JP6127455B2 - 歩行年齢評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、歩行行為で計測されるパラメータに基づいて、歩行能力に相応する年齢（以下、歩行年齢という。）を評価する方法に関する。

一般に、加齢に伴って筋力や平衡感覚が衰えることにより歩行能力が低下し、歩行速度が遅くなる。また、加齢に伴って転倒のリスクが高まり、足腰に障害も発生しやすくなる。そこで、歩行行為の計測データに基づいて歩行能力を評価したり、歩行年齢を求めたりすることがなされている。

例えば、被験者の歩行行為を撮像すると共に、背の高さと歩行速度を計測し、歩行行為の画像の解析により得られる歩行リズムと背の高さと歩行速度とから、被験者の歩行年齢を判定する方法が提案されている（特許文献１）。

シート状の圧力センサを使用し、被験者がシート状の圧力センサの上を歩くことにより得られる２次元圧力分布画像から、歩行時のストライド長、ステップ長、歩隔等を測定し、左右の足のこれらのバランスに基づいて歩行動作の障害の程度を評価することや（特許文献２）、シート状の圧力センサで計測される歩隔や歩幅から転倒の危険度を計算すること（特許文献３）が提案されている。

また、加速度センサを使用して被験者の歩行時の加速度データを取得し、歩行速度を算出する方法が提案されている（特許文献４、５）。

特許第3655618号公報 特許第3298793号公報 特開2002-345786号公報 特開2006-118909号公報 特開2008-292295号公報

上述のように、歩行行為の計測に基づいて評価した歩行年齢を知ることで、被験者は、被験者自身の歩行能力を平均的な健常者の歩行能力と対比することができ、生活習慣や運動習慣の改善が動機付けられる。

しかしながら、歩行行為の計測から歩行年齢を的確に評価することは容易ではなく、本人や家族が納得のいかない評価結果となり、歩行年齢の評価が、生活習慣や運動習慣の改善に役立てられない場合が生じる。そこで、本発明が解決しようとする課題は、歩行行為の計測に基づいて歩行年齢を的確に評価できるようにすることに関する。

本発明者は、従来、歩行行為の計測に基づく歩行年齢の評価を的確に行えない場合があるのは、歩行行為の計測が、被験者にとって非日常的な計測会場等で行われることにより、計測された歩行行為が、被験者の精神的な動揺や恣意的な歩行行為の制御のために日常の歩行行為の再現になっていなかったためであり、歩行年齢を的確に評価するには、被験者の精神的な動揺や恣意的な制御を受けにくく、かつ、加齢に応じて変化するパラメータを用いるのが有効であること、さらにそのようなパラメータとして、左右の歩行角度等が優れていることを見出し、左右の歩行角度等を歩行年齢の評価に使用する本発明を想到した。

即ち、本発明は、歩行行為で計測した歩行パラメータに基づいて、歩行年齢を評価する歩行年齢評価方法であって、歩行パラメータとして、少なくとも、右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅を使用する歩行年齢評価方法を提供する。

本発明の歩行年齢評価方法によれば、歩行年齢を評価する歩行パラメータとして、被験者の精神的な動揺や恣意的な制御を受けにくい右歩行角度と左歩行角度を使用するので、歩行年齢を的確に評価することができる。

図１は、実施例の歩行年齢評価方法を実施する評価システムの模式図である。 図２は、シート式圧力センサで検出される歩行時の圧力分布画像と、歩行パラメータの説明図である。 図３は、加速度センサにより計測される運動強度とシート式圧力センサにより計測される歩行速度との関係図である。

以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。

本発明の歩行年齢評価方法は、歩行行為で計測した歩行パラメータに基づいて歩行年齢を評価する方法であって、歩行パラメータとして、少なくとも右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅を使用する。図１は、この評価方法を実施する歩行年齢評価システム１の一実施例の模式図であって、歩行パラメータの計測装置として、シート式圧力センサ２を有し、歩行パラメータから歩行年齢を算出する演算装置としてパーソナルコンピュータ３を有する。また、この歩行年齢評価システム１は、評価結果等を表示するディスプレイ４を有し、必要に応じて歩行時の姿勢などを撮るビデオカメラ５が備えられる。

