(57)【要約】【課題】フットスイッチを足底に装着することなしに離床タイミングを高精度に推定して電気刺激を印加する機能的電気刺激歩行補助装置を提供すること。【解決手段】患脚１０の離床タイミングを検出する離床タイミング検出手段１と、離床タイミング検出手段１からの離床タイミング信号に基づき患脚１０に電気刺激を与える電気刺激付与手段２とを備える機能的電気刺激歩行補助装置であって、離床タイミング検出手段１は、患脚１０の運動を計測する運動計測手段１１と、運動計測手段１１からの患脚１０の運動データを入力信号とし、患脚１０を目視した離床タイミングを教師信号として学習させたニューラルネットワーク１２と、を有することを特徴とする。【選択図】図２
2010227236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患脚の離床タイミングを検出する離床タイミング検出手段と、前記離床タイミング検出手段からの離床タイミング信号に基づき前記患脚に電気刺激を与える電気刺激付与手段とを備える機能的電気刺激歩行補助装置であって、
前記離床タイミング検出手段は、患脚の運動を計測する運動計測手段と、前記運動計測手段からの前記患脚の運動データを入力信号とし、前記患脚を目視した離床タイミングを教師信号として学習させたニューラルネットワークとを有することを特徴とする機能的電気刺激歩行補助装置。
【請求項２】
前記離床タイミング検出手段は、前記患脚が離床するのを目視して前記離床タイミングを入力するリモートスイッチを備える請求項１に記載の機能的電気刺激歩行補助装置。
【請求項３】
前記運動計測手段は、少なくとも前記患脚の進行方向加速度及び鉛直方向加速度を検出する２軸加速度センサと膝軸周りの角速度を検出する１軸角速度センサとを備える請求項１または２に記載の機能的電気刺激歩行補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の下肢が麻痺した患者の患脚に装着する歩行補助装置に関し、特に、機能的電気刺激（Functional Electrical Stimulation）を用いた歩行補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳血管障害や脊髄損傷などにより、下垂足と呼ばれる下肢の麻痺症状が発症することがある。歩行中に足部が床から離れる期間があるが、下垂足があると、つま先が床から離れなくなる。その結果、歩行を妨げたり、患者を転倒させたりする。
【０００３】
そこで、電気刺激で麻痺した筋肉を収縮させ、つま先を持ち上げて歩行を補助する機能的電気刺激歩行補助装置が開発されている。
【０００４】
通常は足底に付けられたスイッチが足部の接地（接床）あるいは離地（離床）の時にオンオフする信号で刺激タイミングをコントロールしている。しかし、この方法は、刺激装置と別にスイッチを着けねばならないこと、スイッチの動作の信頼性が低いという問題があった。そこため、足底スイッチを使用しない方法が開発されてきた。
【０００５】
たとえば、患脚の着地（接地）タイミングを患脚に取り付けた加速度センサで検出して、電気刺激する歩行補助装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。これは、着地検出パルス信号で自動遅延回路をトリガーし、自動遅延回路で着地検出パルス信号を遅延させ、遅延信号の終了時点で電気刺激を行うものである。
【０００６】
上記従来の歩行補助装置では、着地時に加速度センサ出力が規則的に大きく変化する（第６図参照。）ことを前提にしている。しかし、下垂足の症状をもつ患脚の着地時に加速度センサ出力が規則的に大きく変化せず、着地検出パルス信号で自動遅延回路をトリガーできなくなり、自動遅延回路で着地検出パルス信号を遅延させることができなくなることがある。また、下垂足の症状も様々あり、それに応じて加速度センサ出力も様々に変動するので、様々な症状の患者の歩行補助装置としては満足に機能しなかった。
【０００７】
一方、様々な症状の患者の様々な歩行（平地歩行、階段昇降）に対応できる機能的電気刺激歩行補助装置を目指したニューラルネットを用いる歩行状態識別技術が開発されている（例えば、非特許文献１、２参照。）。これは、靴の踵に固定された３軸加速度センサの信号をニューラルネットの入力層に入力して、母指球と踵に装着したフットスイッチで検出した遊脚期の終了タイミングを教師信号として、歩行状態を識別するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６０−１１９９４９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】山岸  史歩、外７名、「片麻痺者のFES歩行制御のための動作識別に関する検討」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、２０００年１１月２３日、第１００巻、第４７８号、ｐ．１０９−１１６
