JP2016064094A - Analyzer of knee joint rotation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膝関節回旋の解析装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for analyzing knee joint rotation.
膝の前十字靱帯損傷（ACL損傷）は膝の安定性に関わる重要な靭帯であり、スポーツ時に損傷することがある。ACLは膝の前後方向の安定性と、回旋方向の安定性に寄与している。現在、ACL損傷や損傷後の定量評価に使用されている機器はKT-1000による前後方向不安定性のみで、回旋不安定性を計測する方法は確立されていない。 Knee anterior cruciate ligament injury (ACL injury) is an important ligament involved in knee stability and can be damaged during sports. ACL contributes to the stability in the anterior-posterior direction of the knee and the stability in the rotational direction. Currently, the only instrument used for ACL damage and quantitative evaluation after damage is the KT-1000 instability in the front-rear direction, and no method for measuring the rotation instability has been established.
回旋不安定性を測定する手法としてピボットシフト検査（pivot shift test）という徒手検査が当業者に良く知られている。非特許文献１には、「pivot shift testとは、外反・内旋といった回旋ストレス下に生じる脛骨外側コンパートメントの脱臼・整復動作の大きさを徒手的に判断するテストである」と記載されている。 As a method for measuring the rotation instability, a manual inspection called a pivot shift test is well known to those skilled in the art. Non-Patent Document 1 describes that the “pivot shift test is a test for manually determining the magnitude of the dislocation / reduction movement of the lateral tibial compartment that occurs under rotation stress such as hallux valgus and internal rotation”. Yes.
ピボットシフト検査の定量評価を試みる提案も幾つか存在する。例えば、ピボットシフト検査時に、磁気センサーを使用して、脛骨の前後移動量を指標としてピボットシフト検査の評価に用いる研究（特許文献１、非特許文献１〜３）がなされているが、回旋を直接計測しているわけではない。 There are also some proposals that attempt quantitative evaluation of pivot shift inspection. For example, research (Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 to 3) that uses a magnetic sensor and evaluates the pivot shift inspection as an index during the pivot shift inspection is used. It is not measured directly.
その他にも、膝関節の動作を取得して膝関節の不安定性の定量評価を試みる手法が提案（特許文献２〜４）されているが、外旋角度や外旋角速度ではピボットシフト検査の良好な評価ができていないのが現状である。 In addition, methods that attempt to quantitatively evaluate knee joint instability by acquiring knee joint motion have been proposed (Patent Documents 2 to 4). Pivot shift inspection is good at external rotation angles and external rotation angular velocities. The current situation is that no good evaluation has been made.
また、膝関節の安定性を評価する徒手検査を機械的に実施しようとする提案もある（特許文献５、特許文献６）。 In addition, there is a proposal to mechanically perform manual inspection for evaluating knee joint stability (Patent Documents 5 and 6).
また、非特許文献４には、膝関節の動作解析が記載されており、非特許文献４に記載された各種角度の計算方法が、特許文献１、非特許文献１〜３においても援用されている。 Non-Patent Document 4 describes knee joint motion analysis, and various angle calculation methods described in Non-Patent Document 4 are also incorporated in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 3. Yes.
本発明は、膝関節回旋の不安定性の定量評価を可能とする膝関節回旋の解析装置を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide an analysis apparatus for knee joint rotation that enables quantitative evaluation of instability of knee joint rotation.
本発明が採用した技術手段は、
ピボットシフト検査における屈曲時及び伸展時の被験者の膝の屈曲角度及び外旋角の変化量を取得する手段と、
同じ屈曲角度における、屈曲時の外旋角の変化量と伸展時の外旋角の変化量との差を取得し、各屈曲角度について取得した差の合計から第１評価値を取得する手段と、
被験者の左膝について取得した第１評価値と被験者の右膝について取得した第１評価値との差から第２評価値を取得する手段と、
を備えた膝関節回旋の解析装置、である。
The technical means adopted by the present invention are:
Means for acquiring the amount of change in the bending angle and external rotation angle of the subject's knee during flexion and extension in the pivot shift test;
Means for acquiring a difference between a change amount of an external rotation angle at the time of bending and a change amount of an external rotation angle at the time of extension at the same bending angle, and acquiring a first evaluation value from the sum of the differences acquired for each bending angle; ,
Means for acquiring a second evaluation value from the difference between the first evaluation value acquired for the subject's left knee and the first evaluation value acquired for the subject's right knee;
An apparatus for analyzing knee joint rotation, comprising:
１つの態様では、前記外旋角の変化量は、外旋角速度である。
後述する実施形態では、外旋角速度を用いて第１評価量、第２評価量を取得している。
なお、前記外旋角の変化量は、外旋角加速度でもよい。外旋角加速度を用いて第１評価値、第２評価値を計算した場合であっても、疾患者と健常者との間に差が得られることが確認された（図１１、表４参照）。
In one aspect, the amount of change in the external rotation angle is an external rotation angular velocity.
