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技術 歩行評価装置と歩行を評価するための指針となるデータの収集方法

出願人 学校法人近畿大学
発明者 米田昌弘福田寛二
出願日 2016年4月22日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2016-086330
公開日 2017年2月9日 (3年9ヶ月経過) 公開番号 2017-029686
状態 特許登録済
技術分野 生体の呼吸・聴力・形態・血液特性等の測定
主要キーワード 倍数周波数 評価指針 前後方向用 レベル段階 パワースペクトル比 成年男子 加速度ゼロ 時刻歴波形
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

従来の加速度計を用いた歩行評価の手法は、医療分野で有用な定量評価を行えるほどの実用化には至っていなかった。

解決手段

被験者側部に取り付け、前被験者の進行方向への加速度計測する加速度計と、 前記加速度計の出力を周波数分析する周波数分析器と、 前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をPSD1として読み出し、前記歩調基本周波数の1/2の周波数成分をPSD0.5として読み出し、PSD0.5/PSD1を算出する制御器を有することを特徴とする歩行評価装置

概要

背景

歩行特性分析は、3次元動作解析装置床反力計電気角度計など様々な機器や手法を用いて行われている。これらの手法では基本的に高価な機器が必要になる。一方、臨床への応用という観点から、近年では加速度計を用いた歩行分析も注目されている。

たとえば、リハビリテーション医療の中で最も多い疾患の一つである脳卒中片麻痺に対して、加速度情報を2回積分することで、歩行中における腰部の空間的な変位(上下、左右、前後方向)を算出し、片麻痺歩行定量化パターン分類に関する試みもなされている。

このような歩行パターン分類は、医療分野では伝統的な運動力学的分析にもとづき、歩行速度歩行率、歩幅重複歩距離、立脚時間、遊脚時間を歩行パラメーターとして採用してきたことにも大きく関係すると考えられる。

一方、特許文献1は、歩行者側部に加速度計を取付け、加速度計の出力を周波数分析し、歩行機能回復の程度を定量化することが開示されている。

概要

従来の加速度計を用いた歩行評価の手法は、医療分野で有用な定量評価を行えるほどの実用化には至っていなかった。被験者の腰側部に取り付け、前被験者の進行方向への加速度計測する加速度計と、 前記加速度計の出力を周波数分析する周波数分析器と、 前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をPSD1として読み出し、前記歩調基本周波数の1/2の周波数成分をPSD0.5として読み出し、PSD0.5/PSD1を算出する制御器を有することを特徴とする歩行評価装置

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

被験者側部に取り付け、前記被験者の進行方向への加速度計測する加速度計と、前記加速度計の出力を周波数分析する周波数分析器と、前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をPSD1として読み出し、前記歩調基本周波数の1/2の周波数成分をPSD0.5として読み出し、PSD0.5/PSD1を算出する制御器を有することを特徴とする歩行評価装置

請求項2

前記加速度計の出力を一次記憶する記憶装置をさらに有することを特徴とする請求項1に記載された歩行評価装置。

請求項3

前記加速度計は前記被験者の両腰側部にそれぞれ取り付けられ、前記制御器は、前記両加速度計の出力に対して前記1/2の周波数を含む帯域だけを取り出し、それぞれの信号の位相差を求めることを特徴とする請求項1に記載された歩行評価装置。

請求項4

被験者の腰側部の位置で、前記被験者の進行方向への加速度を計測する工程と、前記加速度計の出力を周波数分析する工程と、前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をPSD1として読み出し、前記歩調基本周波数の1/2の周波数成分をPSD0.5として読み出し、PSD0.5/PSD1を算出する工程を有することを特徴とする歩行を評価するための指針となるデータの収集方法

請求項5

被験者の両腰側部の位置で、前被験者の進行方向への加速度を計測する工程と、前記加速度を計測する工程は、前記被験者の両腰側部の加速度を計測し、前記加速度に前記被験者の歩調基本周波数の1/2の周波数を含むバンドパスフィルタ処理を行う工程と、前記両腰側部の加速度の前記バンドパスフィルタ処理された信号の位相差を求める工程を有することを特徴とする歩行を評価するための指針となるデータの収集方法。

技術分野

0001

本発明は、被験者歩行状態を評価するための指針となるデータの収集方法及び歩行評価装置に関するものであり、特に、被験者に加速度計取付け、加速度計の周波数成分を用いる方法及び装置に関するものである。

背景技術

0002

歩行特性分析は、3次元動作解析装置床反力計電気角度計など様々な機器や手法を用いて行われている。これらの手法では基本的に高価な機器が必要になる。一方、臨床への応用という観点から、近年では加速度計を用いた歩行分析も注目されている。

