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JP6598319B2 - Rehabilitation support system - Google Patents
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Description

本発明は、脳性麻痺した体肢の運動機能を回復するリハビリテーションを支援する支援システム関する。 The present invention relates to a support system for supporting the rehabilitation to restore motor function of cerebral paralyzed limb.

脳梗塞や脳出血を発症すると、脳の神経細胞に障害が発生し、急性期症状が治癒した後も、脳の障害が原因で手足の麻痺などの後遺症が残ることが少なくない。
本発明者等は、先に、上肢が麻痺した患者のリハビリテーションを支援する運動支援装置(アームロボット)を提案している(下記特許文献1)。
この装置は、図5に示すように、患者の上腕を固定する固定部111を備える上腕駆動アーム11と前腕を固定する固定部121を備える前腕駆動アーム12と、を有しており、前腕駆動アーム12及び上腕駆動アーム11が、設定されたプログラムに従って患者の前腕及び上腕を動かすように構成されている。図6は、このアームロボットのアームを患者に装着した状態を示している。
When cerebral infarction or cerebral hemorrhage develops, brain neurons are damaged, and after the acute symptoms are cured, sequelae such as paralysis of the limbs often remain due to brain damage.
The present inventors have previously proposed an exercise support apparatus (arm robot) that supports rehabilitation of a patient whose upper limb is paralyzed (Patent Document 1 below).
As shown in FIG. 5, this apparatus has an upper arm drive arm 11 having a fixing part 111 for fixing a patient's upper arm and a forearm drive arm 12 having a fixing part 121 for fixing a forearm. The arm 12 and the upper arm drive arm 11 are configured to move the patient's forearm and upper arm according to a set program. FIG. 6 shows a state where the arm of this arm robot is attached to a patient.

こうした支援装置を用いて患者の麻痺した体肢のリハビリテーションを行う場合、患者がロボットに動かされるまま、受け身の姿勢で訓練に臨むよりも、患者が自ら麻痺した箇所を動かそうという意識を持ってロボットの運動支援を受けた方が、リハビリテーションの効果が上がることが知られている。   When rehabilitating a patient's paralyzed limb using such a support device, the patient is conscious of trying to move the paralyzed part of the patient, rather than starting training passively while the patient is moved by the robot. It is known that rehabilitation is more effective when robots receive exercise support.

下記特許文献2には、そうした点を考慮して、患者の脳波から運動意図を表す脳波が観測されたときに運動支援装置を駆動するリハビリテーションシステムが開示されている。
このシステムでは、図7に示すように、患者の指を他動的に伸ばす電動装具30、31及びモータ32が患者に装着され、作業療法士の合図に応じ、指を動かそうとする運動意図を持つように患者への指示が行われる。患者が指の運動意図を持つと、患者の脳波から運動意図に関連するERD信号が検出され、この検出により電動装具30のモータ32が起動して患者の指が伸展する。そのため、摘まんでいたペグPが落ちる。また、電動装具30の駆動に合わせて、筋刺激電極33から指の伸展に関わる患者の筋肉に電気刺激が付与される。
In consideration of such points, Patent Document 2 below discloses a rehabilitation system that drives an exercise support device when an electroencephalogram representing exercise intention is observed from a patient's electroencephalogram.
In this system, as shown in FIG. 7, motorized devices 30, 31 and a motor 32 for extending a patient's finger dynamically are mounted on the patient, and the movement intention to move the finger in response to a signal from the occupational therapist The patient is instructed to hold When the patient has a finger movement intention, an ERD signal related to the movement intention is detected from the brain wave of the patient, and this detection activates the motor 32 of the electric brace 30 to extend the patient's finger. Therefore, the peg P that has been picked falls. Further, in accordance with the driving of the electric appliance 30, electrical stimulation is applied from the muscle stimulation electrode 33 to the patient's muscle involved in finger extension.

特開2017−153706号公報JP 2017-153706 A 特開2016−13182号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2016-13182

特許文献2に記載されているように、脳波から特定の情報を識別し、その識別情報に基づいてマシンを駆動する“ブレイン・マシン・インタフェース(BMI)”の技術は、各方面で研究されている。
しかし、脳が損傷した患者の脳波から特定の情報を識別することは可なり難しい。
As described in Patent Document 2, the technology of “Brain Machine Interface (BMI)” that identifies specific information from an electroencephalogram and drives a machine based on the identification information has been studied in various fields. Yes.
However, it is quite difficult to identify specific information from the brain waves of patients with brain damage.

