JP6661123B2 - 姿勢伝達制御装置、姿勢伝達装置、姿勢伝達方法およびプログラム - Google Patents
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Description
本発明の目的は、上述した課題を解決する姿勢伝達制御装置、姿勢伝達装置、姿勢伝達方法およびプログラムを提供することにある。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
図1は、第1の実施形態に係る姿勢伝達装置の構成を示す概略図である。
第1の実施形態に係る姿勢伝達装置1は、理学療法士等の医療従事者の姿勢を、麻痺(痙性麻痺または弛緩性麻痺)を伴う患者に伝達させる装置である。なお、本明細書において姿勢とは、筋の収縮によって表れる生体の形状をいい、姿勢パターン、関節の角度および筋の収縮状態を含む。姿勢伝達装置1は、複数の入力導子11と、姿勢伝達制御装置12と、信号発生装置13と、複数の出力導子14と、入力装置15と、提示装置16とを備える。
入力導子11は、医療従事者のうち、伝達すべき姿勢をとる際に動作する主動作筋の表皮に取り付けられる電極である。医療従事者は第1生体の一例である。入力導子11は、第1電極の一例である。
姿勢伝達制御装置12は、入力導子11から検出される電気信号に基づいて、信号発生装置13を制御する。
信号発生装置13は、姿勢伝達制御装置12の制御に従って、出力導子14に電気信号を出力する。
出力導子14は、患者のうち、伝達されるべき姿勢をとる際に動作する主動作筋の表皮に取り付けられる電極である。患者は第2生体の一例である。出力導子14は、第2電極の一例である。
入力装置15は、理学療法士による操作を受け付ける。入力装置15の例としては、キーボードやポインティングデバイスが挙げられる。
提示装置16は、理学療法士に情報を提示する。提示装置16の例としては、ディスプレイやスピーカが挙げられる。
なお、図1に示す例では、入力導子11および出力導子14の数が何れも6つであるが、入力導子11および出力導子14の数はこれに限られない。例えば、入力導子11および出力導子14の数は、5つ以下であっても良いし、7つ以上であっても良い。また、入力導子11および出力導子14の数は異なっていても良い。
姿勢伝達制御装置12は、操作入力部101、提示部102、信号入力部103、信号処理部104、推定モデル生成部105、推定モデル記憶部106、推定部107、出力モデル生成部108、出力モデル記憶部109、決定部110、信号出力部111を備える。
操作入力部101は、入力装置15を介して理学療法士および患者による操作の入力を受け付ける。
提示部102は、提示装置16に情報を提示させる。
信号入力部103は、入力導子11から検出される電気信号の入力を受け付け、電気信号をデジタル信号に変換する。
信号処理部104は、信号入力部103に入力された電気信号に基づいて、筋収縮の状態の評価に用いる筋収縮データを生成する。具体的には、信号処理部104は、信号入力部103に入力された電気信号の整流、平滑化および正規化を行うことで、筋収縮データを生成する。また信号処理部104は、信号入力部103に入力された電気信号の電流量を測定する。
推定モデル記憶部106は、推定モデル生成部105が生成した姿勢推定モデルおよび角度推定モデルを記憶する。
推定部107は、筋収縮データと推定モデル記憶部106が記憶する姿勢推定モデルとに基づいて、医療従事者の姿勢パターンを推定する。また推定部107は、電気信号の電流量と推定モデル記憶部106が記憶する角度推定モデルとに基づいて、医療従事者の関節の屈曲角度を推定する。
出力モデル記憶部109は、出力モデル生成部108が生成した出力モデルを記憶する。
決定部110は、推定部107が推定した姿勢パターンと出力モデル記憶部109が記憶する出力モデルとに基づいて、出力導子14に出力すべき電気信号のパラメータを決定する。
信号出力部111は、決定部110が決定したパラメータを有する電気信号を出力導子14から出力させるように、信号発生装置13を制御する。
図3は、入力導子および出力導子の取り付け位置の例を示す図である。
