JP2016220805A - 身体特性検出方法、身体特性検出装置、並びにそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】足部に連なる身体部位に加わる力の状態を観察することができる身体特性検出装置とその方法並びにプログラムを提供する。【解決手段】足部に加わる力に関する第１の物理量の検出値を入力する。そして、検出値の波形データの振幅、微分量、積分量のうち少なくとも１つの指標データを算出する。そして、指標データを基に、足部に連なる身体部位に加わる力の状態を表す第２の物理量を算出する。足部に加わる力を検出することにより、指標データを算出し、これにより足部に連なる身体部位に加わる力の状態を把握する。【選択図】図３

Description

本発明は、足部に加わる力に関する物理量を検出する身体特性検出方法に関する。

特許文献１に、変形性膝関節症の判定方法に関する発明が記載されている。この変形性膝関節症の判定方法によると、対象者の脛骨近部位及び踵近部位にそれぞれ加速度センサを装着しておき、各部位で生じる加速度信号のピーク点の時刻のずれを観測することにより、各部位の間の衝撃伝達期間を算出し、この衝撃伝達期間に基づき変形性膝関節症の判定を行うというものである。

歩行時の膝に与えられる衝撃の大きさを測定することは、上述の変形性膝関節症の判定を含め、対象者の足の健康状態を測定するためには重要なことである。このように、歩行時に膝に与えられる衝撃を測定するためには、膝にセンサを装着する必要がある。

特開２００４−２６１５２５号公報

特許文献１では膝に直接センサを装着して歩行者の動作を観察しているが、膝の形状を考えても、センサの位置が膝から徐々にずれていくと考えられ、歩行者の膝にセンサを常時固定することは難しい。緩やかな歩行動作のみを想定した一時的な検査時間の間にのみセンサを装着することは可能であっても、生活の中での歩行動作を検出するためには常時の装着が必要となる。膝に常時センサを装着した場合、結局膝の位置からずれてしまう。
本発明はかかる事情に鑑みてなされ、歩行時の足部の歩行動作を観察することにより、足部に連なる身体部位に加わる力の状態を観察することができる身体特性検出装置とその方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る身体特性検出方法は、足部に加わる力に関する第１の物理量の検出値を入力する第１の工程と、前記検出値の波形データの振幅、微分量、積分量のうち少なくとも１つの指標データを算出する第２の工程と、前記指標データを基に、前記足部に連なる身体部位に加わる力の状態を表す第２の物理量を算出する第３の工程と、を有する。

この構成によれば、足部に加わる力を検出することにより、指標データを算出し、これにより足部に連なる身体部位に加わる力の状態を把握することができる。

好適には、本発明に係る身体特性検出方法の前記第３の工程は、前記身体部位に加わる力に関する物理量の時間特性を算出する。

この構成によれば、指標データを算出し、これにより足部に連なる身体部位に加わる力の状態を時間特性に沿って把握することができる。

好適には、本発明に係る身体特性検出方法の前記第３の工程は、前記足部による歩行特性を算出する。

この構成によれば、指標データを算出し、これにより足部に連なる身体部位に加わる力の状態を歩行特性に沿って把握することができる。

好適には、本発明に係る身体特性検出方法の前記身体部位はひざであり、前記第２の物理量は、前記ひざに加わる負荷特性である。

この構成によれば、指標データを算出し、これによりひざに加わる力の状態を負荷特性に沿って把握することができる。

好適には、本発明に係る身体特性検出方法はさらに、複数の前記指標データを記憶する第４の工程と 前記第４の工程で記憶した前記指標データを基に、前記足部による運動と、前記身体部位の状態との関係を推定することにより、前記第２の物理量を算出する第５の工程とをさらに有する。

この構成によれば、複数の指標データを算出し、これにより身体部位に加わる力の状態を推定することができる。

好適には、本発明に係る身体特性検出方法の前記第１の工程は、前記足部のうちかかと部分を覆うことにより前記足部に固定され、前記足部により加わる力を検出するセンサより前記検出値を入力する。

