(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気の流入ノズル及び排出口が設けられたハウジングと、
回転可能に前記ハウジングに収容された回転軸と、
前記ハウジングに収容されるとともに前記回転軸に固定され、前記流入ノズルから流入した圧縮空気が羽根に当たって回転する羽根車と、
前記ハウジングに収容されるとともに前記回転軸に固定され、前記回転軸の回転中心に対して重心が偏心した偏心重りと、
前記ハウジングの外部を覆う外殻と、
を備え、
前記ハウジング、前記回転軸、前記羽根車、前記偏心重り、及び前記外殻が、非磁性の材料で形成されており、
前記流入ノズルから流入した圧縮空気が、前記羽根車の回転位相に関わらず常に垂直に翼面に直交して当たるように、
前記羽根車の翼面が円弧状に形成されている、
振動装置。
【請求項２】
前記ハウジング、前記羽根車、及び前記外殻は、樹脂で形成されており、
前記回転軸は、チタン合金で形成されており、
前記偏心重りは、黄銅で形成されている、
請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
前記偏心重りは、
前記回転軸の回転中心を回転中心とし、かつ、互いの回転角度を調節可能な２つの扇形の部材で形成されている、
請求項１又は２に記載の振動装置。
【請求項４】
前記ハウジングは、透明なアクリル部材で形成されており、
前記２つの扇形の部材の回転角度を、外部から調節可能である、
請求項３に記載の振動装置。
【請求項５】
前記外殻の側面の一部は平面となっている、
請求項１から４のいずれか一項に記載の振動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳血管疾患は、脳が損傷を受けることから、多くの人に後遺症が残ることが知られている。その症状は、損傷を受ける部位によって様々であるが、最も多く見られる症状として片麻痺がある。片麻痺は、脳の運動中枢又は運動神経経路が損傷したことで半身に麻痺が生じる運動機能障害である。片麻痺では、意図した動作が困難になるため、患者は日常生活において、多大な負担を強いられることになる。症状緩和、負担軽減のため、発症後のリハビリテーションが非常に重要となる。
【０００３】
近年、損傷した神経細胞の代わりに、他の神経細胞がその役割を代行するという脳の可塑性の存在が明らかになった。以降、片麻痺のリハビリでは、神経経路の強化・再建を目的とする運動療法が効果的であるとされる。リハビリの分野では、運動療法の効果をさらに高めるため、様々な手法が提案されている。そのうちの１つに、振動刺激療法を併用したものがある。
【０００４】
振動刺激療法は、ハンディマッサージャのような振動装置を用いて、振動による刺激を筋に加える方法である。振動を加えると、筋の興奮性を高め、麻痺肢の随意運動を誘発する効果があるとされる。最近では、鹿児島大学リハビリテーションセンターより、数分間の振動刺激で痙縮が抑制されるという振動刺激痙縮抑制法（Direct Application of Vibratory Stimuli；ＤＡＶＳ）が考案され、新たな治療法として期待されている。
【０００５】
振動刺激療法は、促通反復療法との併用で、麻痺肢への機能改善効果が確認されている。しかし、作用メカニズム等明らかになっていない点も多々ある。適切な治療のため、こうした点を解明することは重要であるといえる。そこで、検討されているのがｆＭＲＩ（functional Magnetic Resonance Imaging；機能的ＭＲＩ）を用いた解析である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２９７３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ｆＭＲＩは、脳の賦活化を画像化し、脳活動を観測することができる技術である。これを用いれば、振動刺激の脳神経への作用を観測することができ、その結果を解析することで、振動刺激について様々なことが明らかになると期待される。しかしながら、ＭＲＩ装置付近には磁性材を持ち込めないため、電磁モータを用いている通常の装置は使うことができない。
【０００８】
