JPWO2006085387A1

JPWO2006085387A1 - 非侵襲性動体解析システム及びその使用方法

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Publication number: JPWO2006085387A1
Application number: JP2007502530A
Authority: JP
Inventors: 高樹長宗
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2008-06-26
Also published as: US20060245627A1; WO2006085387A1

Abstract

徒手検査等における計測及び解析結果をリアルタイムで検者にフィードバックできるとともに、動的かつ定量的な評価が可能な非侵襲の動体解析システムを提供する。非侵襲性動体解析システムは、電磁波又は電磁波信号を送信するトランスミッタと、人体の大腿部及び下腿部にそれぞれ固定されてトランスミッタから送信された電磁波を受信する２つのレシーバと、２つのレシーバからの電気信号に基づいて各レシーバの位置及び姿勢を求める電磁式計測装置と、電磁式計測装置からの各レシーバの位置及び姿勢に関する情報に基づいて、人体の膝の６自由度を計算し表示する、パーソナルコンピュータ等の処理装置とを有する。２つのレシーバは、２つのブレースを用いて人体の大腿部及び下腿部にそれぞれ固定可能である。

Description

本発明は、徒手検査中の人体の膝等の６自由度を非侵襲かつリアルタイムに求めるための解析システムに関する。

膝関節損傷等の診断において、靭帯及び関節包を含めた関節支持機構の損傷の有無を評価することは非常に重要である。特に十字靭帯の損傷の診断は、損傷を見逃すと二次的な関節の変化を引き起こし、治療がきわめて困難になる虞がある。
上記の靭帯損傷の診断のために、内・外反ストレステスト、Ｌａｃｈｍａｎテスト又はピボットシフト（ＰｉｖｏｔＳｈｉｆｔ）テストに代表される種々の徒手検査が提案されている。
また従来は、上記の徒手検査の定量的評価として、例えばＫＴ−１０００（商標）により評価可能な前方引出しテスト、Ｘ線又はフルオロスコピー（蛍光透視法）を用いた計測が行われている。
上述のＫＴ−１０００においては、計測可能であるのは前方方向の移動量のみで、その他の内外側方向の移動量や屈曲角度等の回転量の計測はできない。また、ＫＴ−１０００では比較的大型の機械的装具を下腿部に装着するために、Ｌａｃｈｍａｎテストやピボットシフトテスト等の徒手検査には不向きである。
またＸ線を用いた方法は、膝関節にストレスをかける前後において、膝関節を対象としたＸ線写真によって膝の６自由度の偏位を計測し、診断に用いるものである。しかしこの方法は、静的な偏位量は計測できるが、動的な膝関節の６自由度を計測することはできない。
さらにフルオロスコピーを用いた計測では、動的な計測は行えるが、主な計測対象は大腿部及び下腿部にインプラントを挿入した膝関節に限定される。その上、装置が大型であることに加えＸ線被爆の問題があり、外来の診断で簡易に行えるものではない。
従って一般的な徒手検査では、臨床的には検者の主観によってのみ評価される場合が多く、検者間及び検者内でのバラつきが問題となり得る。また、動的な徒手検査中における膝関節の動きは定量的に評価しにくいという間題もある。
例えば膝関節靭帯損傷の診断において、検者間及び検者内での客観的又は定量的評価を可能にすることは非常に重要であるが、上述のように徒手検査中における膝関節の動作を非侵襲かつ定量的に評価を行うことは困難である。
上記問題の解決策の一つとして、歩行解析の分野において大腿部及び下腿部に光学マーカを取付け、予め定めたいくつかの参照点に基づいて大腿部及び下腿部の座標軸を構築し、膝関節部の６自由度を計測する装置が提案されている。
しかし、この装置は光学マーカを用いるため、徒手検査においては、検査中の検者の手の位置又は足の動作等によって、光学マーカが不可視領域に入ってしまい計測不能になる問題がある。またこのような光学式方法を採用する場合は、複数台のカメラを互いに一定の距離以上離して設置するとともに、各カメラとマーカとの距離も一定距離以上に保つことが要求され、故に必要とされる計測空間が大きい。その上、いわゆる術中ナビゲーションにおける計測では、マーカ固定用のピンを大腿骨及び脛骨に直接打ち込む必要があるため、臨床外来においての利用は現実的ではない。

