JP6491121B2

JP6491121B2 - 身体歪み検知システム

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Publication number: JP6491121B2
Application number: JP2016029841A
Authority: JP
Inventors: 中村　正一; 正一中村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2036-02-19
Also published as: JP2017144148A

Description

本発明は、利用者の長時間に亘る姿勢のデータを採取することで、姿勢の歪みを検知する身体歪み検知システムに関する。

生活習慣や立居振舞の癖から生じる身体の歪みは、肩こり・腰痛・むくみ・頭痛など、様々な不調の原因となっている。よって、身体の歪みの部位や原因を検知し、正しい姿勢に矯正して歪みを改善することで、身体を快調に保つことができる。

そこで、身体の歪みを検知するため、利用者によって両手で保持される保持部の傾きと、利用者が両足で乗る台部に作用する荷重の重心位置とに基づいて、利用者の姿勢を評価して、評価結果を出力する姿勢評価装置が知られている（特許文献１を参照）。

また、身体の左右の上腕に取り付ける第１センサ及び第２センサによって３次元的な姿勢を測定して得られるデータから、左右の腕の姿勢を決定し、左右の腕の姿勢の差違に応じて、上半身の筋肉の強い部位を決定して歪みを検知する検知システムも知られている（特許文献２を参照）。

特開２００９−２１９６２２号公報特開２０１０−２０７３９９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された装置は、体の歪みを検知するのに、保持部や台部を備えた特別な測定器具を用いて所定の動作を行なったときの測定結果を用いており、被検査者の日常の動作から体の歪みを測定するものではない。

また、特許文献２に開示された装置は、左右の腕の姿勢の差違に応じて筋肉の強い部位を検知することで歪みを検知しているが、左右の腕の筋力には差があり、利き腕の方が強いのが一般的である。したがって、左右の筋力の差からは必ずしも歪みを正確に検知し得るものではない。

上記の課題を解決するために、本発明は、特別の測定器具を用いず、そして、被検査者の仕事での作業姿勢を含めた日常行動での自然の立居振舞の姿勢から身体の歪みを検出する身体歪み検知システムの提供を目的としている。

上記課題を解決するために、本発明による身体歪み検知システムは、被測定者の頭部の傾きを検出して姿勢の歪みを判定するために、前記被測定者の身体に装着される姿勢検知装置と、歪み判定装置とを含む身体歪み検知システムであって、前記姿勢検知装置は、被測定者の頭部に装着される双眼ルーペに取り付けられて、直交する３軸方向の加速度又は角速度を検出する加速度センサ又は角速度センサと、前記頭部を傾ける際の支点となる首の位置を原点として、該原点を通る前記被測定者が前記頭部と背中の中心線を垂直にしてＹ軸とする姿勢で水平なＸ軸の方向を目視する姿勢を執ったときの直交３次元座標軸ＸＹＺの空間での前記Ｙ軸上にある前記頭部の位置を基準位置に設定し、その後に前記加速度センサ又は角速度センサから周期的に取得する前記加速度又は角速度から求められる前記頭部の各位置の座標を、その直前に求められた前記頭部の位置と前記原点とを通るＹ´軸を含む別の３次元座標軸Ｘ´Ｙ´Ｚ´において、そのとき取得した加速度又は角速度から算出した前記加速度センサ又は角速度センサの前記３軸方向の移動距離だけ、前記直前に求められた前記頭部の位置から前記頭部が移動したものとして算出し、前記別の３次元座標軸Ｘ´Ｙ´Ｚ´における前記頭部の座標を、前記３次元座標軸ＸＹＺにおける座標に換算して前記頭部の傾き角度を決定する演算処理部と、前記演算処理部により求められた前記頭部の座標と前記頭部の傾き角度とを記憶するメモリと、を備え、前記歪み判定装置は、前記メモリから読み出した前記頭部の座標及び／又は前記頭部の傾き角度に基づいて前記身体の歪みを判定することを特徴としている。

そして、前記歪み判定装置は、前記姿勢検知装置とのＵＳＢ接続により前記メモリから前記座標を読み出すことを特徴としている。よって、演算処理部は、姿勢検知装置が歪み判定装置とＵＳＢ接続されたとき、バスパワー機能によって歪み判定装置から電力供給を受けると共に、マスストレージ機能によって歪み判定装置からのメモリに格納しているデータの参照を受け付ける。

