(57)【要約】【課題】本方法は、片方に健全な脚(12)を有する個体(10)の、下半身のもう一方側に設けた義足(14)の駆動装置(16)を制御するために使用される。【解決手段】その方法は、したがって、複数の人工固有受容体(20)を設け、前記人工固有受容体(20)の少なくとも1つは健康な脚(12)の側に、前記人工固有受容体(20)の少なくとも1つは義足(14)の設けられた側にある工程と、前記固有受容体(20)でリアル・タイムにデータ信号を発生させる工程と、前記データ信号に応答して、駆動装置(16)を制御するために、リアル・タイムに制御信号を発生させる工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
個体(10)の片方の健康な脚(12)と下半身のもう一方側に設けた義足(14)が協調運動を行うように該義足(14)の駆動装置(16)を制御する方法において、
少なくとも1つは健康な脚(12)の側に設けられ、少なくとも1つは義足(14)の側に設けられた複数の人工固有受容体(20)から、該個体の歩行の動特性についての情報をリアル・タイムに提供するデータ信号を受信する工程と、
前記複数の人工固有受容体(20)から受信したデータ信号によって提供された情報に基づいて該個体の歩行を有限な数の部分に分解する工程と、
前記データ信号に応答して、前記駆動装置(16)を制御するための制御信号であって、前記協調運動を可能にするために、前記駆動装置(16)に接続された義足の継手の軌道および継手によって印加しなければならない力またはトルクを求めるための制御信号を発生させる工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記データ信号の少なくとも1つが、有線接続を介して供給されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記データ信号の少なくとも1つが、無線接続を介して供給されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収する、受動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収しかつ供給する、能動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記人工固有受容体(20)が、筋電センサを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記筋電センサが、前記個体(10)の骨格筋の筋電活動を測定するために使用する外部電極を含むことを特徴とする、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記筋電センサが、前記個体(10)の骨格筋の筋電活動を測定するために使用する内部電極を含むことを特徴とする、請求項6に記載の方法。
【請求項９】
前記人工固有受容体(20)が神経センサを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
前記神経センサが、前記個体(10)の抹消神経の1つまたは複数の活動電位の総和を測定する電極であることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記人工固有受容体(20)が運動センサを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の関節継手の位置を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の移動速度を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１４】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の移動加速度を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１５】
前記運動センサの少なくとも1つが、前記個体(10)の前記健康な脚(12)の脛に配置されていることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１６】
前記運動センサの少なくとも1つが、前記義足(14)のソケットに配置されていることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１７】
前記人工固有受容体(20)が動力学センサを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
前記動力学センサが、前記個体(10)の下肢部分の関節継手での回転力を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記動力学センサが、前記個体(10)の下肢部分での反力を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項17に記載の方法。
【請求項２０】
前記動力学センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の下腿支柱に配置されていることを特徴とする、請求項17に記載の方法。
【請求項２１】
前記人工固有受容体(20)が足底圧力センサを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項２２】
前記足底圧力センサが、足下領域での垂直圧力を測定する力検出抵抗を含むことを特徴とする、請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記健康な脚(12)の足の中足指節区域に配置され、前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記健康な脚(12)の足の踵骨区域に配置されることを特徴とする、請求項21に記載の方法。
【請求項２４】
