(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流信号発生部からの電磁波を発信する発信アンテナと、前記発信アンテナからの電磁波を受信する受信アンテナとを所定の間隔で保持するアンテナ部と、
前記受信アンテナで受信した受信信号の強度を検出する受信信号強度検出部と、
前記受信信号強度検出部の検出データと、予め記録されている受信信号強度に対応した関節角度データとに基づいて、前記アンテナ部に保持された受信アンテナの周囲の物体検出範囲における関節を中心とした人体の部分の運動に伴う、前記関節の回転角度を演算する関節角度演算部とを備えたことを特徴とする電磁波計測型関節角度計。
【請求項２】
前記発信アンテナからは、３〜１００ＭＨｚの周波数の、単一周波数の電磁波を発信することを特徴とする請求項１記載の電磁波計測型関節角度計。
【請求項３】
前記電磁波計測型関節角度計は、リハビリ、バーチャルリアリティー、マンマシンインターフェースのいずれかに用いることを特徴とする請求項１記載の電磁波計測型関節角度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リハビリ工学、バーチャルリアリティー、或いはマン・マシンインターフェース関連の機器制御装置に用いられる電磁波計測型関節角度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばリハビリにおいて、歩行のための各種関節の機能、手作業のための腕、手首、指の関節機能等の種々の関節の訓練に際し、常に訓練の状態をチェックする必要があり、そのためには関節の動く角度を測定する必要がある。このような関節の動く角度の測定のために種々の測定器が用いられており、最も簡単なものとしてプラスチックの固定側部材の一端に回転側部材を回動自在に固定し、固定側部材の回転基部に分度器を固定してなる関節角度計（ゴニオメーター）が安価のため広く用いられている。この関節角度計においては、固定側部材部分を関節で屈曲可能に結合している２つの骨の内、片側の骨の人体部分に固定し、回転側部材を他の骨側の人体部分に支持して、関節部における骨の回転角度を分度器で静的に測定する。
【０００３】
上記のような関節角度計は単にプラスチック製の２個の部材と分度器を組み合わせただけのものであり、安価ではあるものの、角度の測定は目視によるため読み取り誤差を生じやく、正確に測定するためには熟練を要する。しかも、通常の訓練作業中に常に関節の動きを観察することは面倒であり、特に変化する目標値に対して被訓練者が関節の適切な動きを行おうとするとき、関節の回動角を逐次観察することは困難である。
【０００４】
その対策として、上記のような機構中に固定側部材に対する回転側部材の回転角度に応じたパルスを発生する角度パルス発生器を設け、そのパルスをカウントすることにより回転角をデジタルで表示する装置も用いられている。このような装置により、デジタルデータを別途訓練用機器にフィードバックし、目標値を変化させる等の作動も可能となる。
【０００５】
関節の機能測定としては上記のような静的な機能測定の他、関節周辺に対する力等の動的な機能の測定を行う必要もある。このような動的な測定にはひずみゲージと電子計測装置を組み合わせた装置が用いられている。このような装置は例えば特開２００３−１７５０８５号公報等に記載されているようなリハビリ用機器において、利用者の目標とする関節運動と実際の運動とを比較するために用いられている。
【特許文献１】特開２００３−１７５０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようなリハビリ等において関節の目標運動と実際の運動結果を計測するために用いられる関節角度計において、固定側部材と回転側部材の角度をパルスカウントするものにおいては、例えば上腿部に固定側部材を固定し、下腿部に回転側部材を固定して、膝関節を中心とした屈曲角としての回転角を計測することになり、これらの定規部分を人体に固定する必要がある。そのため、リハビリを行っている人は身体に異物を取り付けることとなり、運動に違和感を感じるほか、その運動は平面内の運動に制限され、関節部での捻りながらの屈曲動作等の運動の妨げになると共に角度計測部に負荷が掛かるという問題を生じる。
【０００７】
また、このような関節角度計測手段を前記のようなリハビリ以外に、例えば各種機器を操作する際、人間の腕や手の動きに応じて移動させるためのマンシーンインターフェースにおいて、例えば操作者の手首の動きを検出して機器を作動する場合、手首の関節の回転角を測定する場合に利用しようとしたときにおいても、前記と同様に身体に異物を固定しなければならず、動きが拘束されると共に違和感を感じることとなる。このことは、例えばバーチャルリアリティーや各種ゲームにおいて人間の動きを検出するために関節角度計測を行う場合においても同様である。
【０００８】
