特開 2024-66016 状態推定システム

(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】P2024066016

(43)【公開日】2024-05-15

(54)【発明の名称】状態推定システム

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/11 20060101AFI20240508BHJP

【ＦＩ】

A61B5/11 210

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022175194

(22)【出願日】2022-11-01

(71)【出願人】

【識別番号】503061485

【氏名又は名称】株式会社テック技販

(71)【出願人】

【識別番号】513067727

【氏名又は名称】高知県公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】100111349

【弁理士】

【氏名又は名称】久留 徹

(72)【発明者】

【氏名】園部 元康

(72)【発明者】

【氏名】纐纈 俊昭

【テーマコード（参考）】

4C038

【Ｆターム（参考）】

4C038VA11

4C038VB35

4C038VC09

4C038VC20

(57)【要約】

【課題】フォースプレートに載った被験者に対して、全身の重心位置の変位や、下半身、上半身における重心位置における加速度を正確に推定できるようにした状態推定システムを提供する。
【解決手段】四隅にロードセル４を備えたフォースプレート２を用いて、起立する被検体のフォースプレート２の平面方向に作用する水平力と、圧力中心と、足裏のモーメントを計算する。また、被験者の頭部や腰部などに取り付けられた慣性センサ９から加速度を出力する。そして、これらの値を用いて、水平方向の並進運動の運動方程式と、回転運動方程式、慣性センサ９の加速度の関係式を用いて、全身の重心位置の変位、下半身の重心位置の加速度、上半身の重心位置の加速度を求める。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のロードセルを備えたフォースプレートと、
当該フォースプレートに載る被験者に取り付けられた慣性センサと、
前記ロードセルからの出力値に基づいて、当該フォースプレートの平面に沿った被検体からの水平力と被検体の立位状態における圧力中心と足裏のモーメントを算出する第一演算部と、
当該第一演算部で算出された水平力と圧力中心と足裏のモーメント、および、前記慣性センサからの出力値を用いて、被検体の下半身および上半身の変位に基づく値を算出する第二演算部と、
当該第二演算部で算出された値を出力する出力部と、
を備えてなる状態推定システムにおいて、
前記第二演算部で、あらかじめ足部の質量、下半身の質量、上半身の質量、フォースプレートから足部の重心位置までの高さ、各関節から下半身および上半身の重心位置までの距離、足部および下半身および上半身の長さをパラメーターとして演算するようにしたことを特徴とする状態推定システム。

【請求項2】

前記第二演算部が、水平方向の並進運動の運動方程式、および、回転運動の運動方程式、および、被験者に取り付けられた慣性センサによって得られた加速度の関係式を用いて、被検体の下半身および上半身のそれぞれの変位に基づく値を算出するものである請求項１に記載の状態推定システム。

【請求項3】

前記フォースプレートが、水平面方向に沿って移動可能に構成するとともに、慣性センサを取り付けて構成されるものであり、
前記第二演算部が、前記第一演算部で算出された水平力および圧力中心および足裏のモーメント、および、前記被験者に取り付けられた慣性センサ、および、フォースプレートに取り付けられた慣性センサからの出力値を用いて、被検体の下半身および上半身のそれぞれの変位に基づく値を算出するものである請求項１に記載の状態推定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、人間の下半身や上半身の動きなどの状態を推定できるようにした状態推定システムに関するものであって、より具体的には、フォースプレートに起立した状態で下半身、上半身の動きなどの状態を推定できるようにした状態推定システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、起立している人間の各部位の角度や位置などを推定できるようにしたシステムとして、人間の各部位にマーキングを施し、そのマーキングをモーションキャプチャで取得することによって、マークの変位情報から各関節の位置や各部位の動きなどを検出できるようにしたシステムなどが提案されている。

【0003】

このようなシステムを用いれば、人間の足や脚、上半身などの角度や動きなどを推定することで、例えば、これを患者に適用した場合に、その患者のリハビリ時における回復状況を客観的に判断することができるようになる。

【0004】

しかしながら、上述のようなシステムを用いて人間の各部における位置や動きなどの状態を推定する場合、人間の複数の部位にモーションキャプチャのためのマークを付さなければならず、マークを付するための準備などに手間がかかるといった問題があった。

【0005】

これに対し、本出願人は、立位の状態評価を行う場合に、上半身と下半身の運動が分かれば十分であるため、フォースプレートに載るだけで、その人間の下半身や上半身の動きや姿勢などを検出できるようにした状態推定システムを提案している（特許文献１）。

