(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
肢体を動かす訓練器と、
肢体の運動に関係する筋肉上の皮膚に取り付けられた複数の電極と、
前記電極の出力から肢体各部位の骨格筋の活動電位を計測する筋電計測装置と、
あらかじめ設定された、前記訓練器のインピーダンス制御におけるインピーダンス定数の最小値、最大値をそれぞれＺｓ、Ｚｍとし、訓練の最終目的の活動電位の値をＶｍとしたとき、前記筋電計測装置で計測された活動電位Ｖｋに対してインピーダンス定数Ｚを
Ｖｋ＜Ｖｍのとき  Ｚ＝｛（Ｚｍ−Ｚｓ）／Ｖｍ｝・Ｖｋ＋Ｚｓ
Ｖｋ≧Ｖｍのとき  Ｚ＝Ｚｍ
のように定めるインピーダンス定数修正部と、前記インピーダンス定数Ｚで前記訓練器の動作をインピーダンス制御する制御部を含むコントローラ装置を有する訓練装置。
【請求項２】
前記インピーダンス定数修正部は、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間毎に得られた活動電位の最大の振幅値を前記インピーダンス定数修正部への入力情報である活動電位Ｖｋとする、請求項１記載の訓練装置。
【請求項３】
前記インピーダンス定数修正部は、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間毎に得られた活動電位の振幅値の平均を前記インピーダンス定数修正部への入力情報である活動電位Ｖｋとする、請求項１記載の訓練装置。
【請求項４】
前記インピーダンス定数修正部は、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間内で得られた活動電位の積分値を前記インピーダンス定数修正部への入力情報である活動電位Ｖｋとする、請求項１記載の訓練装置。
【請求項５】
前記インピーダンス定数修正部は、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間内で得られた活動電位の波形からＦＦＴによる周波数変換を行ない、そのパワースペクトルを求め、周波数の帯域分布を前記インピーダンス定数修正部への入力情報である活動電位Ｖｋとする、請求項１記載の訓練装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、肢体を動かす訓練装置に関し、特に肢体動作時の筋電（活動電位）を計測し、より高度な訓練を行う医療機器、医学リハビリテーション装置およびスポーツトレーニング装置としての動作を目的とする訓練装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、肢体を動かす目的で、身体の各関節に対応した訓練装置が各種ある。これらの装置は、並進あるいは回転の１自由度を持つ装置により、肢体を動かすようになっているものが多い（例えば、特開昭６０−２３２１５８号「医療装置」、特公平４−１４０２８号「人の関節を動かす装置」、特開昭６１−１７０４６４号「受動運動訓練装置」、特開昭６０−１７９０６２号「手関節の機能回復訓練装置」）。
【０００３】
これらの装置の主な機能として、訓練する関節の過負荷時に装置を一時停止する機能、訓練する関節の角度と負荷の推定機能、屈曲・伸展運動の範囲の設定機能、動作スピード・動作時間の設定機能、安全停止機能などがある。
また、筋力測定・訓練を目的とした装置には、以下のようなものがある。
・ＣＹＢＥＸ  ６０００  サイベックス社
・筋力測定装置  マストランＭＳＴ−２０００  サイベックス社
・ＢＴＥ  Ｄｙｎａｔｒａｃ  日本メディックス社
・筋機能訓練測定装置  ＫＩＮ−ＣＯＭ  ５００Ｈ  チャティクス社
これら装置も同様に、主に回転１自由度を持つ装置により肢体を動かすようになっている。装置の主な機能としては、上述した機能に加えて、装置可動部の訓練負荷（抵抗）の設定機能、訓練条件の設定機能（関節可動域訓練・自動介助訓練・筋力評価訓練など）、訓練中における筋力と関節可動域の表示機能（バイオフィードバック）、平均筋力や最大筋力とその時の関節角度と、体重支持指数（Weight bearing index：大腿四頭筋を体重あたりの筋力で表した指数）の表示機能など各種ある。
