JP6061300B2 - Training effect evaluation method, training effect evaluation calculation device, and program using hemiplegic motor function recovery training device - Google Patents
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本発明は、左又は右半身が麻痺(以下、片麻痺という)した患者を対象に、指や前腕等の麻痺している部位を訓練して運動機能回復を促す、片麻痺運動機能回復訓練装置を用いた訓練効果評価方法、および訓練効果評価演算装置、ならびにプログラムに関する。 The present invention relates to a hemiplegic motor function recovery training device for training a paralyzed site such as a finger or a forearm to promote motor function recovery for a patient whose left or right half is paralyzed (hereinafter referred to as hemiplegia) The present invention relates to a training effect evaluation method, a training effect evaluation calculation device, and a program.
脳卒中を発症すると片麻痺が残ることが少なくない。この片麻痺は、リハビリテーションにより、運動機能の一部を回復させることが可能である。脳の可塑性を発見し得る効果的なリハビリテーションとして、従来、促通反復療法と呼ばれる方法がある。この方法は、訓練に麻痺した部位の自動伸展(以下、伸張反射という)を誘発し、随意運動を引き起こすことで促通効果を高め、患者の意図した随意的な自動運動を実現している。現状のリハビリテーションは、熟練した医師や療養士の手で施されるが、訓練が長時間、長期間にわたるため、医師や作業療法士の身体的な負担が大きい。 Hemiplegia often remains after a stroke. This hemiplegia can restore a part of motor function by rehabilitation. As an effective rehabilitation that can discover the plasticity of the brain, there is conventionally a method called repeated push therapy. This method induces automatic extension (hereinafter, referred to as stretch reflex) of a part paralyzed in training, and increases voluntary movement by causing voluntary movement, thereby realizing voluntary automatic movement intended by the patient. The current rehabilitation is performed by skilled doctors and therapists, but since the training takes a long time, the physical burden on the doctors and occupational therapists is great.
このため、例えば、特許文献1には、上肢部の治療訓練を、機械を使用することにより自動的に行うことのできる訓練装置が、また、例えば、特許文献2には、四肢、首、腰等の運動効果器の運動機能が麻痺した患者に運動感覚を生成させる訓練装置が、更に、例えば、特許文献3には、麻痺した部位の運動技能を向上させるとともに、運動技能の評価を行う運動技能評価装置が開示されている。
For this reason, for example,
しかしながら上記した特許文献1〜3に開示された技術は、いずれも訓練装置の作動を制御する方法や運動能力を評価する技術に関するものであって、麻痺した部位の訓練による運動機能回復効果を評価するものではない。出願人は、脳卒中患者の指や前腕等の部位の麻痺を改善するために、強化を目指す特定の神経路の興奮、つまり、指に対して目標の伸展、前腕の回外(または回内)への伸張反射を頻回に誘発して随意運動を引き起こす方法および装置を開発し、麻痺した部位の回復促進に良好な成果を得、特許出願している(例えば、特開2011−56079号、特開2012−50728号)。しかしながら、訓練途中と訓練後において、未だに麻痺した部位の訓練による運動機能回復効果を定量的に評価する方法を確立するには至っていない。
However, the techniques disclosed in
本発明は上記した課題を解決するためになされたもので、促通反復療法を実現する片麻痺運動機能回復訓練装置を用いて指や前腕の麻痺改善を目指した結果の定量的な評価を実現して訓練効果の改善が可能な、片麻痺運動機能回復訓練装置を用いた訓練効果評価方法、および訓練効果評価演算装置、ならびにプログラムを提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above-described problems, and realized quantitative evaluation of results aimed at improving the paralysis of fingers and forearms using a hemiplegic motor function recovery training apparatus that realizes repeated repeated therapy. It is an object of the present invention to provide a training effect evaluation method, a training effect evaluation calculation device, and a program using a hemiplegic motor function recovery training device that can improve the training effect.
請求項1に係る発明は、片麻痺した部位の筋を刺激して伸張反射を誘発する訓練を行う訓練機構を備え、前記訓練を所定回数分繰り返して前記片麻痺した部位の運動機能回復を促す片麻痺運動機能回復訓練装置を用いた訓練効果評価方法であって、前記訓練機構の検知運動情報から得られる前記片麻痺した部位の伸張反射による自動運動(伸張反射による運動とさらに続く随意的な運動を含む)の速度と所定のサンプリング時間とを積和演算する第1のステップ、を有することを特徴とする。
The invention according to
請求項2に係る発明は、請求項1記載の訓練効果評価方法において、前記伸張反射による自動運動の最大速度を求める第2のステップ、を更に有することを特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項1または2記載の訓練効果評価方法において、前記所定回数分の前記積和演算の結果の各々と前記積和演算の結果の平均値との比較演算を行う第3のステップ、を更に有することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the training effect evaluation method according to the first or second aspect, each of the results of the product-sum operations for the predetermined number of times is compared with an average value of the results of the product-sum operations. And a third step.
請求項4に係る発明は、請求項2に従属する請求項3記載の訓練効果評価方法において、前記積和演算の結果、前記伸張反射による自動運動の最大速度、および前記比較演算の結果の少なくとも一つを表示装置に表示して前記麻痺運動機能回復の程度の評価を促す第4のステップ、を更に有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the training effect evaluation method according to the third aspect dependent on the second aspect, at least one of the result of the product-sum operation, the maximum speed of the automatic motion by the stretch reflection, and the result of the comparison operation. The method further includes a fourth step of displaying one on a display device and prompting an evaluation of the degree of recovery of the paralyzed motor function.
請求項5に係る発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載の訓練効果評価方法において、前記伸張反射による自動運動の最大値、最小値、第1分位、第2分位、および第3分位を演算により求めて箱ひげ図を表現する出力情報を生成して出力装置に出力することにより前記片麻痺運動機能回復の程度の評価を促す第5のステップ、を更に有することを特徴とする。
The invention according to
請求項6に係る発明は、片麻痺した部位の筋を刺激して伸張反射を誘発する訓練を行う訓練機構を備え、前記訓練を所定回数分繰り返して前記片麻痺した部位の運動機能回復を促す片麻痺運動機能回復訓練装置を用い、前記片麻痺した部位の運動機能回復の程度を評価する訓練効果評価演算装置であって、前記訓練機構の検知運動情報から得られる前記片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリング時間とを積和演算する演算処理部と、前記演算処理部が算出した前記積和演算の結果を出力する出力部と、を有することを特徴とする。
The invention according to
請求項7に係る発明は、請求項6記載の訓練効果評価演算装置において、前記訓練機構は、装置ベースと、前記装置ベースに載せられた手の手首近傍を揺動支点として上下に往復動する手載せ台と、前記手載せ台に載せられた手の指の1本を押し下げて屈曲させ、屈曲された指が元に戻ろうとする伸張動作は妨げない指屈伸機構と、前記指屈伸機構を駆動する第1のサーボモータと、前記第1のサーボモータの回転角を計測する第1のエンコーダと、前記指屈伸機構で押し下げられた前記指の根本を叩いて前記伸張動作を誘発する前記手載せ台に設けられた指叩き機構と、前記指叩き機構を駆動する第2のサーボモータと、前記第2のサーボモータの回転角を計測する第2のエンコーダと、機構制御部とを備え、前記機構制御部は、前記第1のエンコーダと前記第2のエンコーダとから前記回転角の情報を取得し、前記指の屈曲終了時、前記指叩き機構による叩く操作により前記指に刺激を与え前記指の伸張反射を誘発する制御と、前記指の伸張反射時に前記指に接触し続けることで更なる刺激を与えるとともに、前記伸張反射に伴い前記指叩き機構が指の根元に移動するなぞり動作により持続的指自動(自力)伸展を可能にする制御とを所定の訓練反復回数だけ繰り返し行うことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the training effect evaluation computing device according to the sixth aspect, the training mechanism reciprocates up and down with the apparatus base and the vicinity of the wrist placed on the apparatus base as a swing fulcrum. A hand rest, a finger bending / extension mechanism that does not hinder one of the fingers of the hand placed on the hand rest to bend down and bends, and that prevents the bent finger from returning. A first servomotor for driving; a first encoder for measuring a rotation angle of the first servomotor; and the hand for inducing the extension motion by hitting a root of the finger pushed down by the finger bending / extension mechanism. A finger tapping mechanism provided on a platform; a second servo motor that drives the finger tapping mechanism; a second encoder that measures a rotation angle of the second servo motor; and a mechanism control unit; The mechanism control unit includes the first Control for obtaining information on the rotation angle from the encoder and the second encoder, and stimulating the finger by a tapping operation by the finger tapping mechanism at the end of bending of the finger to induce stretch reflex of the finger; Continued contact with the finger during the reflective reflection of the finger gives further stimulation, and the finger striking mechanism moves to the base of the finger along with the extended reflection, enabling continuous automatic finger extension (self-powered) It is characterized in that the control to perform is repeated for a predetermined number of training iterations.
請求項8に係る発明は、請求項6記載の訓練効果評価演算装置において、前記訓練機構は、装置ベースと、前記装置ベースに水平軸廻りに回転可能に支持され上面が開放されている半割筒体と、前記半割筒体内に設けられ前腕部の指を添える又は指で握ることができるスティックと、前記半割筒体内に設けられ手首を支える手首支持部と、一端が前記半割筒体に連結され水平に延びる駆動軸と、前記装置ベースに設けられ前記駆動軸を駆動するサーボモータと、前記サーボモータに設けられモータ軸の回転角を計測するエンコーダと、機構制御部とを有し、前記機構制御部は、前記エンコーダから回転角情報を取得し前記半割筒体を正転させ、停止させ、逆転させ、停止させる動作を繰り返し、前記正転では機能回復を図る筋の緊張で筋の伸張反射を起こして神経細胞を興奮させるために第1角速度と急加速度と前記第1角速度より高速の第2角速度で筋の刺激を与える速度を制御し、前記逆転では筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する動作により持続的前腕自動(自力)回転を可能にする制御とを所定の訓練反復回数だけ繰り返し行うことを特徴とする。
The invention according to
請求項9に係る発明は、コンピュータによって制御され、片麻痺した部位の筋を刺激して伸張反射を誘発する訓練を行う訓練機構を備え、前記訓練を所定回数分繰り返して前記片麻痺した部位の運動機能回復を促す片麻痺運動機能回復訓練装置を用いて前記片麻痺した部位の運動機能回復の程度を評価する訓練効果評価演算装置のプログラムであって、前記コンピュータに、前記訓練機構の検知運動情報から得られた前記片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリングの時間との積和演算を行う手順と、前記積和演算した結果を出力する手順と、を実行させることを特徴とする。
The invention according to
請求項1に係る発明によれば、訓練機構の検知運動情報から得られた片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリングの時間とを積和演算して得られる値により、片麻痺した部位の運動機能回復の程度を定量的に評価することができるため、訓練効果の改善を実現することができる。
According to the invention according to
請求項2に係る発明によれば、伸張反射による自動運動の最大速度を求め、その値により伸張反射によってどれだけの刺激効果があったかを定量的に評価できるため訓練効果の改善を実現できる。 According to the second aspect of the present invention, the maximum speed of the automatic motion by the stretch reflex is obtained, and how much stimulation effect is obtained by the stretch reflex can be quantitatively evaluated by the value, so that the training effect can be improved.
