JP6445232B2 - 動作解析装置および動作解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒトの歩行分析を行う動作解析装置および動作解析方法に関する。

従来、理学療法や作業療法に必要なヒトの歩行分析は、床反力計（フォースプレート）や三次元動作解析装置などを用いて行われるが、床反力計は高価であり、また１枚につき１歩の計測しか計測できないため、連続の歩行や自由歩行には適さないという問題がある。また、三次元動作解析装置についても、導入コスト、計測場所や稼働の手間などの問題があり、容易に使用することが困難である。

そこで、近年、携帯電話機やスマートフォンに内蔵されている加速度センサ等を用いて歩行分析を行うことが試みられている。例えば、特許文献１には、携帯電話に搭載されている３軸の加速度センサと、使用者が携帯電話を大腿部に装着しているか否かを検出する大腿部装着センサの信号をもとに、使用者の動作を判別し、表示することが記載されている。

また、例えば特許文献２には、スマートフォンに搭載された加速度センサ、角速度センサおよび地磁気センサにより検知したデータをもとに、使用者の行動を判定する技術が記載されている。また、スマートフォンは腰に装着し、さらに、加速度センサ、角速度センサおよび地磁気センサを備えた小型のヘッドセットタイプのセンサ群を頭部に装着することにより、しゃがむ動作と起立動作の判別を行うことも記載されている。

また、例えば非特許文献１には、スマートフォンに内蔵された３軸加速度センサを用いて、使用者の歩行動作分析を行うスマートフォンのアプリケーションが記載されている。また、スマートフォンは腰部分に装着することが記載されている。

特開２００６−１８０８９９号公報 特開２０１３−１３７１７８号公報

入江英嗣，"スマートフォンによる歩行動作解析アプリ"Ｇｏｏｄ Ｗａｌｋｉｎｇ""，［online］，株式会社キャンパスクリエイト，オープンイノベーション推進ポータル，［平成２５年８月１７日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.open-innovation-portal.com/university/uploads/GoodWalking.pdf＞

前述のように、床反力計や三次元動作解析装置などを用いた歩行分析は導入コストが高い等の問題により、容易に使用することが困難であるが、特許文献１または非特許文献１に記載の装置では、加速度センサのみに基づく歩行分析であるため、一応の歩行の状態の分析はできるものの、理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが難しい。

また、特許文献２に記載の装置では、頭部にも加速度センサを装着することにより、さらにしゃがむ動作と起立動作の判別を行うことを可能としているが、特許文献１または非特許文献１と同様に、一応の歩行の状態の分析はできるものの、理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことは難しい。

そこで、本発明においては、スマートフォンを利用して安価ながら理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能な動作解析装置および動作解析方法を提供することを目的とする。

本発明の動作解析装置は、加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであってヒトの体幹に装着されるスマートフォンに接続される動作信号発生装置であり、ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置と、スマートフォンを、動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて加速度センサーにより検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録する手段として機能させるための動作解析プログラムとを含むものである。

また、本発明の動作解析装置は、加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであってヒトの体幹に装着されるスマートフォンと、ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置とを含み、スマートフォンは、動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて加速度センサーにより検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録するものであることを特徴とする。

また、本発明の動作解析方法は、加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであり、ヒトの体幹に装着されるスマートフォンを用いた動作解析方法であって、ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて、加速度センサーにより検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録することを含む。

これらの発明によれば、ヒトの体幹に装着されたスマートフォンに内蔵された加速度センサーにより検出された加速度が、ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録されるため、ヒトの歩行動作に基づく高精度な加速度データを得ることができる。

ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて、加速度センサーにより検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録する構成により、スマートフォンを利用して安価ながら理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能となる。

本発明の実施の形態における動作解析装置の構成図である。 図１の動作解析装置をヒトに装着した状態を示す説明図である。 図１の動作信号発生装置の詳細を示す回路図である。 ヒトの歩行周期とＸ軸（前後成分）、Ｙ軸（側方成分）およびＺ軸（垂直成分）のそれぞれの加速度との関係を示す説明図である。 ヒトの歩行周期と歩行中の重心の位置（垂直変位）および垂直加速度との関係を示す説明図である。 平地正常歩行時のヒトの歩行周期とＸ軸（前後成分）、Ｙ軸（側方成分）およびＺ軸（垂直成分）のそれぞれの加速度の実測値との関係を示す図である。 図６のＺ軸（垂直成分）の加速度のみを表した図である。 Ｘ軸（前後成分）、Ｙ軸（側方成分）およびＺ軸（垂直成分）のそれぞれの加速度と圧力センサーの動作信号との関係を示す図である。

