JP6194294B2 - 運動機能評価システム、および、運動機能測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、生体の運動機能を評価する技術に関する。
近年、我が国では、認知症、パーキンソン病、脳卒中などの脳神経疾患の患者（以下、「脳神経疾患患者」という。）が急増している。例えば、パーキンソン病は、振戦（ふるえ）、筋強剛（筋肉の緊張が高まっている状態のひとつ）、姿勢反射障害（姿勢の立て直し不良）、寡動（動作の鈍化）の４つを主要徴候とする脳神経疾患である。また、認知症に関しては、国内に２００万人もの認知症患者がいると言われており、記憶障害、見当識障害、学習障害などが生じ、日常生活に大きな支障を来たす。認知症においても、末期には、小刻み歩行や前傾姿勢などの運動障害が表れ、最終的には寝たきり状態に陥る。
人間の運動は、脳からの運動指令が電気信号として神経系を伝わり、それを受けて筋肉が収縮することで実現される。しかし、脳神経疾患患者の場合、脳からの運動指令が電気信号として神経系に正常に伝わらないため、身体の状態や動作に異常が発生する。
脳神経疾患患者の急増は、医療費の増大だけでなく、それらの患者が就労不能であることによる大きな社会的損失も招くことになる。したがって、このような脳神経疾患による社会的問題を解決するには、被験者が脳神経疾患か否か、また、脳神経疾患である場合はその度合いを、ある程度以上の精度で判定することが必要となる。
脳神経疾患患者の急増は、医療費の増大だけでなく、それらの患者が就労不能であることによる大きな社会的損失も招くことになる。したがって、このような脳神経疾患による社会的問題を解決するには、被験者が脳神経疾患か否か、また、脳神経疾患である場合はその度合いを、ある程度以上の精度で判定することが必要となる。
しかし、被験者が脳神経疾患か否かや、その度合いは、血液検査やＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)の画像所見などで判定することが難しい。なぜなら、脳神経疾患患者と健常者との差異が必ずしも明確ではないからである。したがって、被験者が脳神経疾患か否かや、その度合いは、検査者である医師の経験や能力によって主観的に判断されることも少なくない。そういった背景の中で、例えば、パーキンソン病による運動機能低下や調律異常を評価するために、手の指の運動をモニタする指運動テストが行なわれるようになってきた。
この指運動をモニタする方法として、例えば、電気スイッチ、金属ループ、キーボード、３次元カメラなどを使用した方法が考案されている。しかし、これらの方法は簡易な方法とは言えず、充分普及していない。
そこで、本出願人は、磁気センサを用いて、生体の部位の動き（例えば、片手の二指（親指と人差し指）の連続開閉動作（以下、「指タップ運動」という。））を検出することが可能な生体検査装置を提案している（特許文献１参照）。特許文献１の技術によれば、指タップ運動から得た情報を解析して被験者の二指の動きを認識することで、脳神経疾患患者か健常者かを高精度で判定することができる。
一方、車両の幅方向の変位を電子的に検出する方法として、同一周波数の励磁電源を用いて、各受信コイルを切替え接続し、時分割により受信コイルの検出信号を得る手法が開示されている（特許文献２参照）。この特許文献２の技術では、水晶発信子の出力信号を増幅した後、切替スイッチを介して励磁コイルに供給している。この手法を用いると、現在の車両の走行位置などのマーカ情報および車両の幅方向の変位を電子的に検出し得る電子式車両位置検出システムを提供できるとされている。
しかしながら、特許文献１の技術における構成（片手ごとに計測回路を有する構成）では、両手の動きを同時に計測するために、それぞれの手に対応する異なる周波数を有する発信機を２つ配置し、検出回路もそれぞれの手に対応して２つ配置する必要があるため、回路規模が大きくなり消費電力も大きくなる。そのため、電池駆動の携帯型装置に適用する場合、短時間での測定しか実現できないため、実用的でない。また、特許文献１の手法では、異なる周波数を用いることで、左右の手の動きの検出時の混信（干渉）を防ぐ手法をとっているが、両手が非常に近接した場合、混信（干渉）を生じる可能性がある。
また、特許文献２の技術では、車両の幅方向の変位を電子的に検出するという課題を解決するために、数ｍから数十ｍ単位で配置されているマーカの位置情報を得る構成であるため、複数計測点での時間的な同時性や連続性は必要でない。そのため、複数点でほぼ同時刻に連続的な波形を検出することはできない。さらに、車の位置検出のための該複数点は互いに数ｍから数十ｍも離れており、各測定点間での干渉（クロストーク）は起こらないため、クロストークや雑音混入を防ぐ構成は考えられていない。消費電力についても、車載の場合は制限が少ないため、消費電力を抑える工夫は行われていない。
