(57)【要約】  車椅子ユーザの安定性を改善するためのシステムおよび方法は、動作パラメータを測定するセンサを持つ車椅子を含んで、ユーザが着座しない可能性のある衝突および急旋回を感知する。ユーザの体幹伸筋および体幹屈筋に取り付けられ、センサと通信するコントローラのコマンド下にある神経筋刺激電極は、回転や衝突の間に筋肉を活性化し、誘発される力に対抗する。手動推進効率を高めるためのシステムおよび方法は、車椅子ホイールの手動押し出しの完了および押し出しからの回復を示す動作パラメータを感知するセンサを含む。ユーザの体幹伸筋および体幹屈筋に取り付けられ、センサと通信するコントローラのコマンド下にある神経筋刺激電極は、押し出しおよび回復のサイクルの適切な時点で筋肉を活性化する。
2020533037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザに神経刺激を提供する車椅子システムであって、
車椅子と、
その動作パラメータを測定し、前記動作パラメータを示す一つ以上の信号を生成するため前記車椅子上に位置付けられたセンサと、
複数の神経刺激電極であって、前記各電極がそれぞれの筋肉を活性化するために前記ユーザの前記それぞれの筋肉に取り付けられる、神経刺激電極と、
前記センサと通信し、前記信号を受信するよう適合されたコントローラであって、前記コントローラが、前記信号に応答して前記それぞれの筋肉の選択されたものを活性化するため前記複数の電極とも通信する、コントローラと、を備える、車椅子システム。
【請求項２】
前記コントローラが、前記車椅子または前記ユーザのうちの一方に取り付けられている、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項３】
前記動作パラメータが線形動作パラメータを含む、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項４】
前記線形動作パラメータが、前記車椅子の動作の方向に配向され、前記線形動作パラメータが、線速度、線形加速度、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項３に記載の車椅子システム。
【請求項５】
前記電極が、脊柱起立筋、腰方形筋、大殿筋、後方内転筋、およびその組み合わせからなる群から選択された筋肉に取り付けられる、請求項４に記載の車椅子システム。
【請求項６】
前記電極が前記ユーザの皮膚の下に埋め込まれている、請求項５に記載の車椅子。
【請求項７】
前記電極が前記ユーザの皮膚の表面上に取り付けられている、請求項５に記載の車椅子。
【請求項８】
前記動作パラメータが角度動作パラメータを含む、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項９】
前記角度動作パラメータが、前記車椅子の回転軸の周りに配向され、前記角度動作パラメータが、角度加速度、角速度、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項８に記載の車椅子システム。
【請求項１０】
前記電極が、右側脊柱起立筋、右側腰方形筋、右大殿筋、右側後方内転筋、左側脊柱起立筋、左側腰方形筋、左大殿筋、左側後方内転筋およびその組み合わせからなる群から選択された筋肉に取り付けられる、請求項９に記載の車椅子システム。
【請求項１１】
前記電極が前記ユーザの皮膚の下に埋め込まれている、請求項１０に記載の車椅子システム。
【請求項１２】
前記電極が前記ユーザの皮膚の表面上に取り付けられている、請求項１０に記載の車椅子システム。
【請求項１３】
前記センサが慣性測定ユニットを含む、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項１４】
前記センサが少なくとも一つのジャイロスコープおよび少なくとも一つの加速度計を含む、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項１５】
前記センサが、前記信号を前記コントローラに無線送信するための無線周波数送信機を備える、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項１６】
前記コントローラが、前記信号を受信するための無線周波数受信機および前記受信機と通信するマイクロプロセッサを備える、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項１７】
前記車椅子上に取り付けられたモータによって制御されるシートベルトをさらに備え、前記コントローラが前記ベルトを締めるために前記モータを制御する、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項１８】
前記車椅子上に取り付けられたアクチュエータによって制御されるブレーキをさらに備え、前記コントローラが前記ブレーキをかけるため前記アクチュエータを制御する、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項１９】
苦痛呼び出しを一斉送信するため前記コントローラによって制御される苦痛インジケータをさらに含む、請求項１に記載の車椅子システム。
【請求項２０】
車椅子の動作に基づいて前記車椅子のユーザに神経刺激を提供する方法であって、
前記車椅子の動作パラメータを測定するステップと、
前記動作パラメータを示す信号を生成するステップと、
前記信号を評価するステップと、
前記信号に応答して前記ユーザの少なくとも一つの筋肉を活性化させるステップと、を含む、方法。
【請求項２１】
前記動作パラメータを測定するステップが前記車椅子の線速度を測定するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記動作パラメータを測定するステップが前記車椅子の線形加速度を測定するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記動作パラメータを測定するステップが前記車椅子の角度加速度を測定するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記動作パラメータを測定するステップが前記車椅子の角速度を測定するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記信号を生成するステップが、線速度、線形加速度、角速度、角度加速度、およびその組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの前記動作パラメータを示す信号を生成するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記信号を評価するステップが、
