(57)【要約】【課題】外乱に対しより迅速に対応可能な自立歩行支援装置及びそれに用いられるプログラムを提供すること。【解決手段】歩行支援対象者の脚部に配置するためのセンサ部と、前記センサ部からの出力に基づき外乱を識別し、前記外乱に対応するための刺激信号を作成及び出力する外乱応答部と、前記刺激信号に基づき歩行支援対象者の脚部に電気刺激を与えることが可能な電気刺激部と、を有する自立歩行支援装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行支援対象者の脚部に配置するためのセンサ部と、
前記センサ部からの出力に基づき外乱を識別し、前記外乱に対応するための刺激信号を作成及び出力する外乱応答部と、
前記刺激信号に基づき歩行支援対象者の脚部に電気刺激を与えることが可能な電気刺激部と、を有する自立歩行支援装置。
【請求項２】
前記センサ部は、加速度センサ又は角速度センサを有する請求項１記載の自立歩行支援装置。
【請求項３】
前記加速度センサは、歩行支援対象者の進行方向をＸ軸、前記Ｘ軸に対して垂直な２軸をＹ軸及びＺ軸とした場合に、前記それぞれの軸における加速度を検出できるよう配置される請求項２記載の自立歩行支援装置。
【請求項４】
前記角速度センサは、歩行支援対象者の進行方向をＸ軸、前記Ｘ軸に対して垂直な軸をＹ軸及びＺ軸とした場合に、前記それぞれの軸に対する角速度を検出できるよう配置される請求項２記載の自立歩行支援装置。
【請求項５】
前記外乱応答部は、前記加速度センサから出力されるデータを時系列的に取得するデータ取得部と、前記データ取得部が取得した時系列的なデータにおける特徴量を抽出する特徴抽出部と、前記特徴量に基づき外乱であるか否かを識別する判別部と、前記判別部が外乱であると判断した場合に刺激信号を作成する刺激作成部と、を有する請求項１記載の自立歩行支援装置。
【請求項６】
前記特徴量は、前記Ｙ軸に対する角速度である請求項５記載の自立歩行支援装置。
【請求項７】
前記特徴量は、踵接地時から１００ｍｓ以内におけるＹ軸に対する角速度である請求項４記載の自立歩行支援装置。
【請求項８】
コンピュータに、
加速度センサからのデータを時系列的に取得するデータ取得部、
前記時系列的なデータに基づき特徴量を抽出する特徴抽出部、
前記特徴量に基づき外乱であるか否かを識別する判別部、
前記判別部が外乱であると判断した場合に刺激信号を作成する刺激作成部、として機能させるための自立歩行支援用プログラム。
【請求項９】
前記特徴量は、ヒトの足に設置される角速度センサのＹ軸に対する角速度である請求項７記載の自立歩行支援用プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自立歩行支援装置及びそれに用いられるプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢者、半身麻痺者を含む歩行機能低下者は、歩行に関する感覚及び神経筋骨格機能の障害により歩行環境の変化への対応能力が弱化し、障害物や不整地等に基づく外乱に対応しきれず、歩行時においてこれら外乱による転倒が大きなリスク要因となっている。したがって、歩行機能低下者に対しこれら外乱に対応可能な自立歩行支援は極めて重要な事項である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、歩行時において発生する外乱の計測については、筋電図計測、間接角計測等複数の計測が提案されてきている。しかしながら、上記はいずれも計測精度において課題が残るだけでなく、外乱であると判断するまでの時間において課題を残している。すなわち、外乱であると判断し、その外乱に対し迅速に対応して歩行機能低下者の外乱により崩れた姿勢を回復させるためには未だ解決すべき課題を残している。
【０００４】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、外乱に対しより迅速に対応可能な自立歩行支援装置及びそれに用いられるプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一手段に係る自立歩行支援装置は、歩行支援対象者の脚部に配置するためのセンサ部と、センサ部からの出力に基づき外乱を識別し、外乱に対応するための刺激信号を作成及び出力する外乱識別部と、刺激信号に基づき歩行支援対象者の脚部に電気刺激を与えることが可能な電気刺激部と、を有する。
【０００６】
