JP5416626B2 - 運動機能測定用のセンサ、運動機能測定システム - Google Patents

Description

本発明は、生体（人間など）についての運動機能測定用のセンサ、そのセンサとセンサからの信号を受ける運動機能測定装置とを有する運動機能測定システムに関する。

パーキンソン病や脳梗塞などの病気の患者は、運動機能障害を発現させることがある。したがって、当該患者の運動機能をなるべく正確に把握することが望まれている。従来、当該患者の運動機能を把握する場合、例えば、医師が、当該患者に手の親指とその他の指の開閉運動などをさせ、それを見て、経験に基づいて判断していた。しかし、そのような主観的な判断により運動機能を正確に把握できるとは言えない。

そこで、本出願人は、被験者（当該患者など）の手の親指と人差し指にそれぞれコイルを取り付け、被験者にそれらの指の開閉運動を行わせ、その際、一方のコイルに交流電流を流すことで磁場（磁界）を発生させ、他方のコイルに発生する誘導電流の大きさから指の開閉運動の速度、加速度などを解析することで、被験者の運動機能を高精度で測定する技術を提案している（特許文献１参照）。

特開２００８−２４６１２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示した技術では、センサを被験者の指に取り付けるにあたっての装着感やコストの面、あるいは、センサを接続する装置におけるセンサ収納の利便性の面などにおいて、必ずしも万全とは言えなかった。

そこで、本発明（運動機能測定用のセンサおよび運動機能測定システム）は、前記問題に鑑みてなされたものであり、生体の運動機能の測定に使用する使い勝手のよいセンサやその関連技術を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、運動機能測定用のセンサであって、手の指の一方に取り付けられ、外部からの通電により磁場を発生させるコイル基板、およびピンを有する磁場発生部と、前記手の指の他方に取り付けられ、前記手の指の運動による前記磁場発生部との距離の変化と、前記磁場発生部が発生する磁場の強度とに応じた大きさの電流を発生して出力するコイル基板、およびピンを有する磁場検知部と、前記センサにおける前記磁場発生部または前記磁場検出部を覆いながら前記手の指に巻き付けられ、前記磁場発生部および前記磁場検知部に備えられた前記ピンが挿通する孔を複数備え、前記磁場発生部または前記磁場検知部を覆いながら前記手の指に巻き付けられたとき、前記複数の孔のうちの２つ以上の孔に前記ピンが挿通することにより、前記指に対して、前記磁場発生部または前記磁場検知部を固定する樹脂バンドを具備することを特徴とする。その他については後記する。

本発明（運動機能測定用のセンサおよび運動機能測定システム）によれば、生体の運動機能の測定に使用する使い勝手のよいセンサやその関連技術を提供することができる。

本実施形態のセンサ、運動機能測定装置、解析装置のブロック構成図である。 （ａ）は本実施形態のセンサ、ケーブルおよびコネクタの外観を示す図であり、（ｂ）はセンサの構造を示す図であり、（ｃ）はセンサを（ｂ）のＡの方向に見た場合を示す図であり、（ｄ）はコイル基板の裏面側を示す図である。 （ａ）は本実施形態のシリコーンバンドの外観を示す図であり、（ｂ）はシリコーンバンドを用いてセンサを指に取り付ける直前の様子を示す図であり、（ｃ）はシリコーンバンドを用いてセンサを指に取り付けた様子を示す図である。 親指と人差し指のそれぞれにセンサを取り付けた様子を示す図である。 （ａ）はシリコーンバンドの他の例の外観を示す図であり、（ｂ）〜（ｄ）はそのシリコーンバンドを指に取り付ける様子を時系列に沿って示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図５（ｄ）の後の、他の例のシリコーンバンドを指に取り付ける様子を時系列に沿って示す図である。 （ａ）は本実施形態の運動機能測定装置の外観を示す図であり、（ｂ）はケーブル、コネクタを介してセンサを運動機能測定装置に接続した様子を示す図である。 （ａ）は運動機能測定装置のパネルを開いた様子を示す図であり、（ｂ）は運動機能測定装置を横向きに置いた場合の様子を示す図である。

