(57)【要約】      （修正有）【課題】筋電計測を用い４方向の計測から６角形の出力分布図の測定を行う筋力評価システムでは、電極を体表面に貼るための衣服の着脱、筋電図が所定の条件を満たすよう被検者に調整を強いる、測定に長時間を要するなどの問題を解決する装置を提供する。【解決手段】実測により５辺を求め、残る１辺を対向する２辺が並行であるとの条件から自動的に６角形の出力分布図を求める方法、あるいは、６角形の各辺への直交方向に発揮される最大力と６角形の頂点を求め、オーヴァル形出力分布図を自動作成することで、筋電計測を不要とし、更に、被検者にリアルタイムに出力分布を表示し、次の測定動作をガイドする機能を加えることで、測定に要する時間を大幅に短縮した。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下肢先端で発揮される力を６角形の出力分布図として表現する下肢筋力測定装置であって、６辺で構成される前記６角形の５辺を実測により求めて、前記６角形を自動作成することを特徴とする下肢筋力測定装置。
【請求項２】
前記６角形の頂点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆで表すとき、辺ＡＢ，辺ＢＣ、辺ＤＥ、辺ＥＦ、辺ＦＡの各辺に直交する方向に発揮される各力の最大力を実測し、前記６角形の出力分布図を作成することを特徴とする請求項１に記載の下肢筋力測定装置。
【請求項３】
前記下肢筋力測定装置が背付ベッドと、
ベッドに固定され足首を挿入可能なるベルトと、
該ベルトの内側に配置され足首に当接して足が発揮する３軸方向の力をセンシングするセンサと、
前記センサの出力データの収集と処理を行いながら測定手順をガイドするコントローラと、
前記データ処理結果と前記測定手順を表示するモニターと、で構成されることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載の下肢筋力測定装置。
【請求項４】
下肢先端で発揮される力の出力分布図作成の過程に、６角形の出力分布図法を採用する下肢筋力測定装置であって、
６角形の頂点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆで表すとき、辺ＡＢ，辺ＢＣ、辺ＣＤ、辺ＤＥ、辺ＥＦ、辺ＦＡの各辺に直交する方向に発揮される各力の最大力を実測して前記６角形を作成し、
前記６角形の頂点座標値と、前記最大力座標値を定め、各頂点座標と、各頂点に隣接する２つの前記最大力座標値を用い、前記６角形に内接する６つのベジェ曲線を求め、該６つのベジェ曲線を結合させて作成されるオーヴァル形出力分布図を自動的に作成することを特徴とする下肢筋力測定装置。
【請求項５】
前記下肢筋力測定装置が背付ベッドと、
ベッドに固定され足首を挿入可能なるベルトと、
該ベルトの内側に配置され足首に当接して足が発揮する２軸方向の力をセンシングするセンサと、
前記センサの出力データの収集と処理を行いながら測定手順をガイドするコントローラと、
前記データ処理結果と前記測定手順を表示するモニターと、で構成されることを特徴とする請求項４に記載の下肢筋力測定装置。
【請求項６】
前記コントローラが、前記オーヴァル形出力分布図を基礎データとし、コサイン調律に基づき３対６筋の実効筋力算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の下肢筋力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は下肢の筋力を出力分布図として計測し、さらに各筋群の筋力を算出するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下肢は多数の筋からなるが、機能別に筋を分類して作成された２関節に対する３対６筋群モデルが提案され、各筋群力と下肢先端の出力の関係が明らかとなった。下肢先端の６つの出力を足し合わせることで、下肢の先端で発揮可能な出力は６角形をした出力分布図として定義される。さらに、求まった出力分布図に何らかの仮定を適用することで、各筋群力を算出できる。そのため、上記手法による筋力評価は従来の関節毎の筋力評価に比べて下肢の筋力を細分化して評価できる。
