JP7072853B2 - Exercise training systems, control methods, and programs - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 平成30年1月17日~19日に「第2回ロボデックス ロボット開発・活用展」における「産学連携 ロボットフォーラム」での展示にて公開 平成30年1月17日に「第2回ロボデックス ロボット開発・活用展」における「産学連携 ロボットフォーラム」での資料を用いた口頭発表にて公開 平成30年6月13日~15日に「ロボット産業マッチングフェア北九州2018」での展示にて公開Application of
本開示は、訓練者に対して運動の支援及び分析を行う運動訓練システム、制御方法、及びプログラムに関する。 The present disclosure relates to exercise training systems, control methods, and programs that support and analyze exercise for trainers.
従来、訓練者のリハビリテーションを行うリハビリテーションシステムが知られている(特許文献1参照)。このリハビリテーションシステムは、上肢を動かすための手足マニピュレータを含むアクチュエータ装置を備える。手足マニピュレータは、手足の運動を測定し、訓練者への運動感覚のフィードバックを提供する。また、このリハビリテーションシステムは、脳機能の様々な測定値、例えばSCP(緩徐皮質電位)、MAC(随意運動に伴う運動関連脳電位)、ミューリズム、生理学的測定値、を測定し、コントローラやソフトウェアモジュールが、測定値を入力して、中枢(脳)活動に関する処理や監視を行う。 Conventionally, a rehabilitation system for rehabilitating a trainee is known (see Patent Document 1). This rehabilitation system is equipped with an actuator device including a limb manipulator for moving the upper limbs. The limb manipulator measures limb movement and provides kinesthetic feedback to the trainee. The rehabilitation system also measures various measurements of brain function, such as SCP (slow cortical potential), MAC (exercise-related brain potential associated with voluntary movements), murhythms, and physiological measurements, and controllers and software. The module inputs measurements to process and monitor central (brain) activity.
特許文献1のリハビリテーションシステムは、単一の運動の制御や測定を複数回繰り返したり、より複雑な運動の制御や測定を複数回繰り返したりする。しかし、同じ運動を反復することで、脳に対して同じ刺激が与えられることで、同じ運動に対して慣れが生じる。この場合、脳への刺激が定常的となり、運動能力を向上することが困難になり得る。
The rehabilitation system of
本開示は、上述した従来の状況に鑑みてなされたものであり、訓練者の体のいずれかの部位を様々に動かすことで脳に対して異なる刺激を与え、運動能力の向上を期待できる運動訓練システム、制御方法、及びプログラムを提供する。 This disclosure is made in view of the above-mentioned conventional situation, and exercises that can be expected to improve athletic ability by giving different stimuli to the brain by variously moving any part of the trainer's body. Provides training systems, control methods, and programs.
本開示の一態様は、訓練者に対して運動の支援及び分析を行う運動訓練システムであって、前記訓練者の人体の一部が載置されるスライダの移動を制御する制御装置と、前記スライダを用いた前記訓練者の訓練期間における前記訓練者の脳機能に関する脳機能情報を取得し、前記脳機能情報を分析する分析装置と、を備え、前記制御装置は、前記スライダに対して、前記訓練期間における第1の期間に、周期的な移動を行うよう指示し、前記訓練期間における第2の期間に、前記周期的な移動とは異なり、前記スライダの時間位置、移動振幅、移動周期のうち少なくとも一つがランダムである非周期的な移動を行うよう指示し、前記分析装置は、前記脳機能情報における複数の特徴量を抽出し、前記複数の特徴量に基づいて、前記脳機能情報のスコアを算出し、前記スコアに基づいて、前記脳機能情報を、前記第1の期間における前記訓練者の脳機能に関する第1の脳機能情報、又は、前記第2の期間における前記訓練者の脳機能に関する第2の脳機能情報、に分類する、運動訓練システムである。 One aspect of the present disclosure is an exercise training system that supports and analyzes exercises for a trainer, the control device that controls the movement of a slider on which a part of the trainer's human body is placed, and the above-mentioned. The control device comprises an analyzer that acquires brain function information regarding the brain function of the trainer during the training period of the trainer using the slider and analyzes the brain function information, and the control device relates to the slider. In the first period of the training period, the periodic movement is instructed, and in the second period of the training period, unlike the periodic movement, the time position, the movement amplitude, and the movement of the slider are different. Instructed to perform aperiodic movement in which at least one of the cycles is random, the analyzer extracts a plurality of feature quantities in the brain function information, and the brain function is based on the plurality of feature quantities. The score of the information is calculated, and based on the score, the brain function information is used as the first brain function information regarding the brain function of the trainer in the first period, or the trainer in the second period. It is an exercise training system that is classified into the second brain function information regarding the brain function of the brain.
本開示の一態様は、訓練者に対して運動の支援及び分析を行う運動訓練システムの制御方法であって、前記運動訓練システムの制御装置が、前記訓練者の人体の一部が載置されるスライダの移動を制御するステップと、前記運動訓練システムの分析装置が、前記スライダを用いた前記訓練者の訓練期間における前記訓練者の脳機能に関する脳機能情報を取得し、前記脳機能情報を分析するステップと、を有し、前記制御装置が前記スライダの移動を制御するステップは、前記スライダに対して、前記訓練期間における第1の期間に、周期的な移動を行うよう指示し、前記訓練期間における第2の期間に、前記周期的な移動とは異なり、前記スライダの時間位置、移動振幅、移動周期のうち少なくとも一つがランダムである非周期的な移動を行うよう指示するステップを含み、前記分析装置が前記脳機能情報を分析するステップは、前記脳機能情報における複数の特徴量を抽出するステップと、前記複数の特徴量に基づいて、前記脳機能情報のスコアを算出するステップと、前記スコアに基づいて、前記脳機能情報を、前記第1の期間における前記訓練者の脳機能に関する第1の脳機能情報、又は、前記第2の期間における前記訓練者の脳機能に関する第2の脳機能情報、に分類するステップを含む、制御方法である。 One aspect of the present disclosure is a control method of an exercise training system that supports and analyzes exercise for a trainer, wherein a part of the trainer's human body is mounted on the control device of the exercise training system. The step of controlling the movement of the slider and the analyzer of the exercise training system acquire the brain function information regarding the brain function of the trainer during the training period of the trainer using the slider, and obtain the brain function information. The step of having the analysis and the step of controlling the movement of the slider by the control device instructs the slider to perform periodic movement during the first period of the training period. In the second period of the training period, unlike the periodic movement, a step of instructing the slider to perform an aperiodic movement in which at least one of the time position, the movement amplitude, and the movement cycle is random is performed. The step of analyzing the brain function information by the analyzer includes a step of extracting a plurality of feature quantities in the brain function information and a step of calculating a score of the brain function information based on the plurality of feature quantities. And, based on the score, the brain function information is used as the first brain function information regarding the trainer's brain function in the first period, or the brain function of the trainer in the second period. It is a control method including a step of classifying into 2 brain function information.
本開示の一態様は、訓練者に対して運動の支援及び分析を行う運動訓練システムの制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記制御方法は、前記訓練者の人体の一部が載置されるスライダの移動を制御するステップと、前記スライダを用いた前記訓練者の訓練期間における前記訓練者の脳機能に関する脳機能情報を取得し、前記脳機能情報を分析するステップと、を有し、前記スライダの移動を制御するステップは、前記スライダに対して、前記訓練期間における第1の期間に、周期的な移動を行うよう指示し、前記訓練期間における第2の期間に、前記周期的な移動とは異なり、前記スライダの時間位置、移動振幅、移動周期のうち少なくとも一つがランダムである非周期的な移動を行うよう指示するステップを含み、前記脳機能情報を分析するステップは、前記脳機能情報における複数の特徴量を抽出するステップと、前記複数の特徴量に基づいて、前記脳機能情報のスコアを算出するステップと、前記スコアに基づいて、前記脳機能情報を、前記第1の期間における前記訓練者の脳機能に関する第1の脳機能情報、又は、前記第2の期間における前記訓練者の脳機能に関する第2の脳機能情報、に分類するステップを含む、プログラムである。 One aspect of the present disclosure is a program for causing a computer to execute a control method of an exercise training system that supports and analyzes exercise for a trainee, and the control method is a part of the human body of the trainee. A step of controlling the movement of the slider on which the slider is placed, a step of acquiring brain function information regarding the brain function of the trainer during the training period of the trainer using the slider, and a step of analyzing the brain function information. The step of controlling the movement of the slider is to instruct the slider to perform periodic movement during the first period of the training period and during the second period of the training period. Unlike the periodic movement, the brain function information is analyzed, including a step instructing the slider to perform an aperiodic movement in which at least one of the time position, the movement amplitude, and the movement cycle is random . The steps include a step of extracting a plurality of feature amounts in the brain function information, a step of calculating a score of the brain function information based on the plurality of feature amounts, and a step of calculating the brain function information based on the score. Includes a step of classifying into a first brain function information relating to the trainer's brain function in the first period or a second brain function information relating to the trainer's brain function in the second period. It is a program.
本開示によれば、訓練者の体のいずれかの部位を様々に動かすことで脳に異なる刺激を与え、運動能力の向上を期待できる。 According to the present disclosure, various movements of any part of the trainer's body can be expected to give different stimuli to the brain and improve athletic ability.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、運動訓練システム100の構成例を示すブロック図である。運動訓練システム100は、動作制御装置10、サーボアンプ15(15a~15d)、スライダ20(20a~20d)、モータ22(モータ22a~22d)、動作制御生成装置25、表示装置30、脳分析装置40、脳計測装置45、加速度センサ50(50a,50b)を備える。運動訓練システム100は、訓練者trの運動訓練に使用され、例えば、健常高齢者の運動訓練、トレーニングジム等での健常者の運動訓練、患者のリハビリテーション、等で使用されることが想定される。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the
運動訓練システム100が備える各装置(例えば、動作制御装置10、動作制御生成装置25、表示装置30、脳分析装置40、脳計測装置45、加速度センサ50)は、情報処理装置が備えるような構成部を備えてよい。
Each device (for example,
例えば、各装置は、プロセッサ、メモリ、通信デバイス、入力デバイス、表示デバイス、を備えてよい。プロセッサは、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、MPU(Micro Processing Unit))、等を含んでよい。メモリは、例えば、1次記憶装置を含み、2次記憶装置や3次記憶装置を含んでよい。1次記憶装置は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、等を含んでよい。2次記憶装置は、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、等を含んでよい。3次記憶装置は、光ディスク、フラッシュメモリ、SDカード等を含んでよい。通信デバイスは、無線又は有線を介して通信してよい。入力デバイスは、例えば、各種ボタン、キー、キーボード、タッチパネル、マイクロホン、等を含んでよい。表示デバイスは、有機EL(Electro Luminescence)デバイス、液晶デバイス、等を含んでよい。 For example, each device may include a processor, a memory, a communication device, an input device, and a display device. The processor may include a CPU (Central Processing Unit), a DSP (Digital Signal Processor), an MPU (Micro Processing Unit), and the like. The memory may include, for example, a primary storage device, a secondary storage device, and a tertiary storage device. The primary storage device may include a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. The secondary storage device may include an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), and the like. The tertiary storage device may include an optical disk, a flash memory, an SD card, and the like. The communication device may communicate via wireless or wired. The input device may include, for example, various buttons, keys, keyboards, touch panels, microphones, and the like. The display device may include an organic EL (Electro Luminescence) device, a liquid crystal device, and the like.
