JP2011172604A - 関節可動域訓練装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用者が痛みを伴わずに関節可動域訓練を行うことができる関節可動域訓練装置を提供する。
【解決手段】関節可動域訓練装置は、足裏を載せるペダル１１１と、ペダル１１１を駆動する駆動部と、使用者に所定の通知を行う通知部と、所定の制御を行う制御ユニットとを備える。また、ペダル１１１の内部には、足裏からペダル１１１に加わる荷重を測定する力検出器が設けられている。本訓練装置によれば、使用者は自力で動かすことができる関節可動域の範囲内で筋肉を能動的に収縮させた後に当初の可動域の限界を超える位置まで関節を動かすため、従来の訓練装置のように関節に無理な力を加える必要がない。そのため、使用者は痛みを感じずに関節可動域訓練を行うことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、人体の関節の可動域を広げる訓練に用いられる関節可動域訓練装置に関する。

人体の関節は長期間動かさない状態にしておくと、その可動域が狭まる。このことは高齢者や脳卒中患者、骨折患者等において顕著に見られる。それを改善するためには、理学療法士等が患者の関節に力を加え、関節の可動域を広げる訓練（関節可動域訓練）を行うことが有効である。

従来より関節可動域訓練を人の手を借りずに機械を用いて行うことが提案されている。例えば特許文献１には、患者の肢体をアーム先端の把持部に固定し、アームに所定の動作を繰り返し行わせることにより、その肢体の動きに連動する関節の可動域訓練を行う装置が記載されている。

特開２０００−１８９４７５号公報

従来の関節可動域訓練装置では、使用者の関節を、本人が自力で動かすことができる可動域を超える角度まで強制的に動かす。そのため、使用者は関節に痛みを感じやすい。

本発明が解決しようとする課題は、使用者が痛みを伴わずに関節可動域訓練を行うことができる関節可動域訓練装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る関節可動域訓練装置は、
a)訓練対象の関節の動きに連動する人体の部位の移動方向に可動である可動部と、
b)該可動部を駆動する駆動手段と、
c)前記部位から前記可動部に加わる荷重を測定する荷重測定手段と、
d)使用者に所定の通知を行う通知手段と、
e)以下のe1)〜e4)の制御を行う制御手段と、
を備える。
e1)前記荷重測定手段により該可動部と前記部位の接触を検知するまで、前記駆動手段により前記可動部を移動させ、その接触時の該可動部の位置を訓練の開始位置とする。
e2)前記荷重測定手段により所定の閾値以上の荷重を検知すると、前記駆動手段により前記可動部を該荷重に逆らわない方向に移動させる。
e3)前記可動部が所定の中間位置に到達すると、前記通知手段により使用者に前記可動部へ荷重を掛けることを止めるように通知する。
e4)前記駆動手段により前記可動部を同方向に更に移動させ、前記可動部が所定の反転位置に到達すると移動方向を反転させ、前記開始位置を超える終了位置まで移動させる。

関節はそれを動かす筋肉が十分に弛緩しないと、骨格の限界よりも手前で可動域の制限を受ける。本装置を用いた訓練では、その制限を緩和するために、筋肉を能動的に一旦収縮させた後に弛緩させる。これにより筋肉は収縮前よりも弛緩しやすくなり、関節可動域が広がる。このような訓練方法は、筋肉・靱帯・関節内にある感覚受容器を刺激して神経−筋機構の反応を促すＰＮＦ（神経筋促通手技法）の考え方に基づいている。

本発明に係る関節可動域訓練装置では、上記訓練を次の手順により行う。まず、使用者は訓練対象の関節の動きに連動する部位を可動域の一方の限界まで自力で動かし、その状態を維持する。次に、制御手段は駆動手段により可動部を前記部位に近づける。可動部が前記部位に接触し、荷重測定手段がその接触を検知すると、制御手段は可動部の移動を停止させる。この接触時の可動部の位置を訓練の開始位置とする。

