千葉大学人間生活工学研究室修論概要（2005） 大腿部下端加速度に注目した歩行分析法の開発 ー加速度波形の再現性と特徴的パターンの検討ー キーワード：加速度センサ、特徴的パターン、 オンライン検出 人間生活工学教育研究分野：竹内智之 ■研究の背景 我々が歩行する際、遊脚相中につまずきを防ぐために足関節を 背屈させている。 しかし、現在利用されている義肢装具では足関節 は受動的な動きしかできず、 この背屈制御を行うことができない。 また、現在様々な歩行分析法が利用されているが、それらは機 器が大掛かりで測定環境が限定されてしまったり （床反力計、 ビデ オカメラによる評点計測など）、 またセンサを身体に複数取り付け、 取り付けに細かい設定が必要であったりする （フットスイッチ、 ゴニ オメータなど）。 これに対して、1つのセンサで測定が可能で、取り 付けも簡単に行えるものであれば、 より簡便な歩行分析が可能に なると思われる。 そこで本研究では、センサが小型軽量で取り付けの細かい設定 を必要としない加速度センサに注目した。 これにより衝撃加速度と 傾斜角度の両方をリアルタイムに計測することができる。加速度セ ンサを下肢に取り付けた場合、支持面に接した際の衝撃、下肢の 振りを判断することができ、簡便な歩行分析法の検討が可能にな 1 歩行周期 加 下 速 度 ︵ 上 下 方 向 ︶ 足 関 節 角 度 上 底屈 上方向への加速の 開始点 底屈の開始点 底屈から背屈への 変換点 背屈 踵接地 0 ると思われる。 また、加速度センサのこれらの利点を活かせば義肢 上方向から下方向 への変換点 足指離地 0.5%ごとに1データ 計 201 データ 踵接地 100%time 装具における背屈制御にも応用できると考えられる。 図１ 歩行周期の切り出し ■研究の目的 加速度センサを用いた下肢の状態の判断を行うための歩行分 ることができ、上下方向の加速度波形にこれらの点と対応する点 析法を開発することを最終目的として、下肢に加速度センサを取り が確認され、 これをもとに歩行周期の切り出しを行った。歩行周期 付けてトレッドミルによる歩行実験を5つの速度条件で行った。そ ごとに切り出した後、1歩行周期を100％として歩行周期時間の標 して、加速度波形における再現性と被験者内、被験者間を通して 準化を行い、 また、歩行周期ごとにデータ数が異なるのでリサンプ の普遍的な特徴的パターンの存在を明らかにするために「同一被 リングを行い、データ数を調整した（図1）。 験者で一定速度での1歩行周期ごとの加速度波形に再現性がある か（歩行周期での比較）」、 「同一被験者で歩行速度が異なる場合 ■結果と考察 でも加速度波形パターンには類似性があるか（被験者内での比 ＜歩行周期での比較＞ 較）」、 「被験者が異なる場合でも加速度波形パターンには類似性 各速度条件において連続した10の歩行周期に対して歩行周期 があるか（被験者間での比較）」を検討し、 またオンラインでの下肢 時間の変動係数を求めた。その値は小さく （CV=0.7∼3.1%）、歩 の状態の検知を試み、義肢装具における遊脚相中の背屈制御へ 行周期時間にはばらつきがほとんどなく近似していたと言える。 ま の応用方法を検討することも目的とした。 た、歩行周期ごとに全ての組み合わせで相互相関関数を求めて歩 行周期ごとのずれ時間の平均を見たところ、全被験者の全速度条 ■研究の方法 件において平均ずれ時間は1%time以内（-0.53∼0.86%time）に ＜被験者＞ 収まっており、歩行周期ごとにはずれ時間がほとんど無く時間的特 被験者は歩行機能に障害のない健康な男子大学生8名（平均年 性が類似していたと考えられる。 よって、今回設定した歩行周期の 齢21±2.4歳） とし、実験前に各々が最適だと感じる速度で歩行さ 切り出し点は妥当であったと示唆される。 また、加速度振幅にはば せ、最適速度を求めた。 これを基に-10%、-20%、+10%、+20%の速 らつきが多少見られたが概形は近似していた。 