動作制御装置10は、スライダ20の位置制御機能、スライダ20の速度制御機能、外乱観測機能、バイラテラル制御機能、及びハプティクス制御機能を有してよい。動作制御装置10は、例えば、任意の運動スケジュールに従って、スライダ20の移動を制御する。この場合、動作制御装置10は、スライダ20の動きを制御するためのトルク指令値を算出し、サーボアンプ15やスライダ20に駆動力を提供するモータ22を介して、トルク指令値に従ったトルク指令をスライダ20に伝達してよい。運動スケジュールは、メモリに保持されていてよい。運動スケジュールは、運動訓練内容、訓練者trのレベル、等に応じて、複数用意されてよい。また、動作制御装置10は、DA変換器、AD変換器、カウンタ、等を含んでよい。
The
サーボアンプ15は、動作制御装置10から取得したトルク指令に応じて、モータ22を介して、スライダ20の動作を制御する。サーボアンプ15は、右足のスライダ20a用のサーボアンプ15aと、左足のスライダ20b用のサーボアンプ15bと、右手のスライダ20c用のサーボアンプ15cと、左手のスライダ20d用のサーボアンプ15dと、を含む。
The
サーボアンプ15は、モータ22からモータ22の角度の検出値(例えばモータ22の回転角度)を取得し、モータ22の制御(例えばトルク制御)を行ってよい。モータ22の角度は、角度検出器(エンコーダ)により検出されてよく、角度検出器がサーボアンプ15にモータ22の角度を通知してよい。モータ22の回転によってスライダ20が移動してよく、モータ22の角度制御に応じて、スライダ20の位置が制御されてよい。
The
サーボアンプ15は、動作制御装置10からトルク指令値を受け取り、モータ22を駆動するための駆動電流を生成し、駆動電流をモータ22へ送ってよい。
The
スライダ20は、サーボアンプ15による制御に応じて動作する。各スライダ20は、モータ22から供給される駆動力によって動作する。スライダ20は、所定の方向に沿って、訓練者trの手足(右足、左足、右手、左手)の各部を往復運動させてよい。スライダ20は、右足が載置される右足のスライダ20aと、左足が載置される左足のスライダ20bと、右手が載置される右手のスライダ20cと、左手が載置される左手のスライダ20dと、を含む。なお、手用のスライダ20への手の載置には、手用のスライダ20を手で把持することを含んでよい。
The
スライダ20は、歩行訓練に用いられてよい。したがって、周期的な動作の期間では、右足のスライダ20aと左足のスライダ20bとは、反対方向に動いてよく、右手のスライダ20cと左手のスライダ20dとは、反対方向に動いてよい。また、周期的な動作の期間では、右足のスライダ20aと右手のスライダ20cとは、反対方向に動いてよく、左足のスライダ20bと左手のスライダ20dとは、反対方向に動いてよい。
The
モータ22は、カップリングを介してスライダ20に接続される。モータ22は、サーボアンプ15から駆動電流を受け取り、モータ22を回転させて駆動力を発生させ、スライダ20に駆動力を供給する。スライダ20は、モータ22からの駆動力に従って移動する。
The
モータ22は、各スライダ20に対応して設けられる。つまり、モータ22aは、スライダ20aが移動するための駆動力を供給する。モータ22bは、スライダ20bが移動するための駆動力を供給する。モータ22cは、スライダ20cが移動するための駆動力を供給する。モータ22dは、スライダ20dが移動するための駆動力を供給する。
The
したがって、スライダ20は、多軸(例えば両手及び両足の4軸)で独立制御可能でよい。つまり、運動訓練装置5は、4軸のアクチュエータを用いて昇降運動訓練を実施可能でよい。
Therefore, the
動作制御生成装置25は、例えば、動作制御装置10が実行する動作制御プログラムを生成する。動作制御プログラムは、例えば、各スライダ20を動作させるための運動スケジュールの情報を含んでよい。動作制御生成装置25は、脳分析装置40による分析結果に従って、動作制御プログラムを生成してよい。運動スケジュールに従った運動には、周期的な動作を行う期間、非周期的な動作を行う期間を含んでよい。非周期的な動作では、スライダ20の時間位置やスライダ20の移動振幅や移動周期がランダムであることが含まれてよい。なお、周期的な動作は、単純な往復動作以外の周期的な動作を含んでよい。
The
動作制御生成装置25は、例えばMatheWorks社が提供する数式演算ソフトウエアであるMATLABやSIMULINKを利用して、制御ソフトウェア(運動制御プログラム)を生成する。動作制御装置10は、生成された運動制御プログラムをダウンロードし、運動制御プログラムを実行して運動訓練における各種指示を行ってよい。なお、動作制御装置10と動作制御生成装置25とが一体に形成されてもよい。
The
表示装置30は、各種データや各種情報を表示する。表示装置30は、例えば、動作制御生成装置25により動作制御プログラムを生成する際に用いられるデータや情報を表示してよい。また、表示装置30は、動作制御プログラムに従って実行される運動訓練において、運動訓練を行う訓練者trを補助するための情報を表示してよい。
The
脳分析装置40は、脳計測装置45から脳機能情報を取得する。脳分析装置40は、取得した脳機能情報を分析し、分析結果を動作制御生成装置25へ送る。
The
脳計測装置45は、近赤外分光法(NIRS:Near‐InfraRed Spectroscopy)を用いて脳表面の酸素状態を計測する。この計測結果は、脳の活動状態としてリアルタイムにカラーマッピングされてよい。脳計測装置45は、脳表面の酸素状態の計測結果を脳分析装置40へ送る。
The
加速度センサ50は、3軸方向(例えば水平方向における相互に垂直な2つの方向と水平方向に垂直な方向との3つの方向)の加速度を検出する。加速度センサ50は、複数存在してよく、例えば加速度センサ50a,50bを含む。加速度センサ50の測定結果は、動作制御装置10へ送られる。加速度センサ50は、運動訓練装置5(図2参照)に設けられていてよい。加速度センサ50は、訓練者trに装着され、訓練者trの運動訓練に合わせて加速度が検知されてもよい。加速度センサ50は、3軸方向の加速度を検出してよく、各方向の加速度が合成されてよい。また、加速度センサ50を使って、外部から刺激を与えて、外部刺激に応じたトルク指令を発生させてもよい。この場合、訓練者trや運動訓練の管理者が加速度センサ50を振動させることで、動作制御装置10は、手動でスライダ20に通常の運動スケジュールとは異なる動きをつけてもよい。
The
加速度センサ50は、訓練者trの手に把持されたり、訓練者trの体部の一部に装着されたりしてよい。加速度センサ50の振動により、振動トルクが与えられてよい。加速度センサは、左足用及び右足用のスライダ20毎に対応して設けられ、つまり2つ設けられてよい。加速度センサ50aが右手用の加速度センサであり、加速度センサ50bが左手用の加速度センサでよい。
The
次に、脳計測装置45による計測方法の一例について説明する。
Next, an example of the measurement method by the
人間は、視覚、聴覚、触覚、嗅覚、味覚などの情報を目、耳などの感覚器から取り込み、それらを電気信号に変換し、脳に伝達する。そして、脳内に約1000憶個存在するニューロンがシナプスを介して相互にそれらの情報を伝達・処理することによって、次の行動を決定する。この場合、酸素化ヘモグロビン(oxyHb)が、毛細血管を経由して酸素を供給する。脳計測装置45は、NIRSを用いて脳表面の酵素状態を捉えることで、脳の活動状態をリアルタイムに計測し、脳の機能局在を解析する。
Humans take in information such as sight, hearing, touch, smell, and taste from sensory organs such as eyes and ears, convert them into electrical signals, and transmit them to the brain. Then, about 100 billion neurons in the brain determine the next action by transmitting and processing the information to each other via synapses. In this case, oxygenated hemoglobin (oxyHb) supplies oxygen via capillaries. The
血液成分のヘモグロビンは、光を散乱させる。ヘモグロビンに酸素が付加されているか否かに応じて、光の吸収・散乱の度合いが変化する。脳計測装置45は、ヘモグロビンによる光の吸収、散乱の度合いを測定し、酸素化ヘモグロビンの濃度変化を計測する。生体組織の光計測では、例えば波長が700~900nmの近赤外光が使用される。なお、可視光(400~700nm)の波長帯では、ヘモグロビンや他の生体構成物質の吸収が大きい。また、近赤外光よりも長い波長の波長帯では、水の吸収が大きくなり、生体内を光が進行できない。これに対し、近赤外線の波長帯では、光が生体を透過し易い。
Hemoglobin, a blood component, scatters light. The degree of light absorption / scattering changes depending on whether or not oxygen is added to hemoglobin. The
近赤外光の波長帯での光の吸収は、主に、酸素化ヘモグロビン(oxyHb)と脱酸素化ヘモグロビン(deoxyHb)とによって生じる。oxyHbとdeoxyHbとは、異なる吸収スペクトルを持つ。このため、脳計測装置45は、oxyHbとdeoxyHbのモル分子吸光係数が既知であれば、2波長以上での吸光度変化を計測することで、oxyHbの濃度変化とdeoxyHbの濃度変化とを算出できる。
Absorption of light in the wavelength band of near-infrared light is mainly caused by oxygenated hemoglobin (oxyHb) and deoxygenated hemoglobin (deoxyHb). OxyHb and deoxyHb have different absorption spectra. Therefore, if the molar extinction coefficient of oxyHb and deoxyHb is known, the
近赤外光は、比較的生体を透過するが、人間の頭部を透過させることが困難である。そのため、脳計測装置45は、光ファイバを用いて頭表から近赤外光を脳内に照射し、大脳皮質で吸収・散乱を起こした光を、例えば30mm程度離れた頭表上の光ファイバで集光する。照射された光は、頭表から約20mm程度の深部まで到達し、大脳皮質でのヘモグロビンの吸収を受ける。生体は強い散乱体であるので、光ファイバによって導入された近赤外線は、頭部の組織の色々な部分によって散乱され、散乱された光の一部が受光部の光ファイバに到達する。受光された光は、光電子増倍管に導かれ、電気信号に変換される。得られた電気信号やデータを、NIRS信号やNIRSデータとも称する。
Near-infrared light is relatively transparent to living organisms, but it is difficult to transmit it to the human head. Therefore, the
図2は、運動訓練装置5の外観例を示す斜視図である。ここでは、運動訓練として歩行訓練を例示する。
FIG. 2 is a perspective view showing an external example of the
運動訓練装置5は、ガイド部材26と、ガイド部材26に取り付けられた足用のスライダ機構27(27a,27b)と、運動訓練(例えば歩行訓練)する訓練者trの周囲に配置される門形のフレームfrと、フレームfrに取り付けられる手用のスライダ機構28(28a,28b)と、を含む。なお、フレームfrは、門形以外の形状でもよい。
The
スライダ機構27(27a,27b)は、足用のスライダ20(20a,20b)、モータ22(22a,22b)、及びボールねじ24(24a,24b),を含む。スライダ機構28(28c,28d)は、手用のスライダ20(20c,20d)、モータ22(22c,22d)、及びボールねじ(不図示)を含む。ここでは、足用のスライド方法の詳細を例示するが、手用のスライド方法の詳細も同様でよい。 The slider mechanism 27 (27a, 27b) includes a foot slider 20 (20a, 20b), a motor 22 (22a, 22b), and a ball screw 24 (24a, 24b). The slider mechanism 28 (28c, 28d) includes a hand slider 20 (20c, 20d), a motor 22 (22c, 22d), and a ball screw (not shown). Here, the details of the slide method for the foot are illustrated, but the details of the slide method for the hand may be the same.
スライダ機構27a,27bでは、それぞれモータ22a,22bがボールねじ24a,24bを正転・逆転させることで、スライダ20a,20bが前方斜め上方向及び後方斜め下方向に移動する。従って、左右のスライダ20a,20bは、独立に移動自在である。
In the slider mechanisms 27a and 27b, the motors 22a and 22b rotate the ball screws 24a and 24b in the forward and reverse directions, respectively, so that the
水平方向に対するガイド部材26の角度は、固定でもよいし、調整自在でもよい。例えば、運動訓練装置5は、前後方向にスライダ20を移動させるすり足歩行の歩行訓練を可能としたり、前方斜め上方向及び後方斜め下方向や上下方向に移動する0が運動の歩行訓練を可能としたりしてよい。
The angle of the
スライダ20a,20bは、スライダ20a,20b用のモータ22の駆動により、同期して又は同期しないで反対方向に移動してよい。スライダ20a,20bは、スライダ20a,20b用のモータ22の駆動により、同期して又は同期しないで同一方向に移動してよい。訓練者trは、スライダ20a,20bに足を載置することで、様々な歩行方法での歩行時の足の動きを体験できる。
The
足用のスライダ20a,20bは、前方斜め上方向及び後方斜め下方向に往復移動可能である。つまり、訓練者trは、スライダ20a,20bにより、昇降運動が可能である。手用のスライダ20c,20は、前後方向に往復運動可能である。つまり、訓練者trは、スライダ20a,20bにより、昇降運動時にバランス維持のサポートを受けることができる。
The
右足のスライダ20aと右手のスライダ20cとは、水平方向において同じ位置となるよう移動してよい。つまり、スライダ20a,20cは、それぞれの往復軌道において同じ位置にとなってよい。
The
足用のスライダ20a,20bは、図2に示す矢印αの方向に摺動可能である。手用のスライダ20c,20は、図2に示す矢印βの方向に摺動可能である。これにより、訓練者trは、スライダ20a,20bに足を載置し、スライダ20c,20dに手を載置することで、スライダ20a,20bとともに足が移動し、スライダ20c,20dとともに手が移動するので、疑似的に歩行時の手足の動きを体験できる。
The
右足のスライダ20a及び右手のスライダ20cと左足のスライダ20b及び左手のスライダ20dとは、同期して、交互に、定常的に、前方斜め上方向及び後方斜め下方向の往復移動を行ってよい。この往復移動は、訓練者trにとって予測可能な移動となる。右足のスライダ20a及び右手のスライダ20cと左足のスライダ20b及び左手のスライダ20dとは、同期せずに、非定常的に、不定なリズムで、前方斜め上方向及び後方斜め下方向の往復移動を行ってよい。この往復移動は、訓練者trにとって予測不可能な移動となる。
The
各スライダ20のモータ22は、各サーボアンプ15の制御に従って、他のスライダの動きに依存せずに独立に移動可能である。よって、右足のスライダ20aの動きと左足のスライダ20bの動きとが、別々であってよい。例えば、右足のスライダ20aの動きの周期と左足のスライダ20bの動きの周期とが、異なってよいし、右足のスライダ20aの動きの範囲(つまり歩幅)と左足のスライダ20bの動きの範囲とが異なってよい。
The
次に、動作制御装置10の詳細について説明する。
Next, the details of the
動作制御装置10は、訓練者trの運動訓練に関する処理(例えばデータや情報の取得処理、記録処理、演算処理、表示処理、音声出力処理)を行う。動作制御装置10は、各スライダ20のモータ22をサーボ制御し、スライダ20を目標の足位置に位置決めしてよい。運動訓練を行うための訓練コースは、複数用意されてよい。訓練コース毎に、異なる評価基準で歩行訓練の結果が評価されてよい。
The
動作制御装置10のメモリは、運動訓練に係る各種設定情報を保持してよい。設定情報には、例えば、運動訓練するための運動スケジュールにおける各スライダ20の移動に関する情報(例えば運動訓練開始からの時刻における各スライダ20の位置、各スライダ20のスライド周期、各スライダ20のスライド幅、等)が含まれてよい。
The memory of the
動作制御装置10のメモリは、歩行訓練により得られたデータ(例えばトルク指令値やモータ22の角度センサ23の値、角度センサの値に対応するトルク検出値)を記録し、蓄積してよい。なお、動作制御装置10は、各スライダ20のトルク指令値と各スライダ20の角度センサ23のセンサ値とに基づいて、次のタイミングでのトルク指令値を決定してよい。これにより、運動訓練システム100は、右足のスライダ20aと左足のスライダ20bとの変位を基に、訓練者trの体重のかけ方や歩行バランスを推定してよい。例えば、動作制御装置10は、その後のトルク指令値として、訓練者trの歩行バランスをより取り易いように、調整してよい。
The memory of the
動作制御装置10は、スライダ20の位置の指令値とスライダ20の位置の検出値とを取得する。スライダ20の位置の指令値は、運動スケジュールに従って決定され、スライダ20a,20bが所定時刻に配置されるべき位置の値である。スライダ20の位置の検出値は、角度センサ23の検出値に基づく値であり、実際のスライダ20a,20の位置を示す。例えば、動作制御装置10は、モータ22の回転角度と、ボールねじ24の1周分のスライダ20の移動距離と、に基づいて、スライダ20の位置の検出値を算出してよい。
The
図3Aは、右足のスライダ20aの位置の指令値と右足のスライダ20aの位置の検出値とを時系列で示す図であり、図fg1とも称する。図3は、左足のスライダ20bの位置の指令値と左足のスライダ20bの位置の検出値とを時系列で示す図であり、図fg2とも称する。なお、図3A及び図3Bでは、スライダ20(20a,20b)の位置の指令値と検出値とが一致しているため、波形が重なって1つになっている。
FIG. 3A is a diagram showing the command value of the position of the
動作制御装置10は、スライダ20(20a,20b)にかかる負荷(力)の値を取得してよい。スライダ20a,20bにかかる負荷は、モータ22(22a,22b)の角度センサ23(23a,23b)により検出されたモータ22の回転角度に基づく負荷でよい。負荷は、力換算されて示されてもよいし、トルク換算されてもよい。ここでは一例として、トルクの検出値として示す。トルク検出値には、トルク指令値とともに、訓練者trの体重移動が不十分であるためにスライダ20にかかる負荷も反映され得る。
The
動作制御装置10は、スライダ20に対する右手のアクションの値を取得してよい。ここでのアクションとは、加速度センサ50を例えば人為的に振動させることを意味する。検出されるアクションの値は、例えば、加速度センサ50の振動に対応するトルク指令値でよい。つまり、アクションの値は、左手用又は右手用の加速度センサ50(50a,50b)を動かした(例えば振動させた)大きさを、トルクに換算したものであり、例えば通常の運動スケジュールに従ったトルク指令値に加算される。
The
図4Aは、右足のスライダ20aにかかる負荷(力)の値と右足のスライダ20aに対する右手のアクションの値とを時系列で示す図であり、図fg3とも称する。図4Bは、左足のスライダ20bにかかる負荷(力、ウェイト)の値と左足のスライダ20bに対する左手のアクションの値とを時系列で示す図であり、図fg4とも称する。
FIG. 4A is a diagram showing the value of the load (force) applied to the
図5は表示装置30の表示例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a display example of the
表示装置30は、図fg1~fg4を表示する。表示装置30は、バランスメータfg5を表示する。バランスメータfg5の値は、右足のスライダ20aにかかる負荷と左足のスライダ20bにかかる負荷との差分でよい。バランスメータfg5の値は、右足のスライダ20aの位置と左足のスライダ20bの位置との差分でもよい。この差分は、外乱オブザーバにより推定されてよい。
The
表示装置30は、バランスグラフfg6を表示する。バランスグラフfg6は、バランスメータfg5の値を時系列に並べてグラフ化したものである。
The
動作制御装置10は、左右のスライダ20a,20bにかかる負荷のバランスに基づくバランススコアを算出する。動作制御装置10は、右足のスライダ20aにかかる負荷と左足のスライダ20bにかかる負荷との差分が値0でない場合、つまり左右のバランスが崩れている場合に、ペナルティの値を初期値(例えば値100)から減算していくことで、バランススコアを算出してよい。動作制御装置10は、運動訓練中に定期的に(例えば常時)バランススコアを算出して更新してよい。表示装置30は、このバランススコアfg7を表示してよい。
The
動作制御装置10は、バランススコアに基づいて、スライダ20a,20bの少なくとも一方に付加される補助力を算出する。補助力は、左右のスライダ20a,20bにかかる負荷を均等とするために、スライダ20a又はスライダ20bに付加される。したがって、スライダ20a,20bを駆動するモータ22には、運動スケジュールに従って供給されるトルク指令値とともに、補助力を供給するためのトルク指令値、が与えられ得る。動作制御装置10は、補助力を供給するためのトルク指令値に関するパラメータを、バランス補助値(図5では値「15」)として算出してよい。バランス補助値は、後述するバイラテラル制御に係るパラメータKBに相当する。表示装置30は、バランス補助値fg8を表示してよい。
The
次に、運動訓練システム100の動作について説明する。
Next, the operation of the
図6は、運動スケジュールに従った運動訓練の動作例を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing an operation example of exercise training according to an exercise schedule.
