面上に１対１の関係で表示するのではなく、重心が中心領域に戻ったことを確認しつつ重心移動を捉えるようにした点に最大の特徴がある。すなわち、本発明は歩行時における平衡機能の検査を目的とするものであるから、歩行の際の重心移動形態を考察して設計を行ったものであって、まず、一方の脚で一歩を踏み出す動作では進行方向への重心移動が行われ、次に反対側の脚が一歩を踏み出す際には進行方向にあった他方の脚の近傍を通過して更に先に踏み出す動作となる。この脚が他方の脚の近傍を通過する際の姿勢は正立姿勢に近いもので、この姿勢がとれないということは体のバランスがとれていないことを意味するため、本発明では１回毎の重心移動の間にこの姿勢がとれているか否かを重要項目として確認するように設計した。この確認の具体的判断基準は、１回の重心移動の後に重心が中心位置の円領域に所定時間重心位置が存在することで中心領域に戻ったことを検知するようにし、検知した後からの体重移動を有効なものとして再度取り扱うようにしたものである。戻り動作における重心移動を移動量として採用しないのは、実際の歩行においては前述したように一方の脚で一歩を踏み出した後、反対側の脚が一歩を踏み出す際にはまず進行方向にあった他方の脚の近傍にもってくる動作となるが、これは前に進む動作というよりは体のバランスをとる動作であり、歩進はこの位置を通過して更に先に踏み出す動作となったときに始まると考えることができるので、それに整合を採ったものである。このため、本発明では戻り動作の後一旦体の平衡がとれないときは重心移動がいくら行われても有効移動距離には加算されないようになっている。

上記の基本思想に基づく本発明を更に実際の歩行に近い状況を整えて、より歩行時に近いおける平衡機能の検定を行うため、ディスプレイ上に進行方向に存在する静止障害物やすれ違う人或いは自転車などの動的障害物を表示させるようにし、前記障害物を避けて歩くことが出来たかどうかを演算して判定する検定方法に想到した。
この歩行時の平衡機能検定装置では、人が両足で乗って重心移動を行うときの移動量を検出して積算する手段と、移動方向を戻した動作を判別すると移動量の積算を中断する手段と、中心領域に所定時間留まったことを検知すると重心の移動量を再度積算開始する手段とを基本構成として備える上に、進行方向に存在する静止障害物やすれ違う人或いは自転車などの動的障害物を表示させる表示手段と、前記障害物を避けることが出来たかを演算して判定する手段とを備えるようにした。今、進行方向に電柱やゴミ箱等が存在する場合、重心移動に対応する方向と移動量から進行方向と歩幅を演算して、被検者の歩みをシミュレートすると共に、障害物の画像はそれに応じて近接するように画像処理される。障害物が近づくにつれてそれを避ける方向に重心移動することが画面表示で促される。この検定装置では重心移動１回毎に中心領域に戻ることを検出することで平衡が保たれていることを確認しつつ回避動作の検査が行える。この検査の評価は障害物の存在するルートを健常者が歩いた場合とる理想コース（線ではなく幅を持った情報）とのズレ具合で評価し、もし、接触してしまったなら、その接触の程度に応じて限定するようにする。

障害物が人であったり、自転車など動的障害物であるときはその動きも加えられてシミュレートするようにし、上記と同様の画像処理がなされる。ただし、動的障害物の場合には高齢者等動きの遅い人の場合には早い時期から回避体制に入る必要があり、健常者の理想コースとは当然に異なってくるので、理想コースは被検者の歩み速度を加味して健常者のコースに修正がなされるようにする。

本発明の基本構成を図１に示し、その作動を具体的に説明する。１は被検者が両足を乗せて乗る重心移動計測台、２は演算部、３は記憶部、４はキーボード等の入力部そして５はディスプレイである。３の記憶部には少なくともこの平衡機能検定装置を作動させるプログラムを蓄積しているＲＯＭと、各パラメータの設定値や検出したデータそして演算したデータを記憶するＲＡＭとを備えている。演算部２、記憶部３、入力部４そしてディスプレイ５は汎用のパソコンを用いることができる。この装置の特異な構成はＲＯＭに納められるプログラムにあり、そのプログラムに基づいて機能する本発明装置の動作について順次説明する。

まず、重心移動測定であるが、重心移動計測台１は従来の重心動揺計における検出板と大きく異なるものではなく、３つ以上のロードセルのような重量負荷検出センサーが配置され、それぞれの検出値を出力するものであって、複数のセンサーの検出情報を受けた演算部２では重心の二次元的位置を算出する機能を備えている点を含め、周知のものである。本発明では平衡状態判別のため、被検者の正立状態を把握することが必要となる。これには検査の前処理として被検者に重心移動計測台１に乗って正立状態を保ってもらい、その際の所定時間の重心移動を測定してこの検定の基礎データとして記憶部３のＲＡＭに蓄積しておく。この基礎データは所定時間の重心位置データ群から算出を行った中心位置データと、この点を中心とした半径ｒのニュートラル円を記憶しておく。ただし、平衡機能が不良で正立状態を保とうとしても重心位置が大きくふれる被検者の場合には半径ｒに係数を設定してニュートラル円の大きさを調整出来るようにした。そしてこの調整値は検定評価の要素となる。

