JP2017055781A - 外力検出装置、外力検出方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】被検の関節部に加わる外力を精度良く算出する。
【解決手段】外力検出装置１０は、変位部材と、付加部と、第１取得部１２Ｂと、第１算出部１２Ｃと、を備える。変位部材は、被検体の関節部の屈曲に応じて変位する。付加部は、被検体に荷重を付加する。第１取得部１２Ｂは、被検体に荷重を付加したときの、変位部材の変位量を取得する。第１算出部１２Ｃは、変位量から、荷重を付加したときに関節部に作用する外力を算出する。
【選択図】図４

Description

本発明の実施の形態は、外力検出装置、外力検出方法、およびプログラムに関する。

患者などの被検体をＸ線で撮影する装置が知られている。そして、撮影によって得られた画像を、膝関節などの関節部の診断や関節部の立体的な位置関係の推定に用いることが行われている（例えば、特許文献１参照）。また、被検体に、立位状態と同様な荷重を与えるための補助具が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この補助具を被検体に装着した状態で被検体をＸ線で撮影し、得られた画像を用いて関節部の診断を行う試みもなされている。

ここで、被検体に荷重を与えると、関節部には外力が加わる。この外力を考慮して、関節部の診断や関節部の位置関係の推定を行う場合がある。ここで、実際の人体の骨には、骨に付随する筋などにより発生する筋張力が加わる。このため、荷重を加えた被検体の関節部に加わる外力の値は、荷重の値とは一致しない場合がある。しかし、従来では、関節部に加わる外力を精度良く検出することは出来なかった。

特開２００６―２６３２４１号公報 特開２００６−２９６４４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、被検体の関節部に加わる外力を精度良く算出することができる、外力検出装置、外力検出方法、およびプログラムを提供することである。

実施の形態によれば、外力検出装置は、変位部材と、付加部と、第１取得部と、第１算出部と、を備える。変位部材は、被検体の関節部の屈曲に応じて変位する。付加部は、被検体に荷重を付加する。第１取得部は、被検体に荷重を付加したときの、変位部材の変位量を取得する。第１算出部は、変位量から、荷重を付加したときに関節部に作用する外力を算出する。

外力検出装置の模式図。 変位部材の一例を示す模式図。 変位部材の一例を示す模式図。 外力検出装置の機能構成を示すブロック図。 外力画像の一例を示す模式図。 外力検出処理の手順の一例を示すフローチャート。 外力検出装置の一例を示す模式図。 外力検出装置の機能構成を示すブロック図。 外力検出処理の手順の一例を示すフローチャート。 付加部の他の形態の一例を示す模式図。 付加部の他の形態の一例を示す模式図。 付加部の他の形態の一例を示す模式図。 外力検出装置の模式図。 外力検出装置の機能ブロック図。 力学モデルの一例を示す模式図。 解析画像の一例を示す図。 外力検出処理の手順の一例を示すフローチャート。 外力検出装置のハードウェア構成例を示すブロック図。

（第１の実施の形態）
以下、実施の形態の外力検出装置、外力検出方法、およびプログラムを、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態の外力検出装置１０の模式図である。外力検出装置１０は、被検体Ｈに荷重を付加した時に、関節部２４に作用する外力を検出する装置である。なお、外力とは、被検体Ｈに荷重を付加したときに、関節部２４に外部から作用する力を示す。

本実施の形態では、外力検出装置１０による検出対象の関節部２４が、被検体Ｈの膝関節である場合を、一例として説明する。しかし、外力検出装置１０による検出対象の関節部２４は、被検体Ｈの何れかの関節部であればよく、膝関節に限定されない。

外力検出装置１０は、制御部１２と、ＵＩ（ユーザ・インターフェース）部１４と、駆動部６１と、支持台６２と、ガイド部材６３と、付加部６４と、荷重センサ６５と、固定部材６６と、変位部材７０と、検出部７２と、を備える。

制御部１２は、外力検出装置１０を制御する。制御部１２は、ＵＩ部１４、検出部７２、駆動部６１、および、荷重センサ６５に、データや信号授受可能に接続されている。

支持台６２は、被検体Ｈを支持する台である。本実施の形態では、被検体Ｈは、支持台６２上に横たわった状態で、該支持台６２によって支持される。

支持台６２には、支持台６２の長手方向（矢印Ｘ方向参照）に沿って長い、ガイド部材６３が設けられている。ガイド部材６３には、駆動部６１、固定部材６６、付加部６４、および荷重センサ６５が設けられている。

固定部材６６は、被検体Ｈの身体の一部を支持台６２に固定するための部材である。固定部材６６は、支持台６２に固定されている。本実施の形態では、固定部材６６は、支持台６２上に横たわった被検体Ｈの腰部を固定可能な位置に、配置されている。なお、固定部材６６の位置は、図１に示す位置に限定されない。

付加部６４は、被検体Ｈに荷重を付加する。付加部６４は、ガイド部材６３の長手方向（矢印Ｘ方向参照）に沿って移動可能に設けられている。駆動部６１は、付加部６４を、ガイド部材６３の長手方向に往復移動させる（矢印ＸＡ方向、矢印ＸＢ方向参照）。

本実施の形態では、付加部６４は、支持台６２上に横たわった被検体Ｈの足裏側から頭部側に向かって、該被検体Ｈに荷重を付加可能な位置に配置されている。

例えば、支持台６２上に被検体Ｈが横たわったとする。そして、被検体Ｈの腰部を、固定部材６６によって固定する。この状態で、制御部１２の制御によって、付加部６４を固定部材６６に近づく方向（矢印ＸＡ方向）に移動させる。すると、被検体Ｈには、荷重が付加された状態となる。

また、制御部１２の制御によって、付加部６４を固定部材６６から離れる方向（矢印ＸＢ方向）に移動させる。すると、被検体Ｈは、荷重の付加された状態から解放される。

荷重センサ６５は、付加部６４における、固定部材６６側の面に配置されている。荷重センサ６５は、被検体Ｈに付加された荷重を検知する。荷重センサ６５は、荷重を検知可能な公知のセンサである。

本実施の形態では、被検体Ｈの足裏が荷重センサ６５に接する。このため、付加部６４が固定部材６６側へ移動することで（矢印ＸＡ方向参照）、被検体Ｈに荷重が付加されると、被検体Ｈの足裏によって荷重センサ６５に圧力が加えられる。これによって、荷重センサ６５は、荷重を検知する。

ＵＩ部１４は、入力部１４Ａと、表示部１４Ｂと、を含む。入力部１４Ａは、ユーザからの各種指示や情報の入力を受け付ける。入力部１４Ａは、例えば、キーボード、マウス、スイッチ、マイクなどである。

表示部１４Ｂは、画像を表示する。表示部１４Ｂは、例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイ、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ、プラズマディスプレイなどである。

なお、ＵＩ部１４は、入力部１４Ａと表示部１４Ｂとを一体的に構成したタッチパネルであってもよい。

変位部材７０は、被検体Ｈの関節部２４の屈曲に応じて変位する部材である。変位部材７０は、例えば、被検体Ｈにおける、検出対象の関節部２４を含む領域を覆うシート状の部材や、検出対象の関節部２４に連続する一対の骨部の一部を外側から覆う部材である。

図２は、変位部材７０の一例を示す模式図である。本実施の形態では、変位部材７０は、被検体Ｈの腰部から足先までを外側から覆う筒状の、シート状の部材で場合を一例として説明する。

すなわち、本実施の形態では、被検体Ｈは、筒状の変位部材７０の内側に下肢を挿入することで、変位部材７０を装着する。これにより、変位部材７０は、被検体Ｈの関節部２４および関節部２４に連続する一対の骨部を外側から覆った状態となる。

なお、変位部材７０は、被検体Ｈの検出対象の関節部２４を覆う形状および大きさであればよい。このため、変位部材７０は、被検体Ｈの関節部２４および関節部２４の上下の骨部の少なくとも覆う形状および大きさであればよく、腰部から足先までを連続して覆う形状に限定されない。

変位部材７０の材質は、Ｘ線や核磁気共鳴信号により得られる画像に、鮮明度劣化などの悪影響を与えにくい材質であることが好ましい。変位部材７０の材質は、例えば、非金属であることが好ましい。

本実施の形態では、変位部材７０の外周面には、マークＭが設けられている。マークＭは、少なくとも、検出対象の関節部２４に連続する骨部の、長尺方向（図２中、矢印Ｌ方向参照）に対して交差する交差方向（矢印Ｃ方向）に沿って、配置されている（マークＭ１参照）。

マークＭは、後述する検出部７２によって検出可能であればよい。詳細には、マークＭの色、材質、形状、大きさ、および、変位部材７０における配置位置は、検出部７２によって検出可能であればよい。また、マークＭの色、材質、形状、大きさ、および、変位部材７０における配置位置は、Ｘ線や核磁気共鳴信号により得られる画像に、鮮明度劣化などの悪影響を与えにくい形態であることが好ましい。

図２には、マークＭの形状が、線状である場合を示した。また、図２に示す例では、変位部材７０の外周面には、該交差方向（矢印Ｃ方向）に沿った線状のマークＭ１と、該長尺方向（矢印Ｌ方向）に沿った線状のマークＭ２と、が格子状に配置されている。

なお、マークＭの形状は、点状であってもよい。図３には、マークＭの形状が、点状である場合を示した。また、図３に示す例では、変位部材７０の外周面には、該交差方向（矢印Ｃ方向）に沿った点状のマークＭと、該長尺方向（矢印Ｌ方向）に沿った線点状のマークＭと、の各々が、互いに間隔を隔てて複数配置されている。

マークＭの材質は、限定されない。マークＭの材質は、例えば、金などの金属である。

図１に戻り、検出部７２は、変位部材７０の変位量の算出に用いるパラメータ（以下、変位パラメータと称する）を検出する。すなわち、検出部７２は、荷重を付加する前の変位部材７０に対する、荷重を付加したときの変位部材７０の変位量の、変位パラメータを検出する。本実施の形態では、検出部７２は、荷重を付加したときの変位部材７０の長さの変化を検出することで、変位パラメータを検出する。

なお、変位部材７０の長さとは、変位部材７０における、関節部２４に連続する骨部の長尺方向（図２中、矢印Ｌ方向参照）と、該長尺方向に対して交差する交差方向（図２中、矢印Ｃ方向）と、の各々の長さを示す。なお、本実施の形態では、関節部２４に連続する骨部の長尺方向（図２中、矢印Ｌ方向参照）と、支持台６２の長尺方向（図１中、矢印Ｘ方向）と、は一致するものとして説明する。

検出部７２は、変位部材７０を撮影するデジタルカメラや、変位部材７０のマークＭの位置を検出可能な公知の検出器である。本実施の形態では、一例として、検出部７２がデジタルカメラである場合を説明する。

