(57)【要約】      （修正有）【課題】歩行中の使用者の足の背屈や底屈の力を精度よく測定することができ、歩行機能の客観的な評価を可能にする歩行機能回復状況の測定システム及び測定方法を提供する。【解決手段】支柱とその下端部に軸着された足保持部とで構成され、足の背屈及び底屈動作に応じて足保持部が揺動する脚装具を備える。支柱に取り付けられ、足の背屈及び底屈動作に応じて軸着部近傍の部分に加わる力を検出する力センサ部を備える。複数歩の歩行動作を行ったときの力センサ部の出力を受け、使用者の歩行機能の回復状況の分析を行うデータ分析部を備える。データ分析部は、センサ出力Ｘが底屈方向に最大となるタイミングを各歩の足底接地期と認定する。一つの足底接地期から次の足底接地期までを歩行の１周期Tnとしてセンサ出力Ｘを各歩出力Xnに区分する。各歩出力Xnの始点から終点までの間の特定位相d1〜d2のデータを抽出する。【選択図】図３
2014213147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の下腿部側方に装着される支柱、及び前記支柱の下端部に軸着された足保持部とで構成され、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて前記足保持部が前記軸着部を中心に揺動する脚装具と、
前記支柱に取り付けられ、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて前記軸着部近傍の部分に加わる力を検出する力センサ部と、
使用者が複数歩の歩行動作を行ったときの前記力センサ部の出力を受けて、歩行機能の回復状況の分析を行うデータ分析部とを備え
前記データ分析部は、前記センサ出力が底屈方向に最大となるタイミングを各歩の足底接地期と認定し、一つの前記足底接地期から次の前記足底接地期までを歩行の１周期として前記センサ出力を各歩出力に区分し、前記各歩出力の始点から終点までの間の特定位相のデータを抽出することを特徴とする歩行機能回復状況の測定システム。
【請求項２】
前記支柱は金属製であり、前記足保持部の端部に取り付けられ、
前記力センサ部は歪みゲージであり、前記軸着部近傍の部分が前後方向に湾曲する弾性歪みを検出する請求項１記載の歩行機能回復状況の測定システム。
【請求項３】
使用者の下腿部側方に装着される支柱、及び前記支柱の下端部に軸着された足保持部とで構成され、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて前記足保持部が前記軸着部を中心に揺動する脚装具と、前記支柱に取り付けられ、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて前記軸着部近傍の部分に加わる力を検出する力センサ部とを備える測定システムを使用し、
使用者が複数歩の歩行動作を行ったときの前記力センサ部のセンサ出力を分析し、前記センサ出力が底屈方向に最大となるタイミングを各歩の足底接地期と認定し、
前記センサ出力を、一つの前記足底接地期から次の前記足底接地期までを１周期とする各歩出力に区分し、前記各歩出力の始点から終点までの間の特定位相のデータを抽出することを特徴とする歩行機能回復状況の測定方法。
【請求項４】
前記抽出した特定位相のデータについて、複数歩分の平均値を算出する請求項３記載の歩行機能回復状況の測定方法。
【請求項５】
前記各歩出力の始点から終点までの期間を0〜100%とした場合に、前記特定位相のデータは55〜95％の範囲内のデータである請求項３又は４記載の歩行機能回復状況の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行に障害のある人のリハビリテーション等に使用される歩行機能回復状況の測定システム及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１に開示されているように、患者の腰から足に沿って装着される多リンク型の機構を有し、複数のセンサが各所に取り付けられた足装具を備え、センサ出力を分析して使用者の歩行能力を評価する歩行能力測定装置があった。この測定装置は、使用者の足の揺動振幅（足先が腰よりもどれくらい前後に振れるか）に着眼して評価を行うための装置である。複数のセンサは、足の裏が床面から受ける力を計測する荷重センサと、腰に対する足の前後方向の位置を計測する足位置センサであり、センサ出力から一歩毎の荷重のピーク値、第１足位置及び第２足位置を認識し、平均、分散とを変数とする歩行能力指数を算出することによって歩行能力の評価を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−８５８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歩行機能の回復状況の評価については、従来から様々な手法が提案されているものの、現状、有効性が認知され広く普及しているものはない。