請求項3に係る発明によれば、積和演算の結果の各々と積和演算の結果の平均値との比較演算を行ない、その値により訓練効果のばらつきの度合いを定量的に評価でき、したがって、訓練効果の改善を実現できる。
According to the invention of
請求項4に係る発明によれば、積和演算の結果、伸張反射による自動運動の最大速度、および比較演算の結果の少なくとも一つを表示装置に表示することにより、医師や作業療法士の目視による片麻痺した部位の運動機能回復の程度の評価が可能になる。
According to the invention of
請求項5に係る発明によれば、最大値、最小値、第1分位、第2分位、および第3分位を演算により求めて箱ひげ図を表示することで、箱ひげ図による評価が可能になり、平均値による評価に比べて誤差の少ない片麻痺運動機能回復の程度の評価が可能になる。
According to the invention according to
請求項6に係る発明によれば、演算処理部が、訓練機構の検知運動情報から得られた片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリングの時間との積和演算を行ない、出力部が、算出した積和演算の結果を出力することにより運動機能回復の程度を定量的に評価することができ、訓練効果の改善を実現する訓練効果評価演算装置を提供することができる。
According to the invention of
請求項7に係る発明によれば、エンコーダから回転角の情報を取得して、指の屈曲終了時、叩く操作により指に刺激を与え指の伸張反射を誘発する制御と、指の伸張反射時に指に接触し続けることで更なる刺激を与えるとともに、伸張反射に伴い指の根元に移動するなぞり動作により持続的伸展を可能にする制御とを自動的に行う片麻痺指機能回復訓練装置を用い、片麻痺した指部位の伸展運動機能回復の評価を行う。したがって、熟練した医師や療養士の徒手による患者の片麻痺指の促進反復療法の実施を不要とするため医師や作業療法士の身体的な負担を軽減する他、数字による定量的な評価を可能にするため評価する側の負担も軽減される。 According to the seventh aspect of the present invention, the information on the rotation angle is acquired from the encoder, and at the end of bending the finger, the finger is stimulated by tapping operation to induce the finger's stretching reflection, and the finger's stretching reflection Using a hemiplegic finger function recovery training device that gives further stimulation by continuing to touch the finger and automatically performs control that enables continuous extension by a stroking movement that moves to the base of the finger with stretching reflex Evaluation of extension motor function recovery of hemiplegic finger site. Therefore, it eliminates the need for repeated repeated therapy of the patient's hemiplegic finger by skilled doctors and therapists, reducing the physical burden on the doctors and occupational therapists, and enables quantitative evaluations using numbers. Therefore, the burden on the evaluation side is also reduced.
請求項8に係る発明によれば、エンコーダから回転角情報を取得して半割筒体を正転させ、停止させ、逆転させ、停止させる動作を繰り返す。そのとき、正転では機能回復を図る筋の緊張で筋の伸張反射を起こして神経細胞を興奮させるために第1角速度と急加速度と第1角速度より高速の第2角速度で筋の刺激を与える速度を制御し、逆転では、筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する一連の制御を行う片麻痺前腕機能回復訓練装置を用いて片麻痺した前腕部位の回内回外運動機能回復の評価を行う。したがって、熟練した医師や療養士の徒手による患者の片麻痺した前腕の促通反復療法の実施を不要にするため、医師や療養士の身体的な負担を軽減することができる他に、定量的な評価により機能回復の程度を知ることができるため、評価する側の負担も軽減される。 According to the eighth aspect of the invention, the rotation angle information is acquired from the encoder, and the half cylinder is rotated forward, stopped, reversely rotated, and stopped. At that time, in normal rotation, muscle stimulation is applied at a first angular velocity, a rapid acceleration, and a second angular velocity faster than the first angular velocity in order to excite nerve cells by causing muscle stretching and reflex due to muscle tension for functional recovery. In the reversal of the hemiplegic forearm region using a hemiplegic forearm function recovery training device that controls the speed and in reverse, performs a series of controls that provide resistance to sustain muscle stimulation and maintain muscle tone Evaluate recovery of supination motor function. Therefore, in order to eliminate the need for repeated repeated therapy for hemiplegic forearms of patients by skilled doctors and therapists, the physical burden on the doctors and therapists can be reduced, and quantitative Since the degree of functional recovery can be known by simple evaluation, the burden on the evaluation side is also reduced.
請求項9に係る発明によれば、コンピュータに、訓練機構の検知運動情報から片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリングの時間との積和演算する手順を実行させ、得られる結果について、例えば表示することで、運動機能回復の程度を定量的に評価することができ、訓練効果の改善を実現するプログラムを提供することができる。
According to the invention of
以下、本発明の実施の形態(以下、本実施形態という)に係る訓練効果評価方法について詳細に説明する。 Hereinafter, a training effect evaluation method according to an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) will be described in detail.
図1に示されるように、片麻痺指機能回復訓練システム1は、片麻痺指機能回復訓練装置10と、本実施形態に係る訓練効果評価演算装置30とを含み構成される。片麻痺指機能回復訓練装置10は、機構制御部20により制御され、麻痺した部位の筋を刺激して伸張反射を誘発する訓練を行う訓練機構を備え、訓練を所定回数繰り返して麻痺した部位の運動機能回復を促す。機構制御部20による片麻痺指機能回復訓練装置10の一部運動情報(運動速度)は、訓練効果評価演算装置30に出力される。
As shown in FIG. 1, the hemiplegic finger function
訓練効果評価演算装置30は、得られた麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリング時間との積和演算を行ない、その結果得られる値をグラフ等に加工して表示又は印刷し、麻痺した部位の運動機能回復の程度の定量評価を促すか、あるいは自身で評価する。詳細は後述する。
The training effect
以下、片麻痺した指を訓練する片麻痺指機能回復訓練装置10Aを実施例1,片麻痺した前腕を訓練する片麻痺前腕機能回復訓練装置10Bを実施例2とし、訓練効果評価演算装置30によるそれぞれの訓練効果評価方法について説明する。
Hereinafter, the hemiplegic finger function
先ず、実施例1の片麻痺指機能回復訓練装置10A(以下、単に訓練装置10Aという)が目指す訓練の内容を、図2に基づいて説明する。図2(a)において、患者の手Haの人指し指11に、介助者が力F1を加え、矢印(1)のように、指の屈曲動作を開始する。同時に、介助者は屈曲している手首12を背屈させる(矢印(2))。
First, the content of training aimed at by the hemiplegic finger function
そして、(b)に示すように力F2により、指11が継続して屈曲される(矢印(3))。さらに(c)に示すように力F3により、指11が継続して屈曲され(矢印(4))、手首12が屈曲される(矢印(5))。(a)〜(c)にて、指11が介助者の力Fで屈曲されることを、他動的屈曲という。
Then, as shown in (b), the
次に、(d)にて、指11の付け根13を、介助者が、矢印(6)のように軽く叩く(打つ)。軽く叩くことで、患者の運動神経が刺激され、指11が(e)に示すように伸張反射し(矢印(7))、(a)に戻る。このときに、介助者の指15、16が患者の指11の上面に添えられ、指11の伸張動作に追従しながら抵抗を軽く加えて指11の筋緊張を維持する。(d)〜(e)〜(a)にて、指11は、外力なしで自力で伸展する。このことを、自動的伸展という。
Next, at (d), the assistant taps the
以上に説明した他動的屈曲及び自動的伸展を、行わせることができる訓練装置10Aの構造について図3〜図6を使用して簡単に説明する。図3に示すように、訓練装置10Aは、矩形のベース板21と、このベース板21に垂直に且つ平行に立てた縦壁部101、101(奥側の1枚のみ表示)と、これらの縦壁部101、101の斜辺に渡され患者の腕を支える斜面部25と、縦壁部101、101に渡した揺動軸26に支えられ患者の手を支える手載せ台102と、この手載せ台102の側方に取付けられ手載せ台102と共に揺動可能な側板103、103(奥側の1枚のみ表示)と、これらの側板103、103の間に架けられた支持板104の先端で支持され指を押し下げる指屈伸機構105と、支持板104の近傍に設けられ第3アーム107を進退させることで指を叩く指叩き機構108と、手載せ台102の下方に設けられ手載せ台の往復動の範囲を規定するストッパ機構109とを、含む。更に、指屈伸機構105と指叩き機構108とを制御する機構制御部150(図1の機構制御部20)を有する。
The structure of the
図4に示すように、指屈伸機構105は、第1軸41に第1トルク機構90を介して支持される第1アーム111と、この第1アーム111上を移動可能に設けられる第1スライダ112と、第2軸45に第2トルク機構95を介して支持される第2アーム113と、この第2アーム113上を移動可能に設けられる第2スライダ114と、第1スライダ112から上方に向かって延ばされる第1延長部116及び第2スライダから第1延長部116に向かって延ばされる第2延長部117との交点Cに設けられ指を押し下げる指押し部118とからなる。
As shown in FIG. 4, the finger flexion /
図3に戻って、訓練装置10Aは、以下のようにいうことができる。患者の指に他動的屈曲と自動的伸展とを行わせる訓練装置10Aにおいて、患者の指を移動させる機構(指屈伸機構105)を、第1アーム111及び第2アーム113と、これらの第1アーム111及び第2アーム113を駆動する第1サーボモータ44及び第2サーボモータ47と、第1スライダ112及び第2スライダ114から延長される第1、第2延長部116、117同士の交点Cに配置した指先押し部118で構成した。第1アーム111を第1サーボモータ44で駆動し、第2アーム113を第2サーボモータ47で駆動する。
Returning to FIG. 3, the
第1サーボモータ44の出力と第2サーボモータ47の出力とを機構制御部150(図1の符号20)で制御することにより、指先押し部118を任意の位置に保持させることができ、任意の移動軌跡上を移動させることができる。なお、手載せ台102上に設けられた第1サーボモータ44、第2サーボモータ47には、モータ軸の回転角を監視する第1エンコーダ52、第2エンコーダ53がそれぞれ設けられている。機構制御部150は、この第1エンコーダと第2エンコーダからの回転角情報を取得することにより第1サーボモータ44、第2サーボモータ45を総合的に制御する。
By controlling the output of the
なお、訓練装置10Aは、第1アーム111の駆動トルク(Tarm1)を計測することができる特殊な第1トルク計測機構90を、第1アーム111の根元に備え、トルク情報を図示省略した機構制御部に送る。同様に、第2アーム113の駆動トルク(Tarm2)を計測することができる特殊な第2トルク計測機構95を、第2アーム113の根元に備え、トルク情報をここでは図示省略した機構制御部(図1の符号20)に送る。トルクは歪(ひずみ)ゲージで歪を計測し、この歪を換算することで求められる。そのための歪ゲージを第1アーム111に直接貼付けることが考えられる。ただし、第1アーム111に発生する歪が微少である場合には、誤差の影響が顕著となり、計測の信頼性が低下する。対策として、本実施例では、歪を拡大(増幅)させることができる特殊なトルク計測機構90、95が採用されている。
The
図3において、第1軸41の中心をA、第2軸45の中心をO、交点118をCとすると、図5に示す三角形OACを描くことができる。辺OAは一定長さであり、その他の辺AC及び辺OCは可変長さとなる。
In FIG. 3, when the center of the
図5に示す三角形OACにおいて、辺OAを通る軸をx軸、点O(原点)を通りx軸に直交する軸をy軸、辺OAの長さをL(一定値)、辺OCの長さをL1(変動値)、角Oをθ1(第2アーム113の第2サーボモータ47に設けられたエンコーダ53により計測される)、角(外角)Aをθ2(第1アーム111の第1サーボモータ44に設けられたエンコーダ52により計測される)とする。角O+角C=角Aから、角C=角A−角O=θ2−θ1と変形し、角Cは(θ2−θ1)となる。内角Aは(2π−θ2)となる。
In the triangle OAC shown in FIG. 5, the axis passing through the side OA is the x axis, the axis passing through the point O (origin) and perpendicular to the x axis is the y axis, the length of the side OA is L (constant value), and the length of the side OC L1 (variation value), the angle O is θ1 (measured by the
点Cの座標を(x,y)とすると、x=L1・cosθ1、y=L1・sinθ1となる。また、正弦定理から、L/sin(θ2−θ1)=L1/sin(2π−θ2)。ここで、sin(2π−θ2)=sinθ2。L/sin(θ2−θ1)=L1/sinθ2をL1について整理すると、L1=L・sinθ2/sin(θ2−θ1)となる。このL1を、x=L1・cosθ1とy=L1・sinθ1に代入する。
x=L・cosθ1・sinθ2/sin(θ2−θ1)
y=L・sinθ1・sinθ2/sin(θ2−θ1)
If the coordinates of the point C are (x, y), x = L1 · cos θ1 and y = L1 · sin θ1. From the sine theorem, L / sin (θ2−θ1) = L1 / sin (2π−θ2). Here, sin (2π−θ2) = sin θ2. When L / sin (θ2−θ1) = L1 / sinθ2 is arranged with respect to L1, L1 = L · sin θ2 / sin (θ2−θ1) is obtained. This L1 is substituted into x = L1 · cos θ1 and y = L1 · sin θ1.