In the embodiment to be described later, the first evaluation amount and the second evaluation amount are acquired using the external rotation angular velocity.
The amount of change in the external rotation angle may be external rotation angular acceleration. Even when the first evaluation value and the second evaluation value were calculated using the external rotation angular acceleration, it was confirmed that a difference was obtained between the diseased person and the healthy person (see FIG. 11 and Table 4). ).
１つの態様では、前記第１評価値は、屈曲時の外旋角の変化量、伸展時の外旋角の変化量のいずれか一方と、他方の絶対値との差の合計である。
１つの態様では、前記第１評価値の算出に用いる外旋角の変化量（外旋角速度データ）は、所定の角度範囲（実施形態では、０度〜９０度）に亘って取得された屈曲角度を複数の小角度範囲（実施形態では、５度刻み）に分割し、当該小角度範囲に属する複数（実施形態では５つ）の外旋角の変化量（外旋角速度データ）の平均値である。
１つの態様では、前記平均値は、α個（実施形態では５個）の外旋角速度データの平均値であり、
前記第１評価値は、同じ小角度範囲における、屈曲時の前記外旋角速度データ平均値、伸展時の前記外旋角速度データ平均値のいずれか一方と、他方の絶対値と、の差の合計（実施形態では、１５度〜４５度の範囲のみを採用）をα倍することで得られる。
In one aspect, the first evaluation value is the sum of the differences between one of the amount of change in the external rotation angle during bending and the amount of change in the external rotation angle during extension and the other absolute value.
In one aspect, the amount of change in the external rotation angle (external rotation angular velocity data) used for calculating the first evaluation value is a bending obtained over a predetermined angle range (0 to 90 degrees in the embodiment). An angle is divided into a plurality of small angle ranges (in the embodiment, in increments of 5 degrees), and an average value of a plurality of (in the embodiment, five) external rotation angle change amounts (external rotation angular velocity data) belonging to the small angle range. It is.
In one aspect, the average value is an average value of α (5 in the embodiment) external rotation angular velocity data,
The first evaluation value is the sum of the differences between the average value of the external rotation angular velocity data during bending and the average external rotation angular velocity data during extension and the other absolute value in the same small angle range. (In the embodiment, only the range of 15 to 45 degrees is adopted) is obtained by multiplying by α.
１つの態様では、健常群と疾患群を判別する判別値が得られており、
被験者固有の第２評価値を前記判別値と比較して、当該被験者の外旋不安定性の有無を判定する手段を備えている。
判別値は、健常群の第２評価値と疾患群の第２評価値とから取得することができる。１つの態様では、判別値は、ＲＯＣ曲線から得られたカットオフ値である。
In one aspect, a discriminant value for discriminating between a healthy group and a disease group is obtained,
Means is provided for comparing the second evaluation value unique to the subject with the discriminant value to determine the presence or absence of the subject's external rotation instability.
The discriminant value can be acquired from the second evaluation value of the healthy group and the second evaluation value of the disease group. In one aspect, the discriminant value is a cut-off value obtained from the ROC curve.
１つの態様では、前記被験者の膝の屈曲角度及び外旋角速度は、ピボットシフト検査時に動作計測システム（モーションキャプチャ）によって取得される大腿部と下腿部の動作データを用いて算出される。
動作計測システムとしては、光学式モーションキャプチャが例示される。後述する実施形態では、仮想マーカーを用いた光学式モーションキャプチャを採用しているが、仮想マーカーに代えて実マーカーを用いたものでもよい。
動作計測システムは、特許文献１、非特許文献１〜３に記載された３次元電磁気センサーを用いたものでもよく、また、内界式モーションキャプチャ、具体的には、６軸センサー（３軸加速度センサー、３軸ジャイロスコープを備えたセンサーモジュール）や９軸センサー（３軸加速度センサー、３軸ジャイロスコープ、３軸地磁気センサーを備えたセンサーモジュール）を用いたものでもよい。
In one aspect, the knee flexion angle and external rotation angular velocity of the subject are calculated using motion data of the thigh and crus acquired by a motion measurement system (motion capture) at the time of pivot shift inspection.
An example of the motion measurement system is an optical motion capture. In an embodiment to be described later, optical motion capture using a virtual marker is employed, but an actual marker may be used instead of the virtual marker.
The motion measurement system may be one using the three-dimensional electromagnetic sensor described in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 3, and also an internal motion capture, specifically, a 6-axis sensor (3-axis acceleration). A sensor using a sensor or a 3-axis gyroscope) or a 9-axis sensor (a 3-axis acceleration sensor, a 3-axis gyroscope, or a sensor module including a 3-axis geomagnetic sensor) may be used.
