(57)【要約】  身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付けるシステムおよび関連方法である。本装置は、身体の第１位置に結合されるように構成される第１デバイスと、第１位置からある距離で離れている身体の第２位置に結合されるように構成される第２デバイスと、を含む。第１デバイスは、無線信号を生成するように構成される。第２デバイスは、無線信号を検出し、該検出された無線信号に基づいて、距離を計算するために使用されるように構成されるデータを生成するように構成される。距離は、身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴づけるために使用される。
2008536583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付けるように構成されるシステムであって、
ａ．該身体の第１位置に結合されるように構成される第１デバイスと、
ｂ．該第１位置から第１距離で離れている該身体の第２位置に結合されるように構成される第２デバイスと、
を具備し、
ｃ．
ｉ．該第１デバイスが、第１無線信号を生成するように構成され、
ｉｉ．該第２デバイスが、該第１無線信号を検出し、該検出された第１無線信号に基づいて、該第１距離を計算するために使用されるように構成されるデータを生成し、
ｉｉｉ．該第１距離が、該身体に対する該リハビリテーション治療の該効果を特徴づけるために使用される、システム。
【請求項２】
前記第２位置から第２距離で離れている前記身体の第３位置に結合されるように構成される第３デバイスをさらに具備し、
ａ．前記第１デバイスが、第１周波数で前記第１無線信号を生成するように構成され、
ｂ．該第３デバイスが、第２周波数で第２無線信号を生成するように構成され、
ｃ．前記第２デバイスが、該第２無線信号を検出し、該検出された第２無線信号に基づいて、該第２距離を計算するために使用されるように構成される追加のデータを生成するように構成され、
ｄ．該第２距離が、該身体に対する前記リハビリテーション治療の前記効果を特徴付けるために使用される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第３デバイスが、前記第１デバイスが前記第１無線信号を生成するように構成されるのと同時に、前記第２無線信号を生成するように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２デバイスが、前記第１無線信号と前記第２無線信号とからなる群から選択される信号を選択可能な方法で検出するように構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
外部デバイスをさらに具備し、
ａ．該外部デバイスが、前記第２デバイスと通信するように構成され、
ｂ．該第２デバイスが、該外部デバイスに前記データを通信するように構成され、
ｃ．該外部デバイスが、該データに基づいて前記第１距離を計算するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記外部デバイスが、前記データに基づいて前記第２デバイスと前記第１デバイスとの間の方向角を計算するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記外部デバイスが、無線周波数経路と、身体を通る電流経路と、変調音波の通信のために構成される経路と、変調超音波の通信のために構成される経路と、光通信経路と、からなる群から選択される無線通信経路を介して前記第２デバイスと通信するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記外部デバイスが、或る期間に亙る前記第１距離の平均と、或る期間に亙る該第１距離の標準偏差と、或る期間に亙る該第１距離に基づく前記第２デバイスが前記第１デバイスに対して移動する回数と、該第１距離に基づく該第１デバイスに対する該第２デバイスの速度と、或る期間に亙る該第１距離に基づく該第１デバイスに対する該第２デバイスの平均速度と、該第１距離に基づく該第１デバイスに対する該第２デバイスの加速度と、或る期間に亙る該第１距離に基づく該第１デバイスに対する該第２デバイスの平均加速度と、からなる群から選択される値を計算するように構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１デバイスおよび前記第２デバイスのうちの少なくとも１つのデバイスが、
ａ．該少なくとも１つのデバイスを前記身体内に埋め込むことと、
ｂ．該少なくとも１つのデバイスを、接着剤、衣服片、ストラップ、ベルト、クリップおよび時計からなる群から選択される結合器具を使用して該身体に取り付けることと、
からなる群から選択される方法を介して、該身体に結合されるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
ａ．前記身体が、胴と、手および腕からなる群から選択される別の部位と、を含み、
ｂ．前記第１デバイスが、該胴に結合されるように構成され、
ｃ．前記第２デバイスが、該別の部位に結合されるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記無線信号が、磁界、低周波数磁界、音波および超音波からなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１デバイスおよび前記第２デバイスのうちの少なくとも一方が、電池、コイル、直交コイル、発電器、電圧測定回路、トランスデューサ、処理回路、送信機、受信機および送受信機からなる群から選択される構成要素を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１デバイスおよび前記第２デバイスのうちの少なくとも一方が小型スティミュレータである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１デバイスおよび前記第２デバイスのうちの少なくとも一方が送信機および受信機を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付けるように構成されるシステムであって、
ａ．身体の第１位置に結合されるように構成される送信機と、
ｂ．該身体に結合されるように構成される複数の受信機であって、該複数の受信機の各々が、複数の距離のうちの１つの距離で該送信機から離れている該身体の異なる位置に結合されるように構成される、複数の受信機と、
ｃ．該複数の受信機と通信するように構成される外部デバイスと、
を具備し、
ｄ．
ｉ．該送信機が、無線信号を送信するように構成され、
ｉｉ．該複数の受信機の各々が、該無線信号を検出し、該検出された無線信号に基づいてデータを生成し、該データを該外部デバイスに通信するように構成され、
ｉｉｉ．該外部デバイスが、該データに基づいて該複数の受信機と該送信機との間の該複数の距離を計算するように構成され、
ｉｖ．該複数の距離が、該身体に対する該リハビリテーション治療の該効果を特徴付けるために使用される、システム。
【請求項１６】
前記送信機と前記複数の受信機のうちの少なくとも１つのデバイスが、
ａ．該少なくとも１つのデバイスを前記身体内に埋め込むことと、
ｂ．該少なくとも１つのデバイスを、接着剤、衣服片、ストラップ、ベルト、クリップおよび時計からなる群から選択される結合器具を使用して該身体に取り付けることと、
からなる群から選択される方法を介して、該身体に結合されるように構成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記無線信号が、磁界、低周波数磁界、音波および超音波からなる群から選択される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
ａ．前記無線信号が超音波であり、
ｂ．前記外部デバイスが、該超音波の振幅と、該超音波の位相と、該超音波の伝播時間と、からなる群から選択される、前記複数の受信機によって検出される該超音波の特徴に基づいて、前記複数の距離を計算するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記外部デバイスが、前記データに基づいて前記複数の受信機と前記送信機との間の複数の方向角を計算するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