次に本発明では重心移動をデータ化するため位置ベクトルという概念を用いるが、この求め方は設定されたサンプリング期間毎に重心移動計測台１の検出情報から重心位置を演算して得ると共に、得られたＮ個のデータ群をユニット情報として取り扱い、位置ベクトルを得る。具体的には、Ｎ個ある位置データから次式に基づいてａ，ｂを演算し、ベクトルの直線式をＹ＝ａＸ＋ｂの形で算出する。

ここでＸi はｉ番目のデータのＸ座標情報を意味し、ＸはＮ個のＸ座標情報の平均値を意味し、Ｙについても同様である。ベクトルの始点は前回終点位置に最も近い直線式上の点とし、ベクトルの終点位置はＮ個目の位置データに最も近い直線上の点とする、従って、ベクトル長さはこの始点終点間の距離値となる。

次に、重心の移動状態から戻り動作に入ったことの判定についてであるが、これは前述した位置ベクトル情報に基づいて行われる。具体的には位置ベクトルの始点位置の中心位置からの距離に比例した半径とし、中心位置を円心とする判定のための円領域を決め、位置ベクトルの直線式がこの円と交わるか否か、すなわち、位置ベクトルの式と判定用円の式との連立方程式に解が存在するか否かの判定と、ベクトルの向きが円領域方向を向いているか否かで判定される。重心位置を元に戻そうという動きは当然重心を中心領域へ向かうものであるが、その方向判別は重心位置が中心位置から遠いほど判定用円の半径を大きくして方向性の基準を緩くするのが妥当であろうという考えに基づいている。

本発明の基本思想に基づくこの歩行時における平衡機能検定をゲーム感覚で楽しく行えるようにした実施例を次に示す。基本構成は図１のものであり、その動作を図２のフローチャートを参照しながら説明する。
スタートするとまず、ステップ１で被検者の正立静止情報を取得する。ディスプレイ５の画面には「準備中」の表示をするようにし、重心移動計測台１に被験者が乗って正立するとＮt 秒間の静止情報を記録する。静止しているつもりでも重心の微動は当然あり、個人差があるので、それを基礎データとしてＲＡＭに記憶する。この実施例ではその際の平均速度を被検者の静止データとする。この所定時間Ｎt秒と平均速度情報の比重は入力手段４から適宜入力して設定することができる。
ステップ２でディスプレイに図３に示したような場の画像が表示される。この例は海底の洞穴で、海底と洞壁という静止障害物が設定されている。上方から落下してくる爆弾という動的障害物もある。そしてこの画面ではスタート位置とゴール位置とが円表示されている。また、画面下方中央部には正方形の座標画像がウインドウ画面として表示されているが、この画像は重心位置を標識（ここでは小さな正方形）でリアルタイムで表示するものであり、中央部分には中心領域を示す円（ニュートラルエリア）が表示されている。この円の半径は入力手段４から適宜入力して設定することができる。

ステップ３で被検者（プレイヤー）はディスプレイ５の画像上でスタート位置からゴール位置の方向を把握してその方向に重心を移動してゲームを開始する。このときスタート位置にはプレイヤーの操作によって画面上を移動する適宜のキャラクタ（この実施例では潜水艦）が表示されており、重心移動を行うとそれに応じ位置ベクトルが算出されてベクトル量に対応してキャラクタが画面上で移動する。位置ベクトルとの長さと画面上の移動量の関係は入力手段４から係数を適宜入力して設定調整することができる。なお、重心移動がニュートラル円領域を出ていないときはエラーとし、キャラクタの移動は行わない。ステップ４では戻り動作の監視が準備されており戻り動作を検知するまでステップ３に繰り返し戻されて順次算出される位置ベクトルに応じたキャラクタの移動がなされる。また、この実施例ではステップ３のキャラクタ移動動作において、その位置ベクトル測定期間における重心移動の平均速度を監視しており、もし、その値が被検者の通常の動作を超える異常値であるときは意識した重心移動動作ではないものとしてエラー処理（「ゆっくりと動かしてください」等の注意メッセージを発すると共に、キャラクタの移動を行わない。）をする。この上限値と下限値の設定は被検者の健康度に合わせ、入力手段４から適宜入力して設定することができる。プレイヤーが１回の重心移動を終え、正立態勢をとろうとすると、その時の位置ベクトルの直線式は判定用円と交差すると共に、位置ベクトルの方向は中心領域に向くようになって戻り動作判定基準を満たすことになる。この実施例ではＮ個の位置データの内最も直線式に近い位置にある２点を採り時系列的に速い位置情報と遅い位置情報の位置関係からベクトルの向きを確認するようにした。位置ベクトルの直線式と判定用円と交差する場合でもベクトルの向きが判定円から遠ざかる場合にはキャラクタの移動は続行されることになる。そこでステップ５に進み以後の重心移動によるキャラクタの動きを停止させる。この状態でステップ６の中心領域に所定時間留まったかを判定する監視態勢が始まる。判定条件を満たさない間は繰り返しステップ５に戻りキャラクタの移動は停止状態を保つ。判定条件を満たしプレイヤーの平衡状態が確認できたなら、ステップ３に戻り重心移動に伴うキャラクタの移動が再開される。この動作はキャラクタがゴールに到達するまで繰り返される。