前記メモリは、前記姿勢検知装置から取り外して前記歪み判定装置に接続可能なカード型のフラッシュメモリで構成してもよい。

そして、前記演算処理部と前記メモリとは、前記加速度センサと共にパッケージされて、前記部位に装着されてもよい。

前記加速度センサは、被測定者の頭部や被測定者が着用する双眼ルーペに装着することで着用される。

本発明によれば、被測定者が加速度センサを着用することで身体の動きを検出するために、被測定者は特別な姿勢や動作を執らずとも日常の姿勢を測定するために、歪みを正確に判定することができる。

本発明の実施形態に係る身体歪み検知システムの概略構成をブロック図で示す。歯科医師が患者への処置を施す際での身体の歪みを引き起こすことがない理想的な姿勢を説明する図を示す。本発明の実施形態に係る身体歪み検知システムの姿勢検知装置の処理手順を説明するフローチャートを示す。被測定者の動きに伴う測定部位の３次元での座標を例示する説明図を示す。図３の座標をＸ−Ｙの２次元での説明図を示す。メモリの記憶フォーマットの概念的な説明図を示す。本発明の実施形態に係る身体歪み検知システムの歪み判定装置による歪み判定結果を表示する画面の模式的な説明図を示す。本発明の実施形態に係る身体歪み検知システムの歪み判定装置による歪み判定結果を時系列で表示する画面の模式的な説明図を示す。加速度センサを双眼ルーペに装着した構成の説明図を示す。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る身体歪み検知システム１の概略構成をブロック図で示している。図１で示すように、身体歪み検知システム１は、利用者の身体に装着されて、長時間に亘り利用者の姿勢の変化を測定する姿勢検知装置２と、情報処理装置３とで構成される。情報処理装置３は、歪み判定のプログラムを実行することにより歪み判定装置として機能し、姿勢検知装置２からの測定データの演算処理を行うことで利用者の身体の歪みを判定する。

姿勢検知装置２は、３軸加速度センサ４と、演算処理部５と、メモリ６と、電源部７と、スイッチ１１とを備える。

３軸加速度センサ４は、姿勢検知装置２が被測定者の身体の動きを検知する部位に装着されたとき、当該部位の位置情報を互いに直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度でそれぞれ検出して出力する位置検知センサである。このように、本例では、位置検知センサには３軸加速度センサ４を用いているが、角速度センサを用いてもよい。

演算処理部５は、マイクロコンピュータ８と、リアルタイムクロック回路（ＲＴＣ）９と、ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）ポート１０とを備える制御ボードで構成される。そして、マイクロコンピュータ８は、加速度センサ４からＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各加速度を取得すると、この加速度を時間積分することにより、３軸の移動距離をそれぞれ算出して、そのときの空間位置を特定する。

マイクロコンピュータ８は、加速度センサ４のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸での初期位置を原点にして、この原点からの３軸の移動距離ｘ，ｙ，ｚを算出することで、そのときの空間での座標を求める。そして、マイクロコンピュータ８は、求めた空間の座標とそのときＲＴＣ９が出力している時間情報とを関連付けてメモリ６に記憶する。この場合、演算処理部５は、例えば、１秒毎に空間での座標と時間情報とをメモリ６に出力する。

メモリ６は、データの消去や書き込みが自由に行えて、電源を切っても内容が消えないタイプのメモリであり、フラッシュメモリが好適である。姿勢検知装置２は、最大で２４時間に亘り利用者に装着されて、その間の姿勢の変化を検知するように構成した場合、メモリ６は、演算処理部５から送られてくる８６，４００（秒）通りの座標と時間情報とを記憶するのに十分な記憶容量を備える。

ＵＳＢポート１０は、姿勢検知システム１を情報処理装置３にＵＳＢ接続する。演算処理部５は、姿勢検知装置２が情報処理装置３とＵＳＢ接続されたとき、バスパワー機能によって情報処理装置３から電力供給を受けると共に、マスストレージ機能によって情報処理装置３からのメモリ６に格納しているデータの参照を受け付ける。尚、メモリ６には、姿勢検知装置２から取り外して情報処理装置３に接続可能なカード型のフラッシュメモリを用いてもよい。

電源部７は、電源制御部１２と、バッテリ１３と、電圧監視部１４とを備える。電源制御部１２は、バッテリ１３の電源を演算処理部５に供給する一方、身体歪み検知システム１が情報処理装置３にＵＳＢ接続されたときには、バスパワーでバッテリ１３を充電するように制御する。電圧監視部１４は、バッテリ１３の電圧を監視して、所定レベルまで低下するとインジケータを点灯して警告表示する。