距離センサ、角度センサ、加速度センサ、振動センサおよびビデオカメラからなる群から選択される追加のデバイスをさらに具備し、該追加のデバイスが、前記外部デバイスに結合され、前記複数の距離および前記複数の方向角の前記計算を支援するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記外部デバイスが、前記データに基づいて、前記複数の受信機の各々の前記送信機に対する速度と、該複数の受信機の各々の該送信機に対する加速度と、からなる群から選択されるパラメータを計算するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２２】
ａ．前記身体が、健康な四肢と、対応する障害のある四肢とを含み、
ｂ．前記複数の受信機のうちの１つが、該健康な四肢に結合されるように構成され、
ｃ．該複数の受信機のうちの別のものが、該障害のある四肢に結合されるように構成され、
ｄ．前記外部デバイスが、該複数の受信機のうちの該１つと前記送信機と間の距離を、該複数の受信機のうちの該別のものと該送信機との間の距離と比較するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２３】
身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付ける方法であって、
ａ．該身体の第１位置に結合されるように構成され、無線信号を送信するように構成される第１デバイスを提供するステップと、
ｂ．該身体の第２位置に結合されるように構成され、該無線信号を検出するように構成される第２デバイスを提供するステップと、
ｃ．該第１デバイスを使用して該無線信号を送信するステップと、
ｄ．該第２デバイスを使用して該無線信号を検出するステップと、
ｅ．該第２デバイスによって検出される該無線信号に基づいて該第１デバイスと該第２デバイスとの間の距離を計算するステップと、
ｆ．該距離を使用して該身体に対する該リハビリテーション治療の該効果を特徴づけるステップと、
を含む、方法。
【請求項２４】
ａ．前記第２デバイスと通信するように構成される外部デバイスを提供するステップと、
ｂ．前記第２デバイスを使用して前記検出された無線信号に基づいてデータを生成するステップと、
ｃ．前記第２デバイスを使用して該外部デバイスに該データを通信するステップと、
ｄ．該外部デバイスを使用して該データに基づいて前記距離を計算するステップと、
を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記外部デバイスを使用して、前記データに基づいて前記第１デバイスと前記第２デバイスとの間の方向角を計算するステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記外部デバイスを使用して、前記データに基づいて、前記第１デバイスに対する前記第２デバイスの速度と、該第１デバイスに対する該第２デバイスの加速度と、からなる群から選択されるパラメータを計算するステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、包括的には身体の位置間の寸法を確定するために使用されるシステムの分野に関する。より詳細には、本発明は、身体の位置間の距離および／または方向を測定し、その測定値に基づいて身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付けるシステムおよび関連方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
脳卒中は、永久的な機能障害及び身体障害の主な原因である。たとえば、全脳卒中生存者のおよそ７０％に、四肢、たとえば腕または手の麻痺が残る。リハビリテーション治療を受ける脳卒中犠牲者は、脳卒中の直後、通常は脳卒中後の最初の３ヶ月以内、障害のある四肢の元の可動性の幾分かを回復する可能性がある。脳卒中犠牲者のためのリハビリテーション過程をより効率的にするのを助けるために、かつ患者の経過の評価を支援するために、いくつかの技法が開発されてきた。これら技法のうちのいくつかには、単純なリハビリ器具を使用して療法士によって行われる人力によるリハビリテーションが含まれる。療法士は、リハビリテーション過程の間に、たとえば、当業者には既知である、ボックスアンドブロックテスト（Ｂｏｘ  ａｎｄ  Ｂｌｏｃｋ  Ｔｅｓｔ）、バランススケール（Ｂａｌａｎｃｅ  Ｓｃａｌｅ）およびバーセルインデックス（Ｂａｒｔｈｅｌ  Ｉｎｄｅｘ）におけるスコアを結合する脳卒中リハビリテーション運動評価（Ｓｔｒｏｋｅ  Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｍｏｖｅｍｅｎｔ）（「ＳＴＲＥＡＭ」）を含む種々の方法を使用して、患者の経過を評価することができる。
【０００３】
患者は、ボックスを使用し、ボックスアンドブロックテストを行う。このボックスは、そのボックスを２つの等しい区画に分割する仕切りを含む。ボックスの区画のうちの１つに複数の小さい木製ブロックが配置される。テストの間、患者は、患肢、たとえば脳卒中によって障害の残った腕および手を使用して、６０秒間にボックスの区画のうちの一方から他方の区画に可能な限り多くのブロックを移動させることを要求される。患者は、一度に１つのブロックを掴握し、そのブロックを、区画を超えて運び、そのブロックを他方の区画内で離すことによってのみ、ブロックを移動させることができる。テストが完了すると、一方の区画から他方の区画に運ばれたブロックの数がカウントされる。痙性の評価のために使用される他の装置には、たとえば、ニューヨーク州シャーリーのバイオデックス・メディカル・システム（Ｂｉｏｄｅｘ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ（Ｓｈｉｒｌｅｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ））から入手可能なバイオデックス・マルチ・ジョイント・システム（ＢＩＯＤＥＸ  ＭＵＬＴＩ−ＪＯＩＮＴ  ＳＹＳＴＥＭ）ＩＩ等運動性筋力計、およびカナダ、エドモントンのプロハースカ（Ｐｒｏｃｈａｚｋａ（Ｅｄｍｏｎｔｏｎ，Ｃａｎａｄａ））による剛性分析器（ＲＩＧＩＤＩＴＹ  ＡＮＡＬＹＺＥＲ）がある。
【０００４】
療法士に、脳卒中犠牲者に対するリハビリテーション治療を人力によって行わせることの代替方法は、ロボット式リハビリテーション装置を使用することである。ロボット式リハビリテーション装置は、同じ装置において訓練機能と評価機能との両方を結合することができる。たとえば、ロボットは、患者に対し、好ましい軌道に従って患者の障害のある四肢を動かさせるか、または障害のある四肢で画面上のカーソルを自発的に追跡する際の患者の経過にアクセスさせることができる。市場で販売されているロボットのいくつかは、マサチューセッツ州ケンブリッジのインタラクティブ・モーション・テクノロジーズ社（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（「ＩＭＴ」）（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ））と、英国スタッフォードシアのスタッフォードシア大学のリハブ・ロボティックス・リミテッド（Ｒｅｈａｂ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ、Ｓｔａｆｆｏｒｄｓｈｉｒｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｔａｆｆｏｒｄｓｈｉｒｅ，Ｕｎｉｔｅｄ  Ｋｉｎｇｄｏｍ））によって提案されている。
【０００５】
近年、患者の障害のある四肢の可動性を測定するために使用されてきた装置の例は、ゴニオメータ（goniometer）と呼ばれる角度測定装置である。本技術分野において、いくつかのタイプのゴニオメータが知られている。例としてのゴニオメータは、管が曲がる際の管内の流体の抵抗の変化、光ファイバが曲がる際の光ファイバの光学特性の変化、車輪の回転、および／またはケーブルの伸長に基づいて、角度測定値を確定することができる。しかしながら、これらゴニオメータは、通常、角度測定中に比較されるべき患者の身体の局部間に、たとえば管、ファイバ、ワイヤ、および／またはケーブルを介した物理的相互接続が必要である。ゴニオメータの一例は、オーストラリア、ニュー・サウス・ウェールズのパワーラブ（ＰｏｗｅｒＬａｂ（Ｎｅｗ  Ｓｏｕｔｈ  Ｗａｌｅｓ，Ａｕｓｔｒａｌｉａ））製のＭＬＴＳ７００ジョイント・アングル・センサ（ＪＯＩＮＴ  ＡＮＧＬＥ  ＳＥＮＳＯＲ）である。ゴニオメータのさらなる例は、クラメール（Ｋｒａｍｅｒ）他による米国特許出願公開第２００３／００８３５９６号明細書およびマクゴーリ（ＭｃＧｏｒｒｙ）他による米国特許第６，６５１，３５２号明細書において論じられている。
