JP2015511718A - 手掌の握る力を測定するシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、手掌の握る力を測定するシステムに関する。本システムは、手掌の握る力を測定する装置１を備え、この装置は、手掌の握る力を受け取るように構成されたハンドルと、力センサー３と、装置に組み込まれ、センサー３に接続され、センサー３から来るデータを処理することができる少なくとも１つのマイクロコントローラー６１を備える電子モジュール６とを備える。本システムは、力センサーが５０ｇの最小精度のひずみゲージを備え、制御システムも設けられ、制御システムは、線形校正曲線を用いてセンサーを校正し、表示ユニット８及び／又は記憶ユニット及び／又は処理ユニットにセンサー測定値を好適には有線又は無線手段を介して送信することができる手段を備えることを特徴とする。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、手掌の握る力を測定して、特に個人の前腕及び手の筋肉の制御及び効果器の健全性を評価する方法及び装置の分野に関する。

したがって、本発明は、測定学の分野の一部を形成し、力を測定することを可能にする。

個人の筋機能の評価中、手掌の握る力は、個人の全体的な筋能力、栄養状態、自律性、及び概して健康の優れた指標を構成するため、最も関心がもたれる機能のうちの１つである。

病理学的状態又は外傷後状態を定量化し、特に機能回復訓練における神経筋系に対する治療の効果を確認するのを可能にする装置が知られている。

これに関して、例えば神経筋病理を患い手掌の握る力が非常に弱い場合がある患者に対する必要が高まってきた。これらの力のレベルでは、測定装置が、患者の手掌の握る力を確実に評価するために十分高感度であり高精度であることが重要である。それは、非常に弱っている患者が発する力の変化をモニタリングするために測定する場合である。

さらに、測定装置は健康な人及びスポーツをする人の手掌の握る力を測定することをも可能にすることが重要である。

（従来技術）
臨床環境において、手掌の握る力の評価は例えば理学療法士によって徒手検査によって行われる。こうした徒手検査は、特に治療的検査に関し、厳密なモニタリングに必要な精度を提供しないことが知られている。

従来技術はセンサーを備えた測定装置を提案している。一般に、これらの装置は、広範囲の力を精密に測定することを可能にせず、最も弱っている患者が発生する小さい力に対する感度が低い。

例えば、センサーの応答がばね又は金属ブレードの変形によって確定される機械式エルゴメーターを備えたグリップの第１のグループが知られている。測定値は通常、ダイヤルの上の針によって、又は機械部品の変形を電圧に変換するためにひずみゲージが使用される場合はデジタル表示によって、読み取られる。こうしたエルゴメーターの欠点は、特に針エルゴメーターでは、精度が不十分であることにある。さらに、そのタイプの表示は不適であるため、所与の強度の力を記録することが困難である。これは、これらのエルゴメーターの大部分が手掌の握る力の最大値しか保持しないためである。

グリップが流体を収容して、流体の圧縮により膜の変形がもたらされる液圧式エルゴメーターを備えるグリップの第２のグループが知られている。表示は、針ダイヤル又はデジタルダイヤルによって与えられる。機械的グリップと同様に、対象が所与のレベルの力を維持することを要求するのは困難であることが多く、そのため、測定を行うことが困難である。

別のグリップのグループは、コンピューター等のデータ処理モジュールに接続することができる電子システムを備えている。このグループの主な欠点は、特に、使用されるセンサーから発する処理データを取得するためにカードを使用するため、価格が高いということにある。これは、精密かつ信頼性の高い測定値を得るために、上述のカードによって行われるデータ取得及び処理が、長い計算時間、高いエネルギー消費、並びに多数の及び／又は高価なコンポーネントを必要とする複雑なプロセスに基づくためである。さらに、現行の電子システムの非常に大部分にはケーブル式通信手段が設けられ、それには、患者が、例えば車椅子に乗っているか又はベッドから動けない場合に実用的ではないという欠点がある。

