(57)【要約】【課題】失調症状で生じる患肢の異常な運動成分を能動的に抑制し、高齢者が困難なく持ち上げられる重さに装置重量を抑えながら、日常生活動作を行うために必要十分な運動失調症状の軽減効果を有する円環型装置を提供すること。【解決手段】本発明は、ユーザの運動失調症状を軽減する装置であって、第１の錘と、第２の錘と、前記ユーザの失調運動の情報を取得する手段と、前記取得した失調運動の情報に基づいて、患肢の加速度の失調運動成分を打ち消すように、前記第１の錘および前記第２の錘を駆動させる手段とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの運動失調症状を軽減する装置であって、
第１の錘と、
第２の錘と、
前記ユーザの失調運動の情報を取得する手段と、
前記取得した失調運動の情報に基づいて、患肢の加速度の失調運動成分を打ち消すように、前記第１の錘および前記第２の錘を駆動させる手段と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記装置に対する、加速度と、速度と、位置との情報を取得する手段と、
前記ユーザの運動開始を検出する手段と、
前記患肢が目標に到達したか否かを判定する手段と
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の錘および前記第２の錘は、同じ加速度で互いに逆周りに動くことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動失調症状を呈する患者の四肢の運動失調を改善する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
運動失調は、脳血管障害、脊髄小脳変性症、末梢神経障害などの疾患を原因として生じる神経症状の一つであり、症状の発現後は通常、慢性の経過をたどる。運動失調症状を来たす疾患はいずれも根治的な治療が困難である場合が多く、患者はリハビリなどを通じて身体機能低下を防ぎながら、運動失調症状と長く付き合わねばならない。
【０００３】
運動失調を来たした患者の四肢の運動は、目標に向かう途中でオーバーシュートとアンダーシュートとを繰り返し、ジグザグな軌道を描く。その原因としては、開始した四肢の運動を目標位置で制止する際に、主働筋の収縮の持続時間が長すぎることと、拮抗筋の収縮の開始までの潜時が長すぎることとの二点が知られている。主働筋の収縮の持続時間が長すぎる問題に対しては、手首・足首などの四肢遠位に５００グラムから１キログラム程度の錘を装着し、四肢の慣性を増加させることで、一定の運動失調の軽減効果が期待できる。経験的にも、四肢に錘を装着すると、特に動きの遅いゆっくりした運動の正確さが改善し、日常生活における運動失調症状が軽減されることが知られており、運動失調を呈する患者のリハビリや日常生活動作において使われてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｃｈａｓｅ  ＲＡ，  Ｃｕｌｌｅｎ  ＪＫ  Ｊｒ，  Ｓｕｌｌｉｖａｎ  Ａ，  Ｏｍｍａｙａ  ＡＫ．  “Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎｔｅｎｔｉｏｎ  ｔｒｅｍｏｒ  ｉｎ  ｍａｎ”，  Ｎａｔｕｒｅ．１９６５  Ｍａｙ  １；２０６（９８３）：４８５−７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
運動失調における骨格筋収縮において、拮抗筋の収縮開始が遅い問題に対しては、従来有効な解決策がなく、特に速度の速い運動を正確に行うことは、運動失調症状を持つ患者にとっては困難であった。また、従来よりリハビリで用いられている四肢遠位に装着する錘（非特許文献１参照）は、主働筋の収縮の持続時間が長すぎる問題に対処するものであったが、失調症状を呈した四肢の運動の軌道のゆらぎを完全に抑えることはできず、また日常生活動作の改善を達成するためには、錘の重さを重くしなければならないため、特に高齢の患者が用いるには負担の大きな装具であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ユーザの運動失調症状を軽減する装置であって、第１の錘と、第２の錘と、前記ユーザの失調運動の情報を取得する手段と、前記取得した失調運動の情報に基づいて、患肢の加速度の失調運動成分を打ち消すように、前記第１の錘および前記第２の錘を駆動させる手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、失調症状で生じる四肢の異常な運動成分を抑制し、高齢者を含むユーザが困難なく持ち上げられる重さに装置重量を抑えながら、日常生活動作を行うために必要十分な運動失調症状の軽減効果を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１に係る運動失調軽減装置の構成図
