(57)【要約】非固定支持台に近接して振動測定装置を備え；患者が非固定支持台に載った後に、振動測定装置を用いて患者の筋骨格組織の振動応答を測定し；振動応答を特定の振動スペクトルに定量化するように振動応答の周波数分解を実施し；筋力、姿勢安定性、および骨密度を評価するように振動スペクトルを分析する、ステップを含む、患者の筋骨格組織を評価する無侵襲の方法が提供される。患者の筋骨格組織を評価する、無侵襲の生理的振動定量システムも提供される。このシステムは、外部的に振動を筋骨格組織に伝達する振動手段であって、振動手段により伝達された振動に応じる筋骨格組織による応答を測定するとともに筋骨格組織の応答を表す信号を形成する振動測定装置を含む、振動手段と；振動測定装置に結合され、振動測定装置から信号を受け取り、信号に関連した周波数スペクトルを生成する、分析器と、を含む。周波数スペクトルは、少なくとも姿勢安定性を評価するように筋骨格組織の振動定量を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の筋骨格組織を評価する無侵襲の方法であって、
非固定支持台に近接して振動測定装置を設け、
患者が非固定支持台に載った後に、振動測定装置を用いて患者の筋骨格組織の振動応答を測定し、
振動応答を特定の振動スペクトルに定量化するように振動応答の周波数分解を実施し、
少なくとも姿勢安定性を評価するように振動スペクトルを分析する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
５Ｈｚを下まわる周波数範囲において振動応答を評価することにより、姿勢安定性を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記振動測定装置は、加速度計を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記振動スペクトルを分析するステップは、前記振動スペクトルを、同じカテゴリーの振動スペクトルと比較するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記カテゴリーは、年齢、性別、身体測定値の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記測定するステップは、所定の長さの時間、神経−筋肉組織の振動応答を測定することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記所定の長さの時間は、０．１分間から５分間の間であることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
患者の筋骨格組織を評価する無侵襲の生理的振動定量システムであって、
振動を筋骨格組織に伝達する振動手段であって、この振動手段により伝達された振動に従う筋骨格組織による応答を測定するとともにこの筋骨格組織応答を表す信号を生成する振動測定装置を含む、振動手段と、
振動測定装置に結合され、振動測定装置から信号を受け取り、信号に関連した周波数スペクトルを生成する、分析器と、
を含み、前記周波数スペクトルは、少なくとも姿勢安定性を評価するように筋骨格組織の振動定量を提供する、ことを特徴とするシステム。
【請求項９】
前記振動手段は、振動テーブルを含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記振動テーブルは、０Ｈｚから１００Ｈｚの間の周波数を生成することを特徴とする請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記振動テーブルは、０．０４ｇ’ｓから０．４ｇ’ｓの間のピーク振幅を生成することを特徴とする請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
前記振動測定装置は、加速度計を含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
【請求項１３】
前記振動測定装置は、半導体加速度計を含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
【請求項１４】
筋肉の振動応答を記録する記録手段をさらに含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
【請求項１５】