シート式圧力センサ２は、図２に示すように歩行時の圧力分布画像を取得し、少なくとも上述の右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅を計測できるものが好ましい。また、シート式圧力センサ２の計測領域２ａは、少なくとも長さＬ1が240cm、幅が60cmであることが好ましく、歩行路としては、計測領域２ａの前後に助走領域と制動領域を確保する点から、歩行路の長さＬ2は7ｍ以上、10ｍ以下が好ましい。シート式圧力センサ２による歩行行為の計測では、日常生活における歩行行為を計測することは困難であるが、十分に長い歩行路内にシート式圧力センサ２の計測領域２ａを設置することで、計測される歩行行為を日常生活の歩行行為に近づけることができる。

また、シート式圧力センサ２の解像度は1cm²以下、解析周波数は60Hｚ以上であることが好ましい。

このようなシート式圧力センサとしては、例えば、アニマ株式会社製シート式下肢加重計シリーズウォークＷａｙ、AMTI社製の床反力計等を使用することができる。

ここで、シート式圧力センサで計測される左右の歩行角度とは、図２に示すように、左右一方の踵から他方の踵を結んだ直線が進行方向となす角度（°）である。なお、軸足になっている足の左右で歩行角度の左右を定めるものとする。例えば、軸足を右足として、左足を踏み出して接地した場合、地面についたままの右足の踵と接地したときの左足の踵とを結んだ直線と進行方向とがなす角度を右歩行角度とする。
なお、歩行角度の計測の基点となる踵内の点は、圧力分布画像から足圧後部の圧力中心点により定めることができる。

歩幅、歩行速度、歩行周期等は、歩行行為を計測される被験者が任意に制御し易く、また、その被験者の精神状態によっても変わりやすいが、左右の歩行角度は、被験者の精神状態の影響を受けにくく、恣意的な制御も受けにくく、シート式圧力センサ上を歩くという非日常的な歩行行為で計測するにもかかわらず、日常の歩行行為で計測する場合と同様の計測値となりやすい。また、左右の歩行角度は、加齢に応じて広がる傾向がある。よって、左右の歩行角度は、歩行年齢を評価する上で重要なパラメータとなる。

歩行周期とは、左右一方の踵接地から左右同じ側の踵が再び接地するまでの時間である。また、ピッチとは、左右一方の踵接地から左右同じ側の踵が再び接地するまでの時間から、１分間の歩数を計算した値である。ピッチは、加齢に応じて少なくなる傾向が強いため、歩行周期又はピッチを、歩行年齢を求める際のパラメータとすることが好ましい。

両脚支持期時間とは、左右両方の足が地面に接地している時間であり、両脚支持期（％）は、両脚支持期時間の１歩行周期に対する割合である。したがって、走行行為ではゼロとなる。両脚支持期時間は、比較的、被験者の精神状態の影響を受けにくく、恣意的な制御も受けにくい。通常の歩行行為では、両脚支持期時間は、歩行周期の約２０％を占めるが、加齢に応じて長くなる。したがって、歩行年齢を評価する上で重要なパラメータとなる。

歩幅は、図２に示すように、左右一方の踵接地から、もう一方の踵が再び接地するまでの距離である。軸足になっている足の左右で歩幅の左右を定める。また、歩幅は、身長で除して基準化した値を用いることが好ましい。

歩行パラメータとしては、上述の右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅に加えて、歩行比、ストライド時間、立脚期時間、遊脚期時間、歩幅左右差、歩隔左右差、歩行角度左右差、つま先角度左右差等を使用することが好ましい。