そこで、本発明は、生体の複数箇所の運動を評価する際に、消費電力と電波干渉を抑えることを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明は、生体の可動部分に取り付けた発信コイルと受信コイルのペアの相対距離に基づいて運動データを算出する運動機能測定装置と、運動機能測定装置から受信した運動データに基づいて生体の運動機能を評価する評価装置と、を備える運動機能評価システムである。運動機能測定装置は、所定周波数の交流電流を発生する交流発生部と、複数の発信コイルと、交流発生部および複数の発信コイルと接続され、交流発生部が発生した交流電流を複数の発信コイルそれぞれに順番に流すように切り替える第１の切替部と、複数の発信コイルそれぞれに１対１対応で設けられ、ペアの発信コイルが発生する磁場を検出する複数の受信コイルと、複数の受信コイルと接続される第２の切替部と、複数の受信コイルに、第２の切替部を介して接続される増幅・フィルタ部と、増幅・フィルタ部と接続され、交流発生部からの参照信号を用いて検波を行う時間調整・検波部と、ペアとなっている発信コイルと受信コイルが順次動作するように、第１の切替部による複数の発信コイルの切り替え、および、第２の切替部による複数の受信コイルの切り替え、を行う制御部と、を備える。その他の手段については後記する。
本発明によれば、生体の複数箇所の運動を評価する際に、消費電力と電波干渉を抑えることができる。
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
［全体構成］
図１に示すように、本実施形態に係る運動機能評価システム１０００は、被験者の手指運動を測定する運動機能測定装置１１００と、運動機能測定装置１１００によって測定されたデータの記録及び解析を行う評価装置１２００と、被験者の情報などを入力する操作入力部１３００と、測定結果や解析結果などを表示する表示部１４００と、を含んで構成される。
図１に示すように、本実施形態に係る運動機能評価システム１０００は、被験者の手指運動を測定する運動機能測定装置１１００と、運動機能測定装置１１００によって測定されたデータの記録及び解析を行う評価装置１２００と、被験者の情報などを入力する操作入力部１３００と、測定結果や解析結果などを表示する表示部１４００と、を含んで構成される。
ここで、被験者とは、運動機能測定装置１１００による測定対象であり、本実施形態においては、認知症の有無または重症度の検査を受ける人である。
また、運動機能測定装置１１００は、被験者に手指運動を行わせた際の指の動作を測定するものである。ここで、手指運動とは、磁気センサによって計測された指タップ運動（手の親指と人差し指を可能な限り速く、かつ可能な限り大きく繰り返し開閉させる運動）や、そのほか２つのコイル間距離で計測できる生体の運動を全て含む。以下、手指運動として、指タップ運動を例にとって説明する。
また、運動機能測定装置１１００は、被験者に手指運動を行わせた際の指の動作を測定するものである。ここで、手指運動とは、磁気センサによって計測された指タップ運動（手の親指と人差し指を可能な限り速く、かつ可能な限り大きく繰り返し開閉させる運動）や、そのほか２つのコイル間距離で計測できる生体の運動を全て含む。以下、手指運動として、指タップ運動を例にとって説明する。
［運動機能測定装置の概要］
運動機能測定装置１１００は、生体の可動部分に取り付けた発信コイルと受信コイルのペアの相対距離に基づいて運動データを算出するものであって、例えば、被験者の手指運動の情報（以下、単に「運動情報」ともいう。）を時系列に検出するものであり、少なくとも、距離、速度、加速度、躍度（加速度を時間微分したもの）のいずれか１つに関する被験者の運動情報を、時系列データ（波形データ）として取得するものである。
運動機能測定装置１１００は、生体の可動部分に取り付けた発信コイルと受信コイルのペアの相対距離に基づいて運動データを算出するものであって、例えば、被験者の手指運動の情報（以下、単に「運動情報」ともいう。）を時系列に検出するものであり、少なくとも、距離、速度、加速度、躍度（加速度を時間微分したもの）のいずれか１つに関する被験者の運動情報を、時系列データ（波形データ）として取得するものである。
運動機能測定装置１１００は、センサ部１５００およびセンサ部１５１０と、切替部(１)１１１０（第１の切替部）および切替部(２)１１１１（第２の切替部）と、交流発生部１１２０と、増幅・フィルタ部１１３０と、アナログデジタル変換部１１５０と、時間調整・検波部１１６０と、ダウンサンプリング部１１７０とを備えて構成される。
≪センサ部（運動センサ）≫
図２（ａ）に示すように、センサ部１５００は、磁場を発信する発信コイル１５０１と、この磁場を受信（検出）する受信コイル１５１１によって構成される。なお、図２（ａ）は、センサ部１５００を左手に装着した図であり、図２（ｂ）は、センサ部１５１０を右手に装着した図である。以下の説明では、説明の簡略化のため、図２（ａ）の左手用のセンサ部１５００のみで説明を行うが、図２（ｂ）の右手用のセンサ部１５１０においても左手用のセンサ部１５００と全く同様の配置、動作などが可能である。
図２（ａ）に示すように、センサ部１５００は、磁場を発信する発信コイル１５０１と、この磁場を受信（検出）する受信コイル１５１１によって構成される。なお、図２（ａ）は、センサ部１５００を左手に装着した図であり、図２（ｂ）は、センサ部１５１０を右手に装着した図である。以下の説明では、説明の簡略化のため、図２（ａ）の左手用のセンサ部１５００のみで説明を行うが、図２（ｂ）の右手用のセンサ部１５１０においても左手用のセンサ部１５００と全く同様の配置、動作などが可能である。