大腿部、下腿部の３次元動作データから膝の屈曲角度、外旋角度を取得すること自体は、非特許文献４に記載されているように公知である。外旋角度の時系列データが得られていれば、外旋角速度、外旋角加速度を算出することができる。 As described in Non-Patent Document 4, it is well known to acquire the knee flexion angle and the external rotation angle from the three-dimensional motion data of the thigh and crus. If time series data of the external rotation angle is obtained, the external rotation angular velocity and the external rotation angular acceleration can be calculated.
本発明は、膝関節の回旋に関する情報を用いて、回旋の不安定性を評価する新たな手法である。本発明では、屈曲時と伸展時における外旋角度の変化量（外旋角速度や外旋角加速度）の差から第１評価値を求め、さらに被験者の左右の脚（一方が健脚、他方が患脚）について取得した第１評価値の差から第２評価値を求めるという方法を用いている。 The present invention is a new technique for evaluating instability of rotation using information related to rotation of the knee joint. In the present invention, the first evaluation value is obtained from the difference between the amount of change in the external rotation angle (external rotation angular velocity and external rotation angular acceleration) during flexion and extension, and the subject's left and right legs (one is a healthy leg and the other is affected). The second evaluation value is obtained from the difference between the first evaluation values acquired for the leg).
本発明は、健常者であれば左右の脚でピボットシフト検査を行った際に、左右の脚で同じような動きをすることが予想されるのに対して、ACL損傷者の場合には健脚と患脚の間に差が生じることが予想されることに着目して為されたものである。骨や靭帯は個人差が大きく、健常者でも、人体に緩みがあり、外力に対して骨や靭帯が動く人もいれば、ACLを損傷しても動きが起きにくい人もいる。従来の手法では、基本的に患側（片足）のみのデータを用いて評価を行っていたのに対して、本発明は、屈曲時の外旋角度の変化量と伸展時の外旋角度の変化量との差から第１評価値を求め、さらに一方の脚（健脚）の第１評価値と他方の脚（患脚）の第２評価値の差をとるという方法を用いることで、健常者のばらつきを小さくすることができるようになり、差異を出やすくしている点に特徴がある。 The present invention predicts that the right and left legs will move in the same way when the pivot shift inspection is performed on the left and right legs if the subject is a healthy person, while the healthy leg is the subject that has an ACL injury. It was made by paying attention to the fact that a difference is expected to occur between the affected leg and the affected leg. Bones and ligaments vary greatly from person to person, and even healthy individuals have loose human bodies, and some people move bones and ligaments in response to external forces, while others do not easily move when ACLs are damaged. In the conventional method, the evaluation was basically performed using only the data on the affected side (one leg), whereas the present invention is the amount of change in the external rotation angle during bending and the change in the external rotation angle during extension. By using the method of obtaining the first evaluation value from the difference from the amount and taking the difference between the first evaluation value of one leg (healthy leg) and the second evaluation value of the other leg (affected leg), a healthy person This is characterized in that the variation in the size can be reduced and the difference is easily generated.
図１に本実施形態に係る膝関節回旋の解析装置の概要を示す。本実施形態に係る膝関節回旋の解析装置は、ピボットシフト検査における屈曲時及び伸展時の被験者の膝関節の動きの動作計測システムと、膝関節の動きに関するデータから屈曲角度及び外旋角速度を取得する手段と、同じ屈曲角度における、屈曲時の外旋角速度と伸展時の外旋角速度との差を取得し、各屈曲角度について取得した差の合計から第１評価値を取得する手段と、被験者の左膝について取得した第１評価値と被験者の右膝について取得した第１評価値との差から第２評価値を取得する手段と、被験者固有の第２評価値を健常群の第２評価値と比較して、当該被験者の膝損傷の有無を判定する手段と、を備えている。 FIG. 1 shows an outline of an analysis apparatus for knee joint rotation according to the present embodiment. The knee joint rotation analysis apparatus according to the present embodiment obtains the bending angle and the external rotation angular velocity from the motion measurement system of the subject's knee joint movement at the time of flexion and extension in the pivot shift examination and the data on the movement of the knee joint. A means for acquiring a difference between an external rotation angular velocity during bending and an external rotation angular velocity during extension at the same bending angle, and acquiring a first evaluation value from the sum of the differences acquired for each bending angle; Means for acquiring a second evaluation value from the difference between the first evaluation value acquired for the left knee of the subject and the first evaluation value acquired for the right knee of the subject, and the second evaluation value specific to the subject as the second evaluation of the healthy group And means for determining the presence or absence of knee injury of the subject in comparison with the value.
