(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行を客観的に評価する歩行評価装置において、
圧力センサを用いて被験者の歩行中における足圧分布を時間的に連続して計測する足圧計測手段と、
この足圧計測手段の計測結果からその被験者の足矩形領域を抽出する足矩形領域抽出手段と、
足圧計測手段での計測結果から得られる被験者本人の歩行特徴と、前記足矩形領域抽出手段で抽出された足矩形領域に基づき正規化した理想的な歩行特徴とを用いて、被験者の歩行評価を点数化する点数化手段と、
被験者本人の歩行特徴と理想的な歩行特徴とを比較表示する比較表示手段とを備え、
前記点数化手段は、
足圧中心軌跡のお手本パラメータを予め記憶するお手本データベースと、
前記足矩形領域抽出部で抽出された足矩形領域に基づいて、前記お手本データベースのお手本パラメータを、当該被験者に合わせて正規化することにより理想的な足圧中心軌跡を生成し理想パラメータとして出力する理想パラメータ生成部と、
前記足圧計測手段の計測結果から被験者本人の実際の足圧中心軌跡を求め本人パラメータとして出力する本人パラメータ生成部と、
前記理想パラメータ生成部で生成された理想パラメータと前記本人パラメータ生成部で生成された本人パラメータとの比較に基づき、被験者の歩行評価を点数化するパラメータ比較部とを有することを特徴とする歩行評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の歩行評価装置において、
前記理想パラメータ生成部は、被験者の足型に内接する矩形と一致するように、前記お手本パラメータを拡大・縮小することにより空間的に正規化するとともに、被験者の歩行における着地から蹴り出しまでの各計測タイミングに合わせてお手本パラメータの足圧中心を補間して求めることにより時間的に正規化し、これら正規化により前記お手本パラメータから前記理想パラメータを生成することを特徴とする歩行評価装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の歩行評価装置において、
前記パラメータ比較部は、着地から蹴り出しまでの各計測タイミングごとに理想の足圧中心と被験者の足圧中心との距離を求め、各計測タイミングの距離を合計することにより、被験者の歩行評価を点数化することを特徴とする歩行評価装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の歩行評価装置において、
前記比較表示手段は、理想の足圧中心軌跡と計測により得られた実際の足圧中心軌跡とを足型に重ねて表示することを特徴とする歩行評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩行評価装置に関し、特に被験者の歩行時の足圧を圧力センサにより実計測し、得られたデータを用いて歩行を評価する歩行評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、人物等の動物体の歩行を客観的に評価する研究が進められている。
歩行を客観的に評価する方法としては、目視により判定する方法もある。しかし、判定者の目視によって動物体の歩行の美しさや健康度を判定する方法では、判定者の主観によるため、客観的かつ一定の基準での判定が困難である。例えば、被験者の体形に対する判定者の趣味等、歩行そのものとは無関係の要因が判定結果に影響する恐れがある。
【０００３】
このようなことから、従来、客観的に動物体の姿勢を計測する方法として、動物体の接地圧から動物体の接地位置と姿勢を推定し、これらの情報とカメラ画像との照合をとることで動物体の姿勢を計測するものが提案されている（例えば、特開平１１−２３５３２８号公報など参照）。