脳波の観測は、通常、頭皮上に配置した複数の電極を通じて行われる。頭皮上の電極の取付位置は、国際10/20法で決められている。脳波は、脳内での神経活動によるインパルス(活動電位)の集合電位を、頭皮上の複数の電極を介して記録したものであり、脳内で特定の神経活動が発生すると、その影響が頭皮上の複数の電極で観測される。
図8は、健常者の脳内で覚醒時の意識と関連付けられるベータ波が発生しているときに、各電極で検出される信号の電極間の相互相関関係を示している。電極間を結ぶ線の太さが太い程、それらの電極で同じような信号が検出されることを示している。
一方、図9は、脳に損傷がある患者の脳内でベータ波が発生しているときの各電極間の相互相関関係を示している。
The electroencephalogram is usually observed through a plurality of electrodes arranged on the scalp. The mounting position of the electrode on the scalp is determined by the international 10/20 method. An electroencephalogram is a recording of an impulse (action potential) due to nerve activity in the brain via multiple electrodes on the scalp. When specific nerve activity occurs in the brain, the effect is affected by the scalp. Observed at the top electrodes.
FIG. 8 shows a cross-correlation between electrodes of signals detected at each electrode when a beta wave associated with consciousness at awakening is generated in the brain of a healthy person. The thicker the line connecting the electrodes, the more similar signals are detected at those electrodes.
On the other hand, FIG. 9 shows a cross-correlation between the electrodes when a beta wave is generated in the brain of a patient with a damaged brain.

図8、図9から分かるように、脳に損傷がある患者の脳波は、健常者の脳波と可なり相違しており、健常者の脳波に比べて特徴を捉え難い。また、脳の損傷の程度が異なれば、患者間の脳波の相違も大きくなる。
そのため、脳に損傷がある患者の自発脳波から特徴を識別し、識別結果に基づいてリハビリテーションの運動支援装置を駆動することは実際上難しい。
As can be seen from FIGS. 8 and 9, the brain wave of a patient with a damaged brain is significantly different from the brain wave of a healthy person, and its characteristics are difficult to grasp compared to the brain wave of a healthy person. In addition, if the degree of brain damage is different, the difference in brain waves between patients is also increased.
Therefore, it is practically difficult to identify features from spontaneous brain waves of a patient with a damaged brain and to drive a rehabilitation exercise support device based on the identification result.

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、脳の障害のために体肢が麻痺した患者のリハビリテーションを支援するシステム提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a system that supports rehabilitation of a patient whose body and limb is paralyzed due to a brain disorder.

本発明は、脳の障害のために体肢が麻痺した患者のリハビリテーションを支援するシステムであって、患者が、麻痺した体肢部分の運動の支援を受けるために装着する運動支援装置と、患者の脳波データを解析する脳波データ解析装置と、脳波データ解析装置の解析結果に基づいて運動支援装置の駆動を制御する制御ユニットと、を備えている。
上記脳波データ解析装置は、脳波データを取得する脳波取得部と、脳波データから、体肢部分の運動を意図したときに現れる運動想起データを識別して、体肢部分が麻痺していないヒトの運動想起データが分布する第1の領域と、体肢部分が麻痺しているヒトの運動想起データが分布する第2の領域とを分かつ境界線を機械学習し、運動支援装置を装着した患者の脳波データから識別した運動想起データの属する領域の情報、または、その運動想起データと境界線との間の距離を示す情報を出力する機械学習手段と、を有している。
また、上記制御ユニットは、運動支援装置を装着した患者の運動想起データが、境界線から所定距離以内にあるとき、または、第1の領域にあるとき、運動支援装置の駆動を指示する。
このシステムでは、運動支援装置を装着して機能回復訓練を行う患者の自発脳波から、健常者の運動想起データにある程度類似するデータが検出されれば、運動支援装置が駆動される。そのため、患者の運動意欲に基づいて、麻痺した体肢が運動支援装置の支援を受けて動くことになり、リハビリテーションの効果が向上する。また、患者は、こうした訓練を続けることで、健常者と同等の運動想起データが検出可能な自発脳波を出力できるようになる。
The present invention is a system for supporting rehabilitation of a patient whose limb is paralyzed due to a brain disorder, and an exercise support apparatus that the patient wears to receive support for movement of the paralyzed limb, and a patient An electroencephalogram data analysis apparatus that analyzes the electroencephalogram data of the brain, and a control unit that controls driving of the exercise support apparatus based on the analysis result of the electroencephalogram data analysis apparatus.
The electroencephalogram data analysis apparatus identifies an electroencephalogram acquisition unit that acquires electroencephalogram data, and motor recall data that appears when the motion of the limb part is intended from the electroencephalogram data, and the human limb part is not paralyzed. A patient who wears an exercise support device, machine-learns the boundary between the first region in which the motion recall data is distributed and the second region in which the motion recall data of a human whose limbs are paralyzed is distributed. Machine learning means for outputting information on a region to which the motor recall data identified from the electroencephalogram data belongs, or information indicating a distance between the motor recall data and the boundary line.
The control unit instructs driving of the exercise support apparatus when the movement recall data of the patient wearing the exercise support apparatus is within a predetermined distance from the boundary line or in the first region.
In this system, when data similar to the motion recall data of a healthy person is detected to some extent from the spontaneous brain waves of a patient who wears the motion support device and performs function recovery training, the motion support device is driven. Therefore, based on the patient's willingness to exercise, the paralyzed limb moves with the support of the exercise support device, and the effect of rehabilitation is improved. Further, by continuing such training, the patient can output a spontaneous electroencephalogram capable of detecting motor recall data equivalent to that of a healthy person.