x = L · cos θ1 · sin θ2 / sin (θ2−θ1)
y = L · sin θ1 · sin θ2 / sin (θ2−θ1)
第2アーム113と第1アーム111のエンコーダ53,52により計測されたθ1、θ2により点C、すなわち指先押し部118の位置が唯一決定され、指先押し部118は2次元平面上で制御可能となる。このため、点Cに係る速度(指先速度)及び力(指先外力)の関係式は次のように表すことができる。
The point C, that is, the position of the
図6に示す指叩き機構(図3の符号108)は、下部レール152及び上部レール153からなるレール部材154(図3)と、上下のレール152、153の間に配置されレール部材154を走行する移動体155と、この移動体155の軸部材156を介して揺動自在に支持される第3アーム107と、この第3アーム107の先端に軸部材157を介して回転可能に設けられ指の付け根を叩く指叩きローラ158とを含む。
6 is arranged between a rail member 154 (FIG. 3) including a
上下のレール152、153は、矩形板状の部材である。第3アーム107が揺動できるよう、移動体155の移動方向に沿って図示省略した切欠き部を有する。レール部材154、移動体155及び第3アーム107は、汎用品を用いて製造することができる。移動体155は、軸部材156と、この軸部材156の両端に設けられる板体161、161と、これらの板体161、161にそれぞれ回転可能に支持される複数(この場合、合計で8個)のコロ部材162とからなる。
The upper and
第3アーム107は、基部が移動体155の軸部材156に揺動可能に支持される2本の第3アーム部163、163を有し、これらの第3アーム部163、163の先端部を繋ぐように設けられ指叩きローラ158を支持する軸部材157とからなる。なお、指叩きローラ158は、ウレタン樹脂やウレタンゴムを素材に用いることが望ましい。
The
指叩き機構108は、上部レール153の上面に第3サーボモータ55が設けられる。この第3サーボモータ55に、プーリ164、165及びベルト166を介して、第3軸167は回転可能に設けられる。第3サーボモータ55の力を伝え第3アーム107を進退させる伝達部材168は、第3軸167上に設けられる。
The
伝達部材168は、第3軸167上に取付けられ第3軸167と共に回動可能な第3トルク計測機構171と、この第3トルク計測機構171と共に第3軸167上に設けられ第3軸167が内部を空回りする基部172と、この基部172に接続される箱体173と、この箱体173内に複数設けられ第3アーム部163の上下面にそれぞれ接するコロ部材174とからなる。なお、第3トルク機構171の基本的構成は、図4に示した第1トルク機構90、第2トルク機構95と同様である。
The
なお、ここでは図示省略した機構制御部(図1の符号20)は、指の屈曲終了時、指叩き機構108による叩く操作により指に刺激を与え、指の伸張反射を誘発する制御を行う。また、機構制御部20は、指の伸張反射時に指に接触し続けることで更なる刺激を与えるとともに、指の伸張反射に伴い指叩き機構108が指の根元に移動するなぞり動作により持続的伸展を可能にする制御を行う。この2種類の制御は、機構制御部20による制御の下で所定(10回程度)の訓練反復回数だけ繰り返し行なわれる。
Here, a mechanism control unit (not shown in FIG. 1), which is not shown here, performs control to give a stimulus to the finger by a tapping operation by the
上記訓練装置10Aの構造は、本出願人が平成22年9月2日に出願し、平成24年3月15日に公開された特開2012−50728号公報に実施例2として詳細に開示されているため、重複を回避する意味でこれ以上の説明を省略する。
The structure of the
図7に、図1の訓練効果評価演算装置30の構成が示されている。図7によれば、訓練効果評価演算装置30は、演算処理部300と、記憶部301と、A/D(Analog to Digital)変換器302,303と、通信部304と、出力部305とを含み構成される。
FIG. 7 shows the configuration of the training effect
演算処理部300は、例えば、マイクロプロセッサであり、内蔵するまたは外付けされる記憶部301に格納されたプログラムを逐次読み出し実行することにより、訓練装置10Aの検知運動情報から得られた片麻痺した指部位の伸張反射による自動伸展運動の速度と所定のサンプリングの時間との積和演算を行ない、結果を出力部305に出力し表示又は印刷する処理を行う。
The
演算処理部300は、伸張反射による自動伸展運動の最大速度を求めてもよい。また、演算処理部300は、所定回数分の積和演算の結果の各々と積和演算の結果の平均値との比較演算を行なってもよい。演算処理部300は、積和演算の結果、伸張反射による自動伸展運動の最大速度、および比較演算の結果の少なくとも一つを出力部305に出力する。
The
記憶部301は、プログラム領域と作業領域が割り当てられ、プログラム領域には本発明の実施形態に係るプログラムが、作業領域には、所定のサンプリング間隔で算出される伸張反射による自動伸展運動の速度に関するデータが時系列に格納される。記憶部301には、DRAM、あるいはSRAM等の半導体記憶素子が実装される。
The
A/D変換器302は、力覚センサ40によって検出される患者の指の伸張反射による自動伸展運動時の接触力のセンシング情報を所定のサンプリング間隔で取り込み、デジタル信号に変換して演算処理部300へ出力する。このとき、アナログ量であるセンシング情報を分解能にしたがいn分割することによりそれぞれのデジタル値に変換する。A/D変換器303は、EMGセンサ50によって検出される患者の筋電位のセンシング情報を所定のサンプリング間隔で取り込み、デジタル信号に変換して演算処理部300へ出力する。
The A /
通信部304は、演算処理部300と機構制御部20との間で行われるプロセッサ間通信を制御するもので、例えば、演算処理部300から機構制御部20に対し、後述するタッピングのパターンを示すパラメータが送信され、機構制御部20から演算処理部300に対しそのパラメータにしたがい片麻痺指機能回復装置10Aを駆動した結果取得されるセンシング情報が送信される。
The
出力部305は、例えば、LCD(Liquid Crystal Device)、OLED(Organic Electro-Luminescence)等の表示デバイスからなり、演算処理部300により生成される積和演算の結果、伸張反射による自動伸展運動の最大速度、および比較演算の結果の少なくとも一つ、あるいは、伸張反射による自動伸展運動の最大値、最小値、第1分位、第2分位、および第3分位から箱ひげ図を表現する表示情報を生成して上記した表示デバイスに表示して麻痺運動機能回復の程度の評価を促すユーザインタフェースとしての役割を持つ。なお、出力部305は、表示デバイスに代わったプロッタでもよく、また、その組み合わせでもよい
The
以下、図8〜図10のフローチャート、ならびに図11〜図24に示すグラフを参照しながら、図1,図7に示す訓練効果評価演算装置30の動作について詳細に説明する。
Hereinafter, the operation of the training effect
ところで、促通反復療法は、タッピング刺激によって伸張反射を起こし、自動伸展を促すことが重要である。この伸張反射を起こすための刺激は個人差が考えられるため、患者に柔軟に対応できるように訓練装置10Aを制御する必要がある。このため、タッピング手先の速さと接触時間とをパラメータとする複数のタッピング刺激パターンを用意した。
By the way, it is important for facilitating repetitive therapy to cause stretch reflex by tapping stimulation and to promote automatic extension. Since the stimulus for causing the stretch reflex may vary among individuals, it is necessary to control the
訓練効果評価演算装置30(演算処理部300)は、まず、機構制御部20との協調制御により、予め用意された複数の筋刺激パターンの中から患者に最適なパターンを選択し、その筋刺激パターンにしたがい麻痺した部位を刺激する(ステップS10)。具体的に、機構制御部20は、指叩き機構108によるタッピング手先(指叩きローラ158)が叩く速度(以下、タッピング手先速度という)を調整する。タッピング手先速度が早くなるにつれ患者に与える刺激量は強くなる。この刺激量が過大になると自動伸展がうまく促されることなく他動運動になる。片麻痺からの回復には他動運動ではなく自動運動が必要不可欠になるため、適切な量のタッピング刺激を与えることが重要である。
The training effect evaluation computing device 30 (arithmetic processing unit 300) first selects an optimal pattern for a patient from a plurality of muscle stimulation patterns prepared in advance by cooperative control with the
次に、機構制御部20は、タッピング(指屈曲)の際に、タッピング手先が第2指関節に接触してからタッピング(伸展)に移行するまでの時間を調整する。この時間を接触時間という。この時間を麻痺の度合いに応じて調整することで力刺激の大きく差を制御することとする。但し、タッピング手先が麻痺した指の根元に接触したことを直接センシングする手段がないため、ここでは、モータの角速度に着目することによって接触を判定することにした。具体的には、目標角速度に対して現在の角速度が指根元の抵抗により減速した時刻を接触開始時刻(タッピングスタート)とし計測することにしている。接触時間が過大になると指の伸展を阻害することになるため、接触時間の上限を設け、接触時間を0.2sで設定した場合の例が図11にグラフで示されている。図11では、横方向を時間軸とし、縦方向に目標及び現在角速度[rad/s]を目盛って、経過時間毎の角速度の変化を示す。
Next, when tapping (finger bending), the
実施例1では、上記したタッピング手先速度と接触時間とを設定することでタッピング刺激の大きさを制御することにした。この2つのパラメータの組み合わせは、無限に存在するが、ここで4個のパターンを作成して被検者に適用した。ここでは、機構制御部20は、訓練装置10Aを制御して選択された1つのパターンを用い、被検者の指の屈曲、伸展動作を10回繰り返す(ステップS10)。そして、訓練効果評価演算装置30(演算処理部300)は、所定のサンプリング間隔でエンコーダ52,53から回転角の情報を取り込み、都度、指の伸展時の軌跡と指先力、指先速さを測定して記憶部301に時系列に保存する(ステップS20)。図12に、10回の訓練において統計上比較的正確なデータが得られるとされている3〜7回目のデータを抽出して示してある。ここで得られるデータは、出力部305に出力して表示又は印刷してもよい。図12では、横方向を時間軸とし、縦方向に指先力(Fource[N])と指先速さ(Speed[m/s])とを目盛って、指先力と指先速さの時系列変化を示している。
In Example 1, the magnitude of the tapping stimulus was controlled by setting the tapping hand speed and the contact time. There are infinite combinations of these two parameters, but four patterns were created here and applied to the subject. Here, the
なお、図12のグラフでは、指先速さの速度変化のどの部分が伸張反射による効果であるか不明である。したがって、ここではEMGを用いて確認することとした。すなわち、訓練効果評価演算装置30(演算処理部300)は、機構制御部20との協調制御により、訓練装置10Aを使用した訓練を行い、そのときの患者の筋電位を測定する。ここでは、被験者を健常者とし、タッピングを行う場合と行わない場合とで比較することとした。但し、どちらも随意運動は行わないこととし、これによりタッピング刺激により無意識的な伸張反射が発生しているか否かを確認することとした。図13(a)にタッピング刺激が無い場合、図13(b)にタッピング刺激がある場合の指先の伸展速度による伸張反射の効果確認のためのグラフが示されている。
In the graph of FIG. 12, it is unclear which part of the speed change of the fingertip speed is due to the stretch reflection. Therefore, it was decided to confirm using EMG here. That is, the training effect evaluation calculation device 30 (calculation processing unit 300) performs training using the
図13(a)から明らかなように、タッピング刺激が無い場合EMGは一定になっている。図13(b)に示すように、タッピング刺激がある場合、タッピング開始から約100[ms]後にEMGの上昇を確認することができる。ここでは、随意運動を行わせていないため、EMGの上昇は伸張反射によるものであることが判明する。伸張反射には、脊髄までの伸張反射と脳まで達する伸張反射とが存在する。前者は、刺激から数十[ms]、後者は、数百[ms]の時間を要することがわかっているため、タッピング開始から約100[ms]後にEMGが上昇したということは、後者の脳まで達している伸張反射であることがわかる。さらに、EMGの変化に指先の速度の変化が対応していることから、指先の速度により訓練効果の評価を行うものとする。 As is apparent from FIG. 13A, EMG is constant when there is no tapping stimulus. As shown in FIG. 13B, when there is a tapping stimulus, an increase in EMG can be confirmed about 100 [ms] after the start of tapping. Here, since the voluntary movement is not performed, it is proved that the increase in EMG is due to stretch reflection. The stretch reflex includes a stretch reflex up to the spinal cord and a stretch reflex reaching the brain. Since it is known that the former takes several tens [ms] from the stimulus and the latter takes several hundreds [ms], the fact that EMG increased after about 100 [ms] from the start of tapping indicates that the latter brain It can be seen that the stretch reflection reaches up to. Further, since the change in the fingertip speed corresponds to the change in the EMG, the training effect is evaluated based on the fingertip speed.