さらに、既存のシステムの感度及び精度は最も弱っている患者に対しては不十分であることを実証することができる。

他の装置は、コンピュータープログラムによって実施される校正方法に関連するセンサーを備えている。

したがって、特許文献１によって、診断目的又は治療目的で等尺性筋運動を行うためのシステム、方法及び装置が知られている。開示されている装置は、特にコンピューターにプログラムを供給することを可能にする通信ポートをコンピューターの外部に備える。この装置は、負荷センサーと、アナログデジタル変換器に関連する電子増幅手段とを備えている。この文献はまた、平均二乗誤差タイプの計算に相関する６つの標準質量の１９の組合せによる装置の校正も開示している。

国際公開第２０１１／０４４５２０号

しかしながら、長い計算時間及び高価な計算手段を生じさせる複雑な計算に基づく校正を含むため、上述のタイプのシステムは最適ではない。

本発明は、従来技術の欠点を改善することを目的とし、より詳細には、以下の手掌の握る力を測定するシステムを提案することを目的とする。本システムは、手掌の握る力を測定する装置を備え、その装置は、
手掌の握る力を受け取るように構成されたグリップと、
手掌の握る力を測定するように構成された力センサーと、
装置に組み込まれ、センサーに接続されて、センサーから発するデータを処理することができる少なくとも１つのマイクロコントローラーを有する電子モジュールと、
を備える。

第１の有利な態様によると、システムはひずみゲージを備え、ひずみゲージは、ゼロ又は略ゼロの値から力を検出することができ、０ｋｇから９０ｋｇの範囲の測定範囲に対しておよそ５０ｇの最小値での精度を有し、およそ５０ｇの最小値での精度、及び／又はおよそ１０ｇ未満の感度を有する。

別の有利な態様によると、電子モジュールは、以下の動作を行うのに適している手段を備え、すなわち、
（ａ）センサーを校正し、その校正では、
（ａ１）センサーは複数の校正された力を受け取り、
（ａ２）校正点から線形校正関数を確立し、その第１の座標はセンサー測定値であり、その第２の座標は校正された力の値であり、校正関数はセグメント毎に線形であり、
（ｂ）線形校正関数の点の第１の座標に従って手掌の握る力の値を記録し、線形校正関数の点の第２の座標に対応する校正された力の値を求める。

したがって、本発明による測定システムは従来技術によって決して達成されない非常に有利な感度を有している。さらに、このシステムを、筋力が不足している人から高レベルのスポーツをする人まで、広範囲の測定、ひいては多数のあり得る用途に適合させることができる。

センサーの校正は少なくとも３つの校正測定値に対して行われることが好適である。

電子モジュールは、校正された力の値を表示ユニット及び／又は記憶ユニット及び／又はデータ処理ユニットに送信する手段も備えることが有利である。

表示ユニット及び／又は記憶ユニット及び／又はデータ処理ユニットは、測定装置の電子モジュールに設けられていることが好適である。

したがって、本発明によるシステムは、筋能力が非常に弱い患者と、健康な人又は高レベルのスポーツをする人との両方に対して、精度の観点から改善された測定を可能にする。

さらに、こうした測定システムにおいて分解能が著しく向上する。特に、約１０ｇの分解能を達成することができる。

したがって、単純化した機能によってセンサーを校正することが可能である。こうした計算の単純化により、従来技術よりも複雑でないマイクロコントローラーを使用することが可能になる。その結果、コスト及びエネルギーの消費量が著しく低減する。さらに、小型マイクロコントローラーを使用することができる。

好適な態様によると、表示ユニット及び／又は記憶ユニット及び／又はデータ処理ユニット及び／又は信号送信ユニットは、測定装置の電子モジュールに接続された特定のモジュールに設けられ、送信は有線及び／又は無線である。

例えば、データの表示及び／又は記憶は、コンピューターで行われ、それにより、測定された信号の取得及び表示に対して科学的ソフトウェア及び／又はゲームソフトウェアを設けることが可能になる。この特徴により、多数の異なる評価プロトコル、機能回復訓練プロトコル又は訓練プロトコルを想定することが可能になる。

優先的に、センサーは少なくとも３つの校正測定値に対して校正される。

測定装置のグリップは、幾つかの要素から形成された外枠と、外枠の第１の要素に対して平行でありかつ外枠の第１の要素に向かい合って並進して移動することができる少なくとも１つの内側バーとを備え、力センサーは、並進に関連する力を測定するように構成されていることが有利である。

