JP2004261525A - 変形性膝関節症の判定方法および判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる変形性膝関節症の判定方法および判定装置を提供することにある。
【解決手段】対象者の脛骨近部位１３および踵近部位１５にそれぞれの加速度センサ１３，１５を装着しておき、波形解析部４５ａにより歩行時に垂直方向に生じる第１の加速度信号に生じた第１のピーク点の第１の時刻を抽出し、第２の加速度信号に生じた第２のピーク点の第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの衝撃伝達期間を算出し、この衝撃伝達期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脛骨近部および踵付近部に装着した加速度センサからの加速度信号により変形性膝関節症の判定を行う変形性膝関節症の判定方法および判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＷＨＯは、骨、関節疾患を日常生活に著しい障害を与え、生活機能を低下させる生活機能病として捉えることを提唱している。なかでも変形性膝関節症（以下、膝ＯＡという）の罹患患者は日本国内で約千二百万人と推定され、理学療法士が取り組まなければならない患者として再注目されている。
膝ＯＡは、関節軟骨・半月板・靱帯など膝関節を構成する組織の退行性変性疾患である。膝ＯＡの自然史については十分に解明されておらず、観血的治療が必要な重大な臨床的疾患となるのは１％前後と考えられている。
【０００３】
膝ＯＡの発症と進行には、脛骨と大腿骨の適合不良と異常な運動様式が関与していると推測している。代表的な病態運動として外側ｔｈｒｕｓｔが観察でき、それは病態の悪化因子でもあると報告されている。
また、外側ｔｈｒｕｓｔを客観的に捉えた報告は意外に少なく、非特許文献１によれば、独自の膝関節３次元運動測定システムを用い、外側ｔｈｒｕｓｔは立脚初期の脛骨の内反、外旋、内側移動する現象であると報告している。
【０００４】
さらに、非特許文献２によれば、加速度計を用い、立脚初期の急激な外側方向への加速度の変位を外側ｔｈｒｕｓｔとし、そのピーク値を定量化して報告している。歩行時の脛骨運動を分析することで、膝の異常なメカニカルストレスを明らかにできる可能性がある。
歩行時の脛骨運動を定量的に評価する方法として、ビデオカメラによる光学的手法や磁気センサ・超音波センサによる非接触式の方法などがある。
【０００５】
【非特許文献１】
「関節外科」１６（３）：３２７−３３３，１９９７
「変形性膝関節症の運動解析」 古賀良生、大森豪
【０００６】
【非特許文献２】
「整・炎外」３８（１）：１１−１８，１９９５
「側方動揺性からみた変形性膝関節症の病態と治療」 緒方公介、野見山宏
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１および２に記載された方法では、わずかな関節運動や回旋運動を捉えることができず、膝ＯＡの判定、要注意の判定、健常の判定を高精度に行うことができないといった問題があった。
また、上述した非特許文献２においては、「外側型ＯＡ膝群」と「内側型ＯＡ膝群」の加速度波形を示しているが、定量化していないので、膝ＯＡの判定、要注意の判定、健常の判定を高精度に行うことができないといった問題があった。
また、一般に、膝ＯＡの症状の判定には、レントゲン写真が用いられるが、レントゲン写真で異常が認められる状態ではすでに症状が進行しており、場合によっては膝に痛みが伴っているにもかかわらずレントゲンでは異常が認められないケースもあり、高精度に行うことができないといった問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる変形性膝関節症の判定方法および判定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着した第１の加速度センサにより歩行時に垂直方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度検出ステップと、前記対象者の踵近部位に装着した第２の加速度センサにより歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度検出ステップと、前記第１の加速度信号に生じた第１のピーク点の第１の時刻を抽出し、前記第２の加速度信号に生じた第２のピーク点の第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの衝撃伝達期間を算出し、この衝撃伝達期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着した加速度センサにより歩行時に前後方向に生じる加速度信号を検出する加速度検出ステップと、前記加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度を算出し、前後方向の最小速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着した第１の加速度センサにより歩行時に前後方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度検出ステップと、前記対象者の踵近部位に装着した第２の加速度センサにより歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度検出ステップと、前記第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、前記第１の加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着した加速度センサにより歩行時に側方方向に生じる加速度信号を検出する加速度検出ステップと、前記加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最大速度を算出し、この側方方向の最大速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを要旨とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着した第１の加速度センサにより歩行時に側方方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度検出ステップと、前記対象者の踵近部位に装着した第２の加速度センサにより歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度検出ステップと、前記第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、前記第１の加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを要旨とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着した加速度センサにより歩行時に側方方向に生じる加速度信号を検出する加速度検出ステップと、前記加速度信号の波形が最小値から最大値を経て次の最小値に至る解析範囲に対して、高速フーリエ変換を行い各周波数成分を解析し、０〜２０Ｈｚ及び／又は２０〜４０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルが所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを要旨とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するため、前記加速度信号は、全１４歩の通常歩行のうち、第４歩目と第６歩目で検出することを要旨とする。
【００１５】
請求項８記載の発明は、上記課題を解決するため、前記波形解析ステップは、健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することを要旨とする。
【００１６】
請求項９記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に垂直方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度センサと、前記対象者の踵近部位に装着して歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度センサと、前記第１の加速度信号に生じた第１のピーク点の第１の時刻を抽出し、前記第２の加速度信号に生じた第２のピーク点の第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの衝撃伝達期間を算出し、この衝撃伝達期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを要旨とする。
【００１７】
請求項１０記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に前後方向に生じる加速度信号を検出する加速度センサと、前記加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度を算出し、前後方向の最小速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを要旨とする。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に前後方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度センサと、前記対象者の踵近部位に装着して歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度センサと、前記第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、前記第１の加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを要旨とする。
【００１９】
請求項１２記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に側方方向に生じる加速度信号を検出する加速度センサと、前記加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最大速度を算出し、この側方方向の最大速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを要旨とする。
【００２０】
請求項１３記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に側方方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度センサと、前記対象者の踵近部位に装着して歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度センサと、前記第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、前記第１の加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを要旨とする。