前記信号を前記動作パラメータの大きさを示す値に変換するステップと、
前記動作パラメータの大きさと前記動作パラメータの閾値の大きさとを比較するステップとを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記信号を評価するステップが、
前記信号を前記動作パラメータの方向を示す値に変換するステップと、
前記方向を基準方向と比較するステップと、を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記信号に応答して前記ユーザの少なくとも一つの筋肉を活性化するステップが、
前記ユーザの一つ以上の筋肉を選択するステップと、
前記一つ以上の筋肉を活性化するために神経刺激を加えるステップと、を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記ユーザの一つ以上の筋肉を選択するステップが、前記動作パラメータが閾値を超える線形加速度である場合に、脊柱起立筋、腰方形筋、大殿筋、および後方内転筋を選択するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ユーザの一つ以上の筋肉を選択するステップが、前記動作パラメータが回転軸の周りの反時計回りの角度加速度または角速度である場合に、右側脊柱起立筋、右側腰方形筋、右大殿筋、および右後方内転筋を選択するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記ユーザの一つ以上の筋肉を選択するステップが、前記動作パラメータが回転軸の周りの時計回りの角度加速度または角速度である場合、左側脊柱起立筋、左側腰方形筋、左大殿筋、および左後方内転筋を選択するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
衝突中に車椅子の動きに基づいて前記車椅子のユーザに神経刺激を提供する方法であって、
前記車椅子の動きの方向の線形加速度を監視するステップと、
前記線形加速度の移動根二乗平均を計算して、それを第一の所定の閾値に対して比較するステップと、
前記移動根二乗平均の線形加速度の導関数を、第二の所定の閾値に対して比較するステップと、
前記線形加速度を使用して速度変化を計算し、前記速度変化を第三の所定の閾値と比較するステップと、
前記第一、第二および第三の所定の閾値が所定の期間内に超えられる場合に、神経筋刺激を加えるステップと、を含む、方法。
【請求項３３】
車椅子の動きに基づいて前記車椅子のユーザに制約を加える方法であって、
前記車椅子の動作パラメータを測定するステップと、
前記動作パラメータを示す信号を生成するステップと、
前記信号を評価するステップと、
前記信号に応答して少なくとも一つの前記制約を作動させるステップと、を含む、方法。
【請求項３４】
前記動作パラメータを測定するステップが前記車椅子の線速度を測定するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記動作パラメータを測定するステップが前記車椅子の線形加速度を測定するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記動作パラメータを測定するステップが前記車椅子の角度加速度を測定するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記動作パラメータを測定するステップが前記車椅子の角速度を測定するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記信号を生成するステップが、線速度、線形加速度、角速度、角度加速度、およびその組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの前記動作パラメータを示す信号を生成するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
前記信号を評価するステップが、
前記信号を前記動作パラメータの大きさを示す値に変換するステップと、
前記動作パラメータの大きさと前記動作パラメータの閾値の大きさとを比較するステップとを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記信号を前記評価するステップが、
前記信号を前記動作パラメータの方向を示す値に変換するステップと、
前記方向を基準方向と比較するステップと、を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記信号に応答して少なくとも一つの制約を作動させるステップが、前記ユーザを前記車椅子に固定するベルトを締めるステップ、前記車椅子を遅くするためブレーキをかけるステップ、苦痛信号を一斉送信するステップ、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
車椅子の手動推進のためユーザに支援を提供するシステムであって、
前記車椅子を推進しながら前記ユーザの動作パラメータを測定するため前記ユーザ上に位置付けられた少なくとも一つのセンサであって、前記少なくとも一つのセンサが、前記動作パラメータを示す一つ以上の信号を生成する、少なくとも一つのセンサと、
複数の神経刺激電極であって、前記各電極がそれぞれの筋肉を活性化するために前記ユーザの前記それぞれの筋肉に取り付けられる、神経刺激電極と、
前記少なくとも一つのセンサと通信し、前記信号を受信するよう適合されたコントローラであって、前記コントローラが、前記信号に応答して前記それぞれの筋肉の選択されたものを活性化するため前記複数の電極とも通信する、コントローラと、を備える、システム。
【請求項４３】
前記コントローラが、前記車椅子または前記ユーザのうちの一方に取り付けられている、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記少なくとも一つのセンサが、前記ユーザの上部胴体、前記ユーザの肩部、前記ユーザの腕、前記ユーザの手首、前記ユーザの頭部およびその組み合わせからなる群から選択された位置において前記ユーザ上に取り付けられる、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４５】