動作制御装置10は、各スライダ20の動作に関する動作指令情報の表示を指示する(S11)。この場合、動作制御装置10は、動作制御生成装置25を介して表示装置30へ表示の指示を送信してよい。つまり、動作制御装置10は、表示装置30による表示を介して、昇降運動のイメージを訓練者trに教示してよい。動作指令情報は、例えば、左右のスライダ20の位置の指令値やトルクの指令値を含んでよい。
The
動作制御装置10は、運動スケジュールに従って、両足交互に昇降動作するよう、サーボアンプ15を介してモータ22に指示する(S12)。ここでの両足交互の昇降動作は、通常昇降とも称し、スライダ20が移動する振幅及び周波数が一定となる動作であり、つまりスライダ20の移動が周期的となる動作である。この場合、動作制御装置10は、通常昇降させるトルク指令値を生成し、サーボアンプ15を介してモータ22に送信する。
The
動作制御装置10は、運動スケジュールに従って、両足交互に昇降動作するよう、サーボアンプ15を介してモータ22に指示する(S13)。ここでの両足交互の昇降動作は、スライダ20(20a,20b)が移動する振幅が不定期に(例えば突然)変化する動作であり、つまりスライダ20の移動が非周期的となる動作である。この場合、動作制御装置10は、振幅が不定期に変化するトルク指令値を生成し、サーボアンプ15を介してモータ22に送信する。非周期的な動作は、訓練者trにとって予想外の動きとなる。
The
動作制御装置10は、運動スケジュールに従って、両足交互に昇降動作するよう、サーボアンプ15を介してモータ22に指示する(S14)。ここでの両足交互の昇降動作は、スライダ20(20a,20b)が移動する周波数が不定期に(例えば突然)変化する動作であり、つまりスライダ20の周波数が非周期的となる動作である。この場合、動作制御装置10は、周波数が不定期に変化するトルク指令値を生成し、サーボアンプ15を介してモータ22に送信する。
The
動作制御装置10は、運動スケジュールに従って、両足同時に昇降動作するよう、サーボアンプ15を介してモータ22に指示する(S15)。両足同時に昇降動作では、左右のスライダ機構27a,27bにおけるスライダ20a,20bの位置が同じになる。ここでの両足同時の昇降動作は、スライダ20(20a,20b)が移動する振幅及び周波数が一定となる動作であり、つまりスライダ20の移動が周期的となる動作でよい。なお、両足同時の昇降動作は、スライダ20(20a,20b)が移動する振幅及び周波数が不定となる動作を含んでもよい。
The
動作制御装置10は、運動スケジュールに従って、片足の昇降動作を行うよう、サーボアンプ15を介してモータ22に指示する(S16)。片足の昇降動作は、右足でも左足でもよい。また、片足の走行動作が、右足、左足に対して順に行われてもよい。
The
動作制御装置10は、表示装置30に、動作指令情報(例えば位置の指令値、トルクの指令値)、右足及び左足の動作結果(例えば位置の検出値、トルクの検出値)の表示を指示する(S17)。この場合、動作制御装置10は、動作制御生成装置25を介して表示装置30へ表示の指示を送信してよい。
The
このように、運動訓練システム100は、図6に示した運動スケジュールに従った運動訓練の動作において、動作指令をモニタ表示し、リハビリトレーニングする訓練者trに視覚や聴覚で教示できる。この動作指令は、スライダ20の移動に関する指令情報でよく、例えば位置の指令値やトルクの指令値を示す情報でよい。
As described above, the
また、運動訓練システム100は、S12において、この動作指令に従い、まずは両足交互に予想通りの昇降動作を、訓練者trに実施させることができる。運動訓練システム100は、S13において、両足交互の昇降動作中に片方の動作振幅が突然変化する昇降動作を、訓練者trに実施させることができる。運動訓練システム100は、S14において、両足交互の昇降動作中に片方の動作周波数が突然変化する昇降動作を、訓練者trに実施させることができる。運動訓練システム100は、S15において、両足交互の昇降動作から同時昇降に突然変化する昇降動作を、訓練者trに実施させることができる。運動訓練システム100は、S16において、両足昇降から片足昇降に突然変化する昇降動作を、訓練者trに実施させることができる。
Further, in S12, the
したがって、一定期間同じ歩行訓練(例えば振幅や周波数が同じ両足交互の昇降動作、両足同時の昇降動作、片足昇降動作)を行うことで、脳に同じような刺激が与えられることが予想されるが、運動訓練システム100は、不規則に振幅や周波数が異なる動作を取り入れることで、異なる運動訓練を実施した足の動きを通じて、脳に刺激を与えることができる。このことは、脳計測装置45により計測され、脳分析装置40により分析される脳機能情報を参照することで、確認できる。
Therefore, it is expected that similar stimulation will be given to the brain by performing the same walking training for a certain period of time (for example, alternating ascending / descending motions of both feet having the same amplitude and frequency, simultaneous ascending / descending motions of both feet, and ascending / descending motions of one leg). The
次に、動作制御装置10によるバイラテラル制御の詳細について説明する。図7は、バイラテラル制御を説明するための図である。図7では、バイラテラル制御に係る機能が記載されている。
Next, the details of the bilateral control by the
動作制御装置10は、外乱オブザーバ11(11a,11b)、PID制御部12(12a,12b)、バイラテラル制御部13、の各機能を有する。図7では、右用の構成部には、符号の末尾に「a」を付し、左用の構成部には、符号の末尾に「b」を付している。
The
PID制御部12は、動作制御装置10のメモリから位置参照情報を取得する。位置参照情報は、例えば図3A,図3Bに示すような、運動スケジュールに従って定められているスライダ20の位置の指令値やトルク指令値v1を含んでよい。PID制御部12は、PID制御部12は、バイラテラル制御部13により導出されたトルク指令値v2を取得(例えば算出)してよい。バイラテラル制御部13からのトルク指令値v2は、左右のスライダへの負荷バランスが考慮された値でよい。
The PID control unit 12 acquires position reference information from the memory of the
PID制御部12は、位置参照情報からのトルク指令値v1とバイラテラル制御部13からのトルク指令値v2とを基に、例えばトルク指令値v1,v2を加算して、モータ22a,22bに提供されるトルク指令値v3を算出する。
The PID control unit 12 adds, for example, torque command values v1 and v2 based on the torque command value v1 from the position reference information and the torque command value v2 from the
なお、右足用のスライダのトルク指令値には、符号の末尾にaを付し、左足用のスライダのトルク指令値には、符号の末尾にbを付している。つまり、図面では、トルク指令値v1a,v1b,v2a,v2b,v3a,v3b、と記載している。 The torque command value of the slider for the right foot is given an a at the end of the code, and the torque command value of the slider for the left foot is given a b at the end of the code. That is, in the drawing, the torque command values v1a, v1b, v2a, v2b, v3a, v3b are described.
