JP7293915B2 - 学習装置、歩行訓練装置、システム、方法、プログラム、及び学習済みモデル - Google Patents
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Description
以下、図面を参照して実施形態1について説明する。
(システム構成)
図1は、実施形態1にかかるリハビリ支援システムの一構成例を示す全体概念図である。本実施形態にかかるリハビリ支援システム(リハビリシステム)は、主に、歩行訓練装置100と、外部通信装置300と、サーバ(サーバ装置)500によって構成される。
上述したように、歩行訓練装置100は、外部通信装置300を介して、各種リハビリデータをサーバ500に送信する。サーバ500は、複数の歩行訓練装置100からリハビリデータを受信するように構成しておくことができ、これにより多くのリハビリデータを収集することができる。そして、サーバ500は、各種データを処理する処理装置である。例えば、サーバ500は、収集したリハビリデータを用いて機械学習を行って、学習済みモデルを構築する学習装置(学習器)として機能させることができる。なお、学習装置は学習モデル生成装置と称することもできる。
ここで、データ生成部510a、及び学習部510bについて、説明するに先立ち、サーバ500が学習のため又はリハビリ支援処理のために収集可能なリハビリデータについて説明する。サーバ500が収集可能なリハビリデータは、主として(1)歩行訓練装置100の設定パラメータ、(2)歩行訓練装置100に設けられたセンサ等で検出された検出データ、(3)訓練者900に関するデータ、(4)訓練スタッフ901に関するデータを含む。(1)~(4)のリハビリデータは、取得日時に対応付けて収集されていてもよい。さらに、検出データ、又は設定パラメータは時系列に沿ったログデータとして収集されていてもよい。あるいは、一定の時間毎のデータに対して抽出された特徴量などであってもよい。
上記(1)のデータは、上記(2)の検出データとともに、歩行訓練装置100でリハビリ実施中に取得された訓練者900の訓練データとして定義することができる。
設定パラメータとしては、例えば、部分体重免荷量[%]、手摺り130aの上下位置[cm]、手摺り130aの左右位置[cm]、ヒップジョイントの有無、足関節底屈制限[deg]、足関節背屈制限[deg]などが挙げられる。また、設定パラメータとしては、例えば、トレッドミル速度[km/h]、振出しアシスト[レベル]、振出し前後比[前/後]も挙げられる。また、設定パラメータとしては、例えば、膝伸展アシスト[レベル]、膝屈曲角度[deg]、膝屈伸時間[sec]、補高[mm]、抜重閾値[%]、荷重閾値[%]も挙げられる。なお、ここで例示する設定パラメータを含め、リハビリデータに含まれるデータの単位は問わない。
上記(2)の検出データは、上記(1)のデータとともに、歩行訓練装置100でリハビリ実施中に取得された訓練者900の訓練データとして定義することができる。
また、ここでの最大値又は最小値としては、連続歩行時間[秒]、連続歩行距離[m]、連続歩数[steps]等の最大値や最小値、歩行PCI[拍/m]の最小値(換言すれば1拍あたりに歩行できる距離の最長値)などが挙げられる。代表値としては、トレッドミル131の速度として最も使用した値(代表速度[km/h])などが挙げられる。
訓練者900に関するデータ(以下、訓練者データ)は、例えば、訓練者900の属性等を示すものである。訓練者データは、訓練者900の年齢、性別、体格(身長、体重等)をはじめ、症状情報、Br.stage、SIAS、初期歩行FIM、最新の歩行FIM等を含むことができる。また、訓練者データは、訓練者900の氏名又はIDを含むことができ、また、訓練者900の好みを示す嗜好情報や性格を示す性格情報などを含むこともできる。また、訓練者データは、FIMとして、歩行能力に係るもの以外の運動項目を含むことができ、また、認知項目を含むこともできる。つまり、訓練者データは、訓練者900の身体能力を示す様々なデータを含むことができる。なお、訓練者データの一部又は全部は、身体情報、基本情報、或いは訓練者特徴情報などと称することもできる。
