KR20090111343A - 재활지원장치 - Google Patents

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KR20090111343A
KR20090111343A KR1020097018454A KR20097018454A KR20090111343A KR 20090111343 A KR20090111343 A KR 20090111343A KR 1020097018454 A KR1020097018454 A KR 1020097018454A KR 20097018454 A KR20097018454 A KR 20097018454A KR 20090111343 A KR20090111343 A KR 20090111343A
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biosignal
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요시유키 산카이
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고쿠리쯔 다이가쿠 호징 츠쿠바 다이가쿠
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Abstract

재활지원장치(1)는, 관절로부터 뻗은 제1 골격을 따라 장착되는 제1 프레임(11), 제1 골격과 다른 방향으로 관절로부터 뻗은 제2 골격을 따라 장착되는 제2 프레임(12), 제1 프레임과 제2 프레임 사이의 회동각도위치를 검출하는 각도센서(131), 굴근의 생체신호를 검출하는 굴곡측 생체신호센서(14), 신근의 생체신호를 검출하는 신전측 생체신호센서(15), 굴곡측 보정치 및 신전측 보정치를 각각 설정하는 교정수단(31), 개체마다 다른 생체신호의 개별 보정치와 굴곡측 보정치 및 신전측 보정치를 기억하는 기억부(34)를 구비한다.

Description

재활지원장치{REHABILITATION SUPPORTING DEVICE}
본 발명은, 운동기능장해를 가진 생체의 모든 동작에 수반해서 그 생체의 체표면에 생기는 생체신호를 검출하여 생체의 운동기능회복을 위한 재활을 지원하는 재활지원장치에 관한 것이다.
의료기관이나 요양소 등의 시설에서는, 운동기능장해를 가진 피험자(생체)의 가동부(주로 손, 팔(腕), 어깨(肩), 허리(腰), 무릎(膝), 발목 등의 운동부)에 대해 운동요법에 의한 기능회복을 목적으로 한 재활이 행해지고 있다. 이런 종류의 의료적 재활을 행하는 경우, 부상이나 병 등 직접적 혹은 간접적인 요인에 의해 저하되어 버린 가동부의 기능을 회복시키기 위해, 해당 부분의 주위의 근육에 부하를 가한다든지 외력을 가해 관절의 굴신을 행한다든지 함이 행해진다. 또한, 부하나 외력을 가하는 방법에는, 추나 고무밴드를 사용한 간단한 방법에서부터, 전용 부하장치나 기구를 사용하는 방법까지 다양한 방법이 있다. 어느 경우에도 재활은, 의사나 이학요법사의 지도에 따라 실시된다.
이 운동요법에 의한 재활을 실시하는 장치로서, 운동요법장치가 특허문헌 1에 개시되어 있다. 이 장치는, 재활을 받는 피험자의 관절이나 근력(筋力)의 회복상황에 따라, 외력에 의해 강제적으로 움직여지는 타동운동(他動運動) 외에, 등척 운동(等尺運動), 등장운동(等張運動), 등속운동(等速運動) 등 피험자가 능동적으로 지체(肢體)를 움직이는 자동운동(自動運動)이나, 저항운동 등을 행할 수 있도록 하기 위해, 기부(基部)로부터 뻗은 아암과, 아암의 선단에 설치된 파지부(把持部)를 구비하고 있다.
아암은, 구동축을 복수 개 가진 다축(多軸) 링크이며, 가동범위 내에서 파지부를 임의 위치로 이동시킴과 아울러 파지부의 자세를 변화시킨다. 아암은, 미리 설정되는 가장(架裝) 기동(起動) 레일을 따라 운동한다. 파지부는, 피험자의 재활 대상이 되는 지체에 장착된다. 각각의 구동축은, 각도센서나 속도센서를 구비하고 있다.
또한, 피험자의 재활 대상이 되는 지체가 능동적으로 발생시키고 있는 부하를 계측하기 위해, 지체의 주요 근육의 근전정보(筋電情報), 아암의 위치 및 자세정보, 구동축에 장착된 토크(torque)센서의 검출치 등을 부하정보로서 취득함이 특허문헌 1에 개시되어 있다.
이 부하정보는, 자동개조운동(自動介助運動)을 실시하기 위해 이용된다. 자동개조운동에서는, 피험자가 자기 자신의 의사로 지체를 움직이면, 운동요법장치가 이때 얻어지는 부하정보를 토대로 아암 동작으로 보조함으로써, 피험자가 가한 힘 이상의 동작을 피험자의 지체에 작용시키고 있다.
또한, 재활에 의해 피험자의 회복 정도를 정량적으로 해석하기 위한 장치로서, 휴대형 근전도(筋電圖)·체동(體動)계측기가 특허문헌 2에 개시되어 있다. 이 장치는, 생체신호로서의 생체전위신호를 검출하는 생체전위센서와 체동센서를 구비 한다. 특허문헌 2에서는, 체동센서로서 가속도센서를 사용하고 있다. 이들 센서는, 피험자의 사지의 우측과 좌측에서, 한쪽을 계측부에 다른 쪽을 건강부에, 각각 대칭인 위치에 장착된다.
휴대형 근전도·체동계측기는, 각 센서로부터 얻어진 신호를 무선송신수단으로부터 별도로 설치한 퍼스널 컴퓨터에 전송한다. 센서를 장착한 피험자의 운동상태의 계측 데이터는, 디스플레이상에 수치 데이터가 되어 표시된다. 특허문헌 2에서, 의사나 이학요법사는, 이 데이터를 봄으로써, 이 피험자에 대한 재활이 효과가 있는지 어떤지 정량적으로 판정한다.
피험자의 무릎관절에 장착되어 이 피험자가 계단을 오르는 동작을 보조하는 전동보조장치가, 특허문헌 3에 개시되어 있다. 전동보조장치는, 구동부, 각도센서, 압력센서, 생체신호로서의 근전위(筋電位)를 검출하는 근전(筋電)센서를 구비하고 있다. 각도센서는, 무릎관절의 각도를 검출하고, 근전센서는, 근육의 긴장도를 검출하며, 압력센서는, 중심축이 되는 다리에 걸리는 체중 등의 부하를 검출한다. 이 전동보조장치는, 이들 센서의 검출결과에 의해 계단을 오르는 동작인지 어떤지 판정함과 동시에, 이들 센서의 신호를 트리거(trigger)로서 구동부를 작동시키고 있다.
특허문헌 1：특개평 10－258100호 공보
특허문헌 2：특개 2005－278706호 공보
특허문헌 3：특개평 7－163607호 공보
발명이 해결하려고 하는 과제
의료적 재활에서는, 예를 들면, 건강했던 경우에 비해 근력이 저하한다든지 가동범위가 좁아진다든지 한 것을 원래대로 회복시키는 것이라면, 근(筋)을 펴도록 스트레칭을 한다든지, 근육을 강화하기 위해 반복운동을 한다든지 하는 등, 지금까지 해 온 방법으로 충분히 그 역할을 해 왔다.
그렇지만, 뇌나 척추의 장해에 의해 감각을 잃는다든지 마비되어 버린다든지 하는 등 운동기능장해가 발생해 있는 경우는, 회복하기까지 매우 긴 시간과 끈기가 필요하게 될 뿐 아니라 회복할 가능성이 미지수이다. 그 때문에, 회복하는 것을 단념해 버린다든지, 몸 이외의 부분에서 지금까지의 동작을 행할 수 있도록 훈련한다든지 하는 케이스가 많았다.
이러한 경우, 운동기능장해가 생기고 나서의 시간경과가 길어질수록, 근력이나 가동범위가 감소한다든지 할 뿐 아니라, 건강했을 때의 동작이나 감각을 피험자가 잊어 버리는 경우가 있다. 특히, 평소 아무렇지도 않게 행하고 있는 동작에서는, 무의식 중에 근육을 움직이고 있으므로, 어떻게 하면 몸을 움직일 수 있는지 모르는 것이다.
또한, 재활 운동 프로그램은, 그 재활을 받는 피험자에게 적당한지 어떤지, 의사 혹은 이학요법사 등의 지도자와 피험자 사이에 반복대화를 행함으로써, 그때마다 내용이 음미되어, 결정된다. 따라서 운동 프로그램은, 대상 부위의 장해 정도나 그 회복 정도뿐 아니라, 피험자마다의 개인차에 따라 내용이 다르다.
이때, 재활 지도자는, 피험자의 팔이나 다리에 부하를 직접 주어, 그 반응을 본다든지 감각을 묻는다든지 하는 경우가 있다. 그러나, 평소 무의식 중에 근육을 움직이고 있기 때문에, 또한 느끼는 방법에도 개인차가 있기 때문에, 정량적으로 감각을 전하는 것이 어렵다. 따라서 지도자와 대상자 사이의 의사소통이 능숙하게 행해지지 않으면, 적절한 재활 지도를 제공할 수 없어, 회복을 방해하는 경우도 있다.
그래서, 본 발명은, 계측 대상이 되는 관절 주위의 물리량과 그 수의근(隨意筋)의 생체신호에 상관성을 갖게 함과 아울러, 이들을 정량적으로 출력할 수 있는 재활지원장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명에 따른 재활지원장치는, 제1 프레임과, 제2 프레임과, 각도센서와, 굴곡측(屈曲側) 생체신호센서와, 신전측(伸展側) 생체신호센서와, 교정수단과, 기억부를 구비한다. 제1 프레임은, 생체의 가동부 중 계측 대상이 되는 관절로부터 뻗은 제1 골격을 따라 장착된다. 제2 프레임은, 관절로부터 제1 골격과 다른 방향으로 뻗은 제2 골격을 따라 장착된다. 각도센서는, 관절의 회동축에 대해 동축상(同軸上)에 회동중심이 배치되어 제1 프레임과 제2 프레임 사이의 회동각도위치를 검출한다. 굴곡측 생체신호센서는, 관절을 중심으로 제1 골격과 제2 골격을 굴곡시키는 굴근(屈筋)에 대응한 체표면(體表面)에 접촉하여, 굴근의 생체신호를 검출한다. 신전측 생체신호센서는, 관절을 중심으로 제1 골격과 제2 골격을 신전시키는 신근(伸筋)에 대응한 체표면에 접촉하여, 신근의 생체신호를 검출한다. 교정수단은, 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 교정하는 굴곡측 보정치 및 신전측 생체신호센서의 출력치를 교정하는 신전측 보정치를 각각 설정한다. 기억부는, 개체마다 다른 생체신호의 개별 보정치와, 굴곡측 보정치 및 신전측 보정치를 기억한다.
이 경우, 굴곡측 생체신호센서는, 생체신호로서, 굴근을 수축시키기 위해 뇌로부터 출력되어 굴근에 대응한 체표면에 흐르는 굴곡측 신경전달신호와, 굴근이 수축하는 경우에 발생하는 굴곡측 근전위신호 중 적어도 한쪽을 계측한다. 신전측 생체신호센서는, 생체신호로서, 신근을 수축시키기 위해 뇌로부터 출력되어 신근에 대응한 체표면에 흐르는 신전측 신경전달신호와, 신근이 수축하는 경우에 발생하는 신전측 근전위신호 중 적어도 한쪽을 계측한다.
