歩行分析システム
【課題】 歩行者に負荷を与えることなく、歩行者の足の動きを3次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムを実現する。
【解決手段】 歩行者の足部に装着され、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における2次元または3次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、を備える。
【解決手段】 歩行者の足部に装着され、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における2次元または3次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、歩行者の歩行状態を計測、解析し、個々人の歩行パターンを識別可能にすることで、リハビリテーション、作業効率改善、能力向上の定量的な目安を得ることができる歩行分析システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
圧力センサを使って求めた足圧分布の計測結果から、歩行データを算出する歩行分析に関しては、特許文献1に技術開示がある。図11は、特許文献1に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【0003】
この発明の特徴は、床に帯状に設置された圧力センサ部101上を人が歩き、足圧分布の計測結果を分析装置102〜105により分析し、歩き方の良さを反映したパラメータを出力させる構成にある。
【0004】
【特許文献1】特開平11−113884号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来技術による歩行分析手法では、次のような問題点がある。
(1)特許文献1記載の発明では、足圧分布を測定するための圧力センサを床または地面に敷いて、歩行者がその上を歩行し、歩行時の足の圧力分布より歩行分析を行う。この場合には、圧力センサを予め歩行する場所に設置しなければならず、設置場所等の制約がでてしまう。また、歩行距離によっては、圧力センサを複数枚数用意しなければならない。
【0006】
(2)更に、圧力センサ上を歩くため、患者の日常歩行と異なる感覚、意識が発生し、歩行結果に違いが出る可能性がある。
【0007】
(3)歩行結果も足跡に限られるため、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができない。また、左右の歩行データの時間関係を取得し、歩行解析において重要な両足支持、ステップ時間を正確に検出することができない。
【0008】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、歩行者に負荷を与えることなく、歩行者の足の動きを3次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
(1)歩行者の足部に装着され、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、
この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、
この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における2次元または3次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【0010】
(2)複数の前記歩行センサが備える前記タイマは、前記無線通信装置から通知される測定開始指令に同期して起動されることを特徴とする(1)に記載の歩行分析システム。
【0011】
(3)前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断することを特徴とする(1)または(2)に記載の歩行分析システム。
【0012】
(4)前記歩行センサは、X,Y,Z方向の加速度センサまたはX,Y,Z方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【0013】
(5)前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【0014】
(6)前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【0015】
(7)前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする(1)乃至(6)のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【0016】
(8)前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする(7)に記載の歩行分析システム。
【0017】
(9)前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする(1)乃至(8)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【0018】
(10)前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して2次元または3次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする(1)乃至(9)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
歩行データを容易に取得できるため、リハビリテーション等、病院等の治療の現場での使用が容易となる
【0020】