検出部７２は、固定部材６６と付加部６４との間の領域を撮影可能な位置に配置されている。このため、検出部７２は、変位部材７０を装着した被検体Ｈを撮影することによって、変位部材７０を撮影する。そして、変位部材７０の撮影画像を、変位パラメータとして、制御部１２へ出力する。

次に、外力検出装置１０の機能構成を説明する。図４は、外力検出装置１０の機能構成を示すブロック図である。

外力検出装置１０は、検出部７２と、荷重センサ６５と、駆動部６１と、ＵＩ部１４と、記憶部１６と、制御部１２と、を備える。制御部１２は、検出部７２、荷重センサ６５、駆動部６１、ＵＩ部１４、および記憶部１６と、データや信号授受可能に接続されている。

記憶部１６は、ハードディスク装置等の種々の記憶媒体である。記憶部１６は、各種データや画像を記憶する。

制御部１２は、外力検出装置１０を制御する。本実施の形態では、制御部１２は、第１受付部１２Ａと、第１取得部１２Ｂと、第１算出部１２Ｃと、第２算出部１２Ｄと、駆動制御部１２Ｅと、第２受付部１２Ｆと、生成部１２Ｇと、表示制御部１２Ｈと、を備える。

第１受付部１２Ａ、第１取得部１２Ｂ、第１算出部１２Ｃ、第２算出部１２Ｄ、駆動制御部１２Ｅ、第２受付部１２Ｆ、生成部１２Ｇ、および、表示制御部１２Ｈの一部またはすべては、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。

第１受付部１２Ａは、検出部７２から検出結果を受け付ける。本実施の形態では、制御部１２は、検出部７２から、変位部材７０の撮影画像を受け付ける。また、荷重センサ６５から、被検体Ｈに付加された荷重の検知結果を受け付ける。

第１取得部１２Ｂは、被検体Ｈに荷重を付加したときの、変位部材７０の変位量を取得する。被検体Ｈに荷重を付加したとき、とは荷重センサ６５から受け付けた検知結果によって示される荷重を、被検体Ｈに付加したとき、を示す。

変位部材７０の変位量とは、荷重を付加する前に対する、変位部材７０の長さの変化量を示す。

本実施の形態では、第１取得部１２Ｂは、変位部材７０の変位量として、変位部材７０の変位分布を取得する場合を説明する。変位部材７０の変位分布とは、荷重を付加する前に対する、変位部材７０を複数領域に分割した各領域の各々の位置の変位量を示す。

例えば、第１取得部１２Ｂは、検出部７２から受け付けた変位部材７０の撮影画像を解析し、変位部材７０の長さの変化量を算出する。具体的には、第１取得部１２Ｂは、荷重を付加する前に検出部７２が撮影した変位部材７０の撮影画像と、荷重を付加したときに検出部７２が撮影した変位部材７０の撮影画像と、の各々を取得する。

そして、第１取得部１２Ｂは、荷重を付加する前の変位部材７０に対する、荷重を付加したときの変位部材７０の、関節部２４に連続する骨部の長尺方向(矢印Ｘ方向、図１参照)の長さの変化量を算出する。また、第１取得部１２Ｂは、荷重を付加する前の変位部材７０に対する、荷重を付加したときの変位部材７０の、該長尺方向に対して交差する交差方向（図２中、矢印Ｃ方向）の長さの変化量を算出する。なお、これらの該変化量の算出には、公知の画像解析技術を用いればよい。

なお、荷重を付加する前に検出部７２が撮影した変位部材７０の撮影画像は、予め記憶部１６に記憶してもよい。本実施の形態では、荷重を付加する前に検出部７２が撮影した変位部材７０の撮影画像は、予め記憶部１６に記憶されているものとして説明する。

そして、第１取得部１２Ｂは、変位部材７０を複数の領域に分割した各領域の各々について、変位部材７０の長さの変化量を算出する。

そして、第１取得部１２Ｂは、この変化量を、変位部材７０の変位量として用いる。これにより、第１取得部１２Ｂは、変位部材７０の変位分布を取得する。

なお、第１取得部１２Ｂは、付加部６４が荷重を付加する前に検出部７２が撮影した変位部材７０の撮影画像と、荷重を付加したときに検出部７２が撮影した変位部材７０の撮影画像と、を用いて、変位部材７０の変位分布を取得してもよい。

また、第１取得部１２Ｂは、変位部材７０に設けられたマークＭの変位から、変位部材７０の変位分布を取得してもよい。

例えば、第１取得部１２Ｂは、荷重を付加する前に検出部７２が撮影した変位部材７０の撮影画像と、荷重を付加したときに検出部７２が撮影した変位部材７０の撮影画像と、の各々を取得する。そして、第１取得部１２Ｂは、これらの撮影画像に含まれる変位部材７０のマークＭの各々の位置を解析する。そして、第１取得部１２Ｂは、これらの撮影画像に含まれる変位部材７０のマークＭの各々について、互いに対応する位置（変位部材７０における位置が同じ位置）のマークＭごとに、変位量を算出する。これによって、第１取得部１２Ｂは、変位部材７０の変位分布を取得してもよい。

なお、第１取得部１２Ｂは、ＣＴ装置やＭＲＩ装置などの外部装置で撮影された画像に含まれるマークＭを解析することで、変位部材７０の変位分布を取得してもよい。この場合、外力検出装置１０を、検出部７２を備えない構成とすることができる。

第１算出部１２Ｃは、第１取得部１２Ｂが取得した変位分布から、荷重を付加したときに被検体Ｈの関節部２４に作用する外力を算出する。

例えば、第１算出部１２Ｃは、変位量と外力との対応を示す第１テーブルを予め記憶部１６へ記憶する。そして、第１算出部１２Ｃは、変位部材７０を複数領域に分割した各領域について、変位量に対応する外力を第１テーブルから読取る。これによって、第１算出部１２Ｃは、変位部材７０を複数領域に分割した各領域の各々について、外力を算出する。

第２算出部１２Ｄは、第１取得部１２Ｂが取得した変位量から、関節部２４の関節角を算出する。

例えば、第２算出部１２Ｄは、変位量と関節角との対応を示す第２テーブルを、予め記憶部１６へ記憶する。なお、第２テーブルは、変位分布と関節角との対応を示すものであってもよい。

そして、第２算出部１２Ｄは、第１取得部１２Ｂが取得した変位量（または変位分布）に対応する関節角を第２テーブルから読取る。これによって、第２算出部１２Ｄは、荷重を付加したときの、関節部２４の関節角を算出する。

駆動制御部１２Ｅは、駆動部６１の駆動、および、検出部７２による検出（本実施の形態では撮影）を制御する。第２受付部１２Ｆは、ユーザからの各種操作指示をＵＩ部１４から受け付ける。

生成部１２Ｇは、関節部２４に作用する外力を示す外力画像を生成する。外力画像は、被検体Ｈの関節部２４に作用する外力を、外力の強さに応じた色濃度で示した画像である。本実施の形態では、色濃度は、色および濃度の少なくとも一方を示す。

本実施の形態では、生成部１２Ｇは、被検体Ｈの検出対象の関節部２４および関節部２４に連続する骨部を模式的に示す模式画像に、外力の作用する外力領域を、外力の強さに応じた色濃度で示す、外力画像を生成する。

表示制御部１２Ｈは、各種画像を記憶部１６に表示する。本実施の形態では、表示制御部１２Ｈは、生成部１２Ｇが生成した外力画像を、表示部１４Ｂに表示する。

図５は、外力画像１７の一例を示す模式図である。例えば、外力画像１７は、被検体Ｈにおける、下肢を模式的に示す画像Ｈ１における、外力の作用する外力領域Ｐ１を、外力の強さに応じた色濃度で示した画像である。なお、外力画像１７は、外力の値を示す文字情報Ｐ２を更に含んでも良い。

また、外力画像１７に含まれる画像Ｈ１は、第２算出部１２Ｄで算出された関節角と一致する角度に曲げた下肢を模式的に示す画像であってもよい。また、外力画像１７は、第２算出部１２Ｄで算出された関節角を示す文字情報を更に含んでもよい。また、外力画像１７は、外力の強さに対応する色濃度を示すゲージを含んでもよい。

次に、本実施の形態の外力検出装置１０で実行する外力検出処理の手順を説明する。

図６は、本実施の形態の外力検出装置１０で実行する外力検出処理の手順の一例を示すフローチャートである。

まず、第２受付部１２Ｆが入力部１４Ａから外力検出指示を受付けたか否かを判断する（ステップＳ１００）。例えば、ユーザは、入力部１４Ａを操作することによって、外力件検出を指示する。すると、入力部１４Ａは、外力検出を示す信号を制御部１２へ出力する。第１受付部１２Ａは、入力部１４Ａから外力検出を示す信号を受け付けると、外力検出指示を受付けたと判断する（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）。

ステップＳ１００で肯定判断すると（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１０２では、駆動制御部１２Ｅが、被検体Ｈに荷重を付加するように、駆動部６１を制御する（ステップＳ１０２）。

詳細には、駆動制御部１２Ｅは、駆動部６１を制御することで、付加部６４を固定部材６６に近づく方向（図１中、矢印ＸＡ方向）にガイド部材６３に沿って移動させる。そして、駆動制御部１２Ｅは、荷重センサ６５によって、予め定めた所望の荷重が検知されるまで、付加部６４を固定部材６６側へ移動させる。この所望の荷重は、例えば、立位状態のときに被検体Ｈに加わる荷重である。

次に、第１受付部１２Ａは、検出部７２から、変位部材７０の撮影画像を受け付ける（ステップＳ１０４）。また、第１受付部１２Ａは、荷重センサ６５から、被検体Ｈに付加された荷重の検知結果を受け付ける。

次に、第１取得部１２Ｂが、被検体Ｈに荷重を付加したときの、変位部材７０の変位量を取得する（ステップＳ１０６）。本実施の形態では、上述したように、第１取得部１２Ｂは、変位部材７０の変位分布を取得する。

次に、第１算出部１２Ｃが、ステップＳ１０６で第１取得部１２Ｂが取得した変位量から、荷重を付加したときに被検体Ｈの関節部２４に作用する外力を算出する（ステップＳ１０８）。

次に、第２算出部１２Ｄが、ステップＳ１０６で第１取得部１２Ｂが取得した変位量から、荷重を付加したときの関節部２４の関節角を算出する（ステップＳ１１０）。

次に、生成部１２Ｇが、ステップＳ１０８で算出された外力を示す外力画像１７を生成する（ステップＳ１１２）。

次に、生成部１２Ｇは、生成した外力画像１７を、対応する検出対象の被検体Ｈの識別情報に対応づけて、記憶部１６へ記憶する（ステップＳ１１４）。

この識別情報は、外力画像１７の生成日時を含んでいてもよい。

なお、生成部１２Ｇは、被検体Ｈの識別情報に対応づけて、ステップＳ１０４で受け付けた変位部材７０の撮影画像、荷重センサ６５から受け付けた荷重の検知結果、ステップＳ１０６で取得した変位量、ステップＳ１０８で算出した外力、および、ステップＳ１１０で算出した関節角の少なくとも１つを、記憶部１６へ更に記憶してもよい。そして、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップＳ１００で否定判断すると（ステップＳ１００：Ｎｏ）、ステップＳ１１６へ進む。ステップＳ１１６では、第２受付部１２Ｆが、入力部１４Ａから、外力画像の表示指示を示す信号を受付けたか否かを判断する（ステップＳ１１６）。