【００２１】
請求項１４記載の発明は、上記課題を解決するため、対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に側方方向に生じる加速度信号を検出する加速度センサと、前記加速度信号の波形が最小値から最大値を経て次の最小値に至る解析範囲に対して、高速フーリエ変換を行い各周波数成分を解析し、０〜２０Ｈｚ及び／又は２０〜４０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルが所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを要旨とする。
【００２２】
請求項１５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記加速度信号は、前記歩行時に行う１４歩の通常歩行のうち、第４歩目と第６歩目で検出することを要旨とする。
【００２３】
請求項１６記載の発明は、上記課題を解決するため、前記波形解析手段は、健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することを要旨とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る変形性膝関節症の判定装置の構成を示す図である。
【００２５】
人体１１の膝１３側方の脛骨近部位には３軸加速度センサ２１が装着されており、踵１５側方の踵近部位には３軸加速度センサ２３が装着されている。踵１５側方に装着された３軸加速度センサ２３は、足が地面に接したタイミングを計測するためのものであり、垂直方向だけ測定できる加速度センサや、足の裏に圧力センサを装着してもよい。なお、紙面上下方向を垂直方向（Ｚ軸）、紙面左右方向を側方方向（Ｙ軸）、紙面前後方向を前後方向（Ｘ軸）とする。また、Ｘ軸とＹ軸がなす面は地面に水平な面である。
【００２６】
３軸加速度センサ２１，２３からの出力信号が入力されたセンサ信号処理ボックス２５では、アナログ信号処理が行われて信号処理装置２７に出力される。さらに、センサ信号処理ボックス２５からの出力信号が入力された信号処理装置２７では、Ａ／Ｄ変換処理が行われ加速度信号を表すディジタル信号がパーソナルコンピュータ２９に出力される。パーソナルコンピュータ２９では、加速度信号を一定時間記憶しており、この加速度信号に基づいて波形解析が行われる。
【００２７】
図２は、図１に示す変形性膝関節症の判定装置をブロック構成として表した図である。
３軸加速度センサ２１，２３には、センサ信号処理ボックス２５からそれぞれ電源が信号ケーブル３３，３５を介して供給されており、各センサからＸ軸出力信号、Ｙ軸出力信号、Ｚ軸出力信号がセンサ信号処理ボックス２５に出力される。
【００２８】
センサ信号処理ボックス２５には、３軸加速度センサ２１，２３からＸ軸出力信号、Ｙ軸出力信号、Ｚ軸出力信号がそれぞれ入力されるアナログ信号処理回路３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅ，３７ｆが設けられている。アナログ信号処理回路では、内部に設けられた０ｄＢアンプによりインピーダンス変換され、さらに、０．３Ｈｚのカットオフ周波数を有するハイパスフィルタＨＰＦと１ｋＨｚのカットオフ周波数を有するローパスフィルタＬＰＦからなるバンドパスフィルタＢＰＦを通過した有効帯域の各軸の出力信号が信号処理装置２７に出力される。
【００２９】
信号処理装置２７には、アナログ信号処理回路３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅ，３７ｆからの各軸の出力信号がそれぞれ入力されるＡ／Ｄ変換器３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ，３９ｆとラインメモリ部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆが設けられている。Ａ／Ｄ変換器では、各軸の出力信号がそれぞれアナログ信号からディジタル信号に変換され、その出力データが順次にラインメモリ部に入力される。さらに、それぞれのラインメモリ部では、パーソナルコンピュータ２９からのデータ要求信号に応じて各軸の出力データが読み出されて出力される。
【００３０】
パーソナルコンピュータ２９は、信号処理装置２７との間でデータのやりとりを行い各軸の出力データを入力するインターフェースＩ／Ｆ部４３、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなり波形解析ソフトウエアを実行する波形解析部４５ａを有する演算制御部４５、インターフェースＩ／Ｆ部４３から入力された各軸の出力データを記憶するハードディスクＨＤからなる記憶部４７、ＶＲＡＭおよび表示制御ＩＣからなり解析中の波形やメッセージを表示する表示制御部４９、キーボード５１、マウス５３から構成されている。
【００３１】
図３は、上述した３軸加速度センサ２１，２３の一例の内部構造を示す平面図である。図３において、６０は薄い箱型で気密（好ましくは真空）の容器で、内部構造を示すため蓋（容器の天井部分）を取り除いてある。６１は容器の底部を貫通する多数のハーメチック端部ピンである。各ピンは３軸加速度センサの振動体７０上の電極膜群の個々と例えばワイヤボンディングの手法で接続されるが、電極膜やボンディングワイヤは図示を省略してある。
【００３２】
３軸加速度センサの振動体５０は、１枚の圧電性材料の平板から成形されており、加速度センサ部と角速度センサ部が一体化されている。３軸加速度センサの振動体７０は、総基部７１の裏面の固定部Ａ７２（斜線部）と、小面積の固定部Ｂ８４（斜線部）の裏面とが容器６０側の台座（図示せず）上に接着され支持されている。
【００３３】
角速度センサ部はいわゆる三脚温又型の形状をした部分であり、各々Ｌ字型の外脚Ａ７３、外脚Ｂ７５、中脚Ｃ７４、および音又基部７６、支点７７よりなる。外脚Ａ７３と外脚Ｂ７５とは通常の２脚音又と同様にそれぞれが片持ち梁的で対称軸（図示せず）に関して対称な振動を行うように、角速度測定回路に含まれる励振回路（発振回路）によって一定振幅で励振させられている。中脚Ｃ５４は励振されないが、その撓みを検出するための表面電極（図示せず）を持っている。固定部と異なるハッチングを付して示した７８Ａ、７８Ｂ、７８Ｃはそれぞれ付加質量で、固有振動数を下げかつ互いに等しくするために脚先端部に施した金属の厚メッキ層よりなる（中脚Ｃ７４の固有振動数は両外脚の固有振動数と適宜に差をつけることがある）。
【００３４】
今、３軸加速度センサ７０が図示の方向、すなわち紙面に垂直なＺ軸に平行な回転軸の回りに角速度ωｚで回転すると、両外側の振動脚には角速度に比例するコリオリ力が作用する。その方向は脚の長手方向であって、ある瞬間外脚Ａ７３に脚先端向きの力が作用すれば、外脚Ｂ７５には脚の基部に向かう力が作用する。力の方向は脚の振動と同期して正弦的に変化し周期的に反転する。２つの力は両外脚が平行に離れておりかつ付加質量の偏心方向も外脚軸に対して逆であるため偶力を構成し、音叉基部７６を揺さぶり、支点７７の回りに微小な回転振動を惹起する。
【００３５】
このコリオリ力によるモーメントに起因する音叉基部７６の振動を感知して中脚Ｃ５４はコリオリ力に比例した振幅で振動する。中脚Ｃ７４に設けた検出電極で抽出された振動電圧が角速度の検出信号である。
【００３６】
３軸加速度センサ７０の加速度センサ部は、１対の平行な振動する２本の棒Ａ、棒Ｂと付加質量よりなる。バネ部である棒Ａ８１、棒Ｂ８２、負荷質量８０（広い面積の素材板の一部の質量とその表面に施した厚メッキ材の質量とよりなる）、２本の支持バネ８３（負荷質量８０を支持しながら図示Ｘ方向の微小な変位を許すための部材）、固定部Ｂ８４（負荷質量８０が特にＸ方向に大きく変位しないように支持固定するための部分）よりなる。各々両端固定である棒Ａ８１、棒Ｂ８２は３軸加速度センサ７０の対称軸に関して対称な弓形をなす振動姿態で発振回路（例えば図１の角速度測定回路１４に含まれる）に励振させられる。
【００３７】
その発振周波数は通常一定であるが、負荷質量８０に図示Ｘ方向の加速度Ｇｘが作用すると、その大きさに比例する力で負荷質量８０は棒Ａ８１、棒Ｂ８２をその長手方向に圧縮あるいは引張ることにより、その力の方向と大きさにより発振周波数が増減し変化する。そこで別途設けた基準周波数と上記発振周波数とを比較し、発振周波数の変化の方向と量を知ればＸ軸方向の加速度を求めることができる。基準周波数源を特に設けず、代わりに角速度センサ要の振動体である外脚Ａ７３、Ｂ７５の発振周波数を利用し得る可能性もある。本３軸加速度センサの最大の利点は薄型であり、しかも３軸加速度センサが人体１１に平行に装着されるので、重要なＧｘ 、ωｚ が検出可能なことである。
【００３８】
次に、図１，図２を参照して、変形性膝関節症の判定装置の特徴的動作について説明する。
まず、人体１１の膝１３側方には３軸加速度センサ２１が装着され、踵１５側方には３軸加速度センサ２３が装着されており、３軸加速度センサ２１，２３からの出力信号がセンサ信号処理ボックス２５に入力されている。
【００３９】
センサ信号処理ボックス２５に設けられたアナログ信号処理回路では、内部に設けられた０ｄＢアンプによりインピーダンス変換され、さらに、０．３Ｈｚから１ｋＨｚの通過帯域を有するバンドパスフィルタＢＰＦを通過して各軸の出力信号が信号処理装置２７に出力される。
【００４０】
次いで、信号処理装置２７では、それぞれのＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換処理が行われ、その出力データが順次にラインメモリ部に入力される。さらに、それぞれのラインメモリ部では、パーソナルコンピュータ２９からのデータ要求信号に応じて各軸の出力データが読み出されてパーソナルコンピュータ２９に設けられたＩ／Ｆ部４３に出力される。
【００４１】
一方、パーソナルコンピュータ２９には電源が投入されており、記憶部４７に設けられたハードディスクＨＤに記憶されているＯＳソフトウエアが演算制御部４５に設けられたＲＡＭにブートされて起動され、さらに、ハードディスクＨＤに記憶されている波形解析ソフトウエアがＲＡＭに転送されて起動され、この結果、波形解析ソフトウエアに関する表示画面（図示しない）がモニタ３１上に表示される。
【００４２】
そこで、モニタ３１上に表示されている表示画面（図示しない）に設けられた「データ読込」ボタン（図示しない）がマウス５３によりクリックされると、まず、Ｉ／Ｆ部４３からラインメモリ部４１ａにデータ要求信号が出力される。次いで、このデータ要求信号を受け付けたラインメモリ部４１ａは、現在記憶中の出力データをＩ／Ｆ部４３に出力する。そこで、演算制御部４５はＩ／Ｆ部４３を介して入力される出力データを記憶部４７に設けられたハードディスクＨＤに記憶する。このようにして、ラインメモリ部４１ａ〜４１ｆに記憶されている出力データが順次にハードディスクＨＤに記憶される。この結果、ハードディスクＨＤには、３軸加速度センサ２１，２３が検出したＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸出力データがそれぞれ記憶される。
【００４３】
（１）加速度波形解析