【０００３】
特許文献１において出力分布図を計測する発明および出力分布図から各筋群の筋力を求める発明が開示されている。そこでは、特許文献１の図９に示すように、６角形をした出力分布の伸展方向と屈曲方向のそれぞれの頂点と、それらを結ぶ線分に垂直な上下方向の計４方向の計測から出力分布図を作図する手法が示されている。出力分布図の頂点の計測において筋電図バイオフィードバック法により所定の条件を満たすときの測定結果を基にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２１０２７２「筋力評価方法およびシステム」
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】D.Nozaki, et al: Muscle activity determined by cosine tuning with a nontrivial preferred direction during isometric force exertion by lower limb, J.Neurophysiol, Vol.93; pp2614-2624, 2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では６角形の出力分布図を作図するためのデータとして、その頂点計測において筋電図バイオフィードバック法を用いている。その方法は電極を体表面に貼る必要があるため衣服の着脱が必要であり、また、被検者の筋電図が所定の条件を満たすように調整される必要があるために測定に長時間を要する。従って、一般の人を対象とした短時間での計測には不向きである。さらに、測定を完了した後に出力分布図の作図を行うため、計測途中でミスがあっても、その時点での作業だけを反復させてやり直すことが出来ない。
【０００７】
また、人が実際に発揮する下肢先端での出力は６角形とはならないため、６角形で近似された出力分布図は実測値との誤差がある。さらに、誤差のある出力分布図から求まった各筋群力にも誤差があることが予想される。また、特許文献１における筋群力導出法においては、人による違いができるだけ少ない仮定を用いているが、被験者のその仮定からのズレが筋群力の誤差となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、下肢先端で発揮される力を６角形の出力分布図として表示する下肢筋力測定装置である。本下肢筋力測定装置が出力する６角形状は、まず実測により５辺を求め、残る１辺を対向する２辺が並行であるとの条件から自動的に作図で求める下肢筋力測定装置である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、６角形の頂点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆで表すとき、辺ＡＢ，辺ＢＣ、辺ＤＥ、辺ＥＦ、辺ＦＡの各辺に直交する方向に発揮される各力の最大力を実測して前記６角形の出力分布図を作成する下肢筋力測定装置である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、下肢筋力測定装置が背付ベッドと、ベッドに固定され足首を挿入可能なベルトと、ベルトの内側に配置され足首に当接して足が発揮する３軸方向の力をセンシングするセンサとを装備する下肢筋力測定装置である。
被検者は装置のベッド上で、背受けに背を当てながら足を伸ばし足首をベルトに挿入する。次いで、モニターに表示されるガイドに従い、大腿部と下腿部と足首にモニターに表示される方向の力を加える。この力はベルトの内側に設置された３軸方向のセンサで計測され、計測データは装置コントローラに収集される。
【００１１】