次に、使用者は前記部位を可動部に押し付け、そこに荷重を掛ける。荷重測定手段が所定の閾値以上の荷重を検知すると、制御手段は駆動手段により可動部をその荷重に逆らわない方向に移動させる。使用者は可動部の移動中も荷重を掛け続ける。この間、この動作で主として働く筋肉は能動的に収縮する。

制御手段は、可動部が所定の中間位置に到達すると、通知手段を用いて使用者に前記部位を可動部に押し付けることを止めるように通知する。そして、その後も可動部をさらに同方向へ移動させる。使用者は、その通知の後は可動部に荷重を掛けることを止め、前記部位を可動部とともに移動させる。

可動部が所定の反転位置に到達すると、制御手段は可動部の移動方向を反転させ、前記開始位置を超える終了位置まで可動部を移動させる。この間も使用者は前記部位を可動部とともに移動させる。このとき、それまで収縮していた前記筋肉は弛緩する。

上で述べた「中間位置」は、可動部の可動範囲内において予め定めておく。この位置は、角度で定めておいてもよいし、駆動手段による可動部の移動速度が定まっている場合は、移動時間で定めてもよい。

本発明に係る関節可動域訓練装置によれば、使用者は自力で動かすことができる関節可動域の範囲内で筋肉を能動的に収縮させた後に当初の可動域の限界を超える位置まで関節を動かすため、従来の訓練装置のように関節に無理な力を加える必要がない。そのため、使用者は痛みを感じずに関節可動域訓練を行うことができる。

なお、ＰＮＦは、高齢者や脳卒中患者等のリハビリテーションの他、スポーツ選手のコンディショニング等の用途にも適用されている運動療法である。本装置はそのような用途にも使用することができる。

以下、添付図面に基づき、本発明に係る関節可動域訓練装置の実施例を説明する。

第１の実施例は、足関節用の関節可動域訓練装置１００である。図１は訓練装置１００の概略構成図である。訓練装置１００は、足裏を載せるペダル１１１が設けられた訓練ユニット１１０と、ペダル１１１の動作などを制御するための制御ユニット１３０と、使用者が制御ユニット１３０に指示を与えるための操作部１４０とを備える。

図２は訓練ユニット１１０の平面図である。訓練ユニット１１０の基部１２１の上には、踵側に回転軸１１２が設けられたペダル１１１と、ペダル１１１の内部に設けられたロードセル等の力検出器１１４と、サーボモータ１１５・ギアボックス１１６及び第１平歯車１１７を有する駆動部１１３とが設けられている。第１平歯車１１７は回転軸１１２に設けられた第２平歯車１１８と噛み合っている。図３は、図２のＡ−Ａ線におけるペダル１１１の断面図である。ペダル１１１は上板１１１Ａ及び下板１１１Ｂの２層構造となっており、各板の間に力検出器１１４が設けられている。

図４は訓練装置１００の機能を示すブロック図である。この図に基づいて、制御ユニット１３０の構成を説明する。制御ユニット１３０は、訓練ユニット１１０の駆動部１１３に駆動電流を供給するサーボアンプ等の駆動制御部１３１と、力検出器１１４からの検出信号を増幅するロードセルアンプ等の信号増幅部１３２と、それらが接続されているマシンコントローラ１３５とを備える。マシンコントローラ１３５には、駆動制御部１３１と信号増幅部１３２の他にも、操作部１４０と、スピーカ又は表示灯等の通知手段を備える通知部１３３と、後述する閾値などを設定するための調節ダイヤル等の入力装置を備える入力部１３４が接続されている。なお、通知部１３３や入力部１３４は、制御ユニット１３０に設けるのではなく、操作部１４０等の適当な場所に設けてもよい。また、入力部１３４を設ける代わりに、パーソナルコンピュータ等の端末をマシンコントローラ１３５に接続してもよい。