ＭＲＩ環境で使用できるアクチュエータとして超音波モータが知られている。しかし、低速、高トルクという特徴を持つ超音波モータでは、十分な回転数が得られず、超音波モータに電力を付与する電気配線等に流れる電流は画像のノイズの原因になってしまう。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、片麻痺運動機能回復訓練における振動刺激の脳神経再建効果の検証のため、ＭＲＩ環境で使用可能な振動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る振動装置は、圧縮空気の駆動を用い、回転運動とそれに基づく振動とを実現する。そこでは、
圧縮空気の流入ノズル及び排出口が設けられたハウジングと、
回転可能に前記ハウジングに収容された回転軸と、
前記ハウジングに収容されるとともに前記回転軸に固定され、前記流入ノズルから流入した圧縮空気が羽根に当たって回転する羽根車と、
前記ハウジングに収容されるとともに前記回転軸に固定され、前記回転軸の回転中心に対して重心が偏心した偏心重りと、
前記ハウジングの外部を覆う外殻と、
を備え、
前記ハウジング、前記回転軸、前記羽根車、前記偏心重り、及び前記外殻が、非磁性の材料で、振動装置が形成されており、
前記流入ノズルから流入した圧縮空気が、前記羽根車の回転位相に関わらず常に垂直に翼面に直交して当たるように、
前記羽根車の翼面が円弧状に形成されている。
【００１１】
前記ハウジング、前記羽根車、及び前記外殻は、樹脂で形成されており、
前記回転軸は、チタン合金で形成されており、
前記偏心重りは、黄銅で形成されている、
こととしてもよい。
【００１２】
前記偏心重りは、
前記回転軸の回転中心を回転中心とし、かつ、互いの回転角度を調節可能な２つの扇形の部材で形成されている、
こととしてもよい。
【００１３】
前記ハウジングは、透明なアクリル部材で形成されており、
前記２つの扇形の部材の回転角度を、外部から調節可能である、
こととしてもよい。
【００１５】
前記外殻の側面の一部は平面となっている、
こととしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、部材の全てが非磁性の材料で形成されており、圧縮空気を羽根車に当てることにより、偏心重りが着いた回転軸を回転させて振動を発生させているので、周囲の電磁界に影響を与えることなく被検者に振動を伝えることができる。この結果、片麻痺運動機能回復訓練における振動刺激の脳神経再建効果の検証のため、ＭＲＩ環境で使用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る振動装置の外観を示す図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の振動装置を一部破砕して示す斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、外殻の外観を示す斜視図である。図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、振動装置の被検者への装着状態を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は、ハウジングの斜視図である。図３（Ｂ）は、ハウジングの分解図である。
【図４】図１（Ａ）の振動装置を、構成要素を一部省略して示す断面図である。
【図５】図５（Ａ）は、回転軸を示す斜視図である。図５（Ｂ）は、ベアリングを示す斜視図である。図５（Ｃ）は、回転軸と、ベアリングと、回転軸に固定される構成要素との位置関係を示す図である。図５（Ｄ）は、回転軸にかかる力を示す模式図である。
【図６】図６（Ａ）は、エアタービンの外観を示す図である。図６（Ｂ）は、エアタービンの羽根車の翼の形状を示す図である。図６（Ｃ）は、エアタービンとノズルとの位置関係を示す図である。
【図７】図７（Ａ）は、羽根車の翼の形状及び圧縮空気の流れを示すベクトル線図（その１）である。図７（Ｂ）は、羽根車の翼の斜視図である。図７（Ｃ）は、羽根車の翼の形状及び圧縮空気の流れを示すベクトル線図（その２）である。
【図８】図８（Ａ）は、振動装置における偏心重りが回転する様子を示す図である。図８（Ｂ）は、偏心重りの重心の移動を示す図である。図８（Ｃ）は、振動装置から被検者に伝えられる振動を示す図である。図８（Ｄ）は、振動装置から被検者に伝えられる振動の時間変化を示すグラフである。図８（Ｅ）は、流路断面を示す模式図である。