収集されたデータはコントローラによりデータとしての有効性が判断され、有効でない場合は同じ作業がモニターに表示され、データの再採集が行われる。しかし、データが有効であれば次の作業がモニター上に表示される。従って、被検者はモニターに表示される次工程の動作をガイドに従って忠実に実行することで測定を完了させることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、下肢先端で発揮される力の出力分布図作成の過程に、６角形の出力分布図法を採用する下肢筋力測定装置であって、６角形の頂点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆで表すとき、辺ＡＢ，辺ＢＣ、辺ＣＤ、辺ＤＥ、辺ＥＦ、辺ＦＡの各辺に直交する方向に発揮される各力の最大力を実測して前記６角形を作成し、前記６角形の頂点座標値と、前記最大力座標値を定め、各頂点座標と、各頂点に隣接する２つの前記最大力座標値を用い、前記６角形に内接する６つのベジェ曲線を求め、該６つのベジェ曲線を結合させて作成されるオーヴァル形出力分布図を自動的に作成することを特徴とする下肢筋力測定装置である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記下肢筋力測定装置が背付ベッドと、ベッドに固定され足首を挿入可能なるベルトと、該ベルトの内側に配置され足首に当接して足が発揮する２軸方向の力をセンシングするセンサと、前記センサの出力データの収集と処理を行いながら測定手順をガイドするコントローラと、前記データ処理結果と前記測定手順を表示するモニターと、で構成されることを特徴とする請求項４に記載の下肢筋力測定装置である。
被検者は装置のベッド上で、背受けに背を当てながら足を伸ばし足首をベルトに挿入する。次いで、モニターに表示されるガイドに従い、大腿部と下腿部と足首にモニターに表示される方向の力を加える。この力はベルトの内側に設置された２軸方向のセンサで計測され、計測データは装置コントローラに収集される。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記コントローラが、前記オーヴァル形出力分布図を基礎データとし、コサイン調律に基づき３対６筋の実効筋力算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の下肢筋力測定装置である。
【００１５】
収集されたデータはコントローラによりデータとしての有効性が判断され、有効でない場合は同じ作業がモニターに表示され、データの再採集が行われる。しかし、データが有効であれば次の作業がモニター上に表示される。従って、被検者はモニターに表示される次工程の動作をガイドに従って忠実に実行することで測定を完了させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
６角形の出力分布図の作図を辺の測定だけから行えるようにしたので、頂点計測で必要であった電極の貼り付けと、それを用いた判定が不要となり、測定の手間が削減できた。また、測定後に出力分布図を作図していたのを、測定中に測定経過をリアルタイムで表示できることから、測定経過を確認しながらその場で被検者に指示を与えることができる。
また、ガイドシステムの導入で被検者はどの方向に力を発揮すれば良いのか視覚的に把握でき、測定作業の円滑化が図れた。
【００１７】
出力分布図の形を６角形から滑らかな曲線で近似する手法としたため、測定値との誤差が低減される。各筋群の筋群力の導出において、本発明では特許文献１のように仮定を用いず、測定データのみから得るため、個人差に影響されにくいことが予想される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】下肢の２関節リンク機構の３対６筋モデル図である。
【図２】２関節リンク機構の３対６筋モデル図の先端で発揮可能な最大出力の図である。
【図３】出力分布図の測定法である５点計測法の図解図である。
【図４】本システムで用いる５点計測法のアルゴリズムのフロー図である。
【図５】ガイドシステムの最初のステップ図である。
【図６】ガイドシステムの二番目のステップ図である。
【図７】ガイドシステムの最後のステップ図である。
【図８】測定環境の図である。
【図９】測定姿勢の図である。
【図１０】測定の流れを表すフロー図である。
【図１１】下肢の２関節リンク機構の３対６筋モデル図である。
【図１２】２関節リンク機構の３対６筋モデル図の先端で発揮可能な最大出力の図である。
【図１３】出力分布図の測定法である六辺計測法の図解図である。
