特開 2023-107568 生体動作の判定方法、生体動作判定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023107568

(43)【公開日】2023-08-03

(54)【発明の名称】生体動作の判定方法、生体動作判定装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/11 20060101AFI20230727BHJP

   A61B 5/389 20210101ALI20230727BHJP

   A61B 5/296 20210101ALI20230727BHJP

【ＦＩ】

A61B5/11 230

A61B5/389

A61B5/296

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022008827

(22)【出願日】2022-01-24

(71)【出願人】

【識別番号】000190688

【氏名又は名称】新光電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】古田 裕司

(72)【発明者】

【氏名】兼田 悠

【テーマコード（参考）】

4C038

4C127

【Ｆターム（参考）】

4C038VA04

4C038VB13

4C038VB34

4C038VC20

4C127AA04

4C127GG16

4C127LL04

(57)【要約】

【課題】被験者の被測定部位の動作が正常か異常かを判定することが可能な生体動作の判定方法を提供する。
【解決手段】本生体動作の判定方法は、被験者の被測定部位の動作を第１のセンサで検出するステップと、前記動作を司る筋肉の電位を第２のセンサで検出するステップと、前記動作が正常か否かを判定するステップと、を有し、前記判定するステップでは、前記第１のセンサにより前記動作が検出され、かつ前記第２のセンサにより前記動作を司る筋肉の電位が検出された場合に前記動作が正常であると判定する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被験者の被測定部位の動作を第１のセンサで検出するステップと、
前記動作を司る筋肉の電位を第２のセンサで検出するステップと、
前記動作が正常か否かを判定するステップと、を有し、
前記判定するステップでは、前記第１のセンサにより前記動作が検出され、かつ前記第２のセンサにより前記動作を司る筋肉の電位が検出された場合に前記動作が正常であると判定する、生体動作の判定方法。

【請求項2】

前記第１のセンサの検出出力をトリガとして、前記第２のセンサの出力を検出する、請求項１に記載の生体動作の判定方法。

【請求項3】

前記第１のセンサは触覚センサであり、前記第２のセンサは筋電センサである、請求項１又は２に記載の生体動作の判定方法。

【請求項4】

前記第１のセンサは圧力センサであり、前記第２のセンサは筋電センサである、請求項１又は２に記載の生体動作の判定方法。

【請求項5】

前記被測定部位は前記被験者の手の１又は複数の指であり、
１つの前記第１のセンサと、前記被測定部位と同数の前記第２のセンサと、を有し、
各々の前記第２のセンサは、前腕部において各々の前記被測定部位の動作を司る筋肉に対応する位置に配置される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の生体動作の判定方法。

【請求項6】

前記被測定部位は前記被験者の手の１又は複数の指であり、
前記被測定部位と同数の前記第１のセンサと、前記被測定部位と同数の前記第２のセンサと、を有し、
各々の前記第２のセンサは、前腕部において各々の前記被測定部位の動作を司る筋肉に対応する位置に配置される、請求項１、２、又は４の何れか一項に記載の生体動作の判定方法。

【請求項7】

前記判定するステップでは、前記第１のセンサで動作が検出された前記被測定部位と、前記第２のセンサで前記筋肉の電位があらかじめ定めた閾値以上に変化した前記被測定部位が一致した場合に、前記被測定部位の動作は正常であると判定する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の生体動作の判定方法。

【請求項8】

前記第１のセンサで検出するステップよりも前に、被験者データの収集を行うステップを有する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の生体動作の判定方法。

【請求項9】

被験者の被測定部位の動作を検出する第１のセンサと、
前記動作を司る筋肉の電位を検出する第２のセンサと、
前記動作が正常か否かを判定する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記第１のセンサにより前記動作が検出され、かつ前記第２のセンサにより前記動作を司る筋肉の電位が検出された場合に前記動作が正常であると判定する、生体動作判定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、生体動作の判定方法、生体動作判定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