【図９】図９（Ａ）は、偏心重りの構成を示す斜視図である。図９（Ｂ）は、偏心重りの一方の重りの上面図である。図９（Ｃ）は、偏心重りのもう一方の上面図である。図９（Ｄ）は、２つの重りの位置関係の調整を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、重りの回転角を調整する様子を示す図である。
【図１１】振動装置の各構成要素の材料を示す図である。
【図１２】振動を被検者に与えるためのシステムの全体構成を示すブロック図である。
【図１３】ＭＲＩ装置で計測する部位と、振動装置を接触させる部位とを示す模式図である。
【図１４】圧縮空気の設定圧力と振動装置の振動数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態に係る振動装置について、図面を参照して詳細に説明する。各図において同じ構成要素には同じ符号を付すものとする。
【００１９】
本実施の形態に係る振動装置は、ＭＲＩ環境で使用可能である。また、この振動装置は、人体に直接接触するものであるため、安全性の高いものとなっている。また、この振動装置は、振動のパラメータ（振動数、振幅）を調整可能である。
【００２０】
この振動装置には、ＭＲＩ装置の撮像結果に影響を与えないことや、安全性等の理由から、動力として圧縮空気が用いられる。圧縮空気を動力とする振動装置は、工業用として数種類のものが存在し、例えば、ピストン型、ボール型、ロータ型、タービン型がある。本実施の形態では、圧縮空気を効率的に利用することを考え、重りを回転させるアクチュエータとしてエアタービンを採用する。
【００２１】
工業用のタービン型の振動装置では、羽根車自体を偏心させ振動を生じさせているのが一般的である。しかし、本実施の形態に係る振動装置では、後述する原理から振幅の変更が可能となるように、偏心重りの部分とエアタービンの部分とを分けた構成となっている。
【００２２】
（振動装置の構成）
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、振動装置１００は、外殻１と、ハウジング２と、回転軸３と、エアタービン４と、偏心重り５と、を備える。
【００２３】
（外殻）
図１（Ａ）に示すように、外殻１は、全体として円筒形に形成されている。外殻１は、図１（Ｂ）に示すように、ハウジング２等、振動装置１００全体を覆っている。外殻１には、空気の取り入れ口７が設けられている。取り入れ口７には樹脂チューブ３０（図３（Ａ）参照）が挿入される、外殻１は、非磁性の材料、例えば樹脂製の部材であり、３Ｄプリンタで加工可能である。
【００２４】
外殻１は、その長手方向に沿って、前側部１Ａ、後側部１Ｂに分割されている。前側部１Ａの先端部分は半球形に形成されており、全体として砲弾型となっている。本実施の形態では、この半球側を便宜的に前側と呼ぶ。また、後側部１Ｂは円筒形に形成されている。
【００２５】
図２（Ａ）に示すように、外殻１の側面の一部は、人体に装着し易いように平面となっている。図２（Ｂ）に示すように、振動装置１００は、この平面が接するように人体に装着されるようにしてもよいし、図２（Ｃ）に示すように、リハビリを行う被検者５０の手に握られるようにしてもよい。
【００２６】
（ハウジング）
ハウジング２は、非磁性の材料、例えば樹脂で形成されている。図３（Ａ）に示すように、ハウジング２は、アクリル製であり、透明となっている。これにより、例えばハウジング２内部の様子を外側から確認することができるようになっており、後述のように、偏心重り５の調整をし易くなっている。また、ハウジング２では、軽量化の工夫も加えた。
【００２７】
図１（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示すように、ハウジング２は、前側部２Ａ、中央部２Ｂ、後側部２Ｃに分割されている。前側部２Ａは、中央部２Ｂにねじ止めにより固定される。後側部２Ｃは、中央部２Ｂにはめ込まれ、ねじ止めされて固定される。前側部２Ａと中央部２Ｂとの間には、円筒部２Ｄが設けられている。
【００２８】
図４に示すように、外殻１の前側部１Ａの後方には、壁部１Ｃが設けられ、壁部１Ｃの中央には貫通孔が設けられている。また、外殻１の後側部１Ｂの前方には、壁部１Ｄが設けられ、璧部１Ｄには、貫通孔が設けられている。ハウジング２の円筒部２Ｄは、壁部１Ｃ、１Ｄの貫通孔を通過するとともに、壁部１Ｃ、１Ｄは、ハウジング２の前側部２Ａ、中央部２Ｂとによって狭持されている。これにより、外殻１は、ハウジング２に固定されるため、外殻１全体の剛性を増加させることができる。また、このようにすれば、ハウジング２内部で発生した振動を、外殻１へ確実に伝えることができる。