図１は本発明の実施の形態における動作解析装置の構成図、図２は図１の動作解析装置をヒトに装着した状態を示す説明図、図３は図１の動作信号発生装置の詳細を示す回路図である。

図１において、本発明の実施の形態における動作解析装置は、加速度センサー１０が内蔵されたスマートフォン１と、図２に示すように、ヒトＰの足裏の接地状態を検出することによりヒトＰの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置２と、スマートフォン１の中央演算処理装置（ＣＰＵ）１１上で動作させる動作解析プログラム３とから構成される。スマートフォン１は、固定ベルト４を用いてヒトＰの体幹に装着される。動作解析プログラム３は、スマートフォン１の内部メモリやメモリーカードなどの記憶装置１２に記憶され、ＣＰＵ１１により読み出されて実行される。

動作信号発生装置２は、ヒトＰの足裏に取り付けられる圧力センサー２０と、圧力センサー２０の入力を音声信号へ変調する動作信号変調部２１とを有する。動作信号変調部２１は、図３に示すように、圧力センサー２０の抵抗値によってデューティ比が変わる音声信号を発生する信号発生回路２２により構成されている。信号発生回路２２は、例えばタイマーＩＣを利用して構成することができる。

また、本実施形態においては、圧力センサー２０は複数並列に接続されており、ヒトＰの足裏の踵などの歩行時に接地を開始する箇所および母趾などの離地する箇所にそれぞれ取り付けられる。信号発生回路２２によって発生した音声信号は、４極ピンジャック２３を通じてスマートフォン１の音声入力端子へ入力される。

スマートフォン１は、図１に示すように、前述の加速度センサー１０、ＣＰＵ１１および記憶装置１２の他、加速度センサー１０のアナログ信号をデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器１３、動作信号発生装置２から入力された音声信号を圧力センサー２０の動作信号へ復調する動作信号復調部１４や表示操作部１５等を備える。加速度センサー１０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸の加速度をそれぞれ検出するセンサーである。スマートフォン１の装着位置は、正中線上の第３腰椎の位置が望ましい。

動作解析プログラム３は、ＣＰＵ１１を、動作信号発生装置２により発生された動作信号に基づいて加速度センサー１０により検出された加速度をヒトＰの歩行動作のタイミングと同定して記録する手段として機能させるプログラムである。動作信号発生装置２により発生された動作信号は、前述のように、動作信号復調部１４を経てＣＰＵ１１へ入力される。また、加速度センサー１０により検出された加速度は、Ａ／Ｄ変換器１３を経てＣＰＵ１１へ入力される。ヒトＰの歩行動作のタイミングと同定されたＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸の加速度は、解析データとして記憶装置１２へ記録される。

また、動作解析プログラム３の実行によりＣＰＵ１１は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸の加速度を表示操作部１５へ表示したり、周波数パワースペクトル（ＦＦＴ）を表示したり、動作信号発生装置２から入力された動作信号を表示したりすることが可能となっている。また、これらの表示データは、記憶装置１２へ記憶され、外部へ出力して解析することも可能となっている。

次に、動作信号発生装置２により発生された動作信号に基づいて加速度センサー１０により検出された加速度をヒトＰの歩行動作のタイミングと同定する処理について詳細に説明する。

図４はヒトの歩行周期とＸ軸（前後成分）、Ｙ軸（側方成分）およびＺ軸（垂直成分）のそれぞれの加速度との関係を示している。図４に示すように、ヒトの歩行周期は、初期接地（ＩＣ）、加重応答期（ＬＲ）、立脚中期（ＭＳｔ）、立脚終期（ＴＳｔ）、前遊脚期（ＰＳｗ）、つま先離地（ＴＯ）、遊脚初期（ＩＳｔ）、遊脚中期（ＭＳｗ）および遊脚終期（ＴＳｔ）から構成される。