また、本発明のリハビリテーション支援システムでは、機械学習手段として、サポートベクターマシン(SVM)を用いる。
SVMは、多数の健常者及び患者の脳波をサンプルデータに用いて、運動想起したときに信号変化が現れる電極位置を健常者の脳波から解析し、その位置の電極の信号によって表される健常者の運動想起データと患者の運動想起データとを分離する境界線を機械学習する。運動支援装置を装着した患者の脳波が入力すると、その患者の運動想起データと境界線との距離を算出して出力する。
In the rehabilitation support system of the present invention, a support vector machine (SVM) is used as the machine learning means.
SVM uses the brain waves of a large number of healthy subjects and patients as sample data, analyzes the position of the electrode where the signal changes when recalling the motion from the brain waves of the healthy subject, and represents the healthy person represented by the signal of the electrode at that position. Machine learning is performed on the boundary line that separates the motor recall data and patient motion recall data. When the brain wave of the patient wearing the exercise support device is input, the distance between the patient's exercise recall data and the boundary line is calculated and output.

また、本発明のリハビリテーション支援システムでは、SVMのサンプルデータとして、健常者の脳波データを用いても良いし、それに代えて、片麻痺患者の麻痺していない側の脳波データを用いても良い。   In the rehabilitation support system of the present invention, the brain wave data of a healthy person may be used as SVM sample data, or instead, the brain wave data on the non-paralyzed side of a hemiplegic patient may be used.

また、本発明のリハビリテーション支援システムでは、制御ユニットに、運動支援装置を装着した患者の麻痺した体肢部分にセラピストが手を添えて運動させたときの用手運動を記憶する記憶部を設け、患者の自発意思に基づいて運動支援装置を駆動するとき、記憶部に記憶された用手運動を再現させることが望ましい。
患者の自発意思に基づいて、患者の症状に合った運動が運動支援装置の支援の下で行われる。
Further, in the rehabilitation support system of the present invention, the control unit is provided with a storage unit for storing a manual motion when the therapist moves the paralyzed limb portion of the patient wearing the exercise support device with a hand, When driving the exercise support device based on the patient's willingness, it is desirable to reproduce the manual exercise stored in the storage unit.
Based on the patient's voluntary intention, exercise suitable for the patient's symptoms is performed with the support of the exercise support device.

また、本発明のリハビリテーション支援システムでは、運動支援装置として、図5に示すアームロボットを用いることができる。   In the rehabilitation support system of the present invention, the arm robot shown in FIG. 5 can be used as the exercise support device.

本発明により、脳に障害を持つために体肢が麻痺した患者のリハビリテーションを効果的に行うことができる。   According to the present invention, it is possible to effectively perform rehabilitation of a patient whose body limb is paralyzed due to a disorder in the brain.

本発明の実施形態に係るリハビリテーション支援システムの構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the rehabilitation assistance system which concerns on embodiment of this invention. SVMの動作を説明する図The figure explaining operation of SVM 本発明の実施形態に係るリハビリテーション支援方法の手順を示すフロー図The flowchart which shows the procedure of the rehabilitation assistance method which concerns on embodiment of this invention. 用手運動療法の例を示す図Diagram showing an example of manual exercise therapy 上肢運動を支援するアームロボットを示す図The figure which shows the arm robot which supports upper limb movement 図5のアームロボットを患者に装着した状態を示す図The figure which shows the state which mounted | wore the patient with the arm robot of FIG. 従来のリハビリテーションシステムを示す図Diagram showing a conventional rehabilitation system 各電極で検出される脳波データの相互相関関係を示す図(健常者)Diagram showing cross-correlation of EEG data detected by each electrode (Healthy person) 各電極で検出される脳波データの相互相関関係を示す図(脳障害者)Diagram showing the cross-correlation of EEG data detected by each electrode (Brain disabled)

