(57)【要約】【課題】関節拘縮の予防および治療を目的とした、小型・軽量で且つ構成も簡便な連続他動運動装置を提供する。【解決手段】本体フレーム、大腿部架台、下腿部架台、足部架台、アクチュエーター（エアチューブ式人工筋肉）、電空レギュレーター、エアコンプレッサー、エアチューブ、角度センサー、そして中央演算装置からなり、使用者は装置に処置する側の脚を乗せて仰臥位で大腿部を大腿部架台に、下腿部を下腿部架台に、足部を足部架台に乗せ、足部架台に取りつけられたストラップを用いて足部を足部架台に固定する。【選択図】図１
2004008508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大腿部架台と、下腿部架台と、足部架台とを摺動手段を備えた本体フレームに連結して備える装置であって、上記本体フレームに上記大腿部架台を関節結合し、上記大腿部架台を下腿部架台と関節結合し、上記足部架台を上記下腿部架台に連結し、上記下腿部架台は上記本体フレーム上で端部を接して摺動し、上記大腿部架台と上記下腿部架台はエアチューブ式人工筋肉にて弾性的に連結され、上記エアチューブ式人工筋肉の伸縮により上記大腿部架台と上記本体フレームの結合点を支点に上記大腿部架台と上記下腿部架台が屈曲・伸展することを特徴とする連続他動運動装置。
【請求項２】
請求項１の連続他動運動装置において、上記大腿部架台と上記下腿部架台はほぼ鉛直面内で運動し、上記エアチューブ式人工筋肉の無負荷状態の長さにおいて上記大腿部架台と上記下腿部架台が角度をなした状態で結合されることを特徴とする連続他動運動装置。
【請求項３】
請求項１の連続他動運動装置において、上記摺動手段はその摺動運動において上記大腿部架台と上記下腿部架台が人体の股関節および膝関節の関節角度を変化させる運動となるよう構成されることを特徴とする連続他動運動装置。
【請求項４】
請求項１の連続他動運動装置において、上記大腿部架台と上記下腿部架台は可変長とする手段を備えたことを特徴とする連続他動運動装置。
【請求項５】
請求項１の連続他動運動装置において、上記下腿部架台と上記足部架台のなす角度を可変とする手段を備えたことを特徴とする連続他動運動装置。
【請求項６】
請求項１の連続他動運動装置において、上記いずれかの関節結合に具備した角度検出手段と上記エアチューブ式人工筋肉の空気圧力情報を計測する圧力計測手段とを備え、上記角度情報と上記空気圧力情報とをもって制御を行うことを特徴とする連続他動運動装置。
【請求項７】
装置の可動部を覆う保護手段を備えることを特徴とする請求項１記載の連続他動運動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は関節拘縮の予防および治療のためのリハビリ処方に関する装置に関し、特にその駆動制御手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
骨折、脳卒中、脊髄損傷などの一次的な障害に起因する二次的な障害として、関節拘縮の症状が多く見られる。これは、関節を動かすことができない状態が長時間続くことから、関節内外の組織（筋・腱・関節包等）が癒着を起こし、本来の一次的な障害が治癒した後にも関節を曲げたり伸ばしたりすることが困難になるという症状を指す。高齢化社会においては、転倒による骨折や脳卒中の後遺症としての麻痺などの症状が急激に増加しており、この関節拘縮を予防および治療するリハビリ手法の重要性が益々注目されている。
【０００３】
関節拘縮の予防および治療は、従来から理学療法士が行っている。これは患者を処置台の上に乗せ、その体肢を理学療法士が持ち上げ動かすことによって関節を他動的に動かすものである。しかしこの手技は、ゆっくりと、しかも多数回行うのが望ましいことから、理学療法士に過酷な労働を強いる。またそれと同時に、患者の側にも多額の出費を要求するものである。従来、これらの問題を解決するために、この手技を自動化して行うリハビリ装置が開発されてきた。
【０００４】
従来開発されてきた連続他動運動装置は、リハビリの対象となる体肢を、装置を用いて動かすことで、関節に他動的な動作を生み出し、筋肉や腱、関節包等の部位における拘縮を予防あるいは治療する。人間の体肢は大きな質量（１０ｋｇ前後）を持っているため、上記目的を達成するには比較的大きな力を発揮できるアクチュエーターが必要である。
【０００５】
従来の技術では、モーターなどをアクチュエーターとして用い、且つボールスクリューなどの駆動系を用いて動力の伝達がなされてきた（特開２０００−１４００４８、特開平９−９９０２１）。
【０００６】
