JPH0255045A - 歩行因子解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被検体の足底の部分的荷重順序、部分的接地
順序及び歩幅を検出し、これらに基づいて決行因子を解
析する歩行因子解析装置に関する。

〔従来の技術〕

下肢の骨折、切断、関節手術後或は脳卒中片マヒ後のリ
ハビリテーションにおいては、回復の度合と現障害の程
度とを歩行状態を通し【定量的に評価することが行なわ
れている。そしてこの評価に基づいて、リハビリテーシ
ョンの初期においては、患肢に加わる荷重を制限調節し
、回復状態に合わせて段階的に全荷重まで増加させて行
うトレーニングが行なわれる。

この際、過度の荷重をかけることは避けねばならないが
、適度な荷重をかけながら歩行訓練を行なうことはむし
ろ骨折部の早期の回復、断端側の回復の促進及び歩行機
能の早期回復に有効である。このような機能回復を目的
として、本願の出願人は、特願昭６３−１８２２号「圧
力分布測定装置」及び特願昭６３−３９４７１号「圧力
分布測定装置」をすでに提案している。

これらの提案に係る装置では、マットに対してマ）　Ｉ
Ｊラックス交点位置に多数の容量性トランスデユーサを
それぞれ設け、被検体の足底の荷重の分布によるそれぞ
れの容量性トランスデユーサの容量の変化を検出して、
足底の荷重の圧力分布を精度よく測定し、機能回能の資
料とすることが出来る。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の提案に係る圧力分布測定装置では、マット上でし
か足底の圧力分布の測定を行なうことは出来ないので、
直線上を比較的長距離連続して歩行する場合の測定を行
なうことは出来ない。また、平担なマット上での測定な
ので、坂道を歩行したり、階段を登り降りする、状態で
の測定を行なうことも出来ない。

本発明は、前述したようなこの種の圧力分布測定装置の
現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、足底の
複数部分についての荷重と歩幅とを、坂路や階段も含め
た実際の決行条件下で測定し、足底の部分的な接地順序
、その時の足底の部分的荷重及び歩幅を把握して、より
厳密な決行状態の解析を行なうことが出来る歩行状態解
析装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記の目的を達成するために、本発明では被検体の足底
に分散して取り付けられ、前記足底の部分荷重に対応し
てそれぞれ静電容量が変化する複数の可変容量コンデン
サ式圧力センサと、これら複数の可変容量コンデンサの
板極間に得られる前記部分荷重に対応する電気信号を、
時分割光は号に変換して伝送する光信号伝送器と、この
光信号伝送器からの時分割光信号を受光し、前記部分荷
重及びその荷重位置に対応した電気信号を出力する受光
装置と、この受光装置から出力される電気信号に基づ〜
・て、歩行状態の解析を行なう演算装置とを有する構成
となっている。

〔作　　用〕

本発明に係る歩行因子解析装置を装着した被検体が、起
伏や階段などがある通常の歩行路を訓線路として歩行す
ると、例えば足底の後足部、左側前足部及び右側前足部
にそれぞれ取り付けられている可変容量式圧力センサの
コンデンサの容量が、歩行に伴なう足底の部分荷重の変
化に対応して遂次変化する。

これらの可変容量コンデンサの容量変化は、パルス発振
周波数の変化として取り出され、このパルス信号が、例
えば被検体の足首に装着される光信号伝送器によって、
時分割光信号に変換されて伝送される。

このようにして、光信号伝送器から伝送される時分割光
信号は受光装置で受光され、受光装置からは足底の部分
荷重信号と足底の部分の接地を示す接地は号とが出力さ
れる。この受光装置からの電気信号は、演算装置に入力
され、演算装置によって足底部分の接地順序、各部分の
荷重及び歩幅がそれぞれ演算され、起伏や階段を有する
歩行路を歩行する場合の歩行状態の解析が行なわれる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図に示すように、被検体１０足底に対向して計測靴
３の敷皮２部分に、第２図に示すように足底の後足部分
、左側前足部及び右側前足部にそれぞれ分散して可変容
量コンデンサ４が取り付けられている。これらの可変容
量コンデンサ４は、第３図に示すように、独立気泡性の
スポンジゴム５を挾んでアクティブ電極８とアース電ｆ
ｆ９とが設けられ、アクティブ電画８上に絶縁層１１を
介してドライビングシールト１゜が配されている。そし
て、このドライビングシールド１０上に絶縁層１２を介
して保護プラスチック７が配され、アース電極９下には
保護ゴムロが配された構造となっている。

