立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (A) ］

ポタリングサイクリングのための下腿義足の開発
Development of a Transtibial Prosthesis for Puttering Cycling2211026

研究代表者

九州大学

共同研究者

広島国際大学
総合リハビリテーション学部

大学院芸術工学研究院

教 授

村木里

志助 教

森永浩

介

(つま先が下に向かう動き) が使えないことか[研 究 の 目 的]らペダルを押すパワーが弱くなる。それに加え，下肢切断により義足を利用する者にとって，ペダルの向きの調節が難しく，股および膝関節サイクリングは一部の者，特に競技選手に限定の運動による力を効率良く伝えらない問題も生されている現状がある。散歩の感覚のように手じる。これらの問題は一部であり，他にも様々軽にサイクリングを行うこと，つまりポタリンな問題が起こると予想される。

グサイクリングが身近になれば，行動範囲や通このような背景から本研究課題では，下腿義勤・通学等の利便性が広がるだけでなく，サイ足利用者 (片側のみ義足) がペダリングする際クリングの様々な楽しみや健康上のメリットがに生じる問題点や原因を実験から明らかにし，享受できる。そこで我々は，片側に下腿義足それらを解決する方策を提案することを目的と(膝下切断者用) を装着する者を対象とし，ポした。

タリングサイクリングを可能とするために必要[研究の内容，成果]な方策の要件を整理・提案・実現することに取り組んでいる。
サイクリングを行うためには，左右のペダル

実験課題：足関節運動制限がペダリングに及ぼす影響を足底にて交互に押し，クランクを回転させる動作，すなわちペダリングが必要となる。その動 作 は 左 右 の 股 関 節 (伸 展−屈 曲)，膝 関 節【背景・目的】(伸展−屈曲)，足関節 (背屈−底屈) の運動に片脚の足関節の運動が働かない，つまり制限よって成立する。効率的なペダリングを行うた

される影響を把握するためには，下腿義足を利めには，足底がペダルから離れないだけでなく，用する当事者を対象に検討することも考えられ脚部の関節運動の力がクランクの回転に効率的る。しかし，個々によって義足の種類や性能がに伝達されるよう，クランクの角度に応じたペ異なることから，足関節の運動制限の影響のみダルの向きの調整も重要となる。

を抽出することは難しいと考えられる。

片側の脚が義足の場合，ペダリングを行うとそこで本実験では両下肢が正常な健常者を対様々な問題が生じることが予想される。下腿義象とし，足関節の運動の制限の影響に絞って検足の場合，足関節の運動が働かないことは大き討が行えるように，足関節の運動がペダルに作なハンディキャップとなる。足関節の底屈運動用しない摸擬義足 (以下，実験用義足) を実験― 1 ―立石科学技術振興財団のために製作した。この実験用義足を用いて，メーター (コナミ，Aerobike 75XL) を用いた。

足関節の運動の制限の影響を多角的に検討する

サドルの高さは個々の身長に合わせて調節した。

とともに，その影響が生じる原因を考察した。

ペダリング時の様子を図 1 に示す。

また，実際に義足にてサイクリングを行う際，義足の足底のどの位置をペダルと接続すれば良いかを考える必要がある。実際，サイクリング競技選手の義足を調べても矢状面にて足底中央(パイロンの延長上) と足底前方 (つま先側)との接続がみられる。本実験ではそれぞれの長所と短所の検討も試みた。
【方法】

図1

実験用義足を用いたペダリング

実験参加者
健康な 20 から 30 歳代の若年成人男女 8 名

実験条件・手順(男性 3 名，女性 5 名) とした。自転車 (ペダ本実験では足関節運動が制限される場合の影リング) 操作に慣れていること，下肢の整形外響と，ペダルと足底の接続位置の影響の二つを科的な問題や痛みがない者とした。なお本実験検討するために次の 3 つの条件 (図 1) を設けは九州大学大学院芸術工学研究院実験倫理委員た。

会にて承認を受けて実施した (承認番号 389)。

①義足無し条件 (対照条件)。実験用義足を装着しない (足関節運動が有効)。足底のつま

実験機器

先側がペダルに接続② 実 験 用 義 足 (右 側) を 装 着。足 底 の 中 央

実験用義足
足関節 (右脚) の動きを制限する実験用義足(Middle) がペダルに接続 (義足 M 条件)を実験参加者それぞれに製作した (図 1)。各

③実験用義足 (右側) を装着。足底のつま先

実験参加者の下腿形状の型を採取し，それに適(Toe) 側がペダルに接続 (義足 T 条件)合するように製作した。この義足は足首から膝実験用義足のペダル接合部とペダルの接続に下までの下腿部表面を装具によって覆うとともは，独自に製作したアタッチメントを用いた。に，その部分はペダルとつなぐ接合部 (以下，これらの 3 つの足部条件それぞれにおいて，ペダル接合部) ともつながっている。他方，足40 W の負荷にてペダリングを行わせた。40 W

