(57)【要約】  患者が握るスティック(16)と、患者の手首を支える手首支持部(17)と、スティック及び手首支持部を正転させ、停止させ、逆転させ、再停止させることを繰り返すサーボモータ(21)と、を備えた片麻痺前腕機能回復訓練装置(10)が開示される。
2014092076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半身が麻痺した患者において、麻痺している方の前腕部を訓練して回復を促す片麻痺前腕機能回復訓練装置であって、
装置ベースと、この装置ベースに水平軸廻りに回転可能に支持され上面が開放されている半割筒体と、この半割筒体内に設けられ前記前腕部の指を添える又は指で握ることができるスティックと、前記半割筒体内に設けられ手首を支える手首支持部と、一端が前記半割筒体に連結され水平に延びる駆動軸と、前記装置ベースに設けられ前記駆動軸を駆動するサーボモータと、このサーボモータに設けられモータ軸の回転角を計測するエンコーダと、このエンコーダから回転角情報を取得し前記半割筒体を正転させ、停止させ、逆転させ、停止させることを繰り返し、前記正転では筋緊張とその上の伸張反射を引き起こす訓練目標筋を刺激とするために第１角速度と急加速度と前記第１角速度より高速の第２角速度に速度を制御し、前記逆転では筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する、一連の制御をなす制御部とからなる片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項２】
前記手首支持部は、ブラケットと、このブラケットにねじを介して支持され前記手首を挟む左右の湾曲部材とからなり、前記手首を上方へ抜くことができる構造になっている請求項１記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項３】
前記半割円筒と前記駆動軸との間に、トルク検出機構が設けられ、このトルク検出機構で前記逆転時に前記患者が前記スティックへ付与するトルクを検出することができるようにした請求項１記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項４】
前記トルク検出機構は、前記半割円筒の外周部から前記駆動軸まで延びる棒状部材と、この棒状部材の途中に設けるくびれ部と、このくびれ部に貼り付けた歪ゲージと、この歪ゲージからの歪情報をトルクに換算するトルク換算部とからなる請求項１記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項５】
前記装置ベースから延長部が延びており、この延長部に前記前腕部を支える前腕載せ台が設けられ、この前腕載せ台に上腕部を支える肘固定部が取付けられている請求項１記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項６】
前記延長部は、関節機構を介して前記装置ベースに水平・回転移動可能に繋がれている請求項５記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、麻痺している方の前腕部を訓練して、前腕部の回転機能の回復を促す片麻痺前腕機能回復訓練装置に関する。前記回転は、前腕部を身体中心側に回す「回内」と身体外側に回す「回外」とからなる。
【背景技術】
【０００２】
脳卒中を発症すると左半身と右半身の一方に麻痺が残ることがある。左半身と右半身の一方に残る麻痺は、片麻痺と呼ばれる。
この片麻痺は、リハビリテーションにより、機能の一部を回復させることが可能である。このリハビリテーションは、熟練した医師の手や療養士の手で施されるが、訓練が長時間、長期間にわたるため、医師や療養士の身体的な負担が大きい。
この負担を解消することを目的に、従来、訓練装置が提案されている（例えば、特許文献１）。【０００３】
特許文献１に開示されている訓練装置を次図に基づいて説明する。
図２５に示されるように、従来の訓練装置１００は、ベース１０１と、このベース１０１上の一端に設けられるモータ１０２と、このモータ１０２で支持され正転と逆転の一方に回される筒体１０３と、この筒体１０３に立っている把持部（スティック）１０４と、筒体１０３の入り口に設けられる第１バンド１０５と、ベース１０１上の他端に設けられる縦枠１０６と、この縦枠１０６から延びて前腕部１０７と上腕部１０８を各々支える前受け部１０９及び後受け部１１１と、前受け部１０９及び後受け部１１１の各々に設けられる第２バンド１１２及び第３バンド１１３とを備えている。【０００４】
手首１１４が第１ハンド１０５でしっかり保持され、前腕部１０７が第２バンド１１２でしっかり保持され、上腕部１０８が第３バンド１１３でしっかり保持される。
この状態で、モータ１０２により、筒体１０３が所定の角度回され、次に所定の角度逆側に回される要領で、正転と逆転が繰り返される。【０００５】
特許文献１に開示される訓練装置１００には、次に述べる問題点がある。
