ウェアラブル平衡感覚機能モニタとその応用
松下 宗一郎
東洋大学工学部コンピュテーショナル情報工学科
Email: gmatsu@eng.toyo.ac.jp
１ はじめに加速度センサ
μ CPU

人間の平衡感覚機能は、主として内耳、目、触覚（力覚）からの信号が中枢神経にて統合されることにより成り立っており、疲労や感冒といった要因によっていずれかの感覚器官が平常時とは異なる信号を発することによりバランスが崩れることで平衡感覚異常が起きる。このような異常は、時としていわゆる「めまい」として知覚され、まっすぐに立っていることが困難になることが知られている。
めまいを含めた平衡感覚異常に対しては、重心動揺検査と呼ばれる診断手法が広く知られており、体電池
NiMH 8.4V
3 和音サウンド
ジェネレータ

重計状の装置の上で起立した状態にて足裏への過重分布を３０秒ないし１分間計測することにより、
人
体の重心位置の運動を解析し、病理学的な所見を得

図１ ヘッドセット型平衡感覚機能診断装置ている。これに対し、本研究では利用者の頭部に高感度な２軸加速度センサといった運動センサを設置設置したものであり、２軸加速度センサ、８ビットし、「身体の揺れ」によって生じる頭部の運動を計マイクロコントローラを中心とする加速度計測回路測したところ、得られる信号の物理的な意味は異なに加え、利用者に対し診断結果の提示や種々のインるものの、利用者の疲労度に応じた運動パラメータ

タラクションを可能とする音響生成回路、並びに電を抽出できる可能性があることを文献[1]にて報告

池を含め、総重量約２７０グラムとなっている。

している。実験の結果、加速度センサからの信号出実験に先立ち、２０才〜５０才までの健常者１０

力には重力加速度成分が含まれることから、頭部の名に対し、開眼ならびに閉眼で水平な床面上に起立準静的な傾斜角度の変化が引き起こす加速度成分

した状態にて３０秒間の加速度計測を試みたとこを、頭部の運動によって発生する真の意味での加速

ろ、典型的には１０ミリ G（G は重力加速度）ない度成分と分離することは困難であるが、両者の周波し３０ミリ G 程度の範囲での加速度が検出されて数スペクトルの違いから、加速度の変化分の絶対値いる。ここで、加速度センサは、地面と水平な面にを時間積分することで、疲労度と強い相関関係を示

対し、頭頂部の前後並びに左右の運動を計測するよす運動パラメータが得られており、いつでもどこでうに設置されているが、装着時のデバイスの地面にも利用できるウェアラブル平衡感覚機能モニタシス

対する傾斜角のずれは利用者が異なっていても３〜テムとしての可能性が見い出されている。

５度程度に収まることが確認されており、この範囲
では sin θ〜θ(rad)の近似が成り立つことから加速

２ ウェアラブル平衡感覚モニタシステム

度の変化分を計測する場合には問題とはなりにくい

図１は、市販のヘッドセットに対し平衡感覚機能ことが示されている。また、実験に用いた加速度セ計測に関わるデバイスを重量バランスを考慮しつつンサ（ADXL-202E [2]）のノイズフロアは２ミリ G程度であるが、ショット性の雑音が大きく、アナロ

A Wearable Sense of Balance Monitoring System and Applications:
Soichiro Matsushita
Dept. of Computational Science, School of Engineering,
Toyo University
Emai: gmatsu@eng.toyo.ac.jp

グーデジタル変換された結果を数値的に平滑化し、等価的には約１０ Hz の周波数帯域とすることで、健常者の起立時の頭部運動加速度を十分な信号対雑音比をもって計測することができた。

３ 平衡感覚モニタシステムの応用（２）リアルタイム集中力モニタリング（１）いつでもどこでも利用できるユビキタス平衡感覚診断装置

本研究によるウェアラブル平衡感覚機能モニタでは、頭部の運動に伴って発生する加速度を逐次計測

本研究によるウェアラブル平衡感覚機能モニタでしており、加速度の変化量を数値的に積算することは、静かに立っていられる場所さえあれば、いつでで平衡感覚がどの程度維持されているのかを推定でも、どこでも計測を行うことができる。また、デバきることから、医療的な応用での３０秒ないし１分