ステップＳ１１６で否定判断すると（ステップＳ１１６：Ｎｏ）、本ルーチンを終了する。ステップＳ１１６で肯定判断すると（ステップＳ１１６：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１８へ進む。

ステップＳ１１８では、表示制御部１２Ｈは、記憶部１６に記憶されている外力画像１７を読取る（ステップＳ１１８）。そして、表示制御部１２Ｈは、読取った外力画像１７を、表示部１４Ｂへ表示する（ステップＳ１２０）。そして、本ルーチンを終了する。

なお、ステップＳ１１８の処理において、表示制御部１２Ｈは、記憶部１６に記憶されている外力画像１７の一覧、および、外力画像１７に対応する、被検体Ｈの識別情報の一覧、の少なくとも一方を読取り、表示部１４Ｂに表示してもよい。そして、ユーザは、入力部１４Ａを操作することにより、表示対象の外力画像１７、または、表示対象の被検体Ｈの識別情報を選択する。第２受付部１２Ｆが、表示対象の外力画像１７、または、被検体Ｈの識別情報を示す信号を入力部１４Ａから受け付けると、表示制御部１５Ｈは、受付けた外力画像１７を示す信号、または、受け付けた識別情報を示す信号に対応する、外力画像１７を記憶部１６から読取り、表示部１４Ｂに表示してもよい。

以上説明したように、本実施の形態の外力検出装置１０は、変位部材７０と、付加部６４と、第１取得部１２Ｂと、第１算出部１２Ｃと、を備える。変位部材７０は、被検体Ｈの関節部２４の屈曲に応じて変位する。付加部６４は、被検体Ｈに荷重を付加する。第１取得部１２Ｂは、被検体Ｈに荷重を付加したときの、変位部材７０の変位量を取得する。第１算出部１２Ｃは、変位量から、荷重を付加したときに関節部２４に作用する外力を算出する。

このように、本実施の形態の外力検出装置１０は、変位部材７０の変位量から、関節部２４に作用する外力を算出する。このため、被検体Ｈに付加した荷重や、被検体ＨのＸ線画像などから外力を算出する場合に比べて、精度良く外力を算出することができる。

従って、本実施の形態の外力検出装置１０Ｈ、被検体Ｈに荷重をかけたときに、被検体Ｈの関節部に加わる外力を精度良く算出することができる。

また、変位部材７０は、非金属であることが好ましい。変位部材７０が非金属であると、外力検出装置１０を、ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置やＭＲＩ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）装置に適用した場合であっても、これらの装置によって得られた画像の精度に変位部材７０が影響を与えることを抑制することができる。

また、変位部材７０は、関節部２４に連続する骨部の長尺方向（矢印Ｌ方向、図２参照）に対して交差する交差方向（矢印Ｃ方向、図２参照）に沿って配置されたマークＭを有することが好ましい。第１取得部１２Ｂは、被検体Ｈに荷重を付加したときの、変位部材７０のマークＭの変位から、変位部材７０の変位量を取得することが好ましい。

マークＭの変位から変位部材７０の変位量を取得することによって、第１取得部１２Ｂは、更に精度良く、変位部材７０の変位量を取得することができる。マークＭは、線状または点状である。

本実施の形態の外力検出装置１０は、第２算出部１２Ｄを備えてもよい。第２算出部１２Ｄは、変位量から、関節部２４の関節角を算出する。変位量から関節部２４の関節角を算出することによって、被検体Ｈの撮影画像などから関節角を算出する場合に比べて、精度良く且つ容易に関節角を算出することができる。

このため、本実施の形態の外力検出装置１０は、関節部２４に加える外力を精度良く検出することができると共に、関節部２４の関節角を精度良く且つ容易に検出することができる。

また、本実施の形態の外力検出装置１０は、第１取得部１２Ｂと、第１算出部１２Ｃと、表示制御部１２Ｈと、を備える。第１取得部１２Ｂは、被検体Ｈに荷重を付加したときの、被検体Ｈの関節部２４の屈曲に応じて変位する変位部材７０の変位量を取得する。第１算出部１２Ｃは、変位量から、荷重を付加したときに関節部２４に作用する外力を算出する。表示制御部１２Ｈは、外力を示す外力画像を表示部１４Ｂに表示する。

このため、本実施の形態の外力検出装置１０は、上記効果に加えて、被検体Ｈに荷重を付加したときに、該被検体Ｈの関節部２４に作用する外力を、ユーザに対して容易に提供することができる。

なお、本実施の形態の外力検出装置１０は、例えば、ＣＴ装置やＭＲＩ装置に適用することができる。例えば、外力検出装置１０をＣＴ装置やＭＲＩ装置に搭載する。これによって、荷重を付加した状態で被検体Ｈを撮影することができるとともに、ＣＴ装置やＭＲＩ装置で演算する各種情報に、外力検出装置１０で検出した外力や関節角を用いることができる。このため、ＣＴ装置やＭＲＩ装置では、高精度な診断を行うことの可能な情報を演算することが可能となる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、変位部材７０が、複数の部材を含む形態を説明する。

図７は、本実施の形態の外力検出装置１０Ｂの模式図である。外力検出装置１０Ｂは、制御部１３と、ＵＩ部１４と、駆動部６１と、支持台６２と、ガイド部材６３と、付加部６４と、荷重センサ６５と、固定部材６６と、変位部材７１と、検出部６７と、固定部材６９と、を備える。制御部１３は、駆動部６１と、荷重センサ６５と、検出部６７と、ＵＩ部１４と、にデータや信号授受可能に接続されている。

ＵＩ部１４、駆動部６１、支持台６２、ガイド部材６３、付加部６４、荷重センサ６５、および、固定部材６６は、第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態の外力検出装置１０Ｂは、第１の実施の形態の変位部材７０に代えて、変位部材７１を備える。

変位部材７１は、第１の実施の形態の変位部材７０と同様に、被検体Ｈの関節部２４の屈曲に応じて変位する部材である。変位部材７１は、非金属であることが好ましい。

変位部材７１は、複数の部材を含む。本実施の形態では、変位部材７１は、第１変位部材７１Ａと、第２変位部材７１Ｂと、連結部材７１Ｃと、を含む。なお、変位部材７１は、２つ、または、４つ以上の部材から構成されていてもよい。

第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂは、検知対象の関節部２４を挟んで、間隔を隔てて配置されている。本実施の形態では、第１変位部材７１Ａは、支持台６２上に横たわった被検体Ｈにおける、関節部２４より足先側（矢印ＸＢ方向側）に装着される。第２変位部材７１Ｂは、支持台６２上に横たわった被検体Ｈにおける、関節部２４より頭側（矢印ＸＡ方向側）に装着される。

第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂは、被検体Ｈの身体に装着可能な形状となっている。すなわち、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂは、被検体Ｈの身体の外側の形状に沿った形であることが好ましい。

本実施の形態では、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂは、筒状部材である場合を説明する。なお、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの形状は、筒状に限定されない。

連結部材７１Ｃは、第１変位部材７１Ａと第２変位部材７１Ｂとを連結する。連結部材７１Ｃは、第１変位部材７１Ａと第２変位部材７１Ｂとを、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの各々が互いに変位可能に連結する。

このため、変位部材７１が被検体Ｈの下肢に装着されることによって、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの各々の位置は、下肢の関節部２４の屈曲に応じて変位する。

検出部６７は、連結部材７１Ｃに設けられている。検出部６７は、変位部材７１の変位量の算出に用いる、変位パラメータを検出する。すなわち、検出部６７は、荷重を付加する前の変位部材７１に対する、荷重を付加したときの変位部材７１の変位量の、変位パラメータを検出する。

本実施の形態では、検出部６７は、第１変位部材７１Ａと第２変位部材７１Ｂとの相対距離の収縮量を、変位パラメータとして検出する。そして、検出部６７は、変位部材７１の収縮量を、制御部１３へ出力する。

検出部６７は、第１変位部材７１Ａと第２変位部材７１Ｂとの相対距離を検出可能な、公知のセンサである。

また、検出部６７は、角度検出機能を備えた構成であってもよい。本実施の形態では、検出部６７は、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの各々の、連結部材７１Ｃに対する傾きを検出する。そして、検出部６７は、角度検出結果を、制御部１３へ出力する。この場合、検出部６７は、公知の角度検出センサに相当する機能を備えた構成であればよい。

制御部１３は、外力検出装置１０Ｂを制御する。

次に、外力検出装置１０Ｂの機能構成を説明する。図８は、外力検出装置１０Ｂの機能構成を示すブロック図である。

外力検出装置１０Ｂは、検出部６７と、荷重センサ６５と、駆動部６１と、ＵＩ部１４と、記憶部１６と、制御部１３と、を備える。制御部１３は、検出部６７、荷重センサ６５、駆動部６１、ＵＩ部１４、および記憶部１６と、データや信号授受可能に接続されている。

制御部１３は、外力検出装置１０Ｂを制御する。本実施の形態では、制御部１３は、第１受付部１３Ａと、第１取得部１３Ｂと、第１算出部１２Ｃと、第２算出部１３Ｄと、駆動制御部１２Ｅと、第２受付部１２Ｆと、生成部１２Ｇと、表示制御部１２Ｈと、を備える。

第１受付部１３Ａ、第１取得部１３Ｂ、第１算出部１２Ｃ、第２算出部１３Ｄ、駆動制御部１２Ｅ、第２受付部１２Ｆ、生成部１２Ｇ、および、表示制御部１２Ｈの一部またはすべては、例えば、ＣＰＵなどの処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣなどのハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。

第１受付部１３Ａは、検出部６７から検出結果を受け付ける。本実施の形態では、第１受付部１３Ａは、検出部６７から、変位部材７１の収縮量を受け付ける。また、第１受付部１３Ａは、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの各々の、連結部材７１Ｃに対する傾きの検出結果を、検出部６７から受け付ける。また、第１受付部１３Ａは、荷重センサ６５から荷重の検知結果を受け付ける。

第１取得部１３Ｂは、被検体Ｈに荷重を付加したときの、変位部材７１の変位量を取得する。

本実施の形態では、第１取得部１３Ｂは、検出部６７から受け付けた変位部材７１の収縮量を、変位部材７１の変位量として取得する。

第１算出部１２Ｃは、第１取得部１２Ｂで取得した変位量に代えて、第１取得部１３Ｂで取得した変位量を用いて、関節部２４に作用する外力を算出する以外は、第１の実施の形態と同様である。