【０００６】
近年、仮想現実アプリケーションによって、たとえばカリフォルニア州サンノゼのイマージョン・コーポレイション（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓａｎ  Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ））によるサイバーグローブ（ＣＹＢＥＲＧＬＯＶＥ）のような、手首および指のための種々のタイプの３Ｄ追跡および位置決め装置が増加してきた。サイバーグローブ（ＣＹＢＥＲＧＬＯＶＥ）は、１８センサモデルが入手可能であり、それは、各指に２つの曲げセンサと、４つの外転センサと、親指交差、掌弓、手首屈曲および手首外転を測定するセンサと、を特徴とする。サイバーグローブ（ＣＹＢＥＲＧＬＯＶＥ）はまた、２２センサモデルでも入手可能であり、それは、屈曲および手首外転を測定するために使用される追加のセンサを含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した装置と、リハビリテーション治療中に患者の四肢の可動性および患者の経過を評価するために使用される目下入手可能な器具は、障害のある四肢の日常使用には不十分な代用品であると考えられる。また、目下入手可能な器具の多くは、評価手続き中に積極的な役割を果たす療法士が必要である。したがって、患者の四肢の日常使用と理学療法とを含むことができる、リハビリテーション治療中に脳卒中患者の障害のある四肢の可動性を評価するように構成されるシステムが必要である。本発明は、後述するような他の必要とともにこの必要を満足させる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
本発明は、日常使用を含む、リハビリテーション治療中に脳卒中患者の障害のある四肢の可動性を評価するシステムおよび関連方法に関する。本発明の例示的な実施形態は、身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付けるように構成されるシステムである。本システムは、身体の第１位置に結合されるように構成される第１デバイスと、第１位置から第１距離だけ離れている身体の第２位置に結合されるように構成される第２デバイスと、を含む。第１デバイスは、第１無線信号を生成するように構成される。第２デバイスは、第１無線信号を検出し、該検出された第１無線信号に基づいて、第１距離を計算するために使用されるように構成されるデータを生成するように構成される。第１距離は、身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴づけるために使用される。
【０００９】
本発明の他のより詳細な特徴では、本システムは、第２位置から第２距離だけ離れている身体の第３位置に結合されるように構成される第３デバイスをさらに含む。第１デバイスは、第１周波数で第１無線信号を生成するように構成される。第３デバイスは、第２周波数で第２無線信号を生成するように構成される。第２デバイスは、第２無線信号を検出し、該検出された第２無線信号に基づいて追加のデータを生成するように構成される。追加のデータは、第２距離を計算するために使用されるように構成され、それを使用して、身体に対するリハビリテーション治療の効果が特徴付けられる。また、第３デバイスを、第１デバイスが第１無線信号を生成するように構成されるのと同時に、第２無線信号を生成するように構成してもよい。さらに、第２デバイスを、第１無線信号または第２無線信号を選択可能な方法で（in a selectable manner）検出するように構成してもよい。
【００１０】
本発明の他のより詳細な特徴では、本装置は、外部デバイスをさらに含み、それは、第２デバイスと通信するように構成される。第２デバイスは、外部デバイスにデータを通信するように構成される。外部デバイスは、データに基づいて第１距離を計算するように構成される。また、外部デバイスを、データに基づいて第２デバイスと第１デバイスとの間の方向角を計算するように構成してもよい。さらに、外部デバイスを、無線周波数経路、身体を通る電流経路、変調音波の通信のために構成される経路（a path configured for the communication of modulated sonic waves）、変調超音波の通信のために構成される経路、および／または光通信経路を介して、第２デバイスと通信するように構成してもよい。
【００１１】
本発明の他のより詳細な特徴では、外部デバイスは、以下の値のうちの１つまたは複数を計算するように構成される。すなわち、或る期間に亙る第１距離の平均と、或る期間に亙る第１距離の標準偏差と、或る期間に亙る第１距離に基づく第２デバイスが第１デバイスに対して移動する回数と、第１距離に基づく第１デバイスに対する第２デバイスの速度と、或る期間に亙る第１距離に基づく第１デバイスに対する第２デバイスの平均速度と、第１距離に基づく第１デバイスに対する第２デバイスの加速度と、或る期間に亙る第１距離に基づく第１デバイスに対する第２デバイスの平均加速度と、である。
【００１２】
本発明の他のより詳細な特徴では、第１デバイスおよび／または第２デバイスは、身体内に埋め込まれるか、または接着剤、衣服片、ストラップ、ベルト、クリップおよび／または時計を使用して身体に取り付けられるように構成される。また、第１デバイスを身体の胴に結合してもよく、第２デバイスを、身体の手または腕に結合してもよい。さらに、無線信号は、磁界、低周波数磁界、音波または超音波であってもよい。
【００１３】
本発明の他のより詳細な特徴では、第１デバイスおよび／または第２デバイスは、電池、コイル、直交コイル、発電器、電圧測定回路、トランスデューサ、処理回路、送信機、受信機および／または送受信機である構成要素を含む。また、第１デバイスおよび／または第２デバイスは、小型スティミュレータであってもよい。さらに、第１デバイスおよび／または第２デバイスは送信機および受信機を含んでもよい。
【００１４】
本発明の別の例示的な実施形態は、身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付けるように構成されるシステムである。本システムは、送信機と、複数の受信機と、外部デバイスと、を含む。送信機は、身体の第１位置に結合されるように構成され、複数の受信機の各々は、複数の距離のうちの１つの距離で（by one of a plurality of distances）送信機から離れている身体の異なる位置に結合されるように構成される。外部デバイスは、複数の受信機と通信するように構成される。送信機は、無線信号を送信するように構成される。複数の受信機の各々は、無線信号を検出し、該検出された無線信号に基づいてデータを生成し、データを外部デバイスに通信するように構成される。外部デバイスは、データに基づいて複数の受信機と送信機との間の複数の距離を計算するように構成される。複数の距離は、身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付けるために使用される。
【００１５】
本発明の他のより詳細な特徴では、無線信号は超音波であり、外部デバイスは、複数の受信機の各々によって検出される超音波の振幅、複数の受信機の各々によって検出される超音波の位相および／または複数の受信機の各々によって検出される超音波の伝播時間に基づいて、複数の距離を計算するように構成される。
【００１６】
本発明の他のより詳細な特徴では、外部デバイスは、データに基づいて複数の受信機と送信機との間の複数の方向角を計算するように構成される。また、本システムは、外部デバイスに結合され、かつ複数の距離および複数の方向角の計算を支援するように構成される追加のデバイスをさらに含んでもよい。追加のデバイスは、距離センサ、角度センサ、加速度センサ、振動センサおよび／またはビデオカメラであってもよい。さらに、外部デバイスを、データに基づいて、複数の受信機の各々の送信機に対する速度および／または複数の受信機の各々の送信機に対する加速度を計算するように構成してもよい。
【００１７】