【非特許文献２】山岸  史歩、外５名、「片麻痺者のFES歩行再建のための歩行動作の識別に関する基礎的検討」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、１９９９年１１月１９日、第９９巻、第４５８号、ｐ．７７−８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ニューラルネットの教師信号として患脚が離床する離床タイミングを与える場合、従来の方法では以下の問題点がある。床反力計等を使用して離床タイミングデータを得る方法は、高額な設備が必要と共に測定場所が限られてしまう。フットスイッチを使用する方法は、個々の患者の足の状態（関節の拘縮や変形等）や異なった歩容に対して確実に動作させる事が難しい。また、装着し調整する手間もかかる。さらに、患者の歩容によっては刺激が入って欲しいタイミングと、離床タイミングが異なる場合もある。それゆえ、健常者ではうまく動作しても、患者では動作が不確実になってしまう。 
【００１１】
非特許文献１、２では、フットスイッチを母指球と踵に装着しているが、健常者の歩行状態の識別実験でも、識別率が７８％〜８２％と低い。歩容が様々に異なる患者の歩行状態の識別率はさらに低くなる。また、歩行補助装置では、患脚の離床タイミングを高精度に推定する必要があるが、健常者の歩行状態の識別率からして、離床タイミングを高精度に推定することができない。
【００１２】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、フットスイッチを足底に装着することなしに、離床タイミングを高精度に推定して電気刺激を印加する機能的電気刺激歩行補助装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するためになされた本発明の機能的電気刺激歩行補助装置は、患脚の離床タイミングを検出する離床タイミング検出手段と、前記離床タイミング検出手段からの離床タイミング信号に基づき前記患脚に電気刺激を与える電気刺激付与手段とを備える機能的電気刺激歩行補助装置であって、前記離床タイミング検出手段は、患脚の運動を計測する運動計測手段と、前記運動計測手段からの前記患脚の運動データを入力信号とし、前記患脚を目視した離床タイミングを教師信号として学習させたニューラルネットワークと、を有することを特徴とする。
【００１４】
上記の機能的電気刺激歩行補助装置において、前記離床タイミング検出手段は、前記患脚が離床するのを目視してスイッチを押すことで前記離床タイミングを入力するリモートスイッチを備えるとよい。
また、前記運動計測手段は、少なくとも前記患脚の進行方向加速度及び鉛直方向加速度を検出する２軸加速度センサと膝軸周りの角速度を検出する１軸角速度センサとを備えるとよい。
【発明の効果】
【００１５】
個々の患者の患脚を目視した離床タイミングを教師信号として学習させたニューラルネットワークを有しているので、様々な歩容の下垂足患者の離床タイミングを高精度に推定することができる。その結果、患脚をタイミング良く電気刺激して歩行補助することができる。
【００１６】
ニューラルネットワークの学習時に使う付属装置がリモートスイッチのみなので場所を選ばず、装置を付けて患者に数メートル歩いてもらうだけでよい。そのため、理学療法士が手軽にどこでも教師信号を入力することが可能になる。
【００１７】
さらに、運動計測手段が少なくとも前記患脚の進行方向加速度及び鉛直方向加速度を検出する２軸加速度センサと膝軸周りの角速度を検出する１軸角速度センサとを備えるので、離床タイミングを高精度に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る機能的電気刺激歩行補助装置を下肢が麻痺した患者の患脚に装着した使用態様図である。
【図２】本発明に係る機能的電気刺激歩行補助装置のブロック図である。
【図３】図２の運動計測手段で検出する信号を説明する図である。
【図４】図２のニューラルネットワークの構造図である。
【図５】図２の離床タイミング検出手段で離床タイミングを検出した実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
本発明に係る機能的電気刺激歩行補助装置は、図１に示すように、患脚１０の離床タイミングを検出する離床タイミング検出手段１と、離床タイミング検出手段１からの離床タイミング信号に基づき患脚１０に電気刺激を与える電気刺激付与手段２とを備えている。離床タイミング検出手段１と電気刺激付与手段２とはモジュール化され、帯状の装着帯２０の内側に固定されている。運動計測手段１のセンサ１１aが膝下に位置し、電気刺激付与手段２の電極２２が下腿上部前面外側の総腓骨神経が走る付近の皮膚に付着するように装着帯２０が装着される。図中１３は、患脚１０を目視して離床タイミングを入力する着脱可能なリモートスイッチである。
【００２１】
