JP6242899B2 - リハビリシステム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、リハビリシステム及びその制御方法に係り、特に人にセンサや機器を装着してリハビリテーションを行う、装着型パワーアシストシステムおよびその制御方法に関する。

リハビリテーション（以下単にリハビリという）には、入院患者が病院で受ける急性期ないし回復期リハビリと、退院後に続ける生活期リハビリ(維持期リハビリ)がある。各期のリハビリに応じて種々の装置やシステムが提案されている。

例えば、高齢化による体力や筋力の低下した人のために、補助機器や器具を患者に装着してリハビリテーションを行う装置が提案されている。特許文献１には、変形性関節症の患者のための歩行アシストシステムが提案されている。このシステムは、駆動ユニットとリンク機構部を有する歩行補助装置を患者の両足に装着して、患者の足底センサにより検出された足底の圧力の変化に基づいて歩行パターンを生成してその歩行パターンに従って歩行補助装置の駆動ユニットを制御することにより歩行補助するものである。

また、遠隔監視によるリハビリテーションシステムに関して、例えば特許文献１には、遠隔で患者にトレーニングプロトコルを推薦してトレーニングを進め、患者のトレーニング状態を監視してプロトコルを調節するシステムが開示されている。

特開２０１０−９９４１８公報 米国特許５８１０７４７公報 特開２００２−１７２０９４公報（特許第３７８５５２９号公報） 特開２００９−２６１７３５公報 特開２０１２−２５４１８０公報

特許文献１は、医師であるユーザからの操作指示に従って歩行パターンを修正して、歩行パターンに基づいて歩行補助装置で患者の歩行を補助ないし矯正するものである。特許文献２には、リハビリテーションプロトコルの推薦又はその修正したプロトコルを患者に提供して遠隔で支援するシステムが開示されているが、トレーニング効果に応じてリアルタイムに最適なトレーニング内容に更新する旨の示唆はない。

本発明は、トレーニングメニューに基づいて対象者にリハビリトレーニングを行わせ、対象者の体の動きに基づいてトレーニングメニューを更新してリハビリトレーニングを継続的に行うようにすることにある。
本発明はまた、筋肉の動きや体調情報を検知するセンサを対象者の体に装着してリハビリトレーニングを行い、体の動きを阻害している筋肉部分に刺激を与えて適正な筋肉の使い方を指示することを可能とする。
本発明はまた、トレーニングを行う対象者の動きを可視化して確認できるようにすることにある。

本発明に係るリハビリシステムは、好ましくは、リハビリトレーニングを行う対象者が操作することができる入力端末と、
該対象者のためにリハビリトレーニングに関する情報を表示する表示端末と、
該対象者の体に装着される、該体の筋肉の動きを検知するセンサと、
該対象者ごとに予めトレーニングの内容を定めたトレーニングメニューを記憶する記憶部と、
該記憶部から、該対象者ごとの該トレーニングメニューを出力して、該対象者が用いる該表示端末に表示し、かつ該センサによって計測されたデータが、該トレーニングメニューで予め定めた値に対して十分か否かを判断する対象者用解析システム部と、を有し、
前記対象者用解析システム部は、
更に、該センサによって計測されたデータが、該トレーニングメニューで予め定めた値に対して不十分と判断した場合、該トレーニングメニューを変更して、該変更したトレーニングメニューを該記憶部に記憶し、かつ
該変更後のトレーニングメニューを該表示端末に表示して、該変更後のトレーニングメニューに基づいてリハビリトレーニングを行わせる、ことを特徴とするリハビリシステムとして構成される。

本発明に係るリハビリシステムはまた、好ましくは、リハビリトレーニングを行う対象者が操作することができる入力端末と、
該対象者のためにリハビリトレーニングに関する情報を表示する表示端末と、
該対象者の体に装着される、該体の筋肉の動きを検知するセンサと、該対象者の体の部位に刺激を与えるフィードバック機器と、
該対象者ごとに予めトレーニングの内容を定めたトレーニングメニューを記憶する記憶部と、
該記憶部から、該対象者ごとの該トレーニングメニューを出力して、該対象者が用いる該表示端末に表示し、
かつ該センサによって計測されたデータが、該トレーニングメニューで予め定めた値に対して不十分と判断した場合、該フィードバック機器を起動する対象者用解析システム部と、
を有することを特徴とするリハビリシステムとして構成される。

本発明に係るリハビリ制御方法は、好ましくは、上記リハビリシステムにおけるリハビリ制御方法として構成される。

本発明または、好ましくは、リハビリトレーニングの対象者に装着されるリハビリトレーニング用装着具であって、
対象者の体の関節角及び筋肉の可動状況を検知する複数センサと、
該対象者の体調情報を検知するセンサと、
リハビリトレーニングの目標を阻害する要因と推定される対象者の筋肉の部分に刺激を与える信号を発するフィードバック機器と、
該センサで検知された信号を外部に送信し、かつ外部から送信される信号を該フィードバック機器に伝える無線ユニットを配置した、リハビリトレーニング用装着具として構成される。

本発明によれば、トレーニングメニューに基づいて対象者にリハビリトレーニングを行わせ、対象者の体の動きに基づいてトレーニングメニューを更新してリハビリトレーニングを継続的に行うことが可能となる。
また、筋肉の動きや体調情報を検知するセンサを対象者の体に装着してリハビリトレーニングを行い、体の動きを阻害している筋肉部分に刺激を与えて適正な筋肉の使い方を指示することが可能となる。また、トレーニングを行う対象者の動きを可視化して確認することができる。