まず、医療従事者は、入力導子11を自身の所定の部位に取り付ける。また医療従事者は、出力導子14を患者の所定の部位に取り付ける。このとき、入力導子11および出力導子14は、伝達すべき姿勢をとる際に動作する主動作筋の表皮に取り付けられる。伝達すべき姿勢が手根の掌屈、背屈および尺屈である場合、入力導子11および出力導子14は、例えば図3に示されるように、短橈側手根伸筋、尺側手根屈筋および尺側手根伸筋の手首側の部分および肘側の部分を覆う表皮に取り付けられる。なお、短橈側手根伸筋は、手根の背屈姿勢の主動作筋の一つである。また、尺側手根屈筋は、手根の掌屈姿勢および尺屈姿勢の主動作筋の一つである。また、尺側手根伸筋は、手根の背屈姿勢および尺屈姿勢の主動作筋の一つである。手根の背屈姿勢の主動作筋としては、他に長橈側手根伸筋が挙げられる。また手根の掌屈姿勢の主動作筋としては、他に橈側手根屈筋および長掌筋が挙げられる。また、入力導子11および出力導子14の取り付け位置は、主動作筋を覆う表皮に限られない。
次に、姿勢伝達制御装置12は、推定モデルおよび出力モデルの生成を行う。推定モデルおよび出力モデルの生成の順序は問わない。
医療従事者は、入力導子11を自身に取り付けると、入力装置15を介して姿勢伝達制御装置12に推定モデルの生成開始指示を入力する。
姿勢伝達制御装置12の操作入力部101が推定モデルの生成開始指示を受け付けると、提示部102は、伝達すべき姿勢パターンの1つを提示する(ステップS11)。提示される姿勢パターンは、複数の姿勢パターンの中から無作為に抽出されたものでも良いし、所定の順序に基づいて選択されたものでも良い。
次に、姿勢伝達装置1の信号入力部103は、入力導子11から電気信号の入力を受け付ける(ステップS12)。また信号処理部104は、入力された電気信号に基づいて筋収縮データを生成し、電気信号の電流量を計測する(ステップS13)。例えば信号処理部104は、以下の手順で筋収縮データを生成する。まず信号処理部104は、入力導子11それぞれから得られる電気信号を全波整流する。次に信号処理部104は、全波整流後の各電気信号を二次のローパスフィルタにより平滑化する。次に信号処理部104は、各電気信号を当該電気信号の最大値により正規化する。次に信号処理部104は、正規化された各値を要素とする特徴ベクトルを、筋収縮データとして生成する。
次に、操作入力部101は、医療従事者から当該姿勢パターンに係る姿勢をとった旨の入力を受け付ける(ステップS14)。
上述した処理により、姿勢伝達装置1は、推定モデルを生成することができる。
医療従事者は、入力導子11を患者に取り付けると、入力装置15を介して姿勢伝達制御装置12に出力モデルの生成開始指示を入力する。
姿勢伝達制御装置12の操作入力部101が出力モデルの生成開始指示を受け付けると、姿勢伝達制御装置12は、出力モデル記憶部109が記憶する姿勢パターンを1つずつ選択し、以下に示すステップS22からステップS28の処理を実行する(ステップS21)。
上記処理を全ての動作パターンについて実行することで、姿勢伝達制御装置12は、出力モデルを生成する。
姿勢伝達制御装置12が推定モデルおよび出力モデルを生成すると、医療従事者は、入力装置15を介して姿勢伝達制御装置12に伝達開始指示を入力する。
姿勢伝達制御装置12の操作入力部101が伝達開始指示を受け付けると、信号入力部103は、入力導子11から電気信号の入力を受け付ける(ステップS31)。次に、信号処理部104は、入力された電気信号の整流、平滑化および正規化を行うことで、筋収縮データを生成する(ステップS32)。このとき、医療従事者は、任意の姿勢パターンに係る姿勢をとる。
信号出力部111は、決定部が決定したパラメータを有する電気信号を出力導子14から出力させる出力指示を、信号発生装置13に出力する(ステップS38)。これにより、出力導子14から医療従事者がとった姿勢パターンの姿勢をとらせる電気信号が出力される。そのため、姿勢伝達装置1は、患者に医療従事者がとった姿勢と同じ姿勢をとらせることができる。
第2の実施形態に係る姿勢伝達装置1は、麻痺を伴う患者の麻痺を伴わない部位(例えば、右腕)の姿勢を、麻痺を伴う部位(例えば、左腕)に伝達させる装置である。患者は、第1生体および第2生体の一例である。第2の実施形態に係る姿勢伝達装置1の装置構成および姿勢伝達制御装置12のソフトウェア構成は、第1の実施形態と同じである。