図14に刺激パターン1(タッピングの速度が110[mm/s]、接触時間0.15[s])にしたがいタッピングを行ったときの、指の自動伸展運動(伸張反射による伸展運動とそれに続く随意的な伸展運動を含む)における指先の伸展軌跡(図14(a))、伸展時における指先の合力(Force[N])と速度(Speed[m/s])が示されている(図14(b))。また、図15に刺激パターン2(タッピングの速度が110[mm/s]、接触時間0.2[s])にしたがいタッピングを行ったときの、指先の伸展軌跡(図15(a))、伸展時における指先の合力(Force[N])と速度(Speed[m/s])が示されている(図15(b))。いずれも被験者は片麻痺患者であり、10回の訓練の内、3〜7回目のデータを抽出したものである。 FIG. 14 shows an automatic finger extension movement (extension movement by extension reflection and subsequent movement) when tapping is performed in accordance with stimulus pattern 1 (tapping speed is 110 [mm / s], contact time is 0.15 [s]). The extension trajectory of the fingertip (including the optional extension movement) (FIG. 14A), the resultant force of the fingertip during the extension (Force [N]) and the speed (Speed [m / s]) are shown (FIG. 14 (b)). FIG. 15 shows the extension trajectory of the fingertip (FIG. 15A) when tapping is performed according to the stimulation pattern 2 (tapping speed is 110 [mm / s], contact time is 0.2 [s]). The resultant force (Force [N]) and speed (Speed [m / s]) at the time of extension are shown (FIG. 15B). In any case, the test subject is a hemiplegic patient, and the data of the third to seventh times are extracted from the ten times of training.
ここで、フローチャートの説明に戻る。図9に、図8に示した基本動作フローの自動伸展運動速度の検知処理(ステップS20)のための詳細手順が示されている。なお、伸張反射による自動伸展運動速度の計算に先立ち、演算処理部300は、不図示の内蔵レジスタに、1回の訓練における指先速度の最小値「Vmini」,所定の訓練回数における指先速度の最小値「Vminj」,所定の訓練回数における指先速度の最大値「Vmaxj」を割り当てる。但し、jは訓練回数(例えば、10回)である。
Here, the description returns to the flowchart. FIG. 9 shows a detailed procedure for the automatic extension motion speed detection process (step S20) in the basic operation flow shown in FIG. Prior to the calculation of the automatic extension movement speed by extension reflection, the
図9において、演算処理部300は、常時、内蔵タイマによりタッピング手先の接触時間を監視している(ステップS301)。設定した接触時間0.2秒に達すると(ステップS301”YES”)、演算処理部300はそのときのViをレジスタVminiに設定する(ステップS302)。そして、VminjとViとの比較を行なう(ステップS303)。ここで、Vminjがその時点での指先速度Vi以上になっていれば(ステップS303”YES”)、演算処理部300は、Vminjに指先速度Viを設定する(ステップS304)。Vminjが指先速度Vi未満であれば(ステップS303”NO”)、ステップS303の処理を繰り返す。
In FIG. 9, the
次に、演算処理部300は、VmaxjとViとを比較する(ステップS305)。ここで、VmaxjがVi未満であれば(ステップS305”YES”)、演算処理部300は、そのときのViをVmaxjに設定し(ステップS306)、VmaxjがVi未満でなければ(ステップS305”NO”)、指先速度Viが正か負かを判定する(ステップS307)。続いて、Viが正であれば(ステップS307”NO”)、ステップS303移行の処理を繰り返し実行し、Viが負であれば(ステップS307”YES”)、jを+1更新する(ステップS308)。以上の処理は、jが例えば、”10”をカウントする(ステップS309”YES”)まで繰り返し実行される。
Next, the
説明を図8に戻す。上記により算出される指先自動伸展速度に基づき訓練効果の評価を行うことができる。まず、第1に重要な評価は、指自動伸展度評価である。指自動伸展度評価は、伸張反射によって指の自動伸展がどれだけ行われたかを表す指標である。このため、一組の訓練結果における指先速度の変化を計算すれば指自動伸展度の評価が可能である。具体的に、伸張反射による自動伸展運動時において、各サンプリングタイムにおける指先の速度にサンプリングタイム8[ms]を積和演算すれば面積Siが算出され、この時間領域における面積Siによって指の自動伸展度を評価することができる。詳細は後述する。 Returning to FIG. The training effect can be evaluated based on the fingertip automatic extension speed calculated as described above. First, the first important evaluation is the finger automatic extension degree evaluation. The finger automatic extension degree evaluation is an index representing how much automatic finger extension has been performed by extension reflection. For this reason, if the change of the fingertip speed in a set of training results is calculated, it is possible to evaluate the degree of automatic finger extension. Specifically, in the automatic extension movement by extension reflection, the area Si is calculated by multiplying the fingertip speed at each sampling time by the sampling time 8 [ms], and the area Si is calculated by the area Si in this time domain. The degree can be evaluated. Details will be described later.
図10に、図8の自動伸展運動速度とサンプリング時間との積和演算処理(ステップS30)のための詳細手順が示されている。図10によれば、演算処理部300は、常時、内蔵タイマにより指先との接触時間を監視している(ステップS401)。設定した接触時間0.2秒に達すると(ステップS401”YES”)、演算処理部300はそのときのViをレジスタVminiにセットする(ステップS402)。そして、VminjとViとの比較を行なう(ステップS403)。ここで、VminjがVi以上になっていれば(ステップS403”YES”)、演算処理部300は、VminjにそのときのViを設定する(ステップS404)。VminjがVi未満の場合は(ステップS403”NO”)、ステップS403の処理を繰り返す。
FIG. 10 shows a detailed procedure for the product-sum operation process (step S30) of the automatic extension movement speed and the sampling time in FIG. According to FIG. 10, the
次に、演算処理部300は、各サンプリングタイムにおけるViにサンプリングタイムΔtを積和演算して面積Siを算出する(ステップS405)。図16に、時間軸上に指先速度を目盛り、そのときに算出される面積Siとの関係が示されている。続いて、演算処理部300は、Viが正か負かを判定する(ステップS406)。Viが正であれば(ステップS406”NO”)、ステップS403以降の処理を繰り返し実行し、Viが負であれば(ステップS406”YES”)、jを+1更新する(ステップS407)。以上の処理は、jが、例えば”10”をカウントする(ステップS408”YES”)まで繰り返し実行される。
Next, the
説明を図8の基本動作フローに戻す。上述した指先自動伸展速度の計算処理(ステップS20)、および指先自動伸展速度とサンプリング時間との積和演算処理(ステップS30)は、訓練反復回数分繰り返し実行され(ステップS40)、演算処理部300は、更にその平均値を計算する(ステップS50)。続いて、演算処理部300は、その結果をグラフ化して表示情報を生成し、出力部305に出力して評価を促す(ステップS70)。
The description returns to the basic operation flow of FIG. The calculation process of the fingertip automatic extension speed (step S20) and the product-sum calculation process (step S30) of the fingertip automatic extension speed and the sampling time are repeatedly executed for the number of training iterations (step S40). Further calculates the average value (step S50). Subsequently, the
なお、最も重要な評価は、指自動伸展度(指の自動伸展の程度)である。麻痺の度合いが大きい患者ほど指の自動伸展運動能力は弱くなる。具体的には、図16に示すように、ハッチング表記した伸張反射時間領域における伸張反射領域の面積Siにより指の自動伸展度を評価する。また、指の自動伸展度評価の他に、自動伸展時における最大指先速度を使用して伸張反射によりどれだけの随意運動を引き起こす効果があったかを示す指自動伸展俊敏さの評価も可能である。具体的には、図17に示すように、ハッチング表記した伸張反射による自動伸展運動時間領域における最大指先速度Vmaxにより指自動伸展俊敏さの評価を行う。 The most important evaluation is the degree of automatic finger extension (degree of automatic finger extension). The patient with a higher degree of paralysis has a weaker ability to exercise the fingers automatically. Specifically, as shown in FIG. 16, the degree of automatic extension of the finger is evaluated based on the area Si of the extension reflection area in the extension reflection time area indicated by hatching. In addition to the evaluation of the degree of automatic extension of the finger, it is also possible to evaluate the agility of the automatic extension of the finger indicating how much voluntary movement is caused by the stretch reflex using the maximum fingertip speed during the automatic extension. Specifically, as shown in FIG. 17, the automatic finger extension agility is evaluated based on the maximum fingertip velocity Vmax in the automatic extension movement time region by extension reflection expressed by hatching.
なお、各自動伸展時における指先速度の変化曲線(速度変化)と当該速度変化の中央値曲線から訓練効果のばらつきの度合い(同効果達成度)を評価することもできる。具体的には、図18に示すように、ハッチング表記した伸張反射時間領域における伸張反射領域の面積Siを都度求め、以下の演算式により反復訓練時の同効果達成度評価を行なう。Hが1に近いほど各訓練のばらつきが小さくなる。 It is also possible to evaluate the degree of variation in the training effect (degree of achievement of the effect) from the fingertip speed change curve (speed change) and the median curve of the speed change at each automatic extension. Specifically, as shown in FIG. 18, the area Si of the extended reflection region in the extended reflection time region indicated by hatching is obtained each time, and the same effect achievement level at the time of repeated training is evaluated by the following arithmetic expression. As H is closer to 1, the variation of each training is smaller.
すなわち、各伸張反射における面積Siとその中央値Smとの差分(Sm−Si)を求め、その差分と中央値の比(Sm−Si/Sm)を求め、その比を1から減算する。図19(a)(b)に具体的事例を示しているが、この場合、同効果達成度は、Ha>Hbである。上記した指自動伸展度と指自動伸展俊敏さの評価が良く、同効果達成度が高ければ、毎回一定の伸張反射が促され、同様の効果が達成されているということが言える。 That is, a difference (Sm-Si) between the area Si and its median value Sm in each extended reflection is obtained, a ratio (Sm-Si / Sm) between the difference and the median value is obtained, and the ratio is subtracted from 1. FIGS. 19A and 19B show specific examples. In this case, the degree of achievement of the effect is Ha> Hb. It can be said that if the above-described evaluation of the automatic finger extension and the automatic finger extension agility are good and the effect achievement degree is high, a constant stretch reflection is promoted every time, and the same effect is achieved.
なお、タッピング刺激だけでなく、患者の麻痺の度合いによって、指伸筋に電気刺激および振動刺激を補助的に併用した場合の被験者Aの訓練結果が図20(a)〜(f)に示されている。電気刺激とは、体表面に貼付した電極を介してパルス電流を流すことで筋ではなく、筋を支配する閾値のはるかに小さい運動神経が刺激され、神経の興奮が筋に伝わって筋が収縮するものである。このような電気刺激の補助により、関節運動閾値をより低くして、すなわち、伸張反射の感度を高くすることでタッピング刺激による伸張反射を効果的に引き起こしやすいようにしている。 20 (a) to 20 (f) show the training results of the subject A when not only tapping stimulation but also electrical stimulation and vibration stimulation are supplementarily used for the finger extensor muscles depending on the degree of paralysis of the patient. ing. Electrical stimulation is not a muscle by passing a pulse current through an electrode attached to the body surface, but a motor nerve with a much smaller threshold that controls the muscle is stimulated, and the excitement of the nerve is transmitted to the muscle and the muscle contracts To do. With the assistance of such electrical stimulation, the joint movement threshold value is lowered, that is, the sensitivity of the stretch reflex is increased, so that the stretch reflex caused by the tapping stimulus is easily caused effectively.
