情報処理学会 インタラクション 2014
IPSJ Interaction 2014

A0-4
2014/2/27

痙性斜頸患者に対する Kinect を用いた姿勢評価システム
中村拓人†1
大山彦光†4西村奈令大†2旭雄士†3佐藤未知†2†5梶本裕之†6†7

頭部姿勢の異常を伴う運動障害疾患の一つとして知られる痙性斜頸の症状評価には、現在 Tsui Score や TWSTRS などいくつか評価方法が存在する。これらは医師の目視により行われているため、評価者によって基準が異なり、評価者が同一でないデータ同士を比較することが難しいという問題がある。痙性斜頸のように現在確たる治療法がなく今後も新しい治療法開発が必要とされる疾患においてはより再現性、客観性の高い症状評価手法を確立する必要がある。
そこで本研究はリアルタイムに 3 次元計測が可能な Kinect を用いて、斜頸疾患に対し正確で再現性のある姿勢評価を実現することを目的とする。本稿で製作したシステムは患者の顔認識、顔の角度の計測、表示を行い、Tsui Scale やTWSTRS へ適用させることが出来る。頭部の回転に対して医師の目視との精度の比較を行ったところ、本システムは不得意な回転軸がなく、十分な計測精度を持つことが確認された。

Kinect-based Semi-automatic Scoring Method for Torticollis
TAKUTO NAKAMURA†1 NARIHIRO NISHIMURA†2TAKASHI ASAHI†3 GENKO OYAMA†4 MICHI SATO†2†5
HIROYUKI KAJIMOTO†6†7Although there are conventional scoring methods such as Tsui Scale or TWSTRS for torticollis severity, the results obtained aresometimes inaccurate or non-reproducible because these tests are performed manually. The objective of our research is toincrease the accuracy and reproducibility of the scoring results for torticollis so as to help developing of new treatments fortorticollis. To capture patients’ facial orientations in real time, we used Kinect and tracked patients’ faces. The system wedeveloped automatically detects 3D facial orientations. The system can obtain and show patients’ facial direction for each axis asrotation, lateral, and tilt of Tsui Scale in real time. We also conducted an experiment, comparing accuracy of the system withmedical specialist, suggests that our system has sufficient accuracy.

1. はじめに
1.1 従来の痙性斜頸患者の姿勢評価
運動障害疾患の一つに、首が意図しない方向へ曲がってしまう痙性斜頸がある。痙性斜頸は頸部に起こる持続的なScale4)によって被験者の症状を評価した。TWSTRS では、患者の首などの姿勢を測る重症度、日常生活への影響を測る機能障害度、症状による痛みを測る疼痛度の 3 パートによって構成されている。Modified Tsui Scale は患者の首などの姿勢を測る尺度である。

異常筋緊張により捻転性あるいは反復性の運動や異常姿勢をきたす病態である（図 1）1)。
現在のところ痙性斜頸に対しては、ボツリヌス毒素注射や選択的末梢神経切断などの対処療法が多く取られる。しかしこうした療法は金銭的、心理的コストが比較的高く、例えば発展途上国の患者が気軽に受けられるものではない。
この問題を解決するために、現在例えば旭らは新たな治療法の開発を行っている 2)。
こうした治療法の開発には、治療成果の定量的評価が必要不可欠である。旭ら 2)は毎月被験者の症状の状態を痙性斜頸の代表的な症状尺度である TWSTRS3)と Modified Tsui

図 1

痙性斜頸：頭部姿勢の異常を伴う運動疾患

Figure 1 Spasmodic Torticollis is characterized by involuntaryrotation and shift of head.

†1 電気通信大学情報理工学部総合情報学科
Department of Informatics, The University of Electro-communications†2 電気通信大学総合情報学専攻
Department of Informatics, The University of Electro-communications†3 富山大学脳神経外科
University of Toyama†4 順天堂大学脳神経内科
Juntendo University†5 日本学術振興会特別研究員
JSPS Research Fellow†6 電気通信大学
The University of Electro-communications†7 科学技術振興機構さきがけ
Japan Science and Technology Agency© 2014 Information Processing Society of Japanこれらの評価手法は一般的に医師の目視によって行われる。このために医師の技量によって評価精度が異なり、また評価する医師によって基準が異なるため、評価する医師が異なるデータ同士を比較することが不可能という問題があった 5)(図 2)。治療成果の定量的評価が必須となる痙性斜頸の治療法の開発を進めていくには、精度及び再現性の高い症状評価手法を確立する必要がある。