以下、本発明（運動機能測定用のセンサおよび運動機能測定システム）を実施するための形態（以下「実施形態」と称する。）について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、被験者とは、運動機能の測定対象となりうる生体（人間、動物など）を指すが、本実施形態では人間であるものとする。本実施形態の運動機能測定システムＳでは、具体的には、被験者に対して、できるだけ早く手の親指と人差し指を開閉させる指タッピング運動を行うように指示し、このときの指の運動に基づいて、被験者の運動機能を測定する。

図１に示すように、運動機能測定システムＳは、センサ１ａ（磁場検知部）、１ｂ（磁場発生部）（以下、センサ１ａ、１ｂを特に区別しないときは「センサ１」と称する。）、運動機能測定装置２、解析装置３を備えて構成される。なお、磁場検知部と磁場発生部とで１つの運動機能測定センサをなすことから、本実施形態では、便宜上、磁場検知部をセンサ１ａ、磁場発生部をセンサ１ｂと称することとする。

センサ１ａ、１ｂは、被験者の手の二指（例えば、親指と人差し指）それぞれに装着されるものである。また、センサ１はケーブル４と接続され、ケーブル４はコネクタ５と接続されている。センサ１の構造については後記する。

運動機能測定装置２は、センサ１と解析装置３との間に入る装置であり、交流電流発生部２０１、電流検出部２０２、Ａ（Analog）／Ｄ（Digital）変換部２０３を備え、それらは具体的には各種電子回路などによって実現される。

交流電流発生部２０１は、所定周期の交流電流を発生する。
電流検出部２０２は、ケーブル４およびコネクタ５を介して受信したセンサ１からの電流を検出する。
Ａ／Ｄ変換部２０３は、電流検出部２０２で検出した電流の値をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号を解析装置３に出力する。
運動機能測定装置２の構造については後記する。

ここで、センサ１、運動機能測定装置２、解析装置３の動作の概要について説明する。なお、被験者はセンサ１ａ、１ｂを二指に装着し、指タッピング運動を行っているものとする。

まず、運動機能測定装置２の交流電流発生部２０１は、特定の周波数（例えば、２０ｋＨｚ等）を持つ交流電流を発生させる。その交流電流は、コネクタ５、ケーブル４を介してセンサ１ｂに供給される。

交流電流の供給を受けたセンサ１ｂは磁界（磁場）を発生させ、その磁界は絶えず変化する。その磁界の変化による電磁誘導によって、センサ１ａは、誘導電流を発生させる。なお、その誘導電流の大きさは、センサ１ａ、１ｂ間の距離が大きいほど、小さい。

電流検出部２０２は、センサ１ａが発生させた誘導電流を、ケーブル４およびコネクタ５を介して検出し、その情報をＡ／Ｄ変換部２０３に渡す。Ａ／Ｄ変換部２０３は、電流検出部２０２から受け取った情報（誘導電流のアナログ信号）の波形データを、所定のサンプリング周波数でデジタル信号の波形データに変換し、その変換したデジタル信号を解析装置３に送信する。解析装置３は、コンピュータ装置であり、Ａ／Ｄ変換部２０３から受信したデジタル信号に基づいて、被験者の運動機能についての解析を行う。

なお、運動機能測定装置２には、上記構成のほかに、アンプ回路、位相調整回路、ＬＰＦ（Low-Pass Filter）回路などを適宜設けることができる。なお、それらの回路などについては、詳述している特許文献１を参照するものとし、ここでは説明を省略する。

次に、センサ１、および、センサ１を被験者の指に取り付けるための樹脂バンドの構造について説明する。図２（ａ）に示すように、センサ１はケーブル４と接続され、ケーブル４はコネクタ５と接続されている。

図２（ｂ）に示すように、センサ１は、コイル部１２を有するコイル基板１１を、ピン１０２および爪接触部１０３を含む樹脂１０１で覆った構造となっている。このようにコイル基板１１全体を樹脂１０１で覆うことにより、センサ１の強度を高め、また、コイル基板１１の腐食や損傷を防止することができる。