0003

たとえば、リハビリテーション医療の中で最も多い疾患の一つである脳卒中片麻痺に対して、加速度情報を2回積分することで、歩行中における腰部の空間的な変位(上下、左右、前後方向)を算出し、片麻痺歩行定量化パターン分類に関する試みもなされている。

0004

このような歩行パターン分類は、医療分野では伝統的な運動力学的分析にもとづき、歩行速度歩行率、歩幅重複歩距離、立脚時間、遊脚時間を歩行パラメーターとして採用してきたことにも大きく関係すると考えられる。

0005

一方、特許文献1は、歩行者側部に加速度計を取付け、加速度計の出力を周波数分析し、歩行機能回復の程度を定量化することが開示されている。

先行技術

0006

特開2004−358229号公報

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献1では、確かに被験者の腰の動き加速度)を周波数分析する点の開示はある。しかし、特許文献1では加速度計を用いて歩幅や移動速度といった情報を算出する方法が記載されているだけである。被験者の左右の足の動きの違いについての言及は加速度計の出力の時刻歴波形時間軸波形時間軸情報等とも呼ぶ。)に着目し、プラス側とマイナス側を比較するといった点の言及にすぎない。

0008

したがって、従来の時刻歴波形に着目した「波形の定量化」や「パターン分析」を行う手法と変わりなく、歩行状態の把握という観点からは煩雑な労力と手間を必要とする従来手法から抜け出せているとはいえないのが現状で、未だ研究レベル段階である。すなわち、従来の加速度計を用いた手法は、医療分野で有用な定量評価を行えるほどの実用化には至っていなかった。

課題を解決するための手段

0009

本発明の発明者は、歩調基本周波数の0.5倍成分が深く関係していることを見出し、本発明を想到するに至った。

0010

より具体的に本発明に係る歩行評価装置は、
被験者の腰側部に取付け、前記被験者の進行方向への加速度を計測する加速度計と、
前記加速度計の出力を周波数分析する周波数分析器と、
前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をPSD1として読み出し、前記歩調基本周波数の1/2の周波数成分をPSD0.5として読み出し、PSD0.5/PSD1を算出する制御器を有することを特徴とする。

0011

また、本発明に係る歩行評価を行うための指針となるデータ収集方法は、
被験者の腰側部の位置で、前記被験者の進行方向への加速度を計測する工程と、
前記加速度計の出力を周波数分析する工程と、
前記周波数分析器の出力から歩調基本周波数の成分をPSD1として読み出し、前記歩調基本周波数の1/2の周波数成分をPSD0.5として読み出し、PSD0.5/PSD1を算出する工程を有することを特徴とする。

発明の効果

0012

腰側部における歩行方向の歩調基本周波数の半分の周波数にあたる半周波数のパワースペクトル(あるいは歩調以下の成分を取り出した加速度波形)が片麻痺歩行を初めとする歩行障害の定量的な評価指針になる。なお、本明細書では片麻痺片足麻痺は区別せずともに「片麻痺」と呼ぶ。

図面の簡単な説明

0013

本発明に係る歩行評価装置1の構成を示す図である。
歩行評価装置1の動作フローを示す図である。
加速度情報Daと帯域処理加速度情報BPDaを例示する図である。
模擬歩行の足跡を示す図である。
通常歩行した場合の加速度計の出力を周波数分析した結果を示す図である。
ピーク値Pnおよび周波数Fnの決め方の例を示す図である。
図5逆フーリエ変換し、時間軸情報に戻した結果を示す図である。
両足の揃う右足主体歩行(模擬歩行パターン1)を行った場合の周波数分析結果を示すグラフである。
両足の揃う右足主体歩行(模擬歩行パターン1)を行った場合の時間軸の波形の結果を示すグラフである。
模擬歩行パターン2を行った場合の周波数分析の結果を示すグラフである。
模擬歩行パターン2を行った場合の時間軸の波形の結果を示すグラフである。
模擬歩行パターン2の加速度計の出力から0.5−0.8Hz帯だけの周波数成分を取り出した波形を示すグラフである。
模擬歩行パターン3の加速度計の出力から0.5−0.75Hz帯だけの周波数成分を取り出した波形を示すグラフである。
模擬歩行パターン1(両足が揃う歩行)について、右足主体歩行(左足引きずり歩行)の右腰部前後方向におけるパワースペクトルから、0.5倍成分と1倍成分(歩調成分)のパワースペクトル比PSD0.5/PSD1を算出し、歩行速度に対する結果を示すグラフである。
模擬歩行パターン1(両足が揃う歩行)について、左足主体歩行(右足引きずり歩行)の左腰部前後方向におけるパワースペクトルから、0.5倍成分と1倍成分(歩調成分)のパワースペクトル比PSD0.5/PSD1を算出し、歩行速度に対する結果を示すグラフである。
模擬歩行パターン2(両足が揃わない歩行)について、右足主体歩行(左足引きずり歩行)の右腰部前後方向におけるパワースペクトルから、0.5倍成分と1倍成分(歩調成分)のパワースペクトル比PSD0.5/PSD1を算出し、歩行速度に対する結果を示すグラフである。
模擬歩行パターン2(両足が揃わない歩行)について、左足主体歩行(右足引きずり歩行)の左腰部前後方向におけるパワースペクトルから、0.5倍成分と1倍成分(歩調成分)のパワースペクトル比PSD0.5/PSD1を算出し、歩行速度に対する結果を示すグラフである。
実際に片麻痺がある被験者の左右の腰の進行方向の加速度の0.5倍成分の位相差を示す図である。
実際に片麻痺がある被験者の左右の腰の進行方向の加速度の0.5倍成分の位相差を示す図である。
実際に片麻痺がある被験者の左右の腰の進行方向の加速度の0.5倍成分の位相差を示す図である。
健常者が普通に歩行した場合の左右の腰の進行方向の加速度の0.5倍成分の位相差を示す図である。
健常者が片足ぶん回しをしながら歩行した場合の左右の腰の進行方向の加速度の0.5倍成分の位相差を示す図である。