また、振動刺激は、深覚部に直接作用することにより、振動覚受容器を通ってその刺激電位を、タッピング刺激による刺激電位に加重でき、伸張反射の感度を補助的に高める刺激である。この手法は安全性が高く、タッピング刺激による伸張反射も効果的に引き起こしやすくなる。図20(a)にタッピング刺激無し、図20(b)にタッピング刺激のみ、図20(c)にタッピング刺激と電気刺激、図20(d)にタッピング刺激と振動刺激、図20(e)にタッピング刺激と電気刺激と振動刺激を併用、図20(f)に訓練後のタッピング刺激なしの場合の訓練による被験者Aの検証結果を示した。 In addition, the vibration stimulus is a stimulus that can directly increase the sensitivity of the stretch reflex by directly acting on the deep sense part so that the stimulus potential can be weighted to the stimulus potential by the tapping stimulus through the vibration sense receptor. This method is highly safe, and tends to effectively cause stretch reflection due to tapping stimulation. 20 (a) shows no tapping stimulus, FIG. 20 (b) shows only a tapping stimulus, FIG. 20 (c) shows a tapping stimulus and an electrical stimulus, FIG. 20 (d) shows a tapping stimulus and a vibration stimulus, and FIG. Tapping stimulation, electrical stimulation, and vibration stimulation are used in combination, and FIG. 20 (f) shows the verification result of subject A by training when there is no tapping stimulation after training.
図21に、平均値を用いた指自動伸展度の評価結果が示されている。この平均値での評価は、訓練装置10Aのオンラインでの制御の場合に有効である。すなわち、訓練効果評価演算装置30(演算処理部300)は、訓練装置10Aを使用して、タッピング刺激なしの場合、ありの場合、タッピング刺激と電気刺激を併用した場合、タッピング刺激と振動刺激を併用した場合、タッピング刺激と電気刺激と振動刺激を併用した場合、訓練後のタッピング刺激のみの場合の、それぞれにおける1セット10回分の訓練結果の平均値を求め、出力部305に出力(例えば、表示)する。
FIG. 21 shows the evaluation result of the finger automatic extension degree using the average value. This evaluation with the average value is effective in the case of online control of the
図21の評価結果によれば、タッピング刺激を行わない場合よりも行った方が良好な結果が得られている。これは訓練装置10Aが持つタッピング機構の有用性を示すものである。また、指自動伸展俊敏さの評価については、タッピング刺激と電気刺激を併用した場合が他の場合に比べて良好な結果が得られた。タッピング刺激を行わない場合は明らかに指自動伸展俊敏さが劣るという結果になった。また、タッピング刺激、電気刺激、振動刺激の全てを用いた場合が反復訓練時の同効果達成評価度が高いことから、安定して効果が得られていることが理解できる。
According to the evaluation result of FIG. 21, a better result is obtained when the tapping stimulus is not performed. This shows the usefulness of the tapping mechanism of the
次に、箱ひげ図による評価について図22、図23、図24を用いて説明する。ここでも図20(a)〜(f)に示した組み合わせを使用して評価したものである。図22は指自動伸展度評価、図23は指自動伸展俊敏さ評価、図24は反復訓練時の同効果達成度評価を示す。ここに示す箱ひげ図も平均値の場合と同様、訓練装置10Aを使用した被験者Aの、タッピング刺激なしの場合、ありの場合、タッピング刺激と電気刺激を併用した場合、タッピング刺激と振動刺激を併用した場合、タッピング刺激と電気刺激と振動刺激を併用した場合の、それぞれにおける1セット10回分の訓練結果の平均値を求め、出力部305に出力(例えば、表示)することにより実現される。
Next, evaluation based on a box-and-whisker diagram will be described with reference to FIGS. 22, 23, and 24. Again, the evaluation was made using the combinations shown in FIGS. FIG. 22 shows the automatic finger extension degree evaluation, FIG. 23 shows the automatic finger extension agility evaluation, and FIG. 24 shows the same effect achievement degree evaluation during repeated training. As in the case of the average value, the boxplot shown here also shows that the subject A using the
図22,図23に示すように、被験者Aは、指自動伸展度評価と指自動伸展俊敏さ評価において、タッピング刺激無しの場合よりタッピング刺激を含む訓練の方が良好な結果が得られたことが理解できる。特に、タッピング刺激、電気刺激、振動刺激の3つを併用した場合に、ばらつきが少なく、安定して訓練が行えていることが理解できる。これは、図24に示す反復訓練時の同効果達成度評価からも確認することができる。また、訓練前後にタッピング刺激無しの訓練を行い比較することにより、指自動伸展度評価と指自動伸展俊敏さ評価で効果向上を確認することができる。 As shown in FIG. 22 and FIG. 23, the subject A obtained better results in the training including the tapping stimulus in the automatic finger extension degree evaluation and the automatic finger extension agility evaluation than in the case without the tapping stimulus. Can understand. In particular, it can be understood that, when tapping stimulation, electrical stimulation, and vibration stimulation are used in combination, there is little variation and training can be performed stably. This can also be confirmed from the same effect achievement evaluation at the time of repeated training shown in FIG. Further, by performing training without tapping stimulation before and after training and comparing the results, it is possible to confirm the improvement in the effect by the automatic finger extension degree evaluation and the automatic finger extension agility evaluation.
上述した実施例1の訓練効果評価方法によれば、膨大な時間と労力を要する徒手の選択的運動促通訓練の代わりに、訓練装置10Aを制御してその運動覚情報と力覚情報をセンシングして促通手技を行うときの訓練効果を定量的に評価し、随意指伸展の運動の促通と反復による指の麻痺改善を実現したものである。この訓練効果評価方法によるプログラムを訓練効果評価演算装置30に移植し、この訓練効果評価演算装置30が、訓練効果評価により、訓練方法を調整し、適応化して訓練効果を最大限に活用することで、医師や作業療法士の代わりに片麻痺指機能回復が促進され、労力の軽減と医療効果の向上を実現することができる。また、訓練装置10Aの運動覚情報と力覚情報を利用して促通手技を行うときの運動と力の変化を定量的に解析し評価することができるため、その評価結果を訓練装置10Aにフィードバックして訓練のパターンを変更する等により更なる訓練効果の改善を実現することができる。
According to the training effect evaluation method of the first embodiment described above, instead of the selective exercise training that requires a lot of time and effort, the
なお、実施例1に係る訓練効果評価演算装置30によれば、演算処理部300が、訓練機構(訓練装置10A)の検知運動情報から得られた片麻痺した部位の伸張反射による自動伸展運動の速度と所定のサンプリングの時間との積和演算を行ない、出力部305へ出力することで、医師や作業療法士に定量評価を促すこととしたが、例えば、訓練装置10Aを使用した被験者の訓練結果に基づく定量評価の結果を大量にデータベース化しておき、その平均と比較することで被験者の訓練効果をビジュアル化して改善結果の進捗状況を表示する等、も含めて訓練効果評価演算装置30で実現することも可能である。
In addition, according to the training effect
次に、実施例1の指に代わり、前腕を訓練対象とした本実施形態に係る訓練効果評価方法を実施例2として説明する。 Next, a training effect evaluation method according to this embodiment in which the forearm is a training target instead of the finger of the first embodiment will be described as a second embodiment.
図25に、片麻痺前腕機能回復訓練装置(以下、単に訓練装置10Bという)の構造が示されている。図25に示すように、訓練装置10Bは、キャスター(自在車輪)211を備える移動台212と、この移動台212上の一端に設けられる前腕載せ台213と、移動台212上に設けられる装置ベース214と、この装置ベース214に水平軸廻りに回転可能に支持され上面が開放されている半割筒体215と、この半割筒体215内に設けられるスティック216と、半割筒体215内に設けられる手首支持部217と、一端が半割筒体215に連結され水平軸に沿って延びる駆動軸218と、装置ベース214に設けられ駆動軸218を回転自在に支える軸受台219、219と、装置ベース214に設けられ駆動軸218を駆動するサーボモータ221と、このサーボモータ221に設けられモータ軸222の回転角を計測するエンコーダ223と、このエンコーダ223から回転角情報を取得し半割筒体215を左右の一方向に正転させ、停止させ、逆転させ、停止させることを繰り返し、正転では回転運動機能回復を図る筋の緊張で筋の伸張反射を起こして神経細胞を興奮させるために第1角速度と急加速度と前記第1角速度より高速の第2角速度で筋の刺激を与える速度を制御し、逆転では筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する、一連の制御をなす制御部224と、スティック216に加えられるトルクを演算し機構制御部224へ送るトルク換算部225とからなる。
FIG. 25 shows the structure of a hemiplegic forearm function recovery training device (hereinafter simply referred to as
なお、キャスター211の一部は、普通の車輪(非自在車輪)であってもよい。また、キャスター211を省いてもよい。この場合は、移動台212は、単なる台となる。台であれば、適当なテーブルや机を台の替わりにすることができるため、移動台212を装置ベース214の下に配置するか否かは任意である。ただし、サーボモータ221やエンコーダ223は重いため、人的負担を軽減する上で、本実施例のように装置ベース214と移動台212を一体化することが推奨される。
Note that a part of the
また、半割筒体215は、筒体の一部が切り欠いてあればよく、切り欠き率は50%に限定されるものではない。さらには、半割筒体215は、半割円筒を原則とするが、多角形筒であってもよい。
Further, the
半割筒体215と駆動軸218との間に、トルク検出機構260が設けられる。このトルク検出機構260の構成及び作用は後述する。
A
図26は、訓練装置10Bの斜視図、図27(a)(b)(c)は、半割筒体215の作用図、図28は、他動的回転運動を示す図である。例えば、図26に示すように、患者は、例えば左手に訓練を施す必要があり、手首256を手首支持部217に載せ、前腕部258を前腕載せ台213に載せる。患者から見て左の手首256を、矢印(a)のように身体の中心へ回すことを「回内運動」と呼び、矢印(b)のように外側へ回すことを「回外運動」と呼ぶ。
FIG. 26 is a perspective view of the
矢印(a)と矢印(b)へ自分の意志で回す運動を「自動的回転運動」と呼ぶ。この自動的回転運動をより大きく引き起こすために、外部から力を与えて他方へ回転させる運動を「他動的回転運動」と呼ぶ。例えば、矢印(a)の方向へ「他動的回転運動」を行うことで、矢印(b)の方向へ「自動的回転運動」を引き起こすことができる。 The movement that is turned to the direction of the arrow (a) and the arrow (b) is called “automatic rotation movement”. In order to cause this automatic rotational motion to a greater extent, a motion in which a force is applied from the outside and rotated to the other is referred to as “other dynamic rotational motion”. For example, by performing “other dynamic rotational motion” in the direction of arrow (a), “automatic rotational motion” can be caused in the direction of arrow (b).