一実施例によるリハビリトレーニングシステムの構成を示す図。 リハビリトレーニングシステムの処理手順を示すフロー図。 リハビリトレーニングシステムの処理手順を示すフロー図。 トレーニング中に表示端末４４に表示される画面の一例を示す図。 トレーニング終了後に表示端末４４に表示される画面の一例を示す図。 トレーニング終了後に表示端末２３に表示される画面の一例を示す図。 センシングウェアの構成例を示す図。 下肢動作計測システムの構成を示す図。 膝関節角により下腿ステイのスライダとの位置の変化を示す図。 トレーニングメニュー及びトレーニングパターンのデータ構成例を示す図。 関節角の名称を表す模式図。 トレーニングパターンの実測角度値と目標動作角度値との関係を示す図。 トレーニングパターンの更新の様子を示す図。

図１は実施例１によるリハビリトレーニングシステムの構成を示す。
リハビリトレーニングシステムは、病院２、デイケアセンタリハビリ施設３、複数の患者宅４の各拠点にある情報処理装置がネットワークを介して、データセンタ１に接続して構成される。データセンタ１は、１又は複数のサーバによって構築され、患者用解析システム１１と、施設用解析システム１２と、医師用解析システム１４と、ＰＨＲ(Personal Health Record)１３、及びデータベース（ＤＢと略す）１５を有して構成される。患者用解析システム１１と、施設用解析システム１２と、医師用解析システム１４は、特有のアプリケーションプログラムをサーバで実行してそれらの機能が実現される。ＰＨＲ１３は患者個人の電子カルテに相当する記録であり、それぞれＤＢ１３に記憶される。ＤＢ１５は、ＰＨＲ１３をはじめとしてリハビリトレーニングに必要な種々の情報を記憶する。

患者宅４には、入力端末４３及び表示端末４４などの情報処理装置と、無線ユニット４５が設置される。このような構成において、患者Ｐ１はセンシングウェア４２を装着して表示端末４４に表示される案内に従ってリハビリトレーニングを行う。センシングウェア４２には複数のセンサ４２２と、フィードバック（ＦＢ）機器４２３と、無線ユニット４５との間でデータ送受信するための無線ユニット４２１が設けられている。複数のセンサ４２２は例えば、各関節の関節角の動きに関するリハビリ動作情報や、表面筋電位や筋肉硬さに関する筋肉活動情報や、体温、脈拍、血圧などの体調情報をリアルタイムに検知して計測する。（なお、センシングウェア４２の構成については図６を参照して後述する。）
リハビリトレーニング中にセンサ４２２で計測されたデータは無線ユニット４２１より無線ユニット４５へ送信される。無線ユニット４５に送信されたデータはデータセンタ１にある患者用解析システム１１へ送信される。ＦＢ機器４２３は、振動や圧接等によってトレーニングの目標を阻害する要因と推定される患者の筋肉の部分に刺激を与える機器であり、患者用解析システム１１からの指示に応じて起動される。なお、センシングウェア４２は種々のセンサを装備しているのでこのように呼んでいるが、単にトレーニングウェアと呼んでもよい。また、患者用解析システム１１はセンシングウェア４２から見れば外部装置（或いは単に外部）に相当する。
患者Ｐ１は入力端末４３によってトレーニングにおける医師への伝言等を入力することができる。入力端末４３から入力された情報はＰＨＲ１３に記録される。

患者用解析システム１１は、センシングウェア４２のセンサの計測値（筋肉の動きや体調情報）と、患者ごとにＰＨＲ１３に記録された目標のトレーニング情報とを比較し、必要に応じてトレーニングの変更を行い、比較結果及びトレーニング変更に関する情報を患者宅４の表示端末４４へ送信して表示する。また、比較の結果、計測値が目標のトレーニング情報と離れている（許容範囲外）と判断した場合、患者の筋肉の部分に刺激を与えるための信号（警告信号といってもよい）を、無線ユニット４５及びセンシングウェア４２の無線ユニット４２１を通してフィードバック機器４２３へ送信する。フィードバック機器４２３は、受信した警告信号を基に患者の筋肉の部分に刺激を与えて注意を喚起する。

患者用解析システム１１で処理された情報（患者宅の入力端末４３から入力された情報も含む）は全てＰＨＲ１３に記録される。ＰＨＲ１３は、医師用解析システム１４と施設用解析システム１２およびＤＢ１５に接続され、ＰＨＲ１３に記録された情報は匿名化されて、ＤＢ１５に記憶される。

医師用解析システム１４は、ＰＨＲ１３に記録されたトレーニング情報を基にトレーニング終了後の患者Ｐ１が入力端末４３から入力した伝言も含めて医師用総括情報を作成する。作成された医師用総括情報はＤＢ１５に一旦記憶される。病院２の医師Ｐ３は、入力端末２４から指示してＤＢ１５をアクセスして医師用総括情報を読み出し、それを表示端末２３に表示することができる。この情報を基に医師Ｐ３は次の日のトレーニング内容を入力端末２４から医師解析用システム１４に入力することがきる。トレーニング内容は数種類のトレーニングメニューからなり、トレーニングメニューはトレーニングパターンで構成されている。