また本発明の他の一手段に係る自立歩行支援用プログラムは、コンピュータに、加速度センサからのデータを時系列的に取得するデータ取得部、時系列的なデータに基づき特徴量を抽出する特徴抽出部、特徴量に基づき外乱であるか否かを識別する判別部、判別部が外乱であると判断した場合に刺激信号を作成する刺激作成部、として機能させる。
【発明の効果】
【０００７】
以上、本発明により、外乱に対し迅速に対応可能な自立歩行支援装置及びそれに用いられるプログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を用いて説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る自立歩行支援装置の概略を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る自立歩行支援装置１は、センサ部２と、このセンサ部２からの信号の出力を受け、外乱の識別及び刺激信号の作成を行う外乱応答部３と、外乱応答部３からの信号に基づき電気刺激を与える電気刺激部４と、を少なくとも有して構成される。
【００１０】
本実施形態に係るセンサ部２は、自立歩行支援対象者の足、好ましくは足首近傍に取り付けられるものであり、複数の加速度センサ及び角速度センサの少なくともいずれかを有して構成されることが好ましい態様である。またここにおいて複数の加速度センサは、歩行機能低下者の歩行方向（進行方向）をＸ軸とし、歩行面（地面）に平行であってこのＸ軸に対して垂直な軸をＹ軸、歩行面に垂直であって、Ｘ軸に対して垂直な軸をＺ軸とした場合に、これらＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸それぞれにおける加速度を測定できるように配置されたものであることが好ましく、角速度センサは、これらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心に回転する角速度を測定できるように配置されたものであることが好ましい。なお図２に、本実施形態に係る加速度センサ、角速度センサの配置に関する概略図を示す。なお加速度センサ、角速度センサの構成としては、特に限定されることなく、市販される周知のものを採用することができるが、上記機能を実現する観点から、加速度計測定範囲＋５ｇ、角速度計測定範囲±２００ｄｅｇｒｅｅ／ｓ程度のものが好ましい。
【００１１】
図３は、本実施形態に係る外乱応答部３の機能ブロック図である。本実施形態に係る外乱応答部３は、外乱の識別を行う外乱識別部３１と、この外乱識別部３１が外乱であると識別した場合に、この外乱に対応できるよう電気刺激部４に出力する信号（刺激信号）を作成する刺激作成部３２と、を有して構成される。なお本実施形態において、センサ部２が出力する信号はアナログデータであるのが一般的であるため、外乱応答部３の前段に、このアナログデータをデジタルデータに変換するアナログ／デジタル変換器（以下「ＡＤ変換器」という。）を有することが好ましい。
【００１２】
外乱識別部３１は、外乱が発生しているか否かを識別する部である。外乱識別部３１は、図３で示すとおり、複数の加速度センサ又は角速度センサのそれぞれから出力されるデータを時系列的に取得するデータ取得部３１１と、このデータ取得部３１１が取得したそれぞれの時系列的なデータから特徴量を抽出する特徴抽出部３１２と、この特徴抽出量に基づき外乱であるか否かを識別する判別部３１３と、を少なくとも有して構成される。
【００１３】
本実施形態に係るデータ取得部３１１は、加速度又は角速度の経時的な変化をデータとして取得する。図４は、一例として、踵に付されたＸ軸方向の加速度を示す図であり、図中横軸は時間を、縦軸は加速度に応じた電圧値を示している。また本図の例では、踵接地に起因すると思われる加速度の大きな変化が見て取れる。
【００１４】
本実施形態に係る特徴抽出部３１２は、データ取得部３１１が取得した時系列データに基づき特徴量を抽出する。特徴量としては、限定されるわけではないが、上記データ取得部３１１により取得した時系列のデータのうち、歩行における踵の接地に起因すると思われる加速度又は角速度の変化から一定期間経過後の加速度の値又は角速度の値を採用することが好適である。なお、本実施形態において、上記期間としては、踵の接地に起因すると思われる時から１００ｍｓ以下の範囲内であることが好ましい。この範囲内とすることで、概ね外乱発生後２００ｍｓ以下の範囲で歩行機能低下者に対し適切な支援を行うことができ、適切な姿勢への回復を行うことができるようになると考えられる。
【００１５】