図２（ａ）に示すように、発信コイル１５０１は親指の爪部に、受信コイル１５１１は人差し指の爪部に、例えば両面テープなどによって、それぞれ装着される。なお、取り付ける指を逆にして、発信コイル１５０１を人差し指の爪部に、受信コイル１５１１を親指の爪部に装着してもよい。
また、発信コイル１５０１と受信コイル１５１１の被装着部位は、親指と人差し指のそれぞれの爪部として説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、爪部以外の指部分であってもよい。
また、親指と人差し指に限定されることなく、例えば、親指と小指などの別の組み合わせの指に装着してもよい。さらに、被装着部位は被験者の爪部又は指に限定されることなく、例えば、指に近接する手のひらなどの周辺部位も含まれる。したがって、発信コイル１５０１と受信コイル１５１１の被装着部位は、指タップ運動を検出できるのであれば、被験者の爪部、指、および指の周辺部位のいずれでもよい。さらに、本実施形態では生体への装着で説明しているが、発信コイルと受信コイルを生体以外に取り付けて、発信コイルと受信コイル間の相対距離の測定、金属の磁化の度合いや磁化された物体の動きの測定を行うことも可能である。
また、親指と人差し指に限定されることなく、例えば、親指と小指などの別の組み合わせの指に装着してもよい。さらに、被装着部位は被験者の爪部又は指に限定されることなく、例えば、指に近接する手のひらなどの周辺部位も含まれる。したがって、発信コイル１５０１と受信コイル１５１１の被装着部位は、指タップ運動を検出できるのであれば、被験者の爪部、指、および指の周辺部位のいずれでもよい。さらに、本実施形態では生体への装着で説明しているが、発信コイルと受信コイルを生体以外に取り付けて、発信コイルと受信コイル間の相対距離の測定、金属の磁化の度合いや磁化された物体の動きの測定を行うことも可能である。
［運動機能測定装置の詳細］
図３に示すように、運動機能測定装置１１００は、発信コイル（１）１５０１から発信コイル（Ｎ）１５０ＮまでＮ個配置し、それぞれの発信コイルに対応する受信コイル（１）１５１１から受信コイル（Ｎ）１５１ＮまでＮ個配置している。つまり、発信コイル（１）１５０１のペアは受信コイル（１）１５１１であり、発信コイル（２）１５０２のペアは受信コイル（２）１５１２であり、発信コイル（Ｎ）１５０Ｎのペアは受信コイル（Ｎ）１５１Ｎである。通常の指タップ運動は人差し指と親指の運動を計測するため、Ｎ＝２（つまり、図３では発信コイル（２）１５０２と受信コイル（２）１５１２のペアまで）となるが、指などの複数（Ｎ）箇所の動きをモニタする場合では、Ｎ個まで発信コイルと受信コイルのペアを増加させることができる。なお、本実施形態での説明において、複数の発信コイルを総称するときなどに符号を省略して単に「発信コイル」と称し、また、複数の受信コイルを総称するときなどに符号を省略して単に「受信コイル」と称する場合がある。
図３に示すように、運動機能測定装置１１００は、発信コイル（１）１５０１から発信コイル（Ｎ）１５０ＮまでＮ個配置し、それぞれの発信コイルに対応する受信コイル（１）１５１１から受信コイル（Ｎ）１５１ＮまでＮ個配置している。つまり、発信コイル（１）１５０１のペアは受信コイル（１）１５１１であり、発信コイル（２）１５０２のペアは受信コイル（２）１５１２であり、発信コイル（Ｎ）１５０Ｎのペアは受信コイル（Ｎ）１５１Ｎである。通常の指タップ運動は人差し指と親指の運動を計測するため、Ｎ＝２（つまり、図３では発信コイル（２）１５０２と受信コイル（２）１５１２のペアまで）となるが、指などの複数（Ｎ）箇所の動きをモニタする場合では、Ｎ個まで発信コイルと受信コイルのペアを増加させることができる。なお、本実施形態での説明において、複数の発信コイルを総称するときなどに符号を省略して単に「発信コイル」と称し、また、複数の受信コイルを総称するときなどに符号を省略して単に「受信コイル」と称する場合がある。
本実施形態ではＮ個までペアが増加した場合で説明を行う。発信コイル（１）１５０１から発信コイル（Ｎ）１５０Ｎまでには、１つの交流発生部１１２０（交流発生回路）が切替部（１）１１１０（切替スイッチ）を介して接続されている。そして、切替部（１）１１１０による切り替え動作により、交流発生部１１２０からの交流電流（例えば２０ｋＨｚの電流）がそれらの発信コイルに順次流れ、交流電流が流れた発信コイルは交流磁場を発生させる。交流発生部１１２０は、所定周波数の交流電流を発生するものであり、制御部１１４０によって、電流を流すタイミングを制御される。具体的には、省電力にするため、制御部１１４０は、発信コイル（１）１５０１から発信コイル（Ｎ）１５０ＮまでのＮ個の発信コイルに流す間の時間のみ、交流発生部１１２０が発信動作するように制御する。さらに、交流発生部１１２０が発生する信号は時間調整・検波部１１６０の検波動作の参照信号３１００として使用される。