トレーニングメニュー及びトレーニングパターンについては、図９〜図１０を参照して後述する。概略言えば、トレーニングメニューは例えば「肩と肘のリハビリトレーニング」や「肩関節周囲筋のリハビリトレーニング」といった一連のトレーニング動作をいう。トレーニングパターンは、トレーニングメニューを構成する動作の基本単位であり、例えば、「右左肩屈曲角と左右肘屈曲角をそれぞれ０度、４５度から９０度、０度になるように両腕を伸ばす」や「右左肩屈曲角と左右肘屈曲角をそれぞれ９０度、０度から０度、４５度になるように両腕を曲げる」などのトレーニング動作の基本単位をいう。トレーニング内容を入力する際、医師Ｐ３は、次のリハビリトレーニングを決める参考として、検索端末２２よりＤＢ１５を検索して、同様の病状の人に効果があったトレーニング内容に関する情報を得ることができる。

施設用解析システム１２は、患者宅４の近隣にあるデイケアセンタなどの介護とリハビリを行うデイケアセンタリハビリ施設（以下単にリハビリ施設という）３に設置された表示端末３２に接続される。施設用解析システム１２はＰＨＲ１３に記録された情報を基に患者Ｐ１がトレーニング中に体温、脈拍、血圧といった体調情報が急変した場合、表示端末３２に体調情報や警告の情報を表示する。リハビリ施設３の職員Ｐ２は表示端末３２の表示情報を見て、「患者宅４に電話する」又は「患者宅４に直行する」又は「病院２に連絡する」の判断を行う。また、施設用解析システム１２はリハビリトレーニング中の緊急事態だけでなく、トレーニング頻度に関する解析も行い、トレーニングが滞りがちな患者に対しては定期的にリハビリ施設３の職員Ｐ２が患者Ｐ１に連絡をとり、健康状態や精神状態などその原因を調べて、医師Ｐ３に報告する。
なお、図１に示したリハビリトレーニングシステムは、データセンタ１内にＰＨＲ１３および患者用解析システム１１を有しているが、代案としてはこれらを患者宅４側に設置することも可能である。

図６にセンシングウェア４２の構成の一例を示す。このセンシングウェア４２は肩と肘のリハビリトレーニングを行う場合に装着するものである。なお、センシングウェア４２はトレーニングウェアと呼んでもよい。
センシングウェア４２の左右の上腕および前腕部分にはモーションセンサ４２２１が配置され、左あるいは右手首部分には脈波センサ４２２２が配置される。更に、上腕の上腕二等筋および上腕三等筋に相当する部分と肩の三角筋、大円筋、広背筋に相当する部分には筋肉活動計測センサ４２２４が配置されている。脈波センサ４２２２の場所は麻痺手に応じて取り付けやすい方に装着するのがよい。ＦＢ機器４２３としては、ハプティクス技術を用いた振動モータによる振動などの触覚で人体に刺激を与える機器が、筋肉活動計測センサ４２２４の近傍（即ちトレーニングの目標を阻害する要因と推定される筋肉の部位）に配置されている。これらモーションセンサ４２２１、脈波センサ４２２２、筋肉活動計測センサ４２２４およびＦＢ機器４２３は無線ユニット４２１に接続されている。

モーションセンサ４２２１は３軸の加速度センサと３軸ジャイロスコープを備えており、上腕および前腕の動作を計測し、左右の肩関節と肘関節の関節角度を検出する。モーションセンサ４２２１はトレーニング中に取り付けた位置がずれないように面ファスナー式のベルトでセンシングウェア４２の上から人体に固定することが望ましい。なお、モーション計測はモーションセンサ４２２１を内蔵したセンシングウェア４２を装着しなくても、赤外、可視光カメラを用いたモーションキャプチャや距離カメラを用いた姿勢認識でも計測可能である。この場合、カメラと患者の前に３ｍ程度の広い空間を保つのがよい。

脈波センサ４２２２としては例えば特許文献３に記載の、脈波を検知して血圧を検知する脈波伝播方式の血圧計を使用することができる。この方式では心拍数を計測することができる。さらに脈波センサ４２２２は温度計を内蔵して体温の計測もできる。また脈波センサ４２２２はセンシングウェア４２とは別の腕時計型の装着デバイスにすることもできる。

筋肉活動センサ４２２４としては、例えば特許文献４及び特許文献５に記載の、小型の筋電センサを使用することができる。筋電センサを使用する場合、筋肉活動量は筋電信号の振幅に依存する。すなわち、筋肉活動量は筋電信号を全波整流したときの包絡線に相当する。筋肉活動センサ４２２４には筋硬度計を使用することもできる。筋電センサで計測した場合は、筋硬度計で計測した場合は硬度に依存する。また、筋電センサを使用する場合、心電図の電極のようにセンサを人体に絆創膏で直接固定して使用することもできる。

次に、図９〜図１０を参照して、トレーニングメニュー及びトレーニングパターンについて説明する。
図９はトレーニングメニュー(ＴＭ)のデータ構成例を示す。図示の例は２つのトレーニングパターンＴＰ１、ＴＰ２からなる上肢リハビリトレーニングメニュー「肩と肘のリハビリトレーニング」のデータ構成を示している。このトレーニングメニューはＴＰ１、ＴＰ２の順に記録される。

