JP4181796B2 - 肢体リハビリテーション訓練装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、リハビリテーション訓練装置に係り、特に肢体の関節角に変位を生じない状態での動作力情報により、被訓練者の操作能力の向上に必要な情報を人間へと帰還する肢体リハビリテーション訓練装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の健常者向けの訓練装置技術は、関節角を変位し筋力増強することができる装置技術である。また、従来の身体に障害のある者を対象としたリハビリテーション訓練装置は、肢体の関節角度を動かし筋腱系の拘縮を予防、治療する装置技術と、電気などの外部刺激により筋肉の修復、筋力の回復を行う装置技術である。また、訓練装置の始動時には被訓練者が関節角度を変位させ、以後はこの関節角度をある角度で保持する状態で操作能力の訓練を行うカウンターウエイトを付けたバランス訓練機や、ゴムのような弾性体を用いた装置技術はある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の装置技術は、いずれも肢体により出力される動作力の大きさと方向を制御することを対象としているため、関節角の変位がない状態にて、視覚を中心とした感覚系への帰還信号(バイオフィードバック)を持つ訓練を行うことは不可能であった。
【0004】
人間の肢体は関節角を変化させない状態でその末端部で空間中の座標系3軸方向に対して動作力を発生できる。そして、身体に障害がない人間は与えられた信号に基づき判断してこの動作力を調整できる。ところが、肢体の麻痺がある場合は、これらが困難になる。人間にとって肢体の運動制御機能は重要であり、かつ身体運動の操作調整機能は、適切なリハビリテーション訓練を受けることで回復することができる。課題としては、被訓練者の肢体への負担を軽減した安全かつ効果的な訓練方法で、目標値として視覚などの感覚信号を被訓練者に与える、いわゆるバイオフィードバック、それによって引き起こされた身体運動量を連続的に計測、記録し、定量化することである。
【0005】
従って本発明の技術的課題は、肢体に生じた麻痺の機能回復のために行うリハビリテーション訓練を定量化して記憶すると共に、肢体の運動の調整能力を回復する上で安全かつ効果的な帰還信号を被訓練者に伝達することができる肢体リハビリテーション訓練装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を達成するために、本発明に係る肢体リハビリテーション訓練装置は、前記請求項1に記載の如く、肢体の関節角に変位を生じない状態での動作力情報により、被訓練者の操作能力の向上に必要な情報を人間へと帰還する肢体リハビリテーション訓練装置であって、被訓練者の肢体を固定保持し、当該被訓練者が肢体の関節角に変位を生じさせない状態で運動しようとする動作力を検出する力覚センサーを含む測定検出部と、上記測定検出部によって検出された動作力検出信号を基に、上記被訓練者の動作力を表すターゲットの移動方向を指示する運動力成分をプログラム指令として含むリハビリ評価プログラムを設定し、このリハビリ評価プログラムに従って演算処理を実行して、上記力覚センサーからの動作力検出信号の計測値と上記被訓練者が動作すべき動作力の目標値との差を算出するコンピュータを含む演算処理部と、上記演算処理部によって演算された演算信号を基に上記被訓練者への動作力指令として機能するターゲットを生成し、上記コンピュータの算出信号を上記被訓練者が動作すべき動作力として表示する出力手段を含む演算出力部、および、上記測定検出部と上記演算処理部および上記演算出力部からなるフィードバック系によって構成され、上記被訓練者の動作力を上記出力手段に示されたターゲットに追従させるバイオフィードバック手段、とによって構成され、上記リハビリ評価プログラムは、上記被訓練者が運動すべき力の方向と大きさおよび画像を、上記コンピュータに演算指示する運動力プログラムであり、上記測定検出部が、上記被訓練者の肢体を固定保持する身体保持部と座標系3軸方向の力成分を検出する力覚センサーを有し、上記コンピュータが、当該力覚センサーのアナログ測定検出信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換器と、該アナログ/デジタル変換器のデジタル信号を基に演算処理するプロセッサーと、当該プロセッサーによって演算された演算結果を記憶するメモリとを有 し、上記演算出力部の出力手段が、上記コンピュータの演算信号を画像信号に変換する画像処理器を有し、上記バイオフィードバック系が、上記力覚センサー、プロセッサー、画像処理器を含む第1のバイオフィードバックループによって構成されていることを特徴としている。
