(57)【要約】  被験者の歩き方の変動を計測するためのシステムは、被験者が一連の複数歩を歩く間にその立向姿勢の変動を計測するように構成されたセンサ、プロセッサ、及び表示画面を有する。プロセッサは、複数歩のある第一の歩の中の複数のポイント及び複数歩のある第二の歩の中の複数のポイントを識別し、ポイントの中の複数の対をなすポイントであって各対が複数歩の各々の中に一方のポイントを有する対のポイントを識別し、対の各々の中の各ポイントについてある高さの値を求め、表示画面を制御して各対の二つのポイントの高さを互いにプロットした表示画面を生成するように構成される。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の歩き方の変動を計測するためのシステムであって、前記システムは被験者が一連の複数歩を歩く間に被験者の垂直位置（立向姿勢）の変動を計測するように構成された計測手段と、処理手段と、表示手段とを備え、前記処理手段は、複数歩のある第一の歩の中の複数のポイント及び複数歩のある第二の歩の中の複数のポイントを識別し、それにより各対がそれぞれの歩の中に一つのポイントを有するような複数の対のポイントを識別し、それにより前記複数の対の各々の中の各ポイントについてある高さの値を決定し、それにより表示手段を制御して各対の二つのポイントの高さを互いにプロットした表示画面を生成するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記処理手段は、第一の歩と第二の歩を、一連の複数歩の中の連続する歩として識別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３】
前記処理手段は、各対のポイントであって、各対の二つのポイントの間の時間間隔が同じとなるようにされた各対のポイントを識別するように構成される請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記処理手段は、一連の複数歩を通して一連のポイントを識別し、また複数の対の一つの中に一連の複数ポイントの各々を含むように構成される請求項1〜3のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記処理手段は、一対の二つのポイントの高さを表す二つの軸を有する座標系を定義するように構成され、それによって、各対のポイントの高さを座標系の中の位置によって表すことができる請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記処理手段は、複数の対のポイントの各々について座標系の中の位置を識別し、また表示手段を制御してこれらの位置を示すように構成される請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記処理手段は、複数の対のポイントと対応付けて位置を解析しまた位置のパラメータを計算するように構成される請求項５又は６に記載のシステム。
【請求項８】
前記処理手段は、複数の対のポイントと対応付けられた位置に対して所定の関係を有する線の位置を計算し、表示手段を制御して線を表示させるように構成される請求項５〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
被験者の歩き方の変動を計測する方法であって、前記方法は、被験者が一連の複数歩を歩む間に被験者の垂直位置（立向姿勢）の変動を計測すること、複数歩のある第一の歩の中の複数のポイント及び複数歩のある第二の歩の中の複数のポイントを識別すること、ポイントの中の複数の対をなすポイントであって各対が複数歩の各々の中に一方のポイントを有する対のポイントを識別すること、対の各々の中の各ポイントについてある高さの値を求めること、及び各対の二つのポイントの高さを互いにプロットした表示画面を生成することを含む方法。
【請求項１０】
第一及び第二の歩は、一連の複数歩の中の連続する歩として識別される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記対のポイントは、各対の二つのポイントの間の時間間隔が同じであるものとして識別される請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記一連の複数歩を通して一連のポイントを識別し、また複数の対の一つの中に一連の複数ポイントの各々を含むことを含む請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
一対の二つのポイントの高さを表す二つの軸を有する座標系を定義することを更に含み、それによって、各対のポイントの高さを座礁系の中の位置によって表すことができる請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の対のポイントの各々について座標系の中の位置を識別すること、及び、表示画面を制御してそれらの位置を表示させることを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の対のポイントと対応付けて位置を解析すること、及び、位置のパラメータを計算することを含む請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の対のポイントと対応付けられた位置に対して所定の関係を有する線の位置を計算すること、及び、表示画面を制御して線を表示させることを含む請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
