JP2004173875A - 足関節機能評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便に且つ正確に足関節の機能評価を行う。
【解決手段】被験者身体が立位姿勢にある時の床反力位置と傾倒した時に得られる床反力位置とを計測する計測手段と、計測手段による計測値を基に足関節機能の評価値を演算する演算部とからなる。被験者の定圧中心（身体重心の足底投影点）から導かれる床反力位置から足関節機能を評価するものである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は人体の足関節機能の評価を行う足関節機能評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
足関節の機能は、安定した歩行や立位バランス維持に重要であり、高齢者のＱＯＬとも関連する。一般に高齢者になると足関節の背屈・底屈筋力が低下して、関節可動域も減少（柔軟性が低下）する。また自分自身で足関節の動きや硬さを調節する筋神経機能も低下することが知られている。特に５０代からの機能低下が著しいことが知られている。
【０００３】
高齢者でなくても、運動不足などで足関節の機能が低下すると、「運動会で足がもつれる」「足がついていかない」という自覚症状として現れる。
【０００４】
このような足関節機能を客観的に評価するには、従来、徒手筋力計を用いたり、専門家によって実際に足首を動かしてその関節可動域を測定するということが行われていた。
【０００５】
また、特開２００１−２９４０９号公報には足関節訓練装置が開示されているが、この装置では足関節機能を評価することはできなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２９４０９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の徒手筋力測定方法や関節可動域の測定方法では、十分強い筋力や専門知識を有する補助者の助けなしで足関節機能を評価することはできなかった。
【０００８】
一方で、足関節機能を簡便に評価することができれば、健常者・高齢者の運動機能測定や体力の自己チェック、医学・リハビリ・看護・介護などの分野における足関節機能不良者のスクリーニングなどに役立てることができる。
【０００９】
このために、より手軽に且つ正確に足関節の機能を評価して体力チェックに役立てることができる足関節機能評価装置が望まれている。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは簡便に且つ正確に足関節の機能評価を行うことができる足関節機能評価装置を提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、被験者身体が立位姿勢にある時の床反力位置と傾倒した時に得られる床反力位置とを計測する計測手段と、計測手段による計測値を基に足関節機能の評価値を演算する演算部とからなることに第１の特徴を有しており、被験者身体が立位姿勢にある時の足関節角度と傾倒した時の足関節角度とを計測する計測手段と、計測手段による計測値を基に足関節機能の評価値を演算する演算部とからなることに第２の特徴を有しており、被験者身体が傾倒した時に生じる足関節まわりのモーメントを計測する計測手段と、計測手段による計測値を基に足関節機能の評価値を演算する演算部とからなることに第３の特徴を有している。被験者の定圧中心（身体重心の足底投影点）から導かれる床反力位置や傾倒角といった計測値から足関節機能を評価するものである。
【００１２】
上記の足関節まわりのモーメントを計測する計測手段は、足関節まわりに作用する力のモーメントアーム計測部と、被験者の身体に作用する床反力や重力などカベクトルの情報を取得する力情報取得部とからなるものを好適に用いることができる。
【００１３】
また演算部は、被験者身体が前方へ最大傾倒した時の計測値を用いて足関節機能の評価を行うものであっても、異なる方向への傾倒時の計測値の差を用いて足関節機能の評価を行うものであってもよい。
【００１４】