第3の実施形態に係る姿勢伝達装置1は、不全麻痺を伴う患者の微弱な動きを増幅させる装置である。患者は、第1生体および第2生体の一例である。第3の実施形態に係る姿勢伝達装置1の装置構成および姿勢伝達制御装置12のソフトウェア構成は、第1の実施形態と同じである。
図7は、第3の実施形態に係る推定モデルの生成方法を示すフローチャートである。
医療従事者は、入力導子11を患者に取り付けると、入力装置15を介して姿勢伝達制御装置12に推定モデルの生成開始指示を入力する。
姿勢伝達制御装置12の操作入力部101が推定モデルの生成開始指示を受け付けると、提示部102は、伝達すべき姿勢パターンの1つを提示する(ステップS111)。次に、信号入力部103は、入力導子11から電気信号の入力を受け付ける(ステップS112)。また信号処理部104は、入力された電気信号を整流、平滑化および正規化を行うことで、筋収縮データを生成する(ステップS113)。次に、操作入力部101は、医療従事者から患者が当該姿勢パターンに係る姿勢をとった旨の入力を受け付ける(ステップS114)。
次に、推定モデル生成部105は、教師データの蓄積数が所定数(例えば、100)に達したか否かを判定する(ステップS116)。教師データの蓄積数が所定数に達していない場合(ステップS116:NO)、推定モデル生成部105は、ステップS111に処理を戻し、教師データの蓄積を継続する。他方、教師データの蓄積数が所定数に達した場合(ステップS116:YES)、推定モデル生成部105は、蓄積した教師データに基づいて姿勢推定モデルを生成し、推定モデル記憶部106に記録する(ステップS118)。上述した処理により、姿勢伝達装置1は、姿勢推定モデルを生成することができる。
医療従事者は、入力導子11を患者に取り付けると、入力装置15を介して姿勢伝達制御装置12に出力モデルの生成開始指示を入力する。
姿勢伝達制御装置12の操作入力部101が出力モデルの生成開始指示を受け付けると、姿勢伝達制御装置12は、出力モデル記憶部109が記憶する姿勢パターンを1つずつ選択し、以下に示すステップS122からステップS126の処理を実行する(ステップS121)。
上記処理を全ての動作パターンについて実行することで、姿勢伝達制御装置12は、出力モデルを生成する。
姿勢伝達制御装置12が推定モデルおよび出力モデルを生成すると、医療従事者は、入力装置15を介して姿勢伝達制御装置12に伝達開始指示を入力する。
姿勢伝達制御装置12の操作入力部101が伝達開始指示を受け付けると、信号入力部103は、入力導子11から電気信号の入力を受け付ける(ステップS131)。次に、信号処理部104は、入力された電気信号の整流、平滑化および正規化を行うことで、筋収縮データを生成する(ステップS132)。このとき、患者は、任意の姿勢パターンに係る姿勢をとることを試みる。
信号出力部111は、決定部110が決定したパラメータを有する電気信号を出力導子14から出力させる出力指示を、信号発生装置13に出力する(ステップS135)。これにより、出力導子14から患者が試みた姿勢パターンの姿勢を、適切な関節の屈曲角度によりとらせる電気信号が出力される。そのため、姿勢伝達装置1は、患者に想定した姿勢をとらせることができる。
第4の実施形態に係る姿勢伝達装置1は、脳波に基づいて、患者が試みている姿勢を当該患者の麻痺を伴う部位に伝達させる装置である。第4の実施形態に係る姿勢伝達装置1は、出力導子14の構成が第3の実施形態と異なる。第3の実施形態に係る出力導子14は、患者の頭皮に取り付けられる電極である。患者は第1生体および第2生体の一例である。出力導子14は、第2電極の一例である。
また第4の実施形態に係る姿勢伝達制御装置12は、筋収縮データに代えて脳波データを生成し、脳波データに基づいて姿勢推定モデルを生成する。
第1から第4の実施形態に係る姿勢伝達装置1は、麻痺を伴う患者のリハビリテーションに用いられるが、これに限られない。第5の実施形態に係る姿勢伝達装置1は、育成者が有する技能を被育成者へ伝承するために用いられる。育成者および被育成者の例としては、エンジニア、職人、医師、手品師などが挙げられる。つまり、第5の実施形態に係る姿勢伝達方法は、医療行為を目的とするものではない。