【００２９】
さらに、エアタービン４の羽根車４Ａが設置される部分に近いハウジング２内部には、圧縮空気を吹き出すノズル２Ｅと、継手設置部２Ｆとが設けられている（図３（Ｂ）、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）参照）。継手設置部２Ｆには、外殻１の取り入れ口７から取り入れられ樹脂チューブ３０の先端に取り付けられた継手１０が設置される。継手１０は、ノズル２Ｅと樹脂チューブ３０との間の継手である。樹脂チューブ３０を流れる圧縮空気は、継手１０を介してノズル２Ｅからハウジング２内部に流入する。また、ハウジング２内部には、空気の排出口２Ｇも設けられている。排出口２Ｇから排出された空気は、外殻１の取り入れ口７から排出される。
【００３０】
（回転軸）
振動装置１００は、図５（Ａ）に示す回転軸３を備えている。回転軸３は、非磁性の金属、例えばチタン合金で形成されている。回転軸３には、発生する回転、振動に十分耐え得る強度が必要とされるためである。振動装置１００は、図５（Ｂ）に示すラジアル方向のベアリング６を備えている。回転軸３の一方の端部は、ハウジング２外に張り出して手動で回転させることができるようになっている。
【００３１】
回転軸３は、３つのベアリング６を介してハウジング２に回転可能に固定されている。図５（Ｃ）に示すように、回転軸３には、エアタービン４と、偏心重り５とが取り付けられている。ベアリング６は、エアタービン４及び偏心重り５を挟んで両側に１つずつはめ込まれ、エアタービン４と偏心重り５との間に１つはめ込まれている。回転軸３、エアタービン４、偏心重り５及びベアリング６は、この状態で、ハウジング２内に嵌め込まれ、ハウジング２内に流入した圧縮空気が、エアタービン４に当たることにより、回転軸３が回転可能となる。
【００３２】
（エアタービン）
エアタービン４は、止めねじ１５（図１１参照）で回転軸３に固定されている。エアタービン４としては、非磁性で軽いものが求められ、例えば樹脂製である。エアタービン４は、衝動形と呼ばれるタイプが使用される。図６（Ａ）、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように、エアタービン４は、羽根車４Ａを備えている。エアタービン４は、ノズル２Ｅから噴出する圧縮空気の衝動力で羽根車４Ａを回転させる。
【００３３】
一般的な羽根車４Ｂ（本実施の形態に係る羽根車４Ａとは形状が異なる一般的な羽根車）の翼の形状（図７（Ｂ）参照）は、図７（Ａ）に示すようなベクトル線図に基づいて定められる。ここで、翼に作用する質量流量を、
【数１】
0006655234.tif 000002
とする。また、翼の半径をＲとする。また、圧縮空気の絶対流速をｃ１とし、羽根車４Ｂの周速をｖ１とし、圧縮空気の相対流速をｗ１とする。さらに、翼面と絶対流速ｃ１とのなす角度をθ０とし、翼周速ｖ１と絶対流速ｃ１とのなす角度をα１とし、翼面と相対流速ｗ１とのなす角をθとする。また、図７（Ｃ）に示すように、出口側の相対流速をｗ２とし、流出相対角度の出口角度をβ２とする。
【００３４】
この場合、羽根車４Ｂの出力トルクＴは、運動量の定理より、以下の式のようになる。
【数２】
0006655234.tif 000003
この式に基づいて、羽根車４Ｂの最適な形状が決定される。
【００３５】
ここで、設計と加工を容易にするため、翼面を平面とし、衝動力のみを考慮する。この場合、β２については、以下のように定義される。
【数３】
0006655234.tif 000004
【００３６】
ここで、図７（Ａ）に示す速度線図より、以下のように定義できる。
【数４】
0006655234.tif 000005
したがって、出力トルクＴの式（１）は、以下のように変形できる。
【数５】
0006655234.tif 000006
この式から、θ０が垂直に近いほど出力トルクＴが大きくなるのがわかる。しかし、羽根車４Ｂは回転しているため、回転位相によってθ０は変わっていく。そこで、本実施の形態に係る羽根車４Ａの翼の形状は、図６（Ｂ）に示すように、ノズル２Ｅに向かって丸みをつけた形状とした。すなわち、羽根車４Ａの翼面は、羽根車４Ａの回転位相に関わらず常に垂直に翼面に直交して当たるように、円弧状に形成されている。これにより、ノズル２Ｅの中心線Ｍ上では常にθ０は垂直となる。このため、平坦な翼と比べると効率が増し、位相による出力トルクＴの変化も小さくなる。