ここで、歩行比は、歩幅（ｍ）をピッチ（回／分）で除した値である。歩行比は歩行の効率を示し、成人の場合0.006に近づき、幼児や高齢は低い値となる。

ストライド時間は、左右一方の踵接地から、その一方の踵が再び接地するまでの時間である。

立脚期時間は、左右一方の踵接地から、その一方の足が地面から離れるまでの時間である。

遊脚期時間は、左右一方の足が地面から離れてから、その一方の足の踵が接地するまでの時間である。

歩幅左右差は、左右一方の足の踵の接地から再度の接地までの距離と、他方の足の踵の接地から再度の接地までの距離との差であり、身長で除することにより基準化したものを使用することが好ましい。

歩隔は、図２に示すように、左右一方の踵接地から、左右他方の踵接地までの水平方向の距離であり、軸足になっている足の左右で歩隔の左右を定める。歩隔左右差は、左右一方の足を軸足として他方の足を踏み出したときの歩隔と、軸足が左右逆の場合の歩隔との差であり、歩隔左右差は、身長で除することにより基準化したものを使用することが好ましい。

つま先角度は、図２に示すように、踵とつま先を結ぶ直線が、進行方向となす角度（°）であり、外側がプラスで内側がマイナスである。つま先角度左右差は左右のつま先角度の差である。

なお、本発明において、上述の歩行パラメータの計測方法は、シート式圧力センサを使用する方法に限られず、他の計測手段により計測してもよい。例えば、足にマーカーを装着し、複数のビデオカメラで撮影した画像情報の動作分析により計測してもよい。具体的には、複数のビデオカメラと３次元動作解析システム（インターリハ社製3次元動作解析システムVICON）等を使用することができる。また、歩行パラメータ計測を、足の裏にインクをつけて歩行することにより足跡を形成し、足跡の距離や角度を測定することにより行ってもよく、ビデオ画像による時間の解析を組み合わせた計測手段を用いて計測してもよい。これらのうち、コストと被試験者の負担、精度の点からシート式圧力センサが好ましい。

歩行パラメータとして、少なくとも、右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅を使用して歩行年齢を評価する方法としては、例えば、予め、複数の健常者の歩行行為から、少なくとも右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅を含む歩行パラメータを計測しておき、健常者の実年齢を目的変数とし、計測した歩行パラメータを説明変数に含めた重回帰式を取得しておく。より具体的には、健常者の実年齢を目的変数とし、計測した歩行パラメータのそれぞれを目的変数とする重回帰式を取得するか、あるいは、計測した歩行パラメータから新たに歩行パラメータを導出し、その導出した歩行パラメータを説明変数として重回帰式を取得する。例えば、歩幅と歩行周期を掛け合わせることにより算出される歩行速度や、両脚支持期時間を歩行周期で除することにより得られる両脚支持期割合を説明変数として使用する。

こうして得た重回帰式を用いて個々の被験者の歩行パラメータから年齢を算出し、算出された年齢（以下、歩行バランス年齢という）により、その被験者の歩行年齢を評価する。

なお、重回帰式を取得するにあたり、使用する歩行パラメータは、２０歳〜９０歳の健常者から計測することが好ましい。ここで健常者の範囲は、杖や介助が必要なく独立歩行による日常生活が可能である者とすることが好ましい。
また、重回帰式を求めるためのサンプル数は、変数として用いる歩行パラメータ数の倍以上とすることが好ましい。

図１に示した歩行年齢評価システム１においては、上述の重回帰式をパーソナルコンピュータ３に記憶させておき、個々の被験者について、シート式圧力センサ２を用いて歩行パラメータを計測し、その計測値をパーソナルコンピュータ３に出力し、パーソナルコンピュータ３で、重回帰式により歩行バランス年齢を算出し、ディスプレイ４に表示する。この歩行バランス年齢により、被験者は自己の歩行年齢を、健常者の平均的な歩行年齢と対比することが可能となる。