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図 2Figure 2

従来の症状評価：医師の目視による評価
Conventional scoring was primary done by visualobservation

図 3Figure 3

計測する 3 軸
Three axes to measure

この問題に対して、これまで三次元計測機器や装着型デバイスを用いた評価手法が提案されてきた 6)。しかし設備が高価であり、また設備を使いこなすための人材が必要であるなどの問題があり、普及を妨げている。
こうした背景を踏まえ、我々は安価かつポータブルな姿
勢計測装置である Microsoft 社製の Kinect for Windows を用いて、痙性斜頸患者の姿勢を測定、症状評価を自動で行うシステムを開発した。これにより再現性があり、かつ安価で操作が容易な評価手法を提供し、またこれを普及させることで、世界中で同一の評価環境を構築することを目的とする。

2. 姿勢評価システム
2.1 Kinect for Windows による顔追跡

図 4

Kinect for Windows は Microsoft 社から発売された三次元Figure 4

ソフトウェア外観
Overview of software

計測装置であり、Xbox360 用ゲームコントローラであった
Kinect を一般の PC で利用可能としたものである。価格は250USD と三次元計測装置としては大変安価であり、入手性も高い。
Microsoft 社は Kinect for Windows 開発者に向けて、Kinectの開発パッケージである Kinect SDK for Windows を配布している。また、それと同時に SDK を用いたサンプルプログ
ラムとサンプルコードを Developer Toolkit Browser として配布している。本システムの評価ソフトウェアは、そこに含まれている Face Tracking Basic のコードを利用し作成した。Face Tracking Basic は Kinect で撮影された人物の顔の2.3 TWSTRS 重症度スケール
本システムにはさらに、痙性斜頸の代表的な尺度であるTWSTRS の重症度スケールの評価を支援する機能を設けた。元来英語によって作成された尺度であるが、梶ら 7)によって翻訳された日本語訳によると TWSTRS の重症度ス
ケールは評価項目が 10 項目ある TWSTRS の下位尺度である。評価項目一覧と本システムの対応状況を表 1 に示す。
表 1

TWSTRS 重症度スケールの評価項目

Table 1

Items of TWSTRS-severity Scale

特徴点を三次元的に認識し、追跡するものである。
2.2 本システムの基本機能
本システムはまず基本機能として、Kinect で撮影された人物の Kinect に対する顔の角度を表示する。表示方法は角度の数値（degree）とグラフの 2 種類で、人物の顔のヨー軸、ロール軸、ピッチ軸の 3 軸(図 3)の角度をそれぞれ表示する(図 4)。Kinect によって計測された顔の角度を既存の評価尺度である Modified Tsui Scale や TWSTRS によって採点、表示を行う。

© 2014 Information Processing Society of Japan152

A1-A3 では患者の頭部が計測対象の 3 軸方向にどの程度回転しているかを計測、評価する。A4-A5 では、首の平行移動量を計測、評価を行う。
B 偏倚持続割合では一定時間内で、症状の持続度と症状の最大偏倚が起きている割合を計測、評価する。
C の感覚トリックでは手などを使って頭部を正常姿勢へどの程度戻すことが出来るかを計測、評価する。
D では、患者の肩の可動域に対する肩の偏倚を計測、評評価を行った。
A1-A3 では、頭部の 3 軸の角度偏倚を評価対象としている。そこで体幹と首との相対的な角度を測定し、その平均角度を TWSTRS 重症度スケールの配点に適用し、評価を行った。また、A4 側方偏倚は未対応のため、現時点では目視で偏倚の有無を判断した。A5 前後偏倚は本システムの関節追跡によって取得した頭頂の座標と頸部の根本の座標を利用し算出された首の角度（図 6）により、前後偏倚の有無を評価した。

価する。
E の首の可動域では、患者に頭部を回旋させ、正中線より反対側へ頭部を回旋出来るかを評価する。
F の正常姿勢保持時間では、患者に正常姿勢をとってもらい、頭部が正常姿勢から 10°以内の範囲にとどまっていられる時間を計測し評価する。
以上の TWSTRS 重症度スケールの評価項目には Kinectのみで計測ができるものと、従来医師の目視でスコアリングをするほうが現実的なものが混在している。以下では各

図 6

項目に対するこのような判断について述べる。

2 点がなす首の角度

Figure 6 Angle of neck estimated by the two points
2.4 TWSTRS 重症度スケール評価支援機能
本システムでは、TWSTRS 重症度スケールの評価を支援

B 偏倚持続割合は取得した 100 個の計測データを用いて、する機能を搭載している。現在、A4 側方偏倚と C 感覚ト症状の持続度と最大偏倚が起きた割合を算出し、TWSTRS