また、制御部１１４０は、切替部（１）１１１０と切替部（２）１１１１（切替スイッチ）を制御するための同期信号３１０１を発生する。同期信号３１０１によって切替部（１）１１１０と切替部（２）１１１１は同時に切り替わることができ、発信コイルと受信コイルのペアごとに順次動作する。つまり、制御部１１４０は、ペアとなっている発信コイルと受信コイルが順次動作するように、切替部（１）１１１０による複数の発信コイルの切り替え、および、切替部（２）１１１１による複数の受信コイルの切り替え、を行う。
また、受信コイル（１）１５１１から受信コイル（Ｎ）１５１ＮまでのＮ個の受信コイルは、切替部（２）１１１１を介して増幅・フィルタ部１１３０（アンプ・フィルタ回路）に接続され、増幅・フィルタ部１１３０からの出力信号は、アナログデジタル（ＡＤ）変換部１１５０によってデジタル信号に変換され、時間調整・検波部１１６０にそのデジタル信号が伝達される。なお、アナログデジタル変換部１１５０によるアナログデータのデジタルデータ化によって、その後の処理（ダウンサンプリングなど）が容易になる。時間調整・検波部１１６０では、受信コイルで検出された交流磁場波形のうち、切替部（２）１１１１による切り替え直後の所定周期分の交流磁場波形（ノイズ部分）を削除する処理を行う（図４で詳細を説明）。
また、各受信コイルの交流磁場波形における削除処理の時刻は、制御部１１４０によって正確に制御される。この削除処理のあと、時間調整・検波部１１６０は、参照信号３１００を用いて全波整流処理およびフィルタ処理（主に、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）による処理）を行う。最後に、時間調整・検波部１１６０で処理されたデジタル信号は、ダウンサンプリング部１１７０によって、アナログデジタル変換部１１５０でのサンプリング周波数（例えば２００ｋＨｚ）の１０００分の１程度（所定の割合）のサンプリング周波数（例えば２００Ｈｚ）の粗いデータへと変換（ダウンサンプリング）される。これにより、データ全体の容量を小さくすることが可能となる。したがって、出力信号３２００は、通信容量に制限がある中でも複数の受信コイルのデータとして、高速送信が可能となる。つまり、データ通信部１６００は、ダウンサンプリング部１１７０から受信するデータ量が小さいので、複数の受信コイルに関する運動データを、無線または有線により、評価装置１２００に一度に受け渡すことができる。
図４の上段は、発信コイル（１）１５０１から発信コイル（Ｎ）１５０ＮまでＮ個の発信コイルでの電流波形を示し、図４の下段は、受信コイル（１）１５１１から受信コイル（Ｎ）１５１ＮまでＮ個の受信コイルで検出した磁場波形を示している。各発信コイルには時間幅Ｔ１（例えば５０μｓ（２００ｋＨｚ））の間、交流電流が流されている（図４では時間幅Ｔ１の間に４周期分の電流波形が示されている）。そして、切替部（１）１１１０（図３）により各発信コイルの接続が順次切り替えられ、Ｔ１間隔で順番にＮ番目の発信コイル（Ｎ）１５０Ｎまで電流が流されている。
時間幅Ｔ２は、例えば、指タップ運動などが有する最大周波数１０Ｈｚを計測するのに十分な１００Ｈｚ程度のサンプリング時間である１０ｍｓとする（つまり、時刻１と時刻２の時間幅と時刻２と時刻３の時間幅は１０ｍｓとなる）。時間幅Ｔ３は（時間幅Ｔ２−時間幅Ｔ１×Ｎ）であり、時間幅Ｔ３の間は交流発生部１１２０から発信コイルへの電流を停止する制御を制御部１１４０（図３）で行う。これらの時間幅の関係は、Ｔ１＜＜Ｔ２、Ｔ１×Ｎ＜＜Ｔ３である（図４では、作図の都合上、それらの関係を正確に表記していない）。したがって、時間幅Ｔ２の中の大半の時間を占める時間幅Ｔ３の間、交流発生部１１２０から発信コイルへの電流を停止する制御により消費電流を抑えることができ、省電力を実現することができる。
一方、受信コイル（１）１５１１から受信コイル（Ｎ）１５１ＮまでのＮ個の受信コイルについて、順次、ペアとなる発信コイルに交流電流が流れるタイミングで切替部（２）１１１１（図３）による接続が切り替えられ、増幅・フィルタ部１１３０（図３）に信号が入力される。図４の下段に示すように、各受信信号（磁場波形）は時刻の最初の部分にノイズが混入してしまっている。この受信ノイズは、受信コイルを切り替える切替部（２）１１１１（図３）によって接続が切り替えられことにより発生するノイズである。
これはすべてのチャンネル（受信コイル）の信号をほぼ同時に検出するために、受信コイルの信号間に時間差をつけずに計測するために生じる問題である。仮に数ｍから数十ｍはなれた位置での車の通過などの計測では、このように受信コイルの信号間に時間差を設けることができるため、このような問題は生じない。また、受信コイルとアンプの間にフィルタ回路を入れる方法も手法も考えられるが、例えば２０ｋＨｚであると１周期が５０μｓと非常に短いため、フィルタによる遅延時間のほうが長くなり実用的ではない。また、省電力にするためにはなるべく各発信コイルの発信時間を短くして時間幅Ｔ３を長くする必要があり、受信コイルおよび発信コイルのＴ１を短くして、時間差なく各チャンネル（受信コイル、発信コイル）を切り替えていく必要がある。
