JP7326927B2 - 学習装置、リハビリ支援システム、方法、プログラム、及び学習済みモデル - Google Patents
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Description
前記抽出部は、訓練者の訓練開始初期での指標データと前記訓練者の指標データが所定レベルにある指標データとの組合せが所定の組合せである、訓練者のリハビリデータを抽出することもできる。これにより、指標データが訓練開始初期と現段階とで所定の組合せである訓練者用の、指標データの変化予測を行うように、学習モデルを構築することができる。
前記リハビリデータは、前記訓練者の特徴を示す訓練者データを含むこともできる。これにより、訓練者の特徴を考慮して指標データの変化を予測することが可能なように、学習モデルを構築することができる。
前記学習モデルは、前記指標データが示す指標レベル毎に、一段階異なるレベルの演算結果を再帰的に反映させるモデルとすることができる。これにより、指標レベルが変化する時点を出力できるような学習モデルを構築することができる。
特に、前記学習モデルは、LSTM(Long Short-Term Memory)ブロックを有するモデルとすることができる。これにより、RNNを有するモデルにおける勾配消失問題を緩和することができるようになる。
以下、図面を参照して実施形態1について説明する。
(システム構成)
図1は、実施形態1に係るリハビリ支援システムの一構成例を示す全体概念図である。本実施形態に係るリハビリ支援システム(リハビリシステム)は、主に、歩行訓練装置100と、外部通信装置300と、サーバ(サーバ装置)500によって構成される。
上述したように、歩行訓練装置100は、外部通信装置300を介して、各種リハビリデータをサーバ500に送信する。サーバ500は、複数の歩行訓練装置100からリハビリデータを受信するように構成しておくことができ、これにより多くのリハビリデータを収集することができる。そして、サーバ500は、各種データを処理する処理装置である。例えば、サーバ500は、収集したリハビリデータを用いて機械学習を行って、学習済みモデルを構築する学習装置(学習器)として機能させることができる。なお、学習装置は学習モデル生成装置と称することもできる。
ここで、予測部510a、学習部510b、及び応答処理部510cについて説明するに先立ち、サーバ500が学習のため又はリハビリ支援処理のために収集可能なリハビリデータについて説明する。サーバ500が収集可能なリハビリデータは、主として(1)歩行訓練装置100の設定パラメータ、(2)歩行訓練装置100に設けられたセンサ等で検出された検出データ、(3)訓練者900に関するデータ、(4)訓練スタッフ901に関するデータを含む。上記(1)~(4)のリハビリデータは、取得日時に対応付けて収集されていてもよい。さらに、検出データ、又は設定パラメータは時系列に沿ったログデータとして収集されていてもよく、或いは、一定の時間毎のデータに対して抽出された特徴量などであってもよい。
上記(1)のデータは、上記(2)の検出データとともに、歩行訓練装置100でリハビリ実施中に取得された訓練者900の訓練データとして定義することができる。
設定パラメータとしては、例えば、部分体重免荷量[%]、手摺り130aの上下位置[cm]、手摺り130aの左右位置[cm]、ヒップジョイントの有無、足関節底屈制限[deg]、足関節背屈制限[deg]などが挙げられる。また、設定パラメータとしては、例えば、トレッドミル速度[km/h]、振出しアシスト[レベル]、振出し前後比[前/後]も挙げられる。また、設定パラメータとしては、例えば、膝伸展アシスト[レベル]、膝屈曲角度[deg]、膝屈伸時間[sec]、補高[mm]、抜重閾値[%]、荷重閾値[%]も挙げられる。また、設定パラメータとしては、例えば、トレッドミルのベルトの傾斜[度]、歩行補助装置による関節の動きのアシスト[レベル]、歩行補助装置による関節の動きのアシスト又は振出しアシストを発生させる頻度、歩行の異常又は正常の判定条件(例えば判定閾値)、転倒又は転倒しそうであることの判定条件(例えば判定閾値)、歩行の異常又は正常に対応付けて報知する場合はその発生条件(発生頻度や発生閾値など)も挙げられる。ここで、報知とは、音、振動、表示などのいずれによる報知であってもよく、その一部又は全部を含んでもよい。なお、ここで例示する設定パラメータを含め、リハビリデータに含まれるデータの単位は問わない。
上記(2)の検出データは、上記(1)のデータとともに、歩行訓練装置100でリハビリ実施中に取得された訓練者900の訓練データとして定義することができる。