膝関節回旋の解析装置のハードウェア構成は、動作計測システムと、コンピュータと、からなる。本実施形態に係る動作計測システムは、光学式モーションキャプチャシステムを採用することでピボットシフト検査における被験者の膝の動き（屈曲時及び伸展時）を取得する。光学式モーションキャプチャシステムは、被験者の大腿部、下腿部の所定部位にそれぞれ装着した複数の光学式マーカー（例えば赤外線反射マーカー）と、光学式マーカーを装着した被験者の膝関節の屈伸運動を複数角度から同時に撮影する複数台のカメラと、各カメラで取得したマーカーの画像情報中の光学式マーカーの二次元位置を再構成して各光学式マーカーの三次元位置の時系列データを取得する処理部（コンピュータから構成される）と、を備えている。大腿部の所定部位と下腿部の所定部位に取り付けたマーカーの動きから、膝関節の動作データが取得される。光学式マーカーは大腿部の前後・左右・上下軸、下腿部の前後・左右・上下軸を決定できるような位置を選択して装着される。後述するように、本実施形態では、仮想マーカーを用いて膝関節の動作データを取得している。 The hardware configuration of the knee joint rotation analysis apparatus includes an operation measurement system and a computer. The motion measurement system according to the present embodiment acquires the motion of the subject's knee (during flexion and extension) in the pivot shift examination by employing an optical motion capture system. The optical motion capture system is designed to perform bending and stretching movements of a plurality of optical markers (for example, infrared reflective markers) attached to predetermined portions of the subject's thigh and lower leg, and a subject's knee joint wearing the optical marker. Reconstructs the two-dimensional position of the optical marker in the image information of the multiple cameras that are simultaneously photographed from multiple angles and the marker acquired by each camera, and acquires time-series data of the three-dimensional position of each optical marker And a processing unit (consisting of a computer). The motion data of the knee joint is acquired from the movement of the marker attached to the predetermined part of the thigh and the predetermined part of the crus. The optical marker is mounted by selecting a position that can determine the front / rear / left / right / up / down axes of the thigh and the front / rear / left / right / up / down axes of the lower leg. As will be described later, in the present embodiment, motion data of the knee joint is acquired using a virtual marker.
計測された各種データを用いてデータ処理を行う処理部（屈曲角度・外旋角度の取得手段、第１評価値取得手段、第２評価値取得手段、判定手段等）や処理結果を表示する表示部は、汎用コンピュータ（データを入力するための入力装置、処理結果を出力するための出力装置、データや処理結果を表示する表示装置、主としてＣＰＵから構成される演算装置、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶装置、これらを接続するバス、コンピュータに所定の処理を実行させるために記憶装置に格納された所定のプログラム、等を備えている）から実現することができる。 A processing unit (data acquisition unit for bending angle / external rotation angle, first evaluation value acquisition unit, second evaluation value acquisition unit, determination unit, etc.) that performs data processing using various measured data and a display for displaying the processing result The unit is a general-purpose computer (an input device for inputting data, an output device for outputting processing results, a display device for displaying data and processing results, an arithmetic device mainly composed of a CPU, ROM, RAM, hard disk, etc. Storage device, a bus connecting them, a predetermined program stored in the storage device for causing the computer to execute a predetermined process, and the like.
本実施形態に係る動作計測システムは、仮想点（仮想マーカー）を設定するポインタと称されるデバイスと、光学式モーションキャプチャシステムと、から構成されており、仮想マーカーの動きを取得する。仮想マーカーは、被験者に実際に取り付けられたマーカー（実マーカー）ではなく、複数の実マーカーに対する相対的位置によって位置が特定される仮想的なマーカーである。３次元動作計測システムにおいて仮想マーカーを設定する際は、ポインタと呼ばれるデバイスで仮想点を設定することによって行われる。ポインタを用いた仮想点設定や実マーカーの座標を用いた仮想マーカーの座標の計算については、例えば、特開２０１３−１６４４１３を参照することができる。 The motion measurement system according to the present embodiment includes a device called a pointer that sets a virtual point (virtual marker) and an optical motion capture system, and acquires the movement of the virtual marker. The virtual marker is not a marker (actual marker) actually attached to the subject, but a virtual marker whose position is specified by a relative position with respect to a plurality of actual markers. When setting a virtual marker in a three-dimensional motion measurement system, it is performed by setting a virtual point with a device called a pointer. For the virtual point setting using the pointer and the calculation of the virtual marker coordinates using the coordinates of the real marker, for example, JP 2013-164413 A can be referred to.
図２、図３を参照しつつ、本実施形態に係る光学式マーカーの取り付けについて説明する。マーカー間距離が一定に固定されている３つの光学式マーカーからなるマーカーユニットを用意する。図３に示すように、マーカーユニットは、プロテクター様の装具と、装具に固定された３つの光学式マーカーからなる。マーカーユニットは、左大腿部用、左下腿部用、右大腿部用、右下腿部用の４種類が用意される。左脚のピボットシフト検査時には、被験者の左の大腿部、下腿部に、左大腿部用マーカーユニット、左下腿部用マーカーユニットをそれぞれ取り付ける。右脚のピボットシフト検査時には、被験者の右の大腿部、下腿部に、右大腿部用マーカーユニット、右下腿部用マーカーユニットをそれぞれ取り付ける。 The attachment of the optical marker according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. A marker unit composed of three optical markers having a fixed inter-marker distance is prepared. As shown in FIG. 3, the marker unit includes a protector-like appliance and three optical markers fixed to the appliance. There are four types of marker units for left thigh, left lower thigh, right thigh, and right lower thigh. At the time of pivot shift inspection of the left leg, a left thigh marker unit and a left lower leg marker unit are attached to the left thigh and lower thigh of the subject. At the time of the pivot shift inspection of the right leg, the right thigh marker unit and the right lower leg marker unit are respectively attached to the subject's right thigh and lower leg.
