JP6260811B2 - リハビリ支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、脚の不自由な患者がリハビリ用として使用することのできるリハビリ支援装置に関するものである。

従来、歩行障害を有する患者がリハビリ用として使用することのできる装置として、立位状態の患者の重心を検出できるようにした装置が提案されている（特許文献１、２など参照）。このような装置は、例えば、足を置くことができるプレートと、そのプレートに置かれた足に掛かる荷重を検出する荷重検出センサーとを備えてなるものであって、これらの荷重検出センサーから体幹の重心位置などを検出できるようにしたものである。このような装置を用いれば、リハビリを行う患者の重心位置を検出して、健常者と同じように立位状態を保てるか否かを判断することができるようになる。

特開２００５−２５３８１９号公報 特開２０１３−３１５３８号公報

しかしながら、このような装置を用いて、例えば、脚に震えを有している患者や、脚をなかなか一歩前へ踏み出せないような患者をリハビリさせることを考えた場合、次に示すような問題がある。

すなわち、脚に震えを有している患者は、通常、何らかの原因で重心が前方に移動してしまった場合に、反射的に重心を大きく後方に移動させようと筋肉を動かすが、この筋肉の働きが原因となって、今度は反射的に前方へと重心を移動させるように筋肉が反応してしまい、結果として、脚に震えを生じてしまう。しかしながら、このように脚に震えを有している患者をリハビリさせることを考えた場合、上述のような装置で重心移動を検出したとしても、脚の震えによる重心の移動を検出するだけであって、根本的なリハビリにはつながらない。

また、脚をなかなか一歩前に踏み出せないような患者は、重心が前に移動した場合に、反射的にその重心を元の位置に戻そうと筋肉が反応してしまうが、このように重心を元の位置に戻すように筋肉が反応すると脚を一歩前に出させることができない。このような患者をリハビリさせる場合、上述のような装置を用いたとしても、重心移動を検出するだけであって、脚を一歩前へ踏み出させるための補助にはならない。

また、上記特許文献１に示すように、フォースプレートを突発的に移動させて姿勢バランスを検出できるようにした装置も提案されているが、このようにフォースプレートを突発的に移動させると、脚に震えを有する患者の震えを余計に助長してしまい、また、一歩前へ脚を踏み出せない患者に対しては、余計にその重心移動を元に戻させようとしてしまう。このため、このように突発的にフォースプレートを移動させる装置は、到底リハビリに使用することができない。

そこで、本発明は脚の不自由な患者が、リハビリとして使用できるようにしたリハビリ支援装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、上記課題を解決するために、被験者が立つことのできるフォースプレートと、当該フォースプレートに掛かる荷重を検出する荷重検出センサーと、当該荷重検出センサーに掛かる荷重から被験者の重心位置を検出する重心位置検出手段とを備え、被験者の重心の移動方向、もしくは、逆方向にフォースプレートを水平移動させる駆動手段を備えるようにしたものである。

このようにすれば、被験者の重心移動による脚の筋肉の反応をフォースプレートの移動で緩和させたり、あるいは、補助させたりすることができるようになる。

このような発明の一実施の態様として、被験者の重心の移動方向にフォースプレートを移動させるようにする。

このようにすれば、脚に震えを有する患者が前方へ重心を移動させた際、フォースプレートが前方へ移動するので、荷重重心を体幹中心の位置に戻すことができ、後方へ重心を移動させようとする患者の反射的な筋肉の反応を抑制することができる。

また、別の実施の態様として、被験者の重心の移動方向と逆方向にフォースプレートを移動させる。

このようにすれば、脚をなかなか一歩前へ踏み出せないような患者が使用する場合、前方への重心移動に伴ってフォースプレートが後方に移動するので、強制的に重心をもっと前に移動させることができ、これに伴って脚を一歩前に出させるための反射的な動きを補助することができる。

本発明によれば、被験者が立つことのできるフォースプレートと、当該フォースプレートに掛かる荷重を検出する荷重検出センサーと、当該荷重検出センサーに掛かる荷重から被験者の重心位置を検出する重心位置検出手段とを備え、被験者の重心の移動方向、もしくは、逆方向にフォースプレートを水平移動させる駆動手段を備えるようにしたので、被験者の重心移動による脚の筋肉の反応をフォースプレートの移動で緩和させたり、あるいは、補助させたりすることができるようになる。