前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の義足の中足指節区域に配置され、前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の義足の踵骨区域に配置されていることを特徴とする、請求項21に記載の方法。
【請求項２５】
個体(10)の片方の健康な脚(12)と下半身のもう一方側に設けた義足(14)が協調運動を行うように該義足(14)の駆動装置(16)を制御する装置において、
少なくとも1つは健康な脚(12)の側に、少なくとも1つは義足(14)の側に設けることができるように構成された、複数の人工固有受容体(20)と、
前記複数の人工固有受容体(20)から、該個体の歩行の動特性についての情報をリアル・タイムに提供するデータ信号を受信する手段と、
前記人工固有受容体(20)から受信したデータ信号によって提供された情報に基づいて該個体の歩行を有限な数の部分に分解する手段と、
前記データ信号に応答して、前記駆動装置(16)を制御するための制御信号であって、前記協調運動を可能にするために、前記駆動装置(16)に接続された義足の継手の軌道および継手によって印加しなければならない力またはトルクを求めるための制御信号を発生させる手段とを含むことを特徴とする装置。
【請求項２６】
前記データ信号の少なくとも1つが、有線接続を介して供給されることを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項２７】
前記データ信号の少なくとも1つが、無線接続を介して供給されることを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項２８】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収する、受動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項２９】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収しかつ供給する、能動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項３０】
前記人工固有受容体(20)が、筋電センサを含むことを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項３１】
前記筋電センサが、前記個体(10)の骨格筋の筋電活動を測定するために使用される外部電極を含むことを特徴とする、請求項30に記載の装置。
【請求項３２】
前記筋電センサが、前記個体(10)の骨格筋の筋電活動を測定するために使用される内部電極を含むことを特徴とする、請求項30に記載の装置。
【請求項３３】
前記人工固有受容体(20)が神経センサを含むことを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項３４】
前記神経センサが、前記個体(10)の抹消神経の1つまたは複数の活動電位の総和を測定する電極であることを特徴とする、請求項33に記載の装置。
【請求項３５】
前記人工固有受容体(20)が運動センサを含むことを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項３６】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の関節継手の位置を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項35に記載の装置。
【請求項３７】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の移動速度を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項35に記載の装置。
【請求項３８】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の移動加速度を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項35に記載の装置。
【請求項３９】
前記運動センサの少なくとも1つが、前記個体(10)の前記健康な脚(12)の脛に配置されていることを特徴とする、請求項35に記載の装置。
【請求項４０】
前記運動センサの少なくとも1つが、前記義足(14)のソケットに配置されることを特徴とする、請求項35に記載の装置。
【請求項４１】
前記人工固有受容体(20)が動力学センサを含むことを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項４２】
前記動力学センサが、前記個体(10)の下肢部分の関節継手での回転力を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項41に記載の装置。
【請求項４３】
前記動力学センサが、前記個体(10)の下肢部分での反力を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項41に記載の装置。
【請求項４４】
前記動力学センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の下腿支柱に配置されることを特徴とする、請求項41に記載の装置。
【請求項４５】
前記人工固有受容体(20)が足底圧力センサを含むことを特徴とする、請求項25に記載の装置。
【請求項４６】
前記足底圧力センサが、足下領域での垂直圧力を測定する力検出抵抗を含むことを特徴とする、請求項45に記載の装置。
【請求項４７】
前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記健康な脚(12)の足の中足指節区域に配置され、前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記健康な脚(12)の足の踵骨区域に配置されることを特徴とする、請求項45に記載の装置。
【請求項４８】