訓練者900に関するデータ(以下、訓練者データ)は、例えば、訓練者900の属性等を示すものである。訓練者データは、訓練者900の年齢、性別、体格(身長、体重等)をはじめ、症状情報、Br.stage、SIAS、初期歩行FIM、最新の歩行FIM等を含むことができる。また、訓練者データは、訓練者900の氏名又はIDを含むことができ、また、訓練者900の好みを示す嗜好情報や性格を示す性格情報などを含むこともできる。また、訓練者データは、FIMとして、歩行能力に係るもの以外の運動項目を含むことができ、また、認知項目を含むこともできる。つまり、訓練者データは、訓練者900の身体能力を示す様々なデータを含むことができる。なお、訓練者データの一部又は全部は、身体情報、基本情報、或いは訓練者特徴情報などと称することもできる。
訓練スタッフ901に関するデータ(以下、スタッフデータ)は、例えば、訓練スタッフ901の属性等を示すものである。スタッフデータは、訓練スタッフ901の氏名又はID、年齢、性別、体格(身長、体重等)、所属する病院名、PT又は医師としての経験年数などである。スタッフデータは、訓練者900を介助するタイミングを数値化した値を介助者に関するデータとして含むことができる。
次に、サーバ500の制御部510における学習段階(学習フェーズ)での処理について、図5~図9を併せて参照しながら説明する。図5は、サーバ500における学習処理の一例を説明するためのフロー図である。図6は、その学習処理において使用する学習用データセットを説明するためのテーブルを示す図で、学習モデルに入出力されるパラメータの一例を示す図である。図7は、図6のパラメータにおける変化パターンの例を示す図である。また、図8は、上記の学習処理で用いる学習モデルの一例を説明するための図である。
次に、歩行訓練装置100及びサーバ500における運用段階(推論フェーズ)での処理について説明する。上述したように、歩行訓練装置100は、学習済みモデルにアクセス可能に構成されることで、その学習済みモデルを利用できるようになっている。なお、学習済みモデルは、学習済みモジュールと称することもできる。運用段階では主に歩行訓練装置100とそれにネットワーク接続されたサーバ500とが協働して、つまりリハビリ支援システムとして、リハビリ支援処理を行う。
以上のように、本実施形態によれば、訓練者900が歩行訓練装置100を利用してリハビリを実行する際に、その訓練者900の指標データの変化を予測することが可能な学習済みモデルを生成することができる。また、本実施形態に係る歩行訓練装置100によれば、そのように生成された学習済みモデルにアクセス可能であるため、その学習済みモデルを用い、訓練スタッフ901が訓練者900の指標データの予測結果を確認しながらリハビリ支援を行うことができる。これにより、訓練スタッフ901は、訓練者900に最適なタイミングで訓練を終了させるようなこと、つまり訓練者900の機会損失を低減させることができる。
本実施形態では、上述の説明から分かるように、次の学習ステップを有する学習方法を提供することもできる。学習ステップは、訓練者900が歩行訓練装置100を利用し実行したリハビリについての、所定期間毎のリハビリデータを入力し、訓練者900の症状、身体能力、及び回復度の少なくとも1つを示す指標データの変化を予測するための学習モデルを生成する。このリハビリデータは、上述のように、指標データと、歩行訓練装置100でリハビリ実施中に取得された訓練者900の訓練データと、を少なくとも含む。また、学習ステップは、指標データが所定の目標レベルに到達するまでのデータを教師データとして、学習モデルを生成する。
実施形態2について、その効果も含め実施形態1と異なる点を説明する。特に説明しないが、本実施形態においても、実施形態1の様々な例が適用できる。
実施形態3について、図11~図13を併せて参照しながら説明する。図11は、本実施形態に係るリハビリ支援システムにおいて用いる学習モデルの一例を示す図で、図12及び図13はいずれも学習モデルの他の例を示す図である。本実施形態では、実施形態1とは異なるアルゴリズムの学習モデルを用いる。その他の点はその効果も含めて実施形態1と同様であり、特に説明しないが、本実施形態においても実施形態1,2の様々な例が適用できる。
実施形態4について、図14及び図15を併せて参照しながら説明する。図14は、本実施形態に係るリハビリ支援システムにおいて用いる学習モデルの一例を示す図で、図15はそのような学習モデルの他の例を示す図である。本実施形態では、実施形態1~3とは異なるアルゴリズムの学習モデルを用いる。その他の点はその効果も含めて実施形態1~3と同様であり、特に説明しないが、本実施形態においても実施形態1~3の様々な例が適用できる。
実施形態1~4では、サーバ500が学習部510bを備え、サーバ500にて学習済みモデルを生成する例を挙げたが、本実施形態では、学習部や前処理部は歩行訓練装置100側(例えば全体制御部210)に備えるものとする。本実施形態に係るリハビリ支援システムは、歩行訓練装置100を含めばよいことになる。但し、この場合、学習段階においてリハビリデータの収集量を多くするために、他の歩行訓練装置からのリハビリデータを収集可能に構成しておくことが望ましい。
