JP5742423B2 - 下肢筋力の余裕度を求めるための方法、及びこれに用いる下肢筋力評価装置 - Google Patents
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Description
下肢筋力を測定する方法としては、動力計(ダイナモメータ)等を用いて膝関節や股関節の伸展、屈曲時の筋力を直接測定する方法(方法1)や、日常生活動作に基づいた評価値を測定する方法(方法2)がある。
また、しゃがみ姿勢から立ち姿勢に移行する際の当該被検者の足下荷重の変化に基づいた下肢筋力の評価方法では、足下荷重の変化に姿勢の要因も含まれてしまうので、筋力が低く十分なしゃがみ姿勢がとれない場合や、しゃがみ姿勢が人によってまちまちである場合には、精度良く測定できないおそれがある。さらに、上記方法2では、得られる測定結果が立ち座りの動作を行うに当たって十分な筋力であるのかどうか、といった明確な評価を行うことが困難であるという問題も有している。
また、前記最大値に基づいて下肢筋力の余裕度を算出するので、余裕度を、被検者の最大しゃがみ姿勢の影響を含んだ値として得ることができる。このため、被検者ごとの筋力の相違によって最大しゃがみ姿勢に相違があったとしても、その最大しゃがみ姿勢の相違も含めた下肢筋力の余裕度として評価を行うことができる。
また、本発明によれば、慣性センサ等といった、被検者の動きを示すパラメータ値を取得することができるセンサを設置すれば、下肢筋力の余裕度を求めることができるので、下肢筋力の評価を利便性良く行うことができる。
この場合、起立姿勢から最大しゃがみ姿勢に姿勢変化するときの被検者の股関節及び膝関節の関節モーメントの和の相対変化を把握することができ、当該被検者の起立姿勢を基準とした最大しゃがみ姿勢の状態を把握することができる。
基準値Tref hip+kneeは、上記式から得られることで、時間に応じて変化しない定数として得ることができる。
この場合、大腿部センサを被検者に固定するといった簡単な作業で、大腿部のパラメータ値を取得することができ、より利便性を高めることができる。
さらに、前記大腿部センサは、前記大腿部の外側面に固定されることが好ましい。一般に大腿部の外側面は、脂肪等が薄く、被検者ごとに安定した位置に固定することができるからである。
これに対して、上記の場合、大腿部センサを、大腿部の質量中心の近傍に固定できるとともに、被検者ごとに安定した位置に固定することができるので、上記補正に要する演算を規格化したり簡略化等することが容易となる。この結果、より利便性を高めることができる。
また、一般に、背中側は、脂肪等が薄く、上半身部センサを被検者の背中側に固定することで、被検者ごとに安定した位置に固定することができる。
さらに、上半身部をセグメントとして捉えたときの質量中心は、腰部の最も前弯した部分の近傍に存在している。よって、上半身部の質量中心に近い位置に上半身部センサを固定すれば、上半身部センサによる上半身部パラメータ値を上半身部の質量中心における値に補正する場合においても、その補正に要する演算を規格化したり簡略化等することが容易となる。この結果、より利便性を高めることができる。
この場合、下肢筋力の余裕度を求めるのに必要な定数を全て用意せずとも、文献等のデータや、その他の統計的なデータを用いれば、被検者の身長に応じて前記定数を推定することができ、評価精度を低下させることなく利便性を高めることができる。
さらに、前記センサは、前記被検者の上半身部に装着される装具に固定され、前記被検者の上半身部の動きを示す上半身部のパラメータ値を取得する上半身部センサを含み、前記演算部が、前記被検者の股関節及び膝関節の関節モーメントの和の最大値を、前記大腿部のパラメータ値と前記上体部のパラメータ値とに基づいて求めるものであってもよい。
〔全体構成について〕
次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第一の実施形態に係る下肢筋力評価装置の構成を示すブロック図である。
図1において、下肢筋力評価装置1は、被検者の上半身部に固定される上半身部センサ2と、被検者の大腿部に固定される大腿部センサ3と、本体部4とを備えている。
また、一般に大腿部の外側面は脂肪等が薄いので、大腿部センサ3は、大腿部の外側面に固定されることで、被検者Hごとに安定した位置に固定することができる。
この点、本実施形態では、両センサ2,3を、それぞれの部位の質量中心に対して一定の位置関係でかつ質量中心の近傍に固定するとともに、被検者Hごとに安定した位置に固定することができるので、上記補正に要する演算を規格化したり簡略化等することが容易となる。この結果、より利便性を高めることができる。