一方、このような方法によらないアクチュエーターとして「エアチューブ式人工筋肉」が知られている（文献１：アイ・イー・イー・イー・トランザクション・オン・ロボティックス・アンド・オートメーション１２（１９９６年）第９０頁から１０２頁（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　１２（１９９６），ｐｐ．９０−１０２））。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここでモーターおよびボールスクリュー等の駆動系からなる装置では、下肢のリハビリテーションを対象とする場合、必然的にその重量は大きくなり、また装置全体の構成としても大型且つ複雑な物となってしまう。これは第１に、病院などの医療機関における使用の際にその設置・操作の簡便性を損なうという問題があった。また第２に、今後到来する高齢化社会においては、リハビリ機器の家庭への普及が大きな潮流となると見込まれるが、寝室などに設置する場合の装置の大きさ、重量や構成の複雑さは、装置を家庭に導入する際に大きな障害となっていた。
【０００８】
本発明の目的は、上述のような課題に対処するため、下肢の連続他動運動に関する小型・軽量のリハビリ機器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、本体フレームに、可変長機構を有する大腿部架台と、可変長機構を有する下腿部架台と、ストラップを備えた足部架台とを連結して備え、本体フレーム上に上記大腿部架台の近位端を関節結合し、上記大腿部架台の遠位端を下腿部架台の一端と関節連結し、上記足部架台を上記下腿部架台に固定し、上記下腿部架台の遠位端は上記本体フレーム上で摺動する機構とし、上記大腿部架台と上記下腿部架台はエアチューブ式人工筋肉にて弾性的に連結される。
【００１０】
さらに、上記エアチューブ式人工筋肉は電空レギュレーターに接続され、上記電空レギュレーターはエアコンプレッサーに接続され、上記大腿部架台、上記下腿部架台の連結部には角度センサーを備え、角度センサーを入力とする中央演算装置を上記電空レギュレーター、上記エアコンプレッサーの駆動制御手段とする。
【００１１】
本装置の使用にあたっては、使用者は処置する側の脚を装置に乗せて仰臥位をとる。大腿部架台に大腿部を、下腿部架台に下腿部を、足部架台に足部を乗せ、足部架台に取りつけられたストラップを用いて足部を足部架台に固定する。この際、大腿部架台および下腿部架台の長さは使用者の体肢の長さに合うように調節する。エアチューブ式人工筋肉は大腿部架台から下腿部架台に取りつけられている。エアチューブ内への空気の送入によって十分な張力を発揮させることで、エアチューブ式人工筋肉は収縮し、それに伴って大腿部架台と下腿部架台の間の角度が変化する。この結果使用者の股関節および膝関節の他動的屈曲動作を同時に生み出すことができる。エアチューブ式人工筋肉の張力発揮を徐々に減らすと、大腿部および下腿部に働く重力の作用で、使用者の身体はもとの股関節および膝関節伸展位に戻る。これを繰り返すことで連続他動運動を行うことが可能である。
【００１２】
エアチューブ式人工筋肉は軽量で大きな張力を発揮できるという特性を持っているため、これを用いることで装置全体も軽量にすることができる。またエアチューブ式人工筋肉を用いることで、ボールスクリューに代表されるような大掛かりな駆動系を用いることなく発揮張力を伝達できるため、装置全体の構成を簡便にすることができる。また、エアチューブの持つコンプライアンスにより、不測の過負荷状態に対する安全性をより高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施例の基本的な装置構成を示す。本実施例の装置は、本体フレーム１０１、大腿部架台１０２、下腿部架台１０３、そして足部架台１０４からなる。足部架台１０４には足部固定用のストラップ１１３が取りつけられている。
【００１４】
使用者は処置する側の脚を装置の上に乗せて仰臥位をとる。大腿部６０３を大腿部架台１０２に、下腿部６０４を下腿部架台１０３に、足部６０５を足部架台１０４に乗せ、足部６０５をストラップ１１３を用いて足部架台１０４に固定する。大腿部６０３および下腿部６０４をそれぞれ大体部架台１０２、下腿部架台１０３に図示しないストラップ等を用いて固定することも可能であるが、足部６０５を十分に固定することで脚全体の長軸周りの回転運動は防止することができる。よって、より拘束の少ない状態での使用を実現するためには、足部６０５のみをストラップ１１３で固定する方法をとればよい。これにより使用に際して装置への脚の装着を簡単化できる。逆によりよくコントロールされた状況下での使用を必要とする場合には、大腿部６０３ならびに下腿部６０４もストラップで固定する方法をとればよい。このことで脚全体の長軸周りの回転をより確実に防止することが可能である。
【００１５】