操作部１４０は、訓練開始をマシンコントローラ１３５に指示するためのスタートスイッチと、駆動部１１３を緊急停止させるための緊急停止スイッチを備える。

図５は訓練装置１００を用いた関節可動域訓練の手順を示す図である。まず、使用者は足裏をペダル１１１に載せ、踵をペダル１１１に付けたまま、つま先をできるだけ高く上げる（図５（ａ））。

次に、使用者が操作部１４０のスタートスイッチをＯＮにすると、マシンコントローラ１３５は駆動制御部１３１に制御信号を送り、駆動部１１３を駆動させ、ペダル１１１を回転軸１１２を中心に上方へ回転させる。ペダル１１１が足裏に接触すると（図５（ｂ））、ペダル１１１内の力検出器１１４がその接触を検知し、その検出信号が信号増幅部１３２を介してマシンコントローラ１３５に送られる。その検出信号を受けてマシンコントローラ１３５は駆動制御部１３１に駆動部１１３の動作を停止させる信号を送る。これにより、ペダル１１１は足裏に接触した位置（開始位置Ｂ）で停止する。

次に、マシンコントローラ１３５は通知部１３３により、使用者にペダル１１１へ荷重を掛けるように促す。その指示に従って使用者はペダル１１１に足裏を押し付け、そこに荷重を掛ける。力検出器１１４が予め設定されている第１の閾値以上の荷重を検知すると、マシンコントローラ１３５は駆動制御部１３１に制御信号を送り、駆動部１１３を駆動させる。これにより、ペダル１１１は、所定時間（例えば７秒間）、一定速度を保ったまま下方に移動し、第１の所定角度（例えば３０°）だけ回転した位置（中間位置Ｃ）まで進む（図５（ｃ））。使用者は、このペダル１１１の移動中もペダル１１１に荷重を掛け続ける。なお、この間に使用者が力を抜いてしまうと関節可動域訓練が成立しない。そこで、この間に力検出器１１４にて検出される荷重が第２の閾値よりも小さくなると、マシンコントローラ１３５は駆動制御部１３１に駆動部１１３の動作を停止させる信号を送り、ペダル１１１の移動を一時的に停止させる。第２の閾値は第１の閾値と同一であってもよい。また、各閾値で定められた荷重と使用者の筋力とが釣り合わないと、使用者はペダル１１１に荷重を掛けにくくなる。その場合には、入力部１３４により各閾値を変更して再度訓練を行う。

ペダル１１１が中間位置Ｃまで移動すると、マシンコントローラ１３５は通知部１３３により、使用者にペダル１１１へ荷重を掛けることを止めるように促す。その指示に従って使用者はペダル１１１に加えていた力を抜く。マシンコントローラ１３５は、その後もペダル１１１を下方へ移動させる。使用者は、ペダル１１１とともにつま先を下降させる。

ペダル１１１が第２の所定角度（例えば１０°）だけ回転した位置（位置Ｄ）に到達すると（図５（ｄ））、マシンコントローラ１３５は、ペダル１１１の移動方向を反転させ、ペダル１１１を上方へ移動させる。ペダル１１１が中間位置Ｃを超え、開始位置Ｂから更に第３の所定角度（例えば１°）だけ進んだ位置（終了位置Ｅ）に到達すると、マシンコントローラ１３５はペダル１１１の移動を停止させる（図５（ｅ））。この間も、使用者はペダル１１１に合わせてつま先を移動させる。これにより、痛みを伴わずに足関節を、当初に自力で動かすことができた可動域を超える位置まで動かすことができる。

上記訓練の効果をあげるためには、上記サイクルを繰り返すことが望ましい。ペダル１１１が終了位置Ｅに到達した後、この位置を新たな開始位置Ｂ’として同様の動作を繰り返す。これにより、終了位置は１サイクル毎に第３の所定角度だけ関節を広げる方向に移動する。これにより、少しずつ関節可動域を広げることができる。

