JP6079585B2 - 歩容のバランス評価装置 - Google Patents

Description

本発明は歩容のバランス評価装置に関する。

近年、健康に気を使う人が増加し、適切な歩き方（歩容）についての関心が高まっている。

関連技術として、特許文献１では、圧力センサを用いた歩容情報システムが開示されている。具体的には、測定対象者の左肩及び右肩に装着された活動量計が、測定対象者の体の左右の動きを測定して、左右のバランスを測定する。そして、歩容情報システムの姿勢判断部は、測定データと基準データとを比較することにより、測定対象者の歩容を判断する。この判断結果を用いて、測定対象者は歩容を改善することができる。

特開２００９−１０６３７７号公報

特許文献１に記載の歩容情報システムでは、測定対象者の歩容を判断するために、所定の基準データが必要であった。しかしながら、ここで測定対象となるのは通常の歩行動作であり、基準データは、通常の歩行動作に関するデータに限られる。そのため、例えば外傷患者の手術後におけるリハビリの初期段階において、その患者の歩容におけるバランスが適切か否かを判断しようとしても、前提となる歩容の基準データが存在しないため、歩容情報システムの利用ができないという問題点があった。つまり、歩容判断において、動作の個人差を許容できないという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、測定対象者の状況に関わらず測定対象者の歩容のバランスを評価可能な歩容のバランス評価装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる歩容のバランス評価装置は、対象者の体幹の上下方向への動作の加速度を示す波形を測定する加速度センサと、対象者の足にかかる荷重を示す波形を測定する荷重センサと、前記加速度センサが測定した前記加速度を示す波形及び前記荷重センサが測定した前記荷重を示す波形に関して、一方の波形について当該一方の波形の平均値からの変位を実数倍した波形を生成し、生成した波形と他方の波形とを重ね合わせたときの差分値が最小となるような差分値を計算して、当該差分値が小さいほど当該生成した波形と当該他方の波形との一致率を高く計算する計算手段と、を備える。

本発明により、測定対象者の状況に関わらず測定対象者の歩容のバランスを評価可能な歩容のバランス評価装置を提供することができる。

実施の形態１にかかる歩容のバランス評価装置の構成例を示した図である。 実施の形態１にかかるパソコンが行う計算処理の一例を示したフローチャートである。 実施の形態１にかかる加速度センサが測定した加速度Ｇを示すグラフの一例である。 実施の形態１にかかる荷重センサが測定した荷重Ｆを示すグラフの一例である。 実施の形態１にかかる、荷重Ｆの変位を拡大又は縮小したグラフである。 実施の形態１にかかる荷重Ｆの変位をシフトしたグラフである。 実施の形態１にかかる変換後の荷重Ｆの波形を示したグラフである。 実施の形態１にかかる加速度Ｇと変換後の荷重Ｆの波形を示したグラフである。 実施の形態１にかかる加速度Ｇ及び最適化荷重Ｆの波形を示したグラフの一例である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる歩容のバランス評価装置の構成例である。

図１において評価装置１０は、荷重センサ１１、１２、加速度センサ１３及びパソコン（パーソナルコンピュータ）１４を備える。荷重センサ１１、１２及び加速度センサ１３は、歩容を評価する対象者（被験者）の体に装着されるセンサである。

荷重センサ１１は、対象者の右脚に装着されるセンサであり、対象者の右脚にかかる荷重（評価者の体重）を測定することができる。荷重センサ１２は、対象者の左脚に装着されるセンサであり、対象者の左脚にかかる荷重を測定することができる。換言すれば、荷重センサ１１及び１２は、それぞれ対象者の足裏にかかる荷重を測定している。なお、荷重センサは１軸方向（上下方向：即ち重力方向及びその反対の方向）のみの荷重測定が可能な１軸センサでもよいし、複数軸が測定可能なセンサ（例えば６軸全てが測定可能なセンサ）であってもよい。

加速度センサ１３は、対象者の胴体（上半身）に装着され、対象者の体幹の加速度（即ち体幹の動作）を測定することができる。

パソコン１４は、荷重センサ１１、１２及び加速度センサ１３と接続されており、それらのセンサの測定結果を取得して、計算処理を行う計算手段として機能する。パソコン１４は、計算処理に必要なメモリ、ＣＰＵ等のハードウェアやソフトウェアを適宜備える。なお、各センサとパソコン１４との間の通信は、有線によるものでも、無線によるものでもよい。パソコン１４はいかなる種類のパソコン（例えばデスクトップパソコンやノートパソコン）であってもよい。

