WO2016006688A1 - 生体信号計測装置、生体信号計測方法、装着式動作補助装置、及び動作補助方法 - Google Patents

生体信号計測装置、生体信号計測方法、装着式動作補助装置、及び動作補助方法 Download PDF

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嘉之 山海
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Cyberdyne株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a biological signal measuring device, a biological signal measuring method, a wearable movement assisting device, and an operation assisting method.
  • An electrocardiogram, electroencephalogram, electrooculogram, electromyogram, etc. acquired by measuring a bioelectric potential such as an electrocardiogram, an electroencephalogram, an electrooculogram, a myoelectric potential, etc. It is important biological information for grasping the condition of the general term. Conventionally, these biopotentials are measured by bringing the sensor into direct contact with the skin, or by applying a gel or the like to the skin and then bringing the sensor into contact with the skin. However, in such a measuring method, shaving treatment of the sensor contact portion is necessary, or skin irritation occurs due to the application of the gel. In addition, since the measurement of the biological signal uses a special (special) sensor, it is necessary to perform it by a specialist in a hospital facility or the like.
  • the measurement subject is burdened and troublesome.
  • the biosignals that can be acquired are limited due to limitations on the location where the sensor is installed, such as when the biosignal transmission site and the degree of transmission are limited depending on the physiological and physical characteristics of the measurement subject.
  • the present invention relates to a biological signal measuring device, a biological signal measuring method, a wearable motion assisting device using the biological signal measuring device, and a biological signal measuring device capable of measuring various biological signals at appropriate positions without depending on an expert. It is an object to provide an operation assisting method.
  • a biological signal measuring device is connected to a sensor that detects a nerve action potential generated in a nerve fiber and a wire, and acquires a signal based on the nerve action potential from the sensor.
  • a signal processing unit that wirelessly transmits and a transmission / reception unit that receives the signal from the signal processing unit.
  • the biological signal measuring device further includes a stimulation sensor that applies electrical stimulation to the biological tissue, and the transmission / reception unit outputs an indication of the timing or intensity of the electrical stimulation applied to the biological tissue.
  • the signal processing unit generates a stimulation signal based on the received instruction, and applies electrical stimulation to the living tissue from the stimulation sensor.
  • the electrical stimulation instruction is determined based on a nerve action potential detected by the sensor.
  • the biological signal measurement method includes a step of contacting a sensor with a nerve fiber, detecting a nerve action potential generated in the nerve fiber, and a signal processing unit in the body from the sensor via a wiring.
  • a wearable movement assist device includes a frame that is worn along a wearer's skeleton, a drive source that applies power to the wearer via the frame, and a brain of the wearer.
  • the biological signal measuring device that measures the nerve action potential generated in response to the command of the wearer, the detection unit that detects the angle of the joint of the wearer, and the power corresponding to the nerve action potential and the angle of the joint as the drive source And a control unit for generating the above.
  • An operation assisting method is an operation assisting method using the above-described wearable operation assisting device, wherein a command from the brain is provided between the wearer's spinal cord rupture part and the brain by the sensor.
  • a step of detecting a generated nerve action potential; a step of acquiring a signal based on the nerve action potential from the sensor via a wiring; and a signal processing unit The step of wirelessly transmitting to the transmitting / receiving unit, the step of the transmitting / receiving unit outputting the received signal to the control unit, and the control unit using the drive power with the power corresponding to the nerve action potential and the angle of the joint. And a step of generating.
  • various biological signals can be measured at appropriate positions according to the characteristics of the person to be measured without depending on an expert.
  • operation assistance can be performed using the measured biological signal.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a biological signal measuring apparatus according to a first embodiment.
  • the biological signal measurement device includes a sensor 1, a signal processing unit 2, and a transmission / reception unit 3.
  • the sensor 1 and the signal processing unit 2 are provided inside the human body, and the transmission / reception unit 3 is provided outside the body.
  • Sensor 1 is in contact with nerve fiber (nerve axon) N and detects nerve action potential.
  • the signal processing unit 2 is electrically connected to the sensor 1 via a wiring (lead wire) 5 and acquires a signal (nerve action potential) of the nerve fiber N from the sensor 1.
  • the signal processing unit 2 transmits the signal acquired from the sensor 1 to the transmission / reception unit 3.
  • the transmission / reception unit 3 transmits the neural activity signal received from the signal processing unit 2 to the external device 4. In the external device 4, the nerve activity signal is used for diagnosis and the like.
  • the sensor 1 is, for example, a microsensor (microelectrode) having a silicon substrate and a metal material formed on the silicon substrate, and the metal material includes a corrosion-resistant noble metal such as gold or platinum, or an alloy thereof. Used.
  • a plurality of sensors 1 are provided and include a sensor that detects a ground potential and a sensor that detects a reference potential.
  • the sensor 1 is a cylindrical or clamp-type sensor having a space (through hole) in which the nerve fiber N is arranged, and the sensor 1 (the nerve part N) is provided on the side surface of the through hole.
  • the nerve action potential can be stably detected from the nerve fiber 1.
  • the sensor 1 may be a needle-type sensor and pierce the nerve fiber N.
  • the wiring 5 has a conductor part such as copper or gold and an insulating resin material covering the conductor part.
  • the insulating resin material has flexibility such as silicone resin and polyurethane resin, and a highly biocompatible material can be used.
  • the signal processing unit 2 performs signal processing such as noise removal and amplification on the signal (neural action potential) detected by the sensor 1 and wirelessly transmits the signal to the transmission / reception unit 3.