足底に対向して配される３個の可変容量コンデンサ４け
、被検体１０歩行に伴って生じる足底のそれぞれ対向す
る部分の部分荷重によってネオプレ／ゴムスポンジ５が
押し込まれて変形することにより、極板となるアクティ
ブ１険８及びアース電極９間の静電容量が変化するよう
になっている。

第４図に示すように、可変容量コンデンサ４の容量がマ
ルチバイブレータとして作動するオペアンプ１３の時定
数回路に接続され、オペアンプ１３の出力端子に可変容
量コンデンサ４の容量に反比例するパルス例を出力する
センサ回路１４が設けられている。このような構成のセ
ンサ回路１４が、左右の足底に対してそれぞれ３個ずつ
全体で６個設けられている。オペアンプ１３の反転入力
端子がオペアンプ１５を介して可変容量コンデンサ４の
一方の極板に接続されて各センサ回路１４にはドライビ
ングシールド１０が施されている。

このようにして、足底の後足部に取り付けられる可変容
量コンデンサ４が時定数回路となっているセンサ回路１
４０基本発振周波数は、例えば２ＫＨ２足底の左側前足
部に取り付けられる可変容量コンデ／す４が、時定数回
路となっているセ／す回路１４０基本発振周波数は、例
えば３　ＫＨ２に選択されている。同様に、足底の右側
前足部に取り付けられる可変容量コンデンサ４が時定数
回路となっているセ、ンサ回路１４の基本全損周波数は
、例えば５　ＫＨ２に選択されている。

従って、被検体１０歩行に伴って足底の部分荷重がそれ
ぞれ変化すると、足底の後足部に接続されているセンサ
回路１４からは、ｆ＝（２−△ｆ）ＫＨ２の出力信号が
、足底の左側前足部に接続されているセンサ回路１４か
らは、ｆ＝（３−Δｆ　）ＫＨ２の出力信号が、足底の
右側前足部に接続されているセンサ回路１４からは、ｆ
＝（５−Δｆ）ＫＨ２の出力信号がそれぞれ出力される
ようになっている。

これらの６個のセンサ回路１４からの出力信号を時分割
的に取り出す時分割回路１５は、片足側のみ示せば、第
５図のような構成となっていて、無安定マルチバイブレ
ータ１６の出力端子が計数回路１７の入力端子に接続さ
れ、計数回路１７の出力端子がデユード回路１８の入力
端子に接続されている。そして前述した足底の後足部、
左側前足部及び右側前足部に接続されるセンサ回路１４
が、それぞれマルチプレクサ１９に接続され、このマル
チプレクサ１９がデコード回路１８のデコード信号によ
って制御駆動されるようになっている。

そして、マルチプレクサ１９の出力端子には、第６図に
示す構成のテレメータ発光回路２０が接続されている。

即ち、マルチプレクサ１９の出力端子は、反転回路２１
及び抵抗Ｒ５を介しテ、トランジスタ２２０ペースに接
続サレ、トランジスタ２２のコレクタが発光ダイオード
２４の陰極側に接続され、発光ダイオード２４の陽極側
は抵抗Ｒ６を介して所定電圧に設定されている。トラン
ジスタ２２のエミッタにトランジスタ２３０ベースが接
続されて所謂ダーリントン回路が構成され、電流増幅率
が太き（なるように接続されている。

このように構成されているので、発光ダイオード２４か
らは、デコード回路１８の出力信号によって順次選択さ
れる足底後足部、足底左側ｉ１Ｔ１定部及び足底右側前
足部に接続されているセ／す回路１４の出力信号に対応
する光は号が時分割的に発せられ、伝送されるようにな
っている。

発光ダイオード２４からの光信号を受光する受光回路２
５は第７図に示す構成を有し、逆バイアスされたフォト
ダイオード２６の陰極側がコンデンサＣＯを介してオペ
フッ１２フ０反転入力端子に接続されオペアンプ２７の
出力端子はコンデンサ２８を介して、オペアンプ２９の
非反転入力端子に接続されている。

前述のオペアンプ２９の出力端子には、第８図に示すよ
うな構成の復調回路３０が接続されている。即ち、オペ
アンプ２９の出力端子は波形整形回路３１０入力端子に
接続され波形整形回路３１の出力端子には、微分回路３
２が接続され、微分回路３２の出力端子は単安定マルチ
バイブレータ３３の入力端子に接続され、単安定マルチ
バイブレータ３３の出力端子には平滑回路３４が接続さ
れている。また、微分回路３２の出力信号によりリセッ
トされるランプ電圧発生回路の出力端子にコンパレータ
３７が接続されている。

