JP2018518208A - 直立位置で歩行を駆動すると共に背臥位または部分臥位にある人の下肢を駆動する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、人の下肢を駆動する装置であって、ベースフレーム（４）と、人（１）を支持するテーブル（２）と、少なくとも１つのモータ付き機械装具であって、前記下肢および前記装具の動作が接続されかつ同一であるように、前記人（１）の下肢の少なくとも１つと連結をなすように構成され、前記テーブル（２）の一端に取り付けられた少なくとも１つのモータ付き機械装具と、前記下肢の筋肉または筋肉群に作用することと、前記筋肉または筋肉群を刺激することと、さらには前記筋肉または筋肉群の反応を測定することとを意図された刺激および測定電極（２８、２９）の少なくとも１つの対を含む機能的電気刺激および筋電図測定装置（２４、２５）とを含む装置において、人（１）の移送および取り付けがより容易にされる低位置と、中間作動位置と、立位にある人（１）を駆動することを可能にする上昇位置との間でベースフレーム（４）に対するテーブル（２）の垂直方向の位置を変えることを可能にする上昇機構（３）と、ベースフレームに対する前記テーブル（２）の傾斜を変えることを可能にする、前記テーブル（２）を傾斜させる機構とをさらに含むことを特徴とする装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明の分野は、特に、例えば対麻痺、片麻痺などの運動障害もしくは神経運動障害後のリハビリまたは脳性小児麻痺の場合のリハビリのために、ならびにスポーツの領域において外傷後の機能再訓練および／または駆動のために、直立位置で歩行を駆動すると共に、背臥位または部分臥位にある人の下肢の可動性、力および持久力の再訓練および／または駆動を可能にする装置に関する。

臥位または座位の人の下肢の可動性を鍛える装置は公知であり、それらの装置は、例えば、ＳｔｉｍＭａｓｔｅｒおよびＥＲＧＹＳ２装置など、通常、エルゴメータ付き自転車タイプの単純なペダル踏み装置、または例えばＣＯＮ−ＴＲＥＸ装置など、通常「レッグプレス」と呼ばれる、負荷抵抗に抗した脚の伸長を可能にする装置の何れかである。一部の装置は、電気神経筋刺激の補助によって恩恵を受ける。

外骨格タイプの構造体を用い、閉ループモードに設定された電気神経筋刺激を補助として下肢を動かす最新鋭のこれらの装置は、米国特許第７，３８１，１９２号明細書に記載されており、商品名Ｍｏｔｉｏｎｍａｋｅｒ（商標）として市場で販売されている。この装置は、下肢の関節の生理学的領域の全範囲にわたって、可動性、筋力および持久力を駆動することを可能にする。しかし、この装置にはいくつかの欠点がある。特に、この装置は、外骨格タイプの構造体を駆動する電気モータが可動性外骨格に固定されるためにその寸法を制限され、そのため、出力も制限されることから、急激な動作を行うことができない。同じ理由から、「レッグプレス」タイプの下肢の伸長エクササイズにおいて、この装置によって供給される最大力は、１つの脚当たりわずか２５０ニュートンであり、健康な人および／または不全麻痺のみがある人の駆動を可能にするのにきわめて不十分であり、健康な人の「レッグプレス」タイプでの駆動に必要な力は、１つの脚当たり２０００ニュートン程度でなければならない。

立位の人の歩行を駆動する装置も公知であり、その装置は、通例、モータ付きトレッドミルを使用する装置であり、使用者は、トレッドミル上において、通常、パラシュート兵タイプの装帯を用いて使用者の体重を軽減するシステムによって支持され、トレッドミル上での使用者の歩行は、脚装具または下肢装具の何れかによって補助され、それに対して、これらの要素の重量は、例えば、平行四辺形形状の支持体などの補完的軽減要素によって支持することができる。米国特許第６，８２１，２３３号明細書は、そのような装置について説明している。この種の装置の変形型では、モータ付きトレッドミルの代わりに２つのモータ付き移動プレートで構成されるシステムを使用し、これらのプレートの各々は、使用者の足を支持することを意図される。前記プレートは、歩行動作に類似した脚の交互動作を促す動力による交互の前後動作を行う。ＧａｎｇＴｒａｉｎｅｒ ａｎｄ ＨａｐｔｉｃＷａｌｋｅｒ装置は、この変形型を使用する。米国特許第６，６８５，６５８号明細書で説明されている別の装置は、使用者が背臥位から直立位置に切り換え、次いで、動力による交互動作を行う２つの可動プレートに足を載せることを可能にする、使用者を直立した状態に配置するためのモータ付きテーブルからなる。

先行技術との関連で上記に説明した装置は、多用途でないという欠点を有し、その理由は、これらの装置が、臥位もしくは座位で下肢の可動性と、前記可動性の力および持久力の駆動とを訓練する特定の装置、または直立位置での歩行の駆動を訓練する他の特定の装置の何れかであるからである。