  • a small battery for driving may be provided in the signal processing unit 2, an antenna coil may be provided, and driving power may be received from the transmission / reception unit 3 by wireless power transmission.
  • the signal received by the transmission / reception unit 3 is used by the external device 4.
  • the external device 4 is a computer for diagnosis, and creates an electrocardiogram and an electroencephalogram.
  • the external device 4 is a robot arm, and the operation of the robot arm is controlled based on the myoelectric potential detected by the sensor 1.
  • Sensor 1 and signal processor 2 are implanted in the body by surgery.
  • the sensor 1 is installed in contact with the central or peripheral axon or dendrite, and the signal processing unit 2 is installed directly under the skin (subcutaneous).
  • the transmission / reception unit 3 receives a signal from the signal processing unit 2 via the skin S in the vicinity of the signal processing unit 2.
  • the nerve action potential cannot be detected efficiently in the deep part of the body or in the skull.
  • the sensor 1 since the sensor 1 is embedded in the body and brought into contact with nerve fibers, the nerve action potential at a desired site can be detected efficiently. Further, since the signal detected by the sensor 1 is transmitted from the subcutaneous signal processing unit 2 to the outside of the body, it can be efficiently received by the transmission / reception unit 3 outside the body.
  • the user can obtain the detection result of the sensor 1 simply by bringing the transmission / reception unit 3 close to the signal processing unit 2. Therefore, special (special) work by an expert is not necessary, and a biological signal can be easily measured. In addition, the physiological state of the user can be constantly monitored.
  • the example in which the sensor 1 detects the nerve action potential has been described, but electrical stimulation may be performed from the sensor 1 to the living tissue.
  • the external device 4 determines the timing and intensity of the electrical stimulation applied to the living tissue and instructs the transmission / reception unit 3.
  • the transmission / reception unit 3 transmits an instruction from the external device 4 to the signal processing unit 2.
  • the signal processing unit 2 generates a stimulation signal based on the received instruction, and applies electrical stimulation from the sensor 1 to the living tissue.
  • the living tissue to which electrical stimulation is applied may be a nerve cell regenerated by regenerative medicine.
  • the biological signal measuring apparatus may include a sensor 1 that detects a nerve action potential and a sensor 1 that performs electrical stimulation on biological tissue.
  • the sensor 1 for detecting a potential detects a nerve action potential in a path (for example, the ascending path of the spinal cord) that goes up to the upper center (brain).
  • the sensor 1 for electrical stimulation performs electrical stimulation in a path descending from the upper center (for example, the descending path of the spinal cord). Thereby, even when the spinal cord is torn, it is possible to move the region closer to the distal side than the torn portion and acquire a sense.
  • the electrical stimulation applied to the living tissue may be determined based on the nerve action potential detected in the ascending path, and the electrical stimulation may be performed from the stimulation sensor.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control system of the wearable motion assisting apparatus 10 according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of a person (wearer P) wearing the wearable movement assist device 10 as seen from the front side
  • FIG. 4 is a perspective view as seen from the back side.
  • the wearable motion assisting device 10 is a device in which a frame that is worn between joints of a human body (wearer) such as a waist, a thigh, and a shin is rotatably connected to an actuator unit. is there.
  • the wearable movement assisting device 10 illustrated in FIGS. 3 and 4 is a wearable movement assisting device for the lower body having actuator parts at the knee joint and the hip joint.
  • the wearable movement assisting device 10 is for the upper body or the whole body. An auxiliary device can also be used.
  • the wearable movement assist device 10 includes a control device 20, a biological signal detection unit 30, a joint angle detection unit 40, a gravity center position detection unit 50, a drive signal generation unit 60, and a drive source 62.
  • the biological signal measuring device As the biological signal detecting means 30, the biological signal measuring device according to the first embodiment is used.
  • the sensor 1 and the signal processing unit 2 of the biological signal detection unit 30 are embedded in the body, and detect a biological signal (for example, a bioelectric potential signal or an electroencephalogram) generated when the wearer P moves muscles around the joint.
  • the transmission / reception unit 3 is arranged in the vicinity of the signal processing unit 2.
  • the sensor 1 when the spinal cord of the wearer P is torn and the nerve is not connected to the lower limb, the sensor 1 is embedded on the upper side (side closer to the brain) from the torn portion, and the nerve action potential is detected from the nerve fiber.
  • the transmission / reception unit 3 is arranged on the neck of the wearer P.
  • the transmission / reception unit 3 of the biological signal detection unit 30 transmits the biological signal detected by the sensor 1 to the control device 20.
  • the joint angle detection means 40 detects the joint angle according to the operation of the wearer P and outputs it to the control device 20.
  • An angle sensor is used for the joint angle detection means 40.
  • the angle sensor includes, for example, a rotary encoder that counts the number of pulses proportional to the joint angle of the wearable movement assist device 10 and outputs an electrical signal corresponding to the number of pulses corresponding to the joint angle as a sensor output.
  • the angle sensor detects a rotation angle between two frames connected to the drive source (actuator unit) 62.
  • the center-of-gravity position detection means 50 detects the center-of-gravity position according to the operation of the wearer P and outputs it to the control device 20.
  • the control device 20 includes an optional control unit 21, an autonomous control unit 22, a data storage unit 23, and a command signal synthesis unit 24.
  • the optional control means 21 generates an optional command signal for causing the drive source 62 to generate power according to the intention of the wearer P, using the biological signal detected by the biological signal detection means 30.