第２算出部１３Ｄは、第１取得部１３Ｂが取得した変位量から、関節部２４の関節角を算出する。第２算出部１３Ｄは、第１の実施の形態の第２算出部１２Ｄと同様にして、関節部２４の関節角を算出すればよい。

なお、第２算出部１３Ｄは、検出部６７から受け付けた、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの各々の、連結部材７１Ｃに対する傾きの検出結果を用いて、関節部２４の関節角を算出してもよい。

例えば、第２算出部１３Ｄは、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの各々の、連結部材７１Ｃに対する傾きと、関節部２４の関節角と、を対応づけた第３テーブルを予め記憶部１６へ記憶する。そして、第２算出部１３Ｄは、検出部６７から受け付けた、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの各々の、連結部材７１Ｃに対する傾きに対応する関節角を、第３テーブルから読取る。これにより、第２算出部１３Ｄは、関節部２４の関節角を算出する。

次に、本実施の形態の外力検出装置１０Ｂで実行する外力検出処理の手順を説明する。

図９は、本実施の形態の外力検出装置１０Ｂで実行する外力検出処理の手順の一例を示すフローチャートである。

まず、制御部１３は、第１の実施の形態におけるステップＳ１００〜ステップＳ１０２と同様にして、ステップＳ２００〜ステップＳ２０２の処理を実行する。すなわち、まず、第２受付部１２Ｆが入力部１４Ａから外力検出指示を受付けたか否かを判断する（ステップＳ２００）。

ステップＳ２００で肯定判断すると（ステップＳ２００：Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２へ進む。ステップＳ２０２では、駆動制御部１２Ｅが、被検体Ｈに荷重を付加するように、駆動部６１を制御する（ステップＳ２０２）。

次に、第１受付部１３Ａが、検出結果を受け付ける（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４では、第１受付部１３Ａは、検出部６７から、変位部材７１の収縮量を受け付ける。また、第１受付部１３Ａは、第１変位部材７１Ａおよび第２変位部材７１Ｂの各々の、連結部材７１Ｃに対する傾きの検出結果を、検出部６７から受け付ける。また、第１受付部１３Ａは、検出部６７から荷重の検知結果を受け付ける。

次に、第１取得部１３Ｂが、ステップＳ２０４で受け付けた、変位部材７１の収縮量から、変位部材７０の変位量を取得する（ステップＳ２０６）。

次に、第１算出部１２Ｃが、ステップＳ２０６で第１取得部１２Ｂが取得した変位量から、被検体Ｈの関節部２４に作用する外力を算出する（ステップＳ２０８）。

次に、第２算出部１３Ｄが、関節部２４の関節角を算出する（ステップＳ２１０）。次に、生成部１２Ｇが、ステップＳ１０８で算出された外力を示す外力画像１７を生成する（ステップＳ２１２）。次に、生成部１２Ｇは、生成した外力画像１７を、対応する検出対象の被検体Ｈの識別情報に対応づけて、記憶部１６へ記憶する（ステップＳ２１４）。

ステップＳ２０８〜ステップＳ２１４の処理は、第１の実施の形態のステップＳ１０８〜ステップＳ１１４と同様である（図６参照）。そして、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップＳ２００で否定判断すると（ステップＳ２００：Ｎｏ）、ステップＳ２１６へ進む。そして、制御部１３は、第１の実施の形態におけるステップＳ１１６〜ステップ１２０（図６参照）と同様にして、ステップＳ２１６〜ステップＳ２２０の処理を行う。そして、本ルーチンを終了する。

以上説明したように、本実施の形態の外力検出装置１０Ｂは、第１の実施の形態の変位部材７０に代えて、変位部材７１を備える。そして、複数の部材を含む変位部材７１を備えた場合についても、第１の実施の形態と同様に、変位部材７１の変位量から、荷重を付加したときに関節部２４に作用する外力を算出する。

従って、本実施の形態の外力検出装置１０Ｂは、第１の実施の形態と同様に、被検体Ｈに荷重をかけたときに被検体Ｈの関節部に加わる外力を、精度良く算出することができる。

＜変形例＞
上記実施の形態では、付加部６４がガイド部材６３に沿って移動することで、被検体Ｈに荷重を付加する形態を説明した。

しかし、付加部６４は、被検体Ｈに荷重を付加可能な構成であればよく、上記実施の形態で説明した形態に限定されない。例えば、付加部６４は、ペダル式、シリンダ式、てこ式、の何れを採用したものであってもよい。

図１０、図１１、および図１２は、付加部６４の他の形態の一例を示す模式図である。

図１０は、付加部６４４の一例を示す模式図である。付加部６４４は、ペダル式の構造である。詳細には、付加部６４４は、第１板状部材６４４Ａと、ばね部材６４４Ｃと、第２板状部材６４４Ｂと、を備える。

第１板状部材６４４Ａは、板状の部材である。第１板状部材６４４Ａは、板面が支持部材６４２に接触配置されている。すなわち、第１板状部材６４４Ａは、支持部材６４２によって支持されている。支持部材６４２は、支持台６２に固定されている。

第２板状部材６４４Ｂは、板状部材である。第２板状部材６４４Ｂは、固定部材６６に向かい合うように配置されている。固定部材６６は、第１の実施の形態と同様である。第２板状部材６４４Ｂにおける、固定部材６６側の面には、荷重センサ６５が設けられている。荷重センサ６５は、第１の実施の形態と同様である。

第１板状部材６４４Ａと第２板状部材６４４Ｂとは、ばね部材６４４Ｃによって連結されている。ばね部材６４４Ｃは、長尺状のばねである。ばね部材６４４Ｃの長尺方向は、支持台６２の被検体Ｈを載置する載置面における、支持台６２の長尺方向に対して直交する方向に一致する。

第２板状部材６４４Ｂは、ばね部材６４４Ｃを回転軸として、第１板状部材６４４Ａに接触する方向（矢印ＹＢ方向）、または、第１板状部材６４４Ａから離れる方向（矢印ＹＡ方向）に、回動可能に設けられている。また、ばね部材６４４Ｃは、第２板状部材６４４Ｂに対して、矢印ＹＡ方向に復元力を与える。

このため、支持台６２上に横たわった被検体Ｈには、ばね部材６４４Ｃの復元力によって、第２板状部材６４４Ｂから固定部材６６側に向かう荷重（矢印ＸＡ方向の荷重）が付加される。

付加部６４４の材質は限定されない。付加部６４４の材質は、例えば、ＡＢＳなどの合成樹脂であることが好ましい。付加部６４４の材質が合成樹脂であると、外力検出装置１０をＣＴ装置やＭＲＩ装置に適用した場合に、これらの装置によって得られた画像の精度に付加部６４４が影響を与えることを抑制することができる。

図１１は、シリンダ式の付加部６４６の一例を示す模式図である。

付加部６４６は、第１板状部材６４６Ａ、支持部材６４６Ｂ、シリンダ６４６Ｄ、管状部材６４６Ｅ、制御弁６４６Ｆ、管状部材６４６Ｇ、およびコンプレッサ６４６Ｈを備える。

第１板状部材６４６Ａは、板状部材である。第１板状部材６４６Ａにおける、固定部材６６側の面には、荷重センサ６５が設けられている。支持台６２上には、支持部材６４２および支持部材６４６Ｂがこの順に積層されている。支持部材６４６Ｂは、第１板状部材６４６Ａを支持する。支持部材６４２は、支持部材６４６Ｂを、支持台６２の長尺方向（矢印Ｘ方向）に沿って移動可能に支持する。このため、第１板状部材６４６Ａは、支持部材６４２の長尺方向（矢印Ｘ方向）移動可能に支持されている。

第１板状部材６４６Ａにおける、固定部材６６の反対側の面には、シリンダ６４６Ｄが設けられている。第１板状部材６４６Ａにおける、固定部材６６の反対側の面は、シリンダ６４６Ｄのロッド６４６Ｃに連結されている。シリンダ６４６Ｄの内部空間は、管状部材６４６Ｅ、制御弁６４６Ｆ、および管状部材６４６Ｇを介して、コンプレッサ６４６Ｈに連通されている。

コンプレッサ６４６Ｈは、圧縮空気を生成する。圧縮空気は、管状部材６４６Ｇ、制御弁６４６Ｆ、および管状部材６４６Ｅを介して、シリンダ６４６Ｄへ送られる。ロッド６４６Ｃは、シリンダ６４６Ｄの内部空間に送られた圧縮空気によって、固定部材６６に近づく方向（矢印ＸＡ方向）へ第１板状部材６４６Ａを押す。このため、第１板状部材６４６Ａによって、被検体Ｈに荷重が付加される。

なお、外力検出装置１０の適用対象の装置の構成に応じて、管状部材６４６Ｅおよび管状部材６４６Ｇの長さ（矢印Ｘ方向の長さ）を調整することが好ましい。

図１２は、てこ式の付加部６４８の一例を示す模式図である。てこ式とは、てこの原理を用いた構成である。

付加部６４８は、第１板状部材６４８Ａと、支持部材６４８Ｂと、支持部材６４８Ｃと、回転軸６４８Ｄと、軸部材６４８Ｅと、重り６４８Ｆと、を備える。

第１板状部材６４８Ａは、板状部材である。第１板状部材６４８Ａにおける、固定部材６６側の面には、荷重センサ６５が設けられている。支持台６２上には、支持部材６４２および支持部材６４８Ｂがこの順に積層されている。支持部材６４８Ｂは、第１板状部材６４８Ａおよび支持部材６４８Ｃを回転可能に支持する。支持部材６４２は、支持部材６４２上に固定されている。

第１板状部材６４６Ａにおける、固定部材６６の反対側の面は、軸部材６４８Ｅに連結されている。軸部材６４８Ｅは、支持台６２の長尺方向（矢印Ｘ方向）に長い、棒状部材である。軸部材６４８Ｅの長尺方向（矢印Ｘ方向）の一端面は、第１板状部材６４８Ａに連結されている。軸部材６４８Ｅの長尺方向（矢印Ｘ方向）の他端側には、重り６４８Ｆが設けられている。

また、軸部材６４８Ｅは、回転軸６４８Ｄによって、該回転軸６４８Ｄを軸として回転可能に支持されている（矢印Ｚ１方向、矢印Ｚ２方向参照）。

このため、軸部材６４８Ｅは、回転軸６４８Ｄを支点とし、重り６４８Ｆを作用点とし、第１板状部材６４８Ａとの連結部を力点とした、“てこ”として機能する。

すなわち、軸部材６４８Ｅにおける、重り６４８Ｆの設けられたに作用点において、鉛直方向（矢印Ｚ１方向）に力が働くことで、第１板状部材６４８Ａを介して被検体Ｈに、矢印ＸＡ方向に向かう荷重を付加することができる。