スイッチ１１は、後に明らかとなるが、基準位置の設定を行う際に操作される。

正しい姿勢は身体の筋力で保たれるが、日常の行動の中でも、特に作業を行っているときには楽な姿勢を執りがちである。しかし、楽な姿勢は筋力が重力に負けている姿勢であり、正しい姿勢が保たれない状態が長時間に及ぶと身体の歪みを生じる原因となっている。

作業時の正しい姿勢の例として、歯科医師が患者に処置を施すときの体勢を説明する。図２に示すように、垂直にした身体の中心軸に対しての首を支点とする頭部の傾きは、前方に０度乃至２０度の範囲、肩を支点にした両腕の肘の移動角度は前方に０度から２５度の範囲が適切である。この場合、頭部が最大でも２５度以上となる場合は、身体の中心軸が曲がって猫背となるため、身体の歪みの原因となる。

また、このときの前腕の水平方向からの持ち上げ角度は０度から１０度の範囲、体の中心軸に対する上腿部の軸線の角度は１０５度から１２５度の範囲が好ましいとされている。そして、処置に集中するあまり、身体の左右のバランスを崩した姿勢、例えば、首を左右の一方に傾けた状態を長時間継続すると、頸椎に負担が掛る原因となる。

本発明に係る歪み検知システム１は、こうした医師による処置作業においては、処置中の医師の頭部の前傾角度や左右への傾きを測定するのに使用することができる。この例では、図９に示すように、医師が着用して使用する双眼ルーペ１５のフレーム１６に加速度センサ４が取り付けられる。双眼ルーペ１５は、手元（施術箇所）の局所的な視覚対象物を双眼ルーペ本体１７で拡大して視認する手段として、広く使用されているものである。

そして、演算処理部５とメモリ６と電源部７とスイッチ１１とは、コントロールユニットとしてケースに収められ、作業者の身体に装着されて保持される。スイッチ１１の操作部は、ケースの表面に設けられている。このように、本例では、加速度センサ４を姿勢検知装置２から分離して双眼ルーペ１５に装着しているが、分離せずとも十分小型化された姿勢検知装置２が実現可能である。このような姿勢検知装置２では、ヘッドバンドや医療用帽子に装着して医師に着用されるようにしてもよい。また、もちろんこの場合でも、姿勢検知装置２は、加速度センサ４だけがヘッドバンドや医療用帽子に装着される構成であってもよい。

医師が処置を施すときの頭部の傾斜を測定する方法を説明する。図３は、頭部の傾斜を測定する流れを示している。

先ず、被測定者（医師）は、双眼ルーペ１５を顔に掛けた状態で、頭部と背中の中心線を同一の鉛直線上となるように姿勢を正して、水平方向を目視する姿勢を執る。この状態でスイッチ１１が操作されると、マイクロコンピュータ８は、基準位置の設定を行う（ステップＳ１）。

図４は、頭部の位置を３次元座標で示しており、空間の原点Ｏは頭部を前後左右に傾ける際の支点となる首の位置、点Ｐは姿勢をＹ軸方向である垂直方向に正して、視線をＸ軸方向である水平方向に向けているときの被測定者の頭部の中心位置である。点Ｐの座標（ｘ、ｙ、ｚ）は、この後、被測定者が首を支点にして、頭部を移動させたときの変位を検知する際の基準位置となる。

マイクロコンピュータ８は、基準位置の設定後、加速度センサ４から３軸でのそれぞれの加速度を取得し（ステップＳ２）、取得した加速度を時間で積分して３軸方向への加速度センサ４の移動距離を算出する（ステップＳ３）。

次に、マイクロコンピュータ８は、算出した移動距離に基づき座標を求める（ステップＳ４）。そして、座標が求まると、加速度センサ４の前方への傾斜角度を算出して、この傾斜角度と座標とをそのときＲＴＣ９が出力している時間情報とをメモリ６に記憶する（ステップＳ５）。

そして、マイクロコンピュータ８は、被測定者の処置が終了したか否かを判定する（ステップＳ６）。被測定者の処置が終了したときはスイッチ１１を再度操作することになっている。よって、マイクロコンピュータ８は、スイッチ１１が再操作されていない間は（ステップＳ６の「ＮＯ」）、ステップＳ２からステップＳ５までの処理を行う。このとき、マイクロコンピュータ８は、１秒毎にステップＳ２で加速度センサ４から加速度を取得してステップＳ５までの処理を繰り返す。