前記動作パラメータが、前記ユーザの一部の位置、前記ユーザの一部の加速度、前記ユーザの一部の加速度の変化率、前記ユーザの筋肉の電位、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４６】
前記ユーザの前記一部が、前記ユーザの上部胴体、前記ユーザの肩部、前記ユーザの腕、前記ユーザの手首、前記ユーザの頭部およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記電極が、股関節屈筋、股関節伸筋、体幹屈筋、体幹伸筋、腹筋およびその組み合わせからなる群から選択された筋肉に取り付けられる、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４８】
前記電極が前記ユーザの皮膚の下に埋め込まれている、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記電極が前記ユーザの皮膚の表面上に取り付けられている、請求項４７に記載のシステム。
【請求項５０】
前記少なくとも一つのセンサが慣性測定ユニットを含む、請求項４２に記載のシステム。
【請求項５１】
前記少なくとも一つのセンサが少なくとも一つの加速度計を含む、請求項４２に記載のシステム。
【請求項５２】
前記少なくとも一つのセンサが少なくとも一つの筋電図センサを含む、請求項４２に記載のシステム。
【請求項５３】
前記少なくとも一つのセンサが、前記信号を前記コントローラに無線送信するための無線周波数送信機を備える、請求項４２に記載のシステム。
【請求項５４】
車椅子を手動で推進するためユーザに支援を提供する方法であって、
前記車椅子のホイールの前の押し出しから前記ユーザが回復したときを検出するステップと、
前記ユーザが前記ホイールの次の押し出しを実行するステップと、
前記ユーザが前記ホイールの前記次の押し出しを実行する間、前記ユーザの体幹屈筋および股関節屈筋に神経刺激を加えるステップと、
前記ユーザが前記ホイールの前記次の押し出しを完了したときを検出するステップと、
前記ユーザが前記ホイールの前記次の押し出しを完了したときに、前記ユーザの前記体幹屈筋および前記股関節屈筋への神経刺激を取り除くステップと、
前記ユーザが前記ホイールの前記次の押し出しから回復するステップと、
前記ユーザが前記ホイールの前記次の押し出しから回復する間、前記ユーザの体幹伸筋および股関節伸筋に神経刺激を加えるステップと、
前記ユーザが前記ホイールの前記次の押し出しから回復したときを検出するステップと、
前記ユーザが前記ホイールの前記次の押し出しから回復したときに、前記ユーザの前記体幹伸筋および前記股関節伸筋から神経刺激を取り除くステップと、を含む、方法。
【請求項５５】
前記ユーザが回復したときを検出するステップが、
前記ユーザが回復する間、前記ユーザの一部の動作パラメータを測定するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記動作パラメータが、前記ユーザの一部の位置、前記ユーザの一部の加速度、前記ユーザの一部の加速度の変化率、前記ユーザの筋肉の電位、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記ユーザの前記一部が、前記ユーザの上部胴体、前記ユーザの肩部、前記ユーザの腕、前記ユーザの手首、前記ユーザの頭部、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記ユーザが前記ホイールの前記押し出しを完了したときを検出するステップが、
前記ユーザが前記ホイールを押し出している間、前記ユーザの動作パラメータを測定するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５９】
前記動作パラメータが、前記ユーザの一部の位置、前記ユーザの一部の加速度、前記ユーザの一部の加速度の変化率、前記ユーザの筋肉の電位、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項５４に記載の方法。
【請求項６０】
前記ユーザの前記一部が、前記ユーザの上部胴体、前記ユーザの肩部、前記ユーザの腕、前記ユーザの手首、前記ユーザの頭部、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記ユーザが回復したときを検出するステップが、前記ユーザの手首の前後加速度を測定するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６２】
前記前後加速度の変化率を測定するステップをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記手首の内側外側加速度の変化率を測定するステップをさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記ユーザが前記押し出しを完了したときを検出するステップが、前記ユーザの手首の前後加速度を測定するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６５】
前記前後加速度の変化率を測定するステップをさらに含む、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記手首の内側外側加速度を測定するステップをさらに含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
ユーザが前記ホイールの押し出しを完了したときを検出するステップが、
所定の閾値より大きい前記ユーザの前記一部の前後加速度を示す加速信号を検出するステップと、
前記加速信号の増加する変化率を検出するステップと、
所定の値の範囲内の前記ユーザの前記一部の内側外側加速度を検出するステップと、を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６８】
ユーザが前記ホイールの押し出しから回復したときを検出するステップが、
所定の閾値未満の前記ユーザの前記一部の前後加速度を示す加速信号を検出するステップと、
前記加速信号の減少する変化率を検出するステップと、
増加する変化率を持つ前記ユーザの前記一部の内側外側加速度を検出するステップと、を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６９】
前記ユーザの前記一部が手首を含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７０】