各トレーニングパターンＴＰは、ＴＰ番号、このトレーニングパターンによるトレーニングにかける最大所要時間、トレーニングパターン開始時の関節角、トレーニングパターン終了時の関節角、右及び左を表すデータから構成される。上記トレーニングパターン開始時の関節角は更に、右肩関節の回旋角、外転角、水平屈曲角、屈曲角、左肩関節の回旋角、外転角、水平屈曲角、屈曲角、右肘関節の回旋角、屈曲角、左肘関節の回旋角、屈曲角から構成される。上記トレーニングパターン終了時は更に、右肩関節の回旋角、外転角、水平屈曲角、屈曲角、左肩関節の回旋角、外転角、水平屈曲角、屈曲角、右肘関節の回旋角、屈曲角、左肘関節の回旋角、屈曲角から構成される。上記右は更に、右の大胸筋、三角筋、肩甲下筋、広背筋、上腕筋、上腕二頭筋、上腕筋の活動状態のデータから構成される。上記左も上記右を同様のデータ構成である。
ここで、各トレーニングパターンＴＰで着目する関節運動角、筋肉活動情報以外はＮＡ（Not Applicable （適用せずの意味））とし、管理を行わない。筋肉活動情報はトレーニングメニューで活動すると予測される筋肉部位は「１」、活動しないと予測される筋肉部位は「０」で表す。

図１０は各関節角の名称を表す模式図を示す。図１０（ａ）は肩関節の関節角、図１０（ｂ）は肘関節の関節角を示す。肩関節は回旋角、外転角、水平屈曲角、屈曲角で表すことができ、肘関節は回旋角、屈曲角で表すことができる。肩関節及び肘関節のこれら角運動でほとんどの上肢運動を表現することができる。

次に、図２を参照して、リハビリトレーニングシステムにおける処理手順について説明する。
まず全体の処理の流れについて概略説明する。リハビリトレーニングを開始するにあたり、患者の体調を計測してトレーニングを行える状態であるか確認する（Ｓ２０１）。次に患者用解析システム１１は、トレーニング内容、医師からの連絡事項を表示端末４４に表示する（Ｓ２０３）。次に、トレーニングメニュー及び目標動作を表示端末４４に表示し、患者はその表示に従いトレーニングを行う。その際、患者用解析システム１１は、常に体調情報および関節角動作情報と筋肉活動情報からなる運動パラメータを計測し、患者が現在行っている動作と目標動作を併せて表示端末４４に表示する。患者用解析システム１１は、トレーニング中常時患者の体調判断を行っていて、体調情報より患者Ｐ１の体調が悪化したと判断した場合、直ちにトレーニングを中止する（Ｓ２０８〜Ｓ２４2）。体調が正常と判断した場合、患者用解析システム１１は、計測された動作情報と筋肉情報を組み合わせて目標を変えずにトレーニングを継続するか、目標値を変えてトレーニングを継続するか、トレーニング部位を変えてトレーニングを継続するかを判断してＰＨＲに記録して、表示装置４４に指示を出す（Ｓ２０９〜Ｓ２１１）。その際、必要に応じてトレーニングに関係する筋肉に振動などの刺激を与えるためにＦＢ機器４２３にフィードバックを与える（Ｓ２５２，Ｓ２５３）。これを最初に設定したトレーニング内容が終了するまで繰り返す（Ｓ２１４，Ｓ２１５）。トレーニング終了後、患者用解析システム１１は、今回のトレーニング結果と過去の結果を比較しその結果を表示端末４４に表示する（Ｓ２１６）。また最終目標への到達状況および履歴を表示端末４４に表示する（Ｓ２１７）。また医師用解析システム１４へ医師が検索用の、目標に対する反応と結果をまとめた情報を送る。患者用解析システム１１は更に患者が入力端末４３から入力する医師への連絡事項を取得して、ＰＨＲ１３に記録しその後ＤＢ１５に記録して（Ｓ２１９、Ｓ２２０）、一連のトレーニングを終了する。

次に「肩と肘のリハビリトレーニング」を例にして具体的に説明する。このリハビリトレーニングは仰向けに横になった状態で行う。
「肩と肘のリハビリトレーニング」のトレーニングメニューは、「胸の上で手を組んだ状態から天井に向けて腕を伸ばす」というトレーニングパターン1(ＴＰ１)と、「腕を伸ばした状態から肘を曲げて組んだ手を胸の上に持ってくる」というトレーニングパターン２(ＴＰ２)からなり、ＴＰ１とＴＰ２をセットとして２０回繰り返す。それぞれのトレーニングパターンの内容は図９に示す通りである。このトレーニングパターンでは関節角は左右の肩関節屈曲角と、肘関節屈曲角のみを管理する。

患者Ｐ１は、患者宅４内でセンシングウェア４２を装着して表示端末４４に表示されるトレーニングメニューに従ってリハビリトレーニングを開始する（Ｓ２０６）。トレーニングの開始に際して、体調情報を計測してそれが基準値内であるかの体調判断をする（Ｓ２０７，Ｓ２０８）。例えば体温が患者の体温が３６度から３７度の範囲内で最高血圧が120-140mmHgの範囲内、最低血圧が60-90mmHgの範囲内、かつ脈拍が毎分６０-１００回の間であれば体調が正常であると判断する。なおこれらの値は標準的な値であるが、患者の体調情報の正常範囲は、患者ごとに予め設定されてＰＨＲ１３に記録されている。体調が正常で無いと判断した場合、患者用解析システム１１は体調不良と判断してＰＨＲ１３に体調情報を記録し（Ｓ２４１）、トレーニングを中止することを表示端末４４に表示する（Ｓ２４２）。さらに施設用解析システム１２を介してリハビリ施設３の表示端末３２に患者の健康状態が正常でない旨を表示する。上記体調判断の結果、体調が正常であると判断した場合（Ｓ２０８/Ｙｅｓ）、医師Ｐ３が決定したトレーニング内容と連絡事項を表示端末４４に表示し（Ｓ２０９）、トレーニングメニューを開始する。