前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の義足の中足指節区域に配置され、前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の義足の踵骨区域に配置されることを特徴とする、請求項45に記載の装置。
【請求項４９】
片方に健全な脚(12)を有する個体(10)の、下半身のもう一方側に設けることができるように構成された下肢用義足(14)において、
少なくとも1つは健康な脚(12)の側に、少なくとも1つは義足(14)の設けられた側に設けることができるように構成された、複数の人工固有受容体(20)と、
前記複数の人工固有受容体(20)から、該個体の歩行の動特性についての情報をリアル・タイムに提供するデータ信号を受信する手段と、
前記複数の人工固有受容体(20)から受信したデータ信号によって提供された情報に基づいて該個体の歩行を有限な数の部分に分解する手段と、
少なくとも1つの駆動装置(16)と、
前記データ信号に応答して、前記駆動装置(16)を制御するための制御信号であって、前記協調運動を可能にするために、前記駆動装置(16)に接続された義足の継手の軌道および継手によって印加しなければならない力またはトルクを求めるための制御信号を発生させる手段とを含むことを特徴とする下肢用義足。
【請求項５０】
前記データ信号の少なくとも1つが、有線接続を介して供給されることを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項５１】
前記データ信号の少なくとも1つが、無線接続を介して供給されることを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項５２】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収する、受動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項５３】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収しかつ供給する、能動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項５４】
前記人工固有受容体(20)が、筋電センサを含むことを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項５５】
前記筋電センサが、前記個体(10)の骨格筋の筋電活動を測定するために使用する外部電極を含むことを特徴とする、請求項54に記載の義足(14)。
【請求項５６】
前記筋電センサが、前記個体(10)の骨格筋の筋電活動を測定するために使用する内部電極を含むことを特徴とする、請求項54に記載の義足(14)。
【請求項５７】
前記人工固有受容体(20)が神経センサを含むことを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項５８】
前記神経センサが、前記個体(10)の抹消神経の1つまたは複数の活動電位の総和を測定する電極であることを特徴とする、請求項57に記載の義足(14)。
【請求項５９】
前記人工固有受容体(20)が運動センサを含むことを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項６０】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の関節継手の位置を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項59に記載の義足(14)。
【請求項６１】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の移動速度を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項59に記載の義足(14)。
【請求項６２】
前記運動センサが、前記個体(10)の下肢部分の移動加速度を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項59に記載の義足(14)。
【請求項６３】
前記運動センサの少なくとも1つが、前記個体(10)の前記健康な脚(12)の脛に配置されることを特徴とする、請求項59に記載の義足(14)。
【請求項６４】
前記運動センサの少なくとも1つが、前記義足(14)のソケットに配置されることを特徴とする、請求項59に記載の義足(14)。
【請求項６５】
前記人工固有受容体(20)が動力学センサを含むことを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項６６】
前記動力学センサが、前記個体(10)の下肢部分の関節継手での回転力を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項65に記載の義足(14)。
【請求項６７】
前記動力学センサが、前記個体(10)の下肢部分での反力を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項65に記載の義足(14)。
【請求項６８】
前記動力学センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の下腿支柱に配置されることを特徴とする、請求項65に記載の義足(14)。
【請求項６９】
前記人工固有受容体(20)が足底圧力センサを含むことを特徴とする、請求項49に記載の義足(14)。
【請求項７０】
前記足底圧力センサが、足下領域での垂直圧力を測定する力検出抵抗を含むことを特徴とする、請求項69に記載の義足(14)。
【請求項７１】
前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記健康な脚(12)の足の中足指節区域に配置され、前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記健康な脚(12)の足の踵骨区域に配置されることを特徴とする、請求項69に記載の義足(14)。