患者は健常者に比較して感情の起伏が大きいと言われる。訓練中に、訓練装置１００から腕を外したいという衝動に駆られることがある。しかし、従来の訓練装置１００では、第１バンド１０５、第２バンド１１２、第３バンド１１３で、腕が拘束されているため、患者の意志で腕を外すことができない。結果、患者にストレスが与えられ、患者は訓練を嫌がるようになる。訓練装置の普及を促す上で、患者にストレスを与えることが少ない訓練装置が求められる。【０００６】
また、この種の訓練では、身体に残っている機能を刺激し、強化させることが重要である。従来の訓練装置１００では、モータ１０２の駆動力で筒体１０３は正転と逆転がなされる。患者が前腕から力を抜いた状態（脱力した状態）でも、見かけ上は、訓練が進行する。しかし、力を抜いた状態では訓練の効果は得られない。より確実に機能回復が図れる訓練装置が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−２６１６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、患者にストレスを与えることが少なく且つより確実に機能回復が図れる訓練装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するには、促進反復療法を実施できる訓練装置が有効であることを知見した。
促進反復療法とは、治療者（医師や療養士など）が患者の麻痺した手足を操作して必要な神経回路にピンポイントで刺激を伝え、引き起した筋の伸張反射により目標とする動作を誘発させることを言う。この動作を根気よく繰り返すことで、必要な神経回路を再建・強化して麻痺の回復を促進する新しいリハビリ法である。促進とは、患者が意図した動作をしやすいように、動かしたい部位に刺激を与えて運動を助ける手技を表す。【００１０】
片麻痺患者は、自らの意志（脳からの指令）によって麻痺肢を動かすことは難しい。しかし、麻痺肢に刺激を与えることにより伸張反射を起こし、神経細胞が興奮し脳からの指令により麻痺肢を動かすことが可能となる。そこで目的となる運動に関与している神経回路に刺激を伝えるために、素早く目標の筋を伸張して筋緊張が高まった直後に伸張反射を起こし、その筋の収縮を命じることで目標となる動作を誘発させる。【００１１】
前腕の目標動作を誘発するためにピンポイントの刺激で伸張反射を引起さなければならない。現状（従来の技術）では、ピンポイントの伸張反射を簡単に引起せない。本発明では、この伸張反射を引起すために、他動的回転の第１角速度、急加速度、より高速の第２角速度をこの順に行うという刺激手法を開発することにより、課題を解決することに成功した。【００１２】
請求項１に係る発明は、半身が麻痺した患者において、麻痺している方の前腕部を訓練して回復を促す片麻痺前腕機能回復訓練装置であって、
装置ベースと、この装置ベースに水平軸廻りに回転可能に支持され上面が開放されている半割筒体と、この半割筒体内に設けられ前記前腕部の指で握ることができるスティックと、前記半割筒体内に設けられ手首を支える手首支持部と、一端が前記半割筒体に連結され水平に延びる駆動軸と、前記装置ベースに設けられ前記駆動軸を駆動するサーボモータと、このサーボモータに設けられモータ軸の回転角を計測するエンコーダと、このエンコーダから回転角情報を取得し前記半割筒体を正転させ、停止させ、逆転させ、再停止させることを繰り返し、前記正転では筋緊張とその上の伸張反射を引き起こす訓練目標筋を刺激とするために第１角速度と急加速度と前記第１角速度より高速の第２角速度に速度を制御し、前記逆転では筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する、一連の制御をなす制御部とからなる片麻痺前腕機能回復訓練装置が提供される。【００１３】
請求項２に係る発明では、好ましくは、手首支持部は、ブラケットと、このブラケットにねじを介して支持され前記手首を挟む左右の湾曲部材とからなり、手首を上方へ抜くことができる構造になっている。【００１４】
請求項３に係る発明は、好ましくは、半割円筒と駆動軸との間に、トルク検出機構が設けられ、このトルク検出機構で逆転時に患者がスティックへ付与するトルクを検出することができるようにしたことを特徴とする。【００１５】
請求項４に係る発明では、好ましくは、トルク検出機構は、半割円筒の外周部から駆動軸まで延びる棒状部材と、この棒状部材の途中に設けるくびれ部と、このくびれ部に貼り付けた歪ゲージと、この歪ゲージからの歪情報をトルクに換算するトルク換算部とからなる。【００１６】
請求項５に係る発明では、好ましくは、装置ベースから延長部が延びており、この延長部に前腕部を支える載せ台が設けられ、この前腕載せ台に上腕部を支える肘固定部が取付けられている。【００１７】
請求項６に係る発明では、好ましくは、延長部は、関節機構を介して装置ベースに水平移動・回転可能に繋がれている。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明では、半割筒体を正転させ、停止させ、逆転させ、再停止させることを繰り返す。正転では機能回復を図る筋の伸ばす緊張と伸ばす速度の急速な加速変化で筋の伸張反射を起こして神経細胞を興奮させるために第１角速度と急加速度と第１角速度より高速の第２角速度で筋の刺激を与えるようにする。逆転では筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する。すなわち、逆転は患者自身が行うため、患者の機能回復を促すことができる。【００１９】