てこ式の付加部６４８を用いることによって、質量の小さい重り６４８Ｆであっても、該重り６４８Ｆの重量より大きな荷重を、被検体Ｈに付加することができる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態では、上記実施の形態の外力検出装置１０または外力検出装置１０Ｂで検出した外力を用いて、関節部２４に作用する応力を算出する形態を説明する。

本実施の形態における、関節部２４に作用する応力とは、上記外力に、関節部２４に筋によって作用する作用力を加味したものである。

本実施の形態では、一例として、第１の実施の形態の外力検出装置１０で検出した外力を用いて、応力領域４２へ作用する応力を算出する形態を説明する。なお、第２の実施形態の外力検出装置１０Ｂで検出した外力を用いてもよい。

図１３は、本実施の形態の外力検出装置１０Ｃの模式図である。

外力検出装置１０Ｃは、制御部１５と、ＵＩ部１４と、駆動部６１と、支持台６２と、ガイド部材６３と、付加部６４と、荷重センサ６５と、固定部材６６と、変位部材７０と、検出部７２と、外部装置１８と、を備える。

制御部１５は、外力検出装置１０Ｃを制御する。制御部１５は、ＵＩ部１４、検出部７２、駆動部６１、荷重センサ６５、および外部装置１８に、データや信号授受可能に接続されている。

ＵＩ部１４、駆動部６１、支持台６２、ガイド部材６３、付加部６４、荷重センサ６５、固定部材６６、変位部材７０、および検出部７２は、第１の実施の形態と同様である。

外部装置１８は、解析対象の画像を取得する装置である。解析対象の画像は、被検体Ｈの関節部２４および関節部に連続する骨部に関する画像である。具体的には、解析対象の画像は、被検体Ｈの関節部２４と、関節部２４に連続する骨部と、筋部と、を含む。筋部は、筋を含む。

外部装置１８は、例えば、被検体ＨをＸ線や磁気などを用いてスキャンすることにより、被検体Ｈの時系列のＣＴ画像や、被検体Ｈの時系列のＭＲＩ画像を得る。なお、外力検出装置１０Ｃと、外部装置１８と、を別体として構成してもよい。また、外力検出装置１０Ｃと、外部装置１８と、を一体的に構成してもよい。

以下、本実施の形態で扱う解析対象の画像は、ＣＴ画像である場合を説明する。しかし、解析対象の画像は、ＣＴ画像に限定されない。例えば、解析対象の画像は、ＭＲＩ画像や超音波エコー画像であってもよい。

ＣＴ画像は、ＣＴ値の二次元空間分布を表現するスライスデータや、ＣＴ値の三次元空間分布を表現するボリュームデータである。以下、ＣＴ画像は、ボリュームデータであるとする。外部装置１８は、時系列のＣＴ画像を、制御部１５へ出力する。

なお、制御部１５は、他の装置や、外部記憶部などから、解析対象のＣＴ画像を取得してもよい。なお、解析対象の画像は、時系列の画像に限定されない。なお、以下では、解析対象の画像を、単に、画像、またはＣＴ画像と称して説明する。

本実施の形態では、外力検出装置１０Ｃは、支持台６２上に横たわった被検体Ｈに、付加部６４によって荷重を付加した状態で、検出部７２による（撮影）、荷重センサ６５による荷重の検知、外部装置１８によるＣＴ画像の撮影、を行う。このため、外部装置１８が撮影するＣＴ画像は、荷重センサ６５で検知される荷重を付加部６４によって付加された状態の被検体Ｈを撮影した画像である。

図１４は、外力検出装置１０Ｃの機能ブロック図の一例である。外力検出装置１０Ｃは、検出部７２と、荷重センサ６５と、駆動部６１と、外部装置１８と、ＵＩ部１４と、記憶部１６と、制御部１５と、を備える。検出部７２、荷重センサ６５、駆動部６１、外部装置１８、ＵＩ部１４、および、記憶部１６は、制御部１５にデータや信号授受可能に接続されている。

制御部１５は、外力検出装置１０Ｃを制御する。外力検出装置１０Ｃは、第１受付部１２Ａと、第１取得部１２Ｂと、第１算出部１２Ｃと、第２算出部１２Ｄと、駆動制御部１２Ｅと、第２受付部１２Ｆと、生成部１５Ｇと、表示制御部１５Ｈと、第２取得部１５Ｉと、構築部１５Ｊと、第３算出部１５Ｋと、第４算出部１５Ｌと、第５算出部１５Ｍと、を備える。

第１受付部１２Ａ、第１取得部１２Ｂ、第１算出部１２Ｃ、第２算出部１２Ｄ、駆動制御部１２Ｅ、第２受付部１２Ｆ、生成部１５Ｇ、表示制御部１５Ｈ、第２取得部１５Ｉ、構築部１５Ｊ、第３算出部１５Ｋ、第４算出部１５Ｌ、および第５算出部１５Ｍの一部またはすべては、例えば、ＣＰＵなどの処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣなどのハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。

第１受付部１２Ａ、第１取得部１２Ｂ、第１算出部１２Ｃ、第２算出部１２Ｄ、駆動制御部１２Ｅ、第２受付部１２Ｆは、第１の実施の形態と同様である。

第２取得部１５Ｉは、被検体Ｈの関節部２４および関節部２４に連続する骨部に関する画像を取得する。本実施の形態では、第２取得部１５Ｉは、外部装置１８から、ＣＴ画像を取得することによって、被検体Ｈの関節部２４および関節部２４に連続する骨部に関するＣＴ画像を取得する。なお、記憶部１６に被検体ＨのＣＴ画像を予め記憶してもよい。この場合、第２取得部１５Ｉは、記憶部１６から解析対象の被検体ＨのＣＴ画像を読取ることによって、ＣＴ画像を取得すればよい。

第２取得部１５Ｉは、取得したＣＴ画像を、第３算出部１５Ｋおよび構築部１５Ｊへ出力する。

構築部１５Ｊは、第２取得部１５Ｉが取得したＣＴ画像から、骨部および関節部２４の三次元形状と、骨部および関節部２４の各々の荷重と変形との関係特性と、を構築する。

本実施の形態では、構築部１５Ｊは、一例として、骨部および関節部２４の三次元形状と、荷重と変形との関係特性と、を少なくとも示す力学モデルを構築する場合を説明する。力学モデルは、骨部および関節部２４の三次元形状を示す骨関節形状モデルに、骨部および関節部の各々の荷重と変形との関係特性などを付加したデータである。荷重と変形との関係特性とは、荷重に対する変形の関係を示す。荷重と変形との関係特性は、例えば、硬さを示す。

なお、以下では、説明を簡略化するために、荷重と変形との関係特性を、単に「硬さ」と称して説明する場合がある。しかし、本実施の形態で称する「硬さ」とは、上述したように、荷重と変形との関係特性の一例であり、該関係特性は硬さに限定されない。

具体的には、構築部１５Ｊは、第２取得部１５Ｉで取得したＣＴ画像から、骨部領域を抽出する。例えば、解析対象の画像がＣＴ画像である場合、硬い骨のＣＴ値は１０００ＨＵ程度であり、腱、靭帯、筋などの骨を除く結合組織である軟組織のＣＴ値は０〜１００ＨＵ前後である。このため、構築部１５Ｊは、骨部と軟組織とを識別するためのＣＴ値の閾値を予め設定する。なお、この閾値は、ユーザによる入力部１４Ａの操作などによって調整可能としてもよい。

そして、構築部１５Ｊは、第２取得部１５Ｉで取得したＣＴ画像から、ＣＴ値が閾値以上の領域を抽出することで、関節部領域および骨部領域を抽出し、関節部および骨部の三次元形状を示す骨関節形状モデルを生成する。

例えば、外力検出装置１０Ｃにおいて、有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いた数値解析により、関節部２４の構造解析を行う場合には、構築部１５Ｊは、三次元有限要素モデルを関節部および骨部の骨関節形状モデルとして生成する。有限要素法とは、解析対象領域を節点で囲まれたメッシュ状の領域（要素と称する）に分割し、変形を近似的に解く手法である。

さらに、構築部１５Ｊは、骨関節形状モデルに、骨部および関節部２４の各々の荷重と変形との関係特性などを付加した力学モデルを生成する。ここで、ＣＴ値は、物性によって異なる。このため、構築部１５Ｊは、ＣＴ値に応じて、骨部および関節部２４の硬さなどの、荷重と変形との関係特性を要素ごとに算出し、骨関節形状モデルの対応する位置の各要素に付加することで、力学モデルを生成する。さらに，得られた形状モデルに対し、不連続な箇所を除去するようなフィルタ処理をかけてもよい。

ここで、関係特性における変位には、剛体変位による変位と、各部の材料変形による変位と、が含まれる。このため、構築部１５Ｊは、剛体変位による変位と、各部の材料変形による変位と、を分離して、各々の荷重と変形との関係特性を要素ごとに算出してもよい。

具体的には、構築部１５Ｊは、骨部および関節部以外の生体組織であって、荷重以外の要因による変形が生じにくく、且つ、荷重による変形が抽出可能な生体組織について、荷重と変形との第２関係特性を更に構築してもよい。荷重以外の要因とは、具体的には、筋繊維内の血液の充血度合や、筋繊維を構成するフィラメントのすべり運動などの、荷重以外の要因である。このような生体組織は、例えば、腱、靭帯、および軟骨である。

この場合、構築部１５Ｊは、ＣＴ画像に含まれる、上記骨部または関節部２４に連続または付随する、腱、靭帯、軟骨について、画像解析および追尾技術により、荷重と変形との関係特性（第２関係特性とする）を要素ごとに算出すればよい。

そして、構築部１５Ｊは、骨関節形状モデルの対応する位置の各要素に、骨部および関節部２４の各々の関係特性と、腱や靭帯や軟骨などの生体組織の第２関係特性と、を付加することで、力学モデルを構築すればよい。

図１５は、力学モデル２０の一例を模式的に示す図である。力学モデル２０は、関節部２４と、関節部２４に連続する骨部２２としての骨部２２Ａおよび骨部２２Ｂと、の各々の三次元形状を示す骨関節形状モデルに、これらの関節部２４および骨部２２の荷重と変形との関係特性を付加したデータである。

図１４に戻り、本実施の形態では、構築部１５Ｊは、ＣＴ値に応じて、骨部２２および関節部２４の硬さなどの、荷重と変形との関係特性を算出し、骨関節形状モデルの対応する位置の各要素に付加することで、力学モデルを生成する。

