WO2014108948A1 - 計測装置、履物及び情報処理装置 - Google Patents

計測装置、履物及び情報処理装置 Download PDF

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光 ▲高▼橋
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • A61B5/112—Gait analysis
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/1036—Measuring load distribution, e.g. podologic studies
    • A61B5/1038—Measuring plantar pressure during gait
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/04—Arrangements of multiple sensors of the same type
    • A61B2562/046—Arrangements of multiple sensors of the same type in a matrix array

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device, footwear, and an information processing device for evaluating the walking of a subject.
  • a sensor part such as a pressure sensitive element is arranged on the insole portion of the shoe to measure the foot pressure distribution during walking of the subject.
  • a system has been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2 below).
  • the foot pressure distribution during walking can be accurately measured, and abnormal foot pressure distribution can be measured. It is desirable to have a configuration that can quantitatively grasp the cause.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an advantageous technique for accurately and quantitatively grasping the state of a subject during walking.
  • One aspect of the present invention relates to a measurement device for evaluating the walking of a subject, and the measurement device includes a foot pressure distribution detection sensor unit including a plurality of pressure-sensitive elements, and the foot of the subject.
  • a foot pressure distribution detection sensor unit including a plurality of pressure-sensitive elements, and the foot of the subject.
  • a three-axis acceleration sensor that detects the movement in the three-axis direction, foot pressure distribution calculation data obtained by measurement by the foot pressure distribution detection sensor, and three axes obtained by measurement by the three-axis acceleration sensor
  • a communication unit that transmits acceleration data in association with an elapsed time from the start of measurement by the foot pressure distribution detection sensor unit and the three-axis acceleration sensor.
  • an advantageous technique is provided for accurately and quantitatively grasping the state of the subject during walking.
  • FIG. 1 It is a figure showing appearance composition of a foot pressure distribution measuring system provided with footwear (rehabilitation shoes) concerning a 1st embodiment of the present invention. It is a figure which shows the external appearance structure and sensor arrangement
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an external configuration of a foot pressure distribution measurement system 100 including rehabilitation shoes (footwear) 110R and 110L according to the first embodiment of the present invention.
  • the rehabilitation shoes (footwear) 110R and 110L incorporate a measuring device for evaluating the walking of the subject.
  • the measurement device includes a foot pressure distribution detection sensor unit, a triaxial acceleration sensor unit, and a communication unit.
  • 110L and 110R are rehabilitation shoes (footwear) provided with a foot pressure distribution detection sensor unit including an array of a plurality of pressure sensitive elements.
  • the plurality of pressure-sensitive elements can be disposed on the insole of the rehabilitation shoe so that the sole of the subject contacts directly or via a sock, for example.
  • 110L is a rehabilitation shoe for the left foot
  • 110R is a rehabilitation shoe for the right foot.
  • the rehabilitation shoes 110R and 110L are respectively provided with communication units 112R and 112L for performing wireless communication with the information processing apparatus, and triaxial acceleration sensor units 111R and 111L for measuring accelerations in the triaxial directions of the respective feet. It has been.
  • the communication unit 112R, the foot pressure distribution detection sensor unit, and the three-axis acceleration sensor unit 111R can be connected via a cable.
  • the communication unit 112L, the foot pressure distribution detection sensor unit, and the three-axis acceleration sensor unit 111L can be connected via a cable.
  • the communication unit 112R and the three-axis acceleration sensor unit 111R can be integrally attached to a band-shaped member that is wound around the subject's ankle.
  • the communication unit 112L and the three-axis acceleration sensor unit 111L can be integrally attached to a band-shaped member that is wound around the subject's ankle.
  • Reference numeral 120 denotes an information processing device, which includes foot pressure distribution calculation data measured by a foot pressure distribution detection sensor unit (not shown) of the rehabilitation shoe 110L for the left foot and the rehabilitation shoe 110R for the right foot, and a triaxial acceleration sensor unit.
  • the triaxial acceleration data measured by 111R and 111L (that is, data from the measuring device) are acquired.
  • the triaxial acceleration data includes acceleration data in the X axis direction (lateral direction; pitch axis direction), acceleration data in the Y axis direction (traveling direction when the subject walks; roll axis direction), Acceleration data in the Z-axis direction (height direction; yaw axis direction) can be included.
  • the information processing device 120 calculates the position coordinates of each foot of the subject while walking and the motion trajectory of each foot of the subject while walking by analyzing the triaxial acceleration data, along with the foot pressure distribution data indicate.
  • the position coordinates can be calculated with reference to the position of each foot of the subject at the start of the walking motion analysis process, for example. By calculating the motion trajectory, the landing position of the foot of the subject who is walking can be determined.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining a detailed configuration of the rehabilitation shoes.
  • a rehabilitation shoe 110R for the right foot is shown.
  • 2A is a side external view
  • FIG. 2B is a plan view of the insole.
  • a plurality of pressure-sensitive elements 202R are embedded in the midsole of the rehabilitation shoe 110R.
  • the midsole is a foot pressure for measuring foot pressure distribution detection data. It functions as the distribution detection sensor unit 201R.
  • the sole of the subject contacts the inner bottom of the rehabilitation shoe 110R directly or via a sock.
  • a power supply unit 203R for supplying power to the pressure sensitive element 202R, the triaxial acceleration sensor unit 111R, and the communication unit 112R is disposed on the sole of the rehabilitation shoe 110R.
  • foot pressure data data measured in each of the plurality of pressure sensitive elements 202R constituting the foot pressure distribution detection sensor unit 201R
  • foot pressure distribution calculation data a number of foot pressure data groups corresponding to the number of pressure sensitive elements 202R.
  • foot pressure distribution data data for displaying the foot pressure distribution calculated using the foot pressure distribution calculation data
  • foot pressure distribution data data for displaying the foot pressure distribution calculated using the foot pressure distribution calculation data
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a functional configuration of the information processing apparatus 120 that configures the foot pressure distribution measurement system 100.
