JP7388556B2

JP7388556B2 - 位置覚矯正装置、方法、およびプログラム

Info

Publication number: JP7388556B2
Application number: JP2022531316A
Authority: JP
Inventors: 隆司伊勢崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2023-11-29
Anticipated expiration: 2040-06-24
Also published as: US20230285836A1; WO2021260843A1; JPWO2021260843A1

Description

この発明の一態様は、ユーザの位置覚の訓練を支援するための位置覚矯正装置、方法、およびプログラムに関する。

視覚、嗅覚、触覚、味覚、聴覚は、どれも大切な感覚である。加えて近年、位置覚と称する感覚についての研究が盛んである。位置覚（Position sense）とは、ひじ、膝や手指などの身体の各部の相対的な位置を、視角などに頼らずに判断する感覚をいう。他の感覚と同じように、位置覚は加齢や疾病により機能の低下をきたすことがある。

位置覚は、予め設定された目標関節角度と、実際の身体運動の結果とを比較することで評価できる（非特許文献１を参照）。位置覚を検査するには、基準となる下肢位置、もしくは膝関節角度の位置を、目視または体性感覚刺激として被験者に記憶させる。そして、この記憶だけを頼りに下肢位置／膝関節角度の基準値に近づける運動（随意運動）を行った後の結果から、位置覚が正常か、あるいは衰えているかを判定することができる。幸いなことに、位置覚が衰えていると判定されても、リハビリなどで訓練することができる（非特許文献２を参照）。

永嶋高大，岡本康世，西村由香，"位置覚検査の運動様式による再現性の違い～膝関節伸展角度による比較～，"、理学療法学多発性硬化症.jp、［online］、［令和２年５月１２日検索］、インターネット＜URL： https://www.tahatuseikoukasyo.jp/comfort/p001_category04.html＞

位置覚を訓練するのに、目標とする身体位置／関節角度（以下、目標値と称する）を提示し、その後に身体を動かして計測された身体位置／関節角度（以下、計測値と称する）との誤差が視覚に頼らずに小さくなるまで、同じタスクを実行し続けるという方法がある。この方法では、まず、目標値を提示されたユーザ（被験者）が、この目標値に向けて体を動かした後に正解として知覚するであろう位置（以下、予測値と称する）を予測する。そして、運動を開始し、ユーザが、自らの位置覚と予測値との誤差が最小になったと感じたところで、目標値に到達したと判断する。運動の途中で目標値と現状の計測値との関係を都度、確認し、目標値と計測値とに誤差があれば予測値の修正方針を再計画する。これを繰り返すことで、目標値へのユーザの位置覚の予測を少しずつ修正し、矯正してゆく。

しかし、このような方法では、目標値と計測値とに乖離（大きな誤差）が有る場合には、予測値の修正方針を適切に計画し、遂行することが難しい。このような場合には無作為な試行錯誤を繰り返さなければならない可能性があることから、より効率的に訓練できる技術が要望されていた。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的は、位置覚を効率的に訓練することを可能にする技術を提供することにある。

この発明の一態様に係る位置覚矯正装置は、運動情報取得部と、記憶部と、誤差計算部と、回数計算部と、目標値計算部と、を具備する。運動情報取得部は、被験者が自律的に動かすことのできる身体部位の物理的位置の計測値を取得する。記憶部は、予め設定された最終目標値を記憶する。誤差計算部は、最終目標値と計測値との誤差を計算する。回数計算部は、計測値から最終目標値に達するまでに必要な被験者の随意運動の回数を、上記誤差に基づいて計算する。目標計算部は、随意運動ごとの目標値を上記回数に基づいて計算する。

