(57)【要約】【課題】専門医で無くても、或いは経験浅い専門医でも、容易に測定できる関節不安定性測定装置を提供する。【解決手段】関節の不安定性を測定する装置であって、関節の動作中において関節について互いに反対側の２つの身体部位の角速度を測定する複数の角速度センサと、２つの身体部位の加速度を測定する複数の加速度センサと、複数の角速度センサからの情報に基づいて関節の屈曲角度を算出する屈曲角度算出部と、屈曲角度算出部が算出した屈曲角度情報の内、予め定めた角度範囲の屈曲角度情報を対象角度情報とし、対象角度情報に対応する複数の加速度センサの少なくとも一つの加速度情報から加速度が最大となる急激挙動箇所を抽出する急激挙動抽出部と、急激挙動箇所における加速度情報の偏差値を算出する偏差値算出部と、を備え、算出された前記偏差値の値に基づいて前記関節の不安定性を測定する構成を採る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間を含む動物の関節の不安定性を測定する装置であって、
前記関節の動作中において前記関節について互いに反対側の２つの身体部位の角速度を測定する複数の角速度センサと、
前記２つの身体部位の加速度を測定する複数の加速度センサと、
前記複数の角速度センサからの情報に基づいて前記関節の屈曲角度を算出する屈曲角度算出部と、
前記屈曲角度算出部が算出した屈曲角度情報の内、予め定めた角度範囲の屈曲角度情報を対象角度情報とし、前記対象角度情報に対応する前記複数の加速度センサの少なくとも一つの加速度情報から加速度が最大となる急激挙動箇所を抽出する急激挙動抽出部と、
前記急激挙動箇所における加速度情報の偏差値を算出する偏差値算出部と、を備え、
算出された前記偏差値の値に基づいて前記関節の不安定性を測定することを特徴とする関節不安定性測定装置。
【請求項２】
前記算出された前記偏差値の値を予め定めたグレード枠のどれに当てはまるかを判定するグレード判定部を備えることを特徴とする請求項１に記載の関節不安定性測定装置。
【請求項３】
前記グレード判定部が判定したグレードに応じた表示を出力する表示部を備えることを特徴とする請求項２に記載の関節不安定性測定装置。
【請求項４】
前記関節は、人間の膝関節であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の関節不安定性測定装置。
【請求項５】
人間を含む動物の関節の不安定性を測定する装置の制御方法であって、
前記関節の動作中において前記関節について互いに反対側の２つの身体部位の角速度を測定する複数の角速度センサからの情報及び、前記２つの身体部位の加速度を測定する複数の加速度センサからの情報を取得するセンサ情報取得過程と、
前記関節の動作中において前記センサ情報取得過程で取得した複数の角速度センサからの情報に基づいて前記関節の屈曲角度を算出する屈曲角度算出過程と、
前記屈曲角度算出過程で算出した屈曲角度情報の内、予め定めた角度範囲の屈曲角度情報を対象角度情報とし、前記対象角度情報に対応する前記複数の加速度センサの少なくとも一つの加速度情報から加速度が最大となる急激挙動箇所を抽出する急激挙動抽出過程と、
前記急激挙動箇所における加速度情報の偏差値を算出する偏差値算出過程と、を備え、
算出された前記偏差値の値に基づいて前記関節の不安定性を測定することを特徴とする関節不安定性測定装置の制御方法。
【請求項６】
人間を含む動物の関節の不安定性を測定する装置をコンピュータにより制御する為の制御プログラムであって、
前記関節の動作中において前記関節について互いに反対側の２つの身体部位の角速度を測定する複数の角速度センサからの情報及び、前記２つの身体部位の加速度を測定する複数の加速度センサからの情報を取得させ、
前記関節の動作中において取得した複数の角速度センサからの情報に基づいて前記関節の屈曲角度を算出させ、
算出した屈曲角度情報の内、予め定めた角度範囲の屈曲角度情報を対象角度情報とし、前記対象角度情報に対応する前記複数の加速度センサの少なくとも一つの加速度情報から加速度が最大となる急激挙動箇所を抽出させ、
前記急激挙動箇所における加速度情報の偏差値を算出させ、