  • the data storage means 23 stores a reference parameter database for specifying the task phase of the wearer P and an assist parameter for assisting the movement of the wearer P according to the specified phase.
  • a task is a classification of human main motion patterns.
  • a phase is a series of minimum operation units constituting each task.
  • FIG. 5 shows an example of each task and each phase stored in the reference parameter database.
  • the tasks for classifying the movement of the wearer P include, for example, the task A having the rising movement data for shifting from the sitting position to the standing position, and the walking movement for the standing wearer P to walk.
  • Task B having data
  • task C having sitting motion data for shifting from a standing state to a sitting state
  • task D having stair climbing operation data for climbing up and down the stairs from the standing state are stored in the reference parameter database. Has been.
  • a plurality of phase data is set for each task. For example, in the task B of the walking motion, motion data when the right leg is swung forward from a standing position with the center of gravity on the left leg.
  • a phase B1 having a joint angle, a locus of the center of gravity position, a change in torque, a change in bioelectric potential signal, and the like, and a phase B2 having movement data when landing from the state where the right leg is put forward and moving the center of gravity
  • the phase B4 having the operation data of the time is set.
  • humans have different walking patterns depending on the size of the body, the state of muscle strength, and the walking speed.
  • the walking pattern varies depending on the purpose of the movement (for example, the purpose of rehabilitation, the purpose of training, the purpose of improving the gait, the purpose of assisting the movement (force), etc.).
  • suitable motion patterns differ depending on the degree of disability of the target person and the progress of rehabilitation.
  • the assist suitable for the target operation pattern is also different. Therefore, a large number of assist patterns are assigned to each phase so that an optimum assist pattern can be selected from a plurality of assist patterns according to the assist suitable for the target operation pattern.
  • the autonomous control means 22 is stored in the data storage means 23 and parameters indicating the operation state of the wearer P such as the joint angle detected by the joint angle detection means 40 and the gravity center position detected by the gravity center position detection means 50.
  • the task and phase of the operation of the wearer P are specified by comparing with the reference parameters.
  • the autonomous control means 22 selects an optimum assist pattern from the assist patterns assigned to the phase according to a preset purpose, An autonomous command signal is generated for causing the drive source 62 to generate power according to the assist pattern.
  • the command signal synthesizing unit 24 synthesizes the optional command signal generated by the optional control unit 21 and the autonomous command signal generated by the autonomous control unit 22, and outputs the synthesized command signal to the drive signal generating unit 60.
  • a composite ratio of the voluntary command signal and the autonomous command signal may be set in advance for each phase of each task and stored in the data storage unit 23.
  • the composite command signal has a waveform that causes the drive source 62 to generate power that is a combination of the power by the voluntary control that changes from the start to the end of the operation and the power by the autonomous control for each phase.
  • the drive signal generating means 60 drives the drive source 62 by generating a drive signal (drive current) corresponding to the combined command signal and supplying it to the drive source 62.
  • the drive source 62 applies an assist force (power) according to the drive signal to the wearer P.
  • the wearable motion assisting device 10 shown in FIGS. 3 and 4 is a device that assists (assides) the walking motion of a person who is difficult to walk on his / her own, such as a person with impaired leg movement function who is unable to walk due to a spinal cord rupture.
  • the signal (biological signal) output from the brain to generate muscle strength is detected on the upper side of the ruptured portion of the spinal cord, and the driving force from the actuator is applied to the wearer P based on the detected biological signal. Operates to
  • the driving assisting device 10 uses the driving torque necessary for the walking motion as an assisting force according to the biological signal generated at that time. It is given from. Therefore, even when the nerve is not connected to the lower limbs, the wearer P can walk by moving the leg by being supplied with driving torque from the actuator in accordance with a biological signal based on his / her intention.
  • the motion assisting device 10 controls the assist force applied according to the movement of the center of gravity accompanying the walking motion to reflect the intention of the wearer P. Therefore, the actuator of the motion assisting device 10 is controlled so as not to apply a load that is contrary to the intention of the wearer P, and does not hinder the operation of the wearer P.
  • the wearable movement assist device 10 is provided with a drive unit in a frame mechanism 118 worn by the wearer P.
  • the drive unit includes a right thigh drive power unit 120 located at the right hip joint of the wearer P, a left thigh drive power unit 122 located at the left hip joint, a right knee drive power unit 124 located at the right knee joint, and a left knee joint. And a left knee drive power unit 126 located.
  • These drive power units 120, 122, 124, 126 are electric power units composed of a DC motor or an AC motor whose drive torque is controlled by a control signal from the control device, and provide a small but sufficient drive force. be able to.
  • a drive power unit it is needless to say that an ultrasonic motor thinned so that an installation space can be reduced may be used.
  • 3 and 4 show an example in which four power units are provided as the drive unit, it is sufficient that at least one of the power units is provided.
  • the rotation shafts of the drive power units 120, 122, 124, 126 are configured to transmit drive torque to the first frame 158 and the second frame 160 on the driven side via a gear mechanism.
  • the first frame 158 is formed along the outside of the thigh of the wearer P, and the second frame 160 extends below the first frame 158 and is formed along the outside of the shin of the wearer P.
  • a belt-like thigh fastening member 178 that is fastened to the thigh of the wearer P is attached to an intermediate position in the longitudinal direction of the first frame 158.