したがって本発明は、関節部分での運動を検出する関節角度計測において、利用者の運動部分に異物を固定することなく、利用者に違和感を与えず、且つ運動を阻害することなしに関節角度を計測することができる電磁波計測型関節角度計を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電磁波計測型関節角度計は上記課題を解決するため、交流信号発生部からの電磁波を発信する発信アンテナと、前記発信アンテナからの電磁波を受信する受信アンテナとを所定の間隔で保持するアンテナ部と、前記受信アンテナで受信した受信信号の強度を検出する受信信号強度検出部と、前記受信信号強度検出部の検出データと、予め記録されている受信信号強度に対応した関節角度データとに基づいて、前記アンテナ部に保持された受信アンテナの周囲の物体検出範囲における関節を中心とした人体の部分の運動に伴う、前記関節の回転角度を演算する関節角度演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る他の電磁波計測型関節角度計は、前記電磁波計測型関節角度計において、前記発信アンテナからは、３〜１００ＭＨｚの周波数の、単一周波数の電磁波を発信することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る他の電磁波計測型関節角度計は、前記電磁波計測型関節角度計において、前記電磁波計測型関節角度計は、リハビリ、バーチャルリアリティー、マンマシンインターフェースのいずれかに用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、身体の運動部分に何ら異物を固定する必要がないため、関節部分の運動を拘束することがなく、利用者に違和感を与えることなしに、また利用者の運動を阻害することなしに関節角度の動的計測、及び静的な計測を行うことができる。また、本発明による関節角度計測装置は関節角度の動的計測の新しい基本原理として、リハビリ工学分野の計測装置、バーチャルリアリティーやマン・マシンインターフェース分野における人の体の動きの計測技術として広範囲の分野に、従来から用いられている他の手段に替えて応用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る電磁波計測型関節角度計は、関節部分での運動を検出する関節角度計測において、利用者の運動部分に異物を固定することなく、無侵襲で関節角度を計測することができる電磁波計測型関節角度計を得るという課題を、交流信号発生部からの電磁波を発信する発信アンテナと、前記発信アンテナからの電磁波を受信する受信アンテナとを所定の間隔で保持するアンテナ部と、前記受信アンテナで受信した受信信号の強度を検出する受信信号強度検出部と、前記受信信号強度検出部の検出データと、予め記録されている受信信号強度に対応した関節角度データとに基づいて、前記アンテナ部に保持された受信アンテナの周囲の物体検出範囲における関節を中心とした人体の部分の運動に伴う、前記関節の回転角度を演算する関節角度演算部とを備えることにより実現した。
【実施例１】
【００１４】
最初に本発明の測定原理を示す図３について説明する。図３（ａ）に示すように、交流信号発生部３１で発生させた短波帯（ＨＦ）から超短波帯（ＶＨＦ）である３〜１００ＭＨｚの周波数の電磁波を、ワイヤをループ状に形成した発信アンテナ３２から単一周波１００ｍＷ以下の電力を加え、ＣＷ波を送信する。この発信アンテナ３２から発信した電磁波を、同様に形成した受信アンテナ３３で受け、検出部３４によって受信強度を検出する。なお、この時のアンテナ形状は矩形等、種々のものを用いることができ、またループ状のアンテナの他、円形や矩形のソレノイド型のアンテナ等、種々のアンテナを用いることができる。
【００１５】
この発信アンテナ３２と受信アンテナ３３との間で、人体の代わりにデータを正確に取りやすい樹脂製容器に水を満たした水槽３５を、図３（ｂ）に示すように横切らせる。そのときの受信アンテナ３３で受信した受信電界強度即ち受信信号強度を検出部３４で検出した結果、図３（ｃ）のような結果が得られた。即ち、図３（ｃ）のデータによると、アンテナを結ぶ中心線３６を中心として誘電率の変化、及び渦電流損等による電磁波吸収、電磁波遮蔽が生じ、受信信号強さが大きく低下することがわかった。この周波数における水の比誘電率は約７０であり、電界に大きな変化を及ぼすことがわかる。それにより、生体組織のうち水分含有量の多い筋、内臓なども水と同様に大きな誘電率を有することが知られており、これらも同様に検出できることがわかる。
【００１６】
なお、この時に用いる発信アンテナ及び受信アンテナとしては、従来から用いられている種々の短波、超短波帯用アンテナを用いることができるが、例えば図４に示すような銅線からなるループアンテナを用いることもできる。この例においては、アンテナ４１は直径１ｍｍ程度のワイヤ４２を、直径４０ｍｍ程度のリング状に複数巻回したものを用いており、そのリード線と同軸ケーブル４３との間にトロイダルコア４４を用いた変圧器を介して接続している。
【００１７】
本発明は前記原理に基づいて、例えば図２に示すようにして関節で動く人体の部位の移動を検出することができる。即ち、同図（ａ）に示すように、前記図３と同様に交流信号発生部２１で発生させた短波帯から超短波帯の電磁波を、発信アンテナ２２から発信し、これと例えば３０ｃｍ間隔で対向させた受信アンテナ２３で受信し、そのときの電界強度を検出部２４で検出する。