【図２】実施例１に係る運動失調軽減装置のハードウェア構成を示すブロック図
【図３】実施例１に係る運動失調軽減装置のソフトウェアモジュールの構成を示すブロック図
【図４】実施例１に係る運動失調軽減装置における運動失調を呈する患肢の運動を安定化させる際の制御の流れを示すフローチャート
【図５】実施例１における装置動作時の典型的なリニアモーターの駆動方法の説明図
【図６】実施例１における装置動作時の患肢および可動錘の位置の時間変化の一例、ならびに、患肢および可動錘の速度の時間変化の一例
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【実施例１】
【００１０】
本実施例では、運動失調を呈する上肢を持つ患者が座位または立位で上肢を伸長する際に生じ得る、肩関節が内旋あるいは外旋する方向への失調運動、および運動失調を呈する下肢を持つ患者が立位で股関節を屈曲し、下肢を前方に出し歩行運動をする際に生じ得る、股関節が内転あるいは外転する方向への失調運動を軽減するための装置について説明する。
【００１１】
図１は、本実施例に係る運動失調軽減装置の構成を説明するための図であり、図１（ａ）は運動失調軽減装置の斜視図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は平面図である。図１（ａ）に示すように、運動失調軽減装置は、患者が手首や足首を通すことが可能な円環構造を有する。
図１（ｄ）は図１（ｂ）の切断線ａ−ａ’における断面図、図１（ｅ）は図１（ｃ）の切断線ｂ−ｂ’における断面図である。
運動失調軽減装置は、外壁４と内壁５の間の空間を、外壁４の内周部および内壁５の外周部に沿って運動できる、第一の可動錘３ａおよび第二の可動錘３ｂを備える。図１（ｄ）に示すように、外壁４の内周部には永久磁石１ａが等間隔に配置され、また、内壁５の外周部には永久磁石１ｂが等間隔に配置される。第一の可動錘３ａには第一のリニアモーター２ａが内蔵され、第二の可動錘３ｂには第二のリニアモーター２ｂが内蔵されている。リニアモーターによって駆動される可動錘３ａおよび可動錘３ｂは、互いに干渉することなく全周運動ができるよう、独立のレーン（図示せず）の上を動く。
【００１２】
内壁５には手首あるいは足首を通す穴が開いており、装着後に患肢に対してずれたり回転したりしないように留め具で固定できる。また内壁５には加速度センサー７を有する制御回路６が埋め込まれている。
【００１３】
図２は、本実施例に係る運動失調軽減装置のハード構成を示すブロック図である。運動失調軽減装置は制御回路６を備え、制御回路６は、ＣＰＵ２０１と、ＲＡＭ２０２と、ＲＯＭ２０３と、加速度センサー７と、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）コントローラ２０４とを備える。これらの構成要素は共通のバスを介して互いに接続されている。ＣＰＵ２０１、ＲＡＭ２０２、およびＲＯＭ２０３は、互いにデータを送受信することが可能である。ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ２０３に格納されている各種プログラムをＲＡＭ２０２に展開し、当該展開したプログラムを実行する。これによりＣＰＵ２０１は、各構成要素を統括的に統御し、運動失調軽減装置を動作させる。
ＣＰＵ２０１はＲＡＭ２０２上に展開されたプログラムを実行する過程で、加速度センサー７を制御し、加速度の方向と大きさとを示すデータを取得する。当該取得したデータは、ＲＡＭ２０２に保存される。
また、ＣＰＵ２０１はＲＡＭ２０２上に展開されたプログラムを実行する過程で、二つのリニアモーター２ａおよびリニアモーター２ｂに与える周期的矩形波電流のＰＷＭデューティー値をリアルタイムで計算し、ＲＡＭ２０２上に保存する。