  • a belt-shaped shin fastening member 180 that is fastened to the shin below the knee of the wearer 112 is attached to an intermediate position in the longitudinal direction of the second frame 160. Accordingly, the driving torque generated by the driving power units 120, 122, 124, 126 is transmitted to the first frame 158 and the second frame 160 via gears, and is further attached via the thigh fastening member 178 and the shin fastening member 180. Is transmitted to the leg of the person P as an assist force.
  • Batteries 132 and 134 that function as a power source for driving the drive power units 120, 122, 124, and 126 are attached to the belt-like waist fastening member 130 that is attached to the waist of the wearer P.
  • the batteries 132 and 134 are rechargeable batteries, and are distributed on the left and right so as not to hinder the operation of the wearer P.
  • a control unit 136 is attached to the rear side of the waist fastening member 130 on the back side of the wearer P.
  • the control unit 136 houses the control device 20 described above.
  • the biological signal detection means 30 is a sensor 1 for detecting a biological signal (neural action potential) emitted from the brain to the leg in order to move the leg of the wearer P from a nerve fiber on the upper side of the spinal cord rupture site.
  • 1 includes a signal processing unit 2 that acquires and transmits a biological signal from 1, and a transmission / reception unit 3 that receives the biological signal from the signal processing unit 2. Since the sensor 1 and the signal processing unit 2 are embedded in the body of the wearer P, they are not shown in FIGS.
  • the transmission / reception unit 3 is disposed in the vicinity of the signal processing unit 2, for example, on the back side of the neck. The transmission / reception unit 3 transmits the detected biological signal to the control device 20 in the control unit 136.
  • the transmission / reception unit 3 may be housed in the control unit 136.
  • the control unit 136 By detecting the action potential generated by a command from the brain, it becomes possible to infer the muscular strength that occurs during the motion, and the assist force necessary for the motion can be obtained from the virtual torque based on the estimated muscular strength. It becomes possible.
  • control device 20 obtains a drive current to be supplied to the four drive power units 120, 122, 124, 126 based on the biological signal detected by the biological signal measuring device as the biological signal detection means 30, and this drive current.
  • an assist force is applied to assist the wearer P in operation.
  • the drive power units 120, 122, 124, 126 have joint angle detection means 40 for detecting the joint angle.
  • the joint angle detection unit 40 includes an angle sensor such as a rotary encoder that counts the number of pulses proportional to the joint angle, and outputs an electrical signal corresponding to the number of pulses corresponding to the joint angle as a sensor output.