算出された前記偏差値の値に基づいて前記関節の不安定性を測定することを特徴とする関節不安定性測定装置の制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、角速度センサ及び加速度センサを用いて人間を含む動物の膝等の関節の不安定性を測定する装置、装置の制御方法及び制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】  人体に関しては、スポーツ年齢層の拡大・高齢化・肥満化によって、膝関節の前十字靭帯損傷等が近年増加傾向にある。また、ペットなどの動物でも人間同様の問題が生じている。【０００３】  前十字靭帯損傷において、回旋不安定性現象（Ｐｉｖｏｔ  Ｓｈｉｆｔ）が知られている。前十字靭帯損傷膝では膝伸展位において、外反・軸圧のストレスをかけることにより、脛骨は前方にずれる。そして、屈曲とともに２０°〜３０°付近で脛骨は突然、整復位に外旋するように、即ち、後方の正常な位置に戻る。【０００４】  逆に、膝関節屈曲位から伸展する場合には、屈曲３０°から完全伸展する際に、脛骨外側顆が内側側副靭帯付近を中心に、内旋するように前方に亜脱臼する。【０００５】  この脛骨の急激な後方への移動が一般的に“ｔｈｅ  ｐｉｖｏｔ  ｓｈｉｆｔ”と呼ばれ、この現象の評価法で、代表的な徒手検査の事をＰｉｖｏｔ  Ｓｈｉｆｔ  ｔｅｓｔと呼ばれ、従来、評価結果は検者の主観や徒手能力に委ねられていた。【０００６】  医療分野における人や動物の体の測定計測には、対象となる体への影響が少なく、かつ、定量的な計測評価技術が求められており、さまざまなデバイスを用いた関節の不安定性の測定方法が提案されている。【０００７】  例えば、特許文献１には、加速度センサを用いて関節の不安定性を測定する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２０１１−５２５３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  特許文献１に記載の装置において、測定概念は大まかに記載されているが、より具体的な測定方法は開示されておらず、専門外の医師や、経験浅い専門医では、定量的に容易に、関節の不安定性を測定しづらいという問題があった。【００１０】  本発明は、この様な従来の問題点を解決するものであり、専門医で無くても、或いは経験浅い専門医でも、容易に測定できる関節不安定性測定装置、関節不安定性測定装置の制御方法及び制御プログラム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】
【００１１】  本発明の関節不安定性測定装置は、人間を含む動物の関節の不安定性を測定する装置であって、前記関節の動作中において前記関節について互いに反対側の２つの身体部位の角速度を測定する複数の角速度センサと、前記２つの身体部位の加速度を測定する複数の加速度センサと、前記複数の角速度センサからの情報に基づいて前記関節の屈曲角度を算出する屈曲角度算出部と、前記屈曲角度算出部が算出した屈曲角度情報の内、予め定めた角度範囲の屈曲角度情報を対象角度情報とし、前記対象角度情報に対応する前記複数の加速度センサの少なくとも一つの加速度情報から加速度が最大となる急激挙動箇所を抽出する急激挙動抽出部と、前記急激挙動箇所における加速度情報の偏差値を算出する偏差値算出部と、を備え、算出された前記偏差値の値に基づいて前記関節の不安定性を測定する構成を採る。
【発明の効果】
【００１２】  本発明によれば、専門医で無くても、或いは経験浅い専門医でも、容易に測定できる関節不安定性測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置の構成を説明する為の図
【図２】本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置のセンサ取り付け位置を示す図
【図３】本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置で得られた加速度と角度の時間的変化を示す図
【図４】本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置で得られたデータの処理を説明する為の図
【図５】本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置の関節不安定性判定を説明する為の図
【発明を実施するための形態】
【００１４】  以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】  図１は、本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置の構成を説明する為の図である。図２は、本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置のセンサ取り付け位置を示す図である。