前記ユーザの前記一部が手首を含む、請求項６８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年８月７日に出願され、参照により本明細書に援用される、米国仮特許出願第６２／５４１，８７９号に基づき、その優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、車椅子ユーザの神経刺激を制御するために使用される情報を提供する慣性センサを有する車椅子に関する。
【背景技術】
【０００３】
体幹筋を制御する能力を失った脊髄負傷者の場合、急旋回や縁石との衝突などのわずかな障害がユーザを不安定にし、座った姿勢を失わせる可能性があり、これによって潜在的に傷害を及ぼす落下をもたらす可能性がある。落下は、実際、車椅子ユーザの負傷の主要原因となり、年間６６，０００人以上の車椅子関連の負傷事故を引き起こすことになる。傷害は深刻であり、裂傷、挫傷、擦傷、骨折を含むことがあり、死に至ることがある。脊髄負傷を持つ人の少なくとも一つの調査によれば、胴体の安定性は最上部の機能の中でも回復したい機能である。胴体の安定性を高めることで、車椅子ユーザの安全を向上させる機会が明らかにある。
【０００４】
体幹筋の制御の喪失により、車椅子の手動推進の効率も低減される。コア大腿部筋、股関節筋および体幹筋の麻痺による胴体制御の不十分な車椅子ユーザは、胴体の安定性が制限されており、後方および前方に完全にまたは安全に寄りかかることができない場合があり、車椅子を非効率的に押すことになる。車椅子を効率的に推進できないことで、傾斜したランプなどの難しい地形を横断することが困難になり、肩の怪我につながることがある。胴体制御の度合いを増大または回復することにより、車椅子推進の効率を向上させる機会が明らかにある。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、神経刺激をユーザに提供する車椅子システムに関する。一例示的な実施形態では、システムは車椅子を備える。センサは、その動作パラメータを測定するための車椅子上に位置し、動作パラメータを示す一つ以上の信号を生成する。複数の神経刺激電極がユーザに取り付けられ、各電極はそれぞれの筋肉を活性化するためにユーザのそれぞれの筋肉に取り付けられる。コントローラは、センサと通信し、信号を受信するように適合される。コントローラは、信号に応答してそれぞれの筋肉の選択されたものを活性化するための複数の電極とも通信する。
【０００６】
コントローラは、車椅子またはユーザに取り付けられうる。動作パラメータは、線形動作パラメータを含んでもよい。線形動作パラメータは、車椅子の動作の方向に配向され、線速度、線形加速度、およびその組み合わせからなる群から選択されうる。電極は、脊柱起立筋、腰方形筋、大殿筋、後方内転筋、およびその組み合わせからなる群から選択される筋肉に取り付けられる。電極は、ユーザの皮膚の下またはユーザの皮膚の表面上に埋め込まれてもよい。動作パラメータはまた、角度動作パラメータを含んでもよい。角度動作パラメータは、車椅子の回転軸の周りに配向され、角度加速度、角速度、およびその組み合わせからなる群から選択されうる。電極は、右側脊柱起立筋、右側腰方形筋、右大殿筋、右側後方内転筋、左側起立筋、左側腰方形筋、左大腿筋、左側後方内転筋およびその組み合わせからなる群から選択される筋肉に取り付けられる。電極は、ユーザの皮膚の下に埋め込まれてもよく、またはユーザの皮膚の表面上に取り付けられてもよい。
【０００７】
一例示的な実施形態では、センサは慣性測定ユニットを含む。さらに、例として、センサは少なくとも一つのジャイロスコープおよび少なくとも一つの加速度計を含む。別の例では、センサは、信号をコントローラに無線で送信するための無線周波数送信機を備える。一例示的な実施形態では、コントローラは、信号を受信するための無線周波数受信機、および受信機と通信するマイクロプロセッサを備える。別の例では、モータによって制御されるシートベルトは車椅子に取り付けられる。コントローラは、ベルトを締めるためのモータを制御する。さらに、例として、アクチュエータによって制御されるブレーキは、車椅子上に取り付けられ、コントローラはブレーキをかけるためのアクチュエータを制御する。別の例では、苦痛呼び出しを一斉送信するためにコントローラによって制御される苦痛インジケータがある。
【０００８】
本発明はまた、車椅子の動きに基づいて、車椅子のユーザに神経刺激を提供する方法を包含する。一つの例示的な実施形態では、方法は、
車椅子の動作パラメータを測定するステップと、
動作パラメータを示す信号を生成するステップと、
信号を評価するステップと、
信号に応答してユーザの少なくとも一つの筋肉を活性化させることを含む。
【０００９】
一例では、動作パラメータを測定するステップは、車椅子の線速度を測定するステップを含む。例として、動作パラメータを測定するステップは、車椅子の線形加速度の測定、車椅子の角度加速度の測定または車椅子の角速度の測定を含む。例として、信号を生成するステップは、線速度、線形加速度、角速度、角度加速度、およびその組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの動作パラメータを示す信号を生成するステップを含む。例として、信号を評価するステップは、動作パラメータの大きさを示す値に信号を変換するステップ、および動作パラメータの大きさを閾値の大きさと比較するステップを含む。別の実施例では、信号を評価するステップは、信号を動作パラメータの方向を示す値に変換するステップ、および方向を基準方向と比較するステップを含む。
【００１０】
一例示的な実施形態では、信号に応答してユーザの少なくとも一つの筋肉を活性化するステップは、ユーザの一つ以上の筋肉を選択し、一つ以上の筋肉を活性化するため神経刺激を加えることを含む。例として、ユーザの一つ以上の筋肉を選択するステップは、動作パラメータが閾値を超える線形加速度である場合に、脊柱起立筋、腰方形筋、大臀筋、および後方内転筋を選択するステップを含む。さらに、例として、ユーザの一つ以上の筋肉を選択するステップは、動作パラメータが回転軸の周りの反時計回りの角度加速または角速度である場合に、右側脊柱起立筋、右側腰方形筋、右大殿筋、および右後方内転筋を選択するステップを含む。また、例として、動作パラメータが回転軸の周りの時計回りの角度加速度または角速度である場合、ユーザの一つ以上の筋肉を選択するステップは、左側脊柱起立筋、左側腰方形筋、左大殿筋、および左後方内転筋を選択するステップを含む。
【００１１】