本発明の他のより詳細な特徴では、身体は、健康な四肢と、対応する障害のある四肢とを含む。複数の受信機のうちの１つは、健康な四肢に結合されるように構成され、複数の受信機のうちの別のものは、障害のある四肢に結合されるように構成される。外部デバイスは、複数の受信機のうちの１つと送信機との間の距離を、複数の受信機のうちの別のものと送信機との間の距離と比較するように構成される。
【００１８】
本発明による例示的な方法は、身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付ける方法である。本方法は、身体の第１位置に結合されるように構成され、無線信号を送信するように構成される第１デバイスを提供するステップと、身体の第２位置に結合されるように構成され、無線信号を検出するように構成される第２デバイスを提供するステップと、第１デバイスを使用して無線信号を送信するステップと、第２デバイスを使用して無線信号を検出するステップと、第２デバイスによって検出される無線信号に基づいて第１デバイスと第２デバイスとの間の距離を計算するステップと、距離を使用して身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴づけるステップと、を含む。
【００１９】
本発明の他の特徴は、本発明の原理を例として示す添付図面とともに好ましい実施形態の以下の説明から明らかとなるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の実施形態は、日常の活動を含むリハビリテーション治療中に患者の四肢の可動性を評価する比較的安価でありかつ携帯性の手法を提供する。図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、本発明の実施形態は、互いに無線で通信するように構成される小型デバイス１２を含むシステム１０である。システム１０は、デバイス間にいかなる物理的相互接続も必要としない。。本発明の実施形態は、これら小型デバイスを利用して、患者の身体１４の部位に対し静的パラメータおよび動きパラメータを測定する。
【００２１】
特定の実施形態では、デバイス１２は、以下のものを測定するために使用される。すなわち、患者の手１６、前腕１８および／または上腕２０と患者の身体１４の所定位置２２、たとえば患者の胴２４との間の距離および／または角度と、患者の手と前腕との間の角度と、患者の手および腕の前記所定位置に対する速度および／または加速度と、である。患者の身体の２つ以上の位置の間の距離、角度および／または動きのパラメータを測定することにより、身体の部位、たとえば手および腕の可動性およびリハビリテーション状態を評価し追跡することができる。
【００２２】
患者の身体の位置の間の距離を追跡することにより、日常の活動の間に患者の身体１４の部位１６〜２０の変位の最大値および通常値を計算することができる。これら変位値を使用して、患者の身体に対する、日常使用を含むリハビリテーション治療の有効性を評価することができる。極度の障害の場合、障害のある四肢、たとえば患者の腕２６は、患者の胴２４に近接してかつ移動の量および範囲が制限されて維持されることになる。リハビリテーション過程の結果として、障害のある四肢の移動の量および範囲が時間の経過によって増大することが期待される。
【００２３】
図１Ａおよび図１Ｂにおいて、小型デバイス１２、すなわち第１デバイス２８および第２デバイス３０は、それぞれ患者の前腕１８および胴２４に結合される。デバイスのうちの一方または両方を、接着剤および／またはストラップ３２を使用して患者に取り付けることにより、または患者の前腕および／または胴内に埋め込むことにより、患者の身体１４に結合することができる。図１Ａは、患者３４が、第１デバイスおよび第２デバイスが互いに近い状態となるように、自身の腕２６を自身の胴に近接して保持している状態を示す。このため、図１Ａでは、第１デバイスと第２デバイスとの間の距離Ｄ１は比較的短い。図１Ｂに示す構成では、患者の腕は自身の胴から離れて配置されており、第１デバイスと第２デバイスとの間の距離Ｄ２はＤ１より大きい。
【００２４】
異なる時点で第１デバイス２８と第２デバイス３０との間の距離を測定することにより、患者３４による腕の移動の範囲を測定することができる。距離測定データをデバイスのメモリ（図示せず）に格納し、後にデータの分析のために外部デバイス（後述する）に送信することができる。図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、第１デバイスは無線信号の送信機であってもよく、第２デバイスは無線信号を検出するように構成される受信機であってもよく、その逆であってもよい。無線信号は、空間における２つの地点間を、電線を使用することなく伝播される、検出可能な物理量、たとえば場、たとえば電界または磁界、もしくは波、たとえば音波または超音波である。第１デバイスの第２デバイスに対する距離および／または方向を測定することにより、患者の腕２６の自身の胴２４に対する位置および方向を計算することが可能である。
【００２５】
小型デバイス１２の２つ以上の対を患者３４に取り付けかつ／または埋め込むことができる。２つ以上の対のデバイスを含むシステム３６の一実施形態例を図２Ａおよび図２Ｂに示す。そこでは、患者は、自身の身体１４に結合されている（たとえば取り付けられかつ／または埋め込まれている）複数のデバイス、特に４つのデバイス３８〜４４を有している。この文書で使用する「複数」という用語は２つ以上を意味してもよい。
【００２６】
図２Ａおよび図２Ｂにおいて、第１デバイス３８は患者の前腕１８に結合されており、第２デバイス４０は患者の上腕２０に結合されており、第３デバイス４２は患者の手１６に結合されており、第４デバイス４４は患者の胴２４に結合されている。図２Ａおよび図２Ｂに示す実施形態では、第４デバイスは送信機であってもよく、第１デバイス、第２デバイスおよび第３デバイスは受信機であってもよい。受信機の各々の送信機に対する距離および方向を測定することにより、システム３６を使用して、患者の胴に対する患者の手、前腕および上腕の位置、方向および移動を計算することが可能である。
【００２７】
別の実施形態では、第１デバイス３８、第２デバイス４０および第３デバイス４２は送信機であり、第４デバイス４４は受信機である。この実施形態では、第１デバイス、第２デバイスおよび第３デバイスの各々は、無線信号を一意の周波数で送信する。このため、第１デバイスから出力される無線信号は、第２デバイスおよび第３デバイスから出力される無線信号の周波数とは異なる周波数を有する。第１デバイス、第２デバイスおよび第３デバイスのうちの２つ以上が、それら夫々の無線信号を同時に送信してもよく、または無線信号は異なる時点で送信されてもよい。第４デバイスは、第１デバイス、第２デバイスおよび第３デバイスから出力される無線信号を選択可能な方法で受信するように構成される。このため、第４デバイスを、３つの無線信号のうちの１つのみを受信するように同調させることができる。第１デバイス、第２デバイスおよび第３デバイスのうちの１つから出力される無線信号の周波数に同調させることにより、第４デバイスは、そのデバイスから無線信号を受信することができ、その受信した無線信号を使用して、そのデバイスの第４デバイスに対する位置、方向および／または移動を計算するために使用されるデータを生成することができる。
【００２８】
図２Ａおよび図２Ｂの実施形態では、システム３６は、３つの受信機および１つの送信機、または３つの送信機および１つの受信機として構成される４つのデバイス１２を含むが、さらなる実施形態では、システムは、複数の送信機および複数の受信機を含むことができる、ということが理解されるべきである。他の実施形態では、システムは、送信機および受信機の両方を有するデバイスを含んでもよく、そのため、デバイスはいずれの役割で機能してもよい。
【００２９】
図２Ａおよび図２Ｂでは、複数の距離Ｄ１１〜Ｄ２３が示されており、すなわち図２Ａには３つの距離Ｄ１１〜Ｄ１３が示されており、図２Ｂには３つの距離Ｄ２１〜Ｄ２３が示されている。図２Ａは、患者の腕２６が自身の胴２４に近接して配置されているように示されているという点で図１Ａに類似している。図２Ａでは、第１デバイス３８と第４デバイス４４との間の距離Ｄ１１と、第２デイバス４０と第４デバイスとの間の距離Ｄ１２と、第３デバイス４２と第４デバイスとの間の距離Ｄ１３は、患者の腕が自身の胴から離れる方向に伸ばされている図２Ｂにおける夫々の距離Ｄ２１、Ｄ２２およびＤ２３に比較して、相対的に短い。四肢に対する動きの距離を測定するためにデバイス１２を使用することに加えて、他の実施形態では、デバイス間の角度の測定を行うことができる。このため、図２Ａおよび図２Ｂに示すシステム３６はまた、患者の手首４６、肘４８および肩５０に対する方向測定および動き測定も可能である。
