(57)【要約】【課題】磁界の歪みによる影響を校正して被験者の歩行位置を計測する歩行位置計測方法を提供する。【解決手段】送信コイルを備える磁界発生部から磁界を発生させる磁界発生工程と、磁界センサとしての磁界検出部を被験者の左右の脚部に各々取り付けて、磁界検出部にて送信コイル毎の磁界検出値として磁界検出を行う磁界検出工程と、受信された各送信コイルの磁界検出値に基づき、演算処理部にて、磁界発生部と各々の磁界検出部との間の距離を算出して左右の歩幅を演算する演算処理工程と、を有する。実測された被験者の歩幅である実測歩幅値をSr、規定歩行距離をDp、被験者が実際に歩行した距離の合計である実測歩行距離をDr、とした場合、校正された被験者の歩幅Sｎは次式により求める。Sｎ＝Sr×(Dp/Dr)【選択図】図１
2015219216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交配置された複数の送信コイルを備える磁界発生部から磁界を発生させる磁界発生工程と、
前記送信コイルで発生した磁界を検出する磁界センサとしての磁界検出部を被験者の左右の脚部に各々取り付けて、前記磁界検出部にて送信コイル毎の磁界検出値として磁界検出を行う磁界検出工程と、
前記磁界検出工程で受信された各送信コイルの磁界検出値に基づき、演算処理部にて、前記磁界発生部と各々の磁界検出部との間の距離を算出して前記被験者の左右の歩幅を演算する演算処理工程と、を有する歩行位置計測方法であって、
前記演算処理工程にて実測された被験者の歩幅である実測歩幅値をSr、
規定の歩行距離として予め定められた規定歩行距離をDp、
被験者が実際に歩行した距離の合計である実測歩行距離をDr、とした場合、
式１により、校正された被験者の歩幅Sｎを求めることを特徴とする歩行位置計測方法。
Sｎ＝Sr×(Dp/Dr)・・・（式１）
【請求項２】
請求項１に記載の歩行位置計測方法をコンピュータが制御可能にプログラミングしたことを特徴とする歩行位置計測プログラム。
【請求項３】
請求項２に記載の歩行位置計測プログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録したことを特徴とする記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験者の歩行位置を計測する歩行位置計測方法、そのための歩行位置計測プログラム及び記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
日常生活に多大な不利益をもたらす歩行障害は、リハビリテーション医療における重要な治療対象である。歩行には、歩行速度、歩行率、立脚期時間、遊脚期時間等の時間因子と、歩幅、ストライド長、歩隔等の距離因子、関節角度等の運動学的因子といった客観的指標が存在する。これらの指標を定量的に評価することは、歩行特性や歩行能力を知る上で非常に重要である（非特許文献１）。特に片麻痺者では、麻痺や代償動作の影響によって下肢運動に左右差が生じた非対称歩行を呈することが知られており（非特許文献２）、歩行訓練による下肢運動の左右差の改善は歩行効率の向上に有効であると報告されている（非特許文献３，４）。
【０００３】
しかし、今日の一般的な臨床現場における歩行の評価は、視診による主観的な歩行分析が主流であり、客観的指標の評価はストップウォッチを用いて10m歩行の所要時間と歩数を計測し、総歩行距離との計算式で簡易的に平均歩幅や歩行速度を算出するにとどまっている。近年はエレクトロニクスの進歩を背景に、高精度の動作解析装置を用いた定量的評価法の開発が進展し、各ステップの時間・距離・運動学的因子が計測可能となったが、計測空間や導入費用、時間的・人的コスト、専門知識を要する操作性等が障壁となり(非特許文献５)、一般的な現場において日常的な臨床計測として導入されるには至っていない。このような背景から、これらの問題点を考慮した臨床使用に耐えうる新しい定量的評価法の確立が望まれている。
【０００４】
ところで、被験者の空間位置を計測するシステムとして、磁界センサを用いたポヒマスセンサと呼ばれるものが知られている（特許文献１）。このポヒマスセンサは、互いに直交する３つの送信コイルを含む磁界発生部を測定空間の原点位置に配置し、各送信コイルに応じて互いに直交する３つの受信コイルを含む磁界検出部を被測定者に取り付け、送信コイルに駆動電流を与えて発生した磁界を受信コイルで検出し、検出された磁界を演算処理することにより、被験者の空間位置を把握する。しかしながら、このポヒマスセンサは搬送波をそのまま使った通信方式を採用していることが一因となり測定値に磁界の歪みによる影響が発生するという問題点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４０１７８５８号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】月城慶一、山本澄子、他：観察による歩行分析（第11版）医学書院、東京、2006、pp9-21
【非特許文献２】長谷公隆：片麻痺患者の病態と歩行分析。総合リハ。2006; 34: 125-131