時間調整・検波部１１６０の時間調整機能によって、受信コイルで検出されたノイズ成分を削除する処理について、図５を用いて詳細に説明する（図１なども参照）。交流発生部１１２０で発生した交流電流が流れる発信コイルによって誘起された磁場は、ペアとなる受信コイルで検出される。このとき、受信コイルは切替部（２）１１１１（図３）によって接続が順次切り替えられるため、切替ノイズが発生する。図５では切替のタイミングの最初の部分にノイズが入っている場合を示しており、図５の上段に受信波形５１００を示し、図５の下段にノイズ削除処理後の波形５２００を示している。図５の下段のノイズ削除処理後の波形５２００は、最初の１周期分を削除し、残りの３周期分の時間幅Ｔ４を信号成分として検出した例である。このノイズ削除処理はＣＰＵ（Central Processing Unit）を搭載しているマイコン（時間調整・検波部１１６０）により動作させることが可能である。
図６を用いて、ノイズ削除処理後の波形の信号処理の手法を、受信コイル１５１１を例にして説明する。ノイズ削除処理後の波形５２００は、マイコン（時間調整・検波部１１６０）によって負の信号をすべて正の信号に変換する全波整流が行われ、検波後の波形６１００が得られる。この検波後の波形６１００の時間積分を行いデータ点数で割り算して、平均後の波形６２００を得る。この平均後の波形６２００の波形を時刻１、時刻２、時刻３（図４参照）の時刻での値として、連続的な運動波形が形成される。
図３に示す出力信号３２００は、例えば、親指と人差し指にそれぞれ装着された発信コイル（１）１５０１と受信コイル（２）１５１１の相対距離、発信コイル（２）１５０２と受信コイル（２）１５１２の相対距離に対応する電圧値を表す（相対距離と電圧値の変換式については後記）。
［評価装置］
評価装置１２００（図１参照）は、運動機能測定装置１１００によって測定されたデータの記録や解析を行うものである。ここで、評価装置１２００は、データ通信部１６００からの出力信号（時系列データ）を入力するデータ入力部１２１０と、前記入力した出力信号を解析するデータ処理部１２２０と、運動機能測定装置１１００へ測定の開始のための信号を送信する信号制御手段１２３０と、被験者情報処理手段１２４０と、データ処理部１２２０の解析結果を表示部１４００に出力できる形式に処理する出力処理手段１２５０と、データ処理部１２２０、被験者情報処理手段１２４０の処理するデータなどを保存する記憶部１２６０と、データの受け渡しや演算処理などの制御を行う制御部１２７０と、を含んで構成される。
評価装置１２００（図１参照）は、運動機能測定装置１１００によって測定されたデータの記録や解析を行うものである。ここで、評価装置１２００は、データ通信部１６００からの出力信号（時系列データ）を入力するデータ入力部１２１０と、前記入力した出力信号を解析するデータ処理部１２２０と、運動機能測定装置１１００へ測定の開始のための信号を送信する信号制御手段１２３０と、被験者情報処理手段１２４０と、データ処理部１２２０の解析結果を表示部１４００に出力できる形式に処理する出力処理手段１２５０と、データ処理部１２２０、被験者情報処理手段１２４０の処理するデータなどを保存する記憶部１２６０と、データの受け渡しや演算処理などの制御を行う制御部１２７０と、を含んで構成される。
≪データ処理部≫
データ処理部１２２０（図１参照）は、データ入力部１２１０から送給され制御部１２７０を通して得られた出力信号に基づいて、被験者の指タップ運動の運動波形を算出（生成）し、運動機能（例えばパーキンソン病）や脳機能（例えば認知症）の重症度を表す客観的な指標を算出する。各情報は適宜、記憶部１２６０に格納される。
ここで、データ処理部１２２０は、運動波形生成手段１２２１と、特徴量生成手段１２２２とを含んで構成される。
データ処理部１２２０（図１参照）は、データ入力部１２１０から送給され制御部１２７０を通して得られた出力信号に基づいて、被験者の指タップ運動の運動波形を算出（生成）し、運動機能（例えばパーキンソン病）や脳機能（例えば認知症）の重症度を表す客観的な指標を算出する。各情報は適宜、記憶部１２６０に格納される。
ここで、データ処理部１２２０は、運動波形生成手段１２２１と、特徴量生成手段１２２２とを含んで構成される。
＜運動波形生成手段＞
運動波形生成手段１２２１（図１参照）は、運動機能測定装置１１００から送給された電圧出力の時系列データ（波形データ）を、対応する運動波形に変換し、変換された運動波形を時間微分、時間積分などすることによって、距離波形と、速度波形と、加速度波形とを補完的に生成するものである（詳細は後記）。
運動波形生成手段１２２１（図１参照）は、運動機能測定装置１１００から送給された電圧出力の時系列データ（波形データ）を、対応する運動波形に変換し、変換された運動波形を時間微分、時間積分などすることによって、距離波形と、速度波形と、加速度波形とを補完的に生成するものである（詳細は後記）。
ここで、電圧出力（電圧値）を運動波形（相対距離波形など）に変換するための変換式は、例えば、長さの異なる複数のブロック（例えば長さが２０、３０、６０ｍｍのブロック）を一体化したキャリブレーションブロックを用いて、その複数の長さ（２０、３０、６０ｍｍ）それぞれの部分を二指で持った際に得られる電圧値と距離値のデータセットから、そのデータセットとの誤差を最小にする近似曲線として求められる。