또한, 다른 형태의 재활지원장치는, 시각과 청각과 촉각 중 적어도 하나에 대해 통지하는 교시(敎示)수단을 더 구비한다. 이 교시수단은, 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 굴곡측 보정치에 의거해서 보정한 굴근출력신호와, 신전측 생체신호센서의 출력치를 신전측 보정치에 의거해서 보정한 신근출력신호와, 각도센서의 회동각도위치에 의거해서 출력한다.
교정수단은, 각도센서가 검출한 각도 변화량, 제1 프레임이 제2 프레임에 대해 각도 변화량만큼 회동하기까지의 사이에 계측되는 시간, 각도 변화량만큼 회동하기까지 굴곡측 생체신호센서 및 신전측 생체신호센서의 출력치로부터 구해지는 역적(力積)에 의거하여, 굴곡측 보정치 및 신전측 보정치를 설정한다.
또한, 다른 형태의 재활지원장치는, 구동유닛과 토크센서와 제어부를 더 구비한다. 구동유닛은, 각도센서의 회동중심과 동축(同軸)으로 설치되어 제1 프레임을 제2 프레임에 대해 회동시킨다. 토크센서는, 각도센서의 회동중심과 동축으로 설치되어 제1 프레임을 제2 프레임에 대해 회동시키는 토크를 검출한다. 제어부는, 굴곡측 생체신호센서, 신전측 생체신호센서, 각도센서, 토크센서에 의해 얻어지는 정보, 및 교정수단에 의해 얻어지는 각(各) 보정치를 토대로 구동유닛을 작동시킨다. 여기서, 「정보」란, 굴곡측 생체신호센서 및 신전측 생체신호센서의 경우, 검출한 생체신호이며, 각도센서 및 토크센서의 경우, 검출한 신호 혹은 이들에 의해 얻어지는 수치를 포함한다.
굴곡측 보정치 및 신전측 보정치를 설정하는 경우, 제어부는, 정지해 있는 상태의 관절에 대해 미리 결정된 토크를 구동유닛에 의해 부하한다. 그리고 교정수단은, 관절의 자세를 유지하도록 토크에 대항해서 굴근 및 신근이 각각 작용하는 경우의 굴곡측 생체신호센서, 신전측 생체신호센서, 토크센서의 출력치에 의거하여, 굴곡측 보정치 및 신전측 보정치를 설정한다.
또한, 이 재활지원장치는, 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 상기 굴곡측 보정치에 의거해서 보정한 굴근출력신호 및 신전측 생체신호센서의 출력치를 신전측 보정치에 의거해서 보정한 신근출력신호를 제어부에 출력하는 보정수단을 구비한다. 그리고 제어부는, 굴근출력신호 및 신근출력신호와 각도센서의 회동각도위치에 의거해서, 구동유닛을 작동시킨다.
또는, 다른 형태의 재활지원장치는, 고정구와 제1 스트레인게이지와 제2 스트레인게이지를 구비한다. 고정구는, 제1 프레임을 제2 프레임에 대해 임의 각도로 고정한다. 제1 스트레인게이지는, 제1 프레임에 장착되어 이 제1 프레임에 부여되는 굽힘응력을 계측하며, 제2 스트레인게이지는, 제2 프레임에 장착되어 이 제2 프레임에 부여되는 굽힘응력을 계측한다.
이 재활지원장치에서, 교정수단은, 고정구에 의해 임의 각도로 고정된 제1 프레임과 제2 프레임을 회동시키도록 굴근 및 신근이 각각 작용하는 경우의 굴곡측 생체신호센서, 신전측 생체신호센서, 제1 스트레인게이지, 제2 스트레인게이지에 의해 얻어지는 정보를 토대로, 굴곡측 보정치 및 신전측 보정치를 설정한다.
교시수단의 일례는, 적어도 굴근출력신와 신근출력신호와 회동각도위치를 표시하는 표시유닛을 구비한다. 또는, 교시수단의 다른 일례는, 시각 및 촉각에 대해 통지하는 모의(模擬)유닛이다. 이 모의유닛은, 제1 모의프레임과 제2 모의프레임과 모의체(模擬體)각도센서와 모의체구동유닛과 모의체제어부를 구비한다. 제1 모의체프레임 및 제2 모의체프레임은, 제1 프레임 및 상기 제2 프레임에 대해 독립해서 설치되며, 단부가 연결부에 의해 회동 가능하게 연결되어 있다. 모의체각도센서는, 연결부에 조립되어 제1 모의프레임과 제2 모의프레임과의 회동각도위치를 검출한다. 모의체구동유닛은, 모의체각도센서의 회동중심과 동축(同軸)으로 설치되어 제1 모의프레임을 제2 모의프레임에 대해 회동시킨다. 모의체제어부는, 굴근출력신호, 신근출력신호, 회동각도위치를 모의체구동유닛의 출력신호로 변환하여, 제1 모의프레임 및 제2 모의프레임을 회동시킨다. 여기서, 굴근출력신호는, 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 굴곡측 보정치에 의거해서 보정한 신호이다. 신근출력신호는, 신전측 생체신호센서의 출력치를 신전측 보정치에 의거해서 보정한 신호이다. 회동각도위치는, 각도센서로 검출되는 값이다.
또한, 이 재활지원장치는, 구동유닛과 토크센서와 제1 스트레인게이지와 제2 스트레인게이지와 제어부를 구비한다. 구동유닛은, 각도센서의 회동중심과 동축으로 설치되어 제1 프레임을 제2 프레임에 대해 회동시킨다. 토크센서는, 각도센서의 회동중심과 동축으로 설치되어 제1 프레임을 제2 프레임에 대해 회동시키는 토크를 검출한다. 제1 스트레인게이지는, 제1 프레임에 장착되어 이 제1 프레임에 부여되는 굽힘응력을 계측한다. 제2 스트레인게이지는, 제2 프레임에 장착되어 이 제2 프레임에 부여되는 굽힘응력을 계측한다. 제어부는, 굴근출력신호와 신근출력신호와 각도센서의 회동각도위치, 토크센서의 검출치, 제1 스트레인게이지 및 제2 스트레인게이지의 검출치에 의거해서 구동유닛을 작동시킨다. 이때, 굴근출력신호는, 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 굴곡측 보정치에 의거해서 보정한 신호이다. 신근출력신호는, 신전측 생체신호센서의 출력치를 신전측 보정치에 의거해서 보정한 신호이다.
그리고, 이 재활지원장치에서, 제어부는, 모의체각도센서의 회동각도위치에 의거해서 구동유닛을 작동시키며, 모의체제어부는, 굴근출력신호, 신근출력신호, 각도센서의 회동각도위치, 토크센서의 검출치, 제1 스트레인게이지의 검출치, 제2 스트레인게이지의 검출치에 의거해서 모의체구동유닛을 작동시킨다.
발명의 효과
본 발명에 따른 재활지원장치에 의하면, 계측 대상이 되는 관절로부터 뻗은 제1 골격과 제2 골격의 상대적인 회동각도위치, 및, 이 관절을 굽히는 굴근 및 이 관절을 펴는 신근의 각각의 생체신호를 동시에 게다가 절대량으로서 검출할 수 있다. 따라서, 이 관절을 움직이기 위한 근육의 생체신호와, 이 관절의 움직임에 상관성을 갖게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 재활지원장치는, 관절의 움직임과 그 관절 주위의 길항근(拮抗筋)인 굴근 및 신근의 생체신호를 동시에 검출함과 아울러, 교정수단 및 기억부를 구비하고 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 생체로서 피험자가 장착할 때마다 생체신호의 검출 오차가 발생하고 있어도, 회동각도위치에 대한 굴곡측 생체신호의 굴곡측 보정치 및 신전측 생체신호의 신전측 보정치를 용이하게 설정할 수 있음과 동시에, 검출대상이 되는 관절의 움직임과 그 수의근의 각(各) 생체신호를 정량적으로 출력할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시형태의 재활지원장치를 이용하는 상황을 나타내는 사시도.
도 2는 도 1에 나타낸 재활지원장치의 시스템 블록도.
도 3은 도 2에 나타낸 재활지원장치의 생체계측장치의 사시도.
도 4는 도 3에 나타낸 생체계측장치를 반대 측에서 본 사시도.
도 5는 도 2에 나타낸 재활지원장치에 의한 초기설정조작의 플로차트.
도 6은 도 3에 나타낸 생체계측장치를 사용하여 동적인 생체신호를 계측하는 상태를 나타내는 측면도.
도 7은 도 3에 나타낸 생체계측장치를 사용하여 정적인 생체신호를 계측하는 상태를 나타내는 측면도.
도 8은 도 2에 나타낸 재활지원장치를 사용하여 생체신호에 대한 근력의 출력조정을 행하는 플로차트.
도 9는 도 2에 나타낸 재활지원장치를 사용하여 근력에 대한 생체신호의 상관관계를 계측하는 플로차트.
도 10은 도 2에 나타낸 모의유닛을 활용한 재활의 플로차트.
도 11은 본 발명에 따른 제2 실시형태의 재활지원장치에 사용되는 고관절(股關節)용의 생체계측장치를 나타내는 사시도.
도 12는 도 11에 나타낸 생체계측장치를 반대 측에서 본 사시도.
도 13은 도 11에 나타낸 생체계측장치로 동적인 생체신호를 계측하는 상태를 나타내는 측면도.
도 14는 본 발명에 따른 제3 실시형태의 재활지원장치에 사용되는 팔꿈치 관절용의 생체계측장치를 나타내는 사시도.
도 15는 도 14에 나타낸 생체계측장치를 반대 측에서 본 사시도.
도 16은 본 발명에 따른 제4 실시형태의 재활지원장치에 사용되는 손(手) 관절용의 생체계측장치를 나타내는 사시도.
[부호의 설명]
1 재활지원장치,
10, 10A∼10C 생체계측장치
11, 311, 411, 511 제1 프레임
12, 312, 412, 512 제2 프레임
14 굴곡측(屈曲側) 생체신호센서
15 신전측(伸展側) 생체신호센서
16 고정구
20 모의유닛(교시수단)
21 제1 모의프레임
22 제2 모의프레임
23 연결부
31 교정수단
32 제어부
33 모의체(模擬體)제어부
34 기억부
35 보정수단
40 표시장치(교시수단)
115 제1 스트레인게이지
125 제2 스트레인게이지
131 각도센서
132 구동유닛
133 토크센서
231 모의체각도센서
232 모의체구동유닛
233 모의체토크센서
α (관절의) 회동축
A1 무릎관절(관절)
A2 고관절(관절)
A3 팔꿈치 관절(관절)
A4 손 관절(관절)
B1 대퇴부
B2 하퇴부(下腿部)
B3 상완부(上腕部)
B4 전만부(前灣部)
B5 손바닥
P 피험자(생체)
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
본 발명에 따른 제1 실시형태의 재활지원장치(1)에 대해, 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한다. 재활지원장치(1)는, 인체의 가동부인 관절의 움직임 및 기능을 정량적으로 계측하는 장치이다. 구체적으로는, 재활지원장치(1)를 사용하여, 병이나 부상 등에 의해 운동기능장해를 입었을 경우에 그 관절의 움직임 및 기능을 회복시키기 위한 재활에 앞서, 또한 그 과정에서, 이 관절 및 그 수의근의 기능을 정 량적으로 계측하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에서는, 생체로서의 피험자(P)의 무릎관절(A1)에 재활을 행할 때 재활지원장치(1)를 적용하는 경우를 예로 설명한다. 도 1에 나타내는 재활지원장치(1)는, 생체계측장치(10)와, 모의유닛(20)과, 제어장치(30)와, 표시장치(표시 수단)(40)를 구비한다. 도 2 내지 도 4에 나타내는 바와 같이, 생체계측장치(10)는, 제1 프레임(11)과, 제2 프레임(12)과, 관절유닛(13)과, 굴곡측 생체신호센서(14)와, 신전측 생체신호센서(15)를 구비하고 있다.