  • the information processing apparatus 120 includes a control unit (computer) 321, a memory unit 322, a storage unit 323, a display unit 324, an input unit 325, and an external device I / F unit 326. Each part is connected to each other via a bus 327.
  • the storage unit 323 configured by a hard disk or the like stores programs that function as a foot pressure distribution calculation unit 331, a walking motion analysis unit 332, and a triaxial motion analysis unit 333, respectively, by being executed by the control unit 321. ing.
  • the program is appropriately read into a memory unit 322 (for example, a RAM) functioning as a work area under the control of the control unit 321, and executed by the control unit 321, thereby realizing each function.
  • a memory unit 322 for example, a RAM
  • data acquired by executing the program by the control unit 321 is recorded in the storage unit 323 as foot pressure distribution calculation data 334 and triaxial acceleration data 335.
  • the display unit 324 displays a user interface for causing the control unit 321 to execute the program, or displays a walking motion analysis result.
  • the input unit 325 inputs an instruction for executing the program, and includes a keyboard and a pointing device (such as a mouse).
  • the external device I / F unit 326 is measured by the foot pressure distribution detection sensor units 201L and 201R and transmitted via the communication units 112L and 112R, and the triaxial acceleration sensor units 111L and 111R. This is an I / F (interface) for taking the triaxial acceleration data measured and transmitted via the communication units 112L and 112R into the information processing apparatus 120.
  • the external device I / F unit 326 is realized by a wireless interface such as a wireless LAN or Bluetooth.
  • the external device I / F unit 326 is realized by a wired interface such as USB or IEEE1394, for example.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the displacement in the Z-axis direction when the movement of the right foot while the subject is walking is viewed from the side.
  • the right foot that has landed (state 401) starts to walk and moves upward by kicking the ground (state 402), and is positioned substantially parallel to the ground.
  • the right foot that has landed (state 401) starts to walk and moves upward by kicking the ground (state 402), and is positioned substantially parallel to the ground.
  • state 405 After moving in the advancing direction while maintaining (states 403 and 404), landing again (state 405).
  • the position in the Z-axis direction of the 3-axis acceleration sensor unit 111R in the state 401 is set as the reference position 410, and the acceleration data in the Z-axis direction measured by the 3-axis acceleration sensor unit 111R is integrated twice, thereby A displacement 412 from the position 410 can be calculated.
  • the displacements 413 and 414 in the states 403 and 404 the displacement in the Z-axis direction at each elapsed time after the start of the walking motion in the walking motion for one step of the right foot can be obtained.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the displacement in the Z-axis direction when the movement of the right foot while the subject is walking is viewed from the side.
  • the right foot that has landed (state 401) moves upward in the traveling direction by starting a walking motion and kicking the ground (state 402), and is positioned substantially parallel to the ground.
  • the right foot that has landed moves upward in the traveling direction by starting a walking motion and kicking the ground (state 402), and is positioned substantially parallel to the ground.
  • state 405 After moving in the advancing direction while maintaining (states 403 and 404), landing again (state 405).
  • the position in the Y-axis direction of the three-axis acceleration sensor unit 111R in the state 401 is set as the reference position 510, and the acceleration data in the Y-axis direction measured by the three-axis acceleration sensor unit 111R is integrated twice, thereby A displacement 512 from the position 510 can be calculated.
  • the displacement in the Y-axis direction at each elapsed time after the start of the walking motion in the walking motion for one step of the right foot can be obtained. .
  • FIG. 6 is a diagram illustrating displacement in the X-axis direction when the motion of the right foot while the subject is walking is viewed from above. As shown in FIG. 6, the right foot that has landed (state 401) starts walking, moves in the direction of travel by kicking up the ground (states 402 to 404), and then landers again (state 405). .
  • the leg during the swing leg period may deviate in the X axis direction (turns outward or inward) with respect to the landing position. Therefore, a line connecting the position in the X-axis direction in the state 401 and the position in the X-axis direction in the state 405 with a straight line is taken as a reference position 610, and acceleration data in the X-axis direction measured by the three-axis acceleration sensor unit 111R.
  • displacements 612 to 614 from the reference position 610 can be calculated. That is, the displacement in the X-axis direction at each elapsed time after the start of the walking motion in the walking motion for one step of the right foot can be obtained.
  • the displacement locus can be calculated.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the flow of walking motion analysis processing in the information processing apparatus 120.
  • the walking motion analysis unit 332 transmits a measurement start instruction to the rehabilitation shoe 110L for the left foot and the rehabilitation shoe 110R for the right foot.
  • the foot pressure distribution detection sensor units 201R and 201L include the foot pressure distribution calculation data.
  • the triaxial acceleration sensor units 111R and 111L start measuring triaxial acceleration data.
  • the rehabilitation shoe 110L for the left foot and the rehabilitation shoe 110R for the right foot transmit the measured foot pressure distribution calculation data and the triaxial acceleration data to the information processing device 120 in association with the elapsed time from the measurement start time. To start.
  • step S702 the walking motion analysis unit 332 starts receiving foot pressure distribution calculation data and triaxial acceleration data transmitted from the rehabilitation shoe 110L for the left foot and the rehabilitation shoe 110R for the right foot.
  • step S703 the walking motion analysis unit 332 starts recording the foot pressure distribution calculation data and the triaxial acceleration data received in step S702 in the storage unit 323.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of foot pressure distribution calculation data and triaxial acceleration data recorded in the storage unit 323. As shown in FIG. 8, the foot pressure distribution calculation data 334 and the triaxial acceleration data 335 transmitted from the left foot rehabilitation shoe 110L and the right foot rehabilitation shoe 110R, respectively, are associated with the elapsed time from the measurement start time. Recorded.
  • the triaxial acceleration data 335 is composed of acceleration data groups in the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction
  • the foot pressure distribution calculation data 334 is foot pressure data from N pressure sensitive elements. It consists of a group.
  • the sampling interval of the triaxial acceleration data 335 and the foot pressure distribution calculation data 334 is 100 mmsec, but the present invention is not limited to this.
