プラスチック製短下肢装具剛性簡易計測システムの開発
A System Development to Measure Plastic Ankle-Foot
Orthoses Joint Characteristics
赤澤 康史
中川 昭夫
松原 裕幸
中村 俊哉
AKAZAWA Yasushi, NAKAGAWA Akio, MATSUBARA Hiroyuki, NAKAMURA Toshiya
野村 毅
田中 正夫 (大阪大学大学院)
NOMURA Tsuyoshi, TANAKA Masao

キーワード：
リハビリテーション、装具力学、継手剛性、底背屈角度−モーメント関係
Keywords:
rehabilitation, biomechanics, orthotic joint
stiffness, plantar/dorsal flexion angles-moments
Abstract:
Ankle-foot orthoses(AFOs) are important devices
for people with gait disorder such as ofhemiplegia. Mechanical characteristics of AFO isa key to guide the ankle motion, and should beselected properly according to the property of
individual wearer’s lower limb. AFO prescribers
have been using the trial-and-error method
conventionally, because the AFO stiffness has notbeen related to the affected ankle characteristics
clearly. If we have a tool that enables us toevaluate the AFO stiffness on the spot, it must
make clinicians easier to select the appropriate
AFO to individual wearer. In this article, theauthors prototyped an instrument with a torquemeter and a potentiometer to measure stiffness inplantar/dorsal flexion of plastic AFOs. A “stiff”
shoehorn, a “flexible” shoehorn, two Gillette®jointed, one Hemispiral® and four OMC-LH®like were evaluated. The planter stiffness wasdefined as the moment/angle ratio over the 0 to 5
degrees plantar flexion, and the dorsal stiffness
over the 0 to 5 degrees dorsal flexion. The plantar
stiffness was 1.8±0.2 Nm/deg for the stiff
shoehorn, 0.5±0.1 for the flexible shoehorn,
0.8±0.1 and 1.1±0.1 for the Gillete-jointed, 0.3±0.1
for the Hemispiral, and was ranged between 0.1

and 0.2±0.1 for OMC-LH-likes. The dorsal
stiffness was 0.8±0.2 and 0.4±0.1 for shoehorns.
These were considerably higher than those ofother types.
It was indicated that this kind of
measurement of AFO stiffness could be useful tograsp AFOs characteristics quantitatively and toprescribe AFOs more rationally. A couple ofimprovements are expected to ease the setting
operation and to reduce the processing time toresults.
1 はじめに
短下肢装具(Ankle Foot Orthosis: AFO)は、脳血管障害後遺症などにより歩行に障害を来した人たち
にとって重要な運動支援ツールである。歩行運動機能は、内科的治療や理学療法を主とした機能回復訓練により徐々に回復するが、障害の程度の個人差があるだけでなく、その変化の過程も詳細においては個人毎に著しく異なる。兵庫県立総合リハビリテーションセンターでは、ＡＦＯの処方支援のため評価用ＡＦＯを用意しているが、その剛性（どの程度の曲がりやすさや矯正力を持っているかの物理的性質）の定量的指標がなく、試用時の歩容などから試行錯誤的にタイプを決定しているのが現状である。
さらに、それをもとに作られる個人用ＡＦＯについても定量評価はなく、試歩行で明らかな不具合がなければ適合とみなされることが多い。そこで本研究
では、臨床家（義肢装具士・理学療法士・医師等）が、より合理的なＡＦＯ処方あるいは処方支援を行うための一道具として、運動療法室などで手軽に使用できるＡＦＯ剛性計測システムを構築することを目的とする。
こうした計測評価装置を用いることで、

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兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集193