この発明の一態様によれば、位置覚を効率的に訓練することを可能にする技術を提供することができる。

図１は、一実施形態に係る位置覚矯正装置１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図２は、この発明の一実施形態に係る位置覚矯正装置１のソフトウェア構成の一例を示すブロック図である。図３は、実施形態に係わる位置覚矯正装置１の処理手順の一例を示すフローチャートである。図４は、提示装置１００１により提示される指形状の一例を示す図である。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
［一実施形態］
（構成）
（１）ハードウェア構成
まず、この発明の一実施形態に係る位置覚矯正装置１の構成について説明する。実施形態に係わる位置覚矯正装置１は、例えば多発性硬化症にり患した患者のリハビリなどに用いることができる。

図１は、一実施形態に係る位置覚矯正装置１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１において、位置覚矯正装置１は、プロセッサ１０およびメモリ３０を有する、コンピュータである。また位置覚矯正装置１は、インタフェース部２０を備える。プロセッサ１０、メモリ３０、およびインタフェース部２０は、バス６０を介して接続される。

プロセッサ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、あるいはＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などの演算チップである。

メモリ３０は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の書込み／読出しが可能な不揮発性メモリ、あるいは、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリ等を含むことができる。メモリ３０の記憶領域は、プログラム４０を記憶する領域（プログラムエリア）と、データ５０を記憶するエリア（データエリア）とを含む。その他の領域は、例えばＯＳ（Operating System）から各プロセスに割り当てられるスタック領域、あるいはキャッシュ領域などとして利用される。

インタフェース部２０は、運動計測装置１０００、および提示装置１００１に接続されることができる。また、キーボード、タッチパネル、タッチパッド、マウス等の入力デバイス、あるいは、ディスプレイなどの出力デバイスがインタフェース部２０に接続されてもよい。入力デバイスはオペレータの操作により生じる操作データを取り込み、出力デバイスは、例えばオペレータに提示するための情報を出力する。また、インタフェース部２０に設定装置を接続し、位置覚矯正装置１に対する各種の設定データを与えることもできる。さらに、インタフェース部２０は、有線または無線の通信インタフェースを含むこともできる。

図１において、運動計測装置１０００は、ユーザの運動情報を計測する。計測された運動情報は、例えば信号ケーブルを介して位置覚矯正装置１に送られる。
提示装置１００１は、位置覚矯正装置１により生成された提示用のデータをユーザに提示するデバイスであり、代表的にはタブレットである。タブレットは、液晶または有機ＥＬ（Electro Luminescence）等のディスプレイやオーディオスピーカなどを有し、提示装置として好適であるがこれに限定される必要はない。情報を提示する方法には、ディスプレイによる視覚的提示、スピーカによる聴覚的提示、あるいは皮膚表面に貼付される電極による電気的提示なども考えられる。

図１において、位置覚矯正装置１は、運動計測装置１０００からユーザの運動情報を取得する。運動情報は、例えばひじ、膝の関節の角度や、腕が挙がっているか、下がっているか、挙がっている腕は右手か、左手か、などを示す情報である。この種の情報は、例えば、ユーザに装着された電極パッドから筋電位信号、あるいは筋活動パターンをセンスして取得することができる。あるいは、ユーザの身体の状態を撮影して得られた画像データを画像処理することでも、運動情報を取得することができる。実施形態では、ユーザが自律的に動かすことのできる身体部位の物理的位置の計測値を、運動情報と称する。

この実施形態では、一本の指の２つの関節（第一関節と第二関節）を対象とし、各関節の角度を運動情報として採り上げる。もちろん、対象とする身体部位は指ではなくて別の部位でも良い。また、対象とする物理量として、２つの指関節の角度（１次元で表される）を採りあげる。これに限らず、多次元で表される角度、あるいは、多次元で表される位置でもよい。