ここで、構築部１５Ｊが算出する、要素ごとの、荷重と変形との関係特性の算出方法の一例を説明する。

構築部１５Ｊは、骨部２２や関節部２４（上述した、腱や靭帯や軟骨などの生体組織を含んでいてもよい）を対象として、腱部および骨端部には荷重条件を与える。また、構築部１５Ｊは、骨端部（骨部の端部）および関節部に変位境界条件を与える。また、構築部１５Ｊは、各生体組織に材料構成式を与える。そして、構築部１５Ｊは、連続体力学（参考文献：”Ｆｉｒｓｔ Ｃｏｕｒｓｅ ｉｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ （３ｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ）”， Ｙ．Ｃ． Ｆｕｎｇ）に基づいて、大変形・応力解析を行う。

大変形・応力解析とは、例えば、有限要素法により連続体力学の方程式を離散化したうえで、数値計算により各部の応力、ひずみ、圧力、変形といった物理量、およびその時間的変化を求めることを示す。大変形・応力解析は、等方的な変形の弾性解析だけではなく、骨部の異方性変形特性を考慮した均質化法による解析でもよく、また生体組織の非弾性変形特性や時間依存変形特性を考慮した非線形解析でもよく、静解析でも動解析でもよい。

そして、構築部１５Ｊは、第２取得部１５Ｉで取得したＣＴ画像から、大変形・応力解析により、骨部２２および関節部２４における各要素の、荷重と変形との関係特性を算出する。また、構築部１５Ｊは、骨部２２および関節部２４以外の生体組織であって、荷重以外の要因による変形が生じにくく、且つ、荷重による変形が抽出可能な生体組織である軟組織（腱、軟骨、靭帯など）について、画像解析および追尾技術により、荷重と変形（軟組織の膜厚変位や軟組織の）との第２関係特性を更に構築（算出）する。

すなわち、構築部１５Ｊは、関節部２４の内部の軟組織の膜厚変位、または、該軟組織のひずみに基づいて、関係特性（第２関係特性）を構築する。

そして、構築部１５Ｊは、算出した関係特性と、第２関係特性と、を、骨関節形状モデルにおける対応する位置の各要素に付加することで、力学モデルを生成する。

なお、構築部１５Ｊは、関係特性を、骨関節形状モデルにおける対応する位置の各要素に付加した（すなわち、第２関係特性を含まない）力学モデルを構築してもよい。しかし、第２関係特性を含む力学モデルを構築することが、後述する第１応力の算出精度向上の観点から好ましい。

図１４に戻り、第３算出部１５Ｋは、第２取得部１５Ｉから受け付けたＣＴ画像を用いて、関節部２４に連続する骨部２２の位置関係を算出する。

関節部２４に連続する骨部２２の位置関係は、関節部２４に連続する骨部２２間の、関節部２４を中心とする角度（関節角）や、骨部の中心座標系、慣性モーメント、骨部の質量、筋ヤコビアン、などを含む。

本実施の形態では、第３算出部１５Ｋは、第２取得部１５Ｉから受け付けたＣＴ画像を用いて、位置関係を算出し、筋骨格モデルを生成する。

筋骨格モデルとは、関節部２４と骨部２２の三次元形状を示す骨関節形状モデルに、筋部の三次元形状を配置し、上記位置関係を付与したものである。なお、筋骨格モデルは、更に、靭帯や腱の三次元形状を配置したモデルであってもよい。本実施の形態における筋部は、関節部２４に連続する２つの骨部２２の一方を起始部とし他方を停止部として結合した筋を意味する。

このため、筋骨格モデルは、関節部２４と関節部２４に連続する骨部２２との位置関係を少なくとも示すものとなる。なお、筋骨格モデルは、更に、骨部２２、関節部２４、および骨部２２に連結する筋部の各々の硬さや、重さ、などを含んでいてもよい。

例えば、第３算出部１５Ｋは、ＣＴ画像から、以下の手法を用いて筋骨格モデルを生成する。

具体的には、第３算出部１５Ｋは、構築部１５Ｊと同様にして、第２取得部１５Ｉで取得したＣＴ画像から、ＣＴ値が閾値以上の領域を抽出することで、関節部領域および骨部領域を抽出し、関節部２４および骨部２２の三次元形状を示す骨関節形状モデルを生成する。また、第３算出部１５Ｋは、ＣＴ画像から、軟組織（筋部）を示すＣＴ値の領域を抽出することで、筋部領域を抽出し、骨関節形状モデルに筋部の三次元形状を配置する。

そして、更に、第３算出部１５Ｋは、ＣＴ画像から、関節部２４と関節部２４に連続する骨部２２との位置関係としての、関節角、骨部の中心座標系、慣性モーメント、骨部の質量、筋ヤコビアンを算出する。

例えば、第３算出部１５Ｋは、生成した骨関節形状モデルから、骨部２２および関節部２４の各々について、特徴的な形状の箇所を数点抽出する。そして、第３算出部１５Ｋは、それらの重心位置を中心とした座標系を、各骨部２２および関節部２４の各々の中心座標系として算出する。

また第３算出部１５Ｋは、上記各骨部２２および関節部２４の各々について、上記算出した中心座標系のそれぞれの軸回りで、下記式（１）を用いて慣性モーメントＩを算出する。

Ｉ＝Σｍｉｒｉ^２ ・・・式（１）

式（１）中、Ｉは慣性モーメントを示し、ｍｉは骨部２２および関節部２４をメッシュ状に細分化したときの要素の質量を示し、ｒｉは座標軸までの距離を示す。要素の質量は、予め記憶していた標準の密度と要素の体積から算出してよい。また、ｒｉは、骨関節形状モデルから算出すればよい。

また、第３算出部１５Ｋは、関節角については、関節部に連続する隣り合う２つの骨部２２の座標系を座標変換することによって算出する。例えば、体幹に近い側の骨の座標系（同次変換行列）をＴ_ａとし、先端側の骨の座標系を表す同次変換行列をＴ_ｂとすると、下記式（２）の関係が成り立つ。これらの座標系は、骨関節形状モデルから算出すればよい。

Ｔ＝Ｔ_ｂＴ_ａ ^−１ ・・・式（２）

第３算出部１５Ｋは、式（２）を用いて、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸回りにそれぞれα，β，γで回転した時の行列と、Ｔと、を比較することによって、関節角α，β，γを算出する（オイラー角の定義）。

また、第３算出部１５Ｋは、筋ヤコビアンについては、下記式（３）を用いて算出する。

Ｌ＝ｄｌ／ｄθ ・・・式（３）

式（３）中、Ｌは筋ヤコビアンを示し、ｄｌは筋長の微小変化量を示し、ｄθは関節角の微小変化を示す。ｄｌおよびｄθは、予め定めた値を用いてもよいし、ＣＴ画像より抽出した筋と関節中心との幾何的関係から算出してもよい。

なお、慣性モーメント、骨部２２および関節部２４の質量、および筋ヤコビアンは、制御部１２で予め標準的な値を算出し、標準位置関係として予め記憶部１６に記憶してもよい。そして、第３算出部１５Ｋは、記憶部１６に記憶されている、慣性モーメント、骨部２２および関節部２４の質量、および筋ヤコビアンを用いてもよい。また、第３算出部１５Ｋは、新たに慣性モーメント、骨部２２の質量、関節部２４の質量、および筋ヤコビアンの少なくとも１つを算出した場合には、算出後の値を新たな値として、記憶部１６に記憶することによって、記憶部１６を更新してもよい。

そして、第３算出部１５Ｋは、関節部２４と骨部２２の三次元形状を示す骨関節形状モデルに、筋部の三次元形状を配置し、算出した位置関係（関節角、骨部２２の中心座標系、慣性モーメント、骨部２２や関節部２４の質量、筋ヤコビアンなど）を付与することによって、筋骨格モデルを生成する。

なお、第３算出部１５Ｋが、時系列のＣＴ画像の各々から筋骨格モデルを生成することで、第３算出部１５Ｋは、時系列の筋骨格モデルを生成することとなる。すなわち、第３算出部１５Ｋは、時系列の筋骨格モデルを生成することによって、時系列で取得されたＣＴ画像から抽出した骨部２２の位置の時間変化から、関節角の変化や筋の長さ変化も算出可能である。

なお、第３算出部１５Ｋは、変位量から算出した関節角を第２算出部１２Ｄから取得することによって、関節角を算出してもよい。すなわち、第３算出部１５Ｋは、変位部材７０の変位量から算出された関節部２４の関節角を、位置関係として算出してもよい。

第４算出部１５Ｌは、第３算出部１５Ｋが算出した位置関係、外力、および付加部６４が付加した荷重、を用いて、逆動力学計算を行う。逆動力学計算によって、第４算出部１５Ｌは、関節部２４に筋によって作用する作用力を算出する。

作用力は、例えば、関節部２４に連続する骨部２２間に結合した筋の筋張力、および関節部２４に作用するトルクの少なくとも１つを含む。関節部２４に連続する骨部２２間に結合した筋とは、関節部２４に連続する２つの骨部２２の一方の骨部２２を起始部とし、他方の骨部２２を停止部として、これらの骨部２２に結合した筋を示す。

逆動力学計算には、関節部２４と関節部２４に連続する骨部２２との位置関係としての、関節角、骨部の中心座標系、慣性モーメント、骨部の質量、筋ヤコビアンが必要である。また、逆動力学計算には、第１算出部１２Ｃが算出した外力（すなわち、被検体Ｈに荷重を付加した時に関節部２４に作用する外力）と、該被検体Ｈに付加した該荷重と、を用いる。

第４算出部１５Ｌは、第３算出部１５Ｋで算出された筋骨格モデルから、関節角、骨部の中心座標系、慣性モーメント、骨部の質量、および筋ヤコビアンを取得する。

また、第４算出部１５Ｌは、第１算出部１２Ｃから外力を取得する。また、第４算出部１５Ｌは、第２算出部１２Ｄから関節角を取得する。また、第４算出部１５Ｌは、第１受付部１２Ａから、荷重の検出結果を取得する。

なお、第４算出部１５Ｌは、筋骨格モデルから関節角を取得してもよいし、第２算出部１２Ｄから関節角を取得してもよい。

そして、第４算出部１５Ｌは、関節角、骨部の中心座標系、慣性モーメント、骨部の質量、筋ヤコビアン、外力、および荷重（荷重センサ６５から受け付けた荷重）を用いて、下記式（４）〜式（６）により、逆動力学計算を行うことによって、関節部２４に筋によって作用する作用力を算出する。なお、下記式（４）は、関節部２４に作用するトルクの算出式である。

各関節における運動方程式は、式（４）で表される。

τ＝Ｍｄ^２θ／ｄｔ^２＋Ｄｄθ／ｄｔ＋Ｇ（θ）+τｅ ・・・式（４）

式（４）中、τは関節部に作用するトルクを示し、θは関節角を示し、ｄθ／ｄｔは、関節角速度を示す。また、ｄ^２θ／ｄｔ^２は、関節角加速度を示し、Ｍは慣性モーメントを示し、Ｄは粘性抵抗を示し、Ｇ（θ）は重力項（姿勢によって変化）を示す。また、τｅは、第１算出部１２Ｃが算出した外力を示す。言い換えると、τｅは、ＣＴ画像の撮影時に、荷重を付加された被検体Ｈの、関節部２４に作用する外力である。