底とペダルの間には空間があり，足関節を動かは平地走行を想定している。回転数は 60 回転/してもその力はペダル接合部には作用しない仕分とし，メトロノームにてリズムを提示した。

組みとなっている。これにより，股関節および各条件，それぞれ 2 分間を 3 回実施した。各条膝関節の運動による力はペダルに作用するが，件の順序はカウンターバランスをとり，条件間足関節のそれは作用しないことになる。つまり，には 5 分間の休憩を挟んだ。

下腿義足のハンディキャップを摸擬できる仕組

測定項目みとなっている。

下肢筋電図
下肢エルゴメーター

左右両脚の外側広筋，内側広筋および大腿二サイクリングのペダリングをシミュレーショ

頭筋の表面筋電図を多チャンネルテレメーターンするために負荷量が調整可能な下肢エルゴシステム (WEB7000，日本光電) および筋電― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図送信機 (ZB-150H，日本光電) にて計測し件では，左右の下肢の筋活動動態および下肢関た。筋電図信号はクランク角度計測と同期させ節動態が非対称でなくなった。実際に腰部左右て収録した。に貼付したマーカーの上下動幅は義足有り条件

動作解析にて大きくなった。ペダルフォースセンターに右脚の股関節 (大転子点)，膝関節 (膝関節よって計測した左右バランス性も低下した。こ列隙)，足関節 (外果) に半球マーカーを貼付のように義足有り条件の場合，左右異なる動作し，被験者の側面から動画撮影した。マーカーおよび筋活動が求められ，スムーズなペダリンの位置より，矢状面上の股関節，膝関節，足関グが困難になると考えられる。

節の角度を計測した。また，腰部左右にも半球マーカーを貼付し，被験者の後方より動画撮影し，両マーカーの上下動幅を計測した。
ペダルフォース
左右のペダルにペダルフォースセンサー(Assioma Duo，Favero) を装着し，ケイデンス，パワー，左右バランス等を計測した。
【結果・考察】義足有り (義足 M・T 条件) と無し (対照条
図2件) の比較 (足関節運動制限の影響)

ペダル角度に対する外側広筋の筋電図
義足なし条件 (正円 100 %) に対する相対値

義足有りの場合，健常足側の下肢筋電図振幅平均値が対照条件と比べてより大きくなった

義足 M 条件と義足 T 条件の比較 (足底とペダ(図 2)。本実験のペダリングでは，一定の負荷ルの接続位置の影響)量 (40 W) を維持することを求めた。義足側

義足 M 条件は義足 T 条件および対照条件とのパワーが劣ったため，それを健常足側で補っ比べて，義足側 (右側) の膝関節角度の平均値たと考えられる。義足側のパワーが劣った原因が大きくなった。つまりより伸展していたといとしては次の二つが考えられる。一つ目は，義うことになる。これはペダルの接続位置の関係

足側においては足関節の底屈によって力を発揮にて，ペダルが最低位付近に位置する際に膝をできなくなることである。二つ目は，ペダルのより伸展させる必要があったからと考えられる。

角度を適切に調節できなく，健常足側のように一方，義足 T 条件は義足 M 条件と比べて，股効率的に股および膝関節運動による力をクラン関節角度の平均値が小さくなった。つまりよりクの回転に伝達できなかったことである。後者屈曲していたことになる。ペダルが最高位付近については下肢関節動態が義足有りと無し条件に位置する際，足関節の背屈動作が行える場合，にて異なったことからも支持される。

つま先側を挙げ，踵部側を下げることにより，一方，義足有り条件において，義足側と健常その分，股関節の屈曲を抑えることができる。

足側では下肢の筋活動動態が異なった。残念な

またこの動作によってペダルが押し込みやすくがら義足を装着しない側 (左側) の下肢関節動なる。しかし，義足 T 条件では，つま先側で態は測定していなかったが，義足側 (右側) のペダルに接続し，足関節の背屈が使えないため下肢関節動態は義足無し条件と異なった。このに踵部を下げられず，その結果，膝がより上がことは義足有り条件の場合，左右の下肢関節動り，股関節がより屈曲したと考えられる。