本発明はまた、衝突中に車椅子の動きに基づいて車椅子のユーザに神経刺激を提供する方法を包含する。一例示的な実施形態では、方法は、
車椅子の動作方向の線形加速度を監視するステップ、
線形加速度の移動根二乗平均を計算し、それを第一の所定の閾値に対して比較するステップと、
根二乗平均の線形加速度の導関数を、第二の所定の閾値に対して比較するステップと、
線形加速度を使用して速度の変化を計算し、速度の変化を第三の所定の閾値と比較するステップと、
第一、第二および第三の所定の閾値が所定の期間内に超える場合、神経筋刺激を加えることと、を含む。
【００１２】
車椅子の動きに基づいて車椅子のユーザに制約を加える一例示的な方法も考えられ、
車椅子の動作パラメータを測定するステップと、
動作パラメータを示す信号を生成するステップと、
信号を評価するステップと、
信号に応答して制約を少なくとも一つ作動させることと、を含む。
【００１３】
例として、動作パラメータを測定するステップは、車椅子の線速度を測定するステップ、車椅子の線形加速度を測定するステップ、車椅子の角度加速度を測定するステップまたは車椅子の角速度を測定するステップを含む。一例示的な実施形態では、信号を生成するステップは、線速度、線形加速度、角速度、角度加速度、およびその組み合わせから成る群から選択される少なくとも一つの動作パラメータを示す信号を生成するステップを含む。
【００１４】
一例示的な方法では、信号を評価するステップは、動作パラメータの大きさを示す値に信号を変換するステップ、および動作パラメータの大きさを閾値の大きさと比較するステップを含む。また、例として、信号を評価するステップは、信号を動作パラメータの方向を示す値に変換するステップ、および方向を基準方向と比較するステップを含む。さらに、例として、信号に応答して少なくとも一つの制約を作動させることは、ユーザを車椅子に固定するベルトを締めること、車椅子を遅くするためブレーキをかけること、苦痛信号を一斉送信するステップおよびその組み合わせからなる群から選択される。
【００１５】
本発明は、車椅子の手動推進のためのユーザに支援を提供するためのシステムをさらに包含する。一例示的な実施形態では、システムは、車椅子を推進しながら、ユーザの動作パラメータを測定するためにユーザ上に位置付けられた少なくとも一つのセンサを備える。少なくとも一つのセンサは、動作パラメータを示す一つ以上の信号を生成する。複数の神経刺激電極はユーザ上に位置付けられ、各電極はそれぞれの筋肉を活性化するためにユーザのそれぞれの筋肉に取り付けられる。コントローラは、少なくとも一つのセンサと通信し、信号を受信するように適合される。コントローラは、信号に応答してそれぞれの筋肉の選択されたものを活性化するための複数の電極とも通信する。一つの例示的な実施形態では、コントローラは車椅子またはユーザのいずれかに取り付けられる。エキサモームとして、少なくとも一つのセンサは、ユーザの上部胴体、ユーザの肩部、ユーザの腕、ユーザの手首、ユーザの頭およびその組み合わせからなる群から選択された位置において、ユーザに取り付けられる。さらに、例として、動作パラメータは、ユーザの一部の位置、ユーザの一部の加速度、ユーザの一部の加速度の変化、ユーザの筋肉の電位、およびその組み合わせからなる群から選択される。例として、ユーザの一部は、ユーザの上部胴体、ユーザの肩部、ユーザの腕、ユーザの手首、ユーザの頭およびその組み合わせからなる群から選択される。一例示的な実施形態では、電極は、股関節屈筋、股関節伸筋、体幹屈筋、体幹伸筋、腹筋およびその組み合わせからなる群から選択される筋肉に取り付けられる。例として、電極はユーザの皮膚の下に埋め込まれるか、またはユーザの皮膚の表面上に取り付けられる。
【００１６】
一例示的な実施形態では、少なくとも一つのセンサは慣性測定ユニットを含む。さらに、例として、少なくとも一つのセンサは少なくとも一つの加速度計を含む。別の例では、少なくとも一つのセンサは少なくとも一つの筋電図センサを含む。また、例として、少なくとも一つのセンサは、信号をコントローラに無線で送信するための無線周波数送信機を備える。
【００１７】
本発明はまた、車椅子を手動で推進するためのユーザに支援を提供する方法を包含する。一つの例示的な実施形態では、方法は、
ユーザが車椅子のホイールの前の押し出しから回復したときを検出するステップと、
ユーザがホイールの次の押し出しを実行するステップと、
ユーザがホイールの次の押し出しを実行する間、ユーザの体幹屈筋および股関節屈筋に神経刺激を加えることと、
ユーザがホイールの次の押し出しを完了したときを検出するステップと、
ユーザがホイールの次の押し出しを完了したときに、体幹屈筋および股関節屈筋への神経刺激を取り除くことと、
ホイールの次の押し出しからユーザが回復するステップと、
ユーザがホイールの次の押し出しから回復する間、ユーザの体幹伸筋および股関節伸筋に神経刺激を加えることと、
ユーザがホイールの次の押し出しから回復したときを検出するステップと、
ユーザがホイールの次の押し出しから回復したときに、ユーザの体幹伸筋および股関節伸筋から神経刺激を取り除くことと、を含む。
【００１８】
一例示的な実施形態では、ユーザが回復したときの検出は、ユーザが回復する間、ユーザの一部の動作パラメータを測定するステップを含む。一例示的な実施形態では、動作パラメータは、ユーザの一部の位置、ユーザの一部の加速度、ユーザの一部の加速度の変化率、ユーザの筋肉の電位、およびその組み合わせからなる群から選択される。一例示的な実施形態では、ユーザの一部は、ユーザの上部胴体、ユーザの肩部、ユーザの腕、ユーザの手首、ユーザの頭部、およびその組み合わせからなる群から選択される。
【００１９】
例として、ユーザがホイールの押し出しを完了したときの検出は、ユーザがホイールを押している間、ユーザの動作パラメータを測定するステップを含む。一例示的な実施形態では、動作パラメータは、ユーザの一部の位置、ユーザの一部の加速度、ユーザの一部の加速度の変化率、ユーザの筋肉の電位、およびその組み合わせからなる群から選択される。さらに、例として、ユーザの一部は、ユーザの上部胴体、ユーザの肩部、ユーザの腕、ユーザの手首、ユーザの頭部、およびその組み合わせからなる群から選択される。一例示的な実施形態では、ユーザが回復したときの検出は、ユーザの手首の前後の加速度を測定するステップを含む。さらに例として、方法は、前後の加速度の変化率を測定するステップを含む。また、例として、方法は、手首の内側外側の加速度の変化率を測定するステップを含む。一例示的な実施形態では、ユーザが押し出しを完了したときの検出は、ユーザの手首の前後の加速度を測定するステップを含む。例として、方法はまた、前後の加速度の変化率を測定するステップを含みうる。一例示的な実施形態は、手首の内側外側の加速度を測定するステップをさらに含む。