また、角速度センサ部22,32は、角速度センサによって構成されており、被検者の上半身部及び大腿部の動き(及び姿勢)を角速度として検知して送信制御部23,33に出力する機能を有している。
記憶部44には、後述する下肢筋力の余裕度を算出するためのプログラムがインストールされており、このプログラムによって、下肢筋力の余裕度の算出、評価処理を行う機能部が実現されている。
つまり、被検者Hが入力ボタン53を用いて自身の身長を入力することで、データ処理部45は、被検者Hの身長に関する情報を取得することができる。また、データ処理部45は、被検者Hが測定の開始を測定開始ボタン54を用いて入力することで、データ処理部45は、測定開始のタイミングを認識することができる。
測定が終わると、データ処理部45は、ディスプレイ55に演算、評価結果を表示する。これにより、データ処理部45は、被検者Hに対して演算、評価結果を認識させることができる。
図4は、上記下肢筋力評価装置1を用いた、下肢筋力の余裕度の算出、評価方法の手順を示すフローチャートである。
下肢筋力の余裕度の算出、評価を行うには、まず、下肢筋力評価装置1の上半身部センサ2が固定された腰部ベルト5と、大腿部センサ3が固定された大腿部ベルト6とを被検者Hに装着することで、両センサ2,3を被検者Hに固定し設置する(ステップS1)。
また、大腿部センサ3が被検者Hの一方側大腿部の最も太い部分の外側面の幅方向ほぼ中央に位置するように、大腿部ベルト6を被検者Hに装着する。
これによって、両センサ2,3は、それぞれ上半身部の質量中心及び大腿部の質量中心に対して一定の位置関係となるように固定される。
入力ボタン53の操作によって、被検者Hの身長が入力されると、本体部4の制御部45a(図1)は、入力された値を記憶部44(図1)に記憶する。
なお、被検者Hの身長が入力されなかったとしても、制御部45aは処理を続行する。この場合、制御部45aは、予め記憶部44に記憶されている、下肢筋力の余裕度を算出する上で標準的な被検者Hの身長を読み込み、これを用いて処理を行う。
図5に示すように、まず、初期の姿勢として、被検者Hに起立姿勢を取ってもらう。次に、この起立姿勢から、被検者Hにとっての最大限の深さでしゃがんでもらい、その姿勢(最大しゃがみ姿勢)で一旦停止してもらう。
その後、被検者Hに最大しゃがみ姿勢から全力で立ち上がってもらい、再度、起立姿勢を取ってもらう。
さらに、式(1)中、BalRLは、床反力における左右バランスを示すパラメータ(本実施形態では、0.5に設定)、mBodyは、被検者Hの全質量、mHATは、上半身部セグメントの質量、mThighは、大腿部セグメントの質量、gは、重力加速度、tは、被検者Hが、起立姿勢から最大しゃがみ姿勢に移行し、さらに最大しゃがみ姿勢から再度起立姿勢に移行するまでの間の時間を示している。
式(2)中、radThighは、大腿部セグメントの慣性モーメントを求める際の回転半径をセグメントの長さで標準化した値である。
一方、他のパラメータ(LThigh、kThigh、BalRL、mBody、mHAT、mThigh、radThigh、g)は、時間tに対して変化しない定数である。演算部45bは、これら定数の内、床反力における左右バランスを示すパラメータBalRL、については「0.5」を、重力加速度gについては「9.80665」を用いるように予め設定される。
例えば、被検者Hの身長と、その身長に対応する各パラメータの推定値とが関連付けて登録されたデータベースを記憶部44に記憶しておけば、演算部45bは、入力された被検者Hの身長に応じた各パラメータの推定値を前記データベースを参照することにより取得することができる。なお、前記データベースに登録される各パラメータの推定値としては、研究成果として報告されている文献等に基づいたデータや、その他の統計的なデータに基づいて、身長に応じた各パラメータの値を推定したものを用いることができる。
上半身部センサ2の検知結果である加速度は、加速度センサ部21の位置における加速度を、自身の座標系(センサ座標系)で示している。よって、上半身部セグメントの質量中心における加速度を求めるために、演算部45bは、検知結果である加速度を上半身部セグメントの質量中心における加速度に補正し、さらに、補正後の加速度を慣性座標系(図6に示す座標系)に座標変換する。これによって、上半身部セグメントの質量中心の並進加速度PHを求めることができる。
演算部45bは、記憶部44に記憶された変換行列を用いて、センサ座標系である補正後の加速度を慣性座標系に変換する。
これにより、演算部45bは、並進加速度PHを求めることができる。
