JP6062889B2

JP6062889B2 - 筋収縮運動支援システム

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Publication number: JP6062889B2
Application number: JP2014145349A
Authority: JP
Inventors: 康素松井; 幸彦森島; 考弘横山; 晃雄田中
Original assignee: National Center for Geriatrics and Gerontology
Current assignee: National Center for Geriatrics and Gerontology
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-07-15
Also published as: JP2016019695A

Description

本発明は、利用者の筋収縮運動を支援する筋収縮運動支援システムに関し、特にリハビリテーションの運動療法における患者の筋収縮運動支援に好適な筋収縮運動支援システムに関する。

事故や病気などにより低下した運動機能の回復や増進を目的としてリハビリテーションが行われる。リハビリテーションの運動療法では、患者は理学療法士や作業療法士などの指導の下、歩行訓練や往復繰り返し運動などを適切な運動メニューを継続的にこなすのが一般的である。運動療法には多くのスタッフが必要であるがスタッフの数は限られているため、理学療法士などの直接指導なしに患者が自力で適切かつ効果的な運動を行えるようにする必要がある。また、患者が退院して自宅でリハビリテーションを続ける場合も同様である。従来、入力された患者識別子に基づいてその患者が行うべき運動内容を決定し、それに対応する運動のビデオを患者に提示することで、患者の症状や能力に応じた個別対応のリハビリ指導を提供している（例えば、特許文献１を参照）。

特開平９−５６６９７号公報

患者がビデオ通りに運動したとしても、専門スタッフが患者について直接指導をしていないため、はたして効果的な運動ができているかどうかが不明である。例えば、膝の伸展／屈曲を繰り返す運動において、膝が十分に曲げ伸ばしできていなかったり、膝を屈曲した状態で維持する時間が不十分であったりすると、その筋収縮運動はあまり効果のないものとなる。そのような非効率的なリハビリテーションを続けていると、なかなか成果が現れずに患者の意欲が低下したり、継続的に運動を行わなくなるおそれがある。すなわち、従来の運動支援装置は運動動作を指示するだけで、どれだけ筋力が付いたかが考慮されていない。運動療法では必要な筋肉がきちんと動かせているかということを考慮して運動を行う必要がある。

上記問題に鑑み、本発明は、自宅や病室内などで利用者が自力で効果的な筋収縮運動ができるように支援する筋収縮運動支援システムを提供することを目的とする。

本発明の一局面に従った筋収縮運動支援システムは、利用者の体表面に貼付され、前記利用者のトレーニング対象部位の表面筋電図を計測する筋電計と、前記利用者の運動の様子を撮影する撮影装置と、前記撮影装置により撮影された映像を解析して前記利用者が運動中に正しい姿勢を保っているかを判定するとともに、前記筋電計により計測された表面筋電図に基づいて前記トレーニング対象部位の筋収縮量が目標値に達しているかを判定して、前記利用者の運動達成度を、運動中の姿勢および筋収縮の２つの観点を組み合わせることで評価する処理装置とを備えている。

これによると、利用者の外部観察により得られる運動中の姿勢だけでなく、表面筋電図から解析される筋収縮量も考慮して利用者の運動達成度を評価することができる。

上記筋収縮運動支援システムが、前記利用者に運動の動作見本の動画像を提示するユーザインタフェースを備えていてもよく、また、前記処理装置が、前記利用者が運動中に正しい姿勢を保っていないと判定した場合、または、前記トレーニング対象部位の筋収縮量が目標値に達していないと判定した場合、前記利用者に動作修正のアドバイスを提供してもよい。これによると、利用者に運動見本を提示して利用者により効果的な筋収縮運動を支援することができる。

上記筋収縮運動支援システムは、前記トレーニング対象部位の体幹の動きを検出する動きセンサーを備えていてもよい。さらに、前記処理装置が、前記動きセンサーの検出信号を加味して前記利用者が運動中に正しい姿勢を保っているかを判定してもよい。これによると、利用者の外観の動きをより正確に検出することができる。