【図１４】ベジェ曲線の図解図である。
【図１５】オーヴァル形出力分布図の図解図である。
【図１６】本システムで用いる六辺計測法のオーヴァル形出力分布図作図アルゴリズムのフロー図である。
【図１７】トルク平面における筋活動度の図解図である。
【図１８】機能別実効筋力算出アルゴリズムのフロー図である。
【図１９】ガイドシステムの最初のステップ図である。
【図２０】ガイドシステムの二番目のステップ図である。
【図２１】ガイドシステムの最後のステップ図である。
【図２２】測定環境の図である。
【図２３】測定姿勢の図である。
【図２４】測定の流れを表すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
五辺の最大力の実測から六角形を作成する発明の背景となる理論について図１を用いて説明する。人間の下肢は２関節リンク機構の先端６において二次元平面で発揮される力の制御およびその方向の制御のために、第一関節４に寄与する一関節筋群、及び第二関節５に寄与する一関節筋群そして第一関節４と第二関節５の両関節に寄与する二関節筋群が協調的に活動する。
【００２０】
図１の下肢先端６での矢印は機能的に分類された各筋群が先端で発揮する力の大きさと方向を表し、図２の６角形は各筋が協調的に活動した時に下肢先端が発揮することができる最大出力の大きさと方向を表す。そして、この最大出力は出力分布図として定義されている。この出力分布図は、以下の特徴を持つ。
「特徴１」：図２の６角形の対辺の長さ及び傾きは等しい。
「特徴２」：辺ＦＡ１２と辺ＣＤ９の傾きは膝関節５と先端６を結んだ直線の傾きと等しい。辺ＡＢ７と辺ＤＥ１０の傾きは股関節４と先端６を結んだ直線の傾きと等しい。辺ＢＣ８と辺ＥＦ１１の傾きは股関節４と先端６を結んだ線分の傾きと等しい。
【００２１】
５点計測法は、被検者の出力分布図の５辺の下肢先端発揮力を測定して出力分布図の特徴を利用することで出力分布図を作図する方法である。その方法は図３に示すように、ある辺１５を測定するとき力の計測点１３に対しての辺１５と同じ傾きの直線を引き、その直線の中心からの距離１４を算出する。
【００２２】
この中心からの距離が最も大きい時、その計測点は出力分布のその辺上にあることを意味するので、この計測点と直線を保存しておく。そして、これを５つの辺で実施し、最後に出力分布図の特徴を満たすようにすることで出力分布図を作図できる。
【００２３】
さらに本システムでは、リアルタイムで出力分布図を描きつつ測定を行えるような５点計測法による出力分布図作図プログラムを組んでいる。そのプログラムのアルゴリズムは図４のようになっており、まず下肢先端で発揮される二次元平面の力の値を計測する（ステップＳ１）。
【００２４】
計測点を通り、「特徴２」の出力分布の特徴より６角形の３種類の傾きをそれぞれ持った直線を引く。（ステップＳ２）ここで、３つの各直線は傾きが同じ出力分布図の辺同士と比較するために中心からの距離を算出する。（ステップＳ３）それぞれ原点からの距離を比較し（ステップＳ４）、距離が大きくなっていれば新たな辺として採用するため直線を保存する（ステップＳ５）。そうでなければ以前のままとする。ただし、同じ傾きの辺は各直線に対して２つ存在するため、原点に対して同じ側の辺とだけ行う。
【００２５】
この時、測定しない一辺をあらかじめ決めておいて、その辺に対する直線は保存をしない。どの辺を除くかについては自由に選択できるが、例えば、多くの被検者が発揮するのに慣れていない方向の辺は測定時間がかることが予想されるため、その辺の測定は除くと言ったことも可能である。
【００２６】
保存された直線５本から一辺を除く出力分布図が求まる。ここで、求まってない一辺はその対辺と並行で長さが等しいため、「特徴１」、「特徴２」の条件を満たすようにすることで、出力分布図が一意に決定できる。（ステップＳ６）
【００２７】
そして、求まった出力分布図をモニター画面に表示し（ステップＳ７）、これを繰り返すことでリアルタイムでの出力分布図の描画が可能となる。このプログラムは被検者が再度最大力を発揮し出力分布の辺より大きくなれば、その力の値で新たな辺を構成するのでプログラムが動作している間は常に測定が可能になる。
【００２８】