前記周波数スペクトルは、姿勢安定性を決定するように１０Ｈｚを下まわる周波数範囲における応答を含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
【請求項１６】
患者の筋骨格組織を評価する無侵襲の方法であって、
振動を筋骨格組織に伝達し、
伝達された振動に従う筋骨格組織による応答を測定するとともにこの筋骨格組織応答を表す信号を生成する振動測定装置を設け、
信号に関連した周波数スペクトルを生成する、
ステップを含み、前記周波数スペクトルは、少なくとも姿勢安定性を評価するように筋骨格組織の振動定量を提供する、ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記振動を伝達するステップは、患者が運動をしている間に実行されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記振動を伝達するステップは、患者が休憩しているかまたは仕事をしているときに、実行されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本開示は、生理的振動定量の方法およびシステムに関し、より詳細には、姿勢の不安定性または不均衡を決定するように、姿勢の揺れを定量する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
転倒は、米国における重大な医療問題となっている。一例として、毎年約２５０，０００人が、転倒して股関節部を骨折している。その結果、一般に、かなりの費用にのぼる人工股関節部関節形成術または人工股関節部置換手術が生じる。この領域の健康管理費用は、米国だけで年間何十億ドルにも及ぶ。さらに、股関節部骨折に関連する罹病率は、広範囲にわたる。人工股関節部関節形成術を受けた全ての個人の半数が、以前のレベルの運動性を実現することがなく、歩くための補助を必要とすることになる。また、７０歳を超えた患者では半数を上回る人が、手術に伴う合併症または手術後の長期のベッド療養によって股関節部骨折で１２カ月以内に死亡している。転倒によるその他の結果としては、賃金喪失、生産性喪失、上肢損傷、頭部損傷、転倒への恐怖から生じる身体活動の低下などが含まれる。
【０００３】
転倒の主要な原因は、平衡の喪失であり、さらに、平衡が一旦失われると、それを再度達成できないことであり、これは、姿勢の不安定性または平衡失調と呼ばれる概念である。姿勢安定性の要因あるいはそれを損なう要因の完全な理解は確立されていないとはいえ、姿勢不安定性は、神経−筋肉組織に密接に結びついている。
【０００４】
姿勢安定性を確実にする生理的要因は必ずしも全てが知られているわけではないが、姿勢安定性を定量することはそれでも可能である。姿勢の揺れを特徴づける多くの方法論および手段が提案されてきた。代替的手法（例えば、上半身位置検出）も提案されているが、大部分の手法は、足元で体重の再配分を特定する「力板」すなわち感圧検出器に依拠する。これらの装置は、時には、患者が固定面に静かに立ったまま使用されるが、患者の活発な動揺が、賦課されることが可能であり、その動揺からの回復を、評価することができる。
【０００５】
姿勢揺れデータの分析は、時間変域において、例えば、ピークからピークまでの揺れの大きさの評価として、分析することができる。分析は、高性能の安定図−拡散分析、スペクトル分析手順などを含む、周波数変域においてもなされ得る。周波数変域分析手法は、年配者の姿勢安定性の低下が、姿勢揺れのスペクトル内容の傾斜の変化と関連するという観察結果につながっている。
【０００６】
しかしながら、個人は、姿勢安定性を維持するさまざまな戦略に依拠できるので、そのような周波数スペクトルは、解釈するのが困難になることもある。例えば、若い成人は、ほとんど姿勢揺れなく静かに立つことが完全にできるが、若い成人の中には、その優れた姿勢安定性により、転倒する恐れがなく身体の大きな揺れ偏位を自ら経験させることができる人もいる。スペクトル揺れ分析手順は、そのような現象を説明せず、揺れ状態の誤った診断になってしまうこともある。
従って、個人の姿勢の不安定性または平衡失調を決定するように姿勢揺れを定量するための方法およびシステムが必要である。
【０００７】
（発明の開示）
本開示は、姿勢の不安定性または平衡失調を決定するように正確にかつ再現性よく姿勢揺れを特徴づけるための方法およびシステムを記述する。この方法は、個人が本開示の姿勢定量システムの非固定支持台上に立っている間に、姿勢安定性を記録することを必然的に伴う。
【０００８】
