(57)【要約】【課題】患者（特に、神経疾患患者）の運動機能障害を、臨床利用可能な検査として成立させることを可能とする３次元動作分析装置を提供する。【解決手段】被験者の身体の部分の複数回の反復往復運動時の当該部分上の１つの定点の位置情報を取得するモーションキャプチャシステムと、前記位置情報を用いて、被験者の反復往復運動の評価値を取得する運動分析手段と、を備え、前記運動分析手段は、前記位置情報を用いて、反復往復運動の正確性を示す第１評価値を取得する第１評価値取得手段、および／あるいは、前記位置情報を用いて、反復往復運動の滑らかさを示す第２評価値を取得する第２評価値取得手段、を有している。【選択図】図１
2016209212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の身体の部分の複数回の反復運動時の当該部分上の１つの定点の位置情報を取得するモーションキャプチャシステムと、
前記位置情報を用いて、被験者の反復運動の評価値を取得する運動分析手段と、
を備え、
前記運動分析手段は、
前記位置情報を用いて、反復運動の正確性を示す第１評価値を取得する第１評価値取得手段、および／あるいは、
前記位置情報を用いて、反復運動の滑らかさを示す第２評価値を取得する第２評価値取得手段、
を有している、運動分析装置。
【請求項２】
前記モーションキャプチャシステムは光学式モーションキャプチャシステムであり、
前記１つの定点は、前記部分に取り付けられた１つの光学式マーカであり、
前記位置情報は、マーカ位置情報である、
請求項１に記載の運動分析装置。
【請求項３】
前記身体の部分は、１本の上肢である、請求項１、２いずれか１項に記載の運動分析装置。
【請求項４】
前記反復往復運動は、上下運動である、請求項３に記載の運動分析装置。
【請求項５】
前記第１評価値取得手段は、
前記位置情報を用いて、複数回の反復運動の各単位運動における各定点軌跡及び前記各定点軌跡の平均定点軌跡を取得し、前記平均定点軌跡からの各定点軌跡の偏差を用いて第１評価値を取得する、
請求項１〜４いずれか１項に記載の運動分析装置。
【請求項６】
前記第１評価値取得手段は、
前記単位運動の軌跡を正規化して正規化軌跡を取得する手段と、
前記正規化軌跡を用いて複数回の単位運動の平均軌跡を取得する手段と、
各正規化軌跡と前記平均軌跡との距離から第１評価値を取得する手段と、
を備えている、請求項５に記載の運動分析装置。
【請求項７】
前記反復運動は、上肢の上下運動であり、
前記単位運動は、上向き運動、下向き運動、である、
請求項５、６いずれか１項に記載の運動分析装置。
【請求項８】
前記第２評価値取得手段は、
前記位置情報を極座標（ｒ(t)，θ(t)，φ(t)）に変換する手段と、
前記反復運動を、極座標θ(t)が直線的に増加ないし減少すると仮定する区間に分割する手段と、
分割した各区間において、極座標θ(t)の近似直線を取得する手段と、
分割した各区間における各極座標θ(t)と前記近似直線との差異を用いて第２評価値を取得する手段と、
を備えている、
請求項１〜７いずれか１項に記載の運動分析装置。
【請求項９】
前記第２評価値取得手段は、
前記位置情報を極座標（ｒ(t)，θ(t)，φ(t)）に変換する手段と、
前記反復運動を、極座標θ(t)が直線的に増加ないし減少すると仮定する区間に分割する手段と、
分割した各区間において、時間的に隣り合う２点の極座標θ(t)の差を用いて第２評価値を取得する手段と、
を備えている、請求項１〜７いずれか１項に記載の運動分析装置。
【請求項１０】
前記反復運動は上肢の上下運動であり、
前記反復運動は、上向き運動と下向き運動の反復運動であり、
前記分割された区間は、下半上向き運動、上半上向き運動、上半下向き運動、下半下向き運動、にそれぞれ対応している、
請求項８、９いずれか１項に記載の運動分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動分析装置に係り、詳しくは、患者の運動機能の評価に適した運動分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モーションキャプチャの医学的な応用分野において、特に神経変性疾患（例えば、ＳＭＡ：脊髄性筋萎縮症）を持った患者の動作の不安定性を評価しようとする試みが、様々な研究機関で行われている。神経変性疾患（例えば、ＳＭＡＩＩ型）において臨床的な効果判定（例えば、薬剤治療やリハビリテーションの効果の評価）を行うためには、適切な評価法が重要となる。