イス自体が小型、軽量であることに加え、ヘッド間といった時定数に代えて、５秒毎といった短い時セットという日常的に装着していても社会的に違和間での積算量を計算することで、リアルタイム性の感が少ない形態をとれることから、たとえ常時使用高い平衡感覚機能モニタリングを行うことが可能ですることはないとしても、例えば普通のヘッドフォあると考えられる。そこで、まずは１秒間毎の加速ンステレオ装置に組み込むことで、常に持ち歩くこ度変化量積算値に応じて異なる音階の音響を利用者とに対するモティベーションを保つことが可能であの耳元に設置したスピーカーより出力する構成としると考えられる。そして、いつでも、どこでも平衡たところ、いわば「集中持続力モニタ装置」と呼べ感覚機能を手軽にチェックできることで、一過性でるような効果が得られた。続いて、若干エンターテあることが少なくない「めまい」の症状が現れた時イメント性を高め、開始当初はゆっくりとしたテンに、即座に身体の揺れの状況を計測し、医師によるポにて楽曲を演奏しているが、加速度変化量積算値病理学的診断をサポートすることも可能である。

にてテンポアップして行き、最終的には破壊音等を一方、「手軽であること」を生かし、平衡感覚機発して演奏が終了するとともに「演奏を持続できた能に対し影響を及ぼすような外的要因と組み合わせ時間」＝「集中力維持に対するスコア」が表示されて使用することで、従来は利用者（被験者）へのアるようなシステムとしたところ、制御できそうで制ンケート調査といった、主観的な手法に頼ることの御できない自分の体の揺れの状態を実感することの多かった場面で、数値による客観的な評価指標を導できるユニークなシステムとなった。また、静かに入し、利用者への負荷をより客観的に評価するよう立っているだけではなく、外部から視覚等を通じたな利用が可能であると考えられる。そこで、本研究刺激を加えることでも更にエンターテイメント性をでは、大画面テレビジョンや、ヘッドマウントディ高めることができた。

スプレイといった、利用者が視覚（聴覚）をインテンシブに使用する機器に対し、平衡感覚機能のモニ４ 今後の展開タリングを試みた。表１は、３次元ＣＧを用いたフ

加速度センサによる運動計測では、重力による静ライトシミュレータソフトを、ヘッドマウントディ的な加速度をいかにして本来の運動による加速度とスプレイ（視野を完全に覆うタイプ：水平視野角２分離するかがポイントとなる。また、頭頂部に設置５度）ならびに３２型フラットディスプレイ（水平した運動センサからの信号が、身体の運動における視野角７０度）
にて利用者に６０分間使用してもら「何」を実際には反映しているのかについても、医い、その前後での頭部の「揺れ」を計測した結果で学的な意味と共に議論の尽きないところである。
今

あるが、水平視野角の大きいフラットディスプレイ

回提案を行っているデバイスは、構成がシンプルでの方が利用者の身体に与えた影響が大きいことが示あると共に、いつでもどこでも使用できる手軽さが唆されている。なお、この計測において利用者本人特徴であり、理論的な展開と併せて日常生活におけには自覚されるような違いは認められなかった。

る利用形態の広がりが期待できる。

３０秒間の加速度軌跡パターン総延長距離(a.u.)
開眼時

閉眼時

平常時（実験開始前）

31.9 σ=1.2

33.7 σ=0.4

ヘッドマウントディスプレイ
使用(60分) 直後

32.8 σ=1.2

34.9 σ=2.8

大画面フラットパネル
ディスプレイ使用(60分) 直後

35.6 σ=1.8

40.6 σ=3.0

表１ ディスプレイの違いによる頭部の揺れの変化

参考文献[1] S. Matsushita, T. Oba, K. Otsuki, M. Toji, J. Otsuki and K.
Ogawa: A Wearable Sense of Balance Monitoring System towards
Daily Health Care, Proc. of ISWC2003, pp. 176 - 183, 2003.
[2] ADXL202E +-2g Dual Axis Accelerometer data sheet, Analog
Devices Home Page: http://www.analog.com