したがって、下肢の運動および移動機能の全体的なかつ早期のリハビリに対する生理学的要求により良好に対処し、全面的に信頼でき、効果的な解決策を保証しながら、システムオペレータの作業を容易かつ簡単にするために、提案されたシステムおよび方法を改良する必要がある。

本発明の目的は、背臥位または部分臥位において調整可能な負荷抵抗に抗する下肢の可動性、力および持久力を駆動することと、立った（直立した）位置において早期に歩行を駆動することとを組み合わせることにより、単一の多用途装置を用いて、（麻痺したまたは麻痺性の）神経疾患患者の前記下肢の早期の全機能再訓練および／または健康な人の駆動を行い得ることである。

本発明は、直立位置で歩行を駆動すると共に背臥位または部分臥位にある人の下肢を駆動する装置に関する。

脚の不動化、特に麻痺が一連の合併症全体、すなわち、筋萎縮症、焼痂、痙直、骨粗鬆症、循環障害、または筋肉−腱および関節包−靱帯の収縮によって悪化する恐れのある重度の機能性障害をもたらすことは公知である。筋肉−腱収縮には、連合（ａｓｓｏｃｉａｔｉｖｅ）筋萎縮症がある。結果的に、筋肉はその力およびその持久力を失う。したがって、筋肉は、機能的に動作する能力を失う。

関節包−靱帯収縮も、関節振幅の制限（関節強直）および異常姿勢を引き起こす恐れのある重大できわめて一般的な合併症である。経時的に、関節包−靱帯収縮は関節軟骨に影響を及ぼすこともある。

したがって、けがに応じて十分に確立されたプログラムにより、患者のけがの最初から、患者を定期的に動かして下肢の筋肉組織および持久力を強化することで、これらの様々な合併症、特に筋肉−腱−関節問題を防止することが不可欠である。

様々な代謝および多数の生理機能の適正化を保証する生理学的位置を患者に取らせるために、可能な限り迅速に患者を直立位置（立位）に置き、次いで歩行を最適レベルに戻すために、主要な目的の１つである移動機能の早期の駆動を始めることも不可欠である。

理想的には、脚の可動性の駆動と歩行の駆動とは、所与の患者の特定の事例に対応したできるだけ早い時期に開始しなければならない。包括的には、駆動は、動かないことが運動機能に対する軽視をさらに助長することと、神経疾患患者における運動機能の低下を伴う神経退化とを回避することを可能にしなければならない。駆動は、自主活動の起こり得る復活が明らかになるまで神経活動を維持するために重要である。

神経疾患の患者では、神経障害が大部分を占め、例えば、対麻痺の人の２０％のみが全体的な脊髄障害を患っており、それに対して８０％は局部のみの脊髄障害を示す。

局部的な大脳または脊髄神経障害のあるほとんどの神経疾患患者は、中枢神経系の「可塑性」能力に基づく、特に「代替可塑性」能力に基づく機能回復の可能性を示す、すなわち、下位病変神経回路を認識した結果として、その神経回路の機能を保証するために、破壊された神経回路に代えて、障害のない依然として健康な神経回路を使用することができる。

この代替可塑性は、ほとんどの場合、固有受容神経系により、さらにより具体的には、固有受容神経系と、関係する筋肉の運動神経（α運動神経）との間に形成された閉調整ループにより、中枢神経系に供給された神経信号から特定されるため、代替可塑性を刺激することができる。

この場合、要点、すなわち動作に関与する任意の筋肉の収縮は、前記筋肉が依存する固有受容神経系の制御下にあることは想起する価値がある。この神経系は、身体の動作によって生じる刺激に対して感受性のある感受性神経線維の起点において、受容体である固有受容体を含む。これらの受容体は、骨、関節および筋肉の周辺に位置する。（深い感受性を示す）固有受容神経系は、制御対象の筋肉と共に、身体の動作および位置の制御を可能にする敏感かつ精密な閉ループ調整系を形成する。

固有受容神経系との関係において、筋肉は主要な役割を果たし、その理由は、筋肉が２つの不可欠な固有受容体である神経筋紡錘およびゴルジ腱紡錘を含むからであり、神経筋紡錘は、これが属する筋肉の長さと、この長さの変化率とに関する情報を伝達することにより、ゴルジ腱紡錘は、これが属する腱の緊張度（力）、したがって関係する筋肉によって加えられる力に関する情報を伝達することにより、それぞれ主としてその環境に対する身体の脚の体節の位置および動作を中枢神経系に伝える。

上記の結論として、２つの筋肉内固有受容体は、位置および動作の制御において根源的な役割を果たす。一方、これらの２つのタイプの筋肉内固有受容体に共通の特徴は、これらの筋肉内固有受容体がそれらの伸びに対してのみ感受性があり、伸びがない場合に不活動のままであることである。