このプログラムでは辺の方向に最大力を発揮していき、５辺上に最大力が発揮できたら測定を終了できるが、最大力を発揮する方向が同じ辺になった場合には重複した測定になるので被検者の負担になり測定時間も増加する。
【００２９】
そこでガイドシステムの導入により最低限の最大力発揮回数で出力分布を描くことができる。次の作業を指示するガイドをモニターに表示する。
（１）まず、図５のように股間節４と先端６を結ぶ方向（前方向）と、これに直交する方向（２方向）の計３方向について、指示された範囲内１６、１７、１８にそれぞれ最大力Ｆ１〜Ｆ３を発揮して次のステップに進む。
（２）次に図６のように辺ＢＣ８と辺ＦＡ１２のそれぞれを延長して求まる交点をαとし、αと先端６を結ぶ直線を中心として、所定の範囲内１９に最大力Ｆ４を発揮する。
（３）上記、（２）の工程で辺ＡＢ７が更新されない場合、辺ＡＢ７と辺ＥＦ１１をそれぞれ延長して求まる交点をβとし、βと先端６を結ぶ直線を中心として、所定の範囲内２０に最大力Ｆ４を発揮する。
（４）最後に図７頂点Ａと中心６を結んだ延長線上と頂点Ｂと中心６を結んだ延長線上の間を測定範囲２１としてＦ５を発揮して出力分布図の測定を終了する。
【００３０】
オーヴァル形出力分布図の作成の発明の背景となる理論について図１１を用いて説明する。人間の下肢は２関節リンク機構の先端１０６において二次元平面で発揮される力の制御およびその方向の制御のために、第一関節１０４に寄与する一関節筋群、及び第二関節１０５に寄与する一関節筋群そして第一関節１０４と第二関節１０５の両関節に寄与する二関節筋群が協調的に活動する。
【００３１】
図１１の下肢先端１０６での矢印は機能的に分類された各筋群が先端で発揮する力の大きさと方向を表し、図１２の６角形は各筋が協調的に活動した時に下肢先端が発揮することができる最大出力の大きさと方向を表す。そして、この最大出力は出力分布図として定義されている。この出力分布図は、以下の特徴を持つ。
「特徴１」：図１２の６角形の対辺の長さ及び傾きは等しい。
「特徴２」：辺ＦＡ１１２と辺ＣＤ１０９の傾きは膝関節１０５と先端１０６を結んだ直線の傾きと等しい。辺ＡＢ１０７と辺ＤＥ１１０の傾きは股関節１０４と先端１０６を結んだ直線の傾きと等しい。辺ＢＣ１０８と辺ＥＦ１１１の傾きは股関節１０４と先端１０６を結んだ線分の傾きと等しい。
【００３２】
六辺計測法は、被検者の出力分布図の六辺の下肢先端発揮力を測定して出力分布図の傾きに関する特徴を利用することで出力分布図を作図する方法である。その方法は図１３に示すように、ある辺１１５を測定するとき力の計測点１１３に対しての辺１１５と同じ傾きの直線を引き、その直線の中心からの距離１１４を算出する。
【００３３】
この中心からの距離が最も大きい時、その最大の計測点は出力分布図のその辺上にあることを意味するので、この最大計測点１１６と直線１１５を保存しておく。そして、これを６つの辺で実施し、各直線の交点を頂点とすることで六角形の出力分布図を作図できる。
【００３４】
次に、オーヴァル形出力分布図を描くため、図１４に示すように六角形のある頂点座標点１２３とその頂点に隣接する２辺１２４、１２５の最大計測点の位置情報１２６、１２７の計３点の位置情報を用いてベジェ曲線１２８を作図する。そのベジェ曲線の作図方法を六角形のそれぞれの頂点及びその頂点に隣接する２辺の最大計測点で実施することで図１５に示すようなオーヴァル形出力分布図１２９を作図できる。
【００３５】
さらに本システムでは、リアルタイムでオーヴァル形出力分布図を描きつつ測定を行えるオーヴァル形出力分布図作図プログラムを組んでいる。そのプログラムのアルゴリズムは図１６のようになっており、まず下肢先端で発揮される二次元平面の力の値を計測して（ステップＳ１０１）、六辺計測による六角形を算出する。そして、その頂点情報と最大計測点からオーヴァル形出力分布図を作図し、モニターに表示する仕組みになっている。
【００３６】
そのアルゴリズムについて説明する。
まず、力センサから得られた情報から六角形の出力分布を算出する。計測点を通り、「特徴２」の出力分布の特徴より六角形の３種類の傾きをそれぞれ持った直線を引く。（ステップＳ１０２）ここで、３つの各直線は傾きが同じ出力分布図の辺同士と比較するために中心からの距離を算出する。（ステップＳ１０３）それぞれ原点からの距離を比較し（ステップＳ１０４）、距離が大きくなっていれば新たな辺として採用するため直線とその直線を作る最大計測点を保存する（ステップＳ１０５）。そうでなければ以前のままとする。ただし、同じ傾きの辺は各直線に対して２つ存在するため、原点に対して同じ側の辺とだけ行う。
