(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
肢体の関節角に変位を生じない状態での動作力情報により、被訓練者の操作能力の向上に必要な情報を人間へと帰還する肢体リハビリテーション訓練装置であって、
被訓練者の肢体を固定保持し、当該被訓練者が肢体の関節角に変位を生じさせない状態で運動しようとする動作力を検出する力覚センサーを含む測定検出部と、
上記測定検出部によって検出された動作力検出信号を基に、上記被訓練者の動作力を表すターゲットの移動方向を指示する運動力成分をプログラム指令として含むリハビリ評価プログラムを設定し、このリハビリ評価プログラムに従って演算処理を実行して、上記力覚センサーからの動作力検出信号の計測値と上記被訓練者が動作すべき動作力の目標値との差を算出するコンピュータを含む演算処理部と、
上記演算処理部によって演算された演算信号を基に上記被訓練者への動作力指令として機能するターゲットを生成し、上記コンピュータの算出信号を上記被訓練者が動作すべき動作力として表示する出力手段を含む演算出力部、および、
上記測定検出部と上記演算処理部および上記演算出力部からなるフィードバック系によって構成され、上記被訓練者の動作力を上記出力手段に示されたターゲットに追従させるバイオフィードバック手段、とによって構成され、
上記リハビリ評価プログラムは、上記被訓練者が運動すべき力の方向と大きさおよび画像を、上記コンピュータに演算指示する運動力プログラムであり、
上記測定検出部が、上記被訓練者の肢体を固定保持する身体保持部と座標系３軸方向の力成分を検出する力覚センサーを有し、
上記コンピュータが、当該力覚センサーのアナログ測定検出信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器と、該アナログ／デジタル変換器のデジタル信号を基に演算処理するプロセッサーと、当該プロセッサーによって演算された演算結果を記憶するメモリとを有し、
上記演算出力部の出力手段が、上記コンピュータの演算信号を画像信号に変換する画像処理器を有し、
上記バイオフィードバック系が、上記力覚センサー、プロセッサー、画像処理器を含む第１のバイオフィードバックループによって構成されていることを特徴とする肢体リハビリテーション訓練装置。
【請求項２】
上記演算出力部が、上記コンピュータの演算信号を音や振動等の物理的信号に変換する物理信号出力器を有し、
上記バイオフィードバック系が、上記力覚センサー、プロセッサー、物理信号出力器を含む第２のバイオフィードバックループによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の肢体リハビリテーション訓練装置。
【請求項３】
上記測定検出部が、上記被訓練者が把持して運動力を加えるべきグリップと該グリップに取り付けられたスティックと、該スティックに連結された上記被訓練者の運動力の座標系Ｘ，Ｙ軸方向の力成分を検出する作動杆と、当該作動杆に連結されて軸運動力の座標系Ｚ軸方向の力成分を検出する楕円体とからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の肢体リハビリテーション訓練装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リハビリテーション訓練装置に係り、特に肢体の関節角に変位を生じない状態での動作力情報により、被訓練者の操作能力の向上に必要な情報を人間へと帰還する肢体リハビリテーション訓練装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の健常者向けの訓練装置技術は、関節角を変位し筋力増強することができる装置技術である。また、従来の身体に障害のある者を対象としたリハビリテーション訓練装置は、肢体の関節角度を動かし筋腱系の拘縮を予防、治療する装置技術と、電気などの外部刺激により筋肉の修復、筋力の回復を行う装置技術である。また、訓練装置の始動時には被訓練者が関節角度を変位させ、以後はこの関節角度をある角度で保持する状態で操作能力の訓練を行うカウンターウエイトを付けたバランス訓練機や、ゴムのような弾性体を用いた装置技術はある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の装置技術は、いずれも肢体により出力される動作力の大きさと方向を制御することを対象としているため、関節角の変位がない状態にて、視覚を中心とした感覚系への帰還信号（バイオフィードバック）を持つ訓練を行うことは不可能であった。
【０００４】
