高齢下肢切断者用義足歩行訓練装置の開発
Development of a Prosthetic Gait Training System for
Geriatric Amputees
中川昭夫
松原裕幸
NAKAGAWA Akio, MATSUBARA Hiroyuki
長倉裕二 (兵庫県立総合リハビリテーションセンター中央病院リハビリ療法部理学療法科)
NAGAKURA Yuji (Physical Therapy Department of Hyogo Rehabilitation Center Hospital)
森本正治 (岡山理科大学工学部福祉システム工学科)
MORIMOTO Shoji (Okayama University of Science)

キーワード：
高齢切断者、義足歩行訓練、平行棒、パイロンロードセル
Keywords:
Geriatric amputee, Gait training, Parallel bars,
Pylon load cell
Abstract:
Geriatric amputees sometimes have difficulties
in receiving prosthetic gait training. Most ofthem can walk in parallel bars but some of them
can’t walk outside the parallel bars. The reason
for this seems that it is not easy for them tounderstand the instruction of the physicaltherapists properly. To improve this situation,authors planed to develop a system to collectvariety of data , analyze and display at the sametime. This year, software to display the load
vectors of prosthesis, force platform and parallelbars to make real-time visible feedback wasdeveloped.
１ はじめに
高齢で切断を受けた者が平行棒内で、義足歩行訓練を行う場合、義足への体重のかけ方と移動方法、平行棒への上肢のサポートの方法、健側と義足のバランスなどに関する訓練の指示を理解することが難しく、平行棒内での歩行訓練までは行うことができても、次の平行棒外での歩行訓練への移行ができない例が、しばしば見られる。また、
高齢でなくとも、義足への体重のかけ方を明確に指示できるシステムが存在すれば、若年者であっても義足歩行訓練が促進され、短期間の訓練で一定の効果が得られる可能性が考えられる。
現状では義足歩行訓練に関しては、訓練を支援する機器はほとんど開発されておらず、ほとんどが理学療法士などの口頭を中心とする指示を受けて、義足使用者自身が体得しなければならない。
したがって、その受け取り方には個人差があり、高齢者の場合には、前述のように理解が困難な場合が、若年者より多く見られることになる。
平成 13 年度から開始された本研究では、この訓練支援機器として、義足や平行棒にかかる力学量を視覚的にフィードバックすることにより、その訓練段階で習得するべきプログラムの学習を容易にすることを目標としている。
平成 13 年度には平行棒と義足ロードセルについて調査し、平成 14 年度は、これらのデータを同時収集することができるシステムと、義足にかかる負荷を計測する小型の力センサー（ロードセル）を開発した。平成 15 年度は、これらのデータを、訓練に使用できるように、分かりやすく表示するソフトウェアを開発した。これらを用いて、力学量をフィードバックするシステムを開発することができた。
２ 義足装着訓練用負荷表示システム
平成 13 年度は既存のシステムを合わせて、それぞれが単体でもっている機能を使用して訓練に役立てることができるかどうかを確認した。これらは、荷重センサー付の平行棒にかかる負荷を表示するシステムと、義足に組み込んだロードセル（荷重センサー）の出力をＡＤ変換器で読み込み、計算して荷重中心、負荷ベクトルの大きさと平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集

181

方向などを、ほぼリアルタイムに表示するシステ
ムなどで、それぞれが単独のシステムであった。
平成 14 年度は、これらのデータを同時計測し、データ間の処理を行い、ほぼリアルタイムに波形を表示するハードウェアシステムを構築し、義足訓練時にフィードバックするべき情報と、その表示方法について検討を加えた。