の特徴とする。 本年度は、可搬性とコンパクトネスを重視して図１のような基本設計とした。この装置の利点として、
1) 訓練室内の移動が比較的自由でありＡＦＯを装着者からはずす時間を短くできること、
2) 操作者の徒手によりＡＦＯを底背屈変形させる
ため、操作が直観的に理解でき、かつ、力のフィー
2 ＡＦＯ剛性計測システム
ドバックにより、ＡＦＯを破損する恐れが小さいこと、3) パソコンを利用することで、その場で剛性の2.1 設計コンセプト
概略がわかると同時に、データを蓄積し分析するこＡＦＯの力学的特性として最も歩行に関連の深いとも可能であること等が挙げられる。反対に、正確
底背屈剛性を計測対象とする。ＡＦＯ力学的特性のに定速で負荷を与えることが困難、剛性の高いＡＦ
計測例 1)〜3)はあるが、研究目的であるため、装置に筋力訓練機器や材料試験機を応用するなどしており、 Ｏの計測に比較的大きな力を要することなどが、計稼動やセッティングのための専門的知識が必要であ測上不利な点になる可能性がある。
り計測時の操作も簡単とは言えない。本研究では、
ＡＦＯの底背屈変形に対する剛性、すなわち、足継2.2 計測装置部
手（継手のないＡＦＯにあっては足関節相当部）底図１をもとに装置の構成と使用方法について述べ
背屈角度とそれに要するモーメントとの関係を、直る。2.1 節のコンセプトをふまえ、全高を抑えるこ接的に、簡便な操作で求める装置とすることを第一とで構造材を少なくし、モーメント計測用のトルク多くの片麻痺者ら歩行障害者が生体力学的にも適切なＡＦＯを処方され、ひいては、より安全かつ歩きやすいＡＦＯを使用できるという波及効果が得られると考える。

図１ 可搬式ＡＦＯ剛性計測装置の設計概念図（主要部分）
Fig.1 Conceptual sketch of the portable instrument to measure AFO stiffness(Electric installation and a computer are omitted in this figure.)
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メータ(KUBOTA、KB22‑080)、角度計測用の精密ポテ
ンショメータ(BI tech、#6187)を回転同軸上に配置する。底背屈変形はＡＦＯ下腿部とＡＦＯ足部の相対運動で実現すればよく、今回は下腿部を回転に対して固定し、足部を足関節軸周りに回転させることとした。変形モードが実際に近くなるよう、それぞれの部分にダミーを用意した。下腿ダミーは健常男性から採型して製作したシューホン型ＡＦＯの下腿部分の上部約 1/2 に石膏を流し込んで製作しストッキネットで外周を覆った。
足部ダミーは義足足部(足長 24.5cm)を利用した。ダミーとＡＦＯ各部との固定は、ＡＦＯに備わっている面ファスナーを用いて行う。ただし足部についてはダミーごとＣクランプを用いて回転台に固定することとする。なお、ＡＦＯ足継手位置が装置回転軸に合致するよう、1mm 厚のアルミ板を複数用意し、足底および下腿ダミー高さを調整できるようにした。この装置において、セットされたＡＦＯに底背屈動作を与えるとＡＦＯ下腿部は固定された下腿ダミーに沿ったすべりをある程度許容される。
このすべりを全く許容しない場合、固定されない部分の材料試験（背屈時は引張り、底屈時は圧縮）になり、実際のＡＦＯの変形モードとかけ離れると考えられた。
2.3 データ収集・処理部
角度およびモーメントに応じた出力電圧を A/D 変換器(ｱﾄﾞﾃｯｸ ｼｽﾃﾑ ｻｲｴﾝｽ AXP‑AD02@SP)を介してパソコン(東芝 DynabookSS、OS:Windows98SE)にサンプ
リング周波数 100Hz で取り込み、ほぼリアルタイムの表示および計測後のファイル保存を行うソフトウ
ェアを Visual Basic で自製した。図２に製作した計測装置を、図３に計測時の画面例を示す。