態も異なることを示唆する。つまり義足有り条― 3 ―立石科学技術振興財団

一方，本研究の実施と平行して，本研究の当事者の実状やニーズを踏まえた義足開発を進めるために，また今後の研究の方向性を検討するために，下腿義足利用者に対して，サイクリングに対するインタビュー調査を行った。義足利用前後のサイクリングの状況を尋ねたところ，義足後には自転車走行の実施は少なくなっていた (もしくは皆無)。また，全員ではないがサ
図3

イクリングを再度実施したいというニーズが確

腰・膝関節角度 (ペダリング時の平均値)認できた。しかし，短距離移動のためのサイク

ポタリングサイクリング用の下腿義足の要件

リングにおいては，専用の義足に交換するので本実験の結果に基づいて，サイクリング用のはなく，日常の義足のままで行いたい (長距離下腿義足の要件を整理する。の場合などは専用の義足に交換することは構わ・義足側においては，足関節運動が働かず，膝ない) というニーズも高かった。その一方で，および股関節運動によってクランクを回転さ転倒などの危険性に対する心配も大きかった。

せる。それらのパワーがロスなく，ペダルにこのようなニーズを踏まえ，サイクリング用伝達されること。

義足の開発に加え，ペダルおよびペダルと義足・その伝達には，クランクの角度に対するペダルの角度も重要となる。のアタッチメントの開発も進めている。まずは
下腿義足利用者でもサイクリングが可能である・義足足底とペダルの位置が異なると，下肢関ことが体験でき，サイクリング実施の動機づけ節も異なる動きが求められる。ポタリングをになるように，日常の義足にてペダリングでき想定した平地の軽走行において足底中央部のるようなペダルおよびアタッチメントの開発を方がポジティブな結果を示したが，健常足と先行して行っている。

比較すると違いは大きく，これで解決するものでない。

サイクリング用義足自体については複数のアイデアがあり，イメージ図なども作成している・理想としては，左右の下肢筋活動と関節運動(知財保護から本報告書での公開は差し控える)。

がより対称になるようなサイクリング用下腿足関節運動が働かない不利な条件を義足の弾性義足が望まれる。

力を使って補うなどの方策を考えている。上述

以上はまだ開発に向けた一部の要件にしか過したペダルおよびアタッチメントとの併用になぎないが，ポタリングサイクリングのための下ると思われるが，健常脚と近いペダリングが可腿義足の要件を科学研究から提案したことは，能となり，左右脚の非対称性を軽減することが大きな前進と考えられる。

期待される。
なお，これまでの研究は下肢エルゴメーター[今後の研究の方向，課題]

を用いて行ってきたが，実際の自転車を用いて(安全確保のためにローラー上の走行となる)，本成果報告書においては，平地走行を想定しまたタイプが異なる自転車を用いての検討も進た負荷での知見を報告した。坂道走行を想定しめている。また，将来的には路面での実走に進た実験も実施している。また，今回報告した成め，発進，加速，減速，停止，方向転換などの果については世界に発信するために，国際学術場面にて起こる問題にも取り組み，ポタリング誌への論文投稿を準備している。

サイクリングの実現を目指す。
― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation[謝辞][成果の発表，論文等]

実験用義足の製作およびインタビュー調査にご協

学会発表

力頂きました株式会社有薗製作所開発室・千々和直1 ) Heloísa Seratiuk Flores, Wen Liang Yeoh, Satoshi

樹様，小田尭人様，ならびに実験用義足の設計につMuraki. Biomechanics of cycling applied to the

いてご助言頂きました株式会社 JST Fit 代表取締

design of transtibial leg prostheses. 日本人間工学会役・森本哲平様に感謝申し上げます。

九州・沖縄支部会第 42 回大会．2021 年 12 月 17〜[付記]2 ) Heloísa Seratiuk Flores, Wen Liang Yeoh, Kosuke

本研究は Heloísa Seratiuk Flores (九州大学大学

theses: Applications to the practice of cycling. 日本18 日Morinaga, Satoshi Muraki. Transtibial leg pros-院芸術工学府) および Yeoh Wen Liang (九州大学大学院芸術工学研究院特任助教，現佐賀大学理工学部助教) とともに実施した。

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人間工学会第 63 回大会．2022 年 7 月 30〜31 日
3 ) 国際誌へ投稿準備中