【００３７】
続いて、
【数６】
0006655234.tif 000007
と仮定すると、出力トルクＴの式は、以下のように変形できる。
【数７】
0006655234.tif 000008
このとき、図６（Ｃ）に示すように、翼周速ｖ１と絶対流速ｃ１とのなす角度α１は羽根車４Ａの外径Ｄとノズル２Ｅの位置関係から決まり、羽根車４Ａの翼に空気が当たり始めるときの角度α１であるα１１は、以下のようになる。
【数８】
0006655234.tif 000009
ここで、Ｄは、羽根車４Ａの外径である。ｘｎは、ノズル２Ｅの中心からの距離である。本実施の形態では、翼の枚数は１６枚なので、次の翼に空気が当たり始めるまでに翼はπ／８回転する。よって、次の翼に切り替わるときの角度α１であるα１２は、以下のようになる。
【数９】
0006655234.tif 000010
上述の式を見れば、α１の平均が０に近いほど出力トルクが大きくなることが分かる。ノズル２Ｅの位置は、ノズル２Ｅから噴出する圧縮空気の距離による減衰を考慮し、翼への圧縮空気の当たり始めと、圧縮空気が当たる翼が次の翼に切り替わるときの距離が極力小さくなるように設定される。このような距離が最小となるのは、α１２が０となるときである。本実施の形態では、ハウジング２の大きさから、羽根車４Ａの翼の直径Ｄを決定し、α１２が０に近くなるようなノズル２Ｅの位置を決定した。
【００３８】
（偏心重り）
偏心重り５は、止めねじ１５（図１１参照）で回転軸３に固定されている。偏心重り５には、非磁性で振動を発生し易いように比較的重いものが求められ、例えば、黄銅で形成されている。偏心重り５は、回転軸３の回転に伴って回転し、回転軸３に振動を発生させる。
【００３９】
（振動の原理）
ここで、振動装置１００における振動の原理について説明する。振動装置１００は、偏心重り５を回転させ、ロータ（回転軸３、エアタービン４及び偏心重り５）の不釣り合いによる強制振動で振動を発生させている。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、回転軸３に偏心重り５を取り付けて回転させたとき、偏心重り５の重心Ｇには以下の遠心力が作用する。
Ｆ＝ｍｒω２ …（８）
ここで、ｍは、偏心重り５の質量であり、ｒは、偏心重り５の重心距離であり、ωが角加速度である。
【００４０】
このときの遠心力の上下方向成分は以下のようになる。
Ｆｙ＝ｍｒω２ｓｉｎωｔ  …（９）
これにより、振動装置１００に発生する上下方向成分の周期的な力Ｆｙが、図８（Ｃ）及び図８（Ｄ）に示すように、振動力となって被検者５０に伝達される。
【００４１】
（振動数、振幅変更の原理）
本実施の形態に係る振動装置１００では、上述のように回転軸３にエアタービン４及び偏心重り５が取り付けられているため、回転数と振動数とが等しくなる。エアタービン４の回転数は、出力トルクと負荷トルクが平衡したとき一定となる。羽根車４Ａの翼に作用する質量流量を増減させることで出力トルクＴは変化する。流路断面を通過する質量は、圧力の関数となっている。レギュレータ（後述）により供給圧力を変えることで振動装置１００の振動数を変更できる。
【００４２】
流路断面を通過する流量の式は以下の通りである。
【数１０】
0006655234.tif 000011
ここで、ＫＧは、定数であり、その値は例えば０．０４０４３である。Ｓｅは、図８（Ｅ）に示すような流路の有効断面積である。Ｃ１は、流路内の絶対温度である。Ｐ１は流路の上流側圧力であり、Ｐ２は流路の下流側圧力である。
【００４３】
図９（Ａ）に示すように、偏心重り５は、２つの重り５Ａ、５Ｂを備える。図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）に示すように、重り５Ａ、５Ｂは、それぞれ回転軸３の回転中心を回転中心とする半円状の部材である。
【００４４】
図９（Ｄ）に示すように、偏心重り５の２つの重り５Ａ、５Ｂの相対角度を調節することにより、偏心重り５の偏心距離（回転軸３から重心までの距離）を変えることが可能となる。偏心距離が変われば、作用する遠心力が変化し、振動装置１００に発生する振動の振幅を変更することができる。これにより、振動装置１００を分解して重りを取り替えたり、多くの重りを準備したりすることなく、振幅を変更することができる。