【０００３】
モーションキャプチャによる３次元動作分析を医学的に応用することで運動機能評価のための運動データを取得するが、従来の３次元動作分析は、被験者の体表に多点のマーカを貼付したり、体の一部を固定して計測を行うなど、患者に与える負担が大きく臨床での実用上、問題が多かった。特に、歩行不可能な患者に対しても適用可能な３次元動作分析のニーズもある。また、患者の動作の不安定性を定量的に評価しようとする試みは行われているが（非特許文献１、２）、必ずしも有用な定量化指標が確立されているものではない。特許文献１、２には、３次元動作分析を用いたリハビリテーション評価が開示されているが、上記課題を解決するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０２１１３７号
【特許文献２】特開２０１０−２７３７４６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「単位動作による脳性マヒ児の不自由動作の分析」九州大学  野口宗雄  The Japanese Journal of Psychology 1974, Vol. 45, No. 5, 233-241
【非特許文献２】「加速度計を用いた高齢者歩行の安定性評価」  東京都老人総合研究所  児島基永  バイオメカニズム学会誌、Vol.30,No.3（2006）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、患者（特に、神経疾患患者）の運動機能障害を、臨床利用可能な検査として成立させることを可能とする３次元動作分析装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明が採用した技術手段は、
被験者の身体の部分の複数回の反復運動時の当該部分上の１つの定点の位置情報を取得するモーションキャプチャシステムと、
前記位置情報を用いて、被験者の反復運動の評価値を取得する運動分析手段と、
を備え、
前記運動分析手段は、
前記位置情報を用いて、反復運動の正確性を示す第１評価値を取得する第１評価値取得手段、および／あるいは、
前記位置情報を用いて、反復運動の滑らかさを示す第２評価値を取得する第２評価値取得手段、
を有している、運動分析装置、である。
【０００８】
１つの態様では、運動分析の対象となる前記反復運動は、反復往復運動（上下反復往復動、左右反復往復動、前後反復往復動等）であるが、１方向に連続する反復繰り返し運動であってもよい。
後述する実施形態では、反復運動を行う部位は、１本の上肢であるが、反復運動可能な身体の部分（上肢、下肢を含む体肢、体幹、頭等を含む）であればよい。
後述する実施形態では、上肢の上下運動について分析するが、反復運動の部位や方向（上下、水平等）は限定されず、上肢の上下運動の他に、下肢の前後方向のスイング動作（下肢の振り上げ）、上肢の前後方向のスイング動作、上肢の水平方向のスイング動作、上体の左右揺動等が挙げられる。
後述する実施形態では、上肢の上下運動について第１評価値、第２評価値を取得するが、他の部位の反復運動の運動データに基づいて、第１評価値、第２評価値を算出することが可能である。また、対象となる反復運動に依存して、例えば、第２評価値の有意性が低いような場合であっても、第１評価値を用いて運動機能を評価することができる。
【０００９】
１つの態様では、前記モーションキャプチャシステムは光学式モーションキャプチャシステムであり、
前記１つの定点は、前記部分に取り付けられた１つの光学式マーカであり、
前記位置情報は、マーカ位置情報である。
本発明では、身体の所定の部分上のある１点の時系列位置情報が得られればよいので、モーションキャプチャシステムの種類は限定されず、光学式マーカを利用したモーションキャプチャシステムの他にも、慣性センサを用いるモーションキャプチャシステムを用いてもよい。ものを含む。
【００１０】
１つの態様では、  前記身体の部分は、１本の上肢である。
１つの態様では、前記反復運動は、上肢の上下運動である。
上肢の上下運動は、「上向き運動」、「下向き運動」の２つの単位運動に抽出することができる。
さらに、上向き運動、下向き運動は、それぞれ、「下半上向き運動」、「上半上向き運動」、「上半下向き運動」、「下半下向き運動」に分けられる。
【００１１】
１つの態様では、前記第１評価値取得手段は、