【００１６】  図３は、本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置で得られた加速度と角度の時間的変化を示す図である。図４は、本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置で得られたデータの処理を説明する為の図である。
【００１７】  図５（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置で得られた急激挙動箇所における急激度合いを重み付けするテーブルを示す図であり、図５（ｂ）は、本発明の一実施の形態に係る関節不安定性測定装置で得られた関節不安定性をグレード表示する為のテーブルを示す図である。
【００１８】  関節不安定性測定装置１は、角速度センサ１０ａ，１０ｂと、センサ情報入力部１２と、屈曲角度算出部１４と、加速度センサ１６ａ，１６ｂと、急激挙動抽出部２０と、偏差値算出部２４と、グレード判定部２８と、表示部４０と、ＣＰＵ５０と、メモリ６０とを備える。
【００１９】  関節不安定性測定装置１の動作は、メモリ６０に格納された制御プログラムによりＣＰＵ５０で制御される。
【００２０】  角速度センサ１０ａと加速度センサ１６ａとは、膝関節９０に対し、距離Ｌ１で大腿骨側に装着し、角速度センサ１０ｂと加速度センサ１６ｂとは、膝関節９０に対し、距離Ｌ２で脛骨側に装着する。距離Ｌ１とＬ２とは等距離である。
【００２１】  関節不安定性測定装置１は、サンプリングレート２５ミリ秒で、角速度センサ１０ａ，１０ｂと加速度センサ１６ａ，１６ｂとの３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）データを、センサ情報入力部１２を介して取得する。
【００２２】  屈曲角度算出部１４は、角速度センサ１０ａ，１０ｂにより得られた角速度からオイラー角を算出し、２つの角速度センサ１０ａ，１０ｂと仮想点である膝９０とを３点として球面三角法を用いて屈曲角度Ａを算出する。
【００２３】  移動平均法により平滑化し、ノイズを除去し、図４の「膝屈曲角度（平滑化後）」のデータを得る。
【００２４】  なお、図４においてデータ番号が飛んでいる箇所は、紙面の都合でデータ掲載を省略しているだけである。
【００２５】  予め定めた膝屈曲角度２０°から７０°の範囲を着目屈曲角度３０２として着目して対象角度情報とし、急激挙動抽出部２０は、サンプリングレート２５ミリ秒で得られた対象角度情報に対応する加速度センサ１６ａ，１６ｂの一方の加速度値に２５ミリ秒前と後の値を加えることで図４に示す加速度（平滑化値）を得る。
【００２６】  具体的には、例えば、データ番号８５４の加速度は５１．４３ｍＧであるが、その２５ミリ秒前、データ番号８５３の加速度５９．２７ｍＧと、２５ミリ秒後、データ番号８５５の加速度３６．３３とを加えて１４７．０３という加速度（平滑化値）を得る。
【００２７】  急激挙動抽出部２０は、予め定めた着目屈曲角度３０２の範囲の加速度（平滑化値）を比較し、最も値が大きいデータ番号９４２、測定時間軸２３．５５０秒、膝屈曲角度５１．８５°の点を急激挙動箇所（ＰｉｖｏｔＳｈｉｆｔ現象ポイント３０１）として抽出する。
【００２８】  偏差値算出部２４は、急激挙動抽出部２０が抽出したＰｉｖｏｔＳｈｉｆｔ現象ポイント３０１であるデータ番号９４２の点から予め定めた３００ミリ秒前であるデータ番号９３０から、３００ミリ秒後であるデータ番号９５４までの間の加速度の平均値と標準偏差を求める。
【００２９】  次に、偏差値算出部２４は、（当該箇所の加速度値―加速度の平均値）÷標準偏差×１０＋５０という式により、当該箇所の偏差値を求める。
【００３０】  当該箇所として、具体的には、急激挙動抽出部２０が抽出したＰｉｖｏｔｓｈｉｆｔ現象ポイント３０１であるデータ番号９４２と、その２５ミリ秒前のデータ番号９４１と、逆に２５ミリ秒後のデータ番号９５４の各偏差値を求め、図４の偏差値欄に示す様に、７３．７１と６８．２４と７７．７３という値を算出する。
【００３１】  表示部４０は、得られた偏差値を、数値そのものや色の変化や棒グラフなどで表示しても良い。
【００３２】  得られたＰｉｖｏｔＳｈｉｆｔ現象ポイント付近の偏差値が例えば７０を超す様な値であれば関節の不安定度は「高く」、偏差値が６０代程度であれば、関節の不安定度は「やや高く」、偏差値が５０代やそれ以下であれば、関節の不安定度は「弱く、健常者により近い」と、専門医で無くても、或いは経験浅い専門医でも判断可能となる。