【００３０】
さらに図３を参照すると、小型デバイス１２の各々は、小型の埋込み可能な電池式スティミュレータ、たとえば小型の充填式電池５４を含むカリフォルニア州サンタ・クラリータのアドバンスド・バイオニクス社（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｂｉｏｎｉｃｓ  Ｉｎｃ．（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒｉｔａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ））製である電池式バイオン（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｐｏｗｅｒｅｄ  ＢＩＯＮ）（「ＢＰＢ」）５２であってもよい。各ＢＰＢは、概して形状が円柱状であり、径ｄがおよそ３ｍｍであり高さｈがおよそ２５ｍｍである。上述したように、これらデバイスを、患者の身体１４に埋め込むか、もしくはストラップ３２または接着剤、たとえば接着バンドを使用して患者の皮膚５６に外部から取り付けることができる（図１Ａおよび図２Ａ参照）。また、デバイスを、たとえば時計６２、ベルト６４またはクリップ６５などの、ホルダまたは結合器具６０を使用して患者の皮膚上にまたは患者の皮膚の近くに配置される消費者装置５８に、埋め込むことも可能である。また、患者の衣服片６６が、患者の身体の部位１６、１８および２０の動きに従うように十分身体に対して密着している場合、その衣服片６６に取り付けることも可能である。
【００３１】
ＢＰＢ５２の各々を、送信機または受信機として動作するようにプログラムすることができる。特に、各ＢＰＢは、以下を行う能力を有することができる。すなわち、電気刺激を伝達することと、超音波信号を生成することと、生体電位を測定することと、低周波数磁界を送受信することと、外部デバイスとの間で双方向無線周波数（「ＲＦ」）テレメトリを送受信すること（後述する）と、である。ＢＰＢの実施形態例は、参照により本明細書に援用される、シュルマン（Ｓｃｈｕｌｍａｎ）Ｊ．他著、「電池式バイオンＦＥＳネットワーク（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｐｏｗｅｒｅｄ  ＢＩＯＮ  ＦＥＳ  Ｎｅｔｗｏｒｋ」（２００５−電子工学、ＩＥＥＥ−ＥＭＢＳ、第２６回ＩＥＥＥ  ＥＭＢＣ会議の議事録、第４１８頁、２００４年９月（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＥＥ−ＥＭＢＳ，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ２６ｔｈ  ＩＥＥＥ  ＥＭＢＣ  Ｍｅｅｔｉｎｇ，ｐ．４１８，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００４）において論じられている。
【００３２】
図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、第２デバイス３０が送信機であり、第１デバイス２８が受信機である可能性があり、図２Ａおよび図２Ｂでは、第４デバイス４４が送信機であり、第１デバイス３８、第２デバイス４０および第３デバイス４２が夫々受信機である可能性がある。それは、通常、送信機は手１６または腕２６の上または中ではなく胴２４の上または中に配置されるためである。理由は、送信機は通常、低周波数磁界を生成するために使用することができる、受信機より大きい部品および大きい電池５４を含むため、受信機より大きいからである（より詳細に後述する）。
【００３３】
図４は、複数のＢＰＢ５２、たとえばＢＰＢ１  ６８、ＢＰＢ２  ７０、ＢＰＢ３  ７２およびＢＰＢ４  ７４を含む、本発明の一実施形態によるシステム６７のブロック図である。ＢＰＢはすべて、患者の身体１４の異なる位置に結合される（たとえば取り付けられかつ／または埋め込まれる）。外部デバイス７６、たとえばマスタ制御ユニット（「ＭＣＵ」）は、埋め込まれたＢＰＢの各々と無線通信、たとえば無線周波数（「ＲＦ」）通信７８を維持するように構成される。ＭＣＵとＢＰＢとの間の通信のために、ＵＨＦ帯域を含むさまざまなＲＦ帯域を使用することができる。
【００３４】
使用中、ＭＣＵ７６は、たとえば刺激を開始または停止するためかつ／または刺激パラメータを変更するために、ＢＰＢ５２にコマンドおよびデータを送信するように構成される。ＢＰＢは、ＭＣＵにデータ、たとえば状態情報および測定データを返信するように構成される。一実施形態では、図４に示すように、ＢＰＢ１  ６８は、ＢＰＢ２  ７０によって検出されかつ測定される、無線信号、たとえば低周波数磁界を生成するように構成される。信号を処理した後、ＢＰＢ２は、その測定の結果をＭＣＵに通信する。ＭＣＵは、ＢＰＢ２から通信されるデータに基づいてＢＰＢ２とＢＰＢ１との間の距離を計算するように構成される。
【００３５】
さらに図５を参照すると、さらなる実施形態例のシステムでは、ＢＰＢ５２は、ＲＦ通信経路以外の通信経路８１を使用してＭＣＵ７６と通信するように構成される。たとえば、ＢＰＢを包囲する身体の組織を通信経路として使用することができる。この実施形態例では、ＢＰＢは、ＲＦテレメトリを送信する代りに、またはＲＦテレメトリを送信することに加えて、身体内に変調された低振幅電流を送信することができる送信機として動作している。この例では、ＭＣＵは、患者の身体を通して送信された電流を検出し復調するように構成される。ＭＣＵを、送信電気信号の受信を容易にするように身体に結合することができる。さらなる実施形態例では、ＢＰＢは、変調音波、変調超音波、および／または光信号（たとえば赤外線信号）の通信のために構成される経路８１を使用してＭＣＵと通信するように構成される。
【００３６】
図１Ａおよび図１Ｂならびに図２Ａおよび図２Ｂの実施形態の場合と同様に、デバイス１２とデバイス５２との間の距離を計算することにより、デバイス間の動きの量および範囲を確定することができる。図４および図５に示すシステム６７および８０では、デバイス間の計算された距離を、後に分析するためにＭＣＵ７６に格納することができる。
【００３７】
低周波数磁界測定値から確定される距離および方向
本発明の実施形態では、デバイス１２のうちの１つ（たとえば送信機）によって生成され、かつ別のデバイス（たとえば受信機）によって検出される磁界に基づいて、距離および／または方向測定値が確定される。磁界は、たとえば、低周波数磁界、すなわちおよそ１０ＫＨｚ未満から数百ＫＨｚまでの周波数を有する磁界であってもよい。直交低周波数磁界が利用される場合、送信機に対する受信機の距離および方向を計算することができる。この手法には、通常、送信機と受信機との両方において３つの小型直交コイルを使用する必要がある。
【００３８】
送信機および受信機に３つの直交コイルを含むシステムの例は、カテーテルの身体内ナビゲーションのために使用されるイスラエルのメディカル・ガイダンス・システムズ（Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｇｕｉｄａｎｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（「Ｍｅｄｉｇｕｉｄｅ」）（Ｉｓｒａｅｌ））製のメディカル・ポジショニング・システム（ＭＥＤＩＣＡＬ  ＰＯＳＩＴＩＯＮＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭＳである（ストロッマー（Ｓｔｒｏｍｍｅｒ）およびエイクラー（Ｅｉｃｈｌｅｒ）による米国特許第６，２３３，４７６号明細書を参照）。メディカル・ポジショニング・システム（ＭＥＤＩＣＡＬ  ＰＯＳＩＴＩＯＮＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭＳ）では、患者３４が載るベッドに送信コイルが配置され、患者に挿入されるカテーテルの先端に小型受信コイルが埋め込まれる。カテーテルの挿入中、受信コイルを使用して、ベッドの送信コイルに対するカテーテルの位置および方向が検出される。
【００３９】