つまり、大腿部が水平となるしゃがみ姿勢を維持したときの股関節と膝関節の関節モーメントの和Thip+knee(基準値Tref hip+knee)よりも、測定により得られる股関節と膝関節の関節モーメントの和Thip+knee(t)の最大値max(Thip+knee(t))が大きければ、その被検者Hには、しゃがみ姿勢から立ち上がることが可能な筋力があると評価できる。
なお、基準値Tref hip+kneeは、上記式(6)から得られることで、時間に応じて変化しない定数として得ることができる。
図7(a)では、下肢筋力の余裕度の数値が「186%」、評価レベルが「中」である場合を示している。このように、下肢筋力評価装置1は、演算、評価結果を被検者Hに対して出力する。
図7(b)中のグラフは、横軸が時間tであり、縦軸がモーメントを示している。図中の線図は、被検者Hが起立姿勢から最大しゃがみ姿勢に移行し、さらに最大しゃがみ姿勢から全力で立ち上がることで起立姿勢となる一連の動作の間の演算結果を示している。
その後、被検者Hが全力で立ち上がると、関節モーメントの和Thip+knee(t)は、急激に上昇して最大値を採り、起立姿勢に至ると急激に低下する。そして、起立姿勢の維持によって、再度、低い値で安定する。
つまり、線図Iは、線図II、III、IVを合計した線図となっており、関節モーメントの和の最大値max(Thip+knee(t))は、被検者Hのしゃがみ度合に基づく値と、被検者Hの起立動作の機敏さに基づく値とを合計した値となっており、被検者の最大しゃがみ姿勢の影響を含む値として得ることができる。
この場合においても、その状態から起立姿勢に姿勢変化することで、関節モーメントの和の最大値max(Thip+knee(t))を取得することができる。
このとき、関節モーメントの和Thip+knee(t)は、比較的低い値として現れている最大しゃがみ姿勢での値から、起立姿勢を取ることで上昇を開始し、最大値max(Thip+knee(t))に達するので、この最大値max(Thip+knee(t))は、最大しゃがみ姿勢における関節モーメントの和Thip+knee(t)の影響も含んでおり、被検者Hの最大しゃがみ姿勢の影響を含む値として得ることができる。
上記のように構成された下肢筋力を評価する方法では、被検者Hの動きを示すパラメータ値を取得するための上半身部センサ2及び大腿部センサ3を設置するセンサ設置ステップ(ステップS1)と、被検者Hが可能な限りしゃがんだ姿勢である最大しゃがみ姿勢から起立姿勢に姿勢変化するまでの間における、被検者Hの上半身部及び大腿部の動きを示す加速度及び角速度(上半身部のパラメータ値、大腿部のパラメータ値)を上半身部センサ2及び大腿部センサ3によって取得するパラメータ値取得ステップ(ステップS3〜S5)と、取得した上半身部及び大腿部の加速度及び角速度から、被検者Hの股関節及び膝関節の関節モーメントの和の最大値max(Thip+knee(t))を求め、前記最大値と、被検者Hがしゃがみ姿勢から起立するために必要な必要最小筋力を示す基準値Tref hip+kneeとに基づいて下肢筋力の余裕度を算出する算出ステップ(ステップS6)とを備えている。
また、関節モーメントの和の最大値max(Thip+knee(t))に基づいて下肢筋力の余裕度を算出するので、余裕度を、被検者Hの最大しゃがみ姿勢の影響を含んだ値として得ることができる。このため、被検者Hごとの筋力の相違によって最大しゃがみ姿勢に相違があったとしても、その最大しゃがみ姿勢の相違も含めた下肢筋力の余裕度として評価を行うことができる。
この点、大腿部センサ3の検出結果である大腿部の加速度及び角速度のみで、下肢筋力の余裕度を求めることもできる。
〔第一実施形態の変形例について〕
上記式(1)中、上半身部セグメントの並進加速度PHは、下記式(7)に示すように、大腿部セグメントの並進加速度PTを用いて表すことができる。
従って、演算部45bが上記式(7)を代入した式(1)を用いる場合には、大腿部センサ3のみを被検者Hの大腿部に設置すれば、下肢筋力の余裕度の評価を行うことができる。
この場合、被検者Hに大腿部センサ3を一つだけ設置すればよいので、さらに利便性を高めることができる。
図9は、本発明の第二の実施形態に係る下肢筋力評価装置のセンサを被検者Hに設置した状態を示す図である。
本実施形態の下肢筋力評価装置1は、本体部4の筐体51の上面60に被検者Hが起立可能とされ、上面60に被検者Hに作用する床反力を検知するための床反力センサ61を備えている点で、上記第一実施形態と相違する。
本体部4には、上面60に床反力センサ61の他、演算、評価結果を表示するためのディスプレイ55が設けられている。