【００３７】
保存された直線６本から出力分布図が算出できる。そして、求まった出力分布図の各頂点とその頂点に隣接する２辺の最大計測点からベジェ曲線を描くことでオーヴァル形出力分布図が作図される（ステップＳ１０７）。そして、オーヴァル形出力分布図をモニター画面に表示し（ステップＳ１０８）、これを繰り返し続けることでリアルタイムでのオーヴァル形出力分布図の描画が可能となる。このプログラムは被検者が再度最大力を発揮し六角形の出力分布図の辺より大きくなれば、その力の値で新たな辺を構成するのでプログラムが動作している間は常に測定が可能になる。
【００３８】
次から描かれるオーヴァル形出力分布図から各実効筋力を算出する方法を説明する。先端１０６で発揮される力を第一関節１０４に作用する股関節トルクと第二関節１０５に作用する膝関節トルクに変換できる。これらの関節トルクの値は各機能別実効筋力と各筋活動度で表せるため、各実効筋の筋活動度を求めることでオーヴァル形出力分布図から各機能別実効筋力を算出することができる。
【００３９】
各筋活動度は、図１７に示すような股関節トルクおよび膝関節トルクから作られるトルク空間（ｘ軸：膝関節トルク値１３０、ｙ軸：股関節トルク値１３１、ｚ軸:各筋活動度１３２）において平面１３３で表すことができる。この１平面の向き１３３は至適方向PD１３５によって表せる。至適方向PD１３５がわかれば、その空間内のトルクが与えられた時に筋活動度が算出できる。そのため、仮想的にトルク空間でトルクを与えた時に至適方向を組み合わせ的に与えて筋活動度を算出、次に機能別実効筋力を組み合わせ的に代入し関節トルクを推定する。与えたトルクと推定したトルクとの誤差を最小にする最適化計算することで、至適方向PD１３５を得る。
【００４０】
次に、得られたオーヴァル出力分布を股関節トルクと膝関節トルクのトルク空間に変換し、そのトルクの値から筋活動度を算出する。そして、筋活動度の値に基づいて各実効筋力を組み合わせ的に代入し、推定トルクを算出する。関節トルクに変換されたオーヴァル形出力分布図と推定したトルクの誤差が最小になるように最適化計算することで、各機能別実効筋力を算出する。
【００４１】
本システムでは、図１６のオーヴァル形出力分布図作図プログラムが終了した時点で各実効筋力を[００３８][００３９][００４０]により算出した結果を表示する実効筋力算出プログラムを組んでいる。
【００４２】
図１８に示すように、まず得られたオーヴァル出力分布を膝関節トルク・股関節トルクの値に変換する（ステップＳ１０９）。次に、その股関節トルク・膝関節トルクの値から[００３１]により求めた筋活動度に基づいて各実効筋力に分配する（ステップＳ１１０）。そして、分配された各実効筋力から各最大の実効筋力を算出する（ステップＳ１１１）。最後に最大の各実効筋力の値をモニターに表示する（ステップＳ１１２）。
【００４３】
これらプログラムでは辺の方向に最大力を発揮していき、６辺上に最大力が発揮できたら測定を終了できるが、最大力を発揮する方向が同じ辺になった場合には重複した測定になるので被検者の負担になり測定時間も増加する。
【００４４】
そこでガイドシステムの導入により最低限の最大力発揮回数で出力分布を描くことができる。次の作業を指示するガイドをモニターに表示する。
（１）まず、図１９のように股間節１０４と先端１０６を結ぶ方向（前方向）と、これに直交する方向（２方向）の計３方向について、指示された範囲内１３６、１３７、１３８にそれぞれ最大力を発揮して次のステップに進む。
（２）次に図２０のように、辺ＡＢ１０７と辺ＥＦ１１１をそれぞれ延長して求まる交点をαとし、αと先端１０６を結ぶ直線を中心として、所定の範囲内１４０に最大力を発揮する。
（３）上記、（２）の工程で辺ＦＡ１１２が更新されない場合、辺ＢＣ１０８と辺ＦＡ１１２のそれぞれを延長して求まる交点をβとし、βと先端１０６を結ぶ直線を中心として、所定の範囲内１３９に最大力を発揮する。