また、正転時の途中で急加速させ、引き続き高速の第２角速度で回転させる。筋が伸張して伸張反射を促す。伸張反射が筋緊張を誘発し、患者自身による逆転を促すことができる。【００２０】
請求項２に係る発明では、手首を上方へ抜くことができる構造になっている。患者は何時でも腕を装置から外すことができるという安心感をもつ。そのため、患者はストレスを溜めることが無くなり、訓練を嫌う心配はなくなる。【００２１】
請求項３に係る発明は、半割円筒と駆動軸との間に、トルク検出機構が設けられ、このトルク検出機構で逆転時に患者がスティックへ付与するトルクを検出することができるようにした。
逆転時の抵抗力は、トルク検出機構で逆転時に患者がスティックへ付与するトルクに基づいて補正することができる。すなわち、患者の個人差に合致した抵抗力をサーボモータで発生させることができる。【００２２】
請求項４に係る発明は、トルク検出機構は、くびれ部を有する棒状部材と、くびれ部に貼り付けた歪ゲージとからなる。駆動軸の外周面に歪ゲージを貼り付けると歪が僅かであるため、計測トルクに誤差が出やすい。この点、本発明では、くびれ部の弾性変形が大きく、そこに歪ゲージを貼ったので、計測トルクの誤差が小さくなる。【００２３】
請求項５に係る発明では、前腕載せ台に前腕部が載せられ、肘固定部に上腕部が嵌められるため、肘が安定する。【００２４】
請求項６に係る発明では、前腕載せ台及び肘固定部が設けられている延長部が関節機構
を介して装置ベースに水平移動・回転可能に繋がれているため、患者は訓練時に肘の置く場所を水平移動させることができる。結果、回復させようとする筋を予め良く伸ばした状態になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る片麻痺前腕機能回復訓練装置の側面図である。
【図２】本発明に係る片麻痺前腕機能回復訓練装置の斜視図である。
【図３】半割筒体の斜視図である。
【図４】図１の４線断面図である。
【図５】図１の５線断面図である。
【図６】片麻痺前腕機能回復訓練装置の要部の分解斜視図である。
【図７】図６の７−７線断面図である。
【図８】手首支持部の正面図である。
【図９】手首支持部の作用図である。
【図１０】片麻痺前腕機能回復訓練装置の作用図である。
【図１１】半割筒体の作用図である。
【図１２】他動的回転運動を説明する図である。
【図１３】トルク検出機構の正面図である。
【図１４】トルク検出機構の原理を説明する図である。
【図１５】制御部の作用を説明する図である。
【図１６】２つの実験における角速度グラフである。
【図１７】２つの実験で得た最大角速度を示すグラフである。
【図１８】２つの実験で得た最大回転角を示すグラフである。
【図１９】図１に示された片麻痺前腕機能回復訓練装置の変更例を示す図である。
【図２０】図１９に示された片麻痺前腕機能回復訓練装置、特に関節機構の作用を説明する図である。
【図２１】図１５に示された制御部の作用の変更例を示す図である。
【図２２】図１９に示された片麻痺前腕機能回復訓練装置の変更例を示す図である。
【図２３】図１９に示された片麻痺前腕機能回復訓練装置の更なる変更例を示す図である。
【図２４】図１９に示された片麻痺前腕機能回復訓練装置の更なる変更例を示す図である。
【図２５】従来の訓練装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００２７】
図１に示されるように、片麻痺前腕機能回復訓練装置１０は、キャスター（自在車輪）１１を備える移動台１２と、この移動台１２上の一端に設けられる前腕載せ台１３と、移動台１２上に設けられる装置ベース１４と、この装置ベース１４に水平軸廻りに回転可能に支持され上面が開放されている半割筒体１５と、この半割筒体１５内に設けられているスティック１６と、半割筒体１５内に設けられている手首支持部１７と、一端が半割筒体１５に連結され水平軸に沿って延びている駆動軸１８と、装置ベース１４に設けられ駆動軸１８を回転自在に支える軸受台１９、１９と、装置ベース１４に設けられ駆動軸１８を駆動するサーボモータ２１と、このサーボモータ２１に設けられモータ軸２２の回転角を計測するエンコーダ２３と、このエンコーダ２３から回転角情報を取得し半割筒体１５を左右の一方向に正転させ、停止させ、逆転させる制御部２４と、スティック１６に加えられるトルクを演算し制御部２４へ送るトルク換算部２５とを備えている。【００２８】
制御部２４は、エンコーダ２３から回転角情報を取得し半割筒体１５を左右の一方向に正転させ、停止させ、逆転させ、再停止させることを繰り返えす。機能回復を図る筋の伸ばす緊張と伸ばす速度の急速な加速変化で筋の伸張反射を起こして神経細胞を興奮させるために、正転では、第１角速度と急加速度と第１角速度より高速の第２角速度で筋の刺激を与えるように速度を切り換える。前腕の動きを合わせるために、正転終了から伸張反射による前腕の逆転が動き始まるまで回転を数十ミリ秒停止する。筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために、逆転では、抵抗力を付与する。【００２９】