この構成によれば、足部の固定された位置に加わる力を検出することができ、足部の固定された位置についての指標データを算出し、これにより足部に連なる身体部位に加わる力の状態を把握することができる。

本発明に係る身体特性検出装置は、足部に加わる力に関する第１の物理量の検出値を入力する入力部と、前記検出値の波形データの振幅、微分量、積分量のうち少なくとも１つの指標データを算出する指標算出部と、前記指標データを基に、前記足部に連なる身体部位に加わる力の状態を表す第２の物理量を算出する特性算出部と、を有する。

この構成によれば、足部に加わる力を検出することにより、指標データを算出し、これにより足部に連なる身体部位に加わる力の状態を把握することができる。

本発明にかかるプログラムは、上述のいずれかの身体特性検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、歩行時の足部の歩行動作を観察することにより、足部に連なる身体部位に加わる力の状態を観察することができる身体特性検出装置とその方法並びにプログラムを提供することができる。

歩行者の歩行動作を説明する図である。 足部ＦＴに装着される身体特性検出装置の構成を説明する図である。 本実施の形態にかかる身体特性検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 第１の物理量の検出値の推移を示すグラフである。 波形データに基づいて求める指標データについて説明するグラフである。 足部に連なる身体部位に加わる力の状態を推定する身体特性検出方法の処理を説明するフローチャートである。

本実施の形態にかかる身体特性検出装置１によって測定すべき歩行動作について、図１及び図２を用いて説明する。

図１は、歩行者の歩行動作を説明する図である。本実施形態では、歩行者が人体である場合を想定して説明するが、歩行者に関する説明は、人体に限らず他の動物や、ロボットなど歩行動作を行ういかなる対象にも適用される。

歩行者は、歩行部位の一例である足部ＦＴによって空間的に歩行動作を行う。はじめに足部ＦＴは床面に接地しているが、歩行の開始とともにかかと、爪先の順に床面を離れ、歩行動作とともに床面に接地する動作を繰り返す。足部ＦＴに連なる身体部位は様々な部位があり、足部ＦＴから下腿部、大腿部、そして腰部にまで連なり、それぞれの動作により足部ＦＴを動かし、歩行動作をするとともに、足部ＦＴにより生じた衝撃も各部位にそれぞれ伝わっていく。本発明に係る実施形態では、この中でも特に膝部ＫＮと足部ＦＴとの関係に着目して説明していく。

図２は、足部ＦＴに装着される身体特性検出装置１の構成を説明する図である。本発明の実施形態に係る身体特性検出装置１は、かかと全体を取り囲んで固定可能な形態となっている。足部ＦＴの特にかかと部分には***部分、突起部分があり、それぞれに対する引っ掛かりを身体特性検出装置１に設けることにより、身体特性検出装置１を踵に装着可能な構成とする。また身体特性検出装置１は足部ＦＴの足の甲にはが取り付け可能な構成としてもよく、アンクレット状にすることにより足首に取り付けられる形態も考えられる。このように踵や足の甲などの足部に身体特性検出装置１を装着することは可能であり、完全に固定したり、多少のずれが生ずるように装着する方法があるが、いずれにしても生活の中での歩行動作を、足部について観察することは比較的容易である。

身体特性検出装置１にはセンサ部２、センサ部３、センサ部４がそれぞれ設けられている。具体的には、センサ部２は滑車突起に、センサ部３は踵骨***上縁に、センサ部４は踵骨***外側突起にそれぞれ設けられている。このように各部位にセンサを設けるが、センサの位置はこれらの部位の限られるものではなく、またこれらのうち１つまたは２つでもよい。本発明の実施の形態では、これらのセンサ部２、センサ部３、センサ部４を含んだ身体特性検出装置１全体を図３のセンサ１０として考える。