以下、パソコン１４が行う計算処理について説明する。図２は、パソコン１４が行う計算処理の一例を示したフローチャートである。

まず、パソコン１４は、荷重センサ１１、１２及び加速度センサ１３から、左右脚にかかっている荷重及び体幹の加速度のデータを、所定期間においてサンプリングをとり取得する（ステップＳ１）。以下、右脚の荷重センサ１１が測定した荷重をＦ、左脚の荷重センサ１２が測定した荷重をＦ^’とする。また、加速度センサ１３が測定した加速度をＧとする。荷重Ｆ及びＦ^’は重力方向（下向き）の力であり、加速度Ｇは上向き（重力方向と反対側）の加速度である。

以下の処理でパソコン１４は、接続された各センサから得られた測定値の波形を比較して、対象者の人体動作が、運動力学モデル的にどの程度左右均等に行われているかを算出する。また、以下では、荷重Ｆの処理についてのみ示す。

まず、パソコン１４は、荷重Ｆの波形をオフセット（荷重Ｆの平均を０に）する。次にパソコン１４は、オフセットされたＦについて、任意の実数値をとるパラメータａ及びｂにより、以下のように荷重Ｆの波形を調整する（ステップＳ２）。なお、調整後の荷重Ｆの波形をfとする。

パソコン１４は、（式１）で算出したｆ及び加速度Ｇに基づいて、以下の二乗平方和Ｅを算出する（ステップＳ３）。

なお、ｆ_ｋは（式１）から次のように表される。

ここでＧ_ｋ、ｆ_ｋは、所定の測定期間ｔ内でｋ番目にサンプリングしたＧ及びｆの値を示す。

パソコン１４は、二乗平方和Ｅを最小化するパラメータａ及びｂを算出し、二乗平方和Ｅの最小値であるＥ_ｍｉｎを算出する（ステップＳ４）。パソコン１４は、例えばＮｅｌｄｅｒ−Ｍｅａｄ Ｓｉｍｐｌｅｘ法を用いることにより、二乗平方和Ｅを最小化するａ、ｂを算出する。なお、算出方法はＮｅｌｄｅｒ−Ｍｅａｄ Ｓｉｍｐｌｅｘ法に限らず、他の線形計画法や非線形計画法等の算出方法を用いてもよい。

次にパソコン１４は、Ｇの二乗和であるＷを以下の通り算出する（ステップＳ５）。

そしてパソコン１４は、Ｗに対するＥ_ｍｉｎの大きさを算出することにより、一致率Ｃを次の通り算出する。

図３〜図５を用いて、以上の計算についてさらに説明する。図３は、加速度センサ１３が測定した加速度Ｇを示すグラフの一例であり、図４ａは、荷重センサ１１が測定した荷重Ｆを示すグラフの一例である。図３において、グラフの縦軸は時間（ｓｅｃ）、横軸は加速度Ｇ（ｍ／ｓ^２）を示す。図４ａにおいて、グラフの縦軸は時間（ｓｅｃ）、横軸は荷重Ｆ（Ｎ）を示す。なお図４ａに示す荷重Ｆは既にオフセットされたものである。

図４ｂは、図４ａに示す荷重Ｆの０からの変位をａ倍（ａは実数でありａ≠０）することにより、荷重Ｆの０からの変位を拡大又は縮小したグラフである。図４ｂにおいて、グラフの縦軸は時間（ｓｅｃ）、横軸は荷重Ｆ（Ｎ）を示す。図４ｂにおける実線のグラフは、図４ａに示した荷重Ｆの波形の０からの変位を拡大したグラフである。図４ｂにおける点線のグラフは、図４ａに示した荷重Ｆの波形の０からの変位を縮小したグラフである。

図４ｃは、図４ａに示す荷重Ｆの変位に定数ｂ（ｂは実数でありｂ≠０）を加えることにより、荷重Ｆの変位を上下方向（正又は負の方向）にシフトしたグラフである。図４ｃにおいて、グラフの縦軸は時間（ｓｅｃ）、横軸は荷重Ｆ（Ｎ）を示す。図４ｃにおける実線のグラフは、図４ａに示した荷重Ｆの波形の変位を上方向にシフトしたグラフである。図４ｃにおける点線のグラフは、図４ａに示した荷重Ｆの波形の変位を下方向にシフトしたグラフである。