前記位置情報を用いて、複数回の反復往復運動の各単位運動における各定点軌跡及び前記各定点軌跡の平均定点軌跡を取得し、前記平均定点軌跡からの各定点軌跡の偏差を用いて第１評価値を取得する。
【００１２】
１つの態様では、前記第１評価値取得手段は、
前記単位運動の軌跡を正規化して正規化軌跡を取得する手段と、
前記正規化軌跡を用いて複数回の単位運動の平均軌跡を取得する手段と、
各正規化軌跡と前記平均軌跡との距離から第１評価値を取得する手段と、
を備えている。
第１評価値（各正規化軌跡と前記平均軌跡との距離）は、軌跡を形成する多点（例えば、１００）の対応する点間の距離を足し合わせることで得られる。
１つの態様では、前記合計距離を、各軌跡長で除算して得られた値を第１評価値とする。
１つの態様では、前記反復運動は、上肢の上下運動であり、前記単位運動は、上向き運動、下向き運動、である。
単位運動（上向き運動、下向き運動）毎に得られた第１評価値を用いてもよく、あるいは、単位運動毎に得られた第１評価値を合算した値を反復運動（上下運動）の第１評価値として採用してもよい。
【００１３】
１つの態様では、前記第２評価値取得手段は、
前記位置情報を極座標（ｒ(t)，θ(t)，φ(t)）に変換する手段と、
前記反復運動を、極座標θ(t)が直線的に増加ないし減少すると仮定する区間に分割する手段と、
分割した各区間において、極座標θ(t)の近似直線を取得する手段と、
分割した各区間における各極座標θ(t)と前記近似直線との差異を用いて第２評価値を取得する手段と、
を備えている。
【００１４】
１つの態様では、前記第２評価値取得手段は、
前記位置情報を極座標（ｒ(t)，θ(t)，φ(t)）に変換する手段と、
前記反復運動を、極座標θ(t)が直線的に増加ないし減少すると仮定する区間に分割する手段と、
分割した各区間において、時間的に隣り合う２点の極座標θ(t)の差を用いて（例えば、差の分散を用いて）第２評価値を取得する手段と、
を備えている。
時間的に隣り合う２点の差は、近似直線上にある場合は、一定値となり傾きと対応する。差の平均値が近似直線の傾きを示す。近似直線との差を用いずに、隣り合う２点の差の分散を使用してもよい。
【００１５】
１つの態様では、前記反復運動は上肢の上下運動であり、
前記反復運動は、上向き運動と下向き運動の反復運動であり、
前記分割された区間は、下半上向き運動、上半上向き運動、上半下向き運動、下半下向き運動、にそれぞれ対応している。
上下運動におけるこれらの各区間では、健常者において、極座標θが一次関数的に増加・減少することが確認されている。他の反復運動において、極座標θが一次関数的に増加・減少する区間毎に運動を分割することで、第２評価値を取得することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、身体の部分の繰り返し反復運動という簡単な運動を行い、運動データを解析することで、被験者に負担をかけずに、運動機能の不安定性を定量化することができる。
反復運動は、例えば、上肢の上下運動であり、歩行不可能な患者（例えば、ＳＭＡＩＩ型、Ｉ型）の運動解析を行うことができる。
運動データの計測は、検査時の貼付マーカを１個とし、必要最小限の計測環境で行うことができ、患者に貼付するマーカを1個とすることで、患者への負担を低減し検査時間の短縮が可能となる。さらに、装置の構成がシンプルであり、従来の動作分析に比べ計測用の機材（カメラ等のセンサー）も少なくて済むためコストパフォーマンスも高い。
【００１７】
本発明にける新規評価指標である第１評価値、第２評価値は、単一の定点（マーカ）の３次元位置の時系列データに基づいて、軽量の計算で取得できるものでありながら、運動機能の不安定性を定量化でき、第１評価値、第２評価値は、運動機能の不安定性を有意差を持って評価することができる。
【００１８】
第１評価値、第２評価値は、共通する計測データを用いて取得されるものであるが、第１評価値は、反復運動を複数回（例えば、１０回）行った上で、そのばらつき具合を見るのに対して、第２評価値は、一回の動作毎に計測がなされる。すなわち、第１評価値では、複数回（例えば１０回）の上下動作の完遂が必須条件になるが、例えば、第１評価値が必ずしも有効でない場合（１０回も上下動作できない患者や、故意に運動を不正確にする患者など）が起こり得るため、同じ計測データから算出される第２評価値を取得することは有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る運動解析装置のモーションキャプチャを示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る運動解析装置の運動解析手段（第１評価取得手段）による第１評価値取得を示すフロー図である。