度条件をそれぞれ設定し、最適速度を含めた5つの速度条件でト 以上のことより、同一被験者で一定速度での加速度波形には1 レッドミル歩行を行った。 歩行周期ごとには良好な再現性が存在することが確認された。 ＜測定項目＞ ＜被験者内での比較＞ 下肢に加速度センサを取り付けるにあたり、取り付け位置はわ 被験者内での加速度波形パターンの比較を行うために各速度 かりやすい位置を考え、 また義肢装具への実装も視野に入れて体 条件における連続した10の歩行周期の平均波形に対して、特徴点 幹になるべく近い近位とし、大腿部下端に設定した。3軸加速度セ a∼h点を定めた。 これは全被験者で確認された。 この特徴点の一 ンサを膝蓋骨上縁から2cm上方に固定し、大腿部下端での加速度 連のパターンが、歩行周期に対応した加速度波形の特徴的パター を測定した。 また、下肢の状態を判断するために足関節、膝関節の ンであると思われる。そこで、速度条件間での特徴点の相対出現 関節角度を電気式ゴニオメータで測定し、下肢の筋活動から歩行 時間の回帰分析を行い、相関係数を求めた。全被験者の全速度条 の周期性を確認するために大腿直筋、半腱様筋、前脛骨筋、 ヒラメ 件間で各特徴点の相対出現時間には多少のばらつき （SD=0.2∼ 筋での表面筋電図を測定した。 ＜歩行周期の切り出し＞ 3.7%time）が見られたが、速度条件間で有意に高い正の相関 （r=0.990∼0.999）が見られ（図2）、速度が異なっても特徴点の出 各関節の角度変化と下肢の筋活動から、一般に言われている歩 現タイミングの比率は類似していたと考えられた。 行の周期性を改めて確認することができ、3方向の加速度波形に 以上のことより、同一被験者で歩行速度が異なる場合でも加速 もそれぞれ周期性が確認され、加速度波形の歩行周期ごとの切り 度波形パターンには高い類似性が存在することが確認された。 出しを試みた。足関節の角度変化から踵接地、足指離地を判断す 千葉大学人間生活工学研究室修論概要（2005） 1.5 b 1 e g c 0.5 100 100%time 90 80 70 速 度 60 50 条 50 件 40 30 20 10 00 50 100% 0 10 20 100 30 4050 50 60 70 80 90100 %time 速度条件B 被験者2 0G -0.5 -1 -1.5 d a -2 h f ：2SD -2.5 0 10 20 30 -20% 40 -10% 50 60 70 相関係数 : 0.990 ∼ 0.999 回帰係数 : 0.92 ∼ 1.04 : -1.29 ∼ 2.49 +20% 切片 80 90 100 図2 各速度条件での加速度波形、各特徴点の散布図（全被験者） 1.5 b 1 0.5 100 100%time 90 80 70 被 60 50 験 50 者 40 30 20 10 00 00 10 20 100% 100 30 4050 50 60 70 80 90100 %time 被験者B g e c 0G -0.5 f -1 -1.5 d a h ：2SD -2 0 10 20 30 40 50 60 70 BPF ピーク検出 LPF ０ ピークの判別 %time +10% 最適 原波形 80 90 100 %time 被験者1 被験者2 被験者3 被験者4 被験者5 被験者6 被験者7 被験者8 相関係数 : 0.996 ∼ 0.999 回帰係数 : 0.92 ∼ 1.07 切片 : -3.91 ∼ 4.59 背屈制御信号 開始 終了 足関節角度 図5 オンライン検出 ■義肢装具における背屈制御への応用 義肢装具における遊脚相中の背屈制御方法を考えた場合、加速 度波形をオンラインで処理することにより足関節の背屈が開始さ れる遊脚相の開始点と、背屈が終了する遊脚相の終了点をリアル タイムに検出することができれば、 これらを制御信号として用いる ことができると考えられる。