大腿部に装着したマーカーユニットを基準として大転子・大腿骨外側上顆・大腿骨外側上顆にポインタを使用して仮想点（仮想マーカー）を取り付ける。また、下腿部に装着したマーカーユニットを基準として腓骨頭・ガーディー結節の1cm後方・外果にポインタを使用して仮想点（仮想マーカー）を取り付ける。すなわち、大腿部（大腿骨）の所定位置に３つの仮想点、下腿部（脛骨）の所定位置に３つの仮想点が、それぞれ設定される。 A virtual point (virtual marker) is attached using a pointer to the greater trochanter, outer femoral condyle, and outer epicondyle of the femur using the marker unit attached to the thigh as a reference. A virtual point (virtual marker) is attached using a pointer on the head of the radius, 1 cm behind the guardy nodule, and the external fruit, using the marker unit attached to the lower leg as a reference. That is, three virtual points are set at predetermined positions on the thigh (femur), and three virtual points are set at predetermined positions on the lower leg (tibia).
本実施形態において、次のように軸を定義する。
大腿上下軸：大腿部の膝（外）のマーカーから大転子への軸
大腿前後軸：大腿の３つの仮想点の作る面に垂直な軸
大腿左右軸：大腿上下軸と大腿前後軸に垂直な軸
下腿上下軸：外果から下腿部の膝（外）へのマーカーの作る軸
下腿前後軸：下腿部の３つの仮想点の作る面に垂直な軸
下腿左右軸：下腿上下と下腿前後軸に垂直な軸
In the present embodiment, axes are defined as follows.
Upper and lower thigh axis: axis from thigh knee (outside) marker to greater trochanter thigh longitudinal axis: axis perpendicular to the plane formed by the three virtual points of the thigh thigh left and right axis: thigh vertical axis and thigh longitudinal axis Vertical axis Lower leg vertical axis: Axis created by marker from outer fruit to lower leg knee (outside) Lower leg longitudinal axis: An axis perpendicular to the plane created by three virtual points of lower leg Lower leg left and right axis: Lower leg upper and lower Axis perpendicular to the anteroposterior axis
なお、仮想点を設定する位置は、「大転子・大腿骨外側上顆・大腿骨外側上顆」の組、「腓骨頭・ガーディー結節の1cm後方・外果」の組に限定されるものではなく、大腿部、下腿部のそれぞれの前後・左右・上下の軸（すなわち、大腿部座標系ＸＹＺ、下腿部座標系ｘｙｚ）が決められれば、上記の組み合わせに限定されるものではない。例えば、特許文献１、非特許文献１〜３で用いたマーカー位置や座標系の設定を採用してもよい。 In addition, the position to set the virtual point is limited to the group of “Greater trochanter, femoral lateral epicondyle, femoral lateral epicondyle”, and “radial head, 1 cm posterior of the Gurdy's nodule, and external fruit”. Rather, if the front / rear / left / right / upper / lower axes of the thigh and the lower leg (that is, the thigh coordinate system XYZ, the lower thigh coordinate system xyz) are determined, the combinations are limited to the above. is not. For example, the marker position and the coordinate system setting used in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 3 may be adopted.
上述のように仮想マーカーを設定した状態で、被験者の左脚のピボットシフト検査時の左脚について、伸ばした状態からの屈曲動作、曲げた状態からの伸展動作を、光学式モーションキャプチャからなる３次元動作分析装置によって記録する。 With the virtual marker set as described above, the bending operation from the extended state and the extending operation from the bent state of the left leg at the time of the pivot shift inspection of the subject's left leg are composed of optical motion capture 3 Recorded by a dimensional motion analyzer.
本発明において、光学式モーションキャプチャを用いて膝の３次元動作を取得する場合に、上記マーカーユニットによって規定される仮想点を用いるものに限定されるものではなく、仮想点を設定した位置に実マーカーを貼り付けて計測してもよい。また、３次元動作計測装置は、光学式モーションキャプチャに限定されるものではなく、特許文献１のように磁気センサーを用いて計測してもよく、あるいは、９軸センサーを利用しての計測も可能である。 In the present invention, when acquiring the three-dimensional motion of the knee using optical motion capture, the present invention is not limited to using the virtual point defined by the marker unit, and is not limited to the position where the virtual point is set. You may stick a marker and measure. The three-dimensional motion measurement device is not limited to optical motion capture, and may be measured using a magnetic sensor as in Patent Document 1, or may be measured using a nine-axis sensor. Is possible.