そこで本発明は、徒手検査等における計測及び解析結果をリアルタイムで検者にフィードバックできるとともに、動的かつ定量的な評価が可能な非侵襲の動体解析システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、人体の関節の動作を測定し解析するための非侵襲性動体解析システムであって、前記関節の動作中において前記関節について互いに反対側の２つの身体部位の位置及び姿勢を非侵襲に測定するための電磁センサと、前記電磁センサからの情報に基づいて前記２つの身体部位の位置及び姿勢を求める電磁式計測装置と、前記電磁式計測装置が求めた前記２つの身体部位の位置及び姿勢と、前記関節周りの解剖学的参照点の位置とに基づいて、前記関節の自由度を計算する処理装置と、を有する非侵襲性動体解析システムを提供する。
一実施形態において、前記電磁センサは、電磁波を送信するトランスミッタと、前記２つの身体部位にそれぞれ非侵襲に固定されて前記トランスミッタから送信された前記電磁波を受信可能な２つのレシーバとを有する。
非侵襲性動体解析システムは、前記処理装置の計算結果をリアルタイムに表示する表示装置をさらに有してもよい。
非侵襲性動体解析システムにより測定される好適な関節は膝関節であり、その場合、前記２つの身体部位は大腿部及び下腿部であり、前記処理装置は膝関節の６自由度を計算する。
非侵襲性動体解析システムは、センサを備えたスタイラスをさらに有することができ、前記解剖学的参照点の位置は、前記スタイラスを前記解剖学的参照点に当接させることにより前記処理装置に入力可能である。
本発明の他の態様によれば、人体の関節の動作を非侵襲に測定し解析するための方法であって、前記関節の動作中において前記関節について互いに反対側の２つの身体部位の位置及び姿勢を非侵襲に測定するための電磁センサを用意するステップと、前記電磁センサからの情報に基づいて前記２つの身体部位の位置及び姿勢を求めるステップと、前記関節周りの解剖学的参照点の位置を求めるステップと、前記電磁式計測装置が求めた前記２つの身体部位の位置及び姿勢と、前記解剖学的参照点とに基づいて、前記関節の自由度を計算するステップと、を有する方法が提供される。
一実施形態において、前記電磁センサは、電磁波を送信するトランスミッタと、前記トランスミッタから送信された前記電磁波を受信可能な２つのレシーバとを有し、前記電磁センサを用意するステップは、前記２つのレシーバを前記２つの身体部位にそれぞれ非侵襲に固定することを含むことができる。
前記解剖学的参照点の位置を求めるステップは、前記２つのレシーバを取付けた状態で前記関節に所定の動作を行わせ、それらの動作から得られる前記２つのレシーバの位置及び姿勢の情報を解析することによって前記解剖学的参照点の位置を求めることを含んでもよい。
前記関節の自由度を計算するステップは、前記関節の自由度の少なくとも１つについて、移動距離、移動速度及び移動加速度の少なくとも１つを測定することができる。
本発明によれば、大腿部・下腿部の位置・姿勢情報は電磁センサによって提供される。従って、徒手検査の空間さえ保持されれば計測は可能である。また、センサを検者の手が覆ったり、センサ間に検者が介入したりしても計測は可能である。すなわち、検者の種々の徒手検査に対して制限する要因がなく、通常の徒手検査の計測が可能となる。
さらに、本発明ではセンサの固定にブレースを用いるので短時間での装着及び非侵襲での装着を可能とする。また、光学式センサのようにピンの打ち込みを必要としないので経検者でなくとも容易に装着を可能とする。この短い作業時間及び非侵襲の計測が結果的には患者が感じる不快感や苦痛の軽減に寄与し、臨床外来での利用を可能とする。