  • step S704 the triaxial motion analysis unit 333 uses the acceleration data recorded in the storage unit 323 in the X axis direction and the Y axis direction to see the motion of the subject's foot while walking from above.
  • the locus of displacement in the case that is, in the XY axis plane) is calculated.
  • step S705 the triaxial motion analysis unit 333 uses the acceleration data in the Z axis direction and the Y axis direction recorded in the storage unit 323 to see the motion of the foot while the subject is walking from the side.
  • the locus of displacement in the case that is, in the YZ axis plane) is calculated.
  • step S706 the foot pressure distribution calculation unit 331 calculates the foot pressure distribution data at each elapsed time based on the foot pressure distribution calculation data 334 recorded in the storage unit 323. Specifically, a color scheme corresponding to the value of each foot pressure data is added to a position corresponding to the arrangement of each pressure sensitive element.
  • the position coordinates of the foot pressure distribution data on the XY axis plane are also calculated using the corresponding acceleration data in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • step S707 the walking motion analysis unit 332 determines whether or not a measurement end instruction has been input. If it is determined that a measurement end instruction has not been input, the process returns to step S704 to continue the process. On the other hand, if it is determined in step S707 that a measurement end instruction has been input, the process proceeds to step S708.
  • step S708 the stride of each foot of the subject is calculated based on the displacement locus on the YZ axis plane calculated in step S705. Specifically, a time point having a height position that coincides with the height position at the measurement start time point is extracted from the displacement locus on the YZ axis plane calculated in step S705, and the XY axis at each time point is extracted. The position coordinates of the plane are calculated. Then, these processes are performed for each of the right foot and the left foot, and the distance between adjacent position coordinates is calculated to obtain the stride of the subject.
  • step S709 the displacement locus in the XY axis plane calculated in step S704, the displacement locus in the YZ axis plane calculated in step S705, the foot pressure distribution data calculated in step S706, and in step S708
  • the calculated stride is displayed as a walking motion analysis result.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the walking motion analysis result displayed in step S709.
  • reference numeral 901 denotes the locus of the left foot of the subject among the displacement locus on the XY axis plane calculated in step S704.
  • Reference numeral 902 denotes the locus of the right foot of the subject among the displacement locus on the XY axis plane calculated in step S704.
  • 911 indicates the locus of the left foot of the subject among the displacement locus on the YZ axis plane calculated in step S705.
  • Reference numeral 912 denotes the trajectory of the subject's right foot among the displacement trajectories in the YZ axis plane calculated in step S705.
  • reference numeral 921 indicates the foot pressure distribution data of the left foot at a predetermined elapsed time among the foot pressure distribution data calculated in step S706.
  • 922 indicates foot pressure distribution data of the right foot at a predetermined elapsed time among the foot pressure distribution data calculated in step S706.
  • 931 determines the position and orientation of the foot type (predetermined foot type) of the subject's left foot based on the foot pressure distribution data while the left foot is landing, and superimposes it on the foot pressure distribution data 921 It is a foot type displayed together.
  • 932 determines the position and orientation of the foot shape (predetermined foot shape) of the subject's right foot based on the foot pressure distribution data while the right foot is landing, and foot pressure distribution data This is a foot pattern superimposed on 922.
  • 941 and 942 indicate the strides calculated in step S708. In order to clearly indicate the stride, it is assumed that the past footprints are displayed as they are regardless of the elapsed time.
  • a triaxial acceleration sensor unit is attached to each foot of the subject, and the triaxial acceleration data together with the foot pressure distribution calculation data corresponds to the elapsed time from the start of measurement. It was set as the structure which attaches and records. Also, by processing the triaxial acceleration data, the trajectory of the subject's foot during walking on the XY axis plane, the trajectory on the YZ axis plane, and the stride are calculated, and the foot pressure distribution at each elapsed time The position coordinates of the data on the XY axis plane are calculated.
  • the calculated locus and stride are displayed, and the foot pressure distribution data is displayed based on the position coordinates of the calculated foot pressure distribution data on the XY axis plane.
  • the present invention is not limited to this.
  • the foot pressure distribution data at each landing timing during walking may be displayed simultaneously on the same plane.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a walking motion analysis result.
  • the same display contents as the display contents shown in FIG. 9 are assigned the same reference numerals, and the description thereof is omitted here.
  • the difference from FIG. 9 is the foot pressure distribution data 1021 to 1023.
  • the foot pressure distribution data at a predetermined elapsed time is displayed.
  • the foot pressure distribution data at each timing when each foot is landing during walking is landed. It is the point which is simultaneously displayed at each position.
  • the displacement in the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction is calculated based on the triaxial acceleration data, and the trajectory of each foot during walking on the XY axis plane and Although the trajectory of each foot during walking on the YZ axis plane is displayed, the present invention is not limited to this.
  • the motion speed of each foot at each elapsed time can be calculated by integrating the 3-axis acceleration data once, the motion speed may be displayed together.
  • the operation speed display method may be, for example, a numerical value or a vector having a length proportional to the operation speed.
  • the turning angle of each foot during walking on the XY axis plane and YZ The angle of raising each foot during walking on the axial plane may be calculated and displayed together.
  • the timing at which each foot has landed is the timing at which the height of each foot has reached the reference position.
  • the stride is calculated based on the position coordinates of each foot at the timing, but the present invention is not limited to this.
  • the timing at which the contact area is maximized is determined to be the timing at which each foot has landed, and the stride is calculated using the position coordinates of each foot at that timing. It may be configured.
  • the communication units 112R and 112L and the triaxial acceleration sensor units 111R and 111L of each foot are attached to the band-shaped member.
  • the present invention is not limited to this. It is good also as a structure attached in rehabilitation shoes 110R, 110L.
  • the pressure-sensitive element is directly embedded in the bottom of the rehabilitation shoe.
  • the present invention is not limited to this.
  • the pressure sensitive element is embedded in the insole portion. It may be.