被験者の歩き方の変動を計測するシステムであって、前記システムは被験者が一連の複数歩を歩む間に被験者の垂直位置（立向姿勢）の変動を記録したデータを記憶するように構成されたメモリと、処理手段と、表示手段とを有し、前記処理手段は、複数歩のある第一の歩の中の複数のポイント及び複数歩のある第二の歩の中の複数のポイントを識別し、ポイントの中の複数の対をなすポイントであって各対が複数歩の各々の中に一方のポイントを有する対のポイントを識別し、対の各々の中の各ポイントについてある高さの値を求め、また表示手段を制御して各対の二つのポイントの高さを互いにプロットした表示画面を生成するように構成されているシステム。
【請求項１８】
請求項２〜８の特徴のいずれか一つ以上を有する請求項１７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩き方の計測、とくに歩き方の非対称性の計測に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒトの動きには常に変動性が存在する。通常、変動性はノイズと見られ、したがって望ましくないものであってデータ処理では取り除かれる。変動性は、ヒトの歩行パターンを識別するために用いられてきたばかりでなく、病的な歩き方の解析など臨床的な目的にも用いられてきた。研究の結果、若い成人と比較して、高齢の被験者では、一歩に要する時間の変動性が大きくなることが明らかにされている。高齢の被験者では、また、歩幅ごとの変動性も大きくなることが明らかにされている。
【０００３】
パーキンソン病（ＰＤ）は、進行性の中枢神経系の疾患であり、安静時振戦、小さくまた遅い歩み、質量の中心（ＣｏＭ−重心）の動きの減少、歩幅や一歩に要する時間など歩き方の時間空間的なパラメータの変動性の増大などを示す。研究の結果、特発性パーキンソン病は、同年代のコントロール（比較対照の被験者）と比較して歩き方の非対称性の大きいことも明らかにされている。また、典型的な発達した成人（ＴＤＡ）とパーキンソン病患者双方の時間空間的なパラメータを見ると、歩き方の非対称性は一般的なものであることを示す研究も行われている。これらの研究では、比較的長い歩行（すなわち、２分及び６分の歩行テスト）を用いたフラクタル（自己相似性）解析が用いられてきた。これらの研究の一つの問題は、必要なデータ・セットが比較的膨大なことである。これら多量のデータを集めることは、時間のかかること、したがって参加者とくに病的な状態にある参加者にはかなりストレスのかかるおそれがある。
【０００４】
質量の中心（ＣｏＭ）の動きの計測には、例えば、ＷＯ２０１０／０７３０４４に記載されているような慣性計測装置（ＩＭＵ）の技術を用いることができるが、この技術は、高いサンプリング周波数を用い、比較的少ない歩数で多量のデータを収集する迅速で比較的安価な方法を提供するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、被験者の歩き方の変動を計測するためのシステムにおいて、被験者が一連の複数歩を歩く間に被験者の位置の変動を計測するように構成された計測手段を有するシステムを提供するものである。上記位置は、一つの垂直位置（立向姿勢）としてもよいが、如何なる方向の或いは如何なる軸に沿った位置としてもよい。上記方向または軸は、垂直に近くてもよいし、或いは水平方向または軸線としてもよい。システムは、さらに、処理手段を有してもよい。システムは、さらに、表示手段を有してもよい。処理手段は、複数歩のある第一の歩の中の複数のポイント及び複数歩のある第二の歩の中の複数のポイントを識別するように構成してもよい。処理手段は、複数の対のポイントを識別するように構成してもよい。各対は、複数歩の各々の中に一方のポイントを有してもよい。処理手段は、複数の対の各々の中の各ポイントについてある高さの値を求めるように構成してもよい。処理手段は、表示装置を制御して各対の二つのポイントの高さを互いにプロットした表示画面を生成するように構成してもよい。
【０００６】
処理手段は、第一の歩と第二の歩を、一連の複数歩の中の連続する歩として識別するように構成してもよい。ただし、第一の歩と第二の歩は、一連の中のどこから選んでもよい。システムが、被験者の脚の非対称性を計測するように構成される場合は、第一の歩と第二の歩は、異なる脚のものとして選んでもよい。ただし、場合によっては、同じ脚の異なる歩とし、同じ脚のそれらの歩の間の時間による変動を計測するものでもよい。
【０００７】