上述した実施形態に係る姿勢伝達制御装置12は、電気信号を筋収縮データまたは脳波データに変換し、当該変換されたデータに基づいて姿勢推定モデルを生成するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る姿勢伝達制御装置12は、入力した電気信号そのものに基づいて姿勢推定モデルを生成しても良い。
コンピュータ900は、CPU901、主記憶装置902、補助記憶装置903、インタフェース904を備える。
上述の姿勢伝達制御装置12は、コンピュータ900に実装される。そして、上述した各処理部の姿勢は、プログラムの形式で補助記憶装置903に記憶されている。CPU901は、プログラムを補助記憶装置903から読み出して主記憶装置902に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、CPU901は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域を主記憶装置902または補助記憶装置903に確保する。
11 入力導子
12 姿勢伝達制御装置
13 信号発生装置
14 出力導子
15 入力装置
16 提示装置
101 操作入力部
102 提示部
103 信号入力部
104 信号処理部
105 推定モデル生成部
106 推定モデル記憶部
107 推定部
108 出力モデル生成部
109 出力モデル記憶部
110 決定部
111 信号出力部
Claims (7)
- 第1生体に取り付けられた第1電極から検出される電気信号の入力を受け付ける信号入力部と、
入力された前記電気信号に基づいて前記第1生体の姿勢パターンを推定する推定部と、 前記推定部が推定した前記姿勢パターンに基づいて、第2生体に取り付けられた第2電極に出力すべき電気信号のパラメータを決定する決定部と、
前記決定部が決定した前記パラメータを有する電気信号を前記第2電極に出力させる信号出力部と
を備える姿勢伝達制御装置。 - 前記推定部が、前記姿勢パターンと、前記第1電極が取り付けられた生体が当該姿勢パターンの姿勢をとったときに前記第1電極から検出される電気信号とに基づく機械学習によって得られた推定モデルを用いて、前記第1生体の姿勢パターンを推定する
請求項1に記載の姿勢伝達制御装置。 - 前記決定部が、前記姿勢パターンと、前記第2電極に流すことで前記第2生体を当該姿勢パターンの姿勢をとらせる電気信号のパラメータとを関連付けた出力モデルを用いて、前記パラメータを決定する
請求項1または請求項2に記載の姿勢伝達制御装置。 - 前記推定部が、前記第1生体の姿勢パターンに加え、前記第1生体の関節の屈曲角度または前記第1生体の筋の収縮の強さのうち少なくとも1つを推定し、
前記決定部が、前記推定部が推定した前記屈曲角度または前記収縮の強さのうち少なくとも1つ、および前記姿勢パターンに基づいて、前記パラメータを決定する
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の姿勢伝達制御装置。 - 第1生体に取り付けられる第1電極と、
第2生体に取り付けられ、前記第1電極から検出される電気信号が表す姿勢パターンに応じた電気信号を出力する第2電極と
請求項1から請求項4の何れか1項に記載の姿勢伝達制御装置と
を備える姿勢伝達装置。 - 育成者に取り付けられた第1電極から検出される電気信号の入力を受け付けるステップと、
入力された前記電気信号に基づいて前記育成者の姿勢パターンを推定するステップと、 前記姿勢パターンに基づいて、被育成者に取り付けられた第2電極に出力すべき電気信号のパラメータを決定するステップと、
前記パラメータを有する電気信号を前記第2電極から出力するステップと
を備える姿勢伝達方法。 - コンピュータを、
第1生体に取り付けられた第1電極から検出される電気信号の入力を受け付ける信号入力部、
入力された前記電気信号に基づいて前記第1生体の姿勢パターンを推定する推定部、 前記推定部が推定した前記姿勢パターンに基づいて、第2生体に取り付けられた第2電極に出力すべき電気信号のパラメータを決定する決定部、
前記決定部が決定した前記パラメータを有する電気信号を前記第2電極に出力させる信号出力部
として機能させるためのプログラム。
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