【０００５】
発明者が検討を行った結果、歩行周期における立脚相と遊脚相毎に、足を背屈方向に動かす力と、底屈方向に動かす力の回復状況に着眼する手法が有効であることが分かった。図６に示すように、立脚相は足が地面に付いている期間のことで、一般的には足底接地期から踵離地期までの期間のことである。遊脚相は足が地面から離れている期間のことで、一般的には指先離地期から踵接地期までの期間をいう。
【０００６】
しかしながら、歩行中の足の背屈や底屈の力を精度よく測定できる装置が世の中になく、特許文献１の歩行能力測定装置等も、この評価手法に対応できる装置ではない。
【０００７】
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、歩行中の足の背屈や底屈の力を精度よく測定することができ、歩行機能の客観的な評価を可能にする歩行機能回復状況の測定システム及び測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、使用者の下腿部側方に装着される支柱、及び前記支柱の下端部に軸着された足保持部とで構成され、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて前記足保持部が前記軸着部を中心に揺動する脚装具と、前記支柱に取り付けられ、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて前記軸着部近傍の部分に加わる力を検出する力センサ部と、使用者が複数歩の歩行動作を行ったときの前記力センサ部の出力を受けて、歩行機能の回復状況の分析を行うデータ分析部とを備え
前記データ分析部は、前記センサ出力が底屈方向に最大となるタイミングを各歩の足底接地期と認定し、一つの前記足底接地期から次の前記足底接地期までを歩行の１周期として前記センサ出力を各歩出力に区分し、前記各歩出力の始点から終点までの間の特定位相のデータを抽出する歩行機能回復状況の測定システムである。
【０００９】
前記支柱は金属製であり、前記足保持部の端部に取り付けられ、前記力センサ部は歪みゲージであり、前記軸着部近傍の部分が前後方向に湾曲する弾性歪みを検出する構成が好ましい。
【００１０】
また、本発明は、使用者の下腿部側方に装着される支柱、及び前記支柱の下端部に軸着された足保持部とで構成され、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて前記足保持部が前記軸着部を中心に揺動する脚装具と、前記支柱に取り付けられ、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて前記軸着部近傍の部分に加わる力を検出する力センサ部とを備える測定システムを使用し、
使用者が複数歩の歩行動作を行ったときの前記力センサ部のセンサ出力を分析し、前記センサ出力が底屈方向に最大となるタイミングを各歩の足底接地期と認定し、前記センサ出力を、一つの前記足底接地期から次の前記足底接地期までを１周期とする各歩出力に区分し、前記各歩出力の始点から終点までの間の特定位相のデータを抽出する歩行機能回復状況の測定方法である。
【００１１】
前記抽出した特定位相のデータについて、複数歩分の平均値を算出することが好ましい。また、前記各歩出力の始点から終点までの期間を0〜100%とした場合に、前記特定位相のデータは55〜95％の範囲内のデータであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の歩行機能回復状況の測定システムによれば、脚装具として汎用の短下肢装具を使用することができ、脚装具を特別に購入したり製作したりする必要がない。また、力センサ部とデータ分析部も、一般的な歪みゲージとパソコンを使用して安価に構成することができる。したがって、病院やリハビリテーション施設等の特定の医療機関だけでなく、一般家庭にも広く普及させることができる。
【００１３】
また、本発明の測定システム及び測定方法によれば、センサ出力を歩行周期毎の各歩出力に区分して分析する際、各歩の足底接地期を始点とするので、各歩における立脚相や遊脚相等を精度よく特定することができる。したがって、歩行機能回復状況の評価に必要な各種のデータを、コンピュータの自動計算によって容易に得ることができる。例えば、特定位相を55〜95%の範囲内（遊脚相の範囲内）に設定すれば、足の背屈の力のデータが高精度に抽出され、歩行機能回復状況の評価に有効な情報を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の歩行機能回復状況の測定システムの一実施形態を使用者の左脚に装着した様子を示す図である。
【図２】本実施形態の脚装具を示す側面図（ａ）、力センサ部の取り付け位置を説明する図（ｂ）である。
【図３】本発明の歩行機能回復状況の測定方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図４】力センサ部のセンサ出力を示すタイムチャートである。