  • the back surfaces of the left and right feet of the wearer P have load measuring units 150 and 152 (indicated by broken lines in FIGS. 3 and 4) that measure the load at at least two points on the back surface of the feet.
  • the load measuring units 150 and 152 are held so as to be in close contact with the back surface of the foot, and are configured to detect a reaction force that changes due to weight movement accompanying a walking motion.
  • the sensor 1 of the biological signal measuring device is embedded on the upper side from the torn portion, By detecting a biological signal (nerve action potential) based on the command, the walking motion assisting device 10 can assist (assist) the walking motion.
  • the biological signal measuring device or the biological signal detecting means 30 moves from the peripheral system to the central system when the measurement subject moves his body part or reacts to an external stimulus.
  • a biological signal for example, a bioelectric potential signal

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Abstract

 専門家に依存せずに、様々な生体信号を適切な位置で計測する。生体信号計測装置は、神経線維Nに接触し、神経線維Nに発生する神経活動電位を検出するセンサ1と、配線5を介してセンサ1に接続され、センサ1から神経活動電位に基づく信号を取得して無線送信する信号処理部2と、信号処理部2から前記信号を受信する送受信部3と、を備える。センサ1及び信号処理部2は被計測者の体内に埋め込まれる。送受信部3は、皮膚Sを介して信号処理部2から信号を受信する。

Description

生体信号計測装置、生体信号計測方法、装着式動作補助装置、及び動作補助方法
 本発明は、生体信号計測装置、生体信号計測方法、装着式動作補助装置、及び動作補助方法に関する。
 心電位、脳波、眼電位、筋電位等の生体電位を計測することで取得される心電図、脳電図、眼電図、筋電図等は、医療において被験者や患者(以下「被計測者」と総称する)の容体を把握する上で重要な生体情報である。従来、センサを皮膚に直接接触させたり、皮膚にゲル等を塗布してからセンサを接触させたりすることで、これらの生体電位を計測していた。しかし、このような計測方法では、センサ接触箇所の剃毛処理が必要となったり、ゲルの塗布により皮膚かぶれが生じたりしていた。また、生体信号の計測は、特別(特殊)なセンサを用いるため、病院施設等において専門家により行う必要があった。このように、従来は、生体信号の計測の度に、被計測者に負担や手間がかかっていた。また、被計測者の生理的、身体的な特徴によって生体信号の伝達部位や伝達程度が限定的である場合など、センサ設置箇所の制限から、取得できる生体信号は限定的であった。
特開2005-230099号公報
 本発明は、専門家に依存せずに、様々な生体信号を適切な位置で計測することができる生体信号計測装置、生体信号計測方法、この生体信号計測装置を用いた装着式動作補助装置及び動作補助方法を提供することを課題とする。
 本発明の一態様による生体信号計測装置は、神経線維に発生する神経活動電位を検出するセンサと、配線を介して前記センサに接続され、前記センサから前記神経活動電位に基づく信号を取得して無線送信する信号処理部と、前記信号処理部から前記信号を受信する送受信部と、を備えるものである。
 本発明の一態様による生体信号計測装置においては、生体組織に対して電気刺激を与える刺激用センサをさらに備え、前記送受信部は、生体組織に付与する電気刺激のタイミング又は強度の指示を前記信号処理部へ送信し、前記信号処理部は、受信した指示に基づいて刺激信号を生成し、前記刺激用センサから生体組織に対し電気刺激を与えることが好ましい。
 本発明の一態様による生体信号計測装置においては、前記電気刺激の指示は、前記センサにより検出された神経活動電位に基づいて決定されることが好ましい。
 本発明の一態様による生体信号計測方法は、センサを神経線維に接触させ、前記神経線維に発生する神経活動電位を検出する工程と、体内の信号処理部が、配線を介して、前記センサから前記神経活動電位に基づく信号を取得する工程と、前記信号処理部が、取得した信号を、体外の送受信部へ無線送信する工程と、を備えるものである。
 本発明の一態様による装着式動作補助装置は、装着者の骨格に沿って装着されるフレームと、前記フレームを介し前記装着者に対して動力を付与する駆動源と、前記装着者の脳からの指令に伴い発生する神経活動電位を測定する上記生体信号計測装置と、前記装着者の関節の角度を検出する検出部と、前記神経活動電位及び前記関節の角度に応じた動力を前記駆動源に発生させる制御部と、を備えるものである。
 本発明の一態様による動作補助方法は、上記装着式動作補助装置を用いた動作補助方法であって、装着者の脊髄断裂部と脳との間で、前記センサにより、脳からの指令に伴い発生する神経活動電位を検出する工程と、信号処理部が、配線を介して、前記センサから前記神経活動電位に基づく信号を取得する工程と、前記信号処理部が、取得した信号を、体外の送受信部へ無線送信する工程と、前記送受信部が、受信した信号を前記制御部へ出力する工程と、前記制御部が、前記神経活動電位及び前記関節の角度に応じた動力を前記駆動源に発生させる工程と、を備えるものである。
 本発明によれば、専門家に依存せずに、被計測者の特徴に応じて様々な生体信号を適切な位置で計測することができる。また、計測した生体信号を用いて動作補助を行うことができる。
第1の実施形態に係る生体信号計測装置の概略図である。 第2の実施形態に係る装着式動作補助装置の制御系統の構成を示すブロック図である。 装着式動作補助装置の装着者を前側からみた斜視図である。 装着式動作補助装置の装着者を後側からみた斜視図である。 装着者の動作を分類するタスクを示す図である。