【0007】
また、本発明に係る肢体リハビリテーション訓練装置は、前記請求項2に記載の如く、上記演算出力部が、上記コンピュータの演算信号を音や振動等の物理的信号に変換する物理信号出力器を有し、
上記バイオフィードバック系が、上記力覚センサー、プロセッサー、物理信号出力器を含む第2のバイオフィードバックループによって構成されていることを特徴としている。
【0008】
更に本発明に係る肢体リハビリテーション訓練装置は、前記請求項3に記載の如く、上記測定検出部が、上記被訓練者が把持して運動力を加えるべきグリップと該グリップに取り付けられたスティックと、該スティックに連結された上記被訓練者の運動力の座標系X,Y軸方向の力成分を検出する作動杆と、当該作動杆に連結されて軸運動力の座標系Z軸方向の力成分を検出する楕円体とからなることを特徴としている。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置について図1から図9を参照しながら説明する。図1は本発明の肢体リハビリテーション訓練装置の基本構成を示し、同図において、10は被測定対象として肢体に麻痺のある被訓練者、20は被訓練者10が肢体の関節角に変位を生じない状態での当該被訓練者10の肢体の動作力を測定する測定検出部、30は測定検出部20の測定検出信号である動作入力力信号を入力として目標とする力の方向と大きさを演算処理する演算処理部、40は演算処理部30の演算出力信号を物理現象信号に変換する演算出力部、50は演算処理部30の演算出力信号を記録観測する観測部であって、これらの被訓練者10、測定検出部20、演算処理部30および演算出力部40によってバイオフィードバック手段が形成される。
【0010】
上記の測定検出部20は、被訓練者10の肢体である手11を保持固定する身体保持部21と、被訓練者10が運動しようとする力を検出する力覚センサー22によって構成され、身体保持部21には被訓練者10の手掌が固定保持され、力覚センサー22は被訓練者10が肢体の関節角を変位させることなく発生した力の座標系直交3軸成分を検出する。
【0011】
上記の演算処理部30はコンピュータ31からなり、コンピュータ31は、力覚センサー22のアナログ検出信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル(A/D)変換器32、このアナログ/デジタル変換器32によって変換されたデジタル信号を基に目標とする力の方向と大きさを算出するプロセッサー33、および、プロセッサー33によって演算処理された演算結果を記憶するメモリー34を有する。
【0012】
また、上記の演算出力部40は、演算処理部30によって演算された演算データを基に被訓練者の肢体が発生しようとする力の大きさと方向を画像処理する画像処理器41と、同じく演算処理部30によって演算された演算データを基に音や振動などの物理信号を発生する物理信号発生器42によって構成され、記録観測部50は演算処理部30によって演算された演算データを目標とする力の方向と大きさを記録する記録観測器51によって構成されていて、記録観測器51に記録されたデータは観測者52によって観測される仕組みに成っている。
【0013】
図1のリハビリテーション訓練装置において、被訓練者10の肩、肘、手首や膝、足首には関節角を変位させない状態で訓練が行われるものとして、被訓練者10の肢体、たとえば手11から発生した動作力を、身体保持部21を通して、空間中の座標系3軸の力覚センサー22に伝えられる。力覚センサー22は当該動作力の座標系X軸方向の力成分Fx,座標系Y軸方向の力成分Fy,座標系Z軸の力成分Fzを検出する。これらのX軸方向の力成分Fx,Y軸方向の力成分Fy,Z軸方向の力成分Fzからなる検出信号は電気信号へと変換され、演算処理部30によって演算処理される。
【0014】
上記力覚センサー22で計測された3軸の検出信号は、コンピュータ31のアナログ/デジタル変換器32を通してプロセッサー33へ伝送される。プロセッサー33には後述するリハビリ評価プログラムが設定されており、このプログラムに従って3軸の検出信号はプロセッサー33によて計算処理される。計算処理されたデータ信号は、メモリ34に記憶されると共に、演算出力部40の画像処理器41のディスプレイへ画像情報として出力される。また、演算処理された結果に基づいて作られたデータ信号はスピーカやバイブレータからなる物理信号発生器42で音および振動などの物理信号として人間の耳や皮膚といった感覚器へとバイオフィードバック信号として伝えられる。
【0015】
