(57)【要約】【課題】患者や被験者に負担をかけず、しかも場所の制約を受けず、安価な設備で実施することができる、足底圧を用いた床反力推定装置及びこれを用いた下肢関節モーメント及び下肢筋張力の推定システムを提供すること。【解決手段】被験者の歩行中の足底にかかる圧力から床反力を推定する装置であって、被験者が履いて歩行するための履物と、該履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサと、該センサの計測値を解析する解析装置とからなり、前記センサは少なくとも履物表面の４箇所以上に配置されてなる床反力推定装置及びこれを用いたシステムとする。【選択図】  図１
2004329280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の歩行中の足底にかかる圧力から床反力を推定する装置であって、被験者が履いて歩行するための履物と、該履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサと、該センサの計測値を解析する解析装置とからなり、前記センサは少なくとも履物表面の４箇所以上に配置されてなることを特徴とする床反力推定装置。
【請求項２】
前記センサは、被験者の足の少なくとも踵部、足弓部、中足骨部、趾部に対応する部分に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の床反力推定装置。
【請求項３】
被験者が履いて歩行するための履物と、該履物表面の少なくとも４箇所に配置されて被験者の歩行中の足底にかかる圧力を計測する圧力センサとからなる足底圧計測装置と、該足底圧計測装置による計測値を解析する解析装置とからなり、該解析装置は前記計測値から被験者の歩行中の足底にかかる少なくとも鉛直方向の床反力を推定する床反力推定手段と、前記計測値から被験者の歩行中の足関節モーメントを推定する足関節モーメント推定手段とを有してなることを特徴とする足底圧を用いた下肢関節モーメントの推定システム。
【請求項４】
前記解析装置の床反力推定手段が、前記足底圧計測装置の計測値から、被験者の歩行中の足裏にかかる鉛直方向の床反力と水平方向の床反力を求めることを特徴とする請求項３記載の足底圧を用いた下肢関節モーメントの推定システム。
【請求項５】
履物に取り付けられて被験者の歩行中の足首角度を測定する角度測定センサを備えてなり、前記解析装置が、該角度測定センサの測定値に基づいて被験者の歩行中の膝関節位置及び／又は股関節位置を推定する関節位置推定手段と、該関節位置推定手段により推定された膝関節位置及び／又は股関節位置の推定値と前記床反力の推定値を用いて被験者の歩行中の下肢関節モーメントを推定する関節モーメント推定手段を有することを特徴とする請求項４記載の足底圧を用いた下肢関節モーメントの推定システム。
【請求項６】
被験者の歩行時における足の動きをＣＣＤカメラで撮影して信号処理することにより、被験者の歩行中の膝関節位置及び／又は股関節位置を測定する関節位置測定手段を備えてなり、前記解析装置が、該関節位置測定手段により測定された膝関節位置及び／又は股関節位置のデータと前記床反力の推定値を用いて被験者の歩行中の膝関節及び／又は股関節モーメントを推定する関節モーメント推定手段を有することを特徴とする請求項４記載の足底圧を用いた下肢関節モーメントの推定システム。
【請求項７】
前記関節モーメント推定手段により得られた推定値を筋骨格モデルに適用して被験者の筋張力を推定する筋張力推定手段を有することを特徴とする足底圧を用いた下肢筋張力の推定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は床反力推定装置及びこれを用いた下肢関節モーメント及び下肢筋張力の推定システムに関し、より詳しくは、患者や被験者に負担をかけることがなく、場所の制約を受けず、大規模なシステム構成を必要としない足底圧を用いた床反力推定装置及びこれを用いた下肢関節モーメント及び下肢筋張力の推定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