 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
 [第1の実施形態]図1は第1の実施形態に係る生体信号計測装置の概略図である。生体信号計測装置は、センサ1、信号処理部2、及び送受信部3を備える。センサ1及び信号処理部2は人体の体内に設けられ、送受信部3は体外に設けられている。
 センサ1は神経線維(神経軸索)Nと接触し、神経活動電位を検出する。信号処理部2は配線(リード線)5を介してセンサ1に電気的に接続されており、センサ1から神経線維Nの信号(神経活動電位)を取得する。信号処理部2は、センサ1から取得した信号を送受信部3へ送信する。送受信部3は、信号処理部2から受信した神経活動信号を外部機器4へ送信する。外部機器4において、神経活動信号が診断等に利用される。
 センサ1は、例えば、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された金属材料とを有するマイクロセンサ(マイクロ電極)であり、金属材料には金、プラチナ等の耐腐食性の貴金属又はこれらの合金が用いられる。センサ1は複数設けられ、グランド電位を検出するセンサや参照電位を検出するセンサを含む。
 センサ1を、神経線維Nが配置される空間部(貫通孔)を有する円筒型又はクランプ型センサとし、貫通孔の側面にセンサ部(金属部)を設けることで、センサ1と神経線維Nとの間の電気的接触を安定化し、神経線維1から神経活動電位を安定的に検出することができる。また、センサ1を、ニードル型センサとし、神経線維Nに突き刺すようにしてもよい。
 配線5は、銅や金等の導体部と、導体部を覆う絶縁性樹脂材料とを有する。絶縁性樹脂材料には、シリコーン樹脂やポリウレタン樹脂等の柔軟性があり、生体適合性の高い材料を用いることができる。
 信号処理部2は、センサ1により検出された信号(神経活動電位)に対してノイズ除去、増幅などの信号処理を行い、送受信部3へ無線送信する。信号処理部2に、駆動用の小型電池を設けてもよいし、アンテナコイルを設け、送受信部3から無線電力伝送により駆動用電力を受電してもよい。
 送受信部3が受信した信号は外部機器4で利用される。例えば、外部機器4は診断用のコンピュータであり、心電図や脳電図を作成する。例えば、外部機器4はロボットアームであり、センサ1が検出した筋電位等に基づいてロボットアームの動作が制御される。
 センサ1及び信号処理部2は外科手術により体内に埋め込まれる。例えばセンサ1は中枢系あるいは末梢系の軸索や樹状突起と接触するように設置され、信号処理部2は皮膚の直下(皮下)に設置される。送受信部3は信号処理部2の近傍において、皮膚Sを介して信号処理部2から信号を受信する。
 体外から皮膚にセンサを接触させる場合、センサの設置箇所に制限があり、体内の深部や頭蓋内などでは神経活動電位を効率良く検出できない。一方、本実施形態では、センサ1を体内に埋め込んで神経線維に接触させるため、所望の部位の神経活動電位を効率的に検出することができる。また、センサ1により検出された信号は、皮下の信号処理部2から体外へ送信されるため、体外の送受信部3において効率良く受信することができる。
 センサ1及び信号処理部2を体内に埋め込んだ後は、利用者が送受信部3を信号処理部2に近付けるだけでセンサ1の検出結果を取得することができる。そのため、専門家による特別(特殊)な作業は不要であり、生体信号を容易に計測することができる。また、利用者の生理状態を常時モニタリングすることができる。
 上記実施形態では、センサ1が神経活動電位を検出する例について説明したが、センサ1から生体組織に対して電気刺激を行ってもよい。例えば、外部機器4が生体組織に付与する電気刺激のタイミングや強度を決定し、送受信部3に指示する。送受信部3は、外部機器4からの指示を信号処理部2へ送信する。信号処理部2は、受信した指示に基づいて刺激信号を生成し、センサ1から生体組織に対し電気刺激を与える。電気刺激を与える生体組織は、再生医療により再生された神経細胞でもよい。
 生体信号計測装置は、神経活動電位を検出するセンサ1と、生体組織に対して電気刺激を行うセンサ1とを備えていてもよい。例えば、電位検出用のセンサ1は、上行して上位の中枢(脳)へ向かう経路(例えば脊髄上行路)において神経活動電位を検出する。電気刺激用のセンサ1は、上位の中枢から下行する経路(例えば脊髄下行路)にて電気刺激を行う。これにより、脊髄が断裂している場合でも、断裂部よりも末端側の部位を動かしたり、感覚を取得したりすることができる。上行路において検出した神経活動電位に基づいて生体組織に与える電気刺激を決定し、刺激用センサから電気刺激を行ってもよい。
 [第2の実施形態]図2は、第2の実施形態に係る装着式動作補助装置10の制御系統の構成を示すブロック図である。図3は装着式動作補助装置10を装着した人間(装着者P)を前側からみた斜視図であり、図4は後側からみた斜視図である。
 装着式動作補助装置10は、例えば、腰、腿、脛などの人間(装着者)の体の関節同士の間に沿うように装着されるフレームがアクチュエータ部に回動自在に接続されたものである。図3、4に例示する装着式動作補助装置10は、膝関節および股関節にアクチュエータ部を有する下半身用の装着式動作補助装置であるが、本発明では、上半身用、または全身用の装着式動作補助装置を用いることもできる。
 図2に示すように、装着式動作補助装置10は、制御装置20、生体信号検出手段30、関節角度検出手段40、重心位置検出手段50、駆動信号生成手段60、及び駆動源62を備える。
 生体信号検出手段30には、上記第1の実施形態による生体信号計測装置が用いられる。生体信号検出手段30のセンサ1及び信号処理部2は体内に埋め込まれ、装着者Pが関節まわりの筋肉を動かすときに発生する生体信号(例えば、生体電位信号や脳波など)を検出する。送受信部3は、信号処理部2の近傍に配置される。例えば、装着者Pの脊髄が断裂しており、下肢まで神経がつながっていない場合、断裂部より上位側(脳に近い側)にセンサ1を埋め込み、神経線維から神経活動電位を検出する。図4に示す例では、送受信部3を装着者Pの首に配置している。生体信号検出手段30の送受信部3は、センサ1により検出された生体信号を制御装置20へ送信する。
 関節角度検出手段40は、装着者Pの動作に応じた関節角度を検出し、制御装置20へ出力する。関節角度検出手段40には角度センサが用いられる。角度センサは、例えば、装着式動作補助装置10の関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダ等からなり、関節角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。角度センサは、具体的には、駆動源(アクチュエータ部)62に連結されている2つのフレームの間の回動角度を検出する。
 重心位置検出手段50は、装着者Pの動作に応じた重心位置を検出し、制御装置20へ出力する。