この場合、被訓練者10の視覚などの感覚器には、操作指令としての画像信号や物理信号のほかに目標の運動を行っている画像情報や物理信号が与えられ、力を発生させる方向と大きさの目標値を導くものである。また、コンピュータ31によって計算処理されたデータは、観測部50の記録装置51に伝送され、この記録観測装置51に目標とする力と大きさが記録表示され、この記録表示されたデータは観測者52によって観測される。また、記録観測部50にはハードディスクとフロッピーディスク(登録商標)装置とCD−ROM装置が具備されている。
【0016】
一方、画像処理器41の画像情報や物理信号発生器42の物理信号に従って、被訓練者10は、上肢、下肢の関節角を変位させない状態でその末端部で再度空間中の3軸方向に対して力を発生する。四肢より発生される力は、肢体の末端部に取り付けた身体保持部21を通して、これに接続された力覚センサー22により自動計測できる。本発明では、コンピュータを用いて計算した値をもとに画像処理器やスピーカ等を用いて人間の感覚器に力を発生させる方向と大きさの目標値を与えることができると共に、人間が認識、判断した情報に基づき被訓練者10が身体を動かそうとした結果をセンサーにより計測し、これをメモリーに格納しながら目標値と比較した結果を再度画面に表示することができる。
【0017】
図2は本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置のシステムブロック図であって、図2に示すように、被訓練者10の肢体の力覚信号は身体保持部21を介して力覚センサー22に伝達される。力覚センサー22の検出信号S1はコンピュータ31のA/D変換器32に入力されると共に、該A/D変換器32によってデジタル信号に変換、該デジタル信号はプロセッサー33によって演算処理される。プロセッサー33による演算データはメモリ34に記憶されると共に、同じくプロセッサー33による演算出力信号S2は演算出力器41と物理信号出力器処理器42に入力される。
【0018】
上記の画像処理器41は、プロセッサー33の演算出力信号S2に基づいて画像情報S3を作成する一方、物理信号出力器42は同じくプロセッサー33の演算出力信号S2に基づいて音や振動などを生成する。画像処理器41の画像情報S3は第1のバイオフィードバックループBF1を通して被訓練者10の目によって認識され、中枢神経14を通して手11を動かそうとする。また、物理信号出力器42の音や振動などの他の情報S4は、第2のバイオフィードバックループBF2を介して耳や皮膚などの他の感覚器13を通して中枢神経14に伝達されて、手11を動かそうとし、かくして、フィードバック制御される。
【0019】
この場合、バイオフィードバック手段として、第1のバイオフィードバックループBF1は、肢体11、力覚センサー22、A/D変換器32、プロセッサー33、画像処理器41、目12および中枢神経14によって形成され、第2のバイオフィードバックループBF2は肢体11、力覚センサー22、A/D変換器32、プロセッサー33、物理信号出力器42、他の感覚器13および中枢神経14によって形成される。
【0020】
図3は本発明を上肢の訓練装置として実施した例を示すもので、車椅子15に搭乗した被訓練者10の膝の上に測定検出部20を乗せ、画像処理器41の画像情報を見ながら訓練を行うもので、測定検出部20と演算処理部30のコンピュータ31と画像処理器41との間は信号の送受信を行うことができる。測定検出部20には操作ボタンが配置してあり、訓練レベルの調整や繰り返し訓練を行うための信号入力を行うことができる。コンピュータ31には、前述の如くA/D変換器と、計算の処理を行うプロセッサーと、計算結果を記憶するメモリが設けられている。また、コンピュータ部31には文字入力ができるキーボードなどが接続されている。
【0021】
図4は人間の肩、肘、手首の関節角を変化させない状態で手先に力を発生させた場合、この力を直交三軸の力覚センサー22Aで覚軸方向成分が計測できることを示したものである。図4に示すように、直行三軸の力覚センサー22Aは、被訓練者10が手11の手先で力を発生させるグリップが配置されており、このグリップに加えられた力は、力成分検出部23X,23Y,23Zによって計測される。力成分検出部23XはX軸方向の力成分Fxを計測し、力成分検出部23YはY軸方向の力成分Fyを計測し、23ZはZ軸方向の力成分Fzを計測する。
【0022】
図5は測定検出部20の力覚センサー22Aの断面図を示したものである。図5において、24はグリップ、25は基部がグリップ24に固定されたスティック、26は基部がスティック25の先端部に取り付けられ、先端部がケース27に挿入されたXY力成分計測部としての作動杆、28はケース27に収納され、かつ、作動杆26の先端部が取り付けられたZ軸力成分計測部としての楕円体、29はケース27の開口端部に取り付けられ、かつ、作動杆26の先端部が取り付けられたステージプレートである。