トレーニングメニューに開始に際して、まず表示端末４４に今回のトレーニングメニューの動作をアニメーションで表示し、その期待される効果を説明する。最初にトレーニングパターンＴＰ１を開始する。患者がトレーニングパターンＴＰ１に応じたトレーニング動作を開始すると、センシングウェア４２に設けた複数のセンサ４２２（４２２１〜４２２４）は、患者の体温情報および関節角動作、筋肉活動情報を計測し、その都度計測データを無線ユニット４２１、４５を介して患者用解析システム１１へ送信する。トレーニング中でも体調情報の計測及び判断が最優先され、それが正常範囲を超えた場合、直ちにトレーニングを中止して、リハビリ施設３の表示端末３２に通知し表示する。
体調判断の結果、体調が正常であると判断した場合（Ｓ２０８/Ｙｅｓ）、患者用解析システム１１はトレーニングメニューのトレーニングパターンに応じた目標のトレーニング動作（目標動作）と実測した患者動作をアニメーションで表示端末４４に表示する（Ｓ２０９）。

トレーニング中の表示端末４４に表示される画面の一例を図３に示す。図示の表示画面例では人を単純化したモデルで表現し、目標とする上肢の動きを点線で表し、実測した上肢の動きを実線で表す。患者は、自分の動作である実線が目標動作である点線に重なるようにリハビリトレーニングを行う。表示画面の下側には計測した体調情報が目盛で表される。

次に実測した患者の上肢の関節角データより関節角判断１を行う（Ｓ２１０）。関節角判断１では、患者の各関節動作から見て現在のトレーニングパターンが適しているか判断する。判断方法は、トレーニングパターン開始時、トレーニングパターン終了時の各関節角データおよび最大所要時間から、線形補完により患者の上肢の関節角データ計測時の各関節角の目標角度を見積もり、各関節角の実測値と比較し判断する。

各関節角の判断は、各関節動作角の目標角度に対する実測値の比と、あらかじめ設定した閾値とを比較することで行われる。目標動作角度に対する実測動作角度の比が閾値より大きい場合、適しているとする。目標動作角度とは、関節角データ計測時の目標角度からトレーニングパターン開始時の目標角度を引いた絶対値、実測動作角度は関節角データ計測時の実測角度からトレーニングパターン開始時の実測角度を引いた絶対値である。例として、図１１にトレーニングパターン１を開始後２秒の関節角の目標角度、実測角度、目標動作角度、実測動作角度、目標動作角度に対する実測動作角度の比、閾値の一例を記す。図１１（ａ）の場合、いずれの動作も閾値以上であるためＹｅｓと判断する。それに対し、図１１（ｂ）の場合は左肘の動き（０．５６）が閾値（０．６５）よりも小さいためＮｏと判断する。Ｙｅｓと判断した場合、計測結果をＰＨＲ１３に記録する（Ｓ２１１）。

患者用解析システム１１は、関節角判断１でＮｏと判断した場合、筋肉活動判断1を行う（Ｓ２５１）。筋肉活動判断1では患者の筋肉活動情報から、筋力が弱くて目標動作ができていないのか、拮抗筋に力が入って目標動作ができていないのかを、トレーニングパターン情報と実測した筋肉活動情報から判断する。トレーニングパターン１の場合、図９より大胸筋と三角筋、上腕三頭筋が活動して、広背筋、上腕筋、上腕二頭筋が活動していないことが期待される。実測した筋肉活動情報から広背筋、上腕筋、上腕二頭筋が活動していない場合、大胸筋と三角筋、上腕三頭筋の力が弱い、すなわちＹｅｓと判断する。広背筋、上腕筋、上腕二頭筋が活発に活動している場合、拮抗筋に力が入って目標動作ができていない、即ちＮｏと判断する。

筋肉活動判断1でＹｅｓと判断した場合、活動信号が弱い筋肉に対し、図６に示す該当するＦＢ機器４２３より患者フィードバックを与える（Ｓ２５２）。フィードバックは振動モータによって患者の該当する体の箇所に振動刺激する。筋肉活動判断１でＮｏと判断した場合、本来活動してはいけないが活動してしまっている（力が入っている）拮抗筋にＦＢ機器４２３よりフィードバックを与える（Ｓ２５３）。フィードバックとして振動刺激を利用する場合は、振動周期を変えるなど、筋力が弱い場合と区別できるようにする。いずれの場合でも、筋肉にフィードバックを与えた後、計測結果をＰＨＲ１３に記録する（Ｓ２１１）。

次に、現在行っているトレーニングパターンが終了したかを判断する（Ｓ２１２）。その結果、トレーニングパターンが未だ残っている場合（すなわちトレーニングパターンデータに記録されている最大所要時間に達していない場合）は、体調情報、関節角動作、筋肉活動を計測し、トレーニングパターンが終了するまで一連の処理動作を繰り返して行う（Ｓ２０７〜Ｓ２１1）。一方、トレーニングパターンが終了したと判断した場合、関節角判断２を行う（Ｓ２１３）。

関節角判断２では、患者の各関節動作から見て現在のトレーニングパターンに変更が必要かを判断する（Ｓ２１３）。トレーニングパターン終了時の各関節角の目標動作角度と実測動作角度を比較して、実測動作角度が目標動作角度に近い場合をＹｅｓとし、大きく離れている場合をＮｏとする。具体的には、関節角判断1と同様に関節動作角の目標角度に対する実測値の比と、あらかじめ設定した閾値とを比較する。関節角判断２がＹｅｓの場合、トレーニングパターン内容の変更は行わずにトレーニングメニューの終了判断へ移る（Ｓ２１４）。一方、関節角判断２がＮｏの場合、筋肉活動判断２を行う（Ｓ２６１）。