屈曲角、外旋角度の計算を含む膝関節の動作解析については、非特許文献４に詳しく記載されている。当該文献のFig.3を図４に引用して示す。大腿部の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、下腿部の座標系（ｘ，ｙ，ｚ）が規定されており、浮動軸Ｆは、大腿部の座標系の１つの軸、下腿部の座標系の１つの軸の両方に直交する共通軸として規定されている。関節角は、これらの３つの関節座標軸（大腿部座標軸、下腿部座標軸、浮動軸Ｆ）について生じる回転によって規定される。屈曲・伸展は、大腿部座標軸について生じ、外旋・内旋は、下腿部座標軸について生じ、内転は浮動軸Ｆについて生じる。大腿部座標軸、下腿部座標軸、浮動軸Ｆの３つの軸を使って屈曲角・外旋角を計算する。本実施形態における屈曲角度や外旋角度の取得において、同様の計算方法を用いることができる。また、特許文献１においても、非特許文献４における伸展・屈曲角度、内旋・外旋角度等の計算方法が援用されている。 Non-patent document 4 describes in detail the motion analysis of the knee joint including the calculation of the bending angle and the external rotation angle. Fig. 3 of this document is quoted in Fig. 4. The thigh coordinate system (X, Y, Z) and the lower thigh coordinate system (x, y, z) are defined, and the floating axis F is one axis of the thigh coordinate system. It is defined as a common axis that is orthogonal to both axes of the thigh coordinate system. The joint angle is defined by the rotation that occurs about these three joint coordinate axes (thigh coordinate axis, crus coordinate axis, floating axis F). Flexion / extension occurs on the thigh coordinate axis, external rotation / internal rotation occurs on the crus coordinate axis, and adduction occurs on the floating axis F. The bending angle and the external rotation angle are calculated using the three axes of the thigh coordinate axis, the crus coordinate axis, and the floating axis F. A similar calculation method can be used in obtaining the bending angle and the external rotation angle in the present embodiment. Also in Patent Document 1, calculation methods such as extension / bending angle, internal rotation / external rotation angle, etc. in Non-Patent Document 4 are incorporated.
被験者の大腿部、下腿部にそれぞれマーカーユニットを取り付け、仮想マーカーを決定して、被験者の左脚、右脚のそれぞれについて、ピボットシフト検査を行い、検者の手で下腿を内旋し、外反を加えつつ、伸展位からの屈曲、屈曲位からの伸展を数回行う。被験者の左右の脚（被験者がACL損傷者であれば、一方の脚が患脚、他方の脚が健脚となる）に対して、１５秒の間に５回程度の手技を行う。例えば、５回の手技の場合には、５回の屈曲動作・伸展動作について取得した関節データの平均データを用いる。ピボットシフト検査は、被験者の脚の屈曲動作、伸展動作を伴うものであり、ピボットシフト検査の際の被験者の膝の屈曲運動、伸展運動を光学式モーションキャプチャで取得する。各仮想マーカーの３次元座標の時系列データはコンピュータの記憶部に記憶される。なお、ピボットシフト検査は元来徒手検査であるが、本発明において、ピボットシフト検査は、機械的な手法（特許文献５、６参照）を排除するものではない。 Attach the marker unit to the subject's thigh and lower leg, determine the virtual marker, perform a pivot shift test on each of the subject's left leg and right leg, and rotate the lower leg with the examiner's hand While adding valgus, bend from the extended position and extend from the bent position several times. For the left and right legs of the subject (if the subject is an ACL-injured person, one leg is the affected leg and the other leg is a healthy leg), and the procedure is performed about 5 times in 15 seconds. For example, in the case of five procedures, average data of joint data acquired for five flexing / extending operations is used. The pivot shift inspection involves bending and extension movements of the subject's legs, and the bending and extension movements of the subject's knees during the pivot shift inspection are acquired by optical motion capture. The time series data of the three-dimensional coordinates of each virtual marker is stored in the storage unit of the computer. Although the pivot shift inspection is originally a manual inspection, in the present invention, the pivot shift inspection does not exclude a mechanical method (see Patent Documents 5 and 6).