センサ部２、センサ部３、センサ部４は、それぞれに加えられた圧力を検出する圧力センサとすることができる。圧力センサの一例としては、半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサ、静電容量形圧力センサが挙げられる。半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサは、ダイヤフラムの表面に半導体ひずみゲージを形成し、外部からの力（圧力）によってダイヤフラムが変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を電気信号に変換する。静電容量形圧力センサは、ガラスの固定極とシリコンの可動極を対向させてコンデンサを形成、外部からの力（圧力）によって可動極が変形して発生する静電容量の変化を電気信号に変換する。

またセンサ部２、センサ部３、センサ部４は、加速度センサとすることができる。加速度センサは、例えば質量が可撓性の支持部に支持されており、加速度による質量の変位が支持部の撓み量として圧電素子などで検知される。加速度センサで、互いに直交する３軸方向の加速度成分（ａｘ、ａｙ 、ａｚ）が検知される。加速度センサは、互い直交する３軸における加速度成分のすべてを検出するものとして説明するが、このうち１軸についての加速度成分のみを検出して、この１軸についての加速度成分のみを用いてもよい。

またセンサ部２、センサ部３、センサ部４は、角速度センサとすることができる。角速度センサは、例えば振動型ジャイロスコープであり、コリオリ力を利用して角速度が検知される。角速度センサ１２では、互いに直交する３軸方向（３軸回り）の角速度成分（ωｘ、ωｙ、ωｚ）が検知される。角速度センサは、互いに直交する３軸における角速度成分のすべてを検出するものとして説明するが、このうち１軸についての角速度成分のみを検出して、この１軸についての角速度成分のみを用いてもよい。

図３は、本実施の形態にかかる身体特性検出装置１の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の身体特性検出装置１は、センサ１０と演算部１１を備える。センサ１０からの検知出力は演算部１１に与えられる。センサ１０から演算部１１への入力は、無線通信で実現することができ、この場合無線通信機能を持ったインターフェースによって入力を行う。センサ１０と演算部１１とが一体化している場合は、センサ１０と演算部１１の間の接続端子を介して両者は直接接続される。

演算部１１は、センサ１０において検出された物理量のデータに基づいて、足部ＦＴの歩行運動に関する測定値を算出し、膝部ＫＮの動作を推定算出する回路である。演算部１１は、例えば、記憶装置に格納されるプログラムの命令コードに従って演算処理を行うコンピュータや、特定の機能を実現するロジック回路を含んで構成される。演算部１１の処理は、その全てをコンピュータとプログラムにより実現してもよいし、その一部若しくは全部を専用のロジック回路で実現してもよい。

表示部１２は、演算部１１の各部で求められた算出結果を表示するディスプレイ及びその制御部によって構成され、表示部１２の制御部が算出結果を受け取って、その内容をディスプレイに表示する。また表示部１２は、演算部１１の処理動作や、表示項目についての指示を入力するための操作画面を表示するように構成してもよい。

演算部１１は、図３に示すように、入力部１０１と、指標算出部１０２と、特性算出部１０３と、指標記憶部１０４と、推定部１０５を備える。

入力部１０１は、足部ＦＴに加わる力に関する第１の物理量の検出値を入力する。足部ＦＴに加わる力はセンサ１０によって検出されるので、入力部１０１はこの検出結果を入力する。足部ＦＴに加わる力は足部に加わる衝撃、圧力、加速度、角加速度など様々な物理量が考えられる。これらに基づき第１の物理量の検出値を入力する。

入力部１０１は演算部１１によって実現されるものとして説明するが、センサ１０と一体の構成としてもよい。センサ１０と一体の構成とした場合、入力部１０１は、足部ＦＴのうちかかと部分を覆うことにより足部ＦＴに固定され、足部ＦＴにより加わる力を検出するセンサ１０より検出値を入力する。