図６は、本発明の一実施形態による、２つのデバイス８３、すなわち送信機８４および受信機８６を含むシステム８２の図である。図６を、低周波数磁界を使用して距離および方向角を確定する場合の、本発明の実施形態の動作原理に関する以下の論考において参照する。本発明の実施形態で使用するデバイスは３つの直交コイルを含むことができるが、簡単のために、図６は、２Ｄ空間に限定し、そのため、送信機のための３つの直交コイルのうちの２つ８８および９０、受信機のための３つの直交コイルのうちの２つ９２および９４のみを示す。
【００４０】
送信機８４は、発電器Ｇ１  ９６に結合され、それによって駆動される送信コイルＬｔ１  ８８を含む。Ｌｔ１は、Ｇ１の出力に比例する磁界Ｍ１  ９８を生成する。図６において、Ｍ１の磁界の線を曲線状の破線１００として示す。Ｌｔ１によって出力され、受信機８６によって検出される磁界の値は、Ｌｔ１と受信機との間の距離Ｄと、Ｌｔ１の軸１０４に対する垂線１０２と受信機の位置１０６との間の角度θと、によって決まる。このため、受信機によって検出されるＭ１の値はＤおよびθの関数である。
【００４１】
磁界９８を検出するように構成される受信機８６は、第１受信コイルＬｒ１  ９２を含む。磁界は、Ｌｒ１において電圧Ｖｒ１  １０８を誘導する。Ｖｒ１の値は以下のものによって決まる。すなわち、Ｌｒ１のコイル形状（たとえばコイルの長さ、コイルの寸法、コイルの回転数）と、Ｍ１の強度と、Ｌｔ１の軸１０４とＬｒ１の軸１１０との間の角度φと、である。以下は、Ｖｒ１１と示す、Ｇ１の関数としてのＶｒ１の数学的表現である。
Ｖｒ１１＝ｆ１１（Ｇ１、Ｄ、θ、φ）ここで、Ｄ、θおよびφは未知である。
【００４２】
追加のコイル９０および９４を挿入することにより、未知の値を計算することができる。たとえば、送信機８４は、Ｌｔ１  ８８に直交する別の送信コイルＬｔ２  ９０を含むことができる。また、受信機８６は、Ｌｒ１  ９２に直交する別の受信コイルＬｔ２  ９４を含むことができる。直交コイルＬｔ１およびＬｔ２の対ならびにＬｒ１およびＬｒ２の対が小型でありかつ互いに近接して配置されるものとすると、計算のすべてにおいて同じ距離Ｄおよび同じ角度θを使用することができるものと想定することができる。
【００４３】
使用中、送信コイルＬｔ１  ８８およびＬｔ２  ９０を、交代で動作させるかまたは異なる周波数で動作させることにより、Ｌｒ１  ９２およびＬｒ２  ９４において誘導される電圧を識別することができる。以下は、Ｇ２  １１２によって生成される磁界（図示せず）の関数として受信コイルＬｒ１において誘導される電圧Ｖｒ１２と、Ｇ１  ９６によって生成される磁界９８の関数として受信コイルＬｒ２において誘導される電圧Ｖ２１と、Ｇ２によって生成される磁界の関数として受信コイルＬｒ２において誘導される電圧Ｖ２２と、に対する対応する式である。
Ｖｒ１２＝ｆ１２（Ｇ２、Ｄ、θ、φ）
Ｖｒ２１＝ｆ２１（Ｇ１、Ｄ、θ、φ）
Ｖｒ２２＝ｆ２２（Ｇ２、Ｄ、θ、φ）
【００４４】
３つの未知の値Ｄ、θ、φを、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１およびＶ２２に対する上記式を使用して計算することができ、それによりＬｔ１およびＬｔ２に対するＬｒ１およびＬｒ２の相対的な距離および角度がもたらされる。送信機８４および複数の受信機８６を含むシステムに対して同様の計算を適用することができ、それにより、複数の距離Ｄおよび複数の方向角φがもたらされる。
【００４５】
当業者は、３Ｄシナリオにおいて、送信機８４が第３送信コイルＬｔ３（図示せず）と発電器Ｇ３（図示せず）とを含み、受信機８６が第３受信コイルＬｒ３（図示せず）と誘導電圧Ｖｒ３とを含むことを理解するはずである。３Ｄシナリオにおけるコイル８８〜９４のすべての距離および方向角は、２Ｄシナリオに対して上述したものと同様に確定される。
【００４６】
低周波数磁界測定値から確定される距離
患者の身体１４の部位１６〜２０および２６、たとえば患者の手１６または腕２６の可動性を追跡する場合、移動の距離のみではなく方向も測定する必要のある場合がある。このような場合、図７を参照すると、２つのデバイス１１４、すなわち送信コイル１１８を有する送信機１１６と受信コイル１２２を有する受信機１２０との間の距離を測定することにより、患者の身体の部位が移動する距離を測定することが可能である。これは、磁界１２６、たとえば送信コイルによって生成される低周波数磁界によって受信コイルに誘導される電圧１２４を測定することによって行うことができる。
【００４７】
図７は、低周波数磁界１２６を使用して距離を測定するシステム１２８を示す。本システムは、送信機１１６と、第１受信機１２０および第２受信機１３２を含む複数の受信機１３０と、を含む。第１受信機および第２受信機を、患者の身体１４の異なる位置に結合することができる。送信機は、送信コイルＬｔ  １１８に電流を供給する低周波数発電器Ｇ１３４を含む。Ｌｔは、３次元空間内に広がる磁界を生成する。図７において、磁界の線を曲線状の破線１３６として示す。磁界の大きさは、通常、Ｌｔから距離の３乗にしたがって低減する。
【００４８】
第１受信機１２０は、送信機１１６によって生成される磁界１２６を検出するように構成され、Ｌ１において電圧Ｖ１  １２４を誘導する第１受信コイルＬ１  １２２を含む。Ｖ１は、Ｌ１の位置１３８における磁界の大きさと、Ｌ１の物理パラメータ（たとえばＬ１の長さ、Ｌ１の径、Ｌ１の回転数）と、によって決まる。同様に、第２受信機１３２は、送信機によって生成される磁界を検出するように構成される第２受信コイルＬ２  １４０を含み、Ｌ２の位置１４２における検出磁界は、Ｌ２において電圧Ｖ２  １４４を誘導する。
【００４９】
Ｌ１およびＬ２の物理パラメータのすべてを同じに維持することにより、Ｖ１  １２４およびＶ２  １４４の値は、Ｌ１  １２２とＬｔ  １１８との間の距離Ｄ１と、Ｌ２  １４０とＬｔとの間の距離Ｄ２と、によって夫々決まることになる。Ｖ１をＤ１に相関させかつＶ２をＤ２に相関させることが可能であり、結果として得られた相関を、較正テーブル（calibration table）（図示せず）に形式化する（be formalized）ことができる。Ｖ１とＤ１との相関およびＶ２とＤ２との相関は、受信コイルの位置、たとえばＬ１の位置１３８またはＬ２の位置１４２夫々の、Ｌｔの軸１４８の垂線１４６に対する角度である角度θとは略完全に無関係である。
【００５０】
したがって、Ｌｔ  １１８とＬ１  １２２との間およびＬｔとＬ２  １４０との間の複数の距離Ｄ１およびＤ２夫々を、夫々Ｖ１  １２４およびＶ２  １４４を測定することによって計算することができる。測定電圧、たとえばＶ１およびＶ２が角度θと無関係であることに関する想定は、図７においてノッチとして識別される角度１５０の狭い範囲に対しては有効ではない、ということが留意されるべきである。図７ではノッチはＬｔの一端１５２のみに示すが、当業者は、Ｌｔの反対端１５４にもノッチの鏡像が存在することを理解するはずである。試験的に、この技法を使用することにより、１２７ＫＨｚ磁界を使用して２０ｃｍまでの距離を測定することができるということが実証された。Ｇ１３４の送信電力を増大させることにより、より長い距離を測定することができる。
【００５１】
音波測定値または超音波測定値から確定される距離
他の実施形態では、デバイス１２間の距離を、音波、すなわちおよそ２０Ｈｚからおよそ２０ＫＨｚまでの周波数を有する波、または超音波、すなわちおよそ２０ＫＨｚからおよそ１０ＭＨｚまでの周波数を有する波の、振幅、位相および／または伝播時間に基づいて測定することができる。再び図１Ａを参照すると、音波および超音波は、送信機３０から受信機２８に送信することができるタイプの無線信号である。超音波距離測定デバイスは、バーモント州、ストリート・ブリストルのセニックス・コーポレイション（Ｓｅｎｉｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓｔ．Ｂｒｉｓｔｏｌ，Ｖｅｒｍｏｎｔ））から販売されている。
【００５２】
図８は、夫々送信機１５８と複数の受信機１６０との間の複数の距離Ｄ１およびＤ２が、音波または超音波１６２に基づいて計算される一実施形態のシステム１５６を示すブロック図である。送信機は、超音波を発生するように構成され、複数の受信機は、超音波を検出するように構成される。送信機は、発電器Ｇ１６４と、Ｇに結合される超音波トランスデューサＴ１６６と、を含む。Ｇは、超音波を生成するＴを駆動する。図８では、超音波の波面を曲線状の破線１６８として示す。
【００５３】