歩行機能の障害を有する高齢者や患者が、再び歩行機能を回復するためには、適切な歩行リハビリテーションを効率的に行うことが極めて重要である。
現在、歩行リハビリの現場では、医師や理学療法士が患者の症状や回復度を見ながら指導を行っているが、もし、筋張力や関節モーメントを定量的に把握することができれば、患者にとってどのようなリハビリが有効かを指導者が判断するための非常に貴重な情報となる。
また、このような情報は、リハビリテーションだけでなく、スポーツにおけるトレーニングにおいても非常に有用である。
【０００３】
現在、このような情報を得るための方法としては、（１）患者や被験者に電極を貼り付け筋電位を測定する方法（例えば、特許文献１参照。）、（２）複数のＣＣＤカメラを用いた３次元動作解析システムと複数の床反力計を組み合わせた大規模なシステムに動的な力のつりあい式を適用して関節モーメントを求める方法、等が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−６７９８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような現在用いられている方法には、それぞれ以下のような欠点がある。
先ず（１）の方法は、患者や被験者の負担が大きく、且つ準備にも時間がかかる。一方、（２）の方法は、大規模で据え置き型の床反力計でしか計測できないので、場所、歩数に制限があり、また非常に高価である。
従って、これらの方法は、日常のリハビリテーションに使用することは困難であり、専ら研究用としてのみ使用されているのが現状である。
【０００６】
本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであって、患者や被験者に負担をかけず、しかも場所の制約を受けず、安価な設備で実施することができる、足底圧を用いた床反力推定装置及びこれを用いた下肢関節モーメント及び下肢筋張力の推定システムを提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、被験者の歩行中の足底にかかる圧力から床反力を推定する装置であって、被験者が履いて歩行するための履物と、該履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサと、該センサの計測値を解析する解析装置とからなり、前記センサは少なくとも履物表面の４箇所以上に配置されてなることを特徴とする床反力推定装置に関する。
請求項２に係る発明は、前記センサは、被験者の足の少なくとも踵部、足弓部、中足骨部、趾部に対応する部分に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の床反力推定装置に関する。
【０００８】
請求項３に係る発明は、被験者が履いて歩行するための履物と、該履物表面の少なくとも４箇所に配置されて被験者の歩行中の足底にかかる圧力を計測する圧力センサとからなる足底圧計測装置と、該足底圧計測装置による計測値を解析する解析装置とからなり、該解析装置は前記計測値から被験者の歩行中の足底にかかる少なくとも鉛直方向の床反力を推定する床反力推定手段と、前記計測値から被験者の歩行中の足関節モーメントを推定する足関節モーメント推定手段とを有してなることを特徴とする足底圧を用いた下肢関節モーメントの推定システムに関する
請求項４に係る発明は、前記解析装置の床反力推定手段が、前記足底圧計測装置の計測値から、被験者の歩行中の足裏にかかる鉛直方向の床反力と水平方向の床反力を求めることを特徴とする請求項３記載の足底圧を用いた下肢関節モーメントの推定システムに関する。
【０００９】