図1は、本発明の実施形態に係るリハビリテーション支援システムの構成をブロック図で示している。
このシステムは、上肢が麻痺した患者のリハビリテーションを支援する運動支援装置(アームロボット)10と、脳波を解析する脳波解析装置20と、脳波解析装置20の解析結果に基づいてアームロボット10を駆動する制御ユニット30とを備えている。
アームロボット10は、図5に示すものであり、上腕を固定する固定部111を備える上腕駆動アーム11と、前腕を固定する固定部121を備える前腕駆動アーム12と、図5では明示していないが、制御ユニット30の指示に基づいて上腕駆動アーム11及び前腕駆動アーム12を駆動する駆動部13と、上腕駆動アーム11及び前腕駆動アーム12の動きの情報を運動療法情報として取得する運動療法情報取得部14とを備えている。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a rehabilitation support system according to an embodiment of the present invention.
This system drives an arm robot 10 based on an analysis result of an exercise support apparatus (arm robot) 10 that supports rehabilitation of a patient with paralyzed upper limbs, an electroencephalogram analysis apparatus 20 that analyzes an electroencephalogram, and the electroencephalogram analysis apparatus 20. And a control unit 30.
The arm robot 10 is shown in FIG. 5, and the upper arm driving arm 11 having a fixing part 111 for fixing the upper arm, the forearm driving arm 12 having a fixing part 121 for fixing the forearm, and not shown in FIG. 5. However, based on an instruction from the control unit 30, the drive unit 13 that drives the upper arm drive arm 11 and the forearm drive arm 12, and the exercise therapy information that acquires information on the movement of the upper arm drive arm 11 and the forearm drive arm 12 as exercise therapy information. And an acquisition unit 14.

脳波解析装置20は、頭皮上に配置された電極を介して脳波を取得する脳波情報取得部21と、取得した脳波を記録する脳波情報記録部22と、記録された脳波情報を解析する脳波情報解析部23と、を備えている。脳波情報解析部23については、後に詳述する。
また、制御ユニット30は、アームロボット10の運動療法情報取得部14から送られて来る運動療法情報を記録する運動療法情報記録部31と、記録された運動療法情報から関節運動の速さや力・運動方向等を解析する運動療法情報解析部32と、脳波情報解析部23の解析結果を受けてアームロボット10を駆動するかどうかを決定する駆動判定部33と、駆動判定部33がアームロボット10の駆動を決定したとき、運動療法情報解析部32で解析されたアームロボット10の動きを駆動部13に再現させる運動療法再現制御部34と、を備えている。
The electroencephalogram analysis apparatus 20 includes an electroencephalogram information acquisition unit 21 that acquires an electroencephalogram via an electrode disposed on the scalp, an electroencephalogram information recording unit 22 that records the acquired electroencephalogram, and an electroencephalogram information that analyzes the recorded electroencephalogram information. And an analysis unit 23. The electroencephalogram information analysis unit 23 will be described in detail later.
In addition, the control unit 30 includes an exercise therapy information recording unit 31 that records exercise therapy information sent from the exercise therapy information acquisition unit 14 of the arm robot 10, and the speed and power of joint motion from the recorded exercise therapy information. The exercise therapy information analysis unit 32 that analyzes the direction of movement, the drive determination unit 33 that determines whether to drive the arm robot 10 based on the analysis result of the electroencephalogram information analysis unit 23, and the drive determination unit 33 include the arm robot 10 A movement therapy reproduction control unit 34 that causes the drive unit 13 to reproduce the movement of the arm robot 10 analyzed by the movement therapy information analysis unit 32.

脳波解析装置20の脳波情報解析部23は、特許請求の範囲で言う「機械学習手段」に相当するものであり、サポートベクターマシン(SVM)により機械学習し、脳波を解析する。脳波情報解析部23は、コンピュータがプログラムで規定された処理を実行することにより実現される。
脳波情報解析部23の機械学習のために、まず、多数の健常者が上肢の運動をイメージしたとき(または、実際に上肢を動かす動作を行ったとき)の脳波が脳波情報取得部21で取得される。
脳波情報解析部23は、その多数の脳波から、健常者が上肢運動を想起したときに信号変化が現れる、相互相関関係が高い複数の電極の位置を学習する。そして、健常者が上肢運動を想起したときの脳波から、それらの電極で検出される脳波信号のパワースペクトルを成分とする健常者の運動想起データを求める。
同様に、脳波情報解析部23は、脳に障害があるヒトが上肢運動をイメージしたとき(または、実際に上肢を動かす動作を行ったとき)の多数の脳波をサンプルデータに用いて、学習した前記電極で検出される脳波信号のパワースペクトルを成分とする“脳に障害があるヒト”の運動想起データを求める。
The electroencephalogram information analysis unit 23 of the electroencephalogram analysis apparatus 20 corresponds to “machine learning means” in the claims, and performs machine learning using a support vector machine (SVM) to analyze the electroencephalogram. The electroencephalogram information analysis unit 23 is realized by a computer executing processing defined by a program.
For machine learning of the electroencephalogram information analysis unit 23, first, an electroencephalogram information acquisition unit 21 acquires an electroencephalogram when a large number of healthy persons imagine the movement of the upper limb (or when an actual movement of the upper limb is performed). Is done.
The electroencephalogram information analysis unit 23 learns the positions of a plurality of electrodes having a high cross-correlation, in which a signal change appears when the healthy person recalls the upper limb movement from the large number of electroencephalograms. Then, from the brain wave when the healthy person recalls the upper limb motion, the motion recall data of the healthy person whose component is the power spectrum of the brain wave signal detected by these electrodes is obtained.
Similarly, the electroencephalogram information analysis unit 23 learns by using, as sample data, a large number of electroencephalograms when a person with a brain disorder imagines upper limb movement (or when an actual movement of the upper limb is performed). Motor recall data of “a person with a brain disorder” having the power spectrum of an electroencephalogram signal detected by the electrodes as a component is obtained.