도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이 제1 프레임(11)은, 계측 대상이 되는 무릎관절(A1)로부터 뻗은 제1 골격으로서의 대퇴골을 따라 대퇴부(B1)에 장착된다. 제1 프레임(11)은, 무릎관절(A1)에 가까운 기부(基部)(111) 근처 및 무릎관절(A1)로부터 떨어진 선단부(112)에 밴드(113, 114)가 장착되어 있다. 밴드(113, 114)는, 신축성이 적은 유연한 부재로 만들어지며, 피험자(P)의 대퇴부(B1)의 굵기에 맞춰서 조정할 수 있도록 면패스너(面fastener)(113a, 114a)를 가지고 있다. 제1 프레임(11)의 기부(111)에는, 제1 스트레인게이지(115)가 장착되어 있어, 무릎을 굴곡 또는 신전(伸展)시킬 때 제1 프레임(11)에 작용하는 응력을 계측한다.
제2 프레임(12)은, 대퇴골(제1 골격)과 반대방향으로 무릎관절(A1)로부터 뻗은 제2 골격으로서의 경골(脛骨)을 따라 하퇴부(B2)에 장착된다. 제2 프레임(12)은, 무릎관절(A1)에 가까운 기부(121) 근처 및 무릎관절(A1)로부터 떨어진 선단부(122)에 밴드(123, 124)가 장착되어 있다. 밴드(123, 124)는, 제1 프레임(11)의 밴드(113, 114)와 마찬가지로, 신축성이 적은 유연한 부재로 만들어지며, 피험 자(P)의 하퇴부(B2)의 굵기에 맞춰 조절할 수 있도록 면패스너(123a, 124a)를 가지고 있다. 제2 프레임(12)의 기부(121)에는, 제2 스트레인게이지(125)가 장착되어 있어, 무릎을 굴곡 또는 신전시킬 때 제2 프레임(12)에 작용하는 응력을 계측한다. 제1 스트레인게이지(115) 및 제2 스트레인게이지(125)의 신호선(115a, 125a)은, 제1 프레임(11)을 따라 배선(配線)된다.
관절유닛(13)은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12) 사이를 회동 가능하게 연결하고 있다. 관절유닛(13)의 회동중심(130)은, 무릎관절(A1)의 회동축(α)과 동축상에 배치된다. 관절유닛(13)은, 도 2에 나타내는 바와 같이 각도센서(131)와 구동유닛(132)과 토크센서(133)를 내장하고 있다. 각도센서(131)는, 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12) 사이의 상대적인 회동각도위치 및 회동량(θ)을 검출한다. 각도센서(131)로서는, 예를 들면, 로터리 엔코더, 가변저항기, 가변콘덴서 등을 적용할 수 있다.
구동유닛(132)은, 회전 구동력을 발생하는 모터(132b)와, 모터(132b)로부터 출력된 회전을 감속하는 변속기(132c)를 구비하며, 무릎관절(A1)을 신전 및 굴곡시키는 방향으로 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12)의 상대 각도를 변화시키도록 모터 구동력을 전달하여 제1 프레임(11) 또는 제2 프레임(12)을 회동시킨다. 모터(132b)는, 임의의 회동각도로 정지시킬 수 있음과 아울러 회동방향을 반전(反轉)할 수 있으면서, 회동속도를 모터(132b)의 출력에 따라 조정할 수 있는 기능을 가지고 있으며, 예를 들면 서보 모터가 적용된다. 토크센서(133)는, 모터(132b)의 출력에 따라 관절유닛(13)의 회동중심(130)에 작용하는 토크를 계측한다. 각도센서(131)의 신호 선(131a), 구동유닛(132)의 동력케이블(132a), 토크센서(133)의 신호선(133a)은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제1 프레임(11)의 길이방향의 측면을 따라 배선되어 있다.
도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)는, 제1 프레임(11)의 기부(111) 근처의 밴드(113)의 내측에 장착되어 있으며, 그 신호선(14a, 15a)은, 제1 프레임(11)을 따라 배선되어 있다. 굴곡측 생체신호센서(14)는, 무릎관절(A1)을 중심으로 대퇴골과 경골을 굴곡시키는 굴근으로서 주로 작용하는 반막양근(半膜樣筋), 반건양근(半腱樣筋), 대퇴이두근(大腿二頭筋) 중 적어도 어느 것인가에 대응한 체표면에 접촉하여, 생체신호로서의 굴곡측 신경전달신호와 굴곡측 근전위신호를 계측한다. 신전측 생체신호센서(15)는, 무릎관절(A1)을 중심으로 대퇴골과 경골을 신전시키는 신근(伸筋)으로서 주로 작용하는 대퇴사두근(大腿四頭筋)에 대응한 체표면에 접촉하여, 생체신호로서의 신전측 신경전달신호와 신전측 근전위신호를 계측한다.
굴곡측 신경전달신호는, 무릎관절(A1)을 굴곡시킬 때 뇌로부터 발생하는 미약한 전기신호로 이루어지는 생체신호이다. 굴곡측 근전위신호는, 굴근으로서 작용하는 반막양근, 반건양근, 대퇴이두근 등이 활동하고 있는 동안에 출력되는 생체전위신호로 이루어지는 생체신호이다. 신전측 신경전달신호는, 무릎관절(A1)을 신전시킬 때 뇌로부터 발생하는 미약한 전기신호로 이루어지는 생체신호이다. 신전측 근전위신호는, 신근으로서 작용하는 대퇴사두근이 활동하고 있는 동안에 출력되는 생체전위신호로 이루어지는 생체신호이다.
굴곡측 근전위신호 및 신전측 근전위신호의 크기는, 근 활동의 세기와 서로 관련되어 있다. 또한, 굴곡측 신경전달신호 및 신전측 신경전달신호의 크기는, 굴곡측 근전위신호 및 신전측 근전위신호의 크기에 서로 관련되어 있다. 굴곡측 신경전달신호 및 신전측 신경전달신호는, 굴곡측 근전위신호 및 신전측 근전위신호에 앞서서 검출된다.
즉, 굴곡측 신경전달신호와 굴곡측 근전위신호, 및, 신전측 신경전달신호와 신전측 근전위신호는, 각각 일련으로 출력되며, 각각 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)에 의해 검출된다. 여기서, 설명의 편의상, 이후, 굴곡측 신경전달신호 및 굴곡측 근전위신호를 총칭하여 「굴곡측 생체신호」, 신전측 신경전달신호 및 신전측 근전위신호를 총칭하여 「신전측 생체신호」라고 한다.
모의유닛(20)은, 도 1에 나타내는 바와 같이 시각 및 촉각에 대해 통지하는 교시수단의 일례이다. 이 모의유닛(20)은, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 제1 프레임(11) 및 제2 프레임(12)으로부터 독립해서 설치되는 제1 모의프레임(21) 및 제2 모의프레임(22)과, 이들을 서로 회동 가능하게 연결하는 연결부(23)를 구비한다. 연결부(23)는, 모의체각도센서(231) 및 모의체구동유닛(232), 모의체토크센서(233)를 내장하고 있다. 모의체각도센서(231)는, 제1 모의프레임(21)과 제2 모의프레임(22)의 상대적인 회동각도위치 및 그 회동량(φ)을 검출한다. 모의체각도센서(231)로서는, 예를 들면, 로터리 엔코더, 가변저항기, 가변콘덴서 등이 적용된다.
모의체구동유닛(232)은, 상기 구동유닛(132)과 마찬가지로, 모터(232b)와 변 속기(232c)를 내장하며, 출력축이 모의체각도센서(231)의 회동중심과 동축으로 설치되어 제1 모의프레임(21)에 대해 제2 모의프레임(22)을 회동시킨다. 모터(232b)는, 구동유닛(132)의 것과 동일하게 임의의 회동각도에서 정지하고, 신전 및 굴곡의 어느 쪽 방향으로도 회동할 수 있음과 아울러, 그 회동속도를 출력에 따라 자유롭게 변화시킬 수 있는 것으로서, 예를 들면 서보 모터를 적용한다.
또한, 모의유닛(20)은, 제1 모의프레임(21) 및 제2 모의프레임(22)에 각각 스트레인게이지(215, 225)를 구비한다. 그 때문에, 모의유닛(20)은, 연결부(23)의 모의체토크센서(233)와, 제1 모의프레임(21) 및 제2 모의프레임(22)의 스트레인게이지(215, 225)에 의해 모의유닛(20)에 작용하는 하중을 계측할 수 있다.
제어장치(30)는, 컴퓨터로 이루어지며, 도 2에 나타내는 바와 같이, 교정수단(31)과 제어부(32)와 모의체제어부(33)와 기억부(34)와 보정수단(35)을 가지고 있다. 또한, 제어장치(30)는, 후술하는 도 5, 도 8, 도 9, 도 10에 나타내는 제어처리를 실행하도록 미리 각(各) 제어프로그램이 설정되어 있다.
교정수단(31)은, 동시에 계측되는 굴곡측 생체신호센서(14), 신전측 생체신호센서(15), 각도센서(131), 토크센서(133), 제1 스트레인게이지(115), 제2 스트레인게이지(125)의 계측치를 제어부(32)로부터의 지시에 따라 각각 읽어들인다. 교정수단(31)은, 피험자(P)마다 및 대상 관절마다 다른 기준전위를 교정하는 개별 보정치, 굴곡측 생체신호센서(14)의 출력치를 교정하는 굴곡측 보정치, 신전측 생체신호센서(15)의 출력치를 교정하는 신전측 보정치를 각각 설정한다. 이 교정수단(31)에 의한 개별 보정치, 굴곡측 보정치, 신전측 보정치의 설정은, 제어수단에 의한 소위 캘리브레이션 처리의 경우이다.
제어부(32)는, CPU(Central Processing Unit)이며, 굴곡측 생체신호센서(14)와 신전측 생체신호센서(15)와 각도센서(131)와 토크센서(133)와 모의체각도센서(231)에 의해 얻어지는 정보, 및 보정수단(35)으로부터 얻어지는 굴곡측 보정치와 신전측 보정치에 의거하여, 구동유닛(132)의 모터(132b)를 제어한다. 생체계측장치(10)의 센서 가운데, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)로부터 출력되는 신호(정보)는, 교정수단(31) 및 보정수단(35)에 입력된다. 그 외의 센서, 본 실시형태에서는, 굴곡측 생체신호센서(14), 신전측 생체신호센서(15), 제1 스트레인게이지(115), 제2 스트레인게이지(125), 각도센서(131), 토크센서(133)로부터 출력되는 신호는, 교정수단(31)에 입력됨과 동시에, 물리량의 정보로서 제어부(32)에도 입력된다.