0014

以下に本発明に係る歩行評価装置について図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

0015

(実施の形態1)
図1に本発明に係る歩行評価装置1の構成を示す。歩行評価装置1は、加速度計10と、記憶装置12と、周波数分析器14と、制御器16を含む。また制御器16の出力を表示する表示器20を有していてもよい。

0016

加速度計10は、少なくとも歩行の前後方向の加速度を計測できるものを用いる。3軸の加速度計10を用いても良い。加速度計10は、被験者の腰側部に配置する。歩行する際の歩行方向の加速度を検出しやすいからである。腰側部とは、腸骨稜の少し上辺りがよく、通常ズボンはく際にベルトをする高さでよい。加速度計10は片方の腰に配置させればよいが、両腰側部に1つずつ取り付けても良い。

0017

被験者が加速度計10を腰側部に取り付けて歩行すると、加速度計10は被験者の足の動きに応じて歩行方向の加速度情報Daを出力する。この時、加速度計10の腰側部への取り付け方によっては、被験者の腰の回転方向の動きに伴う加速度や上下方向の加速度成分も同時に含まれることになる。

0018

しかし、少なくとも歩行方向の加速度を主として測定できればよい。本発明に係る歩行評価装置1は、進行方向の歩調周波数の比で評価するので、多少回転方向や上下方向の加速度成分が含まれていても良いからである。

0019

加速度情報Daは、基本的にプラス値前進)およびマイナス値後進)の波形が繰り返される周期データとなる。なお、加速度情報Daはデジタル化されているものとする。デジタル化されていない場合は、情報の経路の望ましい箇所にAD変換器送入するのが望ましい。後段の装置がデジタル処理しやすくするためである。

0020

加速度情報Daは、より具体的には、被験者の歩行に関して歩行方向の加速度を、規定の時間間隔Δt(サンプリング間隔)ごとに測定したデータである。したがって、加速度情報Daは、計測開始後の計測時間と加速度の対のデータである。

0021

加速度計10が出力した加速度情報Daは、記憶装置12に記録される。後段の周波数分析器14は、一定時間の間の時間情報周波数情報に変換するからである。記憶装置12に記録される加速度情報Daの時間間隔は、周波数分析器14での分析が必要とされる精度が求められる時間間隔であればよい。

0022

記憶装置12に蓄積された加速度情報Daは、周波数分析器14に入力される。周波数分析器14は、FFT(Fast Fourier Transform)装置が好適に利用できる。なお、周波数分析器14は、FFT装置のように専用のハードで組み上げた装置であってもよいし、所謂バタフライ計算を行うFFTソフトを搭載したコンピュータで実現してもよい。後述する制御器16が周波数分析器14を兼ねてもよい。

0023

加速度情報Daを周波数分析した情報を周波数情報Dfftとする。周波数情報Dfftには、歩調基本周波数SD1と歩調基本周波数SD1の高調波成分SDHが含まれる。高調波成分SDHとは、歩調基本周波数SD1の倍数周波数を総称する。また、例えば、2倍の周波数なら第2高調波成分SD2と表示し、3倍の周波数なら第3高調波成分SD3と表示する。

0024

また、周波数情報Dfftには、歩調基本周波数SD1の分周成分SDLも含まれる。ここで分周成分SDLとは、歩調基本周波数SD1の1/nの周波数をいう(nは2以上の自然数)。歩調基本周波数SD1の1/2周波数を半周波数SD0.5とする。本発明は後述するように、歩き方に左右の足の動きの対称性がなくなると、この歩調基本周波数SD1の半周波数SD0.5(0.5倍成分と呼んでもよい。)の成分が大きくなることを見出し、それに着目した点にポイントがある。