なお、コイル基板１１は、磁場発生手段または磁場検知手段として機能するものであり、例えば、ガラスエポキシ基板等に複数層のコイル部１２を積層することで実現される。なお、コイル基板については、詳述している特許文献１を参照するものとし、ここではこれ以上の説明を省略する。

ピン１０２は、薄型円盤状の土台に球形の突起が設けられた構造となっていて、樹脂１０１の一部を形成している。ピン１０２は、後記するシリコーンバンド１１１（樹脂バンド。シリコーン製のバンド）、１２１（樹脂バンド）をセンサ１に対して固定させる手段である（詳細は後記）。

爪接触部１０３は、樹脂１０１の一部で、被験者の指にセンサ１が取り付けられるときに指の爪が接触する部分であり、図２（ｃ）にも示すように、指の形状に沿う方向の曲面を有する。この曲面を有する爪接触部１０３により、被験者は、センサ１を指に取り付けたときに、快適なフィット感を得ることができる。また、爪接触部１０３が比較的軟らかい樹脂で構成されていることにより、被験者は快適な装着感を得ることができ、爪や皮膚が傷つく可能性を低減することができる。

図２（ｄ）は、コイル基板１１の裏面側を示す図である。コイル基板１１の裏面で、コイル部１２のハーネス１６が半田接着部１４で半田付けによって固定される。ハーネス１６はケーブル４と接続されている。ケーブル４は、コイル基板１１の裏側から孔１３を通ってコイル基板１１の表側に出される。ハーネス１６とケーブル４の接続部分は、接着部１５でコイル基板１１に固定される。

このように、ケーブル４をコイル基板１１の裏側から孔１３を通って表側に出すことと、接着部１５でハーネス１６とケーブル４の接続部分をコイル基板１１に固定することで、ハーネス１６の引張強度を大幅に増すことができる。つまり、ケーブル４が引っ張られた場合でも、その力のすべてがハーネス１６に直接伝わらないようにしたことで、ハーネス１６の切断等を防止することができる。また、半田接着部１４に加わる負荷を大幅に低減して、ハーネス１６の取り付けをより確実なものとすることができる。

図３（ａ）に示すように、樹脂バンドの一例であるシリコーンバンド１１１は、厚みが薄く、全体が、平面視（厚みと垂直な方向で見た場合）で、途中の少し膨らんだ略三日月形状をしており、２個の孔１１２と１６個の孔１１３を有している。

図３（ｂ）に示すように、センサ１を指６に取り付ける際、まず、センサ１のピン１０２にシリコーンバンド１１１の孔１１２のいずれかを通し、シリコーンバンド１１１の膨らんだ側が指６の根元側にくるようにする。

その後、図３（ｃ）に示すように、シリコーンバンド１１１を指６に巻き付け、少し引っ張った状態で孔１１３のいずれかをピン１０２に通す。このようにしてセンサ１を指６に取り付けた場合、シリコーンバンド１１１は、略三日月形状をしていることによって、指６全体に万遍なく接触し、安定した装着性を実現することができる。

そして、図４に示すように、シリコーンバンド１１１によって指（人差し指）６ａにセンサ１ａを取り付け、シリコーンバンド１１１によって指（親指）６ｂにセンサ１ｂを取り付けることができる。その場合、さらに、ケーブルクリップ４１によってケーブル４を服４２に固定することで、ケーブル４がセンサ１を引っ張る事態を回避でき、指６に対するセンサ１の取り付けの安定性を向上させることができる。被験者は、この図４に示す状態で、指タッピング運動を行う。

次に、シリコーンバンドの他の例について説明する。図５（ａ）に示すように、シリコーンバンドの他の例であるシリコーンバンド１２１は、センサ１に巻き付けられる部分であるセンサカバー部１２２と、指６に巻き付けられる部分である略三日月形状の指保持部１２３（センサカバー部１２２と一部重複。略三日月形状部）と、を備えている。センサカバー部１２２と指保持部１２３とは、略Ｌ字状に一体形成されている。