（２）ソフトウェア構成
図２は、この発明の一実施形態に係る位置覚矯正装置１のソフトウェア構成を、図１の構成と関連付けて示すブロック図である。
プロセッサ１０は、一実施形態に係る処理機能として、運動情報取得部１０１、誤差計算部１０２、到達回数計算部１０３、目標関節角度計算部１０４、および、出力制御部１０５を備える。これらの機能ブロックは、プロセッサ１０が、プログラム４０に含まれる命令を実行することで実現される。すなわち、プログラム４０は、コンピュータを位置覚矯正装置１として機能させるための命令を含む。なお、プログラム４０は、光学記録メディアなどの記録媒体に記録されたかたちで流通されることができるし、あるいは、ネットワーク経由でダウンロードすることによっても頒布されることができる。

運動情報取得部１０１は、右手の人差し指の第一関節の角度、および第二関節の角度のそれぞれの計測値を運動計測装置１０００から取得する。取得された計測値は、運動情報としてメモリ３０のデータエリアに記憶される。なおデータエリアには、予め設定された最終目標値である目標関節角度５１が記憶されている。

目標関節角度５１は、例えば設定装置１００２から入力され、インタフェース部２０経由でデータエリアに転送される。すなわちインタフェース部２０は、目標関節角度５１の設定を受け付け、メモリに記憶させる。以下では、第一関節と第二関節の目標関節角度をそれぞれ９０°として説明する。

誤差計算部１０２は、目標関節角度５１と、各関節の角度の計測値との誤差を計算する。
到達回数計算部１０３は、各関節の角度の計測値から目標関節角度５１に達するまでに必要な、ユーザの随意運動の回数を、上記誤差に基づいて計算する。この回数を、到達回数と称する。

目標関節角度計算部１０４は、ユーザによる随意運動ごとの目標値を、到達回数に基づいて計算する。
出力制御部１０５は、随意運動の目標値を提示装置１００１に出力して、表示させる。

各機能ブロック間で授受される情報について、以下に説明する。以下の説明において、数式中で付点Ｔで示される目標関節角度ベクトルを、文中ではＴ（・）と表記する。つまり式（１）が成り立つ。

目標関節角度５１は、設定装置１００２から入力された最終目標関節角度ベクトルＴと、目標関節角度計算部１０４から送られた目標関節角度ベクトルＴ（・）とを含む。この目標関節角度ベクトルＴ（・）は、誤差計算部１０２、到達回数計算部１０３、目標関節角度計算部１０４、および提示装置１００１のそれぞれから、取得される。

最終目標関節角度ベクトルＴについては、第一関節の目標関節角度９０°が第１要素に、第二関節の目標関節角度９０°が第２要素にそれぞれ格納されたベクトルＴ＝［９０，９０］が、保持される。

目標関節角度ベクトルＴ（・）についても、最終目標関節角度ベクトルＴと同様に、第一関節の目標関節角度を第１要素に、第二関節の目標関節角を第２要素に格納したベクトルで保持される。初期状態では目標関節角度ベクトルＴ（・）＝Ｔである。メモリ３０に保持される目標関節角度ベクトルＴ（・）は、目標関節角度計算部１０４により計算された最新の値で更新される。

運動情報取得部１０１は、運動計測装置１０００から運動情報Ｍを取得する。運動情報Ｍは、第一関節の角度、第二関節の角度を要素とするベクトルＭとして表される。いずれの関節の角度も０°であれば式（２）が成り立つ。
Ｍ＝［第一関節角度，第二関節角度］＝［０，０］ … （２）
運動情報Ｍは、誤差計算部１０２、および目標関節角度計算部１０４に送られる。

誤差計算部１０２は、運動情報取得部１０１から運動情報Ｍを取得し、メモリ３０から目標関節角度ベクトルＴ（・）を取得する。そして、誤差ｅを計算する。誤差ｅは、目標関節角度ベクトルＴ（・）と運動情報Ｍとの差ベクトルのノルムとして、例えば式（３）により求めることができる。