0025

周波数情報Dfftは、周波数と、その周波数の時のパワーの対で表される。グラフにすると、横軸に周波数、縦軸周波数成分毎のパワーを表すグラフ上にポイントされるデータ対である。周波数の最大値は、少なくとも歩調基本周波数SD1が含まれる周波数まで必要である。通常人は、0.9から2秒の周期で歩行する。したがって、10Hz程度までの周波数成分が含まれていればよい。

0026

制御器16は、メモリとMPU(Micro Processor Unit)からなるコンピューターが好適に利用できる。制御器16は、周波数分析器14に接続される。また、制御器16内で周波数分析まで行う場合は、記憶装置12に接続される。

0027

周波数情報Dfftに対しては、ピーク値Pnとその時の周波数Fnが求められる。これは周波数分析器14が行ってもよいし、周波数情報Dfftを受け取った制御器16が行ってもよい。なお、ピーク値Pnは周波数情報Dfftの複数のピーク値を表し、周波数Fnはその時の周波数を表す。ピーク値Pnは周波数Fnの小さいほうから順に番号をつけて表してもよい。例えば、最初のピーク値をピーク値P1、その時の周波数を周波数F1とする等である。

0028

制御器16は、ピーク値Pnの周波数Fnのうち、歩調基本周波数SD1に相当する周波数Fnを選択する。そして、その時のピーク値Pnを歩調基本周波数SD1のパワースペクトルPSD1とする。また、歩調基本周波数SD1の半分の周波数Fnのピーク値Pnを半周波数SD0.5のパワースペクトルPSD0.5とする。そして、制御器16は、PSD0.5/PSD1を算出し、表示器20等に結果を表示する。

0029

制御器16が周波数情報Dfftの中から歩調基本周波数SD1を選択する方法は、歩行評価装置1自体が判断する方法と、検査者若しくは被験者が周波数情報Dfftを見て、指定する方法、および被験者の歩くピッチを予め決めておく(歩調基本周波数SD1は予め決められている。)場合が考えられる。本発明の歩行評価装置はどの方法をとってもよい。ここでは、被験者の歩くピッチが予め決められている場合について説明を続ける。

0030

なお、被験者の垂直方向の加速度は、歩行の特性にあまり影響を及ぼさないと考えられるので、歩行評価装置1自体が歩調基本周波数SD1を判断する場合は、被験者の鉛直方向の加速度を用いて、歩調基本周波数を求めてもよい。

0031

検査者が周波数情報Dfftを見て歩調基本周波数SD1を決める場合は、検査者は被験者の歩行速度も測定するのが望ましい。

0032

図2には、歩行評価装置1の動作フローが示される。図2を参照する。被験者は、加速度計10を腰側部にベルト等で固定する。加速度計10と記憶装置12の間は有線若しくは無線で接続される。そして、メトロノーム等のピッチ提示装置(図示せず)で、被験者に歩くピッチを指示する。被験者は、ピッチ提示装置で指示されるピッチに合わせて一定の距離L(これを測定区間MLと呼ぶ。)を歩く。したがって、歩調基本周波数SD1は決められている。

0033

また、被験者は、測定区間MLより前から歩き始めるのが好ましい。歩き始めの大きな加速度が周波数分析の結果に影響を与えるからである。なお、検査者は、被験者が測定区間MLを歩く時間(測定時間Tとする)を測定する。歩行速度を求めるためである。

0034

歩行評価装置1がスタートすると(ステップS100)、加速度計10からの加速度情報Daが、記憶装置12に記録される(ステップS102)。記憶装置12への記録時間ΔTが経過したか否かが判断される(ステップS104)。ここで記録時間ΔTは、被験者が測定区間MLを歩ききるまでの時間であってもよいし、測定区間MLを歩いている最中の時間であってもよい。記録時間ΔTが経過していない場合(ステップS104のN分岐)は、ステップS102に戻って、記録が続けられる。

0035

記録時間ΔTが経過したら(ステップS104のY分岐)、記録した加速度情報Daを周波数分析器14に送信し、周波数分析器14が加速度情報Daを周波数情報Dfftに変換する(ステップS106)。

0036

次に、周波数情報Dfftに対してピーク値Pnとその時の周波数Fnを求める(ステップS108)。これは周波数分析器14若しくは制御器16のいずれが行っても良い。次に制御器16は、周波数情報Dfftの中から歩調基本周波数SD1のパワースペクトルPSD1と、半周波数SD0.5のパワースペクトルPSD0.5を選び出す。