なお、キャスター１１の一部は、普通の車輪（非自在車輪）であってもよい。また、キャスター１１を省いてもよい。この場合は、移動台１２は、単なる台となる。
台であれば、適当なテーブルや机を台の替わりにすることができるため、移動台１２を装置ベース１４の下に配置するか否かは任意である。
ただし、サーボモータ２１やエンコーダ２３は重いため、人的負担を軽減する上で、本実施例のように装置ベース１４と移動台１２を一体化することが推奨される。【００３０】
半割筒体１５は、切り欠き率が５０％になる。しかし、半割筒体１５の切り欠き率は変更可能であり、筒体の一部が切り欠いてあればよい。すなわち、半割筒体１５の切り欠き率は５０％に限定されるものではない。さらには、半割筒体１５の素材は、円筒を原則とするが、多角形筒であってもよい。
半割筒体１５と駆動軸１８との間に、トルク検出機構６０が設けられる。【００３１】
図２に示されるように、移動台１２は、４本の柱２６で支えられる主台部分２７と、この主台部分２７から延びると共に先端が１本の柱２８で支えられるサブ台部分２９とを備えている。このサブ台部分２９は細長く、それの左右にはスペース３１、３２があり、このスペース３１とスペース３２の一方に患者が入ることができる。柱２６、２８を軽量形鋼、具体的にはアルミニウムサッシで構成することで、移動台１２の軽量化を図るとよい。その他の構成要素は、図１の符号を流用し、説明を省略する。【００３２】
図３に示されるように、半割筒体１５は、上面が開放されている。
図４に示されるように、半割筒体１５は、第１カムフォロア３１と第２カムフォロア３２で、水平軸廻りに回転自在に支えられる。
さらに、図５に示されるように、半割筒体１５は、第３カムフォロア３３と第４カムフォロア３４と第５カムフォロア３５で、水平軸廻りに回転自在に支えられる。【００３３】
なお、中央の第４カムフォロア３４は外すことができる。また、カムフォロア３１〜３５は、支軸とこの軸に取付けたニードルベアリングとこのニードルベアリングを囲うローラとからなる組立品であるが、いわゆる、フリーローラ（自由回転ローラ）であればよく、構造は任意である。【００３４】
図６に示されるように、サーボモータ２１のモータ軸２２に、カップリング３６を介して、駆動軸１８が連結される。この駆動軸１８には、先端部に上方に延びる帯板状の棒状部材３８が固定される。駆動軸１８には、棒状部材３８より先端側に角軸部３９が形成される。駆動軸１８には、角軸部３９より先端側に雄ねじ部４１が形成される。【００３５】
半割筒体１５の一端に円板４２が固定され、この円板４２に角穴４３が設けられる。この角穴４３に角軸部３９が嵌められる。その後に、図３に示されるように、雄ねじ部４１にナット４４が取付けられる。以上により、半割筒体１５に駆動軸１８が連結され、半割筒体１５の軸方向の位置決めがなされる。すなわち、半割筒体１５が回転中に軸方向へ移動する心配はない。【００３６】
図６に示されるように、駆動軸１８は一対の軸受台１９で回転自在に支持される。これらの軸受台１９と軸受台１９との間にて、駆動軸１８にキー４５が固定される。また、軸受台１９と軸受台１９との間にて、ストッパブロック４６が装置ベース１４に固定される。【００３７】
図７に示されるように、ストッパブロック４６は上面に、ストップ面４７、４８を備え、これらのストップ面４７、４８が駆動軸１８の下に配置される。中立状態ではキー４５は駆動軸１８の上にある。駆動軸１８が中立位置から左右に各９０°、合計で最大１８０°回される。すなわち、キー４５は想像線で示す位置まで移動する。想像線で示すキー４５であってもストップ面４７から１．５ｍｍ程度の隙間αが存在する。したがって、通常はキー４５がストップ面４７に当たることはない。ストップ面４８についても同様である。【００３８】
制御系のトラブル等に起因して駆動軸１８の回転量が変わったときには、キー４５がストップ面４７とストッパ面４８の一方に当たり、それ以上は駆動軸１８が回転しない。結果、半割筒体（図３、符号１５）が所定角度を超えて回転する心配はなくなる。すなわち、本発明では回転量の制御はエンコーダで行うが、エンコーダの故障等に備えて、機械的なストッパを設け、安全性を高めた。【００３９】
図８に示されるように、手首支持部１７は、上に開いているチャンネル状のブラケット４９と、このブラケット４９の壁部５１、５１にねじ５２、５２を介して支持され前記手首を挟む左右の湾曲部材５３、５４とを備えている。指掛け棒５５でねじ５２を回すことができる。【００４０】
図９に示されるように、手首５６が、クッション５７、５７を介して左右の湾曲部材５３、５４で挟まれた状態で、訓練が行われるが、ブラケット４９及び左右の湾曲部材５３、５４は、上方が開放されているため、患者が望めば、手首５６を、矢印のように上へ抜くことができる。すなわち、開放感に富む分だけ、圧迫感や拘束感が薄れ、より好ましい訓練が行える。【００４１】