【請求項７２】
前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の義足の中足指節区域に配置され、前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の義足の踵骨区域に配置されることを特徴とする、請求項69に記載の義足(14)。
【請求項７３】
前記制御信号が、前記受動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される抵抗を含むことを特徴とする、請求項4に記載の方法。
【請求項７４】
前記制御信号が、前記能動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される継手の軌道及びトルクを含むことを特徴とする、請求項5に記載の方法。
【請求項７５】
前記制御信号が、前記受動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される抵抗を含むことを特徴とする、請求項28に記載の方法。
【請求項７６】
前記制御信号が、前記能動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される継手の軌道及びトルクを含むことを特徴とする、請求項29に記載の方法。
【請求項７７】
前記制御信号が、前記受動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される抵抗を含むことを特徴とする、請求項52に記載の方法。
【請求項７８】
前記制御信号が、前記能動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される継手の軌道及びトルクを含むことを特徴とする、請求項53に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御システムと共に使用する下肢人工固有受容体の位置決め、および/または駆動源付き義足の制御方法に関する。本発明は特に膝上部肢切断患者用の駆動源付き義足を制御するのに特に適合している。
【背景技術】
【０００２】
制御技術者によく知られているように、複雑な機械システムの自動化は簡単に実現するものではない。そのようなシステムの中でも、従来型の動力式人工四肢は制御に問題を有することがよく知られている。これらの従来型義足は、肢切断患者からの何らの相互作用もなく継手を人工的に動かす基本制御器を備えており、基本的な動作を発生させることができるのみである。そのような基本制御器は、実用化の範囲内で義足に適切な制御を生じさせる必要があるという事実にも関わらず、作業環境の動的条件を考慮に入れていない。それらは一般に、制御パラメータを義足の動特性に合わせて調整することができる適応制御を欠いているのみならず、人工義足の応答を予期するのに必要な予測制御戦略を欠いている。人間の肢の移動は、自発性、反射性および無秩序事象を同時に含む複雑なプロセスであるのに、従来型の電動義足は、最小限の適切な機能を有するために人体および外部環境と同時に相互作用を行う能力を持っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第6764520号
【特許文献２】米国特許第7314490号
【特許文献３】米国特許第7147667号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この背景を考慮すると、肢切断患者、特に膝上部肢切断患者の要求を満たすため、動力付き義足を制御するための制御システムおよび/または方法に対し、人体および外部環境と同時に相互作用を行う能力を提供することが求められていることは、はっきり明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、片方に健全な脚を有する個体の、下半身のもう一方側に設ける義足の駆動装置を制御する方法が提供される。その方法は、
複数の人工固有受容体を設け、その人工固有受容体の少なくとも1つは健康な脚の側に、その人工固有受容体の少なくとも1つは義足の設けられた側にある工程と、
その固有受容体でリアル・タイムにデータ信号を発生させる工程と、
そのデータ信号に応答して、駆動装置を制御するために、リアル・タイムに制御信号を発生させる工程とを含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、片方に健全な脚を有する個体の、下半身のもう一方側に設ける義足の駆動装置を制御する装置が提供される。その装置は、
その人工固有受容体の少なくとも1つは健康な脚の側に、その人工固有受容体の少なくとも1つは義足の側にある、複数の人工固有受容体と、
その人工固有受容体でリアル・タイムにデータ信号を発生させる手段と、
そのデータ信号に応答して、駆動装置を制御するために、リアル・タイムに制御信号を発生させる手段とを含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明のさらに別の態様によれば、片方に健全な脚を有する個体の、下半身のもう一方側に設ける下肢義足が提供され、その義足は、
その人工固有受容体の少なくとも1つは健康な脚の側に、その人工固有受容体の少なくとも1つは義足の設けられた側にある、複数の人工固有受容体と、
その人工固有受容体でリアル・タイムにデータ信号を発生させる手段と、
少なくとも1つの駆動装置と、
そのデータ信号に応答して、駆動装置を制御するために、リアル・タイムに制御信号を発生させる手段とを含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明のこれらの、および他の態様は、以下の詳細な説明に記載されており、詳細な説明から明らかになる。この説明は、添付の図と関連して作成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】片方に健全な脚を有し、もう片側に義足を設けた個体の下半身を示す図である。
【図２】駆動装置を有する義足の制御システムを示すブロック図である。