処理手段は、各対のポイントであって、各対の二つのポイントの間の時間間隔が同じとなるようにされた各対のポイントを識別するように構成してもよい。あるいは、時間間隔は、異なる複数の対のポイントでは異なるものとしてもよい。複数の対のポイントの間には、歩のサイクル内での相対位置などなんらか他の関係があるものとしてもよい。
【０００８】
処理手段は、一連の複数歩を通して一連のポイントを識別し、また複数の対の一つの中に一連の複数ポイントの各々を含むように構成してもよい。これによって、テストの歩行期間を通じて一定の（または規則的に変化する）サンプリング間隔を用いることが可能となる。
【０００９】
処理手段は、一対の二つのポイントの高さを表す二つの軸を有する座標系を定義するように構成してもよい。これによって、各対のポイントの高さを座標系の中の位置によって表すことが可能となる。処理手段は、複数の対のポイントの各々について座標系の中の位置を識別するように構成してもよい。処理手段は、表示装置を制御して、例えばそれぞれのマーカーでこれらの位置を示すように構成してもよい。マーカーは、ポイントまたは十字としてもよいし、又は他の適当な形状のものとしてもよい。
【００１０】
処理手段は、複数の対のポイントと対応付けて位置を解析しまた該位置のパラメータを計算するように構成してもよい。パラメータは、統計的パラメータ、例えばあるポイントまたは線からの距離の標準偏差としてもよいし、或いは平均の位置としてもよい。
【００１１】
処理手段は、複数の対のポイントと対応付けられた位置に対して所定の関係を有する線の位置を計算するように構成してもよい。線は、直線としてもよいし、又は曲線としてもよい。例えば、線は、長円または円としてもよい。処理手段は、表示装置を制御して線を表示させるように構成してもよい。
【００１２】
本発明は、さらに、被験者の歩き方の変動を計測する方法を提供するものである。方法は、被験者が一連の複数歩を歩む間に被験者の垂直位置の変動を計測することを含む。方法は、複数歩のある第一の歩の中の複数のポイント及び複数歩のある第二の歩の中の複数のポイントを識別すること、ポイントの中の複数の対をなすポイントであって各対が複数歩の各々の中に一方のポイントを有する対のポイントを識別すること、対の各々の中の各ポイントについてある高さの値を求めること、及び各対の二つのポイントの高さを互いにプロットした表示画面を生成することのいずれか一つまたはそれ以上の工程を備える。
【００１３】
第一及び第二の歩は、一連の複数歩の中の連続する歩として識別されてもよい。複数の対のポイントは、各対の二つのポイントの間の時間間隔が同じであるものとして識別されてもよい。
【００１４】
方法は、一連の複数歩を通して一連のポイントを識別し、また複数の対の一つの中に一連の複数ポイントの各々を含むことを含むものとしてもよい。
【００１５】
方法は、一対の二つのポイントの高さを表す二つの軸を有する座標系を定義することを含み、それによって、各対のポイントの高さを座礁系の中の位置によって表すことが可能となるものとしてもよい。
【００１６】
方法は、複数の対のポイントの各々について座標系の中の位置を識別すること、及び、表示装置を制御してそれらの位置を表示させることを含むものとしてもよい。
【００１７】
方法は、複数の対のポイントと対応付けて位置を解析すること、及び、位置のパラメータを計算することを含むものとしてもよい。
【００１８】
方法は、複数のポイントの位置に対して所定の関係を有する線の位置を計算すること、及び、表示装置を制御して線を表示させることを含むものとしてもよい。
【００１９】
本発明は、さらに、被験者の歩き方の変動を計測するシステムであって、被験者が一連の複数歩を歩む間に被験者の垂直位置の変動を記録したデータを記憶するように構成されたメモリ、処理手段、及び表示装置を有するシステムを提供するものである。処理手段は、複数歩のある第一の歩の中の複数のポイント及び複数歩のある第二の歩の中の複数のポイントを識別するように構成してもよい。処理手段は、ポイントの中の複数の対をなすポイントであって各対が複数歩の各々の中に一方のポイントを有する対のポイントを識別するように構成してもよい。処理手段は、複数の対の各々の中の各ポイントについてある高さの値を求めるように構成してもよい。処理手段は、表示手段を制御して各対の二つのポイントの高さを互いにプロットした表示画面を生成するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
以下、添付の図を参照して、本発明の好ましい実施形態を単に例として説明する。
【図１】本発明の一実施形態で用いられる慣性計測装置（ＩＭＵ）を付けた一被験者の線図である。
【図２】図１のＩＭＵからのデータを解析するように構成された本発明の一実施形態にもとづくコンピュータ・システムの線図である。
【図３】図１の被験者のＣｏＭの高さを、歩の長さの変動を伴う時間の関数としてコンピュータ・シミュレーションでプロットをした図である。
【図４】一歩の時間だけずらした同じプロットのコピー上に図３のプロットを重ねたものを示す図である。
【図５】最初のプロットからのＣｏＭ可動域の関数としてずらしたプロットからのＣｏＭ可動域をプロットしたものに、垂直軸上の前の一歩についての値に対して水平軸上の各々の歩についての値を付したものである。