上記訓練では、使用者がペダル１１１に荷重を掛けているときに、その荷重に逆らわない方向にペダル１１１を移動させるため、使用者は極端に強い力をペダル１１１に掛けにくい。そのため、荷重を掛け過ぎて関節を痛めたり、血圧が過度に上昇する等のトラブルが発生しにくい。

第２の実施例は、上肢の関節可動域訓練装置２００である。図６は訓練装置２００の概略構成図である。図７は訓練装置２００の使用状況を示す正面図（ａ）及び部分側面図（ｂ）である。訓練装置２００は、前腕により左右方向に押されるバタフライマシンのアーム部２０１と、アーム部２０１の動作を制御するための制御ボックス２３０と、フットスイッチ等の操作部２４０とを備える。アーム部２０１は左右の前腕を訓練するために一対設けられている。

アーム部２０１は、前腕と接触する腕当て部２１０と、腕当て部２１０を回転可能に支持する支持部２２０からなる。支持部２２０は、その一端が腕当て部２１０を支持し、他端が制御ボックス２３０に挿入されている。図８は、図６のＦ−Ｆ線における腕当て部２１０の断面図である。腕当て部２１０は、支持部２２０の端部に固定されたベース部２１１と、使用者の前腕が接触する接触板２１２からなり、それらの間に力検出器２１３が設けられている。

図６に示すように、制御ボックス２３０には、実施例１の駆動部１１３及び制御ユニット１３０と同様の機能を有する駆動部２３１及び制御ユニット２３４が設けられている。制御ボックス２３０に挿入された支持部２２０の端部と駆動部２３１内の回転軸にはそれぞれ歯車（図示せず）が設けられ、それらが噛み合っている。制御ユニット２３４には、駆動部２３１・力検出器２１３及び操作部２４０が接続されている。

図７に示すように、訓練の開始時におけるアーム部２０１の位置を使用者の左右に開いた位置にすることにより、上肢の可動域を後方に拡張する訓練を行うことができる。また、図９に示すように、アーム部２０１の開始位置を使用者の正面にしてもよい。

なお、本実施例の訓練装置２００と実施例１の訓練装置１００とは、訓練対象の関節が異なるものの、訓練の基本的な考え方は同一である。そのため、本実施例の訓練装置２００を用いた関節可動域訓練の手順は、本質的には実施例１と同じである。このことは、以下の実施例においても同様である。

第３の実施例に係る関節可動域訓練装置３００も上肢の関節可動域訓練に用いられるものである。図１０は、訓練装置３００の使用状況を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。訓練装置３００は、背もたれ３２０の後方に設けられている制御ボックス３３０と、制御ボックス３３０の側面に設けられた回転軸３１１を中心に上下方向に回転可能な肘掛け３１０とを備える。

肘掛け３１０は、肘が接触する接触板３１２と、それを下から支持するベース部３１３の２層構造となっており、それらの間に力検出器３１４が設けられている。制御ボックス３３０の内部には、実施例２と同様、駆動部及び制御ユニットが設けられている（図示せず）。駆動部は、回転軸３１１を回転させることにより、肘掛け３１０を上下に回転させる。肘掛け３１０は、このように回転させる構造にするのではなく、上下にスライドさせる構造にしてもよい。

訓練装置３００では、肘掛け３１０を上下に移動させて、そこに押し当てた肘を上下動させることにより、肘を高く上げる訓練を行うことができる。

第４の実施例は、腰部の関節可動域訓練装置４００である。図１１は訓練装置４００の使用状況を示す側面図である。図１１（ａ）は訓練開始時の状態を示し、図１１（ｂ）は背中を背もたれ４１０に押し付けている状態を示す。訓練装置４００は、座部４２０の後方に設けられた制御ボックス４３０と、制御ボックス４３０の側面に設けられた回転軸４１１を中心に前後に傾斜する背もたれ４１０とを備える。