このようにして、復調回路３０の平滑回路３４の出力端
子からは、オペアンプ２９の出力信号のパルスの発振周
波数に比例する波高値の直流電気信号が出力される。

全体の回路構成を示すと、前述の復調回路３０が第１０
図に示すように、受光回路２５の出力端子に接続され、
復調回路３０の出力端子が、時分割復調回路３８の入力
端子に接続され、時分割復調回路３８の出力端子とコン
パレータ３７の出力端子とが、解析回路３９に接続され
ている。また、カメラ４０の出力端子がサンプリング回
路４１０入力端子に接続され、このサンプリング回路４
１の出力端子が位置演算回路６０に接続されている。

このような回路構成において、時分割復調回路３８は第
９図に示すような構成を有し、単安定マルチバイブレー
タ４２が３段互いに直列に接続され、それぞれの単安定
マルチバイブレーク４２に、各時分割に対応して平滑回
路３４が接続され、平滑回路３４の出力端子に互いに並
列に三つのサンプルホールド回路４３が接続されている
。これらのサンプルホールド回路４３は前述の単安定マ
ルチバイブレータ４２のそれぞれＫよって駆動され、直
列に接続された初段ノ単安定マルチバイブレータ４２に
、コンパレータ３７から出力される同期信号が入力され
るように構成されている。

また、三つのサンプルホールド回路４３の出力端子が、
それぞれ復調後の信号を平滑する平滑回路４４を介して
オートゼロ回路４５に接続されている。

次に第１１図に示すように、カメラ４０は半導体で形成
され、光起電力効果を利用して光の入射位置を受光面４
６に、Ｙ１礪４７が互いに対向して配され、これらのＹ
１他４７に直角に、Ｘ電極４８が互いに対向配設された
構成となっている。

一方のＹ電極４７は、オペアンプ４９の入力端子に接続
され、オペアンプ４９の出力端子は減算回路５１と加算
回路５００入力端子に接続されている。また、他方のＹ
電１ｆ４７は、オペアンプ５２０入力端子に接続され、
オペアンプ５２の出力端子は減算回路５１と加算回路５
００入力端子に接続され、加算回路５０及び減算回路５
１の吊子端子は、サンプリング回路４１に接続されてい
る。さらに一方のＸ電極４８は、オペアンプ５３０入力
端子に接続サレ、オペアンプ５３の出力端子は減算回路
５４０入力端子と加算回路５５０入力端子に接続されて
いる。

そして他方のＸｔ曝４８は、オペアンプ５６の入力端子
に接続され、オペアンプ５６の出力端子は減算回路５４
と加算回路５５０入力端子に接続され、減算回路５４及
び加算回路５５の出力端子はサンプリング回路４１に接
続されている。

加算回路５０の出力端子と、加算回路５５の出力端子と
が、加算器６１の入力端子に接続され、加算器６１の出
力端子がコンパレータ６２の入力端子に接続され、コン
パレータ６２の出力端子が、単安定マルチバイブレータ
６３の入力端子に接続されている。この単安定マルチバ
イブレータ６３かう、す／ブリング回路４１にサンプリ
ングのタイミング信号が入力されるようになっている。

サンプリング回路４１には位置演算回路６０を構成する
割算回路５７．５８が接続され、これら割算回路５７．
５８の出力信号が二次元平面での入射位置に比例するよ
うになっている。

そしてこの位置演算回路６０の出力端子が、第１０図に
示すように解析回路３９に接続されている。

このような構成の実施例において、可変容量コンデンサ
４が可変容量式圧力センサを構成し、時分割回路１５及
びテレメータ発光回路２０が光信号伝送器を構成し、受
光回路２５、復調回路３０時分割復調回路３８、カメラ
４０及び直流再生回路４１が受光装置を構成し、位置演
算回路６０及び解析回路３９が演算装置を構成している
。

次に、実施例の動作を説明する。

第４図において、足底の部分荷重によって可変容量コン
デンサ４の容量が変化すると、足底の後足部に対応する
センサ回路１４の発振周波数は２−Δ／ＫＨ２に、足底
の左側前足部に対応するセンサ回路１４の発振周波数は
３−ｍｆＫＨ７に、足底の右側前足部に対応するセ／す
回路１４の発振周波数は５−ΔｆＫＨｚに変化する。こ
れらの周波数の信号は、それぞれのセンサ回路１４から
第５図に示すようにマルチプレクサ１９に与えられる。