以上説明した各実施形態においては、訓練者900は、脚の一方を患う片麻痺患者の例を示して説明したが、両脚に麻痺を患う患者に対しても歩行訓練装置100を適用し得る。その場合は、両脚に歩行補助装置120を装着して訓練を実施する。その場合、それぞれの患脚毎に、異常歩行の評価を行っても良い。それぞれの患脚に対して独立して異常歩行の評価を行うことにより、回復度合を個別に判断することができる。
110 装具
110a 連結フック
111 ハーネスワイヤ
112 ハーネス引張部
120 歩行補助装置
121 制御ユニット
122 上腿フレーム
123 下腿フレーム
124 足平フレーム
126 調整機構
127 前側連結フレーム
127a、128a 連結フック
128 後側連結フレーム
129 上腿ベルト
130 フレーム
130a 手摺り
131 トレッドミル
132 ベルト
133 制御盤
134 前側ワイヤ
135 前側引張部
136 後側ワイヤ
137 後側引張部
138 訓練用モニタ
139 管理用モニタ
139a GUI画像
140 カメラ
210 全体制御部
210a 歩行評価部
210b 訓練判定部
210c 入出力制御部
210d 通知制御部
211 トレッドミル駆動部
212 操作受付部
213 表示制御部
214 引張駆動部
215 ハーネス駆動部
216 画像処理部
217 姿勢センサ
218 手摺りセンサ
219 通信接続IF
220 補助制御部
221 関節駆動部
222 荷重センサ
223 角度センサ
229 通信接続IF
231 入出力ユニット
232 非常停止ボタン
300 外部通信装置
400 ネットワーク
410 無線通信機器
500 サーバ
510 制御部
510a 予測部
510b 学習部
510c 応答処理部
514 通信IF
520 データ蓄積部
521 モデル記憶部
900 訓練者
901 訓練スタッフ
5000、5100、5200、5300、5400、5500 学習モデル
5011、5111、5211、5221、5231、5411、5421、5431 入力層
5012 出力層
5013、5113、5213、5223、5233、5413、5423、5433 中間層
5015、5213、5223、5413、5423 ノード
5016、5112、5212、5222、5232、5412、5422、5432 出力ノード
5310、5311、5312、5313、5510、5511、5512、5513 オートエンコーダ
Claims (17)
- 訓練者がリハビリ支援システムを利用し実行したリハビリテーションについての、前記訓練者の身体能力、あるいは前記訓練者の身体能力及び回復度、あるいは前記訓練者の症状、身体能力、及び回復度を示す指標データと、前記リハビリ支援システムでリハビリテーション実施中に取得された前記訓練者の訓練データと、前記訓練者の年齢、性別、体格、好み、及び性格を示す訓練者データと、を少なくとも含む、所定期間毎のリハビリデータを入力し、前記指標データの変化を予測するための学習モデルを生成する学習部を備え、
前記訓練データは、前記訓練者がリハビリテーションを実施する際の前記リハビリ支援システムにおける設定パラメータと、前記訓練者がリハビリテーション実施中に前記リハビリ支援システムに設けられたセンサで検出された検出データとであり、
前記学習部は、前記指標データが所定の目標レベルに到達するまでのデータを教師データとして、前記学習モデルを生成する、
学習装置。 - 複数の訓練者のリハビリデータの中から、訓練者の訓練開始初期での指標データが示す状態が所定レベルである訓練者のリハビリデータを抽出する抽出部をさらに備え、
前記学習部は、前記抽出部で抽出されたリハビリデータを入力として、前記学習モデルを前記所定レベルの訓練者用に生成する、
請求項1に記載の学習装置。 - 前記抽出部は、訓練者の訓練開始初期での指標データと前記訓練者の指標データが所定レベルにある指標データとの組合せが所定の組合せである、訓練者のリハビリデータを抽出する、
請求項2に記載の学習装置。 - 前記訓練データは、前記訓練者がリハビリテーションを実施する際の前記リハビリ支援システムにおける設定パラメータを含む、
請求項1~3のいずれか1項に記載の学習装置。 - 前記学習モデルは、前記指標データが前記所定の目標レベルに向かう変化パターンを予測するためのモデルである、
請求項1~4のいずれか1項に記載の学習装置。 - 前記学習モデルは、前記指標データが示す指標レベル毎に、一段階異なるレベルの演算結果を再帰的に反映させるモデルである、