図８の実施形態例では、第１受信機１７０はＴ１６６から距離Ｄ１に配置される。第１受信機は、超音波トランスデューサＲ１  １７２と、前置増幅器（図示せず）と、緩衝器（図示せず）と、Ｒ１に結合される、電圧測定回路１７４と、処理回路１７６と、を含む。第１受信機において検知される超音波からもたらされる測定電圧Ｖ１を使用してＤ１を計算することができる。第２超音波トランスデューサＲ２  １８０と、増幅器（図示せず）と、緩衝器（図示せず）と、電圧測定回路１８２と、処理回路１８４と、を含む追加の受信機、たとえば第２受信機１７８を、第１受信機の位置１８８とは異なる位置１８６に配置することができる。図８に示すように、Ｒ２はＴから距離Ｄ２離れて配置される。
【００５４】
超音波１６２の送受信に基づく距離計算を、超音波トランスデューサ１７２および１８０によって検出される超音波の振幅、位相および／または遅延の測定値から確定することができる。図９Ａ乃至図９Ｃに、超音波または超可聴音（「ＵＳ」）信号を使用して可能な異なる距離測定を示す（Thease different distance measurement possibilities using ultrasonic, or ultrasound, ("US") signals are shown）。図９Ａは、ＵＳ送信機１５８とＵＳ受信機１６０との間の距離１９２の関数としてのＵＳ信号の振幅１９０における減少を示す。ＵＳ信号の振幅は、送信機と受信機との間の距離に反比例する。ＵＳ信号の振幅を測定し、測定した振幅を較正曲線（図示せず）の値と比較することにより、ＵＳ送信機とＵＳ受信機との間の距離を計算することが可能である。
【００５５】
図９Ｂは、ＵＳ送信機１５８とＵＳ受信機１６０との間に存在する可能性のある位相差△θを示す。△θおよびＵＳ信号１６２の波長を知ることにより、ＵＳ送信機とＵＳ受信機との間の距離を計算することが可能である。本発明の実施形態では、初期位相情報、たとえば同期信号１９４を、ＵＳ送信機により無線周波数（「ＲＦ」）チャネル７８を介してＵＳ受信機に送信することができる。ＲＦ信号は通常超音波信号より１０６倍高速に伝播するため、ＲＦ信号は、遅延なくＵＳ受信機に到達し、そのため、ＵＳ送信機とＵＳ受信機との間の同期を提供することができる、ということを想定することができる。
【００５６】
図９Ｃは、ＵＳ送信機１５８から出力されるＵＳ信号１９６とＵＳ受信機１６０によって受信される同じＵＳ信号１９８との間の時間の差を示す。図９Ｃでは、△ＴはＵＳ送信機によるＵＳ信号の送信時刻とＵＳ受信機におけるＵＳ信号の到達時刻との時間差である。△ＴとＵＳ信号の伝播速度とを知ることにより、ＵＳ送信機とＵＳ受信機との間の距離を計算することが可能である。ＵＳ送信機とＵＳ受信機との間の同期を、位相測定技法のための上述した同期方法に類似する方法で行うことができる。
【００５７】
データ取得
図１０は、本発明の一実施形態によるデータ取得システム２００の概略図である。図１０において、電池式距離送信機ＴＸ２０２は、信号、たとえば低周波数磁界を生成する。ＴＸによって生成される磁界は、複数の電池式距離受信機ＲＸ１  ２０４およびＲＸ２  ２０６によって検出され、処理されてデータ化される（processed into data）。複数の電池式距離受信機ＲＸ１  ２０４およびＲＸ２  ２０６は、夫々データ送信機ＴＸ１  ２０８およびＴＸ２  ２１０に結合され、夫々異なる位置２１２および２１４に配置される。
【００５８】
ＲＸ１  ２０４およびＲＸ２  ２０６におけるデータは、夫々ＴＸ１  ２０８およびＴＸ２  ２１０を通して、夫々無線ＲＦリンクまたは経路２１６および２１８を介して外部デバイス２２０に送信される。外部デバイスは、コンピュータに結合されるデータ受信機Ｄａｔａ  ＲＸ２２２を含む。ＴＸ１、ＴＸ２およびＤａｔａ  ＲＸは、既製送受信機（off-the-shelf transceivers）、たとえばｎＲＦ２４０１Ａ（２．４ＧＨｚ超低出力送受信機）またはｎＲＦ９０５（４３３ＭＨｚ、８６８ＭＨｚまたは９１５ＭＨｚで動作可能なマルチバンド送受信機）であってもよく、それらはともにノルウェーのノルディック・セミコンダクター（Ｎｏｒｄｉｃ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（Ｎｏｒｗａｙ））から提供されている。
【００５９】
データは、Ｄａｔａ  ＲＸ２２２において受信された後、コンピュータ２２４に通信され、そこでさらなる処理および／または較正が行われる。また、コンピュータは、データに基づいて、ＲＸ１  ２０４とＴＸ２０２との間の距離Ｄ１と、ＲＸ２  ２０６とＴＸとの間の距離Ｄ２と、を計算するように構成される。さらに、コンピュータは、結果として得られたデータを表示し、データ処理および／または較正を制御し、かつ／またはシステム２００の他の構成要素、たとえばＴＸ、ＲＸ１、ＲＸ２、ＴＸ１  ２０８、ＴＸ２  ２１０およびＤａｔａ  ＲＸを制御するように構成される。
【００６０】
アルゴリズム
図１１に、実施形態のシステム１０、３６、６７、８０、８２、１２８、１５６および２００によってとられるステップを表す例示的なアルゴリズム２２６を示す。アルゴリズムの開始（２２８）後、次のステップ２３０において、身体１４の第１位置２２に結合されるように構成され、無線信号９８、１２６および１６２（図６乃至図８参照）を送信するように構成される、第１デバイス３０を提供する。次に、ステップ２３２において、身体の第２位置２３４（図１Ａ参照）に結合されるように構成され、無線信号を検出するように構成される第２デバイス２８を提供する。
【００６１】
ステップ２３６において、第１デバイスを使用して無線信号を送信する。次に、ステップ２３８において、第２デバイスを使用して無線信号を検出する。ステップ２４０において、第２デバイスによって検出される無線信号に基づいて、第１デバイスと第２デバイスとの間の距離Ｄ１を計算する。ステップ２４１において、第１デバイスと第２デバイスとの間の距離を使用して、身体に対するリハビリテーション治療の効果を特徴付ける。
【００６２】
次に、ステップ２４２において、第２デバイス２８と通信するように構成される外部デバイス７６、２２０（図４および図１０参照）を提供する。ステップ２４４において、第２デバイスを使用して、検出された無線信号９８、１２６および１６２に基づいてデータを生成する。次に、ステップ２４６において、第２デバイスを使用して外部デバイスに該データを通信する。ステップ２４８において、外部デバイスを使用して、該データに基づいて距離Ｄ１を計算する。次に、ステップ２５０において、外部デバイスを使用して、該データに基づいて、第１デバイス３０と第２デバイスとの間の方向角φ（図６参照）を計算する。ステップ２５２において、外部デバイスを使用して、データに基づいて、第１デバイスに対する第２デバイスの速度および／または加速度を計算する。ステップ２５４においてアルゴリズムは終了する。
【００６３】
データ処理
患者の活動の期間中に蓄積される距離および／または方向データを、外部デバイス７６、２２０（たとえばコンピュータ２２４）によってリアルタイムにまたはオフラインで分析することができる。データを処理する種々のアルゴリズムが入手可能である。たとえば、図１２に示すように、患者の手１６と身体１４、すなわち胴２４との間の平均距離を計算し提示することができる。図１２は、患者３４が脳卒中になった後の或る期間２５８に亙る患者の胴に対する手の平均移動距離２５６の変化を示す。特に、図１２は、患者の健康な手に対する平均移動距離の第１トレース２６０と、患者の障害のある手に対する平均移動距離の第２トレース２６２と、を含む。さらに図７、図８および図１０を参照すると、健康な手に結合される第１受信機１２０、１７０、２０４と、障害のある手に結合される第２受信機１３２、１７８、２０６と、からのデータに基づいて、第１トレースおよび第２トレースを外部デバイスによって計算することができる。さらに図１Ａおよび図１Ｂならびに図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、図１Ａおよび図１Ｂならびに図２Ａおよび図２Ｂの実施形態は、患者の腕２６のうちの１つと患者の胴とに結合されるデバイス１２のみを示すが、当業者は、本発明の実施形態が、患者の腕の両方と患者の胴とに結合されるデバイス群を含むことができる、ということを理解するはずである。
【００６４】
図１２において、第１トレース２６０は以下の３つの領域を含む。すなわち、健康な手１６の患者の胴２４からの平均初期脳卒中後距離（average initial post-stroke distance）２５６であるＤｉｈと、リハビリテーション過程中の患者の健康な手の患者の胴からの平均日常距離であるＤｈと、リハビリテーション過程の終了時における患者の健康な手の患者の胴からの平均距離であるＤｒｈと、である。同様に、第２トレース２６２は、以下の３つの領域を含む。すなわち、患者の脳卒中によって影響を受けた手の患者の胴からの平均初期脳卒中後距離であるＤｉｓと、リハビリテーション過程中の患者の脳卒中によって影響を受けた手の患者の胴からの平均距離であるＤｓと、リハビリテーション過程の終了時における患者の脳卒中によって影響を受けた手と胴との間の距離であるＤｒｓと、である。