外乱オブザーバ11は、PID制御部12からのPID制御の結果を取得してよい。PID制御の結果は、右足用又は左足用のスライダ20を駆動するモータ22へのトルク指令値v3を含んでよい。また、外乱オブザーバ11は、右足用又は左足用のスライダ20にかかる実際の負荷を検出してよい。この場合、外乱オブザーバ11は、トルク換算されたトルク検出値を取得してよい。外乱オブザーバ11は、例えば、角度センサ23により検出されたモータ22の角度を取得し、角度に対応するトルク値(トルク検出値)や負荷を算出してよい。
The disturbance observer 11 may acquire the result of PID control from the PID control unit 12. The result of PID control may include a torque command value v3 to the
つまり、外乱オブザーバ11bは、右足用のPID制御部12aの結果(例えばトルク指令値v3)を取得してよい。外乱オブザーバ11aは、右足用のスライダ20aにかかる実際の負荷を検出してよい。また、外乱オブザーバ11bは、左足用のPID制御部12bの結果(例えばトルク指令値v3)を取得してよい。外乱オブザーバ11bは、左足用のスライダ20bにかかる実際の負荷を検出してよい。
That is, the disturbance observer 11b may acquire the result (for example, the torque command value v3) of the
外乱オブザーバ11aは、右足用のPID制御部12aの結果(例えばトルク指令値v3)と実際の負荷(例えばトルク検出値)との差分h_Dis1を算出する。外乱オブザーバ11bは、左足用のPID制御部12bの結果(例えばトルク指令値v3)と実際の負荷(例えばトルク検出値)との差分h_Dis2を算出する。
The disturbance observer 11a calculates the difference h_Dis1 between the result of the
バイラテラル制御部13は、外乱オブザーバ11a,11bから差分h_Dis1,h_Dis2を取得する。バイラテラル制御部13は、差分h_Dis1,h_Dis2と、PID制御に用いられるパラメータKB(例えば図5では値「15」)と、を基に、トルク指令値v2を決定する。パラメータKBの値は、例えば、訓練者trの運動を管理する管理者が、図示しない操作部を介して入力してもよいし、所定の値が定められており、メモリに保持されていてもよい。パラメータKBは、差分h_Dis1と差分h_Dis2との差分に対する倍率を示す。
The
つまり、(h_Dis1-h_Dis2)×KBの値が、トルク指令値v2として、左右のPID制御部12a,12bの少なくとも一方にフィードバックされてよい。この場合、例えば左右のスライダ20(例えば左用)において検出された負荷が小さい方のスライダ20(例えば右用)に対応するPID制御部12(例えば右用のPID制御部12aに、トルク指令値v2が送られてよい。PID制御部12は、フィードバックされたトルク指令値v2を基に、トルク指令値v3を生成する。
That is, the value of ( h_Dis1 -h_Dis2) × KB may be fed back to at least one of the left and right
つまり、動作制御装置10は、例えば、無理な動きによる負荷変動を外乱オブザーバ11で推定し、左右軸(左右のスライダ20a,20b)にかかる負荷を均等化することで、左右のバランスを保持するバイラテラル制御機能を有する。
That is, for example, the
このように、運動訓練システム100は、訓練者trの身体におけるスムーズに動かすことができる可動域と、スムーズに動かすことが困難な可動域と、の動作抵抗を、モータ22に戻ってくる負荷外乱力として推定できる。つまり、訓練者trが左右のスライダ20a,20bの間での体重移動が不十分である場合、体重に基づく負荷が負荷外乱力として表れる。運動訓練システム100は、左右の足にかかる負荷を外乱オブザーバ等で推定し、左右の足にかかる負荷が同等になるように左右のバランスを保持するよう制御(バイラテラル制御)できる。この場合、運動訓練システム100は、スライダ20の動作を制限する等により、訓練者trにとって無理な運動となることを抑制できる。よって、運動訓練システム100は、運動訓練時(例えばリハビリテーション実施時)に、訓練者trが左右のバランスを崩して転倒する可能性を低減できる。
In this way, the
次に、動作制御装置10によるハプティクス制御の詳細について説明する。図8は、ハプティクス制御を説明するための図である。図8では、ハプティクス制御に係る機能が記載されている。
Next, the details of the haptics control by the
動作制御装置10は、PID制御部12(12a,12b)、ハプティクス制御部14、の各機能を有する。図8では、右用の構成部には、符号の末尾に「a」を付し、左用の構成部には、符号の末尾に「b」を付している。
The
ハプティクス制御部14は、加速度センサ50(50a,50b)により検出された加速度を取得する。ハプティクス制御部14は、取得された加速度に基づくトルク指令値v4を導出(例えば算出)し、PID制御部12へ送る。この場合、加速度センサ50aに基づくトルク指令値v4aを、右用のPID制御部12aへ送り、加速度センサ50bに基づくトルク指令値v4bを、右用のPID制御部12bへ送ってよい。加速度の大きさとトルク指令値v2との大きさの関係は、予め定められていてよく、メモリに保持され、参照されてよい。
The
PID制御部12は、動作制御装置10のメモリから位置参照情報を取得する。位置参照情報は、例えば図3A,図3Bに示すような、運動スケジュールに従って定められているスライダ20の位置の指令値やトルク指令値v1を含んでよい。PID制御部12は、PID制御部12は、ハプティクス制御部14により導出されたトルク指令値v4を取得(例えば算出)してよい。ハプティクス制御部14からのトルク指令値v2は、加速度センサ50に与えられた振動が考慮された値でよい。
The PID control unit 12 acquires position reference information from the memory of the
PID制御部12は、位置参照情報からのトルク指令値v1とハプティクス制御部14からのトルク指令値v4とを基に、例えばトルク指令値v1,v4を加算して、モータ22a,22bに提供されるトルク指令値v5を算出する。
The PID control unit 12 is provided to the motors 22a and 22b by adding, for example, torque command values v1 and v4 based on the torque command value v1 from the position reference information and the torque command value v4 from the
なお、右足用のスライダ20aのトルク指令値には、符号の末尾にaを付し、左足用のスライダ20bのトルク指令値には、符号の末尾にbを付している。つまり、図面では、トルク指令値v1a,v1b,v4a,v4b,v5a,v5b、と記載している。
The torque command value of the
したがって、PID制御部12には、位置参照情報に基づくトルク指令値v1と、加速度に基づくトルク指令値v4が入力される。動作制御装置10は、位置参照情報に基づくトルク指令値v1と、加速度に基づくトルク指令値v4と、に基づいて、PID制御し、モータ22へのトルク指令値v5を算出し、モータ22へ送る。モータ22は、トルク指令値v5に従って駆動することで、スライダ20を移動させる。よって、訓練者trは、加速度センサ50に例えば人為的に与えられた振動を、スライダ20の振動として体感できる。
Therefore, the torque command value v1 based on the position reference information and the torque command value v4 based on the acceleration are input to the PID control unit 12. The
つまり、動作制御装置10は、加速度センサ50等で測定された外部信号を、モータ22を駆動する駆動軸に振動トルクとして感覚的に伝達するハプティクス制御機能を有する。
That is, the
このように、運動訓練システム100は、加速度センサ50から取得した加速度を基に、位置参照情報に基づくPID制御とは異なる観点で導入された負荷外乱力(例えば振動による振動トルク)として推定できる。運動訓練システム100は、この負荷外乱力を感覚的に伝える制御(ハプティクス制御)を行うことができる。
As described above, the
このように、運動訓練システム100は、バイラテラル制御及びハプティクス制御を実施することで、訓練者trによる無理な運動を抑制でき、バランスの保持性能を向上して訓練者trの転倒を抑制できる。よって、運動訓練システム100は、運動訓練時の安全性を向上できる。
As described above, the
また、運動訓練システム100は、バイラテラル制御やハプティクス制御を行うことで、バランス保持機能、外部刺激機能、負荷推定機能を実現できる。これにより、訓練者trは、無理のあるリハビリ訓練を回避できる。
Further, the
次に、脳計測装置45と脳分析装置40の詳細について説明する。
Next, the details of the
図9は、頭部に脳計測装置45の装着部46を装着した訓練者trの一例を示す外観図である。図10は、送光プローブpr1と受光プローブpr2とを用いた光の伝達の一例を示す図である。
FIG. 9 is an external view showing an example of a trainee tr in which the mounting
脳計測装置45は、装着部46と、送光プローブpr1と、受光プローブpr2と、処理部47と、を備える。装着部46は、訓練者trの頭部に装着される。送光プローブpr1は、装着部46に配置され、訓練者trの頭部に向けて光を送光(照射)する。受光プローブpr2は、訓練者trの頭部から光を受光する。送光プローブpr1と受光プローブpr2とは、1つ以上設けられる。送光プローブpr1から送光される光は、近赤外光でよい。受光プローブpr2で受光される光は、近赤外光でよい。送光プローブpr1及び受光プローブpr2とは、有線(例えば光ファイバ)で接続されてよい。
The
処理部47は、プロセッサがプログラムを実行することで、各種処理を行う。例えば、処理部47は、送光プローブpr1による送光タイミング及び受光プローブpr2による受光タイミングを制御してよい。送光プローブpr1による送光及び受光プローブpr2による受光は、運動訓練期間中において定期的に(例えば常時)行われてよい。処理部47は、通信機能を用いて受光プローブpr2により受光された光を基に、計測結果としてのNIRS信号を取得する。処理部47は、有線又は無線を介して他の装置(例えば脳分析装置40)へ送信してよい。NIRS信号は、酸素化ヘモグロビン(oxyHb)の濃度や濃度変化の情報を含んでよい(例えば図13E,図13F参照)。
The
図11は、訓練者trの頭部における送光プローブpr1による送光位置Tp及び受光プローブpr12による受光位置Rpの一例を示す図である。送光位置Tpと受光位置Rpの「p」は、1以上の整数である。つまり、送光位置T1,T2,・・・、受光位置R1,R2,・・・、で示される。図11では、送光位置Tp及び受光位置Rpともに16個存在する。つまり、送光チャネル及び受光チャネルが16チャネル存在する。 FIG. 11 is a diagram showing an example of the light transmission position Tp by the light transmission probe pr1 and the light reception position Rp by the light reception probe pr12 on the head of the trainee tr. The “p” of the light transmission position Tp and the light reception position Rp is an integer of 1 or more. That is, it is indicated by the light transmission positions T1, T2, ..., And the light reception positions R1, R2, .... In FIG. 11, there are 16 light transmitting positions Tp and 16 light receiving positions Rp. That is, there are 16 transmission channels and 16 reception channels.
図12は、訓練者trにおける頭部の脳機能計測チャネルCHqの一例を示す図である。脳機能計測チャネルCHqの「q」は、1以上の整数である。つまり、脳機能計測チャネルCH1,CH2,・・・で示される。図12では、脳機能計測チャネルCHqが52個存在する。脳機能計測チャネルChqは、任意の送光位置Tpとその近傍に位置する受光位置Rpとの間の位置での脳機能を計測するためのチャネルである。 FIG. 12 is a diagram showing an example of the brain function measurement channel CHq of the head in the trainee tr. “Q” of the brain function measurement channel CHq is an integer of 1 or more. That is, it is indicated by brain function measurement channels CH1, CH2, .... In FIG. 12, there are 52 brain function measurement channels CHq. The brain function measurement channel Chq is a channel for measuring brain function at a position between an arbitrary light transmission position Tp and a light reception position Rp located in the vicinity thereof.
したがって、脳計測装置45は、送光プローブpr1で送光される送光信号及び受光プローブpr2で受光される受光信号を利用し、複数(例えば52個又はその一部)の脳機能計測チャネルChqでの運動訓練中(例えば昇降動作中)の脳血流酸素濃度(例えば酸素化ヘモグロビンの濃度)を測定(計測)してよい。脳血流酵素濃度の情報は、脳機能情報の一例である。
Therefore, the
なお、送光チャネル及び受光チャネルの数は16であり、脳機能計測チャネルCHqの数は52である。つまり、1つの送光チャネル(例えばT6)からの光に応じた光が、複数の受光チャネル(例えばR2,R6,R7,R10)で取得されてよい。また、例えば、送光チャネルT6で送光された光に応じて、受光チャネルR6で光が受光された場合、脳機能計測チャネルCH18の情報が得られたこととなる。 The number of light transmitting channels and light receiving channels is 16, and the number of brain function measuring channels CHq is 52. That is, the light corresponding to the light from one light transmission channel (for example, T6) may be acquired by a plurality of light receiving channels (for example, R2, R6, R7, R10). Further, for example, when the light is received by the light receiving channel R6 in response to the light transmitted by the light transmitting channel T6, the information of the brain function measuring channel CH18 is obtained.
次に、NIRS信号に基づくデータの具体例について説明する。 Next, a specific example of data based on the NIRS signal will be described.
運動訓練装置5は、動作制御装置10からの動作指令に応じて動作する。この動作は、単純反復動作(repetition)及び非単純反復動作(illusion)を含む。単純反復動作は、周期的な動作の一例であり、非単純反復動作は、周期的な動作とは異なる非周期的な動作の一例である。
The
単純反復動作では、スライダ20a~20dは、単純反復して移動し、周期的に移動する。図13Aは、単純反復動作時の右足のスライダ20aの位置の指令値の一例を示す図である。図13Bは、単純反復動作時の左足のスライダ20bの位置の指令値の一例を示す図である。つまり、図13A及び図13Bは単純反復動作時の動作指令の一例である。
In the simple iterative operation, the
非単純反復動作では、スライダ20a~20dは、非単純反復して移動し、非周期的に移動する。図13Cは、非単純反復動作時の右足のスライダ20aの位置の指令値の一例を示す図である。図13Dは、非単純反復動作時の左足のスライダ20bの位置の指令値の一例を示す図である。つまり、図13A及び図13Bは非単純反復動作時の動作指令の一例である。
In the non-simple iterative operation, the
図13Eは、運動訓練装置5により単純反復動作を行った場合における、酸素化ヘモグロビン濃度の変化を時系列で示す図である。つまり、図13Eは、単純反復動作時のNIRS信号の実測値の一例を示す。
FIG. 13E is a diagram showing changes in oxygenated hemoglobin concentration in chronological order when a simple repetitive motion is performed by the
図13Fは、運動訓練装置5により非単純反復動作を行った場合における、酸素化ヘモグロビン濃度の変化を時系列で示す図である。つまり、図13Fは、非単純反復動作時のNIRS信号の実測値の一例を示す。
FIG. 13F is a diagram showing changes in oxygenated hemoglobin concentration in time series when a non-simple repetitive motion is performed by the
なお、図13E,図13Fでは、複数の脳機能計測チャネルCHqのうち、右足運動野付近の脳機能を司る頭部の位置に対応する脳機能計測チャネルCHqの脳機能を計測したNIRS信号の値が示されている。 In FIGS. 13E and 13F, among the plurality of brain function measurement channels CHq, the values of the NIRS signals that measure the brain function of the brain function measurement channel CHq corresponding to the position of the head that controls the brain function near the right foot motor cortex. It is shown.
脳分析装置40は、運動訓練装置5から動作指令(例えばスライダ20の位置の指令値やトルクの指令値)の情報や動作結果(例えばスライダ20の位置の検出値やトルクの検出値)の情報を取得してよい。よって、脳分析装置40は、運動訓練装置5の動作と、脳計測装置45からのNIRS信号とを、タイミングを同期して観察することで、運動訓練時の脳機能を分析可能である。
The
脳分析装置40は、脳計測装置45から複数(例えば多数)のNIRS信号の実測値を取得可能である。脳分析装置40は、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時に取得された複数のNIRS信号の実測値と、の関係について分析する。
The
なお、NIRS信号は、様々な訓練者trにおける様々な測定箇所(送光位置Tp、受光位置Rp、脳機能計測チャネルCHq)で計測される。また、NIRS信号は、例えば酸素化ヘモグロビン濃度を示すが、この信号は個人差があるので、同じ運動訓練を実施した複数の訓練者trについてのNIRS信号の実測値が異なる値となり得る。したがって、脳分析装置40は、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時に取得された複数のNIRS信号の実測値と、の関係について一見して関連性を導出することが困難であり得る。
The NIRS signal is measured at various measurement points (light transmission position Tp, light reception position Rp, brain function measurement channel CHq) in various trainer trs. Further, the NIRS signal indicates, for example, the oxygenated hemoglobin concentration, but since this signal varies from person to person, the measured values of the NIRS signals for a plurality of trainee trs who have performed the same exercise training may be different values. Therefore, the
脳分析装置40は、機械学習(例えばディープラーニング)の手法を用いて、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時に取得された複数のNIRS信号の実測値と、の関係について分析してよい。これにより、脳分析装置40は、一見して関連性の導出が困難な場合でも、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時に取得された複数のNIRS信号の実測値と、の関連性を導出し得る。
The
脳分析装置40は、機械学習において、例えばCNN(Convolutional Neural Network)に従ってNIRS信号の実測値における特徴点を抽出してよい。脳分析装置40は、センサ信号解析(例えばNIRS信号の実測値の解析)と機械学習とを基に、訓練者trの運動訓練時の脳機能を診断してよい。
In machine learning, the
次に、以下の第1解析例~第5解析例を用いて、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時に取得された複数のNIRS信号の実測値と、の関連性について考察する。 Next, using the following first analysis example to fifth analysis example, the operation of the exercise training device 5 (simple repetitive operation and non-simple repetitive operation) and the measured values of a plurality of NIRS signals acquired during this operation are used. Consider the relationship between.
(第1解析例)
第1解析例では、以下の内容の運動訓練のデータが得られる。1回の運動訓練の時間長さは、91秒であり、この期間に1784サンプル得られる。脳機能が計測される脳機能計測チャネルCHqの数は52個である。運動訓練は、3回連続して実施される。運動訓練の動作指令として、単純反復動作の指令と非単純反復動作の指令との2種類の指令を含む。訓練者trは5人である。なお、訓練者tr毎にNIRSデータが区別されていない。
(Example of first analysis)
In the first analysis example, the following exercise training data can be obtained. The duration of one exercise training is 91 seconds, and 1784 samples are obtained during this period. The number of brain function measurement channels CHq in which brain function is measured is 52. Exercise training is carried out three times in a row. The motion commands for exercise training include two types of commands: simple repetitive motion commands and non-simple repetitive motion commands. There are five trainee trs. The NIRS data is not distinguished for each trainer tr.