次いで、モニタ３１上に表示されている表示画面（図示しない）に設けられた「加速度波形解析」ボタン（図示しない）がマウス５３によりクリックされると、図５に示すフローチャートで表されるプログラムが起動される。
【００４４】
まず、ステップＳ１０では、波形解析部４５ａは加速度波形解析を行うため記憶部４７に設けられたハードディスクＨＤに記憶されている３軸加速度センサ２１のＺ軸出力データ、３軸加速度センサ２３のＺ軸出力データとを選択してＲＡＭ上に読み出し、さらに、表示制御部４９に設けられたＶＲＡＭにそれぞれのＺ軸出力データを描画してモニタ３１に表示する。
【００４５】
この結果、モニタ３１の表示画面には図４に示すような加速度−時間に関するグラフが表示される。図４において、下方に示したグラフは歩行時に足関節外果部１５に加わるＺ軸方向の加速度であり、上方に示したグラフは歩行時に腓骨頭部１３に加わるＺ軸方向の加速度である。なお、３軸加速度センサ２３のＺ軸出力データのピーク点から次のピーク点までの時間は１歩行周期を表している。
【００４６】
次いで、ステップＳ１５では、波形解析部４５ａは描画されている２つのグラフ上のそれぞれのピーク点を検出する。すなわち、波形解析部４５ａは加速度グラフに対して左から右方向に向かってスキャンして加速度グラフ上での時間微分値の符号が＋から−に急変する変化点をピーク点として検出し、加速度グラフ上でのピーク点の時刻をそれぞれｔ１１，ｔ１２とする。
【００４７】
ここで、ピーク点の時刻ｔ１１，ｔ１２に基づいて、踵接地から腓骨頭部に衝撃が伝わるまでの衝撃伝搬期間Δｔを求めと、Δｔ＝ｔ１２−ｔ１１となる。
【００４８】
次いで、ステップＳ２０〜Ｓ６０において、Δｔの値に関する膝ＯＡの症状の判定を行う。ステップＳ２０では、Δｔ＜０．０００の場合にステップＳ２５でエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００４９】
一方、ステップＳ２０での判定がＮＯの場合にステップＳ３０では、Δｔが０．０００≦Δｔ＜０．００３のときに、ステップＳ３５で膝ＯＡと判定し、対象者が膝ＯＡであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には膝ＯＡのメッセージが表示される。
【００５０】
一方、ステップＳ３０での判定がＮＯの場合にステップＳ４０では、Δｔが０．００３≦Δｔ＜０．００５のときに、ステップＳ４５で要注意と判定し、対象者が要注意状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には要注意のメッセージが表示される。
【００５１】
一方、ステップＳ４０での判定がＮＯの場合にステップＳ５０では、Δｔが０．００５≦Δｔ≦０．０１２のときに、ステップＳ５５で健常と判定し、対象者が健常状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には健常状態のメッセージが表示される。
【００５２】
一方、ステップＳ５０での判定がＮＯの場合にステップＳ６０では、ΔｔがΔｔ＞０．０１２のときにエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００５３】
このように、対象者の脛骨近部位および踵近部位にそれぞれの加速度センサを装着しておき、歩行時に垂直方向に生じる第１の加速度信号に生じた第１のピーク点の第１の時刻を抽出し、第２の加速度信号に生じた第２のピーク点の第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの衝撃伝達期間を算出し、この衝撃伝達期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
また、波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【００５４】
（２）速度・加速度波形解析その１
次いで、モニタ３１上に表示されている表示画面（図示しない）に設けられた「速度・加速度波形解析その１」ボタン（図示しない）がマウス５３によりクリックされると、図７に示すフローチャートで表されるプログラムが起動される。
【００５５】
まず、ステップＳ１１０では、波形解析部４５ａは加速度波形解析を行うため記憶部４７に設けられたハードディスクＨＤに記憶されている３軸加速度センサ２１のＸ軸出力データを選択してＲＡＭ上に読み出し、さらに、このＸ軸出力データに対して時間軸方向に積分処理を行ってＸ軸方向の速度を算出する。
【００５６】
次いで、ステップＳ１１５では、表示制御部４９に設けられたＶＲＡＭにＸ軸方向の速度データを描画してモニタ３１に表示する。また、ハードディスクＨＤに記憶されている３軸加速度センサ２３のＺ軸出力データを選択してＲＡＭ上に読み出し、表示制御部４９に設けられたＶＲＡＭにＺ軸方向の加速度データを描画してモニタ３１に表示する。
【００５７】
この結果、モニタ３１の表示画面には図６（ａ）に示すようなＸ軸方向の速度−時間に関するグラフが表示され、同時に、表示画面には図６（ｂ）に示すようなＺ軸方向の加速度−時間に関するグラフが表示される。
【００５８】
図６（ａ）に示したグラフは歩行時に腓骨頭部１３に加わるＸ軸方向の速度であり、図６（ｂ）に示したグラフは歩行時に足関節外果部１５に加わるＺ軸方向の加速度である。なお、図６（ａ）において、３軸加速度センサ２１のＸ軸方向の速度データの０クロス点（ｔ２１）から２番目の０クロス点（ｔ２３）までの時間は１歩行周期を表している。
【００５９】
次いで、ステップＳ１２０では、波形解析部４５ａは描画されている図６（ａ）のグラフ上の最小速度を算出する。すなわち、波形解析部４５ａは速度グラフに対して左から右方向に向かってスキャンして速度グラフ上での最小速度値Ｍｉｎ ＡＶＶを検出する。
【００６０】
なお、図６（ａ）において、前方速度の符号を＋、後方速度の符号を−としている。また、Ｍｉｎ ＡＶＶの減少とＭｉｎ ＡＶＴの延長は、荷重反応期に脛骨と大腿骨の動的連結ができていないために、立脚中期の膝の受動的伸展が起きていないことを意味している。
【００６１】
次いで、ステップＳ１３０〜Ｓ１７０において、脛骨の前後方向の速度成分データによって膝ＯＡの判定を行う。ステップＳ１３０では、最小速度値Ｍｉｎ ＡＶＶがＭｉｎ ＡＶＶ＞０ｍ／ｓｅｃの場合に、ステップＳ１３５でエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００６２】
一方、ステップＳ１３０での判定がＮＯの場合にステップＳ１４０では、最小速度値Ｍｉｎ ＡＶＶが０ｍ／ｓｅｃ≧Ｍｉｎ ＡＶＶ＞−０．１３ｍ／ｓｅｃのときに、ステップＳ１４５で膝ＯＡと判定し、対象者が膝ＯＡであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には膝ＯＡのメッセージが表示される。
【００６３】
一方、ステップＳ１４０での判定がＮＯの場合にステップＳ１５０では、Ｍｉｎ ＡＶＶが−０．１３ｍ／ｓｅｃ≧Ｍｉｎ ＡＶＶ＞−０．２０ｍ／ｓｅｃのときに、ステップＳ１５５で要注意と判定し、対象者が要注意状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には要注意のメッセージが表示される。
【００６４】
一方、ステップＳ１５０での判定がＮＯの場合にステップＳ１６０では、Ｍｉｎ ＡＶＶが−０．２０ｍ／ｓｅｃ≧Ｍｉｎ ＡＶＶ≧−０．４０ｍ／ｓｅｃのときに、ステップＳ１６５で健常と判定し、対象者が健常状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には健常状態のメッセージが表示される。
【００６５】
一方、ステップＳ１６０での判定がＮＯの場合にステップＳ１７０では、Ｍｉｎ ＡＶＶがＭｉｎ ＡＶＶ＜−０．４ｍ／ｓｅｃのときにエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００６６】
このように、対象者の脛骨近部位に加速度センサを装着しておき、加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度を算出し、前後方向の最小速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
また、波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【００６７】
（３）速度・加速度波形解析その２
ここで、ステップＳ１１０〜Ｓ１１５の処理は既に説明したので、その説明を省略する。
次いで、ステップＳ１２５では、まず、波形解析部４５ａは描画されている図６（ａ）のグラフ上の最小速度での時刻を算出する。すなわち、波形解析部４５ａは速度グラフに対して左から右方向に向かってスキャンして速度グラフ上での最小速度値Ｍｉｎ ＡＶＶを検出しそのときの時刻ｔ２２を検出する。また、波形解析部４５ａは描画されている図６（ａ）のグラフが０クロス点にある近辺で、かつ、図６（ｂ）のグラフが立ち上がる直前の時刻ｔ２１を検出する。この時刻ｔ２１は踵が接地した瞬間である。ここで、時刻ｔ２１とｔ２２との差分時間Ｍｉｎ ＡＶＴを算出すると、Ｍｉｎ ＡＶＴ＝ｔ２２−ｔ２１となる。
【００６８】
次いで、図８に示すステップＳ１７５〜Ｓ２１５において、Ｍｉｎ ＡＶＴの値に関する膝ＯＡの症状の判定を行う。
ステップＳ１７５では、Ｍｉｎ ＡＶＴがＭｉｎ ＡＶＴ＜０．１８の場合にステップＳ１８０でエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００６９】
一方、ステップＳ１７５での判定がＮＯの場合にステップＳ１８５では、Ｍｉｎ ＡＶＴが０．１８≦Ｍｉｎ ＡＶＴ＜０．２０のときに、ステップＳ１９０で健常と判定し、対象者が健常状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には健常状態のメッセージが表示される。
【００７０】
一方、ステップＳ１８５での判定がＮＯの場合にステップＳ１９５では、Ｍｉｎ ＡＶＴが０．２０≦Ｍｉｎ ＡＶＴ＜０．２２のときに、ステップＳ２００で要注意と判定し、対象者が要注意状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には要注意のメッセージが表示される。
【００７１】
一方、ステップＳ１９５での判定がＮＯの場合にステップＳ２０５では、Ｍｉｎ ＡＶＴが０．２２≦Ｍｉｎ ＡＶＴ＜０．５２のときに、ステップＳ２１０で膝ＯＡと判定し、対象者が膝ＯＡであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には膝ＯＡのメッセージが表示される。
【００７２】
一方、ステップＳ２０５での判定がＮＯの場合にステップＳ２１５では、Ｍｉｎ ＡＶＴがＭｉｎ ＡＶＴ＞０．５２のときにエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００７３】
このように、対象者の脛骨近部位および踵近部位にそれぞれの加速度センサを装着しておき、第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、第１の加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
また、波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【００７４】