  • the three-axis acceleration sensor is arranged and the trajectory of the foot motion is calculated based on the three-axis acceleration data.
  • the present invention is not limited to this.
  • a gyro sensor or the like may be used.
  • the stride of the subject is calculated based on the triaxial acceleration data from the triaxial acceleration sensor.
  • the present invention is not limited to this, and the GPS is not limited to this.
  • a position sensor such as the above may be used.
  • 100 Foot pressure distribution measurement system
  • 110R Rehabilitation shoes for right foot
  • 110L Rehabilitation shoes for left foot
  • 111R 3-axis acceleration sensor unit
  • 111L 3-axis acceleration sensor unit
  • 112R Communication unit
  • 112L Communication unit
  • 120 Information processing device
  • 201R Foot pressure distribution detection sensor unit
  • 202R Pressure sensitive element
  • 203R Power supply unit

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Abstract

　被験者の歩行を評価するための計測装置は、複数の感圧素子が配されてなる足圧分布検出センサ部と、前記被検者の足の３軸方向の動作を検出する３軸加速度センサ部と、前記足圧分布検出センサ部による計測によって得られた足圧分布算出用データと、前記３軸加速度センサによる計測によって得られた３軸加速度データとを、前記足圧分布検出センサ部および前記３軸加速度センサによる計測開始時からの経過時間と対応付けて外部に送信する通信部とを備える。

Description

計測装置、履物及び情報処理装置
　本発明は、被検者の歩行を評価するための計測装置、履物及び情報処理装置に関するものである。
　脳卒中などの脳神経系疾患を発症し、右片または左片が麻痺した患者に対しては、従来より、理学療法士等の指導および監視のもとで、運動機能回復訓練が行われてきた。一般的に、自立した生活を営むためには、下肢機能の回復が不可欠であり、理学療法士等は、訓練時に患者の下肢機能の回復状態を適確に判断することが重要となってくる。このため、運動機能の回復訓練においては、患者の足圧分布等の計測を行い、下肢機能の回復状態が定量的に評価されることが望ましい。
　一方で、被検者の足圧分布を計測し可視化するシステムとして、従来より、靴のインソール部分に感圧素子等のセンサ部を配し、被検者の歩行中の足圧分布を計測するシステムが提案されている（例えば、下記特許文献１、２参照）。
特開２０１１－２３４８１８号公報 特開２００９－１０６５４５号公報
　歩行中の足圧分布を解析するだけでは、足圧分布と足全体の歩行動作との関係が不明であるため、足圧分布の異常、例えば足圧分布の偏りの原因等を定量的に把握することが難しい。
　このようなことから、運動機能の回復訓練において、下肢機能の回復状態を定量的に評価するにあたっては、歩行中の足圧分布を正確に計測することができ、かつ、足圧分布の異常の原因を定量的に把握できる構成とすることが望ましい。
　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、被検者の歩行中の状態を正確かつ定量的に把握するために有利な技術を提供することを目的とする。
　本発明の１つの側面は、被験者の歩行を評価するための計測装置に係り、該計測装置は、複数の感圧素子が配されてなる足圧分布検出センサ部と、前記被検者の足の３軸方向の動作を検出する３軸加速度センサ部と、前記足圧分布検出センサ部による計測によって得られた足圧分布算出用データと、前記３軸加速度センサによる計測によって得られた３軸加速度データとを、前記足圧分布検出センサ部および前記３軸加速度センサによる計測開始時からの経過時間と対応付けて外部に送信する通信部とを備える。
　本発明によれば、被検者の歩行中の状態を正確かつ定量的に把握するために有利な技術が提供される。
本発明の第１の実施形態に係る履物（リハビリシューズ）を備える足圧分布計測システムの外観構成を示す図である。 リハビリシューズの外観構成及び中底のセンサ配置を示す図である。 リハビリシューズの外観構成及び中底のセンサ配置を示す図である。 足圧分布計測システムの機能構成を示す図である。 被検者の歩行中の足の動作を横から見た場合の、Ｚ軸方向の変位を示す図である。 被検者の歩行中の足の動作を横から見た場合の、Ｙ軸方向の変位を示す図である。 被検者の歩行中の足の動作を上から見た場合の、Ｘ軸方向の変位を示す図である。 足圧分布計測システムにおける歩行動作解析処理の流れを示すフローチャートである。 足圧分布計測システムにおいて記録されたデータ一覧の一覧を示す図である。 足圧分布計測システムにおいて表示された、歩行動作解析結果の一例を示す図である。 足圧分布計測システムにおいて表示された、歩行動作解析結果の一例を示す図である。
　以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。
　［第１の実施形態］