【図６】歩行中における図１に示した被験者のＣｏＭの高さの計測値を時間の関数としてプロットしたものである。
【図７】図６のデータについての図５と同様なプロットである。
【図８】本発明の一実施形態で定量が可能な図７のプロットのパラメータを示す線図である。
【図９ａ−９ｈ】振幅と波長は等しいが位相が１８０°（ａ）、２２５°（ｂ）、２７０°（ｃ）、３１５°（ｄ）、３６０°（ｅ）、４５°（ｆ）、９０°（ｇ）、及び１３５°（ｈ）ずれた正弦波についてコンピュータ・シミュレーションで得られたものを図５と同様にプロットしたものを示す図である。
【図１０ａ−１０ｄ】位相が１８０°（ａ）、１７０°（ｂ）、３６０°（ｃ）、及び９０°（ｄ）ずれた二つの正弦波（周波数１０．１Ｈｚ，振幅５及び７ｃｍ）についてコンピュータ・シミュレーションで得られたものを図５と同様にプロットしたものを示す図である。
【図１１（ａ）−１１（ｂ）】歩の長さ（ａ）と歩の周波数（ｂ）の変化を示す三つの正弦波（５ｃｍの一定振幅、位相のずれ１８０°）に基づいてコンピュータ・シミュレーションで得られたプロットである。
【図１２】測定データから生成されたパーキンソン病（ＰＤ）患者についての図５と同様な三つのプロットと典型的な発達した成人についての三つのプロットをセットにして示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１を参照して、被験者１４には、慣性計測装置（ＩＭＵ）１０を接着テープ１２により取り付ける。ＩＭＵは、公知の形態のもので、多数の加速度計を備えており、加速度計を用いて垂直方向を識別しまた垂直方向の加速度を計測するように構成されている。ＩＭＵは、さらに、垂直速度にしたがって垂直位置を連続的に計算し、また、一連のサンプリングの時点で計算された垂直位置を記憶するように構成されている。垂直位置は、任意の基準位置または高さに対するものとできるが、この場合には被験者が静止している計測開始時のＣｏＭの位置とする。本実施形態では、計測される垂直位置とは、ＩＭＵ１０によってＣｏＭの偏位として計測され定義されるものであるが、この偏位は、ある時点での被験者のＣｏＭの実際の垂直位置とＣｏＭの始動時の垂直位置である基準点との差である。
【００２２】
図２を参照して、コンピュータ・システム２０は、テスト期間中に収集されたＣｏＭの偏位データを受け取り、それを解析し、被験者の歩き方の様々な特徴の識別に役立つように構成された様々な表示画面を生成するため使用するように構成されている。コンピュータ・システムは、プロセッサ２２、メモリ２４、及び表示画面２６を有する。メモリは、従来の方法で、ＩＭＵ１０によって収集されたデータを記憶し、またさらに、プロセッサ２２によるデータ処理を制御するプログラムを記憶し、表示画面２６を制御するように構成されている。ＩＭＵ１０で行われる生センサ信号の処理量及びコンピュータ・システム２０によって行われる処理量が任意であることは理解されよう。
【００２３】
被験者のＣｏＭの動きは、被験者の歩き方の倒立振り子モデルを用いて記述することができる。このモデルは、歩き方一サイクル中の機械的エネルギッシュな状態を記述するものであり、歩き方一サイクル中では、時間の関数としてプロットされるＣｏＭの偏位が連続するピークと谷を有する正弦波のように行動し、各一歩は、一つの谷の底から次の谷の底までの正弦波の一サイクルを生成する。高さの尺度は、どのようなものであれ同じ基本的な形状をあたえるものであり、高さを計測するための基準高さは、ある程度まで任意であることは理解されよう。本発明のこの実施形態では、コンピュータ・システム２０によるＣｏＭ偏位データ上で非線形法を用いたさらなる解析が行われ、それにより、一歩の各ポイントでのＣｏＭの偏位（ＣｏＭ偏位ｉ）が、前の一歩の同じポイントについてのＣｏＭの偏位（ＣｏＭ偏位ｉ−１）に対してプロットされる。
【００２４】
コンピュータで生成された時間の関数としてのＣｏＭの偏位のプロットの例を図３に示す。この図は、歩く一連の９歩についてのシミュレーションの結果を、水平軸に時間をとり、垂直軸の始動点からのＣｏＭの偏位と共に示している。図では、最初の３歩の後から一歩の長さが大きくなり、また次の３歩の後からも一歩の長さが大きくなっている。シミュレーションでのサンプリング周波数は１００Ｈｚにセットされているが、これは、慣性計測装置（ＩＭＵ）のサンプリング・レートに対応する。これは、歩き方の計測については適当なサンプリング周波数であるが、実際には、とくに高い解像度が求められる場合には、ＩＭＵのサンプリング・レートは、例えば１２０Ｈｚあるいはより高い周波数まで変えることが可能である。したがって、高さのサンプリング計測の間の時間間隔は、０．０１秒に等しい。図３のプロットは、５秒の期間のものである。したがって、プロット上には５００のサンプリング・ポイントがあり、また９歩であるので、一歩当たり約５５のサンプリング・ポイントが存在することになる。
【００２５】