一方、第５図において、計数回路１７は無安定マルチバ
イブレータ１６の出力信号を計数して、ｌＱｍｓｅｃ　
　ごとに信号の論理値が反転するパルス信号を出力する
。デコード回路１８はこの計数回路１７からのパルス信
号を計数し、最初のパルスを計数するとマルチプレクサ
１９を駆動して、足底の後足部に対応するセンナ回路１
４の出力信号（以下ＣＨＩの出力信号という）を選択し
て出力させる。

同様にして、デコード回路１８が２個のパルスを計数す
ると、マルチプレクサ１９からは、足底の左側前足部に
対応するセンナ回路１４の出力信号（以下ｃＨ２の出力
信号という）が出力され、デコード回路１８が３個のパ
ルスを計ａすると、マルチプレクサ１９からは、足底の
右側前足部に対応するセンサ回路１４の出力信号（以下
ＣＨ３の出力信号という）が出力される。そして、デコ
ート回路１８は４個のパルスの計数によってリセットし
、この時マルチプレクサ１９からの出力はない。

このように、マルチプレクサ１９によって順次選択され
るＣＨＩ、ＣＨ２及びＣＨ３の出力信号によって、第６
図に示すテレメータ発光回路２００発光ダイオード２４
からは、第１２図に示すような光信号が伝送される。

そして、この光信号が第７図に示す受光回路２５で受光
され、コンパレータ２９の出力端子に、入力光信号に対
応する入カバルス言号が得られる。この入カバルス信号
は、第８図に示す復調回路３０に与えられ、波形整形回
路３１及び微分回路３２を介して単安定マルチパイプレ
ーク３３に入力され、単安定マルチバイブレータ３３か
ら出力される矩形波が平滑回路３４によって平滑化され
て周波数変化に比例した直流電圧信号が得られる。

この場合単安定マルチバイブレータ３３から出力される
矩形波の発振周波数は、それぞれＣＨＩ、ＣＨ２及びＣ
Ｈ３の出力信号の周期に対応しているので、平滑回路３
４がら得られる直流電圧信号の波高値は、それぞれ足底
の後足部、左側前足部及び右側前足部への部分荷重に対
応している。

一方、復調回路３０において、微分回路３２の出力信号
によって積分回路３５のコンデンサが短絡されてランプ
電圧は号が生じるか、ＣＨ４の領域にはパルスが存在せ
ずランプ電圧信号が高波高値の基準レベルでとらえられ
、コンパレータ３７の出力には、ＣＨ４の出力信号に同
期した同期信号が得られる。

この同期信号が第９図に示す時分割復調回路３８の単安
定マルチバイブレータ４２に与エラれ、復調回路３０の
平滑回路３４からの直流電圧信号が、時分割復調回路３
８のそれぞれのサンプルホールド回路４３に与えられる
。このために、時分割復調回路３８においては、１０ｍ
５ｔｃ間隔で、直流電圧信号がサンプルホールド回路４
３で遂次サンプルホールドされて、それぞれのＣＨに対
応する直流電圧信号が平滑回路４４に与えられる。

次いで、それぞれの平滑回路４４の出力信号が対応する
オートゼロ回路４５に与えられ、オ−トゼロ回路４５で
は、平滑回路４４の出力信号に対して、それぞれの基本
周波数例えば２ＫＨｚ、３ＫＨｚ、５ＫＨｚを零しヘル
ニする操′作が行なわれる。

このようにして、第９図の時分割復調回路３８のオート
ゼロ回路４５の出力端子には、それぞれ２ＫＨ２，３Ｋ
Ｈｚ及び５　ＫＨ２を零レベルとするＩＣＨ，２ＣＨ及
び３ＣＨの出力信号が、周波数即ち部分荷重に対応して
得られる。

そして、時分割復調回路３８のオートゼロ回路４５に得
られる部分荷重に対応した出力信号ト、コンパレータ３
７（得られるそれぞれの足底部分の接地を示す接地画号
が、第１０図に示すように解析回路３９に与えられる。

一方、第６図に示すテレメータ発光回路２゜の発光ダイ
オード２４から発せられる光信号は、第１１図に示すカ
メラ４ｏでも受光される。カメラ４０の受光面４６のＰ
点に入射した光は第１３図の時刻ｔｒｔｚ・・−・・で
サンプリングされ、光電変換されてＰ点のＸ座標及びＹ
座標に対応してＸ電極４８及びＹ電極に電流が流れる。