【図５】歩行の1周期における特定位相を説明する図である。
【図６】歩行の１周期における立脚相と遊脚相を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の歩行機能回復状況の測定システムの一実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。この実施形態の測定システム１０は、図１に示すように、使用者Ｍの左脚に装着された脚装具１２、力センサ部１４、及び図示しないデータ分析部で構成されている。
【００１６】
脚装具１２は、図２に示すように、使用者Ｍの下腿部が間に収まる左右一対の支柱１６と、支柱１６の下端部に軸着された靴である足保持部１８とで構成されている。支柱１６の上端には装着ベルト１６ａが設けられ、一対の支柱１６を下腿部に固定できるようになっている。足保持部１８は、使用者Ｍの踝の位置で軸着され、使用者Ｍの足の背屈及び底屈動作に応じて軸着部１６ｂを中心に揺動する。ここでは、足保持部１８として靴を使用しているが、例えば、足型の板に足を載せて甲部をベルトで固定するサンダルのような形態でもよい。
【００１７】
力センサ部１４は、歪みゲージ１４ａとセンサ出力記録部１４ｂとで構成されている。歪みゲージ１４ａは、特定方向の力を受けると自己の抵抗値が変化するシート状のセンサ素子であり、図２（ｂ）に示すように、一対の支柱１６の下端部の前後の側面に貼り付けられ、支柱１６が前後方向に湾曲する弾性歪みを検出することができる。センサ出力記録部１４ｂは、４つの歪みゲージ１４ａの出力端をケーブル１４ｃで引き出し、ブリッジ回路等の増幅回路を用いて抵抗値の変化を電気信号に変換し、センサ出力Ｘとして記録媒体に記録する。例えば、図１に示すように、小型の収納ケースに増幅回路と記録媒体を収め、使用者Ｍの腰部に装着ベルトで固定される。
【００１８】
図示しないデータ分析部は、例えばパーソナルコンピュータ等で構成され、力センサ部１４に記録されたセンサ出力Ｘを読み込んでデータ分析を行い、使用者Ｍの歩行動作についての分析、評価を行う。詳しくは、後の測定方法の説明の中で述べる。
【００１９】
測定システム１０の場合、センサ出力Ｘを力センサ部１４に記録し、事後的にデータ分析部で分析を行う構成であるが、歩行中にセンサ出力Ｘを無線送信し、データ分析部でリアルタイムに分析できる構成にしてもよい。
【００２０】
次に、本発明の歩行機能回復状況の測定方法の一実施形態について、図３〜図５に基づいて説明する。発明者は、歩行中の足の背屈の力に着眼して歩行機能回復状況を評価する手法の検討を行ってきた。この実施形態に係る測定方法は、脚装具１２を付けて歩行動作（歩数＝ｎ歩）を行い、歩行中に足の背屈及び底屈動作に応じて支柱１６に作用する力を測定する方法である。具体的には、センサ出力Ｘを受けたデータ分析部が、図３に示すステップS11〜S14の処理を行う。
【００２１】
センサ出力Ｘは、図４に示すように、略ノコギリ波状の繰り返し波形となる。ここでは、背屈方向の力が正の電圧、底屈方向の力が負の電圧として検出される。図６に示す歩行動作との関係は、センサ出力Ｘが底屈方向に最大となるタイミングが足底接地期、その後センサ出力Ｘが背屈方向に最大となるタイミングが踵離地期、その後センサ出力Ｘが無くなる（ゼロ付近に戻る）タイミングが指先離地期、その後センサ出力Ｘが底屈方向に上昇し始めるタイミングが踵接地期である。また、立脚相Ｒは、足底接地期の後、センサ出力Ｘが底屈方向から背屈方向に切り替わってから踵離地期までの期間であり、遊脚相Ｙは、指先離地期から足底接地期までの期間である。
【００２２】
データ分析部は、ステップS11,S12で、センサ出力Ｘを１歩目からｎ歩目までの各歩出力X1〜Xnに区分する処理を行う。１歩目からｎ歩目までの各歩の周期T1〜Tnは、大きくは違わないが一定時間ではないので、まずステップS11で、１歩当たりの平均周期Ｔを算出する。平均周期Ｔは、例えばｎ歩の総時間をｎで割り算して求めてもよいし、自己相関関数を適用する等して厳密に算出してもよい。次にステップS12で、センサ出力Ｘから１歩毎の各歩出力X1〜Xnを切り出す。このとき、図４に示すように、センサ出力Ｘが底屈方向に最大となるタイミング、すなわち足底接地期を各歩の始点にする。この理由は、後で説明する。また、各歩周期T1〜Tnと平均周期Ｔとの差t1〜tnが、基準値α以下（αは平均周期Ｔよりも十分小さい値）になるようにする。
【００２３】
次に、ステップS13で、切り出した各歩出力X1〜Xnについて統計処理を行い、各歩出力X1〜Xnの重ね合わせの平均である平均各歩出力X(ave)を得る。重ね合わせるときは、図５に示すように、各歩の始点を基準にして重ね合わせる。各歩周期T1〜Tnは（Ｔ±α）の範囲で異なるので、図５に示すように、始点から平均周期Ｔまでを0〜100%と表わすと、平均各歩出力X(ave)の100%付近（例えば、95〜100%）のデータは、信頼性が低いとして無視する。