また、被験者の動作状態をパラメータ化して診断する動作分析装置として、被験者の動作分析データをニューラルネットワークの手法を用いて解析するものが提案されているである（例えば、特開平１０−３０５０２３号公報など参照）。さらに、被験者の足圧分布から歩行特徴を定量化する歩行分析方法として、歩行時の足圧分布を計測し、その計測結果から歩行動作を解析して、その特徴をパラメータとして出力するものが提案されている（例えば、特開平１１−１１３８８４号公報など参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の歩行評価装置では、いずれも動作状態の計測に関するものであり、センサからの計測結果そのものを出力するか、あるいは特徴パラメータを出力するものであって、動物体の歩行の美しさや健康度を定量化して客観的に判定することができないという問題点があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡易な手法で高速処理が可能で、また直感的に理解しやすい特徴量を用いて理想的な歩行に近づけるための指針を与えることができる歩行評価装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明にかかる歩行評価装置は、圧力センサを用いて被験者の歩行中における足圧分布を時間的に連続して計測する足圧計測手段と、この足圧計測手段の計測結果からその被験者の足矩形領域を抽出する足矩形領域抽出手段と、足圧計測手段での計測結果から得られる被験者本人の歩行特徴と、足矩形領域抽出手段で抽出された足矩形領域に基づき正規化した理想的な歩行特徴とを用いて、被験者の歩行評価を点数化する点数化手段と、被験者本人の歩行特徴と理想的な歩行特徴とを比較表示する比較表示手段とを備え、点数化手段に、足圧中心軌跡のお手本パラメータを予め記憶するお手本データベースと、足矩形領域抽出部で抽出された足矩形領域に基づいて、お手本データベースのお手本パラメータを、当該被験者に合わせて正規化することにより理想的な足圧中心軌跡を生成し理想パラメータとして出力する理想パラメータ生成部と、足圧計測手段の計測結果から被験者本人の実際の足圧中心軌跡を求め本人パラメータとして出力する本人パラメータ生成部と、理想パラメータ生成部で生成された理想パラメータと本人パラメータ生成部で生成された本人パラメータとの比較に基づき、被験者の歩行評価を点数化するパラメータ比較部とを設けている。
【０００７】
理想パラメータを生成する場合、理想パラメータ生成部で、被験者の足型に内接する矩形と一致するように、お手本パラメータを拡大・縮小することにより空間的に正規化するとともに、被験者の歩行における着地から蹴り出しまでの各計測タイミングに合わせてお手本の足圧中心を補間して求めることにより時間的に正規化し、これら正規化によりお手本パラメータから理想パラメータを生成するようにしてもよい。
【０００８】
被験者の歩行評価を点数化する場合、パラメータ比較部で、着地から蹴り出しまでの各計測タイミングごとに理想の足圧中心と被験者の足圧中心との距離を求め、各計測タイミングの距離を合計することにより、被験者の歩行評価を点数化するようにしてもよい。
また、比較表示手段で、理想の足圧中心軌跡と計測により得られた実際の足圧中心軌跡とを足型に重ねて表示するようにしてもよい。
【００１２】
また、着地から蹴り出しまでの各計測タイミングごとに理想の足圧中心と被験者の足圧中心との距離を求め、各計測タイミングの距離を合計することにより、被験者の歩行評価を点数化するようにしてもよい。
また、理想の足圧中心軌跡と実際の足圧中心軌跡とを足型に重ねて表示するようにしてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態にかかる歩行評価装置のブロック図である。この歩行評価装置には、足圧計測部１１、足矩形領域抽出部１２、点数化部１３、および比較表示部１４が設けられている。
足圧計測部１１は、圧力センサを用いて、歩行する被験者の足圧分布を時間的に連続して計測し、足圧分布を画像化した時系列足圧画像列（ｘ1，ｘ2，…，ｘT）として点数化部１３に出力する。ｘTは、時刻ｔ（計測タイミング）において観測される特徴ベクトルである。
【００１４】
足圧計測部１１の具体的な例を図２に示す。足圧計測部１１は、足圧を計測するための圧力センサ２１と、この圧力センサ２１で検出された足圧を画像処理するコンピュータ２２とから構成されている。