センサカバー部１２２には、孔１２４、スリット１２５および孔１２６が設けられている。
指保持部１２３には、孔１２６のほかに、１６個の孔１２７が設けられている。

次に、このシリコーンバンド１２１を用いてセンサ１を指６に取り付ける手順について説明する。
まず、図５（ｂ）〜（ｄ）で順に示すように、シリコーンバンド１２１のスリット１２５にセンサ１を通す。

次に、図６（ａ）に示すように、シリコーンバンド１２１の孔１２４をセンサ１のピン１０２に通す。次に、図６（ｂ）、（ｃ）で順に示すように、シリコーンバンド１２１の孔１２６をセンサ１のピン１０２に通す。その後、図６（ｄ）に示すように、シリコーンバンド１２１を指６に巻き付け、少し引っ張った状態で孔１２７のいずれかをピン１０２に通す。

このように、シリコーンバンド１２１を用いてセンサ１を指６に取り付けた場合、シリコーンバンド１１１のときと同様、シリコーンバンド１２１の指保持部１２３が略三日月形状をしていることによって指６全体に万遍なく接触し、安定した装着性を実現することができる。

その他、シリコーンバンド１２１によれば、センサカバー部１２２と指保持部１２３が一体形成されていることから、指保持部１２３の略三日月形状の膨らみ方向を逆にして指６に取り付ける可能性をなくすことができる。なお、指保持部１２３の略三日月形状の膨らみ方向を逆にしてシリコーンバンド１２１を指６に取り付けると、指保持部１２３が指６全体に万遍なく接触せず、指６の一部を圧迫する不具合が生じるので、被験者にそのような誤装着を気付かせることができる。

また、センサカバー部１２２でセンサ１を覆うことにより、センサ１が指６と直接触れることがない。これにより、センサ１が人体にアレルギー反応を起こしうる材質から構成されている場合でも、被験者にアレルギー反応を起こさせる可能性を大幅に低減できる。また、指６に触れるのが、センサ１の樹脂１０１よりも柔らかいシリコーンであることで、被験者の指６により優しく、さらに、指６との間の摩擦が大きくなってセンサ１と指６（爪）とのずれを防止できる。

また、シリコーンバンド１２１の破損時や清掃、洗浄の目的のとき、シリコーンバンド１２１とセンサ１を自由に分離することができる。

また、スリット１２５を図５（ａ）に示す位置および大きさで設けることによって、センサ１にシリコーンバンド１２１を巻き付けたときに互いに密着させることができ、指６に対するセンサ１の取り付けの安定性を向上させることができる。

次に、運動機能測定装置２の構造について説明する。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、運動機能測定装置２は、本体部２１と、取っ手２２と、パネル２３（扉）と、ベース２４と、を備えて構成される。

本体部２１は、角の丸い略直方体形状であり、内部に、交流電流発生部２０１（図１参照）と、電流検出部２０２（図１参照）と、Ａ／Ｄ変換部２０３（図１参照）と、を収容している。また、本体部２１は、解析装置３とケーブルで接続するときに用いる外部接続用端子２１１や、運動機能測定装置２のオン／オフを操作するための電源ＳＷ２５を備えている。

取っ手２２は、本体部２１に取り付けられており、ベース２４によって支えられているときの運動機能測定装置２の重心の鉛直上方に位置している。取っ手２２がこのような位置に設けられていることにより、取っ手２２を持って運動機能測定装置２を持ち上げたときに運動機能測定装置２が傾かず、搬送時などに便利である。また、図示のように取っ手２２の下のスペースを大きく確保することで、運動機能測定装置２の搬送者が取っ手２２を手で持ちやすい。

パネル２３は、本体部２１にヒンジで開閉可能に取り付けられている。なお、パネル２３と本体部２１との幅ｗは、ここでは２０ｍｍ程度としており、この隙間に使用者が指を挟んだりしない構造としている。
ベース２４は、本体部２１を支える部材であり、平面視（取っ手２２からの方向で見た場合）で本体部２１およびパネル２３を包含する大きさを有している。

