はじめに ヒトにおける立位姿勢は平衡感覚器からの入力を 中枢で処理し，骨格筋に出力することで保持してい る。そのため，身体動揺には平衡感覚の統合的な情 報が含まれている。身体動揺を計測する手段として 長らく重心動揺検査などのように足圧から計算され る身体動揺の計測が用いられてきた。またモーショ ンキャプチャシステムを用いた身体各部の動揺を検 出する方法も報告されている１）。しかし，これらの 方法では重量のある force plate の使用やマーカ・ センサの設置など煩雑なセッティングを要する。比 較的セッティングが容易なモーションキャプチャユ ニット（KinectⓇ）を用いた研究もあるが２），携帯性 も含め簡便な身体動揺の計測手段が少ないのが現状 である。 近年タブレット PC やスマートホンなどのスマー トデバイスが普及し，タブレット PC の一世帯当た りの保有率は２０１８年時点で４０．１％，スマートホンは ７９．２％に達している３）。タブレット PC は内蔵スト レージにデータの保存が可能で，その多くは加速度 センサを搭載している。そのため，コンパクトな機 器でありながらタブレット PC のみで３軸運動の計 測・記録が可能である。その利便性からこれらの機 器は医療分野において，肢位の測定や日常生活の行 動などの調査に利用されている４）５）。また，スマート
Although posturography and motion capture system are useful to measure postural
stabil-ity, they are difficult to transfer or setup. Because most tablet PCs are equipped with an
accel-erometer and storage media, they can measure and record motion in single units. In an attempt
to identify a measuring system that would be excellent in portability and handiness, we
investi-gated the usefulness of a tablet PC to measure the body stability. First, we assessed the
proper-ties of the accelerometer in four tablet PCs, as compared to an inertial sensor, the accuracy of
which was known. We found that all the tablet PCs validated in this study had good accuracy,
good linearity, and there were little inter-device differences. Then, we investigated whether the
acceleration data obtained with the tablet PC could determine the postural stability in normal
subjects. Except for 1 subject, who was an outlier, the acceleration data provided with the tablet
PCs were significantly correlated with the Center of Position data. We consider that tablet PCs
could be useful devices to measure the postural stability in humans.
原
著
タブレット PC を用いた体動揺計測の試み
長谷川達央
１）２）・瀧
正勝
２）Postural stability measurement using tablet PC
Tatsuhisa Hasegawa
1)2), Masakatsu Taki
2) 1)Department of Otolaryngology, Akashi City Hospital
2)
Department of Otolaryngology - Head and Neck Surgery,
Kyoto Prefectural University of Medicine
Key words: tablet PC, postural stability, accelerometer
１）