訓練スタッフ901に関するデータ(以下、スタッフデータ)は、例えば、訓練スタッフ901の属性等を示すものである。スタッフデータは、訓練スタッフ901の氏名、ID、年齢、性別、体格(身長、体重等)、所属する病院名、PT又は医師としての経験年数などである。スタッフデータは、訓練者900を介助するタイミングを数値化した値を介助者に関するデータとして含むことができる。
サーバ500は学習モデルを生成する学習モデル構築装置として機能する。具体的には、サーバ500は、複数の歩行訓練装置100からリハビリデータを収集する。そして、サーバ500は、収集したリハビリデータをデータ蓄積部520に蓄積する。サーバ500は、リハビリデータに基づいて機械学習を行うことで、学習済みモデルを構築する。具体的には、サーバ500は、リハビリデータを入力データとして、有効な設定パラメータを出力とする学習済みモデルを生成する。
以下、学習済みモデルの利用について説明する。ここでは、歩行訓練装置100において、学習済みモデルを利用する例に付いて説明する。サーバ500は、学習済みモデルを歩行訓練装置100に送信する。もちろん、サーバ500が学習済みモデルを利用してもよい。つまり、学習済みモデルを利用するための処理の一部又は全部をサーバ500で行われてもよく、歩行訓練装置100で行われてもよい。
実施の形態1では、回復度を示す指標として、歩行FIMの実測値を用いていたが、本実施の形態では、歩行FIMの推定値を回復度を示す指標として用いている。例えば、実施の形態1で示した学習済みモデルの入力データとして、歩行FIMの推定値を用いている。以下、本実施の形態にかかる歩行訓練システムにおける処理について説明する。
まず、サーバ500での処理について説明する。サーバ500は、実施の形態1で示した学習済みモデルに加えて、歩行FIMの推定値を出力する学習モデルを生成する。以下、説明の明確化のため、推奨設定パラメータを出力するための学習モデルを第1の学習モデル、又は推奨設定パラメータ用学習モデルとする。一方、歩行FIMの推定値を出力するための学習モデルを第2の学習モデル又は歩行FIM用学習モデルとする。
上記の通り、制御部510は、第2の学習モデルの機械学習が終了すると、学習済みモデルとして、モデル記憶部521に格納する。従って、モデル記憶部521は、第1の学習済みモデルと第2の学習済みモデルを記憶する。なお、実施の形態1で生成した学習済みモデル、すなわち推奨設定パラメータを出力するためモデルが第1の学習済みモデルである。そして、本実施の形態2で生成した学習済みモデル、すなわち、回復度を示す指標を出力するモデルが第2の学習済みモデルである。なお、学習部510bは、第1の学習済みモデルと第2の学習済みモデルを統合して1つの学習済みモデルとしてもよい。
実施の形態3では、サーバ500が訓練者900を複数のグループに分けている。そして、サーバ500がグループ毎に、学習モデルを構築している。具体的には、サーバ500が訓練者データに基づいて、訓練者をクラスタリングしている。なお、実施の形態3にかかるシステムの基本的な構成、及び処理については、実施の形態1、2と同様であるため、適宜説明を省略する。なお、制御部510が、第1の学習モデル、及び第2の学習モデルの少なくとも一方をグループ毎に生成する。
推奨設定パラメータ出力部510cは、グループ毎に、回復度を示す指標の統計値を算出している。推奨設定パラメータ出力部510cは、回復度を示す指標の統計値に基づいて、推奨設定パラメータを出力するか否かを判定している。具体的には、訓練者900の回復速度が統計値に基づく閾値よりも遅い場合は、推奨設定パラメータ出力部510cは、訓練を改善すべきと判定する。推奨設定パラメータ出力部510cは、より効果的な訓練を実施させるために、推奨設定パラメータを出力する。一方、訓練者900の回復速度が、統計値に基づく閾値よりも速い場合は、推奨設定パラメータ出力部510cは、現在な訓練が適切であると判定する。推奨設定パラメータ出力部510cは、現状の設定パラメータでの訓練を続行させるように、推奨設定パラメータを出力しない。なお、以下の設営では、サーバ500が、推奨設定パラメータ出力部510cを有しているとして説明するが、全体制御部210が推奨設定パラメータ出力部510cを有していてもよい。つまり、歩行訓練装置100において、本実施の形態の処理に一部又は全てが実施されていてもよい。