【００２０】
一例示的な実施形態では、ユーザがホイールの押し出しを完了したときの検出は、
所定の閾値よりも大きいユーザの一部の前後の加速を示す加速信号を検出するステップと、
加速信号の増加する変化率を検出するステップと、
所定の値の範囲内のユーザの一部の内側外側加速度を検出するステップと、を含む。
【００２１】
例として、ユーザがホイールの押し出しから回復したときの検出は、
所定の閾値未満のユーザの一部の前後の加速度を示す加速信号を検出するステップと、
加速信号の減少する変化率を検出するステップと、
増加する変化率を有するユーザの一部の内側外側加速度を検出するステップと、を含む。
【００２２】
一例示的な実施形態では、ユーザの一部は手首を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明によるユーザを安定化するための例示的な車椅子システムの等角背面図である。
【図２】図２は、図１に示す車椅子システムの等角側面図である。
【図３】図３は、本発明によるユーザの例示的な安定化方法を図示したフローチャートである。
【図４】図４は、本発明によるユーザの例示的な安定化方法を図示したフローチャートである。
【図５】図５は、本発明によるユーザの例示的な安定化方法を図示したフローチャートである。
【図６】図６は、本発明によるユーザを安定化するための車椅子システムの別の例示的な実施形態の等角側面図である。
【図７】図７は、本発明によるユーザの推進効率を増加させる車椅子システムの例示的な実施形態の等角正面図である。
【図８】図８は、図７に示す車椅子システムを推進するユーザのサイクルの段階を示す概略図である。
【図９】図９は、図７に示す車椅子システムを推進するユーザのサイクルの段階を示す概略図である。
【図１０】図１０は、図７に示す車椅子システムを推進するユーザのサイクルの段階を示す概略図である。
【図１１】図１１は、図７に示す車椅子システムを推進するユーザのサイクルの段階を示す概略図である。
【図１２】図１２は、図７に示す車椅子システムを推進するユーザのサイクルの段階を示す概略図である。
【図１３】図１３は、図７に示す車椅子システムを推進するユーザのサイクルの段階を示す概略図である。
【図１４】図１４は、図７に示す車椅子システムを推進するユーザのサイクルの段階を示す概略図である。
【図１５】図１５は、本発明による車椅子の推進効率を増加させる例示的な方法を示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明による車椅子の推進効率を増加させる例示的な方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１および図２は、本発明による車椅子システム１０の例示的な実施形態を示す。システム１０は車椅子１２を備える。モーションセンサ１４は、車椅子１２上に位置付けられる。モーションセンサ１４は、車椅子１２の一つ以上の動作パラメータを測定し、動作パラメータを示す信号を生成する。例示的な実施形態では、センサ１４は、３つの相互に垂直な軸（図１に定義されるＸ、ＹおよびＺ）の車椅子１２の加速度などの動作パラメータを測定するための加速度計を含む慣性測定ユニット（ＩＭＵ）だけでなく、軸Ｘ、ＹおよびＺの周りの角速度および角度加速度などの動作パラメータを測定するための一つ以上のジャイロスコープを含む。センサ１４は、信号を無線送信するために使用される無線周波数送信機１６も含む。コントローラ１８はまた、システム１０の一部である。この例では、コントローラ１８は車椅子１２上にも取り付けられているが、別の実施形態では、ユーザ２０によって着用される（取り付けられる）ことができる。例示的な実施形態では、コントローラ１８は、センサ１４から信号を受信するための無線周波数受信機２２と、受信機２２と通信するマイクロプロセッサ２４とを備える。マイクロプロセッサは、例えば、プログラム可能論理コントローラとしうる。マイクロプロセッサ２４内に保持されているソフトウェアは、センサ１４からの信号を評価し、マイクロプロセッサに命令して、これもシステム１０の一部である、複数の神経刺激電極２６のうちの一つ以上にコマンドを発行させる。コントローラ１８と電極２６の間の通信は、優先または無線であってもよい。
【００２５】
電極２６は、ユーザ２０のそれぞれの筋肉（以下に詳述）に取り付けられ、選択されたものは、マイクロプロセッサ２４内のソフトウェアで符号化されたアルゴリズムによる信号に応答して活性化される。電極２６は、経皮的電気神経刺激装置（ＴＥＮＳ）を使用してユーザ２０の表面皮膚上に取り付けられるか、あるいは筋肉内の埋込または神経カフ電極を使用して、皮膚の下に埋め込むことができる。一実験設定では、例示的なシステム１０は、８個、１２個、または１６個のチャネルＩＰＧを使用して、各チャネルに対して選択可能なパルス振幅（０〜２０ｍＡ）と可変パルス期間（０〜２５０μ秒）とパルス毎に設定された周波数（０〜２０Ｈｚ）を備えた非対称電荷平衡電流制御刺激波形を送達した。
【００２６】
本発明による車椅子システム１０は、日常的な活動中に衝突または急旋回などの予想外の不安定化事象が発生したときに、ユーザ２０が車椅子１２から落ちるのを防止するのに役立つ。この目標は、コントローラ１８を使用して、センサ１４によって測定され、コントローラ１８のソフトウェアのアルゴリズムによって評価される動作パラメータに応答して、選択された筋肉および筋肉群（脊髄負傷によってユーザ２０は制御を失った）を刺激し、それによって活性化させることによって達成される。活性化されると、選択された筋肉は、特定の安定化事象に応答して胴体の安定性を適切に復元する。
【００２７】
車椅子１２が縁石に遭遇するときなどの衝突については、車椅子の動作の方向に線形動作パラメータが使用されて、筋肉の活性化を決定する。コントローラ１８によって使用され、センサ１４によって測定される例示的な線形動作パラメータは、線速度、線形加速度、またはその二つの組み合わせであってもよい。衝突に応答して電極２６によって活性化される選択された筋肉は、膝、股関節および体幹伸筋から選択され、脊柱起立筋、腰方形筋、大殿筋、後方内転筋およびその組み合わせを含む。
【００２８】