上記筋収縮運動支援システムは、前記利用者の呼吸および／または拍動を検出する人体センサーを備えていてもよい。さらに、前記処理装置が、前記人体センサーが検出した前記利用者の呼吸および／または拍動が所定レベルを超えたとき警報を発するものであってもよい。これにより、運動中の利用者の身体異常を検出して運動における安全性を確保することができる。

上記筋収縮運動支援システムにおいて、前記処理装置が、前記利用者の運動達成度を前記利用者の運動履歴として記憶してもよい。このように記憶した運動履歴はリハビリ効果の判定などに活用することができる。

以上のように本発明によると、利用者が自力で効果的な筋収縮運動ができるように支援することができる。

本発明の一実施形態に係る筋収縮運動支援システムの概略構成図筋収縮運動支援システムのブロック図筋収縮運動支援システムの動作例を示すフローチャート筋収縮運動支援システムの応用例を示す概要図

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る筋収縮運動支援システム１０の概略構成を示す。図２は、筋収縮運動支援システム１０のブロック図である。本実施形態に係る筋収縮運動支援システム１０は、利用者１００が自力で各種運動メニューをこなしていくことを支援するためのものであり、リハビリテーションの運動療法などの用途に利用することができる。例えば、筋収縮運動支援システム１０を病室や自宅に設置して、患者や在宅高齢者などがベッド上またはベッドサイドなどで行う筋収縮運動を支援することができる。

筋収縮運動支援システム１０は、筋電計１１、ユーザインタフェース１２、撮影装置１３、処理装置１４、人体センサー１５、および動きセンサー１６を含む。筋電計１１は、利用者１００のトレーニング対象部位の表面筋電図を計測するためのものである。表面筋電図とは筋肉の複合活動電位を波形化して表したものであり、複合活動電位とは筋肉を構成する各筋繊維から発生し、容積伝導により体表面に伝搬する活動電位を合計したものをいう。複合活動電位は筋収縮の程度により変化する。例えば、筋肉が小さな力を出している場合には収縮する筋線維の数は少なく、筋線維から発生する活動電位の数も少ない。そこから力を増加させていくと収縮する筋線維の数が徐々に増加し、活動電位の数も増加する。これにより、表面筋電図として観測される複合活動電位は増大する。このように、力の出し方と表面筋電図とは相関関係（比例関係）にある。

表面筋電図は２つの表面電極間の電位差として捕捉される。具体的には、２個１組の表面電極をトレーニング対象部位の筋繊維の走行方向に沿って数ｃｍ程度の適当な間隔を開けて利用者１００の体表面に貼付する。図１は、左足の下腿三頭筋の筋収縮量をモニターするために利用者１００の左足ふくらはぎに表面電極を貼付した例を示している。

なお、筋電計１１は１組に限らず、複数組を利用者１００の身体各所に貼付してもよい。これにより、利用者１００が運動をする際にさまざまな筋肉の収縮量をモニターすることができる。

また、筋電計１１がＷｉ-Ｆｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信デバイスを備え、処理装置１４と無線通信できることが望ましい。これにより、筋電計１１と処理装置１４とを接続するケーブルがなくなり、利用者１００が運動をやり易くなる。

ユーザインタフェース１２は、利用者１００に運動の動作見本の動画像（ビデオ）を提示するためのものであり、液晶表示装置などを含む。ユーザインタフェース１２は、スピーカーなども含むことができ、単に映像だけではなく音声も出力することができる。ビデオコンテンツは運動メニューに応じたものが処理装置１４から供給される。

ユーザインタフェース１２として家庭用のテレビ装置やＰＣ用の表示装置を利用することができる。図１は、ユーザインタフェース１２として大型の液晶表示装置を用いた例を示している。これ以外にも、ユーザインタフェース１２としてプロジェクターやリアプロジェクションテレビなどを用いることができる。

なお、ユーザインタフェース１２は、運動の動作見本ビデオ以外に、筋電計１１が計測するリアルタイムの表面筋電図や撮影装置１３が撮影した映像などを選択的にまたは画面分割して表示するものであってもよい。さらに、ユーザインタフェース１２は、運動メニューの選択画面や利用者１００の運動履歴などを表示するものであってもよい。この場合、利用者１００は図示しないリモコンを操作してユーザインタフェース１２の画面上で運動メニューの選択などの操作をすることができる。