本発明の上述又は他の目的、特徴及び長所は、以下の好適な実施形態を添付図面を参照しつつ説明することによりさらに明らかになるであろう。
図１は、本発明に係る非侵襲膝動体解析システムの概略構成を示すブロック図である。
図２は、図１の非侵襲膝動体解析システムの好適な実施形態に係る概略構成を示す図である。
図３は、電磁センサをブレースにて被検者の大腿部及び下腿部に装着した状態を示す図である。
図４は、スタイラスを用いて参照点入力を行う状態を示す図である。
図５は、人体の膝周りの参照点の位置を示す図である。
図６は、膝周りの座標系の構築について示す図である。
図７は、膝の６自由度の計算方法の一例を示す図である。
図８は、本発明に係る非侵襲膝動体解析システムにより測定された、ピボットテスト時の大腿部に対する下腿部の移動距離の時間変化を示すグラフである。
図９は、本発明に係る非侵襲膝動体解析システムにより測定された、ピボットテスト時の大腿部に対する下腿部の移動速度及び移動加速度の時間変化を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
なお、本願明細書においては、用語「非侵襲性動体解析システム」は、大腿部及び下腿部等の、ある関節の互いに反対側の２つの身体部位にセンサを設置し、徒手検査中におけるその関節の定量評価となる指標を計算及び解析するための医療用解析システムの総称として使用する。
図１は、本発明に係る人体の膝関節に適用可能な非侵襲性動体解析システム１０の基本構成を示すブロック図であり、図２は非侵襲性動体解析システムの好適な実施形態の概略構成を示す図である。非侵襲性動体解析システム１０は、電磁波又は電磁波信号を送信するトランスミッタ１２と、人体の大腿部及び下腿部にそれぞれ固定されてトランスミッタ１２から送信された電磁波を受信可能な第１及び第２のレシーバ１４ａ及び１４ｂと、２つのレシーバ１４ａ及び１４ｂからの電気信号に基づいて各レシーバの位置及び姿勢を求める電磁式計測装置１６と、電磁式計測装置１６からの各レシーバの位置及び姿勢に関する情報に基づいて、人体の膝の６自由度を計算する、パーソナルコンピュータ等の処理装置１８とを有する。パーソナルコンピュータ１８は、計算結果をリアルタイムで表示するディスプレイすなわち表示装置２０をさらに有する。なお本実施形態においては、トランスミッタ１２並びに２つのレシーバ１４ａ及び１４ｂが協働して、電磁センサを構成する。また処理装置１８は、後述する膝関節の解析結果とともに、膝関節周りの動作を視覚的に表示することも可能である。これにより、電磁センサの不具合や設置ミス等をすぐに知ることができる。
図３は、被検者の右足を正面から見た図であり、２つのレシーバ１４ａ及び１４ｂの被検者への好適な取付け位置を示す。レシーバ１４ａ及び１４ｂは、ブレース２２ａ及び２２ｂを用いて人体の大腿部５０及び下腿部６０にそれぞれ固定可能である。レシーバ１４ａ及び１４ｂの取付け位置については、それぞれ大腿部５０及び下腿部６０のいずれの部位でもよいが、後述する膝関節の６自由度の計算精度を高めるために、それぞれ大腿骨及び脛骨に対し位置及び姿勢の変動が実質的にない又は少ない部位であることが好ましい。具体的には、図３に示すように、第１のレシーバ１４ａは膝蓋骨の上部５１から指の幅４本分上方であって大腿部５０外側に取付けられ、第２のレシーバ１４ｂは脛骨粗面の下部６１から指の幅３本分下方であって下腿部６０内側に取付けられる。換言すれば、各レシーバは大腿部５０又は下腿部６０の比較的筋肉が付いてない部位に取付けられることが好ましい。
上述のように、レシーバ１４ａ又は１４ｂとトランスミッタ１２との間は電磁波信号によって送受信されるので、光学センサの場合とは異なり、各レシーバとトランスミッタとの間に検者の手等が介入しても各レシーバの位置及び姿勢の測定結果に影響することはない。従って検者は、レシーバ及びトランスミッタの位置を気にすることなく通常の徒手検査を行うことができる。また、レシーバ１４ａ及び１４ｂは、術中ナビゲーションのようにピン等によって大腿部及び下腿部の骨に直接的に固定されるのではなく、図３に示したようにブレース２２ａ及び２２ｂを用いて非侵襲に固定される。この点も大きな長所である。