여기서, 각(各) 센서에 의해 얻어지는 정보란, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)의 경우, 검출한 생체전위신호로 이루어지는 생체신호이며, 각도센서(131)와 모의체각도센서(231)의 경우, 회동각도위치를 나타내는 검출신호 혹은 이것에 의해 얻어지는 수치 데이터이고, 토크센서(133)의 경우, 구동유닛(132)에 작용하는 토크를 나타내는 검출신호 혹은 이것에 의해 얻어지는 수치 데이터이다.
또한, 제어부(32)는, 구동유닛(132)의 모터(132b)를 작동시키는 트리거 신호로서, 굴근출력신호에 포함되는 굴곡측 생체신호의 굴곡측 신경전달신호 성분, 및 신근출력신호에 포함되는 신전측 생체신호의 신전측 신경전달신호 성분을 이용한 다. 이에 의해, 구동유닛(132)을 가지고 있는 생체계측장치(10)는, 이것을 장착하고 있는 피험자(P)에게, 동작에 대한 지연을 거의 느끼게 하지 않는다.
모의체제어부(33)는, 굴근출력신호, 신근출력신호, 각도센서(131)의 회동각도위치 및 모의체각도센서(231)의 회동각도위치에 의거해서, 모의체구동유닛(232)을 제어하여, 제1 모의프레임(21) 및 제2 모의프레임(22)을 회동시킨다. 또한, 모의체제어부(33)는, 모의체구동유닛(232)의 모터(232b)를 작동시키는 트리거 신호로서, 제어부(32)와 마찬가지로, 굴근출력신호에 포함되는 굴곡측 생체신호의 굴곡측 신경전달신호 성분, 및 신근출력신호에 포함되는 신전측 생체신호의 신전측 신경전달신호 성분을 사용한다.
기억부(34)는, 제어장치(30)에 내장되는 메모리로서, 피험자(P)마다 다른 생체신호의 개별 보정치, 교정수단(31)에 의해 설정되는 굴곡측 보정치 및 신전측 보정치를 기억한다. 보정수단(35)은, 굴곡측 생체신호센서(14)의 출력을 굴곡측 보정치에 의거해서 보정하며, 신전측 생체신호센서(15)의 출력을 신전측 보정치에 의거해서 보정한다. 그리고, 굴곡측 보정치에 의거해서 보정된 굴근출력신호, 신전측 보정치에 의거해서 보정된 신근출력신호, 및 회동각도위치를, 제어부(32)와 모의체제어부(33)의 각각에 출력한다.
표시장치(40)는, 시각에 대해 통지하는 교시수단의 일례로서, 제어부(32)를 통해, 계측된 각(各) 생체신호 등의 계측 데이터의 수치나 그래프를 화면(41)에 표시하는 모니터이다. 화면(41)에 표시되는 데이터로서, 예를 들면, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)의 출력치, 각도센서(131)의 회동각도위치, 토크센서(133)의 검출치, 제1 스트레인게이지(115) 및 제2 스트레인게이지(125)의 검출 응력치, 교정수단(31)이 설정한 굴곡측 보정치 및 신전측 보정치, 계측 대상 부위마다 다른 개별 보정치 등이 있다. 또한, 화면(41)의 표시방법으로서는, 가상공간을 설정하여 모의유닛(20)에 상당하는 그림을 표시해도 된다.
이상과 같이 구성된 재활지원장치(1)는, 도 5 내지 도 10에 나타내는 수순 및 방법에 따라 설정되어, 재활에 적용된다. 우선, 피험자(P)마다 및 계측대상이 되는 관절마다 다른 개별 보정치를 도 5에 나타내는 제어처리에 따라 초기설정을 행한다. 여기서는, 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이 생체계측장치(10)를 피험자(P)의 오른쪽 다리에 장착한 경우를 일례로서 설명한다.
우선, 생체계측장치(10)가 피험자(P)의 오른쪽 다리(무릎관절(A1))에 장착되면, 전원스위치를 온으로 조작함으로써 생체계측장치(10)가 기동된다. 이때의 생체 계측장치(10)의 장착작업으로서는, 굴근이 되는 반막양근, 반건양근, 대퇴이두근 중 생체신호를 계측하기 쉬운 체표면에 굴곡측 생체신호센서(14)를 부착하고, 신근이 되는 대퇴사두근의 생체신호를 계측하기 쉬운 체표면에 신전측 생체신호센서(15)를 부착한다. 그리고, 생체계측장치(10)는, 관절유닛(13)의 회동중심(130)이 피험자(P)의 무릎관절(A1)의 회동축(α)과 동축을 이루도록 배치되어, 밴드(113, 114, 123, 124)로 피험자(P)의 오른쪽 다리에 고정된다. 제1 프레임(11)에 장착되어 있는 밴드(113, 114)가 피험자(P)의 허벅지 양단에 둘러 감김으로써, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)가 피험자(P)의 굴근 및 신근에 각각 꽉 눌러진다.
도 5에서, 제어장치(30)는, 생체계측장치(10)의 전원스위치가 온으로 조작되었는지 아닌지를 체크한다(S1). S1에서, 생체계측장치(10)의 전원스위치가 온일 때는, S2로 진행한다.
다음으로, 피험자(P)가 의자에 허리를 걸터앉아 굴근에도 신근에도 힘이 들어가지 않은 탈진상태에서, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)로 각각 기준전위(생체신호)를 계측하여, 계측된 굴곡측 및 신전측의 기준전위를 기억부(34)에 기억시킨다(S2). 계속해서 탈진상태에서, 의사나 이학요법사 등 재활 지도자(T)의 시중듦에 의해, 피험자(P)의 무릎관절(A1)을 수동적으로 움직인다. 이 무릎관절(A1)의 가동범위를 관절유닛(13)의 각도센서(131)에 의해 계측한다(S3). 각도센서(131)에 의해 계측된 굴곡측 및 신전측의 회동각도위치로부터 가동범위를 계측하여, 기억부(34)에 기억시킨다(S4).
가동범위는, 근력에 기인하지 않은 무릎관절(A1)의 유연성에 의해 회동할 수 있는 범위로서, 근력에 의해 능동적으로 움직일 수 있는 동작범위와는 다르다. 가동범위는, 그 후 실시되는 재활에서 건(腱)이나 근(筋)을 아프게 하지 않기 위해, 계측된다.
이 무릎관절(A1)의 가동범위를 계측할 때는, 피험자(P) 자신의 의사(意思)에 의해 도 6에 나타내는 바와 같이 하퇴부(B2)를 치켜드는 신전동작을 행한다. 근력이 쇠약해지거나 근이 위축되어 가동범위가 좁아지거나, 혹은 운동기능장해 때문에 거의 움직여지지 않거나 하는 경우는, 가동범위 이내에서 근력을 계측한다.
다음으로, 피험자(P)의 의사에 따라 조금이라도 신근이 움직이면 무릎관 절(A1)이 신전(伸展)하므로, 무릎관절(A1)을 동작시킴과 동시에, 무릎관절(A1)의 회동각도를 각도센서(131)에 의해 계측한다(S5). 계속해서, S5a에서, 각도센서(131)에 의해 계측된 회동각도가 제로 이상이면, S6으로 진행하여, 회동각도 변화량과 함께 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)에 의해 검출되는 생체신호(전위신호)를 계측한다.
다음으로, 피험자(P)는 자기 자신의 의사에 따라 무릎관절(A1)의 굴곡운동을 행한다. 예를 들면, 피험자(P)가 의자에 착석한 자세에서 무릎관절(A1)을 굴곡시키는 것이 곤란한 경우는, 침대에 엎드려 누워 하퇴부(B2)를 세워 일으키는 동작, 혹은, 직립하여 하퇴부(B2)를 들어올리는 동작을 행해도 된다. 그리고, 신전동작의 경우와 마찬가지로 무릎관절(A1)의 가동범위 이내에서 근력을 내어, 이때의 회동각도위치의 변화량을 각도센서(131)에 의해 계측한다(S7). 이 각도센서(131)에 의해 계측된 회동각도를 기억부(34)에 기억시킨다(S8).
다음의 S8a에서, 각도센서(131)에 의해 계측된 회동각도가 제로 이상이면, S9로 진행하여, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)에 의해 검출되는 생체신호(전위신호)를 계측해서, 굴곡동작에 의해 얻어진 회동각도위치와 신근 및 굴근의 생체신호를, 기억부(34)에 기억시킨다.
교정수단(31)에 의해, 각각의 생체신호의 계측치와 그 값이 계측되었을 때의 회동각도위치를 관련짓는다(S10). 또한, 각각의 계측치를 표시장치(40)에 출력하여 화면(41)에 수치나 그래프 등을 표시하게 한다(S11). 이에 의해, 지도자(T)는, 표시장치(40)의 화면(41)에 표시된 계측치를 확인함으로써, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)가 각각 굴근 및 신근에 대응해서 부착되어 있는지, 또한 그 부착위치에 의해 생체신호로서 충분한 값이 검출될 수 있는지를 즉석에서 확인하는 것이 가능해진다.
이때, 하퇴부(B2)에 작용하는 중력 영향의 보정치나 제2 프레임(12)에 따른 중량 영향의 보정치를 더 가함으로써, 더욱 정확한 상관관계를 이끌어낼 수 있다. 상기 관련지음의 결과, 교정수단(31)에 의해, 회동각도위치와 굴곡측 생체신호와 신전측 생체신호의 상관관계를 결정한다. 그리고, 각도센서(131)에 의해 검출되는 회동각도 변화량, 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12)이 이 회동각도 변화량만큼 회동하기까지 계측되는 시간, 이 회동각도 변화량만큼 회동하는 동안에 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)로 계측된 전위 변화의 역적에 의거하여, 굴곡측 동작 보정치 및 신전측 동작 보정치를 설정한다(S12). 계속해서, S12에서 설정된 굴곡측 동작 보정치 및 신전측 동작 보정치를 기억부(34)에 기억시킨다(S13). 굴곡측 동작 보정치는, 굴곡측 보정치의 일부이며, 신전측 동작 보정치는, 신전측 보정치의 일부이다. 이로써, 초기설정처리가 종료한다.
상기 초기설정처리가 종료하면, 피험자(P)의 신전측 및 굴곡측 근력과 그때의 생체신호와의 관계를 계측하여, 최대 근력을 내고 있을 때의 생체신호의 출력조정 처리, 및, 단계적으로 부여되는 부하에 대한 근력을 발휘하기 위한 생체신호의 계측을 행한다. 또한, 상기 초기설정처리 및 출력조정 처리는, 생체계측장치(10)가 피험자(P)에게 장착될 때마다 행해진다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 출력조정 처리는, 제1 프레임(11)과 제2 프레 임(12)의 상대각도가 관절의 가동범위의 중간 정도가 되는 각도로 고정된 상태에서, 도 8에 나타내는 플로차트에 따라 행해진다. 무릎관절(A1)은, 도 7에서 거의 직각으로 굽혀져 있지만, 근이 위축되어 가동범위가 좁아져 있는 경우나, 근력을 발휘할 수 있는 범위가 한정되어 있는 경우 등이어도, 앞의 초기설정에 의해 회동각도위치와의 관계가 밝혀져 있으므로, 도 7에 나타내는 자세 이외에서 출력조정 처리를 행해도 된다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 제어장치(30)는, 재활지원장치(1)에 접속되어 있는 생체계측장치(10)의 구동유닛(132)이 구동가능한 것을 체크한다(S21). 이 S21에서, 구동유닛(132)이 구동가능한 경우는, 구동유닛(132)의 모터(132b)의 구동력을 부여함으로써 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12)의 상대각도가 변하지 않도록 고정한다(S22).