　＜１．足圧分布計測システムの外観構成＞
　図１は、本発明の第１の実施形態に係るリハビリシューズ（履物）１１０Ｒ、１１０Ｌを含む足圧分布計測システム１００の外観構成の一例を示す図である。リハビリシューズ（履物）１１０Ｒ、１１０Ｌには、被験者の歩行を評価するための計測装置が組み込まれている。計測装置は、足圧分布検出センサ部、３軸加速度センサ部および通信部を含む。
　図１において、１１０Ｌ及び１１０Ｒは、複数の感圧素子の配列を含む足圧分布検出センサ部が設けられたリハビリシューズ（履物）である。該複数の感圧素子は、例えば、被験者の足裏が直接またはソックスを介して接触するように、リハビリシューズの中底に配置されうる。１１０Ｌは左足用のリハビリシューズであり、１１０Ｒは右足用のリハビリシューズである。また、リハビリシューズ１１０Ｒ及び１１０Ｌにはそれぞれ、情報処理装置と無線通信を行うための通信部１１２Ｒ、１１２Ｌと、各足の３軸方向の加速度を計測する３軸加速度センサ部１１１Ｒ、１１１Ｌとが取り付けられている。通信部１１２Ｒと足圧分布検出センサ部および３軸加速度センサ部１１１Ｒとは、ケーブルを介して接続されうる。同様に、通信部１１２Ｌと足圧分布検出センサ部および３軸加速度センサ部１１１Ｌとは、ケーブルを介して接続されうる。通信部１１２Ｒ及び３軸加速度センサ部１１１Ｒは、被検者の足首に巻きつけられるバンド状部材に一体的に取り付けられうる。同様に、通信部１１２Ｌ及び３軸加速度センサ部１１１Ｌは、被検者の足首に巻きつけられるバンド状部材に一体的に取り付けられうる。
　１２０は情報処理装置であり、左足用のリハビリシューズ１１０Ｌ及び右足用のリハビリシューズ１１０Ｒの足圧分布検出センサ部（不図示）によりそれぞれ計測された足圧分布算出用データと、３軸加速度センサ部１１１Ｒ、１１１Ｌによりそれぞれ計測された３軸加速度データと（つまり、計測装置からのデータ）を取得する。ここで、３軸加速度データには、Ｘ軸方向（横方向；ピッチ軸方向）の加速度データと、Ｙ軸方向（被検者が歩行する際の進行方向；ロール軸方向）の加速度データと、Ｚ軸方向（高さ方向；ヨー軸方向）の加速度データとが含まれうる。
　情報処理装置１２０は、３軸加速度データを解析することにより、歩行中の被検者の各足の位置座標及び歩行中の被検者の各足の動作軌跡を算出し、足圧分布データとともに表示する。位置座標は、例えば、歩行動作解析処理開始時の被検者の各足の位置を基準にして算出されうる。動作軌跡を算出することにより、歩行中の被検者の足の着地位置を判定することができる。
　足圧分布算出用データ及び３軸加速度データを取得・解析し、被検者の歩行状態を可視化するまでの歩行動作解析処理の詳細については後述する。
　＜２．リハビリシューズの詳細構成＞
　次に、リハビリシューズの詳細構成について説明する。図２Ａ、２Ｂは、リハビリシューズの詳細構成を説明するための図であり、ここでは、一例として、右足用のリハビリシューズ１１０Ｒを示している。図２Ａは側面外観図を、図２Ｂは中底の平面図をそれぞれ示している。
　図２Ａに示すように、リハビリシューズ１１０Ｒの中底には、複数の感圧素子２０２Ｒが埋め込まれており、本実施形態において当該中底は、足圧分布検出用データを計測するための足圧分布検出センサ部２０１Ｒとして機能する。リハビリシューズ１１０Ｒの中底には、被検者がリハビリシューズ１１０Ｒを履いた状態において、被検者の足裏が直接に又はソックスを介して接触する。
　リハビリシューズ１１０Ｒの靴底には、感圧素子２０２Ｒ、３軸加速度センサ部１１１Ｒ、通信部１１２Ｒに電源を供給するための電源部２０３Ｒが配されている。
　以下では、足圧分布検出センサ部２０１Ｒを構成する複数の感圧素子２０２Ｒそれぞれにおいて計測されたデータを「足圧データ」と称し、感圧素子２０２Ｒの数に応じた数の足圧データ群を「足圧分布算出用データ」と称する。また、当該足圧分布算出用データを用いて算出された、足圧分布を表示するためのデータを「足圧分布データ」と称することとする。
　＜３．荷重分布計測システムを構成する情報処理装置の機能構成＞
　図３は、足圧分布計測システム１００を構成する情報処理装置１２０の機能構成を示す図である。図３に示すように、情報処理装置１２０は、制御部（コンピュータ）３２１と、メモリ部３２２と、記憶部３２３と、表示部３２４と、入力部３２５と、外部機器Ｉ／Ｆ部３２６とを備え、各部は、バス３２７を介して相互に接続されている。
　ハードディスク等で構成される記憶部３２３には、制御部３２１により実行されることにより、それぞれ足圧分布算出部３３１、歩行動作解析部３３２、３軸方向動作解析部３３３として機能するプログラムが格納されている。当該プログラムは、制御部３２１による制御のもと、ワークエリアとして機能するメモリ部３２２（例えば、ＲＡＭ）に適宜読み込まれ、制御部３２１によって実行されることで、各機能が実現される。尚、制御部３２１によって当該プログラムが実行されることにより取得されるデータは、足圧分布算出用データ３３４、３軸加速度データ３３５として、記憶部３２３に記録される。
　表示部３２４は、制御部３２１に当該プログラムを実行させるためのユーザインタフェースを表示したり、歩行動作解析結果を表示したりする。入力部３２５は、当該プログラムを実行させるための指示を入力するものであり、キーボードやポインティングデバイス（マウス等）で構成される。外部機器Ｉ／Ｆ部３２６は、足圧分布検出センサ部２０１Ｌ及び２０１Ｒそれぞれにおいて計測され、通信部１１２Ｌ及び１１２Ｒを介して送信された足圧分布算出用データ、ならびに３軸加速度センサ部１１１Ｌ及び１１１Ｒそれぞれにおいて計測され、通信部１１２Ｌ及び１１２Ｒを介して送信された３軸加速度データを、情報処理装置１２０内に取り込むためのＩ／Ｆ（インタフェース）である。本実施形態では、外部機器Ｉ／Ｆ部３２６は、無線ＬＡＮ、ブルートゥース等の無線インタフェースで実現される。有線通信で実現する場合には、外部機器Ｉ／Ｆ部３２６は、例えば、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４等の有線インタフェースで実現される。
　＜４．３軸加速度センサ部により計測される３軸加速度データの解析内容の説明＞