非特許文献４における関節角度の定義に基づいて関節角度の計算を行う。また、関節角度の時系列データから関節角速度の計算も行う（各データや処理結果はコンピュータの記憶部に記憶される）。マーカー座標値を計算する際のローパスフィルターのカットオフ周波数として20Hzを用いた。なお、20Hzは一例である。左右の膝関節について、屈曲時の屈曲角とその時の外旋角速度と、伸展時の屈曲角とその時の外旋角度を計算する。計算したデータの中の屈曲角の時系列データと外旋角速度の時系列データに着目する。屈曲角の時系列変化から、あるデータが手技中の屈曲時のデータであるか、伸展時のデータであるかをコンピュータによって判別する。 The joint angle is calculated based on the joint angle definition in Non-Patent Document 4. The joint angular velocity is also calculated from the joint angle time series data (each data and processing result is stored in the storage unit of the computer). 20 Hz was used as the cut-off frequency of the low-pass filter when calculating the marker coordinate values. Note that 20 Hz is an example. For the left and right knee joints, the bending angle at the time of bending and the external rotation speed at that time, the bending angle at the time of extension and the external rotation angle at that time are calculated. We focus on the time series data of the bending angle and the time series data of the external rotation angular velocity in the calculated data. From the time series change of the bending angle, it is determined by a computer whether certain data is data at the time of bending during the procedure or data at the time of extension.
被験者の左脚のピボットシフト検査における屈曲時の屈曲角度が０度から９０度の範囲（屈曲角は実数値であり、後述するように、特定の範囲（５°刻み）の屈曲角度の平均値を用いている）で得られ、各屈曲角度に対応する外旋角速度が計算される。同様に、被験者の左脚のピボットシフト検査における伸展時の屈曲角度が９０度から０度の範囲で得られ、各屈曲角度に対応する外旋角速度が計算される。被験者の右脚についても、各屈曲角度における外旋角速度が計算される。被験者の左右の脚について、屈曲時における屈曲角度と外旋角速度との関係、伸展時における屈曲角度と外旋角速度との関係が、それぞれコンピュータの記憶部に記憶される。 Bending angle at the time of bending in the pivot shift examination of the subject's left leg is in the range of 0 to 90 degrees (the bending angle is a real value, and as will be described later, the average value of the bending angle in a specific range (5 ° increments) The external rotation angular velocity corresponding to each bending angle is calculated. Similarly, the bending angle at the time of extension in the pivot shift inspection of the subject's left leg is obtained in the range of 90 degrees to 0 degrees, and the external rotation angular velocity corresponding to each bending angle is calculated. Also for the subject's right leg, the external rotation angular velocity at each bending angle is calculated. Regarding the left and right legs of the subject, the relationship between the bending angle and the external rotation angular velocity at the time of bending and the relationship between the bending angle and the external rotation angular velocity at the time of extension are respectively stored in the storage unit of the computer.
同じ屈曲角度の範囲における、屈曲時の外旋角速度と伸展時の外旋角速度の差を取得し、各屈曲角度について取得した差の合計から第１評価値を取得する。１つの態様では、前記第１評価値は、屈曲時の外旋角速度、伸展時の外旋角速度のいずれか一方（例えば、屈曲時の外旋角速度）と、他方（伸展時の外旋角速度）の絶対値との差の合計である。 The difference between the external rotation angular velocity during bending and the external rotation angular velocity during extension in the same bending angle range is acquired, and the first evaluation value is acquired from the sum of the differences acquired for each bending angle. In one aspect, the first evaluation value is either one of the external rotation angular velocity during bending and the external rotation angular velocity during extension (for example, the external rotation angular velocity during bending) and the other (external rotation angular velocity during extension). Is the sum of the difference from the absolute value of.
本実施形態では、屈曲時、伸展時のそれぞれについて、屈曲角度を0度から90度までの5度刻み毎に、外旋角速度の平均値を計算する。伸展時については、計算された平均値を−1倍する。なお、５度は一例であり、他の角度刻みでもよい。 In this embodiment, the average value of the external rotation angular velocity is calculated every 5 degrees from 0 degrees to 90 degrees for the bending angle for each of the bending time and the extending time. For stretching, multiply the calculated average by -1. Note that 5 degrees is an example, and other angular increments may be used.
各屈曲角度の刻みの範囲で屈曲時の値から伸展時の値の差の絶対値をとり、15°〜45°の範囲で足し合わせたものを5倍（角度の刻み幅分）することで、屈曲角と外旋角速度の相関図における屈曲時と伸展時の面積を計算し、屈曲時の面積と伸展時の面積の差を第１評価値として用いる。すなわち、ピボットシフト検査の評価パラメーターとして、外旋角速度の積分値を用いている。 By taking the absolute value of the difference between the value at the time of bending and the value at the time of extension in the range of increments of each bending angle, by adding 5 times (for the angle step size) In the correlation diagram between the bending angle and the external rotation angular velocity, the area at the time of bending and the extension is calculated, and the difference between the area at the time of bending and the area at the time of extension is used as the first evaluation value. That is, the integral value of the external rotation angular velocity is used as an evaluation parameter for the pivot shift inspection.
図５の斜線で示された部分が、上の評価値である。図５は健足・患側それぞれについて得られる。患者の左脚、右足、健常者の左脚、右脚の４つの場合の図面を図６〜図９に示す。健常者の場合は、上記の図が健足と患側で差がない（健足と患側で同じ動きをする）という性質を利用している。 The hatched portion in FIG. 5 is the above evaluation value. FIG. 5 is obtained for each of the healthy foot and the affected side. Drawings of four cases of the patient's left leg, right leg, healthy person's left leg, and right leg are shown in FIGS. In the case of a healthy person, the above figure uses the property that there is no difference between the healthy foot and the affected side (the same movement is performed on the healthy foot and the affected side).
