３Ｄ自在変形シートを活用した福祉機器開発研究(第１報)
兵頭敬一郎 *・佐藤幸志郎 *・疋田武士 *・佐藤寿喜 **製品開発支援担当

Research and development of welfare equipment utilizing 3D freely deformablesheets (the 1st report)
Keiichiro HYODO*，Koushirou SATOU *，Takeshi HIKIDA *，Hisaki SATOU **要

Product Design and Development Section旨
車椅子を長時間利用する高齢者の褥瘡予防や褥瘡後のケアができる車椅子用シートの実現を目指して，身体形状に合わせてシートの支持面が３次元で変形しその形状を維持する方法を検討し，その機構設計と試作開発を行った．
試作開発の段階で，先行技術調査と専門家のアドバイスにより，新規性・進歩性が一定程度認められ知財化の可能性があることがわかった．試作品の体圧分布測定により，セルの形状や素材，弾性素材の選定の方向性を確認でき，褥瘡になりやすい座骨周辺の圧力を緩和する方法について検討することができた．
現状ではプロトタイプの段階であるため，今後，専門家の意見や想定するユーザーの調査を進め，知財化と製品化に向けて取り組む．

1.

はじめに

大分県では東九州メディカルバレー構想を策定し，平作，着座位置が変化した場合には違和感や痛みが生じることが報告されている．

成２９年３月には特区の再認定を受け，医療分野のみな今年度は，福祉機器の中でも車椅子用シートに着目し，らず，介護・福祉・看護分野にも対象領域を拡大した．

座面の支持面を個人の身体形状に合わせて変形し，その大分県の高齢化率は 32％を超え，全国平均の 27.7％を形状が容易に保持と開放ができる技術を確立し，褥瘡等上回る高齢化の進展を背景に，県内のものづくり企業にの予防や創傷後のケアができる製品を開発することを目おいても新たな技術開発による福祉・医療機器の開発が標とする．

進んでいる．

2.1

先行商品調査当研究は，個人の身体形状に合わせて支持面形状が３市販されている車椅子用シートを調査し，横軸に座位次元で自在に変形できるシートの実現を目指し，車椅子保持力，縦軸に体圧分散性と設定しポジショニングマッの座面や自助具等の福祉機器に活用することで褥瘡等のプを作成し，開発する商品の位置づけを確認した．

予防や創傷ケアに利用できる技術の構築を目標とする．

2.2

先行技術調査特許情報プラットフォームにて，クッション，椅子，

2.

研究内容

矯正，褥瘡で検索しテーマコードを設定した．テーマコ

平成 27〜29 年度に産学官連携で高齢者用椅子を開発

ードを組み合わせて検索しＦターム（多観点）分析を行し，導入した施設に入居する高齢者の状況を調査したところ，車椅子利用者が多いことがわかった．

った．
2.3

褥瘡に関する調査

施設に入居する高齢者は，腰や臀部の痛みを感じてい日本褥瘡学会の実態調査委員会報告 1（２）及び，宮崎る人が多いことから，身体の形状に合わせて支持面形状

県で開催された，在宅褥瘡セミナーに参加し褥瘡や皮膚が容易に変形できるシートを開発することで，体圧が分の創傷に関して調査した．

散され身体への負担が軽減できＱＯＬの向上が期待でき

2.4る．

先行商品調査や先行技術調査に基づく専門家のアドバ

一方，オーダーメイドで支持面形状を成形する方法についての先行研究はあるが(１)，想定していない姿勢や動３Ｄ自在変形シートの設計イスを基に，現状のシートの課題を「操作の容易性」，「３Ｄ形状の保持性」と設定した．

現状のシートの課題解決と知財化の可能性があるシートの開発に向けて複数の試作品を設計した．
2.5と解除に手間がかかる事が課題と考えられる．また，低反発ウレタンをエアバルブ付きの袋で密封したシートに体圧分布測定

着座し自重で空気を抜けた後，バルブを閉じることで形当センター研究員の２名を対象とし，評価用に試作し状を記憶するサンプルを調査した．バルブを閉じても袋た３Ｄ自在変形シート５種，市販の車椅子用シート３種，の中を空気が流動するため，形状保持力が弱いことが課

市販のシート用素材２種に５分間着座し，１分間隔で５題と考えられる．

回，体圧分布を測定した．測定は，福岡県工業技術センターインテリア研究所が保有するニッタ（株）製体圧分布測定システムを使用し，センサシートはBIG-MAT2000P3BS を使用した．
2.6

試作した３Ｄ自在変形シートの評価試作したシートは，客員研究員の早稲田大学名誉教授

そこで，先行商品と比較して形状保持力と体圧分散性が 高 い位 置付 けの シー ト を開 発 する 方向 で検 討し た ．
（Fig,1）
3.2

先行技術調査特許情報プラットフォームにて，クッション，椅子，矯正，褥瘡で検索しテーマコードを 3B084，3B095，3B096，

野呂影勇氏に人間工学の視点からのアドバイスと併せて， 3B099，4C040，4C09 と設定し，各テーマコードの観点ご看護の専門家２名の意見を参考に製品化の方向性を検討とに分類されたリストの中から関連性の高い内容を抽出した．