【図３】本実施形態に係る運動解析装置の運動解析手段（第２評価取得手段）による第２評価値取得を示すフロー図である。
【図４】評価基準としての「運動の正確性」の概念図である。
【図５】評価基準としての「運動のスムーズさ」の概念図である。
【図６】本実施形態に係る上肢の上向き動作、下向き動作、及び、上肢の上下運動時の被験者の向きを示す。
【図７】仮想半円運動における軌跡（上下運動１０回の重ね合わせ）を示す図である。
【図８】仮想半円運動を各３軸で見た図である。
【図９】成人上肢運動における軌跡（上下運動１０回の重ね合わせ）を示す図である。
【図１０】図９に係る成人上肢運動を各３軸で見た図である。
【図１１】成人上肢運動における軌跡（上下運動１０回の重ね合わせ、重り負荷あり）を示す図である。
【図１２】図１２に係る成人上肢運動を各３軸で見た図である。
【図１３】成人上肢運動におけるマーカの位置ベクトルの時間推移を各３軸で見た図である。
【図１４】マーカの位置ベクトルから得られた移動ベクトルの時間推移を各３軸で見た図である。
【図１５】移動ベクトルから得られた極座標の時間推移を各３軸で見た図である。
【図１６】極座標系を示す図である。
【図１７】２番目の上下運動から抽出された上向き運動、下向き運動の正規化された軌跡を示す。
【図１８】２番目から９番目の各軌跡（淡色）から得られた平均軌跡（濃色）を示す。
【図１９】各軌跡（２番目から９番目）の平均軌跡からの距離（第１評価値）を示す。
【図２０】各軌跡（２番目から９番目）について、平均軌跡からの距離の合計（第１評価値）を示す。
【図２１】平均軌跡からの距離の合計（第１評価値）を、被験者間で比較して示す図である。
【図２２】被験者毎のマーカ軌跡長を示す図である。
【図２３】被験者毎に、平均軌跡からの距離の合計を軌跡長で除算して得られた第１評価値を示す。
【図２４】極座標θの近似直線を示す。
【図２５】被験者の２回目から９回目の上向き運動と下向き運動のそれぞれにおける第２評価値(DiVa)を示す。
【図２６】被験者毎の第２評価値 (DiVa)を比較して示す。
【図２７】成人男性の第１評価値 (SpVa)の解析結果を示す。
【図２８】成人男性の第２評価値 (DiVa)の解析結果を示す。
【図２９】対象毎に取得した軌跡の平均からの偏位である第１評価値（SpVa）の比較を示す。正常では偏位の程度が非常に少ないが、SMA2患児では偏位は明らかに大きい。
【図３０】軌跡の平均からの偏位について、治療前、治療後で比較して示す。TRH治療４週間の前後での比較では、治療後の偏差は明らかに減少している。
【図３１】運動方向のベクトルの変化について示す。正常では、時間毎の偏位の程度が非常に小さいが、SMA患児では偏位が明らかな大きくぎこちなさを反映している。
【図３２】対象毎に取得した方向ベクトルの偏位である第２評価値（DiVa）を示す。正常では偏位の程度が非常に少ないが、SMA2患児では偏位は明らかに大きい。
【図３３】運動方向のベクトルの変化について、治療前、治療後で比較して示す。治療後の偏差は明らかに減少し、よりスムーズな運動に変化している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［Ａ］運動分析装置の概要
［Ａ−１］ハードウェア構成
運動分析装置は、被験者の運動時に、当該被験者の運動情報を取得するモーションキャプチャシステムと、前記運動情報を用いて、被験者の運動機能を評価する運動分析手段と、を備える。本実施形態は、被験者の上肢の運動機能の評価を行うことで、歩行不可能な患者にも適用できるようになっている。モーションキャプチャシステムは、被験者の上肢の連続繰り返し上下運動時に、上肢上の１つの定点の位置情報を取得する。１つの定点の位置情報は、当該定点の３次元座標の時系列データである。運動分析手段は、１つの定点の３次元座標の時系列データを用いて、被験者の上肢の運動機能を評価する評価値を取得する。
【００２１】
