(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準線上を歩行する被験者の各関節部位に固着したマーカーＬＥＤ、および前記マーカーＬＥＤの点灯を制御する、前記被験者が携帯する制御ユニットと、
前記被験者の歩行活動を計測して得た前記マーカーＬＥＤによる光点位置の変化を２次元的に捉えるＰＳＤ（位置検出素子）、および前記ＰＳＤが出力するアナログ信号を演算処理した上でデジタル信号に変換してパソコンに伝送する、前記基準線の中央部において直角に設置したＰＳＤセンサユニットとによって構成した歩行計測システムと、
前記ＰＳＤセンサユニットからのデジタル・データを前処理して表示やグラフ化する歩行計測データ処理システム、および前記歩行計測データ処理システムで得られた歩行計測データを解析し、健常者および歩行障害者の各ケースについてモデリングを行い、具体的な障害を定量化する歩行計測データ・モデリングシステムとを解析プログラムとして格納したパソコンと、
によって構成したことを特徴とする歩行動作の定量的評価システム。
【請求項２】
基準線上を歩行する被験者の各関節部位に固着したマーカーＬＥＤの点灯を順次点滅させて、該被験者の歩行活動を光点軌跡として表示させるステップと、
前記基準線の中央部において直角の位置に設置した前記ＰＳＤセンサユニットによって前記被験者の歩行活動を計測し、該ＰＳＤセンサユニットに内蔵のＰＳＤによりマーカーＬＥＤの光点位置の変化を２次元的に捉え、該ＰＳＤの出力データを演算処理したうえでＡ／Ｄ変換して束ね、インターフェースを介してデジタルデータをパソコンに伝送するステップと、
入力したデジタルデータを計算ユニットに読み込み、フーリエ変換されたデータを基にパワースペクトルを求め、計算ユニットからの出力を描画ユニットにつなげて計算結果をパワースペクトルあるいはマトリックスに表示するステップと、
前記ステップからの歩行計測データを処理して得られる相関マトリックス・データを多変量解析して判別関数または評価関数を求め、健常者および歩行障害者の各ケースについてデータのモデリングを行い、その特徴を抽出して得た評価パラメータの対比により障害の特定が統計的に可能となるようにするステップと、によって構成したことを特徴とする歩行動作の定量的評価方法。
【請求項３】
被験者の各関節部位に固着したマーカーＬＥＤを、時間をずらして順次時分割点灯させると共に、各マーカーＬＥＤに変調をかけ、それぞれのＬＥＤからの信号波形にチャンネル識別ビットを含めるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の歩行動作の定量的評価方法。
【請求項４】
ＰＳＤを搭載した複数のＰＳＤセンサユニットによって被験者の歩行動作を同時に計測し、それぞれのＰＳＤセンサユニットにより捉えられたマーカーＬＥＤの光点位置の軌跡を、１台のパソコンに入力させてデータ処理するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の歩行動作の定量的評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間の基本的な運動機能を代表する歩行動作を観察して、健常者が自然な状態で歩行する場合と歩行機能に障害のある被験者の歩行とを比較し、歩行動作の定量的な評価方法を求める技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歩行動作を観察して歩行データを得るためには、被験者の各関節部位にマーカーとして豆電球や反射球等を取り付けておき、予め設定した基準線上を歩行させてその画像をデジタル・ビデオカメラに取り込み、各関節部位に取り付けた豆電球による光点の軌跡を観察して記録するシステムがある。
このシステムでは、充分な光量を得るために比較的暗い部屋の内を歩行させる必要があり、家庭用ＮＴＳＣ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）デジタル・ビデオカメラで撮影し、この画像をパソコンに取り込み、取り込んだ画像１コマ１コマについて、光点を手動でマウスをクリックすることにより座標を入力していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来方式の歩行動作のデータ入力方法では、手入力により座標入力しているため、データの完成までに長時間を要し、リアルタイム処理はできなかった。