明石市立市民病院耳鼻咽喉科
２）
京都府立医科大学耳鼻咽喉科・頭頸部外科学教室
θ(i+1)−θ(i) r(i+1) r(i) デバイスを医療系研究に用いるメリットの一つは， 大がかりな機器を有しない僻地病院でもアプリケー ションソフトを導入するだけで研究や実験等にも利 用できることである。そこで，タブレット PC を身 体に固定することで動揺を計測・記録できれば，多 くの人が使える平衡医学分野の研究・実験機器を提 供できると考えられる。今回タブレット PC 内蔵の 加速度センサを用いて体動揺を計測し，その有用性 を検討した。 対 象 被験者は実験の趣旨を説明され参加に同意したボ ランティアで，めまい・平衡障害の既往のない被験 者１１名（２８∼５１歳；男性７名，女性４名）である。 本実験は明石市立市民病院倫理委員会の承認（承認 番 号２０１７―２）を 得 た う え で，ヘ ル シ ン キ 宣 言 （２０１３）にのっとって行われた。 装 置 体動揺の計測にはタブレッ ト PC（NEXUS 9： HTC社 製；OS：Android 5.2，８．９イ ン チ）を 用 い た。このタブレット PC には加速度センサが搭載さ れており，３軸運動（前後・左右・上下方向の直線 加速度）が計測できる。計測用アプリケーションと して「１６式体動揺測定儀（以後ヒトロク）」を An-droid Studioを用いて Java で開発した。ヒトロクは
図１ 実験と解析方法
ａ）：実験全景
ｂ）：タブレットの保持 ｃ）：軌跡長の算出方法 ｄ）：外周面積の算出方法
タブレット PC 内蔵の加速度センサのデータを 20 Hzで任意の時間計測（デフォルト：６５秒間）し， 上書き防止コードを付加して自動保存するように設 計した。 足圧中心の測定は Wii バランスボードⓇ（任天堂 製；以後 Wii ボード）を用いた。計測・記録には久 代らの開発した WiiCOP６）を用い，Bluetooth で送信 された Wii ボードからのデータを PC で受信して 20 Hzで計測・記録した。 方 法 実験１：加速度センサの信頼性の評価 性能が既知のセ ン サ（MPU―6050Ⓡ：InvenSense 社製；直線性＜±0.5％/FS 正確度＜±0.05 G）の 値を真値として比較し，タブレット PC 内蔵の加速 度センサの信頼性を評価した。タブレット PC 表面 に MPU―6050Ⓡを接続したブレッドボードを固定 し，タブレット PC と MPU―6050Ⓡを一体にして傾 け，各々のセンサが検出する重力加速度のデータを 比較した。MPU―6050Ⓡからの加速度情報は Arudu-ino unoⓇ（スイッチサイエンス社製）を介して PC に取り込んだ。Arduino unoⓇの制御プログラムは Ｃ言語で作成し，ログデータの形で出力された加速 度情報を採取，タブレット PC の加速度センサ情報 はヒトロクで採取し，LaboChartⓇ（AD Instruments
社製）を用い 5 Hz でローパスフィルタ処理しグラ フ化した。MPU―6050Ⓡがタブレット PC に対して わずかでも傾いて固定されていると両者間の加速度 が異なって表示されるため，加速度のピーク値の２ 点間の差を比較することで MPU―6050Ⓡの取り付け 精度による誤差を解消した。同型機４台を使用し， センサ精度の個体差も併せて検討した。 タブレット PC のセンサと MPU―6050Ⓡの値をプ ロットした特性図を作成し，最小二乗法で直線回帰 した。センサの正確度（ゲイン誤差）はタブレット PCのセンサによる計測値と MPU―6050Ⓡの値の差 からパーセント誤差として算出した７）。直線性は回 帰直線を理想直線として各点との誤差の最大値を計 測したフルスケールで除して百分率で表した。 実験２：加速度センサデータと足圧中心データと の比較 重心動揺検査に準じて開眼・閉眼の２条件で測定 を行った８）。Wii ボードの中心に両足内側を接して 直立させ，６５秒間開眼で 2 m 前方の視標を注視， 閉眼で視標をイメージして体が安定した状態を保つ 図２ タブレット PC のセンサ特性 いずれの機体も良好な正確度と直線性を認めた。