共に筋肉内固有受容体によって供給される情報は、脊髄起点の運動ニューロンにより、換言すると、α運動ニューロンによって筋肉に送られる運動神経伝導の調整により、この筋肉の収縮の厳密な制御を可能にする。

以下の例は、共通の根源的な特徴の重要性を十分に明示する。通常、所与の関節の屈曲筋の自主収縮は、前記関節の屈曲動作を引き起こす。前記筋肉の短縮によるこの収縮から、筋肉の腱の緊張が特定され、緊張の力の程度がゴルジ腱紡錘によって中枢神経系に送られ、それに対して、前記筋肉の神経筋紡錘は、この筋肉の収縮と共に（γ運動ニューロンによって）同時活性化され、筋肉の長さと、この長さの変化率とを中枢神経系にリアルタイムで送る。この場合、中枢神経系に送られた関節屈曲動作に関するすべての固有受容情報は正確である。

自主動作とは対照的に、前記関節の屈曲動作が手動式またはロボットの外部手段によって受動的に引き起こされる場合、誘導された動作により、筋肉は受動的に短縮され、したがって前記筋肉の腱に伝達される緊張はなく、緊張のない場合、ゴルジ紡錘は不活動のままであり、したがって筋肉のこの受動的な短縮によって同時活性化されない神経筋紡錘も不活動のままである。この場合、固有受容情報は中枢神経系に全く送られない。

この場合、上記の例は、手動またはロボットの外部手段によって課された受動的動作としての駆動に起因する主要な欠点を明確に示す。そのような動作では、代替可塑性の効果的な刺激に不可欠である貴重な固有受容情報は中枢神経系に送られず、そのような動作は、逆効果であることさえあり得ることが明らかになった。

上記の結論として、下肢の効果的な駆動において、筋肉の能動的関与は必須であり、無視することができない。

したがって、自主筋肉収縮に対する運動ニューロン制御が不足したまたはない神経疾患患者において、麻痺性のまたは麻痺した筋肉が閉ループモードでリアルタイムに調整される機能的電気刺激（ＦＥＳ）は、適切な固有受容情報を中枢神経系に送ることができる、筋肉収縮を制御するために選択される解決策である。ＣＬＩＭＦＥＳ（閉ループ積分ミオグラフィ機能的電気刺激）タイプのこの刺激の別の利点は、力、速度および関節振幅において、脚のすべての生理学的関節動作を引き起こし、制御することを可能にすることである。

再訓練のための駆動の主要な目的は、直立位置にある身体の体重を可能な最大限まで支持することができ、またはさらに良好には、座位から、さらにはかがみ込んだ位置から直立位置におよびその逆に切り換えることができる、（「フィットネス」レベルと同程度の）下肢の機能的動作能力を患者が回復し、次いで持続することを可能にすることである。この段階のみで、患者は、最大限の恩恵を受けて、二足歩行プロセスの特定の駆動を早期に行うことが真に可能である。

上記の目的を達成するには、優先的には、できる限り実際的かつ典型的な動作および歩行の駆動運動パターンが必要である。それには、筋肉によって中枢神経系に供給される固有受容情報が同様の自主動作から得られる情報に可能な限り近いことを保証することが不可欠である。結論として、駆動される動作は、関係する筋肉が能動的に関与する初期の自主動作の可能な限り厳密な模倣を考慮し、これらの初期動作に抗する負荷抵抗を細心に考慮することによって行われなければならない。

二足歩行プロセスを早期に駆動する特定の場合、代替可塑性を適切に刺激し、次いで、必要に応じて歩行の機能的運動回復の最初の兆候に気付くことができるようにするため、最初に下肢の３つの体節の動作、すなわち臀部の関節と、膝の関節と、足首の関節とをそれぞれ中心とした大腿、脚および足の一連の屈伸動作の自然の負荷抵抗に抗する運動学および動力学を細心に考慮するのみで十分である。回復の証拠となる兆候が見えた場合、次いで、特に骨盤の特定の自然動作を考慮した地面上での自然歩行のより入念な駆動を効果的に検討することができる。

その他の目的は、関係する筋肉の表面筋電図（ＥＭＧ）を用いて、自主機能活動を回復するための潜在的能力の早期指標および信頼できる前兆を再訓練士に伝え、次いで、連続する駆動全体にわたってこの回復段階の進展を追跡できることである。

直立位置での歩行を駆動すると共に、背臥位または部分臥位の神経疾患患者の下肢を駆動する単一の多用途装置であって、中枢神経系の損傷後に不可能になったまたは制限されるようになった自主活動の厳密な模倣を考慮に入れて、下肢を生理学的に駆動することができるようにするために、上記の条件を満たし、積分表面筋電図システム（ＥＭＧ）を用いて、機能運動の回復の早期の兆候と、その進展度とを適時に評価することを可能にする単一の多用途装置は現在まで存在しない。