本発明の一実施の形態を示すリハビリ支援装置の外観斜視図 同形態におけるフォースプレートと荷重検出センサーの位置を示す図 同形態におけるリハビリ支援装置の断面概略図 同形態における機能ブロック図 同形態におけるフローチャート 同形態におけるフローチャート

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

この実施の形態におけるリハビリ支援装置１は、脚に震えを有する患者や、脚をなかなか一歩前に踏み出せない患者などがリハビリ用として使用できるようにしたものであって、図１から図４に示すように、患者である被験者が立つことのできるフォースプレート２と、そのフォースプレート２に立った被験者の荷重を計測することのできる荷重検出センサー３（図２参照）と、その荷重検出センサー３からの出力値に基づいて被験者の重心を計測する重心位置検出手段５とを備えている。そして、特徴的に、そのフォースプレート２を水平方向に移動させる駆動手段６を備え、被験者の重心が移動した際に、その移動方向やもしくは逆方向に一定の距離・速度でフォースプレート２を移動させるようにしたものである。以下、本実施の形態におけるリハビリ支援装置１の構成について詳細に説明する。

まず、このフォースプレート２は、図３に示すように、被験者が立つことのできるようにした一枚の矩形状の金属製板材で構成されるものであって、ボックス状の筐体２０の上側にスライド可能に支持される。このフォースプレート２の下方には、荷重検出センサー３やベースプレート４、駆動機構６ａなどが設けられる。

フォースプレート２に立った被験者の荷重を検出する荷重検出センサー３は、図２に示すように、鉛直方向軸（ｚ軸）にかかる被験者の荷重を検出するものであって、例えば、ひずみゲージを備えたロードセルなどによって構成される。この荷重検出センサー３は、下方に設けられたベースプレート４の上面に取り付けられており、さらに、その上端部分をフォースプレート２の四隅近傍に固着させ、こられ４つの荷重検出センサー３によって被験者の荷重を検出する。なお、ここでは荷重検出センサー３として、四隅に設けられたロードセルを例に挙げて説明しているが、荷重を測定できるようなセンサーであればどのようなものであってもよく、例えば、ピエゾフィルムを利用したセンサーや、圧縮素子を利用したセンサー、変位センサーなどを用いてもよい。

一方、この荷重検出センサー３を支持するベースプレート４の下方には、フォースプレート２を移動させるための駆動手段６の一部を構成する駆動機構６ａが設けられる。この駆動機構６ａは、前後方向にフォースプレート２を移動させるようにしたものであって、ウォームギアを備えた機構や、ラック・ピニオンを備えた機構、その他、回転運動を直線運動に変換させるための機構などが使用される。このとき、好ましくは、被験者による大きな体重がかかった場合であっても、フォースプレート２を正確かつ迅速にスライドさせることができるような機構を用いる。ここでは、図１や図３に示すように、前後方向にウォームギア６１を設けた機構を用い、ベースプレート４の下面にウォームギア６１に螺着するナット部材６２を溶着させておき、そのウォームギア６１の端部に設けられたモーター６３を回転させてベースプレート４をスライドさせるようにしている。このとき、ウォームギア６１は、フォースプレート２の中心位置近傍に設けるようにしておき、これによって、フォースプレート２のスライド時に駆動部分と重心位置との間にモーメントを発生させないようにしている。そして、このような駆動機構６ａをコンピューターに格納された制御部である駆動手段６によって駆動制御させるようになっている。

重心位置検出手段５は、このフォースプレート２にかかった被験者の荷重から、その被験者の重心位置を検出する。この重心位置を検出する場合、右前方の荷重検出センサー３の出力値をＰＦＲ、左前方の荷重検出センサー３の出力値をＰＦＬ、右後方の荷重検出センサー３の出力値をＰＢＲ、左後方の荷重検出センサー３の出力値をＰＲＬとした場合、モーメントの釣り合い式から重心位置（Ｇｘ，Ｇｙ）は次式によって算出される。