リックの項目以外は、専門的なトレーニングを受けること重症度の配点へ適用した。

なく TWSTRS 重症度を評価可能となっている。ページに表示される説明に従い患者を評価していく。
D 肩挙上、肩前後偏倚、E 首の可動域の項目では、患者C 感覚トリックは未対応のため、患者に首や頭部に手を当てるなどして正常姿勢をとってもらう（図 7）。評価基準を画面上で確認しながら適切な点数を選択し、評価した。

が適切に頭部及び肩を動かす必要があるが、図 5 のようなインストラクションを表示し、動いてもらうことで対応した。

図 7
Figure 7

感覚トリックによる症状改善
Improvement caused by sensory trick

D 肩挙上、肩前後偏倚は図の様に肩を動かしてもらい、可動域を調べ、最初に取得したデータに含まれる肩の傾き
図 5
Figure 5

動きの説明画面

図 8 を用いて TWSTRS 重症度の配点へ適用した。

Instruction of assessment

2.5 TWSTRS 重症度スケール評価支援機能による計測、評価手法
はじめに Kinect を用いて 100 個の計測データ（サンプリングレート 10Hz で 10 秒間計測）を取得する。この際取得するのは、頭部の 3 軸の角度、肩の角度、首の角度である。
また、A1-A5 では、取得した角度の平均値を計測角度とし、© 2014 Information Processing Society of Japan

153

均角度を計測角度とした。
基準センサはスマートフォンに搭載されている加速度センサと地磁気センサを用い、ヘッドバンドを用いて被験者の額に装着させた。計測にはコンパスアプリ 8)を用い、初期位置と顔を傾けた時の位置での、角度の変位を求めることで計測角度とした。このスマートフォンによる計測手段の精度については事前に既知の傾き角度の板に沿わせることで評価しており，誤差がロール軸とピッチ軸で±2°以
図 8Figure 8

2 点がなす肩挙上角度
Angle of shoulder elevation

下、ヨー軸で±4°以下であることは確認している．
なおスマートフォンによる計測の精度が高いことから、
Kinect ではなくスマートフォンを実際の症状評価に使うこE 首の可動域は図の様に症状のある角度反対方向へ動かとも当然考えられる。しかし実際の症状評価には体幹と首し、首の可動域が正中線を超えるかを計測し、評価する。との相対的な姿勢を測定する必要があり、このため頭にス

F 正常姿勢保持時間は患者に正常姿勢を取らせ、正常姿マートフォンを装着する手法は最終的には取れないと判断

勢から 10°以内を保持できる時間を計測し、評価する。

した。さらに既に述べたように痙性斜頸の症状評価には肩以上をまとめると、表 1 で示したように、本システムはの傾きや頭部の平行移動量等の計測も多数含まれており、

A1-A3 頭部の 3 軸の角度偏倚、A5 頭部の前後偏倚、B 偏倚

これらも含めた計測システムを最も簡単に構築するにはス

持続割合の 10 項目中 5 項目を評価者、患者が共に動作を必マートフォンを使うことは考えにくい。

要としない、評価の完全自動化を実現した。また D 肩挙上、肩前後偏倚、E 首の可動域、F 正常姿勢保持時間の 3 項目

3.3 実験条件

でインストラクションに従って動いてもらい評価を行う半被験者は Kinect システムでの計測において 21~25 歳の 10自動化を実現した。A4 側方偏倚、C 感覚トリックの 2 項目名(男性 7 名、女性 3 名)、医師の目視での計測において 21は医師の目視によって評価を行う。

歳~26 歳の 5 名(男性 5 名、女性 0 名)で、全員健常者であっ3. 評価システムの妥当性の検証
本システムが痙性斜頸患者の姿勢評価に使用可能であた。今回は、健常者に顔を傾けさせることで、擬似的に痙性斜頸患者の状態とした。
3.4 実験手続きることを確認する為に実験を行った。今回は特に正確な数被験者が椅子に座った状態で計測を行った。

値が求められる A1-A3 項目、すなわち顔の傾斜角度を、医計測開始前に被験者には再現すべき顔の姿勢を確認さ師の目視、並びに本システムを用いて計測した。これらのせた。その後、被験者の顔の傾斜角度を 0°にするために、計測精度を比較することで、本システムの痙性斜頸患者のできるだけ体の正面を見るように指示し、この状態を初期姿勢評価への使用の妥当性を検証した。

位置として基準センサにて初期位置の計測を行った。

3.1 実験概要

初期位置計測が終わると、実験者によって確認した姿勢

本実験では、被験者の顔の傾斜角度を各手法によって計を再現させ、基準センサによる計測と、Kinect システムあ測し、計測精度を比較した。計測は Kinect システム、医師