【0006】

このようなシステムによれば、多くのマーキングなどを付す手間を省くことができ、簡単に人間の姿勢を検出することができるようになるというメリットがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０２０－６９０７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上記特許文献１に示す状態推定システムは、フォースプレートのみを使用して、重心変位および上半身と下半身の動きと、関節モーメントを推定する方法を採用しているため、未知変数が３個に対して、関係式が２個と、情報が不足している。このため、それを補うために、変位と加速度が２階時間微分の関係であることを活用して、未知変数を推定していた。

【0009】

しかしながら、本質的に情報が不足していることによる影響が大きく、この方法では精度が不十分であった。

【0010】

また、少しでも推定精度を上げようとすると、フィルタによる遅延が大きくなり、推定のリアルタイム性が損なわれる問題があった。

【0011】

そこで、本発明は、上記課題に着目して、フォースプレートに載った被験者の下半身や上半身における位置に基づく値を正確に推定できるようにした状態推定システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、複数のロードセルを備えたフォースプレートと、当該フォースプレートに載る被験者に取り付けられた慣性センサと、前記ロードセルからの出力値に基づいて、当該フォースプレートの平面に沿った被検体からの水平力と被検体の立位状態における圧力中心と足裏のモーメントを算出する第一演算部と、当該第一演算部で算出された水平力と圧力中心と足裏のモーメント、および、前記慣性センサからの出力値を用いて、被検体の下半身および上半身の変位に基づく値を算出する第二演算部と、当該第二演算部で算出された値を出力する出力部と、を備えてなる状態推定システムにおいて、前記第二演算部で、あらかじめ足部の質量、下半身の質量、上半身の質量、フォースプレートから足部の重心位置までの高さ、各関節から下半身および上半身の重心位置までの距離、足部および下半身および上半身の長さをパラメーターとして演算するようにしたものである。

【0013】

このように構成すれば、フォースプレートからの値を用いて被検体の下半身や上半身の変位に基づく値を検出する際、推定値に対する情報不足を解消することができ、正確に被験者の立位状態における肢体の状態を推定することができるようになる。

【0014】

また、このような発明において、前記第二演算部を、水平方向の並進運動の運動方程式、および、回転運動の運動方程式、および、被験者に取り付けられた慣性センサによって得られた加速度の関係式を用いて、被検体の下半身および上半身のそれぞれの変位に基づく値を算出するように構成する。

【0015】

このように構成すれば、下半身の変位に基づく値や上半身の変位に基づく値、全身の変位に基づく値という三つの未知数を算出する際、三つの方程式で算出していくことができるようになる。

【0016】

さらに、前記フォースプレートを、水平面方向に沿って移動可能に構成するとともに、慣性センサを取り付けて構成し、前記第二演算部で、前記第一演算部で算出された水平力・圧力中心・足裏のモーメント、および、前記被験者に取り付けられた慣性センサ、および、フォースプレートに取り付けられた慣性センサからの出力値を用いて、被検体の下半身および上半身のそれぞれの変位に基づく値を算出する。

【0017】

このように構成すれば、フォースプレートを水平面方向に揺らすことで、立位の維持が困難な被験者の回復状態を推定する際に、フォースプレートに移動に基づく被験者の身体の立位状態を検出することができるようになる。

【発明の効果】

【0018】

このように、本発明によれば、フォースプレーからの値を用いて被検体の各部位の変位に基づく値を検出する際、推定値に対する情報不足を解消することができ、正確に被験者の立位状態における肢体の状態を推定することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施の形態におけるフォースプレートに起立した状態を示す図