一態様によると、ハンドルは可動内側バーと外枠の第１の要素との間の初期の離間距離を調整する手段を備える。

測定システムは、
手掌の握る力の測定値に対するいわゆる測定モードと、
校正を実施するいわゆる校正モードと、
から選択された動作モードを選択する手段を備えることが好適である。

有利な態様によると、測定システムは制御ユニットに対する有線及び／又は無線接続の手段を具備する。

本発明の別の主題は、電子モジュールのマイクロコントローラー及び／又はコンピューターのメモリにロードすることができ、上述したような握る力を測定するシステムの校正ステップ及び測定ステップを実行するソフトウェアコード部を含むコンピュータープログラム製品から構成される。

本発明の他の特徴、詳細及び利点は添付図面を参照して以下の説明を読むことから明らかとなる。

本発明によるシステムに対して構成された本発明の第１の態様による装置の図である。 本発明によるシステムに対して構成された本発明の第１の態様による装置の図である。 本発明による装置用の電子モジュールの図である。 センサーの校正のグラフ図である。

より明確にするために、同じ要素及び同様の要素は全ての図において同じ参照符号によって標識されている。

図１Ａ及び図１Ｂの図によれば、本発明の第１の態様による装置１は、２つの側部バー１５と頂部バー１１とによって形成された外枠を備えている。本装置はまた、バー１５に対して平行な、ガイドされ並置された２つの側部バー１４によって形成された内枠も備え、頂部バー１２がバー１１に対して平行に配置されている。内枠はまた底部バー１３も備えている。内枠１２、１３、１４はおよそ矩形形状を有しており、頂部バー１２は使用者の手によって把持され、使用者は同時に頂部バー１１を保持する。内枠を、例えばプラスチック射出成形によって得られる単一部品とすることができる。

さらに、任意に、外枠の側部バー１５は、平坦面にグリップを配置するための脚部４を備えることができる。

電子モジュールを備える電子回路６’が外枠に固定されている。高精度ひずみゲージからなるセンサー３が、電子回路６’に接して配置され、バー１５に対して平行なスピンドル７によって取り付けられ、スピンドル７自体は内枠のバー１３に固定されている。したがって、このセンサー３は、内枠に固定され、電子モジュール６に接続されている。後に説明するように、この構成により、内枠の頂部バー１２の外枠の頂部バー１１に向かう移動に関連する力を測定することが可能になる。

グリップはまた、グリップのすき間、特に使用者が保持し作動させるバー１１とバー１２との間の初期の離間距離を調整する手段も備えている。この調整手段は、ここでは、雌ねじが切られた部品７２と協働するねじ状のスピンドル７１とから構成されている。ねじ状のスピンドル７１は、センサー３に第１の面においてねじ込まれ、雌ねじが切られた部品７２は内枠１２、１３、１４に固定されている。内枠と外枠との間の初期の離間距離を調整するために、ここでは、バー１３に調整ホイール７３が設けられている。図１Ａは、内枠が外枠と接触している状態を示し、図１Ｂは、内枠が外枠から離れた位置にある状態を示す。スピンドル７１と一直線にそろえられた第２のスピンドル７１’が、センサーの他方の側に取り付けられている。

力がより安定し、より均衡するように、グリップのスピンドル７、特にねじ状の内側スピンドル７１は、頂部バー１１とは反対側のバー１６の中間において外枠に固定されている。ここでは枢動ねじシステムから構成されている固定手段７４が、センサー３のスピンドル７１’の自由移動を可能にする。

使用されるセンサーは、Interface Inc.社によって販売されているＬｏｗ Ｈｅｉｇｈｔ Ｌｏａｄ Ｃｅｌｌ ＳＭＬセンサーである。好適なセンサーは規格容量がおよそ８９ｋｇｆ（２００ｌｂｆ）である。