人間の肢体は関節角を変化させない状態でその末端部で空間中の座標系３軸方向に対して動作力を発生できる。そして、身体に障害がない人間は与えられた信号に基づき判断してこの動作力を調整できる。ところが、肢体の麻痺がある場合は、これらが困難になる。人間にとって肢体の運動制御機能は重要であり、かつ身体運動の操作調整機能は、適切なリハビリテーション訓練を受けることで回復することができる。課題としては、被訓練者の肢体への負担を軽減した安全かつ効果的な訓練方法で、目標値として視覚などの感覚信号を被訓練者に与える、いわゆるバイオフィードバック、それによって引き起こされた身体運動量を連続的に計測、記録し、定量化することである。
【０００５】
従って本発明の技術的課題は、肢体に生じた麻痺の機能回復のために行うリハビリテーション訓練を定量化して記憶すると共に、肢体の運動の調整能力を回復する上で安全かつ効果的な帰還信号を被訓練者に伝達することができる肢体リハビリテーション訓練装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を達成するために、本発明に係る肢体リハビリテーション訓練装置は、前記請求項１に記載の如く、肢体の関節角に変位を生じない状態での動作力情報により、被訓練者の操作能力の向上に必要な情報を人間へと帰還する肢体リハビリテーション訓練装置であって、被訓練者の肢体を固定保持し、当該被訓練者が肢体の関節角に変位を生じさせない状態で運動しようとする動作力を検出する力覚センサーを含む測定検出部と、上記測定検出部によって検出された動作力検出信号を基に、上記被訓練者の動作力を表すターゲットの移動方向を指示する運動力成分をプログラム指令として含むリハビリ評価プログラムを設定し、このリハビリ評価プログラムに従って演算処理を実行して、上記力覚センサーからの動作力検出信号の計測値と上記被訓練者が動作すべき動作力の目標値との差を算出するコンピュータを含む演算処理部と、上記演算処理部によって演算された演算信号を基に上記被訓練者への動作力指令として機能するターゲットを生成し、上記コンピュータの算出信号を上記被訓練者が動作すべき動作力として表示する出力手段を含む演算出力部、および、上記測定検出部と上記演算処理部および上記演算出力部からなるフィードバック系によって構成され、上記被訓練者の動作力を上記出力手段に示されたターゲットに追従させるバイオフィードバック手段、とによって構成され、上記リハビリ評価プログラムは、上記被訓練者が運動すべき力の方向と大きさおよび画像を、上記コンピュータに演算指示する運動力プログラムであり、上記測定検出部が、上記被訓練者の肢体を固定保持する身体保持部と座標系３軸方向の力成分を検出する力覚センサーを有し、上記コンピュータが、当該力覚センサーのアナログ測定検出信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器と、該アナログ／デジタル変換器のデジタル信号を基に演算処理するプロセッサーと、当該プロセッサーによって演算された演算結果を記憶するメモリとを有し、上記演算出力部の出力手段が、上記コンピュータの演算信号を画像信号に変換する画像処理器を有し、上記バイオフィードバック系が、上記力覚センサー、プロセッサー、画像処理器を含む第１のバイオフィードバックループによって構成されていることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係る肢体リハビリテーション訓練装置は、前記請求項２に記載の如く、上記演算出力部が、上記コンピュータの演算信号を音や振動等の物理的信号に変換する物理信号出力器を有し、
上記バイオフィードバック系が、上記力覚センサー、プロセッサー、物理信号出力器を含む第２のバイオフィードバックループによって構成されていることを特徴としている。
【０００８】
更に本発明に係る肢体リハビリテーション訓練装置は、前記請求項３に記載の如く、上記測定検出部が、上記被訓練者が把持して運動力を加えるべきグリップと該グリップに取り付けられたスティックと、該スティックに連結された上記被訓練者の運動力の座標系Ｘ，Ｙ軸方向の力成分を検出する作動杆と、当該作動杆に連結されて軸運動力の座標系Ｚ軸方向の力成分を検出する楕円体とからなることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置について図１から図９を参照しながら説明する。図１は本発明の肢体リハビリテーション訓練装置の基本構成を示し、同図において、１０は被測定対象として肢体に麻痺のある被訓練者、２０は被訓練者１０が肢体の関節角に変位を生じない状態での当該被訓練者１０の肢体の動作力を測定する測定検出部、３０は測定検出部２０の測定検出信号である動作入力力信号を入力として目標とする力の方向と大きさを演算処理する演算処理部、４０は演算処理部３０の演算出力信号を物理現象信号に変換する演算出力部、５０は演算処理部３０の演算出力信号を記録観測する観測部であって、これらの被訓練者１０、測定検出部２０、演算処理部３０および演算出力部４０によってバイオフィードバック手段が形成される。