例えばＴ（・）＝［９０，９０］、Ｍ＝［０，０］とすると、式（４）により誤差ｅは次の値になる。

計算された誤差ｅは、到達回数計算部１０３に送られる。

到達回数計算部１０３は、誤差計算部１０２から誤差ｅを取得し、到達回数Ｎを計算する。到達回数Ｎは、誤差ｅの関数ｆ（ｅ）として例えば式（５）のように定義される。

式（５）の右辺は、例えば、if文を含む以下の擬似コードにより定義することができる。

一例として、到達回数Ｎの分解数ｋ＝３、ｓ_１＝５０、ｓ_２＝１３０、ｎ_１＝１、ｎ_２＝２、ｎ_３＝３とすると式（６）が成り立つ。

式（６）において誤差ｅ＝９０√２とすると、ｆ（ｅ）＝２であるので、到達回数ＮはＮ＝２として計算される。計算された到達回数Ｎは、目標関節角度計算部１０４に送られる。

目標関節角度計算部１０４は、到達回数計算部１０３から到達回数Ｎを取得し、メモリ３０から最終目標関節角度ベクトルＴを取得し、運動情報取得部１０１から運動情報Ｍを取得する。そして目標関節角度計算部１０４は、式（７）により目標関節角度ベクトルＴ（・）を計算する。

計算された目標関節角度ベクトルＴ（・）はメモリ３０に送られ、最新の値に更新される。

以上の計算は、対象部位の各関節に対して個別に実施される。その際、関節同士の可動域や干渉条件、あるいは関節ごとの位置覚特性に基づいて目標関節角度の大きさを調整してもよい。また、ユーザごとに以前の検査データを保持しておき、その成果に応じて、ｋ、ｓ_ｉ、ｎ_ｉを設定するようにしてもよい。つまり、最終目標関節角度ベクトルＴ、到達回数Ｎ、目標関節角度ベクトルＴ（・）の少なくともいずれかの履歴を、被験者ごとにメモリ３０に記憶し、検査のたびにこれらのデータを参照して、各パラメータの値を設定し直しても良い。

（作用）
図３は、実施形態に係わる位置覚矯正装置１の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、位置覚の訓練を行う方法について説明する。以下では、人差し指の第一関節、第二関節に係わる位置覚の訓練を想定する。

図３において、位置覚矯正装置１は、目標関節角度をユーザに提示する（ステップＳ１）。具体的には、例えば図４に示されるように、目標関節角度が達成されたときの指形状が提示される。このとき、最終目標関節角度ベクトルＴ、目標関節角度ベクトルＴ（・）がメモリ３０に記憶される。

次に、運動計測が実行され（ステップＳ２）、位置覚矯正装置１は、運動情報Ｍとしての人差し指の第１、第２関節の角度の計測値を取得する。次に、位置覚矯正装置１は、式（３）を用いて誤差ｅを計算する（ステップＳ３）。計算された誤差ｅが、予め定められたしきい値τよりも小さければ（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、処理は終了する。ここで、τはタスクや身体部位に応じて任意に設定することができる。

ｅ＜τでなければ（ステップＳ４：Ｎｏ）、位置覚矯正装置１は、式（５）を用いて到達回数Ｎを計算する（ステップＳ５）。そして位置覚矯正装置１は、目標関節角度ベクトルＴ（・）を式（７）を用いて計算し、次の目標値（小目標関節角度）として提示装置１００１に提示する（ステップＳ６）。

以上の処理手順において、目標関節角度計算部１０４は、ユーザにより知覚される関節の知覚的位置、つまり位置覚の精度に応じて、目標関節角度ベクトルＴ（・）を変化させる。また、目標関節角度計算部１０４は、検査の成績が良くなれば、つまり、位置覚の精度が高まってくると、式（７）のΔＭの値を小さくする。つまり、目標関節角度ベクトルＴ（・）の変化量ΔＭを小さくする。

このようにすることで、目標関節角度と関節角度の実際の計測値との差異が、ユーザの位置覚の精度に応じて徐々に小さくなるように、目標角度を提示することができる。これにより訓練の効率を高めることができる。