ができる。標準表示では、表示本数に示された本数だけの残像が得られる。サイクル表示
では、各脚の立脚から遊脚までを１サイクルとして表示する。
・表示本数（グラフ表示、標準に対応）
・しきい値（グラフ表示、サイクルに対応）
ここで設定したしきい値以上は立脚、以下は遊脚として表示する。
2.1 表示ソフトウェアシステムの基本操作
・表示間隔（グラフ表示、サイクルに対応）
平成 15 年度は、上記のようなデータを取り込
残像表示されるベクトル間の時間差の設定。
んだ後の、計算表示システムを開発することとし
4) 平行棒のベクトル表示の方向た。基本操作は次のようになる。
床反力計のベクトル表示は、反力として、床ソフトウェアを立ち上げ、次に必要な体形を表から上方へ向かう表示を行っている。平行棒示する。２次元のロードセルを AP 方向に取り付からのベクトル表示を、同じ概念で、反力とけた場合には、矢状面(体側面から見た体形)が、して表示するならば、平行棒から上方へ向かML 方向に取り付けた場合には、前額面（前面かう表示となるが、臨床的なイメージからは、ら見た体形）が対応する。床反力計からは３次元平行棒からのベクトルは下方へ向かってい情報が得られるため、矢状面と前額面の両方に関るほうが良いのではないかと考えられる。そ連した情報が表示可能になる。これらのことから、
こで、平行棒のベクトル表示に関しては、荷一括表示のボタンを用意し、義足側の矢状面、健重方向と同一（下方）とする場合と、荷重反側の矢状面、前額面のすべてを表示することを標力（上方）として表示する場合を選択できる準とすることとした。３次元のロードセルを取りこととした。
付ける場合には、一括表示を行うことで、義足側、健側共に 3 次元表示が可能である。
次に、義足ロードセルと床反力計のひずみアンプのバランスをとった後、Zero Adjust ボタンを押して、ソフトウェアによるゼロ点をサンプルする。これは、無負荷状態のデータを３秒の間、平均することにより、後の計算の基準点としてのゼロ点とするものである。
引き続いて、Start ボタンを押すことによって、計測表示が行われる。
すべての設定が終わった段階では、上記のようにスタートすれば、計測表示を行うことができる。
2.2 ソフトウェアシステムの条件設定
2.2.1 表示設定
1) 最低表示荷重しきい値
ベクトル表示を行う際の最低値を設定する。
2) 表示レンジ
表示画面のうち、踝と膝に水平線が引かれており、この間の大きさを指定する。この大きさを体重にあわせておくと、膝までのベクトルが表示されたときに、体重が 100%かかったと理解される。
3) ベクトルの残像表示(グラフ表示)
ベクトルがどのような経過を経たかを確認することができるよう、残像表示を行うこと

図 1 表示画面の代表例
Fig.1 Example of Display Screen
2.2.2 義足設定
・ロードセルのタイプの選定
２次元計測を行うロードセルは３軸ロードセル（軸荷重、曲げ、せん断）であり、３次元計測を行う場合は６軸ロードセル(軸荷重、前後曲げ、左右曲げ、前後せん断、左右せん断、ねじり)を使用するため、そのタイプを選択する。それぞれにおいて、計算方法が異なる。
・義足が右脚であるか左脚であるかの選定

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集182この選定によって、画面表示の体形の画像の位置が変化し、見やすい表示となる。
・３軸ロードセルの方向
２次元ロードセルを前後方向の計測に使用するか、左右方向の計測に使用するかを設定する。

須であるが、他の情報は省略可能である。大腿義足と下腿義足の区別によって、表示される義足側の体形の画像が変化する。ただし、計算結果には影響は与えない。

2.2.3 平行棒設定
・平行棒の感度を設定する。上下方向と前後方向の感度を、柱ごとに入力する。
2.2.4 義足設定(３軸ロードセル使用時)
・２次元(３軸)計測を行うロードセルの感度設定と、ロードセル取付位置の距離データを入力する。感度設定によって、取付位置での負荷が計算され、これに対して、距離データを使用して計算し、膝と足首、及び、床面での荷重とベクトルの傾きを計算する。

図３ ６軸ロードセルの義足設定画面
Fig.3 Setting Screen for 6 axis load cell

2.2.8 電圧表示
AD 変換器からの入力データの確認を容易にするために、リアルタイムの電圧値を 32chのすべて表示することができる。

図２ ３軸ロードセルの義足設定画面
Fig.2 Setting Screen for 3 axis load cell
2.2.5 義足設定(６軸ロードセル使用時)
・３次元(６軸)計測を行うロードセルの感度設定と、ロードセルの取付位置の距離データを入力する。
2.2.6 床反力設定
・床反力計の感度設定と、ロードセル中心の位置の計測データを入力する。
2.2.7 ID 設定（被計測者の設定）
被測定者の ID 番号（8 桁）、氏名、性別、年齢、身長、体重、病名、区分、段階、メモ、操作者、大腿義足か下腿義足の区別を入力する。ID 番号と大腿義足と下腿義足の区別は必

2.2.9 荷重ベクトルの物理量の表示
画面上に表示されているベクトルをマウスでクリックすると、その時点での荷重に関するすべての物理量を表示することができ、画像によるフィードバックだけでなく、数値化された情報を得ることができる。これは、義足訓練を行う理学療法士にとって、有用な情報と考える。
2.2.10 データの再生
ストップボタンを押すと、それまでの最大180 秒に関して、再生が可能である。再生位
置の時間的な移動は、画面上のスライダーで調節可能である。
2.2.11 データの保存
センサーデータはストップボタンを押すまでの、最後の 180 秒までの荷重の物理量が保存される。スタートボタンを押して、180 秒以内でストップボタンを押して、保存を行うと、より短時間のデータが保存される。180秒のデータが保存されると、10Mb 近いファイ