図４を参照して、歩き方の変動を計測するために、コンピュータ・システム２２(20?)は、各歩における各サンプリング・ポイントについてのＣｏＭの偏位を前の一歩における対応するポイントでのＣｏＭの偏位と比較するように構成されている。これが、一方の脚での一歩についてのＣｏＭの偏位を、他方の脚での一歩について対応するＣｏＭの偏位と比較するものであることは理解されよう。これを行うために、図３のプロットがコピーされ、一歩の長さ分だけずらされ、その結果、図示のように二つのＣｏＭ偏位のプロットが互いに重ね合わされることになる。したがって、一方の曲線上の各ポイントは、他の曲線での前の一歩における対応するサンプリング・ポイントと位置合わせされることになる。ある一歩が前の一歩と同じ場合には、二つの曲線は同一の曲線となるが、ある一歩と次の一歩の間に差がある場合には、その差は、二つの曲線の間の分岐とみなされる。
【００２６】
図５を参照して、コンピュータは、さらに、一方の軸（水平軸）上の各ポイントについてのＣｏＭ偏位のそれに垂直な軸（垂直軸）上での前の一歩の対応するポイントについてのＣｏＭ偏位に対する二次元プロット（以下、非線形プロットという）を生成するように構成される。二つの偏位が等しいすべての場合には、プロットは、ポイント（０，０）を通る４５°の線上での一点を含む。三番目のピークと三番目の谷におけるポイントは、現在の一歩の最大偏位が１．５ｃｍでありまた前の一歩の最大偏位が１ｃｍである場合には、ポイント（０，０）とポイント（１.５，１）を通る線を生成する。六番目のピークと六番目の谷におけるポイントは、現在の一歩の最大偏位が２ｃｍでありまた前の一歩の最大偏位が１.５ｃｍである場合には、ポイント（０，０）とポイント（２、１.５）を通る線を生成する。この例では、複数の歩が一定の周波数であるため、二つの重ね合わされたプロットは同位相であるので、図５のプロットへの線は、すべてポイント（０，０）を通ることが理解されよう。ただし、複数歩の期間が変化すれば、元の曲線とずらされた曲線が同時に水平軸を通ることはなく、したがって図５と同様なプロットがそのポイントを通ることはない。
【００２７】
これを、図６を参照してさらに説明する。図６は、現実の一被験者の１０メートルの歩行について実際に計測されたＣｏＭの偏位をサンプル数の関数としてプロットしたものを示す。サンプリング周波数は、１００Ｈｚである。表面的には、ＣｏＭの偏位における振動は、大きい振幅と小さい振幅を交互に繰り返していて、左脚と右脚の歩幅の違いを示しているようにとれるが、両方の脚とも、その歩幅には明らかに有意の変動が存在する。図７には、ＣｏＭの偏位（ＣｏＭ偏位ｉ−１）に対する各サンプリング・ポイントについてのＣｏＭの偏位（ＣｏＭ偏位ｉ）をある一定時間（一歩の長さにほぼ等しい）前のサンプリング・ポイントに対してプロットしたものを示す。このプロットは、ＣｏＭ偏位のプロットにおけるそれぞれのサンプリング時について生成された各ポイントをつなぐ線を示している。集積点の形状、すなわち図７のプロットの中でそれらのポイントをつなぐ線を解析することによって、プロットの様々なパラメータを求めることができ、したがって、それらを被験者の歩き方の様々な特徴の尺度として使用することができる。
【００２８】
集積の形状を役立つ方法で解析するためには、プロットに十分なポイント、したがって計測される高さの十分なサンプリング・ポイントが必要であることは理解されよう。図６のプロットでは、各歩についてほぼ４０のサンプリング・ポイントが存在する。サンプリング・ポイントの数をそれより少なくすることはできるが、比較的短いテスト期間で十分なデータの収集を可能にするためには、テスト期間中、少なくとも一歩当たり平均１０のサンプリング・ポイントが必要である。また、サンプリング・ポイントは、等しい時間間隔を示すようにすることが最も単純で望ましいが、例えば歩のサイクルの特定部分の周囲により多くのサンプリング・ポイントが生じるなど、サンプリング・ポイントの間の時間間隔には何らかの変動が生じ得る。場合によっては、歩のサイクルの中での位置に基づいて各対のポイントを選んでもよい。例えば、各歩が正弦波とみなされ、各歩の中での時間がその歩全体の一部分として、例えば０から３６０°の間のある角度として定義されるとすれば、対のポイントは、歩のサイクルの中で同じ相対（角）位置を占めるものとして選ぶこともできる。
【００２９】
この解析をよりよく理解するために、生成された正弦波を用いたこれらのＣｏＭプロットの理論的精査を、周波数、振幅及び位相のずれを変動させる正弦波発生器を用いてＬａｂＶＩＥＷ８．５で行った。１０メートルの歩行で典型的に観察される変化をまねるため、下記の構成要素を変更した。
１）  ヒトの歩行中の潜在的な垂直のＣｏＭの位相のずれを精査するために、４５度の歩で位相のずれを生成した（図９）。
２）  振幅は、５から７ｃｍの範囲とする、これは、ヒトの歩行中の典型的な垂直のＣｏＭの動きを示すものである（図１０）。
３）  周波数値は、１０〜１０.４Ｈｚの間で変化する。これは、１０メートルの歩行中の歩行周波数の変化を示すものである（図１１）。
【００３０】
各事例について、図５及び７と同様な非線形のプロットを生成して解析した。