（効果）
以上詳述したように一実施形態では、人体の手や指の動作によって目指す位置覚の目標値をメモリ３０に予め記憶する。そして、ユーザの身体部位の動作を計測した値と目標値とを比較し、無理のない回数で最終目標値に達するように、次回の運動で目指すべき小さな目標値（目標関節角度ベクトル）を算出し、提示するようにした。このようにしたので、実施形態によれば、位置覚を効率的に訓練することを可能にする、位置覚矯正装置、方法、およびプログラムを提供することができる。

（他の実施形態）
（１）一実施形態では、運動計測装置１０００および提示装置１００１を、位置覚矯正装置１とは別途設ける構成を示した（図１）。これに代えて、例えば、運動計測装置１０００および提示装置１００１の機能の一部を位置覚矯正装置１に実装してもよい。

（２）一実施形態では、設定装置１００２により位置覚矯正装置１に目標関節角度５１を入力し、メモリ３０に記憶させるようにした。これに代えて、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリなどの外付け記憶媒体や、クラウドに配置されたデータベースサーバ等の記憶装置から、目標関節角度を取得するようにしても良い。

（３）このほか、プロセッサ１０の構成や処理手順、処理内容、注目すべきユーザの身体部位（指に限らず、ひじ、膝、足首、各関節）や、計測すべき物理量（角度、位置、手の高さ、足の高さなど）、計測値の取得方法などについては、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。

すなわち、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…位置覚矯正装置
１０…プロセッサ
２０…インタフェース部
３０…メモリ
４０…プログラム
５０…データ
５１…目標関節角度
６０…バス
１０１…運動情報取得部
１０２…誤差計算部
１０３…到達回数計算部
１０４…目標関節角度計算部
１０５…出力制御部
１０００…運動計測装置
１００１…提示装置
１００２…設定装置。

Claims

被験者が自律的に動かすことのできる身体部位の物理的位置の計測値を取得する運動情報取得部と、
予め設定された最終目標値を記憶する記憶部と、
前記最終目標値と前記計測値との誤差を計算する誤差計算部と、
前記計測値から前記最終目標値に達するまでに必要な前記被験者の随意運動の回数を、前記誤差に基づいて計算する回数計算部と、
前記随意運動ごとの目標値を前記回数に基づいて計算する目標値計算部と
を具備する、位置覚矯正装置。
前記目標値を提示装置に出力する出力部をさらに具備する、請求項１に記載の位置覚矯正装置。
前記最終目標値の設定を受け付け前記記憶部に記憶させるインタフェース部をさらに具備する、請求項１に記載の位置覚矯正装置。
前記目標値計算部は、前記被験者により知覚される前記身体部位の知覚的位置の精度に応じて前記目標値を変化させる、請求項１に記載の位置覚矯正装置。
前記目標値計算部は、前記精度の高まりに応じて前記目標値の変化量を小さくする、請求項４に記載の位置覚矯正装置。
前記最終目標値、前記随意運動の回数、および、前記随意運動ごとの目標値の少なくともいずれかの履歴を被験者ごとに前記記憶部に記憶する、請求項１に記載の位置覚矯正装置。
メモリを有するコンピュータが、被験者が自律的に動かすことのできる身体部位の物理的位置の計測値を取得する過程と、
前記コンピュータが、予め設定された最終目標値を前記メモリに記憶する過程と、
前記コンピュータが、前記最終目標値と前記計測値との誤差を計算する過程と、
前記コンピュータが、前記計測値から前記最終目標値に達するまでに必要な前記被験者の随意運動の回数を前記誤差に基づいて計算する過程と、
前記コンピュータが、前記随意運動ごとの目標値を前記回数に基づいて計算する過程と
を具備する、位置覚矯正方法。
コンピュータを、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の位置覚矯正装置として機能させるための命令を含む、プログラム。