本実施形態では、大腿部センサ3は、本体部4に対して有線接続されており、通信線62を介して検知結果を出力する。
本体部4の上面60に設けられた床反力センサ61は、図に示すように、被検者Hに作用する反力の内、上下方向成分と、前後方向成分とを検知する。床反力センサ61は、その検知結果をデータ処理部45(図1)に出力する。
PSは慣性座標系における下腿部セグメントの質量中心の並進加速度、PFは、慣性座標系における足部セグメントの質量中心の並進加速度であり、下記式(11),(12)によって表される。
さらに、Rcop1_G(t)は、被検者Hに作用する床反力の前後成分を示している。また、Rcop2_G(t)は、被検者Hに作用する床反力の上下成分を示している。
また、式(10)中、下腿部セグメントの質量中心の並進加速度PS、及び、足部セグメントの質量中心の並進加速度PFは、被検者Hの下腿部及び足部に慣性センサを設置して検知することもできるが、本実施形態では、演算部45bは、下腿部セグメントの質量中心の並進加速度PS、及び、足部セグメントの質量中心の並進加速度PFを、「0」に近似した上で、股関節と膝関節との関節モーメントの和Thip+knee(t)を求める。
よって、上記変数を求めるための慣性センサを、被検者Hに設置すれば、当該被検者Hの動作をより精度よく把握でき、この結果、下肢筋力の余裕度の算出、評価も精度良く行うことができる。すなわち、大腿部セグメントの他、下腿部セグメント、足部セグメントに、慣性センサを固定し、各センサによる検知結果として得られる加速度、角速度を用いれば、より精度の高い演算、評価を行うことができる。
図11(a)は、図9で示したものと同様の構成であり、大腿部センサ3と床反力センサ61とを用いたものを示している。
図11(b)は、(a)の構成に加えて、下腿部セグメントに慣性センサ70を固定した場合を示している。この例では、下腿部セグメントに固定された慣性センサ70の検知結果によって、並進加速度PSを求めることができる。
足部セグメントに慣性センサ71を固定した場合を示している。この例では、両慣性センサ70,71の検知結果によって、並進加速度PS、並進加速度PFを求めることができる。
さらに、式(10)中、項Aも「0」に近似できる。
よって、本実施形態では、慣性センサの設置状況や、必要精度に応じて、いずれの変数の値を「0」に近似するかを選定し、下肢筋力の余裕度の算出、評価を行うことができる。
今回開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。
例えば、上記第一の実施形態では、上半身部センサ2、及び大腿部センサ3が、それぞれ、慣性センサとして、二軸の加速度センサ部21,31、及び角速度センサ部22,32を備えている場合を示したが、一のセンサが加速度センサ部と角速度センサ部を共に備える必要はない。つまり、加速度センサが検知する加速度に基づいて、当該センサの鉛直方向に対する傾き角度を求めることができる。センサが検知する重力の方向及びその大きさによって、そのセンサの座標系の鉛直方向に対する角度を求めることができるからである。
上記理由から、上記両センサ2,3が、二軸の加速度センサ部のみを備えて構成されていてもよい。
なお、上述の慣性センサは、必要精度やコストに応じて適宜選定される。
このような場合には、図12(a)に示すように、被検者Hの載る面につま先下がりのスロープが形成された踏み台75や、被検者Hのかかとを載せるためのかかと載せ台76を用いて、被検者Hに姿勢変化動作を行わせてもよい。
この場合、足関節の柔軟性が低いとしても、被検者Hは容易にしゃがみ姿勢を取ることができ、確実に下肢筋力の余裕度の算出、評価を行うことができる。
(100/80) × 120 = 150 ・・・(13)
2 上半身部センサ
3 大腿部センサ
45 データ処理部(演算部)
Claims (13)
- 被検者の下肢筋力を評価するための下肢筋力の余裕度を求めるための方法であって、
前記被検者の動きを示すパラメータ値を取得するためのセンサを設置するセンサ設置ステップと、
前記被検者が可能な限りしゃがんだ姿勢である最大しゃがみ姿勢から起立姿勢に姿勢変化するまでの間における、前記被検者の大腿部の動きを示す大腿部のパラメータ値を前記センサによって取得するパラメータ値取得ステップと、
取得した前記大腿部のパラメータ値に基づいて、前記被検者の股関節及び膝関節の関節モーメントの和の最大値を求め、前記最大値と、前記被検者がしゃがみ姿勢から起立するために必要な必要最小筋力を示す基準値とに基づいて、下肢筋力の余裕度を算出する算出ステップと、