【００１０】
上記の測定検出部２０は、被訓練者１０の肢体である手１１を保持固定する身体保持部２１と、被訓練者１０が運動しようとする力を検出する力覚センサー２２によって構成され、身体保持部２１には被訓練者１０の手掌が固定保持され、力覚センサー２２は被訓練者１０が肢体の関節角を変位させることなく発生した力の座標系直交３軸成分を検出する。
【００１１】
上記の演算処理部３０はコンピュータ３１からなり、コンピュータ３１は、力覚センサー２２のアナログ検出信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３２、このアナログ／デジタル変換器３２によって変換されたデジタル信号を基に目標とする力の方向と大きさを算出するプロセッサー３３、および、プロセッサー３３によって演算処理された演算結果を記憶するメモリー３４を有する。
【００１２】
また、上記の演算出力部４０は、演算処理部３０によって演算された演算データを基に被訓練者の肢体が発生しようとする力の大きさと方向を画像処理する画像処理器４１と、同じく演算処理部３０によって演算された演算データを基に音や振動などの物理信号を発生する物理信号発生器４２によって構成され、記録観測部５０は演算処理部３０によって演算された演算データを目標とする力の方向と大きさを記録する記録観測器５１によって構成されていて、記録観測器５１に記録されたデータは観測者５２によって観測される仕組みに成っている。
【００１３】
図１のリハビリテーション訓練装置において、被訓練者１０の肩、肘、手首や膝、足首には関節角を変位させない状態で訓練が行われるものとして、被訓練者１０の肢体、たとえば手１１から発生した動作力を、身体保持部２１を通して、空間中の座標系３軸の力覚センサー２２に伝えられる。力覚センサー２２は当該動作力の座標系Ｘ軸方向の力成分Ｆｘ，座標系Ｙ軸方向の力成分Ｆｙ，座標系Ｚ軸の力成分Ｆｚを検出する。これらのＸ軸方向の力成分Ｆｘ，Ｙ軸方向の力成分Ｆｙ，Ｚ軸方向の力成分Ｆｚからなる検出信号は電気信号へと変換され、演算処理部３０によって演算処理される。
【００１４】
上記力覚センサー２２で計測された３軸の検出信号は、コンピュータ３１のアナログ／デジタル変換器３２を通してプロセッサー３３へ伝送される。プロセッサー３３には後述するリハビリ評価プログラムが設定されており、このプログラムに従って３軸の検出信号はプロセッサー３３によて計算処理される。計算処理されたデータ信号は、メモリ３４に記憶されると共に、演算出力部４０の画像処理器４１のディスプレイへ画像情報として出力される。また、演算処理された結果に基づいて作られたデータ信号はスピーカやバイブレータからなる物理信号発生器４２で音および振動などの物理信号として人間の耳や皮膚といった感覚器へとバイオフィードバック信号として伝えられる。
【００１５】
この場合、被訓練者１０の視覚などの感覚器には、操作指令としての画像信号や物理信号のほかに目標の運動を行っている画像情報や物理信号が与えられ、力を発生させる方向と大きさの目標値を導くものである。また、コンピュータ３１によって計算処理されたデータは、観測部５０の記録装置５１に伝送され、この記録観測装置５１に目標とする力と大きさが記録表示され、この記録表示されたデータは観測者５２によって観測される。また、記録観測部５０にはハードディスクとフロッピーディスク（登録商標）装置とＣＤ−ＲＯＭ装置が具備されている。
【００１６】
一方、画像処理器４１の画像情報や物理信号発生器４２の物理信号に従って、被訓練者１０は、上肢、下肢の関節角を変位させない状態でその末端部で再度空間中の３軸方向に対して力を発生する。四肢より発生される力は、肢体の末端部に取り付けた身体保持部２１を通して、これに接続された力覚センサー２２により自動計測できる。本発明では、コンピュータを用いて計算した値をもとに画像処理器やスピーカ等を用いて人間の感覚器に力を発生させる方向と大きさの目標値を与えることができると共に、人間が認識、判断した情報に基づき被訓練者１０が身体を動かそうとした結果をセンサーにより計測し、これをメモリーに格納しながら目標値と比較した結果を再度画面に表示することができる。
【００１７】
図２は本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置のシステムブロック図であって、図２に示すように、被訓練者１０の肢体の力覚信号は身体保持部２１を介して力覚センサー２２に伝達される。力覚センサー２２の検出信号Ｓ１はコンピュータ３１のＡ／Ｄ変換器３２に入力されると共に、該Ａ／Ｄ変換器３２によってデジタル信号に変換、該デジタル信号はプロセッサー３３によって演算処理される。プロセッサー３３による演算データはメモリ３４に記憶されると共に、同じくプロセッサー３３による演算出力信号Ｓ２は演算出力器４１と物理信号出力器処理器４２に入力される。