【非特許文献３】Wall JC、Turnbull GI: Gait asymmetries in residual hemiplegia。Arch Phys Med Rehabil。1986; 67: 550-553
【非特許文献４】Peurala SH、Titianova EB、Matteev P、et al。: Gait characteristics after gait-oriented rehabilitation in chronic stroke Restor Neurol Neurosci。2005; 23: 57-65
【非特許文献５】大塚圭、才藤栄一、他：トレッドミル歩行分析 MB Medical Rehabilitation。 2013; 156: 57-65
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、磁界の歪みによる影響を校正して被験者の歩行位置を計測する歩行位置計測方法、歩行位置計測プログラム及び記録媒体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】
本発明にかかる歩行位置計測方法は、直交配置された複数の送信コイルを備える磁界発生部から磁界を発生させる磁界発生工程と、前記送信コイルで発生した磁界を検出する磁界センサとしての磁界検出部を被験者の左右の脚部に各々取り付けて、前記磁界検出部にて送信コイル毎の磁界検出値として磁界検出を行う磁界検出工程と、前記磁界検出工程で受信された各送信コイルの磁界検出値に基づき、演算処理部にて、前記磁界発生部と各々の磁界検出部との間の距離を算出して前記被験者の左右の歩幅を演算する演算処理工程と、を有する歩行位置計測方法であって、前記演算処理工程にて実測された被験者の歩幅である実測歩幅値をSr、規定の歩行距離として予め定められた規定歩行距離をDp、被験者が実際に歩行した距離の合計である実測歩行距離をDr、とした場合、式１により、校正された被験者の歩幅Sｎを求めることを特徴とする。
【式１】
【０００９】
Sｎ＝Sr×(Dp/Dr)・・・（式１）
本発明にかかる歩行位置計測プログラムは、請求項１に記載の歩行位置計測方法をコンピュータが制御可能にプログラミングしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明にかかる記録媒体は、請求項２に記載の歩行位置計測プログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、磁界の歪みによる影響を校正して被験者の歩行位置を計測する歩行位置計測方法、歩行位置計測プログラム及び記録媒体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態にかかる歩行位置計測方法に使用される装置の概要を説明する図である。
【図２】被験者の歩幅を校正する処理手順を説明する図である。
【図３】本実施形態にかかる歩行位置計測方法に使用される装置の概観を説明する図である。
【図４】システムコントローラユニットの周辺の概観を説明する図である。
【図５】被験者の左右の足背部にセンサを取り付けた状態を説明する図である。
【図６】歩幅の計測状況を説明する図である。
【図７】被験者の足跡条の歩幅、スライド長、実測歩行距離の概念を説明する図である。
【図８】３次元位置座標(X座標)上での歩幅及びストライド長を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明するが、当該実施形態は本発明の原理の理解を容易にするためのものであり、本発明の範囲は、下記の実施形態に限られるものではなく、当業者が以下の実施形態の構成を適宜置換した他の実施形態も、本発明の範囲に含まれる。
【００１４】
図１には、本発明の実施形態にかかる歩行位置計測方法に使用される歩行位置計測装置９００が記載されている。歩行位置計測装置９００は、磁界発生部としての送信側ユニット１００と、磁界検出部を含んで構成される受信側ユニット２００とを備えて構成される。
【００１５】
送信側ユニット１００は、三次元空間内でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と互いに直交配置される３つの送信コイルＴＸ、ＴＹ、ＴＺと、各送信コイルＴＸ、ＴＹ、ＴＺに駆動電流を与えるユニット本体１１０とを備えている。
【００１６】
送信コイルＴＸ、ＴＹ、ＴＺは、電磁誘導を利用して磁界を発生させるものであり、所定の径で所定回数コイル状に巻かれた電線等から構成され、例えば、径９０mmφ、巻数１００回のものを使用することができる。各送信コイルＴＸ、ＴＹ、ＴＺは、磁界発生方向が互いにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に向くように直交配置される。
【００１７】
ユニット本体１１０は、クロック信号を生成するクロック発生器１１１と、各送信コイルＴＸ、ＴＹ、ＴＺへの駆動電流を生成するための回路１１２Ｘ、１１２Ｙ、１１２Ｚを備えている。