図５はヒトの歩行周期と歩行中の重心の位置（垂直変位）および垂直加速度との関係を示している。図５に示すように、ヒトの歩行中、（１）ＩＣ後に重心の垂直変位は最下位置、垂直加速度は正方向へ最大値、（２）ＭＳ付近で重心の垂直変位は最高位置、加速度は負方向へ最大値、（３）ＴＯ付近で重心の垂直変位は中間点、加速度はゼロとなる。

図６は平地正常歩行時のヒトの歩行周期とＸ軸（前後成分）、Ｙ軸（側方成分）およびＺ軸（垂直成分）のそれぞれの加速度の実測値との関係を示している。図７はこのうちＺ軸（垂直成分）の加速度のみを表したものであり、図５の垂直加速度に近似した波形となっている。これらの図にはヒトの歩行周期が示されてるが、実際には歩行動作は連続して速やかに行われるため、加速度を計測しても歩行動作のどの時期（タイミング）に当たるのかは分からない。

そこで、本実施形態における動作解析装置では、図６に示すように加速度センサー１０により検出された加速度をヒトＰの歩行動作のタイミングと同定するため、動作信号発生装置２により発生された動作信号を利用する。図８はＸ軸（前後成分）、Ｙ軸（側方成分）およびＺ軸（垂直成分）のそれぞれの加速度と圧力センサー２０の動作信号との関係を示している。

図８に示すように、圧力センサー２０の動作信号からヒトＰの歩行動作中のＩＣ（足裏面が地面に設置する時期）とＴＯ（足裏面が地面から離れる時期）を記録し、Ｘ軸（前後成分）、Ｙ軸（側方成分）およびＺ軸（垂直成分）のそれぞれの加速度波形と照らし合わせることにより、加速度センサー１０に検出された加速度をヒトＰの歩行動作のタイミングと同定する。なお、より正確にＩＣとＴＯの時期を得るためには、圧力センサー２０を踵外側と母趾先端にそれぞれ取り付けることが望ましい。動作解析プログラムは、ＣＰＵ１１により実行されることで、スマートフォン１に圧力センサー２０からの信号強度を記憶装置１２へ記録する機能、加速度波形と重ね合わせて表示する機能、その域値可変機能や、設定域値を超えた時間を記録するタイムスタンプ機能等を実現させる。

以上のように、本実施形態における動作解析装置では、ヒトＰの体幹に装着されたスマートフォン１に内蔵された加速度センサー１０により検出された加速度が、圧力センサー２０によってヒトＰの足裏の接地状態を検出することによりヒトＰの歩行動作のタイミングと同定して記録されるため、ヒトＰの歩行動作に基づく高精度な加速度データを得ることができる。また、得られた加速度データを積分計算することによって、速度データおよび変位データを得ることがも可能である。また、得られた各種データは、スマートフォン１から有線通信または無線通信によりパーソナルコンピュータ等の他の機器へ送信することも可能である。

そして、このようにヒトＰの歩行動作のタイミングと同定された加速度データによれば、重心の加速度、床反力の推測、歩行周期（ＩＣ、ＭＳ、ＴＯ時間）や歩行周期の各相の期間等を解析することが可能である。図６に示す実測値は、高価な床反力計により測定した値と近似した波形となっており、本実施形態における動作解析装置は、スマートフォン１を利用した簡易床反力計として利用することが可能であり、安価ながら理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能である。

なお、重心の移動および床反力を正確に推測するために、スマートフォン１は正中線上の第３腰椎の位置に装着することが望ましいが、この位置に限定されるものではない。また、本実施形態においては、踵外側と母趾先端にそれぞれ圧力センサー２０を取り付けることで、歩行動作における足裏の前後の接地タイミングとヒトの歩行動作のタイミングとを同定して、ヒトの歩行動作に基づくより高精度な加速度データを得ているが、ヒトＰの足裏の接地状態を検出することができれば、レーザー測定器等の他の検出器を用いることも可能である。