ように被験者に指示した（図１ａ）。被験者はタブ レット PC を両手で保持し，手根部の豆状骨を上前 腸骨棘にあてて体幹に固定して保持させ，被験者の 体幹の動揺が骨盤部を介してタブレット PC に伝わ るようにした（図１ｂ）。験者の合図で被験者はヒ トロクの，験者は WiiCOP の測定開始ボタンを同 時に押下し，タブレット PC と Wii ボードで被験者 の体動揺と足圧中心の動揺を同時計測した。 ソフト稼働中のログデータなどから得られたボタ ン押下後から測定開始までのタイムラグはヒトロク で約 220 msec，WiiCOP で約 100 msec であったの で，そのタイムラグを勘案し，時間軸をそろえた。 タ ブ レ ッ ト PC の デ ー タ は LabChartⓇを 用 い て 5 Hzのローパスフィルタ処理した。 ローパスフィルタ処理により両端のデータが失わ れるため，測定開始後２秒から６２秒までの６０秒間の データを用いた。タブレット PC のデータと Wii ボ ードデータの相関性の検討は各々の外周面積・軌跡 長を重心動揺検査に準じて今岡らの方法を用いて９） MatlabⓇ（MathWorks 社製）で計算して行った。ま ずタブレット PC・Wii ボードの左右方向・前後方 向のデータを XY の２次元の直交座標系に展開し た。時間ｔにおけるＸ，Ｙそれぞれの値を X（t），Y （t），⊿X（t）＝X（t＋1）−X（t），⊿Y（t）＝Y（t＋1）−Y 図３ 足圧中心データと体幹加速度（タブレット PC で測定した水 平方向の加速度）データの比較 左右方向・前後方向ともに良好な類似性を認めた。
（t）として，タブレットデータ・Wii データの各の（⊿ X（t）ˆ2＋⊿Y（t）ˆ2）の平方根の総和をそれぞれ体幹 加速度軌跡長，足圧中心軌跡長と定義した（図１ ｃ）。さらにＸ方向，Ｙ方向のデータの平均値を原 点として直交座標系から rθ の極座標平面上に変換 した。原点を中心に３度ずつ１２０個の円弧領域を設 定し，反時計回りに１∼１２０の円弧番号を割り当て た。各円弧領域で原点より最も遠い測定点のデータ を抽出してその原点からの距離を円弧領域ⅰの半径 r （i）とし，またその偏角をθ（i）とした。隣り合う 円弧領域（i，i＋1）の半径と原点を結んだ三角の 面 積 S（i）は 1/2×r（i）×r（i＋1）×sin（θ（i＋1）−θ （i））で求められる（図１ｄ）。タブレットデータ・ Wiiデータの各の S（i）の総和をそれぞれ体幹加速 度外周面積，足圧中心外周面積と定義した。相関関 係についてはピアソンの相関係数を用い，統計的有 意水準を５％として検討した。 結 果 実験１ タブレット PC センサの 値 を 縦 軸 に MPU―6050 の値を横軸にプロットしたタブレット PC４台の特 性 図 を 図２に 示 す。回 帰 直 線 の 傾 き は０．９７０か ら ０．９８１といずれのタブレット PC もわずかに加速度 が低く示される結果となった。正確度は−１．９から −３．０％とタブレット PC の機体による個体差はわ ずか で，直 線 性 も±0.48％/FS か ら±0.65％/FS と 良好であった。 実験２ タブレット PC で得られた加速度は３軸ともに解 閉眼条件 図４ 外れ値を呈したデータ 外れ値を呈したデータを黒丸（●）で，それ以 外のデータを白四角（◇）で表した。 図５ 足圧中心と体幹加速度の比較 開眼・閉眼両条件で動揺面積と軌跡長の足圧中心と体幹加速度の相関を示 した。いずれも有意な相関がみられた。
析可能なデータが全被験者から得られた。１被験者 についてのタブレット PC での加速度データ（以 後，体幹加速度とする）と Wii ボードでの足圧中心 データ（以後，足圧中心とする）を図３に示す。左 右・前後方向ともに足圧中心と体幹加速度に良好な 類似性がみられた。 そこで体幹加速度データを前後・左右の２次元に 展開し，体幹加速度と足圧中心の動揺面積・軌跡長 を比較した。大きな外れ値を呈した１名（図４）を 除く，１１名中１０名のデータを図５に示す。開眼条件 では動揺面積は R＝0.83，P ＝0.003，軌跡長は R＝ 0.75，P ＝0.012 と有意な相関を得た。また閉眼条件 で も 動 揺 面 積 が R＝0.89，P ＝0.0007，軌 跡 長 が R ＝0.78，P ＝0.007 と有意な相関を示した。 考 察 本研究で，身体動揺をタブレット PC 内蔵の３軸 センサでによる計測について検証し，水平方向（左 右・前後方向）の加速度と足圧中心の間に良い相関 があることを示した。体幹軸を法線とする平面上で タブレット PC を保持し，理想的に直立している被 験者の水平方向の加速度はゼロとなるはずであり， そこから被験者がある方向にθ度傾いた場合は傾い た方向に重力加速度×sinθ の水平方向の加速度が 生じることとなる（図６）。今回測定された水平方 向の加速度はこの体の傾きを直接とらえたものと考 えられる。過去の報告でも，加速度センサを用いた 動揺の計測が体動揺の計測方法として有用であった との報告がなされている１０）∼１３）。対して足圧中心は被 験者の体に重力が作用して生じる床反力の作用点で あり，主に被験者の体の傾きによって生じる重力ト ルクでその位置が変動するため，足圧中心の位置か ら間接的に被験者の体の傾きを計測することができ る１２）。