次いで、脳波情報解析部23は、健常者の運動想起データと“脳に障害があるヒト”の運動想起データとを分ける境界線を機械学習する。
いま、運動想起データが、相互相関関係の高い二つの電極で検出される脳波信号のパワースペクトルを成分としていると仮定する。
この場合、健常者及び“脳に障害があるヒト”の運動想起データは、図2に示すように、X軸が一方の電極で検出される脳波信号のパワースペクトル成分の大きさを表し、Y軸が他方の電極で検出される脳波信号のパワースペクトル成分の大きさを表す特徴空間にプロットすることができる。
Next, the electroencephalogram information analysis unit 23 performs machine learning on a boundary line that separates the motor recall data of the healthy person from the motor recall data of “a person with a brain disorder”.
Now, it is assumed that the motion recall data has as its component the power spectrum of an electroencephalogram signal detected by two electrodes having a high cross-correlation.
In this case, the motion recall data of a healthy person and a “human with a brain disorder”, as shown in FIG. 2, the X axis represents the magnitude of the power spectrum component of the electroencephalogram signal detected by one electrode, and Y The axis can be plotted in a feature space representing the magnitude of the power spectrum component of the electroencephalogram signal detected by the other electrode.

この特徴空間に表示した健常者の運動想起データと“脳に障害があるヒト”の運動想起データとを分ける境界線を得るために、脳波情報解析部23は、マージン(引いた境界線とデータとの最短距離)が最大になるように境界線を設定する。
なお、ここでは、二次元の特徴空間を例に説明したが、相互相関関係の高い電極の数が増えれば、それに応じて、特徴空間の次元数は多くなるし、電極の数が1であれば、特徴空間は1次元の空間になる。
In order to obtain a boundary line that separates the motion recall data of the healthy person displayed in the feature space and the motion recall data of the “human with a brain disorder”, the electroencephalogram information analysis unit 23 obtains a margin (subtracted boundary line and data). Set the boundary line so that the shortest distance between
Here, a two-dimensional feature space has been described as an example. However, if the number of electrodes having high cross-correlation increases, the number of dimensions of the feature space increases accordingly, and the number of electrodes may be one. For example, the feature space becomes a one-dimensional space.

脳波情報解析部23は、こうした前処理を行った後、アームロボット10に装着された患者の脳波を取得すると、学習した前記電極で検出された脳波信号のパワースペクトルを成分とする患者の運動想起データを算出して前記特徴空間にプロットする。そして、患者の運動想起データと境界線とを比較し、患者の運動想起データが、前記特徴空間の健常者の運動想起データが存在する第一領域にあるか、“脳に障害があるヒト”の運動想起データが存在する第二領域にあるかを識別する。第二領域にある場合は、患者の運動想起データと境界線との最短距離を算出する。
脳波情報解析部23は、この識別結果や境界線との最短距離の情報を制御ユニット30の駆動判定部33に伝える。
After performing such pre-processing, the electroencephalogram information analysis unit 23 acquires the electroencephalogram of the patient attached to the arm robot 10, and the patient's motor recall using the power spectrum of the electroencephalogram signal detected by the learned electrode as a component. Data is calculated and plotted in the feature space. Then, the patient's motion recall data is compared with the boundary line, and the patient's motion recall data is in the first region where the motion recall data of the healthy person in the feature space exists, or “a person with a brain disorder” It is identified whether the motion recall data is in the second region where it exists. If it is in the second region, the shortest distance between the patient's motion recall data and the boundary line is calculated.
The electroencephalogram information analysis unit 23 transmits the identification result and information on the shortest distance from the boundary line to the drive determination unit 33 of the control unit 30.

駆動判定部33は、患者の運動想起データが特徴空間の第一領域にある場合、または、境界線との最短距離が所定距離未満である場合に、運動療法再現制御部34にアームロボット10を駆動するように指示する。
この指示を受けた運動療法再現制御部34は、アームロボット10の駆動部13に、運動療法情報解析部32で解析されたアームロボット10の動きを再現させる。
When the patient motion recall data is in the first region of the feature space, or when the shortest distance from the boundary line is less than the predetermined distance, the drive determination unit 33 moves the arm robot 10 to the motion therapy reproduction control unit 34. Instruct to drive.
Receiving this instruction, the exercise therapy reproduction control unit 34 causes the drive unit 13 of the arm robot 10 to reproduce the movement of the arm robot 10 analyzed by the exercise therapy information analysis unit 32.