0037

この際に、予め決められている歩調基本周波数SD1とその半周波数SD0.5とぴったり同じ周波数でなくてもよい。つまり、歩調基本周波数SD1の近傍にあるピーク値Pnを選択してもよい。また、ピーク値Pn周辺の大きなパワースペクトルを有する周波数成分を足し合わせてもよい。なお、このようにピーク値Pn周囲の大きなパワースペクトルのパワーを足し合わせて周波数成分とする場合は、この値に対する周波数は、選ばれたパワースペクトルに該当する周波数の平均若しくは加重平均によって決定するのが望ましい。ピーク値Pnがブロードの場合に、ピーク値Pnだけで評価するのは適切ではないからである。

0038

次に制御器16は、評価値EV1として、PSD0.5/PSD1を算出する(ステップS110)。評価値EV1は、評価値EVに積算され(ステップS112)、終了判定が行われる(ステップS114)。終了判定は、被験者が測定区間MLを歩き終わったか否かで行われる。

0039

終了していない場合(ステップS114のN分岐)は、再びステップS102に戻る。終了した場合(ステップS114のY分岐)は、評価値EVを積算した回数Nで除して評価値EVの平均値を求め、表示器20に表示し(ステップS116)、終了する(ステップS118)。なお、評価値EVは、予めゼロに初期設定されているものとし、評価値EVを積算した回数Nは別途カウントされているものとする。

0040

なお、記憶装置12に加速度情報Daが記録される記録時間ΔTが、被験者が測定区間MLを歩き終わるより前に設定されている場合は、ステップS104で加速度情報Daが周波数分析器14に送信された後も、連続して記憶装置12は加速度情報Daを記録し続けているようにしてもよい。加速度情報Daの連続性担保するためである。

0041

評価値EVはPSD0.5/PSD1として表された。したがって、評価値EVは、歩調基本周波数SD1の成分に対する半周波数SD0.5の成分の比率である。通常左右の足の動きがほぼ対称な人は、半周波数SD0.5のパワースペクトルPSD0.5はほとんどゼロになる。

0042

一方、左右の足の動きが対称でない場合は、この半周波数SD0.5のパワースペクトルPSD0.5が大きくなる。したがって、評価値EVの値がほぼゼロである場合は、被験者の左右の足は対称に動いているということになる。一方、評価値EVの値が大きくなると被験者の左右の足は、動きが対称ではないことを意味する。

0043

また、歩く速度を変化させたときに、早く歩いても、遅く歩いても評価値EVの値が変化なければ、被験者の歩き方は非常に安定しているといえる。また、足腰衰えがある場合も考えられる。このように、歩調基本周波数SD1と半周波数SD0.5の成分の比である評価値EVを測定することで、被験者の歩き方の評価を行うことができる。また、歩き方の評価を行うための指針となるデータを収集するといってもよい。

0044

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で求めた加速度情報Daをさらに加工して歩行状態を評価する方法を説明する。本実施の形態に係る歩行評価装置2は、実施の形態1の場合と同様である。従って、図1の構成と同じである。

0045

歩行評価装置2は、被験者に左右の腰側部にそれぞれ1つずつの加速度計10を取付ける。そして、それぞれの加速度計10からの加速度情報Daを実施の形態1同様に周波数分析し、周波数情報Dfftを得る。

0046

そして、周波数情報Dfftのうち、半周波数SD0.5に相当する周波数帯域の信号以外の成分をゼロにする。すなわち、周波数情報Dfftに対してバンドパスフィルタを通過させたと同じ処理を行う。このような処理をバンドパスフィルタ処理とよび、バンドパスフィルタ処理された周波数情報Dfftを帯域処理周波数情報BPDfftと呼ぶ。

0047

次にこの帯域処理周波数情報BPDfftをフーリエ逆変換し、時間軸情報にもどす。これは加速度情報Daに対してバンドパスフィルタを通過させたと同じ状態の信号を観察することになる。このように再生された加速度情報Daを帯域処理加速度情報BPDaとする。

0048

左右の腰側部に取り付けた加速度計10からの加速度情報Daを帯域処理加速度情報BPDaにし、それらの位相を調べる。後述する実施例で示すように、歩行の状態によって、これら左右の帯域処理加速度情報BPDaは、位相の関係が異なる。

0049

図3にこの様子を示す。図3は横軸は時間であり、縦軸は加速度の大きさである。図3(a)は、加速度情報Daであり、図3(b)および図3(c)は、半周波数SD0.5に相当する帯域の成分(すなわちBPDaである。)だけを取り出したものである。点線実線は左右の加速度計10の違いである。図3に示すように、歩き方によって、左右の加速度情報Daの位相が異なる。