本研究において，体の傾きを直接・間接的に 計測した両者で相関関係が得られたことは合理的な 結果と言える。 今回の実験のように直線加速度センサを使用して 対象物の運動を計測する場合，上記の重力加速度の ほかに慣性力も計測データに影響しうる。そこで今 回の全試行において３軸の合成加速度｛√（（Ｘ軸方 向の加速度）ˆ2＋（Ｙ軸方向の加速度）ˆ2＋（Ｚ軸方向 の加速度）ˆ2）｝から重力加速度を差分し，慣性力の 影響を検討した。計測データの合成加速度から重力 加速度を引いた値は 0.0068±0.0014 m/s/s rms（n ＝全２０試行）であった。安静に机上に装置を静置し て い た 時 の 加 速 度 の 変 動 が 0.0024±0.0007 m/s/s rmsであり，これをセンサのノイズと考えると，実 験中に計測された慣性力は 0.005 mm/s/s 程度と考 えられる。前後左右各方向に 0.1 m/s/s 以上の振幅 がみられる今回の実験の結果に与える影響は限定的 と考えられた。 従来より体の動揺を測定する手段として本邦の臨 床分野では足圧中心を force plate で計測し，重心 の位置を推定する重心動揺計による計測が一般的で ある。しかし，重心動揺検査結果自体がすでに内蔵 の処理機で計算された後のデータであり１４），またボ タン押下後から測定開始までのタイムラグが不明 で，時間軸をそろえての解析が不可能なことから， 今回は Wii ボードで計測した足圧中心を比較の対象 として用いた。Wii ボードは医療機器としての JIS 規格こそ取得していないが，信頼性については肯定 的な論文もあり，実際，研究分野では海外でも多用 されている１５）１６）。しかし医療機器ではないため，そ の利用については慎重に対応すべきであり，今回 図６ 体の傾きとタブレット PC で測定した水平方向 の加速度の関係 体幹軸（破線）が鉛直方向に対してθ度傾いた 場合，保持したタブレット PC には傾いた側に 重力加速度×sinθ の加速度が加わる。
我々も倫理委員会に諮り承認を得たうえで実施し た。 今回使用したタブレットでは加速度センサは最小 検出値が十分小さく，健常者の体動揺を連続値とし てデータを得ることができた。またその信頼性が正 確度・個体差・直線性などの点で良好であることを 実験１で示した。より厳密に計測する必要があった 場合も直線性が良好であるため，重力加速度を用い て簡便な１点キャリブレーションで利用できると考 えられる。当該機種については工学分野の研究でも 慣性航法センサとしても使用されており，ドリフト も少なく精度の高い計測が可能であったと報告もあ る１７）１８）。今回実験に利用したのは４台だけなので， 当該機種全体の傾向とは言えないが，リハビリテー ションシステムとして医療現場に導入されている６ 軸モーションセンサユニットの加速度の正確度も± ３％であり１３），すくなくともこの４台については 色ない性能を持つものと思われる。ただし，タブレ ット PC やスマートホンなどのスマートデバイスの 加速度センサの精度に関して統一された規格はな く，今後他の機種を用いて計測機器として使用する にあたっては，機種ごとにデータシートの確認やセ ンサの評価が必要になると思われる。また，近年ス マートデバイスの医療機関内での使用規制が緩和さ 図７ 外れ値を呈した足圧中心データと体幹加速度データの比較 左右方向については良好な類似性を認めたが，前後方向につ いては体幹加速度データがマイナス側に大きくドリフトし た。
れてきているが，スマートホンなど携帯電話回線を 使用する機器は軽微なものも含めると最大 80 cm 離れた医療機器に影響を与えることが指摘されてい る１９）。今回我々が用いたタブレット PC は SIM が搭 載できない機種のため携帯電話としての機能は無 く，今 回 の 実 験 は さ ら に WiFi や Bluetooth，NFC などのすべての電磁波放出を機体設定で停止した状 態で行った。 今回１名大きな外れ値を呈した被験者があった （図４）ため，この被験者について詳細にデータを 検討した。図７に左右方向・前後方向の体幹加速度 と足圧中心を示した。左右方向については図３と同 様に良い類似性を呈しているが，前後方向について は体幹加速度がマイナス方向にドリフトする傾向が みられた。これは体幹に対してタブレット PC の向 こう側が持ち上がる方向に動いていったことが原因 と考えられる。図１ｂのようにタブレット PC を両 手で保持しているため，左右方向は２点で体幹とタ ブレット PC が固定されており，そのため動揺しに くいのに対し，前後方向では１点で接しているの で，動揺しやすいためと考えられた。