るいは医師の目視による計測を行った。被験者一人につきの目視、基準角度を計測する基準センサによって行われた。

違う姿勢で 10 回計測を行った(図 9)。

計測対象は、痙性斜頸の評価基準に基づき、顔のヨー軸、ロール軸、ピッチ軸の 3 軸の計測角度とした(図 3)。ここ
では基準センサと Kinect システム、基準センサと医師の目視の組み合わせで、同時に被験者の顔の傾斜角度を計測した。これらの両手法を基準角度と比較し、間接的に Kinectシステムと医師の目視の精度を比較した。
3.2 計測手法
医師の目視による計測は痙性斜頸を含む不随意運動疾患を専門とする医師によって行われた。
Kinect システムによる計測は、Kinect を被験者の目線の図 9基準センサと Kinect システムによる計測の様子（左）基準センサと医師の目視による計測の様子（右）高さに合わせ、被験者から 1.0m 地点に設置し、10 秒間計

Figure 9測(サンプリングレート：10Hz)を行った。その後、その平System (left), the view of measuring by Sensors and visual© 2014 Information Processing Society of JapanThe view of measuring using Sensors and Kinect

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observation by a doctor (right)
3.5 実験結果
Kinect システムによって行った実験結果を軸ごとに図10、図 11、図 12 に示す。横軸は基準センサによる計測結果でほぼ真値を表すと考えられ、縦軸は Kinect システムによる計測結果を表す。グラフには全被験者の計測結果がプロットされている。
ここで横軸の値を x、縦軸の値を y とすると、理想的にはすべての値は y=x の直線に乗るはずである。誤差±10°の範囲(図中赤帯)に、ヨー軸では 71%、ロール軸では 76%、ピッチ軸では 84%のデータが分布した。

図 11 Kinect システムによるロール軸の計測結果

図 10
Figure 10

Figure 11

Result of roll axis measured by Kinect System

図 12

Kinect システムによるピッチ軸の計測結果

Kinect システムによるヨー軸の計測結果
Result of yaw axis measured by Kinect System

Figure 12

Result of pitch axis measured by Kinect System

同様に医師の目視によって行った実験結果を図 13、図 14、
図 15 に示す。横軸は基準センサによる計測結果、縦軸は医師の目視による計測結果を表す。理想式である y=x と比較して、誤差±10°の範囲（図中赤帯）の中にヨー軸では44%、ロール軸では 90%、ピッチ軸では 72%のデータが分布した。

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図 13
Figure 13

医師の目視によるヨー軸の計測結果

図 15

医師の目視によるピッチ軸の計測結果

Result of yaw axis measured by a doctor

Figure 15

Result of pitch axis measured by a doctor

2 つの計測結果を表 2 にまとめる。本システムによる計測では、すべての軸において誤差±10°の範囲に 70%以上のデータが分布した。一方で医師の目視による計測ではロール軸、ピッチ軸においてはそれぞれ 70%以上のデータが分布したが、ヨー軸において誤差範囲±10°に分布したデータは 44%であった。
表 2
Table 2

図 14

誤差範囲別データ分布

Data distribution with error ranges

医師の目視によるロール軸の計測結果

Figure 14

Result of roll axis measured by a doctor

3.6 考察従来の代表的な症状評価手法である TWSTRS では、首の姿勢に関してヨー軸、ロール軸、ピッチ軸の 3 軸において20°毎に点数が一点加算される 3)。このため真値に対して±10°の範囲内に収まる計測ができれば、TWSTRS のために利用可能であることを示せたといえる。実験の結果、本システムは±10°の誤差範囲内にヨー軸で 71%、ロール軸で 76%、ピッチ軸で 84%のデータが含まれていることが確認された。一方医師の目視では±10°の誤差範囲に対して、ロール軸では本システムよりも高い 90%のデータが含まれていたが、逆にヨー軸においては 44%となった。
以上の結果から、本システムは医師の目視と比較して各軸の計測精度に偏りが少なく、痙性斜頸患者の姿勢評価に使用するには妥当な精度を持つ可能性があると言える。

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4. まとめと今後の課題
本研究では、痙性斜頸の正確な症状評価を目的としてKinect を用いたシステムを制作した。計測精度を検証した
結果、実際の患者の姿勢評価に適用できる可能性が示唆された。
今後はソフトウェアで評価可能な症状の種類を増やしていく。具体的には、痙性斜頸の症状である頭部の振戦や平行移動量などがある。また本稿では痙性斜頸患者の姿勢評価のみに焦点を当てたが、パーキンソン病など他の運動障害患者の姿勢評価への応用も検討する。

参考文献
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価者間信頼性の検討, Brain and nerve, Vol.61, No.1, pp. 65-71 (2009)8) Smart Tools co. , Smart Compass (2013)https://play.google.com/store/apps/details?id=kr.sira.compass&hl=ja© 2014 Information Processing Society of Japan

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