靴に歩行センサを装着することが可能なため、歩行者は、靴を履くだけでよい。このため、測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことができ、被験者への負担が極めて小さい。
【0021】
(3)歩行センサは、超小型に実装可能のため、測定場所への制約が少ない。また、多人数が存在するリハビリ訓練室等での使用が可能になる。
【0022】
(4)歩行データは、歩行解析装置内に蓄積できるため、歩行者の過去と現在の状態を比較して見ることで歩行状態の変化を簡単に把握することができ、リハビリの回復度合いを定量的に把握することができる。
【0023】
(5)歩行センサ手段に内蔵した3軸の加速度センサ、3軸の角速度(ジャイロ)センサにより、それらの出力を演算処理することで足の3次元空間内での動きを測定でき、歩行パターンの違いを上下左右前後から解析することができる。
【0024】
(6)左右の歩行データの時間関係を取得し、歩行解析において重要な両足支持、ステップ時間を正確に検出することができる。
【0025】
(7)特にリハビリテーションへの応用では、障害内容による歩き方の違いを3次元的に解析でき、感圧マットによる足跡解析では不可能な、着地していない足(遊脚)の動きが解析できる。
【0026】
(8)無線アクセスポイントとデータの送受信ができるセンサ数は、1個に限られることがないため、複数人の歩行動作でも同時解析が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図1は、本発明を適用した歩行分析システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の歩行分析システムは、歩行センサ1、無線アクセスポイント2、ネットワーク3、歩行解析装置4からなる。
【0028】
歩行センサ1は、歩行者Mの片足または両足部に直接または履物(つま先部または踵部)に装着され、加速度センサ11、角速度センサ12、タイマ13、無線インタフェース14を備え、無線通信装置の一形態である無線アクセスポイント2と無線通信する。
【0029】
無線アクセスポイント2は、歩行センサ1と通信する無線インタフェース21及びネットワーク3に接続するネットワークインタフェース22を備え、歩行センサ1より収集した歩行データを、ネットワーク3を介して歩行解析装置4に渡す。
【0030】
歩行解析装置4は、歩行データ計測部41、歩行データ解析部42、タイマ制御部43、ネットワークインタフェース44を備え、無線アクセスポイント2から渡される歩行データを保存すると共に、歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出する。
【0031】
更に、歩行解析装置4は、この相対移動距離に基づき歩行解析アプリケーションにより各種の分析を実行する。分析対象項目は、歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率等である。
【0032】
図2は、歩行センサ1の構成例を示す機能ブロック図である。X,Y,Z軸方向の加速度を検出する3個の加速度センサ11、同じくX,Y,Z軸方向の角速度を検出する3個の角速度センサ12、これらセンサの検出値をデジタル変換するA/D変換器15を備える。
【0033】
A/D変換器15の出力は、CPU16に渡されて所定の演算処理が実行される。CPU16は、ROMやRAM等のメモリ資源17を有しており、検出データの一時的な保存が可能となっている。この歩行センサ1は、充電可能な電池及び充電回路よりなる電源部19を備えている。
【0034】
無線インタフェース14を介してCPU16が測定開始指令を無線アクセスポイント2から取得すると、タイマ13を起動し、検出データの収集が開始される。所定期間の検出データは、タイマ起動の時系列的シーケンス番号が付与されてメモリ資源17に一時保存される。
【0035】
メモリ資源に一時保存されたデータは、適当なデータ量毎にシーケンス番号を付与した状態で無線インタフェース14を介して無線アンテナ18より無線アクセスポイント2に送信される。無線アクセスポイント2は、このデータをネットワーク3を介して歩行解析装置4に転送する。
【0036】
歩行センサ1を構成するこれら要素は、きわめて小型のチップとして実装することが可能であり、歩行者の片足または両足部に直接または履物に装着したときに、歩行者は測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことがでるので、被験者への負担を極めて小さくすることができる。
【0037】
図3は、歩行解析装置4からの測定開始指令に基づく複数の歩行センサのタイマ起動を説明するシーケンス図である。歩行解析装置4からの測定開始指令は、ネットワークを介して無線アクセスポイント2に渡される。無線アクセスポイント2は、複数の歩行センサ1A,1B,1C,…に対して、同時刻に測定開始指令を通知する。
【0038】
歩行センサ1A,1B,1C,…が備えるタイマは、測定開始指令を無線アクセスポイント2から取得すると同期して起動され、測定(検出データの収集)が開始される。所定期間の検出データは、タイマ起動の時系列的シーケンス番号が付与されてメモリ資源に一時保存される。
【0039】
メモリ資源に一時保存されたデータは、適当なデータ量毎にシーケンス番号を付与した状態で無線アクセスポイント2に送信される。無線アクセスポイント2は、複数の歩行センサ1A,1B,1C,…からの検出データを収集して歩行解析装置4に転送する。
【0040】
図4は、歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。無線アクセスポイント2からのデータは、ネットワークインタフェース44を介してCPU45に渡される。歩行データ計測部41の歩行データ収集手段411は、CPU45から歩行データを取得し、シーケンス番号順にソートして計測データファイル412に所定期間格納する。格納する計測データは、加速度及び角速度データである。