本発明においては、歩行年齢をより的確に評価するため、日常生活の歩行速度に基づいて上述の歩行バランス年齢を補正することが好ましい。即ち、歩行バランス年齢は、被験者の精神状態の影響を受けにくく、恣意的な制御も受けにくい左右の歩行角度等を歩行パラメータとして使用することにより算出されるが、歩行バランス年齢の算出に使用する歩行パラメータは、日常生活の中で計測されたパラメータであることを前提としたものではない。そこで、日常生活の中で計測される歩行速度と健常者の実年齢との関係も加味して歩行年齢を評価することが好ましい。より具体的には、例えば、予め複数の健常者の日常生活における歩行速度を計測しておき、その健常者の実年齢を目的変数とし、日常生活の歩行速度を説明変数とする回帰式を取得しておく。そして、この回帰式を用いて被験者の歩行速度から年齢を算出し、算出された年齢（以下、日常歩行年齢という）と前述の歩行バランス年齢とを組合わせて歩行年齢を評価する。

この場合、日常生活における歩行速度は、例えば、日常生活において加速度センサを携行し、加速度センサで経常的に計測される歩行速度を使用してもよく、また、加速度センサで経常的に計測される運動強度を歩行速度として使用してもよい。歩行時に加速度センサで計測される運動強度が歩行速度と高い相関性を有するからである。即ち、本発明者は、図３に示すように、加速度センサで出力される歩行時の運動強度が、シート式圧力センサを用いて測定される歩行速度と高い相関性を有することを見出している。

また、日常生活の歩行速度としては、ウォーキングや通勤に限らず室内の移動を含めた日常を反映するという点から、一日中の歩行時の平均歩行速度を使用することが好ましい。

このような歩行速度の計測に使用することのできる加速度センサとしては、例えば、３軸の加速度から運動強度を出力するスズケン社のライフコーダＥＸ、ライフコーダPLUS等を使用することができる。

さらに、日常生活の歩行速度から日常歩行年齢を求める回帰式としては、６０代前後で加齢による低下の度合いが異なる点から、２次又はより高次の回帰式を求めることが好ましい。

加速度センサにより計測される日常歩行年齢を用いて歩行バランス年齢を補正する具体的な方法としては、例えば、歩行バランス年齢と日常歩行年齢とを所定の比率で足し合わせ、さらに必要に応じて定数項を加えることにより得られる年齢（以下、総合歩行年齢という）を算出し、総合歩行年齢により歩行年齢を評価する。総合歩行年齢を算出する式の係数あるいは定数項の具体的な求め方は、例えば、それぞれの回帰式の結果を説明変数、実年齢を目的変数とした重回帰分析とする。

また、総合歩行年齢を算出する式を、図１に示した歩行年齢評価システム１のパーソナルコンピュータ３に記憶させておき、個々の被験者が加速度センサを携行することにより計測された日常生活の歩行速度がパーソナルコンピュータ３に入力されると、総合歩行年齢が算出され、ディスプレイ４に表示されるようにすることが好ましい。

総合歩行年齢は、健常者の実年齢と非常に高い相関性を有し、健常者の一般的な歩行能力の指標となる。したがって、個々の被験者は、歩行行為に基づいて算出される総合歩行年齢により、その被験者の歩行能力を健常者の一般的な歩行能力と対比することが容易となり、生活習慣や運動習慣の改善が動機付けられる。

なお、日常歩行年齢は、上述のように歩行バランス年齢を補正するものとして有用であるが、歩行年齢で日常生活レベルを推定する場合には、日常歩行年齢単独で歩行年齢を評価することも有用である。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例１

（１）歩行バランス年齢を求める回帰式の取得
シート式圧力センサとして、アニマ株式会社製シート式下肢加重計シリーズウォークＷａｙを使用し、２１〜８８歳の被験者（男性９４名、女性３５４名）の右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅を計測した。なお、これらの老齢者は、問診により、歩行障害のない健常者であることを確認した。

これらの被験者について、実年齢を目的変数とし、歩行比（＝歩幅/ピッチ＝歩幅・歩行周期）、両脚支持期（％）、右歩行角度、左歩行角度の計測値を説明変数として重回帰分析を行い、歩行バランス年齢（歳）を求める次の重回帰式を得た。