図７は、前記波形データを変換式によって変換して得られた距離波形７１００（図７（ａ））と、距離波形７１００を時間微分することで得られた速度波形７２００（図７（ｂ））と、速度波形７２００を時間微分することで得られた加速度波形７３００（図７（ｃ））を示す図である。なお、「運動波形」とは、特に限定しない限り、距離波形、速度波形、加速度波形および躍度波形のうち、少なくとも１つを含む。
≪信号制御手段≫
信号制御手段１２３０（図１参照）は、操作入力部１３００から送給される操作信号に応じて、運動機能測定装置１１００へ測定の開始のための信号を送信する。運動機能測定装置１１００は、測定を行わないときはスタンバイ状態で、信号制御手段１２３０からの信号によって測定可能な状態になる。
信号制御手段１２３０（図１参照）は、操作入力部１３００から送給される操作信号に応じて、運動機能測定装置１１００へ測定の開始のための信号を送信する。運動機能測定装置１１００は、測定を行わないときはスタンバイ状態で、信号制御手段１２３０からの信号によって測定可能な状態になる。
≪被験者情報処理手段≫
被験者情報処理手段１２４０（図１参照）は、記憶部１２６０内の、被験者情報、解析結果などの情報を記録する被験者ＤＢ（Data Base）を用いて、それらの情報の管理を行うものである。
より詳細には、被験者情報処理手段１２４０は、１）被験者情報の登録、修正、削除、検索、ソート、２）被験者情報と測定データとの関連付け、３）測定データの解析結果の登録、修正、削除（項目の追加、修正、削除）、４）統計処理を行った場合には、その統計処理結果の登録、修正、削除、の主に４項目の処理を被験者ＤＢとの連携によって行う。
被験者情報処理手段１２４０（図１参照）は、記憶部１２６０内の、被験者情報、解析結果などの情報を記録する被験者ＤＢ（Data Base）を用いて、それらの情報の管理を行うものである。
より詳細には、被験者情報処理手段１２４０は、１）被験者情報の登録、修正、削除、検索、ソート、２）被験者情報と測定データとの関連付け、３）測定データの解析結果の登録、修正、削除（項目の追加、修正、削除）、４）統計処理を行った場合には、その統計処理結果の登録、修正、削除、の主に４項目の処理を被験者ＤＢとの連携によって行う。
また、被験者ＤＢに登録される被験者情報としては、被験者ＩＤ（Identifier）、氏名、生年月日、年齢、身長、体重、疾患名、被験者に関するコメントなどが挙げられる。なお、被験者情報処理手段１２４０によるこれらの情報管理は、従来公知のプログラムとデータ構成によって容易に実現することができる。
≪出力処理手段≫
出力処理手段１２５０（図１参照）は、表示部１４００に、被験者ＤＢに登録された被験者情報、解析結果などの情報を、グラフやテーブルの形式を適宜用いて視覚的に理解しやすい表示形式で表示させるものである。なお、出力処理手段１２５０は、前記した全ての解析結果に関し、同時に表示させる必要はなく、操作入力部１３００を介して操作者が適宜選択する項目に関して表示させる構成とすることもできる。
出力処理手段１２５０（図１参照）は、表示部１４００に、被験者ＤＢに登録された被験者情報、解析結果などの情報を、グラフやテーブルの形式を適宜用いて視覚的に理解しやすい表示形式で表示させるものである。なお、出力処理手段１２５０は、前記した全ての解析結果に関し、同時に表示させる必要はなく、操作入力部１３００を介して操作者が適宜選択する項目に関して表示させる構成とすることもできる。
≪制御部≫
制御部１２７０（図１参照）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などによって構成される。
制御部１２７０（図１参照）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などによって構成される。
なお、データ処理部１２２０内の運動波形生成手段１２２１および特徴量生成手段１２２２、信号制御手段１２３０、被験者情報処理手段１２４０、ならびに、出力処理手段１２５０は、記憶部１２６０に格納されたプログラム又はデータを制御部１２７０にロードして、演算処理を実行することによって実現される。
［操作入力部］
操作入力部１３００（図１参照）は、運動機能評価システム１０００の操作者が、被験者情報を入力するためのものであって、キーボード、マウスなどによって実現することができる。また、被験者情報を入力する場合には、操作者による入力を補助するユーザインタフェースとして、ディスプレイに入力画面を表示させるようにしてもよい。
操作入力部１３００（図１参照）は、運動機能評価システム１０００の操作者が、被験者情報を入力するためのものであって、キーボード、マウスなどによって実現することができる。また、被験者情報を入力する場合には、操作者による入力を補助するユーザインタフェースとして、ディスプレイに入力画面を表示させるようにしてもよい。
［表示部］
表示部１４００（図１参照）は、データ処理部１２２０により処理された被験者情報や運動情報を出力するものであって、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイ、プリンタなどによって実現することができる。
表示部１４００（図１参照）は、データ処理部１２２０により処理された被験者情報や運動情報を出力するものであって、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイ、プリンタなどによって実現することができる。