更に演算部は、被験者の身体サイズ等の属性による標準化機能を有していることが好ましく、被験者に対して傾倒時の姿勢をただす姿勢矯正手段を備えていることも好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述する。まず、人が安定した床面に立っている時、足関節（足首の関節）を適度に緊張させて立位を維持している。そして、直立姿勢に比べて前方や側方や後方へ身体を傾倒した姿勢では、足関節をより強く緊張させなければ立位を維持できないことは経験的に理解できる。この点を立位姿勢とは、「床面から身長の約５０％強の高さにある上体の質量（Ｍ−ｍ）を、足関節Ａという一つの回転軸によって転倒しないように支えている」と考えて力学的にモデル化すると、図８に示すようになる。図中のＭは身体全体の質量、ｍは足首より下の身体の質量、Ｌは身長、Ｓは足部長（つま先からかかとまでの長さ）、θは足関節の傾斜角度、ｇは重力加速度、αは身体重心の水平面加速度、Ｒｚは床反力垂直方向成分（足部重量を引き算することで補正した値）、Ｒｘは床反力水平方向成分、ｄは足関節から上体重心までの距離、ｈは床面から足関節までの高さ、ｐは足関節位置から床反力位置までの水平面距離、ｑは足関節位置から上体重心の床面投影点までの水平面距離、Ｒｐは床反力作用点であり、通常、ｐ＝ｑである。
【００１６】
このようにモデル化した場合、足関節には上体質量の運動に応じた回転モーメントが発生し、（例えば矢状面での２次元運動を考えると）下記の運動方程式（式１）で表現できる。
【００１７】
【数１】

【００１８】
（式１）のうち、（あ）は上体が足関節に及ぼす回転モーメント、（い）は、静止した足部（または床面）が足関節に及ぼす回転モーメントである。
【００１９】
直立にしろ、傾倒にしろ、身体が静止している状態に十分近いと仮定できる場合、角加速度が０になるとともに、α≒Ｏ，Ｒｘ≒０が言えるので、（式１）から、
（Ｍ−ｍ）・ｇ・ｄ・ｓｉｎθ≒Ｒｚ・ｐ （式２）
が成立する。これは、（あ）と（い）の回転モーメントがつりあっていることを意味する。同時に、足関節に発生している回転モーメントの値は、（式２）の左辺または右辺によって与えられる。（式２）の左辺または右辺は、直立姿勢（θが小さい）時は値が小さく、身体傾倒時は値が大きくなることが、式自体や図８から明らかである。このように身体傾倒時は足関節に大きな回転モーメントがかかるので、そのモーメントに負けて身体が転倒しないように、足関節をより強く緊張させなければいけない。
【００２０】
ここにおいて、一般に高齢者になると、足関節の背屈・底屈筋力が低下するとともに関節可動域も減少（柔軟性が低下）する。また自分自身で足関節の動きや硬さを調節する筋神経機能も低下することが知られている。これらの報告はいずれも足関節機能の加齢による低下を示している。
【００２１】
これらの生体力学的な立場から考察を進めると、「足首が硬くなったり筋力が低下して足関節機能が低下すると、自発的に身体を大きく傾倒させて足関節回転モーメントを発揮することができなくなる」ことが予想できる。
【００２２】
この点に基づいて、大規模な調査を行い、身体傾倒時（最大前傾姿勢を指示した場合）の（式２）の左辺または右辺、すなわち足関節回転モーメントを５００名以上の集団で計測してみると、図１０に示すように、５０代から加齢にしたがって評価結果が低下することが明らかになった。なお、図中のＭは男性、Ｆは女性を示す。さらに、（式２）で身体傾倒の大きさを直接的に表現する変数は、θ（傾斜角度）やｐ（モーメントアーム長さ）であるが、これらも図１１及び図１２に示すように同様な加齢変化が見られることが明らかになった。
【００２３】
以上の点を踏まえたのが本発明であり、足関節の機能を「身体傾倒の計測」、すなわち「立位姿勢のまま身体を傾倒した時の足関節の傾斜角度θや、足関節に働くモーメントや、モーメントアームｐを計測し解析する」ことで評価できるようにしたものであり、本発明によれば、従来の徒手筋力計を用いなくとも、一人で簡便に足関節機能を計測評価することができる。
【００２４】
ところで足関節機能を個人間で比較したい時には、被験者の身体サイズや属性の違いが問題になることがある。例えば、図１０においてはモーメントの値に男女間で差が見られるが、これはモーメントが被験者の体重や身長に依存する指標であることが一因である。