【００４５】
偏心量が最大になるような形状は、重り５Ａ、５Ｂがほぼ重なっている半円形のときである。２つの重り５Ａ、５Ｂの重さ、偏心量は等しく、左右対称であるとした。この条件より、重り１つの重さをｍｉとし、偏心距離をｒｉとし、回転速度をθとすると、それぞれの重りの重さ、重心位置は、以下の表のようになる。ここで、重り１が重り５Ａであり、重り２が重り５Ｂである。
【表１】
0006655234.tif 000012
この場合、合成した重りの重心ｘg、ｙgは、以下のようになる。
【数１１】
0006655234.tif 000013
また、合成した重り５Ａ、５Ｂの偏心距離
【数１２】
0006655234.tif 000014
は、以下のようになる。
【数１３】
0006655234.tif 000015
この振動装置１００では、図９（Ｂ）に示すように、重り５Ａに回転角度の調整用のねじ穴が設けられている。上式より、重り５Ａに、偏心距離
【数１４】
0006655234.tif 000016
が５段階になる回転角θの位置にねじ穴１５Ａを加工した。なお、釣り合わせのため、加工したねじ穴の対称の位置にもねじ穴１５Ａが加工されている。同様に、もう１つの重り５Ｂについても、同じ重さ、偏心距離
【数１５】
0006655234.tif 000017
とするため、図９（Ｃ）に示すように、ＣＡＤ（Computer Aimed Design）で重心、質量を計算し、釣り合わせの位置にねじ穴１５Ｂを加工した。
【００４６】
合成した重り５Ａ、５Ｂの質量、偏心距離は以下の振幅Ａの式から、偏心量が最大となる位置で振幅Ａが約１ｍｍになるよう設計した。
【数１６】
0006655234.tif 000018
ここで、合成した重りの重さ、偏心距離、振動装置１００全体の重さは、それぞれ、
【数１７】
0006655234.tif 000019
である。
【００４７】
図１０（Ａ）に示すように、ドライバ６０をハウジング２の穴に挿入すると、重り５Ａ、５Ｂを固定するねじ（ねじ穴１５Ａ、１５Ｂを挿通するねじ）を緩めることができるようになっている。内側からねじ頭部直径より少し大きい穴が加工されており、ねじを緩めると備えられたばね（ゴムなど）によりねじが飛び出し、ハウジング２に引っかかり固定される。ドライバ６０を挿入する穴は、ねじ頭部の直径よりも小さいので、ねじが外れ落ちることはない。重り５Ａ、５Ｂの固定を外した状態にした後、図１０（Ｂ）に示すように、回転軸３を回せば、重り５Ｂは回転軸３に、重り５Ａはハウジング２に固定されているため、重り５Ａ、５Ｂの相対位置を簡単に変更することができる。
【００４８】
（回転軸の強度計算）
偏心重り５に作用する遠心力により、回転軸３には曲げ荷重がかかる。回転軸３の直径は、想定される荷重から決定されるのが望ましいが、振動装置１００には、大きさの制限があるため、回転数の上限を求め、その範囲内で発生する荷重に基づいて回転軸３の直径が決定される。
【００４９】
偏心によるねじり荷重は非常に小さいため、回転軸３には、曲げだけが作用するものとする。荷重は、繰り返し荷重とする。偏心重り５の両側はベアリング６で支えられているため、両端支持はりとする。
【００５０】
回転軸３の直径、曲げモーメント、許容曲げ応力をそれぞれ、
【数１８】
0006655234.tif 000020
とする。この場合、回転軸３の直径を、以下の式を満たす直径以上とする必要がある。
【数１９】
0006655234.tif 000021
回転軸３の直径が決まっているとすると、許容曲げ応力は、以下のように表される。
許容曲げ応力＝材料の基準強さ／安全率
荷重は繰り返し荷重なので、基準強さとして疲労強度（＝引張強さ×疲労比）を採用した。この場合、両端支持はりの曲げモーメントの最大値Ｍmaxは、以下のようになる。
【数２０】
0006655234.tif 000022
ここで、
【数２１】
0006655234.tif 000023
は図５（Ｄ）に示す長さであり、
【数２２】
0006655234.tif 000024
は、荷重である。この場合、回転軸３は、振幅最大の位置で約１１０Ｈｚまで可能である。
【００５１】
（部品の材質）