図４ｄは、荷重Ｆの０からの変位を拡大又は縮小した波形（一例は図４ｂに示されたもの）と、荷重Ｆの変位を上下方向にシフトした波形（一例は図４ｃに示されたもの）とを加算した波形ｆ（式３）のグラフである。

図５は、加速度Ｇと、荷重ｆの波形を示したグラフである。図５において、グラフの縦軸は時間（ｓｅｃ）、横軸は変位を示す。図５における実線のグラフは、加速度Ｇの波形のグラフである。図５における点線のグラフは、荷重ｆの波形のグラフである。図５においては、加速度Ｇの波形と荷重ｆの波形とが重ね合わせられており、変位は無次元化されている。パソコン１４は、加速度Ｇと荷重ｆとの差分を二乗したＥ（式２）を計算した後、新しい（ａ、ｂ）の値を探索し、その（ａ、ｂ）についてＥを再度計算する。このようにＥの値の算出を実行した後、最小のＥの値であるＥ_ｍｉｎを求める。

図６は、加速度Ｇ及び変換後の最適化荷重Ｆ（荷重ｆ）の波形を示したグラフの一例である。図６において、グラフの縦軸は時間（ｓｅｃ）、横軸は加速度（Ｇ）を示す。なお、最適化荷重Ｆとは、二乗平方和ＥがＥ_ｍｉｎとなる場合のパラメータ（ａ、ｂ）によって（式３）により変換されるｆのことである。図６において、グラフの縦軸は時間（ｓｅｃ）、横軸は加速度（Ｇ）を示す。

次に、算出したＥ_ｍｉｎを用いることにより、（式５）の通り、一致率Ｃを求める。一致率Ｃが高いほど、右足は体幹の動作に対応して動いていることが分かるため、右足が駆動により使われていると判断することができる。

まとめると、パソコン１４は、加速度センサ１３が測定した加速度を示す波形及び荷重センサ１１が測定した荷重を示す波形に関して、加速度を示す波形についてその平均値からの変位を実数倍した波形を生成する。そして、生成した波形と荷重を示す波形とを重ね合わせたときの差分値が最小となるような差分値を計算し、その差分値が小さいほど、生成した波形と荷重を示す波形との一致率を高く計算する。

Ｆ^’についても同様に一致率Ｃを求めることにより、左足が駆動に使われているかを判断することができる。さらに、左右の足の一致率Ｃが両方とも高ければ、左右の足は均等かつ正常な動作ができていると判断することができる。

以上、実施の形態１では、測定された加速度Ｇ及び荷重Ｆの値をそのまま比較するのではなく、それぞれの波形について比較を行う。このとき、左右の脚の荷重と体幹の加速度は無次元化される。この処理により、対象者が装着する装具や、対象者の元々の左右の筋肉・脂肪の付き方の差異による、各センサの測定値への影響が消去される。従って、体幹の駆動に対して左右の脚が適切に力を発揮しているか否かが測定することができる。

関連技術に記載された歩容情報システムでは、被験者の体の各部位に装着されたセンサからの情報を基準データと比較することにより、歩容診断（バランス能力の診断）を行っていた。従って、歩容診断に基準データが必要であった。

しかしながら、関連技術には、以下のような問題点があった。

１．関連技術にかかる歩容情報システムは、歩容の左右の差から左右バランスを測定するものである。そのため、診断には、歩行を可能とするスペースや、移動時に測定し続けるための装置が必要である。また、基準データとの参照を行うため、サーバシステムやそれと通信を行う装置が必要である。このため、必要な装置が大がかりであり、一般病院等で導入が難しいという課題があった。また、必要な装置が高額になってしまう。

２．関連技術にかかる歩容情報システムは、測定対象者が歩容を改善して美しい歩き方を目指すためのものである。よって、基準データは「美しい歩き方」のものを用いればよいため、取得が容易である。しかしながら、外傷患者の手術後の経過を見るような場合には、前提となる基準歩容データが存在しないか、またはその取得が困難である。そのため、この歩容情報システムは、個人差・体格差や、スポーツ選手の復帰スポーツ種別を考慮した歩容の判定を行うことができない。

３．関連技術では、基準データとなる歩容のバランスの良さが定量的に示されていない。そのため、歩容情報システムで示される基準データが、対象者のバランス能力と一致していない可能性がある。