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ルになる。保存されるデータは、CSV 形式であるので、後の処理のために、Excel などへ読み込むこともできる。
2.2.12 保存データの再生
Windows の標準的な手順で、保存されたデータを読み込むと、データを再生することができる。再生は、2.2.10 と同様である。その後、データサンプルを開始する場合は、ID 設定画面を開き、データサンプルを行う被験者の IDを入力し、「修正して終了」後に、スタートボタンを押す。
図４ 圧縮に対するキャリブレーション
Fig.4 Calibration for compression

2.2.13 画面の印刷
Window の印刷は、ファイルメニューの中に、印刷プレビューと印刷があり、これらでは、開いている子画面のプレビューと印刷を行う。画面全体を対象とするときは、キーボー
ドの PrintScreen キーで画面のキャプチャを行い、何らかの画像を取り扱うソフトから印刷 を 行 う こ と と す る 。 同 様 に 、 Alt キ ー+PrintScreen キーで、アクティブになっている Window をキャプチャすることもできる。
３ 高剛性ロードセルの開発
平成１４年度に試作した義足２次元計測用ロードセルは、計測部分でのせん断力の計測ができなかった。そこで、ひずみゲージを追加して、せん断力の計測を行うことができるようにした。このロードセルに対して、キャリブレーションを行った。
負荷装置としては、研究所保有の静的圧縮引張試験機（NMB AL‑50KN,ロードセルとして ALL‑1KN）を用いて、圧縮、及び、せん断力のキャリブレーションをとり、曲げとしては、フライス盤のベッドを利用して４点曲げを錘を用いて負荷した。圧縮、せん断、曲げのキャリブレーションの様子を
図４〜６に示す。
このキャリブレーションの結果、感度係数を求めることができ、訓練装置のソフトウェアに入力したところ、ほぼ、妥当と考えられるベクトル表示を得ることができた。しかし、圧縮負荷を受けたときに、予想以上の変形が起こっているため、センサー部分の厚さを 1.5 倍にして、曲げに対する剛性を高くしたものを再設計し、製作した。

図５ せん断に対するキャリブレーション
Fig.5 Calibration for shear force

図６曲げに対する４点曲げキャリブレーション
Fig.6 Calibration for 4 point bending

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集184これらのロードセルの感度係数は表１のとおりである。
表１ ロードセルの感度係数
Table 1 Sensitivity co‑efficients
昨年度開発のロードセル

新（高剛性）
ロードセル

圧 縮 力 計 測 用 K1
(Nm/μ)‑0.0089450‑0.0224127

圧 縮 力 計 測 用 K2
(Nm/μ)

0.0092236

0.0224095

曲げ計測用 K3
(Nm/μ)‑0.0111605‑0.0139905

せん断力計測用 KFX(N/μ)

1.5508685

2.3282887

圧縮力計測ゲージ間距離(m)

0.01130.0122曲げ計測用ｹﾞｰｼﾞとﾊﾟｲﾌﾟ間距離(m)0.04000.0481

被験者はたびたび膝折れを起しており、それを避けるために、腰を引いた状態での歩行を行っていた。
本装置を使用し、義足用のロードセルを取り付けるためには、インテリジェント義足専用の段付パイプを切断しなければならないことから、試用段階ではこれを避け、オットボック単軸膝（3R95）を使用して標準的な 30mm のパイプを用いた。
図 7 はロードセルを義足に組み込んだ状態を示し、図 8 は義足訓練装置を用いているところである。視覚的にフィードバックが行われている様子が分かる。
義足へロードセルを組み込んで使用する場合には、義足のパイプを中心として、荷重ベクトルがどこを通過しているかを、詳細に見ることができる(義足に固定の座標系を使用しているため)が、床反力計に脚を乗せる場合には、表示は床反力計に固定の座標系で表示されるが、脚が乗っている場所を検出する仕組みがない。一方、表示画面では、床反力計の中央部分に脚が乗っていることを想定して描かれているため、表示されるベクトルの位置が、描かれている身体の画とずれる。

表２上記のときのアンプとソフトのゲイン設定
昨 年度 開発 の 新（高剛性）ロ
ロードセルードセル
ソフトの設定ソ フ トの 設定
アンプの設定アンプの設定圧縮力計測用50002500K1 (Nm/μ)
10000
5000
圧縮力計測用5000
2500
K2 (Nm/μ)
10000
5000
曲げ計測用 K3
1000500(Nm/μ)
2000
1000
せん断力計測10050
用 KFX (N/μ)
200100
４ 義足訓練装置の試用
義足の訓練を行うに際して、従来の訓練方法での学習が困難であった２例に、本訓練装置を試用した。
1 例目の被験者は 82 歳の左大腿切断の男性であり、歩行訓練を比較的長期にわたって行ってきたが、重心の移動が十分でなく、いわゆる腰を引いた状態での歩行を覚えてしまっていて、その矯正に有効かどうかを試みた。膝継手はナブコ四軸インテリジェント義足膝継手 NI‑C411 と単軸足継手を使用している。この膝継手は、立脚相での安定性が優れているとの適用説明がなされているが、本