本発明の場合、上述の電磁センサを用いて膝関節の６自由度を計算するためには、電磁センサの測定結果に加えていくつかの解剖学的参照点の座標を入力する必要がある。これら参照点の入力については種々の方法が可能である。例えば、図４に示すように、好ましくは上述のレシーバ１４ａ及び１４ｂと同様のレシーバ１４ｃを後端２６に備えた略棒状のスタイラス２４を用意し、スタイラス２４の先端２８を人体のいくつかの参照点に当接させて参照点の座標を入力することが可能である。スタイラス２４の先端２８と後端２６との距離すなわち位置関係は既知なので、検者が指し示す任意の空間座標を参照点として入力することが可能である。
あるいは、参照点の入力作業を軽減するために、２つのレシーバ１４ａ及び１４ｂを取付けた状態で被検者の足に他動的に所定の動作を行わせ、それらの動作から得られるレシーバ１４ａ及び１４ｂの位置及び姿勢の情報を解析することによって座標系を構築することも可能である。また上述の解剖学的参照点は、脛骨粗面や膝蓋骨内縁・外縁等により代用することも可能である。
本実施形態すなわち膝周りの測定の場合は、上述の解剖学的参照点として以下の７つの点が入力される。詳細には、図５に示すように、大腿部５０の参照点として大転子５２、内上顆５４及び外上顆５６の３点が入力され、下腿部６０の参照点として腓骨骨頭６２、ＭＣＬ（内側側副靱帯；ＭｅｄｉａｌＣｏｌｌａｔｅｒａｌＬｉｇａｍｅｎｔ）とジョイントライン（ＪｏｉｎｔＬｉｎｅ）との交点６４、内果６６及び外果６８の４点が入力される。なおここでのジョイントラインとは、大腿骨顆および脛骨顆の間に存在する溝に沿う線をいう。
次に図６を参照しながら、先ず大腿部５０の座標系の構築について説明する。内上顆５４及び外上顆５６の中点を大腿部座標系の原点０_Ｆとする。大転子５２及び原点０_Ｆの２点を通過する直線を軸Ｘ_Ｆとする。軸Ｘ_Ｆに垂直かつ原点０_Ｆを含む平面に内上顆５４及び外上顆５６を投影し、それら２点を通過する直線を軸Ｙ_Ｆとする。軸Ｘ_Ｆ及び軸Ｙ_Ｆの２直線のどちらにも垂直な関係にある直線を軸Ｚ_Ｆとする。これら３つの軸Ｘ_Ｆ、Ｙ_Ｆ及びＺ_Ｆから構成される座標系を大腿骨座標系とする。
次に下腿部６０の座標系の構築について説明する。ＭＣＬとジョイントラインとの交点６４と、腓骨骨頭６２との中点を下腿部座標系の原点０_Ｔとする。内果６６と外果６８との中点６７、及び原点０_Ｔの２点を通過する直線を軸Ｘ_Ｔとする。軸Ｘ_Ｔに垂直で原点０_Ｔを含む平面にＭＣＬとジョイントラインとの交点６４及び腓骨骨頭６２を投影し、それら２点を通過する直線を軸Ｙ_Ｔとする。軸Ｘ_Ｔ及び軸Ｙ_Ｔの２直線のどちらにも垂直な関係にある直線を軸Ｚ_Ｔとする。これら３つの軸Ｘ_Ｔ、Ｙ_Ｔ及びＺ_Ｔから構成される座標系を下腿部座標系とする。
上述のように定義された座標系及びレシーバ１４ａ及び１４ｂから得られるデータに基づいて、さらにＧｒｏｏｄ等によって提唱された方法（ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＡＳＭＥ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．１０５（Ｍａｙ１９８３），Ｐ１３６−Ｐ１４４を参照）を利用することにより、膝の６自由度（すなわち伸展・屈曲角度、内反・外反角度、内旋・外旋角度、前後移動量、内外移動量、及び遠近移動量）を求めることができる。より詳細には、図７に示すように、上述の軸Ｘ_Ｆ及び軸Ｙ_Ｔの双方に垂直な浮動軸ＦＡを設定することにより、６自由度のうち伸展・屈曲角度は不動軸ＦＡと軸Ｚ_Ｆとの関係から求められ、内反・外反角度は軸Ｘ_Ｆとの軸Ｙ_Ｔとの関係から求められ、内旋・外旋角度は不動軸ＦＡとの軸Ｚ_Ｔとの関係から求められ、前後移動量は不動軸ＦＡと軸Ｘ_Ｆとの交点Ｐ１及び不動軸ＦＡと軸Ｙ_Ｔとの交点Ｐ２の相対位置関係から求められ、内外移動量は交点Ｐ１と原点０_Ｆとの相対位置関係から求められ、遠近移動量は交点Ｐ２と原点０_Ｔとの相対位置関係から求められる。