0050

したがって、左右の腰側部に設けた加速度計10から得られた加速度情報Daの半周波数SD0.5を含む帯域のバンドパスフィルタを通過させた帯域処理加速度情報BPDaの位相状態を比較することでも、歩行状態を定量的に調べることができる。また、歩行状態の評価を行うための指針となるデータを収集するといってもよい。

0051

なお、上記の説明では、帯域処理加速度情報BPDaは、加速度情報Daをフーリエ変換(周波数分析)し、所定の帯域以外の周波数成分をゼロにし、再度逆フーリエ変換することで求めた。しかし、加速度情報Daを直接バンドパスフィルタに通過させて得るようにしてもよい。

0052

また、左右の加速度情報Daに対する帯域処理加速度情報BPDaの位相の比較は、時刻歴波形を視認して確認するだけでなく、リサージュ図形真円度長軸短軸との比)によって、定量化してもよい。もちろん、時刻歴波形から位相差を算出してもよい。具体的には、図3(b)若しくは図3(c)において、点線および実線のゼロクロス点を求め、それらの位相差を順次求めて、それらの平均を算出するといった方法が考えられる。

0053

なお、ここでは、加速度情報Daをデータ処理することで、バンドパスフィルタ処理を行ったが、図1において、実際に加速度計10の後段にバンドパスフィルタを送入して測定してもよい。すなわち、本明細書においては、実際にバンドパスフィルタを用いても、制御器16が歩調基本周波数SD1の1/2の半周波数SD0.5を含む帯域を抜き出したと言ってよい。

0054

(実施例1)
被験者となる成年男子の腰側部に小型加速度計をベルトでとりつけ、測定区間20mを歩行させた。加速度計は、鉛直方向と前後方向のものを左右にそれぞれつけた。したがって、加速度計は全部で4台用い、左右の腰側部に鉛直方向用前後方向用の2つずつの加速度計が取り付けられた。

0055

歩行は、通常歩行と模擬歩行の2種類について行った。ここで模擬歩行とは、左右の足の一方の曲げずに、他方の足を主体とする歩き方である。ここでは、左膝をあまり曲げず、右足主体で歩いた。これは外見的には、左足を引きずる歩き方となる。

0056

図4には、模擬歩行の足跡を示す。模擬歩行は左右どちらかの足を主体とする歩き方であるが、左足が右足の横にきて、両足が揃うように歩行する場合(模擬歩行パターン1:図4(a))と左足が右足よりさらに前方に送り出され、両足が揃わないように歩行する場合(模擬歩行パターン2:図4(b))の2種類を設定した。

0057

模擬歩行パターン1は、やや重度の片麻痺歩行を模したものであり、模擬歩行パターン2は、軽微な片麻痺歩行で通常歩行に比較的近い歩き方を模したものである。

0058

図5に通常歩行した場合の、加速度計の出力を周波数分析した結果を示す。加速度計は右側の腰につけたものの、前後方向の加速度を示す。なお、図5では2Hz以上の周波数成分をゼロとした。これを2HzLPF処理と呼ぶ。また図6には、図5の周波数分析の結果をフーリエ逆変換し、時間軸信号に直した波形を示す。

0059

図5を参照して、縦軸にはパワースペクトル((m/s2)2・s)を表し、横軸は周波数(Hz)である。図5より、通常歩行をした場合は、この時の被験者の歩調基本周波数SD1である1.709Hzがほぼすべての周波数成分を占めていた。半周波数SD0.5はこの場合0.830Hzであるが、PSD0.5は非常に小さかった。

0060

なお、周波数分析を行った場合、ピーク値に隣接する周波数成分も比較的大きなパワーを有する。したがって、ピーク値の周囲のパワースペクトルのうち、パワーの大きな値を4つ加え合わせたものをピーク値Pnとした。また、これらの4つの周波数の平均をピーク値に対する周波数Fnとした。これは歩調基本周波数SD1についても、半周波数SD0.5についても同様の処理を行った。したがって、歩調基本周波数SD1と半周波数SD0.5は、正確に倍半分の関係にはなっていないが、概ね倍半分の関係になっている。

0061

図6にこの処理についてより具体的に示す。図6では、横軸は周波数(Hz)であり、縦軸はパワースペクトル((m/s2)2・s)である。これはFFTを行った結果例とする。今周波数Fp2のときのPPS2の点がピーク値(2階微分がゼロ)の点である。しかし、この周辺の周波数Fp1、Fp3、Fp4についてもピーク値に含め評価する。

0062

したがって、ピーク値PPS2に対応するピーク値PnはPPS1+PPS2+PPS3+PPS4である。一方、この時の周波数Fnは、(Fp1+Fp2+Fp3+Fp4)/4として求めても良いが、ピーク値PPS2に対応するFp2を代用しても良い。周波数情報Dfftは、ピーク値Pnとその時の周波数Fnをこのようにして求めてもよい。