請求項５に係る発明は、履物に取り付けられて被験者の歩行中の足首角度を測定する角度測定センサを備えてなり、前記解析装置が、該角度測定センサの測定値に基づいて被験者の歩行中の膝関節位置及び／又は股関節位置を推定する関節位置推定手段と、該関節位置推定手段により推定された膝関節位置及び／又は股関節位置の推定値と前記床反力の推定値を用いて被験者の歩行中の下肢関節モーメントを推定する関節モーメント推定手段を有することを特徴とする請求項４記載の足底圧を用いた下肢関節モーメントの推定システムに関する。
請求項６に係る発明は、被験者の歩行時における足の動きをＣＣＤカメラで撮影して信号処理することにより、被験者の歩行中の膝関節位置及び／又は股関節位置を測定する関節位置測定手段を備えてなり、前記解析装置が、該関節位置測定手段により測定された膝関節位置及び／又は股関節位置のデータと前記床反力の推定値を用いて被験者の歩行中の膝関節及び／又は股関節モーメントを推定する関節モーメント推定手段を有することを特徴とする請求項４記載の足底圧を用いた下肢関節モーメントの推定システムに関する。
請求項７に係る発明は、前記関節モーメント推定手段により得られた推定値を筋骨格モデルに適用して被験者の筋張力を推定する筋張力推定手段を有することを特徴とする足底圧を用いた下肢筋張力の推定システムに関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る足底圧測定装置及びこれを用いた下肢関節モーメント及び下肢筋張力の推定システムの好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る下肢関節モーメント及び下肢筋張力の推定システムの全体構成を概略的に示したブロック図であって、本発明に係るシステムは、被験者の歩行中の足底にかかる圧力を計測する足底圧計測装置（１０）と、該足底圧計測装置（１０）の測定値を解析して床反力及び下肢関節モーメントや下肢筋張力を推定するための各手段を有するパーソナルコンピュータ等からなる解析装置（２０）を備えている。また、本発明に係る床反力推定装置は、この足底圧計測装置（１０）と解析装置（２０）から構成される。尚、本発明に係るシステムの解析装置（２０）に具備される各手段は、ＣＰＵにより実行される各種のプログラムからなるが、これら各手段は１台の解析装置に具備させてもよいし、複数台の解析装置に分けて具備させてもよい。
【００１１】
本発明に係るシステムにおいては、先ず足底圧計測装置（１０）によって被験者の歩行中の足底にかかる圧力が測定される。
図２は本発明に係る足底圧計測装置（１０）を示す外観図であり、図３は圧力センサを取り付けた下敷シートの裏面図である。
圧力センサ（２）は、被験者の足の大きさに合わせた履物（１）の表面に敷かれる下敷シート（３）の裏面側（図３参照）における踵部（Ｋ）、ショパール関節部（Ｐ）、第１ＭＰ関節部（ＭＰ）、第４ＭＰ関節部（Ｑ）、母趾部（ＭＬ）、第３趾部付近（Ｕ）の６箇所に面ファスナーを用いてそれぞれ固定されている。
被験者がこの履物（１）を履いて歩行すると、被験者の歩行中の足裏にかかる圧力が６箇所に配置された圧力センサ（２）により検知され、各センサからの出力は配線によって接続された計測器（図示略）に入力されて圧力値へと変換され、その値はパーソナルコンピュータ等からなる解析装置（２０）へと入力される。
【００１２】
解析装置（２０）は、圧力センサ（２）により測定された各点の圧力の測定値から、重回帰分析プログラム等を用いて被験者の歩行中の床反力及び足関節モーメントを推定する床反力推定手段及び足関節モーメント推定手段を有している。
本発明においては、床反力を従来のように床反力計で直接測定するのではなく、圧力センサが受ける鉛直方向分力から床反力（鉛直方向）を推定する。これによって、場所や歩数の制限を受けることなく床反力を求めることが可能となる。
尚、解析装置（２０）においては、後述する関節モーメントの推定に使用するために、圧力センサの測定値から床反力の鉛直方向成分だけでなく水平方向成分も求める。求め方としては、例えば履物（１）に圧力センサ（２）を幾つかの方向に斜め、或いは水平、垂直を混ぜて埋め込み、圧力センサ（２）により測定された斜め、或いは水平、鉛直方向の力を鉛直方向分力と水平方向分力（せん断力）に分解し、これらに所定の係数を掛けることによって、鉛直方向の力とせん断力を求める方法が挙げられる。尚、ここで用いるセンサは必ずしも圧力センサに限定されるものではなく、床反力に起因して出力が発生するものであれば、重回帰分析等を適用して推定することができる。