図１Ｂを参照すると、電子回路６’と、センサー３と、ねじ状の内側スピンドル７１の一部は、キー９と、画面、例えばＬＣＤタイプの画面８とを有するボックスに収容されている。キー９は、例えば、装置を校正モード又は測定モードにする役目をし、ディスプレイ８は、測定された力を直接視認することを可能とする。したがって、この態様を、自律的に、すなわちコンピューター又は他のいかなるデータ記憶及び処理装置とのいかなる接続もなしに使用することができる。

図２に示すように、電子モジュール６をコンピューター２に接続することができる。この目的で、ＲＳ２３２ケーブル等の有線接続手段２２を使用することができる。無線周波数送信機６２等の無線接続手段２１が好適に使用される。したがって、本発明による装置は、上記力センサー３から受け取った情報の表示及び処理を実施するコンピュータープログラムと協働することができる。本発明の範囲から逸脱することなく、ゲームインターフェースを実装することができる。

図２を参照すると、電子モジュール６は、特に、装置の電源供給及び充電に対して意図されたサブモジュール６６、６７を備えている。例示のために、図２において、装置１の外部電流供給源に接続するためのいわゆる「電源ジャック」サブモジュール６９と、回路充電サブモジュール６８と、バッテリサブモジュール６７と、調整及び給電サブモジュール６６とを見ることができる。

電子モジュール６はまた、測定の基準電圧を決定するように意図されたいわゆる「基準電圧」サブモジュール６５と、ひずみゲージサブモジュール６３と、電圧増幅サブモジュール６４と、マイクロコントローラーサブモジュール６１とを備えている。

マイクロコントローラー６１はＥＰＲＯＭを備えることが有利である。

マイクロコントローラー６１をシリアルポートを用いて有線接続２２によりコンピューター２に接続することができる。参照符号２１（無線接続）によって表されるように、送信機６２により、情報を例えばコンピューター２に送信することも可能にすることができる。

マイクロコントローラーモジュール６１は、幾つかのコンポーネント、特にＲＡＭ、フラッシュメモリ及びアナログデジタル変換器を組み込んでいる。これらのコンポーネントは、本発明による装置のセンサー３によって、ひずみゲージ６３に加えられる力の測定値の校正を可能にするように構成されている。この目的で、所与の方法に従って上記校正及び上記測定を行うように、コンピュータープログラムがマイクロコントローラー６１のメモリにロードされる。

好適なコンピューターへの無線の接続にはグリップの使用において特に利点がある。例えば、ソフトウェアをコンピューターに（適切な無線受信機と組み合わせて）インストールすることができ、測定された力の取得及び既に取得された測定値との比較等をリアルタイムに視認することができる。したがって、検査される患者又はスポーツをする人は、自身の進歩をリアルタイムでモニタリングすることができる。したがって、検査中、患者の注意がこれらの図示に集中され、それは、特に子供に対する評価検査中に有利である。

さらに、こうしたソフトウェアを使用することにより測定値のより優れたモニタリングを確実にすることができ、統計をより容易に生成し、したがってデータの解析に更に進むようにすることができる。

図３は、本発明によるシステムにおけるセンサー３の校正を示す。当然ながら、グラフを用いた例示の目的は、測定システムによって行われる計算を説明することである。この図から見て取れるように、５つの生の測定値が０Ｎ、１００Ｎ、３００Ｎ、６００Ｎ及び９００Ｎで得られた。図３の基準座標系における生の測定値の分布は実線の校正曲線Ｂによって表されている。各校正点０ｃから４ｃは、横座標Ｘにおけるセンサーの生の測定値Ｘ０からＸ４と縦座標Ｙにおける対応する校正された力の実際の値Ｙ０からＹ４とを関連付けることによって生成される。生の測定点０ｂから４ｂは、同じ横座標及び同じ縦座標を有し、生の測定値（校正なし）に対応している。

したがって、センサーにおける線形性の誤差を補償するために校正曲線を定義することが可能であり、その校正曲線はセンサーによって記録された生の測定値Ｘ_Ｚの補正された測定値Ｙ_Ｚをグリップに表示するのを可能にする。