また本実施形態において、抽出する特徴量としては、Ｙ軸に対する角速度であることが特に好ましい。本発明者らは、外乱であるか否かをより効率的に判断するための種々の方法について、歩行時における頭、腰、脚の加速度及び角速度を含めて詳細に検討を行ったところ、デイビスのクラスタ分類法を用いた場合においてデイビス値が低い瞬間のセンサが外乱であるか否かを識別しやすいことを発見し、特にＹ軸に対する角速度がより効率的に分類できることを発見している。
【００１６】
本実施形態に係る判別部３１３は、抽出した特徴量に基づき、外乱であるか否かを判別する。この判別の方法としては、限定されるわけではないが、例えばいわゆる判別分析が好適である。ここで判別分析とは、限定されるわけではないが、たとえば図５の概念図で示すように、特徴量の分布に対し、一本の直線を基準としてこの直線により分けられる領域のいずれ側にあるかで各特徴量が外乱であるか否かを判別していく分析をいう。
【００１７】
刺激作成部３２は、判別部３１３が外乱であると識別した場合に、電気刺激部４に対する刺激信号を作成する部である。刺激信号は限定されるわけではないが、例えば下肢主要筋群を刺激するための電気的な信号であることが好ましく、例えば上記筋群に麻痺症状を有する症状患者の場合は、アキレス腱と膝裏の総腓骨胚骨神経を刺激する刺激信号であることが好ましい（これにより足腿上げ動作が容易になり、外乱に対して応答が容易になる）。
【００１８】
本実施形態に係る電気刺激部４は、外乱応答部３からの信号の入力を受け、下肢主要筋群を刺激するためのものである。この構成としては数や位置については、当該支援対象者の状態等により適宜調整されることが必要となるが、例えば歩行機能低下者の脚に配置されることが好ましく、例えば下肢主要筋群に麻痺症状を有する症状患者の場合の一例として、膝裏及びアキレス腱近傍に配置する例を挙げることができる。なお電気刺激部４の構成としては限定されることなく周知な構造を採用することができ、例えばいわゆる電気パッドであることは好ましい一態様である。
【００１９】
ここで本実施形態に係る自立歩行支援装置の使用形態について説明する。まず、自立歩行支援対象者は、足にセンサ部及び電気刺激部を装着し、これらと外乱応答部とを接続する。そして自立歩行支援対象者は歩行を開始するとともに、外乱応答部は歩行により生じる加速度や角速度の時系列データを取得する。そして外乱応答部は上記取得する時系列データのうち、踵接地時から一定期間（たとえば１００ｍｓ）経過した後の加速度又は角速度の値を特徴量として取得する。そして外乱応答部はこの特徴量に対し判別分析を行い、外乱であるか否かについて認識を行い、外乱であると判定した場合、刺激信号を作成し、電気刺激部に刺激信号を出力する。なお外乱でないと判定した場合は、刺激信号の作成を行わず、上記の時系列データの取得処理に移行する。
【００２０】
以上の動作により、外乱に対し迅速に対応可能な自立歩行支援装置及びそれに用いられるプログラムを提供することができる。特に本実施形態に係る自立歩行支援装置によると、センサ部、外乱応答部、電気刺激部といった必要最小限の構成で実現でき、日常生活の利便性、計算の高速性を確保できる。
【００２１】
（実施形態２）
本実施形態に係る自立歩行支援装置は、外乱応答部３における判別部３１３の判別方式が異なる以外はほぼ実施形態１と同じである。以下、異なる部分を主として説明する。なおそれ以外の部分については説明を省略する。
【００２２】
本実施形態に係る判別部３１３は、判別処理にニューラルネットワーク（ＮＮ）を用いている点が実施形態１と異なる。本実施形態において用いるニューラルネットワークとしては、限定されるわけではないが、バックプロパゲーション法であることが好ましい一態様である。ニューラルネットワークの概略を図６に示しておく。
【００２３】
以上、本実施形態によると外乱に対しより迅速に対応可能な自立歩行支援装置及びそれに用いられるプログラムを提供することが可能となり、また、本実施形態によるニューラルネットワークを用いると、速度に対するロバスト性を有するとともに、個人差を吸収することができるといった利点もある。
【００２４】
また、本実施形態に係る判別方式と上記実施形態１に係る判別方式とは同時に用いることができるし、一方のみの採用であってもよく、特に限定されるわけではない。
【００２５】
（実施例１）
上記した実施形態に係る自立歩行支援装置について、実際に作成を行い、その動作について確認を行った。以下に説明する。
【００２６】