【００３３】  更に、関節の不安定性を表す一般的な表現であるグレード（Ｇｒａｄｅ：程度）に当てはめて表示することが可能となる。健常者、脛骨の移動は無い状態を「正常」と表し、Ｐｉｖｏｔ  ｓｈｉｆｔ現象時に、すべるように整復される、不安定性の度合いが弱く、健常者により近い状態を「グレード１」と表す。
【００３４】  Ｐｉｖｏｔ  ｓｈｉｆｔ現象時に、鈍い音を伴い整復される、不安定性の度合いがやや強い状態を「グレード２」と表し、Ｐｉｖｏｔ  ｓｈｉｆｔ現象時に、顕著な整復音を伴い整復される、不安定性の度合いがより強い状態を「グレード３」と表す。
【００３５】  グレード判定部２８は、図５（ａ）に示す偏差値算出部２４が算出した３点の偏差値に対して重み付けをする為のテーブルにより、偏差値７３．７１に対してポイント２、偏差値６８．２４に対してポイント３、偏差値７７．７３に対してポイント１を付与し、その平均値（小数点以下四捨五入）としてポイント２を得る。
【００３６】  得られたポイント２に対し、予め定めた図５（ｂ）に示す関節の不安定性を示すグレード表示する為のテーブルに当てはめ、測定された関節の不安定性はグレード３となる。
【００３７】  表示部４０は、グレード判定部２８が判定したグレードに応じて、文字・色・音などにより表示して通知する。
【００３８】  以上説明した様に、本実施の形態によれば、関節の不安定性を、専門医で無くても、或いは経験浅い専門医でも、容易に測定できる。
【００３９】  以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【００４０】  例えば、関節は人間の膝に限定されず、人間以外の動物であっても、また、膝以外の関節であっても良い。角速度センサは、関節の互いに反対側の身体部位にそれぞれ少なくとも１個、合計２個以上、加速度センサも合計２個以上であれば良く、各センサから得られるデータを適宜選択して採用すれば良い。
【００４１】  また、センサからのデータ取得頻度であるサンプリングレートは２５ミリ秒に限定されず、装置のデータ処理能力が許す範囲でデータ取得頻度を設定すれば良い。
【００４２】  また、対象角度は２０°〜７０°に限定されず、異なる角度範囲としても良い。また、角速度から屈曲角度を算出する方法は、角速度からオイラー角を算出し、球面三角法を用いて屈曲角度を算出する方法に限定されず、例えば、更に移動平均法による平滑化や累積誤差ノイズ除去、伸展位位置補正などの処理を加えたりして算出しても良い。
【００４３】  また、加速度値の平滑化方法は、時間軸で前後各１点の加速度値を加算する方法に限定されず、例えば、前後各２点、計４点の加速度値を加算する方法などでも良い。
【００４４】  また、急激挙動箇所における加速度情報の偏差値を算出するにあたり、時間軸の前後各３００ミリ秒の範囲のデータで偏差値を求めたが、３００ミリ秒に限定する必要は無く、異なる範囲でも良い。
【００４５】  また、急激挙動箇所と、時間軸でその前後２点の計３点の偏差値に対応するポイントの平均値でグレードを判定する場合で説明したが、本発明はこれに限定されず、計３点の偏差値ではなく、例えば、前後各２点との計５点の偏差値に対応するポイントの平均値でも良い。
【００４６】  また、ポイントに対応する偏差値範囲は、図５（ａ）に示した値に限定されない。また、ポイントに対応するグレードも図５（ｂ）に示した値に限定されない。
【産業上の利用の可能性】
【００４７】  本発明に係る関節不安定性測定装置、関節不安定性測定装置の制御方法及び制御プログラムは、関節の不安定性を、専門医で無くても、或いは経験浅い専門医でも、容易に測定できる装置、装置の制御方法及び制御プログラムとして好適である。
【符号の説明】
【００４８】  １  関節不安定性測定装置
１０ａ，１０ｂ  角速度センサ
１２  センサ情報入力部
１４  屈曲角度算出部
１６ａ，１６ｂ  加速度センサ
２０  急激挙動抽出部
２４  偏差値算出部
２８  グレード判定部
４０  表示部
５０  ＣＰＵ
６０  メモリ
９０  関節
３０１  ＰｉｖｏｔＳｈｉｆｔ現象ポイント
３０２  着目屈曲角度
【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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