0063

図7は、横軸が時間(sec)で縦軸が加速度(m/s2)である。図5の2HzLPF処理をした後に逆フーリエ変換を行った結果である。加速度ゼロラインを中心にプラス方向およびマイナス方向がバランスよく並ぶ波形状であり、歩行方向前後の加速度が対称になっていることが読み取れる。

0064

図8および図9に、両足の揃う右足主体歩行(模擬歩行パターン1)を行った場合の周波数分析および時間軸の波形の結果を示す。図8および図9とも、縦軸および横軸は図5および図7の場合と同じである。

0065

図8を参照して、模擬歩行パターン1を行った場合は、歩調基本周波数SD1(1.4893Hz)の成分PSD1に対して、半周波数SD0.5(0.7568Hz)の成分PSD0.5が大きく観測された。また、図9を参照すると、PSD0.5が卓越しているものの、PSD1も少し混在した波形パターンとなっているのがわかる。

0066

図10および図11には、模擬歩行パターン2を行った場合の周波数分析および時間軸の波形の結果を示す。図10および図11とも、縦軸および横軸は図5および図7の場合と同じである。

0067

図10及び図11の結果より、PSD0.5(半周波数成分)とPSD1(歩調基本周波数成分)は、概ね同じ程度の大きさである。時間軸の波形(図11)を見ると、歩調基本周波数SD1と半周波数SD0.5がおおむね同じだけ混在しているので、2つの山がある乱れた波形パターンとなっていることがわかる。

0068

片足が何らかの原因で麻痺して自由に動かせない場合、遊脚期下肢を外側に円弧を描くように振り回して歩く「ぶん回し歩行」を行う場合がある。そこでぶん回し歩行の場合も同様の実験を行ってみた。これを模擬歩行パターン3とする。なお、ぶん回し歩行とは足跡のパターンからは模擬歩行パターン2と同じである。その結果、ぶん回し歩行においても、半周波数SD0.5の成分PSD0.5は卓越することがわかった。

0069

図12図13に、模擬歩行パターン2と模擬歩行パターン3の加速度計の出力から0.5−0.8Hz帯だけの周波数成分(0.5倍成分のみ)を取り出した波形を示す。この波形は、帯域処理加速度情報BPDaである(図3参照)。これは、加速度計の出力をフーリエ変換し、その0.5−0.8Hz帯域以外の成分をゼロとし、逆フーリエ変換して求めたものである。共に、左右の腰の加速度計からの出力について0.5−0.8Hz帯域の信号を示している。

0070

図12を参照して、模擬歩行パターン2(引きずり歩行)の場合は、左右の腰部の波形は同位相になっている。つまり、波形の山はそれぞれ同じ時間に生じている。一方、図13を参照して、模擬歩行パターン3(ぶん回し)の場合は、左右の腰部の波形は逆位相になっている。つまり、位相が180度ずれるので、正負の山のピークのがほぼ同じ時間に発生している。

0071

このように、腰側部における歩行方向の歩調基本周波数SD1の半分の周波数にあたる半周波数SD0.5のパワースペクトルPSD0.5(あるいは歩調以下の成分を取り出した加速度波形)が片麻痺歩行を初めとする歩行障害の定量的な評価指針になり得ることがわかった。

0072

(実施例2)
次に被験者の数を増やした結果を示す。上記の被験者を含め全部で13人に模擬歩行パターン1および模擬歩行パターン2について同様の歩行評価を行った。

0073

やや重度の片麻痺歩行を想定した模擬歩行パターン1(両足が揃う歩行)について、右足主体歩行(左足引きずり歩行)の右腰部前後方向と左足主体歩行(右足引きずり歩行)の左腰部前後方向におけるパワースペクトルから、0.5倍成分と1倍成分(歩調成分)のパワースペクトル比PSD0.5/PSD1を算出した。歩行速度に対する結果をそれぞれ図14図15に示す。

0074

図14および図15は、横軸は歩行速度(m/s)を表し、縦軸はPSD0.5/PSD1を示す。歩行速度(m/s)は、測定区間MLを歩ききる測定時間Tをストップウォッチで計測することで算出した。

0075

これらの図より、健常者の通常歩行(図中の白丸印や白三角印の白塗り記号)では、パワースペクトル比PSD0.5/PSD1は最大でも0.2程度以下であり、非常に小さいことがわかる。これに対して、個人差は大きいものの、歩行パターン1の右足主体歩行(図中の黒丸印黒塗り記号)ではパワースペクトル比PSD0.5/PSD1はおおよそ1〜6の範囲(図14)に、左足主体歩行(図中の黒三角印黒塗り記号)ではパワースペクトル比PSD0.5/PSD1はおおよそ1〜9の範囲(図15)に、分布していることがわかる。