本体フレーム１０１と大腿部架台１０２の接合部１０５は摩擦の少ない蝶番として構成される。また、大腿部架台１０２と下腿部架台１０３の接合部１０６も摩擦の少ない蝶番として構成される。本体フレーム１０１の足部側の部分には摺動用の溝１１２が形成されており、下腿部架台１０３の遠位端に有る突起１０７がこの溝の中を摺動するようになっている。このことで装置全体の挙動の自由度が一つに制限される。この自由度は例えば大腿部架台１０２と下腿部架台１０３のなす角として表現できる。下腿部架台１０３と足部架台１０４の間の角度は、調節ネジ１０７によって任意に設定できるようになっており、このことで各使用者の身体に最も適した角度で装着できるようになっている。
【００１６】
本体フレーム１０１、大腿部架台１０２、下腿部架台１０３、足部架台１０４の表面には開示しないクッション材を貼り付けることが可能であり、これにより使用の際の違和感を軽減すると同時に褥創などの発生を防止することができる。
【００１７】
大腿部架台１０２ならびに下腿部架台１０３はそれぞれが二つの部分からなり、図２に示したような入れ子状の構造をしている。近位部（２０１または２０２）と遠位部（２０２または２０１）の相対的な位置を調節し、調節ネジ２０３および複数の長さ調節用ネジ穴２０４等の固定手段を用いてその位置を固定することで、大腿部架台および下腿部架台の長さをそれぞれの使用者に最適な長さに伸縮することが可能である。これによって、それぞれの使用者の体肢長に応じた最適な装置の設定を行うことができる。またこの際、どのネジ穴を用いて大腿部架台および下腿部架台の長さを定めたかによって、それぞれの架台の長さを同定することができる。なお、架台の長さを調節する機構は本実施例に限らず種々の方法で実現できることは言うまでもない。
【００１８】
図１に示すように、大腿部架台１０２から下腿部架台１０３へ、エアチューブ式人工筋肉１１１がネジなどの取りつけ手段１１４（大腿部架台１０２）および１１５（下腿部架台１０３）を介して取りつけられている。
【００１９】
図３はこの装置を下方（使用者の背中側）から見た図である。本実施例ではこのように、複数本のエアチューブ式人工筋肉１１１を取りつけることが可能である。大腿部架台１０２および下腿部架台１０３はその長さを可変にするため、二つの部分からなっている。図３に示すように、エアチューブ式人工筋肉１１１は大腿部架台の遠位部３０２と下腿部架台の近位部３０３に取りつけられる。これはエアチューブ式人工筋肉１１１の長さと、大腿部架台１０２と下腿部架台１０３のなす角で表現される装置の状態を１対１に対応させるためである。
【００２０】
エアチューブ式人工筋肉１１１に十分な張力を発揮させることでエアチューブ式人工筋肉１１１は収縮し、図４に示すように大腿部架台１０２と下腿部架台１０３のなす角が小さくなる。この結果、使用者の股関節ならびに膝関節に、同時に他動的屈曲運動をおこすことができる。装置の一部を駆動することで複数の関節が同時に他動的に動かされる構造となっているため、簡便な構造で実用的な効果を生み出すことができる。
【００２１】
エアチューブ式人工筋肉１１１の張力を徐々に低下させることで、大腿部６０３と下腿部６０４および大体部架台１０２と下腿部架台１０３に働く重力の影響により、使用者の姿勢は図１に示す股関節および膝関節の伸展位に戻っていく。これを繰り返すことにより、使用者の身体を図１に示す股関節・膝関節伸展位と図４に示す股関節・膝関節屈曲位の間で他動的に連続運動させることが可能である。
【００２２】
図５に示すように、エアチューブ式人工筋肉１１１は二重構造からなるチューブとして形成される（文献１参照）。図５（Ａ）は非収縮時、（Ｂ）は収縮時を示す。内側のチューブ４０１は伸展性の有る素材で構成される。それに対して外側のチューブ４０２は伸展性の極力少ない素材からなるメッシュとして構成される。一端をシールド手段４０３によって気密にし、他端にエアチューブ４０４をつないで内側のチューブ４０１に空気を供給する。
【００２３】
空気が供給されると、内側のチューブ４０１は半径方向に膨張する。これは外側のメッシュ状のチューブ４０２を半径方向外向きに押し広げる作用を生むが、外側のメッシュ状チューブ４０２は伸展性の極力少ない素材で構成されているため、メッシュの変形を伴って半径方向に膨張する。このメッシュの変形が長軸方向へのエアチューブ式人工筋肉の収縮を生み出す作用を持つ。収縮の際の張力は、エアチューブ式人工筋肉の断面積に比例し、また並列に接続されたエアチューブ式人工筋肉の本数に比例する。よって大半径のエアチューブ式人工筋肉を多数使用することで、非常に大きな張力を生み出すことができる。
【００２４】
本実施例において、本体フレーム１０１と大腿部架台１０２との接合部１０５、ならびに大腿部架台１０２と下腿部架台１０３の接合部１０６には、角度センサー１０８および１０９が取りつけられている。これによって系の状態をリアルタイムでモニターすることができる。
【００２５】