筋肉活動判断２では実行したトレーニングパターンに必要な筋肉活動が生じているか判断する（Ｓ２６１）。トレーニングパターンに必要な筋肉活動が実測できる場合をＹｅｓとし、実測できない場合をＮｏとする。筋肉活動判断２の結果Ｙｅｓの場合、トレーニングパターンの数値を達成が容易なように目標関節角を更新する（Ｓ２６２）。

すなわち、各関節動作角の目標角度を
開始時実測角＋（目標動作角−実測動作角）×更新定数
に、トレーニングパターン番号を１−１、１−２のように子番号をつけて更新する。即ち、トレーニングパターンは、図１２（ｂ）（ｃ）に示すように更新される。ただし、
目標動作角＝トレーニングパターン終了時の目標角度−トレーニングパターン開始時の目標角度
実測動作角＝トレーニングパターン終了時の実測角度−トレーニングパターン開始時の実測角度
である。

更新定数は患者の回復状態により医師があらかじめ決定するが、０．１−０．３程度が適している場合が多い。また、ここで目標動作角の見積もりに使用するトレーニングパターンはトレーニング途中に更新した子番号のついたトレーニングパターンではなく、最初に設定されたトレーニングパターンを使用する。

トレーニングパターンが更新された後、現在のトレーニングメニューが終了したか、すなわち、ＴＰ１、ＴＰ２のセットを２０回繰り返したかを判断する（Ｓ２１４）。トレーニングメニューが終了していない場合、次のトレーニングパターンを選択し、トレーニングパターンのループを繰り返す（Ｓ２８１，Ｓ２０６〜Ｓ２１３）。トレーニングメニューが終了した場合、トレーニング内容が終了したか判断する（Ｓ２１５）。トレーニング内容が終了していない場合、次のトレーニングメニューを選択し、トレーニングメニューのループを繰り返す（Ｓ２０４〜Ｓ２１４）。トレーニング内容が終了した場合、患者用解析システム１１は今回のトレーニングの結果を表示端末４４へ送信して表示する。

筋肉活動判断２の結果Ｎｏの場合（Ｓ２６１/Ｎｏ）、実行したトレーニングパターンを行うのに必要な筋肉が活動していないため、現在行っているトレーニングメニューが患者の現在の状態に有効で無いと判断して、現在のトレーニングメニューを中止し、次のトレーニングメニューが有るかを判断して（Ｓ２７１）、有ればそのトレーニングメニューに変更する（Ｓ２７２）。次のトレーニングメニューが無い場合、トレーニング内容が終了したと判断し、今回の結果を表示端末４４に表示する（Ｓ２１６）。

今回のトレーニング結果の表示に関して、患者宅４に対しては、今回のトレーニング結果（トレーニング前とトレーニング後）および、過去の結果との比較結果を表示端末４４に表示することで行い、病院２に対しては、今回のトレーニング結果について、各関節角、関節角速度、筋肉活動情報の時系列変化のデータをまとめて表示端末２３へ送ることで行う。

トレーニング終了後に、患者宅の表示端末４４に表示される画面の一例を図４に示す。画面例によれば、過去の状態と今回のトレーニング結果による状態を関節角の屈曲角といった定量的な値で比較できるので、わずかなトレーニング効果も把握することが容易で、リハビリトレーニングに対するモチベーションを維持できる。医師Ｐ３に対する表示端末２３には各情報を時系列グラフ表示するだけでなく、医師が必要と感じた場合、入力端末２４からの指示により患者の動きをアニメーションで再現した画像を表示する。トレーニング終了後に医師に報告する表示端末２３に表示される画面の一例を図５に示す。この画面表示を通して医師にはトレーニング中の関節角度とそのときの筋肉活動情報の時系列情報などリハビリトレーニングの詳細を報告する。最後に、患者から医師へのメッセージ（連絡事項）を取得して（Ｓ２１８）、それを患者ごとのＰＨＲ１３に記録し（Ｓ２１９）、更にそのＰＨＲをＤＢ１５に記憶して（Ｓ２２０）、一連のリハビリトレーニングを終了する。

歩行は人のＱＯＬ（Quality of Life）を大きく左右する動作であるため、脳血管疾患後の回復期において病院で患者の歩行訓練が行われることが多い。しかし病院でのリハビリは期間が限定されているため、生活期の自宅におけるリハビリで歩行フォーム（歩容）を発病前に近づけたいという要求がある。実施例２は、ある程度歩行が可能な患者の歩容の矯正としての下肢リハビリトレーニングシステムについて述べるものである。

下肢リハビリトレーニングシステムと、実施例1で述べた上肢ハビリトレーニングシステム（図６参照）との違いは、上肢動作計測システムであるセンシングウェアの代わりに、患者は下肢動作計測システム用の装備を下肢に装着してトレーニングを行うことにある。上肢動作計測システムでは肩関節と肘関節の関節角度およびそれを動かす筋肉の活動量でトレーニング状態を判断していたが、下肢動作計測システムでは股関節と膝節の関節角度およびそれを動かす筋肉の活動量によりトレーニング状態を判断する。