図 7 3 軸ロードセルを組み込んだ義足
Fig.7 Prosthesis with the load cell
本被験者の場合は、このことを容易に理解して使用することが可能であった。
このシステムを使用して、荷重がかかっている状態と身体に感じる感覚の違いを実感することができ、どの程度の感覚であれば、どの程度の負荷を受けているかについて、理解することができた。また、腰を引いた状態では、十分に体重を乗せきれていないことが理解できたようである。こ平成 15 年度

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院後は、改めて義足へ体重をかけることから、訓練を始めた。義足へ体重を均等にかける方法の訓練を始めて 2 日後に、本装置を使用した。まず、2 日間で義足へ体重をかけることが学習できていることが確認できた。次に、体重の移動の練習を行ったが、義足へ体重をかける時間が短かったた
めに、これを長くする必要があった。しかし、リアルタイムでのフィードバックを目的としたソフトウェアであるため、過去にさかのぼっての表示は含まれていないことから、義足にかかる時間を視覚的に見ることはできなかった。引き続いて、義足が接地しているときに、股関節を伸展させて、膝折れを防ぐための練習を行った。ここでは、身体の移動は行わずに、股関節の伸展筋だけを働かせる訓練が基本となるが、この被験者の場合には、身体が移動してしまう傾向にあった。そこで、フ
図 8 義足訓練装置を使用している様子ォースプレートを使用して、目標となるようなベ
Fig.8 Trial use of the training system
クトルの移動を示すことで、指示の内容を具体的に示すことができた。の装置を用いて、体重をかけることができるよう
現在は、この 2 例に使用したのみであるが、こになった後で、体重移動についての練習を行った。 の訓練装置を使用して、理学療法士が的確な指示さらに、義足の踵接地時に、股関節の伸展を行うを与えるためのノウハウの蓄積が必要であるこことで、荷重ベクトルの膝軸付近の通過点が前方と、また、短時間に多くの訓練の指示を与えると、へ移動することを示し、その練習を行った。これかえって混乱を招く場合があることなどが考えらの結果、義足歩行の方法が改善され、平行棒外られる。さらに、新しい動作の訓練を行うためにでの歩行でも、良好な歩行方法が維持された。良は、理解したうえで、身体が覚えてしまうように好な歩行を維持するためには、歩行のサイクル中学習しなければならず、そのために一定時間は必の様々なタイミングにおいて、注意すべき内容が要になることなどが、改めて確認できた。
異なることが分かった。しかし、短時間に上記のような多数の情報が与えられたため、それらが学
５ おわりに習されて永続的に改善された状態で歩行することにはいたらず、昼休みを終えた午後には、元の義足訓練を行う際に、義足や健側、及び、上肢歩行状態に戻っていた。にかかる力を、リアルタイムで表示して、義足使
2 例目の被験者は 40 歳台の左大腿切断者の男
用者の感覚と一致させることを目的とした義足性で、他のリハビリテーションセンターから転院訓練装置を開発した。２例の義足使用者に対してしてきたケースである。本被験者も膝継手はナブ試用した結果から、本義足訓練装置は、高齢下肢コ四軸インテリジェント義足膝継手 NI‑C411 と単切断者をはじめ、義足訓練に問題があるようなケ軸足継手を使用している。今回は、パイプ径が異なースで有効であることが確認できた。また、今回るシステムであっても接続できるようなアダプタをのソフトウェアでは組み込んでいなかったが、時作成して、膝継手を交換せずに使用できることとし系列データを表示できるようなウインドウも必た。しかし、若干長くなったために、足部を交換せ要であったと考えている。今後、バージョンアッざるを得なくなった。さらに、直径の太いパイプをプの機会があれば、検討したい。理学療法士から締め付けるための金具の準備が整わなかったため、は、このシステムに対して、ビデオカメラで身体長時間にわたってロードセルを取り付けておいて、の状況を撮影した画像が付加されれば、いっそう必要に応じてケーブルを着脱することができず、短使いやすいシステムになるとの意見も聞くこと時間の使用となった。本被験者は、両手にロフストができた。また、本装置を使用しての訓練に関すランド杖を用いて、義足にほとんど体重をかけずる、新しいプログラムの開発も必要になるものとに歩行する方法を学習していた。当センターへ転考えられ。これらは、今後の課題としたい。
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