【００１８】
上記の画像処理器４１は、プロセッサー３３の演算出力信号Ｓ２に基づいて画像情報Ｓ３を作成する一方、物理信号出力器４２は同じくプロセッサー３３の演算出力信号Ｓ２に基づいて音や振動などを生成する。画像処理器４１の画像情報Ｓ３は第１のバイオフィードバックループＢＦ１を通して被訓練者１０の目によって認識され、中枢神経１４を通して手１１を動かそうとする。また、物理信号出力器４２の音や振動などの他の情報Ｓ４は、第２のバイオフィードバックループＢＦ２を介して耳や皮膚などの他の感覚器１３を通して中枢神経１４に伝達されて、手１１を動かそうとし、かくして、フィードバック制御される。
【００１９】
この場合、バイオフィードバック手段として、第１のバイオフィードバックループＢＦ１は、肢体１１、力覚センサー２２、Ａ／Ｄ変換器３２、プロセッサー３３、画像処理器４１、目１２および中枢神経１４によって形成され、第２のバイオフィードバックループＢＦ２は肢体１１、力覚センサー２２、Ａ／Ｄ変換器３２、プロセッサー３３、物理信号出力器４２、他の感覚器１３および中枢神経１４によって形成される。
【００２０】
図３は本発明を上肢の訓練装置として実施した例を示すもので、車椅子１５に搭乗した被訓練者１０の膝の上に測定検出部２０を乗せ、画像処理器４１の画像情報を見ながら訓練を行うもので、測定検出部２０と演算処理部３０のコンピュータ３１と画像処理器４１との間は信号の送受信を行うことができる。測定検出部２０には操作ボタンが配置してあり、訓練レベルの調整や繰り返し訓練を行うための信号入力を行うことができる。コンピュータ３１には、前述の如くＡ／Ｄ変換器と、計算の処理を行うプロセッサーと、計算結果を記憶するメモリが設けられている。また、コンピュータ部３１には文字入力ができるキーボードなどが接続されている。
【００２１】
図４は人間の肩、肘、手首の関節角を変化させない状態で手先に力を発生させた場合、この力を直交三軸の力覚センサー２２Ａで覚軸方向成分が計測できることを示したものである。図４に示すように、直行三軸の力覚センサー２２Ａは、被訓練者１０が手１１の手先で力を発生させるグリップが配置されており、このグリップに加えられた力は、力成分検出部２３Ｘ，２３Ｙ，２３Ｚによって計測される。力成分検出部２３ＸはＸ軸方向の力成分Ｆｘを計測し、力成分検出部２３ＹはＹ軸方向の力成分Ｆｙを計測し、２３ＺはＺ軸方向の力成分Ｆｚを計測する。
【００２２】
図５は測定検出部２０の力覚センサー２２Ａの断面図を示したものである。図５において、２４はグリップ、２５は基部がグリップ２４に固定されたスティック、２６は基部がスティック２５の先端部に取り付けられ、先端部がケース２７に挿入されたＸＹ力成分計測部としての作動杆、２８はケース２７に収納され、かつ、作動杆２６の先端部が取り付けられたＺ軸力成分計測部としての楕円体、２９はケース２７の開口端部に取り付けられ、かつ、作動杆２６の先端部が取り付けられたステージプレートである。
【００２３】
上記のＸ，Ｙ力成分計測部２６と、Ｚ軸力成分計測部２８としての楕円体は、膝の上に乗せるステージプレート２９に固定されており、また、Ｘ、Ｙ軸方向の力成分もＺ軸力成分計測部としての楕円体２８で計測される。手掌で加える力は、手を固定しているグリップ２４を通し、Ｘ，Ｙ軸力成分計測部としての作動杆２６で計測され、Ｚ軸方向の力成分はＺ軸力成分計測部としての楕円体２８で計測される。これらの力成分はアナログ電気信号に変換される。この電気信号は、増幅回路（図示せず）を通しコンピュータ３１に送られ、アナログ／デジタル変換器３２を通してプロセッサー３３によって計算される。
【００２４】
上記の信号情報は画像処理器４１のディスプレイに表示される画像の位置情報に変換され、目標画像の位置との差が計算される。この結果はメモリ３４に記録されると共に、関数に変換・処理され、操作能力の評価が行われて、例えば、ディスプレイ画面の画像や出力される音声として被訓練者１０へと伝えられる。訓練完了時には、訓練時の計測データがハードディスクに記録され、訓練結果を数値情報、グラフなどの画像として表現することができる。
【００２５】
図６はリハビリ評価プログラム６０の一例を示すもので、当該リハビリ評価プログラムは、演算出力部４０に生成され、上記被訓練者１０への動作力指令として機能するターゲット６１の矢印Ａ１方向への円運動力成分６２を、コンピュータ３１にプログラム指令として設定される。コンピュータ３１はこのプログラムに従って演算処理を実行し、演算出力部４０の画像処理器４１に当該リハビリ評価プログラム６０による画像情報を描画すると共に、物理信号出力器４２に音声または振動などの物理情報を出力させる。この場合、一例として、ターゲット６１の許容範囲Ｌは４０ドットである。