図７は下肢動作計測システムの構成例を示す。（ａ）はシステム全体の構成、（ｂ）は関節角計測機器の構成、（ｃ）は靴のインソール型足底圧計測器の構成を示す。
図７（ａ）に示すように、下肢動作計測システムは関節角計測機器７１、足底圧計測機器７２、フィードバック（ＦＢ）機器７３、筋肉活動センサを備えて構成される。なお、筋肉活動センサは皮膚に付けるため図示していない。ＦＢ機器７３は図１に示すＦＢ４２３と同様の構成を有している。

関節角計測機器７１と足底圧計測機器７２と筋肉活動センサで計測されたデータは、実施例１と同様に、センシングウェア４２の無線ユニット４２１を介して無線ユニット４５へ送信され、患者用解析システム１１に送られる。患者用解析システム１１でデータ処理が行われた結果、無線ユニット４５及び無線ユニット４２１を介してＦＢ機器７３に指示信号が送られる。

図７（ｂ）に示すように、関節角計測機器７１は、２本のステイ７１４、ステイ７１５、１軸角度計測センサ７１６、慣性移動センサユニット７１７、ステイ７１４を上腿に固定するためのベルト７１８、ステイ７１５を下腿に固定するためのベルト７１９、および1軸スライダ７１３を備えて構成される。ステイ７１４とステイ７１５は端部がジョイントされたリンク構造であり、ジョイント部分に1軸角度計測センサ７１６が、ステイ７１４に慣性移動センサユニット７１７が取り付けられている。図示していないが、1軸角度計測センサ７１６、慣性移動センサユニット７１７は無線ユニット４２１に接続されている。1軸角度計測センサ７１６で膝関節の角度を計測し、慣性移動センサユニット７１７で股関節の角度を計測する。1軸角度計測センサ７１６としてポテンショメータ、ロータリーエンコーダなどを用いる。また、ステイ７１４は上腿にベルト７１８で完全に固定されるが、ステイ７１５は下腿の長軸方向には動くことができるように1軸スライダ７１３を介してベルト７１９で下腿に固定される。これは、膝関節角が理想的な1軸回転ジョイントでなく、曲げる角度によって中心軸が移動する特徴があるため、中心軸が移動してもステイ７１５が下腿の長軸方向に動くことで角度計測ができる構造とするためである（図８参照）。

図７（ｃ）に示すように、足底圧計測機器７２は、靴のインソール７２１に複数の感圧センサ７２２を固定した構造である。感圧センサ７２２の位置と数は必要に応じて変えることが可能である。図７（ｃ）のように、体重移動および左右のバランスが計測できるため最低５つの感圧センサ７２２を設けるのが望ましい。足底圧計測機器７２で計測したデータはリアルタイムのトレーニング目標値の再設定やフィードバックには使用しないが、トレーニング後に歩行時の重心移動などを医師が解析する上で重要な情報となる。

ＦＢ機器７３は上腿固定用ベルト７１８と下腿固定用ベルト７１９で大腿部と脹脛に固定される。股関節の屈曲角を大きくした方が良い場合は大腿部のＦＢ機器７３により、また膝関節の屈曲角を大きくした方が良い場合は脹脛のＦＢ機器７３により人体に刺激を与えることができる。ＦＢ機器７３は実施例１の上肢動作計測システムと同様に、触覚で人体に刺激を与えるハプティクス技術を用いた振動モータのようなフィードバックデバイスを用いる。
筋肉活動センサは例えば、腸腰筋、大殿筋、ハムストリング、大腿四頭筋が計測できる位置に絆創膏で固定される。

１：データセンタ １１：患者用解析システム １２：施設用解析システム
１３：ＰＨＲ(Personal Health Record) １４：医師用解析システム １５：ＤＢ
２：病院 ２２：検索端末 ２３：表示端末 ２４：入力端末
３：デイケアセンタリハビリ施設 ３２：表示端末
４：患者宅 ４２：センシングウェア ４２１：無線ユニット ４２２：センサ ４２３：ＦＢ機器 ４３：入力端末 ４４：表示端末 ４５：無線ユニット

Claims (12)