また、撮影形式がＮＴＳＣ方式であるので、サンプリング周期が３０Ｈｚしかなく、被験者の身体の震えなどの細かい動きまで再現できなかった。
さらに、比較的暗い部屋で撮影する必要があるため、歩行機能に支障のある被験者が転倒する恐れなどもあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、自動入力によってリアルタイムで歩行データ入力を行い、サンプリング周期を上げて身体の震えなどの細かい動きまで再現させると共に、比較的明るい部屋でもデータ入力を可能にする。
即ち、マーカーＬＥＤ（発光ダイオード）とＰＳＤ（位置検出素子）の組み合わせでサンプリング周期を速くし、ＬＥＤを順次１点ずつ点灯させると共に、ＬＥＤ点灯時と非点灯時それぞれの状態を検出し、外来光の影響を取り除く。
また、ＬＥＤの点灯は、単に点灯させるのではなく、変調をかけて何チャンネル目のＬＥＤが点灯しているのかの識別情報を含めるようにし、ＰＳＤ側で復調させて、各点に分配して出力する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る歩行動作の定量的評価システムの構成を示すブロック図であり、図２はＰＳＤ処理ユニットの構成を示す回路図である。
また、図３はマーカーＬＥＤを各関節部位に固着した被験者と、その歩行動作を計測するＰＳＤセンサユニットとの関係を示す説明図であり、図４と図５はＬＥＤ点灯に伴う信号波形のシーケンスを示す。
【０００６】
図１に示すように、本発明による歩行動作の定量的評価システムは、被験者の歩行動作をＰＳＤセンサユニット４によって計測し、マーカーＬＥＤの光点位置の変化をＰＳＤ３と信号処理回路２によって信号処理して計測する歩行計測システムと、この計測データを前処理して表示やグラフ化する歩行計測データ処理システムと、前処理されたデータを解析し判別する歩行計測データ・モデリングシステムとによって構成されている。
なお、歩行計測データ処理システムと歩行計測データ・モデリングシステムは、プログラムとしてパソコン１２に格納してある。
【０００７】
図３において、被験者の頭頂、肩、肘、手、腰、膝、踵、足の８ヶ所にマーカーＬＥＤ１６１〜１６８が取り付けてあり、予め設定してある基準線上を歩行させる。
ＰＳＤセンサユニット４は基準線上における中央部分と直角の位置に設置してあり、基準線上を歩行する被験者の歩行動作を横方向から計測する。
歩行動作の計測は、広角レンズによってＰＳＤセンサユニット４追尾の必要がない歩行範囲で行われる。
【０００８】
マーカーＬＥＤは十分な輝度と広い指向性を得るために複数のＬＥＤの集合で構成され、ベルクロテープ等によって身体の各関節部位に固着できるようになっている。
また、マーカーＬＥＤを１灯ずつ順次点滅させる機能を備えたＬＥＤ制御回路１７を内蔵した制御ユニット（図示せず）が、ベルト等で腰等に固定できるようになっており、それぞれのマーカーＬＥＤ１６１〜１６８との間は、専用ケーブル（図示せず）によって接続してある。
【０００９】
図４は、各関節部位ごとに固着した８つのマーカーＬＥＤから出力される光点による信号波形ＣＨ１〜ＣＨ８を示すものであって、それぞれの信号波形に変調をかけることにより、チャンネル識別用ビットと位置計測用の連続信号を出力するビットによって構成してある。
また、マーカーＬＥＤは時間をずらして順次時分割点灯されるので、各関節部位の動きが明瞭に光点の軌跡として順次表示され、その信号波形のシーケンスは図５に示すようになる。
【００１０】
図２は、ＰＳＤユニットの回路構成を示す回路図である。
ＰＳＤセンサユニット４に設けてあるレンズ１を介してＬＥＤの光点の点滅がＰＳＤ（位置検出素子）３で捉えられ、２次元の座標データ（アナログ）となる。ＰＳＤのサンプリング周波数は１５０〜３００Ｈｚであるので、３００フレーム／秒とすることによりＮＴＳＣビデオカメラ（３０フレーム／秒）よりも詳細な歩行活動状態を表示でき、被験者の身体の震えなどの細かい動きを再現できる。なお、ＬＥＤの点灯周期とＰＳＤ周期とは同期するように構成してある。
【００１１】
ＰＳＤ３からの出力信号はＸ座標検出回路６１とＹ座標検出回路６２に入力し、それぞれの出力信号（アナログ）はＡ／Ｄ変換回路７１と７２に入力してデジタル信号に変換される。