あるいは、ユーザインタフェース１２を省略してもよい。例えば、利用者１００は、運動の動作見本を収めた運動マニュアルなどの冊子を見ながらさまざまな運動を行うことができる。

撮影装置１３は、利用者１００の運動の様子を撮影するためのものである。撮影装置１３としてＰＣ周辺機器のｗｅｂカメラまたはライブカメラなどの小型カメラを利用することができる。あるいは、撮影装置１３として人のジェスチャーや音声を認識するkinect（登録商標）を利用することもできる。撮影装置１３は、ＵＳＢケーブルなどで処理装置１４と接続される。

利用者１００の全身が撮影できるように、利用者１００の前方の適当な位置に撮影装置１３を設置すべきである。図１は、撮影装置１３をユーザインタフェース１２の上に載せて設置した例を示している。これ以外にも、撮影装置１３を天井などに設置して、利用者１００の全身を斜め前方から撮影してもよい。

処理装置１４は、システム全体の制御を司るとともに利用者１００の運動達成度を総合的に評価する。処理装置１４としてデスクトップコンピュータやラップトップコンピュータなどの汎用のコンピュータ（ＰＣ）を利用することができる。

処理装置１４は、図示しないハードディスク装置や光ディスク装置などの大容量ストレージ装置を備えており、当該ストレージ装置に各種運動のビデオコンテンツが格納されている。処理装置１４は、ストレージ装置から適宜ビデオコンテンツを読み出してユーザインタフェース１２に表示する。処理装置１４がインターネットなどのネットワークに接続されていれば、ネットワーク上のコンテンツサーバー（図略）から適宜ビデオコンテンツを受信してユーザインタフェース１２に表示することも可能である。

人体センサー１５は、利用者１００の呼吸および／または拍動などのバイタルサインを検出するためのものである。人体センサー１５として３ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの超広帯域無線波（ＵＷＢ波）を送受信する無線装置を利用することができる。人体センサー１５は、ＵＳＢケーブルなどで処理装置１４と接続される。

具体的には、人体センサー１５は送信アンテナ１５ａと受信アンテナ１５ｂを備えている。送信アンテナ１５ａは利用者１００に向けてＵＷＢ波を照射し、受信アンテナ１５ｂは利用者１００からの反射波を受信する。人体センサー１５は、受信アンテナ１５ｂが受信した反射波を適当なサンプリング周期でＡ／Ｄ変換して処理装置１４に転送する。処理装置１４は当該転送された信号に対して信号処理を施して利用者１００からの反射波を解析する。利用者１００からの反射波を解析することで、利用者１００からの反射波とそれ以外の静止物体からの反射波を区別して、特に利用者１００の呼吸変動や心臓の拍動のような微少な動きを非接触で検出することができる。

なお、図１の例では人体センサー１５を撮影装置１３とは独立に設置しているが、これらは一つの筐体に一体的に収容されていてもよい。

また、人体センサー１５は利用者１００が安全に運動することができることを目的として設けるものであり、運動達成度の評価に直接的に関係するわけではない。このため、別の手段を講じるかまたは特に手段を講じなくとも運動の安全性が十分に確保できるようであれば人体センサー１５は省略しても構わない。

あるいは、上記のようなＵＷＢを用いた非接触タイプの人体センサー１５ではなく、利用者１００の身体に装着する接触タイプの人体センサーを利用することもできる。例えば、筋電計１１または動きセンサー１６と一体化された人体センサーを用いることで、利用者１００に装着する計測器の個数を減らすことができる。

動きセンサー１６は、利用者１００のトレーニング対象部位の体幹の動きを検出するためのものである。動きセンサー１６として加速度センサー、ジャイロセンサー、角速度センサー、ゴニオメーター、またはこれらを適宜組み合わせたものを利用することができる。加速度センサー、ジャイロセンサー、角速度センサー、およびゴニオメーターとして１方向の動きを検出する１軸検出タイプ、２方向（Ｘ−Ｙ）の動きを検出する２軸検出タイプ、および３方向（Ｘ−Ｙ−Ｚ）の動きを検出する３軸検出タイプのいずれを用いてもよい。