校正が０．００１ｇ以内まで保証された質量によって行われることを強調することが有利である。これにより校正点の非常に厳しい精度がもたらされる。

質量に既知の値が適用されたときにセンサーによって記録された生の値を読むことから本原理は構成される。この曲線を確立するために、有利には、グリップがセンサーによって記録された生の値を表示するように、いかなる先行する校正も削除することが必要である。

この校正曲線は、５つの校正点、Ｘ０、Ｙ０；Ｘ１、Ｙ１；Ｘ２、Ｙ２；Ｘ３、Ｙ３；Ｘ４、Ｙ４を測定することによって規定される。

グリップに適用される各既知の質量に対して、画面に表示されるセンサーの未補正の生の測定値０ｂから４ｂは記録されて、座標Ｘ（Ｘ０からＸ４）に対応する。適用された質量の既知の真の測定値は座標Ｙ（Ｙ０からＹ４）に対応する。図３において、値Ｘは所与の質量においてセンサーによって記録された値に対応する。実線の校正曲線に対する投影により、校正後にセンサーによって表示される値である値Ｙを得ることが可能になる。

そして、測定された５つの校正点を用いて、セグメント毎に１つの曲線が確立される。各セグメントにおいて、センサーによって記録されたＸの値に対し、基準値に近い補正された値が対応する。

この校正曲線がデータ処理システムによって確立され記録されると、グリップに未知の質量Ｚが適用されたとき、センサーは生の測定値Ｘ_Ｚを記録し、それは、公式Ｙ’＝ａＸ’＋ｂに従って、それが位置するセグメントに従って補正される。そして、表示手段８によって表示される測定値は座標Ｙ_Ｚであり、それは質量Ｚの補正された測定値に対応する。点Ｚｃは校正後の測定点であり、点Ｚｂは生の測定値に対応する。したがって、点Ｚｃの縦座標Ｙ_Ｚは補正された測定値、すなわち校正された測定値に対応する。

一態様では、校正点０から４は０Ｎ及び８９０Ｎに課される。校正点１、２及び３の選択をグリップの使用の範囲に従って注意深く行わなければならない。

大人の握る力に対して点１００Ｎ、３００Ｎ及び５００Ｎ、子供の握る力に対して１００Ｎ、２００Ｎ及び３００Ｎを選択することが推奨される。

実際には、校正手続きは以下の通りである。
取得ソフトウェアの開始及びあらゆる先行する校正の削除の後、グリップの幅が好適には中間切欠き部において調整される。そして、グリップは校正モードに置かれる。

「０」校正点は、グリップが負荷なしに水平に配置されたときのセンサーの測定値であることが好適である。他の点に対して、グリップは２つのストラップを用いて水平固定バーから吊り下げられる。一態様では、グリップの構造体にリングを設けることができ、そこにグリップを吊り下げるためにフックが挿入される。

グリップの長手方向軸が鉛直であることを水準器を用いて検査することが好適である。

第２の「０」校正点はグリップが吊り下げられたときに記録される。他の３つの校正点は対応する質量で選択される。

得られた測定値の全ては横座標Ｘに関連付けられ、実際の値は縦座標Ｙに関連付けられる。このように、セグメント毎に線形である校正曲線が得られる。

グリップによって提供される値が正確であることを検査することも可能である。この目的で、既知の質量の標準重量がグリップに適用され、基準値がグリップに表示された値と比較される。

これを行うために、先に開示したステップが、５００ｇから６０ｋｇの標準質量で校正されたセンサーにおいて再度行われる。測定値が記録されると、「グリップが横たわった状態」の力の値が以下の式に従って計算される。
（グリップが横たわった状態のｘ ｋｇにおける測定値）＝（グリップが吊り下げられた状態のｘ ｋｇにおける測定値）−（グリップが吊り下げられた状態の０ｋｇにおける測定値）＋（グリップが横たわった状態の０ｋｇにおける測定値）

そして、得られた値が基準値と比較される。

センサーによって送出される測定値が実質的に線形でない場合、又はその基準値に対してわずかな差を示す場合、グリップの新たな校正を行う必要がある。

本発明によるシステムを使用することにより、或る特定の患者の筋状態の変化を実質的に正確に確定することが可能になる。例示として、装置の性能を実証する結果が、デュシェンヌ型筋ジストロフィー又は脊髄性筋委縮症を患っている患者から得られ、数１００グラム未満の最大の握る力を記録することができた。さらに、測定の繰返し精度が、健康な又は病気の大人及び子供の幾つかの母集団で実証された。