図１０に示されるように、患者は、例えば左手に訓練を施す必要があり、手首５６を手首支持部１７に載せ、前腕部５８を前腕載せ台１３に載せる。
患者から見て左の手首５６を、矢印（１）のように身体の中心へ回すことを「回内運動」と呼び、矢印（２）のように外側へ回すことを「回外運動」と呼ぶ。【００４２】
矢印（１）と矢印（２）へ自分の意志で回す運動を「自動的回転運動」と呼ぶ。この自動的回転運動をより大きく引き起こすために、外部から力を与えて他方へ回転させる運動を「他動的回転運動」と呼ぶ。
例えば、矢印（１）の方向へ「他動的回転運動」を行うことで、矢印（２）の方向へ「自動的回転運動」を引き起こすことができる。【００４３】
図１１（ａ）には、図面が煩雑になるため手首は記載していないが、中立状態にあり、この状態から訓練が始められる。
図１１（ｂ）に示されるように、サーボモータ２１により他動的回転運動を行う。
具体的には、図１２に示されるように、先ず、第１角速度で他動的回転運動を行い、急加速度を行い、第２角速度で他動的回転運動を行う。例えば、第１角速度は２．５ラジアン／秒であり、第２角速度は１１．０ラジアン／秒である。すなわち、第２角速度は第１角速度の２倍〜５倍程度にする。【００４４】
急加速度は、サーボモータ２１が出し得る最大の加速度に設定する。例えば、０．０１秒で、第１角速度から第２角速度へ移行させる。このとき角加速度は、（１１．０−２．５）／０．０１＝約１０００ラジアン／秒２とする。【００４５】
すなわち、第１角速度による一定の回転後に、急加速度及び第２角速度で素早く回転させ機能回復を図る筋の伸ばす緊張と伸ばす速度の急速な加速変化で刺激を高める。すると、筋の刺激により伸張反射が励起される。
この伸張反射により、筋の収縮が促され、図１１（ｃ）に示されるように、患者の意志で自動的回転運動が行われる。ただし、筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために、サーボモータ２１で軽い抵抗力を発生させる。【００４６】
軽い抵抗力をサーボモータ２１で発生させるには、患者が自動的回転時に発生するトルクを知る必要がある。すなわち、トルクが大きければ抵抗力（抵抗トルク）を高め、トルクが小さければ抵抗力を小さくすることで、患者の負担にならないようにする。【００４７】
本発明では、そのためのトルク検出機構を備える。
なお、軸トルクは、駆動軸１８に歪ゲージを貼ることで検出可能である。ただし、駆動軸１８の外径が小さいときには、軸のねじれ量（図１４、符号θａ参照）が小さいため、測定が難しいと共に測定誤差が大きくなる。
本発明では、次に述べるように、測定精度が良好なトルク検出機構を採用した。【００４８】
図１３に示されるように、トルク検出機構６０は、円板４２の外周部に図面表へ延びるように立てたピン６１と、このピン６１に一端が嵌り円板４２の回転中心へ延びる棒状部材３８と、この棒状部材３８の途中に設けたくびれ部６２と、このくびれ部６２に貼り付けた歪ケージ６３と、この歪ケージ６３で得た歪情報をトルクに換算するトルク換算部２５とを備えている。【００４９】
棒状部材３８の一端は、棒状部材３８の長手方向へ延びる長穴６４を介してピン６１に嵌めることで、ピン６１に対する棒状部材３８の移動を許容するようにした。また、棒状部材３８の他端は、フランジ６５、６６で駆動軸１８の別の角軸部６７に挟めるようにした。【００５０】
棒状部材３８は、帯板の他、丸棒、角棒であってもよく、形状は任意である。ただし、帯板であれば、両端の幅が大きいため、この幅を利用して一端を円板４２に容易に取付けることができると共に他端を駆動軸１８に容易に取付けることができる。【００５１】
このような構成のトルク検出機構６０の作用を次に述べる。
図１４（ａ）に示されるように、自動的回転運動により、スティック１６を介してトルクＴｍが円板４２に加えられる。このトルクＴｍは、駆動軸１８に直接伝えられると共に棒状部材３８を介しても駆動軸１８に間接的に伝えられる。直接伝えられるトルクをＴａ、間接的に伝えられるトルクをＴｓとすると、Ｔｍ＝Ｔａ＋Ｔｓとなる。歪ケージ６３は棒状部材３８だけに設けられている。【００５２】
図１４（ｂ）に示されるように、トルクＴｓにより、棒状部材３８はくびれ部６２を折曲点にして、くの字に曲がる。トルクＴｓが大きいほど曲がりが大きくなる。この規則性により、トルクＴｓは構造力学的に算出することができる。
ここで、折曲点から駆動軸１８までの長さをＬ１、折曲点からピン６１までの長さをＬ２、くびれ部６２の長さをＬｘ、くびれ部６２の幅をｂとする。くびれ部６２の厚さ（図面表裏寸法）をｈとする。また、くびれ部６２の縦弾性係数（ヤング率）をＥとする。【００５３】
図１４（ｃ）に示されるように、駆動軸１８にトルクＴａが作用すると、僅かにねじれる。図中の角度θａは、トルクＴａが大きいほど大きくなる。この規則性により、トルクＴａが構造力学的に算出される。
ここで、駆動軸１８の長さをＬＬ、直径をＲとする。また、駆動軸１８の横弾性係数をＧとする。【００５４】
詳しい説明は省略するが、トルクＴａは、次に示されるように、Ｔｓの関数になる。【００５５】
【数１】