動きセンサー１６は、利用者１００の体幹の動きを適切に検出できる位置に装着すべきである。図１は、左下腿の上下の動きを検出するために利用者１００の左足首に動きセンサー１６を装着した例を示している。

なお、動きセンサー１６は１個に限らず、複数個を利用者１００の身体各所に装着してもよい。これにより、利用者１００の体幹のさまざまな動きを検出することができる。

また、動きセンサー１６がＷｉ-Ｆｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信デバイスを備え、処理装置１４と無線通信できることが望ましい。これにより、動きセンサー１６と処理装置１４とを接続するケーブルがなくなり、利用者１００が運動をやり易くなる。

また、動きセンサー１６は処理装置１４が利用者１００が所期の動作を行っているかの判定精度を上げるために使用する。したがって、処理装置１４が撮影装置１３の映像から利用者１００の動きが正しく把握できるようであれば動きセンサー１６は省略しても構わない。

次に、筋収縮運動支援システム１０の動作について説明する。図３は、筋収縮運動支援システム１０の動作例を示すフローチャートである。

まず、利用者１００が身体を基本姿勢（例えば、椅子に着座して膝を自然に曲げて下腿を下ろした姿勢）にしてリラックスした状態で、処理装置１４は筋電計１１および動きセンサー１６のキャリブレーションを実施する（Ｓ１）。例えば、処理装置１４は、筋電計１１から受信した表面筋電図においてアーチファクトを除去して基線が直線状態になるように波形調整する。また、処理装置１４は、利用者１００の身体が基本姿勢の状態にあるときには動きセンサー１６による動き検出量がゼロになるように、動きセンサー１６から受信した検出信号のオフセットをキャンセルする。処理装置１４側ではなく、筋電計１１および動きセンサー１６のデバイス側でキャリブレーションを行ってもよい。

キャリブレーションが完了すると、処理装置１４はユーザインタフェース１２に運動メニューを表示する。そして、利用者１００は表示された運動メニューの中から所望の運動を選択して処理装置１４に指示する（Ｓ２）。なお、運動メニューの選択を利用者１００に任せずに、処理装置１４が適当と判断した運動メニューを自動的に選択するようにしてもよい。

運動が選択されると、処理装置１４は当該選択された運動に対応するビデオコンテンツをユーザインタフェース１２に表示する（Ｓ３）。当該ビデオコンテンツはインストラクターなどによる運動の見本を表す。処理装置１４は、当該ビデオコンテンツをストレージ装置から読み出すかまたはインターネット上のコンテンツサーバーから受信して取得することができる。

利用者１００はユーザインタフェース１２に表示される運動見本のビデオ映像に合わせて身体を動かす。撮影装置１３は利用者１００が運動している様子を撮影し、処理装置１４はその映像データを受信する。また、利用者１００が運動している間、処理装置１４は、筋電計１１および動きセンサー１６から表面筋電図および動き検出信号を受信する（Ｓ４）。

処理装置１４は、受信した映像データを解析して、利用者１００が選択された運動に応じた所期の動作を行っているかを判定する（Ｓ５）。例えば、膝の伸展／屈曲を繰り返す運動の場合、処理装置１４は、映像データにおいて利用者１００の足の部分を識別し、利用者１００の膝が十分に伸びきっているか、または、十分に曲がっているか、伸展／屈曲のペースは適当か、膝を伸展または屈曲した状態を所定時間きちんと保っているかなどを判定する。このとき、処理装置１４は、映像データに追加して動きセンサー１６の検出信号をも解析することで、利用者１００の動作をより正確に把握してその動作が適当か否かを判定することができる。

処理装置１４が、利用者１００の動きが適当でない（例えば、膝を十分に伸ばし切れていない、伸展／屈曲のペースが速いまたは遅いなど）と判定した場合（Ｓ５でＮＯ）、処理装置１４は、ユーザインタフェース１２に映像および／または音声による運動のアドバイスを出力して利用者１００に運動のやり方を変えるように促すことができる（Ｓ６）。