（比較例（従来技術））
次に、図８と図９、および、それぞれの構成での出力波形例（図１０と図１１）を参照して、比較例（従来技術）の複数計測点での手法を説明する。
次に、図８と図９、および、それぞれの構成での出力波形例（図１０と図１１）を参照して、比較例（従来技術）の複数計測点での手法を説明する。
比較例の両手の指タップ運動の同時計測では、図８に示すように、交流発生回路（ｆ１）８３０１と交流発生回路（ｆ２）８３０２は互いに異なる周波数の交流電流を発生されるものであり、それぞれ、発信コイル（１）８１０１、発信コイル（２）８２０２と接続されている。受信コイルも同様に受信コイル（１）８２０１と受信コイル（２）８２０２とがそれぞれ配置され、それぞれについて、アンプ回路８６０１、８６０２と、検波回路８４０１、８４０２と、低域通過回路（ＬＰＦ回路）８５０１、８５０２を通して、また、参照信号８７０１、８７０２を用いて、出力信号８８０１，８８０２をそれぞれ得る構成となっている。図１０は、図８の構成によって計測された両手の同時計測された指タップ運動波形であり、（ａ）は利き手の距離波形を示す図であり、（ｂ）は非利き手の距離波形を示す図である。そして、本実施形態における構成を用いた場合も図１０と全く同様の波形を得ることができる。
さらに、比較例（従来技術）の２チャンネル同時計測の他の従来例を図９に示す。距離Ｄ１とＤ２が発信コイル９２００を基準として計測できる場合、一つの発信コイル９２００と一つの交流発生回路９１００を配置し、受信コイル（１）９３０１と受信コイル（２）９３０２の２つを配置する。受信コイル（１）９３０１と受信コイル（２）９３０２について、それぞれアンプ回路９８０１、９８０２と、検波回路９４０１、９４０２と、低域通過回路（ＬＰＦ回路）９５０１、９５０２を通して、また、参照信号９７０１、９７０２を用いて、出力信号９６０１，９６０２をそれぞれ得る構成となっている。
本構成では、Ｄ１とＤ２の部分にバネを配置し、生体への圧力を保つ構成とする。この構成で測定されるものとして頚動脈などの脈波がある。図１１に図９の構成で計測された脈波の例を示している。図１１（ａ）に示すように、出力信号（１）１１００１は、血圧に対応する定常的な値を示している。図１１（ｂ）に示すように、出力信号（２）１１００２は脈波を表している。そして、出力信号（２）１１００２の振幅の局所的なピークの出る位置での出力信号（１）１１００１が平均血圧に対応する値である。さらに、図１１（ｃ）に示すように、出力信号（２）１１００２を拡大した波形が出力信号（２）拡大波形１１００３であり、脈波がはっきりと計測（観測）されている。
上記の図８から図１１に示す比較例（従来技術）では、２つの回路群を配置しているため、生体の複数個所での同時計測は可能であるが、回路規模の小型化・省電力や、通信容量低減などを実現できない。
上記の図８から図１１に示す比較例（従来技術）では、２つの回路群を配置しているため、生体の複数個所での同時計測は可能であるが、回路規模の小型化・省電力や、通信容量低減などを実現できない。
［効果］
このように、本実施形態の運動機能評価システム１０００によれば、複数点での生体の動きをほぼ同時刻（複数点で無視できる時間差（最大で図４のＴ１×（Ｎ−１））で検出できる。また、回路規模が小さく省電力、低コストを実現できる。さらに、発信コイル、受信コイルからなるペアの複数を切り替えて使用するので、２つ以上の受信コイル間での混信を防ぐことができる。また、ダウンサンプリングにより、扱うデータ量が少なくて済むので、通信容量が制限される無線などでもＰＣ（Personal Computer）にデータを容易に送信することができる。
このように、本実施形態の運動機能評価システム１０００によれば、複数点での生体の動きをほぼ同時刻（複数点で無視できる時間差（最大で図４のＴ１×（Ｎ−１））で検出できる。また、回路規模が小さく省電力、低コストを実現できる。さらに、発信コイル、受信コイルからなるペアの複数を切り替えて使用するので、２つ以上の受信コイル間での混信を防ぐことができる。また、ダウンサンプリングにより、扱うデータ量が少なくて済むので、通信容量が制限される無線などでもＰＣ（Personal Computer）にデータを容易に送信することができる。
１０００ 運動機能評価システム
１１００ 運動機能測定装置
１１１０ 切替部（１）（第１の切替部）
１１１１ 切替部（２）（第２の切替部）
１１２０ 交流発生部
１１３０、増幅・フィルタ部
１１４０ 制御部
１１５０ アナログデジタル変換部
１１６０ 時間調整・検波部
１１７０ ダウンサンプリング部
１２００ 評価装置
１２１０ データ入力部
１２２０ データ処理部
１２２１ 運動波形生成手段
１２２２ 特徴量生成手段
１２３０ 信号制御手段
１２４０ 被験者情報処理手段
１２５０ 出力処理手段
１２６０ 記憶部
１２７０ 制御部
１３００ 操作入力部
１４００ 表示部
１５００、１５１０ センサ部
１５０１、１５０２、１５０Ｎ 発信コイル
１５１１、１５１２、１５１Ｎ 受信コイル
１６００ データ通信部
１１００ 運動機能測定装置
１１１０ 切替部（１）（第１の切替部）
１１１１ 切替部（２）（第２の切替部）
１１２０ 交流発生部