（４）速度・加速度波形解析その３
次いで、モニタ３１上に表示されている表示画面（図示しない）に設けられた「速度・加速度波形解析その３」ボタン（図示しない）がマウス５３によりクリックされると、図１０に示すフローチャートで表されるプログラムが起動される。
【００７５】
まず、ステップＳ３１０では、波形解析部４５ａは加速度波形解析を行うため記憶部４７に設けられたハードディスクＨＤに記憶されている３軸加速度センサ２１のＹ軸出力データを選択してＲＡＭ上に読み出し、さらに、このＹ軸出力データに対して時間軸方向に積分処理を行ってＹ軸方向の速度を算出する。
【００７６】
次いで、ステップＳ３１５では、表示制御部４９に設けられたＶＲＡＭにＹ軸方向の速度データを描画してモニタ３１に表示する。また、ハードディスクＨＤに記憶されている３軸加速度センサ２３のＺ軸出力データを選択してＲＡＭ上に読み出し、表示制御部４９に設けられたＶＲＡＭにＺ軸方向の加速度データを描画してモニタ３１に表示する。
【００７７】
この結果、モニタ３１の表示画面には図９（ａ）に示すようなＹ軸方向の速度−時間に関するグラフが表示され、同時に、表示画面には図９（ｂ）に示すようなＺ軸方向の加速度−時間に関するグラフが表示される。
【００７８】
図９（ａ）に示したグラフは歩行時に腓骨頭部１３に加わるＹ軸方向の速度であり、図９（ｂ）に示したグラフは歩行時に足関節外果部１５に加わるＺ軸方向の加速度である。なお、図９（ａ）において、３軸加速度センサ２１のＸ軸方向の速度データの０クロス点（ｔ２１）から２番目の０クロス点（ｔ２３）までの時間は１歩行周期を表している。
【００７９】
次いで、ステップＳ１３０では、波形解析部４５ａは描画されている図９（ａ）のグラフ上の最高速度を算出する。すなわち、波形解析部４５ａは速度グラフに対して左から右方向に向かってスキャンして速度グラフ上での最高速度値Ｍａｘ ＬＶＶを検出する。
【００８０】
なお、図９（ａ）において、右側方速度の符号を＋、左側方速度の符号を−としている。また、Ｍａｘ ＬＶＶの増大とＭｉｎ ＬＶＴの延長は、脛骨の外側移動が増大しており、適切な時期に脛骨内側への速度変換が遅延することで、膝内側に加わる圧縮・剪断ストレスが増大することを意味している。
【００８１】
次いで、ステップＳ３３０〜Ｓ３７０において、脛骨の左右方向の速度成分データによって膝ＯＡの判定を行う。ステップＳ３３０では、最高速度値Ｍａｘ ＬＶＶがＭａｘ ＬＶＶ＜０．１９ｍ／ｓｅｃの場合に、ステップＳ３３５でエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００８２】
一方、ステップＳ３３０での判定がＮＯの場合にステップＳ３４０では、最高速度値Ｍａｘ ＬＶＶが０．１９ｍ／ｓｅｃ≦Ｍａｘ ＬＶＶ＜０．３２ｍ／ｓｅｃのときに、ステップＳ３４５で健常と判定し、対象者が健常状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には健常状態のメッセージが表示される。
【００８３】
一方、ステップＳ３４０での判定がＮＯの場合にステップＳ３５０では、最高速度値Ｍａｘ ＬＶＶが０．３２ｍ／ｓｅｃ≦Ｍａｘ ＬＶＶ＜０．３９ｍ／ｓｅｃのときに、ステップＳ３５５で要注意と判定し、対象者が要注意状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には要注意のメッセージが表示される。
【００８４】
一方、ステップＳ３５０での判定がＮＯの場合にステップＳ３６０では、最高速度値Ｍａｘ ＬＶＶが０．３９ｍ／ｓｅｃ≦Ｍａｘ ＬＶＶ＜０．５２ｍ／ｓｅｃのときに、ステップＳ３６５で膝ＯＡと判定し、対象者が膝ＯＡであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には膝ＯＡのメッセージが表示される。
【００８５】
一方、ステップＳ３６０での判定がＮＯの場合にステップＳ３７０では、最高速度値Ｍａｘ ＬＶＶがＭａｘ ＬＶＶ＞０．５２ｍ／ｓｅｃのときにエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００８６】
このように、対象者の脛骨近部位に加速度センサを装着しておき、加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最大速度を算出し、この側方方向の最大速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
また、波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【００８７】
（５）速度・加速度波形解析その４
ここで、ステップＳ３１０〜Ｓ３１５の処理は既に説明したので、その説明を省略する。
次いで、ステップＳ３２５では、まず、波形解析部４５ａは描画されている図９（ａ）のグラフ上の最小速度での時刻を算出する。すなわち、波形解析部４５ａは速度グラフに対して左から右方向に向かってスキャンして速度グラフ上での最小速度値（Ｍｉｎ ＡＶＶ）を検出しそのときの時刻ｔ３２を検出する。また、波形解析部４５ａは描画されている図９（ａ）のグラフが０クロス点にある近辺で、かつ、図９（ｂ）のグラフが立ち上がる直前の時刻ｔ３１を検出する。この時刻ｔ３１は踵が接地した瞬間である。ここで、時刻ｔ３１とｔ３２との差分時間Ｍｉｎ ＬＶＴを算出すると、Ｍｉｎ ＬＶＴ＝ｔ３２−ｔ３１となる。
【００８８】
次いで、図１１に示すステップＳ３７５〜Ｓ４１５において、Ｍｉｎ ＡＶＴの値に関する膝ＯＡの症状の判定を行う。
ステップＳ３７５では、Ｍｉｎ ＬＶＴがＭｉｎ ＬＶＴ＜０．２４の場合にステップＳ３８０でエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００８９】
一方、ステップＳ３７５での判定がＮＯの場合にステップＳ３８５では、Ｍｉｎ ＬＶＴが０．２４≦Ｍｉｎ ＬＶＴ＜０．２９のときに、ステップＳ３９０で健常と判定し、対象者が健常状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には健常状態のメッセージが表示される。
【００９０】
一方、ステップＳ３８５での判定がＮＯの場合にステップＳ３９５では、Ｍｉｎ ＬＶＴが０．２９≦Ｍｉｎ ＬＶＴ＜０．３１のときに、ステップＳ４００で要注意と判定し、対象者が要注意状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には要注意のメッセージが表示される。
【００９１】
一方、ステップＳ３９５での判定がＮＯの場合にステップＳ４０５では、Ｍｉｎ ＬＶＴが０．３１≦Ｍｉｎ ＬＶＴ＜０．４４のときに、ステップＳ４１０で膝ＯＡと判定し、対象者が膝ＯＡであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には膝ＯＡのメッセージが表示される。
【００９２】
一方、ステップＳ４０５での判定がＮＯの場合にステップＳ４１５では、Ｍｉｎ ＡＶＴがＭｉｎ ＬＶＴ＞０．４４のときにエラーと判定し、３軸加速度センサ２１，２３による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【００９３】
このように、対象者の脛骨近部位および踵近部位にそれぞれの加速度センサを装着しておき、第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、第１の加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
また、波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【００９４】
（６）パワースペクトル解析その１
次いで、モニタ３１上に表示されている表示画面（図示しない）に設けられた「パワースペクトル」ボタン（図示しない）がマウス５３によりクリックされると、図１３に示すフローチャートで表されるプログラムが起動される。
【００９５】
まず、ステップＳ５１０では、波形解析部４５ａは加速度波形解析を行うため記憶部４７に設けられたハードディスクＨＤに記憶されている３軸加速度センサ２１のＹ方向のＹ軸出力データを選択してＲＡＭ上に読み出し、さらに、このＹ軸出力データに対して解析範囲ｔ４１〜ｔ４２を設定する。解析範囲ｔ４１〜ｔ４２は、立脚期の膝側方の加速度が最も変動する範囲であり、加速度グラフの最小値の時刻ｔ４１から最高値を挟んで再度最小値の時刻ｔ４２に戻った範囲である。
【００９６】
次いで、表示制御部４９に設けられたＶＲＡＭにＹ軸方向の加速度データを描画してモニタ３１に表示し、さらに、解析範囲ｔ４１〜ｔ４２を表示する。
この結果、モニタ３１の表示画面には図１２に示すようなＹ軸方向の加速度−時間に関するグラフが表示され、同時に、表示画面には解析範囲ｔ４１〜ｔ４２が表示される。
【００９７】
次いで、ステップＳ５１５では、波形解析部４５ａは解析範囲ｔ４１〜ｔ４２の立脚期の膝側方の加速度について高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行い、加速度の各周波数成分を解析する。
【００９８】
次いで、ステップＳ５２０では、波形解析部４５ａは、２０〜４０Ｈｚを平均周波数ＭＰＦとしており、全周波数でのパワーに対する０〜２０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＬＰＦ、全周波数でのパワーに対する２０〜４０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＭＰＦ、全周波数でのパワーに対する４０〜１２０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＨＰＦを算出する。
【００９９】
次いで、ステップＳ５２５では、波形解析部４５ａは、０〜２０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＬＰＦを評価する。なお、％ＬＰＦの増大は、体重移動に伴う脛骨運動が起こっており、脛骨を垂直に維持するための筋収縮による脛骨運動が減少していることを意味している。
【０１００】
次いで、ステップＳ５３５〜Ｓ５７５において、立脚期の膝側方の加速度に関するパワースペクトル比％ＬＰＦによって膝ＯＡの判定を行う。
【０１０１】
まず、ステップＳ５３５では、０〜２０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＬＰＦが％ＬＰＦ＜５０％の場合に、ステップＳ５４０でエラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１０２】
一方、ステップＳ５３５での判定がＮＯの場合にステップＳ５４５では、％ＬＰＦが５０≦％ＬＰＦ＜７０％のときに、ステップＳ５５０で健常と判定し、対象者が健常状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には健常状態のメッセージが表示される。
【０１０３】
一方、ステップＳ５４５での判定がＮＯの場合にステップＳ５５５では、％ＬＰＦが７０≦％ＬＰＦ＜７５％のときに、ステップＳ５６０で要注意と判定し、対象者が要注意状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には要注意のメッセージが表示される。