図3のフロー図は、このシステムによる運動支援の手順を示している。
多数の健常者の脳波をサンプルデータに用いて、上肢を動かそうと意図したときに脳波の変化が現れる電極を識別し、その電極で検出される脳波データを上肢運動の運動想起データとして設定する(ステップ1)。健常者の運動想起データと、上肢が麻痺しているヒト(麻痺者)が上肢を動かそうと意図したときに前記電極で検出される運動想起データとを多数個集め、それらを運動想起データの特徴空間にプロットして、健常者の運動想起データと麻痺者の運動想起データとを分ける境界線を求める(ステップ2)。
次いで、上肢が麻痺した患者のリハビリテーションを支援するため、アームロボット10を患者に装着し(ステップ3)、患者の上肢をセラピストが持って動かす用手運動療法を実行する。図4は、この時の様子を示している。このとき、アームロボット10の動きの情報が運動療法情報取得部14で取得され、制御ユニット30の運動療法記録部31に記録される(ステップ4)。
The flowchart of FIG. 3 shows the procedure of exercise support by this system.
Using the electroencephalograms of many healthy subjects as sample data, identify the electrodes where EEG changes appear when you intend to move the upper limbs, and set the EEG data detected by those electrodes as motor recall data for upper limb movements (Step 1). Collect a lot of motor recall data of healthy persons and motor recall data detected by the electrodes when a person with paralyzed upper arms (paralyzed person) intends to move the upper limbs. Plotting is performed in the feature space to obtain a boundary line that separates the motion recall data of the healthy person and the motion recall data of the paralyzed person (step 2).
Next, in order to support the rehabilitation of a patient whose upper limb is paralyzed, the arm robot 10 is attached to the patient (step 3), and manual exercise therapy is performed in which the therapist holds and moves the patient's upper limb. FIG. 4 shows the situation at this time. At this time, information on the movement of the arm robot 10 is acquired by the exercise therapy information acquisition unit 14 and recorded in the exercise therapy recording unit 31 of the control unit 30 (step 4).

次いで、アームロボット10を装着した患者の脳波を測定する(ステップ5)。
患者が上肢を動かそうと意図したときの脳波から、運動想起データ用に特定された前記電極で検出される患者の運動想起データが測定される。そして、患者の運動想起データが、特徴空間においてステップ2で求めた境界線とどのような関係にあるかが脳波情報解析部23で解析される(ステップ6)。
患者の運動想起データが、特徴空間の健常者の運動想起データが存在する第1領域にあれば(ステップ7でYes)、アームロボット10による運動支援が開始される(ステップ10)。患者の運動想起データが第1領域に無い場合は(ステップ7でNo)、患者の運動想起データと境界線との最短距離が閾値未満であるかが解析され、閾値未満であれば(ステップ8でYes)、アームロボット10による運動支援が開始される(ステップ10)。
Next, the brain wave of the patient wearing the arm robot 10 is measured (step 5).
From the electroencephalogram when the patient intends to move the upper limb, the patient's motion recall data detected by the electrodes specified for motion recall data is measured. Then, the relationship between the patient motion recall data and the boundary line obtained in step 2 in the feature space is analyzed by the electroencephalogram information analysis unit 23 (step 6).
If the patient's motion recall data is in the first region where the motion recall data of healthy persons in the feature space exists (Yes in step 7), motion support by the arm robot 10 is started (step 10). If the patient's motion recall data is not in the first region (No in step 7), it is analyzed whether the shortest distance between the patient's motion recall data and the boundary line is less than the threshold, and if it is less than the threshold (step 8). Yes), exercise support by the arm robot 10 is started (step 10).

患者の運動想起データと境界線との最短距離が閾値未満でないときは(ステップ8でNo)、上肢を動かすために患者がどのようにイメージすれば良いかが指導され、あるいは、ステップ8での閾値を下げるように調整された後(ステップ9)、ステップ5からの手順が繰り返される。   If the shortest distance between the patient's motion recall data and the boundary is not less than the threshold (No in step 8), the patient is instructed how to image the upper limb to move, or in step 8. After adjustment to lower the threshold (step 9), the procedure from step 5 is repeated.

ステップ7またはステップ8でYesの場合、制御ユニット30の運動療法再現制御部34は、運動療法情報記録部31に記録された用手運動療法がアームロボット10で再現されるように、アームロボット10の駆動部13を制御する。
用手運動療法の時間または回数が規定値に達すると(ステップ11でYes)、上肢運動療法で行われた手技が記録されて(ステップ12)、終了する。ステップ11でNoの場合は、ステップ5からの手順が繰り返される。
In the case of Yes in step 7 or step 8, the exercise therapy reproduction control unit 34 of the control unit 30 causes the arm robot 10 to reproduce the manual exercise therapy recorded in the exercise therapy information recording unit 31 by the arm robot 10. The drive unit 13 is controlled.
When the time or number of manual exercise therapy reaches a specified value (Yes in step 11), the procedure performed in the upper limb exercise therapy is recorded (step 12), and the process is terminated. If step 11 is No, the procedure from step 5 is repeated.