図14は、脳分析装置40によるNIRSデータの分析時の動作例を示すフローチャートである。図14の動作例は、第1解析例~第5解析例において同様でよい。
FIG. 14 is a flowchart showing an operation example at the time of analysis of NIRS data by the
まず、脳分析装置40は、NIRS信号を取得し、NIRS信号に基づくデータであるNIRSデータを複数取得する(S21)。ここでは、例えば、1784サンプル×52チャネル×3回連続×2種類の動作指令×5人、分のNIRSデータが入力される。NIRSデータは、NIRS信号の実測値でよい。
First, the
脳分析装置40は、入力されたNIRSデータの特徴量を抽出する(S22)。脳分析装置40は、自己回帰モデル(Auto Regressive Model)を用いて、特徴量の抽出を行ってよい。自己回帰モデルは、以下の式(1)で定義される。
The
脳分析装置40は、自己回帰モデルの式(1)に各NIRSデータを当てはめ、AutoEncoderにより特徴量の次元削減(dimension reduction)を行ってよい(S23)。脳分析装置40は、AutoEncoderにより、例えば、10次元のモデルを2次元のモデルとするように次元削減してよい。2次元のモデルは、第1主成分(first principal ingredient)及び第2主成分(second principal ingredient)を含んでよい。脳分析装置40は、2次元のモデルとすることで、扱うデータの情報量を小さくし、可視化し易くできる。また、次元削減されたデータを用いて機械学習を行うことで、学習精度が向上する傾向にある。第1主成分及び第2主成分は、主成分分析の結果としての、一番目に影響が大きい成分及び二番目に影響が大きい成分に相当してよい。なお、S23の処理は省略されてもよい。
The
図15は、第1解析例における、運動訓練装置5の動作別の、特徴量の次元削減後の第1主成分及び第2主成分の値の一例を示す図である。なお、第1主成分及び第2主成分は、NIRSデータの特徴量における複数の成分において、NIRSデータ全体に対する影響が1番目及び2番目に大きい成分である。
FIG. 15 is a diagram showing an example of the values of the first principal component and the second principal component after the dimension reduction of the feature amount for each operation of the
脳分析装置40は、次元削減された各NIRSデータの特徴量(例えば第1主成分及び第2主成分)を、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)別に分類する(S24)。
The
脳分析装置40は、one-class SVM(Support Vector Machine)によって分類モデルを生成し、分類モデルに従って上記分類を行ってよい。One-class SVMは、教師無し学習の一手法である。脳分析装置40は、One-class SVMにおいて、単純反復動作時のNIRSデータ及び非単純反復動作時のNIRSデータのいずれか一方のデータを正常値とし、単純反復動作時のNIRSデータ及び非単純反復動作時のNIRSデータのいずれか他方のデータを異常値として、上記分類を行ってよい。
The
ここでは主に、単純反復動作時のNIRSデータを正常値とし、非単純反復動作時のNIRSデータのいずれか他方のデータを異常値とすることを例示する。なお、理想的な分類でない場合には、単純反復動作時のNIRSデータが異常値に分類され、非単純反復動作時のNIRSデータが正常値に分類され得る。 Here, it is mainly exemplified that the NIRS data at the time of simple repetitive operation is set as a normal value and the data of any one of the NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is set as an abnormal value. If the classification is not ideal, the NIRS data during the simple repetitive operation may be classified as an abnormal value, and the NIRS data during the non-simple repetitive operation may be classified as a normal value.
脳分析装置40は、one-class SVMに従って、第1主成分及び第2主成分の値によって各NIRSデータをマッピングし、第1主成分及び第2主成分の値の場合における分類スコアを算出する。分類スコアを、単にスコアとも称する。
The
図16は、第1解析例における、第1主成分及び第2の主成分の値と分類スコアとの関係の一例を示す図である。例えば、単純反復動作時の5個のNIRSデータを基準に、単純反復動作以外のデータ(つまり非単純反復動作のNIRSデータ)が判別される。分類スコアが大きい程、異常値を示すデータであり、つまり非単純反復動作のNIRSデータである。したがって、脳分析装置40は、分類スコアが閾値th以上であるか未満であるかによって、正常値(単純反復動作のNIRSデータ)であるか異常値(非単純反復動作のNIRSデータ)であるかを判別してよい。閾値thは、固定値でも可変値でもよい。脳分析装置40が、閾値thを任意の値に設定してよい。これにより、例えば、訓練者trの訓練を管理する管理者は、脳分析装置40の操作部等を介して、閾値thがNIRSデータを所望な状態に分類可能な値に設定できる。
FIG. 16 is a diagram showing an example of the relationship between the values of the first principal component and the second principal component and the classification score in the first analysis example. For example, data other than the simple repetitive operation (that is, the NIRS data of the non-simple repetitive operation) is determined based on the five NIRS data at the time of the simple repetitive operation. The larger the classification score, the more the data indicates an abnormal value, that is, the NIRS data of non-simple repetitive motion. Therefore, the
具体的には、脳分析装置40は、例えばSurf関数を基に、分類スコアを算出してよい。分類スコア(Score)は、例えば式(2)に従って算出されてよい。
式(2)の分類スコアの算出式を用いて、予想外のデータ(非単純反復動作時のNIRSデータ)のクラスタがまとまった範囲となるように、つまり非単純反復動作時のNIRSデータについて分類スコアが所定範囲に収まるように、式(2),式(3)におけるρの値が調整してよい。このρが上記の閾値thに相当してよい。よって、式(2)で算出される分類スコアの値が大きく、且つ、式(3)で示された損失関数の値が小さくなるように、ρが調整されてよい。 Using the formula for calculating the classification score in Eq. (2), classify the NIRS data during non-simple repetitive operation so that the cluster of unexpected data (NIRS data during non-simple repetitive operation) becomes a cohesive range. The value of ρ in Eqs. (2) and (3) may be adjusted so that the score falls within a predetermined range. This ρ may correspond to the above threshold value th. Therefore, ρ may be adjusted so that the value of the classification score calculated by the equation (2) is large and the value of the loss function shown by the equation (3) is small.
ρの調整精度に、分類スコアによる分類精度が影響され得る。例えば、脳分析装置40は、図16において、分類スコアの閾値th=5とすることで、分類スコア(Score)が値5以上の場合に異常値(非単純反復動作時のNIRSデータ)と判定し、分類スコア(Score)が値5未満の場合に正常値(単純反復動作時のNIRSデータ)と判定してよい。なお、この場合でも、分類スコアが値5以上の範囲に正常値が入り込んだり、分類スコアが値5未満の範囲に異常値が入り込んだりすることがあり得る。つまり、分類不正解となることがあり得る。
The accuracy of ρ adjustment can be affected by the accuracy of classification by classification score. For example, in FIG. 16, the
また、脳分析装置40は、One-class SVMに従った分類の結果を蓄積して分類モデル(分類アルゴリズム)を生成し、機械学習させてよい。これにより、脳分析装置40は、機械学習後のタイミングで行われる運動訓練装置5の動作別でのNIRSデータの特徴量の分類精度を向上できる。
Further, the
図17は、第1解析例における、NIRSデータの分類結果の一例を示す図である。図17では、単純反復動作時の5個のNIRSデータと、非単純反復動作時の260個のNIRSデータとの分類結果を示している。ここでは、単純反復動作時のNIRSデータからランダムに5個のサンプルデータが抽出され、抽出されたサンプルデータを基に、分類モデルが生成されてよい。脳分析装置40は、生成された分類モデルに従って、刺激無しのデータとしての単純反復動作(repetition)結果のNIRSデータと、刺激ありのデータとしての非単純反復動作(illusion)結果のNIRSデータと、に分類されている。この分類の手法は、第1解析例~第5解析例において同様である。
FIG. 17 is a diagram showing an example of the classification result of NIRS data in the first analysis example. FIG. 17 shows the classification results of 5 NIRS data in the simple repetitive operation and 260 NIRS data in the non-simple repetitive operation. Here, five sample data may be randomly extracted from the NIRS data during the simple iterative operation, and a classification model may be generated based on the extracted sample data. According to the generated classification model, the
図17に示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の260個のNIRSデータ(実データ)のうち、155個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、103個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、40%である。 As shown in FIG. 17, of the 5 NIRS data (actual data) during the simple iterative operation, 4 NIRS data are classified into the data during the simple iterative operation, and 1 NIRS data is the non-simple iterative operation. It was classified as time data. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Further, out of 260 NIRS data (actual data) at the time of non-simple repetitive operation, 155 NIRS data are classified into data at the time of simple repetitive operation, and 103 NIRS data are classified as data at the time of non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 40%.
脳分析装置40は、導出されたNIRSデータの分類結果を提示する。この場合、脳分析装置40は、例えば図17に示す情報を、表示装置30にNIRSデータの分類結果として表示させてよい。
The
(第2解析例)
第2解析例では、以下の内容の運動訓練のデータが得られる。1回の運動訓練の時間長さは、91秒であり、この期間に1784サンプル得られる。脳機能が計測される脳機能計測チャネルCHqの数は52個である。運動訓練は、3回連続して実施される。運動訓練の動作指令として、単純反復動作の指令と非単純反復動作の指令との2種類の指令を含む。訓練者trは5人である。なお、訓練者tr毎にNIRSデータが区別されており、訓練者trの個人単位で上記関連性が解析されている。
(Second analysis example)
In the second analysis example, the following exercise training data can be obtained. The duration of one exercise training is 91 seconds, and 1784 samples are obtained during this period. The number of brain function measurement channels CHq in which brain function is measured is 52. Exercise training is carried out three times in a row. The motion commands for exercise training include two types of commands, a command for simple repetitive motion and a command for non-simple repetitive motion. There are five trainee trs. The NIRS data is distinguished for each trainer tr, and the above relationship is analyzed for each individual trainer tr.
第2解析例においても、図14と同様の手法で、NIRSデータが分析されてよい。なお、S12で取得されるNIRSデータは、訓練者tr毎に区別され、訓練者毎に、例えば、1784サンプル×52チャネル×3回連続×2種類の動作指令、分のNIRSデータが入力される。 In the second analysis example, the NIRS data may be analyzed by the same method as in FIG. The NIRS data acquired in S12 is distinguished for each trainer tr, and for example, 1784 samples × 52 channels × 3 consecutive times × 2 types of operation commands, and minutes of NIRS data are input for each trainer. ..
図18A~図18Eは、第2解析例における、訓練者tr毎(訓練者tr1~tr5)のNIRSデータの分類結果の一例を示す図である。図18Aは、訓練者tr1についての分類結果を示す。図18Bは、訓練者tr2についての分類結果を示す。図18Cは、訓練者tr3についての分類結果を示す。図18Dは、訓練者tr4についての分類結果を示す。図18Eは、訓練者tr5についての分類結果を示す。 18A to 18E are diagrams showing an example of the classification result of NIRS data for each trainer tr (trainers tr1 to tr5) in the second analysis example. FIG. 18A shows the classification result for the trainee tr1. FIG. 18B shows the classification result for the trainee tr2. FIG. 18C shows the classification results for the trainee tr3. FIG. 18D shows the classification results for the trainee tr4. FIG. 18E shows the classification results for the trainee tr5.
訓練者tr1については、図18Aに示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の52個のNIRSデータ(実データ)のうち、32個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、20個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、38%である。 As for the trainee tr1, as shown in FIG. 18A, 4 NIRS data out of 5 NIRS data (actual data) at the time of simple iterative operation are classified into data at the time of simple iterative operation, and 1 NIRS. The data was categorized as non-simple iterative data. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Of the 52 NIRS data (actual data) during non-simple repetitive operation, 32 NIRS data are classified as data during simple repetitive operation, and 20 NIRS data are classified as data during non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 38%.
訓練者tr2については、図18Bに示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の52個のNIRSデータ(実データ)のうち、29個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、23個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、44%である。 As for the trainee tr2, as shown in FIG. 18B, 4 NIRS data out of 5 NIRS data (actual data) at the time of simple iterative operation are classified into data at the time of simple iterative operation, and 1 NIRS. The data was categorized as non-simple iterative data. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Of the 52 NIRS data (actual data) during non-simple repetitive operation, 29 NIRS data are classified as data during simple repetitive operation, and 23 NIRS data are classified as data during non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 44%.
訓練者tr3については、図18Cに示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の52個のNIRSデータ(実データ)のうち、31個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、21個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、40%である。 As for the trainee tr3, as shown in FIG. 18C, 4 NIRS data out of 5 NIRS data (actual data) at the time of simple iterative operation are classified into data at the time of simple iterative operation, and 1 NIRS. The data was categorized as non-simple iterative data. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Of the 52 NIRS data (actual data) during non-simple repetitive operation, 31 NIRS data are classified as data during simple repetitive operation, and 21 NIRS data are classified as data during non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 40%.
訓練者tr4については、図18Dに示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の52個のNIRSデータ(実データ)のうち、31個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、21個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、40%である。 As for the trainee tr4, as shown in FIG. 18D, 4 NIRS data out of 5 NIRS data (actual data) at the time of simple iterative operation are classified into data at the time of simple iterative operation, and 1 NIRS. The data was categorized as non-simple iterative data. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Of the 52 NIRS data (actual data) during non-simple repetitive operation, 31 NIRS data are classified as data during simple repetitive operation, and 21 NIRS data are classified as data during non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 40%.
訓練者tr5については、図18Eに示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の52個のNIRSデータ(実データ)のうち、30個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、22個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、42%である。 As for the trainee tr5, as shown in FIG. 18E, 4 NIRS data out of 5 NIRS data (actual data) at the time of simple iterative operation are classified into data at the time of simple iterative operation, and 1 NIRS. The data was categorized as non-simple iterative data. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Of the 52 NIRS data (actual data) during non-simple repetitive operation, 30 NIRS data are classified as data during simple repetitive operation, and 22 NIRS data are classified as data during non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 42%.