（４）最後に図２１のαと中心１０６を結んだ延長線上を軸とする所定の範囲内１４２とβと中心１０６を結んだ延長線上を軸とする所定の範囲内１４１に対して最大力を発揮して出力分布図の測定を終了する。
【実施例】
【００４５】
五辺計測から六角形の出力分布図の作図を行う装置は、装置全体としては図８のように被検者を任意姿勢で下肢先端を固定し、先端発揮力を計測できる装置と、力センサ２２の値から５点計測法による出力分布図作図プログラム等の処理をするコンピュータと計測結果を表示するモニター２３から成る。このモニター画面上にコンピュータの処理結果を表示する方法はグラフィックプログラムインターフェイスＯｐｅｎＧＬを用いて行っている。
【００４６】
被検者を一姿勢で固定した状態で下肢の先端での力を測定する必要があるが、被検者が目標の姿勢（図９の股関節角度θ1と膝関節角度θ２）で測定を行うために力センサ２２を有する下肢先端を接続する部分が二次元平面内の任意の位置で固定可能な装置を用いる。
【００４７】
図８のような２自由度を持つ装置は下肢接続部分の位置を所定の位置で固定することで、被検者を目標の姿勢にさせる。
【００４８】
また測定円滑化のために被検者は力の値を視覚的に認識ができるように図８のモニター画面内２３のようにリアルタイムで下肢先端の力の大きさと方向を矢印として表示し、同時にこれまでに求まった現時点での出力分布図も表示している。
【００４９】
これにより被検者は自身が現在発揮している下肢先端の力の大きさと方向と共に、これまでに測定された出力分布図が表示されているため、指定された目標の辺に向けて力を発揮することが可能となる。
【００５０】
測定の流れは図１０のフロー図のようになっている。まず、被検者を目標の姿勢で固定させ（ステップＳ８）、脱力状態にさせて力センサに加わる力を読み取る。これは被検者の下肢先端の発揮力のみ測定したいので、下肢の重さを除くために脱力状態の力センサの値を読取、重力補償する。（ステップＳ９）
【００５１】
この処理が終わったら被検者の５点計測法による出力分布計測を開始する。（ステップＳ１０）そして被検者に５辺の方向に向けて最大力発揮したかどうか確認して、（ステップＳ１１）測定を終了する。（ステップＳ１２）
【００５２】
またガイドシステムについては次のステップに進むためには被検者にステップ毎で最大力を発揮したかどうか確認する必要がある。そのための手段としては被検者自身がボタン入力や音声認識などで被検者の意思で次のステップにすることも可能であり、ステップ毎に時間制限を設けて被検者にはその間に最大力を発揮して制限時間を過ぎたら次のステップに進むと言った自動ガイドにもすることも可能である。
【００５３】
また、六辺計測した場合には六角形の対辺の長さは等しい特徴を満たさない六角形ができるが、最適化計算を用いて対辺の等しい六角形を作図することも可能である。
【００５４】
さらに本システムでは、リアルタイムでオーヴァル形出力分布図を描きつつ測定を行えるオーヴァル形出力分布図作図プログラムを組んでいる。そのプログラムのアルゴリズムは図１６のようになっており、まず下肢先端で発揮される二次元平面の力の値を計測して（ステップＳ１０１）、六辺計測による六角形を算出する。そして、その頂点情報と最大計測点からオーヴァル形出力分布図を作図し、モニターに表示する仕組みになっている。
【００５５】
そのアルゴリズムについて説明する。
まず、力センサから得られた情報から六角形の出力分布を算出する。計測点を通り、「特徴２」の出力分布の特徴より六角形の３種類の傾きをそれぞれ持った直線を引く。（ステップＳ１０２）ここで、３つの各直線は傾きが同じ出力分布図の辺同士と比較するために中心からの距離を算出する。（ステップＳ１０３）それぞれ原点からの距離を比較し（ステップＳ１０４）、が大きくなっていれば新たな辺として採用するため直線とその直線を作る最大計測点を保存する（ステップＳ１０５）。そうでなければ以前のままとする。ただし、同じ傾きの辺は各直線に対して２つ存在するため、原点に対して同じ側の辺とだけ行う。
【００５６】