또한, S21에서, 구동유닛(132)이 구동하지 않는 경우, 별도로 준비되는 고정구(16)를 장착하여, 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12)의 상대각도가 변하지 않도록 관절유닛(13)을 구속하도록 표시장치(40)에 표시한다(S23).
또한, 고정구(16)에 의해 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12)을 고정하는 경우, 관절유닛(13)을 중심으로 굴곡 및 신전시키는 하중과 제1 스트레인게이지(115) 및 제2 스트레인게이지(125)의 출력치와의 관계에 대해 미리 교정해 둔다.
피험자(P)가 이 상태에서 신전하는 방향으로 최대 근력을 가하도록 표시장치(40)에 표시해서 피험자(P)에게 지시한다(S24). 이때, 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)에 의해 각각의 생체신호를 계측함과 아울러, 관절 주 위의 물리량으로서, 토크, 회동각도위치, 제1 프레임(11) 및 제2 프레임(12)에 작용하는 응력을 각각 계측한다(S25). 토크는, 구동유닛(132)의 회동축에 장착된 토크센서(133)에 의해 계측된다. 회동각도위치는, 각도센서(131)에 의해 계측된다. 제1 프레임(11)에 작용하는 응력은, 제1 스트레인게이지(115)에 의해 계측되며, 제2 프레임(12)에 작용하는 응력은, 제2 스트레인게이지(125)에 의해 계측된다.
다음으로, 동일한 상태에서 피험자(P)에게, 굴곡할 방향으로 최대 근력을 가하도록 표시장치(40)에 표시하여 지시한다(S26). 이때도 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)에 의해 각각의 생체신호가 계측됨과 아울러, 관절 주위의 물리량으로서, 토크, 회동각도위치, 제1 프레임(11) 및 제2 프레임(12)에 작용하는 응력을 각각 계측한다(S27). 신전동작 및 굴곡동작에 의해 계측된 토크 및 응력은, 계측대상이 된 무릎관절(A1)이 발휘하고 있는 근력의 데이터로 변환된다.
또한, 구동유닛(132)이 구동하지 않는 경우는, 고정구(16)에 의해 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12)이 일체적으로 고정된다. 따라서, 미리 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12)을 고정해서, 외력과 제1 스트레인게이지(115) 및 제2 스트레인게이지(125)의 응력치와의 관계를 미리 계측해 두면, 제1 스트레인게이지(115) 및 제2 스트레인게이지(125)의 응력을 계측함으로써, 신전 혹은 굴곡시키려고 하는 힘의 크기를 구할 수 있다.
이와 같이 계측된 생체신호와 관절 주위의 물리량, 및 이 물리량으로부터 구해지는 근력의 계측 데이터를 교정수단(31)에 의해 해당 물리량과 관련짓는다(S28). 또한, 생체신호와 물리량과 근력의 데이터는, 각각 기억부(34)에 기억됨 과 동시에, 제어부(32)를 통해 표시장치(40)에 출력되어 표시장치(40)의 화면(41)에 수치나 그래프에 의해 표시된다(S29). 생체신호와 관절 주위의 물리량과 근력이 수치나 그래프에 의해 정량적으로 가시화됨으로써, 피험자(P)의 의사(意思)와 실제로 작용하고 있는 근력과의 관계가 알기 쉬워진다. 그리고, 지도자(T)가 피험자(P)의 대상부위의 상태를 상세하게 알 수 있다. 따라서, 피험자(P)와 지도자(T)의 의사소통이 깊어진다.
상기 S28에서, 교정수단(31)에 의해, 굴곡측 생체신호와 굴곡측 근력을 관련짓는 굴곡측 출력 보정치, 및 신전측 생체신호와 신전측 근력을 관련짓는 신전측 출력 보정치가 각각 설정된다. 설정된 각각의 보정치는, 기억부(34)에 기억된다. 또한, 굴곡측 출력 보정치는, 굴곡측 보정치의 일부로서, 굴곡측 동작 보정치와 아울러 이용된다. 신전측 출력 보정치는, 신전측 보정치의 일부로서, 신전측 동작 보정치와 아울러 이용된다.
또한, S30에서는, 시각 및 촉각에 대해 통지하는 교시수단으로서 모의유닛(20)의 모의체제어부(33)에 의해, 굴곡측 생체신호센서(14)의 출력치에 굴곡측 보정치를 포함시킨 굴근출력신호, 신전측 생체신호센서(15)의 출력신호에 신전측 보정치를 포함시킨 신근출력신호, 각도센서(131)의 회동각도위치를, 모의체구동유닛(232)의 출력신호로 변환한다.
모의유닛(20)은, 피험자(P)가 계측 대상부인 무릎관절(A1)을 가동범위 이내에서 움직이는 것에 대해, 동기(同期)시키면서 그 회동량(φ) 및 회동속도를 일치시켜서 움직이도록 설정된다. 이 상태에서, 피험자(P)의 실제 무릎관절(A1)의 굴곡 동작 및 신전동작을 모의유닛(20)으로 재현한다(S31). 이와 같이, 피험자(P)의 근력에 의해 모의유닛(20)을 실제로 움직임으로써, 대상이 되는 관절을 움직이는 수의근의 생체신호와 그에 수반하는 동작과의 관계가 감각적으로 알기 쉽고, 피험자(P)와 지도자(T) 사이에 재활의 실시계획이나 그 내용에 대해, 또한, 회복의 정도 등을 확인하기 쉽다.
피험자(P)가 자기 자신의 근력으로 움직일 수 있는 동작범위에 대해, 무릎관절(A1)의 가동범위에 여유가 있는 경우는, 생체신호의 오차에 의해 무릎관절(A1)의 가동범위를 넘지 않는 정도로 신전측 확장 보정치 및 굴곡측 확장 보정치를 더하여, 모의유닛(20)의 회동량(φ)을 확장한다. 이때의 신전측 확장 보정치 및 굴곡측 확장 보정치를, 기억부(34)에 기억시킨다(S32).
피험자(P)의 생체신호와 동작의 상관관계에 대해 모의유닛(20)에서 확인이 취해지면, 신근출력신호 및 굴근출력신호를 구동유닛(132)의 출력신호로 변환한다(S33). 이때, 상기 굴곡측 확장 보정치, 신전측 확장 보정치를 포함시켜도 된다. 끝으로, 구동유닛(132)의 고정상태를 해제하여, 관절유닛(13)의 고정을 해제한다(S34). 또한, 고정구(16)에 의해 고정되어 있는 경우는, 수동작업에 의해 이 고정구(16)를 떼어낸다.
다음으로, 제어장치(30)는, 계측 대상이 되는 관절을 중심으로 한 신전방향 및 굴곡방향의 복수 단계의 부하에 대한 각각의 근력의 계측을 도 9에 나타내는 플로차트에 따라 행한다. 제어장치(30)는, 생체계측장치(10)의 전원스위치가 온으로 조작되었는지 아닌지를 체크한다(S41). S41에서, 생체계측장치(10)의 전원스위치가 온인 때는, S42로 진행한다. 부하를 부여하는 수단으로서 구동유닛(132)을 구비하고 있는 것이 바람직하지만, 추(錘)나 스프링 힘에 의해 부여해도 된다. 또한, 먼저 초기설정 및 출력조정을 한 직후이면 그대로 이 측정으로 이행된다.
피험자(P)의 생체신호에 대한 보정치를 기억부(34)로부터 읽어들인다(S42).계속해서, 기억부(34)로부터 읽어들인 굴곡측 동작 보정치 및 굴곡측 출력 보정치를 토대로 굴곡방향의 부하를 설정한다(S43). 다음으로, 구동유닛(132)의 모터(132b)를 구동하여 무릎관절(A1)에 부하를 부여한다(S44).
그리고, 피험자(P)가 구동유닛(132)으로부터 부여받은 부하에 대해 무릎관절(A1)이 움직이지 않도록 힘을 써서 유지하도록 표시장치(40)에 표시해서 지시한다(S45). 이때의 신전측 생체신호 및 굴곡측 생체신호와 함께, 물리량으로서 토크센서(133)로 검출된 토크, 각도센서(131)로 검출된 회동각도위치, 제1 스트레인게이지(115) 및 제2 스트레인게이지(125)에 생긴 응력의 각(各) 데이터를 읽어들여 각각 기억부(34)에 기억한다(S46).
다음으로, 굴곡측 출력 보정치에 의거한 복수 단계의 부하가 부여되어 필요한 데이터가 취득되었는지 아닌지를 체크한다(S47). 필요한 데이터를 모두 얻지 못한 경우는, 부하가 지나치게 약할 가능성이 크므로, S47a로 진행해, 구동유닛(132)으로부터 부여되는 부하를 서서히 증대시키도록 부하의 설정을 바꾸어 S43∼S47의 처리를 재차 실행한다. 또한, 상기 S47에서, 굴곡측에 대해 필요한 데이터가 갖추어지면, 굴곡측의 근력과 생체신호와의 관계의 굴곡측 근력 보정치를 교정수단(31)에 의해 설정한다(S48).
S48에서 상기 굴곡측 근력 보정치가 설정되면, 다음으로, 신전측 동작 보정치 및 신전측 출력 보정치를 토대로 신전방향의 부하를 설정한다(S49). 계속해서, 구동유닛(132)의 모터(132b)를 구동하여 무릎관절(A1)에 부하를 부여한다(S50). 피험자(P)에 대해, 부여된 부하에 대해서 무릎관절(A1)이 움직이지 않도록 힘을 써서 유지하도록 표시장치(40)에 표시해서 지시한다(S51). 이때의 신전측 생체신호 및 굴곡측 생체신호와 함께, 물리량으로서 토크센서(133)로 검출된 토크, 각도센서(131)로 검출된 회동각도위치, 제1 스트레인게이지(115) 및 제2 스트레인게이지(125)에 생긴 응력의 각 데이터를 읽어들여, 각(各) 계측 데이터를 기억부(34)에 기억한다(S52).
계속해서, 상기 신전측 출력 보정치에 의거한 복수 단계의 부하가 부여되어 필요한 데이터가 취득되었는지 아닌지를 체크한다(S53). 필요한 데이터를 모두 얻지 못한 경우는, 부하가 지나치게 약할 가능성이 크므로, S53a로 진행해, 구동유닛(132)으로부터 부여되는 부하를 서서히 증대시키도록 부하의 설정을 바꾸어 S49∼S53의 처리를 재차 실행한다. 또한, 상기 S53에서, 신전측에 대해 필요한 데이터가 모두 갖추어지면, 신전측의 근력과 생체신호와의 관계의 신전측 근력 보정치를 교정수단(31)에 의해 설정한다(S54).
각각 설정된 굴곡측 근력 보정치 및 신전측 근력 보정치는, 기억부(34)에 기억시킨다(S55). 또한, 부여된 굴곡측의 복수 단계의 부하 및 신전측의 복수 단계의 부하와, 계측된 굴곡측 생체신호 및 신전측 생체신호의 수치나 그래프를 작성하여 표시장치(40)에 표시되게 한다(S56). 이들 계측에 의해 설정된 굴곡측 근력 보정치 는, 굴곡측 보정치의 일부이며, 신전측 근력 보정치는, 신전측 보정치의 일부이다.