＜式１＞
Ｇｘ＝（ＰＦＲ＋ＰＢＲ）×Ｌｘ／（ＰＦＲ＋ＰＦＬ＋ＰＢＲ＋ＰＢＬ）
Ｇｙ＝（ＰＦＲ＋ＰＦＬ）×Ｌｙ／（ＰＦＲ＋ＰＦＬ＋ＰＢＲ＋ＰＢＬ）

なお、ここで（Ｇｘ、Ｇｙ）はフォースプレート２の左後方の荷重検出センサー３の位置を原点とするｘ、ｙ軸方向の座標を示すものである。また、Ｌｘはフォースプレート２のｘ軸方向の長さ、Ｌｙはフォースプレート２のｙ軸方向の長さを示すものである。

これらの重心位置の検出は、小刻みに振動する被験者の重心移動を検出できるようにすべく、１０msec〜３０msecの範囲内で検出できるようにサンプリング時間を設定しておく。

このような構成のもと、脚に震えを有する患者がリハビリとして使用する場合の動作例について図５のフローチャートを用いて説明する。

まず、使用に先立ち、フォースプレート２に載っていない状態で、各荷重検出センサー３の出力値をゼロに設定し、その状態で、被験者にフォースプレート２に載ってもらい、４つの荷重検出センサー３の合計から被験者の全荷重を測定する。この測定された全荷重が、上記式１の分母の値となる。また、初期設定として、フォースプレート２をスライドさせるための距離や速度などを設定しておく。この「距離」としては、重心移動距離ｄに対するフォースプレート２の移動距離として、ｄ×ａ（ａ＝割合係数）として設定され、また、「速度」としては、重心移動速度ｖに対するフォースプレート２の移動速度として、ｖ×ｂ（ｂ＝割合係数）を設定する。これらの割合係数（ａ，ｂ）としては、好ましくは「１」以下となるように設定しておく。

このように初期設定が終わった後、被験者のリハビリを開始する。リハビリを開始するための信号が入力されると、荷重検出センサー３が被験者の荷重を検出し（ステップＳ１）、その出力値から荷重重心を算出し（ステップＳ２）、変位距離や速度を算出する。この変位距離の算出は、サンプリング時間毎に重心位置を求め、先のサンプリング時間と今回のサンプリング時間の重心位置の差から前後方向の距離を算出し、また、速度の算出は、当該算出された変位距離をサンプリング時間で除した値として算出する。そして、この算出された（距離、速度）＝（Δｄ，Δｖ）に対して、先に初期設定された割合係数（ａ，ｂ）を積算し、「Δｄ×ａ」の距離を「Δｖ×ｂ」の速度でフォースプレート２を移動させるようにモーター６３を回転させる。

このとき、例えば、被験者の重心が前方に移動すると（ステップＳ４：前方）、被験者はその重心の移動に伴って反射的に重心を元の位置に戻そうとする筋肉を働かせようとするが、このときフォースプレート２が前方に移動するために（ステップＳ５）、その反射的な筋肉の動きを抑制することができる。また、今度は逆に、被験者の重心が後方に移動した場合（ステップＳ４：後方）、その重心の移動に伴ってフォースプレート２が後方に移動するため（ステップＳ６）、被験者が反射的に重心を前方へ戻そうとする筋肉の動きを抑制することができる。これにより、過敏な反射に基づく脚の震えを防止することができる。このとき、フォースプレート２を移動させる距離や速度を割合係数（ａ，ｂ）で設定するようにしているので、筋肉の反射の程度に応じてフォースプレート２の動きを設定することができ、被験者の症状の度合いに応じてリハビリを行わせることができるようになる。

次に、脚をなかなか前へ踏み出すことができない被験者をリハビリさせる場合について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、このリハビリにおいても、同様に、被験者にフォースプレート２に立ってもらい、全荷重を計測するとともに、フォースプレート２の移動距離や速度の割合係数（ａ，ｂ）などを設定しておくものとする。

このような被験者をリハビリさせる際、被験者がフォースプレート２に立つことによって、各荷重検出センサー３が被験者の荷重を検出し（ステップＴ１）、４つの荷重検出センサー３の出力値から重心位置を算出するとともに（ステップＴ２）、サンプリング時間から重心位置の変位や速度などを算出する（ステップＴ３）。そして、被験者の重心が前方に移動した場合（ステップＴ４：前方）、その重心の移動に伴ってフォースプレート２を駆動手段６によって後方へと移動させる（ステップＴ７）。すると、このフォースプレート２が強制的に後方に移動するため、被験者は、本来反射的に重心位置を元の体幹中心位置に戻そうとする筋肉の働きから、転倒を防止するための反射的な筋肉を動かすようになり、脚を一歩前に踏み出させるようにすることができる。また、逆に、被験者の重心が後方に移動した場合（ステップＴ４：後方）、その重心の移動に伴ってフォースプレート２を前方に移動させる（ステップＴ６）。すると、被験者は、強制的にフォースプレート２が前方に移動することになるので、本来反射的に重心位置を元の体幹中心位置に戻そうとする筋肉の働きから、転倒を防止するために反射的に筋肉を動かすことができ、一歩後方に脚を出させることについての補助を行うことができるようになる。