【０００４】
一方、筋電の情報をもとに、電動義手の開閉を比例制御する装置がある。
例えば、
・Viennatone Hand オーストリアViennatone社
・Fidelity Hand アメリカ  VA-NU Fidelity社
がある。
【０００５】
これら装置では、切断端残存部の１組の拮抗筋（屈筋群と伸筋群）より得られた筋電をそれぞれ増幅し、整流平滑する。これら信号を差動増幅器により互いに減算し、義手を駆動するＤＣモータの制御信号とし、対象物を保持する。本方式によれば屈筋よりの筋電が大きいときに義手が閉じるようにしておくと、「切断前の感覚」で義手が操作できる。
【０００６】
また、特開昭５７−１７７７３６号は、療法士による障害者の機能回復訓練における微妙な訓練動作とそれに対応する患者の反応動作を相関的なものとして解析し、回復訓練の動作過程を把握して、それに基づいて療法士に代るシミュレータにより障害者の回復訓練を行うものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の肢体を動かす訓練装置は、肢体の運動・筋力に関しての機能だけしかなく、訓練する肢体の筋電までも考慮した機能を持っていない。また、上述した義手のように、筋電の情報を用いて装置の動作を制御するものがあるが、これらは筋電情報をもとに肢体の筋力や関節を動作させる治療・訓練を目的としたものではない。特開昭５７−１７７７３６号は筋電情報をもとに訓練を行なっているが、訓練目的に応じてインピーダンス制御のインピーダンス定数を変えることは行なっていないため、筋力の個人差に対応することはできない。
【０００８】
本発明の目的は、筋力の個人差に対応し、高度な肢体運動が行なえる訓練装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の訓練装置は、
肢体を動かす訓練器と、
肢肢の運動に関係する筋肉上の皮膚に取り付けられた複数の電極と、
前記電極の出力から肢体各部位の骨格筋の活動電位を計測する筋電計測装置と、
あらかじめ設定された、訓練器のインピーダンス制御におけるインピーダンス定数の最小値、最大値をそれぞれＺｓ、Ｚｍとし、訓練の最終目的の活動電位の値をＶｍとしたとき、筋電計測装置で計測された活動電位Ｖｋに対してインピーダンス定数Ｚを
Ｖｋ＜Ｖｍのとき  Ｚ＝｛（Ｚｍ−Ｚｓ）／Ｖｍ｝・Ｖｋ＋Ｚｓ
Ｖｋ≧Ｖｍのとき  Ｚ＝Ｚｍ
のように定めるインピーダンス定数修正部と、インピーダンス定数Ｚで訓練器の動作をインピーダンス制御する制御部を含むコントローラ装置を有する。
【００１０】
本発明は、肢体動作中における各種骨格筋の筋電を計測・フィードバックし、訓練器が訓練者の筋力および訓練目的（インピーダンス定数の最小値、最大値）に応じて動作するので、筋電までも考慮した安全で高度な肢体運動が行える。
本発明の実施態様によれば、インピーダンス定数修正部は、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間毎に得られた活動電位の最大の振幅値をインピーダンス定数修正部への入力情報である活動電位Ｖｋとする。
【００１１】
本発明の実施態様によれば、インピーダンス定数修正部は、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間毎に得られた活動電位の振幅値の平均をインピーダンス定数修正部への入力情報である活動電位Ｖｋとする。
本発明の実施態様によれば、インピーダンス定数修正部は、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間内で得られた活動電位の値の積分値をインピーダンス定数修正部への入力情報である活動電位Ｖｋとする。
【００１２】