指標算出部１０２は、検出値の波形データの振幅、微分量、積分量のうち少なくとも１つの指標データを算出する。指標算出部１０２は、第１の物理量の検出値の入力に対して、時間軸に対する波形データを取得する。指標算出部１０２は、この波形データの振幅を求め、波形データについて微分演算を行い微分量を求め、波形データについて積分演算を行い積分量を求める。微分量は波形データの角度から得ることができ、積分量は波形データの面積からエネルギーとして求めることができる。指標算出部１０２は、振幅、微分量、積分量の３つとも求めてもよいが、このうち２つでもよく、またこのうち１つのみでもよい。

特性算出部１０３は、指標データを基に、足部ＦＴに連なる身体部位に加わる力の状態を表す第２の物理量を算出する。足部ＦＴに連なる身体部位は主にひざについて説明するが、下腿部、大腿部、腰部など様々な部位としてもよい。足部ＦＴについて求められた指標データに対して、事前に関数データを保持しておき、指標データをこの関数データに入力することにより、出力値として第２の物理量を算出する。第２の物理量の算出の例として、特性算出部１０３は、身体部位に加わる力に関する物理量の時間特性を算出することができ、また足部ＦＴによる歩行特性を算出する。また特性算出部１０３は、第２の物理量として、ひざに加わる負荷特性を算出してもよい。

指標記憶部１０４は、複数の指標データを記憶する。推定部１０５は、指標記憶部１０４で記憶した指標データを基に、足部ＦＴによる運動と、身体部位の状態との関係を推定することにより、第２の物理量を算出する。

図４は、第１の物理量の検出値の推移を示すグラフである。図４は、指標算出部１０２によって取得される波形データを示す。グラフ４１は、衝撃の大きい歩行、走行の場合の、検出値の推移を示す。グラフ４２は、衝撃の小さい歩行、走行の場合の、検出値の推移を示す。グラフ４１、グラフ４２のいずれの場合も、まず踵接地４３から歩行、走行を開始し、第１の物理量の検出値はまず下がる。それから逆に大きく上がり、グラフ４１、グラフ４２にそれぞれの波形に示す通りとなる。衝撃の大きい歩行、走行の場合は、グラフに４１に示す通り振れ幅が大きくなり、衝撃の小さい歩行、走行の場合は、グラフ４２に示す通り、振れ幅は小さくなる。

このように得られた波形データに対して、指標算出部１０２は、検出値の波形データの振幅、微分量、積分量のうち少なくとも１つの指標データを算出する。指標データの算出について図５を用いて説明する。

図５は、波形データに基づいて求める指標データについて説明するグラフである。図５は、図４の波形データのうちのある時点について抽出した部分である。横軸は時間軸を示し、縦軸は衝撃の大きさを示す。波形５１は振幅５１ｇをとり、短時間で大きな振幅を示すが短時間で衝撃が終了する。一方で波形５２は振幅５２ｇをとり、振幅は小さいが比較的長い時間衝撃が継続する。

したがって、衝撃初期、衝撃終期について微分値を取るとき、波形５１の微分値は非常に大きいものとなり、一方で波形５２の微分値は小さいものとなる。その一方で、波形５１、波形５２のそれぞれについて積分値を取るとき、いずれも同じ面積であるので同じ値となる。このように、波形データの振幅、微分値、積分値にそれぞれ着目するとき、いずれも極端に異なる特性を示す場合と、同じような値を示す場合と両方の場合がある。これらの値を用いることにより、特性算出部１０３は、足部ＦＴへの衝撃を示す物理量から、膝部ＫＮへの衝撃の値を示す第２の物理量を求める。

図６は、足部に連なる身体部位に加わる力の状態を推定する身体特性検出方法の処理を説明するフローチャートである。まず、入力部１０１は足部ＦＴに加わる力に関する第１の物理量の検出値を入力する（ステップＳ１１）。