図２ 試作したＡＦＯ剛性計測装置（主要部分）
Fig.2 The prototyped instrument to measure AFOstiffness

図３ 計測時の画面例
Fig.3 Example of the graphical interface display
in measuring an AFO

3 ＡＦＯ底背屈剛性の計測
3.1 底背屈剛性の定義本装置によりＡＦＯに角度変化を与えたときの抵抗モーメントは底屈側・背屈側ともにいわゆるヒステリシスを呈示するが、初期状態からの変形が増加していく際の特性が極めて重要と考え、それぞれ５度の変形範囲における角度あたり所要モーメン
トをここでは底屈剛性・背屈剛性と定義する。本章
では、下腿ダミー製作に用いたシューホン型ＡＦＯ１本を使用して本計測システムの妥当性について検討した。3.2 節で粘弾性の影響を、3.3 節で回転軸と足関節軸位置のずれの影響をそれぞれ調べる。
図４に使用したＡＦＯを示す。

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図４ テスト用シューホン型ＡＦＯ
Fig.4 Specimen of shoehorn‑type AFO

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1953.2 粘弾性の影響の検討
当該シューホン型ＡＦＯはポリプロピレン製で、プラスチック製ＡＦＯを日常業務で生産している義肢装具製作所が健常者Ａ(身長 170cm、体重 66kg)から採型し作製した。ここでは、ＡＦＯの底背屈剛性に対する材料の粘弾性の影響を調べるため、およそ底屈 10deg から背屈 20deg の範囲で十回程度繰り返し底背屈させることを一試行とし、角速度を変えて２０回試行した。なお、底屈５度から背屈５度の範囲はできるだけ一定の角速度になるよう留意した。
ＡＦＯ足部長軸が回転軸と直角に、また、健常者Ａの足関節軸位置にあたる部分が回転軸と一致するよう固定した。
得られた底背屈角度−モーメント関係の例（５度
底屈から５度背屈における最大角速度が 20.1deg/sec）を図５に示す。ただし、角度（横軸）原点はＡＦＯの初期状態における角度であり、モーメント（縦軸）については足部ダミーやクランプの重量による影響を除いている。
前述の定義による底背屈剛性を試行ごとに計算し、対象区間の最大角速度に対する分布を見てみる（底屈剛性を図 6.1、背屈剛性を図 6.2 に示す）
。図中、○印は各試行の剛性値、実線は回帰直線、破線は平均剛性値、一点鎖線は平均値±標準偏差を示すラインである。これより、底屈方向・背屈方向ともに角速度と剛性の相関は低く、プラスチック材料の粘弾性のＡＦＯ剛性に対する影響は、このようなシューホン型ＡＦＯ装着時の歩行においては小さいと考えられる。
3.3 回転軸位置の影響の検討
プラスチック製ＡＦＯの形状をトリミングにより変更すると、剛性と底背屈の軸位置が共に変化２)する。本装置の揺動台の回転軸は固定台に対して一定であるので、ＡＦＯの固定台に対する位置を変更することにより計測される剛性が変化することが予想される。そこで図７のように、ＡＦＯの固定台に対する位置を鉛直方向に±５mm（足尖方向を正、水平／下腿長軸方向は 0mm に固定）、あるいは下腿長軸方向に±３mm（下腿近位方向を正、鉛直方向は 0mm で固定）変位させた時の底背屈剛性を、前述の一種類のＡＦＯについて計測した。なお、基準となる軸位置は、このＡＦＯの採型を行った健常者の足関節軸位置とした。鉛直方向の変位幅を下腿長軸方向のそれより大きくしたのは、装着立位時の足関節軸の高さは床面を基準とすることで計測しやすいが、前後位置は踵最凸部を基準としたとしても誤差を含みやすいと考えられるためである。

図５ 底背屈角度−モーメント線図の例
Fig.5 Example of angle‑moment relationship

図6.1 テスト用ＡＦＯの底屈剛性に対する角速度の影響
Fig.6.1 Relationship between the sample AFO plantar
flexion stiffness and angular velocity