【図３】足底圧力センサを備える、中底の上面概略図である。
【図４】図3に示すセンサの断面図である。
【図５】図5aから図5dは、平らな地面上の典型的な歩行中に、足底圧力センサを使用して得られたデータ信号の例を示す図である。
【図６】図6aから図6dは、踵骨領域での足底圧力センサから得られたデータ信号の一例とその最初の3つの微分値を示す図である。
【図７】図7aから図7dは、中足指節(MP)領域での足底圧力センサから得られたデータ信号の一例とその最初の3つの微分値を示す図である。
【図８】図8aから図8dは、踵骨領域での典型的な局所的足底圧力信号およびその最初の3つの微分値に対するゼロ交差の一例を示す図である。
【図９】図9aから図9cは、中足指節(MP)領域での典型的な局所的足底圧力信号およびその最初の3つの微分値に対するゼロ交差の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付の図は、本発明の好ましい実施形態による、制御システム(100)と一緒に使用するための下肢人工固有受容体(20)の位置決め、および駆動装置(16)を有する義足(14)を制御するための方法を示す図である。添付の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、様々な変更形態および修正形態を生み出すことが可能なので、本発明は図示の実施形態に限定されないことを理解されたい。
【００１１】
図1は、片方に健全な脚(12)を有する個体(10)の、下半身のもう一方側に設けた義足(14)を示す。人工固有受容体(20)は、健康な脚(12)および義足(14)の両方に設けられる。義足(14)は、受動的または能動的のいずれかであり得る、駆動装置(16)を備える。受動的駆動装置は、義足の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収するだけの電気機械的構成部品として定義することができ、一方、能動的駆動装置は、義足の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収しかつ供給する電気機械的構成部品として一般に定義することができる。
【００１２】
受動的駆動装置の一例は、2004年7月20日に発行された、「ELECTRONICALLY CONTROLLED PROSTHETIC KNEE」という名称の、米国特許第6764520号に記載されている。能動的駆動装置の一例は、2008年1月1日に発行された、Stephane Bedard他による「ACTUATED PROSTHESIS FOR ABOVE-KNEE AMPUTEES」という名称の、米国特許第7314490号に記載されている。
【００１３】
図2は人工固有受容体(20)と、図1に示すような駆動装置(16)を有する義足(14)に組み合わされた制御システム(100)を示す。この制御システム(100)の目的は、駆動装置(16)を制御可能な必要な信号を供給することである。そうするために、この制御システム(100)は、人工固有受容体(20)を使用して肢切断患者(10)とインターフェイス連結し、肢切断患者(10)と義足(14)の動作の間の適切な協調を確実に行うようにする。人工固有受容体(20)のセットは、リアル・タイムに肢切断患者の動作の動特性についての情報を捕捉し、その情報を制御システム(100)へ供給する。次いで、制御システム(100)が、協調動作を可能にするために、受動駆動装置の場合は継手に印加すべき抵抗を、能動的駆動装置の場合は継手の軌道および継手によって印加しなければならない力またはトルクを求めるのに使用される。
【００１４】
本発明は、図1に示す機械的な構造にその使用が限定されないことに注目すべきである。この制御システム(100)は、複数の継手を有する義足に使用することができる。例えば、膝継手に加え、くるぶし継手、中足指節継手または股継手を有する義足にも使用することができる。さらに、従来型のソケットの代わりに、義足の機械的構成部品と肢切断患者の骨格の間の直接取り付けを確実にするために、骨と一体化した(osseo-integrated)装置も使用することもできる。別の種類の義足も同様に使用することができる。
【００１５】
図2に示す制御システム(100)は、インターフェイス(30)を備え、これを介して人工固有受容体(20)から来るデータ信号を受信する。それらの信号は、適切な配線から、または無線伝送のどちらからも受信することができる。健康な脚(12)に設けられた人工固有受容体(20)からのデータ信号は、適切な無線(RF)モジュールを使用して、無線伝送で送るのが有利である。勿論、有線、無線、光学的などの通信リンク技術の別の組合せも使用することができる。
【００１６】
制御器(40)にあるソフトウエアは、制御システム(100)が、駆動装置(16)を制御可能な必要な信号を提供できるようにする全てのアルゴリズムを含んでいる。
【００１７】
健康な脚(12)および義足(14)の両方に配置される人工固有受容体(20)は、筋電センサ(myoelectric sensor)、神経センサ(neuro-sensor)、運動センサ(kinematic sensor)、動力学(kinetic sensor)センサまたは足底圧力センサを含むことができる。筋電センサは、骨格筋(skeletal mascle)の内部または外部筋電活動を測定するために使用される電極である。神経センサは、抹消神経(peripheral nurves)の1つまたは複数の活動電位(action potential)の総和を測定するのに使用される電極である。運動センサは、関節継手の位置、下肢の移動速度または加速度を測定するのに使用される。動力学センサは、関節継手での回転力または下肢の反力を測定するのに使用される。足底圧力センサは、特定の足下領域の垂直足底圧力を測定するのに使用される。勿論、人間の歩行の様々な動特性についての情報をもたらす追加の種類のセンサも使用することができる。所与の応用分野では、人工固有受容体(20)の使用は、特定の種類のセンサに限定されず、様々な組合せの複数の種類のセンサを使用することができる。
【００１８】