【0023】
上記のX,Y力成分計測部26と、Z軸力成分計測部28としての楕円体は、膝の上に乗せるステージプレート29に固定されており、また、X、Y軸方向の力成分もZ軸力成分計測部としての楕円体28で計測される。手掌で加える力は、手を固定しているグリップ24を通し、X,Y軸力成分計測部としての作動杆26で計測され、Z軸方向の力成分はZ軸力成分計測部としての楕円体28で計測される。これらの力成分はアナログ電気信号に変換される。この電気信号は、増幅回路(図示せず)を通しコンピュータ31に送られ、アナログ/デジタル変換器32を通してプロセッサー33によって計算される。
【0024】
上記の信号情報は画像処理器41のディスプレイに表示される画像の位置情報に変換され、目標画像の位置との差が計算される。この結果はメモリ34に記録されると共に、関数に変換・処理され、操作能力の評価が行われて、例えば、ディスプレイ画面の画像や出力される音声として被訓練者10へと伝えられる。訓練完了時には、訓練時の計測データがハードディスクに記録され、訓練結果を数値情報、グラフなどの画像として表現することができる。
【0025】
図6はリハビリ評価プログラム60の一例を示すもので、当該リハビリ評価プログラムは、演算出力部40に生成され、上記被訓練者10への動作力指令として機能するターゲット61の矢印A1方向への円運動力成分62を、コンピュータ31にプログラム指令として設定される。コンピュータ31はこのプログラムに従って演算処理を実行し、演算出力部40の画像処理器41に当該リハビリ評価プログラム60による画像情報を描画すると共に、物理信号出力器42に音声または振動などの物理情報を出力させる。この場合、一例として、ターゲット61の許容範囲Lは40ドットである。
【0026】
図7はリハビリ評価プログラム60の他の例を示すもので、ターゲット61が矢印A2方向へのジグザグ運動力成分63としてコンピュータ31にプログラム指令として設定される。この場合もコンピュータ31は設定されたプログラムに従って演算処理を実行し、当該リハビリ評価プログラムによる画像情報を画像処理器41に描画すると共に、物理信号出力部42に音声または振動などの物理情報を出力させる。この場合もターゲット61の許容範囲Lは40ドットである。
【0027】
図8は円運動力成分62のリハビリ評価プログラムによる計測結果を示すもので、個人差によて大きく異なるが、一例として、円運動力成分62の第1象限は21ドット、第2象限は14ドット、第3象限は21ドット、第4象限は13ドットである。また、一例として、追従性は17ドット、範囲内時間は18.56秒、ズレ最大値は97ドット、敏速時間は0.20秒、タイムラグはごく小さいものである。グラフに示すように、データ曲線C1はZ軸方向の数値データであり、データ曲線C2はX,Y方向の数値データである。
【0028】
図9はジグザグ運動力成分63のリハビリ評価プログラム、いわゆる富士登山型ジグザグ運動力プログラムによる計測結果を示すもので、一例としてのジグザグ運動力成分の1合目は46ドット、2合目は25ドット、3合目は33ドット、4合目は26ドット、5合目は13ドット、6合目は14ドット、7合目は17ドット、8合目は14ドット、9合目は14ドット、10合目は17ドットである。また、一例として、平均追従性は26ドット、40ドット内時間は16.84秒、ズレ最大値は130ドット、ズレ最大時間は130ドット、敏速時間は0.20秒であり、タイムラグは個人差が大きいが例えば0.34秒である。グラフに示すように、データ曲線C3はZ軸方向の数値データであり、データ曲線C4はX,Y方向の数値データである。
【0029】
なお、図6から図9に示す例ではリハビリ評価プログラムとして、ターゲットが円運動力成分とジグザグ運動力成分の場合について述べたが、本発明ではこれらに限定されるものでなく、種々の運動力成分が想定される。
【0030】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に基づき製作された肢体リハビリテーション訓練装置によれば、肢体の関節角の変位を必要とせず、肢体運動の操作調整機能の回復が可能になり、その際に訓練結果が定量化され記憶、評価が自動的に行われることで訓練装置として有利であり、中枢神経系への障害のリハビリテーションを支援することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置の基本構成を示す概略構成図。
【図2】 本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置のブロック図。