本実施の形態の説明に先立ち、歩行訓練における異常歩行パターンについて説明する。本願発明者らは、片麻痺患者に見られる異常歩行には少なくとも7つに分類されるパターンが存在することを知見として得た。すなわち、それぞれのパターンに対して異常歩行基準を定めれば、訓練者の歩容がいずれかの異常歩行基準と合致する場合に、その歩行動作は異常歩行であると評価できることがわかった。そこで、本実施形態にかかる歩行訓練装置100においては、歩行評価部210aが、各麻痺体部の動作量と各異常歩行基準とを比較して、その歩行動作が異常歩行であるか否かを評価する。以下に、それぞれの異常歩行基準と、その評価手法について説明する。
110 装具
110a 連結フック
111 ハーネスワイヤ
112 ハーネス引張部
120 歩行補助装置
121 制御ユニット
130 フレーム
130a 手摺り
131 トレッドミル
132 ベルト
510 制御部
510a データ生成部
510b 学習部
510c 推奨設定パラメータ出力部
5110 学習モデル
5111 入力層
5112 出力層
5113 中間層
5114 中間層
210 全体制御部
210a 歩行評価部
210b 訓練判定部
211 トレッドミル駆動部
Claims (15)
- 訓練者の歩行動作を補助するアクチュエータと、設定パラメータに応じて前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えた歩行訓練装置からのリハビリデータを取得するデータ取得部と、
前記訓練者の回復度を示す指標と、前記設定パラメータと、訓練スタッフの年齢、性別、体格、経験年数を示すスタッフデータと、を含むリハビリデータを学習用データとして生成するデータ生成部と、
前記学習用データを用いて機械学習を行うことで、前記指標と前記スタッフデータとを入力として、前記設定パラメータの推奨値を出力する学習モデルを生成する学習部と、を備え、
前記訓練者の回復度を示す指標が、前記訓練者の平地歩行FIMの実測値を含み、
前記学習用データには、前記平地歩行FIMの実測値と前記設定パラメータの実設定値と複数人の前記スタッフデータが含まれており、
前記学習部が、前記設定パラメータの実設定値を教師データとして教師有り学習を行う、
学習装置。 - 前記歩行訓練装置には、前記アクチュエータによって補助された前記訓練者の歩行動作に関するデータを検出するセンサが設けられており、
前記センサの検出結果に応じて、前記平地歩行FIMの推定値が推定されており、
前記学習モデルが前記平地歩行FIMの推定値を入力データとして、前記設定パラメータの推奨値を出力する請求項1に記載の学習装置。 - 前記歩行訓練装置には、前記アクチュエータによって補助された前記訓練者の歩行動作に関するデータを検出するセンサが設けられており、
前記センサは、前記訓練者の歩行動作における複数の動作量を検出するために設けられ、
前記歩行訓練装置は、前記動作量の少なくとも一つが、予め定められた異常歩行基準のいずれかに合致した場合に前記歩行動作が異常歩行であると評価し、
前記リハビリデータが、前記異常歩行であるか否かの評価結果を示す検出データを含んでいる請求項1または2に記載の学習装置。 - 前記リハビリデータには、前記訓練者の身体能力を示す訓練者データが含まれており、
前記訓練者データに応じて、前記訓練者がグループに分類されており
前記学習部が、前記グループ毎に学習モデルを生成する請求項1~3のいずれか1項に記載の学習装置。 - 歩行訓練を行う訓練者の動作を補助するアクチュエータと、設定パラメータに応じて前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えた歩行訓練装置からのリハビリデータをコンピュータが取得するステップと、
前記訓練者の回復度を示す指標と、前記歩行訓練装置の設定に関する設定パラメータと、訓練スタッフの年齢、性別、体格、経験年数を示すスタッフデータと、を含むリハビリデータを学習用データとしてコンピュータが生成するステップと、