制御器(40)は、人工固有受容体(20)によってもたらされた情報に基づき、リアル・タイムに、個体(10)の歩行を確実に分解することができる。本発明によれば、個体(10)の健康な脚(12)および義足(14)の両方に配置された個々の人工固有受容体(20)から受信されるデータ信号が、義足(14)の駆動装置(16)を制御するために十分な信号をもたらすことができることが判明した。例えば、足底圧力センサの場合、足底圧力センサから受信したデータ信号、およびこれらの信号の組合せの傾斜(一次微分)、凹面の徴候(2次微分)および凹面の傾斜(3次微分)が、人間の歩行に対して極めて正確でかつ安定した情報を与え、人間の歩行をある有限な数の部分に分解できるようにすることが、実験的に認められてきた。この細分化によって、人間の歩行にならうための、下肢の完全な移動の動特性の適切な同定を確実に行うことができる。勿論、足底圧力センサの使用は一例として示されており、人工固有受容体の定義をそのようなセンサに限定するものではない。
【実施例】
【００１９】
ある実例の適用分野では、人工固有受容体(20)は、下肢の本体区域の角速度を測定する1対のジャイロスコープおよび義足(14)の膝継手の角度を計測する運動センサと結合した、特定の足下領域の垂直足底圧力を測定する局所的足底圧力センサを含むことができる。この足底圧力センサは、健康な脚(12)の足並びに義足(14)の足の、両方の足の下に使用する。ジャイロスコープのうちの1つは、正常な脚(12)の脛に配置するが、もう1つは膝継手の上の義足(14)の上部、すなわち残った腿に配置する。運動センサについては、義足(14)の膝継手に配置する。勿論、足底圧力センサ、ジャイロスコープおよび運動センサは一例として示したもので、人工固有受容体の定義をそのようなセンサに限定するものではない。
【００２０】
図4に、足底圧力センサ(20)が、2つの局所的な足底圧力(LPP)を測定するための2つのセンサ(20)を埋め込むように改変された、標準的な整形外科用の中底の形状であることが好ましい、特注の中底(18)の中に設けられている。図5に示すように、各センサ(20)は、インターフェイス(30)に直接、または、例えば無線送信機などの中間システム(図示せず)を使用して間接的に接続される、薄い、力検出抵抗(Force-Sensing Resistor)(FSR)高分子セル(22)から構成されることが好ましい。このFSRセル(22)は、その表面に垂直に印加される力の増大に応答して、電気抵抗が減少する。各セル(22)は、その表面領域上の垂直足底圧力の総和に比例する強度の、時間的に変動する電気信号を出力する。足底圧力センサ(20)の寸法および位置は、歩行中の特定の足下領域によってもたらされる局所的な足底圧力の安定性および濃度(強度)に従って画成された。
【００２１】
実験によって、足圧力の空間的分布に関するデータ、より具体的には歩行中の足底圧力最大変動(Plantar Pressure Maximal Variation)(PPMV)の無数のデータがもたらされた。このPPMVは、歩行中の特定の点(座標i、jの足下領域)の足底圧力の最大変動として定義された。図3のX-Y軸(19)は、各々の足下領域のi、j座標を決定するために使用された。踵骨および中足指節(MP)区域が、PPMVが安定かつ情報が濃い両方の信号をもたらすと考えられる足中底の2つの区域であることが実験によって見出された。
【００２２】
圧力センサの正規化された位置およびそれらの寸法を表1に示す。ここで、長さLおよび幅Wはそれぞれ、被験者の足の長さおよび幅である。表1の係数は、実験によって得られたものである。足底圧力センサ(20)用の典型的な直径は20mmと30mmの間である。
【表１】
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【００２３】
図5aから図5dは、109.5歩/分での標準的な歩行経路中の、4つの局所的な足底圧力センサ(20)からのデータ信号の例を示す。4つの信号、fr1(t)、fr2(t)、fr3(t)およびfr4(t)は、左足の踵骨区域(図5a)、左足の中足指節(MP)区域(図5b)、右足の踵骨区域(図5c)および右足の中足指節(MP)区域(図5d)の局所的足底圧力(LPP)の時間変動に対応している。
【００２４】
図6aから図6dおよび図7aから図7dは、109.5歩/分の直線的な歩行経路に対する、踵骨および中足指節(MP)区域それぞれでの、局所的足底圧力(LPP)、並びにそれらの1次、2次および3次微分値のグラフの例を示す。
【００２５】
図8aから図8dは、制御器(40)によって個体(10)の歩行を分解するのに使用することができる、踵骨区域条件での典型的な局所的足底圧力(LPP)信号、およびその最初の3つの微分値に対するゼロ交叉をグラフ的に示すが、図9aから図9cは、中足指節(MP)区域での局所的足底圧力(LPP)信号、およびその最初の2つの微分値を同様に示す。これは、様々なデータと微分信号の間の関係を示す。
【００２６】
したがって、制御器(40)は、4つの局所的足底圧力(LPP)、およびこれらの4つの局所的足底圧力信号の各々の1次、2次および3次微分値、並びに2つのジャイロスコープおよび運動センサのデータ信号から集めた情報を、個体(10)の歩行をある有限な数の部分に分解し、そのデータ信号に応答して駆動装置(16)を制御するための制御信号を発生させるのに使用することができる。勿論、制御器(40)は前述のデータおよび派生する信号の使用に限定されない。
【００２７】
足底圧力センサ並びにジャイロスコープおよび運動力学的センサを含む人工固有受容体を使用する制御器(40)および制御システム(100)は、2006年12月12日に発行されたStephane Bedardによる、「CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING AN ACTUATED PROSTHESIS」という名称の、米国特許第7147667号に開示されている。
【符号の説明】
【００２８】