ＲＯＭ２０３には、患肢のモデル軌道リストが記録されている。患肢のモデル軌道は、上肢あるいは下肢を目標に到達させる際の手首あるいは足首の軌跡を、モーションキャプチャー技術を用いて複数の健常人で測定し、平均化することであらかじめ求めておく。健常人が上肢あるいは下肢を目標に向かって動かす際のモデル軌道は、目標の位置ごとに一つ存在するため、モデル軌道は複数の軌跡のリストとなる。なお、健常人の手足のモデル軌道には、運動の開始直後短時間の軌跡がわかれば、その後の目標へ至る軌道を特定できるという特性がある。
ＰＷＭコントローラ２０４は、ＲＡＭ２０２上に保存されたＰＷＭデューティー値を読み取って、周期的矩形波信号を発生し電流ドライバ２０５に供給して、電流ドライバ２０５を制御する。電流ドライバ２０５は、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成されるＨブリッジ回路であり、ＰＷＭコントローラ２０４から受け取った周期的矩形波信号に基づき、周期的矩形波電流を発生させ、リニアモーター２ａおよびリニアモーター２ｂに供給する。リニアモーター２ａおよびリニアモーター２ｂは、ＰＷＭコントローラ２０４から供給された電流により駆動される。
【００１４】
図３は、本実施例に係る運動失調軽減装置のソフトウェアモジュールの構成を示すブロック図である。運動失調軽減装置は、加速度情報取得部３０１と、失調運動検出部３０２と、運動開始検出部３０３と、目標到達判定部３０４と、ＰＷＭ制御部３０５とを備える。
加速度情報取得部３０１は、加速度センサー７を制御して加速度の方向と大きさとを示すデータを取得する。また加速度情報取得部３０１は、当該取得した加速度値を積分し、運動失調軽減装置自身の速度と位置とを計算する。該加速度データ、当該計算した速度および位置のデータは、RAM２０２に保存されると同時に、失調運動検出部３０２と、運動開始検出部３０３と、目標到達判定部３０４とに渡される。
運動開始検出部３０３は、装置の速度と位置との時系列データから装置の軌跡を求め、一定の方向に所定値以上の速度で所定値以上の変位があったかどうかを判定することで、装置を取り付けた患肢が目標に向かう粗大な運動を開始したかどうかを検出する。運動開始が検出された場合には、当該軌跡データを、ＲＯＭ２０３上のモデル軌道の運動開始直後の軌跡と照らし合わせ、モデル軌道リスト内から最も近い軌跡のモデル軌道を選択し、当該モデル軌道を失調運動検出部３０２と目標到達判定部３０４とに渡す。
失調運動検出部３０２は、加速度データを用いて、モデル軌道を外れた方向への、患肢の加速度の大きさが所定値を超えたかどうかを調べることで、失調運動が生じたか否かを判定する。失調運動検出部３０２は、失調運動を検出すると、失調運動の方向と当該方向への患肢の加速度の大きさとを示す情報を、ＰＷＭ制御部３０５に渡す。
ＰＷＭ制御部３０５は、ＰＷＭコントローラ２０４を用いて、失調運動検出部３０２から受け取った失調運動の方向と当該方向への患肢の加速度の大きさとを示す情報に基づいて、患肢の加速度の失調運動成分をちょうど打ち消すのに必要な力を患肢に与えるための周期的矩形波信号を発生させる。
目標到達判定部３０４は、加速度情報取得部３０１から受け取った速度データと、運動開始検出部３０３から受け取ったモデル軌道とを用いて、モデル軌道の軌跡の方向への速度値がほぼゼロ（十分小さな所定値以下）になるかどうかを調べることで、患肢が目標に到達したか否かを判定する。
【００１５】
図４は、本実施例に係る運動失調軽減装置が運動失調を呈する患肢の運動を安定化させる際の制御の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ４０１において、加速度情報取得部３０１は、加速度センサー７を制御し、加速度の方向と大きさとを示すデータを取得する。そして、加速度情報取得部３０１は、当該取得した加速度値を積分し、装置自身の速度と位置とを計算する。当該取得した加速度データ、及び、当該計算した速度と位置とのデータは、RAM２０２に保存されると同時に、運動開始検出部３０３に受け渡される。