図27(a)には、図面が煩雑になるため手首は記載していないが、中立状態にあり、この状態から訓練が始められる。図27(b)に示すように、サーボモータ221により他動的回転運動を行う。具体的には、図28に示すように、先ず、第1角速度で他動的回転運動を行い、急加速度を行い、第2角速度で他動的回転運動を行う。例えば、第1角速度は2.5ラジアン/秒であり、第2角速度は11.0ラジアン/秒である。すなわち、第2角速度は第1角速度の2倍〜5倍程度にする。
In FIG. 27A, the wrist is not shown because the drawing becomes complicated, but the wrist is in a neutral state, and training can be started from this state. As shown in FIG. 27B, the
急加速度は、サーボモータ221が出し得る最大の加速度に設定する。例えば、0.01秒で、第1角速度から第2角速度へ移行させる。このとき角加速度は、(11.0−2.5)/0.01=約1000ラジアン/秒とする。すなわち、第1角速度による一定の回転後に、急加速度及び第2角速度で素早く回転させ機能回復を図る筋の緊張を高める。すると、筋緊張により伸張反射が励起される。この伸張反射により、筋の収縮が促され、図27(c)に示すように、患者の意志で自動的回転運動が行われる。ただし、サーボモータ221で筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために、軽い抵抗力を発生させる。
The sudden acceleration is set to the maximum acceleration that the
軽い抵抗力をサーボモータ221で発生させるには、患者が自動的回転時に発生するトルクを知る必要がある。すなわち、トルクが大きければ抵抗力(抵抗トルク)を高め、トルクが小さければ抵抗力を小さくすることで、患者の負担にならないようにする。そのためのトルク検出機構を備える。なお、軸トルクは、駆動軸218に歪ゲージを貼ることで検出可能である。ただし、駆動軸218の外径が小さいときには、軸のねじれ量(図30、符号θa参照)が小さいため、測定が難しいと共に測定誤差が大きくなる。このため、次に述べるように、測定精度が良好なトルク検出機構を採用した。
In order to generate a light resistance force by the
図29に示すように、トルク検出機構260は、円板242の外周部に図面表へ延びるように立てたピン261と、このピン261に一端が嵌り円板242の回転中心へ延びる棒状部材238と、この棒状部材238の途中に設けたくびれ部262と、このくびれ部262に貼り付けた歪ケージ263と、この歪ケージ263で得た歪情報をトルクに換算するトルク換算部225とからなる。
As shown in FIG. 29, the
棒状部材238の一端は、棒状部材238の長手方向へ延びる長穴264を介してピン261に嵌めることで、ピン261に対する棒状部材238の移動を許容するようにした。また、棒状部材238の他端は、フランジ265、266で駆動軸218の別の角軸部267に挟めるようにした。棒状部材238は、帯板の他、丸棒、角棒であってもよく、形状は任意である。ただし、帯板であれば、両端の幅が大きいため、この幅を利用して一端を円板242に容易に取付けることができると共に他端を駆動軸218に容易に取付けることができる。
One end of the rod-shaped
このような構成のトルク検出機構260の作用を次に述べる。図30(a)に示すように、自動的回転運動により、スティック216を介してトルクTmが円板242に加えられる。このトルクTmは、駆動軸218に直接伝えられると共に棒状部材238を介しても駆動軸218に間接的に伝えられる。直接伝えられるトルクをTa、間接的に伝えられるトルクをTsとすると、Tm=Ta+Tsとなる。歪ケージ263は棒状部材238だけに設けられている。
The operation of the
図30(b)に示すように、トルクTsにより、棒状部材238はくびれ部262を折曲点にして、くの字に曲がる。トルクTsが大きいほど曲がりが大きくなる。この規則性により、トルクTsは構造力学的に算出することができる。ここで、折曲点から駆動軸218までの長さをL1、折曲点からピン261までの長さをL2、くびれ部262の長さをLx、くびれ部262の幅をbとする。図には記入しないが、くびれ部262の厚さ(図面表裏寸法)をhとする。また、くびれ部262の縦弾性係数(ヤング率)をEとする。
As shown in FIG. 30 (b), the rod-shaped
図30(c)に示すように、駆動軸218にトルクTaが作用すると、僅かにねじれる。図中の角度θaは、トルクTaが大きいほど大きくなる。この規則性により、トルクTaも構造力学的に算出することができる。ここで、駆動軸218の長さをLL、直径をRとする。また、駆動軸218の横弾性係数をGとする。詳しい説明は省略するが、トルクTaは、次に示すように、Tsの関数になる。
As shown in FIG. 30C, when the torque Ta acts on the
トルクTsは、歪ゲージ263で求めることができるため、歪ゲージ263で得た歪情報に基づいて、トルク換算部225でトルクTmを求める。このトルクTmに応じて、サーボモータ221で抵抗トルクを発生させる。この抵抗トルクの詳細は後述する。自動的回転運動の際に、適度な大きさの抵抗力を付与すると、患者の前腕は刺激を持続して筋緊張を維持し、より大きく回転することができる。
Since the torque Ts can be obtained by the
なお、図30(b)において、くびれ部262の幅bが小さいほど、棒状部材238は大きく折り曲がり、くびれ部262に大きな歪が発生する。この様なくびれ部262に歪ゲージ263を貼り付けたので、トルクTmは精度よく求まる。すなわち、図30(c)に示す駆動軸218に歪ゲージを直接貼り付けるよりは、格段に高い精度でトルクを検出することができる。
In FIG. 30B, as the width b of the
次に、抵抗トルクの求め方を、説明する。サーボモータ221の現在の角度をθ、仮想慣性をI、仮想粘性をC、仮想弾性をKとしたときに、センシングされたトルクTmに対するインピーダンス式は次式になる。
Next, how to obtain the resistance torque will be described. When the current angle of the
等速時において、Cの値を調整することで抵抗力の大きさを決定する。加速・減速時において、K1、K2を調整することで抵抗トルクを決定できる。特に、時間の遅れを低減させたい場合は、Cを決定した後にIの値をK2=0に近づくように設定すればよい。以上により、抵抗トルクTnが適当な値に設定される。 At the constant speed, the magnitude of the resistance force is determined by adjusting the value of C. During acceleration / deceleration, the resistance torque can be determined by adjusting K1 and K2. In particular, when it is desired to reduce the time delay, the value of I may be set to approach K2 = 0 after C is determined. Thus, the resistance torque Tn is set to an appropriate value.
図28に示したように、第1角速度、急加速度、第2角速度を設定し、上記の抵抗トルクを設定した上で、次に述べるサイクルで訓練を実施する。なお、図31では他動的回動運動をマイナス(−)領域とした。図31に示すように、機構制御部224は、訓練装置10Bを制御して、第1角速度、急加速度、第2角速度からなる他動的回動運動を実施する。すなわち、サーボモータ221により、患者の前腕部を回転させる。このときに、急加速度及び第2角速度により、筋の緊張が高まる。
As shown in FIG. 28, the first angular velocity, the rapid acceleration, and the second angular velocity are set, the resistance torque is set, and then training is performed in the following cycle. In FIG. 31, the other dynamic rotation motion is a minus (−) region. As illustrated in FIG. 31, the
点P1で、サーボモータ221による駆動を止める。すると、腕部を逆方向に回す伸張反射が誘発され、それに続いて被訓練者は、自己の意志で前腕部を逆方向に随意的に回そうとする(伸張反射による自動的回転運動に相当)。ただし、点P1以降はサーボモータで軽い抵抗を付与する。点P1では、それまでの慣性により、角速度は−(マイナス)であるが、逆方向の回転により角速度は急減し、+(プラス)に転じる。逆方向の回転末期において回転が遅くなり、ついには角速度がゼロになる。機構制御部(図25の符号224)は、正転時の他動的回転運動と、逆転時の自動的回転運動とを1サイクルとして、このサイクルを数十回繰り返す。
At the point P1, the drive by the
以下に、幾つかの訓練パターンを用いて,健常者を対象とした筋電位測定を行い効果の高い訓練パターンを確立する。そして、片麻痺患者を対象とした検証実験を行い、その有効性を検証することとする。実験の目的は,訓練を行う前腕に筋電位センサを貼り幾分かの加速度で目標速度に到達するよりも加速度無限大で目標速度に到達した方が伸張反射をより誘発できることを筋電位測定により確認するためである。また、決定した訓練パターンを用いて各パターンでの筋電位の反応を比較し、効果的に伸張反射が誘発されているかを確認するためである。 Below, the myoelectric potential measurement for healthy subjects is performed using several training patterns, and a highly effective training pattern is established. Then, a verification experiment for a hemiplegic patient is performed to verify its effectiveness. The purpose of the experiment is to measure the myoelectric potential measurement that a stretch reflex can be induced more when the target speed is reached at infinite acceleration than when the target speed is reached at some acceleration by attaching a myoelectric sensor to the forearm to be trained. This is to confirm. In addition, this is for comparing the myoelectric potential responses in each pattern using the determined training pattern and confirming whether stretch reflex is effectively induced.
実験方法としては、回外運動での筋の反応を確認するために、回外筋に筋電位センサを貼り付けて変化を測定する。但し、いずれの回外運動も意識的な随意運動は行わせないこととする。訓練回数は20回とし、最大訓練時間は60秒とする。 As an experimental method, in order to confirm the reaction of the muscle in the supination movement, a change is measured by attaching a myoelectric potential sensor to the supination muscle. However, no conscious voluntary movements will be allowed for any supination movement. The number of training is 20 times, and the maximum training time is 60 seconds.
図32は、訓練での他動的回転運動や自動的回転運動等を示している。他動的回転は、速度区間1で低速運転し、速度区間2で高速回転する。その後、自動回転運動が行われている。他動的回転運動では、訓練装置10Bが患者の前腕を操作しているため、速度区間1の部分では筋電位が低くなり、速度区間2になったときに訓練装置10Bの速度変化により筋緊張が高まるため筋電位は急激に増加する。この反応が伸張反射になる。
FIG. 32 shows other dynamic rotational motion, automatic rotational motion, and the like in training. In the other dynamic rotation, a low speed operation is performed in the
図33(a)は、加速度無限大での訓練結果を示し、図33(b)は、有限加速度での訓練結果を示している。図33(a)と図33(b)とを比較すれば、他動運動から自動運動での筋電位の最小点から最大点への変化(伸張反射の大きさ)は、図33(b)の方が大きい。ここで、効果的な訓練として、前腕の伸張反射をより誘発することが求められる。したがって、目標速度へ加速度無限大で加速する訓練方法を選択する。 FIG. 33A shows a training result at an infinite acceleration, and FIG. 33B shows a training result at a finite acceleration. Comparing FIG. 33A and FIG. 33B, the change from the minimum point to the maximum point of the myoelectric potential from the passive movement to the automatic movement (the magnitude of the stretch reflection) is shown in FIG. Is bigger. Here, as an effective training, it is required to induce a stretch reflex of the forearm more. Therefore, the training method for accelerating to the target speed with infinite acceleration is selected.
以上の結果から決定したパターンでの筋電位の反応を比較した図が、図34(a)(b)(c)に示されている。図34(a)はパターン1,図34(b)はパターン2, 図34(c)はパターン3による実験結果を示す。図34(a)(b)(c)によれば、パターン1からパターン3まで速度区間1から速度区間2への加速度変化が大きくなっており,それに伴い筋電位の変化も大きくなっている。そのため、3つのパターンにおいて自動的回転運動での回転速度と横軸間の時間領域の面積を比較すると,パターン3が最も大きくなっており、パターン1が最も小さくなっていることがわかる。以上により,最も訓練効果が小さいのがパターン1であり,最も効果が大きいのがパターン3であり,パターン1と3の中間の効果が得られるものがパターン2であることが確認された。
FIGS. 34 (a), (b), and (c) show comparisons of myoelectric potential responses in patterns determined from the above results. FIG. 34 (a) shows the experimental results of
○第1実験:
実験装置:訓練装置10B
実験条件:第1角速度、急加速度、第2角速度
結果:図35(a)に示すグラフ。
○ First experiment:
Experimental device:
Experimental conditions: 1st angular velocity, sudden acceleration, 2nd angular velocity Result: The graph shown to Fig.35 (a).
第1実験の結果によれば、図34(a)に示すように、第1角速度、急加速度、第2角速度からなる他動的回転運動の後に、伸張反射による自動的回転運動(伸張反射による回転運動とそれに続く随意的な回転運動を含む)が引起こされる。自動的回転運動での最大角速度θa・maxは、約6ラジアン/秒であった。また、角速度と時間の積が角度になるため、積分値、すなわち、曲線と時間軸とで囲われる面積Saが回転角になる。 According to the result of the first experiment, as shown in FIG. 34 (a), after the other dynamic rotational motion composed of the first angular velocity, the rapid acceleration, and the second angular velocity, the automatic rotational motion by the stretched reflection (by the stretched reflection). Rotational motion followed by optional rotational motion). The maximum angular velocity θa · max in the automatic rotational motion was about 6 radians / second. Further, since the product of the angular velocity and time becomes an angle, an integral value, that is, an area Sa surrounded by the curve and the time axis becomes a rotation angle.