이상과 같이, 이 재활지원장치(1)는, 생체계측장치(10)를 재활의 대상이 되는 관절(예를 들면, 무릎관절(A1))에 대해 장착하여, 그 생체신호와 근력의 상관관계 및 신전 또는 굴곡에 의한 회동각도위치와의 상관관계가 간단한 동작에 의해, 계측할 수 있다. 또한, 재활지원장치(1)는, 피험자(P)의 재활의 대상이 되고 있는 관절의 가동범위나 수의근의 근력 등의 물리량과 생체신호에 상관성을 갖게 해서 계측할 수 있고, 또한, 이들을 정량적으로 출력한다. 따라서, 교시수단으로서, 시각에 대해 통지하는 표시장치(40)나, 시각 및 촉각에 대해 통지하는 모의유닛(20)을 구비함으로써, 지금까지 정량적으로 평가하는 것이 곤란했던 피험자(P)의 근력이나 감각에 대해, 재활을 지도하는 의사나 이학요법사 등 지도자(T)에 대해 정확하게 알릴 수 있게 된다.
여기서, 모의유닛(20)을 활용한 재활에 대해, 도 10에 나타내는 플로차트를 참조하여 설명한다. 우선, 제어장치(30)는, 생체계측장치(10)의 전원스위치가 온으로 조작되었는지 아닌지를 체크한다(S61). S61에서, 생체계측장치(10)의 전원스위치가 온일 때는, S62으로 진행한다.
피험자(P)의 근력 계측은, 상술한 출력조정처리에 의해, 굴곡측 출력 보정치 및 신전측 출력 보정치가 설정되므로, 과거의 계측 데이터와 비교·보정함으로써, 근사(近似)보정하는 것도 가능하다. 초기설정처리 및 출력조정처리가 행해지는 과정에서, 기억부(34)로부터 전회(前回)의 보정치로서 기준 생체신호, 굴곡측 보정치, 신전측 보정치, 굴곡측 확장 보정치, 신전측 확장 보정치를 읽어들여 비교 및 재설정처리를 행한다(S62). 또한, 미리 기억부(34)에 기억되어 있는 각 보정치를 사용해 모의유닛(20)을 조작하여, 동작 확인을 행할 뿐이라 해도 재활을 개시하는 것은 가능하다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 모의유닛(20)은, 연결부(23)에 각도센서(231), 모의체 토크센서(233)를 구비하며, 제1 모의프레임(21) 및 제2 모의프레임(22)에 각각 스트레인게이지(215, 225)를 구비한다. 이들에 의해 검출되는 토크 및 응력은, 제어장치(30)의 제어부(32) 및 모의체제어부(33)에 피드백되어, 생체 계측장치(10)의 구동유닛(132) 및 모의유닛(20)의 모의체구동유닛(232)의 동작에 반영된다.
모의유닛(20)을 피험자(P)가 장착하고 있는 생체계측장치(10)와 링크시킬 때 모의유닛(20)을 주체(主體)로 하는지, 생체계측장치(10)를 주체로 하는지를 선택지시한다(S63). S63에서, 생체계측장치(10)를 주체로 하는 방법이 선택된 경우는, S64로 진행하여, 피험자(P)가 무릎관절(A1)의 굴근 및 신근에 힘을 가해 무릎관절(A1)을 동작시키도록 표시장치(40)에 표시한다.
계속해서, 생체계측장치(10)에 설치된 토크센서(133)로 검출된 토크, 각도센서(131)로 검출된 회동각도위치, 제1 스트레인게이지(115) 및 제2 스트레인게이지(125)에 생긴 응력의 각 데이터를 읽어들이고, 굴곡측 및 신전측의 생체신호 계측과 물리량 계측을 행하여 각 계측 데이터를 기억부(34)에 기억한다(S65).
보정수단(35)에 의해 기억부(34)로부터 호출된 보정치와 S65에서 계측된 각 계측 데이터치를 토대로, 신근출력신호 및 굴근출력신호를 제어부(32)와 모의체제 어부(33)에 출력한다(S66).
제어부(32)로부터의 구동신호에 의해 구동유닛(132)의 모터(132b)를 제어하고, 모의체제어부(33)가 모의체구동유닛(232)의 모터(232b)를 제어함으로써, 구동유닛(132) 및 모의체구동유닛(232)을 연동시킨다(S67).
또한, 상기 S63에서, 모의유닛(20)을 주체로 하는 방법이 선택된 경우는, 의사나 의학요양사 등 재활 지도자(T)가 모의유닛(20)에 신전 및 굴곡의 부하를 가하도록 표시장치(40)에 표시되게 한다(S68).
모의체각도센서(231)에 의해 검출된 회동각도위치, 연결부(23)에 설치된 모의체토크센서(233)에 의해 검출된 토크, 제1 모의프레임(21) 및 제2 모의프레임(22)에 설치된 스트레인게이지(215, 225)의 응력치를 읽어들이고, 모의유닛(20)의 물리량을 계측한다(S69).
계속해서, S69에서 계측된 토크 및 응력치를 외력으로 하고, 또한 회동각도량을 이동량으로 하여, 각각 제어부(32)에 출력한다(S70). 다음으로, 제어장치(30)는, 굴근출력신호 및 신근출력신호와 함께 모의유닛(20)으로부터 전해진 외력을 서로 합친 결과를 토대로 생체계측장치(10)의 구동유닛(132)에 구동신호를 출력해서 모터(132b)를 구동하여, 생체계측장치(10)를 모의유닛(20)에 연동시킨다(S71).
이 결과, 피험자(P)는, 생체계측장치(10)가 모의유닛(20)에 연동함으로써 무릎관절(A1)에 지도자(T)에 의해 굴곡 또는 신전의 힘이 가해졌는가의 형태로 느낀다. 또한, 지도자(T)도, 피험자(P)가 무릎관절(A1)을 움직이는 동작에 연동하는 모의유닛(20)을 만짐으로써, 피험자(P)가 가하고 있는 힘을 느낄 수 있다. 즉, 이 재 활지원장치(1)는, 생체계측장치(10)와 모의유닛(20)이 연동하는 시스템구성으로 되어 있어, 이른바 쌍방 서보 시스템을 형성한다.
다음의 S72에서 종료조작이 행해지지 않을 때는, 상기 S63으로 돌아와서, S63∼S71의 처리를 반복한다. 또한, S72에서 종료조작이 행해졌을 때는, 생체계측장치(10)와 모의유닛(20) 사이의 링크를 해제한다(S73).
재활지원장치(1)는, 생체신호와 근력 및 관절의 회동각도에 상관관계를 갖게 함과 동시에 정량적으로 출력하므로, 이 쌍방 서보 시스템을 구축할 수 있다. 쌍방 서보 시스템이란, 위치와 힘의 양쪽 정보가 전달되는 시스템으로서, 링크된 것끼리가 쌍방의 위치나 각도 정보와 힘의 정보를 공유함으로써, 상대측 장치를 이들 측에서 조작할 수 있음과 동시에, 상대 측에 부여되어 있는 힘을 느낄 수 있는 시스템이다. 쌍방향 통신에 의해 시차가 생기지 않는 것이라면, 생체계측장치(10)와 모의유닛(20)이 떨어져 있어도 된다. 여기서, 이 재활지원장치(1)는, 인터넷 등의 네트워크를 이용해서, 생체계측장치(10)와 모의유닛(20)을 링크시켜, 원격지의 피험자(P)의 모습을 모의유닛(20)에 의해 확인할 수도 있다.
재활지원장치(1)를 사용하면, 다음과 같은 것이 더 행해진다. 예를 들면, 다리의 근력이 쇠약해져 있는 경우, 우선, 구동유닛(132)을 장비하는 생체계측장치(10)에 의해 피험자(P)의 다리의 근력과 생체신호의 상관관계를 구한다. 그리고, 피험자(P)의 다리의 근력을 보충하도록 구동유닛(132)의 모터 출력을 증폭시키는 어시스트치(値)를 굴근출력신호 및 신근측 출력신호에 각각 더한다. 이 결과, 피험자(P)의 부족한 근력이 구동유닛(132)의 구동력에 의해 보충되므로, 타인의 시중 없이 보행하는 것이 가능해진다. 피험자(P)의 근력이 회복함에 따라, 이 어시스트치를 서서히 작게 하도록 제어 프로그램을 작성함으로써, 피험자(P)가 평상시 생활을 하면서 재활을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 골절 등에 의해 깁스로 구속하고 있었기 때문에, 피험자(P)의 근력이 쇠약해짐과 동시에 관절의 가동범위가 좁아져 버리고 있는 경우는, 구동유닛(132)을 장비하는 생체계측장치(10)를 사용하여, 어시스트치를 더하는 것과 동시에, 생체계측장치(10)의 회동량(θ)을 설정하는 굴곡측 확장 보정치 및 신전측 확장 보정치를 더해, 그 관절의 가동범위를 약간 초과하도록 한다. 이렇게 함으로써, 피험자(P)는, 자기 자신의 의사로 모습을 보면서 관절의 가동범위를 넓힐 수 있다.
또한, 이 재활지원장치(1)는, 생체계측장치(10)에 어시스트치를 더하는 대신에, 굴근출력신호와 신근출력신호를 제거하는 부하를 구동유닛(132)에 의해 부여할 수도 있다. 이에 의해, 피험자(P)의 쇠약해진 근력의 강화를 적극적으로 행할 수 있다.
이와 같이, 재활지원장치(1)는, 계측 대상이 되고 있는 관절 주위의 물리량과 그 관절의 수의근의 생체신호에 상관관계를 갖게 함으로써, 생체신호와 근력을 정량적인 값으로 출력할 수 있다. 따라서, 이들 값을 이용하여 표시장치(40)나 모의유닛(20)이라는 교시수단에 의해, 시각, 감각, 청각에 대해 통지함으로써, 피험자(P)와 그 지도자(T) 사이의 의사소통이 가늠하기 쉬워져, 지금까지 전하기 어려웠던 근육이나 관절의 감각을 용이하게 전할 수 있게 된다. 또한, 피험자(P)가 느끼고 있는 것을 말로 잘 표현할 수 없는 경우나, 운동기능장해와 함께 언어장해를 지고 있는 경우라도, 지도자(T)는, 모의유닛(20)을 생체계측장치(10)에 링크시킴으로써 피험자(P)의 검사대상부위의 상태를 정확하게 알 수 있다.
이 재활지원장치(1)는, 재활의 대상이 되는 피험자(P)의 관절에 장착되어, 그 관절의 수의근의 생체신호를 판독한다. 그리고, 관절 주위의 물리량과 생체신호의 상관관계를 토대로, 생체계측장치(10)에 조립되어 있는 구동유닛(132)으로 시중드는 동작을 행할 수 있다. 따라서, 피험자(P)가 경추(頸椎)나 척주(脊柱)의 손상 등 뇌로부터의 신경전달계에 장해가 발생해 있는 것에 기인하는 운동기능장해에 대해도, 재활의 대상이 되는 관절을 움직이게 하기 위해 몸의 다른 부위에 나타나는 신경전달신호를 수의근의 트리거로 이용하여, 이 수의근을 활성화시키는 것도 가능하다.