図８（ａ）に示すように、本体部２１は、パネル２３を開くと見える部分に、収納部２６およびランプ２７を備えている。
収納部２６は、その外周部にセンサ１と接続したケーブル４を巻き付けるためのものであり、例えば、スポンジ部材によって構成される。収納部２６は、交換用シリコーンバンド収納部２６１、キャリブレーションブロック収納部２６２、フック２６３、２６４、パネル保持マグネット２６５を備えている。

交換用シリコーンバンド収納部２６１は、シリコーンバンド１１１、１２１を収納するスペースである。その際、シリコーンバンド１１１、１２１を袋に入れて収納してもよい。
キャリブレーションブロック収納部２６２は、キャリブレーションブロック７を収納するスペースである。キャリブレーションブロック７は、電圧情報と指間距離との関係についての校正のために使用される器具である。被験者毎に指の大きさ等に個人差があるため、測定前に、被験者が親指と人差し指とによってキャリブレーションブロック７を把持し、そのときの電圧情報と指間距離との関係を認識することで校正を行う。なお、キャリブレーションブロック７を用いた校正については、詳述している特許文献１を参照するものとし、ここではこれ以上の説明を省略する。

フック２６３、２６４は、収納部２６の外周に巻き付けたケーブル４が外側にはみ出すのを阻止するための部材である。これにより、収納部２６の外周に巻き付けたケーブル４が外側にはみ出して、パネル２３を閉じるときに、はみ出したケーブル４が収納部２６とパネル２３の間に挟まってパネル２３を閉じることができない、あるいはそのときにはみ出したケーブル４が損傷する、といった事態を未然に回避することができる。

パネル保持マグネット２６５は、パネル２３に設けられた金属部２３１と磁気的に引き合うことで、本体部２１に対して閉じたパネル２３を安定的に固定する。また、パネル保持マグネット２６５は、フック２６３、２６４と同様、収納部２６の外周に巻き付けたケーブル４が外側にはみ出すことを阻止する役目も果たす。

このように、運動機能測定装置２によれば、使用していないセンサ１およびケーブル４を収納部２６に巻き付けておくことによりコンパクトに収納でき、運動機能測定装置２の搬送を容易にし、センサ１およびケーブル４を外部環境から保護することができる。
また、収納部２６がスポンジ部材で構成されていることにより、収納部２６に巻き付けたケーブル４やセンサ１が破損する可能性を低減することができる。

また、センサ１およびケーブル４を巻き付ける収納部２６の内側に、シリコーンバンド１１１、１２１を収納する交換用シリコーンバンド収納部２６１とキャリブレーションブロック７を収納するキャリブレーションブロック収納部２６２を設けたことで、スペースをより有効に活用することができる。

また、ベース２４が平面視で本体部２１およびパネル２３を包含する大きさを有していることで、図８（ｂ）に示すように、運動機能測定装置２を横向きに置いたときに、運動機能測定装置２が不自然に斜めな角度になる。これにより、使用者はパネル２３の開閉時やケーブル４の収納部２６への巻き付け時などに違和感を覚えるようになるので、使用者に自然に運動機能測定装置２の縦向きでの使用を促すことができる。

以上、本発明（運動機能測定用のセンサおよび運動機能測定システム）の実施形態について説明したが、本発明（運動機能測定用のセンサおよび運動機能測定システム）はこれに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で実施することができる。
例えば、センサ１を取り付ける指は、親指と人差し指に限定されることなく、中指等の他の指であってもよい。