本開示の方法は、２つの明確な特徴を備えている。第１に、非固定台の固有不安定性によって、個人はその姿勢を静的な状態ではなく動的な状態で制御することになり、それによって、より正確な姿勢安定性の決定が得られる。第２に、移動台を用いることにより、位置、速度、または加速度検出器が、従来技術のシステムで使用される力検出器の代わりに使用でき、それによって、より高価でないシステム構成となり得る。
【０００９】
特に、本開示は、非固定支持台に近接して振動測定装置を備え；患者が非固定支持台に載った後に、振動測定装置を用いて患者の筋骨格組織の振動応答を測定し；振動応答を特定の振動スペクトルに定量化するように振動応答の周波数分解を実施し；少なくとも姿勢安定性を評価するように振動スペクトルを分析する、ステップを含む、患者の筋骨格組織を評価する無侵襲の方法を提供する。
【００１０】
本開示は、さらに、制御された機械的摂動を経験する患者の筋骨格組織を評価する、無侵襲の生理的振動定量システムを提供する。このシステムは、外部的に振動を筋骨格組織に伝達する振動手段であって、振動手段により伝達された振動に応じる筋骨格組織による応答を測定するとともに筋骨格組織の応答を表す信号を形成する振動測定装置を含む、振動手段と；振動測定装置に結合され、振動測定装置から信号を受け取り、信号に関連した周波数スペクトルを生成する、分析器と、を含む。周波数スペクトルは、少なくとも姿勢安定性を評価するように筋骨格組織の振動定量を提供する。
【００１１】
本発明は、以下の図面を参照して好ましい実施態様の以下の説明において詳細に説明される。
【００１２】
【発明を実施するための最良の形態】
本開示は、姿勢の不安定性または平衡失調を決定するように正確にかつ再現性よく姿勢揺れを特徴づけるための方法およびシステムを記述する。好ましい実施態様においては、個人が、加速度計が台の外側に取り付けられた非固定支持台上に立ち、それによって、加速度計は、中央側面揺れを検出できる。
【００１３】
立ち台は、電動ばね機構上に載っており、この電動ばね機構は、電源が入るとこの台を移動させる。あるいは、立ち台は、複数のばねまたはコイル上に載せてもよく、これらのばねまたはコイルは、一旦患者が立ち台の上に立つと、立ち台を移動させる。さらに、立ち台は、ばね以外のさまざまな適合様式（例えば、ゴム、エラストマー、発泡体など）を含むことができる。立ち台の移動によって、加速度計は、患者の身体の中央側面揺れを検出できる。
【００１４】
ある１つの実施態様においては、一端が取付台に支持され他端に基準質量を有する片持ち梁を一般に用いる片持ち梁加速度計が使用される。このような梁は、一般にシリコンから微細加工され、１つまたは複数のひずみゲージが、所望の検出部位においてその表面に配置される。これらの１つまたは複数のひずみゲージは、梁内の加速度誘起ひずみを示す信号を与えるように電気回路に接続される。梁の固有周波数は、質量の逆平方根として変化するので、使用される基準質量は、高周波数での測定を可能とするために小さい。片持ち梁ひずみゲージ加速度計は、Ｄ．Ｃ．にまで及ぶその周波数応答とその高い感度ゆえに好ましい。本願に参照によって組み込まれるベルイストローム（Ｂｅｒｇｓｔｒｏｍ）らに付与された米国特許第５，４１２，９８７号を参照のこと。また別の形として、感度はより低いが、より堅牢な、低価格の半導体可変静電容量加速度計を使用することも可能である。
【００１５】
加速度計は、個人が、好ましい時間として１０〜１００秒間、好ましくはロンベルク位置（両足を肩幅に開き、両手は両側で、両眼は開いている）に起立している間に、個人の固有揺れパターンを記録する。加速度データは、増幅され、１５Ｈｚを超える信号寄与を除去するように信号処理技術を用いてフィルターに掛けられ、その後、好ましくは５０Ｈｚを超えるサンプリングレートでデジタル化される。データのスペクトル分析は、高速フーリエ変換技術を用いて達成され、加速度スペクトルは、好ましい０．０１Ｈｚから１０Ｈｚの周波数範囲に亘って変位スペクトルに変換される。
【００１６】
いくつかの実施態様においては、患者とばね付き非固定台のばね−質量システムの共振によって、５〜１０Ｈｚの共振が生じ、分析を混乱させることがある。したがって、約３Ｈｚを超える周波数は、分析には使用されない。０．５〜３Ｈｚの範囲の周波数が、一般に姿勢揺れを決定するのに使用される。
【００１７】
分析は、個人の姿勢安定性に特有の単一測定を抽出する。従って、分析は、姿勢揺れの年齢依存変化を示すことができ、整形外科的問題を有する個人を特定できる。さらに、分析は、姿勢安定性に影響を与える低レベル機械的振動の能力を示す。