【０１０４】
一方、ステップＳ５５５での判定がＮＯの場合にステップＳ５６５では、％ＬＰＦが７５≦％ＬＰＦ＜９０％のときに、ステップＳ５７０で膝ＯＡと判定し、対象者が膝ＯＡであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には膝ＯＡのメッセージが表示される。
【０１０５】
一方、ステップＳ５６５での判定がＮＯの場合にステップＳ５７５では、％ＬＰＦが％ＬＰＦ＞９０％のときにエラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１０６】
このように、対象者の脛骨近部位に加速度センサを装着しておき、加速度信号の波形が最小値から最大値を経て次の最小値に至る解析範囲に対して、高速フーリエ変換を行い各周波数成分を解析し、０〜２０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルが所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
また、波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【０１０７】
（７）パワースペクトル解析その２
ここで、ステップＳ５１０〜Ｓ５２０の処理は既に説明したので、その説明を省略する。
次いで、ステップＳ５３０では、波形解析部４５ａは、２０〜４０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＭＰＦを評価する。なお、％ＭＰＦの減少は％ＬＰＦの増大を意味している。すなわち、％ＬＰＦの増大は、％ＭＰＦの減少につながるので、％ＬＰＦの増大と同様のことを意味している。
次いで、図１４に移り、ステップＳ５８０〜Ｓ６２０において、立脚期の膝側方の加速度に関するパワースペクトル比％ＭＰＦによって膝ＯＡの判定を行う。
【０１０８】
まず、ステップＳ５８０では、２０〜４０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＭＰＦが％ＭＰＦ＜６％の場合に、ステップＳ５８５でエラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１０９】
一方、ステップＳ５８０での判定がＮＯの場合にステップＳ５９０では、％ＭＰＦが６％≦％ＭＰＦ＜１４％のときに、ステップＳ５９５で膝ＯＡと判定し、対象者が膝ＯＡであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には膝ＯＡのメッセージが表示される。
【０１１０】
一方、ステップＳ５９０での判定がＮＯの場合にステップＳ６００では、％ＭＰＦが１４％≦％ＭＰＦ＜１８％のときに、ステップＳ６０５で要注意と判定し、対象者が要注意状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には要注意のメッセージが表示される。
【０１１１】
一方、ステップＳ６００での判定がＮＯの場合にステップＳ６１０では、％ＭＰＦが１８％≦％ＭＰＦ＜４５％のときに、ステップＳ６１５で健常と判定し、対象者が健常状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には健常状態のメッセージが表示される。
【０１１２】
一方、ステップＳ６１０での判定がＮＯの場合にステップＳ６２０では、％ＭＰＦが％ＭＰＦ＞４５％のときにエラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１１３】
このように、対象者の脛骨近部位に加速度センサを装着しておき、加速度信号の波形が最小値から最大値を経て次の最小値に至る解析範囲に対して、高速フーリエ変換を行い各周波数成分を解析し、２０〜４０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルが所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【０１１４】
（８）パワースペクトル解析その３
ここで、ステップＳ５１０〜Ｓ５２０の処理は既に説明したので、その説明を省略する。
次いで、ステップＳ５３０では、波形解析部４５ａは、２０〜４０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＭＰＦを評価する。
【０１１５】
次いで、図１５に移り、ステップＳ７００〜Ｓ７７０において、立脚期の膝側方の加速度に関する２０〜４０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＭＰＦと、立脚期の膝側方の加速度に関する０〜２０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＬＰＦとの組み合わせが適当な範囲にあるか否かによって膝ＯＡの判定を行う。
【０１１６】
まず、ステップＳ７００では、２０〜４０Ｈｚでのパワースペクトル比％ＭＰＦが％ＭＰＦ＜６％の場合に、ステップＳ７０５でエラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１１７】
一方、ステップＳ７００での判定がＮＯの場合にステップＳ７１０では、％ＭＰＦが６％≦％ＭＰＦ＜１４％のときにステップＳ７１５に進む。ステップＳ７１５では、％ＬＰＦが７５％≦％ＬＰＦの場合に、ステップＳ７２０で膝ＯＡと判定し、対象者が膝ＯＡであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には膝ＯＡのメッセージが表示される。他方、ステップＳ７１５での判定がＮＯの場合にステップＳ７２５では、エラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１１８】
一方、ステップＳ７１０での判定がＮＯの場合にステップＳ７３０では、％ＭＰＦが１４％≦％ＭＰＦ＜１８％のときにステップＳ７３５に進む。ステップＳ７３５では、％ＬＰＦが７０％≦％ＬＰＦの場合に、ステップＳ７４０で要注意と判定し、対象者が要注意状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には要注意状態のメッセージが表示される。他方、ステップＳ７３５での判定がＮＯの場合にステップＳ７４５では、エラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１１９】
一方、ステップＳ７３０での判定がＮＯの場合にステップＳ７５０では、％ＭＰＦが１８％≦％ＭＰＦ＜４５％のときにステップＳ７５５に進む。ステップＳ７５５では、％ＬＰＦが５０％≦％ＬＰＦの場合に、ステップＳ７６０で健常と判定し、対象者が健常状態にあることを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上には健常状態のメッセージが表示される。他方、ステップＳ７５５での判定がＮＯの場合にステップＳ７６５では、エラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１２０】
一方、ステップＳ７５０での判定がＮＯの場合にステップＳ７７０では、％ＭＰＦが％ＭＰＦ＞４５％のときにエラーと判定し、３軸加速度センサ２１による測定がエラーであったことを示すメッセージを生成し、表示制御部４９に出力する。この結果、モニタ３１の表示画面上にはエラーメッセージが表示される。
【０１２１】
このように、対象者の脛骨近部位に加速度センサを装着しておき、加速度信号の波形が最小値から最大値を経て次の最小値に至る解析範囲に対して、高速フーリエ変換を行い各周波数成分を解析し、２０〜４０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルと、０〜２０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルとの組み合わせが所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【０１２２】
上述したパワースペクトル解析その２，３を行うことで、以下のような膝ＯＡの早期発見が可能である。すなわち、健常者は膝を接地した瞬間、無意識のうちに膝の筋肉を収縮させ、膝に数１０Ｈｚの振動を発生させることで、膝への衝撃を吸収している。ところが、膝ＯＡ者の場合、筋肉の収縮の周波数が低く、同じ衝撃のエネルギーが膝に加わった場合でも、高いピークの衝撃が膝に加わるため膝に掛かる負担が大きくなって、症状が悪化していく。さらに、健常者でも％ＭＰＦの値が比較的小さい歩き方をしている場合、膝ＯＡになり易いことを示しており、％ＭＰＦの範囲を判定することで、膝ＯＡの早期発見や予防にも有効である。
【０１２３】
（実験例）
今回の実験対象は、健常群１０名、膝ＯＡ群９名であり、図１６に対象者の身体的特徴を示す。健常群は、歩行機能に異常がなく、過去に膝痛の経験がない１０名（男性３名、女性７名）であり、年齢は６３〜７３歳、平均６７．５±２．９である。一方、膝ＯＡ群は、歩行時に膝関節痛を有する９名（男性３名、女性６名）であり、年齢は６８〜８１歳、平均７５．８±４．３である。
【０１２４】
測定肢は右３肢、左６肢である。Ｋｅｌｌｇｒｅｎ＆Ｌａｗｒｅｎｃｅによる膝ＯＡの病気分類では、すべてＧｒａｄｅＩＶであった。膝ＯＡ群は測定翌日に人工膝関節置換術を行い、直視下で大腿骨内側顆を観察した。９名ともに膝関節内側の関節軟骨は消失し、象牙質化が認められた。
【０１２５】
図１に示すように、３軸加速度センサ２１，２３をそれぞれ腓骨頭部１３と足関節外果部１５に固定した。足関節外果部１５のセンサによって脛骨長軸方向の衝撃加速度をとらえ踵接地期を同定した。腓骨頭部１３のセンサによって脛骨近位部に加わる加速度を測定した。３軸加速度センサからの各軸の出力信号はセンサ信号処理ボックス２５を介して信号処理装置２７に転送されてＡ／Ｄ変換され、さらに、パーソナルコンピュータ２９に取り込んむ。パーソナルコンピュータ２９に取り込まれたデータは、データ解析ソフトにより解析した。Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数は、４０００Ｈｚ とした。
【０１２６】
歩行条件は普通歩行で、始めに非測定肢より歩行を開始し、全１４歩の歩行を行った。その中の４歩と６歩目から得られた加速度波形を解析した。これにより加速度波形の特徴を捉えることができる。
【０１２７】
（１）加速度波形の解析
図１７において、得られた加速度波形の垂直方向の成分（＋：上方、−：下方）、前後方向の成分（＋：前方、−：後方）、側方方向の成分（＋：外側、−：内側）を示す。時間因子については１歩行周期を１００％として、対１歩行周期時間に換算した（％Ｇａｉｔ Ｃｙｃｌｅ：％ＧＣ）。
【０１２８】
図１７に示す垂直成分の加速度波形から、Ｉｎｉｔｉａｌ Ｇｏｎｔａｃｔから上方ピークに達するまでの時間（Ｚ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐｅａｋ Ｔｉｍｅ：ＺＡＰＴ）とピーク値（Ｚ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐｅａｋ Ｖａｌｕｅ：ＺＡＰＶ）を求めた。また、腓骨頭部１３に装着した３軸加速度センサ２１から得られたＺＡＰＴから足関節外果部のセンサから得られたＺＡＰＴを引いた値Ｋ−Ａ Ｔｉｍｅ（（Ｋ−Ａ）Ｔ）を求めた。