この電流はオペアンプ４９，５２で電圧に変換され、加
算回路５０によってＹ軸方向の全光量に対応する電気信
号ΣＹが得られ、オペアンプ４９．５２の出力信号の差
を減算回路５１で求めることにより、Ｙ軸方向の位置に
対応する電気信号ΔＹが得られる。Ｘ軸方向についても
同様にして、加算回路５５の出力としてＸ軸方向の全光
量に対応する電気信号ΣＸが得られ、減算回路５４の出
力としてＸ軸方向の位置に対応する電気信号ΔＸが得ら
れる。このようにして得られた電気信号ΣＹ１ΔＹ１Σ
Ｘ１ΔＸは直流再生回路４１を介して、位置演算回路６
０に与えられ、割算回路５７でΔＹ／ΣＹが演算されて
Ｙ座標Ｙｏが求められ、割算回路５８でΔＸ／ΣＸが演
算されてＸ座標ＸＯが求められる。これらのＸ座標及び
Ｙ座標に対応する信号は、第１０図に示すように解析回
路３９に入力される。

このようにして、解析回路３９には、ｌＣＨ２０Ｈ及び
３ＣＨの出力は号に対応する部分荷重信号、部分荷重の
接地を示す接地官号及びカメラ４０による座標は号が入
力され、解析回路３９ではこれらの信号に基づいて、足
底部分の接地順序と対応する部分荷重の関係、接地＠号
と座標信号から得られる歩幅と荷重分布の関係、左右の
足底の接地順序及び部分荷重の関係など、各種の歩行訓
練データの解析を行なう。

以上に説明したように、実施例によると足底の後足、左
側前足部及び右側前足部の歩行時における接地順序及び
部分荷重、並びに歩幅を、坂路や階段の歩行も含めた歩
行路において連続的に測定解析することにより、リハビ
リ１−／コンに必要な詳細な機能情報を得ることが出来
る。従ってこれらの機能情報に基づいて適確なリハビリ
テーションを行なって、早期の機能回復が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によると、勾配や階段などを含む実際の歩行路で
の、足底の部分的接地順序、部分荷重、歩幅などの歩行
データを遠隔的に比較的長時間にわたって測定すること
が可能で、これらの歩行データに基づいて、機能の早期
回復が得られる適切なリハビリテーションを行なうこと
が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第１３図は本発明の詳細な説明する図で、第
１図は被検体への装着状態を示す正面図、第２図は可変
容量コンデンサの敗り付は状態を示す平面図、第３図は
可変容量コンデンサの構成を示す説明図、第４図はセ／
す回路の構成を示す回路図、第５図は時分割回路の構成
を示す回路図、第６図はテレメータ発光回路の構成を示
す回路図、第７図は受光回路の構成を示す回路図、第８
図は復調回路の構成を示す回路図、第９図は時分割復調
回路の構成を示すブロック図、第１０図は全体の回路構
成を示すブロック図、第１１図はカメラの構成と接続関
係を示すブロック図、第１２図は光信号を示す波形図、
第１３図は部分荷重信号とサンプリング時期との関係を
示す波形図である。 １・・・・・・被検体、４・・・・・・可変容量コンデ
ンサ、１４・・・・・・センサ回路、１５・・・・・・
時分割回路、２０・・・・・・テレメータ発光回路、２
５・・・・・・受光回路、３０・・・・・・復調回路、
３８・・・・・・時分割復調回路、４０・・・・・・カ
メラ、４１・・・・・・サンプリング回路、６０・・・
・・・位置演算回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検体の足底に分散して取り付けられ、前記足底
   の部分荷重に対応してそれぞれ静電容量が変化する複数
   の可変容量式圧力センサと、これら複数の可変容量式圧
   力センサの板極間に得られる前記部分荷重に対応する電
   気信号を、時分割光信号に変換して伝送する光信号伝送
   器と、この光信号伝送器からの時分割光信号を受光し、
   前記部分荷重及びその荷重位置に対応した電気信号を出
   力する受光装置と、この受光装置から出力される電気信
   号に基づいて、歩行状態の解析を行なう演算装置とを有
   することを特徴とする法行因子解析装置。
2. （２）請求項１において、可変容量コンデンサが、被検
   体の足底の後足部、足底の左側前足部及び足底の右側前
   足部にそれぞれ取り付けられた構成であることを特徴と
   する歩行因子解析装置。
3. （３）請求項１において、複数の可変コンデンサが、靴
   の敷皮状に形成されていることを特徴とする歩行因子解
   析装置。