【0041】
CPU45は、計測データファイル412より格納データを読み出して歩行データ解析部42に渡し、各種の解析処理を実行させる。解析結果は、表示装置5や印刷装置6に出力される。更に、CPU45は、タイマ制御部43と通信し所定の周期で測定開始指令をネットワークインタフェース44及びネットワーク3を介して無線アクセスポイント2に渡す。
【0042】
歩行データ解析部42の解析結果は、直接またはネットワークを介して外部機器や機関、リハビリを指導する医師、理学療法士、更には歩行者自身にも配信することができる。
【0043】
図5は、歩行データ解析部42の構成例を示す機能ブロック図である。歩行解析手段421は、計測データファイル412より格納されている計測データを取り出して歩行解析アルゴリズム421Aに渡して各種の解析を実行し、解析結果を歩行解析アプリケーション422に出力する。
【0044】
歩行解析アプリケーション422による解析結果は、歩行者の足の3次元位置情報並びに歩行時間、速度、立脚、遊脚データ等の歩行状態情報である。
【0045】
歩行解析アルゴリズム421Aは、計測データファイル412に格納されている、加速度データを1回積分演算して速度を算出する。この積分演算は、X,Y,Z成分毎に実行される。
【0046】
算出された速度は、もう1回積分演算され、距離データとなる。角速度は、同様に積分演算されて、角度が算出される。このように、X,Y,Zの3軸のデータが算出されるため、3次元の位置情報を求めることが可能である。
【0047】
同時に、歩行解析アルゴリズム421Aは、歩行の状態情報を算出するために、歩の区切りを算出する。歩の区切りは、加速度、角速度データから、停止していると思われる期間を停止期間として算出し、動作している期間と停止している期間と分けることで、決定される。
【0048】
足部の停止状態の検出は、角速度の検出値がある閾値以下または加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断する。
【0049】
歩行解析アルゴリズム421Aは、歩の区切りから、立脚時間(足が地面に接地している時間)、遊脚時間(足が地面から離れている時間)等、歩に関連する状態情報を算出する。
【0050】
一歩毎の距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることができる。算出された距離データは、角度データと合わせて、座標データに変換される。
【0051】
これら位置情報及び状態情報の歩行データを歩行解析手段421から取得する歩行解析アプリケーション422は、歩行解析装置4に接続された表示装置5に歩行データを表示することができ、ユーザは歩行状態を容易に把握することができる。
【0052】
また、過去データをファイルとして蓄積しているため、過去から現在に至る歩行状態を参照でき、トレンドグラフ等で、歩行状態の変化を表示することが可能である。更に必要であれば、印刷装置6への出力も可能である。
【0053】
図6は、歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。ステップS1で加速度、角速度センサの個体差に基づくデータを補正し、ステップS2では歩の停止を検出する。具体的には、加速度、角速度データより、歩行停止区間を算出する。
【0054】
ステップS3では、角速度データを積分して、角度を算出する。ステップS4では、加速度、角速度のX,Y,Z軸を、ローカル座標(センサ上の座標)から、ワールド座標(ユーザ空間)に変換する。
【0055】
ステップS5では、加速度データを積分して、速度を算出する。更にステップS6では、位置座標を算出する。具体的には、速度×サンプリング時間で距離を求め、前回値に加算することで相対移動距離(位置)を算出する。
【0056】
図7は、歩行解析アプリケーション422のデータ処理手順を示すフローチャート図である。ステップS1では、歩行解析アルゴリズム421Aの出力データとして、3次元の位置情報、歩の停止位置情報、速度情報を取得する。
【0057】
ステップS2では、ステップS1で取得した出力データを計算し、歩行時間、歩行速度、歩行率、歩幅、立脚、遊脚時間等の歩行の状態情報を算出する。
【0058】
次に、図8,図9により、本発明を歩行のリハビリテーションに適用した倍場合の効果を説明する。図8は、男女夫々の各年代の健常者の歩行速度(meter/sec)と歩行率(歩数/sec)の値を示した表である。
【0059】
表に示すように、男女夫々年齢により歩行速度及び歩行率は異なる。歩行に障害のある人が歩いた場合には、歩行速度が遅く歩行率も上記の基準より低くなる。しかしながら、リハビリにより回復してくるにつれて、上記に示す健常者の歩行に近づいてくる。
【0060】
従って、歩行計測毎のデータをトレンドグラフに表示することにより、視覚的に歩行者の回復度合い、リハビリの進行度合いが判断でき、最終的にはどの程度まで回復できるのか推測する際の評価材料になる。
【0061】
図9は、リハビリテーション用の解析項目である、左右脚の立脚相,遊脚相,両足支持相を説明するイメージ図示である。歩行時にはそれぞれの足には「遊脚相」と「立脚相」が存在する。
【0062】
「遊脚相」とは、歩行時に脚の底部が地面に接地していないことをいい、図の横線が引かれている枠で示している。「立脚相」とは脚の底部が接地していることをいい、図の縦線で引かれている枠で示している。
【0063】
「両足支持」とは、各脚の立脚相の重なった部分をいい、図においては縦線枠の重なった部分が「両足支持」の状態であることがわかる。一般的な健常者の歩行では次式の関係があるといわれている。
立脚相:遊脚相:両足支持相=6:4:2 (1)
【0064】