モーションキャプチャシステムや運動分析手段における各種計算は、汎用コンピュータ（データを入力するための入力部、処理されたデータを出力するための出力部、データを表示する表示部、主としてＣＰＵから構成される演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶部、これらを接続するバス、コンピュータに所定の処理を実行させるために記憶部に格納された所定のプログラム、等を備えている）から実現することができる。すなわち、図１に示すように本実施形態に係る運動分析装置のハードウェア構成は、複数台のカメラと、コンピュータからなる処理部と、から構成される。
【００２２】
［Ａ−２］モーションキャプチャシステム
本実施形態では、モーションキャプチャシステムは光学式モーションキャプチャシステムである。光学式モーションキャプチャシステムは、被験者の上肢の所定部位（例えば、肘）に装着した１つの光学式マーカ（例えば、赤外線反射マーカ）と、光学式マーカを装着した被験者の上肢の上下運動を複数角度から同時に撮影する複数台のカメラと、各カメラで取得したマーカの画像情報中のマーカの２次元位置を再構成して当該マーカの３次元位置を計算し、上肢の上下運動に伴う光学式マーカの３次元位置の時系列データを取得する処理部と、からなる。なお、モーションキャプチャシステムは光学式マーカを用いた光学式モーションキャプチャシステムに限定されるものではなく、上肢上のある１点の３次元座標の時系列データを取得できるものであれば、その他のモーションキャプチャシステム、例えば、上肢の所定位置に取り付けた慣性センサ（３軸加速度センサ、３軸角速度センサ、磁気センサを含む６軸センサや９軸センサ等）を用いたモーションキャプチャシステムや、ドットパターン投影方式等を用いたマーカレスのモーションキャプチャシステムでもよい。また、本実施形態では、上肢の運動情報を、１つの定点を移動軌跡によって代表するものであり、上肢のある点と光学式マーカの位置（例えば球状マーカの中心）や慣性センサの位置（センサ中心）との相対的な位置関係を考慮することなく、光学式マーカの位置情報や慣性センサの位置情報をそのまま用いることができる。
【００２３】
［Ａ−３］座標軸の取り方
被験者の上肢の上下運動時のマーカ位置を規定する座標系を図６に示す。被験者は、ｘ軸の負方向に向いた状態で上肢の上下運動を行う。真下位置から上肢を上向きに運動すると、上肢はｘ軸の負方向に移動することで、ｚ座標値は真下位置から水平位置に至るまで徐々に小さくなり、水平位置から上向きの運動において、上肢がｘ軸の正方向に移動することで、真上位置に至るまでに徐々に大きくなる。
【００２４】
被験者の上肢の肘に赤外線反射マーカを貼り付け、被験者の上肢の上下運動を複数のカメラで同時に取得し、取得された複数のカメラ画像からマーカ位置を抽出し、同時刻毎に３次元再構成してマーカの位置情報（３次元座標）の時系列データを取得する。各カメラ画像、各カメラ画像において抽出されたマーカ位置、算出されたマーカの３次元位置情報の時系列データは、運動分析装置の記憶部に記憶される。この座標軸の取り方は例示であって、これに限定されるものではない。
【００２５】
［Ａ−４］評価基準の導入
運動分析手段は、マーカの３次元位置情報の時系列データを用いて、被験者の上肢の上下運動を分析する。評価基準として、「運動の繰り返し正確性（図４）」」、「運動のスムーズさ、すなわち滑らかさ（図５）」を導入する。
【００２６】
このような評価基準を導入するに至った背景について述べる。先ず、理想的な仮想半円運動における軌跡（上下運動１０回の重ね合わせ）を図７に示すと共に、３軸毎の動きを図８に示す。ｘ座標値の動きは、一定の繰り返し（往復動）であり、ｙ座標値はぶれが無く一定であり、ｚ座標値の動きは上下の繰り返しである。
【００２７】
成人の上肢の上下運動における軌跡（上下運動１０回の重ね合わせ）を図９に示すと共に、３軸毎の動きを図１０に示す。図９に示すように、仮想運動に近い正確かつスムーズな動きとなっている。図１０に示すように、ｙ座標値は、幾分左右へ変動するものの、ｘ座標値の動き、ｚ座標値の動きは、仮想運動の動きに近い。
【００２８】
次いで、成人の上肢の上下運動における軌跡（上下運動１０回の重ね合わせ、重り負荷あり）を図１１に示すと共に、３次元各軸から見た動きを図１２に示す。図９、１０と図１１、１２を比較すると明らかなように、負荷が無い場合に比べて、正確性、スムーズさにおいて減少が見られる。ｘ座標値の動き、ｙ座標値の動き、ｚ座標値の動きは、いずれの場合においても、負荷が無い場合に比べて、変動の増加が見られる。
【００２９】
本発明者等は、このような上下運動に伴う差異を、「運動の繰り返し正確性ないし再現性」、「運動のスムーズさ、すなわち滑らかさ」という評価基準で捉え、これを定量化することを考えた。