【００２４】
次に、ステップS14で、平均各歩出力X(ave)の始点から終点まで期間における特定位相d1〜d2の範囲について、平均値Vを算出する。本実施形態の測定方法は、足を背屈の力に着眼して歩行機能回復状況の評価を行うことを目的としているので、遊脚相Ｙのデータに着眼するのが合理的と言える。遊脚相Ｙは、足を背屈方向に動かす期間であって、しかも足の背屈の力以外の力が発生しない期間（地面からの反発力を受けない期間）であり、足の背屈の力を容易に抽出することができるからである。
【００２５】
ｎ歩の歩行動作を測定したセンサ出力Ｘは、１歩目からｎ歩目まで、各歩でデータがばらつくので、各歩における遊脚相Ｙをいかに正確に特定するかが問題となる。発明者が検討した結果、センサ出力Ｘを各歩出力X1〜Xnに区分するとき、各歩の始点を足底接地期とすることによって、遊脚相Ｙがほぼ一律に55〜95%の位相になることが分かった。そこで、図５に示すように、特定位相d1〜d2を遊脚相Ｙの中ほどの期間である70〜80%に設定し、平均各歩出力X(ave)の位相70〜80%の期間の平均値Vを算出している。これによって、１歩目からｎ歩目までの足の背屈の力の平均値Vを精度よく算出することができる。特定位相d1〜d2の幅は変更することができ、例えば、遊脚相Ｙにおける平均各歩出力X(ave)のデータの増減が小さいときは、特定位相の幅をもっと狭くしても構わない。反対に、データの増減が大きいときは、特定位相の幅を広めにするとよい。
【００２６】
なお、足の背屈の力以外の力も抽出したい場合は、特定位相を55〜95%以外の範囲に設定することができる。上記のように、各歩出力X1〜Xnの始点を足底接地期にすることによって、立脚相Ｒ等の位相（範囲）についても一定の精度で特定できるからである。ただし、55〜95%以外の範囲のデータは、足の背屈又は底屈の力に地面からの反発力が加わっている点を考慮してデータ分析を行う必要がある。
【００２７】
以上説明したように、歩行機能回復状況の測定システム１０によれば、脚装具１２として汎用の短下肢装具を使用することができるので、脚装具１２を特別に購入したり製作したりする必要がない。また、力センサ部１４とデータ分析部も、一般的な歪みゲージ１４ａ等とパソコンを使用して安価に構成することができる。したがって、病院やリハビリテーション施設等の特定の医療機関だけでなく、一般家庭にも広く普及させることができる。
【００２８】
また、本発明の測定システム１０及び測定方法によれば、センサ出力Ｘを各歩出力X1〜Xnに区分する際、各歩の足底接地期を始点とするので、各歩における遊脚相や立脚相等を精度よく特定することができる。したがって、歩行機能回復状況の評価に必要な各種のデータを、コンピュータの自動計算によって容易に得ることができる。特に、特定位相を55〜95%の範囲内（遊脚相Ｙの範囲内）に設定することによって、足の背屈の力のデータが高精度に抽出され、歩行機能回復状況の評価に有効な情報を容易に得ることができる。
【００２９】
なお、本発明の歩行機能回復状況の測定システム及び測定方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、力センサ部は、使用者の足の背屈及び底屈動作に応じて軸着部近傍の部分に加わる力を検出することができればよく、歪みゲージの数や取付方法を変更してもよいし、歪みゲージ以外の力検出素子を使用しても構わない。
【００３０】
また、上記のデータ分析部では、図３で説明したように、各歩出力X1〜Xnの重ね合わせの平均各歩出力X(ave)を求め、その特定位相d1〜d2における平均値Vを算出することによって複数歩の平均値Vを算出する処理を行っているが、これは処理方法の一例に過ぎない。例えば、各歩出力X1〜Xn毎に特定位相d1〜d2における各歩平均値V1〜Vnを個別に算出すれば、その後、これらの相加平均を求めて１歩目からｎ歩目までの平均値Vを求めたり、１歩目からｎ歩目に至るまでの各歩平均値V1〜Vnの変化を見たりすることができる。また、センサ出力Ｘを各歩出力X1〜Xnに区分する手法についても、始点をセンサ出力Ｘが底屈方向に最大となる足底接地期とする点を除いて、ステップS11，S12と異なる手法を用いてもよい。
【００３１】
さらに、歩行機能回復状況の評価又は判定をしやすくするため、データ分析部で使用者のデータと健常者のデータを比較したり、比較結果をグラフ等で表示したりするようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１０  歩行機能回復状況の測定システム
１２  脚装具
１４  力センサ部
１４ａ  歪みゲージ
１６  支柱
１６ｂ  軸着部
１８  足保持部
Ｍ  使用者
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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