本発明の目的は、自主活動訓練の可能な限り厳密な模倣を考慮することと、積分表面筋電図（ＥＭＧ）を用いた、結果および経時的な進展の評価を組み込むこととにより、下肢の再訓練のための最適な生理学的訓練と、その次の歩行の駆動とを保証するように、歩行を早期に駆動すると共に下肢を駆動し、上記に挙げた欠点（欠陥）がなく、上記の条件を満たす単一の多用途装置を提案することである。

通常、２つの異なるタイプの装置に割り当てられる機能のすべてを単一の多用途装置に機能統合することで、単一でコンパクトなそのような装置が空間を大きく節約し、特に同じ装置で利用可能な機能の範囲にわたってオペレータの作業を大幅に容易にすることを可能にするという利点がもたらされる。

そのため、本発明は、請求項１に規定した下肢を駆動する装置に関する。

例示的な実施形態として提示される以下の説明は各図面を参照する。

図１は、背臥位の患者の最初の取り付けを可能にする低い水平位置での本発明による装置の実行モードを概略的に示す。 図２は、部分臥位の漸進的に変化する中間位置を概略的に示す。 図３は、直立位置（患者は立っている）を概略的に示す。 図４ａは、図１の装置の機能装具の極限位置を屈曲状態の４ａで概略的に示す。 図１の装置の機能装具の極限位置を伸長状態の４ｂで概略的に示す。 図５は、装置上で、特に図２および図３の位置に患者を支持および保持することを意図されたパラシュート兵タイプの装帯を示す。 図６は、本発明によるシステム全体のブロック図を示す。

図１に示す装置の例示的な実施形態によれば、装置は、はさみ型の移動式昇降機構３に配置され、関節式に連結されたテーブル２を含み、最初に水平状態の前記テーブルは、傾斜させながら漸進的に起こすことができ、次いで、図２に示す任意の中間位置、図３に示す最終直立位置に割り出しすることができる。はさみ型の移動式昇降機構３は、それ自体、キャスタ５を設けられたベースフレーム４に配置されている。外骨格タイプの２つの同じ機能装具、換言すると、患者１の各脚の機能装具は、関節６を介し、高さ調整可能な支持体７を用いてテーブル２の関節式端部に固定されている。十分に詰め物をされたテーブル２は、最初の背臥位で患者の背中および骨盤を支持することを意図されている。各２つの装具は、関節１１、１２によって連結された３つのセグメント８、９、１０で構成された直列式のロボットシステムをなしている。

各装具は、下肢を支持および案内する、したがって、下肢を構成する３つの体節、すなわち大腿、脚および足との機械連結を保証するための外骨格を形成するように配置されている。

このためおよび図２を参照すると、下肢の体節である大腿および脚は、トラフ状の詰め物入り支持体１３、１４と、装具構造物に連結された「ベルクロ」タイプの閉じ具ストラップ１５、１６とを用いて、機械装具の対応するセグメント８、９に連結することができる。

大腿８および脚９の装具セグメントは、入れ子式のチューブで構成され、このチューブの長さは、臀部６、膝１１および足首１２の装具の関節が、機能的な観点から、患者の対応する生理学的関節と同じになるように患者の形態に合わせることができる。第３の装具セグメント１０は、足支持体をなしている。足は、「ベルクロ」タイプの閉じ具を有する可撓性のトング１７によって確実に閉じることができる、靴の上部構造物と同様の可撓性構造物を用いて、この足支持体に押し付けられた状態を絶えず保たれる。

人間の脚の解剖学的および生体力学的構造は、直列式の関節および筋肉構造を示す。したがって、下肢の体節を直列式の対応する装具セグメントに密接して連結する説明済みの連結部は機能ユニットをなし、したがって脚および装具の動作は連動しかつ同一である。

したがって、装具の直列式のロボット構造物は、装具が脚の体節の特定の直列構造物と理想的に協同して、生理学的レベルで可能な限り厳密な模倣を保証することを可能にし、例えば、「レッグプレス」、ペダル踏みおよび歩行プロセスなどの閉鎖性筋肉連鎖および関節の駆動と、必要な最大限の開放性連鎖精度での所与の関節および関係する筋肉の特定の駆動との両方を同じ単純性および有効性で行うことを可能にする。

しかし、本発明の範囲から逸脱することなく、並列式の機構で装具を形成することもできる。

単一の連鎖のみを含む各装具の直列式の機構が最も単純である。そのような直列システムは、患者の形態に合わせて容易に調整できるため、このシステムの利点はかなり多い。直列システムは、容易かつ自動的に折り曲げることができる。３つの関節は独立しているため、制御が非常に簡単である。