これらのプロットに用いた解析を図８を参照して説明する。短い歩行距離での被験者の計測から得られた各組のデータについてのこの解析を行うためにコンピュータ２０が構成されたこと、また、コンピュータ・システム２０が、識別されたパラメータを、被験者からの計測データを解析するために使用できることは理解されよう。
【００３１】
ＣｏＭ偏位のプロットの中のポイントのクラウド（群）に対して最小自乗の最もよく当てはまる直線がプロットされ、該直線は、関数ｆ＝ａｘ＋ｂとしてプロットされる。ただし、ａは、線の勾配であり、ｂは、切片である。
【００３２】
等式（１）に示すように、勾配は、水平軸から反時計まわりに垂直軸に向けて計測された角β（度）に変換される。
2014520255.tif 000003
無矛盾性したがって不変動性を仮定したコンピュータ生成正弦波を用いれば、β＝４５°の値が得られるであろう。
クラウドの原点（ｘ０，ｙ０）を見出すために、等式（２）に示す所与のデータ・クラウドの半径（ＳＤＡ）の円をデータに当てはめる。
2014520255.tif 000004
この式からｘ０、ｙ０での線形（一次）方程式が導かれる。ただし、（ｘｉ、ｙｉ）は、所与のポイントであり、（ｘ０、ｙ０）は、原点すなわち中点であり、ｒは、未知の半径である。これまでに当てはめた最小自乗の和を用い、ＣｏＭの偏位ｉ−１からｙｉ＝ａｘｉ＋ｂの結果を差し引くことによってデータのトレンドが削除され、その後に最もよく当てはまる直線のまわりの標準偏差が計算される（ＳＤＢ）。
【００３３】
二つの標準偏差にもとづくデータの拡散のまわりには長円が当てはめられる。二つの標準偏差の一つは、最もよく当てはまる直線に平行な方向に計測した位置のＳＤＡであり、これは、長円の長さであり、もう一つは、最もよく当てはまる直線に垂直な方向に計測した位置のＳＤＢであり、これは、長円の幅である。該長円を記述するためにＳＤＡとＳＤＢの間で導き出された比∀が求められる。さらに、角度βは、図８に示すように対称性のレベルを示すデータ点を通る最もよく当てはまる直線の方向を示す。
【００３４】
図９を参照して、ＬａｂＶＩＥＷ８.５の中で生成した周波数１０.１Ｈｚ、振幅５ｃｍの二つの正弦波（理論的には不変動である）は、切片が１ｃｍ、両者の間の位相のずれはゼロであり、１００Ｈｚでサンプリングされたものを示すが、結果として角度β＝４５°、Ｒ２の値１.００、ＳＤＡの値４．９８ｃｍ、ＳＤＢの値０が得られる。ＣｏＭｉ−１の（４５度の歩での）位相のずれを変化させると、プロットは、図９ａないし９ｈに示すプロットに従って変化する。とくに、図９は、位相が１８０°（Ａ）、２２５°（Ｂ）、２７０°（Ｃ）、３１５°（Ｄ）、３６０°（Ｅ）、４５°（Ｆ）、９０°（Ｇ）、及び１３５°（Ｈ）ずらされた等しい正弦波（周波数１０.１Ｈｚ、振幅５ｃｍ）に基づく非線形プロットを示している。これらの正弦波によって生成されたデータ・クラウドは、それら自身の軸の周りで位相のずれの変化を伴って（反時計回りに）回転することが明らかとなった。
【００３５】
ＣｏＭの垂直の変位は、下肢または歩幅が異なれば変化し得るものである。理論的モデルを精査するために、典型的なヒトの歩行を表すそれぞれ５ｃｍ及び７ｃｍの振幅で二つの正弦波が生成された。これら以外の構成は、これまでに使った正弦波と同様である。図１０は、生成されたプロットを示すが、ＣｏＭの偏位の分散があれば、βの値が変化することが見て取れる。とくに、図１０は、位相が１８０°（Ａ）、１７０°（Ｂ）、３６０°（Ｃ）、及び９０°（Ｄ）ずらされた二つの正弦波（周波数１０.１Ｈｚ、振幅５及び７ｃｍ）にもとづく非線形プロットを示す。
【００３６】
さらに、歩く速度などの変化が歩の長さやリズムの増大に関係する可能性がある。歩の長さが変われば、倒立振り子モデルを想定した場合、結果としてＣｏＭの垂直偏位の変化が生じるであろう。歩の長さの変動性の作用は、ヒトが歩行中の典型的な垂直のＣｏＭ偏位を示す（振幅がそれぞれ３ｃｍ、５ｃｍ、及び７ｃｍと異なる）三つの正弦波を生成することによって示される。この作用は、図１１ａに見ることができる。図１１ｂは、周波数の異なる（１０Ｈｚ、１０.１Ｈｚ、及び１０.２Ｈｚ）三つの正弦波を分析した結果を示すが、これらの正弦波の（０．１Ｈｚのステップ）変化は、ヒトの歩行の時間またはリズムの変動性を表す。
【００３７】
使用にあたっては、被験者の歩き方の変動性を計測するために、ＩＭＵ１０が被験者に固定され、被験者は、例えば約１０メートルの短い距離を歩行する。この間、ＩＭＵは、各サンプリング・ポイントでの高さのデータを計算し記憶する。これらのデータは、次に、ＩＭＵからコンピュータ２０に入力されるが、コンピュータは、上述したように対のサンプリング・ポイントを選択し、各対のサンプリング・ポイントについての二つの高さ、これらは例えば単純な高さの値あるいは図５の非線形プロットのようなプロット上の座標などであるが、これら二つの高さを対応付けたデータ・セットを生成するように構成されている。コンピュータは、さらに、表示画面２６を制御してデータ点の非線形プロットを表示するように構成されている。データ点は、各々が、それぞれの対のサンプリング・ポイントの二つの高さの値によって定義されるある位置を有する。コンピュータは、また、図８を参照して上述したような最もよく当てはまる直線、円、及び長円を計算し、それらを図１１に示すようにデータ点のプロット上に重ねて表示するように構成されている。β、ＳＤＡ、ＳＤＢ、及び∀の値も、計算されて画面上に表示される。プロット自身または計算された数値、あるいは両者を、被験者の歩き方のパラメータの尺度として使用することができる。