離床タイミング検出手段１は、図２に示すように、患脚１０の運動を計測する運動計測手段１１、運動計測手段１１からの患脚１０の運動データを入力信号とし、患脚１０を目視した離床タイミングを教師信号として学習させるニューラルネットワーク１２及び患脚１０を目視して離床タイミングをニューラルネットワーク１２に入力するリモートスイッチ１３を備えている。
【００２２】
電気刺激付与手段２は、刺激発生手段２１と電極２２とを備えている。
【００２３】
本実施形態の運動計測手段１１は、３軸加速度センサ１１a1と３個の１軸角速度センサ１１a2とからなるセンサ１１a、フィルター１１b及び増幅器１１cを備えている。
【００２４】
３軸加速度センサ１１a1は、たとえば、日立金属のH48Cであり、図３に示すように、進行方向をＸ軸、鉛直方向をＺ軸とするとき、Ｘ軸方向の加速度ax(t)、Ｙ軸方向の加速度ay(t)、Ｚ軸方向の加速度az(t)を検出する。
【００２５】
３個の１軸角速度センサ１１a2は、たとえば、村田製作所のENC-03であり、図３に示すように、Ｘ軸周りの角速度ωx(t)、Ｙ軸周りの角速度ωy(t)、Ｚ軸周りの角速度ωz(t)を検出する。
【００２６】
ニューラルネットワーク１２は、図４に示すように、入力層１２a、中間層１２b、出力層１２cからなる３層フィードフォワード型である。離床タイミングの推定精度を高めるために、入力層１２aには、現在の値だけでなくｎ時点前（サンプリング時間をΔt（sec）とし、d時点毎の時系列データを推定に利用したとき、時間に表すと、n×Δt×ｄ(sec)前）までの時系列データを用いる。そのため、Ｘ軸方向の加速度ax(t)、Ｙ軸方向の加速度ay(t)、Ｚ軸方向の加速度az(t)及びＸ軸周りの角速度ωx(t)、Ｙ軸周りの角速度ωy(t)、Ｚ軸周りの角速度ωz(t)を用いる場合、入力層１２aのニューロン数は６×（ｎ＋１）個となる。また、中間層１２bは１層とし、２０個のニューロンを用いる。最後に、出力層１２cを１ニューロンとし、０（離床）または１（接地）を出力させる。
【００２７】
ニューラルネットワーク１２は、リモートスイッチ１３から入力される患脚１０の離床タイミングを教師信号としてLevenberg-Marquardt法により学習し、離床タイミングの推定精度を高める。
【００２８】
刺激発生手段２１は、ニューラルネットワーク１２から離床タイミングの０が出力されると、その時点から立ち上がる機能的電気刺激パルスを発生する。その機能的電気刺激パルスは、電極２２に印加され、総腓骨神経が刺激される。
【００２９】
次に、離床タイミング検出手段１のタイミング推定精度を実験的に調べた結果を以下に記す。
【００３０】
図１のように、患脚１０に機能的電気刺激歩行補助装置を装着した下垂足患者が、床に載置された床反力計（Kistler社、２ｍ×０．４ｍ、２ｍ×０．８ｍ）上を歩行した結果を図５に示す。ニューラルネットワーク１２に入力する教師信号はリモートスイッチ１３から入力される離床タイミング信号から作成された。図５は、ニューラルネットワーク１２の出力（実線）と床反力計の出力（点線）を示しており、矢印が離床タイミングを示す。このニューラルネットワーク１２の出力は、５時点（５×（１／１２０）×２＝０．０８３sec）前までの時系列データを用いて、３軸加速度と３軸周りの角速度の６信号を用いて推定を行ったものである。
【００３１】
図５から５歩分の床反力（点線）に対する離床タイミング出力（実線）の平均誤差は、０．０３２secであった。
【００３２】
上記のように、図５の結果は、３軸加速度と３軸周りの角速度の６信号を用いて推定を行ったものであるが、信号数は少ない方が望ましい。そこで、最も周期性が見られる進行方向（Ｘ軸方向）と鉛直方向（Ｚ軸方向）の加速度ax(t)、az(t)及び膝軸（Ｙ軸）周りの角速度ωy(t)の３信号を用いて、離床タイミングの推定を行った。その結果、床反力に対する離床タイミング出力の平均誤差は、０．０３５secであった。これから３信号でも十分な精度で離床タイミングを推定できることがわかる。
【００３３】
本発明に係る機能的電気刺激歩行補助装置は、患脚を目視してリモートスイッチ１３で入力される離床タイミング信号から作成される教師信号として学習させたニューラルネットワークを有しているので、離床タイミングを高精度に推定することができる。その結果、患脚をタイミング良く電気刺激して歩行補助することができる。
【００３４】
運動計測手段１１が患脚の進行方向加速度及び鉛直方向加速度を検出する２軸加速度センサと膝軸周りの角速度を検出する１軸角速度センサとを備えるだけでよいので、機能的電気刺激歩行補助装置が簡素化される。
【符号の説明】
【００３５】
１・・・・・・・離床タイミング検出手段
１１・・・・・運動計測手段
１１a・・・・加速度センサ
１１b・・・・角速度センサ
１２・・・・・・ニューラルネットワーク
１３・・・・・・リモートスイッチ
２・・・・・・・・電気刺激付与手段
【図１】
2010227236.tif 000003
【図２】
2010227236.tif 000004
【図３】
2010227236.tif 000005
【図４】
2010227236.tif 000006
【図５】
2010227236.tif 000007