【０１２９】
また、前後成分の加速度波形から、Ｉｎｉｔｉａｌ Ｃｏｎｔａｃｔから前方ピークに達するまでの時間（Ｘ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐｅａｋ Ｔｉｍｅ：ＸＡＰＴ）とピーク値（Ｘ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐｅａｋ Ｖａｌｕｅ：ＸＡＰＶ）を求めた。
【０１３０】
さらに、側方成分の加速度波形から、Ｉｎｉｔｉａｌ Ｃｏｎｔａｃｔから外側ピークに達するまでの時間（Ｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐｅａｋ Ｔｉｍｅ：ＹＡＰＴ）しピーク値（Ｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐｅａｋ Ｖａｌｕｅ：ＹＡＰＶ）を求めた。
【０１３１】
（２）加速度波形の解析
図１８に示す速度波形は、加速度を時間で積分して求めた。前後の成分の速度波形（＋：前方、−：後方）から、Ｉｎｉｔｉａｌ Ｃｏｎｔａｃｔから立脚期前方最大速度に達するまでの時間（Ｍａｘ Ａｎｔｅｒｉｏｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｔｉｍｅ：Ｍａｘ ＡＶＴ）と速度（Ｍａｘ Ａｎｔｅｒｉｏｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｖａｌｕｅ：Ｍａｘ ＡＶＶ）、後方最大速度に達するまでの時間（Ｍｉｎ Ａｎｔｅｒｉｏｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｔｉｍｅ：Ｍｉｎ ＡＶＴ）と速度（Ｍｉｎ Ａｎｔｅｒｉｏｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｖａｌｕｅ：Ｍｉｎ ＡＶＶ）を求めた。
【０１３２】
側方成分の速度波形（＋：外側、−：内側）から、Ｉｎｉｔｉａｌ Ｃｏｎｔａｃｔから立脚期外側最大速度に達するまでの時間（Ｍａｘ Ｌａｔｅｒａｌ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｔｉｍｅ：Ｍａｘ ＬＶＴ）と速度（Ｍａｘ Ｌａｔｅｒａｌ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｖａｌｕｅ：Ｍａｘ ＬＶＶ）、内側最大速度に達するまでの時間（Ｍｉｎ Ｌａｔｅｒａｌ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｔｉｍｅ：Ｍｉｎ ＬＶＴ）と速度（Ｍｉｎ Ｌａｔｅｒａｌ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｖａｌｕｅ：Ｍｉｎ ＬＶＶ）を求めた。
【０１３３】
（３）加速度の周波数解析
立脚期の側方成分の加速度データに対して高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：ＦＦＴ）を行い、パワースペクトルを算出した。解析の周波数帯域は１２０Ｈｚ 以下として、平均周波数（Ｍｅａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＭＰＦ）を求めた。
【０１３４】
さらに、０−２０Ｈｚ 、２０−４０Ｈｚ、４０−１２０Ｈｚ の周波数帯域に分類し、各周波数帯域のパワースペクトルの積分値から総周波数帯域積分値に対する割合を求めた（％ＬＰＦ，％ＭＰＦ，％ＨＰＦ）。
【０１３５】
（４）データ解析
上述した測定は、３回行い、６歩行周期を解析対象とした。各パラメーターについて、その平均値を被験者の代表値とした。健常群と膝ＯＡ群の比較にはＭａｎｎ−ＷｈｉｔｎｅｙのＵ検定を用い、有意水準は５％とした。
【０１３６】
（５）以下、図１９，図２０，図２１に示す表を参照して、実験結果について説明する。
（５−１）垂直方向の加速度
図２２において、膝ＯＡ群と健常群の垂直方向の代表的な加速度波形を示す。足関節外果部１５に装着した３軸加速度センサ２３からの波形は、健常群では８例が多峰性を示したが、膝ＯＡ群では７例が１峰性の波形を示した。
【０１３７】
腓骨頭部１３に装着した３軸加速度センサ２１からの波形は、健常群では６例が多峰性を示したが、膝ＯＡ群では７例が１峰性の波形を示した。ＺＡＰＴとＺＡＰＶについては、両群間で有意差は認められなかった。また、（Ｋ−Ａ）Ｔについては、膝ＯＡ群は０．００１±０．００３、健常群は０．００７±０．００４であり有意差が認められた。なお、膝ＯＡ群のうち３例は、足関節外果部１５に装着した３軸加速度センサ１５よりも先に腓骨頭部１３に装着した３軸加速度センサ２１にピークが起こっていた。
【０１３８】
（５−２）脛骨前後方向の加速度
図２３において、膝ＯＡ群と健常群の前後方向（Ａ）の代表的な加速度波形を示す。前後方向（Ａ）の加速度成分は、健常人では着床初期にわずかに後方方向への変位が認められ、そのまま前方へピークが出現し、後方へのピークへと移行する。
【０１３９】
健常群では、８例が１峰性を示し、２峰性が１例、３峰性が１例であった。膝ＯＡ群では、７例が２峰性の波形を示し、２例が１峰性であった。健常群のＸＡＰＶは１８．５±３．４３ｍ／ｓｓ，ＸＡＰＴは７．２３±０．７５％１ＧＣであった。
【０１４０】
一方、膝ＯＡ患者では、着床初期にゆっくりと前方へ移行して前方方向へのピークが生じる。その後、前方への加速度はわずかに減少し前方への２次ピークが出現することが多い。
【０１４１】
膝ＯＡ群では、第１ピークのＸＡＰＶは１３．４７±４．６２ｍ／ｓｓ、ＺＡＰＴは５．２３±１．３％１ＧＣ、第２ピーク（ｎ＝７）のＸＡＰＶは９．７９±６．１４ｍ／ｓｓ、ＸＡＰＴは６．６６±１．８４％１ＧＣであった。
【０１４２】
（５−３）脛骨側方方向の加速度
図２３において、膝ＯＡ群と健常群の側方方向の代表的な加速度波形を示す。側方方向（Ｂ）の加速度成分は、健常人では着床初期にわずかに内側に移行して外側ピークが生じる場合や、外側にわずかに揺れても内側に移行して外側ピークを生じる。その外側ピークの多くは１峰性であった。
【０１４３】
健常群では９例が１峰性を示し、１例が２峰性を示した。膝ＯＡ群では４例が２峰性、５例が３峰性を示した。健常群のＹＡＰＶは１８．４５±３．４９ｍ／ｓｓ，ＹＡＰＴは８．０１±０．９９％１ＧＣであった。
【０１４４】
一方、膝ＯＡでは外側にゆっくりと移行して外側ピークを生じる。その外側の加速度ピークは２峰性や３峰性を示した。膝ＯＡ群では、第１ピークのＹＡＰＶは１２．９５±５．６７ｍ／ｓｓ，ＹＡＰＴは４．５４±１．０４％１ＧＣ、第２ピークのＹＡＰＶは１１．７３±５．４５ｍ／ｓｓ，ＹＡＰＴは６．２５±０．９６％１ＧＣ、第３ピーク（ｎ＝５）のＹＡＰＶは４．９２±２．３９ｍ／ｓｓ，ＹＡＰＴは７．８６±０．９８％１ＧＣであった。
【０１４５】
（５−４）脛骨前後方向の速度
図２４において、膝ＯＡ群と健常群の前後方向（Ａ）の代表的な速度波形を示す。健常者では、前方へのピークが生じ、後方へと移りゆっくりと前方速度が増加していく。
一方、膝ＯＡ群では、着床と同時に前方への速度が生じ、後方へのピークの変換は起こらず、立脚後期に後方ピークに達するモノが多かった。
【０１４６】
Ｍａｘ ＡＶＶ、ＭａｘＡＶＴは、健常群と膝ＯＡ群で有意差は認められなかった。一方、Ｍｉｎ ＡＶＶは健常群−０．２７±０．１２ｍ／ｓ、膝ＯＡ群−０．０５±０．０８ｍ／ｓで有意差が認められた。Ｍｉｎ ＡＶＴは、健常群１８．８１±０．３２％１ＧＣ、膝ＯＡ群３４．７６±１６．５４％１ＧＣで有意差が認められた。
【０１４７】
（５−５）脛骨側方方向の速度
図２４において、膝ＯＡ群と健常群の側方方向（Ｂ）の代表的な速度波形を示す。健常者ではわずかに内側速度が生じ、荷重反応期に外側速度ピークを迎え、立脚中期は内側速度に移行し、立脚後期に外側速度が生じる。
膝ＯＡ群では、着床初期には外側速度がすでに生じており、そのまま外側速度は増加する。荷重反応期に最大外側速度が生じ、その後減少して行くが外側速度が生じたままか、わずかに内側速度を生じ、遊脚期に移行する。
【０１４８】
Ｍａｘ ＬＶＶは、健常群０．２９±０．１ｍ／ｓ、膝ＯＡ群０．４２±０．１ｍ／ｓで有意差が認められた。Ｍａｘ ＬＶＴは、健常群９．１３±０．０７％１ＧＣ、膝ＯＡ群８．７２±３．５３％１ＧＣで有意差は認められなかった。Ｍｉｎ ＬＶＶは、健常群−０．１５±０．０７ｍ／ｓ、膝ＯＡ群−０．０４±０．１ｍ／ｓ、Ｍｉｎ ＬＶＴは、健常群２７．３１±２．９４％１ＧＣ、膝ＯＡ群３４．４２±８．８３％１ＧＣで膝ＯＡ群は有意差が認められた。
【０１４９】
（５−６）周波数解析
図２５において、膝ＯＡ群と健常群の周波数解析の結果を示す。健常群と膝ＯＡ群では、立脚期の膝側方加速度成分の周波数分布に明らかな違いが認められる。ＭＰＦは、健常群１９．２３±３．７８Ｈｚ 、膝ＯＡ群１５．８５±４．０１Ｈｚ で両群に有意差はなかった。各周波数帯域割合は、％ＬＰＦは健常群６７．２３±１３．４％、膝ＯＡ群８２．３７±７．９３、％ＭＰＦは健常群３１．４±１３．５６％、膝ＯＡ群１０．０７±３．８９％で有意差が認められた。
【０１５０】
（６）考察
膝ＯＡの病因として遺伝学的検討や生化学的研究が軟骨破壊機序を解明し注目を浴びているが、メカニカルストレスは軟骨破壊の引き金として無視できないものであり、それを客観的に捉えることは病態進行を解明する上で重要である。膝の生体力学的研究では、関節軟骨破壊が圧縮・回旋・剪断力が主因であることより、静的な状態よりも歩行時や荷重動作時での動的な変化を捉えることによって病態運動を明らかにできる可能性がある。
【０１５１】
膝ＯＡの歩行を評価するには、ふだんの規制のない歩行を再現することが重要である。本実験で用いた３軸加速度センサは５ｍのコードが延びいてたが、多数歩連続自由歩行を妨げることなく測定することが可能であった。再現性については各パラメーターの変動係数が１０％以下であり問題ないと判断できる。コスト面からもフォースプレートやビデオ解析機器に比較して安価で簡単であり、臨床において使用するには非常に適している。
【０１５２】
膝ＯＡに認められる異常なメカニカルストレスを生じさせる病態運動として外側ｔｈｒｕｓｔが臨床で観察できる。外側ｔｈｒｕｓｔを、加速度センサを用いて客観的に計測した研究はすでに報告されている。非特許文献２によれば、加速度計を用い、立脚初期の急激な外側方向への加速度の変位を外側ｔｈｒｕｓｔとし、そのピーク値を定量化して報告している。
【０１５３】
しかしながら、立脚初期には健常人をふくめ脛骨内反を伴うことが一般的であり、ピーク値での評価は波形全体を評価していない欠点がある。また、本実験の予備実験においても、ピーク値の変動は大きく再現性に乏しいことが危惧された。確かに外側ｔｈｒｕｓｔは側方動揺が大きいことが予測されるが、膝の運動は回旋を含む３次元での運動であり膝の側方加速度のみを計測している点に疑問を感じざるをえない。本実験では四肢の運動計測に適している圧電型加速度センサを用い、３軸の脛骨近位部の歩行時の運動を測定することによって、膝ＯＡの特徴的な加速度波形を捉えることができた。
【０１５４】
本実験の結果、立脚期に脛骨外側最大加速度が生じる時に、同時に前方への加速度が生じていた。よって立脚初期に認められる外側ｔｈｒｕｓｔは膝関節の３次元での運動であると推測できる。