このように、第2解析例では、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、38%~44%の範囲に収まっており、分類結果に個人差はほとんど無いことが理解できる。また、第1解析例の訓練者tr毎にデータを区別しない場合には、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は40%であったので、訓練者tr毎にデータを区別してもしなくても、分類結果にほとんど差が無いことが理解できる。 As described above, in the second analysis example, the classification correct answer rate of the NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is within the range of 38% to 44%, and it can be understood that there is almost no individual difference in the classification result. Further, when the data is not distinguished for each trainer tr in the first analysis example, the classification correct answer rate of the NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 40%, so that the data may be distinguished for each trainer tr. It can be understood that there is almost no difference in the classification results even without it.
(第3解析例)
第3解析例では、以下の内容の運動訓練のデータが得られる。解析に用いるNIRS信号の実測値の時間的な範囲の制限が考慮される。1回の運動訓練の時間長さは60秒であり、この期間に1177サンプル得られる。脳機能が計測される脳機能計測チャネルCHqの数は52個である。運動訓練は、3回連続して実施される。運動訓練の動作指令として、単純反復動作の指令と非単純反復動作の指令との2種類の指令を含む。訓練者trは5人である。なお、訓練者tr毎にNIRSデータが区別されていない。
(3rd analysis example)
In the third analysis example, the following exercise training data can be obtained. Limitation of the time range of the measured values of the NIRS signal used for analysis is taken into consideration. The duration of one exercise training is 60 seconds, and 1177 samples are obtained during this period. The number of brain function measurement channels CHq in which brain function is measured is 52. Exercise training is carried out three times in a row. The motion commands for exercise training include two types of commands: simple repetitive motion commands and non-simple repetitive motion commands. There are five trainee trs. The NIRS data is not distinguished for each trainer tr.
図19Aは、運動訓練装置5により単純反復動作を行った場合における、運動訓練装置5の解析に用いる動作範囲の制限の一例を示す図である。図19Bは、運動訓練装置5により非単純反復動作を行った場合における、運動訓練装置5の解析に用いる動作範囲の制限の一例を示す図である。
FIG. 19A is a diagram showing an example of limitation of the operation range used for the analysis of the
図19A及び図19Bでは、時刻20秒(s)~80秒(s)の間(期間P1)の動作に伴う運動訓練時のNIRS信号が、解析に用いられる。この時間範囲は、単純反復動作(repetitive)と非単純反復動作(illusion)とで、スライダ20の移動周期やスライダ20の移動周期における移動距離(移動振幅)が異なる範囲に相当する。このように、第3解析例では、解析に用いるNIRS信号の実測値の時間的な範囲の制限が考慮される。なお、後述する第5解析例でも同様である。
In FIGS. 19A and 19B, the NIRS signal during exercise training associated with the movement between the
第3解析例においても、図14と同様の手法で、NIRSデータが分析されてよい。なお、S12で取得されるNIRSデータは、時間制限が加味され、例えば、1177サンプル×52チャネル×3回連続×2種類の動作指令×5人、分のNIRSデータが入力される。 In the third analysis example, the NIRS data may be analyzed by the same method as in FIG. The NIRS data acquired in S12 is time-limited, and for example, 1177 samples × 52 channels × 3 consecutive times × 2 types of operation commands × 5 people, minutes of NIRS data are input.
図20は、第3解析例における、運動訓練装置5の動作別の、特徴量の次元削減後の第1主成分及び第2主成分の値の一例を示す図である。第3解析例では、訓練者tr5人分のNIRSデータを利用し、脳刺激に影響があると思われる時間範囲を限定して、NIRSデータが分析される。
FIG. 20 is a diagram showing an example of the values of the first principal component and the second principal component after the dimension reduction of the feature amount for each operation of the
図21は、第3解析例における、第1主成分及び第2の主成分の値と分類スコアとの関係の一例を示す図である。図22は、第3解析例における、NIRSデータの分類結果の一例を示す図である。 FIG. 21 is a diagram showing an example of the relationship between the values of the first principal component and the second principal component and the classification score in the third analysis example. FIG. 22 is a diagram showing an example of the classification result of NIRS data in the third analysis example.
第3解析例では、図22に示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の260個のNIRSデータ(実データ)のうち、146個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、112個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、43%である。 In the third analysis example, as shown in FIG. 22, four NIRS data out of the five NIRS data (actual data) at the time of the simple iterative operation are classified into the data at the time of the simple iterative operation, and one NIRS. The data was categorized as data during non-simple iterative operation. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Further, of the 260 NIRS data (actual data) during the non-simple repetitive operation, 146 NIRS data are classified into the data during the simple repetitive operation, and 112 NIRS data are classified into the data during the non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 43%.
(第4解析例)
第4解析例では、以下の内容の運動訓練のデータが得られる。1回の運動訓練の時間長さは、91秒であり、この期間に1784サンプル得られる。脳機能が計測される脳機能計測チャネルCHqの数は、12個であり、脳機能計測チャネル数(頭部における測定点の数)が制限されている。運動訓練は、3回連続して実施される。運動訓練の動作指令として、単純反復動作の指令と非単純反復動作の指令との2種類の指令を含む。訓練者trは5人である。なお、訓練者tr毎にNIRSデータが区別されていない。
(4th analysis example)
In the fourth analysis example, the following exercise training data can be obtained. The duration of one exercise training is 91 seconds, and 1784 samples are obtained during this period. The number of brain function measurement channels CHq in which brain function is measured is 12, and the number of brain function measurement channels (the number of measurement points in the head) is limited. Exercise training is carried out three times in a row. The motion commands for exercise training include two types of commands, a command for simple repetitive motion and a command for non-simple repetitive motion. There are five trainee trs. The NIRS data is not distinguished for each trainer tr.
第4解析例では、複数の脳機能計測チャネルのうち、運動に関係が深いと推測される脳機能計測チャネルが12個選出され、選出された脳機能計測チャネルで計測されたNIRSデータが解析される。 In the fourth analysis example, 12 brain function measurement channels that are presumed to be closely related to exercise are selected from a plurality of brain function measurement channels, and NIRS data measured by the selected brain function measurement channels are analyzed. To.
図23は、選出された脳機能計測チャネルの設定例を示す図である。図23では、1次体性感覚野及び高次運動野の脳機能計測チャネルが示されている。1次体性感覚野には、感覚運動野(SMC:sensorimotor cortex)が含まれる。高次運動野には、運動前野(PMC:Premotor cortex)、補足運動野(SMA:supplementary motor area)、及び前補足運動野(preSMA)が含まれる。SMCの脳機能計測チャネルは、脳機能計測チャネルCH33,CH34である。PMCの脳機能計測チャネルは、脳機能計測チャネルCH10,CH17,CH25,CH12,CH20,CH27である。SMAの脳機能計測チャネルは、脳機能計測チャネルCH18,CH19である。preSMAの脳機能計測チャネルは、脳機能計測チャネルCH3、CH18,CH4,CH19である。なお、選出されたチャネルは一例であり、他の脳機能計測チャネルが選出されてもよい。 FIG. 23 is a diagram showing a setting example of the selected brain function measurement channel. FIG. 23 shows brain function measurement channels in the primary somatosensory cortex and the higher motor cortex. The primary somatosensory cortex includes the sensorimotor cortex (SMC). Higher motor areas include premotor cortex (PMC), supplementary motor area (SMA), and premotor area (preSMA). The brain function measurement channels of SMC are brain function measurement channels CH33 and CH34. The brain function measurement channels of PMC are brain function measurement channels CH10, CH17, CH25, CH12, CH20, and CH27. The brain function measurement channels of SMA are brain function measurement channels CH18 and CH19. The brain function measurement channels of preSMA are brain function measurement channels CH3, CH18, CH4, and CH19. The selected channel is an example, and other brain function measurement channels may be selected.
第4解析例においても、図14と同様の手法で、NIRSデータが分析されてよい。なお、S12で取得されるNIRSデータは、測定点(チャネル)の制限が加味され、例えば、1784サンプル×12チャネル×3回連続×2種類の動作指令×5人、分のNIRSデータが入力される。 In the fourth analysis example, the NIRS data may be analyzed by the same method as in FIG. The NIRS data acquired in S12 is limited to measurement points (channels). For example, 1784 samples x 12 channels x 3 consecutive times x 2 types of operation commands x 5 people, and NIRS data for 5 people are input. To.
図24は、第4解析例における、運動訓練装置5の動作別の、特徴量の次元削減後の第1主成分及び第2主成分の値の一例を示す図である。図25は、第4解析例における、第1主成分及び第2の主成分の値と分類スコアとの関係の一例を示す図である。図26は、第4解析例における、NIRSデータの分類結果の一例を示す図である。
FIG. 24 is a diagram showing an example of the values of the first principal component and the second principal component after the dimension reduction of the feature amount for each operation of the
第4解析例では、図26に示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の60個のNIRSデータ(実データ)のうち、8個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、52個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、87%である。 In the fourth analysis example, as shown in FIG. 26, four NIRS data out of the five NIRS data (actual data) at the time of the simple iterative operation are classified into the data at the time of the simple iterative operation, and one NIRS. The data was categorized as data during non-simple iterative operation. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Further, of the 60 NIRS data (actual data) at the time of non-simple repetitive operation, 8 NIRS data are classified into the data at the time of simple repetitive operation, and 52 NIRS data are classified into the data at the time of non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 87%.
このように、第4解析例では、測定点(つまり脳機能計測チャネル)の選定が、NIRSデータの分類精度に大きな影響を与えることが理解できる。また、運動に関係が深いと推測される脳部分に対して、運動訓練を介して刺激を与えることに成功していると言える。また、非単純反復動作の刺激と単純反復動作の刺激とが分離して認識されていると言える。 As described above, in the fourth analysis example, it can be understood that the selection of the measurement point (that is, the brain function measurement channel) has a great influence on the classification accuracy of the NIRS data. In addition, it can be said that it has succeeded in stimulating the brain part, which is presumed to be closely related to exercise, through exercise training. Moreover, it can be said that the stimulus of non-simple repetitive motion and the stimulus of simple repetitive motion are recognized separately.
(第5解析例)
第5解析例では、以下の内容の運動訓練のデータが得られる。解析に用いるNIRS信号の実測値の時間的な範囲の制限が考慮される。1回の運動訓練の時間長さは、60秒であり、この期間に1177サンプル得られる。脳機能が計測される脳機能計測チャネルCHqの数は、12個であり、脳機能計測チャネル数(頭部における測定点の数)が制限されている。運動訓練は、3回連続して実施される。運動訓練の動作指令として、単純反復動作の指令と非単純反復動作の指令との2種類の指令を含む。訓練者trは5人である。つまり、第5解析例では、第3解析例の時間制限と第4解析例の測定点(チャネル)の制限との双方が加味されている。なお、訓練者tr毎にNIRSデータが区別されていない。
(5th analysis example)
In the fifth analysis example, the following exercise training data can be obtained. Limitation of the time range of the measured values of the NIRS signal used for analysis is taken into consideration. The duration of one exercise training is 60 seconds, and 1177 samples are obtained during this period. The number of brain function measurement channels CHq in which brain function is measured is 12, and the number of brain function measurement channels (the number of measurement points in the head) is limited. Exercise training is carried out three times in a row. The motion commands for exercise training include two types of commands: simple repetitive motion commands and non-simple repetitive motion commands. There are five trainee trs. That is, in the fifth analysis example, both the time limit of the third analysis example and the measurement point (channel) limitation of the fourth analysis example are taken into consideration. The NIRS data is not distinguished for each trainer tr.
第5解析例においても、図14と同様の手法で、NIRSデータが分析されてよい。なお、S12で取得されるNIRSデータは、時間制限及び測定点の制限が加味され、例えば、1177サンプル×12チャネル×3回連続×2種類の動作指令×5人、分のNIRSデータが入力される。 In the fifth analysis example, the NIRS data may be analyzed by the same method as in FIG. The NIRS data acquired in S12 is limited in time and measurement points. For example, 1177 samples x 12 channels x 3 consecutive times x 2 types of operation commands x 5 people, and NIRS data for 5 people are input. To.
図27は、第5解析例における、運動訓練装置5の動作別の、特徴量の次元削減後の第1主成分及び第2主成分の値の一例を示す図である。図28は、第5解析例における、第1主成分及び第2の主成分の値と分類スコアとの関係の一例を示す図である。図29は、第5解析例における、NIRSデータの分類結果の一例を示す図である。
FIG. 27 is a diagram showing an example of the values of the first principal component and the second principal component after the dimension reduction of the feature amount for each operation of the
第5解析例では、図29に示すように、単純反復動作時の5個のNIRSデータ(実データ)のうち、4個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、1個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、80%である。また、非単純反復動作時の60個のNIRSデータ(実データ)のうち、5個のNIRSデータが単純反復動作時のデータに分類され、55個のNIRSデータが非単純反復動作時のデータに分類された。つまり、非単純反復動作時のNIRSデータの分類正解率は、92%である。 In the fifth analysis example, as shown in FIG. 29, four NIRS data out of the five NIRS data (actual data) at the time of the simple iterative operation are classified into the data at the time of the simple iterative operation, and one NIRS. The data was categorized as data during non-simple iterative operation. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of simple repetitive operation is 80%. Further, of the 60 NIRS data (actual data) during the non-simple repetitive operation, 5 NIRS data are classified into the data during the simple repetitive operation, and 55 NIRS data are classified into the data during the non-simple repetitive operation. It was classified. That is, the classification correct answer rate of NIRS data at the time of non-simple repetitive operation is 92%.
このように、第5解析例では、測定点(つまり脳機能計測チャネル)を選定するとともに、時間範囲を限定することがが、NIRSデータの分類精度に更に大きな影響を与えることが理解できる。 As described above, in the fifth analysis example, it can be understood that selecting the measurement point (that is, the brain function measurement channel) and limiting the time range have a greater influence on the classification accuracy of the NIRS data.