生体のリハビリを行う器具や方法が提案されている。例えば、被験者の指の力と手首の力のリハビリを一つの器具で可能にしながら、握力と手首の力のリハビリの程度を測定できるリハビリ器具が提案されている。このリハビリ器具は、被験者の腕に固定される固定モジュールと、この固定モジュールの一方側にヒンジ軸を有し、被験者の手首を中心として手を回転時に回転可能に連結される手首運動モジュール、及び手首運動モジュールに備えられ、被験者の握力を測定する握力運動モジュールを有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－９７２９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記のリハビリ器具では、被験者の指の動きを検出できるが、例えば、被験者の一部の指が麻痺して動かせない場合、麻痺した指がほかの指につられて動いたとしてもこれを検出することができない。つまり、被験者の被測定部位が正常に動作している場合と正常に動作していない場合とを区別できないことがある。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、被験者の被測定部位の動作が正常か異常かを判定することが可能な生体動作の判定方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本生体動作の判定方法は、被験者の被測定部位の動作を第１のセンサで検出するステップと、前記動作を司る筋肉の電位を第２のセンサで検出するステップと、前記動作が正常か否かを判定するステップと、を有し、前記判定するステップでは、前記第１のセンサにより前記動作が検出され、かつ前記第２のセンサにより前記動作を司る筋肉の電位が検出された場合に前記動作が正常であると判定する。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、被験者の被測定部位の動作が正常か異常かを判定することが可能な生体動作の判定方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る生体動作判定装置を例示するブロック図である。

【図2】第１のセンサについて説明する図である。

【図3】第１のセンサの動作を説明する図である。

【図4】第２のセンサについて説明する図である。

【図5】正常に動作している指における第１のセンサ及び第２のセンサの出力を例示する図である。

【図6】正常に動作していない指における第１のセンサ及び第２のセンサの出力を例示する図である。

【図7】第１実施形態に係る生体動作の判定方法を例示するフローチャートである。

【図8】第１実施形態の変形例１に係る第１のセンサを例示する平面図である。

【図9】第１実施形態の変形例２に係る生体動作の判定方法を例示するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0010】

〈第１実施形態〉
［生体動作判定装置の構成］
図１は、第１実施形態に係る生体動作判定装置を例示するブロック図である。図１に示すように、生体動作判定装置１は、第１のセンサ１０と、第２のセンサ２０と、制御部３０と、記憶部４０と、出力部５０とを有している。生体動作判定装置１は、さらに、制御部３０と他の装置との信号の入出力を可能とするインターフェイス等を有してもよい。

【0011】

第１のセンサ１０は、被験者の被測定部位の動作を検出することができる。第２のセンサ２０は、被験者の被測定部位の動作を司る筋肉の電位を筋電信号として検出することができる。被験者の被測定部位は、例えば、被験者の手の１又は複数の指である。第１のセンサ１０の検出結果、及び第２のセンサ２０の検出結果は、所定の信号処理が施された後、制御部３０に出力される。所定の信号処理とは、例えば、ノイズの除去、信号の増幅、Ａ／Ｄ変換等である。第１のセンサ１０及び／又は第２のセンサ２０と制御部３０との電気的な接続は、有線であってもよいし、無線であってもよい。第１のセンサ１０及び第２のセンサ２０の詳細については後述する。

【0012】

制御部３０は、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、所定の機能を実行するよう設計されたＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＳＯＣ（System On a Chip）、及び／又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等である。制御部３０は、第１のセンサ１０の検出結果及び第２のセンサ２０の検出結果に基づいて、被験者の被測定部位の動作が正常か否かを判定することができる。また、制御部３０は、画像や音声等を出力させるための信号を出力部５０に出力することができる。

【0013】

記憶部４０は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ソリッド・ステート・ドライブ、ハードディスクドライブ、光ディスクドライブ等である。記憶部４０は、各種プログラムを記憶することができる。また、記憶部４０は、第１のセンサ１０及び第２のセンサ２０の検出結果を一時的に又は永久に記憶することができる。

【0014】

出力部５０は、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）ディスプレイ等の画像出力装置、スピーカー等の音声出力装置、良／不良を示す発光ダイオード等の発光装置などである。出力部５０は、制御部３０の指令に基づいて所定の出力を行う。

【0015】

制御部３０、記憶部４０、及び出力部５０は、例えば、パーソナルコンピュータの一部であってもよい。

【0016】

［第１のセンサ１０］
ここでは、被験者の被測定部位の動作を検出する第１のセンサ１０として触覚センサモジュールを例示する。また、以降では、被験者の被測定部位として手の指を例に挙げて説明する。

【0017】

図２は、第１のセンサについて説明する図であり、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は正面図である。図２を参照すると、第１のセンサ１０は、基板１１と、触覚センサ１２と、筐体１３とを有する触覚センサモジュールである。筐体１３は、センサ固定部１４と、可動部１５と、連結部１６とを備えている。可動部１５は、連結部１６を軸として矢印方向に可動することができる。筐体１３は、例えば、ゴムのような変形可能な材料から形成することができる。