背もたれ４１０は、背中が接触する接触板４１２及びそれを後方から支持するベース部４１３の２層構造となっており、それらの間に力検出器４１４が設けられている。制御ボックス４３０の内部には、実施例２と同様、駆動部及び制御ユニットが設けられている（図示せず）。駆動部は、回転軸４１１を回転させることにより、背もたれ４１０を前後に傾斜させる。肘掛け４１５は座部４２０等に固定されたものでもよいが、図１１に示すように背もたれ４１０の動作に合わせて移動するものにすると、訓練をより行いやすくなる。

訓練装置４００では、背もたれ４１０を前後に傾斜させて、そこに押し当てた使用者の背中を前後に動かすことにより、腰部の関節可動域を拡張する訓練を行うことができる。

第５の実施例は、膝関節用の関節可動域訓練装置５００である。図１２は訓練装置５００の概略構成を示す側面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図１３は訓練装置５００の使用状況を示す側面図である。訓練装置５００は、レッグエクステンションマシンのアーム部５１０と、サーボモータやギアボックス等が設けられている駆動部５２０と、駆動部５２０等を制御する制御ユニット５３０とを備える。

アーム部５１０は、下腿の前面と接触する第１の脚当て部５１１と、下腿の背面と接触する第２の脚当て部５１２と、それらを支持する支持部５１３とを備える。支持部５１３の上端は、使用者の膝付近までの高さを有する支柱５２７の上端部に取り付けられている。支持部５１３は、この取付位置を中心に上下方向に回転する。図１４は第１の脚当て部５１１の断面図である。第１の脚当て部５１１は、下腿前面が接触する接触板５１１Ａと、それを支持するベース部５１１Ｂと、それらの間に設けられている力検出器５１１Ｃからなる。第２の脚当て部５１２も同様の構造を有する。

駆動部５２０の側面から延伸する動力伝達軸５２１の端部にはクランク５２２が設けられている。クランク５２２には、その回転運動を支持部５１３に伝達するための動力伝達ロッド５２３が取り付けられている。動力伝達ロッド５２３の他端は支持部５１３に接続されている。なお、動力の伝達手段はこれに限らず、ワイヤやチェーン等を用いてもよい。

訓練装置５００では、図１３に示すように、第一の脚当て部５１１に下腿前面を押し当てることにより、膝関節の可動域を後方に広げる訓練を行うことができ（図１３（ａ））、第２の脚当て部５１２に下腿背面を押し当てることにより、膝関節の可動域を前方に広げる訓練を行うことができる（図１３（ｂ））。なお、本実施例では片膝を訓練する装置を示しているが、脚当て部を長くして両膝を同時に訓練する装置としたり、アーム部などを隣接して２組設け両膝を独立に訓練する装置としてもよい。

以上、本発明に係る関節可動域訓練装置について複数の実施例を挙げて説明を行ったが、上記は例に過ぎない。例えば、上記各実施例では駆動部にサーボモータを用いたが、その代わりに油圧シリンダ等を用いてもよい。荷重測定手段には力検出器を用いたが、その代わりにトルク検出器等を用いてもよい。使用者に可動部に荷重を掛けることを止めることを通知する際には、音や光を用いる代わりにペダル等の可動部の移動速度を変化させることによって、使用者にそのタイミングであることを認識させてもよい。可動部の移動を反転させるタイミングは、可動部の位置や角度ではなく移動時間により決定してもよい。以上の他にも、本発明の精神内で適宜に改良や修正を行ったとしてももちろん構わない。