圧力センサ２１は、連続した数歩の足圧を計測することができる。被験者は、この圧力センサ２１上を自然な歩行で３歩から５歩程度で通り抜ける。圧力センサ２１によって検出された足圧は、コンピュータ２２に取り込まれ、各計測タイミングにおける圧力の強さを階調値とする時系列足圧画像列（ｘ1，ｘ2，…，ｘT）、例えば毎秒３０枚の足圧画像フレーム（以下、フレームという）として、足矩形領域抽出部１２および点数化部１３へ出力される。
【００１５】
足矩形領域抽出部１２では、足圧計測部１１からの時系列足圧画像列（ｘ1，ｘ2，…，ｘT）の各フレームをすべて重畳することにより足跡画像を得る。そして、この足跡画像から、足底部位に内接する矩形の長軸および短軸の長さを示す足矩形領域情報｛ｐ1，ｐ2｝を抽出する。
【００１６】
点数化部１３では、足圧計測部１１からの時系列足圧画像列（ｘ1，ｘ2，…，ｘT）と足矩形領域抽出部１２からの足矩形領域情報｛ｐ1，ｐ2｝とに基づき、被験者の歩行評価を点数化する。
図３に点数化部１３の構成例を示す。この点数化部１３には、本人パラメータ生成部１３１、理想パラメータ生成部１３２、お手本データベース１３３、パラメータ比較部１３４が設けられている。
【００１７】
本人パラメータ生成部１３１では、時系列足圧画像列（ｘ1，ｘ2，…，ｘT）を足圧中心軌跡座標の時間変化を示す本人パラメータ（ｒ1，ｒ2，…，ｒT）に変換し、パラメータ比較部１３４へ出力する。ここで、時刻ｔにおける足圧中心座標（Ｃx（ｔ），Ｃy（ｔ））および本人パラメータ（ｒ1，ｒ2，…，ｒT）は、時刻ｔにおける足圧画像フレームの座標（ｘ，ｙ）における画素値（足圧）をＰ（ｘ，ｙ，ｔ）とするとき、次のように定義される。
【００１８】
【数１】
0003725788.tif 000002
【００１９】
お手本データベース１３３内には、歩行手本となる先生の足圧中心軌跡座標の時間変化を示すお手本パラメータ（ｉ1，ｉ2，…，ｉT'）が、本人パラメータ（ｒ1，ｒ2，…，ｒT）と同じ形式で予め記憶されている。このお手本パラメータは足矩形領域の単位サイズあたりの数値に換算されている。
理想パラメータ生成部１３２では、足矩形領域抽出部１２からの足矩形領域情報｛ｐ1，ｐ2｝を用いて、このお手本パラメータ（ｉ1，ｉ2，…，ｉT'）を被験者の足型に合わせて正規化し、理想パラメータ（ｉ'1，ｉ'2，…，ｉ'T）として出力する。
【００２０】
これら本人パラメータ（ｒ1，ｒ2，…，ｒT）と理想パラメータ（ｉ'1，ｉ'2，…，ｉ'T）は、足圧中心軌跡からなり、次数も同じである。ただし、本人パラメータ（ｒ1，ｒ2，…，ｒT）は計測から得られた本人の実際のパラメータであるのに対し、理想パラメータ（ｉ'1，ｉ'2，…，ｉ'T）は歩行手本となる先生のお手本パラメータ（ｉ1，ｉ2，…，ｉT'）を被験者の足型に合わせて正規化したものである。
【００２１】
図４に理想パラメータ生成部に１３２おける足圧中心軌跡の正規化処理を示す。理想パラメータ生成部１３２では、被験者の足矩形領域情報｛ｐ1，ｐ2｝に基づき、お手本パラメータ（ｉ1，ｉ2，…，ｉT'）を、足底内接矩形長軸方向にｐ1倍するとともに、足底内接矩形短軸方向にｐ2倍し、踵（着地）と第２指（蹴り出し）に設けられた基準点Ａ，Ｂを合わせることで、空間的な正規化を行う。
また、着地から蹴り出しまでを所定数Ｔ（例えば２０）個のフレームで表現するため、お手本パラメータ（ｉ1，ｉ2，…，ｉT'）のＴ’個の各フレームごとの足圧中心座標から、理想パラメータ（ｉ'1，ｉ'2，…，ｉ'T）における各フレームごとの足圧中心座標を補間して求めることで、時間的な正規化を行う。
【００２２】
パラメータ比較部１３４では、このようにして理想パラメータ生成部１３２で正規化により得られた理想パラメータ（ｉ'1，ｉ'2，…，ｉ'T）と、計測により得られた本人パラメータ（ｒ1，ｒ2，…，ｒT）とを比較し、これら足圧中心軌跡間の距離に基づき、歩行評価を示す得点ｙ（スカラー値）を算出出力する。
図５にパラメータ比較部１３４での得点化処理を示す。パラメータ比較部１３４では、理想パラメータ（ｉ'1，ｉ'2，…，ｉ'T）と本人パラメータ（ｒ1，ｒ2，…，ｒT）とから、足圧中心軌跡間の距離を算出する。
【００２３】