【0018】

筐体１３において、センサ固定部１４の可動部１５側の面には、ガラスエポキシ基板等の基板１１に実装された触覚センサ１２が配置されている。触覚センサ１２は、主にスポンジ等の柔らかい材料で形成され、スポンジ等を通過する光の量の変化に基づいて、スポンジ等が押圧されたことを検出できる。触覚センサ１２の一例としては、タッチエンス社製のショッカクキューブ（商標）が挙げられる。

【0019】

図３は、第１のセンサの動作を説明する図であり、図３（ａ）は、第１のセンサ１０の可動部１５が指３００で矢印方向に押圧されて可動した様子を示す側面図である。図示は省略するが、ここでは、図２（ｂ）の方向から視て、触覚センサ１２の中央よりもＸ－側を指３００が押圧している。

【0020】

図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態における第１のセンサ１０の出力を出力部５０に表示した様子を示している。図３（ｂ）において相対的に色が薄い部分が押圧されている部分である。図３（ｂ）の表示から、触覚センサ１２の中央よりもＸ－側を指３００が押圧していることがわかる。例えば、図２（ｂ）の方向から視て、触覚センサ１２の中央よりもＸ＋側を指３００が押圧すれば、図３（ｂ）においてＸ＋側の色が薄くなる。

【0021】

このように、第１のセンサ１０は、触覚センサ１２のどの領域が押圧されたかを検出することができる。例えば、センサ固定部１４の上の予め定めた位置に複数の指を置いて順番に押した場合、どの指が動作したかを検出することができる。つまり、第１のセンサ１０は、１つの触覚センサ１２で複数の指（例えば、５本の指）の動きを検出できる。

【0022】

［第２のセンサ２０］
ここでは、被験者の被測定部位の動作を司る筋肉の電位を検出する第２のセンサ２０として筋電センサを例示する。

【0023】

図４は、第２のセンサについて説明する図であり、図４（ａ）は第２のセンサ２０を例示する模式図である。図４（ａ）を参照すると、第２のセンサ２０は、正極２１と、負極２２と、参照電極２３とを有する筋電センサである。参照電極２３は、必要に応じて設けられる。正極２１、負極２２、及び参照電極２３は、被験者の皮膚の表面に貼り付けて使用される。正極２１、負極２２、及び参照電極２３は、被験者の被測定部位の動作を司る筋肉が収縮する際に生じる電気信号（筋電信号）を取得することができる。

【0024】

指の動作を司る筋肉は前腕部の別々の位置に配置されている。そのため、被測定部位である指と同数の第２のセンサ２０が必要である。例えば、人差し指の動作を司る筋肉の電位を検出する場合は、前腕部の人差し指の動作を司る筋肉に対応する位置に第２のセンサ２０を配置する。中指の動作を司る筋肉の電位を検出する場合は、前腕部の中指の動作を司る筋肉に対応する位置に第２のセンサ２０を配置する。５本の指の動作を司る筋肉の電位をすべて検出する場合は、各々の第２のセンサ２０は、前腕部において各々の指の動作を司る筋肉に対応する位置に配置される。

【0025】

図４（ｂ）は、第２のセンサ２０の出力を出力部５０に表示した様子を模式的に示している。具体的には、前腕部の５本の指の動作を司る筋肉に対応する位置にそれぞれ第２のセンサ２０を配置し、人差し指のみを動かした場合の信号を示している。図４（ｂ）に示すように、前腕部の人差し指の動作を司る筋肉に対応する位置に配置した第２のセンサ２０の出力が、他の第２のセンサ２０の出力よりも大きくなっていることがわかる。

【0026】

［生体動作判定装置の動作］
図５は、正常に動作している指における第１のセンサ及び第２のセンサの出力を例示する図である。図５（ａ）は、第１のセンサ１０を中指が押圧している場合の第１のセンサ１０の出力である。図５（ｂ）は、前腕部の５本の指の動作を司る筋肉に対応する位置に５つの第２のセンサ２０を配置し、中指の動作を司る筋肉に対応する位置に配置した第２のセンサ２０の出力を表示したものである。図５（ａ）及び図５（ｂ）から、中指が正常に動作していることがわかる。