【図2】同形態における状態推定装置の機能ブロック図

【図3】同形態における矢状面の状態を示す図

【図4】同形態における前額面の状態を示す図

【図5】フォースプレートを静止させた状態で、起立状態でモーションキャプチャと本形態で状態を検出した比較図

【図6】フォースプレートを静止させた状態で、股関節を動かした際のモーションキャプチャと本形態で状態を検出した比較図

【図7】フォースプレートを動かした状態で、起立状態でのモーションキャプチャと本形態で状態を検出した比較図

【図8】フォースプレートを動かした状態で、股関節を動かした際のモーションキャプチャと本形態で状態を検出した比較図

【発明を実施するための最良の形態】

【0020】

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

【0021】

この実施の形態における状態推定システムは、フォースプレート２上に起立する人間の下半身や上半身の重心位置や、その位置に基づく値（例えば、加速度など）を推定できるようにしたものであって、図１や図２に示すように、複数のロードセル４を備えたフォースプレート２と、このフォースプレート２に起立した被検体である人間からの水平面方向に沿った水平力・フォースプレート２上の圧力中心・足裏のモーメントを算出する第一演算部５と、この第一演算部５で演算された水平力・圧力中心・モーメントを用いて、被検体の全身の重心位置や、下半身や上半身の重心位置における加速度などを算出する第二演算部６と、を備えるようにしたものである。そして、特徴的に、被験者の頭部や腰部などに一つの慣性センサ９を取り付け、第二演算部６で演算を行う際に、算出すべき推定値に対して必要な情報を補足し、下半身や上半身の動きを正確に推定できるようにしたものである。以下、この実施の形態における状態推定システム１について詳細に説明する。なお、この実施の形態において、説明の関係上、図１に示すように、フォースプレート２の前後方向をX軸方向、左右方向をY軸方向、上下方向をZ軸方向として説明し、被検体にX軸方向に向かって起立してもらうものとする。また、矢状面とはXZ平面、前額面とはYZ平面を示すものとする。また、本実施の形態において用いられる「下半身」とは、足関節から股関節を意味し、「上半身」とは、股関節から頭頂までを意味するものとする。

【0022】

まず、フォースプレート２は、矩形状をなすプレート３の四隅下方にロードセル４を備えて構成される。このロードセル４は、図示しないひずみゲージを起歪体に貼り付けて構成されるものであって、その起歪体の変形をひずみゲージを用いて検出して、XYZ方向に作用する荷重や、そのXYZ軸回りのモーメントなどを検出できるようになっている。そして、これらのロードセル４を用いて、プレート３に作用する被検体からのXY平面に沿った水平力や、XY平面に作用するZ軸方向からの荷重に対する圧力中心、その圧力中心である足裏におけるモーメントなどを算出できるようにしている。また、この実施の形態では、人間を揺動させて各部位の状態の変化を検出できるようになっており、フォースプレート２を水平面方向に沿って動かす際に、その動きを検出する慣性センサ８が設けられている。

【0023】

このようなフォースプレート２に起立された被検体の重心は、動作を行う瞬間において、前後方向に移動し、これに伴って足からフォースプレート２に水平力やモーメントなどが作用するようになる。第一演算部５では、この水平力を算出するとともに、その被検体のZ軸方向の荷重などによって圧力中心や、その圧力中心である足裏のモーメントを算出する。この水平力を算出する場合は、四隅に設けられたロードセル４のX軸方向の荷重の合計を算出し、サンプリング時間における前後の荷重合計値の差分を水平力として算出する。一方、圧力中心を算出する場合は、四隅に設けられたロードセル４のZ軸方向の荷重を検出し、圧力中心の座標を未知数として、モーメントの釣り合い式を用いて圧力中心の座標を算出する。また、足裏のモーメントを算出する場合は、圧力中心を中心として、X軸方向に設けられたロードセルまでの距離と荷重を掛け合わせるとともに、Y軸方向についても、Y軸方向に設けられたロードセルまでの距離と荷重を掛け合わせ、それぞれの方向における足裏のモーメントを算出する。そして、このように算出された水平力や圧力中心、足裏のモーメントを第二演算部６に出力する。

【0024】

第二演算部６では、この水平力や圧力中心、足裏のモーメントを用いて、まず、矢状面における被検体の下半身や上半身の変位に基づく値（加速度）を算出する。これらの加速度を算出するに際して、事前に、足の質量m_f、下半身の質量m₁、上半身の質量m₂、フォースプレート２から足の重心までの距離l_f、足関節から下半身の重心までの距離l₁、股関節から上半身の重心までの距離l₂、足関節から股関節までの長さL₁、股関節から耳道までの長さL₂、下半身の重心を中心とした慣性モーメントJ₁、上半身の重心を中心とした慣性モーメントJ₂、被験者の全体重Mなどをパラメーターとして入力しておくものとする。これらのパラメーターは、被検体から直接測定してもよいし、あるいは被検体の身長や体重から過去の統計値を用いて推測してもよい。