本発明の実施態様によれば、インピーダンス定数修正部は、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間内で得られた活動電位の波形からＦＦＴによる周波数変換を行ない、そのパワースペクトルを求め、周波数の帯域分布をインピーダンス定数修正部への入力情報である活動電位Ｖｘとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態の訓練装置の構成図である。本実施形態の訓練装置は、肢体１０６を動かす訓練器１０１と、腹直筋上の皮膚にとりつけられた表面電極１０７ａと、下部背筋群上の皮膚にとりつけられた表面電極１０７ｂと、大腿四頭筋上の皮膚にとりつけられた表面電極１０７ｃと、ハムストリングス上の皮膚にとりつけられた表面電極１０７ｄと、下腿三頭筋上の皮膚にとりつけられた表面電極１０７ｅと、表面電極１０７ａ〜１０７ｅにより各種骨格筋の活動電位（筋電）を計測し、筋電データの加工を行う筋電計測装置１０２と、筋電計測装置１０２の情報を受けて、評価関数に基づいて筋電情報に対してインピーダンス定数Ｚを決定するインピーダンス定数修正部１０３、インピーダンス定数修正部１０３で決定されたインピーダンス定数Ｚで訓練器１０１の動作をコントロールする制御部１０４とを含むコントローラ装置１０５で構成されている。
【００１４】
訓練器１０１は、訓練器土台１０１ａと、訓練器土台１０１ａ上に設置された枠１０１ｂと、枠１０１ｂに設けられたボールスクリュー（不図示）と、コントローラ装置１０５によって制御され、ボールスクリュー１０１ｃを駆動するモータ（不図示）と、ボールスクリューによって枠１０１ｂに沿って往復運動する可動部分１０１ｃと、可動部分１０１ｃを肢体１０６に固定する肢体把持部１０１ｄと、リンク間にフリー軸をはさみ、可動部分１０１ｃの動作につれて動くリンク機構１０１ｅで構成されている。
【００１５】
図２はコントローラ装置１０５のブロック図である。
制御部１０４は、目標軌道に従って訓練器１０１が動作する際に、肢体１０６からの反力Ｆを可動部分１０１ｃと肢体把持部１０１ｄに取り付けられた力センサ（不図示）により測定し、外力Ｆに対する可動部分１０１ｃと肢体把持部１０１ｄの応答が慣性Ｍ、粘性Ｂ、弾性Ｋからなる仮想の機械的インピーダンスを実現するように、訓練器１０１の動きを制御する。仮想インピーダンス定数（Ｍ，Ｂ，Ｋ）から目標軌道ｘｄ（力ゼロにおいて可動部分１０１ｃと肢体把持部１０１ｄの位置がとるべき軌道）に対するインピーダンス制御による偏差δｘをδｘ（ｓ）＝Ｆ（ｓ）／（Ｍｓ2 ＋Ｂｓ＋Ｋ）（ただし、ｓはラプラス演算子）で算出し、この目標軌道ｘｄと偏差δｘとの和を新たな運動指令ｘｒとしてサーボ系に与えることで、肢体１０６に対する訓練器１０１のインピーダンス制御を実現する。
【００１６】
次に、インピーダンス定数修正部１０３において、筋電Ｖｋから評価関数２０１を介してインピーダンス定数Ｚを生成する過程を図３をもとに説明する。ここで、インピーダンス定数Ｚとは、例えば上記仮想バネ定数Ｋである。図３において、Ｚｓはインピーダンス定数Ｚの最小値、Ｚｍはインピーダンス定数Ｚの最大値、Ｖｍは訓練の最終目標である筋電Ｖｋである。
【００１７】
本図は、上記の筋の中で、主要な筋（訓練対象の筋など）の活動電位Ｖｋに対する装置可動部のインピーダンス定数（動作の柔らかさ）Ｚを決定する評価関数２０１のグラフである。定数Ｚｓ，Ｚｍ，Ｖｍは、筋力トレーナー・訓練者等が個人別、訓練メニューに応じて設定し、変更する。
図３において、筋電電位Ｖｋとインピーダンス定数Ｚの関係は、
３０１の領域、すなわちＶｋ＜Ｖｍの時、Ｚ＝｛（Ｚｍ−Ｚｓ） ／Ｖｍ｝・Ｖｋ＋Ｚｓ  （比例関係）
３０２の領域、すなわちＶｋ≧Ｖｍの時、Ｚ＝Ｚｍ  （一定）
に設定されている。このように、目標の筋電Ｖｍが得られるまで、筋電Ｖｋに応じたインピーダンス定数Ｚを設定する。また、Ｖｋ≧Ｖｍの時、Ｚ＝Ｚｍ（一定）としているのは、そのときの訓練中における目標の筋電Ｖｍが得られており、これ以上の筋力を必要としないためである。