다음으로, 무릎관절(A1) 이외의 관절에 이 재활지원장치(1)를 적용하는 경우에 대해, 제2 내지 제4 실시형태로서 이하에 설명한다. 각 실시형태의 재활지원장치(1)는, 도 2에 나타낸 시스템 블록도와 동일한 구성을 구비한다. 따라서, 제1 실시형태에서 상술한 각 구성과 동일한 기능을 가지는 구성은, 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다. 또한, 제어장치(30) 및 모의유닛(20)은, 제1 실시형태와 동일하므로, 해당하는 설명 및 도면을 참작함으로써, 이하의 기재에서 생략한다.
본 발명에 따른 제2 실시형태의 재활지원장치(1)에 적용되는 생체계측장치(10A)는, 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 이 생체계측장치(10A)는, 고관절(股關節)(A2)의 신전동작 및 굴곡 동작을 대상으로 해서 만들어져 있다. 따라서, 외선(外旋), 내선(內旋), 외전(外轉), 내전(內轉)에 대한 계측을 허용하고 있지 않 다. 생체계측장치(10)는, 도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같이 제1 프레임(11)과 제2 프레임(12)과 관절유닛(313)과 굴곡측 생체신호센서(14)와 신전측 생체신호센서(15)를 구비한다.
제1 프레임(311)은, 하단(311a)이 관절유닛(313)의 고정 측에 연결되며, 상단(311b)이 고관절(A2)로부터 뻗은 골반(제1 골격)의 장골릉(腸骨稜)을 향해 늘어나 후방으로 돌아서 들어가 있다. 고관절(A2)로부터 떨어진 측의 제1 프레임(311)의 상단(311b)에 설치된 밴드(314)는, 피험자(P)의 허리에 감겨 있다. 허리에 감은 밴드(314)가 미끄러져 올라가지 않도록, 가랑이 사이로 보조대를 통과시켜도 된다. 또한, 제2 프레임(312)은, 대퇴골(제2 골격)을 따라 배치되어, 상단(321)이 밴드(323) 및 관절유닛(313)의 회동 측에 연결되며, 하단(322)이 밴드(324)에 연결되어 있다. 또한, 밴드(314, 323, 324)는, 상술한 제1 실시형태의 밴드(114, 123, 124)와 동일 구성으로 되어 있다.
도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같이, 제1 프레임(311)과 제2 프레임(312)을 연결하는 관절유닛(313)은, 고관절(A2)의 신전 및 굴곡 동작의 회동축(α)과 동축으로 배치되어 있다. 관절유닛(313)은, 제1 실시형태의 관절유닛(13)과 마찬가지로, 각도센서(131)와 구동유닛(132)과 토크센서(133)를 내장하고 있다.
굴곡측 생체신호센서(14)는, 도 12에 나타내는 바와 같이 고관절(A2)의 굴곡 동작시에 수의근으로서 주로 작용하는 장요근(腸腰筋), 대퇴근막장근(大腿筋膜張筋) 등에 대응하는 체표면에 부착된다. 신전측 생체신호센서(15)는, 도 11에 나타내는 바와 같이 고관절(A2)의 신전동작시에 수의근으로서 주로 작용하는 대전근(大 殿筋)에 대응하는 체표면에 부착된다. 굴곡측 생체신호 센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)가 부착된 장소는, 모두 동작에 따라 표피가 크게 신축하므로, 신호선(14a, 15a)에 여유를 갖게 하고 있다.
이 생체계측장치(10A)는, 도 1에 나타낸 피험자(P)가 장착하고 있는 생체계측장치(10)처럼, 무릎관절(A1)용의 생체계측장치(10)와 대퇴부(B1)를 따라 배치되는 프레임이 일련으로 만들어져 있어도 된다. 이 경우, 대퇴골의 길이는, 피험자(P)마다 다르므로, 당연히 길이조정기구를 가지고 있다.
고관절(A2) 주위의 물리량 및 수의근이 되는 장요근, 대퇴근막장근, 대전근 등의 생체신호를 계측하는 경우, 도 13에 나타내는 바와 같이 직립자세로 대퇴부(B1)를 올렸다 내렸다 하는 동작으로 행해진다. 직립해 있는 것이 곤란한 경우는, 도 1이나 도 6 및 도 7과 같이 착석자세라도 무방하며, 침대에 옆으로 누운 상태의 어느 쪽이라도 실시할 수 있다. 다만, 자세에 따라 하지(下肢)에 걸리는 중력 조건이 다르므로, 이것을 가미할 필요가 있다. 이러한 경우는, 물리량과 생체신호의 상관관계를 자세마다 기억부(34)에 기억해 두면 된다.
본 발명에 따른 제3 실시형태의 재활지원장치(1)에 적용되는 생체계측장치(10B)에 대해, 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다. 이 생체계측장치(10B)는, 팔꿈치 관절(A3)의 신전동작 및 굴곡동작을 대상으로 해서 만들어져 있으며, 도 14 및 도 15에 나타내는 바와 같이, 제1 프레임(411)과 제2 프레임(412)과 관절유닛(413)과 굴곡측 생체신호센서(14)와 신전측 생체신호센서(15)를 구비한다.
제1 프레임(411)은, 상완골(上腕骨)(제1 골격)을 따라 배치되어, 팔꿈치 관 절(A3)에 가까운 측 및 먼 측의 2개소에 설치된 밴드(413, 414)로 상완부(B3)에 고정되어 있다. 제2 프레임(12)은, 인접하는 척골(尺骨) 또는 요골(橈骨)(제2 골격)을 따라 배치되어, 팔꿈치 관절(A3)에 가까운 측 및 먼 측의 2개소에 설치된 밴드(423, 424)로 전완부(前腕部)(B4)에 고정되어 있다.
또한, 생체계측장치(10B)의 제1 프레임(411)과 제2 프레임(412)을 연결하는 관절유닛(413)은, 제1 실시형태의 생체계측장치(10)와 마찬가지로, 각도센서(131)와 구동유닛(132)과 토크센서(133)를 내장하고 있다. 관절유닛(13)의 회동중심(130)은, 팔꿈치 관절(A3)의 신전 및 굴곡 동작의 회동축(α)과 동축으로 배치되어 있다. 즉, 이 생체계측장치(10)는, 팔꿈치 관절(A3)의 회내(回內), 회외(回外) 동작에는 대응하고 있지 않다.
굴곡측 생체신호센서(14)는, 도 14에 나타내는 바와 같이 팔꿈치 관절(A3)의 굴곡동작시에 수의근으로서 주로 작용하는 상완이두근(上腕二頭筋) 및 상완근(上腕筋)에 대응하는 체표면에 부착된다. 신전측 생체신호센서(15)는, 도 15에 나타내는 바와 같이 팔꿈치 관절(A3)의 신전동작시에 수의근으로서 주로 작용하는 상완삼두근(上腕三頭筋)에 대응하는 체표면에 부착된다. 도 14 및 도 15에서 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)는, 밴드(413, 414)로부터 떨어진 위치에 부착되어 있다. 이들 굴곡측 생체신호센서(14) 및 신전측 생체신호센서(15)는, 생체신호를 가장 검출하기 쉬운 위치에 붙여져 있으면 되므로, 팔꿈치 관절(A3)에 가까운 측의 밴드(413)의 내주면(內周面)에 배치해도 된다.
이 생체계측장치(10B)를 사용하여 팔꿈치 관절(A3) 주위의 물리량 및 수의근 이 되는 상완이두근, 상완근, 상완삼두근의 생체신호를 계측하는 경우, 도 14 및 도 15에 나타내는 바와 같이, 상체를 일으킨 자세로 팔꿈치를 굴곡 및 신장시킨다. 상체를 일으킨 자세로 있는 것이 곤란한 경우는, 침대에 옆으로 누운 상태라도 동일하게 행한다. 이 경우, 전완부(B4)에 걸리는 중력에 따른 조건이 다르므로, 제2 실시형태와 마찬가지로, 팔꿈치 관절(A3) 주위의 물리량과 생체신호의 상관관계를 자세마다 기억부(34)에 기억해 두면 된다.
본 발명에 따른 제4 실시형태의 재활지원장치(1)에 적용되는 생체계측장치(10C)는, 도 16을 참조하여 설명한다. 이 생체계측장치(10C)는, 손 관절(A4)의 굴곡(장굴(掌屈))동작 및 신전(배굴(背屈))동작을 대상으로 해서 만들어져 있다. 생체계측장치(10)는, 제1 프레임(511)과 제2 프레임(512)과 관절유닛(513)과 굴곡측 생체신호센서(14)와 신전측 생체신호센서(15)를 구비한다.
제1 프레임(511)은, 도 16에 나타내는 바와 같이, 척골(제1 골격)을 따라 배치되어, 손 관절(A4)에 가까운 측 및 팔꿈치 관절(A3)에 가까운 측의 2개소에 설치된 밴드(513, 514)에 의해, 전완부(B4)에 고정되어 있다. 제2 프레임(512)은, 중수골(中手骨)(제2 골격)을 따라 척골 측에 배치되며, 손 관절(A4)로부터 먼 측의 제2 프레임(512)에 설치되어 제2 내지 제5 중수골의 머리 측에 감기는 밴드(524)에 의해, 손바닥(B5)에 고정되어 있다.
관절유닛(13)은, 도 16에 나타내는 바와 같이 요골 측에서 척골 측으로 손 관절(A4)을 빠지도록 상정되는 회동축(α)과 동축으로 배치되어 있다. 관절유닛(513)은, 다른 실시형태와 마찬가지로, 각도센서(131)와 구동유닛(132)과 토크센 서(133)를 내장하고 있다. 구동유닛(132)은, 모터(132b)를 제1 프레임(511)을 따라 배치하고 있기 때문에 외관(外觀)이 다르지만, 기능적인 것은 다른 실시형태의 것과 완전히 동일하다.
굴곡측 생체신호센서(14)는, 손 관절(A4)의 굴곡동작시에 주로 작용하는 천지굴근(淺指屈筋), 심지굴근(深指屈筋), 척측수근굴근(尺側手根屈筋), 장모지굴근(長母指屈筋), 요측수근굴근(橈側手根屈筋) 등이 통과하는 체표면에 부착된다. 신전측 생체신호센서(15)는, 손 관절(A4)의 신전동작시에 주로 작용하는 지신근(指伸筋), 장요측수근신근(長橈側手根伸筋), 단요측수근신근(短橈側手根伸筋) 등이 통과하는 체표면에 부착된다.
또한, 이 생체계측장치(10C)는, 도 16의 구조를 보고 알 수 있듯이, 손 관절(A4)의 요측편위(橈側偏位) 및 척측편위(尺側偏位)에 있어서의 물리량 및 생체신호의 계측에도 대응시킬 수 있다. 요측편위 및 척측편위에 있어서의 물리량 및 생체신호를 계측하는 경우는, 관절유닛(513)을 손등 측에 배치하도록 생체계측장치(10C)를 장착한다. 관절유닛(513)의 회동중심(530)은, 손바닥 측에서 손등 측으로 관통할 수 있는 방향으로 유두골(有頭骨)을 통과하는 위치에 상정된 손 관절의 축(β)과 동축(同軸)으로 배치된다.