ステップＳ６で処理装置１４が利用者１００に運動のアドバイスを提供した後、または、処理装置１４が利用者１００が所期の動作を行っていると判定した場合（Ｓ５でＹＥＳ）、さらに、処理装置１４は、受信した表面筋電図に基づいてトレーニング対象部位の筋収縮量が目標値に達しているかを判定する（Ｓ７）。一般に表面筋電図の平均振幅は筋張力とほぼ比例的な関係にあるとされている。したがって、処理装置１４は、表面筋電図の平均振幅を算出してその値と目標値とを大小比較することで、トレーニング対象部位の筋収縮量が目標値に達しているかを判定することができる。このような筋収縮量に基づく運動評価は、特に等尺性運動が正しく行われているかを判定するのに有効である。

処理装置１４が、利用者１００の筋収縮量が適当でない（例えば、筋収縮量が目標値に達していないなど）と判定した場合（Ｓ７でＮＯ）、処理装置１４は、ユーザインタフェース１２に映像および／または音声による運動のアドバイスを出力して利用者１００に運動のやり方を変えるように促すことができる（Ｓ８）。

ステップＳ８で処理装置１４が利用者１００に運動のアドバイスを提供した後、または、処理装置１４が利用者１００の筋収縮量が適当であると判定した場合（Ｓ７でＹＥＳ）、処理装置１４は、利用者１００の運動達成度を評価する（Ｓ９）。運動達成度は、利用者１００の動きから評価した運動中の姿勢・動作の正しさおよび運動回数、ならびに利用者１００の筋収縮量から評価した筋肉の使用量を総合的に評価して算出することができる。したがって、例えば、膝の伸展／屈曲を繰り返す運動において、膝が十分に曲がっていなかったり、膝を屈曲した状態で維持する時間が不十分であったり、筋収縮量が小さい運動を継続していたりすると、運動達成度は低く評価される。逆に、例えば、膝が十分に曲げ伸ばしできており、また、筋収縮量が大きい運動を継続していると、運動達成度は高く評価される。

また、表面筋電図の波形がより大きくなることでより筋肉が付いたと評価することができる。したがって、処理装置１４は、表面筋電図を解析して利用者１００の筋肉の付き具合、より詳細には、表面筋電図を周波数解析して速筋および遅筋の付き具合を評価することができる。

さらに、処理装置１４は、利用者１００の運動達成度を利用者１００の運動履歴として記憶することができる。これにより、処理装置１４は利用者１００の運動履歴を参照して利用者１００のトレーニング対象部位の筋肉の回復具合などを判定し、適当な運動メニューを設定することができる。

また、長期的な運動計画を立てた場合において、処理装置１４は、日々の運動の蓄積によって利用者１００の運動達成度がどの程度向上したかを判定して、ユーザインタフェース１２に、トレーニング対象部位の筋力の増加の変化、過去と現在との筋力の比較などを表示することができる。このように、トレーニング効果を視覚化することで、利用者１００は、トレーニングによって筋力がどの程度増加したのかを容易に把握することができる。

運動達成度を評価すると、処理装置１４は、選択した運動を終了するか否かを判定する（Ｓ１０）。処理装置１４により運動到達度が目標値に達していないと判断されると（Ｓ１０でＮＯ）、ステップＳ４に戻って撮影装置１３による利用者１００の運動の様子の撮影、および筋電計１１および動きセンサー１６による表面筋電図計測および動き検出が継続される。例えば、利用者１００が筋肉をあまり使わない楽な運動、すなわち、あまり効果が期待できない運動を続けている場合、運動回数が規定回数に達しても運動到達度が目標値に到達しないため、利用者１００は規定回数以上に運動を継続することとなる。一方、利用者１００がしっかりと筋肉を使った運動を行っていれば、運動回数が規定回数に達した時点で運動到達度も目標値に到達してその運動を終了することができる。

運動到達度が目標値に達した場合、または、利用者１００から運動終了の指示があった場合などには（Ｓ１０でＹＥＳ）、処理装置１４は別の運動を行うかどうか利用者１００に問い合わせる（Ｓ１１）。別の運動を行う場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、ステップＳ２に戻って運動メニューの表示および選択が行われる。同じ運動を再度選択することもできる。一方、別の運動を行わない場合（Ｓ１１でＮＯ）、筋収縮運動支援システム１０による運動支援が終了する。

