JPH11514276A - 補綴物およびその他の補助手段を制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 状態が使用者の中枢神経系によって影響される組織を使用することにより、補綴物およびその他の補助装置を制御する方法について述べる。組織の状態を感知し、この感知からの情報を、使用者の運動意図を推定して、この推定に基づいて補綴物を制御するユニット（９、１０）に供給する。方法は、超音波変換器（６）を使用することにより、超音波信号を組織内に送信し、次に超音波変換器（７）を使用することにより、組織によって変調された超音波信号を受信することを含む。この受信超音波信号に基づき、使用者の運動意図を推定し、前述の推定に基づいて、幾つかの補綴物状態を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】 補綴物およびその他の補助手段を制御する方法 本発明は、請求項１の導入部分により、補綴物およびその他の補助装置を制御 する方法を述べる。 「補綴物」という用語は、主に１つ以上の動力関節を備える義手、義腕、義足 、義脚などを言う。この用語は、失われた四肢の機能の少なくとも一部に取って 代わるため、失われた、または障害のある四肢または四肢の一部を補償するよう 身体障害者が使用する他の機械的装置も含むよう、一般化することができる。そ の例は、能動的装具または能動的にロック可能な装具、車椅子およびその他の補 助装置である。さらに、「補綴物」という用語は、遠隔操作用のロボット、内視 鏡操作のための小型マニピュレータ、さらに一般的な機械類、道具類および車両 、プログラム・システム、コンピュータなど、身体障害者や健常者が使用するす べての制御可能な工業技術的システムも指すことができる。 「補綴状態」という用語は、角または線形位置、角または線形速度、トルク／ 力などの補綴物の機械的または幾何学的状態、またはそのような形態の組合せを 指す。 以下では、「筋肉」という用語は生理学的意味における筋肉、さらに人間の中 枢神経系によって直接または間接的に制御されて変形または動作することができ る他の組織や骨／関節、またはその組合せを指す。「筋収縮」は、その結果とし ての筋肉の機械的または幾何学的変化を指す。「運動意志」という用語は、本発 明の使用者が作動させたいと考える特定の機能を指す。通常の意味での補綴物の 場合、「運動意図」とは使用者が補綴物に実行してほしい運動の動作または動作 パターンを指す。 筋電気信号に基づいた補綴物の制御が知られている。この一例は、EP特許公報 第0 421 780号に見ることができる。米国特許公報第4 571 570号は、同じ目的へ の筋電気信号の活用を示す。このような既知の方法は、特に補綴物を制御するベ ースとして、検出された信号の振幅を使用する。皮膚の水分の変動および環境か らの電気的ノイズおよび音響ノイズが、信号の振幅に望ましくない変動を生じさ せ、それによって補綴物の制御に直接影響を与えることが多い。さらに、皮膚の 表面で測定する筋電気信号および筋肉音響信号は、検出用変換器を配置した部分 の全筋肉の活動の加重合計を表すが、個々の筋肉の関与を識別することは困難で ある。 したがって、既知の解決法の場合より外乱に対する許容差が大きく、したがっ て人間の運動意図をより簡単に推定することができる、補綴物およびその他の補 助装置の制御方法を提供することが本発明の目的である。さらに、複数の皮下筋 肉の筋収縮を同時に特定することができ、したがって、人間の運動意図をさらに 詳細に、かつさらに大きい自由度で推定することができる補綴物などを制御する 方法および装置を提供することが、本発明の目的である。 本発明の目的は、請求項１の特徴付けの部分で述べる方法によって達成される 。追加的な特徴は、関連の従属項で述べる。 以下で、本発明を実施例により添付図面類を参照しながら、さらに詳細に説明 する。 第１ａ図は、筋肉が収縮した状態の、身体部分の軸方向断面図を示す。 第１ｂ図は、筋肉が弛緩した状態の、身体部分の軸方向断面図を示す。 