図10は、左右脚の歩行解析項目の立脚期(A),遊脚期(B),両足支持期(C)を時系列で並べたトレンドグラフである。トレンドグラフ表示により、リハビリが進行していくに従い、これらの表示が(1)式の関係に近づいてくることを視覚的に判断することができる。
【0065】
本発明は、3軸の加速度センサ、3軸の角速度センサを内蔵した無線通信機能を持つ歩行センサを利用することにより、歩行計測が終了したあとリアルタイムに歩行データを利用することができる。
【0066】
計測された歩行データ及び解析データを、リアルタイムに利用することができることにより、歩行者はリハビリ直後にトレンドグラフを閲覧することができる。本人がリハビリの回復度合いをすぐに把握できることで、リハビリの励みとなる。
【0067】
また、歩行計測をリハビリ前に行うことで理学療法士や医師が、歩行者にその日に最適なリハビリプログラムを選択するためのデータとして利用することができる。
【0068】
以下、本発明の他の実施形態を説明する。
(1)歩行解析装置4は、歩行データをファイルに蓄積すると同時にリアルタイムに演算して現在の歩行の軌跡を画面上に表示させることができるので、病院内での患者の動きもリアルタイムで把握することが可能になる。
【0069】
(2)歩行センサ1からデータ収集する無線アクセスポイント2に代えて、リハビリを指導する介助者が身につける、無線通信機能並びにデータ保存機能を備える携帯端末を用いることができる。
【0070】
(3)携帯端末で所定期間収集した歩行データは、USBケーブル手段、無線LAN等で歩行解析装置4に渡す。または、携帯端末のデータ保存部着脱可能な記憶手段(可搬型HDD、USBクリッブメモリ等)で構成し、これを外して歩行解析装置4に直接接続して保存データを渡すこともできる。
【0071】
(4)歩行センサ1は、CPU15による演算処理機能を備えており、測定値のフィルタ処理等の1次処理を歩行センサ1内で実行することで、無線アクセスポイントや携帯端末への無線通信データ量を削減して通信速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】本発明を適用した歩行分析システムの基本構成を示す機能ブロック図である。
【図2】歩行センサの構成例を示す機能ブロック図である。
【図3】測定開始指令に基づく複数の歩行センサのタイマ起動を説明するシーケンス図である。
【図4】歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図5】歩行データ解析部の構成例を示す機能ブロック図である。
【図6】歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。
【図7】歩行解析アプリケーションのデータ処理手順を示すフローチャート図である。
【図8】男女夫々の各年代の健常者の歩行速度と歩行率の値を示した表である。
【図9】左右脚の立脚相,遊脚相,両足支持相を説明するイメージ図である。
【図10】左右脚の立脚期,遊脚期,両足支持期を時系列で並べたトレンドグラフである。
【図11】特許文献1に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【符号の説明】
【0073】
1 歩行センサ
11 加速度センサ
12 角速度センサ
13 タイマ
14 無線インタフェース
2 無線アクセスポイント
21 無線インタフェース
22 ネットワークインタフェース
3 ネットワーク
4 歩行解析装置
41 歩行データ計測部
42 歩行データ解析部
43 タイマ制御部
44 ネットワークインタフェース
【技術分野】
【0001】
本発明は、歩行者の歩行状態を計測、解析し、個々人の歩行パターンを識別可能にすることで、リハビリテーション、作業効率改善、能力向上の定量的な目安を得ることができる歩行分析システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
圧力センサを使って求めた足圧分布の計測結果から、歩行データを算出する歩行分析に関しては、特許文献1に技術開示がある。図11は、特許文献1に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【0003】
この発明の特徴は、床に帯状に設置された圧力センサ部101上を人が歩き、足圧分布の計測結果を分析装置102〜105により分析し、歩き方の良さを反映したパラメータを出力させる構成にある。
【0004】
【特許文献1】特開平11−113884号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来技術による歩行分析手法では、次のような問題点がある。
(1)特許文献1記載の発明では、足圧分布を測定するための圧力センサを床または地面に敷いて、歩行者がその上を歩行し、歩行時の足の圧力分布より歩行分析を行う。この場合には、圧力センサを予め歩行する場所に設置しなければならず、設置場所等の制約がでてしまう。また、歩行距離によっては、圧力センサを複数枚数用意しなければならない。
【0006】
(2)更に、圧力センサ上を歩くため、患者の日常歩行と異なる感覚、意識が発生し、歩行結果に違いが出る可能性がある。
【0007】
(3)歩行結果も足跡に限られるため、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができない。また、左右の歩行データの時間関係を取得し、歩行解析において重要な両足支持、ステップ時間を正確に検出することができない。
【0008】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、歩行者に負荷を与えることなく、歩行者の足の動きを3次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