以上のように、本実施形態に係る筋収縮運動支援システム１０によると、運動中の姿勢や運動回数といった利用者１００の外部観察から得られる情報だけでなく、表面筋電図から解析される筋収縮量も考慮して利用者１００の運動達成度が評価される。これにより、利用者１００に対して自力で効果的な筋収縮運動を行うことができるように支援することができる。

≪応用例≫
図４は、本実施形態に係る筋収縮運動支援システム１０の応用例を概略的に示す。当該応用例は、筋収縮運動支援システム１０に通信・ネットワーク技術を導入したものである。例えば、利用者１００の自宅にある筋収縮運動支援システム１０はインターネット２００に接続されている。インターネット２００にはサーバー２０が接続されており、サーバー２０は、筋収縮運動支援システム１０の処理装置１４と通信して利用者１００の運動履歴を保持および管理する。サーバー２０がコンテンツサーバーとして機能する場合、処理装置１４は常に最新の運動メニューおよび運動見本ビデオをサーバー２０から取得することができる。

病院などにＰＣ３０やタブレット４０が配備されており、利用者１００の自宅とは別の家にＰＣ３０が配備されている。ＰＣ３０やタブレット４０はインターネット２００に接続されている。ＰＣ３０およびタブレット４０はインターネット２００を介してサーバー２０に接続して、サーバー２０に保存されている利用者１００の運動履歴などにアクセスできるようになっている。このようなＰＣ３０やタブレット４０を利用することで、遠隔地にいる理学療法士や看護師が利用者１００の運動履歴を把握して経過観察や利用者１００に適切な指導をすることができる。また、例えば、利用者１００の家族などがＰＣ３０を利用して遠隔地にいる利用者１００の運動履歴を監視することができる。

なお、さらに多くの筋収縮運動支援システム１０、サーバー２０、ＰＣ３０、およびタブレット４０、およびそれ以外の機器をインターネット２００に接続することができる。

また、サーバー２０が利用者１００の運動達成度や日々のトレーニングによる筋力の増加具合などをポイント化して、ポイントに応じて報償を与えるようにしてもよい。これにより、運動に対する利用者１００のモチベーションを高めて、利用者１００をなるべく飽きさせずにリハビリテーションを続けさせることが期待される。

１０筋収縮運動支援システム
１１筋電計
１２ユーザインタフェース
１３撮影装置
１４処理装置
１５人体センサー
１６動きセンサー

Claims

利用者の体表面に貼付され、前記利用者のトレーニング対象部位の表面筋電図を計測する筋電計と、
前記利用者の運動の様子を撮影する撮影装置と、
前記撮影装置により撮影された映像を解析して前記利用者が運動中に正しい姿勢を保っているかを判定するとともに、前記筋電計により計測された表面筋電図に基づいて前記トレーニング対象部位の筋収縮量が目標値に達しているかを判定して、前記利用者の運動達成度を、運動中の姿勢および筋収縮の２つの観点を組み合わせることで評価する処理装置とを備えている、ことを特徴とする筋収縮運動支援システム。
前記利用者に運動の動作見本の動画像を提示するユーザインタフェースを備え、
前記処理装置が、前記利用者が運動中に正しい姿勢を保っていないと判定した場合、または、前記トレーニング対象部位の筋収縮量が目標値に達していないと判定した場合、前記ユーザインタフェースを通じて、前記利用者に動作修正のアドバイスを提供する、請求項１に記載の筋収縮運動支援システム。
前記トレーニング対象部位の体幹の動きを検出する動きセンサーを備え、
前記処理装置が、前記動きセンサーの検出信号を加味して前記利用者が運動中に正しい姿勢を保っているかを判定する、請求項１および２のいずれか一つに記載の筋収縮運動支援システム。
前記利用者の呼吸および／または拍動を検出する人体センサーを備え、
前記処理装置が、前記人体センサーが検出した前記利用者の呼吸および／または拍動が所定レベルを超えたとき警報を発する、請求項１から３のいずれか一つに記載の筋収縮運動支援システム。
前記処理装置が、前記利用者の運動達成度を前記利用者の運動履歴として記憶する、請求項１から４のいずれか一つに記載の筋収縮運動支援システム。