【００１８】
典型的な揺れパターンを、図１、図２に示すが、これは、２３歳の女性の時間依存揺れ特性と５４歳の女性のそれとを１０秒間の時間進行に亘って比較している。明らかに、より年長の女性が、よりいっそう大きな揺れ動作を経験するが、一般には、低周波数揺れが、姿勢安定性の信頼できる指標になることは知られていない。
【００１９】
本開示に従って姿勢揺れ特性を定量するために、時間依存揺れパターンは、１５Ｈｚにおいてフィルターを掛けられ、５１．２Ｈｚにおいてまたはそれを超えてサンプリングされ、次に、データの傾向を取る（ｄｅ−ｔｒｅｎｄ）ように３次補正に従う周波数変域に変換される。揺れデータのフーリエ解析は、揺れが、広いスペクトルの周波数成分に関連することを示す。揺れデータのスペクトル分析を、対数−対数形式で示すと、揺れデータ周波数範囲は、ほぼ０．０１Ｈｚからほぼ１０Ｈｚに及ぶように見える（図３、図４参照）。さらに、揺れ大きさ対周波数のパターンは、はっきりしており、揺れ大きさは、この３桁の周波数に亘って単調に、実質上直線的に、減少しているが、台を支持しているばねのばね定数に依存しており、システム共振は、スペクトルデータにおいてはっきりさせることが可能である。
【００２０】
従って、個人の揺れの特性は、所定の（しかし、相対的に高い）周波数を用いて、対数−対数目盛りで示された揺れスペクトルデータを通してプロットされた回帰直線（図３、図４参照）の切片を決定することによって、相対的に直接的なやり方で再現性よく定量できる。好ましくは、３から１０Ｈｚの切片が、使用される。
【００２１】
３Ｈｚの切片における回帰直線の値は、姿勢揺れの再現可能な（２０％未満の変動係数）測定を与え、この測定は、姿勢揺れの年齢関連変化を明確に特定できるばかりでなく、筋骨格症状を有する個人を特定できる。
【００２２】
分析の前提は、低下した安定性が、全ての周波数における揺れの全体的増加による様式か、または、大きな低周波数移動は排除するが、高周波数揺れ成分の一因となる律動的姿勢になる、硬直姿勢を採用する個人による様式、の２つの様式の一方によってはっきりわかるものだということである。従って、全ての場合において、低下した姿勢安定性は、増加した高周波数揺れ含有量となる。
【００２３】
ここで、具体的に詳細に図面を参照すると、これらの図面では、同様の参照番号が、いくつかの図面に亘って同様または同一の要素を特定しているが、まず図５では、本開示の振動定量方法の流れ図を示している。ステップ２において、患者は、立ち台に立ち、この立ち台は、その外側に取り付けられた少なくとも１つの加速度計を有する。ステップ４において、筋骨格から測定可能な応答を生成するように、患者の少なくとも１つの筋肉の中で活動を生成させる。外部の振動と摂動の少なくとも一方が、測定可能な筋骨格応答を生成するのに使用できる。これは、刺激するために収縮される必要がある可能性がある随意筋について、特に当てはまる。姿勢筋肉などの不随意筋は、一般に、外部刺激を必要とせず、測定可能な信号が、外部の振動または摂動なしに生成できる。ステップ６は、例えば、加速度計により示される筋骨格振動を記録することによって、筋肉応答を測定／記録することを表す。測定／記録は、例えば、ほぼ０．１分間から５分間の間の、所定の長さの時間、実行する。
【００２４】
ステップ８において、筋骨格状態を決定するために、周波数分解または他の時系列分析／比較を実施する。さらに、応答データを、予め収集したスペクトル応答データと比較する。予め収集したスペクトルデータは、患者と類似した特性、例えば、年齢、性別、身体測定値などを有する個人について得られたデータを含む。また、姿勢揺れまたは他の神経−筋肉特性が、定量および比較できる。ステップ９は、ステップ８の分析に基づき、患者の姿勢安定性を決定する。
【００２５】
図６は、本開示による振動定量装置システムを示す。患者は、振動テーブル１０上に立つ。所定の時間、例えば０．５から５分間、テーブル１０により生成された振動が、患者の身体を通して伝達される。振動は、振動テーブル１０の立ち台１４の下に配置されかつそれに取り付けられた電動ばね機構１２によって、生成される。振動は、立ち台１４の下に取り付けられ、立ち台１４が上に載せられている複数の非電動ばねまたはコイルによって生成できるようにすることも検討されている。
【００２６】