　次に、３軸加速度センサ部１１１Ｌ、１１１Ｒにより計測される３軸加速度データの解析内容について説明する。
　（１）Ｚ軸方向の変位
　はじめに、Ｚ軸方向の加速度データを解析することにより算出されるＺ軸方向（高さ方向）の変位について説明する。図４は、被検者の歩行中の右足の動作を横から見た場合の、Ｚ軸方向の変位を示す図である。図４に示すように、着地していた右足は（状態４０１）、歩行動作を開始し地面を蹴り上げることで進行方向上側へと移動し（状態４０２）、地面に対して略平行な位置を保ちながら進行方向へと移動した後（状態４０３、４０４）、再び着地する（状態４０５）。
　このとき、状態４０１での３軸加速度センサ部１１１ＲのＺ軸方向の位置を基準位置４１０とし、３軸加速度センサ部１１１Ｒにより計測されたＺ軸方向の加速度データを２回積分することで、基準位置４１０からの変位４１２を算出することができる。同様に、各状態４０３、４０４における各変位４１３、４１４を算出することで、右足１歩分の歩行動作における、歩行動作開始後の各経過時間におけるＺ軸方向の変位を求めることができる。
　歩行動作開始後に、３軸加速度センサ部１１１ＲのＺ軸方向の位置が再び基準位置４１０に到達した時点を検出することで、被検者の右足の１歩目の着地タイミングと判断することができる。
　（２）Ｙ軸方向の変位
　次に、Ｙ軸方向（進行方向）の変位について説明する。図５は、被検者の歩行中の右足の動きを横から見た場合の、Ｚ軸方向の変位を示す図である。図５に示すように、着地していた右足は（状態４０１）、歩行動作を開始し地面を蹴り上げることで進行方向上方へと移動し（状態４０２）、地面に対して略平行な位置を保ちながら進行方向へと移動した後（状態４０３、４０４）、再び着地する（状態４０５）。
　このとき、状態４０１での３軸加速度センサ部１１１ＲのＹ軸方向の位置を基準位置５１０とし、３軸加速度センサ部１１１Ｒにより計測されたＹ軸方向の加速度データを２回積分することで、基準位置５１０からの変位５１２を算出することができる。同様に、各状態４０３、４０４における各変位５１３、５１４、５１５を算出することで、右足１歩分の歩行動作における、歩行動作開始後の各経過時間におけるＹ軸方向の変位を求めることができる。
　（３）Ｘ軸方向の変位
　次に、Ｘ軸方向（旋回方向）の変位について説明する。図６は、被検者の歩行中の右足の動作を上から見た場合の、Ｘ軸方向の変位を示す図である。図６に示すように、着地していた右足は（状態４０１）、歩行動作を開始し地面を蹴り上げることで進行方向へと移動した後（状態４０２～４０４）、再び着地する（状態４０５）。
　このとき、被検者によっては、遊脚期間の足が、着地位置に対して、Ｘ軸方向にずれる（外側または内側に旋回する）ことがある。そこで、状態４０１でのＸ軸方向の位置と、状態４０５でのＸ軸方向の位置とを直線で結ぶ線を基準位置６１０とし、３軸加速度センサ部１１１Ｒにより計測されたＸ軸方向の加速度データを２回積分することで、基準位置６１０からの変位６１２～６１４を算出することができる。つまり、右足１歩分の歩行動作における、歩行動作開始後の各経過時間におけるＸ軸方向の変位を求めることができる。
　歩行動作開始時点からの各経過時間におけるＺ軸方向の変位と、Ｙ軸方向の変位とを組み合わせることで、被検者の歩行中の足の動作を横から見た場合の（つまり、Ｙ－Ｚ軸平面における）、変位の軌跡を算出することができる。
　同様に、歩行動作開始時点からの各経過時間におけるＸ軸方向の変位と、Ｙ軸方向の変位とを組み合わせることで、被検者の歩行中の足の動作を上から見た場合の（つまり、Ｘ－Ｙ軸平面における）、変位の軌跡を算出することができる。
　＜５．歩行動作解析処理の説明＞
　次に、情報処理装置１２０における歩行動作解析処理について説明する。図７は、情報処理装置１２０における歩行動作解析処理の流れを示すフローチャートである。ステップＳ７０１では、歩行動作解析部３３２が、左足用のリハビリシューズ１１０Ｌ、右足用のリハビリシューズ１１０Ｒに対して、計測開始指示を送信する。歩行動作解析部３３２より計測開始指示を受信したことに応答して、左足用のリハビリシューズ１１０Ｌ、右足用のリハビリシューズ１１０Ｒでは、足圧分布検出センサ部２０１Ｒ、２０１Ｌが足圧分布算出用データの計測を開始する。また、歩行動作解析部３３２より計測開始指示を受信したことに応答して、３軸加速度センサ部１１１Ｒ、１１１Ｌが３軸加速度データの計測を開始する。また、左足用のリハビリシューズ１１０Ｌ、右足用のリハビリシューズ１１０Ｒは、計測した足圧分布算出用データ及び３軸加速度データを計測開始時点からの経過時間と対応付けて情報処理装置１２０へ送信する処理を開始する。
　ステップＳ７０２では、歩行動作解析部３３２が、左足用のリハビリシューズ１１０Ｌ、右足用のリハビリシューズ１１０Ｒより送信される足圧分布算出用データ及び３軸加速度データの受信を開始する。
　ステップＳ７０３では、歩行動作解析部３３２が、ステップＳ７０２において受信した足圧分布算出用データ及び３軸加速度データの記憶部３２３への記録を開始する。
　図８は、記憶部３２３に記録された足圧分布算出用データ及び３軸加速度データの一例を示す図である。図８に示すように、左足用のリハビリシューズ１１０Ｌ及び右足用のリハビリシューズ１１０Ｒよりそれぞれ送信された足圧分布算出用データ３３４及び３軸加速度データ３３５は、計測開始時点からの経過時間と対応付けて記録される。
　本実施形態において、３軸加速度データ３３５は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の加速度データ群からなり、足圧分布算出用データ３３４は、Ｎ個の感圧素子からの足圧データ群からなる。図８の例では、３軸加速度データ３３５及び足圧分布算出用データ３３４のサンプリング間隔を１００ｍｍｓｅｃとしているが、本発明はこれに限定されない。
　図７に戻る。ステップＳ７０４では、３軸方向動作解析部３３３が、記憶部３２３に記録された、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速度データを用いて、被検者の歩行中の足の動作を上から見た場合の（つまり、Ｘ－Ｙ軸平面における）変位の軌跡を算出する。