【００１８】
受信側ユニット２００は、送信側ユニット１００で発生した磁界を検出し、検出された磁界検出値から、磁界発生部と磁界検出部との間の距離を算出する部分である。
【００１９】
受信側ユニット２００は、三次元空間内でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と互いに直交配置される３つの受信コイルＲＸ、ＲＹ、ＲＺと、演算処理部２１１と、各受信コイルＲＸ、ＲＹ、ＲＺ及び演算処理部２１１との間に配置される増幅器２１２とを備えて構成され、受信コイルＲＸ、ＲＹ、ＲＺ及び増幅器２１２が磁界検出部に相当する。
【００２０】
受信コイルＲＸ、ＲＹ、ＲＺは、送信コイルＴＸ、ＴＹ、ＴＺと同様に所定回数巻き線された電線等から構成される。尚、この受信コイルＲＸ、ＲＹ、ＲＺは、送信コイルＴＸ、ＴＹ、ＴＺよりも巻数の大きなものが使用され、例えば、径８０mmφ、巻数２００回のものが使用される。
【００２１】
そして、送信側ユニット１００及び受信側ユニット２００の相対的な位置に変化が生じると、各受信コイルＲＸ、ＲＹ、ＲＺ内を通る磁束密度が変化する。
【００２２】
増幅器２１２は、各受信コイルＲＸ、ＲＹ、ＲＺで生じた検出電流を増幅変換して演算処理部２１１に出力する。
【００２３】
演算処理部２１１は、増幅器２１２で増幅された磁界検出値を表す検出電流値に基づいて、磁界発生部と磁界検出部との間の距離を算出する。
【００２４】
本実施形態にかかる発明においては、図２に示されるように、コンピュータ３００の一部として機能する校正部３１０にて、演算処理部２１１にて実測された被験者の歩幅である実測歩幅値をSrが校正される。校正は下記のようなステップにて行われる。即ち、実測歩幅入力ステップでは、実測された被験者の歩幅である実測歩幅値Srが入力される（ステップ５１０）。
【００２５】
次に、規定歩行距離入力ステップでは、規定の歩行距離として予め定められた規定歩行距離Dpが入力される（ステップ５２０）。
【００２６】
次に、実測歩行距離入力ステップでは、被験者が実際に歩行した距離の合計である実測歩行距離をDrが入力される（ステップ５３０）。
【００２７】
次に、校正ステップでは、下記式１により、校正された被験者の歩幅Sｎが求められる（ステップ５４０）。
【式２】
【００２８】
Sｎ＝Sr×(Dp/Dr)・・・（式１）
校正された被験者の歩幅Sｎはコンピュータ３００の表示部３２０にて表示される。本実施形態かかる発明によれば、上記のようにして実測された被験者の歩幅である実測歩幅値をSrが得られるので、ノイズの影響が校正される。
【００２９】
また、本実施形態かかる発明によれば、歩行位置計測装置９００をプラスチック製等の台車に搭載して、歩行する被験者に追随して歩行位置計測装置９００を移動させることが可能である。従来は磁界発生部としての送信側ユニット１００はどこかに固定されていたため、すぐに測定範囲を逸脱してしまう歩行計測においては適していなかったが、歩幅計測においては、座標の相対値が得られればよいことから、原点が平行移動しても問題が無いため、歩行位置計測装置９００を台車に搭載して、歩行する被験者に追随して歩行位置を計測する。
【００３０】
また、本実施形態かかる発明によれば、左右の足部の三次元位置座標を別々のセンサにて検出するため、左右の定量化が可能となる。
【実施例】
【００３１】
三次元磁気式位置計測システムとして、米国POLHEMUS社製PATRIOT（以下PATRIOTとする。）を用いた。PATRIOTは、演算処理部としてのシステムコントロールユニット（以下SEU）と、送信側ユニット１００としての磁界発生源（以下トランスミッター）と、磁界検出部（以下センサ）と、より構成されるものであった。トランスミッターによって半径約106.4cmの半球状の磁場を発生させ、その半球内におけるセンサの三次元位置座標（X、Y、Z）と姿勢角（θa、θe、θr）の6自由度を、サンプリング周波数60Hzで計測した。
【００３２】
PATRIOTは、比較的コンパクトで軽量なSEU（171×159×45mm）、トランスミッター（103×103×103mm）、センサ（23×28×13mm）を備えており、解析用ノートパソコン（以下PC）を搭載して、どこでも計測が可能であることから、それらを台車に搭載して持ち運ぶことにより、移動中の計測も可能である。
【００３３】
本システムは、図３に示されるように、PATRIOT、PC、台車より構成した。台車は、PATRIOTの発生する磁場が歪まないよう、プラスチック製のものを用いた。電源コードや通信ケーブル等のコードレス化のため、PATRIOTはモバイルバッテリー（Protek VARIOUS PVB-11000）により駆動し、PATRIOTとPC間はRS232CのBluetooth(登録商標)（Sena Parani-SD1000）を用いて通信した（図４）。通信ソフトには、汎用フリーソフトであるTera Termを、ダウンロードして使用した。PATRIOTとPCは被験者の歩行に追随できるよう、全て台車に搭載した。PATRIOTのトランスミッターは、X軸の正方向が進行方向と一致するように、プラスチック製のネジで台車に固定した。