この間キャラクタが障害物に衝突すると減点がなされ、そのデータはＲＡＭの演算データエリアに記憶蓄積される。静的障害物を避けることは動的障害物を避けることより容易であることから、この実施例では静的障害物との衝突は動的障害物との接触より減点数が大きく設定されている。ステップ７でキャラクタがゴールに到達したことを検知すると、ゲームは終了し、ステップ８の検定結果の演算がなされ、その結果が評価値としてディスプレイ５に表示される。この評価基準はキャラクタのスタート地点出発時からゴール地点に到達するまでの時間をベースとし、前記の途中での障害物との接触による減点値や個人調整値が加味されて総合集計がなされる。このゲームでは重心移動によってキャラクタをディスプレイ画面上で動かすことが出来るが、１回の重心移動毎に正立形態がとれた上で次の重心移動がなされなければキャラクタは移動できないように設計されているので、歩行時における平衡機能を精度よく反映することが出来る。

本発明は歩行時の平衡機能検定装置として開発され、特に高齢者の転び易さを検査するのに適した検定装置であるが、プログラムによってゲーム感覚で検査手法を行うことが出来るもので、お孫さんなどと共に楽しみながら検査を行うことが出来るだけでなく、障害物を避ける動作は機能回復訓練用にとしても利用できる。また、キャラクタを移動させる機能はコンピュータの入力手段としてジョイスティックや十字キーの替わりに用いることが出来、特に手に障害のある人用には有効である。

本発明の装置の基本構成図である。 本実施例の動作を説明するフローチャートである。 本実施例のゲームの場をディスプレイ上に表示した画面図である。

符号の説明

１ 重心移動検出台 ２ 演算部
３ 記憶部 ４ 入力部
５ ディスプレイ

Claims (6)

1. 人が両足で乗って重心移動を行うときの移動量を検出して積算する手段と、重心移動方向を戻す動作を検知すると移動量の積算を中断する手段と、正立姿勢の重心位置にあたる中心位置の円領域である中心領域に重心が所定時間留まったことを検知すると重心の移動量を再度積算開始する手段と、所定時間内の積算移動量を平衡機能の指標として表示させる手段とを備えるようにした歩行時の平衡機能検定装置。
2. 人が両足で乗って重心移動を行うときの移動量を検出して積算する手段と、重心移動方向を戻す動作を検知すると移動量の積算を中断する手段と、正立姿勢の重心位置にあたる中心位置の円領域である中心領域に重心が所定時間留まったことを検知すると重心の移動量を再度積算開始する手段と、進行方向に存在する静止障害物やすれ違う人或いは自転車などの動的障害物を表示させる表示手段と、前記障害物を避けることが出来たかを演算して判定する手段とを備えた歩行時の平衡機能検定装置。
3. 移動量を検出して積算する手段は、サンプリング時間毎に採取した所定数Ｎ個の位置情報（Ｘi，Ｙi）から次式に基づいてａ，ｂを演算し、重心の位置ベクトルの直線式をＹ＝ａＸ＋ｂの形で算出するものである請求項１または２に記載の歩行時の平衡機能検定装置。
   

   

   ここでＸi はｉ番目のデータのＸ座標情報を意味し、ＸはＮ個のＸ座標情報の平均値を意味し、Ｙについても同様である。
4. 中心領域に所定時間留まったことを検知する手法は、始点位置の中心位置からの距離に応じた半径で中心位置を円心とする判定用円と直線式が交差し、ベクトルの向きが判定用円方向であるときに重心位置が中心領域へ向いたことを判定するものである請求項３に記載の歩行時の平衡機能検定装置。
5. 人が両足で乗って重心移動を行うときの移動量に対応させて場の画面上でキャラクタを移動させる手段と、重心移動方向を戻す動作を検知するとキャラクタの移動を中断する手段と、正立姿勢の重心位置にあたる中心位置の円領域である中心領域に重心が所定時間留まったことを検知すると重心の移動量に対応させて場の画面上でキャラクタの移動を再度開始させる手段と、場のスタート地点をキャラクタが出発した時からゴール地点に到達するまでの時間を平衡機能の指標として表示する手段とを備えるようにした歩行時の平衡機能検定ゲーム機。
6. 場における障害物とキャラクタが接触したことを検知して平衡機能の評価指標を減点する機能を備えた請求項５に記載の歩行時の平衡機能検定ゲーム機。

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