OS1-2-3

LIFE2013

2013 年 9 月 2 日−4 日 山梨 (山梨大学)

歩行リハビリテーション用膝関節アシスト装具の開発
Development of a Knee Motion Assist Instrument for Walk Rehabilitation○ 寺田英嗣（山梨大）
Hidetsugu TERADA, University of Yamanashi

Abstract: To assist many patients for the walk rehabilitation after the knee arthroplasty surgery, a wearable knee assistive
instrument has been developed. This instrument includes the knee motion assist mechanism and the hip joint support
mechanism. Especially, the knee motion assist mechanism consists of a non-circular gear and grooved cams. Thismechanism rotates and slides simultaneously, which has two degrees of freedom. Also, the hip joint support mechanism
consists of a hip brace and a ball-joint. This mechanism can avoid motion constraints which are the internal or externalrotation and the adduction or abduction. Then, the control algorithm, which considers assist timing for the walkrehabilitation, has been proposed. A sensing system of a walk state for this control system uses a heel contacts sensor andknee and hip joint rotation angle sensors. Also, the prototype system has been tested by patients. And it is confirmed thatsystem has an enough performance for walk rehabilitation.
Key Words: walk rehabilitation, wearable, knee assist, grooved cam, non-circular gear
1. 緒言
一般的に，膝関節の他動訓練装置(CPM) (1)は変形膝関節症等の 膝 疾 患 を 改 善 す る た め の 人 工 膝 全 置 換 手 術(以下TKA と略す)をはじめ，各種の膝手術後のリハビリテーション器具としてしばしば用いられている．しかしながらその有用性については議論が分かれている (2). この大きな理由として，現在の他動訓練装置の使用状態が歩行状態とは大きく異なるためである．本報告では歩行状態の他動訓練を実現するため，膝の運動を再現した駆動関節機構を持つ装着型膝関節アシスト装具を提案し，TKA 後の患者の歩行リハビリテーションに適用してその有効性を検証する．

Driving motor (Right side)
Li-ion battery (Left side)
Control CPU unit (Left side)
Hip brace
Hip joint support
mechanism withhip joint rotation
sensorKnee joint assist mechanismwith cam and non-circular gear

Thigh brace
Timing & duty
adjust system
Leg brace

2. 装着型アシスト装具の構造提案する装着型膝関節アシスト装具は，膝関節およびその周辺のリハビリテーションを目的にしているため図 1 に示すような，膝関節アシスト駆動機構，股関節サポート部，および足裏接地検出センサ，股関節膝関節角度検出センサ，制御システム，Li-ion 充電池から構成されている．
特に人間の膝関節の動きは膝関節屈曲範囲が 15 度〜90度の場合，膝関節の回転中心が膝後方にすべりながら回転している現象が見られる (3)（図 2 参照）．これを「ロールバック」と呼ぶが，これまで開発されてきた各種の人体装着型歩行アシストロボットでは考慮されてこなかった．膝関節のリハビリテーションを行うためには，手術直後の膝の動きを確実にサポートする必要があることから，このロールバック運動に追従できるように非円形歯車 (4)と溝カムを組み合わせた膝駆動機構 (5)を提案するとともに，装着型アシストロボットを提案した (6)．今回の膝関節アシスト装具
は，これらの提案に基づき，TKA 手術患者の体格や運動可能範囲を考慮してロールバック機構部および装着部を再設計した．また理学療法士が患者歩行中に動作条件を変更することを想定してパワーおよびリハビリテーションのための膝・股関節角度を設定できるようになっている．
3. 制御手法
提案する装着型膝関節アシスト装具の用途は，あくまでも歩行リハビリテーション時の支援であり，装着者の動きを単純にアシストすることが目的ではない．一般に，TKA後の歩行リハビリテーションにおいて求められることは，Knee joint rotation
sensor
Shoes with heelcontact sensors

Figure 1 Wearable knee motion assist instrument
for walk rehabilitation (KAI-R65)
Femur

Imaginaryrotation
centerFemur
PatellaRoll-back③Thigh②①

Contact point ofeach knee joint
rotating angle

LegTibia③②

Tibia
Knee joint rotating①

Figure 2 Motion of a knee joint at the bones
contacts section (Right leg; x-y view)
膝屈曲角度の増大だけではなく，むしろ歩行における①ストライド幅の増大，②歩行速度の増大，③踵部高さの増大といったことが挙げられることから，これらを誘導する歩行リハビリテーションを装着者にさせるための制御を行う．