【００３０】
「運動の繰り返し正確性」は、第１評価値取得手段によって第１評価値（SpDv:Spatial Deviation）として取得される。複数回の上下反復動作を繰り返すと、図４に示すように、複数のマーカ移動軌跡が得られる。理想的な反復動作は同じ軌跡を辿るが、正常な被験者であっても、各上下動の軌跡はバラツクことになる。このバラツキを定量化する。図４に太線で示すように平均軌跡を求め、各軌跡（細線）の平均軌跡からの距離（典型的には、各軌跡について得られた距離を合計する）を第１評価値とする。いわば、複数回の軌跡が占める湾曲チューブの体積であると言い換えてもよい。
【００３１】
より具体的には、第１評価値の取得には、マーカの３次元座標の位置情報が用いられる。上下運動を連続して繰り返し行って、マーカの位置情報の時系列データを取得し、複数回の連続上下運動から、個々の単位運動、すなわち、１回の上向き運動、１回の下向き運動を抽出する。抽出された複数回の上向き運動の座標空間上の平均軌跡を求める。各上向き運動の平均軌跡からの距離を算出する。算出された距離を、偏位の指標として第１評価値とする。理想的な仮想的運動では、軌跡は常に一定の位置を取り、その偏差は０である。抽出された複数回の下向き運動についても、同様に、距離を算出して第１評価値を算出する。
【００３２】
「運動の滑らかさ」は、第２評価値取得手段によって第２評価値（DiVa: Direction Variance）として取得される。図５に示すように、上下運動は、移動ベクトルの方向が近い（概ね同じ方向である）２つの区間から形成されている。上向き運動においては、ほぼ真下からほぼ真横まで上肢を移動させる時の第１区間と、ほぼ真横からほぼ真上まで上肢を移動させる時の第２区間と、からなる。第１区間においては、時間的に隣接する２つの点の移動ベクトルの差異は小さく、同様に、第２区間においては、時間的に隣接する２つの点の移動ベクトルの差異は小さい。
【００３３】
具体的には、第２評価値の取得では、マーカの３次元空間座標を極座標に変換し、極座標θに着目する。極座標θは、ｘｙ面からの角度を表す移動ベクトルの成分である。ある時間の移動ベクトルのθ成分と次の時間の移動ベクトルのθ成分との差を求める。繰り返し運動における移動ベクトルのθ成分のズレの平均を求めて、方向偏位の指標として表す。理想的な仮想運動では、常に一定の移動ベクトル成分θをとり、その偏差は０である。
【００３４】
［Ｂ］運動分析手段
［Ｂ−１］前処理
第１評価値の取得、第２評価値の取得のための前処理について説明する。算出されたマーカの位置情報の時系列データは、位置ベクトルの時間推移として表される（図１３参照）。図１３では、上からｘ座標の推移、ｙ座標の推移、ｚ座標の推移となっている。上向き運動、下向き運動は交互に連続して繰り返される。本実施形態では、Ｎ回の繰り返し上下運動についてデータを取得した場合に、第１回と第Ｎ回のデータは分析に用いない。すなわち、連続１０回の上下運動データにおいて、第２回から第９回のデータを用いて分析を行う。また、例えば、１回の上下運動は２００点の位置ベクトルからなり、上向き運動が１００点の位置ベクトルからなる移動軌跡、下向き運動が１００点の位置ベクトルからなる移動軌跡となる。
【００３５】
位置ベクトルの時間推移から移動ベクトルを算出する。時刻ｔにおけるマーカ位置をベクトル表示すると、
2016209212.tif 000003
となる。
時間軸で隣接する２点のマーカ位置を結ぶベクトルが、移動ベクトル
2016209212.tif 000004
である。移動ベクトルを図１４に示す。
【００３６】
マーカ位置情報を、極座標へ変換する。極座標への変換自体は公知なので、詳細な説明は省略する。極座標ｒは、移動ベクトルの速度を表す成分であり、被験者毎に異なり得る。極座標φは、被験者に指示される運動の種類や反復繰り返し正確性に依存する成分である。極座標θは、ｘｙ面からの角度を表す移動ベクトルの成分であり、重力に対する被験者の制御性を示す。
2016209212.tif 000005
極座標を軸毎に図１５に示すと共に、極座標の座標軸を図１６に示す。なお、本実施形態において、マーカ位置の極座標は、第２評価値の算出に用いられるものであり、第１評価値の算出には用いない。
【００３７】
連続して取得した繰り返し上下運動から、上向き運動、下向き運動を抽出する。ｉ回目の上向き運動が行われた時間区分をtupi、下向き運動が行われた時間区分をtdowni、とする。