 制御装置20は、随意制御手段21、自律制御手段22、データ格納手段23、及び指令信号合成手段24を有する。
 随意制御手段21は、生体信号検出手段30により検出された生体信号を用いて、装着者Pの意思に従った動力を駆動源62に発生させるための随意指令信号を生成する。
 データ格納手段23は、装着者Pのタスクのフェイズを特定するための基準パラメータデータベースと、特定されたフェイズに応じて装着者Pの動きをアシストするためのアシストパラメータとを格納する。タスクとは、人間の主要な動作パターンを分類したものである。フェイズとは、各タスクを構成する一連の最小動作単位である。
 図5に、基準パラメータデータベースに格納される各タスク及び各フェイズの一例を示す。
 図5に示されるように、装着者Pの動作を分類するタスクとしては、例えば、座位状態から立位状態に移行する立ち上がり動作データを有するタスクAと、立ち上がった装着者Pが歩行する歩行動作データを有するタスクBと、立った状態から座位状態に移行する座り動作データを有するタスクCと、立った状態から階段を昇り降りする階段昇降動作データを有するタスクDとが、基準パラメータデータベースに格納されている。
 各タスクには、複数のフェイズデータが設定されており、例えば、歩行動作のタスクBには、左脚に重心を置いて立脚した状態から右脚を前に振り出そうとするときの動作データ(関節角度や重心位置の軌跡、トルクの変動、生体電位信号の変化など)を有するフェイズB1と、右脚を前に出した状態から着地して重心を移すときの動作データを有するフェイズB2と、右脚に重心を置いて立脚した状態から左脚を前に振り出そうとするときの動作データを有するフェイズB3と、左脚を右脚の前に出した状態から着地して重心を移すときの動作データを有するフェイズB4と、が設定されている。
 このように、人間の一般的な動作を分析すると、各フェイズにおける各関節の角度や重心の移動等の典型的な動作パターンが決まっていることが分かる。そこで、人間の多数の基本動作(タスク)を構成する各フェイズについて、典型的な関節角度の変位や重心移動の状態等を経験的に求め、それらを基準パラメータデータベースに格納しておく。
 各フェイズについては、複数のパターンのアシストパターンが割り当てられており、同じフェイズでも各アシストパターンで異なったアシストがされる。
 例えば、人間は体の大きさや、筋力の状態などにより、また、歩行速度などによって、異なる歩行パターンを有している。また、動作の目的(例えば、リハビリ目的、トレーニング目的、歩様の改善目的、動作(力の)補助目的等)によっても歩行パターンが異なる。リハビリ目的であっても、対象となる人の障害の度合いや、リハビリの進み具合によって、適した動作パターンは異なる。
 そのため、目的とする動作パターンに適したアシストも異なる。そこで、目的とする動作パターンに適したアシストに応じて、複数のアシストパターンの中から、最適なアシストパターンを選択できるように、各フェイズについて多数のアシストパターンが割り当てられている。
 自律制御手段22は、関節角度検出手段40により検出された関節角度及び重心位置検出手段50により検出された重心位置等の装着者Pの動作の状態をあらわすパラメータと、データ格納手段23に格納された基準パラメータとを比較して、装着者Pの動作のタスク及びフェイズを特定する。自律制御手段22は、装着者Pの動作の状態に応じてフェイズを特定したら、そのフェイズに割り当てられたアシストパターンの中から、予め設定された目的に応じて、最適なアシストパターンを選択し、このアシストパターンに応じた動力を駆動源62に発生させるための自律指令信号を生成する。
 指令信号合成手段24は、随意制御手段21により生成された随意指令信号と、自律制御手段22により生成された自律指令信号とを合成し、合成指令信号を駆動信号生成手段60へ出力する。随意指令信号と自律指令信号との合成比を各タスクのフェイズ毎に予め設定してデータ格納手段23に格納しておいてもよい。
 合成指令信号は、動作の開始から終了まで変化する随意的制御による動力と、フェイズ毎に自律的制御による動力とを合成した動力を駆動源62に発生させる波形を有する。
 駆動信号生成手段60は、合成指令信号に応じた駆動信号(駆動電流)を生成し、駆動源62に供給することにより、駆動源62を駆動する。駆動源62は、駆動信号に応じたアシスト力(動力)を装着者Pに付与する。
 図3、図4に示す装着式動作補助装置10は、例えば、脊髄の断裂により歩行が不自由な下肢運動機能障害者のように自力歩行が困難な人の歩行動作を補助(アシスト)する装置であり、筋力を発生させるために脳から出力される信号(生体信号)を脊髄の断裂箇所よりも上位側で検出し、検出した生体信号に基づいてアクチュエータからの駆動力を装着者Pに付与するように作動する。
 装着式動作補助装置10を装着した装着者Pは、自らの意思で歩行動作を行おうとすると、その際に発生した生体信号に応じて歩行動作に必要な駆動トルクがアシスト力として動作補助装置10から付与される。従って、装着者Pは、下肢まで神経がつながっていない場合であっても、自らの意思に基づく生体信号に応じてアクチュエータから駆動トルクが付与され、脚を動かして歩行することができる。
 その際、動作補助装置10は、歩行動作に伴う重心の移動に応じて付与されるアシスト力が装着者Pの意思を反映するように制御している。そのため、動作補助装置10のアクチュエータは、装着者Pの意思に反するような負荷を与えないように制御されており、装着者Pの動作を妨げない。
 図3及び図4に示すように、装着式動作補助装置10は、装着者Pに装着されるフレーム機構118に駆動部を設けたものである。駆動部としては、装着者Pの右側股関節に位置する右腿駆動パワーユニット120と、左側股関節に位置する左腿駆動パワーユニット122と、右膝関節に位置する右膝駆動パワーユニット124と、左膝関節に位置する左膝駆動パワーユニット126とを有する。これらの駆動パワーユニット120,122,124,126は、制御装置からの制御信号により駆動トルクを制御されるDCモータまたはACモータなどからなる電動パワーユニットからなり、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。駆動パワーユニットとしては、設置スペースが小さく済むように薄型化された超音波モータを用いても良いのは勿論である。なお、図3、4は駆動部として4つのパワーユニットが設けられた例を示しているが、少なくともいずれか1つのパワーユニットが設けられていればよい。
 駆動パワーユニット120,122,124,126の回転軸は、ギヤ機構を介して被駆動側となる第1フレーム158、第2フレーム160に駆動トルクを伝達するように構成されている。第1フレーム158は、装着者Pの腿外側に沿うように形成され、第2フレーム160は、第1フレーム158より下方に延在し装着者Pの脛外側に沿うように形成されている。