(1)歩行者の足部に装着され、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、
この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、
この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における2次元または3次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【0010】
(2)複数の前記歩行センサが備える前記タイマは、前記無線通信装置から通知される測定開始指令に同期して起動されることを特徴とする(1)に記載の歩行分析システム。
【0011】
(3)前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断することを特徴とする(1)または(2)に記載の歩行分析システム。
【0012】
(4)前記歩行センサは、X,Y,Z方向の加速度センサまたはX,Y,Z方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【0013】
(5)前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【0014】
(6)前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【0015】
(7)前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする(1)乃至(6)のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【0016】
(8)前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする(7)に記載の歩行分析システム。
【0017】
(9)前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする(1)乃至(8)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【0018】
(10)前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して2次元または3次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする(1)乃至(9)のいずれかに記載の歩行分析システム。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
歩行データを容易に取得できるため、リハビリテーション等、病院等の治療の現場での使用が容易となる
【0020】
靴に歩行センサを装着することが可能なため、歩行者は、靴を履くだけでよい。このため、測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことができ、被験者への負担が極めて小さい。
【0021】
(3)歩行センサは、超小型に実装可能のため、測定場所への制約が少ない。また、多人数が存在するリハビリ訓練室等での使用が可能になる。
【0022】
(4)歩行データは、歩行解析装置内に蓄積できるため、歩行者の過去と現在の状態を比較して見ることで歩行状態の変化を簡単に把握することができ、リハビリの回復度合いを定量的に把握することができる。
【0023】
(5)歩行センサ手段に内蔵した3軸の加速度センサ、3軸の角速度(ジャイロ)センサにより、それらの出力を演算処理することで足の3次元空間内での動きを測定でき、歩行パターンの違いを上下左右前後から解析することができる。
【0024】
(6)左右の歩行データの時間関係を取得し、歩行解析において重要な両足支持、ステップ時間を正確に検出することができる。
【0025】
(7)特にリハビリテーションへの応用では、障害内容による歩き方の違いを3次元的に解析でき、感圧マットによる足跡解析では不可能な、着地していない足(遊脚)の動きが解析できる。
【0026】
(8)無線アクセスポイントとデータの送受信ができるセンサ数は、1個に限られることがないため、複数人の歩行動作でも同時解析が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図1は、本発明を適用した歩行分析システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の歩行分析システムは、歩行センサ1、無線アクセスポイント2、ネットワーク3、歩行解析装置4からなる。
【0028】
歩行センサ1は、歩行者Mの片足または両足部に直接または履物(つま先部または踵部)に装着され、加速度センサ11、角速度センサ12、タイマ13、無線インタフェース14を備え、無線通信装置の一形態である無線アクセスポイント2と無線通信する。
【0029】
無線アクセスポイント2は、歩行センサ1と通信する無線インタフェース21及びネットワーク3に接続するネットワークインタフェース22を備え、歩行センサ1より収集した歩行データを、ネットワーク3を介して歩行解析装置4に渡す。
【0030】
歩行解析装置4は、歩行データ計測部41、歩行データ解析部42、タイマ制御部43、ネットワークインタフェース44を備え、無線アクセスポイント2から渡される歩行データを保存すると共に、歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出する。
【0031】
更に、歩行解析装置4は、この相対移動距離に基づき歩行解析アプリケーションにより各種の分析を実行する。分析対象項目は、歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率等である。
【0032】