【００１３】
以下、解析装置（２０）の床反力推定手段及び足関節モーメント推定手段による床反力及び足関節モーメントの推定方法について説明する。
床反力の鉛直方向分力（Ｙ）は、次式（ａ）のように各センサ部の圧力（Ｘｉ）に圧力が加わる有効面積に相当する係数（Ａｉ）を乗じたものの和であると考え、
2004329280.tif 000003
その係数を重回帰分析法を用いて求める。
具体的に、重回帰係数（Ａｉ）及び回帰係数（Ｂ）を求めるための方法を以下に記載する。
【００１４】
▲１▼被験者に上記した履物（１）を履かせて、右足のみを床反力計に乗せ、左足は床の上にあるようにする。このとき、身体の中心線が床反力計と床の境界上になるようにする。
▲２▼被験者には特別な指示は与えず、足位置は固定したままで体重心を上下左右に変化してもらい、床反力を測定する。
▲３▼重回帰分析にて各センサ（２）が測定している等価面積に対応する係数（Ａｉ）を求める。その際、床反力の鉛直方向の力［Ｎ］を従属変数（Ｙ）、６個のセンサ（２）からの足底圧値［ｋｇｆ／ｃｍ２］を独立変数（Ｘｉ，・・・，Ｘｎ）として用いる。
【００１５】
図５は立脚期に足部にかかる力の矢状面内での様子を示している。尚、図５中の記号は以下の通りである。
Ａ１Ｘ１，ＡｉＸｉ：各センサにかかる床反力の鉛直方向成分
Ｎ：床反力の前後成分
ｈ：足首関節軸と各センサまでの垂直距離
ｌ１，ｌｉ：足首関節軸と各センサまでの水平距離
ｌｇ：足首関節軸と足部の重心との水平距離
ｍ：足部の重量
【００１６】
上記▲３▼で得られたＡｉを用いれば、床からの反力は図４のように各センサの位置に加えられる鉛直方向（ＡｉＸｉ）の合力であるとみなせる。各センサの足首関節に対する位置は既知であるので、足首関節周りのモーメント（Ｍ）は慣性力を無視すれば、次式（ｂ）のように表記できる。
2004329280.tif 000004
さらに、第２項のＮｈ及び第３項のｍｇｌｇは、第１項に比べて十分小さいと考えられるので無視すれば、次式（ｃ）となる。
2004329280.tif 000005
なお、足首関節位置から各センサまでの相対位置（ｌ１，・・・，ｌ６）はセンサの取り付け位置から定数として決まる。
【００１７】
図５は、上記した重回帰分析にて導出した回帰係数と偏回帰係数を示す一覧表である。
この表はセンサ数６個、全６３通りの組み合わせを示しており、左端より「踵部」、「第１ＭＰ関節部」、「第４ＭＰ関節部」、「母趾部」、「第３趾部」の偏回帰係数、「回帰係数」、精度の高さを示す「Ｒ」値、「センサの数」の順で表記している。尚、この一覧は精度のよい「Ｒ」値の高い降順で表記している。
【００１８】
図５に示すように、センサの数が多いほど精度が高いことが認められる。上位２２通りまでには踵部が必ず含まれた。通常、健常な歩行を行うためには、踵接地が重要であり、精度のよい計測結果を得る為には踵部のセンサが必須であると考えられる。また、センサ数５個の組み合わせの中で踵部を除いた組み合わせ（Ｎｏ．２３）が最下位であったことからも同様に考えられる。
また、上記１０通り中にセンサ数４個の組み合わせが５通り含まれていることから、センサ数は、組み合わせ次第では適当な４箇所のみでも高い精度で床反力を測定可能であると考えられる。
また、上位５通りの組み合わせ結果から、足部を「踵部」、「足弓部」、「中足骨部」、「趾部」の４分割にできるものと考えられる。従って、センサは４分割された各部分に最低１つずつ配置すれば、高い精度をもって床反力を測定することが可能であることが推察される。
従って、本発明においては、圧力センサは履物に少なくとも４箇所以上、具体的には「踵部」、「足弓部」、「中足骨部」、「趾部」の４箇所に最低１つずつ設けることとする。尚、より高い測定精度を求める場合には５箇所以上に設けるとよいが、７箇所以上設けても精度の向上は余り期待できないため、４〜６箇所の範囲内で設定することが好ましい。