 第1フレーム158の長手方向の中間位置には、装着者Pの腿に締結されるベルト状の腿締結部材178が取り付けられている。第2フレーム160の長手方向の中間位置には、装着者112の膝下の脛に締結されるベルト状の脛締結部材180が取り付けられている。従って、駆動パワーユニット120,122,124,126で発生された駆動トルクは、ギヤを介して第1フレーム158、第2フレーム160に伝達され、さらに腿締結部材178、脛締結部材180を介して装着者Pの脚にアシスト力として伝達される。
 装着者Pの腰に装着されるベルト状の腰締結部材130には、駆動パワーユニット120,122,124,126を駆動させるための電源として機能するバッテリ132,134が取り付けられている。バッテリ132、134は、充電式バッテリであり、装着者Pの動作を妨げないように左右に分散配置されている。
 装着者Pの背面側となる腰締結部材130の後側には、制御ユニット136が取り付けられている。この制御ユニット136は、前述した制御装置20が収納されている。
 生体信号検出手段30は、装着者Pの脚を動かすために脳から脚へ向けて発せられる生体信号(神経活動電位)を、脊髄断裂箇所よりも上位側の神経線維から検出するセンサ1、センサ1から生体信号を取得して送信する信号処理部2、及び信号処理部2から生体信号を受信する送受信部3を有する。センサ1及び信号処理部2は装着者Pの体内に埋め込まれるため、図3、図4には図示していない。送受信部3は信号処理部2の近傍、例えば、首の裏側に配置される。送受信部3は、検出された生体信号を制御ユニット136内の制御装置20へ送信する。送受信部3は、制御ユニット136内に収納してもよい。脳からの指令によって発生する活動電位を検出することにより、動作の際に生じる筋力を推測することが可能になり、この推測された筋力に基づく仮想トルクから動作に必要なアシスト力を求めることが可能になる。
 従って、制御装置20では、生体信号検出手段30としての生体信号計測装置によって検出された生体信号に基づいて4個の駆動パワーユニット120,122,124,126に供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動パワーユニット120,122,124,126を駆動することで、アシスト力が付与されて装着者Pの動作を補助するように構成されている。
 駆動パワーユニット120,122,124,126は、関節角度を検出する関節角度検出手段40を有する。この関節角度検出部40は、関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダなどの角度センサからなり、関節角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。
 重心移動をスムーズに行うため、足の裏面にかかる荷重を検出し、重心位置を検出する必要がある。そのため、装着者Pの左右足の裏面には、足の裏面の少なくとも2点以上で荷重を測定する荷重測定部150,152(図3、図4において破線で示す)を有する。この荷重測定部150,152は、足の裏面に密着するように保持され、歩行動作に伴う体重移動によって変化する反力を検出するように構成されている。
 このように、本実施形態によれば、装着者Pの脊髄が断裂し、下肢まで神経がつながっていない場合でも、断裂部よりも上位側に生体信号計測装置のセンサ1を埋め込み、脳からの指令に基づく生体信号(神経活動電位)を検出することで、装着式動作補助装置10により歩行動作を補助(アシスト)することができる。
 上記第1又は第2の実施形態において、生体信号計測装置又は生体信号検出手段30は、被計測者が自身の身体部位を動かしたり外部刺激に反応したりする際に、末梢系から中枢系へとフィードバックされる生体信号(例えば生体電位信号など)を検出してもよい。脳を含む中枢神経系と、脊髄、運動神経を通じて末梢系につながる神経回路とを通る生体信号等を、中枢系から末梢系に至る方向と、末梢系から中枢系に至る方向の両方で計測するこことができる。
 このことにより、脳から発せられた信号が正しく末梢系に届いたか、また末梢系からの情報が正しく脳へとフィードバックされているか、確認することができる。
 本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
 本出願は、2014年7月10日付で出願された日本特許出願2014-142409に基づいており、その全体が引用により援用される。
1 センサ
2 信号処理部
3 送受信部
4 外部機器

Claims (6)

  1.  神経線維に発生する神経活動電位を検出するセンサと、
     配線を介して前記センサに接続され、前記センサから前記神経活動電位に基づく信号を取得して無線送信する信号処理部と、
     前記信号処理部から前記信号を受信する送受信部と、
     を備える生体信号計測装置。
  2.  生体組織に対して電気刺激を与える刺激用センサをさらに備え、
     前記送受信部は、生体組織に付与する電気刺激のタイミング又は強度の指示を前記信号処理部へ送信し、
     前記信号処理部は、受信した指示に基づいて刺激信号を生成し、前記刺激用センサから生体組織に対し電気刺激を与えることを特徴とする請求項1に記載の生体信号計測装置。
  3.  前記電気刺激の指示は、前記センサにより検出された神経活動電位に基づいて決定されることを特徴とする請求項2に記載の生体信号計測装置。
  4.  センサを神経線維に接触させ、前記神経線維に発生する神経活動電位を検出する工程と、
     体内の信号処理部が、配線を介して、前記センサから前記神経活動電位に基づく信号を取得する工程と、
     前記信号処理部が、取得した信号を、体外の送受信部へ無線送信する工程と、
     を備える生体信号計測方法。
  5.  装着者の骨格に沿って装着されるフレームと、
     前記フレームを介し前記装着者に対して動力を付与する駆動源と、
     前記装着者の脳からの指令に伴い発生する神経活動電位を測定する請求項1に記載の生体信号計測装置と、
     前記装着者の関節の角度を検出する検出部と、
     前記神経活動電位及び前記関節の角度に応じた動力を前記駆動源に発生させる制御部と、
     を備える装着式動作補助装置。
  6.  請求項5に記載の装着式動作補助装置を用いた動作補助方法であって、
     装着者の脊髄断裂部と脳との間で、前記センサにより、脳からの指令に伴い発生する神経活動電位を検出する工程と、
     信号処理部が、配線を介して、前記センサから前記神経活動電位に基づく信号を取得する工程と、
     前記信号処理部が、取得した信号を、体外の送受信部へ無線送信する工程と、
     前記送受信部が、受信した信号を前記制御部へ出力する工程と、
     前記制御部が、前記神経活動電位及び前記関節の角度に応じた動力を前記駆動源に発生させる工程と、
     を備えることを特徴とする動作補助方法。
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