急旋回については、車椅子１２の回転軸（図１の軸Ｚ）の周りに配向された角度動作パラメータを使用して筋肉活性化を決定する。コントローラによって使用され、センサ１４によって測定される例示的な角度動作パラメータは、角度加速度、角速度、およびその二つの組み合わせを含む。急旋回に応答して電極２６によって活性化される選択された筋肉は、再び膝、股関節および体幹伸筋から選択されるが、横方向に別個に、動作パラメータがＺ軸の周りの反時計回りの角度加速度または角速度である場合には、右側脊柱起立筋、右側腰方形筋、右大殿筋、および右後方内転筋が選択され、動作パラメータがＺ軸の周りの時計回りの角度加速度または角速度である場合には、左側脊柱起立筋、左側腰方形筋、左大殿筋、および左後方内転筋が選択される。
【００２９】
本発明はまた、車椅子１２のユーザ２０に神経刺激を提供する方法を包含する。図３は、例示的な方法を示すフローチャートを示し、これは、
車椅子（２８）の動作パラメータを測定するステップと、
動作パラメータ（３０）を示す信号を生成するステップと、
信号（３２）を評価するステップと、
信号（３４）に応答してユーザの少なくとも一つの筋肉を活性化するステップと、を含む。
【００３０】
上述の通り、車椅子１２の動作パラメータを測定するステップは、（例えば、衝突のための）線形加速度および／または線速度を測定し、（例えば、急旋回のための）回転軸の周りの車椅子の角速度および／または角度加速度を測定するステップを含む。信号を生成するステップは、信号を生成するステップ、例えば、線速度、線形加速度、角速度、角度加速度、およびその組み合わせを含む動作パラメータのいずれかを示す電圧信号を生成するステップを含む。
【００３１】
衝突イベントの信号を評価するステップは、動作パラメータの大きさを示す値に信号を変換するステップ、および次いで、筋肉刺激を加えるためにその大きさを既知の閾値と比較するステップを含む。効果的な閾値は、各車椅子ユーザと変化する実験から知られており、方法の実験用途では、いつ筋肉刺激を伸筋に加えて、衝突中にユーザを安定化させるため前方屈曲に抵抗し、直立座位に戻るのを助けるべきかを決定するため、３．０５ｇ〜約３．７６ｇの範囲の衝突加速度閾値が特定された。
【００３２】
回転イベントの場合、信号を評価するステップは、回転方向のほかその大きさを決定するステップが要求された。回転方向を決定するステップは、測定方向を基準方向と比較して、左の筋肉群を活性化するか、右の筋肉群を活性化するかを決定するステップを含む。回転の間筋肉刺激を加えるため、筋肉刺激を加えるときを決定するための実験的な角度動作パラメータの大きさの閾値は、約９７度／秒〜約１００度／秒の範囲に及んだ。
【００３３】
少なくとも一つの筋肉を活性化するステップは、筋肉または筋肉群を測定された動作パラメータに基づいて選択し、神経刺激がイベント（衝突または回転）に適した選択された筋肉に加えられる。例示的な実施形態に関して上述したように、測定された動作パラメータが閾値を超える線形加速度（衝突を示す）である場合、脊柱起立筋、腰方形筋、大殿筋、および後方内転筋が選択される。閾値を超える左回転を示す測定された角度動作パラメータについては、右側脊柱起立筋、右側腰方形筋、右大殿筋、および右後方内転筋を含む一つ以上の筋肉が選択される。閾値を超える右回転を示す測定された角度動作パラメータについては、左側脊柱起立筋、左側腰方形筋、左大殿筋、および左後方内転筋を含む一つ以上の筋肉が選択される。
【００３４】
図４は、衝突中に使用される本発明による詳細な例示的な方法を図示する。この例では、車椅子の動きの方向における線形加速度（軸Ｘ、前／後加速度）は、センサ１４およびコントローラ１８を使用して監視される（３６）。動作が検出されると、コントローラ１８内のアルゴリズム３８、４０および４２は、センサ１４からの信号を監視して衝突を検出する。アルゴリズム３８は、前／後加速度の移動根二乗平均を連続的に計算し、それを閾値と比較する。アルゴリズム４０は、ＲＭＳ前／後加速度の導関数を閾値に対して比較する。アルゴリズム４２は、速度の変化（加速度の積分）を計算し、それを閾値と比較する。閾値を所定の期間Ｔ１内に超えた場合、次いで衝突が発生し、適切な神経筋刺激が電極２６を介してコントローラ１８によって加えられる。
【００３５】
図５は、本発明による方法の別の例示的実施形態を図示したものであり、これは、
車椅子（４４）の動作パラメータを測定するステップと、
動作パラメータ（４６）を示す信号を生成するステップと、
信号（４８）を評価するステップと、
信号（５０）に応答して少なくとも一つのユーザの制約を作動するステップと、を含む。
【００３６】
その方法ステップは、上述のように神経筋刺激を加えるためのものと類似しており、相違は筋肉刺激の代わりに機械的制約が加えられることである。図６に示すように、制約は、ブレーキ５２をかけること、シートベルト５４を締めてユーザ２０を抑止すること、および／またはスピーカ５６からまたは無線周波数送信機５８によって苦痛信号を一斉送信することを含みうる。さまざまな制約の作動は、コントローラ１８によって、サーボモータ６０などの適切なインターフェースによって達成され、シートベルトまたはソレノイドなどのアクチュエータ６２を締めてブレーキをかける。システム１０で使用される様々な機械的装置は、有利なことに、電池６４によってシステムが動作できるように電気的である。
【００３７】
図７は、手動推進型車椅子６８の効率を改善する別のシステム６６を示す。システム６６は、コア大腿部筋、股関節筋および体幹筋の麻痺による胴体制御が不十分なユーザ７０にとって有利である。こうしたユーザは、胴体の安定性が制限されており、ホイール７２を押し出したとき、後方および前方に完全に寄りかかることができないか、またはそのようにすると危険である。この状態は、非効率的な押し出しを引き起こし、傾斜したランプなどの難しい地形を横断することを困難にする。
【００３８】
システム６６は、ユーザが車椅子６８を推進する間、ユーザの動作パラメータを測定するためのユーザ７０上に位置する少なくとも一つのセンサ７４を備える。システム６６で有用な動作パラメータには、ユーザの一部の位置、ユーザの一部の加速度、ユーザの一部の加速度の変化率のほかユーザの筋肉の電位が含まれる。一つ以上のセンサ７４は、ユーザの上部胴体７６、肩部７８、腕８０、特定の手首８２、および頭部８４上に、ユーザ７０のこれらの部分の一つ以上の動作パラメータを測定するために有利に位置付けられうる。動作パラメータとして筋肉の電位を使用することが望ましいとき、肩部７８に取り付けられた筋電図センサを使用することが有利である。センサ７４は、ユーザが車椅子６８を推進する間、動作パラメータを示す一つ以上の信号を生成する。
【００３９】