○第2実験(比較例):
実験装置:訓練装置10B
実験条件:第1角速度のみ(急加速度、第2角速度なし)
結果:図35(b)に示すグラフ。比較のために図34(a)の曲線の一部を想像線で示す。
○ Second experiment (comparative example):
Experimental device:
Experimental conditions: First angular velocity only (rapid acceleration, no second angular velocity)
Results: Graph shown in FIG. 35 (b). For comparison, a part of the curve in FIG.
比較例では、図35(b)に示すように、第1角速度のみからなる他動的回転運動の後に、伸張反射による自動的回転運動が引起こされる。自動的回転運動での最大角速度θb・maxは、約3ラジアン/秒であった。曲線と時間軸とで囲われる面積Sbが回転角になる。 In the comparative example, as shown in FIG. 35 (b), after the other dynamic rotational motion consisting only of the first angular velocity, an automatic rotational motion by stretch reflection is caused. The maximum angular velocity θb · max in the automatic rotational motion was about 3 radians / second. An area Sb surrounded by the curve and the time axis is a rotation angle.
上記2つの実験を所定回数(20回)繰り返した。すると、図36に示すように、実施例での最大角速度θa・maxは、4.5〜7.0ラジアン/秒であり、比較例での最大角速度θb・maxは、2.5〜5.2ラジアン/秒であった。また、図36に示すように、実施例での最大回転角Saは、1.9〜2.0ラジアンであり、比較例での最大回転角Sbは、1.65〜1.75ラジアンであった。 The above two experiments were repeated a predetermined number of times (20 times). Then, as shown in FIG. 36, the maximum angular velocity θa · max in the example is 4.5 to 7.0 radians / second, and the maximum angular velocity θb · max in the comparative example is 2.5 to 5. 2 radians / second. As shown in FIG. 36, the maximum rotation angle Sa in the example is 1.9 to 2.0 radians, and the maximum rotation angle Sb in the comparative example is 1.65 to 1.75 radians. It was.
伸張反射による自動的回転運動において、最大回転角が大きいほど、筋の収縮が大きい。すなわち、図34(a)に示すように、急加速度を含む他動的回転を実施することで、図37に示すように、回転角が大きくなり、大きな伸張反射が得られることが確認できた。 In the automatic rotational movement by stretch reflex, the greater the maximum rotation angle, the greater the muscle contraction. That is, as shown in FIG. 34 (a), by performing other dynamic rotation including sudden acceleration, as shown in FIG. 37, it was confirmed that the rotation angle was increased and a large stretch reflection was obtained. .
ここで、実施例2の訓練効果評価演算装置30について説明する。実施例2の訓練効果評価演算装置30は、訓練装置10Bの構造を除き、図7に示した実施例1と同様であり、また、その基本動作についても図8に示す実施例1と同様である。図38に、前腕の伸張反射による自動回転速度の計算処理(図8のステップS20)のための詳細手順が、図39に、前腕の回転速度による自動回転運動速度とサンプリング時間との積和演算処理(図8のステップS30)のための詳細手順が示されている。
Here, the training effect
実施例1同様、伸張反射による自動回転運動速度(回転角速度)の計算処理に先立ち、演算処理部300は、不図示の内蔵レジスタに、現行の伸張反射による自動回転運動速度「Vmini」を,所定の訓練回数における最小速度(回転角速度)「Vminj」を,所定の訓練回数における最大速度(回転角速度)「Vmaxj」をそれぞれ割り当てる。但し、jは訓練回数とする。
As in the first embodiment, prior to the calculation processing of the automatic rotational motion speed (rotational angular velocity) by the stretch reflection, the
図38において、まず、演算処理部300は、Vi(回転角速度)が正か負かを判定する(ステップS311)。Viが正であれば(ステップS311”YES”)、演算処理部300は更にVmaxjとViとを比較し(ステップS312)、Vmaxj<Viであれば(ステップS312”YES”)、Vmaxjに現行のViを設定し(ステップS313)、Vmaxj<Viでなければ(ステップS312”NO”)、ステップS311の処理に戻って伸張反射による自動回転運動の最大速度を求める。
In FIG. 38, first, the
一方、ステップS311でViが0又は負であると判定されると(ステップS311”NO”)、演算処理部300は、Viが正か負かを判定し、未だ負であれば(ステップS314”NO”)、ステップS311以降の処理を繰り返し実行して前腕の最大自動回転速度を求め、0または正になれば(ステップS314”YES”)、訓練回数を示すjを+1更新する(ステップS315)。以上の処理は、例えば、訓練回数jが”20”をカウントする(ステップS316”YES”)まで繰り返し実行される。
On the other hand, if it is determined in step S311 that Vi is 0 or negative (step S311 “NO”), the
図39に前腕の回転速度とサンプリング時間との積和演算処理(図8のステップS40)のための詳細手順が示されている。図39によれば、演算処理部300は、Vi(回転角速度)が正か負かを判定する(ステップS411)。Viが正であれば(ステップS411”YES”)、演算処理部300は、各サンプリングタイムにおける自動回転運動時の前腕回転角速度ViにサンプリングタイムΔtを積和演算して図34の面積Siを算出する(ステップS412)。図34に、時間軸上に角速度を目盛り、そのときに算出される面積Siとの関係が示されている。
FIG. 39 shows a detailed procedure for a product-sum operation process (step S40 in FIG. 8) of the rotation speed of the forearm and the sampling time. According to FIG. 39, the
演算処理部300は、Viが正の場合に限り上記した積和演算を繰り返し、0または負になったタイミングで(ステップS411”NO”)、自動回転運動における前腕速度V(i−N)が正か負かを判定する(ステップS413)。正でなければ(ステップS413”NO”)、ステップS411以降の処理を繰り返し実行し、0または正になれば(ステップS413”YES”)、訓練回数を示すjを+1更新する(ステップS414)。以上の処理は、例えば、訓練回数jが”20”をカウントする(ステップS415”YES”)まで繰り返し実行される。
The
説明を図8の基本動作フローに戻すと、前腕の自動回転速度の計算処理(ステップS20)、自動回転速度とサンプリング時間との積和演算処理(ステップS30)は、訓練反復回数分繰り返し実行され(ステップS40)、演算処理部300は、更にその平均値、あるいは箱ひげ図に必要な各値を計算する(ステップS50)。続いて、演算処理部300は、その結果をグラフ化して表示情報を生成し、出力部305に表示して評価を促す(ステップS60)。
Returning to the basic operation flow of FIG. 8, the forearm automatic rotation speed calculation process (step S20) and the product-sum calculation process (step S30) of the automatic rotation speed and sampling time are repeatedly executed for the number of training iterations. (Step S40), the
上記した実験は、筋電位測定により効果が確認された3つのパターンを用いて片麻痺患者を対象に訓練を行う、訓練効果に関わる伸張反射の発生の違いを評価するためである。訓練対象とした麻痺患者の目的とする回転運動は回外運動である。但し、回外運動には伸張反射による運動と伸張反射から引き起こした随意運動を含んでいる。このため、訓練回数は20回とし、最大訓練時間は60秒とした。 The experiment described above is for evaluating the difference in the occurrence of stretch reflexes related to the training effect in which training is performed on a hemiplegic patient using three patterns whose effects have been confirmed by myoelectric potential measurement. The target rotational motion of the paralyzed patient targeted for training is supination motion. However, the supination motion includes a motion due to the stretch reflex and a voluntary motion caused by the stretch reflex. For this reason, the number of exercises was set to 20, and the maximum exercise time was set to 60 seconds.
今回実験を行った患者は、初期地点まで戻ることができなかったため、外部からの補助を加えた。以下に示す結果ではその力や速度を0にした。図40は、実験結果の他動的回転運動や自動的回転運動等を示している。筋電位を用いた検証実験により、自動回転運動での回転数と時間軸の面積を比較することで、患者の伸張反射がより誘発されているかを判断することができる。そのため、自動回転運動での回転速度と時間軸との面積を比較することとした。 Since the patient who performed this experiment was not able to return to the initial point, external assistance was added. In the results shown below, the force and speed were set to zero. FIG. 40 shows other dynamic rotational motion, automatic rotational motion, and the like of the experimental results. Through a verification experiment using myoelectric potential, it is possible to determine whether the patient's stretch reflex is more induced by comparing the number of rotations in the automatic rotational movement and the area of the time axis. Therefore, it was decided to compare the area of the rotational speed and time axis in the automatic rotational motion.
図40(a)〜(c)は、それぞれ上記したパターン1、パターン2,パターン3を用いた実証実験での結果の一部を示したグラフである。いずれも横軸に時間軸を目盛り縦軸に回転速度を目盛っている。パターン1とパターン2での自動回転運動での回転速度と時間軸との面積を比較すれば、パターン2の方の面積が大きいことがわかる。同様に、パターン2とパターン3での回転速度と時間軸との面積を比較すると、パターン3の方が大きいことがわかる。このことにより、訓練パターンを変更することで片麻痺患者の伸張反射より効果的に誘発することができる。
40 (a) to 40 (c) are graphs showing a part of the results of the demonstration experiment using the above-described
図41に、図40の一部時間領域の拡大図を示す。実施例2では上記したように図41のハッチング表記した伸張反射による自動回転運動時間領域の面積Siにより前腕の自動回転度合を評価する。また、前腕の自動回転度合いの評価の他に、自動回転時における最大速度Vmaxを使用して伸張反射によりどれだけの随意運動を引き起こす効果があったかを示す自動回転俊敏さの評価も可能である。すなわち、図41に示すように、ハッチング表記した伸張反射による自動回転運動時間領域における最大速度Vmaxにより自動回転俊敏さの評価を行う。 FIG. 41 shows an enlarged view of the partial time region of FIG. In the second embodiment, as described above, the degree of automatic rotation of the forearm is evaluated based on the area Si of the automatic rotational movement time region by the stretched reflection indicated by hatching in FIG. In addition to the evaluation of the degree of automatic rotation of the forearm, it is also possible to evaluate the automatic rotation agility indicating how much voluntary movement is caused by the stretch reflection using the maximum speed Vmax during automatic rotation. That is, as shown in FIG. 41, the automatic rotational agility is evaluated based on the maximum speed Vmax in the automatic rotational movement time region due to the stretched reflection indicated by hatching.
図42に箱ひげ図による前腕自動回転度評価の一例が、図43に箱ひげ図による前腕自動回転俊敏さ評価の一例が示されている。図42,図43ともに、訓練毎(促通(練習)あり、促通無し(訓練前)、促通と電気刺激を併用、促通と振動刺激を併用、促通と振動刺激と電気刺激を併用、促通なし(訓練前)、促通のみ)回転角[rad]が示されている。図42,図43によれば、被験者の前腕自動回転度評価と前腕自動回転俊敏さ評価において、促通無しの場合より促通を含む訓練の方が良好な結果が得られたことが理解できる。特に、電気刺激、振動刺激を併用した場合に、ばらつきが少なく安定して訓練が行えていることが理解できる。また、訓練前後に促通無しの訓練を行い比較することにより、前腕自動回転度合評価と前腕自動回転俊敏さ評価で効果向上を確認することができる。 FIG. 42 shows an example of automatic forearm rotation evaluation using a box-and-whisker diagram, and FIG. 43 shows an example of automatic forearm rotation evaluation using a box-and-whisker diagram. 42 and 43 for each training (with facilitation (practice), without facilitation (before training), with both facilitation and electrical stimulation, with facilitation and vibration stimulation, with facilitation, vibration stimulation and electrical stimulation. The combination angle, no prompting (before training), only the prompting) shows the rotation angle [rad]. 42 and 43, it can be understood that, in the forearm automatic rotation degree evaluation and the forearm automatic rotation agility evaluation of the test subject, a better result was obtained by training including prompting than without prompting. . In particular, it can be understood that when electrical stimulation and vibration stimulation are used in combination, training can be performed stably with little variation. In addition, by performing training without prompting before and after training and comparing them, it is possible to confirm the improvement in effectiveness by evaluating the forearm automatic rotation degree and the forearm automatic rotation agility evaluation.