すなわち、第４算出部１５Ｌは、第１算出部１２Ｃが算出した外力を、式（４）のτｅにあてはめる。

なお、第４算出部１５Ｌは、関節角速度（ｄθ／ｄｔ）については、第３算出部１５Ｋで算出された時系列の筋骨格モデルを用いて、関節角の角速度を算出することにより得ればよい。また、第４算出部１５Ｌは、関節角加速度（ｄ^２θ／ｄｔ^２）については、第３算出部１５Ｋで算出された時系列の筋骨格モデルを用いて、関節角の角速度を算出することにより得ればよい。粘性抵抗（Ｄ）については、予め計測し、記憶部１６に記憶しておけばよい。重力項（Ｇ（θ））については、骨部の質量と重心位置から算出すればよい。

なお、第２取得部１５Ｉが取得したＣＴ画像が、時系列の画像ではない場合（すなわち、ワンショットのＣＴ画像である場合）、式（４）中の時間変化に関する項目を得ることはできない。このため、この場合には、第４算出部１５Ｌは、τ＝Ｇ（θ）として処理を進めればよい。

また、第４算出部１５Ｌは、逆動力学計算を行うことにより、関節部に連続する骨部間に結合した筋の筋張力を算出する。

ここで、荷重Ｆが関節部に作用している場合、仮想仕事の原理により、下記式（５）が成り立つ。

Ｊ^ＴＦ＋τ＝Ｌ^Ｔｍ ・・・式（５）
ｍ＝（Ｌ^Ｔ）^−１（Ｊ^ＴＦ＋τ） ・・・式（６）

式（５）および式（６）中、Ｊは、関節角ヤコビアン（位置と関節角の微分関係）を示し、Ｌは、筋ヤコビアン（関節角と筋長の微分関係）を示し、ｍは、筋張力を示す。上記式（５）において、Ｌ^Ｔの逆行列を左辺に乗算することによって（式（６）参照）、第４算出部１５Ｌは、筋張力ｍを算出する。Ｆは、荷重を示し、荷重センサ６５から受け付けた荷重の検知結果である。言い換えると、Ｆは、外部装置１８によって撮影されたＣＴ画像の、撮影時に被検体Ｈに付加されていた荷重である。

このため、第４算出部１５Ｌは、荷重センサ６５から受け付けた荷重（すなわち、ＣＴ画像の撮影時に被検体Ｈに付加されていた荷重）を、式（５）および式（６）のＦにあてはめる。

なお、第４算出部１５Ｌは、式（５）および式（６）中の関節角ヤコビアン（Ｊ）については、付加荷重（ベクトル）を関節角（ベクトル）で偏微分することによって得ればよい。

以上の処理により、第４算出部１５Ｌは、第３算出部１５Ｋが算出した位置関係（筋骨格モデル）と、ＣＴ画像の撮影時に被検体Ｈに付加した荷重と、該荷重を付加された被検体Ｈの関節部２４に作用していた外力と、を用いて、逆動力学計算を行うことによって、関節部２４に筋によって作用する作用力（筋張力や、関節部に作用するトルク）を算出する。

なお、第４算出部１５Ｌは、筋の物理モデルとして、より実際の筋を模擬した粘弾性モデルを仮定することによって、作用力を算出してもよい。

次に、第５算出部１５Ｍについて説明する。

第５算出部１５Ｍは、構築部１５Ｊが構築した三次元形状と、関係特性と、第４算出部１５Ｌが算出した作用力と、に基づいて、関節部２４に作用する応力を算出する。本実施の形態では、第５算出部１５Ｍは、構築部１５Ｊが構築した力学モデルと、第４算出部１５Ｌが算出した作用力と、に基づいて、関節部２４に作用する応力を算出する場合を説明する。

すなわち、第５算出部１５Ｍは、骨部２２と関節部２４との接触面における各要素（ＦＥＭにおける各要素）ごとに、応力を算出する。

具体的には、第５算出部１５Ｍは、第４算出部１５Ｌによる逆動力学計算によって算出された、筋張力および関節部２４に作用するトルクを、力学モデルに対する外荷重の境界条件として与える。これにより、第５算出部１５Ｍは、関節部２４を構造解析し、骨部２２と関節部２４との接触面である軟骨部に作用する応力を算出する。応力の算出には、公知の有限要素法（ＦＥＭ）を用いた数値解析を用いればよい。

また、第５算出部１５Ｍは、骨部２２と関節部２４との接触面における各要素の応力を算出することによって、関節部２４（すなわち、骨部２２と関節部２４との接触面）に作用する応力の分布を算出する。

生成部１５Ｇは、第１の実施の形態のＵＩ部１４と同様にして、外力画像１７（図５参照）を生成する。

また、生成部１５Ｇは、第５算出部１５Ｍで算出された、関節部２４に作用する応力を示す応力画像を含む解析画像を生成する。応力画像は、被検体Ｈの骨部２２と関節部２４との接触面における応力の作用する応力領域を、応力の強さに応じた色濃度で示した画像である。なお、本実施の形態では、色濃度は、色および濃度の少なくとも一方を示す。

本実施の形態では、生成部１５Ｇは、骨部２２の三次元形状を示す骨部画像に、骨部２２と関節部２４との接触面における、応力の作用する応力領域を、応力の強さに応じた色濃度で示す応力画像を、応力画像として生成する。

第２受付部１２Ｆは、入力部１４Ａからユーザによる各種操作指示を受付ける。

表示制御部１５Ｈは、各種画像を表示部１４Ｂへ表示する。

本実施の形態では、表示制御部１５Ｈは、外力画像１７や、解析画像を、表示部１４Ｂへ表示する。解析画像は、生成部１５Ｇが生成した応力画像を含む。

図１６は、解析画像３４の一例を示す図である。例えば、解析画像３４は、力学モデル画像３２と、応力画像３０と、を含む。なお、解析画像３４は、少なくとも応力画像３０を含む画像であればよい。解析画像３４が力学モデル画像３２を含む場合、生成部１５Ｇは力学モデル画像３２を生成し、力学モデル画像３２と応力画像３０を含む解析画像３４を生成すればよい。

応力画像３０は、骨部画像４０と、骨部２２と関節部２４との接触面における応力の作用する応力領域４２を、作用する応力の強さに応じた色濃度で示した応力画像である。

図１６に示す例では、骨部２２と関節部２４との接触面における、応力領域４２_１は、応力「８×１０^-１」を示す色濃度３６_１で示されている。また、応力領域４２_５は、応力「５．３３３×１０^−１」を示す色濃度３６_５で示されている。また、応力領域４２_８は、応力「４．０×１０^−１」を示す色濃度３６_８で示され、最も外側の応力領域４２_１４は、応力「０」を示す色濃度３６_１４で示されている。

なお、応力画像３０は、応力の強さに対応する色濃度を示すゲージ３６を更に含んでいてもよい。

ゲージ３６は、例えば、応力の強さに対応する色濃度の一覧と、各色濃度に対応する応力の値と、を対応づけて表示したものである。

解析画像３４は、力学モデルを示す力学モデル画像３２を更に含んでいてもよい。力学モデル画像３２は、形状モデル画像４４と、ゲージ３８と、を含む。

形状モデル画像４４は、骨部２２と関節部２４との接触面に作用する応力の分布および強さが、同じ解析画像３４に含まれる応力画像３０に示される応力の分布および強さであるときの、骨部２２と関節部２４との位置関係を三次元形状で示す画像である。

ゲージ３８は、荷重と変形との関係特性の強さに応じた色濃度の一覧と、各色濃度に対応する関係特性の値と、を対応づけて表示した画像である。形状モデル画像４４には、荷重と変形との関係特性の値に応じた色濃度が付与されている。

生成部１５Ｇが、応力画像３０を含む解析画像３４を生成することで、表示部１４Ｂには、例えば、図１６に示す解析画像３４が表示される。このため、外力検出装置１０Ｃは、骨部２２と関節部２４との接触面における応力の作用する応力領域４２を、応力の強さに応じた色濃度で示した応力画像３０を表示することができる。よって、外力検出装置１０Ｃは、骨部２２と関節部２４との接触面における、各強さの応力の作用する位置や範囲を、ユーザに対して解り易く提供することができる。

また、生成部１５Ｇが、応力画像３０と、力学モデル画像３２と、を含む解析画像３４を生成することで、表示部１４Ｂには、例えば、図１６に示す解析画像３４が表示される。このため、外力検出装置１０Ｃは、応力画像３０によって示される応力が作用しているときの、関節部２４と骨部２２との関節角などの位置関係を解り易く提供することができる。

次に、外力検出装置１０Ｃが実行する外力検出処理の手順を説明する。図１７は、外力検出装置１０Ｃが実行する外力検出処理の手順の一例を示すフローチャートである。

まず、制御部１５は、第１の実施の形態のステップＳ１００〜ステップＳ１２０と同様にして、ステップ３００〜ステップＳ３２０の処理を実行する。

そして、ステップＳ３１６で否定判断すると（ステップＳ３１６：Ｎｏ）、ステップＳ３２２へ進む。

ステップＳ３２２では、第２受付部１２Ｆが入力部１４Ａから解析指示を受付けたか否かを判断する（ステップＳ３２２）。例えば、ユーザは、入力部１４Ａを操作することによって、画像解析を指示する。第２受付部１２Ｆは、入力部１４Ａから画像解析を示す信号を受け付けると、解析指示を受付けたと判断する（ステップＳ３２２：Ｙｅｓ）。

ステップＳ３２２で肯定判断すると（ステップＳ３２２：Ｙｅｓ）、第２取得部１５ＩがＣＴ画像を取得する（ステップＳ３２４）。なお、ステップＳ３２４で取得するＣＴ画像は、ステップＳ３０２の駆動制御によって、荷重が付加された被検体ＨのＣＴ画像である。

次に、構築部１５Ｊが、ステップＳ３２４で取得したＣＴ画像から、力学モデルを構築する（ステップＳ３２６）。

次に、第３算出部１５Ｋが、関節部２４に連続する骨部２２の位置関係を算出する（ステップＳ３２８）。

次に、第４算出部１５Ｌが、逆動力学計算を行い、関節部３２に筋によって作用する作用力を算出する（ステップＳ３３０）。

次に、第５算出部１５Ｍが、構築部１５ＪがステップＳ３２６で構築した力学モデルと、第４算出部１５ＬがステップＳ３３０で算出した作用力と、に基づいて、関節部２４に作用する応力を算出する（ステップＳ３３２）。