本実施形態に係る評価値の計算方法について具体的に説明する。屈曲角度範囲15°〜20°における屈曲時の外旋角速度の平均値として、「屈曲時であり、屈曲角が15°〜20°の範囲に入っている外旋角」の外旋角速度の平均値を計算する。同様の計算を「屈曲時」、「伸展時」それぞれに対して屈曲角が「15°〜20°」、「20°〜25°」、「25°〜30°」、「30°〜35°」、「35°〜40°」、「40°〜45°」に対して実行し、各角度範囲に対応する外旋角速度の平均値を取得する。 The evaluation value calculation method according to the present embodiment will be specifically described. As the average value of the external rotation angular velocity during bending in the bending angle range of 15 ° to 20 °, the average of the external rotation angular velocity of “external rotation angle during bending and the bending angle is in the range of 15 ° to 20 °” Calculate the value. The same calculation is performed for each of “when bent” and “when extended” with bending angles of “15 ° to 20 °”, “20 ° to 25 °”, “25 ° to 30 °”, and “30 ° to 35 °”. ”,“ 35 ° to 40 ° ”, and“ 40 ° to 45 ° ”to obtain the average value of the external rotation angular velocity corresponding to each angle range.
右足の屈曲時の15°〜20°の外旋角速度平均を( Rfrex 15-２0 )Rと表記した時に、右脚の第１評価値( Rdef )Rは、以下の式から計算される。
The first evaluation value (R def ) R of the right leg is calculated from the following formula when the average external rotation angular velocity of 15 ° to 20 ° when the right foot is flexed is expressed as (R frex 15-20 ) R .
左足の伸展時の15°〜20°の外旋角速度平均を( Rext 15-２0 )Lと表記をした時に、左脚の第１評価値( Rdef )Lは、以下の式から計算される。
When the average external angular velocity of 15 ° to 20 ° when the left foot is extended is expressed as (R ext 15-20 ) L , the first evaluation value (R def ) L of the left leg is calculated from the following formula: The
第２評価値は、以下の式から計算される。
第２評価値は被験者1名に対して左右の脚（健脚と患脚）、それぞれ1回の計測から1つの評価値として得られる。これを健常群について得られている第２評価値との比較によって評価を行う。
The second evaluation value is calculated from the following equation.
The second evaluation value is obtained as one evaluation value from one measurement for each of the left and right legs (healthy leg and affected leg) for one subject. This is evaluated by comparison with the second evaluation value obtained for the healthy group.
疾患者３名のサンプルデータを表１に示す。
健常者１０名、疾患者４１名について、第２評価値を取得した。健常者１０名と疾患者４１名について取得した第２評価値を用いて、マンホイットニーのU検定を行ったところ、有意水準1％で有意差が見られた（p = 0.0033）。また、ROC解析を行ったところ、ROC曲線化の面積Azが0.80であった。外旋角速度による解析のＲＯＣ曲線を図１０に示す。ＲＯＣ曲線から得られた指標を表３に示す。
また、外旋角加速度を用いて第１評価値、第２評価値を計算した場合であっても、疾患者と健常者との間に差が得られることが確認された外旋角加速度による解析のROC曲線を図１１に示すと共に、得られた指標を表４に示す。
Claims (4)
同じ屈曲角度における、屈曲時の外旋角の変化量と伸展時の外旋角の変化量との差を取得し、各屈曲角度について取得した差の合計から第１評価値を取得する手段と、
被験者の左膝について取得した第１評価値と被験者の右膝について取得した第１評価値との差から第２評価値を取得する手段と、
を備えた膝関節回旋の解析装置。 Means for acquiring the amount of change in the bending angle and external rotation angle of the subject's knee during flexion and extension in the pivot shift test;
Means for acquiring a difference between a change amount of an external rotation angle at the time of bending and a change amount of an external rotation angle at the time of extension at the same bending angle, and acquiring a first evaluation value from the sum of the differences acquired for each bending angle; ,
Means for acquiring a second evaluation value from the difference between the first evaluation value acquired for the subject's left knee and the first evaluation value acquired for the subject's right knee;
Knee rotation analysis device equipped with.
被験者固有の第２評価値を前記判別値と比較して、当該被験者の外旋不安定性の有無を判定する手段を備えている、
請求項１〜３いずれか１項に記載の膝関節回旋の解析装置。 A discriminant value for distinguishing between a healthy group and a disease group has been obtained,
Comparing a second evaluation value unique to the subject with the discriminant value, and comprising means for judging the presence or absence of external rotation instability of the subject,
The knee joint rotation analysis device according to any one of claims 1 to 3.
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