上記の評価は、実施例1同様、演算処理部300が、伸張反射による自動回転運動の速度の平均値を求め、あるいは、伸張反射による自動回転運動の最大値、最小値、第1分位、第2分位、および第3分位を演算により求め、例えば、箱ひげ図を表現するために必要な出力情報を生成し、出力装置305に出力することにより実現される。
In the above evaluation, as in the first embodiment, the
以上説明のように実施例2の訓練効果評価方法によれば、膨大な時間と労力を要する徒手の選択的運動促通訓練の代わりに、訓練装置10Bを制御してその運動覚情報と力覚情報をセンシングして促通手技を行うときの訓練効果を定量的に評価し、随意前腕伸展の運動の促通と反復による前腕の麻痺改善を実現したものである。この訓練効果評価方法によるプログラムを訓練効果評価演算装置30に移植し、この訓練効果評価演算装置30が、訓練効果の評価結果により訓練方法を調整し、適応化して訓練効果を最大限に活用することで、医師や作業療法士の代わりに片麻痺前腕機能回復が促進され、労力の軽減と医療効果の向上を実現することができる。
As described above, according to the training effect evaluation method of the second embodiment, instead of the selective exercise training that requires a lot of time and labor, the
また、実施例2の訓練効果評価方法によれば、訓練装置10Bの運動覚情報と力覚情報を利用して促通手技を行うときの運動と力の変化を定量的に解析し評価することができるため、その評価結果を訓練装置10Bにフィードバックして訓練のパターンを変更する等により、更なる訓練効果の改善を実現することができる。
In addition, according to the training effect evaluation method of the second embodiment, quantitatively analyzing and evaluating changes in exercise and force when performing the push technique using the motion information and force information of the
なお、本実施形態に係るプログラムは、例えば、図1において、コンピュータ(訓練効果評価演算装置30)によって実行され、片麻痺した部位の筋を刺激して伸張反射を誘発する訓練を行う訓練機構を備え、前記訓練を所定回数分繰り返して前記片麻痺した部位の運動機能回復を促す片麻痺運動機能回復訓練装置10を用いて前記片麻痺した部位の運動機能回復の程度を評価する訓練効果評価演算装置30のプログラムである。そしてそのプログラムは、例えば、図8に示すように、コンピュータに、前記訓練機構の検知運動情報から得られた前記片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリング時間との積和演算を行う手順(ステップS10〜S50)と、前記積和演算した結果を出力する手順(ステップS60)と、を実行させるものである。
Note that the program according to this embodiment is executed by a computer (training effect evaluation computing device 30) in FIG. 1, for example, and includes a training mechanism that performs training to stimulate stretch muscles and stimulate stretch muscles. A training effect evaluation calculation for evaluating the degree of motor function recovery of the hemiplegic site using the hemiplegic motor function
本実施形態に係るプログラムによれば、訓練効果評価演算装置30に、訓練機構の検知運動情報から得られた片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリング時間とを積和演算する処理を実行させることにより、得られる結果を出力装置に、例えば表示して評価を促すことで、医師あるいは作業療法士は、片麻痺患者の麻痺した部位の運動機能回復の程度を定量的に評価することができ、結果的に訓練効果の改善を実現することができる。
According to the program according to the present embodiment, the training effect
本発明は、左又は右半身が麻痺した患者の指または前腕部を訓練して運動機能回復を促す訓練装置を使用した訓練の運動機能回復の評価に用いて好適な効果が得られる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be advantageously used for evaluation of recovery of motor function in training using a training device that trains the finger or forearm of a patient whose left or right half is paralyzed to promote motor function recovery.
1…片麻痺運動機能回復訓練システム、10…片麻痺運動機能回復訓練装置(10A,10B:訓練装置)、20,150,224…機構制御部、21,214…装置ベース、30…訓練効果評価演算装置、41,47,221…サーボモータ、52,53,223…エンコーダ、105…指屈伸機構、108…指叩き機構、215…半割筒体、216…スティック、300…演算処理部、301…記憶部、302,303…A/D変換器、304…通信部、305…出力部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記訓練機構の検知運動情報から得られる前記片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリング時間とを積和演算する第1のステップ、
を有することを特徴とする訓練効果評価方法。 A training apparatus for recovering a hemiplegic motor function, comprising a training mechanism for performing a training for inducing stretch reflex by stimulating muscles at a hemiplegic site, and repeating the training a predetermined number of times to promote recovery of the motor function of the hemiplegic site An evaluation method using the training effect evaluation calculation device used,
A first step of multiply-accumulating a speed of automatic movement by a stretch reflection of the hemiplegic site obtained from the detected movement information of the training mechanism and a predetermined sampling time;
A training effect evaluation method characterized by comprising:
を更に有することを特徴とする請求項1記載の訓練効果評価方法。 A second step of determining a maximum speed of automatic movement by the stretch reflection;
The training effect evaluation method according to claim 1, further comprising:
を更に有することを特徴とする請求項1または2記載の訓練効果評価方法。 A third step of performing a comparison operation between each of the results of the product-sum operations for the predetermined number of times and an average value of the results of the product-sum operations;
The training effect evaluation method according to claim 1, further comprising:
を更に有することを特徴とする請求項2に従属する請求項3記載の訓練効果評価方法。 A fourth step of prompting an evaluation of the degree of recovery of the paralyzed motor function by displaying at least one of the result of the product-sum operation, the maximum speed of the automatic motion by the stretched reflection, and the result of the comparison operation on a display device;
The training effect evaluation method according to claim 3, which is dependent on claim 2.
を更に有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の訓練効果評価方法。 The maximum value, the minimum value, the first quantile, the second quantile, and the third quantile of the automatic motion due to the stretched reflection are obtained by calculation to generate output information that represents a box-and-whisker plot, and output it to the output device. A fifth step for prompting an evaluation of the degree of hemiplegic motor function recovery by
The training effect evaluation method according to claim 1, further comprising:
前記訓練機構の検知運動情報から得られる前記片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリング時間とを積和演算する演算処理部と、
前記演算処理部が算出した前記積和演算の結果を出力する出力部と、
を有することを特徴とする訓練効果評価演算装置。 A training apparatus for recovering a hemiplegic motor function, comprising a training mechanism for performing a training for inducing stretch reflex by stimulating muscles at a hemiplegic site, and repeating the training a predetermined number of times to promote recovery of the motor function of the hemiplegic site Use, a training effect evaluation computing device that evaluates the degree of motor function recovery of the hemiplegic site,
An arithmetic processing unit that performs a product-sum operation on the speed of the automatic movement by the stretch reflection of the hemiplegic site obtained from the detected movement information of the training mechanism and a predetermined sampling time;
An output unit that outputs the result of the product-sum operation calculated by the arithmetic processing unit;
A training effect evaluation calculation device characterized by comprising:
装置ベースと、
前記装置ベースに載せられた手の手首近傍を揺動支点として上下に往復動する手載せ台と、
前記手載せ台に載せられた手の指の1本を押し下げて屈曲させ、屈曲された指が元に戻ろうとする伸張動作は妨げない指屈伸機構と、
前記指屈伸機構を駆動する第1のサーボモータと、
前記第1のサーボモータの回転角を計測する第1のエンコーダと、
前記指屈伸機構で押し下げられた前記指の根本を叩いて前記伸張動作を誘発する前記手載せ台に設けられた指叩き機構と、
前記指叩き機構を駆動する第2のサーボモータと、
前記第2のサーボモータの回転角を計測する第2のエンコーダと、
機構制御部とを備え、
前記機構制御部は、
前記第1のエンコーダと前記第2のエンコーダとから前記回転角の情報を取得し、前記指の屈曲終了時、前記指叩き機構による叩く操作により前記指に刺激を与え前記指の伸張反射を誘発する制御と、前記指の伸張反射時に前記指に接触し続けることで更なる刺激を与えるとともに、前記伸張反射に伴い前記指叩き機構が指の根元に移動するなぞり動作により持続的指自動伸展を可能にする制御とを所定の訓練反復回数だけ繰り返し行うことを特徴とする請求項6記載の訓練効果評価演算装置。 The training mechanism is:
A device base,
A hand platform that reciprocates up and down with the vicinity of the wrist of the hand placed on the device base as a swing fulcrum;
A finger bending / extension mechanism that does not hinder one of the fingers of the hand placed on the table to bend and bends, and does not hinder the stretching operation of the bent finger to return;
A first servo motor for driving the finger bending and extending mechanism;
A first encoder for measuring a rotation angle of the first servomotor;
A finger striking mechanism provided in the hand platform for inducing the stretching motion by striking the root of the finger pressed down by the finger bending / stretching mechanism;
A second servo motor for driving the finger tapping mechanism;
A second encoder for measuring a rotation angle of the second servomotor;
A mechanism control unit,
The mechanism controller is
Information on the rotation angle is acquired from the first encoder and the second encoder, and when the finger is bent, the finger is stimulated by a tapping operation by the finger tapping mechanism to induce stretch reflex of the finger. Control and continuous contact with the finger when the finger is stretched and reflected, and further continuous finger automatic extension is provided by a tracing operation in which the finger hitting mechanism moves to the base of the finger along with the stretched reflection. 7. The training effect evaluation calculation apparatus according to claim 6, wherein the control to enable is repeatedly performed by a predetermined number of training repetitions.
装置ベースと、
前記装置ベースに水平軸廻りに回転可能に支持され上面が開放されている半割筒体と、
前記半割筒体内に設けられ前腕部の指を添える又は指で握ることができるスティックと、
前記半割筒体内に設けられ手首を支える手首支持部と、
一端が前記半割筒体に連結され水平に延びる駆動軸と、
前記装置ベースに設けられ前記駆動軸を駆動するサーボモータと、
前記サーボモータに設けられモータ軸の回転角を計測するエンコーダと、機構制御部とを有し、
前記機構制御部は、
前記エンコーダから回転角情報を取得し前記半割筒体を正転させ、停止させ、逆転させ、停止させる動作を繰り返し、前記正転では機能回復を図る筋の緊張で筋の伸張反射を起こして神経細胞を興奮させるために第1角速度と急加速度と前記第1角速度より高速の第2角速度で筋の刺激を与える速度を制御し、前記逆転では筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する動作により持続的前腕自動回転を可能にする制御とを所定の訓練回数だけ繰り返し行うことを特徴とする請求項6記載の訓練効果評価演算装置。 The training mechanism is:
A device base,
A half cylinder that is supported by the device base so as to be rotatable around a horizontal axis and whose upper surface is open;
A stick which is provided in the half cylinder and attaches a finger of the forearm or can be grasped with a finger;
A wrist support provided in the half cylinder and supporting the wrist;
A drive shaft having one end connected to the half cylinder and extending horizontally;
A servo motor that is provided in the apparatus base and drives the drive shaft;
An encoder provided in the servo motor for measuring the rotation angle of the motor shaft, and a mechanism control unit;
The mechanism controller is
The rotation angle information is acquired from the encoder, and the half cylinder is rotated forward, stopped, reversely rotated, and stopped repeatedly. In order to excite the nerve cells, the first angular velocity, the rapid acceleration, and the second angular velocity higher than the first angular velocity are used to control the muscle stimulation speed. In the reverse rotation, the muscle stimulation is sustained and the muscle tone is maintained. Therefore, the training effect evaluation computing device according to claim 6, wherein the control for enabling the continuous forearm automatic rotation by the operation of applying the resistance force is repeatedly performed a predetermined number of times of training.
前記コンピュータに、
前記訓練機構の検知運動情報から得られた前記片麻痺した部位の伸張反射による自動運動の速度と所定のサンプリングの時間との積和演算を行う手順と、
前記積和演算した結果を出力する手順と、
を実行させるプログラム。 A hemiplegic exercise that is controlled by a computer and has a training mechanism for stimulating muscles at a hemiplegic site to induce stretch reflex, and promoting the recovery of the motor function of the hemiplegic site by repeating the training a predetermined number of times A program for a training effect evaluation computing device that evaluates the degree of motor function recovery of the hemiplegic site using a function recovery training device,
In the computer,
A procedure for performing a product-sum operation between the speed of automatic movement by stretch reflection of the hemiplegic site obtained from the detected movement information of the training mechanism and a predetermined sampling time;
A procedure for outputting the result of the product-sum operation;
A program that executes
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