１歩行周期での３方向の加速度波形を観察すると、健常群、膝ＯＡ群ともに歩行初期の時期に加速度の変動が大きいことが確認できた。立脚初期（着床初期から荷重反応期）には最も大きな筋活動が瞬間的に要求される時期である。着床初期から荷重反応期までの体節制御は、その後の歩行周期における体節制御にも影響を与える。この時期、身体は（１）衝撃吸収、（２）安定した体重負荷、（３）推進力の保存という３つの機能が要求される。膝関節はヒールロッカーから得られた推進力を近位部に伝えるために衝撃吸収を行いながら大腿と下腿を連結することが要求される。脛骨は瞬間的に内反位となるが、水平面において大腿骨が外旋することで脛骨は相対的に内旋位となりＡＣＬとＰＣＬが交差することで安定性が得られる。それと足指屈筋群・後脛骨筋群が働き脛骨の内反を制動する。
【０１５５】
立脚中期には荷重反応期につくられた支持基底面上に身体重心を移動することが要求される。この時期は地面に固定された足部の上を脛骨が前進するＡｎｋｌｅ ｒｏｃｋｅｒが重要な意味をもつ。立脚中期初期では脛骨は大腿部と連結し内旋した状態で前進し、後期では膝関節の能動的な伸展運動が起こるとともに脛骨の外旋によって遊びが生じる。つまり、脛骨は立脚初期に最大外側移動速度が生じ、初期立脚中期に最大内側移動速度が生じる。
【０１５６】
膝ＯＡ群から得られた加速度波形について運動学的解釈を加え考察を述べていく。垂直方向の加速度波形は健常人では、外果部・膝関節部の順に上方加速度ピークが認められるが、膝ＯＡでは膝関節部・外果部の順にピークが認められる場合があった。これは膝ＯＡでは踵接地とそれに続くヒールロッカーがうまく機能していないことを示し、地面からの衝撃吸収ができず、そのまま膝に衝撃が加わっていることが推測される。さらにほとんどの膝ＯＡ群は１峰性のピーク波形を示し、地面から短時間で多くの衝撃を受けていることを意味する。
【０１５７】
脛骨前後方向・側方方向の加速度波形の多峰化は膝関節の動的不安定性によって生じていると推測している。膝ＯＡでは静的な状態でも脛骨が外旋位に位置しており、立脚初期の脛骨の内旋が生じないために靱帯交差による安定性が得られていない。また、大腿四頭筋、膝窩筋による脛骨と大腿骨の連結もうまく行なえていないために、立脚初期に膝関節は非常に不安定な状態に置かれていることが推測される。これらの仮説を実証するためには、脛骨に加わる加速度と同時に回旋要素を明らかにする必要があり今後の課題でもある。
【０１５８】
矢状面の膝関節安定性には大腿四頭筋による筋による制御が重要である。本実験の結果、前後方向の加速度波形は膝ＯＡでは２峰性の波形を示すことが多かった。これは荷重反応期の脛骨の大腿骨の連結がうまくできていないために矢状面での動的安定性が欠如した状態で荷重を受け入れているため生じていると推測される。それを補償するためにＺＡＰＶの減少は起きているのではないか。膝ＯＡでの歩行時の膝関節屈曲角度は減少していることが報告されており、本実験の結果を支持するものである。また、Ｍｉｎ ＡＶＶの減少とＭｉｎ ＡＶＴの延長は荷重反応期に脛骨と大腿骨の動的連結ができていないために、立脚中期の膝の受動的伸展が起きていないことを意味している。
【０１５９】
側方方向の加速度成波形は、初期の外側加速度ピークは健常人にも認められるが、膝ＯＡでは、健常群よりも早期に外側加速度ピークが起こり、さらに第２、３ピークが出現する。それは膝関節動的安定性が欠如した状態で荷重を受け入れているため生じていることは明らかであるが、なぜ外側に加速度が増加するのかは膝不安定性だけでは説明できない。その理由として足指屈筋群や内側アーチ保持筋が荷重反応期の脛骨内反を制動する機能を果たしてないことが考えられる。膝ＯＡ患者では、足横アーチ低下が多く認められ、足指も十分に機能してないことが臨床上観察できる。
【０１６０】
その他にも、着床初期の足部と位置や身体質量中心の制御も複雑に関連していることが臨床上推測される。足部が床面に固定された状態で脛骨近位部の外側移動は脛骨内反を意味しており、最も膝に圧縮応力が加わる立脚中期に健常群では内側速度に変換されるのに対し、膝ＯＡではそれが不十分であった。このことは、異常なメカニカルストレスを生む運動様式によって起こっていることと注目しており、膝内側への圧縮応力と回旋に伴う剪断力の増加を起こすと推測している。今後の研究課題として膝関節回旋運動様式を解明することで、膝ＯＡ発症に関係する異常な運動様式を実証する必要がある。
【０１６１】
本実験では周波数解析においても膝ＯＡは特徴的な周波数分布を示すことが確認できた。立脚期に脛骨に起きる運動としては、足部固定での身体質量中心の移動に伴うゆっくりとした運動、筋の反射的収縮に伴う運動、関節の遊びまたは不安定性によって生じる速い運動とに区別できる。
【０１６２】
膝ＯＡ群によって認められた０−２０Ｈｚ 周波数帯域の増加は、足部固定での身体質量中心の移動に伴うゆっくりとした運動の増加を示し、２０−４０Ｈｚ 周波数帯域の減少は脛骨を内外反中間位に位置するための筋の反射的収縮に伴う運動が不十分なことを意味しているのではないかと推測している。実際、膝ＯＡでは下肢筋力の低下のみでなく神経運動器協調能も低下しており、歩行時の適切な時期による関節安定作用が不十分であることが報告されている周波数帯域と脛骨運動の関連については今後さらなる検討が必要である。
【０１６３】
以上の結果を踏まえ、膝ＯＡの理学療法をデザインし、実施した時の臨床症状の変化と加速度波形の変化について報告する。
【０１６４】
症例は両膝ＯＡと診断された６９歳女性である。理学療法開始時には荷重時痛・歩行時痛ともに強くＶＡＳ；８の状態で短距離の歩行可能であるが、立ち上がり動作・階段昇降動作ともに不可能な状態であった。
【０１６５】
理学療法は以下の目的で行った。（１）踵接地とそれにひきつづく衝撃吸収機能の改善。（２）着床初期から荷重反応期にかけての脛骨内外反中間位の保持。（３）荷重反応期における脛骨と大腿骨の連結機能。（４）立脚中期での下腿の前方推進の制御。（５）股関節骨盤の可動性改善と体幹保持機能の改善。（６）筋力よりも筋収縮のタイミングと外乱に対する反応改善。理学療法を１週間６回施行後、荷重・歩行時痛ＶＡＳ；２に改善、歩行距離の増加、立ち上がり動作可能な状態となった。
【０１６６】
図２６，図２７に理学療法開始前と開始１週間後の加速度波形とパワースペクトラムの変化を示す。また、図２８に加速度、速度、パワースペクトラムの各パラメーターの変化の表を示す。
理学療法を行うことで自覚症状は明らかに改善され、それに伴い加速度波形にも変化が認められ、各パラメーターも健常群の値に近づいたことが確認できる。特に、側方加速度・速度パラメーターの改善と周波数分布の変化は、歩行時の脛骨運動の変化を表わしており、理学療法効果として重要な意味を持つと考えている。
【０１６７】
本実験の結果、膝ＯＡの理学療法としてはただ漠然とした関節可動域訓練や大腿四頭筋訓練よりも異常なメカニカルストレスを生む運動様式を減少させるプログラムの立案が重要であるとの考えに至った。膝関節アライメントを変化させる高位脛骨骨きり術では、軟骨の修復機転が軟骨下骨以下の骨髄組織からの新生血管を通じて生じることが報告されている。
【０１６８】
また、膝ＯＡの病態要因として、荷重バランスの破綻による異常ストレスにより軟骨細胞の基質産生能が低下するというストレス反応説が提唱されている。このことは理学療法を通して運動様式を変化させ異常なメカニカルストレスを減少させれば軟骨修復が起きる可能性があることを意味している。理学療法の効果を脛骨運動の変化として直接測定した実験は本報告が知り得る限り初めてであり、理学療法の客観的効果判定として興味深い結果が得られた。
【０１６９】
【発明の効果】
請求項１又は９記載の本発明によれば、対象者の脛骨近部位および踵近部位にそれぞれの加速度センサを装着しておき、歩行時に垂直方向に生じる第１の加速度信号に生じた第１のピーク点の第１の時刻を抽出し、第２の加速度信号に生じた第２のピーク点の第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの衝撃伝達期間を算出し、この衝撃伝達期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
【０１７０】
請求項２又は１０記載の本発明によれば、対象者の脛骨近部位に加速度センサを装着しておき、加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度を算出し、前後方向の最小速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
【０１７１】
請求項３又は１１記載の本発明によれば、対象者の脛骨近部位および踵近部位にそれぞれの加速度センサを装着しておき、第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、第１の加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
【０１７２】
請求項４又は１２記載の本発明によれば、対象者の脛骨近部位に加速度センサを装着しておき、加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最大速度を算出し、この側方方向の最大速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
【０１７３】
請求項５又は１３記載の本発明によれば、対象者の脛骨近部位および踵近部位にそれぞれの加速度センサを装着しておき、第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、第１の加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
【０１７４】
請求項６又は１４記載の本発明によれば、対象者の脛骨近部位に加速度センサを装着しておき、加速度信号の波形が最小値から最大値を経て次の最小値に至る解析範囲に対して、高速フーリエ変換を行い各周波数成分を解析し、０〜２０Ｈｚ及び／又は２０〜４０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルが所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行うことで、加速度波形の特徴を捉えて、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を定量的に判定することができる。
【０１７５】
請求項７又は１５記載の本発明によれば、加速度信号の検出は、全１４歩の通常歩行のうち、第４歩目と第６歩目で検出することで、加速度波形の特徴を捉えることができる。
【０１７６】
請求項８又は１６記載の本発明によれば、波形解析により健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することで、症状の初期段階から変形性膝関節症に至る過程を報知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る変形性膝関節症の判定装置の構成を示す図である。
【図２】変形性膝関節症の判定装置をブロック構成として表した図である。
【図３】３軸加速度センサの一例の内部構造を示す平面図である。
【図４】モニタの表示画面に表示された加速度−時間に関するグラフである。