また、樹脂バンドの素材は、シリコーンでなくても、伸縮性、軟度、強度、耐久性、耐水性、生体安全性、温度特性（温度が多少変化しても伸縮性等があまり変わらないことなど）などの点でほぼ同等以上のものであれば、シリコーン以外の物質であってもよい。
その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１ センサ（運動機能測定用のセンサ）
１ａ センサ（磁場検知部）
１ｂ センサ（磁場発生部）
２ 運動機能測定装置
３ 解析装置
４ ケーブル
５ コネクタ
６、６ａ、６ｂ 指
１１ コイル基板
１２ コイル部
１３ 孔
１４ 半田接着部
１５ 接着部
１６ ハーネス
２１ 本体部
２２ 取っ手
２３ パネル（扉）
２４ ベース
２５ 電源ＳＷ
２６ 収納部
２７ ランプ
４１ ケーブルクリップ
４２ 服
１０１ 樹脂
１０２ ピン
１０３ 爪接触部
１１１、１２１ シリコーンバンド
１１２、１１３ 孔
１２２ センサカバー部
１２３ 指保持部
１２４、１２６、１２７ 孔
１２５ スリット
２０１ 交流電流発生部
２０２ 電流検出部
２０３ Ａ／Ｄ変換部
２１１ 外部接続用端子
２３１ 金属部
２６１ 交換用シリコーンバンド収納部
２６２ キャリブレーションブロック収納部
２６３、２６４ フック
２６５ パネル保持マグネット

Claims (8)

1. 手の指の一方に取り付けられ、外部からの通電により磁場を発生させるコイル基板、およびピンを有する磁場発生部と、
   前記手の指の他方に取り付けられ、前記手の指の運動による前記磁場発生部との距離の変化と、前記磁場発生部が発生する磁場の強度とに応じた大きさの電流を発生して出力するコイル基板、およびピンを有する磁場検知部と、
   前記センサにおける前記磁場発生部または前記磁場検出部を覆いながら前記手の指に巻き付けられ、前記磁場発生部および前記磁場検知部に備えられた前記ピンが挿通する孔を複数備え、前記磁場発生部または前記磁場検知部を覆いながら前記手の指に巻き付けられたとき、前記複数の孔のうちの２つ以上の孔に前記ピンが挿通することにより、前記指に対して、前記磁場発生部または前記磁場検知部を固定する樹脂バンドと、
   を具備することを特徴とする運動機能測定用のセンサ。
2. 前記磁場発生部および前記磁場検知部それぞれは、前記指に取り付けられるときの指側の部分が前記指の形状に沿う方向の曲面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の運動機能測定用のセンサ。
3. 前記磁場発生部および前記磁場検知部それぞれのコイル基板には、当該コイル基板と電気的に接続されるケーブルが挿通される貫通孔が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の運動機能測定用のセンサ。
4. 請求項１乃至３の内のいずれか一つに記載の運動機能測定用のセンサと、
   前記運動機能測定用のセンサが接続される運動機能測定装置とを有する運動機能測定システムであって、
   前記運動機能測定装置は、前記運動機能測定用のセンサにおける前記磁場発生部および前記磁場検知部とケーブルおよびコネクタを介して接続され、前記磁場発生部に供給する交流電流を発生させる交流電流発生部と、
   前記磁場検知部が発生させた電流を検出する電流検出部と、
   前記交流電流発生部と、前記電流検出部を収容し、前記磁場発生部および前記磁場検知部に接続された前記ケーブルを巻き付けて収納する収納部を含む本体部と、
   前記本体部に開閉可能に取り付けられる扉と、
   を具備することを特徴とする運動機能測定システム。
5. 前記収納部は、スポンジ部材からなることを特徴とする請求項４に記載の運動機能測定システム。
6. 前記収納部は、巻き付けられた前記ケーブルが前記扉側にはみ出すことを阻止するためのフックを２つ以上備えることを特徴とする請求項４に記載の運動機能測定システム。
7. 前記本体部は略直方体形状であり、
   前記運動機能測定装置は、
   前記本体部を支え、平面視で前記本体部および前記扉を包含する大きさを有する部材であるベースを備える
   ことを特徴とする請求項４に記載の運動機能測定システム。
8. 前記運動機能測定装置は、
   前記本体部に取り付けられ、前記ベースによって支えられているときの前記運動機能測定装置の重心の鉛直上方に位置する取っ手を備えている
   ことを特徴とする請求項７に記載の運動機能測定システム。

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