2014092076.tif 000003
【００５６】
トルクＴｓは、歪ゲージ６３で求めることができるため、歪ゲージ６３で得た歪情報に基づいて、トルク換算部２５でトルクＴｍを求める。このトルクＴｍに応じて、サーボモータ２１で抵抗トルクを発生させる。
自動的回転運動の際に、適度な大きさの抵抗力を付与すると、患者の前腕は刺激を持続して筋緊張を維持し、より大きく回転することができる。【００５７】
なお、図１４（ｂ）において、くびれ部６４の幅ｂが小さいほど、棒状部材３８は大きく折り曲がり、くびれ部６４に大きな歪が発生する。この様なくびれ部６４に歪ゲージ６３を貼り付けたので、トルクＴｍは精度よく求まる。すなわち、図１４（ｃ）に示される駆動軸１８に歪ゲージを直接貼り付けるよりは、格段に高い精度でトルクを検出することができる。【００５８】
次に、抵抗トルクの求め方を、説明する。
サーボモータの現在の角度をθ、仮想慣性をＩ、仮想粘性をＣ、仮想弾性をＫとしたときに、センシングされたトルクＴｍに対するインピーダンス式は次式になる。【００５９】
【数２】
2014092076.tif 000004
【００６０】
等速時において、Ｃの値を調整することで抵抗力の大きさを決定する。加速・減速時において、Ｋ１、Ｋ２を調整することで抵抗トルクを決定できる。特に、時間の遅れを低減させたと場合は、Ｃを決定した後にＩの値をＫ２＝０に近づくように設定すればよい。
以上により、抵抗トルクＴｎが適当な値に設定される。【００６１】
図１２に示される第１角速度、急加速度、第２角速度を設定し、上記の抵抗トルクを設定した上で、次に述べるサイクルで訓練を実施する。なお、図１５では他動的回動運動をマイナス（−）領域とした。
図１５に示されるように、第１角速度、急加速度、第２角速度からなる他動的回動運動を実施する。すなわち、サーボモータにより、患者の前腕部を回転させる。このときに、急加速度及び第２角速度により、筋の緊張が高まる。【００６２】
点Ｐ１で、サーボモータによる駆動を止める。すると、患者は、自己の意志で前腕部を逆方向に回そうとする（自動的回転運動に相当）。
ただし、点Ｐ１以降はサーボモータで軽い抵抗を付与する。点Ｐ１では、それまでの慣性により、角速度は−（マイナス）であるが、他動的回転終了により角速度は急減し、＋（プラス）に転じる。他動的回転終了過程末期において回転が遅くなり、ついには角速度がゼロになる。【００６３】
制御部（図１、符号２４）は、正転時の他動的回転運動と、逆転時の自動的回転運動とを１サイクルとして、このサイクルを数十回繰り返す。【００６４】
本発明の作用・効果を確認するために、以下に示される比較実験を行った。
麻痺度が４である右方麻痺患者（男、５０代）に対して、次の二通りの実験を行った。
○第１実験（実施例）：
実験装置：図１に示される装置。
実験条件：第１角速度、急加速度、第２角速度
結果：図１６（ａ）に示される。【００６５】
実施例では、図１６（ａ）に示されるように、第１角速度、急加速度、第２角速度からなる他動的回転運動の後に、自動的回転運動が引起こされる。自動的回転運動での最大角速度θａ・ｍａｘは、約６ラジアン／秒であった。
また、角速度と時間の積が角度になるため、積分値、すなわち、曲線と時間軸とで囲われる面積Ｓａが回転角になる。【００６６】
○第２実験（比較例）：
実験装置：図１に示される装置。
実験条件：第１角速度のみ（すなわち、急加速度、第２角速度なし）
結果：図１６（ｂ）に示される。比較のために図１６（ａ）の曲線の一部を想像線で示す。【００６７】
比較例では、図１６（ｂ）に示されるように、第１角速度のみからなる他動的回転運動の後に、自動的回転運動が引起こされる。自動的回転運動での最大角速度θｂ・ｍａｘは、約３ラジアン／秒であった。
曲線と時間軸とで囲われる面積Ｓｂが回転角になる。【００６８】
上記２つの実験を所定回数（数十回）繰り返した。
すると、図１７に示されるように、実施例での最大角速度θａ・ｍａｘは、４．５〜７．０ラジアン／秒であり、比較例での最大角速度θｂ・ｍａｘは、２．５〜５．２ラジアン／秒であった。
また、図１８に示されるように、実施例での最大回転角Ｓａは、１．９〜２．０ラジアンであり、比較例での最大回転角Ｓｂは、１．６５〜１．７５ラジアンであった。【００６９】
自動的回転運動において、最大回転角が大きいほど、筋の収縮が大きい。
すなわち、図１６（ａ）に示されるように、急加速度を含む他動的回転を実施することで、図１８に示されるように、回転角が大きくなり、大きな伸張反射が得られることが確認できた。【００７０】
次に、片麻痺前腕機能回復訓練装置１０の変更例を、図面に基づいて説明する。
図１９は、図１に示される片麻痺前腕機能回復訓練装置１０の変更例を示す側面図である。図１に対する変更点は次の通りであり、その他は図１と同一であるため、図１の符号を流用し説明を省略する。【００７１】
第１の変更点は、図１９に示されるように、装置ベース１４に、関節機構７０が設けられ、この関節機構７０から延長部７１が延びており、この延長部７１の先端に前腕載せ台１３が取付けられた点にある。【００７２】