【図５】加速度波形解析の一例を表すフローチャートである。
【図６】モニタの表示画面に表示された速度−時間、加速度−時間に関するグラフ（その１）である。
【図７】速度・加速度波形解析の一例を表すフローチャート（その１）である。
【図８】速度・加速度波形解析の一例を表すフローチャート（その２）である。
【図９】モニタの表示画面に表示された速度−時間、加速度−時間に関するグラフ（その２）である。
【図１０】速度・加速度波形解析の一例を表すフローチャート（その３）である。
【図１１】速度・加速度波形解析の一例を表すフローチャート（その４）である。
【図１２】モニタの表示画面に表示された加速度−時間に関するグラフとその解析範囲を示す図である。
【図１３】パワースペクトル解析の一例を表すフローチャート（その１）である。
【図１４】パワースペクトル解析の一例を表すフローチャート（その２）である。
【図１５】パワースペクトル解析の一例を表すフローチャート（その３）である。
【図１６】対象者の身体的特徴を示す表である。
【図１７】腓骨頭部に装着した加速度センサから得られた加速度波形である。
【図１８】腓骨頭部に装着した加速度センサから得られた加速度波形を積分して得られた速度波形である。
【図１９】膝ＯＡ群と健常群の加速度の比較を示す表である。
【図２０】膝ＯＡ群と健常群の速度の比較を示す表である。
【図２１】膝ＯＡ群と健常群のパワースペクトルの比較を示す表である。
【図２２】健常人と膝ＯＡの垂直方向の加速度波形の比較を示すグラフである。
【図２３】健常人と膝ＯＡの前後・側方成分の加速度波形の比較を示すグラフである。
【図２４】健常人と膝ＯＡの前後・側方成分の速度波形の比較を示すグラフである。
【図２５】健常人と膝ＯＡのパワースペクトルの比較を示すグラフである。
【図２６】ＰＴ介入前後の加速度・速度波形の比較を示すグラフである。
【図２７】ＰＴ介入前後のパワースペクトルの比較を示すグラフである。
【図２８】ＰＴ介入前後の各パラメータの比較を示す表である。
【符号の説明】
２１，２３ ３軸加速度センサ
２５ センサ信号処理ボックス
２７ 信号処理装置
２９ パーソナルコンピュータ
３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅ，３７ｆ アナログ信号処理回路
３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ，３９ｆ Ａ／Ｄ変換器
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ ラインメモリ部
４３ インターフェースＩ／Ｆ部
４５ 演算制御部
４５ａ 波形解析部
４７ 記憶部
４９ 表示制御部

Claims (16)

1. 対象者の脛骨近部位に装着した第１の加速度センサにより歩行時に垂直方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度検出ステップと、
   前記対象者の踵近部位に装着した第２の加速度センサにより歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度検出ステップと、
   前記第１の加速度信号に生じた第１のピーク点の第１の時刻を抽出し、前記第２の加速度信号に生じた第２のピーク点の第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの衝撃伝達期間を算出し、この衝撃伝達期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定方法。
2. 対象者の脛骨近部位に装着した加速度センサにより歩行時に前後方向に生じる加速度信号を検出する加速度検出ステップと、
   前記加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度を算出し、前後方向の最小速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定方法。
3. 対象者の脛骨近部位に装着した第１の加速度センサにより歩行時に前後方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度検出ステップと、
   前記対象者の踵近部位に装着した第２の加速度センサにより歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度検出ステップと、
   前記第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、前記第１の加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定方法。
4. 対象者の脛骨近部位に装着した加速度センサにより歩行時に側方方向に生じる加速度信号を検出する加速度検出ステップと、
   前記加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最大速度を算出し、この側方方向の最大速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定方法。
5. 対象者の脛骨近部位に装着した第１の加速度センサにより歩行時に側方方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度検出ステップと、
   前記対象者の踵近部位に装着した第２の加速度センサにより歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度検出ステップと、
   前記第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、前記第１の加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定方法。
6. 対象者の脛骨近部位に装着した加速度センサにより歩行時に側方方向に生じる加速度信号を検出する加速度検出ステップと、
   前記加速度信号の波形が最小値から最大値を経て次の最小値に至る解析範囲に対して、高速フーリエ変換を行い各周波数成分を解析し、０〜２０Ｈｚ及び／又は２０〜４０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルが所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析ステップとを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定方法。
7. 前記加速度信号は、
   全１４歩の通常歩行のうち、第４歩目と第６歩目で検出することを特徴とする請求項１乃至６記載の変形性膝関節症の判定方法。
8. 前記波形解析ステップは、
   健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することを特徴とする請求項１乃至６記載の変形性膝関節症の判定方法。
9. 対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に垂直方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度センサと、
   前記対象者の踵近部位に装着して歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度センサと、
   前記第１の加速度信号に生じた第１のピーク点の第１の時刻を抽出し、前記第２の加速度信号に生じた第２のピーク点の第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの衝撃伝達期間を算出し、この衝撃伝達期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定装置。
10. 対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に前後方向に生じる加速度信号を検出する加速度センサと、
    前記加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度を算出し、前後方向の最小速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定装置。
11. 対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に前後方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度センサと、
    前記対象者の踵近部位に装着して歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度センサと、
    前記第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、前記第１の加速度信号を積分して求めた速度から前後方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定装置。
12. 対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に側方方向に生じる加速度信号を検出する加速度センサと、
    前記加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最大速度を算出し、この側方方向の最大速度が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定装置。
13. 対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に側方方向に生じる第１の加速度信号を検出する第１の加速度センサと、
    前記対象者の踵近部位に装着して歩行時に垂直方向に生じる第２の加速度信号を検出する第２の加速度センサと、
    前記第２の加速度信号の波形が急峻に立ち上がる第１の時刻を抽出し、前記第１の加速度信号を積分して求めた速度から側方方向の最小速度となる第２の時刻を抽出し、第１の時刻から第２の時刻までの期間を算出し、この期間が所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定装置。
14. 対象者の脛骨近部位に装着して歩行時に側方方向に生じる加速度信号を検出する加速度センサと、
    前記加速度信号の波形が最小値から最大値になる解析範囲に対して、高速フーリエ変換を行い各周波数成分を解析し、０〜２０Ｈｚ及び／又は２０〜４０Ｈｚの周波数範囲のパワースペクトルが所定範囲にあるか否かにより変形性膝関節症の判定を行う波形解析手段とを有することを特徴とする変形性膝関節症の判定装置。
15. 前記加速度信号は、
    前記歩行時に行う１４歩の通常歩行のうち、第４歩目と第６歩目で検出することを特徴とする請求項９乃至１４記載の変形性膝関節症の判定装置。
16. 前記波形解析手段は、
    健常、要注意、変形性膝関節症、エラーのうち何れか１つを判定結果のメッセージとして報知することを特徴とする請求項９乃至１４記載の変形性膝関節症の判定装置。

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