【００２６】
図７はリハビリ評価プログラム６０の他の例を示すもので、ターゲット６１が矢印Ａ２方向へのジグザグ運動力成分６３としてコンピュータ３１にプログラム指令として設定される。この場合もコンピュータ３１は設定されたプログラムに従って演算処理を実行し、当該リハビリ評価プログラムによる画像情報を画像処理器４１に描画すると共に、物理信号出力部４２に音声または振動などの物理情報を出力させる。この場合もターゲット６１の許容範囲Ｌは４０ドットである。
【００２７】
図８は円運動力成分６２のリハビリ評価プログラムによる計測結果を示すもので、個人差によて大きく異なるが、一例として、円運動力成分６２の第１象限は２１ドット、第２象限は１４ドット、第３象限は２１ドット、第４象限は１３ドットである。また、一例として、追従性は１７ドット、範囲内時間は１８．５６秒、ズレ最大値は９７ドット、敏速時間は０．２０秒、タイムラグはごく小さいものである。グラフに示すように、データ曲線Ｃ１はＺ軸方向の数値データであり、データ曲線Ｃ２はＸ，Ｙ方向の数値データである。
【００２８】
図９はジグザグ運動力成分６３のリハビリ評価プログラム、いわゆる富士登山型ジグザグ運動力プログラムによる計測結果を示すもので、一例としてのジグザグ運動力成分の１合目は４６ドット、２合目は２５ドット、３合目は３３ドット、４合目は２６ドット、５合目は１３ドット、６合目は１４ドット、７合目は１７ドット、８合目は１４ドット、９合目は１４ドット、１０合目は１７ドットである。また、一例として、平均追従性は２６ドット、４０ドット内時間は１６．８４秒、ズレ最大値は１３０ドット、ズレ最大時間は１３０ドット、敏速時間は０．２０秒であり、タイムラグは個人差が大きいが例えば０．３４秒である。グラフに示すように、データ曲線Ｃ３はＺ軸方向の数値データであり、データ曲線Ｃ４はＸ，Ｙ方向の数値データである。
【００２９】
なお、図６から図９に示す例ではリハビリ評価プログラムとして、ターゲットが円運動力成分とジグザグ運動力成分の場合について述べたが、本発明ではこれらに限定されるものでなく、種々の運動力成分が想定される。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に基づき製作された肢体リハビリテーション訓練装置によれば、肢体の関節角の変位を必要とせず、肢体運動の操作調整機能の回復が可能になり、その際に訓練結果が定量化され記憶、評価が自動的に行われることで訓練装置として有利であり、中枢神経系への障害のリハビリテーションを支援することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置の基本構成を示す概略構成図。
【図２】  本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置のブロック図。
【図３】  本発明の他の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置の構成図。
【図４】  本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置における測定計測部の概略構成図。
【図５】  本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置の機械的構成を示す縦断面図。
【図６】  本発明の実施例によるリハビリ評価プログラムの一例を示す説明図。
【図７】  本発明の実施例によるリハビリ評価プログラムの他の例を示す説明図。
【図８】  図６のリハビリ評価プログラムを用いた肢体リハビリテーション訓練装置の動作特性図。
【図９】  図７のリハビリ評価プログラムを用いた肢体リハビリテーション訓練装置の動作特性図。
【符号の説明】
１０…被訓練者
１１…肢体
１２…目
１３…他の感覚器
１４…中枢神経
２０…測定検出部
２１…身体保持部
２２，２２Ａ…力覚センサー
２４…グリップ
２５…スティック
２６…作動杆
２８…楕円体
３０…演算処理部
３１…コンピュータ
３２…Ａ／Ｄ変換器
３３…プロセッサー
３４…メモリ
４０…演算出力部
４１…画像処理器
４２…物理信号出力器
５０…記録観測部
５１…記録観測器
６０…リハビリ評価プログラム
６１…ターゲット
６２…円運動力成分
６３…ジグザグ運動力成分
ＢＦ１…第１のバイオフィードバックループ
ＢＦ２…第２のバイオフィードバックループ
【図１】
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【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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