図2は、歩行センサ1の構成例を示す機能ブロック図である。X,Y,Z軸方向の加速度を検出する3個の加速度センサ11、同じくX,Y,Z軸方向の角速度を検出する3個の角速度センサ12、これらセンサの検出値をデジタル変換するA/D変換器15を備える。
【0033】
A/D変換器15の出力は、CPU16に渡されて所定の演算処理が実行される。CPU16は、ROMやRAM等のメモリ資源17を有しており、検出データの一時的な保存が可能となっている。この歩行センサ1は、充電可能な電池及び充電回路よりなる電源部19を備えている。
【0034】
無線インタフェース14を介してCPU16が測定開始指令を無線アクセスポイント2から取得すると、タイマ13を起動し、検出データの収集が開始される。所定期間の検出データは、タイマ起動の時系列的シーケンス番号が付与されてメモリ資源17に一時保存される。
【0035】
メモリ資源に一時保存されたデータは、適当なデータ量毎にシーケンス番号を付与した状態で無線インタフェース14を介して無線アンテナ18より無線アクセスポイント2に送信される。無線アクセスポイント2は、このデータをネットワーク3を介して歩行解析装置4に転送する。
【0036】
歩行センサ1を構成するこれら要素は、きわめて小型のチップとして実装することが可能であり、歩行者の片足または両足部に直接または履物に装着したときに、歩行者は測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことがでるので、被験者への負担を極めて小さくすることができる。
【0037】
図3は、歩行解析装置4からの測定開始指令に基づく複数の歩行センサのタイマ起動を説明するシーケンス図である。歩行解析装置4からの測定開始指令は、ネットワークを介して無線アクセスポイント2に渡される。無線アクセスポイント2は、複数の歩行センサ1A,1B,1C,…に対して、同時刻に測定開始指令を通知する。
【0038】
歩行センサ1A,1B,1C,…が備えるタイマは、測定開始指令を無線アクセスポイント2から取得すると同期して起動され、測定(検出データの収集)が開始される。所定期間の検出データは、タイマ起動の時系列的シーケンス番号が付与されてメモリ資源に一時保存される。
【0039】
メモリ資源に一時保存されたデータは、適当なデータ量毎にシーケンス番号を付与した状態で無線アクセスポイント2に送信される。無線アクセスポイント2は、複数の歩行センサ1A,1B,1C,…からの検出データを収集して歩行解析装置4に転送する。
【0040】
図4は、歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。無線アクセスポイント2からのデータは、ネットワークインタフェース44を介してCPU45に渡される。歩行データ計測部41の歩行データ収集手段411は、CPU45から歩行データを取得し、シーケンス番号順にソートして計測データファイル412に所定期間格納する。格納する計測データは、加速度及び角速度データである。
【0041】
CPU45は、計測データファイル412より格納データを読み出して歩行データ解析部42に渡し、各種の解析処理を実行させる。解析結果は、表示装置5や印刷装置6に出力される。更に、CPU45は、タイマ制御部43と通信し所定の周期で測定開始指令をネットワークインタフェース44及びネットワーク3を介して無線アクセスポイント2に渡す。
【0042】
歩行データ解析部42の解析結果は、直接またはネットワークを介して外部機器や機関、リハビリを指導する医師、理学療法士、更には歩行者自身にも配信することができる。
【0043】
図5は、歩行データ解析部42の構成例を示す機能ブロック図である。歩行解析手段421は、計測データファイル412より格納されている計測データを取り出して歩行解析アルゴリズム421Aに渡して各種の解析を実行し、解析結果を歩行解析アプリケーション422に出力する。
【0044】
歩行解析アプリケーション422による解析結果は、歩行者の足の3次元位置情報並びに歩行時間、速度、立脚、遊脚データ等の歩行状態情報である。
【0045】
歩行解析アルゴリズム421Aは、計測データファイル412に格納されている、加速度データを1回積分演算して速度を算出する。この積分演算は、X,Y,Z成分毎に実行される。
【0046】
算出された速度は、もう1回積分演算され、距離データとなる。角速度は、同様に積分演算されて、角度が算出される。このように、X,Y,Zの3軸のデータが算出されるため、3次元の位置情報を求めることが可能である。
【0047】
同時に、歩行解析アルゴリズム421Aは、歩行の状態情報を算出するために、歩の区切りを算出する。歩の区切りは、加速度、角速度データから、停止していると思われる期間を停止期間として算出し、動作している期間と停止している期間と分けることで、決定される。
【0048】
足部の停止状態の検出は、角速度の検出値がある閾値以下または加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断する。
【0049】
歩行解析アルゴリズム421Aは、歩の区切りから、立脚時間(足が地面に接地している時間)、遊脚時間(足が地面から離れている時間)等、歩に関連する状態情報を算出する。
【0050】
一歩毎の距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることができる。算出された距離データは、角度データと合わせて、座標データに変換される。
【0051】
これら位置情報及び状態情報の歩行データを歩行解析手段421から取得する歩行解析アプリケーション422は、歩行解析装置4に接続された表示装置5に歩行データを表示することができ、ユーザは歩行状態を容易に把握することができる。
【0052】
また、過去データをファイルとして蓄積しているため、過去から現在に至る歩行状態を参照でき、トレンドグラフ等で、歩行状態の変化を表示することが可能である。更に必要であれば、印刷装置6への出力も可能である。