　ステップＳ７０５では、３軸方向動作解析部３３３が、記憶部３２３に記録された、Ｚ軸方向及びＹ軸方向の加速度データを用いて、被検者の歩行中の足の動作を横から見た場合の（つまり、Ｙ－Ｚ軸平面における）変位の軌跡を算出する。
　ステップＳ７０６では、足圧分布算出部３３１が、記憶部３２３に記録された足圧分布算出用データ３３４に基づいて、各経過時間における足圧分布データの算出を行う。具体的には、各足圧データの値に応じた配色を、各感圧素子の配置に応じた位置に付加する。足圧分布データの算出に際しては、対応するＸ軸方向及びＹ軸方向の加速度データを用いて、各足圧分布データのＸ－Ｙ軸平面における位置座標もあわせて算出する。
　ステップＳ７０７では、歩行動作解析部３３２が、計測終了指示が入力されたか否かを判定し、計測終了指示が入力されていないと判定された場合には、ステップＳ７０４に戻り、処理を継続する。一方、ステップＳ７０７において、計測終了指示が入力されたと判定された場合には、ステップＳ７０８に進む。
　ステップＳ７０８では、ステップＳ７０５において算出されたＹ－Ｚ軸平面における変位の軌跡に基づいて、被検者の各足の歩幅を算出する。具体的には、ステップＳ７０５において算出された、Ｙ－Ｚ軸平面における変位の軌跡において、計測開始時点における高さ位置と一致する高さ位置を有する時点を抽出し、各時点におけるＸ－Ｙ軸平面の位置座標を算出する。そして、これらの処理を、右足及び左足それぞれについて実施し、隣り合う位置座標間の距離を算出することで、被検者の歩幅を求める。
　ステップＳ７０９では、ステップＳ７０４において算出されたＸ－Ｙ軸平面における変位の軌跡、ステップＳ７０５において算出されたＹ－Ｚ軸平面における変位の軌跡、ステップＳ７０６において算出された足圧分布データ、ステップＳ７０８において算出された歩幅を、歩行動作解析結果として表示する。
　図９は、ステップＳ７０９において表示された歩行動作解析結果の一例を示す図である。図９において、９０１はステップＳ７０４において算出されたＸ－Ｙ軸平面における変位の軌跡のうち、被検者の左足の軌跡を示している。９０２はステップＳ７０４において算出されたＸ－Ｙ軸平面における変位の軌跡のうち、被検者の右足の軌跡を示している。
　また、９１１はステップＳ７０５において算出されたＹ－Ｚ軸平面における変位の軌跡のうち、被検者の左足の軌跡を示している。９１２はステップＳ７０５において算出されたＹ－Ｚ軸平面における変位の軌跡のうち、被検者の右足の軌跡を示している。
　また、９２１はステップＳ７０６において算出された足圧分布データのうち、所定の経過時間における左足の足圧分布データを示している。同様に、９２２はステップＳ７０６において算出された足圧分布データのうち、所定の経過時間における右足の足圧分布データを示している。
　９３１は、左足が着地している間の足圧分布データに基づいて、被検者の左足の足型（予め決定された足型）の位置及び向きを判断し、足圧分布データ９２１に重ね合わせて表示した足型である。同様に、９３２は、右足が着地している間の足圧分布データに基づいて、被検者の右足の足型（予め決定された足型）の位置及び向きを判断し、足圧分布データ９２２に重ね合わせて表示した足型である。
　９４１、９４２はステップＳ７０８において算出された歩幅を示している。なお、歩幅を明示するために、経過時間とは無関係に過去の足型はそのまま表示されるものとする。
　本実施形態に係る足圧分布計測システムでは、被検者の各足に３軸加速度センサ部を装着し、３軸加速度データを足圧分布算出用データとともに、計測開始時からの経過時間に対応付けて記録する構成とした。また、３軸加速度データを処理することで、歩行時の被検者の足のＸ－Ｙ軸平面における軌跡、Ｙ－Ｚ軸平面における軌跡、歩幅を算出するとともに、各経過時間における足圧分布データのＸ－Ｙ軸平面における位置座標を算出する構成とした。
　更に、算出した軌跡、歩幅を表示するともに、算出した足圧分布データのＸ－Ｙ軸平面における位置座標に基づいて足圧分布データを表示する構成とした。
　これにより、歩行時の足全体の動作を足圧分布データとともに表示することが可能となり、足圧分布と足全体の歩行動作との関係を定量的に把握することが可能となった。
　つまり、被検者の歩行中の状態を正確かつ定量的に把握することが可能となった。
　［第２の実施形態］
　上記第１の実施形態では、所定の経過時間における足圧分布データのみを表示する構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、歩行中の各着地タイミングにおける足圧分布データそれぞれを同一平面上に同時に表示する構成としてもよい。
　図１０は、歩行動作解析結果の一例を示す図である。図１０に示す各表示内容のうち、図９に示す各表示内容と同じ表示内容については、同じ参照番号を付すこととし、ここでは説明を省略する。
　図９との相違点は、足圧分布データ１０２１～１０２３である。図９の場合、所定の経過時間における足圧分布データのみを表示する構成としたが、本実施形態では、歩行中に各足が着地しているそれぞれのタイミングにおける足圧分布データを、着地している位置にそれぞれ同時に表示させている点である。
　このように、異なる経過時間における足圧分布データを同一画面上に同時に表示させることで、各歩数における足圧分布データを一覧することが可能となる。
　［第３実施形態］
　上記第１及び第２の実施形態では、３軸加速度データに基づいて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の変位を算出し、Ｘ－Ｙ軸平面における歩行中の各足の軌跡及びＹ－Ｚ軸平面における歩行中の各足の軌跡を表示する構成としたが、本発明はこれに限定されない。
　３軸加速度データを１回積分することで、各経過時間における各足の動作速度を算出することができることから、当該動作速度を、合わせて表示するようにしてもよい。なお、動作速度の表示方法は、例えば、数値で表示してもよいし、動作速度に比例した長さのベクトルで表示してもよい。