上向き運動区間は、
2016209212.tif 000006
下向き運動区間は、
2016209212.tif 000007
となる。
本実施形態では、Ｗ＝３０、ａ＝０．７、ｉ＝２，．．．９、である。Ｗ、ａの値については、当業者において適宜設定され得る（例えば、トライアルアンドエラーによって取得する）。Ｍｅｄｉａｎ（ａ：ｂ）は中央値を返す。
【００３８】
中央値は、数列
2016209212.tif 000008
を小さい準に並べ替えたもの
2016209212.tif 000009
において、
2016209212.tif 000010
で算出される。
【００３９】
上下運動を、さらに、４つの区間に分ける。
第１区間は、上肢の上向き運動において、ほぼ真下からほぼ真横に来るまでの区間で、
2016209212.tif 000011
である。
第２区間は、上肢の上向き運動において、ほぼ真横からほぼ真上に来るまでの区間で、
2016209212.tif 000012
である。
第３区間は、上肢の下向き運動において、ほぼ真上らかほぼ真横に来るまでの区間で、
2016209212.tif 000013
である。
第４区間は、上肢の下向き運動において、ほぼ真横からほぼ真下に来るまでの区間で、
2016209212.tif 000014
である。
【００４０】
区切りとなる時点は、移動ベクトルのｚ要素が上昇中に最も大きい時点、下降中に最も小さい時点とする。例えば、Ｗ´＝３。
2016209212.tif 000015
上向き運動において、上肢がほぼ真下にある初期位置からほぼ真横の位置まで加速度（ベクトル）が大きくなり、上肢がほぼ真上にある位置（下向き運動の初期位置）まで加速度（ベクトル）が小さくなる。下向き運動において、上肢がほぼ真上にある初期位置からほぼ真横の位置まで加速度（ベクトル）が小さくなり、上肢がほぼ真下にある位置（上向き運動の初期位置）まで加速度（ベクトル）が大きくなる。
【００４１】
上肢の上下運動を単位運動に分けると、先ず、「上向き運動」と「下向き運動」の２つに分けられる。この単位運動は、第１評価値の取得に用いられる。さらに、「上向き運動」、「下向き運動」は、それぞれ、「下半上向き運動」、「上半上向き運動」、「上半下向き運動」、「下半下向き運動」の４つの単位運動に分けられる。この４つの単位運動は、第２評価値の取得に用いられる。
【００４２】
［Ｂ−２］第１評価値取得手段
図２を参照しつつ、第１評価値の取得手順について説明する。第１評価値は、以下の手順によって取得される。
１．各軌跡の正規化
２．平均の軌跡の算出
３．各軌跡の平均軌跡からの距離を算出し、合算
４．各軌跡の長さを算出
５．合算距離を軌跡長で除算
【００４３】
上向き運動、下向き運動のそれぞれを線形補間によって正規化し、各運動区間を１００点の位置ベクトルで統一する。
2016209212.tif 000016
図１７に、２番目の上向き運動、下向き運動として抽出された区間で正規化されたマーカ移動軌跡を示す。
【００４４】
次いで、正規化された軌跡の平均軌跡を算出する。平均軌跡は、以下の式によって算出することができる。
2016209212.tif 000017
２〜９番目の軌跡から得られた平均軌跡を図１８に示す。
【００４５】
各軌跡の平均軌跡からの距離を算出する。すなわち、各軌跡及び平均軌跡を構成する１００点の対応する点同士の距離を算出する。
2016209212.tif 000018
各軌跡（第２回〜第９回）の平均軌跡からの距離（第１評価値）を図１９に示す。
【００４６】
次いで、軌跡毎に、平均軌跡からの距離の合計を計算する。
2016209212.tif 000019
結果を図２０に示す。また、異なる被験者についての第１評価値の比較を図２１に示す。
【００４７】
各軌跡の長さを計算する。
2016209212.tif 000020
図２２に、異なる被験者についての軌跡長を示す。
【００４８】
最後に、平均軌跡からの距離の合計を軌跡長で除算して第１評価値を得る。
2016209212.tif 000021
図２３に、異なる被験者についての第１評価値を示す。なお、軌跡長を用いたスケーリングは、他者の評価値と比較する場合には必要であるが自己の評価値（例えば、治療前後）の比較には必ずしも必須ではない。
【００４９】
［Ｂ−３］第２評価値取得手段
図３を参照しつつ、第２評価値の取得手順について説明する。第２評価値は、以下の手順によって取得される。
１．極座標θについて、４区間でそれぞれ近似直線を算出する。