【0053】
図6は、歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。ステップS1で加速度、角速度センサの個体差に基づくデータを補正し、ステップS2では歩の停止を検出する。具体的には、加速度、角速度データより、歩行停止区間を算出する。
【0054】
ステップS3では、角速度データを積分して、角度を算出する。ステップS4では、加速度、角速度のX,Y,Z軸を、ローカル座標(センサ上の座標)から、ワールド座標(ユーザ空間)に変換する。
【0055】
ステップS5では、加速度データを積分して、速度を算出する。更にステップS6では、位置座標を算出する。具体的には、速度×サンプリング時間で距離を求め、前回値に加算することで相対移動距離(位置)を算出する。
【0056】
図7は、歩行解析アプリケーション422のデータ処理手順を示すフローチャート図である。ステップS1では、歩行解析アルゴリズム421Aの出力データとして、3次元の位置情報、歩の停止位置情報、速度情報を取得する。
【0057】
ステップS2では、ステップS1で取得した出力データを計算し、歩行時間、歩行速度、歩行率、歩幅、立脚、遊脚時間等の歩行の状態情報を算出する。
【0058】
次に、図8,図9により、本発明を歩行のリハビリテーションに適用した倍場合の効果を説明する。図8は、男女夫々の各年代の健常者の歩行速度(meter/sec)と歩行率(歩数/sec)の値を示した表である。
【0059】
表に示すように、男女夫々年齢により歩行速度及び歩行率は異なる。歩行に障害のある人が歩いた場合には、歩行速度が遅く歩行率も上記の基準より低くなる。しかしながら、リハビリにより回復してくるにつれて、上記に示す健常者の歩行に近づいてくる。
【0060】
従って、歩行計測毎のデータをトレンドグラフに表示することにより、視覚的に歩行者の回復度合い、リハビリの進行度合いが判断でき、最終的にはどの程度まで回復できるのか推測する際の評価材料になる。
【0061】
図9は、リハビリテーション用の解析項目である、左右脚の立脚相,遊脚相,両足支持相を説明するイメージ図示である。歩行時にはそれぞれの足には「遊脚相」と「立脚相」が存在する。
【0062】
「遊脚相」とは、歩行時に脚の底部が地面に接地していないことをいい、図の横線が引かれている枠で示している。「立脚相」とは脚の底部が接地していることをいい、図の縦線で引かれている枠で示している。
【0063】
「両足支持」とは、各脚の立脚相の重なった部分をいい、図においては縦線枠の重なった部分が「両足支持」の状態であることがわかる。一般的な健常者の歩行では次式の関係があるといわれている。
立脚相:遊脚相:両足支持相=6:4:2 (1)
【0064】
図10は、左右脚の歩行解析項目の立脚期(A),遊脚期(B),両足支持期(C)を時系列で並べたトレンドグラフである。トレンドグラフ表示により、リハビリが進行していくに従い、これらの表示が(1)式の関係に近づいてくることを視覚的に判断することができる。
【0065】
本発明は、3軸の加速度センサ、3軸の角速度センサを内蔵した無線通信機能を持つ歩行センサを利用することにより、歩行計測が終了したあとリアルタイムに歩行データを利用することができる。
【0066】
計測された歩行データ及び解析データを、リアルタイムに利用することができることにより、歩行者はリハビリ直後にトレンドグラフを閲覧することができる。本人がリハビリの回復度合いをすぐに把握できることで、リハビリの励みとなる。
【0067】
また、歩行計測をリハビリ前に行うことで理学療法士や医師が、歩行者にその日に最適なリハビリプログラムを選択するためのデータとして利用することができる。
【0068】
以下、本発明の他の実施形態を説明する。
(1)歩行解析装置4は、歩行データをファイルに蓄積すると同時にリアルタイムに演算して現在の歩行の軌跡を画面上に表示させることができるので、病院内での患者の動きもリアルタイムで把握することが可能になる。
【0069】
(2)歩行センサ1からデータ収集する無線アクセスポイント2に代えて、リハビリを指導する介助者が身につける、無線通信機能並びにデータ保存機能を備える携帯端末を用いることができる。
【0070】
(3)携帯端末で所定期間収集した歩行データは、USBケーブル手段、無線LAN等で歩行解析装置4に渡す。または、携帯端末のデータ保存部着脱可能な記憶手段(可搬型HDD、USBクリッブメモリ等)で構成し、これを外して歩行解析装置4に直接接続して保存データを渡すこともできる。
【0071】
(4)歩行センサ1は、CPU15による演算処理機能を備えており、測定値のフィルタ処理等の1次処理を歩行センサ1内で実行することで、無線アクセスポイントや携帯端末への無線通信データ量を削減して通信速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】本発明を適用した歩行分析システムの基本構成を示す機能ブロック図である。
【図2】歩行センサの構成例を示す機能ブロック図である。
【図3】測定開始指令に基づく複数の歩行センサのタイマ起動を説明するシーケンス図である。
【図4】歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図5】歩行データ解析部の構成例を示す機能ブロック図である。
【図6】歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。
【図7】歩行解析アプリケーションのデータ処理手順を示すフローチャート図である。
【図8】男女夫々の各年代の健常者の歩行速度と歩行率の値を示した表である。
【図9】左右脚の立脚相,遊脚相,両足支持相を説明するイメージ図である。
【図10】左右脚の立脚期,遊脚期,両足支持期を時系列で並べたトレンドグラフである。