ステップＳ４０２において、運動開始検出部３０３は、装置の速度と位置との時系列データから装置の軌跡を導出し、一定の方向に所定値以上の速度で所定値以上の変位があったかどうかを判定することで、装置を取り付けた患肢が目標に向かう粗大な運動を開始したかどうかを検出する。運動開始が検出されなければ、処理はステップＳ４０１に戻る。一方、運動開始が検出された場合には、当該導出した軌跡のデータを、ＲＯＭ２０３上のモデル軌道の運動開始直後の軌跡と照らし合わせ、モデル軌道リスト内から最も近い軌跡のモデル軌道を選択し、当該選択したモデル軌道を失調運動検出部３０２と目標到達判定部３０４とに渡し、処理はステップＳ４０３へ進む。
ステップＳ４０３において、加速度情報取得部３０１は、再度加速度センサー７を制御し、加速度の方向と大きさとを示すデータを取得する。そして、加速度情報取得部３０１は、当該取得した加速度値を積分し、装置自身の速度と位置とを計算する。当該取得した加速度データ、及び、当該計算した速度と位置とのデータは、RAM２０２に保存されると同時に、失調運動検出部３０２に受け渡される。
ステップＳ４０４において、失調運動検出部３０２は、ステップＳ４０３で取得した前記加速度データを用いて、モデル軌道を外れた方向への患肢の加速度の大きさが所定値を超えたかどうかを調べることで、失調運動が生じたか否かを判定する。当該判定の結果、失調運動が検出されなかった場合には、処理はステップＳ４０３に戻る。一方、失調運動が検出された場合には、失調運動検出部３０２は、検出した失調運動の方向と、当該方向への患肢の加速度の大きさとの情報をＰＷＭ制御部３０５に渡し、ステップＳ４０５に進む。
ステップＳ４０５において、ＰＷＭ制御部３０５は、失調運動検出部３０２から受け取った失調運動の方向と、当該方向への患肢の加速度の大きさとの情報を用いて、患肢の加速度の失調運動成分をちょうど打ち消すために必要な力を患肢に与えるように、ＰＷＭ制御でリニアモーターを駆動する（詳細は後述する）。具体的には、必要なＰＷＭデューティー値を計算し、ＰＷＭコントローラ２０４を制御して周期的矩形波信号を発生させ、電流ドライバ２０５から周期的矩形波電流を出力して、リニアモーター２ａ及びリニアモーター２ｂを駆動する。
ステップＳ４０６において、加速度情報取得部３０１は、再度加速度センサー７を制御し、加速度の方向と大きさとを示すデータを取得する。そして、加速度情報取得部３０１は、当該取得した加速度値を積分し、装置自身の速度と位置とを計算する。当該取得した加速度データ、及び、当該計算した速度と位置とのデータは、RAM２０２に保存されると同時に、目標到達判定部３０４に受け渡される。
ステップＳ４０７において、目標到達判定部３０４は、加速度情報取得部３０１から受け取った加速度データと、運動開始検出部３０３から受け取ったモデル軌道とを用いて、モデル軌道の軌跡の方向への速度値がほぼゼロ（十分小さな所定値以下）になるかどうかを調べることで、患肢が目標に到達したか否かを判定する。当該判定の結果、患肢が目標に到達した場合は、処理を終了する。一方、患肢が目標に到達していない場合は、処理はステップＳ４０３に戻る。
【００１６】
失調運動は、質量Ｍを持ち速度Ｖ０で運動している患肢が、ある時刻ｔ０に患肢の付け根からごく短時間の内に付加的な運動量Ｑ０を獲得し、かつ何らかの理由によりその運動量Ｑ０を、モデル軌道から外れない程度の十分な短時間のうちに患肢の付け根に返却することができなかった時に生ずる運動、としてモデル化することができる。患肢に質量ｍの可動質量（リニアモーターの内蔵された可動錘二個分の質量）を装着し、付加的な運動量Ｑ０の一部ないし全部を一時的にこの可動錘の運動量に転化することにより、患肢がモデル軌道から外れるまでの時間を稼ぐことが、本装置が失調運動を軽減できる原理である。
【００１７】
図５は、本実施例における装置動作時の典型的なリニアモーターの駆動方法の説明図である。図５（ａ）には、可動錘を除く部分（即ち、患肢及び装置）にかかる力と加速度とが示され、図５（ｂ）には、可動錘にかかる力と加速度とが示されている。以下では、モデル軌道が図５に示された患肢の進行方向（ｙ軸方向）に向かってまっすぐであり、進行方向と鉛直方向とに垂直な方向（ｘ軸方向）に失調運動が生じたと仮定して、患肢の加速度の失調運動成分をちょうど打ち消すために必要な力を、どのようにして患肢に与えればよいかを説明する。簡単のため、可動錘３ａと可動錘３ｂの初期位置は、図５のｚ軸上のｚ＝ｒおよびｚ＝−ｒの点とする。
【００１８】
図４のステップＳ４０５において、失調運動検出部３０２は患肢の失調運動を検出する。このとき、モデル軌道の軌跡に垂直で、モデル軌道から外れる方向の装置の加速度成分が失調運動であり、その方向を失調運動方向と呼ぶことにする。