【００２５】
そこで、身体サイズや属性を用いて標準化した指標を用いることで、個人間の計測値の比較が容易になり、評価結果を理解しやすくなる。図１３は標準化の別の例で、被験者身体が前後に傾倒した２時点（最大前傾点と最大後傾点）における定圧中心データにより定圧中心変化量を計測した例である。定圧中心は、足裏から計測されるものであり、その値は、足部長Ｓ（つま先からかかとまでの距離：個人により長さが異なる）にも依存する。そこで、定圧中心変化量（ｍｍ）を足部長ｓ（ｍｍ）で割ることにより標準化指標を求めている。男女差が消え、同世代データのばらつきも少なくなり、加齢変化傾向が明瞭に観察できる。
【００２６】
身体傾倒時に足関節の回転モーメントに関与する力学的な意味での「力」は、床反力と重力と上体（足関節より上の身体）の水平方向加速度による上体の揺れである。モーメントの計算式は、一般に、力×モーメントアームで与えられる（（式１）の右辺の各項）ので、力と足関節から力の作用線までの距離（モーメントアーム）とを計測すればよい（図１）。
【００２７】
なお、力については、立位姿勢で身体の静止時を考えるとα≒Ｏ（上体の揺れが微小）、Ｒｘ≒０（床反力の水平方向成分が微小）が言えるので、力に関するつりあいから、
（Ｍ−ｍ）・ｇ≒Ｒｚ （式３）
「床反力（または足部重量を引き算して補正した床反力：Ｒｚ）」≒「体重（または足関節より上の身体の質量：Ｍ−ｍ）Ｘ重力加速度（ｇ）」といった簡単な式が得られる。
【００２８】
よって、力については、体重（または足関節より上の身体の質量：Ｍ−ｍ）で近似して構わない。モーメントアームを計測するには、足関節の位置を規定した上で、重心計や定圧密度分布計などを用いて定圧中心位置を計測すればよく、足関節の回転モーメントを評価することができる（図３参照）。
【００２９】
また（式２）と（式３）から、
ｄ・ｓｉｎθ≒ｐ （式４）
が成立する。
【００３０】
次に上記の評価を行う評価装置の具体例について説明すると、図２は床反力ベクトルを出力できる床反力計２をベースとしているもので、ここでは被験者に対する音声や画像で指示したり、被験者の年齢や身長や性別などの入力のためのインターフェース部３を接続している。この床反力計２及びインターフェース部３が図１や図４に示すモーメントアーム取得手段や力情報取得手段、足圧中心計測部、属性情報取得手段や表示手段として機能している。
【００３１】
また、姿勢を固定する装具４、たとえば図２（ｂ）に示すように足関節付近にある軸４０を中心に前後に回動する装具４を利用することで、正しい計測姿勢を指定できれば、間違った姿勢による計測ミスを減らすことができ、計測精度や再現性を上げることができる。
【００３２】
身体を直立姿勢から前後左右あるいは斜めのどの方向に傾倒しても、同様に足関節Ａの傾斜角度や、足関節に働くモーメントや、モーメントアームを計測し、足関節機能を評価することができるが、人の足関節は、骨格や筋肉の構成上、前方に最も大きく傾倒することができるような形をしている。可動範囲が広い前方への傾倒では、他の方向に比べ身体を大きく傾倒できるので、Ｓ／Ｎ比の良いデータを得ることができ、評価の精度や再現性をあげることができる。
【００３３】
上述したところから明らかなように、足関節機能の評価には複数のパラメータを利用することができるが、図１は床反力計２で計測することができるＲｚ・ｐを用いる場合を示している。足関節位置から床反力位置までの長さｐの計測には足関節位置の規定を行っておく。
【００３４】
図４は足関節Ａから図３にも示す足圧中心ｃ（上体重心投影点）までの距離であるモーメントアームｑを足関節位置を規定して床反力計で計測して評価を行う場合を示しており、図５は足関節の角度（足関節鉛直方向と身体重心のなす角）をポテンショメータやゴニオメータなどで計測し、（Ｍ−ｍ）・ｇ・ｄ・ｓｉｎθを算出して評価を行う場合を示している。足部の質量ｍの値については男性は体重の３．８％、女性は体重の３．０％、という推定式を用いればよく、足関節から上体重心までの距離ｄには身長の約５５％という推定式を用いればよい。
【００３５】