なお、本実施の形態に限ることなく、大体部架台１０２、下腿部架台１０３の状態を確定するための方法として、各架台の長さ情報、本体フレーム１０１と大腿部架台１０２、下腿部架台１０３との成す三角形の各内角とを組み合わせた種々の計測制御方法を用いることができることは言うまでもない。
【００２６】
図６は本実施例におけるエアチューブ式人工筋肉の制御装置を示す。図において、中央演算装置５０１は、角度検出手段５０４からの角度情報、長さ検出手段５０５からの大腿部架台１０２または下腿部架台１０３の長さ情報、ならびに電空レギュレーター５０２からの圧力情報を受け取り、電空レギュレーター５０２に送る指令を決定する。中央演算装置５０１は、例えばマイクロプロセッサーに担わせることができる。
【００２７】
エアコンプレッサー５０３は５気圧程度の空気を安定供給できるものを用いることができる。各使用者に応じた、またそれぞれの使用者でもリハビリのステージに応じたプログラムを作成し、関節の可動域や反復回数、反復頻度などの施療計画を決定して装置を動作させる。
【００２８】
図７は本発明の装置使用者の安全を確実にする手段を設けた実施例を示す。すなわち本実施例では、装置を駆動する際に使用者や操作者が指や皮膚などを可動部に巻き込むことを防止するために、十分に目の細かいネット状の保護手段７０１を装置の可動部にかぶせたものである。本実施例の構成により、装置の動作を阻害することなく使用者または操作者の安全を確保できる。
【００２９】
エアチューブ式人工筋肉１１１の理論的な最大収縮率は、エアチューブ式人工筋肉１１１全長の４０％程度である（前記文献１参照）。張力負荷を掛けた状態で収縮させると、この値は理論的最大収縮率よりも小さくなる。中央演算装置またはレギュレーターが機能停止状態に陥ることがあっても、使用者の身体には、エアチューブ式人工筋肉の収縮量以上の変位は与えられない。
【００３０】
前記図６に示した中央演算装置５０１、電空レギュレーター５０２、エアコンプレッサー５０３は容易に小型・軽量化することができる。十分な小型・軽量化・消音化がなされない場合にも、これらの要素は装置本体および使用者から離れた場所に据え付けることが可能である。このことは装置を任意の位置に設置したり搬送したりする際に高い利便性を与えるものである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の特徴は、上述の様に小型・軽量な、関節拘縮予防および治療用のリハビリ機器を提供することである。軽量で且つ大きな張力を発揮できるエアチューブ式人工筋肉をアクチュエーターとして用いることで、装置全体としての小型・軽量化を実現すると同時に、装置の構成を簡便なものとすることができる。これにより、病院などの医療機関においての装置の使用を簡単化するのみならず、家庭へのリハビリ機器の導入を促進するものである
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の基本的装置構成と関節が伸展位にある使用者の状態を示す側面図。
【図２】本発明の大腿部架台および下腿部架台の入れ子構造を表した模式図。
【図３】本発明の装置を下面から見た模式図。
【図４】本発明の一実施例の基本的装置構成と関節が屈曲位にある使用者の状態を示す側面図。
【図５】エアチューブ式人工筋肉の模式図。
【図６】本発明の一実施例の、エアチューブ式人工筋肉の制御手段の構成を示すブロック図。
【図７】装置に保護手段をかぶせた状態の模式図。
【符号の説明】
１０１…本体フレーム、１０２…大腿部架台、１０３…下腿部架台、１０４…足部架台、１０５…本体フレームと大腿部架台の接合部、１０６…大腿部架台と下腿部架台の接合部、１０７…摺動用突起、１０８…角度センサー、１０９…角度センサー、１１０…固定手段、１１１…エアチューブ式人工筋肉、１１２…摺動用溝、１１３…足部固定用ストラップ、１１４…エアチューブ式人工筋肉取りつけ手段、１１５…エアチューブ式人工筋肉取りつけ手段、２０１…入れ子構造内側、２０２…入れ子構造外側、２０３…長さ調節用ネジ、２０３…長さ調節用ネジ穴、３０１…大腿部架台近位部、３０２…大腿部架台遠位部、３０３…下腿部架台近位部、３０４…下腿部架台遠位部、４０１…内側チューブ、４０２…外側チューブ、４０３…シールド手段、４０４…エアチューブ、５０１…中央演算装置、５０２…電空レギュレーター、５０３…エアコンプレッサー、５０４…角度センサー、５０５…長さ検出手段、５０６…エアチューブ、５０７…エアチューブ、５０８…エアチューブ式人工筋肉、６０１…使用者の頭部、６０２…使用者の胴体、６０３…使用者の大腿部、６０４…使用者の下腿部、６０５…使用者の足部、７０１…保護手段。
【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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