実施の形態１にかかるバランス評価装置では、対象者が歩く必要はなく、スクワットなどの運動をすることにより、荷重センサ１１・１２及び加速度センサ１３からデータを取得することができる。また測定に際し基準データが不要であるため、装置の構成が単純であり、高額にならずに済む。また、対象者個人の歩容データのみを用いて判断を行うため、個人差・体格差や、スポーツ選手の復帰スポーツ種別を考慮した歩容の判定を行うことができる。さらに、対象者のバランス能力と一致した判断をすることができる。従って、上述の１．〜３．の課題を解決することができる。

なお、関連技術にかかる歩容情報システムは、対象者の肩（胴体）の加速度を測定するものであるが、実施の形態１にかかるバランス評価装置では、対象者の体幹の加速度と同時に、足裏にかかる荷重を測定している。関連技術にかかる歩容情報システムは測定データと基準データの相互相関を基に歩容を判断しているが、実施の形態１にかかるバランス評価装置は、対象者の測定データ間の自己相関に基づいて歩容を判断している。この違いにより、実施の形態１にかかるバランス評価装置では、基準データ取得が困難な場合においても、本人のデータのみで指標の判断が可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、対象者の体幹に設けられる加速度センサの数は１個に限られず、複数設けられてもよい。例えば、対象者の胴体の上部に１個、下部に１個ずつ設けることもできる。これにより、バランス評価装置は、体幹の前後左右の動作を精度よく推定し、荷重に対して有効である上下動作のみを精度よく抽出することができる。

また、同様に対象者の左右腕などにも加速度センサを装着させ、その加速度センサが対象者の体幹以外の上下動を測定してもよい。パソコン１４は、体幹に取り付けられた加速度センサの測定結果と、その体幹以外の上下動の測定結果との差分を、真の体幹の加速度の測定結果として取扱い、上述の処理を実行してもよい。これにより、バランス評価装置の推定精度を向上させることもできる。

実施の形態１では、図４ａに示す荷重Ｆの変位に定数ｂを加えることにより、荷重Ｆの変位をシフトして、そのシフトした波形と加速度Ｇとの波形を比較していた。しかしながら、変位をシフトする波形は荷重Ｆではなく、加速度Ｇであってもよい。つまり、加速度Ｇの変位から定数ｂ（ｂは実数でありｂ≠０）を減らすことにより、加速度Ｇの変位をシフトしてもよい。そして、パソコン１４は、荷重Ｆの０からの変位を拡大又は縮小した波形と、加速度Ｇの変位がシフトされた波形とを比較することにより、（式２）から最小のＥの値であるＥ_ｍｉｎを算出するとともに、（式５）の一致率Ｃを算出することができる。

さらに、波形のオフセット及びオフセット後に０からの変位をａ倍する処理を実行する対象は、荷重Ｆの波形ではなく、加速度Ｇの波形であってもよい。そして、パソコン１４は、変位が拡大又は縮小された加速度Ｇの変位に定数ｂ（ｂは実数である）を加えることにより、加速度Ｇの変位をシフトして、そのシフト後の加速度Ｇの波形と、荷重Ｆの波形とを比較することにより、（式２）からＥ_ｍｉｎを算出する。

パソコン１４は、算出したＥ_ｍｉｎに基づいて、次の通り一致率Ｃ’を算出する。

一致率Ｃ’が高ければ、右足は体幹の動作に対応して動いていることが分かるため、右足が駆動に使われていると判断することができる。なお、異常の処理において変位を定数ｂだけシフトする波形は、加速度Ｇの波形ではなく、荷重Ｆの波形であってもよい。

１０ 評価装置
１１、１２ 荷重センサ
１３ 加速度センサ
１４ パソコン

Claims (1)

1. 対象者の体幹の上下方向への動作の加速度を示す波形を測定する加速度センサと、
   対象者の右脚及び左脚のそれぞれについて足裏にかかる荷重を示す波形を測定する荷重センサと、
   前記加速度センサが測定した前記加速度を示す波形及び前記荷重センサが測定した前記荷重を示す波形に関して、一方の波形について当該一方の波形の平均値からの変位を実数倍した波形を生成し、生成した波形と他方の波形とを、そのいずれか一方の波形の変位に実数を加算又は減算して重ね合わせたときの差分値が最小となるような差分値を計算して、当該差分値が小さいほど当該生成した波形と当該他方の波形との一致率が高くなるような当該一致率を、右脚及び左脚のそれぞれについて計算する計算手段と、
   を備える歩容のバランス評価装置。

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