しかし、図４ａおよび図４ｂに示すように、とりわけそのようなシステムが可能にする関節の可動性は最大のものであり、その可動性の生理学的範囲全体にわたって関節の可動性の最適な駆動を可能にする。実際上、そのような駆動は、各関節に対して、それぞれ以下の伸長および屈曲の動作振幅を要求する。
− 臀部の関節：−３０°〜１２０°
− 膝の関節：−１０°〜１３０°
− 足首の関節：−２５°〜４５°

臀部、膝および足首の３つの関節を含む外骨格タイプの直列装具は、外側で下肢の両側に置かれる。各関節は、連接ロッド−クランクタイプの機構とモータ付き伝動装置とによって駆動される。この機構は、連接ロッドを介してクランクを駆動するのを可能にする。連接ロッドは、従来の軽量型医療用ロボット工学では、プランジャ型シリンダのようにスライドするねじ付きロッドである。入れ子式動作は、電気モータで回転を制御されるナットにより、したがってモータおよびナットの回転を装具の関節に加えられる並進動作に変換することで得られる。ウオームねじも減速ギヤとして機能する。この「従来からの」解決策は、妥当なコストおよび容易な局所制御を保証する取り付けといった利点をもたらす。

しかし、この解決策は、いくつかの欠点を示す。すなわち、電動式アクチュエータは、低い出力対重量比を有し、出力対重量比とは、アクチュエータが発生させる出力とアクチュエータの重量との比率である。減速比は固定され、限定される。

生じる速度およびトルクは減速比によって決まり、低い減速比はより高速を可能にするが、トルクはより小さくなり、高い減速比は速度を遅くするが、トルクを大きくする。

電動式アクチュエータの能力は、モータの発熱によっても制限され、したがってモータは過大な寸法を取らなければならない。

本発明による装置の特定の場合では、膝および足首の関節のアクチュエータは、多くの場合、張り出した状態で装具自体によって「担持される」ため、これらのアクチュエータは限界重量になる。したがって、装具の動作速度が速くなるにつれて、慣性質量自体がいっそう重要となる。

電動式であるが十分に計算されたアクチュエータを有するそのような装置を従来通り製造した結果として、脚の装具の出力および速度は、麻痺した下肢の初期の駆動を保証するのにかろうじて対応すると分かった。しかし、利用可能な速度および出力は、本発明による装置の下肢の動作と、特に立位での歩行プロセスの駆動における患者の全体重の支持とを保証および制御するのに不十分であると分かった。

本発明による装置の場合、特に負荷抵抗に抗して脚が完全伸長する（「レッグプレス」エクササイズ）まで力を駆動する場合、１つの目的は、最大速度１ｍ／ｓにおいて最大力２０００ニュートンを得ることである。

別の目的は、装具の足支持体１０に載った立位での歩行の駆動に関連して、脚装具が歩行サイクルの立脚期に患者の全体重を支持できることである。患者の最大認可体重は１４０ｋｇと規定されており、立脚期において、この体重は２０％程度だけさらに増え、支持される全重量は１７０ｋｇ程度であることに留意されたい。したがって、２０００ニュートンの目標最大力が必要である。

電動式アクチュエータの前述の欠点をすべて解決し、本発明の要求を満たすために、本発明による装置に油圧アクチュエータを装備するものとする。油圧アクチュエータは、以下の利点、すなわち、電動式アクチュエータよりも５〜１０倍大きい出力対重量比と、きわめて高い加速能力と、最大トルクにおいてでさえ高い動作速度とをもたらす。

油圧アクチュエータのこれらの特徴および高い剛性は、装具の関節の分散モトリシティ（ｍｏｔｒｉｃｉｔｙ）によく適した、減速ギヤのない装具の関節の直接駆動を可能にし、流体移動を可能にする。

電動式アクチュエータの別の欠点は、電動式アクチュエータの動作が騒音を出しすぎることであり、減速ギヤを連結した場合、電動式アクチュエータは、耳障りな性質の不快な騒音を発し、この騒音は、複数のアクチュエータが装具ロボット装置内で同時に動作することでさらに大幅に大きくなる。そのような騒音は、使用者および利用者の環境に確かな害をもたらす。

これとは反対に、油圧アクチュエータのシステムは、使用者を非常に快適にする、ほとんど無音の動作という利点をもたらす。

油圧システムのごくわずかな騒音を発生させる要素は、防音された中央ユニットにまとめることができるポンプおよび電気サーボ弁である。

最後に、油圧アクチュエータは、電動式アクチュエータと異なり、電磁干渉を発しないというさらなる利点をもたらす。この利点は、後述するように、アクチュエータの動作と組み合わせて使用する積分筋電図測定システム（ＥＭＧ）に隣接する場合に重要である。

図１に示すように、膝１１および足首１２の装具関節は、連接ロッド−クランクタイプである。連接ロッドは、２段作動油圧シリンダ１８、１９のロッドである。この構成では、連接ロッドは、クランクの振り子動作に対応する並進動作を行う端部を有する。