図１１に示すように、振動装置１００を構成する部品のうち、外殻１、ハウジング２、羽根車４Ａ、ベアリング６、樹脂チューブ３０（図１２参照）などは、樹脂製である。また、回転軸３は、チタン合金製としている。さらに、偏心重り５は十分な偏心量が得られるよう黄銅製とし、継手１０と止めねじ１５も黄銅製とした。ここで使うチタン合金は、アルミが約６％、パナジウムが約４パーセント、チタンが約９０％含まれる合金である。チタン合金は、ＭＲＩ室に持ち込み可能な金属として広く知られており、吸引作用による危険はないと考えられる。発熱についても、インプラント等の研究で報告があり、３ＴのＭＲＩ装置において問題にならない範囲である。
【００５２】
ここで使う黄銅は銅が約７０％、亜鉛が約３０％含まれる合金である。黄銅については、チタン合金と比較し、磁化率が低く、放熱性も良いため、吸引作用、発熱どちらも問題はない。
【００５３】
非磁性であっても、金属により磁場が乱され、撮像に影響することがあるが、黄銅、チタン合金の磁化率は十分に小さく、振動装置１００は、撮像範囲外にあるため、画像化への影響は少ないと考えられる。
【００５４】
このように、振動装置１００の構成要素はすべて非磁性の部材で形成されている。
【００５５】
（ＭＲＩ環境について）
次に、本実施の形態に係る振動装置１００の使用環境について説明する。この振動装置１００は、ＭＲＩ装置が設置されたＭＲＩ室で用いられる。
【００５６】
ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging，核磁気共鳴法）は、原子核の核磁気共鳴現象を利用した画像化技術である。核磁気共鳴現象とは、静磁場中の原子核が磁場強度に比例した特定周波数の電磁波に共鳴し、エネルギーの吸収、放出を行うようになるというものである。静磁場中にてある対象に電磁波を照射し、そのエコー信号を処理することで画像化が行われる。
【００５７】
ｆＭＲＩでは、主にＢＯＬＤ法と呼ばれる方法が用いられる。血液中のヘモグロビンは、酸素化の違いによって磁性が異なる。脳が活動すると、活動部位では酸素が消費され、磁性が変化する。この変化は、エコー信号の強度の増減として現れる。ＢＯＬＤ法では、この変化を捉えることで脳の活動を画像化する。このようにｆＭＲＩも基本的な原理は同じとなっている。こうした原理のため、ＭＲＩには、共鳴現象を起こすための静磁場、エコー信号を得るためのＲＦ波、エコー信号に位置情報を付加するための勾配磁場という３つの要素が必要となる。
【００５８】
上記の原理のため、ＭＲＩ室内で機器を使用する場合、その機器は以下の要件を満たす必要があるとされる。
（１）振動装置１００を安全に使用できること
（２）振動装置１００がＭＲＩの画質に悪影響を与えないこと
（３）ＭＲＩ装置の磁場、撮像動作が振動装置１００の所定の機能に影響しないこと
本実施の形態に係る振動装置１００を、ＭＲＩ装置を備えるＭＲＩ室で、画像撮影を行っても、振動装置１００が原因を考えられるノイズは混入されなかった。
【００５９】
（システム構成）
図１２に、被検者５０に振動を付与するシステム全体の構成を示す。図１２に示すように、このシステムは、コンプレッサ２０と、レギュレータ２１と、電磁弁２２と、ＵＳＢモジュール２３と、スイッチング回路２４と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２５とを備える。
【００６０】
コンプレッサ２０は、圧縮空気を生成する。レギュレータ２１は、コンプレッサ２０で生成された圧縮空気の圧力を調整する。電磁弁２２は、開いた状態で、レギュレータ２１を通過した圧縮空気を振動装置１００に送る。電磁弁２２の開閉により振動装置１００のオンオフが切り替えられる。ＵＳＢモジュール２３は、ＰＣ２５の入出力装置である。レギュレータ２１としては、電空レギュレータが使用され、ＰＣ２５からのアナログ出力（Ａ／Ｏ）で操作が可能となっている。レギュレータ２１からの圧力等の検出情報は、アナログ入力（Ｉ／Ｏ）としてＰＣ２５に入力される。また、ＰＣ２５は、トランジスタとリレーを用いたスイッチング回路２４を介して、そのデジタル出力（Ｄ／Ｏ）を用いて電磁弁２２の操作が可能である。
【００６１】
ＭＲＩ装置付近では機器の使用が制限されるため、これらコンプレッサ２０、レギュレータ２１、電磁弁２２等はＭＲＩ室の外に置かれ、これらは樹脂チューブ３０により、ＭＲＩ室内の振動装置１００と接続される。樹脂チューブ３０を介して圧縮空気が振動装置１００に送られる。
【００６２】
（安全対策）