した．それらのテーマコードを組み合わせて検索することでＦターム（多観点）分析を行い，複数の先行技術を

3.
3.1

研究結果及び考察

先行商品調査市販されている車椅子用シートを構成する素材は，綿，抽出した．
支持面を 3 次元形状に保持する技術としては，姿勢回復訓練用クッション（特許 6533649

2019/4/2）が挙げウレタンスポンジ，ポリエチレンビーズ，ジェル，ゴムられる．着座面及び底面に伸縮性素材を用い，側面に伸などが用いられており，支持面に着座した際に臀部の体縮性のない素材を組み合わせたカバー内にビーズが充填圧を分散するために弾性が必要であることがわかる．

されており，体をもたせかけた後に側面の拘束ベルトを調査した車椅子用シートを，横軸に形状保持力，縦軸調整することで身体形状に沿った形状となる．に体圧分散性と設定しポジショニングマップを作成し，3.3

褥瘡に関する調査開発の方向性を検討した．

日本褥瘡学会の実態調査委員会報告 1 では，2016 年
10 月に調査に同意が得られ分析可能であった対象者がいた病院 387 施設，介護保険施設 157 施設，訪問看護ス
テーション 181 施設の総計 725 施設を対象に，療養場所別の褥瘡有病率や有病者の特徴などについて調査が実施されている．
上記報告では，総患者数 177,296 人に対して，総褥瘡有病者数が 3,711 人であるため約 2%と推定でき，施設内発生が 51.4％と施設外に比べ多少多いことがわかる．
最も多い褥瘡の部位はその他をのぞき，8 施設中 6 施設が仙骨部（一般病院 28.0％，療養型病床を有する一般病院 38.6％，大学病院 28.6％，小児専門病院 13.3％，Fig.1

開発の方向性検討用ポジショニングマップ

介護老人保健施設 35.4％，訪問看護ステーション 30.0％）で，精神病院は踵部 28.6％，介護老人福祉施設は尾骨部

先行商品の中では，ポリエチレンビーズをエアバルブ付きの袋で密封し空気を抜くことで形状を記憶する商品
が形状保持力と体圧分散性が高いと予測しサンプルを調23.4％であることがわかった．
また，宮崎県で開催された，在宅褥瘡セミナーに参加し褥瘡や皮膚の創傷に関して調査した．

査した．着座の圧力で袋内の空気が抜けることで臀部の自分の体重による圧迫で皮膚に創傷ができる場合は形状を記憶できるが保持力は弱いため，附属のエア抜き「褥瘡」，医療関連機器の圧迫による創傷は「医療関連機ポンプを 10 回以上動かすことで形状を保持することが器圧迫創傷（MDRPU）」と呼ばれ区別されている．車椅子できた．エア抜きポンプのホースのネジを緩め，袋に空用シートの着座による圧迫だけでなく，部品や部材で圧気を入れることで形状を変えられるが，形状の記憶保持迫されて創傷ができる場合があるので，レバーの位置や素材なども含め設計に配慮する必要があることがわかった．
3.4

３Ｄ自在変形シートの設計

本研究で開発した３Ｄ自在変形シートは，箱状のフレームの底面にウレタンなどの弾性素材を置き，その上に柱状のセル部材を並べる．セル部材に一方から水平方向に力を加えることで，セル同士の摩擦力で上下方向に任意の位置で固定することができる．着座すると身体形状に合わせてセルが上下した状態で固定できるため支持面
Fig.3が３Ｄ形状に変形し記憶される．

前方加圧タイプシートの試作

セル部材については，素材と形状の要求項目として体圧分散，垂直耐力，水平耐力，セル間保持力，材料コスト，加工性，軽量性について検討し，総合評価の高い，木製の中実丸棒と塩ビ製の中空パイプを使用した．

3.5

体圧分布測定当センター研究員の２名を対象とし，評価用に試作した３Ｄ自在変形シート５種，市販の車椅子用シート３種，市販のシート用素材２種に５分間着座し，１分間隔で５Table 1

セル部材の評価回体圧分布を測定した．（Fig.4）

Fig.4

体圧分布測定の状況

セル部材の直径を比較するため，中実丸棒の直径をΦ
15mm，Φ25mm，Φ30mm，３種の評価用モデルを製作し，着座後に水平に加圧し３Ｄ形状が保持できることを確認

体圧分布測定を行った２名のうちの１名の着座５分間の平均値の測定結果を示す．（Fig.5）

した．
加圧方法については，車椅子用のブレーキ用部品，トグルクランプ，カムレバー，偏芯カム，クランプレバー等を検討し，操作が容易で，製造用の治具として使用され耐久性の高いトグルクランプを利用することとした．
また，加圧部品の取り付け位置については，車椅子のシートに乗せた際に操作できる位置に制約があるため，後方の場合は，座面と背面のシートの隙間からトグルクランプを操作する方法とした．（Fig.2）また，前方の場合は支持面下部に設けた空間に配置し，左右どちらからでも操作できるよう木製のバーを取り付けることとした．

