(57)【要約】【課題】  手動操作なしで、下肢麻痺患者が足を踏み出せる状態にあるかどうかを自動的に判断し、安全に歩行を開始できるようにする。【解決手段】  使用者１０下肢麻痺患者の姿勢や動作を検知するためのセンサ入力部３１と、上記センサ入力部３１により与えられるセンサ信号に基づいて目的動作を開始する最適タイミングを判断して制御情報を生成する制御部３２と、電気刺激発生装置２０へ目的動作の開始や終了等を示す制御情報を伝達する信号出力部３３とを具備する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能的電気刺激を発生する電気刺激発生装置の動作を制御する電気刺激制御装置であって、
使用者の姿勢や動作を検知するためのセンサ入力手段と、
上記センサ入力手段により与えられるセンサ信号に基づいて目的動作を開始する最適タイミングを判断するして制御情報を生成する制御部と、
上記制御部により与えられる上記電気刺激発生装置へ目的動作の開始や終了等を示す制御情報を伝達する信号出力部とから構成されることを特徴とする電気刺激制御装置。
【請求項２】
上記センサ入力手段は、使用者の起立状態における荷重と、使用者の体幹及び両腕の角度を検出することを特徴とする請求項１記載の電気刺激制御装置。
【請求項３】
上記使用者の起立状態における荷重を検出する荷重センサが、使用者の起立状態を支えている両足底及び平行棒、歩行器などの支持具又は両手把持面に設置されていることを特徴する請求項２記載の電気刺激制御装置。
【請求項４】
上記制御部は、上記センサ入力手段からの情報を用いて現在の使用者の姿勢及び動きを判別し、下肢を踏み出すタイミングを決定する機能を備えることを特徴とする請求項１記載の電気刺激制御装置。
【請求項５】
上記制御部は、立位保持及び歩行機能再建において、上記センサ入力手段からの情報に基づいて転倒に至る危険を検出して、警告信号を上記信号出力部から外部に出力することを特徴とする請求項１記載の電気刺激制御装置。
【請求項６】
上記制御部は、機能的電気刺激による下肢運動機能再建において、方向転換や起立、着座等の下肢運動機能再建動作の開始指令信号を上記信号出力部から上記電気刺激発生装置に出力することを特徴とする請求項１記載の電気刺激制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能的電気刺激（FES: Functional Electrical stimulation）を発生する電気刺激発生装置の動作を制御する電気刺激制御装置に関し、特に、脊髄損傷等中枢性神経障害で麻痺した下肢を電気刺激で再建するリハビリテーション装置として使用される電気刺激装置を制御する電気刺激制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、下肢麻痺患者に電気刺激を与えることにより、その運動機能の再建やリハビリテーションを支援する装置がある。例えば、左右の下肢が麻痺した患者の歩行を再建する従来の装置の場合、患者の左右の下肢の各筋に電気刺激を加える複数の刺激電極と、これらの電極に接続された一個の制御装置と、患者もしくは介助者により手動操作される操作デバイスとから構成される。
【０００３】
このような電気刺激装置を用いて、例えば、患者が歩行動作を再建する場合、平行棒や歩行器等の支持具により立位を維持した姿勢から、患者本人の上肢の力により徐々に体重を前方へ移動させ、患者もしくは介助者が片足を踏み出すのに最適なタイミングを判断し、その瞬間に操作デバイスを手動操作すると、制御装置を通して電気刺激が開始され片足の踏み出し動作が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−２２２８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のような電気刺激装置は、患者の麻痺した下肢の筋を刺激して動作させることができるので、患者の歩行を再建することが可能である。
【０００６】
しかし、上述のような電気刺激装置では、足を動かすタイミングを指示するためには、患者本人もしくは介助者が最適な手動操作を行う必要がある。特に、患者本人が操作する場合、本人の上肢は転倒しないように支持具を把持して姿勢を保持したり、歩行を開始するために前方へ体重を移動させたりするために過大な負担を強いられており、デバイス操作を行うことが困難である。
【０００７】
さらに、上述のような電気刺激装置では、介助者がデバイス操作を行う場合には、患者の姿勢が足を踏み出せるようになっているかを観察して適切なタイミングでデバイス操作を行う必要があるが、もしもこのデバイス操作のタイミングが不適切な場合、患者が転倒してしまう危険がある。例えば、左足を踏み出そうとしている場合、体重が左足側に偏っている等のような、まだ足を踏み出す動作の準備ができていないような状態において、左足を踏み出す動作を行う電気刺激が行われると、患者は転倒する可能性が大きい。
【０００８】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、手動操作なしで、下肢麻痺患者が足を踏み出せる状態にあるかどうかを自動的に判断し、安全に歩行を開始することができる装置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】