本実施の形態では、振動装置１００全体が外殻１で覆われているので、被検者５０が振動装置１００内部の回転軸３、エアタービン４及び偏心重り５等の駆動部と接触することはない。このため、被検者５０の安全性が確保されている。電磁弁２２はノーマルクローズのものを使用している。この場合、電源が落ちた場合には電磁弁２２が閉じて、振動装置１００は停止するので、この点でも安全である。
【００６３】
また、コンプレッサ２０の吐き出し口にはバルブが取り付けているので、何か起こったときにはプログラムに頼らず、手動で空気の供給を止め、振動装置１００を停止することができる。
【００６４】
図１３に示すように、ＭＲＩ室内では、被検者５０の腕や脚の設置場所４１に振動装置１００が設置されるとともに、被検者５０の頭部がＭＲＩ装置の測定範囲４０として設定され、被検者５０の手足に振動を与えつつ、脳の活性化の状態がＭＲＩ装置によって測定される。これにより、振動刺激の脳神経への作用を観測することができる。
【００６５】
図１４には、圧縮空気の設定圧力と、振動数との関係が示されている。図１４に示すように、振動装置１００において、５つの位置（◆、■、▲、×、○）でそれぞれ測定を行った。どの位置においても、圧縮空気の設定圧力が高くなるにつれて、振動数が高くなっている。
【００６６】
以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る振動装置１００によれば、部材の全てが非磁性の材料で形成されており、圧縮空気を羽根車４Ａに当てることにより、偏心重り５が着いた回転軸３を回転させて振動を発生させているので、周囲の電磁界に影響を与えることなく被検者５０に振動を伝えることができる。この結果、片麻痺運動機能回復訓練における振動刺激の脳神経再建効果の検証のため、ＭＲＩ環境で使用可能となる。
【００６７】
なお、上記実施の形態では、偏心重り５の各重り５Ａ、５Ｂを半円形としたが、これに限らず、それぞれが扇形であってもよい。
【００６８】
上記実施の形態では、外殻１、ハウジング２、エアタービン４（羽根車４Ａ）を、樹脂で形成し、回転軸３をチタン合金で形成し、偏心重り５を黄銅で形成したが、本発明はこれには限られない。外殻１、ハウジング２、羽根車４Ａを、できるだけ軽量な非磁性材で形成し、回転軸３を、強度の強い非磁性材で形成し、偏心重り５を十分な振動を発生させる重量を有する非磁性材で形成すればよい。ハウジング２については、一部が開放され、偏心重り５の状態を外部から確認できるのであれば、透明である必要はない。
【００６９】
外殻１の形状も上記実施の形態のものに限られないが、外殻１は、振動を人体に伝える部分であるので、上記実施の形態のように、全体として丸みを帯び、かつ、一部平坦な部分を有するような、安全で、かつ、人体に振動を伝達しやすい構造となっているのが望ましい。外殻１とハウジング２が一体であってもよい。すなわち、外殻１がハウジング２の外側部分であるとみなすこともできる。
【００７０】
羽根車４Ａの翼の形状についても、十分な振動が得られるのであれば、上記実施の形態の形状には限られない。翼の数も任意である。
【００７１】
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、ＭＲＩ環境のような、磁性材を用いることができない環境下で使用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  外殻、１Ａ  前側部、１Ｂ  後側部、１Ｃ、１Ｄ  壁部、２  ハウジング、２Ａ  前側部、２Ｂ  中央部、２Ｃ  後側部、２Ｄ  円筒部、２Ｅ  ノズル、２Ｆ  継手設置部、２Ｇ  排出口、３  回転軸、４  エアタービン、４Ａ、４Ｂ  羽根車、５  偏心重り、５Ａ、５Ｂ  重り、６  ベアリング、７  取り入れ口、１０  継手、１５  止めねじ、１５Ａ、１５Ｂ  ねじ穴、２０  コンプレッサ、２１  レギュレータ、２２  電磁弁、２３  ＵＳＢモジュール、２４  スイッチング回路、２５  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、３０  樹脂チューブ、４０  ＭＲＩ装置の測定範囲、４１  設置場所、５０  被検者、６０  ドライバ、１００  振動装置
【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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