【００１９】
本発明に係るシステムにおいては、上記した如く、圧力センサにより被験者の歩行中の床反力及び足関節モーメントを推定した後、被験者の歩行中の膝関節及び／又は股関節の位置を求めるが、この際には以下の２種類の手段のいずれかが用いられる。
先ず、第一の手段について説明する。
第一の手段は、履物（１）に取り付けられて被験者の歩行中の足首の角度を測定する角度測定センサ（４）と、解析装置（２０）に備えられた関節位置推定手段とからなる。関節位置推定手段は、角度測定センサ（４）により測定された被験者の足首角度に基づいて、被験者の歩行中の膝関節位置及び／又は股関節位置を推定する。或いは、膝関節の角度を足首とセンサ（４）で測定してもよい。
角度測定センサ（４）としては、特に限定はされないが、例えばゴニオメータを使用することができる。
関節位置推定手段による膝関節位置及び／又は股関節位置の推定は、予め被験者の体型（足の長さなど）を測定しておき、その体型に合った骨格モデルに対して、測定された足首角度を適用することで行うことができる。
【００２０】
第二の手段は、被験者の歩行時における足の動きをＣＣＤカメラ（５）で撮影し、信号処理をして被験者の歩行中の膝関節位置及び／又は股関節位置を測定する関節位置測定手段からなる。
この測定手段による測定は、被験者の膝や股関節などの特定位置にマーカーを取り付け、カメラで被験者の歩行中における足の動きを球状のマーカーの軌跡を捉えることで行う。
尚、この測定においては、カメラが被験者の膝や股関節の動きを正確に捉えるために、例えば、被験者の側方への延出部を有する車輪付き台車などにＣＣＤカメラを取り付け、被験者が台車を押しながら歩くことで、カメラが被験者の足の動きを側方から被験者と同じ速度で動きながら撮影できるようにすることが好ましい。また、従来から用いられている複数のカメラの情報から３次元動作を計測する方法では、スペースが大きくなりがちであるので、１台のカメラとマーカーの画像としての断面積あるいは直径等の画像の大きさに関わる情報と画像でのマーカーの位置に関する情報からマーカーの方向とマーカーまでの距離を推定し、その情報からマーカーの３次元位置を推定する方法を用いれば、小さいスペースでの計測が可能となる。
【００２１】
上記した２通りのいずれかの手段を用いて求められた被験者の歩行中の膝関節位置及び／又は股関節位置のデータは、解析装置（２０）に入力される。
解析装置（２０）には、各関節（足首関節、膝関節、股関節）の位置データと、前述した床反力の推定値を用いて、被験者の歩行中の各関節のモーメントを推定する関節モーメント推定手段と、得られた関節モーメントの推定値から被験者の筋張力を推定する筋張力推定手段が備えられており、これら各手段によって膝関節及び股関節のモーメント及び筋張力が推定される。尚、足関節位置については、上述した如く圧力センサと足首の相対位置が既知であるため、膝関節位置や股関節位置のように別途推定する必要はない。
【００２２】
以下、解析装置（２０）による関節モーメント及び筋張力の推定方法について具体的に説明する。
推定に際しては、図６に示すような筋骨格モデルが用いられる。
筋骨格モデルは、下肢の関節を駆動する際に支配的な９つの筋肉（▲１▼大腿直筋、▲２▼大殿筋、▲３▼ハムストリング、▲４▼広筋、▲５▼大腿二頭筋短頭、▲６▼腓腹筋、▲７▼ヒラメ筋、▲８▼前頚骨筋、▲９▼腸腰筋）からなる。
この方法は、ある時刻ｔに、この９つの各筋肉に加わる張力を、床反力のデータと、下肢の各関節の位置データ、および人体のパラメータから推定する方法である。
【００２３】
以下に、その推定方法の詳細について、順を追って説明する。
（１）床反力のデータと関節の位置データおよび人体のパラメータ１から、各関節に発生するモーメントを次式１（数１）により計算する。
【数１】
2004329280.tif 000006