このように、このシステムでは、アームロボット10を装着した患者の脳波から健常者の運動想起データにある程度類似するデータが検出されると、アームロボット10を駆動するように構成している。アームロボット10が駆動すると、患者は、思った通りに上肢が動いた、という疑似体験を経験することになる。そうした経験の積み重ねは、リハビリテーションの効果を高め、患者の脳波から検出される運動想起データが、健常者のそれにより近づく、と言う好循環を生むことになる。   As described above, this system is configured to drive the arm robot 10 when data similar to the motion recall data of the healthy person is detected to some extent from the brain waves of the patient wearing the arm robot 10. When the arm robot 10 is driven, the patient will experience a simulated experience that the upper limb has moved as expected. Accumulation of such experiences enhances the effectiveness of rehabilitation and creates a virtuous cycle in which motor recall data detected from the patient's brain waves is closer to that of healthy individuals.

ステップ8における閾値は、リハビリテーションの進度に応じて小さくしても良い。
また、ステップ6では、健常者の運動想起データと患者の運動想起データとが同一位置の電極で検出された脳波データから成るものとして説明した。例えば、図9において、健常者の運動想起データが右半球の電極F4及び電極C4で検出された脳波データを成分としている場合、患者の運動想起データも電極F4及び電極C4で検出された脳波データを成分としているものと説明した。
しかし、患者の運動想起データには、右半球の電極F4及び電極C4で検出された脳波データを成分とする運動想起データだけで無く、左半球の対応する電極F3及び電極C3で検出された脳波データを成分とする運動想起データを含めても良い。
これは、脳梗塞などによって失われた一方の側の脳の機能が、反対側の脳によって“肩代わり”される現象が見られるためである。
The threshold value in step 8 may be reduced according to the progress of rehabilitation.
Further, in step 6, the motor recall data of the healthy person and the motor recall data of the patient are described as being composed of electroencephalogram data detected by electrodes at the same position. For example, in FIG. 9, when the motor recall data of a healthy person is composed of brain wave data detected by the electrodes F4 and C4 of the right hemisphere, the patient's motor recall data is also detected by the electrodes F4 and C4. It was explained that it is a component.
However, the patient's motion recall data includes not only motion recall data whose components are brain wave data detected by the electrodes F4 and C4 in the right hemisphere, but also brain waves detected by the corresponding electrode F3 and electrode C3 in the left hemisphere. You may include the movement recall data which uses data as a component.
This is because there is a phenomenon in which the function of the brain on one side lost due to cerebral infarction or the like is “shouldered” by the brain on the other side.

また、ステップ1、2の健常者の脳波の代わりに、片麻痺患者の麻痺していない側の脳波をサンプルデータとして用いても良い。
ここでは、上肢が麻痺した患者のリハビリテーションについて説明したが、本発明は、その他の体肢部分が麻痺した患者のリハビリテーションにも適用できる。
In addition, instead of the brain waves of healthy persons in steps 1 and 2, the brain waves on the non-paralyzed side of the hemiplegic patient may be used as sample data.
Here, rehabilitation of a patient whose upper limb is paralyzed has been described, but the present invention can also be applied to rehabilitation of a patient whose other limbs are paralyzed.

本発明のリハビリテーション支援システム及び支援方法は、脳に障害を持つために体肢が麻痺した患者のリハビリテーションを効果的に行うことが可能であり、リハビリ施設や病院等において広く利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The rehabilitation support system and the support method of the present invention can effectively perform rehabilitation of a patient whose limb is paralyzed due to a disorder in the brain, and can be widely used in rehabilitation facilities, hospitals, and the like.

10 運動支援装置(アームロボット)
11 上腕駆動アーム
12 前腕駆動アーム
13 駆動部
14 運動療法情報取得部
20 脳波解析装置
21 脳波情報取得部
22 脳波情報記録部
23 脳波情報解析部
30 制御ユニット
31 運動療法情報記録部
32 運動療法情報解析部
33 駆動判定部
34 運動療法再現制御部
111 固定部
121 固定部
10 Exercise support device (arm robot)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Upper arm drive arm 12 Forearm drive arm 13 Drive part 14 Exercise therapy information acquisition part 20 EEG analysis apparatus 21 EEG information acquisition part 22 EEG information recording part 23 EEG information analysis part 30 Control unit 31 Exercise therapy information recording part 32 Exercise therapy information analysis 32 Unit 33 drive determination unit 34 exercise therapy reproduction control unit 111 fixing unit 121 fixing unit

Claims (6)