本発明の範囲から逸脱することなく多くの組合せを想定することができ、当業者は、経済的制約、人間工学的制約、又は当業者が準拠しなければならない他の制約に従って、いずれかを選択する。

Claims (10)

1. 手掌の握る力を測定する装置（１）を備え、その装置（１）は、
   手掌の握る力を受け取るように構成されたグリップと、
   前記手掌の握る力を測定するように構成された力センサー（３）と、
   前記装置（１）に組み込まれ、前記センサー（３）に接続されて、前記センサー（３）から発するデータを処理することができる少なくとも１つのマイクロコントローラー（６１）を備える電子モジュール（６）と、
   を備え、
   システムは、ゼロ又は略ゼロの値から力を検出することができ、０ｋｇから９０ｋｇの範囲の測定範囲に対しておよそ５０ｇの最小値での精度、及び／又はおよそ１０ｇ未満の感度を有するひずみゲージ（６３）を備え、
   前記電子モジュール（６）は以下の動作を行うのに適している手段を備え：
   （ａ）前記センサー（３）を校正し、その校正では、
   （ａ１）前記センサー（３）は複数の校正された力（Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）を受け取り、
   （ａ２）校正点（０ｃ、１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃ）から線形校正関数（Ｄ）を確立し、その第１の座標はセンサー測定値（Ｘ０からＸ４）であり、その第２の座標（Ｙ０からＹ４）は前記校正された力の値であり、前記校正関数はセグメント毎に線形であり、
   （ｂ）前記線形校正関数（Ｄ）の点の第１の座標（Ｘ_Ｚ）に従って握る力の値を記録し、前記線形校正関数（Ｄ）の前記点の第２の座標（Ｙ_Ｚ）に対応する校正された力の値を求めることを特徴とする手掌の握る力を測定するシステム。
2. 請求項１に記載の測定システムであって、前記電子モジュール（６）は、前記校正された力の値を表示ユニット（８）及び／又は記憶ユニット及び／又はデータ処理ユニットに送信する手段を備えることを特徴とする測定システム。
3. 請求項２に記載の測定システムであって、前記表示ユニット及び／又は前記記憶ユニット及び／又は前記データ処理ユニットは前記測定装置の前記電子モジュール（６）に設けられていることを特徴とする測定システム。
4. 請求項２又は３に記載の測定システムであって、前記表示ユニット及び／又は前記記憶ユニット及び／又は前記データ処理ユニットは前記測定装置の前記電子モジュールに接続された特定のモジュールに設けられ、前記送信は有線及び／又は無線であることを特徴とする測定システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の測定システムであって、前記センサー（３）の前記校正は少なくとも３つの校正測定点にわたって行われることを特徴とする測定システム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の測定システムであって、前記測定装置の前記グリップは、幾つかの要素から形成された外枠と、その外枠の第１の要素（１１）に対して平行であって、前記外枠の前記第１の要素に向かって並進して移動することができる少なくとも１つの内側バー（１２）とを備え、前記力センサー（３）は、前記並進に関連する力を測定するように構成されていることを特徴とする測定システム。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の測定システムであって、前記グリップは、前記可動内側バー（１２）と前記外枠の前記第１の要素（１１）との間の初期の離間距離を調整する手段（７）を備えることを特徴とする測定システム。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の測定システムであって、
   手掌の握る力の前記測定値に対するいわゆる測定モードと、
   前記校正を実施するいわゆる校正モードと、
   から選択される動作モードを選択する手段（９）を備えることを特徴とする測定システム。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の測定システムであって、制御ユニットに対する有線及び／又は無線接続の手段を具備することを特徴とする測定システム。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の測定システムの前記電子モジュールの前記マイクロコントローラー及び／又はコンピューターのメモリにロードすることができ、前記測定システムの校正ステップ及び測定ステップを実行するソフトウェアコード部を含むコンピュータープログラム製品。

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