図５では、モデル軌道に沿った本来の運動方向をｙ軸方向（進行方向が正）、それに垂直な失調運動方向をｘ軸方向（進行方向に向かって右側が正）とする二次元座標系を導入し、当該二次元座標系を鉛直方向をｚ軸（上向きが正）とする三次元座標系に拡張している。
さらに、失調運動および運動失調軽減装置の特徴を表すパラメタとして、可動錘一つとその運動を制御するリニアモーターとの質量の和をｍ／２、患肢の質量と運動失調軽減装置の質量の和をＭ＋ｍ、円環に沿って可動錘が移動するレーンの半径をｒとし、導入している。
患肢の重心のｘ座標をＸ、その一階時間微分（速度）をＶ、二階時間微分（加速度）をＡとおく。また、第一の可動錘３ａのｘ軸負方向からｚ軸正方向に向かって測った角度をθ、その一階時間微分（角速度）をω、二階時間微分（角加速度）をαとおく。この時、第二の可動錘３ｂは、ｘ軸負方向からｚ軸負方向に向かって角度θの所に位置する。
失調運動の原因となる、患肢の付け根が患肢に加えるｘ方向の力をＦ、可動錘３ａと可動錘３ｂそれぞれに取り付けられたリニアモーター２ａとリニアモーター２ｂが発生する力の大きさをｆ／２とすると、系の運動方程式は、以下の式（１）、式（２）で与えられる。
【数１】
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【数２】
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【００１９】
失調運動検出部３０２が患肢の失調運動を検知した後、図４のステップＳ４０５において、ＰＷＭ制御部３０５はＰＷＭコントローラ２０４を制御して、リニアモーター２ａとリニアモーター２ｂとを駆動する。このとき、可動錘３ａと可動錘３ｂとの速度の失調運動方向成分（ｘ方向成分）が正の値となるような向きに、円環に沿ったレーン上でリニアモーターを駆動すると、患肢は自身の加速度の失調運動成分（ｘ方向成分）を打ち消す向きに、可動錘３ａと可動錘３ｂから力を受ける。
上述の通り、可動錘３ａと可動錘３ｂの初期位置は、図５のｚ軸上のｚ＝ｒおよびｚ＝−ｒの点であるので、リニアモーター２ａとリニアモーター２ｂとが、円環に沿ったレーン上を同じ加速度で互いに逆回りに動くことで、可動錘３ａと可動錘３ｂが患肢に与える失調運動に垂直な方向（ｚ軸方向）の力はキャンセルされ、失調運動に平行な成分のみを持つ力を患肢に与えることができる。
【００２０】
本実施例に係る運動失調軽減装置では、患肢の加速度Ａができるだけ長い時間ゼロであるように、リニアモーターを制御して可動錘に加える力ｆを経時的に変化させる。
【００２１】
失調運動は、ある有限の時間にわたって、患肢の付け根から患肢に力Ｆがかかることによって生じる。現実の系では力Ｆは一定ではなく、時間的に変化する。患肢にかかる力Ｆの、ある特定の時間変動が与えられた時、上記運動方程式を解くことによって、どのようにｆを時間変化させれば良いかが一意に定まる。ただし、可動錘を除く患肢と装置の質量の和Ｍの不確定性、各種摩擦項等のため、現実の系の挙動は上記方程式で表されるモデルとは若干異なる。そのため、実際に出力するｆを決定するには、上記運動方程式の解を基本としつつ、系の振舞いを安定させるためのフィードバック用パラメタの調整等の細かいノウハウが必要となる。
【００２２】
系のパラメタの値が典型的な値（患肢の質量Ｍ＝３ｋｇ、可動錘の質量ｍ＝２ｋｇ、円環の半径ｒ＝８ｃｍ）を取るとして、初期条件Ｘ（０）＝０、θ（０）＝π／２の下、ｘ軸正方向に６０Ｎの力が１００ｍｓにわたって働くことによって失調運動が引き起こされたとした時に、上記運動方程式を解いて得られる患肢と可動錘の位置と速度の時間変化をそれぞれ、図６（ａ）、図６（ｂ）に示す。比較のため、装置を用いなかった際の患肢の位置と速度の時間変化も同じグラフ上にプロットしてある。本装置を用いなかった場合、失調運動により８０ｍｓの間に８ｃｍ動いてしまう所が、本装置を用いることにより、１ｃｍ程度しか動かなくなっていることが分かる。
【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１】
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【図６】
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