１５０°の総回転能力を必要とする臀部の装具関節は、連接棒−クランクタイプとすることができない。回転式油圧シリンダ２０はこのために使用される。

各油圧シリンダには位置センサが設けられ、各装具関節には、絶対角度位置センサ３３と、力およびトルクセンサ３４とが設けられている。

装具を可動性にするために、油圧アクチュエータシステムを採用したことから、油圧シリンダを用いてテーブル２のはさみ型の移動式昇降機構３を作動させ、シリンダ２１を用いて、図１に示すテーブル２の水平位置から、図３に示す前記テーブルの直立位置への移行を漸進的に行い、図２に示す任意の中間傾斜位置にテーブルを割り出しするために、それぞれ油圧アクチュエータを使用するようにしている。

図５は、例として、収容テーブル２に載った人を支持するための装帯一式（３７）を示す。この装帯は、その背側部によって前記テーブルに固定された主骨盤ベルトを含む。このベルトには、特に直立位置で患者の体重を支持することを意図された脚ストラップタイプの底部（３９）と、安定化腹部ベルトとが設けられている。

肩ストラップ（３８）も骨盤ベルトの後ろ上部に取り付けられている。肩ストラップの他端は、患者の肩の後ろで収容テーブル２に取り付けられている。装帯全体は、所与の人の背格好に対して完全に調整可能であるように設計されている。

装帯は、３つの機能、すなわち、１）人の側部安定化と、２）背臥位および中間部分臥位において駆動エクササイズ中に、特に「レッグプレス」エクササイズの場合、ショルダストラップが作用する反力を相殺することと、３）歩行エクササイズ用の立位において脚ストラップが人の体重を支持することとを果たす。

図６を参照すると、図６は、例示的な実施形態として、下記に説明する本発明によるシステムのブロック図を示す。

中央制御ユニット２２は、プログラムを組み、データを処理し、システム全体を制御するための主ユニットであるマイクロコンピュータ２３を含む。このマイクロコンピュータは、下記に説明する様々なモジュールまたはユニットに接続されている。マイクロコンピュータ２３は、少なくとも１つの電気神経筋刺激モジュール２４に接続されている。

刺激モジュール２４の各出力チャネルは、電極２８、２９の対の管理を行うスイッチングステーション２７に接続されている。

マイクロコンピュータ２３はまた、少なくとも１つの筋電図（ＥＭＧ）測定モジュール２５に接続され、筋電図測定モジュールの測定入力チャネルは、スイッチングステーション２７に接続されている。

マイクロコンピュータ２３はまた、スイッチングステーション２７に直接接続されている。

マイクロコンピュータ２３はまた、ＥＭＧシステムの接地に接続された前記システムの基準電極３０、３１の対の管理および制御ユニット３２に接続されている。

総じて、上記に提示し、本発明に従って適用されるモジュール式の神経筋刺激および筋電図測定システムは、スイス国特許出願第００２６２／１５号明細書および国際出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１６／０５０８９６号明細書で詳細に説明されている「多チャネル機能的電気刺激（ＦＥＳ）および筋電図測定（ＥＭＧ）システムを構成する。

マイクロコンピュータ２３はまた、電極２８、２９および電極３０、３１に内蔵された電子識別および認証マイクロチップ用の少なくとも１つの管理および制御ユニット２６に接続されている。本発明に従って適用されるこの電極識別および認証システムは、「Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒａｎｓｃｕｔａｎｅｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｗｉｔｈ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ」という名称においてスイス国特許出願第００２６３／１５号明細書および国際出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１６／０５０８９６号明細書で詳細に説明されている。

マイクロコンピュータ２３はまた、装具の各関節６、１１、１２と、テーブル２のはさみ型昇降機構３の油圧アクチュエータと、テーブル２の傾斜アクチュエータ２１とに組み込まれた位置センサ３３に接続されている。

マイクロコンピュータ２３はまた、油圧シリンダ１８、１９、２０で動かすかまたは制動することができる装具の各関節６、１１、１２に組み込まれた力およびトルクセンサ３４に接続されている。

位置センサ３３ならびに力およびトルクセンサ３４は、それらの情報をリアルタイムでマイクロコンピュータ２３に送る。中央制御ユニット２２の前記管理マイクロコンピュータは、これらのデータを解読し、これらのデータは、関節の角度位置と、各関節の加速度および角速度と、さらには関節に生じる力およびトルクと、さらにはテーブル２の地面からの位置の高さと、最初の水平位置から直立位置に漸進的に変わることのできる前記テーブル２の傾斜角度とをリアルタイムで知ることを可能にする。

このように、この情報は、各関節の負荷抵抗下での動作に関する広範なフィードバックとなる。したがって、この技術的フィードバックは、通常、固有受容神経系によって中枢神経系に送られる生理学的フィードバックの代わりとなる。実際上、装具の直列構造物によって供給される技術的フィードバックは、不完全な生理学的フィードバックを厳密に模倣する。