実施例１に係る訓練装置１００の概略構成図。 同装置に設けられた訓練ユニット１１０内部の平面図。 図２のＡ−Ａ線におけるペダル１１１の断面図。 同装置の機能を示すブロック図。 同装置を用いた関節可動域訓練の手順を示す図。 実施例２に係る訓練装置２００の概略構成図。 同装置の使用状況を示す正面図（ａ）及び部分側面図（ｂ）。 図６のＦ−Ｆ線におけるバタフライマシン用腕当て部２１０の断面図。 同装置の使用状況の変形例を示す正面図。 実施例３に係る訓練装置３００の使用状況を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）。 実施例４に係る訓練装置４００の使用状況を示す側面図。 実施例５に係る訓練装置５００の概略構成を示す側面図（ａ）及び平面図（ｂ） 同装置の使用状況を示す側面図。 同装置の第１の脚当て部５１１の断面図。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００…関節可動域訓練装置
１１０…訓練ユニット
１１１…ペダル
１１１Ａ…上板
１１１Ｂ…下板
１１２、３１１、４１１…回転軸
１１３、２３１、５２０…駆動部
１１４、２１３、３１４、４１４、５１１Ｃ…力検出器
１１５…サーボモータ
１１６…ギアボックス
１１７…第１平歯車
１１８…第２平歯車
１２１…基部
１３０、２３４、５３０…制御ユニット
１３１…駆動制御部
１３２…信号増幅部
１３３…通知部
１３４…入力部
１３５…マシンコントローラ
１４０、２４０…操作部
２０１、５１０…アーム部
２１０…腕当て部
２１１、３１３、４１３、５１１Ｂ…ベース部
２１２、３１２、４１２、５１１Ａ…接触板
２２０、５１３…支持部
２３０、３３０、４３０…制御ボックス
４２０…座部
５１１…第１の脚当て部
５１２…第２の脚当て部
５２１…動力伝達軸
５２２…クランク
５２３…動力伝達ロッド
５２７…支柱

Claims (9)

1. a)訓練対象の関節の動きに連動する人体の部位の移動方向に可動である可動部と、
   b)該可動部を駆動する駆動手段と、
   c)前記部位から前記可動部に加わる荷重を測定する荷重測定手段と、
   d)使用者に所定の通知を行う通知手段と、
   e)以下のe1)〜e4)の制御を行う制御手段と、
   を備える関節可動域訓練装置。
   e1)前記荷重測定手段により該可動部と前記部位の接触を検知するまで、前記駆動手段により前記可動部を移動させ、その接触時の該可動部の位置を訓練の開始位置とする。
   e2)前記荷重測定手段により所定の閾値以上の荷重を検知すると、前記駆動手段により前記可動部を該荷重に逆らわない方向に移動させる。
   e3)前記可動部が所定の中間位置に到達すると、前記通知手段により使用者に前記可動部へ荷重を掛けることを止めるように通知する。
   e4)前記駆動手段により前記可動部を同方向に更に移動させ、前記可動部が所定の反転位置に到達すると移動方向を反転させ、前記開始位置を超える終了位置まで移動させる。
2. 前記可動部が前記終了位置に移動した後、該終了位置を新たな開始位置として同様の動作を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の関節可動域訓練装置。
3. 前記可動部が前記中間位置に到達する前に前記荷重測定手段にて測定される荷重が第２の閾値よりも小さくなると、前記制御手段が前記駆動手段による前記可動部の移動を停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の関節可動域訓練装置。
4. 使用者が前記閾値及び／又は第２の閾値を変更するための閾値変更手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の関節可動域訓練装置。
5. 前記可動部が足裏を載せるペダルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の関節可動域訓練装置。
6. 前記可動部が、前腕により左右方向に押されるバタフライマシンのアーム部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の関節可動域訓練装置。
7. 前記可動部が上下方向に可動である肘掛けであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の関節可動域訓練装置。
8. 前記可動部が前後に傾斜する背もたれであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の関節可動域訓練装置。
9. 前記可動部が、下腿により上方又は下方に押されるレッグエクステンションマシンのアーム部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の関節可動域訓練装置。

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