図 6.2 テスト用ＡＦＯの背屈剛性に対する角速度の影響
Fig.6.2 Relationship between the sample AFO dorsal
flexion stiffness and angular velocity

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196鉛直方向（ＡＦＯ前方を正）に変位させた際の剛性および下腿長軸方向に変位させた際の剛性を表１に示す。有意水準１％で検定したところ、鉛直下方へ５mm 変位させると底屈剛性が有意に大きく、また鉛直上方へ５mm 変位させた場合は背屈剛性が有意差に大きかった。このため、底背屈双方の剛性を評価する場合は、鉛直方向の位置合わせを慎重に行う必要があるし、遊脚期を考慮する際重要な底屈剛性のみを評価する場合は、ＡＦＯが装置回転軸に対して鉛直下方にセットされないようにすることが肝要と言える。ただし、有意差がある場合でも、平均値の差の絶対値は底屈剛性で 0.1Nm/deg、背屈剛性で 0.2Nm/deg 程度であったので、臨床現場における剛性評価でこれを許容するならば、軸位置合わせは±５mm 以内に収まるようにすればよい。水平方向については、同じく表 1 より、最大で底屈剛性の差が 0.44 Nm/deg(基準位置における剛性に対して+56%)、背屈剛性の差が 0.29Nm/deg(同+76%)と変動が大きかった。これは、下腿ダミー位置を不変としたまま、ＡＦＯを水平（下腿長軸方向）にずらして設置したため、円筒形ではないダミーとＡＦＯの接触状態が異なっていたことが原因と考えられる。設置状態を適切に設定できるようすべきであるが、本年度においては、水平方向の軸位置は厳密に合致させることで対応することとする。

図７ 計測装置回転軸に対する底背屈軸位置変位
Fig.7 Joint displacement for rotation axis
表１ ＡＦＯ底背屈軸変位の剛性への影響
Table 1 Effects of joint displacement
Disp.
(mm)

Dorsal stiffness
Plantar stiffness(Nm/deg)mean±S.D. (Nm/deg)mean±S.D.

00.79 ± 0.08

+5vert.

0.83 ± 0.19

-5vert.

0.93 ± 0.22
1.15 ± 0.17
1.23 ± 0.18+3horiz.
-3horiz.

0.38 ± 0.06
0.56 ± 0.05
0.36 ± 0.09
0.67 ± 0.10
0.44 ± 0.07

4 短下肢装具の剛性計測
4.1 計測対象ＡＦＯ
本計測システムの有用性について検討するため、兵庫県立総合リハビリテーションセンター自立生活訓練部に常設されている評価用装具のうち、「かたい」シューホン型１本、「やわらかい」シューホン型
１本、ジレット継手付き２本、ヘミスパイラル型１本、 OMC‑LH 様型４本の各ＡＦＯの底背屈剛性を計測した。さらに油圧シリンダを組み込んだ Gait
Solution 継手を用いて製作したＡＦＯの底屈剛性についても評価した。
4.2 評価用ＡＦＯの剛性
図８に計測した各ＡＦＯの底背屈特性と剛性値を示す。
二つのシューホン型ＡＦＯの剛性は底屈側で約3.6 倍と大きかったが、この差は材質（ポリプロピ
レンとトレスト）とトリミングラインの相違によるものと考えられる。ジレット継手付きについては、底屈時に、足継手後方にある底屈ストッパが支点となって抵抗モーメントを発生するため、この継手−底屈ストッパ間距離が異なっていたことにより底屈剛性に差が生じたと推察される。
4.3 GaitSolution 継手付きＡＦＯの剛性
GaitSolution は油圧により、底屈動作時、抵抗がない状態から半固定まで無段階に調整可能 4)な足継手である。ここでは、この継手を用いてＡＦＯを作製し、製品に記された１〜４の整数目盛を目安として四段階それぞれの底屈剛性を評価した。初期背屈角（５度を選択）から底屈方向へ５度の範囲では、ＡＦＯ下腿部の下腿ダミーに対するずれの影響が考えられたため、剛性計算範囲は、底背屈０度から底屈３度までとした。3.2 節と同様に角速度を変えて約 20 試行行ったが、抵抗が大きい場合に徒手で角速度 50deg/sec を超えるのが困難であり、計測後に、20‑40deg/sec と 40deg/sec 以上の二種類の角速度に分類して評価した。結果を表２に示す。
表２ GaitSolution 継手付きＡＦＯの底屈剛性
Table 2 Plantar stiffness of AFO w. GaitSolution
Gauge
at slow speed
at high speed
10.11 ± 0.02
0.13 ± 0.02
20.32 ± 0.12
0.50 ± 0.06
3
1.12 ± 0.23
0.94 ± 0.20
41.23 ± 0.26
1.14 ± 0.21