マイクロコンピュータ２３はまた、タンクおよびポンプを含む油圧出力グループ３６により、各油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）１８、１９、２０、２１と、はさみ型昇降機構３とに送られる油圧流れを制御するグループ３５の各電子油圧サーボ弁に接続されている。

最後に、マイクロコンピュータ２３は、オペレータが装置を制御するためのタッチスクリーン付き人間／機械インターフェイス３７に接続され、このインターフェイス３７は、特に継続するように人に動機を与えかつ奨励するために、エクササイズ中の人の前に置かれた前記スクリーン上の、達成されたまたは達成されるべきパフォーマンスレベルを示す様々なデータに関する表示を通じて、「バイオフィードバック」と併用される。

専門家の文献は、現在の活動を容易にする顕著に有益な補完的効果を有することができる精神的充足感の総合的な重要性を強調している。

駆動プログラムによる実行は、いわゆる「コンプライアンス（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）」装置によって制御され、このコンプライアンス装置は、例えば、最初にプログラムされた各パラメータの任意の実行偏差（ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）など、前記駆動の実行から得た様々なデータをマイクロコンピュータ２３に格納する。この場合、このコンプライアンスは、オペレータが参照および分析することができる。

図１を参照すると、装置は、テーブルが、例えば、地面から５５ｃｍの最も低い位置で患者を収容する最初の位置で示されている。この位置では、支持体７の高さを調整する機構は、図１に示す前記テーブルの高さ位置より下に前記装具を格納するために、関節６を下げて装具をテーブル２に固定することも可能にする。

装具を格納固定する患者収容テーブルのこの低い配置により、前記患者を車椅子から前記テーブルに容易に移すのが可能になる。

次いで、はさみ型の昇降機構３を用いて、テーブルを患者にとって最適な高さまで持ち上げることができ、関節６が装具を固定して患者の臀部の関節と適切に協働できるように、調整可能な支持体７の高さを調整することができる。テーブル２および患者のこの中間高さ位置により、人体測定の調整、特に装帯（３７）と、大腿８および脚９の入れ子式装具セグメントの長さと、支持体１３、１４およびそれらの閉じ具ストラップ１５、１６と、さらには電極の配置との調整がきわめて容易になる。

次いで、部分臥位における中間位置でのテーブル２の高さと、テーブル２の傾斜とのそれぞれの漸進的調整により、患者の位置は、例えば、「レッグプレス」またはペダル踏みなどの所与のエクササイズ、さらには他の任意の所与のエクササイズの最適な駆動位置になる。前記中間位置の例が図２に示されている。

テーブル２の高さおよびテーブル２の傾斜のそれぞれの漸進的調整により、最終位置においてテーブル２を適切な高さにし、患者自身の体重が図５による装帯によって支持されると同時に、患者が脚の装具の足支持体１０に載って立った状態の直立位置にすることが可能になる。

図３に示すこの最終位置では、患者は、歩行プロセスの駆動を始める準備ができている。

装置の基本的な目的は、プログラムされた一定のまたは変化する負荷抵抗に抗して実行される、任意のタイプの適切に制御された軌道での下肢の動作を引き起こし得ることである。

所与の動作の軌道の運動が計算され、マイクロコンピュータ２３に格納される。所与の軌道のこれらの運動は、油圧アクチュエータ１８、１９、２０によって動力化された各２つの機能装具が、関節１１、１２によってかつワークテーブル２に連結された３つのセグメント８、９、１０からなる直列式のロボットシステムを構成しているために、完全な忠実度で再現することができる。装具の各前記関節に組み込まれた位置センサ３３ならびに力およびトルクセンサ３４は、前記軌道のリアルタイムの閉ループ調整を可能にする。

最初に、所与の軌道が、患者による力をゼロとして受動的に再現されるように計算され、装具の比重量および脚の重量のみが特に重力に対して考慮され、無効化される。この場合、被験者と装具との活動的相互作用はない。

次いで、同じ軌道が自主活動の態様で健康な被験者によって達成され、関係する筋肉の一連の筋電図（ＥＭＧ）が適切に測定および記録される。この手順は、様々な値の負荷抵抗を関節に加えて繰り返すことができる。

被験者の立位において、歩行サイクル時の脚の特定の軌道に対して同じ手順を行うことができる。

患者による力をゼロとして、受動的に再現される軌道は、患者の全体重を患者の装帯によって支持しながら行われ、その結果、足支持体１０にかかる力は完全になくなり、したがって前記足支持体による反力もない。

次いで、歩行サイクルの同じ軌道が自主活動の態様で健康な被験者によって達成され、関係する筋肉の一連の筋電図（ＥＭＧ）が適切に測定および記録される。この手順は、様々な値の力を前記足支持体１０に加え、足支持体による同量の反力を誘発させて繰り返さなければならず、力は、被験者の体重のうちの装帯による支持のない部分に相当する。