したがって、単純反復動作時のNIRSデータをサンプルとして分類モデルを生成し、分類モデルに従って単純反復動作時のNIRSデータと非単純反復動作時のNIRSデータとを分類した場合、第1解析例における想定(訓練者trを区別せず、時間範囲の制限を考慮せず、測定点の制限を考慮しない想定)を基準とすると、以下の事項が言える。 Therefore, when a classification model is generated using the NIRS data at the time of simple iterative operation as a sample and the NIRS data at the time of simple iterative operation and the NIRS data at the time of non-simple iterative operation are classified according to the classification model, the assumption in the first analysis example ( Based on the assumption that the trainer tr is not distinguished, the time range limitation is not considered, and the measurement point limitation is not considered), the following matters can be said.
つまり、第2解析例に示したように、分類モデルに従ったNIRSデータの分類では、訓練者tr毎に分類結果が大きく異なるものではなく、訓練者trが誰であるかは、分類結果に影響を与えないことが理解できる。 That is, as shown in the second analysis example, in the classification of NIRS data according to the classification model, the classification result does not differ greatly for each trainer tr, and who the trainer tr is is determined by the classification result. It can be understood that it does not affect.
また、第3解析例に示したように、分類モデルに従ったNIRSデータの分類では、NIRSデータが取得される時間範囲が制限されたか否かは、分類結果に大きな影響を与えないことが理解できる。 Further, as shown in the third analysis example, it is understood that in the classification of NIRS data according to the classification model, whether or not the time range in which the NIRS data is acquired is limited does not significantly affect the classification result. can.
また、第4解析例に示したように、分類モデルに従ったNIRSデータの分類では、NIRSデータが取得される測定点が制限されたか否かは、分類結果に大きな影響を与えることが理解できる。 Further, as shown in the fourth analysis example, in the classification of NIRS data according to the classification model, it can be understood that whether or not the measurement points from which the NIRS data is acquired is limited has a great influence on the classification result. ..
さらに、第5解析例に示したように、分類モデルに従ったNIRSデータの分類では、NIRSデータが取得される測定点とともに時間範囲が制限されたか否かは、分類結果に一層大きな影響を与えることが理解できる。 Further, as shown in the fifth analysis example, in the classification of NIRS data according to the classification model, whether or not the time range is limited together with the measurement point from which the NIRS data is acquired has a greater influence on the classification result. Can be understood.
このように、運動訓練システム100は、各NIRSデータを分析することで、訓練者trの予想と異なる運動訓練が脳賦活(刺激)に影響し得ることを、確認することができた。
As described above, the
なお、予想通りの運動による(単純反復動作時の)NIRSデータについて特徴量を検出して、予想外の運動による(非単純反復動作時の)NIRSデータを分類することを例示したが、予想外の運動によるNIRSデータについて特徴量を検出して、予想通りの運動によるNIRSデータを分類してもよい。 In addition, although it was exemplified that the feature amount is detected for the NIRS data due to the expected movement (during simple repetitive movement) and the NIRS data due to the unexpected movement (during non-simple repetitive movement) is classified, it is unexpected. The feature amount may be detected for the NIRS data due to the exercise of the above, and the NIRS data due to the expected exercise may be classified.
分類モデルを生成し、機械学習する際に、5個のサンプルデータを用いることを例示したが、このデータ数は一例であり、他の数でよい。例えば、訓練者trを多数、サンプルデータを多数、として分類結果を蓄積し、分類モデルを多数のサンプルで機械学習させてよい。 It is illustrated that five sample data are used when generating a classification model and machine learning, but the number of data is an example and may be another number. For example, the classification results may be accumulated with a large number of trainers tr and a large number of sample data, and the classification model may be machine-learned with a large number of samples.
このように、運動訓練システム100は、運動訓練装置5などのロボット制御技術を脳リハビリに応用して、運動訓練中の訓練者trの脳機能を分析できる。また、脳計測装置45によって、脳血流酸素濃度を測定できる。また、脳計測装置45は、機械学習技術によって訓練者trの脳機能を分類したり、解析したり、評価したりできる。
As described above, the
また、運動訓練システム100は、単純反復動作と非単純反復動作とで、計測された脳血流のパターンが異なることを認識できる。よって、運動訓練システム100は、単純反復動作による定常的な脳刺激にとともに、非単純反復動作による非定常的な脳刺激を訓練者trの脳に与えることができる。訓練者trは、非定常的な脳刺激を慣れない刺激として受け取れ、脳刺激の差異を認識できる。よって、仮に訓練者trの体の一部(例えば足、手)を動かすことが困難でも、運動訓練装置5のスライダ20を用いて訓練者trの体部を強制的に動かし、脳刺激を与えることができる。つまり、訓練者trの体の一部(例えば足、手)を動かすことが困難でも、訓練者trは、運動しているような錯覚を脳に発生させることができる。
Further, the
このように、運動訓練システム100は、訓練者trの体のいずれかの部位を様々に動かすことで脳に対して異なる刺激を与え、訓練者trの運動能力の向上を期待できる。
As described above, the
以上、図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the embodiments have been described above with reference to the drawings, it goes without saying that the present disclosure is not limited to such examples. It is clear that a person skilled in the art can come up with various modifications or modifications within the scope of the claims, which naturally belong to the technical scope of the present disclosure. Understood.
上記実施形態は、宇宙空間における訓練者trの運動訓練にも適用可能である。宇宙空間に滞在すると、宇宙空間での脳の刺激に脳が慣れ、地上において本来訓練者trが持つべきバランス感覚がくずれ、訓練者trが健康を害する可能性がある。運動訓練システム100は、宇宙空間に所在する訓練者trの運動訓練にも適用でき、地上に帰還するための運動訓練に利用され得る。
The above embodiment can also be applied to exercise training of a trainer tr in outer space. When staying in outer space, the brain becomes accustomed to the stimulation of the brain in outer space, the sense of balance that the trainer tr should have on the ground is lost, and the trainer tr may be injured. The
上記実施形態では、脳分析装置40が、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時に取得された複数のNIRS信号の実測値との関係について分析や分類することを例示したが、実測値以外の値(例えば解析値)が用いられてもよい。例えば、脳分析装置40は、脳計測装置45からNIRS信号の実測値を計測結果として取得し、NIRS信号の実測値を基に、様々な解析値を生成する。解析値には、例えば、NIRS信号の実測値のばらつきを示すヒストグラム、NIRS信号の実測値の周波数解析により得られる固有値、が含まれてよい。固有値は、酸素化ヘモグロビン濃度/周波数で示されてよい。脳分析装置40は、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時の解析値との関係について分析や分類を行ってもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、脳計測装置45が、脳の血流に関する脳血流情報の一例として酸素化ヘモグロビン濃度を計測することを例示したが、脳血流情報以外の脳の機能に関する脳機能情報が計測されてもよい。脳計測装置45は、例えば、訓練者trの運動訓練時の脳波を計測してもよい。また、脳計測装置45の代わりに、脳機能情報を計測するための訓練者trの生体信号を計測する計測装置が設けられてもよい。
In the above embodiment, the
例えば、計測装置は、心電計や筋電計でよい。心電計は、訓練者trの運動中や非運動中における心電図を計測し、心電図情報を得る。心電計は、心電図情報を脳分析装置40へ送る。脳分析装置40は、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時の心電図情報との関係について分析や分類を行ってもよい。筋電計は、訓練者trの運動中や非運動中における筋電図を計測し、筋電図情報を得る。筋電計は、筋電図情報を脳分析装置40へ送る。脳分析装置40は、運動訓練装置5の動作(単純反復動作及び非単純反復動作)と、この動作時の筋電図情報との関係について分析や分類を行ってもよい。
For example, the measuring device may be an electrocardiograph or an electromyogram. The electrocardiograph measures the electrocardiogram during exercise and non-exercise of the trainee tr, and obtains electrocardiogram information. The electrocardiograph sends the electrocardiogram information to the
上記実施形態では、加速度センサ50を用いて人為的に振動を加え、振動トルクにより、動作制御装置10がスライダ20の移動を制御することを例示したが、加速度センサ50以外の外部装置かあらの信号に応じて、動作制御装置10がスライダ20の移動を制御してもよい。例えば、動作制御装置10が心電図と連動して、心臓の拍動に同期してトルク指令を行い、スライダ20の移動を制御してもよい。
In the above embodiment, the
[運動訓練システムの作用効果等]
以上のように、運動訓練システム100は、訓練者trに対して運動の支援及び分析を行う。運動訓練システム100は、訓練者trの人体の一部が載置されるスライダ20の移動を制御する動作制御装置10(制御装置の一例)と、スライダ20を用いた訓練者trの訓練期間における訓練者54の脳機能に関する脳機能情報を取得し、脳機能情報を分析する脳分析装置40(分析装置の一例)と、を備える。動作制御装置10は、スライダ20に対して、訓練期間における単純反復動作期間(第1の期間の一例)に、周期的な移動を行うよう指示し、訓練期間における非単純反復動作期間(第2の期間の一例)に、周期的な移動とは異なる非周期的な移動を行うよう指示する。脳分析装置40は、脳機能情報を、単純反復動作期間における訓練者trの脳機能に関する第1の脳機能情報、又は、非単純反復動作期間における訓練者trの脳機能に関する第2の脳機能情報、に分類する。
[Effects of exercise training system, etc.]
As described above, the
これにより、運動訓練システム100は、脳機能情報を周期的な移動期間の脳機能情報か非周期的な移動期間の脳機能情報かに分類できる。つまり、周期的な運動訓練と非周期的な運動訓練とによって、訓練者の脳血流のパターンを変化させることができた。よって、周期的な運動訓練では脳が慣れ、脳への刺激が鈍化するが、非周期的な運動訓練を取り入れることで、脳への刺激となり得ることが理解できる。また、運動訓練した人体の一部(足、手、等)から、非侵襲的に脳に刺激を与えられることができる。そのため、非侵襲で脳へ刺激を与えることができ、安全性を向上できる。
Thereby, the
スライダ20は、所定方向に沿って反復移動可能でよい。周期的な移動は、前記所定方向に沿った周期的な反復移動でよい。非周期的な移動は、前記所定方向に沿った非周期的な反復移動でよい。
The
これにより、運動訓練システム100は、訓練者trの運動による体の移動が往復運動となるので、体を動かす範囲を小さくでき、安全性に配慮できる。
As a result, in the
周期的な移動において、スライダ20の移動周期及びスライダ20の1回の移動周期における移動距離が不変でよい。非周期的な移動において、スライダ20の移動周期及びスライダ20の1回の移動周期における移動距離のうち少なくとも一方が変化してよい。
In the periodic movement, the movement cycle of the
これにより、運動訓練システム100は、スライダ20の移動周期及びスライダ20の1回の移動周期における移動距離が一定であることによる脳への刺激を訓練者trに与えることができる。また、運動訓練システム100は、スライダ20の移動周期及びスライダ20の1回の移動周期における移動距離が不定であることによる脳への刺激を訓練者trに与えることができる。
Thereby, the
スライダ20は、訓練者trの右足(第1の足の一例)が載置される右足のスライダ20a(第1のスライダn一例)と、訓練者trの左足(第2の足の一例)が載置される左足のスライダ20b(第2のスライダの一例)と、を含んでよい。
The
これにより、運動訓練システム100は、第1のスライダと第2のスライダを用いて歩行訓練できる。また、訓練者54の体重を支える人体の部位の運動を訓練することで、脳の刺激量が多くなり、脳機能情報に出やすい、と期待できる。
As a result, the
動作制御装置10は、右足のスライダ20aにかかる第1の負荷値と、左足のスライダ20bにかかる第2の負荷値と、を取得してよい。動作制御装置10は、第1の負荷値と第2の負荷値とを基に、第1の負荷値と第2の負荷値との差分が小さくなるように、右足のスライダ20aに駆動力を供給するモータ22a(第1のモータの一例)へのトルク指令値を決定し、左足のスライダ20bに駆動力を供給するモータ22b(第2のモータの一例)へのトルク指令値を決定してよい。
The
これにより、運動訓練システム100は、左足のスライダ20のバランスを保つことできる。よって、訓練者trは、例えば左右いずれかの足の運動能力が不十分であり、体重移動を十分に行うことが困難な場合でも、左右のバランスを崩して転倒する可能性を低減できる。
As a result, the
運動訓練システム100は、加速度を検出する加速度センサ50、を更に備えてよい。動作制御装置10は、加速度センサ50により検出された加速度を取得し、加速度に基づいて、スライダ20に駆動力を供給するモータ22へのトルク指令値を決定してよい。
The
これにより、加速度センサ50に加速度が与えられることで、例えば加速度センサ50が振動するように外力を与えられることで、運動訓練システム100は、加速度センサ50の検出に基づくトルク指令をモータ22に供給し、スライダ20を移動させることができる。よって、運動訓練システム100は、加速度センサ50を用いてスライダ20上の人体の一部に外乱刺激を与えることができ、人体の一部を介して脳に刺激を与えることができる。
As a result, when acceleration is applied to the
脳分析装置40は、脳機能情報における複数の特徴量を抽出してよい。脳分析装置40は、複数の特徴量に基づいて、脳機能情報のスコアを算出してよい。脳分析装置40は、スコアに基づいて、脳機能情報を分類してよい。
The
これにより、運動訓練システム100は、脳機能情報を例えば主成分分析を用いて特徴量を抽出し、特徴量に応じた脳機能情報の分類を行うことができる。
Thereby, the
脳分析装置40は、脳機能情報を分類するための分類モデルを、複数の特徴量を用いて機械学習させてよい。脳分析装置40は、スコアに基づいて、機械学習された前記分類モデルに従って前記複数の脳機能情報を分類してよい。
The
これにより、運動訓練システム100は、例えば多数の訓練者trの脳機能情報の特徴量を蓄積して分類モデルを機械学習させることで、分類モデルによる分類精度を向上できる。よって、運動訓練システム100は、機械学習された分類モデルに従うことで、脳機能情報の分類精度を向上できる。
As a result, the
また、運動訓練システム100は、脳機能情報を計測する脳計測装置45(計測装置の一例、を更に備えてよい。脳計測装置45は、訓練者trの頭部における任意の位置に第1の光を送光してよい。脳計測装置45は、訓練者trの頭部における任意の位置からの、第1の光に応じた第2の光を受光してよい。脳計測装置45は、第2の光の光量に基づいて、訓練者trの脳における血流に関する脳血流情報を計測してよい。脳計測装置45は、計測された脳血流情報を脳分析装置40へ伝達してよい。
Further, the
これにより、運動訓練システム100は、例えば近赤外分光法を用いて計測された酸素化ヘモグロビン(oxyHb)で示された脳血流情報を取得できる。
Thereby, the
脳計測装置45は、単純反復動作期間に含まれ、スライダ20の移動周期及びスライダ20の1回の移動周期における移動距離が一定となる期間P1(第3の期間の一例)において、第1の光を送光し、第2の光を受光してよい。脳計測装置45は、非単純反復動作期間における期間P1において、第1の光を送光し、第2の光を受光してよい。
The
これにより、脳計測装置45は、例えば、動作制御装置10により制御される運動訓練と同期して動作することで、スライダ20の周期的な移動と非周期的な移動との差が最もよく表れている期間P1における脳機能情報を計測できる。脳分析装置40は、この脳機能情報を取得して分類することで、分類精度を向上できる。
As a result, the
脳計測装置45は、訓練者trの頭部における1次体性感覚野及び高次運動野の位置に第1の光を送光してよい。脳計測装置45は、訓練者54の頭部における1次体性感覚野及び高次運動野の位置から、第1の光に応じた第2の光を受光してよい。
The
これにより、例えば、脳計測装置45が運動に関連性の高い測定点を選択して脳機能情報を計測することで、運動訓練に対応して脳機能情報が変化することが期待できる。
As a result, for example, the
運動訓練システム100は、動作制御装置10によるスライダ20への移動の指示に関する情報を表示する表示装置30、を更に備えてよい。
The
これにより、運動訓練システム100は、訓練者trがスライダ20の動きを予測でき、安全性を向上できる。具体的には、訓練者trは、表示装置30に表示された情報を確認することで、周期的又は非周期的に変化するスライダ20の位置指令やトルク指令値などを確認できる。また、表示装置30がバランスの表示機能等を表示すると、訓練者trは、ゲーム感覚で運動訓練でき、楽しみながらリハビリができる。また、スライダ20への移動の指示に関する情報は、表示装置30以外の提示装置(例えばスピーカや振動)によって訓練者trに知らされてもよい。
As a result, in the
本開示は、訓練者の体のいずれかの部位を様々に動かすことで脳に対して異なる刺激を与え、運動能力の向上を期待できる運動訓練システム、制御方法、及びプログラム等に有用である。 The present disclosure is useful for exercise training systems, control methods, programs, etc. that can be expected to improve athletic ability by giving different stimuli to the brain by variously moving any part of the trainer's body.