次に、指標算出部１０２は、第１の物理量の検出値の入力に対して、まず時間軸に対する波形データを取得する（ステップＳ１２）。指標算出部１０２は、検出値の波形データの振幅、微分量、積分量のうち少なくとも１つの指標データを算出する（ステップＳ１３）。この波形データに対して、振幅を求め、波形データについて微分演算を行い微分量を求め、波形データについて積分演算を行い積分量を求める。指標算出部１０２は、振幅、微分量、積分量の３つとも求めてもよいが、このうち２つでもよく、またこのうち１つのみでもよい。

特性算出部１０３は、指標データを基に、足部ＦＴに連なる身体部位に加わる力の状態を表す第２の物理量を算出する（ステップＳ１４）。特性算出部１０３は、指標データに対して、事前に関数データを保持しておき、指標データをこの関数データに入力することにより、出力値として第２の物理量を算出する。

用いる指標データは１つだけではなく、複数の指標データを用いてもよい。このために指標記憶部１０４は、複数の指標データを記憶する。この場合、推定部１０５は、指標記憶部１０４で記憶した指標データを基に、足部ＦＴによる運動と、身体部位の状態との関係を推定することにより、第２の物理量を算出する。事前に記憶された関数データに複数の指標データを当てはめることにより、足部ＦＴによる運動と、身体部位の状態との関係を推定することにより、第２の物理量を算出する。

以上のように、本実施の形態では、足部に加わる圧力、加速度、角速度、衝撃などの力を検出し、これらの力について指標データを算出する。指標データを基に、足部について観察されたデータからひざなどの足部に連なる身体部位に加わる力の状態を把握することができる。足部のようなセンサの装着が容易な部位を観察することにより、ひざなどのセンサの装着が比較的容易ではない部位についても、加わる力の状態を把握することができる。したがって、足部に連なる身体部位についても、対象となる者の歩行状態を容易に把握することができる。

本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。

前記実施の形態では、足部の歩行動作を測定することを基本として発明が説明されているが、本発明は、いわゆるロボットの足部や義足の足部の動作測定、さらには各種機械の三次元動作の角度測定に使用することが可能である。

１… 身体特性検出装置
２… センサ部
３… センサ部
４… センサ部
１０… センサ
１１… 演算部
１２… 表示部
１０１… 入力部
１０２… 指標算出部
１０３… 特性算出部
１０４… 指標記憶部
１０５… 推定部

Claims (8)

1. 足部に加わる力に関する第１の物理量の検出値を入力する第１の工程と、
   前記検出値の波形データの振幅、微分量、積分量のうち少なくとも１つの指標データを算出する第２の工程と、
   前記指標データを基に、前記足部に連なる身体部位に加わる力の状態を表す第２の物理量を算出する第３の工程と、
   を有する身体特性検出方法。
2. 前記第３の工程は、前記身体部位に加わる力に関する物理量の時間特性を算出する
   請求項１に記載の身体特性検出方法。
3. 前記第３の工程は、前記足部による歩行特性を算出する
   請求項１または請求項２に記載の身体特性検出方法。
4. 前記身体部位はひざであり、
   前記第２の物理量は、前記ひざに加わる負荷特性である
   請求項１〜３のいずれかに記載の身体特性検出方法。
5. 複数の前記指標データを記憶する第４の工程と、
   前記第４の工程で記憶した前記指標データを基に、前記足部による運動と、前記身体部位の状態との関係を推定することにより、前記第２の物理量を算出する第５の工程と
   をさらに有する請求項１〜４のいずれかに記載の身体特性検出方法。
6. 前記第１の工程は、前記足部のうちかかと部分を覆うことにより前記足部に固定され、前記足部により加わる力を検出するセンサより前記検出値を入力する、
   をさらに有する請求項１〜４のいずれかに記載の身体特性検出方法。
7. 足部に加わる力に関する第１の物理量の検出値を入力する入力部と、
   前記検出値の波形データの振幅、微分量、積分量のうち少なくとも１つの指標データを算出する指標算出部と、
   前記指標データを基に、前記足部に連なる身体部位に加わる力の状態を表す第２の物理量を算出する特性算出部と、
   を有する身体特性検出装置。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載された身体特性検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。