特に筋力の弱 い高齢者や女性では前後方向に安定して保持すると いうことが困難になってくると思われ，これらの被 験者に対してはより小型のスマートホンなどをベル トで腰部に装着して計測するといった，運用面での 検討が必要と考えられた。 計測する部位として当初は動揺の振幅が大きいで あろう頭部を候補としたが，丸い頭部に用手的に固 定することが困難で，今回のようにサイズの大きい タブレット PC に対しては測定部位として頭部は不 適切と考えた。また体幹部という点で胸部・腹部な ども検討したが，呼吸性の動揺がノイズとして混入 し不適当であったため，最終的に骨盤部を用いた。 Whitneyらも骨盤部は近似的に人体の重心位置とな るため，加速度センサで計測する部位として適切で ある，としており１２），今後も身体全体の動揺を計測 する場合は腰部・骨盤部で行うことが推奨される。 本研究のような骨盤部での直線加速度計を用いた 計測は，重心動揺計と同等，もしくは重心動揺計よ りも直接的に体の重心部の動揺を計測できるので信 頼性が高い，という意見もある１２）１３）。しかし，重心 動揺計を用いた検査の臨床的な意義は多くの健常者 データの集積の上に成り立っており９），いかに体動 揺を直接的に計測できる手技とはいえ，現状ではタ ブレット PC も含め直線加速度計を用いた計測が臨 床の場で重心動揺計による検査に取って代わるもの にはなりにくいと考えている。タブレット PC など のスマートデバイス機器を利用することのメリット は普及性と携帯性にあると考える。普及性を生かし た今後の発展の方向性としては当初の本実験の目的 のように導入しやすい実験機器としての利用以外に も，耳鼻咽喉科医のいない僻地での遠隔地医療や新 型肺炎下で有用性が注目されているオンライン診療 への補助的な利用などが考えられる。また携帯性を 生かした方向性としては複数台を用いて身体各部の 動揺の計測，歩行中・足踏み検査中などの動的な平 衡感覚の評価，電車の車内など動的環境下での姿勢 の保持など，いずれも重心動揺計での計測しがたい 状況下での利用・計測を想定している。 ま と め タブレット PC を用いた身体動揺計測の可能性を 検討した。タブレット PC の固定方法などの課題は あるが精度の良い計測が可能だった。センサの特性 が確認できれば他機種にも応用ができるものと思わ れる。 文 献 １）工藤香児，水戸部一孝，石川和夫：磁気式モー ションキャプチャシステムを用いた平衡機能評 価の試み．Equilibrium Res 68: 393, 2009 ２） 本 憲 広，和 田 佳 郎，爲 井 智 也，他：Kinect を用いた姿勢制御研究の試み．Equilibrium Res 72: 375, 2013 ３）総務省：情報通信統計データベース http:// www.soumu.go.jp/johotsusintokei/index.html ４）小野田 公，霍 明：モバイル端末での位置 覚測定アプリケーションの信頼性と妥当性の検 討．理学療法科学 ３１：７０１―７０４，２０１６ ５）Botzheim J, Tang D, Yusuf Bakhtiar, et al.:
Ex-traction of Daily Life Log Measured by Smart Phone Sensors Using Neural Computing. Pro-cedia Comput Sci 22: 883―892, 2013
６）久代恵介，荒木康智，五島史行：汎用ゲーム機 器バランスボードを利用した足圧中心動揺評価 システムの開発．Equilibrium Res 67: 407, 2008
７）三村宣治，小野寺良二：複数加速度計を使用し た６軸加速度センサシステムのキャリブレーシ ョンについて．日本機械学会論文集 Ｃ編 ７２：３７９８―３８０５，２００６ ８）渡辺行雄，肥塚 泉，山本昌彦，他：平衡機能 検査法基準化のための資料．Equilibrium Res 65: 468―503, 2006 ９）今岡 薫，村瀬 仁，福原美穂：重心動揺検査 における健常者データの集計．Equilibrium Res 56 Suppl 12: 1―84, 1997
１０）O’ Sullivan M, Blake C, Cunningham C, et al.: Correlation of accelerometry with clinical bal-ance tests in older fallers and non-fallers. Age Ageing 38: 308―318, 2009
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