振動テーブル１０により伝えられる周波数は、０．０４と０．４ｇ’ｓの間のピーク振幅を有する０と１００Ｈｚの間の範囲にある。振動波は、好ましくは正弦波であるが、他の波形も検討される。少なくとも１つの加速度計１５が、立ち台１４の外側１６で振動テーブ１０に取り付けられる。加速度計１５は、患者の筋骨格組織の振動応答を測定するのに使用される。振動テーブル１０の振動生成の間に、加速度計１５の応答は、当業技術内で知られる前置増幅器（図示せず）によって増幅できる。
【００２７】
その後、振動応答は、ケーブル１７により加速度計１５に電気的に接続されたスペクトル分析器／コンピュータ１８によって、測定かつ記録される。加速度計応答データは、姿勢揺れまたは他の神経−筋肉特性についての情報を抽出するように分析される。従って、患者の姿勢安定性に関する決定が行われる。
【００２８】
本開示の方法およびシステムにより提供される利点は、患者にはほとんどまたは全く訓練／習熟の必要がない；足関節、膝関節、股関節、感覚組織、脊椎などの症状を特定できる；姿勢安定性の年齢関連変化を特徴付けできる；手術後の姿勢安定性の変化を特徴付けできる；リハビリ療法に関連する改善を特定できる；仮病の疑いのある個人の姿勢能力を特徴付けできる；着座位置にある個人の安定性を特徴付けできる；本開示の方法およびシステムは、ロンベルク位置以外の位置にある患者に役に立つ；本開示の方法およびシステムは、患者が運動しているかまたは仕事を行っている間に、姿勢安定性の改善についてリアルタイムでのフィードバックを与えるように、治療用または運動型の装置に組み込むことができる、ことである。
【００２９】
姿勢の不安定性または平衡失調を決定するように、姿勢揺れを定量するための新規な方法およびシステムの好ましい実施態様を説明してきたが（これは、例示となることを意図しており、限定を意図するものではない）、留意されるように、上述した教示に照らして、当業者により変形および変更がなされ得る。従って、理解されるように、開示された発明の特定の実施態様に変更を行うことができ、これは、添付の請求項によって輪郭が示される本発明の範囲および精神の中にある。このように、特許法により必要とされる詳細および細部について本発明を説明してきたが、請求されかつ望ましくは特許状により保護されのは、添付の請求項に記載される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本開示の方法およびシステムにより得られた２３歳の女性の時間依存揺れ特性を例示するチャートである。
【図２】
本開示の方法およびシステムにより得られた５４歳の女性の時間依存揺れ特性を例示するチャートである。
【図３】
本開示の方法に従って図１によって例示された揺れデータのスペクトル分析を例示するチャートである。
【図４】
本開示の方法に従って図２によって例示された揺れデータのスペクトル分析を例示するチャートである。
【図５】
本開示の方法に従って生理的振動の定量のためのステップを示す流れ図である。
【図６】
本開示の方法に従って患者が振動定量を経験する振動テーブルを示す斜視図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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2004516059.tif 000010
2004516059.tif 000011
2004516059.tif 000012
2004516059.tif 000013
2004516059.tif 000014
2004516059.tif 000015
2004516059.tif 000016
2004516059.tif 000017
2004516059.tif 000018
2004516059.tif 000019
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2004516059.tif 000023
2004516059.tif 000024
2004516059.tif 000025
2004516059.tif 000026
2004516059.tif 000027
2004516059.tif 000028
2004516059.tif 000029
2004516059.tif 000030
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004516059.tif 000031
2004516059.tif 000032
【国際調査報告】
2004516059.tif 000033
2004516059.tif 000034
2004516059.tif 000035