【００３８】
上の解析から、コンピュータ・システムは、さらに歩き方の変動性の同様な計測を行いながら、データを様々に異なる方法で解析するように構成できることは明らかであろう。例えば、互いにプロットされる各対のサンプリング・ポイントをばらばらの固定されたサンプル数（従ってある固定時間）とする代わりに、データを別々の歩に分け、右脚の歩の第一のポイントに対して左脚の歩の第一のポイントがプロットされ、その後も対のポイントが互いに対してプロットすることもできる。あるいは、データを左脚の歩と右脚の歩に分け、次に左脚の歩のデータを組み合わせて第一の正弦波を形成し、右脚の歩のデータを組み合わせて第二の正弦波を形成し、さらに二つの正弦波の対応するポイントを互いにプロットすることもできる。さらに他の方法としては、対側性データすなわち対向する側の脚から得られたデータを比較するのではなく、同側性データの比較、すなわち、一方の脚の一歩についてのデータを同じ脚の異なる歩についてのデータと比較することもできる。例えば、データを左脚と右脚の歩に分け、その各々を一緒に組み合わせて左脚と右脚のプロットを形成し、それらのプロットの各々が数歩の近似的正弦波であるようにすることもできる。次に、左脚のプロットをずらして各左脚の歩をその前の左脚の歩と比較し、同じことを右脚のデータについても行うようにする。
【００３９】
研究
参加者
パーキンソン病を患っている参加者から収集したデータが解析され、また、同年代の典型的な発達した成人から収集したデータも解析された。
【００４０】
方法
この研究に参加するのに先立って、ＰＤ罹患者にはパーキンソン病アンケート（ＰＤＱ）を行った。参加者は、障害物のない１０メートルの歩道を自分が選んだ歩行速度で歩いた。参加者は、ゼロ地点の静止位置から歩き始め、１０メートル・ラインで完全に停止した。歩行時間は、ストップウオッチで記録した。ＩＭＵは、第四腰椎の上に位置する予定のＣｏＭ上に取り付け、１００Ｈｚのサンプリング周波数で計測を行った。
【００４１】
解析
ＩＭＵデータは、ＬａｂＶＩＥＷ８.５で書かれたプログラム（アイルランド、ナショナル・インストルメンツ）で解析し、垂直位置を得た。時間的及び空間的歩行パラメータは、Ｚｉｊｌｓｔｒａの倒立振り子モデルにしたがって計算され、歩幅の長さ及び歩行速度（ＶＩ）が得られた。β、ＳＤＡ、ＳＤＢ、及び∀の値は、上に説明した非線形法を適用して引き出された。
【００４２】
ＴＤＡのグループとＰＤのグループは、歩幅の長さ及び歩行速度ならびにβ、ＳＤＡ及びＳＤＢに関する独立したｔ検定を用いて比較した。さらに、ＰＤ及びＴＤＡの双方についての歩行速度とβの間の関係をテストするために、ピアソンの回帰テストが用いられた。ＰＤとＴＤＡの間で、独立したｔ検定によって∀がテストされた。
【００４３】
結果
表１に、記述的計測結果を示す。
表１  バーセル指数（ＢＩ）、及び典型的な発達した成人（ＴＤＡ）とパーキンソン病罹患者（ＰＤ）へのアンケート（ＰＤＱ）の平均を示す記述的計測結果。星印は、両グループ間の有意の差（ｐ＜０.０５）を示す。性は、参加した男性（Ｍ）の数で示す。
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【００４４】
この非線形解析の理論的精査から、βは、歩の長さの変化に影響され、ＳＤＡは、歩の周波数ならびに歩の長さの変化に影響され、ＳＤＢは、歩の周波数の変化に影響され、さらに∀は、ＳＤＡ／ＳＤＢと定義される、ＳＤＡとＳＤＢの間の比に影響されることが明らかとなった。
【００４５】
独立したｔ検定は、ＴＤＡとＰＤの参加者の間で、歩幅の長さとリズムについての有意な差はないことを示した（ｐ＝０.６１５とｐ＝０.３４２）。ただし、歩行速度については、差が見出された（ｐ＝０.０４１）。さらに、ＴＤＡとＰＤグループの間での独立したｔ検定で、β（ｐ＝０.０１０）とＳＤＡ（ｐ＝０.０４１）について有意な差があることが明らかにされた。ＳＤＢ（ｐ＝０.３８５）と∀（ｐ＝０.８３０）については、グループ間に差は見出されなかった。表２は、各グループについての結果を示す。
【００４６】
表２  典型的な発達した成人（ＴＤＡ）とパーキンソン病罹患者（ＰＤ）の歩き方に適用された非線形法から得られた結果。最小自乗に当てはまる角度（β）及び非線形プロットの標準偏差を記述したＳＤＡとＳＤＢならびに比∀を示す。星印は両グループ間の有意の差を示す。
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βと歩行速度の間には、ＰＤ（ｒ２＝０.００１、ｐ＝０.９９６）についてもＴＤＡ（ｒ２＝０.０６０、ｐ＝０.８１０）についても相関は見出されなかった。図１２に、各々の健康状態についての三つの代表的な解析図を示す。