図５において、（Ｘt，Ｙt）は理想パラメータ（ｉ'1，ｉ'2，…，ｉ'T）で示されるｔフレーム目における理想の重心位置を示す。また（ｘt，ｙt）は本人パラメータ（ｒ1，ｒ2，…，ｒT）で示されるｔフレーム目における実際の重心位置を示す。
このとき、理想の足圧中心軌跡と実際の足圧中心軌跡との距離Ｌは、次のようにして求められる。この距離Ｌが小さいほど理想の歩行に近く美しい歩行ということになる。
【００２４】
【数２】
0003725788.tif 000003
【００２５】
図６は、上記の数２で得られる距離Ｌと先生による主観評価との関係を示すグラフである。先生の評価は、足圧のみから判断するものとし、採点は５段階（理想的な美しい歩行を５とする）である。
データとして、ウォーキングの初心者６名が半年間ウォーキングスクールにおいてレッスンを受け、初回を含めて３回、３ヶ月おきに測定したものと、先生の歩行を測定したものを用いた。
【００２６】
このグラフから、理想の足圧中心軌跡と実際との距離Ｌが近いほど歩行評価の得点が高いことがわかる。初回、２回目、３回目と得点が上昇したある生徒の足圧の変化を比較表示した結果を、図７にデータ１（初回）、データ２（２回目）、データ３（３回目）として示した。これによれば、少しずつ理想的な足圧中心軌跡に近づいている様子がわかる。
このように、理想の足圧中心軌跡と実際の足圧中心軌跡とを重ねて表示することにより、重心移動させる際に使う足の部位がわかり、またそれらを使うタイミングもわかる。
【００２７】
歩行評価の得点は、図６のデータから得られた回帰式により歩行評価の得点ｙを求めることができる。今、理想の足圧中心軌跡と実際との距離をＬ（数２参照）、先生による主観評価の点数をＰとする。ここで、図６でプロットされたデータを一次回帰式Ｐ＝Ａ×Ｌ＋Ｂにあてはめると、係数Ａ，ＢはそれぞれＡ＝０１０２５，Ｂ＝５．５となる。
したがって、測定した足圧から理想の足圧中心軌跡と実際との距離をＬを計算することで、歩行評価の得点ｙが以下の式で求められる。なお、以下の数３は図６のデータを元にして得点ｙの式を導出したものであり、これに限定されるものではない。
【００２８】
【数３】
0003725788.tif 000004
【００２９】
以上のように、足圧計測部１１では、圧力センサを用いて被験者の歩行中における足圧分布を時間的に連続して計測し、この計測結果からその被験者の足矩形領域を足矩形領域抽出部１２で抽出し、さらに計測結果から得られた被験者本人の歩行特徴と足矩形領域に基づき正規化した理想的な歩行特徴とを用いて点数化部１３で被験者の歩行評価を点数化し、被験者本人の歩行特徴と理想的な歩行特徴との比較結果を比較表示部１４で表示するようにしたので、簡易な手法で高速な処理が可能できる。
また、特徴量として足圧中心軌跡を用いたので、次数が低いため扱い易く、また直感的に理解しやすい。さらに、理想と実際の足圧中心軌跡を比較表示するようにしたので、理想的な歩行に近づけるための指針を与えることができる。
【００３０】
発明者らは、本発明に先立って、本発明と同様に足圧データを用いて歩行の美しさや健康度を定量化して出力するウォーキング判定装置を提案している（特開２００１−２１８７５４号）が、本発明とは以下の４点で異なる。
第一に、装置の出力が異なる。上記ウォーキング判定装置は美しさや健康度の定量化装置であるが、本発明は美しさに特化し、これを点数で評価するものである。
第二に、判定基準が異なる。上記ウォーキング判定装置では、バランス、対称性、時間的な連続性といった力学的合理性を判断基準とし、特徴量を力学的合理性判断基準部に記憶されているしきい値と比較することで美しさや健康度を比較する。本発明はお手本となる人間のパラメータとの比較で歩行を評価する。
【００３１】
第三に、判定基準が異なることにより、特徴量とその表示方法、および処理速度が異なる。上記ウォーキング判定装置では、力学的合理性を判断基準としていた。このため、特徴量の絶対的な正規化が必要であり、足圧特徴量に関しては、足底部位分割部を設け、足底位置の絶対的な空間正規化を行う必要があった。また、足圧特徴量として用いた部位別荷重の時間変化は、直感的に理解しにくく、計算量も多かった。