保存された直線６本から出力分布図が算出できる。そして、求まった出力分布図の各頂点とその頂点に隣接する２辺の最大計測点からベジェ曲線を描くことでオーヴァル形出力分布図が作図される（ステップＳ１０７）。そして、オーヴァル形出力分布図をモニター画面に表示し（ステップＳ１０８）、これを繰り返し続けることでリアルタイムでのオーヴァル形出力分布図の描画が可能となる。このプログラムは被検者が再度最大力を発揮し六角形の出力分布図の辺より大きくなれば、その力の値で新たな辺を構成するのでプログラムが動作している間は常に測定が可能になる。
【００５７】
本システムでは、図１６のオーヴァル形出力分布図作図プログラムが終了した時点で各実効筋力を[００３８][００３９][００４０]により算出した結果を表示する実効筋力算出プログラムを組んでいる。
【００５８】
図１８に示すように、まず得られたオーヴァル出力分布を膝関節トルク・股関節トルクの値に変換する（ステップＳ１０９）。次に、その股関節トルク・膝関節トルクの値から[００３１]により求めた筋活動度に基づいて各実効筋力に分配する（ステップＳ１１０）。そして、分配された各実効筋力から各最大の実効筋力を算出する（ステップＳ１１１）。最後に最大の各実効筋力の値をモニターに表示する（ステップＳ１１２）。
【００５９】
また、得られたオーヴァル出力分布から各機能別実効筋力を分配する手法は他の筋活動度を推定する手法においても可能である。
【００６０】
これらプログラムでは辺の方向に最大力を発揮していき、６辺上に最大力が発揮できたら測定を終了できるが、最大力を発揮する方向が同じ辺になった場合には重複した測定になるので被検者の負担になり測定時間も増加する。
【００６１】
そこでガイドシステムの導入により最低限の最大力発揮回数で出力分布を描くことができる。次の作業を指示するガイドをモニターに表示する。
（１）まず、図１９のように股間節１０４と先端１０６を結ぶ方向（前方向）と、これに直交する方向（２方向）の計３方向について、指示された範囲内１３６、１３７、１３８にそれぞれ最大力を発揮して次のステップに進む。
（２）次に図２０のように、辺ＡＢ１０７と辺ＥＦ１１１をそれぞれ延長して求まる交点をαとし、αと先端１０６を結ぶ直線を中心として、所定の範囲内１４０に最大力を発揮する。
（３）上記、（２）の工程で辺ＦＡ１１２が更新されない場合、辺ＢＣ１０８と辺ＦＡ１１２のそれぞれを延長して求まる交点をβとし、βと先端１０６を結ぶ直線を中心として、所定の範囲内１３９に最大力を発揮する。
（４）最後に図２１のαと中心１０６を結んだ延長線上を軸とする所定の範囲内１４２とβと中心１０６を結んだ延長線上を軸とする所定の範囲内１４１に対して最大力を発揮して出力分布図の測定を終了する。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本装置は、従来の測定装置に比べ短時間で、しかも被検者への負担が少なく計測出来るため、大勢の計測を必要とする疫学調査に応用することが可能で、様々な現象と筋力との関連を明らかにする調査などに活用できる。例えば、疫学調査結果を基に、評価と診断を行うことで問題解決を定量的に行うことが可能となり、転倒予防などの対策を検討する場合などにも効果的な活用が期待できる。
【符号の説明】
【００６３】
１  下肢大腿部
２  下肢下腿部
３  足
２１  体幹部
２４  足置場移動用スライダ
２５  スライダの回転軸
２６  測定装置背もたれ部
２７  体幹固定ベルト
２８  下腹部固定ベルト
２９  測定装置座部
３０  手すり
１０１  下肢大腿部
１０２  下肢下腿部
１０３  足
１１２  辺ＦＡの最大力計測点
１１３  辺ＡＢの最大力計測点
１１４  辺ＢＣの最大力計測点
１１５  辺ＣＤの最大力計測点
１１６  辺ＤＥの最大力計測点
１１７  辺ＥＦの最大力計測点
１３４  至適方向PDの膝関節トルクを基準として見た時の角度
１３５  至適方向PDの向き
１４３  体幹部
１４６  足置場移動用スライダ
１４７  スライダの回転軸
１４８  測定装置背もたれ部
１４９  体幹固定ベルト
１５０  下腹部固定ベルト
１５１  測定装置座部
１５２  手すり
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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