【００４７】
討論
この研究で、ＩＭＵを用いて１０メートル歩行でのＣｏＭの動きについて行われた非線形解析を用いればＴＤＡからＰＤを弁別することができるが、同じ距離での標準の時間空間的なパラメータではできないことが明らかにされた。これらの所見は、非線形変動性解析を利用して少数のサンプルフレームで歩き方の変動性と対称性を客観的に定量でき、その結果、ＰＤ患者を疾患のあらゆる段階でモニターできる可能性が高まることから、重要である。
【００４８】
従来から、歩の長さが縮小されることが、ＰＤの歩き方の重要な特徴の一つとして報告されている。実際、時間空間的な歩行パラメータの平均値に基づいた計測結果よりは、変動性解析を用いたほうが、歩き方の不調をより密接にモニターしかつ記述できるかもしれないことは、これまでにも示唆されてきている。この研究の結果は、ＴＤＡとＰＤの間では歩の長さに差異はないが、βとＳＤＡが有意の差を示したことからみて、この示唆をサポートしている。すなわち、ＣｏＭの変動性に基づいて、ＴＤＡからＰＤを弁別することができた（図１２）。ＳＤＡの有意の差は、歩の長さの変動性が増大し、それがＣｏＭの偏位に反映されることによるものかもしれない。歩行速度は、ＴＤＡと比較するとＰＤでは有意に低下していたが、これは、従来から報告されていることである。
【００４９】
歩き方の精査におけるこのアプローチの新しさを考え、ＰＤで観察された変化をよりよく理解するために、一連のＣｏＭの動きのシミュレーションをモデル化し、非線形分析を行った。この研究中に集められたデータで観察されたグループごとの歩幅の長さの分散は、歩き始めを除外した１０メートル歩行中では、ＴＤＡで１７ｃｍ、ＰＤで２１ｃｍであった。脚の長さが一定であるとすれば、ＴＤＡとＰＤの歩幅がそれぞれ１７ｃｍと２１ｃｍ増大すれば、垂直方向のＣｏＭ偏位は、約０．３ｃｍと０．５ｃｍ増大することになろう。図１１ａに示すように、シミュレーションによる歩の長さの増加を示すこれらの値は、非線形プロットの角度をそれぞれ３及び５度変化させることになろう。しかし、この角度の偏向は、歩の長さに変化が起きた時の歩き方の一サイクルだけで起こるものである。非対称なサイクルの後、ＣｏＭの偏位が左右対称となりまた同位相となれば、βは、４５°に戻るであろう。したがって、βが歩の長さの変化に影響され、ＳＤＢが歩の周波数の変化に影響され、ＳＤＡが歩の長さならびに歩の周波数の変化に影響され、さらに∀は、歩の長さの変化に対する歩の周波数の変化の比と定義されることが明らかとなった。
【００５０】
図１１ｂにみられるように、１０メートルの歩行で計測すると、周波数の増加はＳＤＢを増大させる。０.２Ｈｚの歩行周波数の増加は、一分あたり１２歩の増加を示す。表１にみられるように、リズムの分散は、ＴＤＡでは５.６、ＰＤでは１１.６である。周波数が大きく変化すると、その結果ＳＤＢの分散はより大きくなる。下肢の歩の周波数が完全に対照的であると、プロットはＳＤＢがゼロに等しいことを仮定するものとなる。実際、歩の周波数の変動と歩の長さの変動が組み合わされたことによるＣｏＭ偏位の変動性があると、位相のずれが予想される。図９に示すように、位相のずれは、β、ＳＤＡ、及びＳＤＢを変化させることになろう。ただし、この研究の間ＴＤＡまたはＰＤの計測のいずれにおいても位相のずれは検出されなかった。
【００５１】
歩き方をより深く調べるために、しばしば新規な方法が用いられてきた。例えば、歩幅ごとの変動を精査するためにＴＤＡ及びＰＤにフラクタル動的解析が用いられてきた。ＰＤの初期及び後期の段階で、歩幅の長さと一歩の時間の双方での歩幅ごとの変動性の増加が観察されてきた。われわれの所見は、様々なＰＤの中での歩幅の長さの変動性（ＳＤＡ）ならびに歩幅ごとの対称性（β）の増加を示すことによって、これらのこれまでの所見と一致するものとなった。図１２ではＳＤＡとＳＤＢの減少がみられるが、ＰＤとＴＤＡの間で有意の差を示すのはＳＤＡのみである。これは歩幅の長さの減少によることであり、またＰＤリサーチでも報告されている。さらに、比∀がＰＤとＴＤＡの間で有意の差を示さないことは注目すべきことである。このことは、歩幅の長さの変動（ＳＤＡ）を減少させることによって対称性の変動（ＳＤＢ）が減少することを示している。
【００５２】
本発明の実施形態は、臨床的に使用するための価値ある手法を提供し得る。上に記載した研究は、ＰＤのために行われたが、この方法は、ＰＤや他の患者集団の歩き方を害する辛さを示す見込みを有する。したがって、本発明は、ＰＤ患者の初期診断に役立ち、また脳深部刺激療法中の患者の歩き方をモニターできる方法論を提供するものである。また、これらの歩き方のパラメータを使用して、ＰＤの薬物治療の有効性をより正確にモニターでき得る。
【符号の説明】
【００５３】
１０：慣性計測装置（ＩＭＵ）
１２：接着テープ
２０：コンピュータ・システム
２２：プロセッサ
２４：メモリ
２６：表示画面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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