【０００９】
本発明では、下肢麻痺患者の姿勢や動作を検知するためのセンサ入力手段による検出出力に基づいて、制御部より目的動作を開始する最適タイミングを判断し、信号出力部を通じて電気刺激発生装置へ目的動作の開始や終了等を示す制御情報を伝達する。本発明では、センサ入力手段として、主に使用者の両足底および支持具にかかる荷重を検知するための荷重センサを用い、補助的にこれら荷重のかかる位置の相互関係を検出するための角度センサ又は距離センサを用いる。
【００１０】
すなわち、本発明は、機能的電気刺激を発生する電気刺激発生装置の動作を制御する電気刺激制御装置であって、使用者の姿勢や動作を検知するためのセンサ入力手段と、上記センサ入力手段により与えられるセンサ信号に基づいて目的動作を開始する最適タイミングを判断して制御情報を生成する制御部と、上記制御部により与えられる上記電気刺激発生装置へ目的動作の開始や終了等を示す制御情報を伝達する信号出力部とから構成されることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る刺激制御装置において、上記センサ入力手段は、例えば、使用者の起立状態における荷重と、使用者の体幹及び両腕の角度を検出する。上記使用者の起立状態における荷重を検出する荷重センサは、使用者の起立状態を支えている両足底及び平行棒、歩行器などの支持具又は両手把持面に設置される。
【００１２】
本発明に係る刺激制御装置において、上記制御部は、例えば、上記センサ入力手段からの情報を用いて現在の使用者の姿勢及び動きを判別し、下肢を踏み出すタイミングを決定する機能を備える。
【００１３】
また、本発明に係る刺激制御装置において、上記制御部は、例えば、立位保持及び歩行機能再建において、上記センサ入力手段からの情報に基づいて転倒に至る危険を検出して、警告信号を上記信号出力部から外部に出力する。
【００１４】
さらに、本発明に係る刺激制御装置において、上記制御部は、例えば、機能的電気刺激による下肢運動機能再建において、方向転換や起立、着座等の下肢運動機能再建動作の開始指令信号を上記信号出力部から上記電気刺激発生装置に出力する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、下肢麻痺者本人や介助者の手動操作なしに、目的動作を最適のタイミングで開始することが可能となり、さらに起立した状態で特に問題となる、転倒の危険を早期に判断して回避することが可能となるため、電気刺激による立位保持や歩行動作の再建を安全に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
本発明は、例えば図１に示すように、下肢麻痺患者に電気刺激を与えることにより、その運動機能の再建やリハビリテーションを支援する機能的電気刺激（FES: Functional Electrical stimulation）システム１００に適用される。
【００１８】
このＦＥＳシステム１００は、下肢麻痺患者の歩行再建に使用されるものであって、使用者１０すなわち下肢麻痺患者に機能的電気刺激を与える電気刺激発生装置２０と、この電気刺激発生装置２０の動作を制御する電気刺激制御装置３０からなる。
【００１９】
本発明に係る電気刺激制御装置３０は、例えば図２のブロック図にその基本構成を示すように、下肢麻痺患者の姿勢や動作を検知するためのセンサ入力部３１と、上記センサ入力部３１により与えられるセンサ信号に基づいて目的動作を開始する最適タイミングを判断する制御部３２と、電気刺激発生装置２０へ目的動作の開始や終了等を示す制御情報を伝達する信号出力部３３とを具備してなる。
【００２０】
この実施の形態における電気刺激制御装置３０は、図１に示すように、使用者１０の両足底１０Ａ及び支持具１５にかかる荷重を検出する両手把持面１０Ｂに設置されている荷重センサ３１Ａ及びそれらの位置関係を検出する角度センサ３１Ｂからなるセンサ入力部３１により使用者１０の両足底１０Ａ及び支持具１５にかかる荷重及びそれらの位置関係を検知し、それらの情報から現在の患者の姿勢や動き、および目的動作を開始する最適なタイミングを制御部３２で判断し、動作開始のためのタイミング信号を制御情報として信号出力部３３を通して外部の電気刺激発生装置２０に伝達する。
【００２１】
そして、電気刺激発生装置２０は、目的動作を行わせるための電気刺激パターンを記憶しており、このパターンに沿って電気刺激を発生させる機能と、使用者１０の下肢各部の筋にその電気刺激を伝える電極とを具備している。
【００２２】
次に、この実施の形態において、使用者１０すなわち下肢麻痺患者の歩行動作を再建するために、静止立位を維持した状態から、片足を一歩前へ踏み出す動作を行う場合について、図３のフローチャートを参照して説明する。
【００２３】
このＦＥＳシステム１００において、電気刺激発生装置２０による電気刺激により、使用者１０が立位姿勢を保持している場合、その両足底１０Ａ及び平行棒や歩行器等の支持具１５を把持している両手把持面１０Ｂに荷重が生じている。電気刺激制御装置３０は、これらの各の荷重値及びそれらの位置関係情報をセンサ入力部３１により獲得する（ステップＳ１）。