さらに、ＰＳＤから出力される受光光量は光量検出回路５に入力し、その出力信号はデコーダ９を介してＸ座標検出回路６１とＹ座標検出回路６２に入力すると共に、レジスタ１０１〜１０８に入力して、Ａ／Ｄ変換回路７１と７２から出力されるデジタル信号をサンプリングし、何チャンネル目のＬＥＤ出力であるかを判別し、自動的にリアルタイムで出力する。
【００１２】
レジスタ１０１〜１０８からの出力信号は、インターフェース１１を介してパソコン１２に伝送される。
パソコン１２には、歩行計測システムから得られたデータを前処理して表示やグラフ化する歩行計測データ処理システムと、この前処理で得られた歩行計測データを解析し、健常者および歩行障害者の各ケースについてデータのモデリングを行い、身体的な障害を定量化する歩行計測データ・モデリングシステムにより成る解析プログラムが格納してある。
【００１３】
歩行計測データ処理システムは、歩行計測システムから得られたデジタルデータを前処理すると共に、表示やグラフ化をするプログラムである。
このプログラムは、計算ユニットと、描画ユニットと、プロセシングユニットにより構成されている。
計算ユニットは、個体ごとの歩行を特徴づけるための（他者との比較データとしての）、パワースペクトルを得るフーリエ変換機能と、個体内での特徴を見出すための、相関マトリックスを得る多変量解析機能を持つ。
描画ユニットは、計算ユニットの結果をそれぞれパワースペクトルグラフ、係数のマトリックス（人体計測位置対応）で表示する機能を持つ。
プロセシングユニットは、デジタルデータを読み込んで計算ユニットに入力し、計算ユニットからの出力を描画ユニットや、歩行計測データ・モデリングシステムに出力するなど、プログラム全体進行を受け持っている。
【００１４】
歩行計測データ・モデリングシステムは、歩行計測データ処理システムのデジタルデータを多変量解析し、顕在あるいは潜在の、身体的な障害の定量化を行うプログラムである。また、定量化を構築するための解析も行う。
このプログラムは、入力インターフェイスユニットと、多変量解析ユニットと、出力インターフェイスユニットにより構成されている。
多変量解析は、主に主成分分析と判別分析を行い、相関マトリックスとして整理されている歩行時のデータから、健常者および歩行障害者の各ケースについて、それぞれデータのモデリングを行い、その特徴を抽出して得た評価パラメータの対比により、障害の特定を統計的に行う。
【００１５】
以上の説明においては、単独のＰＳＤセンサユニットを使用した例であるが、複数のＰＳＤセンサユニットを使用することにより、３次元計測を行うこともでき、マーカーＬＥＤを見失う可能性を少なくすることができる。
また、赤外線ＬＥＤと、レンズに赤外線フィルター１８を用いることにより、背景光の影響を少なくすることができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る歩行動作の定量的評価システムおよび方法は、自動的に、かつ、リアルタイムに歩行動作データを入手することが可能であり、サンプリング周波数を高くすることによって身体の震えなどの細かい動きまで再現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る歩行動作の定量的評価システムの構成を示すブロック図。
【図２】ＰＳＤ処理ユニットの構成を示す回路図。
【図３】マーカーＬＥＤを各関節部位に固着した被験者と、その歩行動作を計測するＰＳＤセンサユニットとの関係を示す説明図。
【図４】ＬＥＤ点灯に伴う信号波形のシーケンス。
【図５】ＬＥＤ点灯に伴う信号波形のシーケンス。
【符号の説明】
１  レンズ
２  信号処理回路
３  ＰＳＤ
４  ＰＳＤセンサユニット
５  光量検出回路
６１，６２  Ｘ座標，Ｙ座標検出回路
７１，７２  Ａ／Ｄ変換回路
９  デコーダ
１０１〜１０８  レジスタ
１１  インターフェース
１２  パソコン
１３  歩行計測データ処理システム
１４  歩行計測データ・モデリングシステム
１５  三脚
１６１〜１６８  マーカーＬＥＤ
１７  マーカーＬＥＤ制御回路
１８  フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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