関節機構７０は、装置ベース１４から水平に延びている舌片１４ａ、１４ｂと、これらの舌片１４ａ、１４ｂに重なるように延長部７１から延びている舌片７１ａ、７１ｂと、鉛直線に沿って延びている連結ピンネジ７２と、を備えている。舌片１４ａ、１４ｂの間に舌片７１ｂを差し込み、舌片１４ａの上面に舌片７１ａを沿わせる。この状態で、連結ピンネジ７２により舌片１４ａ、１４ｂに舌片７１ａ、７１ｂを連結する。延長部７１は、連結ピンネジ７２を回転中心にしてネジを緩めると、水平に旋回可能となる。また、連結ピンネジ７２を締めると、旋回した角度を固定できる。【００７３】
第２の変更点は、前腕載せ台１３に、肘固定部材７５を付設した点にある。肘固定部材７５は、Ｕ字部材７６と、このＵ字部材７６を前腕載せ台１３に連結する連結部材７７とからなる。
図１９にて、前腕載せ台１３に前腕部５８が載せられ、Ｕ字部材７６に上腕部７８が嵌められる。【００７４】
連結ピンネジ７２を中心にして、前腕載せ台１３が図面表裏方向へ移動する場合、前腕部５８が前腕載せ台１３から横に滑ることが心配される。この場合、上腕部７８がＵ字部材７６に嵌っていれば、その心配は無くなる。【００７５】
第３の変更点は、前腕部５８に電気刺激を与える電極８１と、前腕部５８に機械振動を与える振動子８２を、片麻痺前腕機能回復訓練装置１０に備えた点にある。
従来の機能回復訓練では、医師や療養士が、患者の前腕部５８を回転すると同時に指先で前腕部５８の筋を引っ掻くように擦る。
徒手訓練での皮膚筋摩擦の代わりに、本発明では、電気的刺激と振動刺激とを前腕部５８に付与することで筋に刺激を与える。なお、振動刺激は他動的回転運動の第二速度の開始あたりから自動的回転運動の終了までにのみ与える。電気刺激は訓練中連続して与える。電気刺激の強さは、関節運動のしきい値を超えないように設定される。【００７６】
図２０は、図１９で説明した片麻痺前腕機能回復訓練装置１０、関節機構７０の作用説明図である。
図２０（ａ）に示されるように、右腕での自動回内運動時に前腕部５８を、前腕載せ台１３と延長部７１とを繋いでいる関節機構７０により角度δ１だけ外転して角度δ１に固定させ、回復させる回内筋を予め良く伸ばした状態にすることができる。図２０（ｂ）に示されるように、自動回外運動時に前腕部５８を関節機構７０で角度δ２だけ内転して角度δ２に固定させ、回復させる回外筋を予め良く伸ばした状態にすることができる。
伸張反射をより効率よく引き起こすためには、回復させる筋を良く伸ばした状態で訓練を行うべきである。本発明により、回復させようとする筋を予め良く伸ばした状態になり、伸張反射をより効率よく引き起こすことができる。【００７７】
図２１は、図１５に示された制御部の作用の変更例が示される図である。
点Ｐ１の直後に伸張反射待ち時間を置いた点が、図１５と異なり、その他は図１５と同一である。
他動的回転運動から自動的回転運動に変わるときに、患者の伸張反射による動きが発生するまでに時間がかかる。いわゆるタイムラグが発生する。そこで、他動的回転運動が終わり、自動的回転運動が始まる前の装置制御に、短い伸張反射待ち時間を設ける。これにより、患者の自動的な動きやリズムに訓練装置１０の作動をうまく同調させ、訓練効果を向上させることができる。なお、伸張反射待ち時間は患者によって異なるが、０．０５〜０．１０秒の範囲に設定される。【００７８】
図２２は、図１９に示された片麻痺前腕機能回復訓練装置の変更例を示す側面図である。片麻痺前腕機能回復訓練装置１０は、卓上タイプの装置である。片麻痺前腕機能回復訓練装置１０は、上面が平らな机８４に載せて、クランパ８５、８５で固定される。机８４は市販の事務机や作業机で十分である。卓上タイプであるため、片麻痺前腕機能回復訓練装置１０は軽くなり、運搬と設置が容易になる。その他は図１９の符号を流用し、説明を省略する。【００７９】
図２３は、図１９に示された片麻痺前腕機能回復訓練装置の更なる変更例を示す側面図である。図１９に示されるカップリング３６とサーボモータ２１は、図２３では装置ベース１４の下に配置されている。そのために、装置ベース１４の下に、モータ軸２２と同軸の第１駆動軸１８Ａを配置し、この第１駆動軸１８Ａの先端に第１プーリ８６を取付けた。また、装置ベース１４の上に第２駆動軸１８Ｂを設け、この第２駆動軸１８Ｂに第２プーリ８７を取付けた。そして、第１プーリ８６と第２プーリ８７にベルト８８を渡した。
結果、片麻痺前腕機能回復訓練装置１０の長手寸法Ｌ３は、大幅に小さくなった。【００８０】
プーリ８６、８７とベルト８８は、スプロケットとチェーンであってもよい。または、第１駆動軸１８Ａと第２駆動軸１８Ｂを繋ぐ伝動機構であれば種類は問わない。【００８１】
図２４は、図１９に示された片麻痺前腕機能回復訓練装置の更なる変更例を示す図である。
図２４に示されるように、延長部７１の撓みを防止するために、延長部７１の先端に、柱２８Ａが設けられ、この柱２８Ａの下にキャスター１１Ａを設けられている。【００８２】
また、舌片１４ａ、１４ｂに、延長部７１の延び方向に沿って延びる長穴が設けられている。長穴を設けることにより、前腕部５８の長さに応じて、スティック１６と前腕載せ台１３との距離を変更することができる。長穴は舌片７１ａ、７１ｂ側に設けても良い。