１１３０、増幅・フィルタ部
１１４０ 制御部
１１５０ アナログデジタル変換部
１１６０ 時間調整・検波部
１１７０ ダウンサンプリング部
１２００ 評価装置
１２１０ データ入力部
１２２０ データ処理部
１２２１ 運動波形生成手段
１２２２ 特徴量生成手段
１２３０ 信号制御手段
１２４０ 被験者情報処理手段
１２５０ 出力処理手段
１２６０ 記憶部
１２７０ 制御部
１３００ 操作入力部
１４００ 表示部
１５００、１５１０ センサ部
１５０１、１５０２、１５０Ｎ 発信コイル
１５１１、１５１２、１５１Ｎ 受信コイル
１６００ データ通信部
Claims (7)
- 生体の可動部分に取り付けた発信コイルと受信コイルのペアの相対距離に基づいて運動データを算出する運動機能測定装置と、前記運動機能測定装置から受信した前記運動データに基づいて前記生体の運動機能を評価する評価装置と、を備え、
前記運動機能測定装置は、
所定周波数の交流電流を発生する交流発生部と、
複数の発信コイルと、
前記交流発生部および前記複数の発信コイルと接続され、前記交流発生部が発生した交流電流を前記複数の発信コイルそれぞれに順番に流すように切り替える第１の切替部と、
前記複数の発信コイルそれぞれに１対１対応で設けられ、ペアの前記発信コイルが発生する磁場を検出する複数の受信コイルと、
前記複数の受信コイルと接続される第２の切替部と、
前記複数の受信コイルに、前記第２の切替部を介して接続される増幅・フィルタ部と、
前記増幅・フィルタ部と接続され、前記交流発生部からの参照信号を用いて検波を行う時間調整・検波部と、
ペアとなっている前記発信コイルと前記受信コイルが順次動作するように、前記第１の切替部による前記複数の発信コイルの切り替え、および、前記第２の切替部による前記複数の受信コイルの切り替え、を行う制御部と、
を備えることを特徴とする運動機能評価システム。 - 前記時間調整・検波部は、前記複数の受信コイルそれぞれから得た磁場波形のうち、前記第２の切替部による切り替え直後の所定周期分を削除する
ことを特徴とする請求項１に記載の運動機能評価システム。 - 前記運動機能測定装置は、
前記時間調整・検波部からの出力データを所定の割合でダウンサンプリングするダウンサンプリング部を、さらに備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の運動機能評価システム。 - 前記制御部は、
前記複数の発信コイルそれぞれには時間幅Ｔ１で前記交流発生部からの交流電流が流れ、かつ、
時間幅Ｔ２の周期で、前記発信コイルと前記受信コイルの全ペア（ペア数を「Ｎ」とする。）の動作が一巡するように、前記第１の切替部による前記複数の発信コイルの切り替え、および、前記第２の切替部による前記複数の受信コイルの切り替え、を行い、
その際、前記発信コイルと前記受信コイルのいずれのペアも動作させない時間幅Ｔ３（Ｔ２−Ｔ１×Ｎ）の時間帯は、前記交流発生部を停止する制御を行う
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の運動機能評価システム。 - 前記運動機能評価システムは、
前記運動機能測定装置と前記評価装置の間に設けられ、前記運動機能測定装置が算出した前記複数の受信コイルに関する運動データを、無線または有線により、前記評価装置に一度に受け渡す通信機能を有するデータ通信部を、さらに備える
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の運動機能評価システム。 - 前記運動機能測定装置は、
前記増幅・フィルタ部と前記時間調整・検波部との間に設けられ、前記増幅・フィルタ部から受信したアナログデータをデジタルデータに変換して前記時間調整・検波部に送信するアナログデジタル変換部を、さらに備える
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の運動機能評価システム。 - 生体の可動部分に取り付けた発信コイルと受信コイルのペアの相対距離に基づいて運動データを算出し、前記算出した運動データを、前記生体の運動機能を評価する評価装置に送信する運動機能測定装置であって、
所定周波数の交流電流を発生する交流発生部と、
複数の発信コイルと、
前記交流発生部および前記複数の発信コイルと接続され、前記交流発生部が発生した交流電流を前記複数の発信コイルそれぞれに順番に流すように切り替える第１の切替部と、
前記複数の発信コイルそれぞれに１対１対応で設けられ、ペアの前記発信コイルが発生する磁場を検出する複数の受信コイルと、
前記複数の受信コイルと接続される第２の切替部と、
前記複数の受信コイルに、前記第２の切替部を介して接続される増幅・フィルタ部と、
前記増幅・フィルタ部と接続され、前記交流発生部からの参照信号を用いて検波を行う時間調整・検波部と、
ペアとなっている前記発信コイルと前記受信コイルが順次動作するように、前記第１の切替部による前記複数の発信コイルの切り替え、および、前記第２の切替部による前記複数の受信コイルの切り替え、を行う制御部と、
を備えることを特徴とする運動機能測定装置。
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