したがって、基準位置の設定後、被測定者が処置を始めるために視線方向を水平方向から下方に位置する患部へと移したとき、マイクロコンピュータ８は、このとき加速度センサ４から取得した加速度を時間で積分して、点Ｐからの３軸方向の移動距離をそれぞれ算出することで、頭部が位置している点Ｑの座標（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を演算する。よって、ｘ１とｙ１の数値から頭部の傾斜角度θ１が算出される。

さらに、被測定者が点Ｑの位置から点Ｒの位置まで頭部を移動させると、このとき、加速度センサ４から取得した加速度を時間積分することで算出する３軸での移動距離は点Ｑからの変位量となるために、マイクロコンピュータ８は、基準位置Ｐからの移動距離に換算して点Ｒの座標（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を決定する。

この換算について説明する。この場合、被測定者による頭部の点Ｐから点Ｒへの動きは前方（Ｘ軸方向）のみで左右（Ｚ軸方向）への動きは無いものとして、図５の二次元座標で説明する。このとき、点Ｏと点Ｑとを結ぶ線をＹ´軸、点Ｑを通りＹ´軸と直交する線をＸ´軸とすると、点Ｑから点Ｒへは、Ｘ´軸方向に距離ｐ、Ｙ´軸方向に距離ｑを移動したものとする。よって、角度ａはａｒｃｔａｎ（ｘ１／ｙ１）、角度ｂはａｒｃｔａｎ（ｑ／ｐ）となり、これにより角度ａと角度ｂとで直角を形成する角度αが求まる。そして、角度αと、ｐ及びｑの数値で求まる点Ｐ−点Ｒ間の距離ｒとから、点Ｒの座標（ｘ１＋ｒ×ｓｉｎα、ｙ１−ｒ×ｃｏｓα）を算出して、頭部の位置が点Ｒにあるときの前方への傾斜角度θ２を検出する。

また、頭部が左右の方向に傾けた場合についても、加速度センサ４のＺ軸方向の移動距離から座標を求めることができる。そして、求めた座標のＹ軸及びＺ軸の値から頭部の左右方向への傾斜角度を検出する。

このようにして、基準位置Ｐを設定した後、演算処理部５は、１秒毎に加速度センサ４から取得した加速度を時間で積分して３軸方向での移動距離を算出し、少なくとも何れか一つの軸で移動距離があると、それを基にして移動した位置の座標を算出する。このとき、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の何れにも移動が無いときに、演算処理部５は、直近に検出している座標を継続して出力する。

マイクロコンピュータ８は、１秒毎に検出した座標及びこの座標から演算した頭部の前方への傾斜角度と、そのときのＲＴＣ６での時間情報とを対応させてメモリ６に記憶させる。図６は、メモリ６の記憶フォーマットを概念的に示すもので、被測定者が処置を行う時間を通じて、１秒毎の頭部の座標と、前傾角度と、右又は左の傾き角度とが時系列に記憶されている。

そして、歪み検知システム１はＵＳＢポート１０が情報処理装置３とＵＳＢ接続されると、演算処理部５は、情報処理装置３から指示に応答して、メモリ６に記憶している測定データと時間情報とを読み出して送信する。

情報処理装置３は、メモリ６から読み取った測定データから被測定者の処置中における姿勢の歪みを判定して、その結果を種々のグラフでモニター画面に表示する。

例えば、図７に示すように、モニター画面に３次元の座標軸を表示して、処置時間中を通じて頭部の各座標をプロットして表示する。この場合、適正範囲の０度から２０度までに納まる座標は、正常と判定して緑色のドットで表示し、２０度以上２５度未満の範囲の座標は要注意と判定して黄色の「△」印で表示し、２５度以上の座標は歪みであると判定して赤色の「×」印で表示する。

そして、正常、要注意及び歪みの各範囲に属する座標の割合を図示の円グラフ又は棒グラフで表示して、その比率に応じて、被測定者が処置中を通じて前方に頭部を傾ける際の歪み度を判定する。歪み度の判定は、被測定者が患部を正確に観察するために、顔を患部に近づけて猫背の姿勢を執るケースもあり、例えば、正常範囲に納まる座標が８割以上であれば正常な姿勢であると判定する。そして、処置時間を通じて、頭部を左右に傾ける姿勢を執っている時間の割合を図示の円グラフ又は棒グラフで表示する。