また、通常、スマートフォン１には、３軸の地磁気センサー、傾斜センサーおよび角速度センサーが内蔵されているため、前述の加速度センサー１０に加えてこれらのセンサーの情報を元に加速度を補正計算させることも可能である。これにより、スマートフォン１を設置した場所の変化にとらわれずに、一定した加速度出力が可能となる。したがって、このスマートフォン１を身体各部位に設置することで、設置した各部位の加速度、速度および変位のデータを得ることができ、三次元動作解析装置として機能させることも可能である。

また、動作信号発生装置２にＬＥＤ等の発光装置を設け、動作信号の入力とＬＥＤの発光とをシンクロさせることも可能である。これにより、ヒトＰを動作信号発生装置２のＬＥＤの発光とともに動画で記録し、動画内でのＬＥＤの発光と加速度センサー１０の加速度波形の立ち上がりとを合わせることで、動画内のヒトＰの歩行動作との同期が可能となる。

本発明の動作解析装置および動作解析方法は、ヒトの歩行分析を行う装置および方法として有用である。

Ｐ ヒト
１ スマートフォン
２ 動作信号発生装置
３ 動作解析プログラム
４ 固定ベルト
１０ 加速度センター
１１ 中央演算処理装置
１２ 記憶装置
１３ Ａ／Ｄ変換器
１４ 動作信号復調部
１５ 表示操作部
１６ 解析データ
２０ 圧力センサー
２１ 動作信号変調部
２２ 信号発生回路
２３ ４極ピンジャック

Claims (4)

1. 加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであってヒトの体幹に装着されるスマートフォンに接続される動作信号発生装置であり、前記ヒトの足裏に取り付けられて前記ヒトの足裏の接地状態を検出する圧力センサーと、前記圧力センサーの入力を音声信号へ変調する動作信号変調部であり、前記音声信号として前記圧力センサーの抵抗値によってデューティ比が変わる信号を発生する信号発生回路を含む動作信号変調部とを有し、前記音声信号を前記スマートフォンの音声入力端子へ入力する動作信号発生装置と、
   前記スマートフォンを、前記動作信号発生装置から前記音声入力端子へ入力された前記音声信号を前記ヒトの歩行動作に応じた前記圧力センサーの動作信号へ復調し、この復調された動作信号に基づいて前記加速度センサーにより検出された加速度を前記ヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録する手段として機能させるための動作解析プログラムと
   を含む動作解析装置。
2. 加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであってヒトの体幹に装着されるスマートフォンと、
   前記ヒトの足裏に取り付けられて前記ヒトの足裏の接地状態を検出する圧力センサーと、前記圧力センサーの入力を音声信号へ変調する動作信号変調部であり、前記音声信号として前記圧力センサーの抵抗値によってデューティ比が変わる信号を発生する信号発生回路を含む動作信号変調部とを有し、前記音声信号を前記スマートフォンの音声入力端子へ入力する動作信号発生装置と
   を含み、
   前記スマートフォンは、前記動作信号発生装置から前記音声入力端子へ入力された前記音声信号を前記ヒトの歩行動作に応じた前記圧力センサーの動作信号へ復調し、この復調された動作信号に基づいて前記加速度センサーにより検出された加速度を前記ヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録するものである
   動作解析装置。
3. 前記圧力センサーは、前記ヒトの足裏の歩行時に接地を開始する箇所および離地する箇所にそれぞれ取り付けられるものである請求項１または２に記載の動作解析装置。
4. 加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであり、ヒトの体幹に装着されるスマートフォンを用いた動作解析方法であって、
   前記ヒトの足裏に取り付けられて前記ヒトの足裏の接地状態を検出する圧力センサーと、前記圧力センサーの入力を音声信号へ変調する動作信号変調部であり、前記音声信号として前記圧力センサーの抵抗値によってデューティ比が変わる信号を発生する信号発生回路を含む動作信号変調部とを有する動作信号発生装置から前記音声信号を前記スマートフォンの音声入力端子へ入力すること、
   前記スマートフォンが、前記動作信号発生装置から前記音声入力端子へ入力された前記音声信号を前記ヒトの歩行動作に応じた前記圧力センサーの動作信号へ復調し、この復調された前記動作信号に基づいて、前記加速度センサーにより検出された加速度を前記ヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録すること
   を含む動作解析方法。