式中、A：歩行比（m/step/min）
B：両脚支持期（％）
C：右歩行角度（°）
D：左歩行角度（°）

（２）日常歩行年齢を求める回帰式の取得
（１）の被験者（男性８１名、女性３４１名）に加速度センサ（スズケン社のライフコーダＥＸ）を、常時昼夜携行してもらい、各被験者の１４日間の昼夜の平均歩行速度を算出した。
そして、被験者の実年齢を目的変数とし、上述の平均歩行速度を説明変数として、日常歩行年齢（歳）を求める次の回帰式を得た。

式中、ｘ：日常生活の歩行速度

（３）総合歩行年齢を求める回帰式の取得
（１）で求めた歩行バランス年齢と、（２）で求めた日常歩行年齢を説明変数とする多重比較解析により、総合歩行年齢（歳）を求める次式を得た。

（４）検証
（１）で得た歩行バランス年齢を算出する式、（２）で得た日常歩行年齢を算出する式、（３）で得た総合歩行年齢を算出する式を、それぞれ、図１に示した歩行年齢表示システムのパーソナルコンピュータ３に記憶させた。

６０歳から７４歳までの健常な男女２７名が、まずシート式圧力センサ２上を歩行し、そのシート式圧力センサ２により、歩行パラメータとして、歩行比、両脚支持期（％）、右歩行角度、左歩行角度を求めた。そしてこれらの数値を、パーソナルコンピュータ３に記憶させた。

その後、その被験者は１４日間に亘って加速度センサ（スズケン社のライフコーダＥＸ）を日常生活で携行した。それにより得られた平均歩行速度は３．６８±０．５６ｋｍ／時であった。この数値を、パーソナルコンピュータ３に出力した。

こうして取得されたシート式圧力センサ２による歩行パラメータと、加速度センサによる歩行パラメータを用いて、パーソナルコンピュータ３で歩行バランス年齢、日常歩行年齢、総合歩行年齢を算出し、算出結果をパーソナルコンピュータ３のディスプレイ４と加速度センサのディスプレイに表示させた。

今回算出した２７名についての歩行バランス年齢、日常歩行年齢、総合歩行年齢と実年齢との相関関係を調べると、相関係数はそれぞれ０．２２、０．１３、０．２５となり、歩行バランス年齢でも相当程度の相関が得られ、歩行バランス年齢を日常歩行年齢で補正した総合歩行年齢が実年齢と最も高い相関が得られた。

以上の結果より、歩行バランス年齢を用いることが好ましく、歩行バランス年齢に日常歩行年齢を組み合わせた総合歩行年齢を用いることが利用者にとって納得のいく歩行年齢としてより好ましい。

１ 歩行年齢評価システム
２ シート式圧力センサ
２ａ 計測領域
３ パーソナルコンピュータ
４ ディスプレイ
５ ビデオカメラ

Claims (6)

1. 歩行行為で計測した歩行パラメータに基づいて、歩行能力に相応する年齢（以下、歩行年齢という）を評価する歩行年齢評価方法であって、歩行パラメータとして、少なくとも、右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅を使用する歩行年齢評価方法。
2. 健常者の実年齢を目的変数とし、非日常的な歩行行為で計測した少なくとも右歩行角度、左歩行角度、歩行周期、両脚支持期時間、及び歩幅を説明変数に含む重回帰式により算出した年齢（以下、歩行バランス年齢という）を用いて被験者の歩行年齢を評価する請求項１記載の歩行年齢評価方法。
3. シート式圧力センサを用いて歩行行為を計測する請求項２記載の歩行年齢評価方法。
4. 健常者の実年齢を目的変数とし、日常生活の歩行速度を説明変数とする回帰式により算出した年齢（以下、日常歩行年齢という）を用いて歩行バランス年齢を補正する請求項２又は３記載の歩行年齢評価方法。
5. 日常生活の歩行速度を加速度センサで計測する請求項４記載の歩行年齢評価方法。
6. 歩行バランス年齢と日常歩行年齢とを所定の比率で足し合わせ、必要に応じて定数項を加えることにより算出される年齢を用いて歩行年齢を評価する請求項４又は５記載の歩行年齢評価方法。

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