なお、図１においても、移動台１２の水平フレームにスライド機構を設け、スティック１６と前腕載せ台１３との距離を変更するようにしても良い。【００８３】
さらに、延長部７１に前腕載せ台１３が上下移動可能に取付けられている。レバー７３でネジを緩めると上又は下への移動が可能となり、ネジを締めると固定される。【００８４】
また、連結部材７７は、下部材７７ａと上部材７７ｂとネジ７９とで構成される。ネジ７９を緩めると、下部材７７ａに対して上部材７７ｂは図面表裏方向へ傾く。ネジ７９を締めることで下部材７７ａに上部材７７ｂを固定することができる。Ｕ字部材７６のポジションを、上腕部７８の左右姿勢に合わせることができる。【００８５】
尚、請求項３でのトルク検出機構は、駆動軸に歪ゲージを直接貼り付けたものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、左半身と右半身の一方が麻痺した患者の前腕部を訓練して回復を促す訓練装置に好適である。
【符号の説明】
【００８７】
１０…片麻痺前腕機能回復訓練装置、１４…装置ベース、１５…半割筒体、１６…スティク、１７…手首支持部、１８…駆動軸、１９…軸受台、２１…サーボモータ、２２…モータ軸、２３…エンコーダ、２４…制御部、２５…トルク換算部、３８…棒状部材、４９…ブラケット、５２…ねじ、５３、５４…湾曲部材、５８…前腕部、６０…トルク検出機構、６２…くびれ部、６３…歪ゲージ、７０…関節機構、７１…延長部、７５…肘固定部、７８…上腕部。
【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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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年2月4日(2015.2.4)
【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】
半身が麻痺した患者において、麻痺している方の前腕部を訓練して回復を促す片麻痺前腕機能回復訓練装置であって、
装置ベースと、この装置ベースに水平軸廻りに回転可能に支持され上面が開放されている半割筒体と、この半割筒体内に設けられ前記前腕部の指を添える又は指で握ることができるスティックと、前記半割筒体内に設けられ手首を支える手首支持部と、前記装置ベースから延びる延長部と、前記延長部に設けられ前記前腕部を支える前腕載せ台と、前記前腕部が水平面内で前記手首支持部に対して自在な角度をもって固定できるように前記装置ベースと前記延長部とを繋ぐ関節機構と、一端が前記半割筒体に連結され水平に延びる駆動軸と、前記装置ベースに設けられ前記駆動軸を駆動するサーボモータと、このサーボモータに設けられモータ軸の回転角を計測するエンコーダと、このエンコーダから回転角情報を取得し前記半割筒体を正転させ、停止させ、逆転させ、停止させることを繰り返し、前記正転では筋緊張とその上の伸張反射を引き起こす訓練目標筋を刺激とするために第１角速度と急加速度と前記第１角速度より高速の第２角速度に速度を制御し、前記逆転では筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する、一連の制御をなす制御部と、前記前腕部に電気刺激を与える電極と機械振動を与える振動子とからなり、前記急加速度は一定の値に設定されているとともに、前記正転と前記逆転との間に０．０５〜０．１０秒の伸張反射待ち時間を設け、前記電気刺激は関節運動のしきい値を超えない範囲で訓練中連続して与え、かつ前記機械振動は前記正転の第２角速度の開始から前記逆転の終了までのみ与えるようにしたことを特徴とする片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項２】
前記手首支持部は、ブラケットと、このブラケットにねじを介して支持され前記手首を挟む左右の湾曲部材とからなり、前記手首を上方へ抜くことができる構造になっている請求項１記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項３】
前記半割筒体と前記駆動軸との間に、トルク検出機構が設けられ、このトルク検出機構で前記逆転時に前記患者が前記スティックへ付与するトルクを検出することができるようにした請求項１記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項４】
前記トルク検出機構は、前記半割筒体の外周部から前記駆動軸まで延びる棒状部材と、この棒状部材の途中に設けるくびれ部と、このくびれ部に貼り付けた歪ゲージと、この歪ゲージからの歪情報をトルクに換算するトルク換算部とからなる請求項３記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
前記一定の値は、前記サーボモータが出し得る最大の加速度に設定されている請求項１記載の片麻痺前腕機能回復訓練装置。
【国際調査報告】
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