なお、このようにフォースプレート２を重心の移動方向と逆方向に移動させる場合、初期設定される際の（ａ，ｂ）の値を負の値として設定しておけば、フォースプレート２を逆方向に移動させることができるようになる。

このように上記実施の形態によれば、被験者が立つことのできるフォースプレート２と、当該フォースプレート２に掛かる荷重を検出する荷重検出センサー３と、当該荷重検出センサー３に掛かる荷重から被験者の重心位置を検出する重心位置検出手段５とを備え、被験者の重心の移動方向、もしくは、逆方向にフォースプレート２を水平移動させる駆動手段６を備えるようにしたので、被験者の重心移動による脚の筋肉の反応をフォースプレート２の移動で緩和させたり、あるいは、補助させたりすることができるようになる。このとき、被験者の重心の移動方向にフォースプレート２を移動させるようにした場合は、被験者が前方へ重心を移動させた際、フォースプレート２が前方へ移動するので、荷重重心を体幹中心に戻すことができ、後方へ重心を移動させようとする患者の反射的な反応を抑制することができる。また、被験者の重心の移動方向と逆方向にフォースプレート２を移動させるようにすれば、脚をなかなか一歩前へ踏み出せないような患者が使用する場合、前方への重心移動に伴ってフォースプレート２が後方に移動するので、強制的に重心をもっと前に移動させることができ、これに伴って脚を一歩前に出させるための反射的な動きを補助することができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、フォースプレート２を前後方向にのみ移動させるようにしたが、重心移動の方向に沿って二次元平面内で前後左右方向に移動させるようにしてもよい。このとき、駆動手段６として、直交する二本のウォームギア６１を設け、それぞれのウォームギア６１を回転させてｘ軸方向およびｙ軸方向にフォースプレート２を移動させるようにするとよい。ただし、この場合、重心移動の距離や速度を斜め方向の距離で算出すると、直交するウォームギア６１の回転によって斜め方向の距離や速度に対応させることが難しくなるため、重心移動の距離や速度をｘ軸方向およびｙ軸方向の距離や速度として算出し、その軸方向の成分に対応するようにウォームギア６１を回転させるようにするとよい。

また、上記実施の形態では、距離や速度を算出してフォースプレート２をスライドさせるようにしたが、距離や加速度を算出して、その加速度に対応する加速度でフォースプレート２を移動させるようにしてもよい。このような加速度を算出する場合は、算出された前後の速度の差をサンプリング時間で除することによって加速度を算出すればよい。

さらに、上記実施の形態では、重心移動に伴ってフォースプレート２を移動させるようにしたが、この重心移動やフォースプレート２の移動などの履歴をコンピューターに記憶させておき、事後的にどの程度フォースプレート２を移動させれば重心移動がどの範囲内に収まるか否かを判断できるようにしておいてもよい。このようにすれば、リハビリの効果を事後的に確認することができ、その後、フォースプレート２の移動距離の割合や速度の割合などを設定し直すことができるようになる。

１・・・リハビリ支援装置
２・・・フォースプレート
２０・・・筐体
３・・・荷重検出センサー
４・・・ベースプレート
５・・・重心位置検出手段
６・・・駆動手段
６１・・・ウォームギア
６２・・・ナット部材
６３・・・モーター

Claims (1)

1. 被験者が立つことのできるフォースプレートと、
   当該フォースプレートに掛かる荷重を検出する荷重検出センサーと、
   当該荷重検出センサーに掛かる荷重から被験者の重心位置を検出する重心位置検出手段とを備え、
   被験者の重心の移動方向、もしくは、逆方向にフォースプレートを水平移動させる駆動手段を備えたことを特徴とするリハビリ支援装置。

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