【0027】

図６は、正常に動作していない指における第１のセンサ及び第２のセンサの出力を例示する図である。図６（ａ）は、麻痺等により中指自体が正常に動作していないが、人差し指に巻き込まれて中指が動いている場合の第１のセンサ１０の出力である。図６（ｂ）は、前腕部の５本の指の動作を司る筋肉に対応する位置に５つの第２のセンサ２０を配置し、中指の動作を司る筋肉に対応する位置に配置した第２のセンサ２０の出力を表示したものである。図６（ａ）の表示は、図５（ａ）の表示と大きな差がない。したがって、この結果からは、中指が正常に動作しているか否かは判定できない。一方、図６（ｂ）の信号は図５（ｂ）の信号の１／５程度の振幅であり、中指が正常に動作してないと判断することができる。

【0028】

このように、人差し指に巻き込まれて中指が動いている場合に、第２のセンサ２０が出力する筋電信号を見ることで、中指が正常に動作していないことを判定できる。筋電信号が正常か否かの判定は、例えば、筋肉の電位があらかじめ定めた閾値以上に変化したか否かで判定できる。あるいは、筋電信号の積分値に基づいて判定してもよいし、筋電信号の周波数スペクトルを解析することで判定してもよい。

【0029】

図７は、第１実施形態に係る生体動作の判定方法を例示するフローチャートである。ここでは、一例として被験者の中指の動作が正常か否かを判定する方法について説明する。

【0030】

まず、ステップＳ１０１では、第２のセンサ２０を被験者の中指の動作を司る筋肉に対応する位置に配置する。例えば、第２のセンサ２０を被験者の中指の動作を司る筋肉に対応する位置に貼り付ける。そして、被験者に中指で第１のセンサ１０を押圧してもらい、中指の動作を第１のセンサ１０で検出する。例えば、第１のセンサ１０の検出結果は制御部３０に送られ、記憶部４０に一時的に記憶される。

【0031】

次に、ステップＳ１０２では、中指の動作を司る筋肉の電位を第２のセンサ２０で検出する。例えば、第１のセンサ１０の検出出力をトリガとして、第２のセンサ２０の出力を検出する。これにより、良好なタイミングで第１のセンサ１０の検出が可能となる。例えば、第２のセンサ２０の検出結果は制御部３０に送られ、記憶部４０に一時的に記憶される。

【0032】

次に、ステップＳ１０３では、制御部３０は、指の動作が正常か否かを判定する。制御部３０は、記憶部４０から必要な情報を読み出し、ステップＳ１０１における第１のセンサ１０の検出結果に基づいて、中指が動作したかを判断する。例えば、図５（ａ）に示すような信号が得られれば、中指が動作したと判断できる。また、制御部３０は、記憶部４０から必要な情報を読み出し、ステップＳ１０２における第２のセンサ２０の検出結果に基づいて、中指の動作を司る筋肉の電位が検出されたかを判断する。例えば、図５（ｂ）に示すような信号が得られれば、中指の動作を司る筋肉の電位が検出されたと判断できる。

【0033】

そして、制御部３０は、第１のセンサ１０により中指の動作が検出され、かつ第２のセンサ２０により中指の動作を司る筋肉の電位が検出された場合に、中指の動作が正常であると判定する。例えば、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すような信号が得られれば、制御部３０は、中指の動作が正常であると判定する。一方、制御部３０は、第１のセンサ１０により中指の動作が検出され、かつ第２のセンサ２０により中指の動作を司る筋肉の電位が検出されなかった場合に、中指の動作が異常であると判定する。例えば、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すような信号が得られれば、制御部３０は、中指の動作が異常であると判定する。筋肉の電位の判定方法については、前述のとおりである。なお、制御部３０は、第１のセンサ１０により中指の動作が検出されず、かつ第２のセンサ２０により中指の動作を司る筋肉の電位が検出されなかった場合にも、当然に中指の動作が異常であると判定する。

【0034】

ステップＳ１０３において、制御部３０が中指の動作は正常であると判定した場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ１０４に移行し、制御部３０は出力部５０に指令を出し、出力部５０は、例えば、『正常』の表示を出す。ステップＳ１０３において、制御部３０が中指の動作は異常であると判定した場合（ＮＯの場合）、ステップＳ１０５に移行し、制御部３０は出力部５０に指令を出し、出力部５０は、例えば、『異常』の表示を出す。必要に応じ、ステップＳ１０１に戻り、同じ指で動作を繰り返してもよいし、５本の指を順番に動作させてもよい。出力部に『異常』が表示された場合は、以降の動作を中止してもよい。

【0035】

このように、本実施形態に係る生体動作の判定方法では、被験者の被測定部位の動作が正常か異常かを判定することが可能である。したがって、例えば、生体動作判定装置１を用いて指のリハビリを行う場合に、正しいリハビリが行われているか否かを容易に判定できる。