Fig.5

体圧分布測定の結果（Fig.3）
試作品１～３は，中実の丸棒の直径をΦ15mm，Φ25mm，Φ30mm で比較したもので，どれも座骨部周辺に最大圧力値がありΦ30 mm とΦ15 mm よりもΦ25 mm は，最大圧力が小さいことがわかった．
試作品２と４は，ほぼ同じ直径であるΦ25 mm の丸棒
Fig.2

後方加圧タイプシートの設計案とΦ26 mm のパイプで中実と中空の違いについて確認したが，Φ26 mm のパイプの方が座骨部の最大圧力が小さいことがわかった．
試作品５は，Φ40 mm で支持面側が半球状の塩ビキャップを使用しており，セルの間隔で圧力が集中していることがわかる．支持面側のセルの端面形状は半球から面にする必要があると予測できる．
シート１は，袋に密封されたビーズをポンプで脱気す

Fig.6

人間工学と看護の専門家のアドバイスることで形状記憶されるため，着座後に脱気した状態で測定した．座骨部，仙骨部にかかる最大圧力は 137mmHgと小さいことがわかる．
シート２は，低反発ウレタンがエアバルブ付きの袋でまた，看護の専門家より試作品４について下記のアドバイスをいただいた．
・長時間着座時には臀部形状とともにズレを防止する工密封されており，着座後に自重で空気を抜いた後，臀部夫が必要．の形状に合わせて支持面の形状が変形し記憶される．

・あらかじめ，臀部の形状を想定した形状にしておくこ

座骨部の最大圧力は 237mmHg と比較的大きい．とも考えられる．

シート３は，ジェルを格子状に成形したシートで，座・片麻痺などで重心が傾いた方にも利用できるのではな

骨部の最大圧力は 127mmHg で圧力集中が少なく仙骨部やいか大腿部の圧迫もほとんど見られない．

・レバー一つで座面の形状が変えられる技術は興味深い．

シート４は，チップウレタンで，反発力が大きいため，座骨部を中心に最大圧力は 232mmHg であった．

今後，専門家からのアドバイスを参考に，座骨部の周辺の圧力が分散されるよう改良設計を行いたい．

シート５は，低反発ウレタンで，座骨部の最大圧力は4.

124mmHg と小さく，大腿部の圧迫もほとんどみられない．
試作品５種の中ではΦ26 mm の中空パイプの最大圧力が最も小さく 187mmHg であった．
市販のシート１～５の中では，最大圧力が低反発ウレ
タンでは 124mmHg，ジェルシートが 127 mmHg とほぼ同じで，体圧が分散されていることがわかった．

まとめ

試作品５種と市販のシート５種の体圧分布測定により，試作品４のΦ26mm のパイプをセルに使用し，その下のウレタンを低反発に変更することで体圧分散性の高いシートになると考えられた．
今後，セルの上端に圧力センサーを実装し，各セルのこの体圧分布測定により，試作品５種の中では最大圧圧力を測定することで，除圧が必要な位置のセルの長さ力の小さいΦ26 mm の中空パイプをセルに使用し，そのの変更や，セルの下面に接する弾性素材を変更すること

下に敷いているウレタン全体または座骨部周辺の一部をで，体圧分散性と形状保持性の高いシートの開発を進め低反発ウレタンに変更することで，３Ｄ形状も保持できたい．

体圧が分散されたシートになる可能性がある．
３Ｄ形状が保持できれば，褥瘡になりやすい座骨部周参考文献

辺の支持面を押し下げることで圧力集中を防ぐことがで（１）藤巻吾郎ほか，家具製品のカスタマイズ技術に関きる．

する研究～個人の体型に合わせた支持面形状の提案技術

3.6

試作した３Ｄ自在変形シートの評価

試作品５について，客員研究員の野呂名誉教授より下（ケーススタディ），平成 30 年度岐阜県生活技術研究所
研究報告，p19～22，2019記のとおりアドバイスをいただいた．（Fig.6）（２）日本褥瘡学会

・試作品に座ると底つき感があるため，セルのストロー関連褥瘡と医療関連機器圧迫創傷を併せた「褥瘡」の有ク量が適正かどうか検証した方がよい．

病率，有病者の特徴，部位・重症度，平成 28 年度日本

・現状より厚くなる可能性はあるが，車いす用のクッシ

褥瘡学会実態調査委員会報告 1，褥瘡会誌，p423～445，

ョンは厚いものが多いので問題ないのではないか．

2018

・セルの直径はもう少し小さい方が良いのではないか．
・必要なストローク量を臀部の位置によって変えることも考えられる．
・クッションの後方の坐骨周辺の位置はストローク量が大きい方がよい．

実態調査委員会，療養場所別自重