【図3】 本発明の他の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置の構成図。
【図4】 本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置における測定計測部の概略構成図。
【図5】 本発明の実施例による肢体リハビリテーション訓練装置の機械的構成を示す縦断面図。
【図6】 本発明の実施例によるリハビリ評価プログラムの一例を示す説明図。
【図7】 本発明の実施例によるリハビリ評価プログラムの他の例を示す説明図。
【図8】 図6のリハビリ評価プログラムを用いた肢体リハビリテーション訓練装置の動作特性図。
【図9】 図7のリハビリ評価プログラムを用いた肢体リハビリテーション訓練装置の動作特性図。
【符号の説明】
10…被訓練者
11…肢体
12…目
13…他の感覚器
14…中枢神経
20…測定検出部
21…身体保持部
22,22A…力覚センサー
24…グリップ
25…スティック
26…作動杆
28…楕円体
30…演算処理部
31…コンピュータ
32…A/D変換器
33…プロセッサー
34…メモリ
40…演算出力部
41…画像処理器
42…物理信号出力器
50…記録観測部
51…記録観測器
60…リハビリ評価プログラム
61…ターゲット
62…円運動力成分
63…ジグザグ運動力成分
BF1…第1のバイオフィードバックループ
BF2…第2のバイオフィードバックループ
Claims (3)
- 肢体の関節角に変位を生じない状態での動作力情報により、被訓練者の操作能力の向上に必要な情報を人間へと帰還する肢体リハビリテーション訓練装置であって、
被訓練者の肢体を固定保持し、当該被訓練者が肢体の関節角に変位を生じさせない状態で運動しようとする動作力を検出する力覚センサーを含む測定検出部と、
上記測定検出部によって検出された動作力検出信号を基に、上記被訓練者の動作力を表すターゲットの移動方向を指示する運動力成分をプログラム指令として含むリハビリ評価プログラムを設定し、このリハビリ評価プログラムに従って演算処理を実行して、上記力覚センサーからの動作力検出信号の計測値と上記被訓練者が動作すべき動作力の目標値との差を算出するコンピュータを含む演算処理部と、
上記演算処理部によって演算された演算信号を基に上記被訓練者への動作力指令として機能するターゲットを生成し、上記コンピュータの算出信号を上記被訓練者が動作すべき動作力として表示する出力手段を含む演算出力部、および、
上記測定検出部と上記演算処理部および上記演算出力部からなるフィードバック系によって構成され、上記被訓練者の動作力を上記出力手段に示されたターゲットに追従させるバイオフィードバック手段、とによって構成され、
上記リハビリ評価プログラムは、上記被訓練者が運動すべき力の方向と大きさおよび画像を、上記コンピュータに演算指示する運動力プログラムであり、
上記測定検出部が、上記被訓練者の肢体を固定保持する身体保持部と座標系3軸方向の力成分を検出する力覚センサーを有し、
上記コンピュータが、当該力覚センサーのアナログ測定検出信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換器と、該アナログ/デジタル変換器のデジタル信号を基に演算処理するプロセッサーと、当該プロセッサーによって演算された演算結果を記憶するメモリとを有し、
上記演算出力部の出力手段が、上記コンピュータの演算信号を画像信号に変換する画像処理器を有し、
上記バイオフィードバック系が、上記力覚センサー、プロセッサー、画像処理器を含む第1のバイオフィードバックループによって構成されていることを特徴とする肢体リハビリテーション訓練装置。 - 上記演算出力部が、上記コンピュータの演算信号を音や振動等の物理的信号に変換する物理信号出力器を有し、
上記バイオフィードバック系が、上記力覚センサー、プロセッサー、物理信号出力器を含む第2のバイオフィードバックループによって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の肢体リハビリテーション訓練装置。 - 上記測定検出部が、上記被訓練者が把持して運動力を加えるべきグリップと該グリップに取り付けられたスティックと、該スティックに連結された上記被訓練者の運動力の座標系X,Y軸方向の力成分を検出する作動杆と、当該作動杆に連結されて軸運動力の座標系Z軸方向の力成分を検出する楕円体とからなることを特徴とする請求項1又は2に記載の肢体リハビリテーション訓練装置。
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