【００２４】
次に、電気刺激制御装置３０は、これらの荷重値および位置関係の情報より、制御部３２において使用者１０の重心位置及びその移動速度を算出する（ステップＳ２）。
【００２５】
また、同じ制御部３２において、使用者１０が転倒することなく安全に立っていられる条件（安全条件範囲）を算出する（ステップＳ３）。これは、重心の動きがほぼ無い場合、両足底１０Ａ及び両手の位置関係によりおおむね決定される。この条件は、両足のみで起立している場合には、両足底１０Ａを含む包絡面すなわち支持基底の上に、使用者１０の重心が存在することである。
【００２６】
このとき、さきに算出された重心が上記安全条件範囲の中に存在していれば、使用者１０はそのまま立位を維持することができる。
【００２７】
続いて、立位から歩行動作へ移ろうとする場合、使用者１０は、麻痺していない上肢の力で重心を前方へ移動させる。このとき、重心位置が安全条件範囲より前方へ移動した場合、ただちに足を前方へ踏み出す動作を開始させる必要が生じる。また、重心位置がまだ安全条件範囲内にある場合でも、そのときの重心位置の移動速度が大きい場合、いくばくかの時間の後には安全条件範囲の外側へ出ることが予測される。
【００２８】
上述のような状況において、電気刺激制御装置３０の制御部３２は、片足を一歩前へ踏み出す動作を開始させる最適なタイミングを判断し（ステップＳ４）、その瞬間に、信号出力部３３を通じて、外部の電気刺激発生装置２０に動作開始を示す制御情報（タイミング信号）を伝達する（ステップＳ５）。
【００２９】
電気刺激発生装置２０は、電気刺激制御装置３０からのタイミング信号を受けて、片足を挙げて前へ踏み出す動作を生じる電気刺激シーケンスを開始させ、電極を通じて使用者１０を刺激する（ステップＳ６）。
【００３０】
次に、上述と同じ実施の形態において、使用者１０の転倒の危険を防止する目的に使用する場合について説明する。
【００３１】
使用者１０が、電気刺激により立位を維持している場合、歩行動作を行う意志がないにもかかわらず、何かの拍子にバランスが崩れて、使用者１０の重心が著しく移動する可能性がある。このとき、片足を適切に踏み出す動作を行わないと、使用者１０が転倒する危険がある。
【００３２】
このとき、電気刺激制御装置３０が、センサ入力部３１により取得した荷重値及び位置関係の情報より制御部３２において算出した使用者１０の重心位置及びその移動速度を用いることにより、重心がまだ安全条件範囲の中にあるような早期の段階で転倒の危険を予測することが可能となる。その場合、電気刺激制御装置３０の制御部３２は、最適なタイミングで片足を踏み出す合図信号を、信号出力部３３を通じて外部の電気刺激発生装置２０へ出力することにより、転倒の危険を防ぐことが可能となる。
【００３３】
さらに、同じ実施の形態において、足の踏み出し以外の動作、例えば静止立位を維持した状態から方向転換したり、着座したりする動作の開始指令に用いる場合について説明する。
【００３４】
使用者１０が、電気刺激により立位を維持している状態で、歩行動作以外の、例えば進行方向右側あるいは左側へ方向転換したり、椅子へ着座したりする動作を行う必要性が十分あり得る。
【００３５】
このとき、例えば右側へ向きを変えたい場合には、使用者１０は上肢の力により支持具１５の把持位置を、左手は前方へ、右手は後方へ動かし、状態を右側へねじるとともに、使用者１０のバランスも右側にやや偏るように姿勢移動を行うものとする。この場合、電気刺激制御装置３０は、センサ入力部３１により重心位置の移動及び両手の把持位置関係の変化の情報を取得し、これらの情報から、制御部３２により、使用者１０を右側へ方向転換させる動作の準備が整ったことを判断し、当該動作の開始を示す制御情報を、信号出力部３３を通して、外部の電気刺激発生装置２０へ伝達する。
【００３６】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、上記形態では、信号出力部３３段の接続先は外部の電気刺激発生装置２０にすることを例示したが、たとえば緊急停止用の電源スイッチ（図示せず）や、転倒対策用の支持具（エアバッグ等）の動作スイッチに接続することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を適用したＦＥＳシステムの構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る電気刺激制御装置の基本構成を示すブロック図である。
【図３】上記ＦＥＳシステムにおいて、下肢麻痺患者の歩行動作を再建するために、静止立位を維持した状態から、片足を一歩前へ踏み出す動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１０  使用者、１０Ａ  両足底、１０Ｂ  両手把持面、１５  支持具、２０  電気刺激発生装置、３０  電気刺激制御装置、３１  センサ入力部、３１Ａ  荷重センサ、３１Ｂ  角度センサ、３２  制御部、３３  信号出力部、１００  ＦＥＳシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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