前記学習用データを用いて機械学習を行うことで、前記指標と前記スタッフデータとを入力として、前記設定パラメータを出力する学習モデルをコンピュータが生成するステップと、を備え、
前記訓練者の回復度を示す指標が、前記訓練者の平地歩行FIMの実測値を含み、
前記学習用データには、前記平地歩行FIMの実測値と前記設定パラメータの実設定値と複数人の前記スタッフデータが含まれており、
前記設定パラメータの実設定値を教師データとする教師有り学習により前記学習モデルが生成されている、
学習方法。 - コンピュータに対して、請求項5に記載の学習方法を実行させるためのプログラム。
- 歩行訓練装置で取得した評価用リハビリデータに基づいて、前記歩行訓練装置における設定パラメータの推奨値を出力するように、コンピュータを機能させるための学習済みモデルであって、
前記学習済みモデルが、請求項1~4のいずれか1項に記載の学習装置で生成された学習モデルである、学習済みモデル。 - 訓練者の歩行動作を補助するアクチュエータと、
設定パラメータに応じて前記アクチュエータを制御する制御部と、
前記訓練者の回復度を示す指標と、訓練スタッフの年齢、性別、体格、経験年数を示すスタッフデータと、を入力データとして、前記設定パラメータの推奨値を出力する学習済みモデルと、を備え、
前記訓練者の回復度を示す指標が、前記訓練者の平地歩行FIMの実測値を含み、
前記スタッフデータが、複数人のスタッフデータを含む、
歩行訓練装置。 - 前記訓練者の回復度を示す指標が、前記訓練者の平地歩行FIMの実測値又は推定値である請求項8に記載の歩行訓練装置。
- 前記アクチュエータによって補助された前記訓練者の歩行動作に関するデータを検出するセンサと、
前記センサの検出結果に応じて、前記訓練者の平地歩行FIMを推定する歩行FIM用学習済みモデルと、を備え、
前記学習済みモデルが前記平地歩行FIMの推定値を入力データとして、前記設定パラメータの推奨値を出力する請求項9に記載の歩行訓練装置。 - 前記指標に基づいて、前記訓練者の回復度が目標回復度よりも遅いか否かを判定し、
前記訓練者の回復度が目標回復度よりも遅い場合に、前記設定パラメータの推奨値を出力する請求項8~10のいずれか1項に記載の歩行訓練装置。 - 前記訓練者の歩行動作における複数の動作量を検出するためにセンサが設けられており、
前記歩行訓練装置は、前記動作量の少なくとも一つが、予め定められた異常歩行基準のいずれかに合致した場合に前記歩行動作が異常歩行であると評価し、
前記学習済みモデルは、前記異常歩行であるか否かの評価結果を示す検出データを入力データして、前記設定パラメータの推奨値を出力する請求項8~11のいずれか1項に記載の歩行訓練装置。 - 前記訓練者の身体能力を示す訓練者データに応じて、前記訓練者がグループに分類されており
前記グループ毎に異なる前記学習済みモデルが設定されている請求項8~12のいずれか1項に記載の歩行訓練装置。 - 請求項7に記載の学習済みモデルにアクセス可能な処理装置における処理方法であって、
評価用リハビリデータに基づいて、前記設定パラメータの推奨値をコンピュータが出力する処理方法。 - リハビリ支援装置と、
1つ以上の前記リハビリ支援装置からのリハビリデータを取得可能なサーバ装置と、を備えたリハビリ支援システムであって、
前記リハビリ支援装置は、
訓練者のリハビリ動作を補助するアクチュエータと、
設定パラメータに応じて前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
前記リハビリ支援システムは、
前記訓練者の回復度を示す指標と、訓練スタッフの年齢、性別、体格、経験年数を示すスタッフデータと、を入力として、前記設定パラメータの推奨値を出力する学習済みモデルを備え、
前記訓練者の回復度を示す指標が、前記訓練者の平地歩行FIMの実測値を含み、
前記スタッフデータが、複数人のスタッフデータを含む、
リハビリ支援システム。
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