【図11】特許文献1に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【符号の説明】
【0073】
1 歩行センサ
11 加速度センサ
12 角速度センサ
13 タイマ
14 無線インタフェース
2 無線アクセスポイント
21 無線インタフェース
22 ネットワークインタフェース
3 ネットワーク
4 歩行解析装置
41 歩行データ計測部
42 歩行データ解析部
43 タイマ制御部
44 ネットワークインタフェース
【特許請求の範囲】
【請求項1】
歩行者の足部に装着され、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、
この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、
この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における2次元または3次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【請求項2】
複数の前記歩行センサが備える前記タイマは、前記無線通信装置から通知される測定開始指令に同期して起動されることを特徴とする請求項1に記載の歩行分析システム。
【請求項3】
前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断することを特徴とする請求項1または2に記載の歩行分析システム。
【請求項4】
前記歩行センサは、X,Y,Z方向の加速度センサまたはX,Y,Z方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項5】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項6】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項7】
前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【請求項8】
前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする請求項7に記載の歩行分析システム。
【請求項9】
前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項10】
前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して2次元または3次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項1】
歩行者の足部に装着され、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、
この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、
この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における2次元または3次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【請求項2】
複数の前記歩行センサが備える前記タイマは、前記無線通信装置から通知される測定開始指令に同期して起動されることを特徴とする請求項1に記載の歩行分析システム。
【請求項3】
前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断することを特徴とする請求項1または2に記載の歩行分析システム。
【請求項4】
前記歩行センサは、X,Y,Z方向の加速度センサまたはX,Y,Z方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項5】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項6】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項7】
前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【請求項8】
前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする請求項7に記載の歩行分析システム。
【請求項9】
前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項10】
前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して2次元または3次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の歩行分析システム。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2008−173365(P2008−173365A)
【公開日】平成20年7月31日(2008.7.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−11160(P2007−11160)
【出願日】平成19年1月22日(2007.1.22)
【出願人】(000006507)横河電機株式会社 (4,443)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年7月31日(2008.7.31)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年1月22日(2007.1.22)
【出願人】(000006507)横河電機株式会社 (4,443)
【Fターム(参考)】
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