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特に手術対象者は変形膝関節症等の影響により，歩行形態が正常とは異なる「癖」がついており，手術後もその歩行が矯正されずに残ってしまうことも多いことから，装具による矯正が必要である．
具体的には装着者が足を上げようとすると，踵部の接地圧が下がることからそれを起動タイミングとして，膝屈曲誤動作検知レベル以上に膝が屈曲したことを確認して，膝曲げをアシストする制御を行う．更に股関節曲げ角が規定値まで到達することにより，伸展動作に移行するように制御することにより，装着者は膝曲げと股関節曲げを確実に行う歩行を継続するようになる．これを歩行リハビリテーションの際に継続することにより，歩行形態を矯正するものである．

2013 年 9 月 2 日−4 日 山梨 (山梨大学)

Turn8mAssist Instrument

Walking frame

Figure3 Walking rehabilitation with the assist instrument

Stride [mm]1500
4. TKA 術後における歩行状態の変化
倫理委員会の承認および被験者の同意に基づきTKA 術後患者男女各 1 名合計 2 名に対して術後 7日目から 28 日目まで装具を装着して平坦面を 8m
1000往復する歩行リハビリテーションを行った(図 3参照)．なお比較のため同程度の体格および術前症状を持つ別の患者男女各 1 名合計 2 名には装具を用いない通常の歩行リハビリテーションを実施し，
No1M
No2F
500歩行状態を比較した．なおいずれも歩行リハビリテーション時間は同じになるように設定している．
No3M with assist
No4F with assist
また表 1 に示すように，アシスト駆動機構の定格トルクを 100%として設定した屈曲・伸展アシス
トトルク率およびリハビリテーションに必要な股0-707142128
関節・膝関節の屈曲角度を標準閾値条件として定Number of days after surgery [Days]
義し，これらを術後日数に応じて変化させ歩行リハビリテーションを行った．なお医師および理学
Figure 4 Comparison of the stride improvement after surgery
療法士の判断に基づき閾値角度条件は±10 度まで，またアシスト率は±10％までは変化させていくなる傾向が確認された．今後は，多数の術後患者によるる．また歩行状態計測では装具は装着せず，側方 2 方向か統計的検証を行うことが必要である．
ら歩行状態を高速度カメラにより撮影を行い，画像解析から，最大膝屈曲角度，ストライド幅，踵部高さ，歩行速度
参考文献を求めた．その結果，装具を用いない患者と比較して，特にストライド幅の増大がより短時間で実現できることが確(1) Salter R. B.，The biological effects of continuous passive
認した（図 4 参照）．また最大膝屈曲角度，踵部高さ，歩行motion on the healing of full-thickness defects in articular
速度についてもストライド幅よりは小さいものの同様の傾
cartilage: an experimental investigation in the rabbit,向が見られることも確認した．
Journal of Bone Joint Surgery，62A，pp.1232，1980．
(2) Milne S. et al.: Continuous passive motion following total
Table 1 Conditions of walk rehabilitationknee arthroplasty, Cochrane Data-base of SystematicDays
Flexion Extension
HipMax.
Min.
Reviews, 2, pp.CD004260，2003．
torquetorque
joint
Knee
Knee
(3) 義肢装具のチェックポイント，日本整形外科学会編，
ratio
ratio
(degree)
joint
joint
(%)
(%)
(degree)(degree)
医学書院，pp.262，1978．
78080
206045(4) 香取英男，横川和彦，林輝: 運動の仕様を重視した非98080
257050円形歯車のピッチ曲線の設計方法, 日本機械学会論文
118060308055
集C編，60巻，No.570，pp668-674，1994．
138060359060(5) Terada H. et al.: Developments of a knee motion assist
146040359070
mechanism for wearable robot with a non-circular gear and1660
40358080groovedcams,
Mechanisms,Transmissions
and
1840
40
357070Applications:
Mechanism
andMachineScience,
3,
20-27
40
40
356060Springer, pp. 69-76，2012．
(6) Terada H. et al.: Development of a Wearable Assist Robot
5. 結論
for Walk Rehabilitation after Knee Arthroplasty Surgery，
開発した膝関節アシスト装具を用いて TKA 術後患者にAdvances in Mechanisms Design, Mechanisms andよる歩行リハビリテーションを行い，その歩行状態の変化
Machine Science Vol.8, pp.65-71，2012．
を検証した．その結果，歩容の改善にかかる時間がより短

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