２．近似直線からの各点の距離の二乗を計算する。
【００５０】
前処理として、マーカ位置情報に基づいてマーカの極座標が得られており、上肢の上下運動が４つの区間（「下半上向き運動」、「上半上向き運動」、「上半下向き運動」、「下半下向き運動」）に分割されている。本発明者等は、上下運動を解析する過程で、上記４つの各区間において、健常者では、極座標θが一次関数的に増加・減少することを見出した。マーカの時系列の位置情報を極座標表示して、成分θに着目することによって、上肢の円状の上下運動を、直線として扱うことが可能となった。ｉ回目の上下運動tupi、分をtdowniの４区間のそれぞれに対して、極座標θの近似直線を作成する。近似曲線の１つを図２４に示す。
【００５１】
近似直線と各点との差異（residuals）の平均を算出する。
2016209212.tif 000022
θ´はθの同時点における近似直線上の点を表し、NQは集合Qの要素数を示す。
【００５２】
被験者の２回目から９回目の上向き運動と下向き運動のそれぞれにおいて、θの近似直線からの平均距離を足し合わせて第２評価値を得る。これを図２５に示す。さらに、図２６に、被験者毎の第２評価値を比較して示す。なお、例えば、成人２名が１０回の上下運動を試行回数３で計測した場合には、成人の項目には、８回×３試行×２名＝４８点が含まれる。
【００５３】
［Ｃ］評価値の有用性
図２７に、成人男性の第１評価値（負荷無し、負荷有り）の解析結果を対比して示す。図２８に、成人男性の第２評価値（負荷無し、負荷有り）の解析結果を対比して示す。図２７、図２８から明らかなように、第１評価値、第２評価値は、共に、図９、図１０（負荷無し）と、図１１、図１２（負荷有り）に示す差異を有意水準５％で定量的に表している。
【００５４】
図２９に、被験者毎に取得した第１評価値を比較して示す。正常コントロールでは偏位の程度が非常に少ないが、特にSMA2患児では偏位は明らかに大きい。図３０は、第１評価値について、治療前、治療後で比較して示す。TRH治療４週間の前後での比較では、治療後の偏差は明らかに減少している。図３１は、運動方向のベクトルの変化について示す。正常では、時間毎の偏位の程度が非常に小さいが、特にSMA2患児では偏位が明らかな大きくぎこちなさを反映している。図３２に、被験者毎に取得した第２評価値を比較して示す。正常コントロールでは偏位の程度が非常に少ないが、SMA2患児では偏位は明らかに大きい。図３３に、第２評価値の変化について、治療前、治療後で比較して示す。治療後の偏差は明らかに減少し、よりスムーズな運動に変化している。このように、本実施形態では、体表に貼付された1個のマーカを計測し繰り返し動作を計測することで、その軌跡や速度ベクトルの再現性を評価し、神経疾患による運動機能障害を簡便に定量化できることが示された。
【図２】
2016209212.tif 000023
【図３】
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【図６】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2016209212.tif 000031
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
2016209212.tif 000038
【図３０】
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【図３２】
2016209212.tif 000040
【図１】
2016209212.tif 000041
【図４】
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【図５】
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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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１８】
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【図３１】
2016209212.tif 000054
【図３３】
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