そこで、加速度波形から遊脚相の開始 点と終了点をリアルタイムに検出するためのオンライン処理方法 について検討した。 図3 各被験者での加速度波形、各特徴点の散布図（最適速度） ＜BPFによる遊脚相の開始点、終了点の検出＞ 遊脚相の開始点、終了点を検出するにあたり原波形にバンドパ スフィルタ （BPF）をかけることでそれぞれを際立たせ、各点を検出 ＜被験者間での比較＞ しやすくすることを考えた。遊脚相の開始点は終了点に比べて明 被験者間での加速度波形パターンの比較のために、速度条件を 確ではないため直前のピークを検出することで対応した。今回5Hz 最適速度にそろえて比較したところ、被験者間での比較と同様に から10Hzを通過域に設定したところ、 フィルタリングに伴う時間遅 各特徴点の相対出現時間には多少のばらつき （SD=0.8∼2.7% れは全被験者においてほとんど無かった。 time）が見られたが、全被験者間で有意に高い正の相関（r=0.996 ＜LPFによる遊脚相の開始点、終了点の判別＞ ∼0.999）が見られ（図3）、被験者が異なっても特徴点の出現タイ BPFにより開始点、終了点に対応する点が検出できるようになっ ミングの比率は類似していたと考えられた。 たが、オンラインではどちらが開始点か終了点か判別できない。そ 以上のことより、被験者が異なる場合でも加速度波形パターン こで、遮断周波数１Hzのローパスフィルタ （LPF）をかけた波形を には高い類似性が存在することが確認された。 用いてその0ラインとの2つの交点、正負の転換点から開始点、終 了点の判別を考えた。正から負への転換点の後に現れたピークを ■特徴的パターン 結果より加速度波形には歩行周期ごとの良好な再現性、および 被験者内、被験者間での高い類似性の存在が確認され、 このこと から被験者内、被験者間を通した普遍的な特徴的パターンが存在 することが示された。そこで、最適速度を基準として各被験者の特 徴点の相対出現時間の平均値から特徴的パターンを図4のように 示した。ただし加速度振幅は相対値になっており、あくまで波形の パターンを表している。 また、各特徴点が示す歩行周期上の下肢 の状態を定義できた。 開始点、 また負から正への転換点の後に現れたピークを終了点と して判別することが可能になる。 ＜背屈制御信号のオンライン検出＞ 原波形にBPFをかけることで遊脚相の開始点の直前および終了 点でのピークが際立った波形が得られ、LPFをかけることで遊脚相 の開始点直前のピークと終了点でのピークの判別を行うことので きる波形が得られた。 この2つの波形を用いることで背屈制御の開 始点、終了点をオンラインで検出することが可能だと思われる。 以上の波形処理を実際にオンラインで行ったところ、遊脚相の 開始点、終了点に対応した信号の検出が可能であった（図5）。ただ 下 g 踵接地 b 衝撃の反動 大腿部の前方への 大腿部の前方への 振り出し 振り出し c a 踵接地の衝撃 なっていた。 しかし、大腿部下端での加速度波形をオンラインで処 理することにより、遊脚相の開始点、終了点をリアルタイムに検出 することが可能であることが示された。 e d 上 し、検出した信号は実際の遊脚相の開始点、終了点よりも若干早く f 足指離地 ■まとめ h 過度の振り出し を防ぐ減速 験者内、被験者間を通した普遍的な特徴的パターンの存在が明ら %time 立脚相 大腿部下端での上下方向の加速度波形には、歩行周期ごと の再現性、および被験者内、被験者間での類似性が確認され、被 遊脚相 かとなり、歩行分析法としての有用性を示すことができた。 また、加 速度波形を用いた遊脚相の開始点、終了点のオンライン検出の方 法が具体的に示され、義肢装具における遊脚相中の背屈制御への 図4 特徴的パターン 応用も可能であることが示唆された。
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