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表２より、同継手の抵抗調節が機能し、底屈剛性が変化することがほぼ確認された。油圧シリンダの効果については、角速度による優位差が目盛２のみで見られた。目盛１では油圧が働かない仕様となっており、目盛３以上ではＡＦＯとしての剛性が高くなり、プラスチック体の変形による影響が比較的大きくなったことによると考えられる。

図８ ＡＦＯ底背屈剛性計測例（P:底屈剛性、D:背屈剛性）a)「かたい」シューホン、b)「やわらかい」シューホン、c)ジレット継手付き、d)ヘミスパイラル、e)OMC‑LH 様

Fig.8 Measured AFO stiffness (P: plantar flexion stiffness, D: dorsal flexion stiffness)a)”stiff” shoehorn, b)”soft” shoehorn, c) Gillette-jointed, d) Hemi-spiral, e) OMC-LH-like
5 課題

と共に臨床現場で受け入れられるシステム形態をさらに摸索して実用化したい。

理学療法士とともに計測結果について検討した結果、得られた剛性データは概ね妥当であると考えられた。しかしながら、臨床現場での使用を前提とした場合、いくつかの問題点が指摘された。
コンパクトネスを重視したため、水平方向を向いた下腿ダミーの下側から後方支柱式ＡＦＯを差し入れる必要があるなど、セッティング方法に改善の余地があること、また、計測時に簡単な角度−モーメント線図を表示しているが、剛性の平均値を得るまでに別の計算ソフトの使用を要すること等である。
これら二点を改善し、約 15 分かかっている時間をできるだけ短縮することが今後の課題である。

謝辞
ＡＦＯ計測にご協力頂いた兵庫県立総合リハビリテーションセンター自立生活訓練部に謝意を表するとともに、ご助言を賜った同センター理学療法士諸氏に感謝いたします。
参考文献
１）山本澄子、海老名政彦、久保茂、他３名：「短下肢装具の機能の定量化 ‑下肢に装着した状態での可撓性の計測‑」、
第 11 回バイオメカニズム学術講演会予稿集、pp.13‑16、1990
２）R.Singerman, D.J.Hoy, J.M.Mansour:「Design changes in

6 おわりに

ankle‑foot orthoses intended to alter stiffness also
alter Orthosis kinematics」、J. of Prosthetics andプラスチック製ＡＦＯの底背屈剛性を計測するための、可搬性を重視したシステムを試作した。これを用いていくつかのＡＦＯについて評価し、その有用性について検討した。セッティングにかかる手間の簡略化や、結果表示までの時間の短縮などが課題として残っている。今後は、この課題に取り組む

Orthotics/Vol.11, No.3、pp.48‑56、1999
３）田中正夫、赤澤康史、中川昭夫、劉本武：「短下肢装具の力学的特性と歩行における運動拘束機能」、日本機械学会
論文集Ｃ編 63 巻 607 号、pp.816‑822、1997
４）http://www.p‑supply.co.jp/sogu/gait/index.html

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