【００６５】
したがって、図１２は、健康な手と比較して脳卒中によって影響を受けた手１６に対する脳卒中後回復を示す。最初に、第１トレース２６０のＤｉｈ領域では、健康な手は障害のある手の障害を補償するように示される。すなわち、健康な手は、リハビリテーション治療中またはその完了時より高い平均距離２５６を有する。リハビリテーション治療中、健康な手の患者の胴２４からの活動（平均距離）は、第１トレースのＤｈ領域およびＤｒｈ領域に示すように低減する。日常活動が、両手の患者の胴からの平均距離に影響を与える可能性がある。たとえば、歩行または物理的な作業が、手の胴からの平均距離を増大させる可能性があり、日常作業が低いほど、両手の胴からの平均距離が低減する。
【００６６】
図１２において、比Ｄｓ／Ｄｉｓを、脳卒中によって影響を受けた手１６の可動性（たとえば平均距離２５６）についての初期脳卒中状態と比較した場合の向上を示すリハビリテーション指標として使用することができる。使用することができる別の基準は比Ｄｓ／Ｄｈであり、それは、リハビリテーション治療中の脳卒中によって影響を受けた手と健康な手との可動性の比である。リハビリテーションが完了するほど、Ｄｓ／Ｄｈは高くなり１に近づくようになる。健康な被験者３４であっても、左手と右手との差があるため、Ｄｓ／Ｄｈは決して１にならない可能性が高い。また、比Ｄｈ／Ｄｉｈは、患者の健康な手に対するリハビリテーションの影響を示すことができるため、リハビリテーション指標として考慮することも可能である。最後に、上述した比の組合せを、リハビリテーション指標として使用することができる。
【００６７】
計算されたリハビリテーション指標は、手１６の位置に影響を与える可能性があるがリハビリテーションには関連しない患者の日常活動、たとえば歩行および物理的作業の実行を補償するための正規化が必要な場合がある。この補償を、たとえば患者の身体１４に加速度計または万歩計を取り付けることにより、患者の一般的な身体活動を測定することによって行うことができる。そして、計算された身体活動を使用して、結果として得られるリハビリテーション指標値が変更される。
【００６８】
以下は、四肢の可動性、たとえば以下の論考では手の可動性を特徴付けるために使用することができるパラメータの追加の例である。すなわち、必ずしも２４時間サイクルでなくてもよい任意の期間に計算することができる手１６と胴２４との間の距離２５６の平均と、実際の手の移動を示しかつ任意の静的な手の変位（static hand displacement）を補償する、手と胴との間の平均距離の標準偏差と、距離または角度の事前定義された閾値を超える、胴から離れる方への手の移動の回数（the number of movements of the hand away from the torso）と、分、時または日毎の手の移動の回数と、たとえば平均速度パラメータおよび速度パラメータの標準偏差を含む、手の移動に関する速度パラメータと、たとえば平均加速度パラメータおよび加速度パラメータの標準偏差を含む、手の移動に関する加速度パラメータと、他の運動学的パラメータおよび静的パラメータと、である。
【００６９】
再び図４を参照すると、さまざまな追加のデバイス２６４を使用して、四肢１６〜２０および２６の移動に関するパラメータを取得することができる、ということが留意されるべきである。デバイス例には以下がある。距離センサ（たとえば磁気センサ、超音波センサ）と、角度センサ（たとえばゴニオメータ）と、加速度センサおよび／または振動センサ（たとえばマサチューセッツ州ノーウッドのアナログ・デバイセズ（Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ（Ｎｏｒｗｏｏｄ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ））による微小電子機械システム（「ＭＥＭＳ」）加速度センサＡＤＸＬ１０３、または同様にアナログ・デバイセズ（Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）によるＭＥＳＭジャイロスコープＡＤＩＳ１６１００と、たとえばコンピュータ認識アルゴリズムを容易にするために、四肢または特別な色付き衣服に特別なマーカを取り付けることによる、ビデオカメラおよび後の画像処理を使用する四肢および他の身体の位置の計算と、である。リハビリテーション指標は、上述したパラメータまたはそれらの組合せのうちのいくつかと、追加の運動学的／静的パラメータと、に基づいてもよい。
【００７０】
本発明の上述した説明は、例示の目的のために提供されたものであり、網羅的であるようにもまたは発明を開示した特定の実施形態に限定するようにも意図されていない。実施形態は、本発明の重要な特徴を実現するために使用される構成に応じて、異なる能力および利益を提供することができる。特に、本発明の実施形態において、種々のタイプの距離、角度、位置および加速度測定装置、データチャネルおよびデータ処理を使用することができる。また、再び図１Ａ、図２Ａ、図４乃至図８および図１０を参照すると、実施形態において使用されるデバイス１２、たとえば送信機３０、４４、６８、８４、１１６、１５８および２０２、ならびに受信機２８、３８〜４２、７０〜７４、８６、１２０、１３２、１７０、１７８、２０４および２０６を、手１６、前腕１８、上腕２０および胴２４以外の身体の種々の部位に取り付けかつ／または埋め込むことができる。このため、本発明の範囲は、腕／手のリハビリテーション評価には限定されず、身体の他の部位に、かつリハビリテーション用途以外の他の用途まで拡張することができる。さらに、上記論考は、さまざまな人間の身体の部位の距離および方向を測定するために本発明を使用することに焦点を当てたが、本発明を、人間以外の身体、たとえば人間以外の動物の部位の距離および方向を測定するために使用することができる。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
図面の簡単な説明
【図１Ａ】患者の胴に対する患者の腕および手の移動の範囲をモニタするように構成される、本発明の一実施形態によるシステムの図である。
【図１Ｂ】患者の胴に対する患者の腕および手の移動の範囲をモニタするように構成される、本発明の一実施形態によるシステムの図である。
【図２Ａ】患者の胴に対する患者の腕および手の移動の範囲をモニタするように構成される、本発明の一実施形態による別のシステムの図である。
【図２Ｂ】患者の胴に対する患者の腕および手の移動の範囲をモニタするように構成される、本発明の一実施形態による別のシステムの図である。
【図３】電池式小型スティミュレータの斜視図である。
【図４】電池式小型スティミュレータを含む本発明の一実施形態によるシステムのブロック図である。
【図５】電池式小型スティミュレータを含む本発明の一実施形態による別のシステムのブロック図である。
【図６】送信機と受信機との間の距離および方向を測定するように構成される、本発明の一実施形態によるシステムの図である。
【図７】送信機と受信機との間の距離を測定するように構成される、本発明の一実施形態によるシステムの図である。
【図８】超音波送信機と超音波受信機との間の距離を測定するように構成される、本発明の一実施形態によるシステムの図である。
【図９Ａ】超音波信号に対する信号振幅を含む信号特性の図である。
【図９Ｂ】超音波信号に対する位相差を含む信号特性の図である。
【図９Ｃ】超音波信号に対する到達時間差を含む信号特性の図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるデータ取得システムの概略図である。
【図１１】本発明による例示的なアルゴリズムのフローチャートである。
【図１２】時間の関数としての患者の健康な手と患者の胴との間の日常平均距離と、時間の関数としての患者の脳卒中によって影響を受けた手と患者の胴との間の日常平均距離と、のグラフである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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