を含むことを特徴とする下肢筋力の余裕度を求めるための方法。 - 前記パラメータ値取得ステップでは、起立姿勢の前記被検者が、前記最大しゃがみ姿勢に姿勢を変え、さらに、最大しゃがみ姿勢から再度起立姿勢に姿勢変化するまでの間における前記大腿部のパラメータ値を取得する請求項1に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。
- 前記算出ステップにおいて、下記式に基づいて、前記下肢筋力の余裕度を求める請求項1又は2に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。
- 前記算出ステップにおいて、下記式に基づいて、前記基準値Tref hip+kneeを、求める請求項3に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。
- 前記センサは、前記大腿部のパラメータ値を取得するための大腿部センサを含み、
前記センサ設置ステップにおいて、前記大腿部センサを前記被検者に固定する請求項1〜4のいずれか一項に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。 - 前記センサ設置ステップにおいて、前記大腿部センサは、前記大腿部の最も太い部分に固定される請求項1〜5のいずれか一項に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。
- 前記センサ設置ステップにおいて、前記大腿部センサは、前記大腿部の外側面に固定される請求項1〜6のいずれか一項に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。
- 前記センサは、前記被検者の上半身部の動きを示す上半身部のパラメータ値を取得するための上半身部センサを含み、
前記センサ設置ステップにおいて、前記上半身部センサを前記被検者に固定し、
前記算出ステップにおいて、前記被検者の股関節及び膝関節の関節モーメントの和の最大値を、前記大腿部のパラメータ値と前記上体部のパラメータ値とに基づいて求める請求項1〜7のいずれか一項に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。 - 前記センサ設置ステップにおいて、前記上半身部センサは、前記上半身部において、背中側の腰部の最も前弯した部分に固定される請求項8に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。
- 前記センサが取得した前記大腿部のパラメータ値に基づいて下肢筋力の余裕度を算出する算出ステップを実行する下肢筋力評価装置に、前記被検者の身長を入力するステップをさらに備え、
前記算出ステップにおいて、前記下肢筋力評価装置は、入力された前記身長に応じた、前記大腿部の長手方向の長さ、質量中心位置を示すパラメータ、前記被検者の全質量、上半身部の質量、及び大腿部の質量を、前記身長と、その身長に対応する前記大腿部の長手方向の長さ、質量中心位置を示すパラメータ、前記被検者の全質量、上半身部の質量、及び大腿部の質量とが関連付けて登録されたデータベースを参照することにより取得する請求項4に記載の下肢筋力の余裕度を求めるための方法。 - 被検者の下肢筋力を評価するための下肢筋力評価装置であって、
前記被検者の動きを示すパラメータ値を取得するためのセンサと、
前記センサが取得した、前記被検者が可能な限りしゃがんだ姿勢である最大しゃがみ姿勢から起立姿勢に姿勢変化するまでの間における、前記被検者の大腿部の動きを示す大腿部のパラメータ値に基づいて、前記被検者の股関節及び膝関節の関節モーメントの和の最大値を求め、前記最大値と、前記被検者がしゃがみ姿勢から起立するために必要な必要最小筋力を示す基準値とに基づいて、下肢筋力の余裕度を算出する演算部と、
を備えていることを特徴とする下肢筋力評価装置。 - 前記センサは、前記大腿部に装着される装具に固定され、前記大腿部のパラメータ値を取得する大腿部センサを含んでいる請求項11に記載の下肢筋力評価装置。
- 前記センサは、前記被検者の上半身部に装着される装具に固定され、前記被検者の上半身部の動きを示す上半身部のパラメータ値を取得する上半身部センサを含み、
前記演算部が、前記被検者の股関節及び膝関節の関節モーメントの和の最大値を、前記大腿部のパラメータ値と前記上体部のパラメータ値とに基づいて求める請求項11又は12のいずれか一項に記載の下肢筋力評価装置。
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