請求項1~4のいずれか1項に記載の学習装置。 - 前記学習モデルはRNN(Recurrent Neural Network)を有するモデルである、
請求項1~6のいずれか1項に記載の学習装置。 - 前記学習モデルは、LSTM(Long Short-Term Memory)ブロックを有するモデルである、
請求項7に記載の学習装置。 - 請求項1~8のいずれか1項に記載の学習装置で学習された学習モデルである学習済みモデル。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の学習装置で学習された学習モデルである学習済みモデルにアクセス可能なリハビリ支援システムであって、
前記学習済みモデルに、訓練を開始する又は実施中の訓練者の、前記指標データ及び前記訓練データを少なくとも含むリハビリデータを入力し、前記指標データの変化を予測する予測部と、
前記予測部で予測された前記指標データの変化を提示する提示部と、
を備えたリハビリ支援システム。 - 請求項2又は3に記載の学習装置で学習された学習モデルである学習済みモデルにアクセス可能なリハビリ支援システムであって、
前記訓練者を指定する指定部と、
前記指定部で指定された訓練者の指標データに対応する学習済みモデルに、前記指定部で指定された訓練者の前記訓練データを少なくとも含むリハビリデータを入力し、前記指標データの変化を予測する予測部と、
前記予測部で予測された前記指標データの変化を提示する提示部と、
を備えたリハビリ支援システム。 - 学習装置による学習方法であって、
前記学習装置が、訓練者がリハビリ支援システムを利用し実行したリハビリテーションについての、前記訓練者の身体能力、あるいは前記訓練者の身体能力及び回復度、あるいは前記訓練者の症状、身体能力、及び回復度を示す指標データと、前記リハビリ支援システムでリハビリテーション実施中に取得された前記訓練者の訓練データと、前記訓練者の年齢、性別、体格、好み、及び性格を示す訓練者データと、を少なくとも含む、所定期間毎のリハビリデータを入力し、前記指標データの変化を予測するための学習モデルを生成する学習ステップを有し、
前記訓練データは、前記訓練者がリハビリテーションを実施する際の前記リハビリ支援システムにおける設定パラメータと、前記訓練者がリハビリテーション実施中に前記リハビリ支援システムに設けられたセンサで検出された検出データとであり、
前記学習ステップは、前記指標データが所定の目標レベルに到達するまでのデータを教師データとして、前記学習モデルを生成する、
学習方法。 - 請求項12に記載の学習方法で学習された学習モデルである学習済みモデルにアクセス可能なリハビリ支援システムによるリハビリ支援方法であって、
前記リハビリ支援システムが、前記学習済みモデルに、訓練を開始する又は実施中の訓練者の、前記指標データ及び前記訓練データを少なくとも含むリハビリデータを入力し、前記指標データの変化を予測する予測ステップと、
前記リハビリ支援システムが、前記予測ステップで予測された前記指標データの変化を提示する提示ステップと、
を有するリハビリ支援方法。 - 請求項12に記載の学習方法で学習された学習モデルである学習済みモデル。
- コンピュータに、
訓練者がリハビリ支援システムを利用し実行したリハビリテーションについての、前記訓練者の身体能力、あるいは前記訓練者の身体能力及び回復度、あるいは前記訓練者の症状、身体能力、及び回復度を示す指標データと、前記リハビリ支援システムでリハビリテーション実施中に取得された前記訓練者の訓練データと、前記訓練者の年齢、性別、体格、好み、及び性格を示す訓練者データと、を少なくとも含む、所定期間毎のリハビリデータを入力し、前記指標データの変化を予測するための学習モデルを生成する学習ステップを実行させるためのプログラムであって、
前記訓練データは、前記訓練者がリハビリテーションを実施する際の前記リハビリ支援システムにおける設定パラメータと、前記訓練者がリハビリテーション実施中に前記リハビリ支援システムに設けられたセンサで検出された検出データとであり、
前記学習ステップは、前記指標データが所定の目標レベルに到達するまでのデータを教師データとして、前記学習モデルを生成する、
プログラム。 - 請求項15に記載のプログラムで学習された学習モデルである学習済みモデルにアクセス可能なリハビリ支援システムのコンピュータに、
前記学習済みモデルに、訓練を開始する又は実施中の訓練者の、前記指標データ及び前記訓練データを少なくとも含むリハビリデータを入力し、前記指標データの変化を予測する予測ステップと、
前記予測ステップで予測された前記指標データの変化を提示する提示ステップと、
を実行させるためのリハビリ支援プログラム。 - 請求項15に記載のプログラムで学習された学習モデルである学習済みモデル。
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