【0025】

一方、被験者の身体に取り付けられる慣性センサ９は、フォースプレート２による推定だけでは補えない値を補足するものであって、被験者の下半身や上半身に取り付けられる。このとき、慣性センサ９は、下半身や上半身のいずれに取り付けてもよいが、頭部に付ける場合、頭部中心の加速度と慣性センサ９による加速度が等しくなるので、その慣性センサ９の値をそのまま使用することができ、正確な推定を行うことができるというメリットがある。また、目眩診断を行う場合、頭部の加速度が必要になるため、肢体の変位だけでなく、その慣性センサ９の値をそのまま使うことができるというメリットもある。一方、腰部に取り付けた場合は、神経性疾患で頭を振ってしまうような患者に対して、その影響を軽減して使用することができるというメリットがある。なお、本実施の形態では、頭部に取り付けた場合と、腰部に取り付けた場合について説明するが、これ以外に、大腿部や下腿部などに取り付けてもよい。そして、これらの慣性センサ９から、その位置における加速度を出力する。

【0026】

このように、身体に取り付けられた慣性センサ９からの加速度や、フォースプレート２からの水平力、圧力中心、足裏のモーメント、および、事前に入力されたパラメーターを用いて、矢状面における下半身の重心位置の加速度x^" ₁、上半身の重心位置の加速度x^" ₂、全身における重心位置x_bを算出する。この算出を行う場合において、まず、フォースプレート２が動いている状態での推定方法について説明する。このフォースプレート２が動いている場合、そのフォースプレート２の慣性センサ８から出力された値も用いる。

【0027】

＜矢状面における状態＞

【0028】

まず、図３に示す分割モデルにおいて、慣性センサ９を身体に取り付けた場合、身体の傾きが小さいと仮定して、次式が成立する。なお、パラメーターとして、足の質量m_f、下半身の質量m₁、上半身の質量m₂、フォースプレート２から足の重心までの距離l_f、足関節から下半身の重心までの距離l₁、股関節から上半身の重心までの距離l₂、足関節から股関節までの長さL₁、股関節から耳道までの長さL ₂、下半身の重心を中心とした慣性モーメントJ₁、上半身の重心を中心とした慣性モーメントJ₂、被験者の体重をMとする。また、慣性センサを頭部に取り付けた場合の加速度をX^" _hd、腰部に取り付けた場合の加速度をX^" _hpとする。

【0029】

水平方向の並進運動の運動方程式

【0030】

【数1】

【0031】

回転運動の運動方程式

【0032】

【数2】

【0033】

頭部の加速度の関係式

【0034】

【数3】

【0035】

股関節の加速度の関係式

【0036】

【数4】

【0037】

なお、大文字のXは、静止座標系の変位を示し、X^" _sはフォースプレート２の加速度、X^" _hdは頭部の加速度、X^" _hpは腰部の加速度を示す。また、R_xは足裏の水平力、N_yは足裏のモーメントを表す。

【0038】

そして、上記数１、数２、数３、もしくは、数１、数２、数４の連立一次方程式を解くことで、全身の重心位置x_b、下半身の重心位置における加速度x^" ₁、上半身の重心位置における加速度x^" ₂、を求める。

【0039】

＜前額面における状態＞

【0040】

図４に示すモデルを対象に、矢状面と同様の方法で推定を行う。なお、推定に際しては、足部、脚部、骨盤、上半身のセグメントで分割し、各セグメントの質量、慣性モーメント、重心高さ、セグメント長を定数m、J、l、Lでそれぞれを表現し、添字fは足部、lは脚部、pは骨盤、uは上半身を意味する。

【0041】

水平方向の並進の運動方程式

【0042】

【数5】

【0043】

回転運動の運動方程式

【0044】

【数6】

【0045】

頭部の加速度の関係式

【0046】

【数7】

【0047】

股関節の加速度の関係式

【0048】

【数8】

【0049】

なお、小文字yは、両足関節の中央を原点する相対座標系における変位を表し、y_bは全身の重心変位、y_lは脚部の重心変位、x_pは骨盤の重心変位、x_uは上半身の重心変位を表す。また、大文字のYは静止座標系の変位で、Y^" _sはフォースプレート２の加速度、Y^" _hdは頭部の加速度、Y^" _hpや腰部の加速度を表す。また、フォースプレート２からの計測値として、R_yは足裏の水平力、N_xは足裏のモーメントを表す。

【0050】

そして、これら数５、数６、数７もしくは、数５、数６、数８の三元連立一次方程式を解くことで、全身の重心変位y_b、下半身の重心加速度y^" ₁、上半身の重心加速度y^" ₂を求める。

【0051】

なお、上述では、フォースプレート２が、水平面方向に沿って変位することを想定したが、フォースプレート２が固定されている場合、X^" _s=0、Y^" _s=0となるため、次式によって全身の重心位置x_b、下半身の重心位置における加速度x^" ₁、上半身の重心位置における加速度x^" ₂、を求めることができる。