次に、生成部１５Ｇが、ステップＳ３３２で算出した応力を示す応力画像を生成する（ステップＳ３３４）。本実施の形態では、上述したように、生成部１５Ｇは、応力画像を含む解析画像を生成する。

次に、生成部１５Ｇは、ステップＳ３３４で生成した解析画像を記憶部１６に記憶する（ステップＳ３３６）。そして、本ルーチンを終了する。なお、ステップＳ３３６では、生成部１５Ｇは、ステップＳ３３４で生成した解析画像を、該解析画像を識別する識別情報に対応づけて記憶部１６に記憶することが好ましい。この識別情報は、例えば、ステップＳ３２４で取得したＣＴ画像の被検体Ｈの被検体ＩＤ、ＣＴ画像の撮影日時、解析画像の生成日時、および該ＣＴ画像に含まれる関節部の関節角、の少なくとも１つを含むことが好ましい。

この場合、例えば、第２取得部１５Ｉは、ＣＴ画像と共に、該ＣＴ画像の被検体Ｈの被検体ＩＤと、ＣＴ画像の撮影日時と、を取得すればよい。そして、生成部１５Ｇは、該被検体ＩＤおよび撮影日時を、識別情報として用いればよい。また、生成部１５Ｇは、解析画像に含まれる応力画像に含まれる関節部の関節角を、第４算出部１５Ｌから受付ければよい。そして、生成部１５Ｇは、受付けた関節角を識別情報として用いればよい。

一方、上記ステップＳ３２２で第２受付部１２Ｆが否定判断すると（ステップＳ３２２：Ｎｏ）、ステップＳ３３８へ進む。例えば、第２受付部１２Ｆは、入力部１４Ａから解析画像の表示を示す信号を受け付けると、ステップＳ３３８で否定判断する。

ステップＳ３３８では、第２受付部１２Ｆが応力画像の表示指示を受付けたか否かを判断する。例えば、第２受付部１２Ｆは、入力部１４Ａから、応力画像の表示指示を受付けたか否かを判断する。ステップＳ３３８で肯定判断すると（ステップＳ３３８：Ｙｅｓ）、ステップＳ３４０へ進む。一方、ステップＳ３３８で否定判断すると（ステップＳ３３８：Ｎｏ）、本ルーチンを終了する。

次に、表示制御部１５Ｈは、記憶部１６に記憶されている解析画像を読取る（ステップＳ３４０）。そして、表示制御部１５Ｈは、読取った解析画像を表示部１４Ｂに表示する（ステップＳ３４２）。そして、本ルーチンを終了する。

以上説明したように、本実施の形態の外力検出装置１０Ｃは、変位部材７０と、付加部６４と、第１取得部１２Ｂと、第１算出部１２Ｃと、第２取得部１５Ｉと、構築部１５Ｊと、第３算出部１５Ｋと、第４算出部１５Ｌと、第５算出部１５Ｍと、を備える。

変位部材７０、付加部６４、第１取得部１２Ｂ、および、第１算出部１２Ｃは、第１の実施の形態と同様である。

第２取得部１５Ｉは、被検体Ｈの関節部２４および関節部２４に連続する骨部２２に関する画像情報（ＣＴ画像）を取得する。構築部１５Ｊは、画像情報（ＣＴ画像）から、骨部２２および関節部２４の三次元形状と、骨部２２および関節部２４における荷重と変形との関係特性と、を構築する。第３算出部１５Ｋは、関節部２４に連続する骨部２２の位置関係を算出する。第４算出部１５Ｌは、位置関係、外力、および付加部６４が付加した荷重、を用いて逆動力学計算を行い、関節部２４に筋によって作用する作用力を算出する。第５算出部１５Ｍは、三次元形状と、関係特性と、作用力と、に基づいて、関節部２４に作用する応力を算出する。

このように、本実施の形態の外力検出装置１０Ｃは、第１算出部１２Ｃで算出された変位量から算出された外力を用いて、逆動力学計算を行うことによって、関節部２４に筋によって作用する作用力を算出する。そして、作用力を用いて、関節部２４に作用する応力を算出する。

すなわち、本実施の形態の外力検出装置１０Ｃは、第１算出部１２Ｃで算出された変位量に基づいて応力を算出する。従って、本実施の形態の外力検出装置１０Ｃは、第１の実施の形態の効果に加えて、関節部２４に作用する応力を精度良く算出することができる。

次に、上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃの、ハードウェア構成を説明する。図１８は、上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃのハードウェア構成例を示すブロック図である。

上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃは、ＣＰＵ８００、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８２０、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８４０、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）（図示省略）、および通信Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）８６０を有する。ＣＰＵ８００、ＲＯＭ８２０、ＲＡＭ８４０、ＨＤＤ（図示省略）、および通信Ｉ／Ｆ８６０は、バスにより相互に接続されており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。

上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃで実行される外力検出処理を実行するためのプログラムは、ＲＯＭ８２０等に予め組み込んで提供される。

なお、上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃで実行される外力検出処理を実行するためのプログラムは、これらの装置にインストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フロッピー（登録商標）ディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供するように構成してもよい。

また、上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃで実行される外力検出処理を実行するためのプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃで実行される外力検出処理を実行するためのプログラムを、インターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。

上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃで実行される外力検出処理を実行するためのプログラムは、上述した各機能部を含むモジュール構成となっている。実際のハードウェアとしてはＣＰＵ８００がＲＯＭ８２０等の記憶媒体から各プログラムを読み出して実行することにより上記各機能部が主記憶装置上にロードされ、主記憶装置上に生成されるようになっている。

なお、上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃは、被検体Ｈを撮影する撮影機構を装備する如何なる種類の装置にも適用可能である。上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃは、例えば、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ装置）、磁気共鳴診断装置、超音波診断装置、ＳＰＥＣＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ＣＴ）装置、ＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置、および放射線治療装置などに適宜利用可能である。

また、上記実施の形態では、被検体Ｈは、人体であるものと仮定して説明した。しかし、被検体Ｈは、人体以外の物体であってもよい。例えば、被検体Ｈは、骨格模型であってもよい。

すなわち、上記実施の形態の外力検出装置１０、１０Ｂ、１０Ｃは、被検体Ｈとして人体以外の物体を用いた場合にも、適用可能である。

以上、実施の形態を説明したが、実施の形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施の形態およびその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１０Ｂ、１０Ｃ 外力検出装置
１２Ｂ、１３Ｂ 第１取得部
１２Ｃ 第１算出部
１２Ｄ、１３Ｄ 第２算出部
１２Ｇ、１５Ｇ 生成部
１２Ｈ、１５Ｈ 表示制御部
１５Ｉ 第２取得部
１５Ｊ 構築部
１５Ｋ 第３算出部
１５Ｌ 第４算出部
１５Ｍ 第５算出部
６４、６４４、６４６、６４８ 付加部
７０、７１ 変位部材

Claims (11)

1. 被検体の関節部の屈曲に応じて変位する変位部材と、
   前記被検体に荷重を付加する付加部と、
   前記被検体に前記荷重を付加したときの、前記変位部材の変位量を取得する第１取得部と、
   前記変位量から、前記荷重を付加したときに前記関節部に作用する外力を算出する第１算出部と、
   を備える外力検出装置。
2. 前記変位部材は、非金属である、請求項１に記載の外力検出装置。
3. 前記変位部材は、前記関節部に連続する骨部の長尺方向に対して交差する交差方向に沿って配置されたマークを有し、
   前記第１取得部は、前記被検体に前記荷重を付加したときの、前記変位部材の前記マークの変位から、前記変位量を取得する、請求項１に記載の外力検出装置。
4. 前記マークは、線状、または点状である、請求項３に記載の外力検出装置。
5. 前記変位量から、前記関節部の関節角を算出する第２算出部を更に備える、請求項１に記載の外力検出装置。
6. 前記被検体の前記関節部および前記関節部に連続する骨部に関する画像を取得する第２取得部と、
   前記画像から、前記骨部および前記関節部の三次元形状と、前記骨部および前記関節部における荷重と変形との関係特性と、を構築する構築部と、
   前記関節部に連続する前記骨部の位置関係を算出する第３算出部と、
   前記位置関係、前記外力、および前記付加部が付加した前記荷重、を用いて逆動力学計算を行い、前記関節部に筋によって作用する作用力を算出する第４算出部と、
   前記三次元形状と、前記関係特性と、前記作用力と、に基づいて、前記関節部に作用する応力を算出する第５算出部と、
   を備えた外力検出装置。
7. 前記第３算出部は、前記変位量から算出された前記関節部の関節角を、前記位置関係として算出する、
   請求項６に記載の外力検出装置。
8. 前記構築部は、前記関節部の内部の軟組織の膜厚変位、または、該軟組織のひずみに基づいて、前記関係特性を構築する、請求項６に記載の外力検出装置。
9. 付加部によって被検体に荷重を付加したときの、前記被検体の関節部の屈曲に応じて変位する変位部材の変位量を取得するステップと、
   前記変位量から、前記荷重を付加したときに前記関節部に作用する外力を算出するステップと、
   前記被検体の前記関節部および前記関節部に連続する骨部に関する画像を取得するステップと、
   前記画像から、前記骨部および前記関節部の三次元形状と、前記骨部および前記関節部における荷重と変形との関係特性と、を構築するステップと、
   前記関節部に連続する前記骨部の位置関係を算出するステップと、
   前記位置関係、前記外力、および前記付加部が付加した前記荷重、を用いて逆動力学計算を行い、前記関節部に筋によって作用する作用力を算出するステップと、
   前記三次元形状と、前記関係特性と、前記作用力と、に基づいて、前記関節部に作用する応力を算出するステップと、
   を含む、外力検出方法。
10. 付加部によって被検体に荷重を付加したときの、前記被検体の関節部の屈曲に応じて変位する変位部材の変位量を取得するステップと、
    前記変位量から、前記荷重を付加したときに前記関節部に作用する外力を算出するステップと、
    前記被検体の前記関節部および前記関節部に連続する骨部に関する画像を取得するステップと、
    前記画像から、前記骨部および前記関節部の三次元形状と、前記骨部および前記関節部における荷重と変形との関係特性と、を構築するステップと、
    前記関節部に連続する前記骨部の位置関係を算出するステップと、
    前記位置関係、前記外力、および前記付加部が付加した前記荷重、を用いて逆動力学計算を行い、前記関節部に筋によって作用する作用力を算出するステップと、
    前記三次元形状と、前記関係特性と、前記作用力と、に基づいて、前記関節部に作用する応力を算出するステップと、
    をコンピュータに実行させるためのプログラム。
11. 被検体に荷重を付加したときの、前記被検体の関節部の屈曲に応じて変位する変位部材の変位量を取得する第１取得部と、
    前記変位量から、前記荷重を付加したときに前記関節部に作用する外力を算出する第１算出部と、
    前記外力を示す外力画像を表示部に表示する表示制御部と、
    を備える外力検出装置。

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