図８は、処置中を通じて首の前傾角度の変化を時系列で表示する例を示している。この場合、前記基準位置の設定後に被測定者が最初に首を前傾させたのがｔ１時点となっており、時間の経過と共に前傾角度が大きくなって姿勢が歪んでいることを表わしている。

以上、作業中の頭部の傾き姿勢によって身体の歪みを検知する場合を説明したが、頭部に限らず他の身体の部位も検知することができる。例えば、図２で示す医師の処置時の姿勢では、加速度センサ４を取り付けた装着ベルトを大腿部や上腕又は腕に巻き付けて、加速度情報から加速度センサ４を装着した身体の部位の座標を検知することができる。

そして、情報処理装置３には、加速度センサ４が装着された身体の部位に応じた適正な角度、すなわち大腿部であれば、垂直にした身体の中心軸に対して１０５度乃至１２５度の範囲の角度を正常とするよう設定されている。よって、情報処理装置３は、モニター画面に３次元の座標軸を表示して、処置時間中を通じて大腿部の１秒毎の座標をプロットして表示して、適正範囲の１０５度から１２５度までに納まる座標は、緑色のドットで表示し、この範囲を外れている座標は赤色の「×」印で表示する。

また、姿勢検知装置２は、加速度センサ４と共に被測定者の心拍数や呼吸数又は表皮温度を検知する生体センサを備えるとよい。この場合、姿勢検知装置２は、ＲＴＣ９の時間情報と共に生体センサが検知する生体情報をメモリ６に記憶しておくことで、情報処理装置３は、メモリ６から読み出した生体情報と歪みとを関連付けての判定を行うことができる。

本発明は、日常の行動から身体の歪みを判定する身体歪み検知システムに関し、産業上の利用可能性を有する。

１身体歪み検知システム
２姿勢検知装置
３コンピュータ（歪み判定装置）
４加速度センサ（位置検知センサ）
５演算処理部
６メモリ

Claims

被測定者の頭部の傾きを検出して姿勢の歪みを判定するために、前記被測定者の身体に装着される姿勢検知装置と、歪み判定装置とを含む身体歪み検知システムであって、
前記姿勢検知装置は、
被測定者の頭部に装着される双眼ルーペに取り付けられて、直交する３軸方向の加速度又は角速度を検出する加速度センサ又は角速度センサと、
前記頭部を傾ける際の支点となる首の位置を原点として、該原点を通る前記被測定者が前記頭部と背中の中心線を垂直にしてＹ軸とする姿勢で水平なＸ軸の方向を目視する姿勢を執ったときの直交３次元座標軸ＸＹＺの空間での前記Ｙ軸上にある前記頭部の位置を基準位置に設定し、その後に前記加速度センサ又は角速度センサから周期的に取得する前記加速度又は角速度から求められる前記頭部の各位置の座標を、その直前に求められた前記頭部の位置と前記原点とを通るＹ´軸を含む別の３次元座標軸Ｘ´Ｙ´Ｚ´において、そのとき取得した加速度又は角速度から算出した前記加速度センサ又は角速度センサの前記３軸方向の移動距離だけ、前記直前に求められた前記頭部の位置から前記頭部が移動したものとして算出し、前記別の３次元座標軸Ｘ´Ｙ´Ｚ´における前記頭部の座標を、前記３次元座標軸ＸＹＺにおける座標に換算して前記頭部の傾き角度を決定する演算処理部と、
前記演算処理部により求められた前記頭部の座標と前記頭部の傾き角度とを記憶するメモリと、を備え、
前記歪み判定装置は、前記メモリから読み出した前記頭部の座標及び／又は前記頭部の傾き角度に基づいて前記身体の歪みを判定することを特徴とする身体歪み検知システム。
前記メモリは、前記頭部の座標と前記頭部の傾き角度とを、該頭部の座標を求めたときの時間情報と関連付けして記憶することを特徴とする請求項１に記載の身体歪み検知システム。
前記演算処理部と前記メモリとは、１つのユニットにパッケージされて、前記被測定者の身体に装着されることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の身体歪み検知システム。
前記姿勢検知装置は、少なくとも心拍数や呼吸数又は表皮温度の何れかを検知する生体センサを備えて、前記生体センサからの検知出力に基づき生体情報を取得す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身体歪み検知システム。