1. リハビリトレーニングを行う対象者が操作することができる入力端末と、
   該対象者のためにリハビリトレーニングに関する情報を表示する表示端末と、
   該対象者の体に装着される、該体の関節又は筋肉の動きを検知するセンサと、
   該対象者の体の部位に刺激を与えるフィードバック機器と、
   該対象者ごとにトレーニングの内容を定めたトレーニングパターンを含むトレーニングメニューを記憶する記憶部と、
   該記憶部から、該対象者ごとの該トレーニングパターンを出力して、該対象者が用いる該表示端末に表示し、かつ該センサによって計測されたデータが、該トレーニングパターンで予め定めた値に対して十分か否かを判断し、該センサによって計測されたデータが、該トレーニングパターンで予め定めた値に対して不十分と判断した場合、該フィードバック機器を起動する対象者用解析システム部と、を有し、
   前記対象者用解析システム部は、
   該トレーニングパターンに従ってトレーニングしている該対象者に対して、該フィードバック機器を起動して該対象者の体の部位に刺激を与え、
   該刺激を与えた後に、前記センサが検知した該対象者の関節又は筋肉の動きを基に必要な筋肉活動があるかを判断し、
   該判断の結果、必要な筋肉活動があると判断した場合には該トレーニングパターンを変更し、
   変更した該トレーニングパターンを含む前記トレーニングメニューを該記憶部に記憶する、
   ことを特徴とするリハビリシステム。
2. 前記対象者用解析システム部は、
   前記判断の結果、必要な筋肉活動をしていないと判断した場合には、実施中の該トレーニングパターンを含む前記トレーニングメニューを中止して、次のトレーニングメニューがあれば、該次のトレーニングメニューに変更する、
   請求項１記載のリハビリシステム。
3. 前記対象者用解析システム部は、
   該刺激を与えた後に、前記センサが検知した該対象者の関節又は筋肉の動きを基に必要な筋肉活動があるかの判断において、
   前記センサが検知した関節角の実測動作角度と目標動作角度を比較して、該実測動作角度が該目標動作角度に近いと判断した場合、前記トレーニングパターンを変更せず、
   該実測動作角度が該目標動作角度から大きく離れていると判断した場合、前記センサが検知した筋肉の動きを基に、必要な筋肉活動が生じているかを判断する、
   請求項１又は２に記載のリハビリシステム。
4. 前記対象者用解析システム部は、
   前記センサによって計測されたデータが、該トレーニングパターンで予め定めた値に対して十分か否かの判断において、
   該対象者の筋肉活動が十分と判断した場合、活動信号が弱い筋肉に対して前記フィードバック機器により刺激を与え、
   該対象者の筋肉活動が不十分と判断した場合、本来活動してはいけないが活動してしまっている拮抗筋に対して前記フィードバック機器により刺激を与え、
   その後、前記センサによって計測されたデータを前記記憶部に記憶する、
   請求項１乃至３のいずれかの項記載のリハビリシステム。
5. 前記対象者用解析システム部は、対象者ごとの前記トレーニングメニューと、前記入力端末から該対象者によって入力された情報を記録する、該対象者ごとのレコードを作成し、前記記憶部は、該対象者ごとの該レコードを記憶する、
   請求項１乃至３のいずれかの項記載のリハビリシステム。
6. 同じ該対象者ごとに、第１のトレーニングメニュー及び第２のトレーニングメニューを含む複数のトレーニングメニューを用意しておき、
   前記対象者用解析システム部は、該第１のトレーニングメニューに基づくトレーニングを行った結果、該センサによって計測されたデータが、該第１のトレーニングメニューで予め定めた値に対して不十分と判断した場合、第２のトレーニングメニューを前記表示端末に表示して、該第２のトレーニングメニューに基づいてトレーニングを行わせる
   請求項１乃至４のいずれかの項記載のリハビリシステム。
7. 前記トレーニングメニューを構成するトレーニング動作の基本単位として複数の前記トレーニングパターンが規定され、
   該トレーニングパターンは、該トレーニングパターンによるトレーニングにかける最大所要時間、トレーニングパターン開始時の関節角、トレーニングパターン終了時の関節角、右及び左を表すデータを含んで構成される、
   請求項１乃至５のいずれかの項記載のリハビリシステム。
8. 前記センサとして、対象者の体の関節角及び筋肉の可動状況を検知する複数センサと、
   前記フィードバック機器と、
   該センサで検知された信号を送信し、かつ前記対象者用解析システム部から送信される信号を前記フィードバック機器に伝える無線ユニットとを、該対象者が装着する装着具に配置した、
   請求項１乃至６のいずれかの項記載のリハビリシステム。
9. 前記リハビリシステムは下肢リハビリトレーニングシステムであり、
   前記センサとして関節角計測機器と、足底圧計測機器と、筋肉活動センサと、
   前記フィードバック機器を、該対象者が装着する装着具に配置した、
   請求項１乃至７のいずれかの項記載のリハビリシステム。
10. 表示端末が、対象者のためにリハビリトレーニングに関する情報を表示し、
    該対象者の体に装着されるセンサが、該体の関節又は筋肉の動きを検知し、
    記憶部が、該対象者ごとにトレーニングの内容を定めたトレーニングパターンを含むトレーニングメニューを記憶し、
    サーバが、該記憶部から、該対象者ごとの該トレーニングパターンを出力して、該対象者が用いる該表示端末に表示し、かつ該センサによって計測されたデータが、該トレーニングパターンで予め定めた値に対して十分か否かを判断し、
    該センサによって計測されたデータが、該トレーニングパターンで予め定めた値に対して不十分と判断した場合、前記サーバが、該トレーニングパターンに従ってトレーニングしている該対象者の体の部位に刺激を与えるための信号を、フィードバック機器へ送信し、
    該サーバが、該フィードバック機器に該刺激を与えるための信号を送信した後に、該センサが検知した該対象者の関節又は筋肉の動きを基に必要な筋肉活動があるかを判断し、
    該判断の結果、必要な筋肉活動があると判断した場合には該トレーニングパターンを変更し、
    該記憶部が、変更した該トレーニングパターンを含む前記トレーニングメニューを記憶する、
    ことを特徴とするリハビリ制御方法。
11. 前記サーバが、前記判断の結果、必要な筋肉活動をしていないと判断した場合には、実施中の該トレーニングパターンを含む前記トレーニングメニューを中止して、次のトレーニングメニューがあれば、該次のトレーニングメニューに変更する、
    請求項１０記載のリハビリ制御方法。
12. 前記サーバが、
    該フィードバック機器に該刺激を与えるための信号を送信した後に、前記センサが検知した該対象者の関節又は筋肉の動きを基に必要な筋肉活動があるかの判断において、
    前記センサが検知した関節角の実測動作角度と目標動作角度を比較して、該実測動作角度が該目標動作角度に近いと判断した場合、前記トレーニングパターンを変更せず、
    該実測動作角度が該目標動作角度から大きく離れていると判断した場合、前記センサが検知した筋肉の動きを基に、必要な筋肉活動が生じているかを判断する、
    請求項１０記載のリハビリ制御方法。

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