100 運動訓練システム
5 運動訓練装置
10 動作制御装置
11,11a,11b 外乱オブザーバ
12,12a,12b PID制御部
13 バイラテラル制御部
14 ハプティクス制御部
15,15a,15c,15c,15d サーボアンプ
20,20a,20b,20c,20d スライダ
22,22a,22b,22c,22d モータ
24,24a,24b ボールねじ
25 動作制御生成装置
26 ガイド部材
27,27a,27b スライダ機構
28,28a,28b スライダ機構
30 表示装置
40 脳分析装置
45 脳計測装置
46 装着部
47 処理部
50,50a,50b 加速度センサ
pr1 送光プローブ
pr2 受光プローブ
100
Claims (13)
前記訓練者の人体の一部が載置されるスライダの移動を制御する制御装置と、
前記スライダを用いた前記訓練者の訓練期間における前記訓練者の脳機能に関する脳機能情報を取得し、前記脳機能情報を分析する分析装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記スライダに対して、前記訓練期間における第1の期間に、周期的な移動を行うよう指示し、前記訓練期間における第2の期間に、前記周期的な移動とは異なり、前記スライダの時間位置、移動振幅、移動周期のうち少なくとも一つがランダムである非周期的な移動を行うよう指示し、
前記分析装置は、
前記脳機能情報における複数の特徴量を抽出し、
前記複数の特徴量に基づいて、前記脳機能情報のスコアを算出し、
前記スコアに基づいて、前記脳機能情報を、前記第1の期間における前記訓練者の脳機能に関する第1の脳機能情報、又は、前記第2の期間における前記訓練者の脳機能に関する第2の脳機能情報、に分類する、
運動訓練システム。 An exercise training system that supports and analyzes exercise for trainees.
A control device that controls the movement of the slider on which a part of the trainee's human body is placed, and
An analyzer that acquires brain function information regarding the brain function of the trainer during the training period of the trainer using the slider and analyzes the brain function information.
Equipped with
The control device is
The slider is instructed to perform a periodic movement during the first period of the training period, and during the second period of the training period, unlike the periodic movement, the time of the slider. Instructed to perform aperiodic movement in which at least one of position, movement amplitude, and movement cycle is random .
The analyzer is
A plurality of features in the brain function information are extracted, and
Based on the plurality of features, the score of the brain function information is calculated.
Based on the score, the brain function information is used as the first brain function information regarding the trainer's brain function in the first period or the second brain function regarding the trainer's brain function in the second period. Classify into brain function information,
Exercise training system.
前記周期的な移動は、前記所定方向に沿った周期的な反復移動であり、
前記非周期的な移動は、前記所定方向に沿った非周期的な反復移動である、
請求項1に記載の運動訓練システム。 The slider can be repeatedly moved along a predetermined direction.
The periodic movement is a periodic repetitive movement along the predetermined direction.
The aperiodic movement is an aperiodic repetitive movement along the predetermined direction.
The exercise training system according to claim 1.
前記非周期的な移動において、前記スライダの移動周期及び前記スライダの1回の移動周期における移動距離のうち少なくとも一方が変化する、
請求項2に記載の運動訓練システム。 In the periodic movement, the movement cycle of the slider and the movement distance in one movement cycle of the slider are unchanged.
In the aperiodic movement, at least one of the movement cycle of the slider and the movement distance in one movement cycle of the slider changes.
The exercise training system according to claim 2.
前記訓練者の第1の足が載置される第1のスライダと、
前記訓練者の第2の足が載置される第2のスライダと、を含む、
請求項2または3に記載の運動訓練システム。 The slider is
A first slider on which the trainee's first foot is placed, and
Includes a second slider on which the trainee's second foot rests.
The exercise training system according to claim 2 or 3.
前記第1のスライダにかかる第1の負荷値と、前記第2のスライダにかかる第2の負荷値と、を取得し、
前記第1の負荷値と前記第2の負荷値とを基に、前記第1の負荷値と前記第2の負荷値との差分が小さくなるように、前記第1のスライダに駆動力を供給する第1のモータへのトルク指令値を決定し、前記第2のスライダに駆動力を供給する第2のモータへのトルク指令値を決定する、
請求項4に記載の運動訓練システム。 The control device is
The first load value applied to the first slider and the second load value applied to the second slider are acquired.
Based on the first load value and the second load value, a driving force is supplied to the first slider so that the difference between the first load value and the second load value becomes small. The torque command value to the first motor is determined, and the torque command value to the second motor that supplies the driving force to the second slider is determined.
The exercise training system according to claim 4.
前記制御装置は、
前記加速度センサにより検出された加速度を取得し、
前記加速度に基づいて、前記スライダに駆動力を供給するモータへのトルク指令値を決定する、
請求項1~5のいずれか1項に記載の運動訓練システム。 Further equipped with an accelerometer that detects acceleration,
The control device is
The acceleration detected by the acceleration sensor is acquired, and the acceleration is acquired.
Based on the acceleration, the torque command value to the motor that supplies the driving force to the slider is determined.
The exercise training system according to any one of claims 1 to 5.
前記脳機能情報を分類するための分類モデルを、前記複数の特徴量を用いて機械学習させ、
前記スコアに基づいて、機械学習された前記分類モデルに従って前記複数の脳機能情報を分類する、
請求項1の運動訓練システム。 The analyzer is
A classification model for classifying the brain function information is machine-learned using the plurality of features.
Based on the score, the plurality of brain function information is classified according to the machine-learned classification model.
The exercise training system of claim 1 .
前記計測装置は、
前記訓練者の頭部における任意の位置に第1の光を送光し、
前記訓練者の頭部における任意の位置からの、前記第1の光に応じた第2の光を受光し、
前記第2の光の光量に基づいて、前記訓練者の脳における血流に関する脳血流情報を計測し、
計測された前記脳血流情報を前記分析装置へ伝達する、
請求項1~7のいずれか1項に記載の運動訓練システム。 Further equipped with a measuring device for measuring the brain function information,
The measuring device is
A first light is sent to an arbitrary position on the trainee's head,
The second light corresponding to the first light is received from an arbitrary position on the trainee's head.
Based on the amount of the second light, the cerebral blood flow information regarding the blood flow in the trainer's brain is measured.
The measured cerebral blood flow information is transmitted to the analyzer.
The exercise training system according to any one of claims 1 to 7 .
前記第1の期間に含まれ、前記スライダの移動周期及び前記スライダの1回の移動周期における移動距離が一定となる第1の期間内第3の期間において、前記第1の光を送光し、前記第2の光を受光し、
前記第2の期間に含まれ、前記スライダの移動周期及び前記スライダの1回の移動周期における移動距離が一定となる第2の期間内第3の期間において、前記第1の光を送光し、前記第2の光を受光する、
請求項8に記載の運動訓練システム。 The measuring device is
The first light is transmitted in the third period within the first period included in the first period and in which the movement cycle of the slider and the movement distance in one movement cycle of the slider are constant. , Receiving the second light,
The first light is transmitted in the third period within the second period included in the second period and in which the movement cycle of the slider and the movement distance in one movement cycle of the slider are constant. , Receiving the second light,
The exercise training system according to claim 8 .
前記訓練者の頭部における1次体性感覚野及び高次運動野の位置に前記第1の光を送光し、
前記訓練者の頭部における1次体性感覚野及び高次運動野の位置から、前記第1の光に応じた前記第2の光を受光する、
請求項8または9に記載の運動訓練システム。 The measuring device is
The first light is transmitted to the positions of the primary somatosensory cortex and the higher motor cortex on the trainee's head.
The second light corresponding to the first light is received from the positions of the primary somatosensory cortex and the higher motor cortex on the trainee's head.
The exercise training system according to claim 8 or 9 .
請求項1~10のいずれか1項に記載の運動訓練システム。 A display device for displaying information regarding an instruction to move to the slider by the control device is further provided.
The exercise training system according to any one of claims 1 to 10 .
前記運動訓練システムの制御装置が、前記訓練者の人体の一部が載置されるスライダの移動を制御するステップと、
前記運動訓練システムの分析装置が、前記スライダを用いた前記訓練者の訓練期間における前記訓練者の脳機能に関する脳機能情報を取得し、前記脳機能情報を分析するステップと、
を有し、
前記制御装置が前記スライダの移動を制御するステップは、
前記スライダに対して、前記訓練期間における第1の期間に、周期的な移動を行うよう指示し、前記訓練期間における第2の期間に、前記周期的な移動とは異なり、前記スライダの時間位置、移動振幅、移動周期のうち少なくとも一つがランダムである非周期的な移動を行うよう指示するステップを含み、
前記分析装置が前記脳機能情報を分析するステップは、
前記脳機能情報における複数の特徴量を抽出するステップと、
前記複数の特徴量に基づいて、前記脳機能情報のスコアを算出するステップと、
前記スコアに基づいて、前記脳機能情報を、前記第1の期間における前記訓練者の脳機能に関する第1の脳機能情報、又は、前記第2の期間における前記訓練者の脳機能に関する第2の脳機能情報、に分類するステップを含む、
制御方法。 It is a control method of an exercise training system that supports and analyzes exercise for trainees.
A step in which the control device of the exercise training system controls the movement of the slider on which a part of the trainer's human body is placed.
A step in which the analyzer of the exercise training system acquires brain function information regarding the brain function of the trainer during the training period of the trainer using the slider, and analyzes the brain function information.
Have,
The step in which the control device controls the movement of the slider is
The slider is instructed to perform a periodic movement during the first period of the training period, and during the second period of the training period, unlike the periodic movement, the time of the slider. Includes steps instructing an aperiodic movement in which at least one of the position, movement amplitude, and movement cycle is random .
The step in which the analyzer analyzes the brain function information is
The step of extracting a plurality of features in the brain function information and
A step of calculating a score of the brain function information based on the plurality of features, and
Based on the score, the brain function information is used as the first brain function information regarding the trainer's brain function in the first period or the second brain function regarding the trainer's brain function in the second period. Brain function information, including steps to classify,
Control method.
前記制御方法は、
前記訓練者の人体の一部が載置されるスライダの移動を制御するステップと、
前記スライダを用いた前記訓練者の訓練期間における前記訓練者の脳機能に関する脳機能情報を取得し、前記脳機能情報を分析するステップと、
を有し、
前記スライダの移動を制御するステップは、
前記スライダに対して、前記訓練期間における第1の期間に、周期的な移動を行うよう指示し、前記訓練期間における第2の期間に、前記周期的な移動とは異なり、前記スライダの時間位置、移動振幅、移動周期のうち少なくとも一つがランダムである非周期的な移動を行うよう指示するステップを含み、
前記脳機能情報を分析するステップは、
前記脳機能情報における複数の特徴量を抽出するステップと、
前記複数の特徴量に基づいて、前記脳機能情報のスコアを算出するステップと、
前記スコアに基づいて、前記脳機能情報を、前記第1の期間における前記訓練者の脳機能に関する第1の脳機能情報、又は、前記第2の期間における前記訓練者の脳機能に関する第2の脳機能情報、に分類するステップを含む、
プログラム。 It is a program for making a computer execute the control method of the exercise training system that supports and analyzes the exercise for the trainee.
The control method is
The step of controlling the movement of the slider on which a part of the trainee's human body is placed, and
A step of acquiring brain function information regarding the brain function of the trainer during the training period of the trainer using the slider and analyzing the brain function information.
Have,
The step of controlling the movement of the slider is
The slider is instructed to perform a periodic movement during the first period of the training period, and during the second period of the training period, unlike the periodic movement, the time of the slider. Includes steps instructing an aperiodic movement in which at least one of the position, movement amplitude, and movement cycle is random .
The step of analyzing the brain function information is
The step of extracting a plurality of features in the brain function information and
A step of calculating a score of the brain function information based on the plurality of features, and
Based on the score, the brain function information is used as the first brain function information regarding the trainer's brain function in the first period or the second brain function regarding the trainer's brain function in the second period. Brain function information, including steps to classify into,
program.
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