また図６は後傾時と前傾時の２時点の床反力位置を結ぶ距離ｐ２−ｐ１を用いて評価するもので、図７は２時点の足関節の角度変化量傾斜角度変化量（ｓｉｎθ２−ｓｉｎθ１）を用いて評価するものを示している。この時、θが小さい場合はｓｉｎθ２−ｓｉｎθ１）≒（θ２−θ１）であることから、θ２−θ１の値を用いてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、被験者の定圧中心（身体重心の足底投影点）から導かれる床反力位置や傾倒角といった計測値から足関節機能を評価するものであり、人手と労力を要する徒手型筋力計を用いなくても、立位上体から身体を傾倒させるだけで足関節機能を評価できるものである。
【００３７】
また演算部が、被験者身体が前方へ最大傾倒した時の計測値を用いて足関節機能の評価を行うものである場合、可動範囲が広いためにＳ／Ｎ比の良いデータを得ることができて、評価の精度や再現性をあげることができる。
【００３８】
また異なる方向への傾倒時の計測値の差を用いて足関節機能の評価を行うものであれば、さらに可動範囲が広くなるためにＳ／Ｎ比の良いデータを得ることができて、評価の精度や再現性をあげることができる。
【００３９】
更に演算部は、被験者の身体サイズ等の属性による標準化機能を有していると個人間の計測値の比較が容易になり、評価結果を理解しやすくなる。
【００４０】
また、被験者に対して傾倒時の姿勢をただす姿勢矯正手段を備えていると、被験者の傾倒時の姿勢が誤差を招くことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は同上の正面図と側面図である。
【図３】同上の平面図である。
【図４】他例のブロック図である。
【図５】更に他例のブロック図である。
【図６】別の例のブロック図である。
【図７】更に別の例のブロック図である。
【図８】（ａ）は立位姿勢時のモデル化図、（ｂ）は傾倒時のモデル化図である。
【図９】（ａ）（ｂ）は夫々傾倒時に働くモーメントの説明図である。
【図１０】足関節モーメント（前傾による増加分）についての統計図である。
【図１１】最大前傾時の身体の傾斜角度の統計図である。
【図１２】最大前傾時のモーメントアーム長の統計図である。
【図１３】前後の傾倒によって移動した足圧中心の変化量を足部長で標準化した場合の統計図である。

Claims (8)

1. 被験者身体が立位姿勢にある時の床反力位置と傾倒した時に得られる床反力位置とを計測する計測手段と、計測手段による計測値を基に足関節機能の評価値を演算する演算部とからなることを特徴とする足関節機能評価装置。
2. 被験者身体が立位姿勢にある時の足関節角度と傾倒した時の足関節角度とを計測する計測手段と、計測手段による計測値を基に足関節機能の評価値を演算する演算部とからなることを特徴とする足関節機能評価装置。
3. 被験者身体が傾倒した時に生じる足関節まわりのモーメントを計測する計測手段と、計測手段による計測値を基に足関節機能の評価値を演算する演算部とからなることを特徴とする足関節機能評価装置。
4. 足関節まわりに作用する力のモーメントアーム計測部と、被験者の身体に作用する床反力や重力などカベクトルの情報を取得する力情報取得部とを計測手段として備えていることを特徴とする請求項３記載の足関節機能評価装置。
5. 演算部は、被験者身体が前方へ最大傾倒した時の計測値を用いて足関節機能の評価を行うものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の足関節機能評価装置。
6. 演算部は、異なる方向への傾倒時の計測値の差を用いて足関節機能の評価を行うものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の足関節機能評価装置。
7. 演算部は、被験者の身体サイズ等の属性による標準化機能を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の足関節機能評価装置。
8. 被験者に対して傾倒時の姿勢をただす姿勢矯正手段を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の足関節機能評価装置。

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