第２図は、様々な組織構造を備えた身体部分の断面図を示し、点線は、本発明 により幾つかの方向で超音波測定を使用することによって、幾つかの筋肉から幾 何学的情報を収集できる方法を示す。 第３図は、本発明により外部変換器が配置されている、様々な組織構造を備え た身体の一部の断面図を示す。 第４図は、本発明により外部および内植変換器および反射器が配置されている 、様々な組織構造を備えた身体の一部の断面図を示す。 第５図は、本発明によるオン／オフ制御システムの原理図を示す。 第１ａ図は、皮膚の表面２、骨３および筋肉４を備えた身体部分１を表す。筋 肉４は、収縮（短縮）状態で示され、皮膚表面２から骨３までの距離をΔaとす る。第１ｂ図は、筋肉が弛緩した状態の身体部分１を示し、皮膚表面２から骨３ までの距離をΔbとする。筋肉４の幾何学的形状が、収縮すると変化し、従って 収縮中の皮膚表面２から骨３までの距離Δaは、筋肉が弛緩中の距離Δbより大き いことが分かる。第１ａ図に示したケースの筋肉の収縮度は、式（Δa−Δb）で 与えられる。 本発明によると、筋肉の弛緩状態および収縮状態の測定は、超音波パルスを組 織内に送り、次に組織構造からのエコーを受信することによって行う。実際には 、異なる組織構造が数層に配置されている。これを第２図に示す。ここでは、幾 つかの筋肉４が骨３の周囲の身体部分１に分布する。全筋肉４の状態を測定する には、超音波ショット５を幾つかの方向で行えば十分であり、本発明の例では、 ７つの筋肉４を観察するために、超音波ショット５を４方向で行う。１方向のデ ータ収集を実行する（つまりビームを１本のみ使用する）場合、観察できる筋肉 変形要素は、ビームの方向と一致する要素だけである。２次元、つまり面でデー タ収集を実行することにより、この面（２次元）における筋肉変形要素を観察す ることができる。３次元、つまり体積でデータを収集することにより、３次元の 筋肉変形要素を観察することができる。 本発明の実際的な実施態様は、皮膚表面と音響的に接触するか、あるいは身体 に内植される超音波を使用することにより達成できる。第３図は、本発明の３つ の可能な実施態様を示し、ここでは送受信変換器６、７、さらに２つの送信変換 器６’、６”および２つの受信変換器７’、７”が、皮膚表面２に接触する状態 で身体部分１に配置される。超音波パルス５が送受信変換器６、７によって身体 部分１内に送信され、皮下組織構造からのエコーを同じ変換器６、７で受信する 。第３図では、骨３からのエコーのみを示す。他の組織構造からのエコーも、当 該領域の筋収縮に関する情報を提供する。送信変換器６’は、骨３に向かって超 音波パルスを送信し、エコー５’は受信変換器７’によって受信される。変換器 ６”と７”の間で、超音波パルス５”が送信変換器から受信変換器へと直線で送 られる。 第４図は、変換器または受動反射器を身体部分１に内植した、超音波測定のさ らに３つの方法例を示す。送受信変換器６、７を、皮膚表面２と音響的に接触さ せて配置し、超音波パルス５を身体部分１内に送信する。次に、同じ変換器６、 ７が内植反射器８からのエコーを受信する。内植送信変換器６’は、受信変換器 ７’が皮膚表面２で受信する超音波パルス５’を送信する。内植送受信変換器６ ”、７”は、超音波パルス５”を送信し、付近の組織構造からエコーを受信する 。第４図では、皮膚表面２からのエコーのみを示すが、他の組織構造からのエコ ーも、当該領域の筋収縮に関する情報を提供する。 受信変換器７、７’および７”から受信した超音波信号から当該データを推定 するのに、様々な分析方法を使用することができる。最初に筋肉およびその他の 組織構造から反射または送信された信号を全体的または１つ以上の局所で分析す る。次に、運動意図を推定するために、この分析を使用する。分析は、２つ以上 の超音波測定間の相互相関をベースにすることができ、個々の測定値を時間内に 分配する。相互相関分析は、対応する次元数で筋収縮を測定するために、１、２ または３次元で実行することができる。あるいは、分析は「光学フロー」分析を ベースにすることができ、２つ以上の一時的に分配した超音波測定値を使用して 、１、２または３次元で組織の速度の場を推定する。推定した速度の場を積分し て、対応する次元数で組織の回転、並進および変形を推定することができる。