【００１８】
このような状態では図中に物体検出範囲２５として示すように、受信アンテナ２３の周囲に前記図３に示す原理に基づいた物体検出範囲２５が、リング状の受信アンテナ２３の中心を通り受信アンテナを囲むように磁力線が存在することとなる。この物体検出範囲２５に水分を含む物体としての人体の一部が存在し、移動するとき、その移動によって検出部２４では、誘電率変化や渦電流損により図３（ｃ）と同様の特性で受信信号の強度に変化を生じる。それにより、物体の移動量を検出することが可能となる。
【００１９】
上記のような原理からなる電磁波計測型関節角度計は、例えば図２（ｂ）に示すような装置として利用できる。即ち、発信アンテナ２２と受信アンテナ２３を所定の間隔で保持したアンテナ部２７と、交流信号発生部２１、受信信号強度検出部８、制御装置２５や操作部及び表示部等を収納配置した本体部２８と、それらの間を接続する同軸ケーブル２９、３０によって電磁波計測型関節角度計２６を構成することができる。但し、アンテナ部２７と本体部２８を一体化しても良く、また、発信アンテナ２２と受信アンテナ２３との間に間隙を形成して、この部分に存在する人体の一部を検出するようにしても良く、更にそのような間隙を設けることなく、例えば矩形の樹脂製ケースに全てを格納しても良い。
【００２０】
上記原理により、本発明は例えば図１に示すように構成することによって、足１の膝関節２における上腿３に対する下腿４が屈曲する回転角度θを測定することができる。この実施例においても前記図２、図３に示す例と同様に交流信号発生部５で発生させた短波帯（ＨＦ）から超短波帯（ＶＨＦ）である３〜１００ＭＨｚの周波数の微弱な電磁波を、前記図４に示すような、銅線をループ状に複数巻回して形成した数センチ大の小型の発信アンテナ６から発信し、この発信アンテナ６から発信した電磁波を、同様に形成した受信アンテナ７で受け、検出部８によって受信信号強度を検出する。
【００２１】
このような発信アンテナ６と受信アンテナ７の配置状態で、足１の上腿３の軸線が受信アンテナ６と発信アンテナ７の中心軸線９とほぼ同方向となるようにしてこれらのアンテナのセットを上腿３に近接させた状態で例えばいす等の側部に固定することにより、膝関節２を図示の例では受信アンテナ７における発信アンテナ６とは反対側の物体検出範囲１０に位置するように配置する。
【００２２】
それにより、下腿７を図１中において実線位置から２点鎖線位置の方向に膝関節２を中心に回転させる。その移動によって物体検出範囲１０内における下腿４の位置が変化し、水分分布変化による誘電率の変化や渦電流損による変化が生じるので、検出部８ではアンテナ７で受信する電磁波の電界強度の変化を検出することができる。その検出値である受信信号強度を関節角度演算部１１において、例えば同図（ｂ）に示すような、予め各個人毎に取得している受信信号強度、関節角度特性データに基づいて、関節角度θを求めることができる。
【００２３】
この時のデータは下腿４の運動と共に高速で得られるので、運動速度も含め、下腿の運動状態を容易に検出することができる。その際、例えば下腿４を高速で屈曲させた後に、最も大きな屈曲を行った後直ちに元に戻ったときでも、瞬間的な最大回転角を容易に計測することができる。また、このように下腿４を高速で屈曲させ、最終的に大きな回転角のデータが得られた場合と、低速で屈曲させ、最終的に同じ回転角のデータが得られた場合とで、その回転角のデータに対する評価を適切に行うことができる等、従来の膝関節回転角度計測では困難であった各種の計測を容易に行うことができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
上記のような本発明は、関節を中心とした身体の各部位の回転角を検出することができるので、前記のようなリハビリの分野以外に、例えばバーチャルリアリティーにおける信号入力部としての人体の各部の動きを検出する検出器として、或いは、マンマシンインターフェイスにおける人体の動きを検出する検出部としても有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例の模式図である。
【図２】本発明において物体を検出する原理を示す図である。
【図３】本発明の基本原理として、発信アンテナと受信アンテナ間で水槽を移動させたときの、検出信号強度を示す図である。
【図４】本発明で用いるアンテナの例を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  足
２  膝関節
３  上腿
４  下腿
５  交流信号発生部
６  発信アンテナ
７  受信アンテナ
８  受信信号強度検出部
９  中心軸線
１０  物体検出範囲
１１  関節角度演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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