通常、上記の６自由度を臨床的に求める方法としては、先ずレントゲン写真を撮影し、その写真に分度器又は定規を適用する手動計測方法、又は、それらを直接人体の大腿部・下腿部に沿わせる手動計測方法がある。これらの方法の欠点は、手動であるため測定値の誤差が大きくなることと、ある一時点又は姿勢での計測のみしか行えず、故に動的な計測ができないことである。これに対して、本発明の解析システムを用いれば動的な計測が可能である上にリアルタイムにそれらの値が表示されるので、利便性が高い。例えば、前方引出しテストは屈曲角度が３０°、６０°及び９０°においてそれぞれ行われるが、それらの角度は検者の主観によって大まかに定められる。従って、従来の引出し動作時においては不正確であった屈曲角度は、本発明の解析システムを用いることにより正確に調節可能となる。
解析システムのコンピュータ画面上には上記の膝の６自由度がリアルタイムに表記されるとともに、被検者の大腿部・下腿部が３次元的に表現される。この仮想上の大腿部・下腿部を確認しながら徒手検査を行うことでシステムの誤動作や設置ミス、配線ミスを容易に判断することができる。
次に、本発明のさらなる長所について説明する。本発明に係る非侵襲性動体解析システムによれば、膝関節の上記６自由度を求めることができるが、さらに、本発明はリアルタイムでの動的な計測が可能であるので、６自由度の各々について移動（変位）量、移動速度及び移動加速度を定量的に測定することができる。例えば図８は、上述の非侵襲性動体解析システムを用いて測定された、回旋安定性の評価とされるピボットシフトテストにおける、６自由度のうちの前後移動量の時間変化を示すグラフである。なお同図の破線グラフは、膝関節の屈曲角度を示すグラフである。なおレシーバから処理装置へのデータ転送はバイナリ形式を用いること等により高速化を図り、各レシーバからのデータサンプリング周期は６０Ｈｚであった。さらに図９は、図８の前後移動量と同時に測定された、前後移動における移動速度及び移動加速度の時間変化を示すグラフである。
図８のＡ点は、検者がピボットシフトテストを行った（膝関節に力を加えながら下腿部を大腿部に対して変位させた）ときに、前後移動量が極小値を有することを示す。ピボットシフトテストにおいてはこのＡ点すなわち極小点前後（より詳細にはＡ点手前の移動量が極大になるＡ′点と、Ａ点を過ぎて移動量がＡ′点での値に再び達するＡ″点との間）における関節の挙動が非常に重要であり、従来はこの挙動すなわち関節の状態を検者の感触によって判定する以外に方法がなく、故に検者の熟練度等により検査精度にばらつきが生じることが多かった。しかし本発明によれば、この挙動を定量的かつリアルタイムに計測及び解析することができ、ＡＣＬ（前十字靱帯）不全の膝等の検査精度を格段に高めることができる。また図９のＡ点は図８のＡ点に相当するものである。なおＡ点における関節の挙動の解析には上述の移動距離、速度及び加速度のいずれも利用可能であるが、いくつかの検査を行うことにより、加速度に基づく解析がより関節の状態把握に適していることが見出された。これは、検者の力のかけ方や動作速度の影響を加速度が最も受けにくいことが一因と考えられる。
以上説明したように、本発明の非侵襲性動体解析システムは非侵襲に被検者の膝の６自由度を動的に計測できるので、外来等の臨床で容易に使用することができ、臨床現場での徒手検査の診断をより客観的に評価できるようになる。また、計測データは記録可能であるとともに随時再現可能であるので、術前・術後の変化や術後の回復を確認することが可能である。さらに、電磁センサを用いることは、（１）従来のＸ線等を用いた計測と異なり非侵襲であること、（２）複数のカメラを用いた画像解析による計測の問題点であった計測スペースの確保の必要やマーカとカメラとの間の遮蔽物の影響がないこと、及び（３）機械式計測装置に比べ、拘束性が低く徒手検査の実施が容易であること等の長所を有する。これらにより本発明の解析システムによる徒手検査の臨床現場での応用が現実的になる。なお本発明に係る非侵襲性動体解析システムは、膝関節及び肘関節等の蝶番式に可動な関節の検査に特に好適であるが、他の関節にも適用可能であることは明らかである。
説明のために選定された特定の実施形態を参照して本発明が説明されたが、当業者には本発明の基本的概念及び範囲から逸脱することなく多数の変更が可能であることは明らかである。