さ らに、パターン認識ユニットへの入力データとして、上述した分析方法で計算し た数字を使用し、パターン認識技術を使用することにより１つ以上の筋収縮を分 類したり、その量を測定したりすることができる。 分析は、受信信号（速度の測定値）の位相変化を積分することにより、１つ以 上の深さにおける組織の並進の測定値をベースにすることができる。あるいは、 分析は送信変換器６、６’、６”から受信変換器７、７’、７”までの超音波パ ルスの「飛行時間」測定値をベースにすることができる。 使用者の運動意図について、さらに確実な推定値を獲得するため、超音波測定 値を、筋電気信号（ＥＭＧ）や神経電気信号（ＥＮＧ）などの他に観察可能な生 理的信号や数字の測定値と組み合わせることができる。 本発明に対応する方法は、スイッチや力センサーで肩の動作を測定するストラ ップ付きハーネスなど、機械的、電気的、電気機械的入力装置と使用者との相互 作用と組み合わせることもできる。 筋収縮の推定は、静的または動的に実行することができる。静的推定は、上記 の方法を１つ以上使用する。動的推定は、筋肉の動的挙動の数学的モデルに基づ いて、動的状態推定器を使用することによって実施することができ、１つ以上の 上記の方法から得た推定値を推定器の入力信号として使用する。 既に述べたように、変換器は幾つかの異なる方法で配置することができる。た とえば、補綴物を身体部分に装着した時に皮膚表面と音響的に接触するような方 法で、補綴ソケットに取り付けることができる。良好な音響的接触を確保するに は、ゲル、特殊なシリコン・パッドなどが必要かもしれない。さらに、補綴ソケ ットへ固定した機械的接続部を使用せずに身体部分に装着することができ、従っ て、変換器を皮膚に押しつける力が、補綴ソケットと身体部分との間で作用する 力とは無関係である、例えば「ブレスレット」などの別個のソケットに変換器を 取り付けることができる。変換器は、身体に内植するか、組織内に内植した受動 的超音波反射器を有して、パルス・エコー測定の基準点として使用することもで きる。 より多くの変換器を使用し、冗長性を獲得し、従って品質を改善することがで き、自動的に検出し、組織に対する変換器の位置を補正して、複数の補綴物の状 態を別個に制御することなどができる。幾つかの変換器要素で構成されたアレイ ・プローブを使用し、個々のアレイ要素に関連した信号を適切に遅延させること により、複数の方向または面で送信し、測定することができる。 第５図は、単一の補綴状態をオン／オフ制御する補綴物制御システムの原理的 構造を示す。送信器と受信器の両方の働きをする超音波変換器６、７を、良好な 音響接触状態で、筋肉４が変換器と骨３との間に位置するように、身体部分１の 皮膚表面２に配置する。この方法で、送信された超音波パルス５と反射した超音 波パルス５’との両方が、筋肉４を通過する。変換器からの信号は、信号処理お よび推定を実行するユニット９に供給される。ユニット９は、観察した信号に基 づいて、皮膚表面２と骨３との間の距離の推定値を計算する。ユニット９から の信号は、以下の体系に基づき補綴物モータ１１への電圧を制御するユニット１ ０に供給される。 補綴物モータは永久磁石ＤＣモータで、当該関節機能の最終的な角速度は、モ ータに印加される電圧に比例する。したがって、第５図に描いたシステムは、筋 ユニット１０は、連続関数で代用することができる。あるいは、補綴状態から の１つ以上の帰還路を含み、より先進の制御機構にすることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．状態が使用者の中枢神経系によって影響される組織を使用することにより 、補綴物およびその他の補助装置を制御し、組織の状態を感知するよう配置され た少なくとも一つの変換器（６、７）を備え、この情報が、信号処理および使用 者の運動意図の推定を実行するユニット（９、１０）に供給され、この推定値に 対応して補綴物を制御するよう配置された装置で、 少なくとも一つの超音波変換器（６、７）が、組織内に超音波信号を送信する よう配置され、 少なくとも一つの超音波変換器（６、７）が、組織によって変調された超音波 信号を受信するよう配置され、 信号処理および推定のユニット（９、１０）が、少なくとも一つの超音波変換 器（６、７）に接続されて、前記受信超音波信号に基づいて使用者の運動意図を 推定することを特徴とする装置。 ２．一つの同じ超音波変換器（６、７）が、超音波信号の送信と受信との両方 のために配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。 ３．第１超音波変換器（６）が超音波信号受信のために配置され、第２超音波 変換器（７）が超音波信号の受信のために配置されることを特徴とする、請求項 １に記載の装置。 ４．少なくとも一つの超音波変換器（６、７）が、一定または変動する間隔で 超音波信号を順次送受信するよう配置されることを特徴とする、請求項１ないし ３のいずれか１項に記載の装置。 ５．少なくとも一つの超音波変換器（６、７）が、連続的に超音波信号を送受 信するよう配置されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記 載の装置。 ６．少なくとも一つの超音波変換器（６、７）が、１つ以上の方向で超音波信 号を送受信するよう配置されることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか １項に記載の装置。 ７．少なくとも一つの超音波変換器（６、７）が、２次元以上の連続的空間で 超音波信号を送受信するよう配置されることを特徴とする、請求項１ないし５の いずれか１項に記載の装置。 ８．受信変換器（７）が、組織構造による分散／反射を介して、送信変換器（ ６）から送信される超音波信号を受信するよう配置されることを特徴とする、請 求項１ないし７のいずれか１項に記載の装置。 ９．受信変換器（７）が、身体部分内に内植された幾つかの超音波反射器（８ ）から反射された超音波信号を受信するよう配置されることを特徴とする、請求 項１ないし７のいずれか１項に記載の装置。 １０．受信変換器（７）が、組織を通る直接的な送信を介して、送信変換器（ ６）から送信される超音波信号を受信するよう配置されることを特徴とする、請 求項１ないし７のいずれか１項に記載の装置。 １１．少なくとも一つの超音波変換器（６、７）が、身体部分の外部で、それ と良好に音響的に接触して配置されることを特徴とする、請求項１ないし１０の いずれか１項に記載の装置。 １２．少なくとも一つの超音波変換器（６、７）が、身体部分に内植されるこ とを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の装置。 １３．信号処理および推定のユニット（９、１０）が、幾つかの一時的に分離 された超音波測定値または測定値の組の相互相関によって、使用者の運動意図を 推定するよう配置されることを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれか１項 に記載の装置。 １４．信号処理および推定のユニット（９、１０）が、幾つかの一時的に分離 された超音波測定値または測定値の組を「光学フロー」分析することにより、使 用者の筋収縮および運動意図を推定するよう配置されることを特徴とする、請求 項１ないし１３のいずれか１項に記載の装置。 １５．信号処理および推定のユニット（９、１０）が、超音波測定値を、筋電 気信号（ＥＭＧ）、神経電気信号（ＥＮＧ）、または使用者の機械、電気、電気 機械的入力装置との相互作用などの観察可能な他の生理的状態の信号の測定値と 組み合わせるよう配置されることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれか １項に記載の装置。 １６．信号処理および推定の装置が、パターン認識技術による使用者の筋収縮 および運動意図を推定するよう配置され、パターン認識ユニットへの入力信号が 、請求項１ないし１５で記載された１つ以上の技術を使用することによって生成 されることを特徴とする、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の装置。