생체신호를 계측할 때의 전완부(B4)의 자세는, 어느 방향으로 해도 된다. 다만, 재활 과정에서 전회(前回)의 계측 결과와 비교하는 경우에는, 같은 자세로 하는지, 손 관절 주위의 물리량 및 생체신호의 상관관계를 자세마다 취해 둔다.
이상과 같이, 생체의 가동부인 관절 및 그곳에서부터 뻗은 골격에 대해 따르 도록 장착되는 프레임을 가진 생체계측장치(10)는, 제1 내지 제4 실시형태의 부위에 한정되지 않고, 다른 관절에 맞추어서 만들어져도 된다. 예를 들면, 발목, 어깨, 손가락에도 적용할 수 있다. 손가락에 적용하는 경우는, 구동유닛(132)을 소형화하기 위해, 액압(液壓) 액츄에이터, 초음파 모터, 와이어와 솔레노이드를 조합한 플런저식 액츄에이터 등을 사용하면 된다.
제1 실시형태에서는, 교시수단으로서 표시장치(40)와 모의유닛(20)을 예시했다. 교시수단은, 생체계측장치(10)에 의해 계측된 관절의 물리량 및 수의근의 생체신호를 정량적으로 출력할 수 있는 것이면 되므로, 청각에 대해 소리의 고저(高低)나 대소(大小)에 의해 통지하는 것이어도 된다.
또한, 각 실시형태에서, 대상이 되는 하나의 관절에 대해 계측을 행하는 생체계측장치(10, 10A∼10C)를 나타냈지만, 도 1에 나타내는 바와 같이, 고관절(A2) 및 무릎관절(A1)을 동시에 계측하는 생체계측장치(10)여도 무방하고, 혹은, 상기 각 생체계측장치(10, 10A∼10C)를 적당히 조합해도 된다. 또한, 한쪽 다리뿐 아니라 양쪽 다리를 동시에 계측하는 생체계측장치(10)나, 상지(上肢)와 하지를 동시에 계측할 수 있는 생체계측장치(10)여도 된다.
제1 프레임(11, 311, 411, 511) 및 제 2 프레임(12, 312, 412, 512)은, 어느 실시형태에서도, 피험자(P)의 몸 측을 따라 배치되어 있다. 관절유닛(13)의 회동중심(130)이, 계측 대상이 되는 관절의 회동축(α)에 대해 동축으로 배치되면 된다. 그 때문에, 제1 프레임(11) 및 제2 프레임(12)은, 피험자(P)의 체중이 관절유닛(13)에 걸리기 쉽도록, 관절유닛(13)으로부터 몸의 전면(前面) 또는 배면(背面) 으로 돌아서 들어가, 제1 골격 및 제2 골격을 따라 배치되어 있어도 된다.
굴곡측 보정치 및 신전측 보정치는, 굴근 및 신근에 힘을 넣었을 때의 생체신호와 그때 발휘되는 근력의 상관관계를 결정하는 계수로서, 일정한 값에 한정되지 않고 다항식이어도 된다.
본 국제출원은, 2007년 3월 22일에 출원한 일본국 특허출원 2007－075632호, 및 2008년 3월 6일에 출원한 일본국 특허출원 2008－56674호에 의거하는 우선권을 주장하는 것이며, 일본국 특허출원 2007－075632호 및 2008년 3월 6일에 출원한 일본국 특허출원 2008－56674호의 전체 내용을 본 국제출원에 원용한다.
본원 발명에 따른 재활지원장치는, 생체로서 인체의 관절에 적용한 경우를 예로 설명했지만, 생체로서 내부 골격을 가지는 동물의 관절에도 적용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 생체의 가동부 중 계측 대상이 되는 관절로부터 뻗은 제1 골격을 따라 장착되는 제1 프레임과,
    상기 관절로부터 상기 제1 골격과 다른 방향으로 뻗은 제2 골격을 따라 장착되는 제2 프레임과,
    상기 관절의 회동축에 대해 동축(同軸) 상에 회동중심이 배치되어 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임 사이의 회동각도위치를 검출하는 각도센서와,
    상기 관절을 중심으로 상기 제1 골격과 상기 제2 골격을 굴곡시키는 굴근에 대응한 체표면에 접촉하여, 상기 굴근의 생체신호를 검출하는 굴곡측 생체신호센서와,
    상기 관절을 중심으로 상기 제1 골격과 상기 제2 골격을 신전시키는 신근에 대응한 체표면에 접촉하여, 상기 신근의 생체신호를 검출하는 신전측 생체신호센서와,
    상기 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 교정하는 굴곡측 보정치 및 상기 신전측 생체신호센서의 출력치를 교정하는 신전측 보정치를 각각 설정하는 교정수단과,
    개체마다 다른 생체신호의 개별 보정치와, 상기 굴곡측 보정치 및 상기 신전측 보정치를 기억하는 기억부를 구비하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 굴곡측 생체신호센서는, 상기 생체신호로서, 상기 굴근을 수축시키기 위해 뇌로부터 출력되어 상기 굴근에 대응한 굴곡측 신경전달신호와, 상기 굴근이 수축하는 경우에 발생하는 굴곡측 근전위신호 중 적어도 한쪽을 계측하며,
    상기 신전측 생체신호센서는, 상기 생체신호로서, 상기 신근을 수축시키기 위해 뇌로부터 출력되어 상기 신근에 대응한 신전측 신경전달신호와, 상기 신근이 수축하는 경우에 발생하는 신전측 근전위신호 중 적어도 한쪽을 계측하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  3. 제1항에 있어서,
    시각과 청각과 촉각 중 적어도 하나에 대해 통지하는 교시수단을 구비하며,
    상기 교시수단은, 상기 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 상기 굴곡측 보정치에 의거하여 보정한 굴근출력신호와, 상기 신전측 생체신호센서의 출력치를 상기 신전측 보정치에 의거하여 보정한 신근출력신호와, 상기 각도센서의 회동각도위치에 의거하여 출력하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교정수단은, 상기 각도센서가 검출한 각도변화량, 상기 제1 프레임이 상기 제2 프레임에 대해 상기 각도변화량만큼 회동하기까지 동안에 계측되는 시간, 상기 각도변화량만큼 회동하기까지 상기 굴곡측 생체신호센서 및 상기 신전측 생체신호센서의 출력치로부터 구하는 역적(力積)에 의거하여, 상기 굴곡측 보정치 및 상기 신전측 보정치를 설정하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각도센서의 회동중심과 동축으로 설치되어 상기 제1 프레임을 상기 제2 프레임에 대해 회동시키는 구동유닛과,
    상기 각도센서의 회동중심과 동축으로 설치되어 상기 제1 프레임을 상기 제2 프레임에 대해 회동시키는 토크를 검출하는 토크센서와,
    상기 굴곡측 생체신호센서, 상기 신전측 생체신호센서, 상기 각도센서, 상기 토크센서에 의해 얻어지는 정보, 및 상기 교정수단에 의해 얻어지는 각(各) 보정치를 토대로 상기 구동유닛을 작동시키는 제어부
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 정지하고 있는 상태의 상기 관절에 대해 미리 결정된 토크를 상기 구동유닛에 의해 부하(負荷)하며,
    상기 교정수단은, 상기 관절의 자세를 유지하기 위해 상기 토크에 대항하여 상기 굴근 및 상기 신근이 각각 작용하는 경우에, 상기 굴곡측 생체신호센서, 상기 신전측 생체신호센서, 상기 토크센서의 출력치에 의거하여, 상기 굴곡측 보정치 및 상기 신전측 보정치를 설정하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 상기 굴곡측 보정치에 의거하여 보정한 굴근출력신호 및 상기 신전측 생체신호센서의 출력치를 상기 신전측 보정치에 의거하여 보정한 신근출력신호를 상기 제어부에 출력하는 보정수단을 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 굴근출력신호와 상기 신근출력신호와 상기 각도센서의 회동각도위치에 의거하여 상기 구동유닛을 작동시키는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 프레임을 상기 제2 프레임에 대해 임의 각도로 고정하는 고정구와,
    상기 제1 프레임에 장착되어 상기 제1 프레임에 부여되는 굽힘응력을 계측하는 제1 스트레인게이지와,
    상기 제2 프레임에 장착되어 상기 제2 프레임에 부여되는 굽힘응력을 계측하는 제2 스트레인게이지
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교정수단은, 상기 고정구에 의해 임의 각도로 고정된 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 회동시키기 위해 상기 굴근 및 상기 신근이 각각 작용하는 경우에, 상기 굴곡측 생체신호센서, 상기 신전측 생체신호센서, 상기 제1 스트레인 게이지, 상기 제2 스트레인게이지에 의해 얻어지는 정보를 토대로, 상기 굴곡측 보정치 및 상기 신전측 보정치를 설정하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 교시수단은, 적어도 상기 굴근출력신호와 상기 신근출력신호와 상기 회동각도위치를 표시하는 표시수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 교시수단은, 시각 및 촉각에 대해 통지하는 모의유닛이며,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임에 대해 독립해서 설치되며, 단부가 연결부에 의해 회동 가능하게 연결된 제1 모의프레임 및 제2 모의프레임과,
    상기 연결부에 조립되어 상기 제1 모의프레임과 상기 제2 모의프레임의 회동각도위치를 검출하는 모의체각도센서와,
    상기 모의체각도센서의 회동중심과 동축으로 설치되어 상기 제1 모의프레임에 대해 상기 제2 모의프레임을 회동시키는 모의체구동유닛과,
    상기 굴곡측 생체신호센서의 출력치를 상기 굴곡측 보정치에 의거하여 보정한 굴근출력신호, 상기 신전측 생체신호센서의 출력치를 상기 신전측 보정치에 의거하여 보정한 신근출력신호, 상기 각도센서의 회동각도위치를, 상기 모의체구동유닛의 출력신호로 변환함으로써 상기 제1 모의프레임 및 상기 제2 모의프레임을 회동시키는 모의체제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 각도센서의 회동중심과 동축으로 설치되어 상기 제1 프레임을 상기 제2 프레임에 대해 회동시키는 구동유닛과,
    상기 각도센서의 회동중심과 동축으로 설치되어 상기 제1 프레임을 상기 제2 프레임에 대해 회동시키는 토크를 검출하는 토크센서와,
    상기 제1 프레임에 장착되어 상기 제1 프레임에 부여되는 굽힘응력을 계측하는 제1 스트레인게이지와,
    상기 제2 프레임에 장착되어 상기 제2 프레임에 부여되는 굽힘응력을 계측하는 제2 스트레인게이지와,
    상기 굴근출력신호, 상기 신근출력신호, 상기 각도센서의 회동각도위치, 상기 토크센서의 검출치, 상기 제1 스트레인게이지 및 상기 제2 스트레인게이지의 검출치에 의거하여, 상기 구동유닛을 작동시키는 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 모의체각도센서의 회동각도위치에 의거하여, 상기 구동유닛을 작동시키며,
    상기 모의체제어부는, 상기 굴근출력신호, 상기 신근출력신호, 상기 각도센 서의 회동각도위치, 상기 토크센서의 검출치, 상기 제1 스트레인게이지의 검출치, 상기 제2 스트레인게이지의 검출치에 의거하여, 상기 모의체구동유닛을 작동시키는 것을 특징으로 하는 재활지원장치.
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