Claims

人体の関節の動作を測定し解析するための非侵襲性動体解析システムであって、
前記関節の動作中において前記関節について互いに反対側の２つの身体部位の位置及び姿勢を非侵襲に測定するための電磁センサと、
前記電磁センサからの情報に基づいて前記２つの身体部位の位置及び姿勢を求める電磁式計測装置と、
前記電磁式計測装置が求めた前記２つの身体部位の位置及び姿勢と、前記関節周りの解剖学的参照点の位置とに基づいて、前記関節の自由度を計算する処理装置と、
を有する非侵襲性動体解析システム。
前記電磁センサは、電磁波を送信するトランスミッタと、前記２つの身体部位にそれぞれ非侵襲に固定されて前記トランスミッタから送信された前記電磁波を受信可能な２つのレシーバとを有する、請求項１に記載の非侵襲性動体解析システム。
前記処理装置の計算結果をリアルタイムに表示する表示装置をさらに有する、請求項１に記載の非侵襲性動体解析システム。
前記関節は膝関節であり、前記２つの身体部位は大腿部及び下腿部であり、前記処理装置は膝関節の６自由度を計算する、請求項１に記載の非侵襲性動体解析システム。
センサを備えたスタイラスをさらに有し、前記解剖学的参照点の位置は、前記スタイラスを前記解剖学的参照点に当接させることにより前記処理装置に入力可能である、請求項１に記載の非侵襲性動体解析システム。
人体の関節の動作を非侵襲に測定し解析するための方法であって、
前記関節の動作中において前記関節について互いに反対側の２つの身体部位の位置及び姿勢を非侵襲に測定するための電磁センサを用意するステップと、
前記電磁センサからの情報に基づいて前記２つの身体部位の位置及び姿勢を求めるステップと、
前記関節周りの解剖学的参照点の位置を求めるステップと、
前記電磁式計測装置が求めた前記２つの身体部位の位置及び姿勢と、前記解剖学的参照点とに基づいて、前記関節の自由度を計算するステップと、
を有する方法。
前記電磁センサは、電磁波を送信するトランスミッタと、前記トランスミッタから送信された前記電磁波を受信可能な２つのレシーバとを有し、前記電磁センサを用意するステップは、前記２つのレシーバを前記２つの身体部位にそれぞれ非侵襲に固定することを含む、請求項６に記載の方法。
前記解剖学的参照点の位置を求めるステップは、前記２つのレシーバを取付けた状態で前記関節に所定の動作を行わせ、それらの動作から得られる前記２つのレシーバの位置及び姿勢の情報を解析することによって前記解剖学的参照点の位置を求めることを含む、請求項７に記載の方法。
前記関節の自由度を計算するステップは、前記関節の自由度の少なくとも１つについて移動距離を測定することを含む、請求項６に記載の方法。
前記関節の自由度を計算するステップは、前記関節の自由度の少なくとも１つについて移動速度を測定することを含む、請求項６に記載の方法。
前記関節の自由度を計算するステップは、前記関節の自由度の少なくとも１つについて移動加速度を測定することを含む、請求項６に記載の方法。