脳の障害のために体肢が麻痺した患者のリハビリテーションを支援するシステムであって、
前記患者が、麻痺した体肢部分の運動の支援を受けるために装着する運動支援装置と、
前記患者の脳波データを解析する脳波データ解析装置と、
前記脳波データ解析装置の解析結果に基づいて前記運動支援装置の駆動を制御する制御ユニットと、
を備え、
前記脳波データ解析装置は、
脳波データを取得する脳波取得部と、
前記脳波データから、前記体肢部分の運動を意図したときに現れる運動想起データを識別して、前記体肢部分が麻痺していないヒトの前記運動想起データが分布する第1の領域と、前記体肢部分が麻痺しているヒトの前記運動想起データが分布する第2の領域とを分かつ境界線を機械学習し、前記運動支援装置を装着した患者の脳波データから識別した運動想起データの属する領域の情報、または、該運動想起データと前記境界線との間の距離を示す情報を出力する機械学習手段と、
を有し、
前記制御ユニットは、前記運動支援装置を装着した患者の前記運動想起データが、前記境界線から所定距離以内にあるとき、または、前記第1の領域にあるとき、前記運動支援装置の駆動を指示する、リハビリテーション支援システム。
A system that supports rehabilitation of patients who have paralyzed limbs due to brain damage,
An exercise support device worn by the patient to receive support for exercise of the paralyzed limb part; and
An electroencephalogram data analysis apparatus for analyzing the electroencephalogram data of the patient;
A control unit for controlling the driving of the exercise support device based on the analysis result of the electroencephalogram data analysis device;
With
The electroencephalogram data analysis apparatus comprises:
An electroencephalogram acquisition unit for acquiring electroencephalogram data;
From the brain wave data, identifying motor recall data that appears when the movement of the limb part is intended, a first region in which the motion recall data of a human whose limb part is not paralyzed is distributed, The movement recall data identified from the brain wave data of the patient wearing the exercise support device, by dividing the second region in which the movement recall data of the human with paralyzed limbs is distributed and machine learning the boundary line Machine learning means for outputting region information or information indicating the distance between the motion recall data and the boundary;
Have
The control unit instructs to drive the exercise support device when the exercise recall data of the patient wearing the exercise support device is within a predetermined distance from the boundary line or in the first region. Rehabilitation support system.
請求項1記載のリハビリテーション支援システムであって、
前記機械学習手段が、サポートベクターマシン(SVM)である、リハビリテーション支援システム。
The rehabilitation support system according to claim 1,
A rehabilitation support system, wherein the machine learning means is a support vector machine (SVM).
請求項2記載のリハビリテーション支援システムであって、
前記SVMは、健常者の脳波データと、前記体肢部分が麻痺しているヒトの脳波データとを用いて前記境界線を機械学習する、リハビリテーション支援システム。
The rehabilitation support system according to claim 2,
The SVM is a rehabilitation support system in which the boundary line is machine-learned using brain wave data of a healthy person and human brain wave data in which the body part is paralyzed.
請求項2記載のリハビリテーション支援システムであって、
前記SVMは、片麻痺患者の麻痺していない側の脳波データを、前記体肢部分が麻痺していないヒトの脳波データとして用いて前記境界線を機械学習する、リハビリテーション支援システム。
The rehabilitation support system according to claim 2,
The SVM is a rehabilitation support system in which the boundary line is machine-learned by using the electroencephalogram data of the non-paralyzed side of the hemiplegic patient as the electroencephalogram data of the human body part that is not paralyzed.
請求項1記載のリハビリテーション支援システムであって、
前記制御ユニットは、前記運動支援装置を装着した患者の麻痺した体肢部分にセラピストが手を添えて運動させたときの用手運動を記憶する記憶部を有し、前記患者の前記運動想起データが、前記境界線から所定距離以内にあるとき、または、前記第1の領域にあるとき、前記運動支援装置に、前記記憶部に記憶された前記用手運動の再現を指示する、リハビリテーション支援システム。
The rehabilitation support system according to claim 1,
The control unit includes a storage unit that stores a manual motion when a therapist moves a paralyzed limb portion of a patient wearing the exercise support device with a hand, and the motion recall data of the patient Is within a predetermined distance from the boundary line, or is in the first region, the rehabilitation support system that instructs the exercise support device to reproduce the manual movement stored in the storage unit .
請求項1に記載のリハビリテーション支援システムであって、
前記運動支援装置は、上肢が麻痺した前記患者の上腕に装着される上腕駆動アームと、前記患者の前腕に装着される前腕駆動アームと、前記上腕駆動アーム及び前腕駆動アームを駆動する駆動部と、を備えるリハビリテーション支援システム。
The rehabilitation support system according to claim 1,
The exercise support apparatus includes: an upper arm drive arm that is attached to the upper arm of the patient whose upper limb is paralyzed; a forearm drive arm that is attached to the forearm of the patient; and a drive unit that drives the upper arm drive arm and the forearm drive arm. , A rehabilitation support system.
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