まず実験参加に同意を得た健常者９名（２２〜３７歳、いずれも男性）に対し、頭、腰、足のそれぞれに加速度センサ及び角速度センサを取り付け、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対しいずれも測定が可能となるようにし、そのそれぞれのセンサを情報処理装置に接続し、ＡＤ変換器を介してこれらセンサからの出力を取り込めるようにした。また、本実施例の判別部では、判別分析及びニューラルネットワークによる分析の両方について行った。
【００２７】
次に、各健常者に対し、両側分離型トレッドミル上を３ｋｍ／ｈで歩行させ、歩行が安定したら踵が接地するタイミングを見図り、左側の速度を１秒間だけ０．５ｋｍ／ｈにし、歩行の変化を観測した。なおこの作業は各健常者１５回行った。この結果のうち、足、腰、頭のそれぞれから抽出した特徴量と、その抽出した特徴量が外乱による変化が生じているか、正常な歩行であるかについての判定の成功数を下記表１に、更にその中で足のＹ軸に基づく角速度のみを特徴量として抽出し、ニュートラルネットワークを用いた結果の判別成功数を表２に示す。また、図７に、足のＹ軸を基準とする角速度の時間変化を記載しておく。
【表１】
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【表２】
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【００２８】
この結果、いずれも極めて高い判断率であることが確認でき、特に足角速度では、踵接地時から複数の特徴量を抽出すれば、ほぼ１００％で外乱を判定することができることを確認した。
【００２９】
なお、本実施例に基づき更に検討を行ったところ、通常の歩行において歩行速度を変化させた場合、与える外乱の速度を変更させた場合においても、非常に高い判別結果を示していることが確認できた。
【００３０】
（実施例２）
本実施例では、実験参加に同意を得た女性の麻痺患者に対し、足にＹ軸に対する測定が可能となるよう角速度センサを取りつけ、このセンサを情報処理装置に接続し、ＡＤ変換器を介してこれらセンサからの出力を取り込めるようにした。また本実施例では、情報処理装置に接続された電気刺激装置（ＮＩＨＯＮ  ＭＥＤＩＸ）及び電気パッド（テクノゲル、ＳＲ−５０５０、セキスイ）をアキレス腱及び膝裏に装着し、左足腿上げのタイミングを測定し、このタイミングで上記２箇所を電気刺激した場合（ＦＥＳ支援）としない場合の双方について実験を行った。
【００３１】
本実施例では、被験者に対し、両側分離型トレッドミル上を０．４ｋｍ／ｈで歩行させ、歩行が安定したら踵が接地するタイミングを見図り左側の速度を０．１ｋｍ／ｈにし、歩行の変化を観測した。なおこの作業は５回行った。この結果のうち、足のＹ軸に基づく角速度の特徴量及びその判別成功数を表４に示す。なお本実施例では、踵接地時間から経過した時間を異ならせた結果を複数組み合わせて判定を行った。
【表３】
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【００３２】
この結果、いずれも極めて高い判断率であることが確認できた。特に、本実施例ではニューラルネットワークによる判断を用いているため、個人差にも対応できることが確認できた。更に、ＦＥＳ支援を行った場合においても、外乱を確実に検出することができ、精度の高い自立歩行支援装置となっていることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、自立歩行支援装置として産業上利用可能性があり、またそれに用いられるプログラムも当然に産業上利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態１に係る自立歩行支援装置の概略を示す図である。
【図２】実施形態１に係るセンサ部の配置に関する概略を示す図である。
【図３】実施形態１に係る外乱応答部の機能ブロック図である。
【図４】実施形態１に係る時系列のデータの一例を示す図である。
【図５】実施形態１に係る判別部の判別分析の概略を示す図である。
【図６】実施形態２に係る判別部のニューラルネットワークの概略を示す図である。
【図７】実施例１に係るＹ軸に対する角速度の時系列データの例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…自立歩行支援装置、２…センサ部、３…外乱識別部、４…電気刺激部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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