(10)…個体、患者、(12)…脚、(14)…義足、(16)…駆動装置、(18)…中底、(20)…人工固有受容体、足底圧力センサ、(22)…FSRセル、(30)…インターフェイス、(40)…制御器、(100)…制御システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年9月9日(2010.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
個体(10)の片方の健康な脚(12)と下半身のもう一方側に設けた義足(14)が協調運動を行うように該義足(14)の駆動装置(16)を制御する方法において、
少なくとも1つは健康な脚(12)の側に設けられ、少なくとも1つは義足(14)の側に設けられた複数の人工固有受容体(20)から、該個体の歩行の動特性についての情報をリアル・タイムに提供するデータ信号を受信する工程と、
前記複数の人工固有受容体(20)から受信したデータ信号によって提供された情報に基づいて該個体の歩行を有限な数の部分に分解する工程と、
前記データ信号に応答して、前記駆動装置(16)を制御するための制御信号であって、前記協調運動を可能にするために、前記駆動装置(16)に接続された義足の継手の軌道および継手によって印加しなければならない力を求めるための制御信号を発生させる工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収しかつ供給する、能動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記人工固有受容体(20)が、筋電センサ、神経センサ、運動センサ、動力学センサ、及び、足底圧力センサの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記運動センサの少なくとも1つが、前記義足(14)のソケットに配置されていることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
【請求項５】
前記動力学センサが、前記個体(10)の下肢部分の関節継手での回転力を測定する手段と前記個体(10)の下肢部分での反力を測定する手段の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項3に記載の方法。
【請求項６】
前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の義足の中足指節区域に配置され、前記足底圧力センサの少なくとも1つが、前記義足(14)の義足の踵骨区域に配置されていることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
【請求項７】
個体(10)の片方の健康な脚(12)と下半身のもう一方側に設けた義足(14)が協調運動を行うように該義足(14)の駆動装置(16)を制御する装置において、
少なくとも1つは健康な脚(12)の側に、少なくとも1つは義足(14)の側に設けることができるように構成された、複数の人工固有受容体(20)と、
前記複数の人工固有受容体(20)から、該個体の歩行の動特性についての情報をリアル・タイムに提供するデータ信号を受信する手段と、
前記人工固有受容体(20)から受信したデータ信号によって提供された情報に基づいて該個体の歩行を有限な数の部分に分解する手段と、
前記データ信号に応答して、前記駆動装置(16)を制御するための制御信号であって、前記協調運動を可能にするために、前記駆動装置(16)に接続された義足の継手の軌道および継手によって印加しなければならない力を求めるための制御信号を発生させる手段とを含むことを特徴とする装置。
【請求項８】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収する、受動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項7に記載の装置。
【請求項９】
前記駆動装置(16)が、前記義足(14)の機械的継手の動特性を修正するために機械的エネルギーを吸収しかつ供給する、能動的電気機械的構成部品であることを特徴とする、請求項7に記載の装置。
【請求項１０】
前記人工固有受容体(20)が動力学センサを含むことを特徴とする、請求項7に記載の装置。
【請求項１１】
前記動力学センサが、前記個体(10)の下肢部分の関節継手での回転力を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項10に記載の装置。
【請求項１２】
片方に健全な脚(12)を有する個体(10)の、下半身のもう一方側に設けることができるように構成された下肢用義足(14)において、
少なくとも1つは健康な脚(12)の側に、少なくとも1つは義足(14)の設けられた側に設けることができるように構成された、複数の人工固有受容体(20)と、
前記複数の人工固有受容体(20)から、該個体の歩行の動特性についての情報をリアル・タイムに提供するデータ信号を受信する手段と、
前記複数の人工固有受容体(20)から受信したデータ信号によって提供された情報に基づいて該個体の歩行を有限な数の部分に分解する手段と、
少なくとも1つの駆動装置(16)と、
前記データ信号に応答して、前記駆動装置(16)を制御するための制御信号であって、前記協調運動を可能にするために、前記駆動装置(16)に接続された義足の継手の軌道および継手によって印加しなければならない力を求めるための制御信号を発生させる手段とを含むことを特徴とする下肢用義足。
【請求項１３】
前記制御信号が、前記能動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される継手の軌道及びトルクを含むことを特徴とする、請求項2に記載の方法。
【請求項１４】
前記制御信号が、前記受動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される抵抗を含むことを特徴とする、請求項8に記載の装置。
【請求項１５】
前記制御信号が、前記能動的電気機械的構成部品によって前記義足(14)の機械的継手に印加される継手の軌道及びトルクを含むことを特徴とする、請求項9に記載の装置。