ここで、添字１は足首関節、２は膝関節、３は股関節を示している。またＩ１，Ｉ２，Ｉ３は各々足首関節、膝関節、股関節の慣性モーメント、ｍ１，ｍ２，ｍ３は各々足部（足首から先の部分）、下腿部、大腿部の質量、ｘｇ１，ｙｇ１は足部の質量中心、ｘｇ２，ｙｇ２は下腿部の質量中心、ｘｇ３，ｙｇ３は大腿部の質量中心を表しており、これらを総称して人体パラメータ１という。また、Ｎｘ，Ｎｙは各々床反力の鉛直方向成分及び水平方向成分であり、ｘ０，ｙ０は任意の位置に固定した原点座標である。
【００２４】
（２）筋肉の張力にモーメントアームを掛け、それらを符号を考慮して足し算したものが、筋肉により発生する各関節のモーメントであるので、次式２（数２）が成り立つ。
【数２】
2004329280.tif 000007
【００２５】
（３）上記式２に式１で計算した各関節モーメントを代入すれば、３つの方程式が得られる。モーメントアームは既知であるので、この３つの方程式は、９つの筋張力（未知数）の方程式となる。
（４）９つの未知数を３つの方程式のみから一般に求められないので、３つの方程式を満たし且つ次式３（数３）に示す評価関数Ｅを最小にするように９つの未知数（筋張力）を求める。
【数３】
2004329280.tif 000008
ここで、Ｆｉ ｍａｘは各筋の最大筋張力である。
また、各筋の最大筋張力は、次式で求められる。
Ｆｉ ｍａｘ＝ｆｊＰＣＳＡｊ
ここで、ＰＣＳＡｊは筋肉の生理断面積、ｆｊは筋の収縮速度や筋の伸長・収縮量に関する関数である。
【００２６】
以上の方法により、下肢の関節モーメント及び筋張力を求めることができ、このように得られた筋張力のパターンと筋電位のパターンはよく一致することが確かめられている。
【００２７】
本発明に係るシステムにおいては、以上のような方法により、被験者に負担をかけることなく、狭いスペースで、容易且つ安価に、被験者の歩行中の下肢関節モーメント及び筋張力を推定することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る床反力推定装置を用いたシステムによれば、従来の方法、例えば被験者に電極を貼り付け筋電位を測定する方法のように、被験者の身体に負担をかけることがなく、また３次元動作解析システムと複数の床反力計を組み合わせる方法のように、場所の制約を受けたり高価な設備を必要とすることがなく、被験者の下肢関節モーメント及び筋張力を容易且つ正確に把握することができる。
従って、歩行リハビリの現場において患者にとってどのようなリハビリが有効かを指導者が判断するための情報や、スポーツ選手のトレーニングにおいてどの部分の筋肉を重点的に鍛えればよいかなどの情報を取得するために極めて有効な方法となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る下肢関節モーメント及び下肢筋張力の推定システムの全体構成を概略的に示したブロック図である。
【図２】本発明に係る足底圧計測装置を示す外観図である。
【図３】圧力センサを取り付けた下敷シートの裏面図である。
【図４】立脚期に足部にかかる力の矢状面内での様子を示す図である。
【図５】重回帰分析にて導出した回帰係数と偏回帰係数を示す一覧表である。
【図６】筋骨格モデルの一例を示す図である。
【符号の説明】
１      履物
２      圧力センサ
３      下敷シート
４      足首角度測定センサ
５      カメラ
１０    足底圧計測装置
２０    解析装置
Ｋ      踵部
Ｐ      ショパール関節部
ＭＰ    第１ＭＰ関節部
Ｑ      第４ＭＰ関節部
ＭＬ    母趾部
Ｕ      第３趾部
【図１】
2004329280.tif 000009
【図２】
2004329280.tif 000010
【図３】
2004329280.tif 000011
【図４】
2004329280.tif 000012
【図５】
2004329280.tif 000013
【図６】
2004329280.tif 000014