【0052】

＜矢上面の状態＞

【0053】

頭部に慣性センサを取り付けた場合は、上記数１から数３において、X^" _s=0となり、マトリックス形式で記述した場合、次式で求められる。

【0054】

【数9】

【0055】

また、腰部に慣性センサを取り付けた場合は、上記数１、数２、数４において、X^" _s=0となり、マトリックス形式で記述した場合、次式で求められる。

【0056】

【数10】

【0057】

＜前額面の状態＞

【0058】

頭部に慣性センサを取り付けた場合、数５から数７において、Y^" _s=0となり、マトリックス形式で記述した場合、次式で求められる。

【0059】

【数11】

【0060】

また、腰部に慣性センサを取り付けた場合は、数５、数６、数８においてY^" _s=0となり、マトリックス形式で記述した場合、次式で求められる。

【0061】

【数12】

【0062】

そして、このように求められた値を、出力部７を介してディスプレイやプリンタなどを介して出力する。

【0063】

このように上記実施の形態によれば、複数のロードセル４を備えたフォースプレート２と、当該フォースプレート２に載る被験者に取り付けられた慣性センサ９と、前記ロードセル４からの出力値に基づいて、当該フォースプレート２の平面に沿った被検体からの水平力と被検体の立位状態における圧力中心と足裏のモーメントを算出する第一演算部５と、当該第一演算部５で算出された水平力と圧力中心と足裏のモーメント、および、前記慣性センサからの出力値を用いて、被検体の下半身および上半身の変位に基づく値を算出する第二演算部６と、当該第二演算部６で算出された値を出力する出力部７と、を備えてなる状態推定システム１において、前記第二演算部６で、あらかじめ足部の質量、下半身の質量、上半身の質量、フォースプレートから足部の重心位置までの高さ、各関節から下半身および上半身の重心位置までの距離、足部および下半身および上半身の長さをパラメーターとして演算するようにしたので、フォースプレー２のロードセル４からの値を用いて被検体の全身の重心位置の変位や、下半身や上半身などの重心位置の加速度を検出する際、推定値に対する情報不足を解消することができ、正確に被験者の立位状態における肢体の状態を推定することができるようになる。

【0064】

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。

【0065】

例えば、上記実施の形態では、数１から数１２を用いて求められた値を出力するようにしたが、加速度や変位だけでなく、サンプリング時間を用いた積分値や微分値によって、変位、速度、加速度に統一して出力するようにしてもよい。

【0066】

また、上記実施の形態では、フォースプレート２を水平面方向に沿って動かす際に、フォースプレート２に設けられた車輪を用いてフォースプレート２を動かすようにしたが、モーターを用いてフォースプレート２を前後方向に揺動させるようにしてもよい。

【0067】

【実施例0068】

安静立位と股関節戦略運動（矢状面）、支持面揺動（矢状面）、支持面揺動（前額面）で推定精度を検証した。検証の対象は、全身の重心変位、下半身重心加速度、上半身重心加速度で、モーションキャプチャによる手法と本手法を比較する。

【0069】

図５は、フォースプレート２を固定した際における全身の重心位置の変位と、矢状面と前額面の下半身と上半身の重心位置における加速度を示すものである。また、図６は、フォースプレート２を固定した状態で、腰部を動かした際における全身の重心位置の変位と、矢状面と前額面の下半身と上半身の重心位置における加速度を示すものである。

【0070】

また、図７は、フォースプレート２を動かした際における全身の重心位置の変位と、矢状面と前額面の下半身と上半身の重心位置における加速度を示すものである。また、図８は、フォースプレート２を動かした際における全身の重心位置の変位と、矢状面と前額面の下半身と上半身の重心位置における加速度を示すものである。なお、各図において、実線がモーションキャプチャによる計測値を示し、破線が本手法による計測値を示している。

【0071】

各図から分かるように、モーションキャプチャによる手法と、本手法では、全身の重心位置と下半身では、ほぼ同様の状態が検出されており、上半身では、かなり近い相関性を有していることが示される。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明は、例えば、眩暈や神経性麻痺を有している患者に対して治療やリハビリを行う際、客観的なデータによって回復状態を示すことができる分野に使用される。

【符号の説明】

【0073】

１・・・状態推定システム
２・・・フォースプレート
３・・・プレート
４・・・ロードセル
５・・・第一演算部
６・・・第二演算部
７・・・出力部
８・・・慣性センサ
９・・・慣性センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】