　また、Ｘ－Ｙ軸平面における歩行中の各足の軌跡及びＹ－Ｚ軸平面における歩行中の各足の軌跡に加え、Ｘ－Ｙ軸平面における歩行中の各足の旋回角度及びＹ－Ｚ軸平面における歩行中の各足の上げ角度等を算出し、合わせて表示するようにしてもよい。
　また、上記第１及び第２の実施形態では、歩幅を算出するにあたり、Ｚ軸方向の加速度データに着目し、各足の高さが、基準位置に到達したタイミングを、各足が着地したタイミングであると判断し、当該タイミングにおける各足の位置座標に基づいて歩幅の算出を行う構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、足圧分布データを参照し、接触面積が最大となるタイミングを、各足が着地したタイミングであると判断し、当該タイミングにおける各足の位置座標を用いて、歩幅の算出を行うように構成してもよい。
　また、上記第１及び第２の実施形態では、各足の通信部１１２Ｒ、１１２Ｌ及び３軸加速度センサ部１１１Ｒ、１１１Ｌを、バンド状部材に取り付ける構成としたが、本発明はこれに限定されず、リハビリシューズ１１０Ｒ、１１０Ｌ内に取り付ける構成としてもよい。
　また、上記第１及び第２の実施形態では、リハビリシューズの中底に直接感圧素子を埋め込む構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、リハビリシューズの中底に係止部材を設け、インソール部分を係止させることで、歩行中のインソール部分のずれをなくす構成とした場合にあっては、インソール部分に感圧素子を埋め込むようにしてもよい。
　また、上記第１及び第２の実施形態では、３軸加速度センサを配し、３軸加速度データに基づいて、足の動作の軌跡を算出する構成としたが、本発明はこれに限定されず、ジャイロセンサ等を用いるようにしてもよい。
　また、上記第１及び第２の実施形態では、３軸加速度センサからの３軸加速度データに基づいて、被検者の歩幅を算出する構成としたが、本発明はこれに限定されず、ＧＰＳ等の位置センサを用いるようにしてもよい。
　本願は、２０１３年１月１１日提出の日本国特許出願特願２０１３－００４０３１を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。
１００：足圧分布計測システム、１１０Ｒ：右足用のリハビリシューズ、１１０Ｌ：左足用のリハビリシューズ、１１１Ｒ：３軸加速度センサ部、１１１Ｌ：３軸加速度センサ部、１１２Ｒ：通信部、１１２Ｌ：通信部、１２０：情報処理装置、２０１Ｒ：足圧分布検出センサ部、２０２Ｒ：感圧素子、２０３Ｒ：電源部

Claims (8)

  1. 　被験者の歩行を評価するための計測装置であって、
    　複数の感圧素子が配されてなる足圧分布検出センサ部と、
    　前記被検者の足の３軸方向の動作を検出する３軸加速度センサ部と、
    　前記足圧分布検出センサ部による計測によって得られた足圧分布算出用データと、前記３軸加速度センサによる計測によって得られた３軸加速度データとを、前記足圧分布検出センサ部および前記３軸加速度センサによる計測開始時からの経過時間と対応付けて外部に送信する通信部と
    　を備えることを特徴とする計測装置。
  2. 　請求項１に記載の計測装置を備える履物であって、
    　前記足圧分布検出センサ部は、前記履物の中底または前記履物のインソール部分に配されていることを特徴とする履物。
  3. 　請求項１に記載の計測装置から送信された、足圧分布算出用データと３軸加速度データとを受信し、処理する情報処理装置であって、
    　前記３軸加速度データに基づいて、前記被検者の歩行動作を横から見た場合の該被検者の足の動作の軌跡と、前記被検者の歩行動作を上から見た場合の該被検者の足の動作の軌跡とを算出する第１の算出手段と、
    　前記足圧分布算出用データに基づいて配色された足圧分布データを求めるとともに、前記計測開始時の前記３軸加速度センサ部の位置を基準とした場合の、前記計測開始時からの各経過時間における前記足圧分布データの位置座標を算出する第２の算出手段と、
    　前記第１の算出手段により算出された軌跡を表示するとともに、前記第２の算出手段により求められた足圧分布データを、前記算出された位置座標に表示する表示手段と
    　を備えることを特徴とする情報処理装置。
  4. 　前記３軸加速度データに基づいて、前記被検者の歩行動作における各足の着地位置を算出することで、前記被検者の歩幅を算出する第３の算出手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の情報処理装置。
  5. 　前記表示手段は、更に、前記着地位置における足圧分布データに基づいて、前記被検者の足裏の形を示す足型を、前記足圧分布データに重ねて表示することを特徴とする請求項４に記載の情報処理装置。
  6. 　前記表示手段は、前記計測開始時からの各経過時間のうち、所定の経過時間における足圧分布データを表示することを特徴とする請求項５に記載の情報処理装置。
  7. 　前記表示手段は、前記計測開始時からの各経過時間のうち、異なる経過時間における各足圧分布データを、同時に表示することを特徴とする請求項５に記載の情報処理装置。
  8. 　請求項１に記載の計測装置から送信された、足圧分布算出用データと３軸加速度データとを受信し、処理する情報処理装置であって、
    　前記３軸加速度データに基づいて、前記被検者の歩行動作を横から見た場合の該被検者の足の動作の軌跡と、前記被検者の歩行動作を上から見た場合の該被検者の足の動作の軌跡とを算出する第１の算出手段と、
    　前記足圧分布算出用データに基づいて配色された足圧分布データを求めるとともに、前記計測開始時の前記３軸加速度センサ部の位置を基準とした場合の、前記計測開始時からの各経過時間における前記足圧分布データの位置座標を算出する第２の算出手段と、
    　前記第１の算出手段により算出された軌跡を表示するとともに、前記第２の算出手段により求められた足圧分布データを、前記算出された位置座標に表示する表示手段として機能させることを特徴とするプログラム。
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