0076

また、模擬歩行パターン2(軽微な片麻痺歩行で通常歩行に比較的近い歩き方)について、同様に0.5倍成分と1倍成分(歩調成分)のパワースペクトル比PSD0.5/PSD1を算出した。歩行速度に対する結果をそれぞれ図16図17に示す。

0077

これらの図より、歩行パターン2の右足主体歩行(図中の黒丸印黒塗り記号)ではパワースペクトル比はおおよそ0.2〜1.6程度の範囲(図16)に、左足主体歩行(図中の黒三角印黒塗り記号)ではパワースペクトル比PSD0.5/PSD1はおおよそ0.2〜1.3程度の範囲(図17)にあり、歩行パターン1と比較してパワースペクトル比は低下するが、それでも健常者の通常歩行(図中の白丸印や白三角印の白塗り記号)と比較して、明らかに大きなパワースペクトル比を呈していることがわかる。

0078

以上のように、実施例1の場合の解析結果に加え、13人の片麻痺模擬歩行した実験結果からも、歩調の0.5倍成分に着目すれば歩行障害者の歩行特性を定量的に評価できると言える。

0079

(実施例3)
実施例1と同様に被験者の腰側部に小型加速度計をベルトでとりつけ、測定区間20mを歩行させた。加速度計は、鉛直方向と前後方向のものを左右にそれぞれつけた。したがって、加速度計は全部で4台用い、左右の腰側部に鉛直方向用と前後方向用の2つずつの加速度計が取り付けられた。

0080

本実施例では、実際に片足に麻痺のある者を被験者(A、B、C)から取得したデータも示す。図18、19、20には3名の片麻痺のある被験者の加速度計の出力から0.5倍成分のみを取り出した波形を示す。

0081

図18に被験者Aの結果を示す。被験者Aは右足に麻痺があり、右足を突っ張って歩く。この被験者の場合0.5倍成分は、0.53−0.73Hz帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、約90°であった。

0082

図19に被験者Bの結果を示す。被験者Bは右足に麻痺があり、右足を突っ張って歩く。この被験者の場合0.5倍成分は、0.51−0.71Hz帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、ほぼ0°であった。

0083

図20に被験者Cの結果を示す。被験者Cは左足に麻痺がある。この被験者の場合0.5倍成分は、0.68−0.98Hz帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、約90°であった。

0084

図21には、健常者の被験者の場合の結果を示す。この被験者の場合0.5倍成分は、0.80−1.20Hz帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、約180°であった。なお、図21で示したケースだけでなく、健常者の歩行では左右の腰の加速度の位相差はほぼ180°であった。

0085

図22には、健常者の被験者が左足をぶん回しした場合の結果を示す。この被験者の場合0.5倍成分は、0.58−0.78Hz帯の周波数成分であった。実線は右腰部の進行方向の加速度成分を表す。また、点線は左腰部の進行方向の加速度成分を表す。左右の腰部の加速度成分の位相差は、約30°であった。

0086

以上の結果より以下のことが結論できる。実際に片麻痺の被験者の左右の腰の加速度の0.5倍成分の位相差は、0から90°であった。これは図12で示した健常者が模擬歩行パターン2(片足を引きずる)で歩いた場合の結果と一致した。

0087

一方、図13で示した健常者が模擬歩行パターン3(片足ぶん回し)で歩いた場合と、図22の同じく健常者が片足ぶん回しで歩いた場合は、左右の腰の加速度の0.5倍成分の位相差が180°と30°で大きく異なっていた。

0088

しかし、健常者の通常の歩行では左右の腰の加速度の0.5倍成分の位相差は180°であることから、健常者が片麻痺のぶん回しを模倣した場合、模倣しきれない場合があるといえる。

実施例

0089

したがって、左右の腰の前進方向の加速度の0.5倍成分の位相差が180°である場合は、健常者と判定し、麻痺がある場合は0°〜90°になる。より積極的にいうと、左右の腰の前進方向の加速度の0.5倍成分の位相差が180°からずれると、歩き方に何らかの支障があると判断できる。

0090

本発明に係る歩行評価装置は、歩行障害の定量的な評価に利用できるだけでなく、モデル職を目指す人や、接客業等の研修で歩き方を評価する場合にも好適に利用することができる。

0091

1、2歩行評価装置
10加速度計
12記憶装置
14周波数分析器
16制御器
20表示器
Da加速度情報
BPDa帯域処理加速度情報
Dfft周波数情報
BPDfft 帯域処理周波数情報
SD1歩調基本周波数
SD0.5 半周波数
Pnピーク値
Fn 周波数
PSD1 歩調基本周波数SD1のパワースペクトル
PSD0.5 半周波数SD0.5のパワースペクトル
ML測定区間
T 測定時間
ΔT 記録時間
EV評価値

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