本発明では、特徴量の正規化は個人とお手本との間で相対的に行う。このため、足底部位分割部を必要としない。また、特徴量は足型と重ねて表示することができる足圧中心軌跡を用いており、直感的に理解しやすい。
【００３２】
したがって、本発明によれば、上記ウォーキング判定装置と比較して、特徴量が理解しやすく、装置の構成が簡易で処理速度が速いという利点がある。
上記ウォーキング判定装置では、最終的に表示されるものは、判定された被験者本人のパラメータのみであった。本発明では、本人の足圧中心軌跡とお手本の足圧中心軌跡を本人の足型に重ねて表示することにより、理想的な歩行に近づくにはどうすればよいかという指導の指針を与えることができる。
【００３３】
第四に、判定基準が異なることにより、装置の構成が異なる。上記ウォーキング判定装置では、バランス、対称性、時間的な連続性を判断基準としていたため、圧力センサやカメラを用いて、複数のセンサ情報を抽出して処理していた。本発明では、判定基準はお手本との比較であるため、センサとして圧力センサのみを用いて、お手本のデータが明らかにされている足圧中心軌跡のみを抽出している。
【００３４】
上記ウォーキング判定装置により、歩行評価の点数化が可能になったが、足底部位切りだしが必要であり、また特徴量の次数が大きいことから、装置が複雑で処理が重かった。また、被験者が自分白身の歩行を矯正するための情報が得にくかった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡易な手法で高速な処理が可能でき、また直感的に理解しやすい特徴量を用いて理想的な歩行に近づけるための指針を与えることができる歩行評価装置を提供することを目的としている。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、1)足矩形領域抽出部で被験者個人の足型情報を抽出し、理想パラメータ生成部でその被験者の足型に合わせて生成した理想の特徴量と実際のものとの距離で点数化するものとし、この際、足矩形領域に基づいて、予めお手本データベースに記憶されている足圧中心軌跡のお手本パラメータを、当該被験者に合わせて正規化することにより理想的な足圧中心軌跡を生成し理想パラメータとして出力し、計測結果から被験者本人の実際の足圧中心軌跡を求め本人パラメータとして出力し、理想パラメータと本人パラメータとの比較に基づき、被験者の歩行評価を点数化するという、単純な特徴量同士の距離比較という手法をとるようにしたので、装置構成が簡易化され、高速処理が可能になる。また、2)特徴量として足圧中心軌跡を用いるようにしたので、直感的に理解しやすい。さらに比較表示部を備えることにより、理想と実際の足圧中心軌跡を被験者本人の足型に重ねて表示し、理想的な歩行に近づけるための指針を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による歩行評価装置を示すブロック図である。
【図２】  足圧計測部を示す説明図である。
【図３】  点数化部を示す構成図である。
【図４】  理想パラメータ生成部での正規化処理を示す説明図である。
【図５】  パラメータ比較部での点数化処理を示す説明図である。
【図６】  足圧中心軌跡の理想との距離と評価点との関係を示すグラフである。
【図７】  レッスンによる足圧中心軌跡の変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１１…足圧計測部、１２…足矩形領域抽出部、１３…点数化部、１４…比較表示部、２１…圧力センサ、２２…コンピュータ、１３１…本人パラメータ生成部、１３２…理想パラメータ生成部、１３３…お手本データベース、１３４…パラメータ比較部。
【図１】
0003725788.tif 000005
【図２】
0003725788.tif 000006
【図３】
0003725788.tif 000007
【図４】
0003725788.tif 000008
【図５】
0003725788.tif 000009
【図６】
0003725788.tif 000010
【図７】
0003725788.tif 000011