【００３４】
計測手順は、まず、図５のようにセンサを被験者の左右の足背部に取り付け、総距離が既知（例えば10m）の歩行路を被験者に歩行させた。台車を被験者の進行方向に沿うように進ませながら、センサが磁場の測定範囲に収まるように台座を被験者に追随させた（図６）。
【００３５】
計測で得られた各センサの三次元位置座標（X、Y、Z）は、歩行中の左右足部の相対位置（X：前後方向、Y：左右方向、Z：上下方向）と解釈することができる。よって、左右のセンサのX座標の差によってもとめられる左右足部の前後方向の相対距離の時系列をもとに、各試行の歩幅（cm）、ストライド長（cm）を算出した。
【００３６】
図７は、被験者の足跡条の歩幅、スライド長、実測歩行距離の概念を説明する図である。右歩幅はS1＋S3＋S5である。左歩幅はS2＋S4＋S6である。スライド長は、S1＋S2、S3＋S4、S5＋S6である。実測歩行距離は、S1＋S2＋S3＋S4＋S5＋S6である。
【００３７】
本実施例では、磁場の歪みによる系統誤差の影響を考慮して、歩幅とストライド長の算出値には試行毎に総歩行距離による補正を加えた。図８は、右歩幅のX軸正方向と左歩幅のX軸正方向との差を原点として、３次元位置座標(X座標)上での歩幅及びストライド長を図示するものである。補正は下記式１を用いて行った。即ち、演算処理部にて実測された被験者の歩幅である実測歩幅値をSr、規定の歩行距離として予め定められた規定歩行距離をDp、被験者が実際に歩行した距離の合計である実測歩行距離をDr、とした場合、式１により、校正された被験者の歩幅Sｎを求めた。
【式３】
【００３８】
Sｎ＝Sr×(Dp/Dr)・・・（式１）
提案した歩行分析法の簡便性や精度を検討するために、次に示す試験を行った。対象は、中枢神経疾患及び整形外科疾患の既往歴のない健常成人１名であった。
【００３９】
計測は、普段歩行計測が行われる環境下と同様の歩行路において実施した。（1）左右の歩幅を同じ60.0cmにする、（2）右足の歩幅を60.0cm、左足の歩幅を40.0cmにするという2パターンの歩行の計測を、1試行6歩としてそれぞれ10試行ずつ行った。歩行路には、指定した歩幅の間隔でマーカーを設置し、被験者には左右のセンサをマーカーへ交互に接地させながら歩行するよう指示した。各パターンの歩幅、ストライド長について10試行の平均値を算出し、真値との比較による精度の検証を行った。
【００４０】
まず、左右の歩幅を揃えた歩行について計測した。左右の歩幅を60.0cmに揃えた歩行における歩幅の測定値（平均値±標準偏差）は、1歩目60.1±0.8cm、2歩目59.9±0.8cm、3歩目59.8±0.8cm、4歩目59.7±0.7cm、5歩目60.5±1.0cm、6歩目60.0±0.0cmであった。ストライド長の測定値（平均値±標準偏差）は、1ストライド目119.9±1.1cm、2ストライド目119.5±0.9cm、3ストライド目120.5±1.3cmであった。
【００４１】
【表１】
2015219216.tif 000003
【００４２】
次に、歩幅に均一の左右差がある歩行について計測した。右足60.0cm、左足40.0cmと歩幅に均一の左右差をもたせた歩行における歩幅の測定値は、1歩目58.9±0.7cm、2歩目40.9±1.3cm、3歩目58.7±0.9cm、4歩目41.0±1.5cm、5歩目59.4±1.1cm、6歩目41.1±0.9cmであった。ストライド長の測定値は、1ストライド目99.8±1.2cm、2ストライド目99.7±1.8cm、3ストライド目100.6±1.4cmであった。
【００４３】
【表２】
2015219216.tif 000004
【００４４】
本発明においては、いずれの歩行パターンにおいても真値とほぼ一致する測定値が得られ、本法が臨床計測に必要とされる十分な測定精度を有し、歩幅の左右差まで定量化できる新たな評価法として有用である可能性が示唆された。なお、各被験者における各指標値の誤差は、マーカー上にセンサを正確に一致させて接地できていないという、被験者の歩行自体のばらつきに起因するものも含まれていると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
歩行位置の計測に利用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１００：送信側ユニット
１１０：ユニット本体
２００：受信側ユニット
２１１：演算処理部
２１２：増幅器
３００：コンピュータ
３１０：校正部
３２０：表示部
９００：歩行位置計測装置
【図１】
2015219216.tif 000005
【図２】
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【図７】
2015219216.tif 000007
【図８】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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