この例示的な実施形態では、一つのモーションセンサ７４が使用される。センサ７４は、市販のアクティビティトラッカなどの三軸加速度計を備え、手首８２上で着用される。手首加速度計７４は、コントローラ８６に無線で対応する選択された動作パラメータを示す信号を送信する無線周波数送信機を持つ。コントローラ８６は、ユーザ７０に着用される（取り付ける）か、車椅子６８（図示）上に取り付けることができる。示される例示的な実施形態では、コントローラ８６は、センサ７４から信号を受信するための無線周波数受信機８８と、受信機８８と通信するマイクロプロセッサ９０とを備える。マイクロプロセッサは、例えば、プログラム可能論理コントローラとしうる。マイクロプロセッサ９０内に保持されているソフトウェアは、センサ７４からの信号を評価し、マイクロプロセッサに命令して、これもシステム６６の一部である、複数の神経刺激電極９２のうちの一つ以上にコマンドを発行させる。
【００４０】
電極９２は、ユーザ７０のそれぞれの筋肉（以下に詳述）に取り付けられ、選択されたものは、マイクロプロセッサ９０内のソフトウェアで符号化されたアルゴリズムによる信号に応答して活性化される。電極９２は、経皮的電気神経刺激装置（ＴＥＮＳ）を使用してユーザ７０の表面皮膚上に取り付けられるか、あるいは筋肉内の埋込または神経カフ電極を使用して、皮膚の下に埋め込むことができる。推進効率を改善するための神経筋刺激のために電極９２が取り付けられる選択された筋肉には、股関節屈筋、股関節伸筋、体幹屈筋、体幹伸筋、腹筋およびその組み合わせが含まれる。
【００４１】
本発明はさらに、車椅子６８を手動で推進するためのユーザ７０に支援を提供する方法を包含する。例示的方法は、図８〜図１４に図示されており、
ユーザ７０が車椅子６８のホイール７２の前の押し出しから回復したときを検出すること（ステップ）と（図８）、
ユーザ７０が次にホイール７２の次の押し出しを実行すること（ステップ）と（図９〜図１１）、
ユーザがホイールの次の押し出しを実行する間、ユーザ７０の体幹屈筋および股関節屈筋に神経刺激を加えること（ステップ）と、
ユーザがホイールの次の押し出しを完了したときを検出すること（ステップ）と（図１１）、
ユーザがホイールの次の押し出しを完了したときに、ユーザ７０の体幹屈筋および股関節屈筋への神経刺激を取り除くこと（ステップ）と（図１１）、
ユーザ７０がホイールの次の押し出しから回復すること（ステップ）と（図１２〜図１４）、
ユーザがホイールの次の押し出しから回復する間、ユーザ７０の体幹伸筋および股関節伸筋に神経刺激を加えること（ステップ）と（図１２〜図１４）、
ユーザ７０がホイールの次の押し出しから回復したときを検出すること（ステップ）と（図８）、
ユーザがホイールの次の押し出しから回復したときに、ユーザ７０の体幹伸筋および股関節伸筋から神経刺激を取り除くこと（ステップ）と（図８）、を含む。
【００４２】
図８〜図１４に図示するように、腕８０の押し下げ作業は、刺激に応答して胴体が屈曲して前かがみになると（図９〜図１１）胴体７６の力および重量によって増加するため、ユーザ７０がホイール７２の押し出しを実行する間、体幹屈筋および股関節屈筋に神経筋刺激を与えることが有利である。同様に、ユーザ７０が次の押し出しの準備を回復し得るように（図８）、体幹屈筋および股関節屈筋への刺激を取り除き、体幹伸筋および股関節伸筋に刺激を加えて、胴体７６を伸張させる（図１２〜図１４）ことが有利である。神経筋刺激の付与および除去のタイミングは、ユーザ７０が回復したときおよびユーザが押し出しを完了したときの検出に依存する。
【００４３】
ユーザ７０が押し出しから回復したときの検出は、回復中にユーザの一部の動作パラメータを測定することによって達成される。実用的動作パラメータには、ユーザの一部の位置、ユーザの一部の加速度、ユーザの一部の加速度の変化、およびユーザの筋肉の電位およびこれらの動作パラメータの組み合わせが含まれる。これらの動作パラメータを測定することができるユーザの部分には、上部胴体７６、肩部７８、腕８０、手首８２、頭部８４、およびこれらの部分の組み合わせが含まれる。
【００４４】
ユーザ７０が押し出しを完了したときの検出は、ユーザがホイール７２を押し出している間、ユーザの一部の動作パラメータを測定することによって達成される。実用的動作パラメータには、ユーザの一部の位置、ユーザの一部の加速度、ユーザの一部の加速度の変化、およびユーザの筋肉の電位およびこれらの動作パラメータの組み合わせが含まれる。これらの動作パラメータを測定することができるユーザの部分には、上部胴体７６、肩部７８、腕８０、手首８２、頭部８４、およびこれらの部分の組み合わせが含まれる。
【００４５】
実験的証拠は、ユーザ７０の手首８２の動作パラメータ、特に内側外側加速度と組み合わせた、前後加速度および加速度の変化率、ならびに手首の加速度の変化率が、ユーザの押し出しからの回復および押し出しの完了の両方の決定において有用であることを示してきた。図１５および１６は、これらの手首動作パラメータを使用したアルゴリズムの例示的な実施形態を図示する。
【００４６】
図１５に示されるように、ユーザ７０がホイール７２の押し出しを完了したときの検出は、
所定の閾値（９４）よりも大きいユーザ（手首８２）の一部の前後加速度を示す加速信号を検出するステップと、
加速信号（９６）の増加する変化率を検出するステップと、
所定の値（９８）の範囲内のユーザ（手首８２）の一部の内側外側加速度を検出するステップと、によって達成される。
【００４７】
図１６に示されるように、ユーザ７０が押し出しから回復したときの検出は、
所定の閾値未満のユーザ（手首８２）の一部の前後加速度を示す加速信号を検出するステップと（１００）、
加速信号の減少する変化率を検出するステップと（１０２）、
増加する変化率を有するユーザ（手首８２）の一部の内側外側加速度を検出するステップ（１０４）と、によって達成される。
【００４８】
ユーザ７０のその他の部分の動作パラメータはまた、押し出し完了および回復を検出するために使用されてもよいことが期待されるが、このアルゴリズムを実行するために、ユーザ７０の手首８２の動作を使用することが有効であることがわかっている。
【００４９】
本発明によるシステムおよび方法は、車椅子ユーザの体験、能力、効率および安全性を向上させることが期待される。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2020533037.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
2020533037.tif 000019
2020533037.tif 000020
2020533037.tif 000021