【0036】

また、本実施形態に係る生体動作の判定方法では、超音波画像診断装置やＣＴ等の大型装置を使用せず、触覚センサや筋電センサ等の２種類のセンサを組み合わせる小型で簡易な構成により、被験者の被測定部位の動作が正常か異常かを判定することが可能である。

【0037】

また、生体動作判定装置１では、筋電信号が得られるため、得られた筋電信号の振幅の情報から筋量評価も可能である。

【0038】

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、第１実施形態とは異なるセンサを用いる例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する場合がある。

【0039】

図８は、第１実施形態の変形例１に係る第１のセンサを例示する平面図である。図８に示す第１のセンサ１０Ａは、基板１１と、圧力センサ１２ａ～１２ｅとを有する圧力センサモジュールである。圧力センサ１２ａ～１２ｅを覆うようにスポンジ等の柔軟な部材を設けてもよい。圧力センサは、被測定部位と同数であることが好ましい。圧力センサ１２ａ～１２ｅとしては、例えば、ピエゾ抵抗を用いたセンサや、電気容量、電磁気、光、電位差等の変化を検出するセンサが挙げられる。

【0040】

図８の例は、被測定部位が右手の５本の指の場合である。圧力センサ１２ａは親指で押圧しやすい位置に配置され、圧力センサ１２ｂは人差し指で押圧しやすい位置に配置され、圧力センサ１２ｃは中指で押圧しやすい位置に配置されている。また、圧力センサ１２ｄは薬指で押圧しやすい位置に配置され、圧力センサ１２ｅは小指で押圧しやすい位置に配置されている。特定の指の動作のみを検出する場合には、必要な個数の圧力センサを設ければよい。例えば、中指の動作のみを検出する場合には、基板１１上に圧力センサ１２ｃのみを設ければよい。

【0041】

このように、第１のセンサ１０としては、被験者の被測定部位の動作を検出できるセンサであれば、触覚センサ以外のセンサを用いてもかまわない。

【0042】

なお、第２のセンサ２０として圧力センサを用いた場合には、被験者の被測定部位の動作に加え、被験者の被測定部位の押圧力の測定が可能である。例えば、生体動作判定装置１を用いて指のリハビリを行う場合に、リハビリにより押圧力が継時変化したことを把握できる。

【0043】

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、事前にデータ収集を行う例を示す。なお、第１実施形態の変形例２において、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する場合がある。

【0044】

図９は、第１実施形態の変形例２に係る生体動作の判定方法を例示するフローチャートである。図９に示すフローチャートは、ステップＳ１００が追加された点が、図７に示すフローチャートと相違する。

【0045】

ステップＳ１００では、被験者データの収集を行う。例えば、被験者の中指の動作を検出する場合、第２のセンサ２０は中指の動作を司る筋肉に対応する位置に配置する必要がある。中指の動作を司る筋肉に対応する位置は、人間であればおおよそ決まっている。そのため、図７のフローチャートのように、事前に被験者データの収集を行わなくても、データベース等に保存されたデータに基づいて第２のセンサ２０を配置する位置を決めることができる。

【0046】

しかし、ステップＳ１００で被験者データの収集を行うことにより、より適切な位置に第２のセンサ２０を配置することができる。具体的には、所定の位置に第２のセンサ２０を配置して中指を動作させたときの第２のセンサ２０の出力の振幅を確認する。次に、第２のセンサを配置する位置を少しずつ動かしながら、中指を動作させたときの第２のセンサ２０の出力の振幅を確認し、最も大きな振幅が得られた位置を第２のセンサ２０を配置する位置に決定する。また、最も大きな振幅の例えば１／２を閾値として定めることができる。複数の指の動作を検出する場合には、各指について、同様に被験者データの収集を行うことができる。また、第１のセンサ１０についても、被験者データの収集を行い、指が動作したときの第１のセンサ１０の出力振幅（表示される色の濃さ）等の確認を行ってもよい。

【0047】

このように、実際に被験者の被測定部位の動作を検出する前に、被験者データの収集を行うことで、各センサによる検出精度を向上することができる。

【0048】

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0049】

１ 生体動作判定装置
１０，１０Ａ 第１のセンサ
１１ 基板
１２ 触覚センサ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ 圧力センサ
１３ 筐体
１４ センサ固定部
１５ 可動部
１６ 連結部
２０ 第２のセンサ
２１ 正極
２２ 負極
２３ 参照電極
３０ 制御部
４０ 記憶部
５０ 出力部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】