【００１８】
上記の方法により、訓練対象者の筋電に応じた装置可動部のインピーダンス定数Ｚが変更でき、個人差に応じた筋力増強訓練が行える。また、自動運動、他動運動（ＣＰＭ）などの訓練目的および訓練対象者別に、筋電に対応した装置可動部のインピーダンス定数Ｚを決定することで、筋電Ｖｋを計測して装置の動作を制御することができる。
【００１９】
なお、インピーダンス定数修正部１０３への入力情報である筋電電位Ｖｋとしては、筋電の振幅値、筋電の平均値、筋電の累積演算結果、筋電の周波数分布が考えられる。
筋電の振幅値をインピーダンス定数修正部１０３への入力情報とする場合では、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間毎で得られる筋電の最大の振幅値を入力とし、図３で示した評価関数２０１により筋電の評価を行う。以後の処理は上記実施形態で述べた方法と同様であり、目的の訓練メニュー（他動運動、自動介助運動、自動運動または抵抗運動など）、訓練者別に応じてインピーダンス制御を用いて訓練器１０１の動作を制御する。
【００２０】
筋電の平均値をインピーダンス定数修正部１０３への入力情報とする場合では、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間毎で得られる筋電の振幅値の平均を入力し、図３で示した評価関数２０１により筋電の評価を行う。以後は同様の制御方法により訓練器１０１の動作を制御する。
筋電の累積演算処理結果をインピーダンス定数修正部１０３への入力情報とする場合では、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間内で得られる筋電値の累積積分を入力し、図３で示した評価関数２０１により筋電の評価を行う。以後は同様の制御方法により訓練器１０１の動作を制御する。
【００２１】
筋電の周波数分布の変移をインピーダンス定数修正部１０３の入力情報とする場合では、訓練動作中において、あらかじめ設定された周期区間内で得られる筋電波形からＦＦＴによる周波数変換を行いそのパワースペクトルを求め、周波数の帯域分布（最大の周波数帯域または平均の周波数帯域）を情報とし、図３で示した評価関数２０１で評価を行う。以後は同様の制御方法により装置の動作を制御する。
【００２２】
なお、インピーダンスＺを変化させることで、訓練器１０１の位置、速度、負荷を可変にすることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、肢体を動かす訓練装置において、訓練者の各種骨格筋を計測し、その筋電を計測することで、筋力の個人差に対応し、高度な肢体運動が効果的に行える効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の訓練装置の概略ブロック図である。
【図２】インピーダンス定数修正部１０３と制御部１０４のブロック図である。
【図３】インピーダンス定数修正部１０３内の評価関数２０１の説明図である。
【符号の説明】
１０１    訓練器
１０２    筋電計測装置
１０１ａ  訓練器土台
１０１ｂ  枠
１０１ｃ  可動部分
１０１ｄ  肢体把持部
１０１ｅ  リンク機構
１０３    インピーダンス定数修正部
１０４    制御部
１０５    コントローラ装置
１０６    肢体（訓練対象）
１０７ａ    腹直筋にとりつけられた電極
１０７ｂ    下部背筋群にとりつけられた電極
１０７ｃ    大腿四頭筋にとりつけられた電極
１０７ｄ    ハムストリングスにとりつけられた電極
１０７ｅ    下腿三頭筋にとりつけられた電極
２０１    評価関数
３０１    インピーダンス定数変更領域
３０２    インピーダンス定数固定領域
Ｖｋ    筋電
Ｚ      インピーダンス定数
【図１】
0004019227.tif 000002
【図２】
0004019227.tif 000003
【図３】
0004019227.tif 000004