足支持体１０に加えられる力のこの変化は、前記足支持体と臀部の装具関節６との間に描かれる円の半径の長さのごくわずかな調整によってもたらされる、前記足支持体の軌道のごくわずかな変化によって得ることができる。円の前記半径がわずかにのみ小さくなると、足支持体１０に加えられる力は大きくなり、前記足支持体による反力は同じだけ大きくなり、これは、被験者の支持装帯における同量の力の軽減をもたらす。

円の前記半径のこの若干の調整は、最大で足支持体１０への体重の全加重までの範囲に及び、したがって装帯レベルでの完全軽減までの範囲に及ぶことができる。

この極端な場合でさえ、前記円の半径の必要な短縮により、制限のない歩行サイクルの的確な実施を可能にする、装具セグメントと脚の体節との十分な協同作業が大きく妨害されることはない。

歩行サイクル中、前記円の半径を調整するこの同じリアルタイム動作により、自主歩行サイクル中に起こるとして公知の地面の反力の調整に対する厳密な模倣を考慮して、足支持体１０による反力を調整することが可能である。

所与の動作の軌道の自主実行が、関係する筋肉の麻痺のために不可能であるか、または前記筋肉の部分麻痺のために不十分である場合、上記の本発明の説明文は、手動式またはロボットの外部手段による受動的駆動によって生じる主要な欠点と、それと対照して、関係する筋肉の能動的関与の完全に根源的で生理学的に否定できない重要性とを強調した。

そのような場合、筋肉の能動的関与は、ＣＬＩＭＦＥＳ（閉ループ積分ミオグラフィ機能的電気刺激）タイプのリアルタイムの閉ループモードで調整された筋肉の機能的電気刺激を用いた前記筋肉の刺激により、効果的に引き起こし得ることも説明した。

そのような刺激を発生させるために、通常、刺激強度（ｍＡ）を含む各所与の筋肉の複雑な予備モデル化がある。モデルは、関節角度の影響も考慮に入れる。これは、二関節筋の場合、各関節に対して１つとして２つの三次関数によってモデル化される。同定は、様々な特定の角度および強度で行われる。その結果として、力強度および力位置の関係に対する全同定時間は約１０分である。この種のモデル化の最終結果として、適合する調節因子は複雑である。そのようなモデル化は、特に米国特許第７，３８１，１９２号明細書に記載されている。

モデル化および調節因子の複雑さと、プロセスを遅らせて実行されなければならない計算数および計算の複雑さと、とりわけ、各駆動作業の前に必要な１０分の同定時間とには多くの欠点がある。

本発明によれば、前述の欠点を解決する異なる刺激方策が適用される。

装置は、定めた軌道の実行時、関係するすべての筋肉の一連の筋電図（ＥＭＧ）の先行測定および記録を行うための統合システムを含み、この一連の動作は、前記軌道全体にわたってかつ各筋肉に対して、ＥＭＧの位置に応じた刺激窓（ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｎｄｏｗ）を画定し、さらに前記筋肉が非生理的瞬間に刺激されるのを防止する。力位置関係も前記刺激窓から生じる。力強度関係もＥＭＧ測定に基づく。

本発明の装置から支援を受けることなく、被験者自身の身体能力を用いて、健康な被験者によって自主活動の態様で実行された所定の軌道に対して測定された対応する一連のＥＭＧのすべての基準データは、前記システムに組み込まれた参照テーブルにオンラインで記録することができる。

さらに、前記所定の軌道の実行時、関節位置センサ３３および／または力センサ３４によって行われた測定は、ＥＭＧの参照テーブルと協同することができる、システムに組み込まれた参照テーブルに記録することができる。

そのような実装は、単純、正確、かつきわめて高速といった利点を有する。参照テーブルは所望の軌道を正確に表すため、どのような近似も行われない。

その結果、ＥＭＧ測定は、電気刺激の同期化のための正確な情報を提供する。一方、力センサ３４は、電気刺激の強度の調整を可能にする。ＥＭＧ測定と前記力センサ３４との組み合わせは、最終的に、ＣＬＩＭＦＥＳ（閉ループ積分ミオグラフィ機能的電気刺激）タイプのリアルタイムの閉ループモードで調整される神経筋刺激を可能にする。

したがって、油圧アクチュエータ１８、１９、２０を調整することを意図された単純な調節因子は、従来のＰＩＤ（比例、積分、微分）タイプとすることができる。脚の装具を制御するのに、もはやより複雑な実装の必要はない。

上記の装置は、最大限の応用の多様性をもたらし、その理由は、この装置が、任意のタイプの適切に制御された生理学的軌道を実行し、プログラムされた一定のまたは変化する負荷抵抗に抗して実行される下肢の動作を引き起こし、制御することができるからである。装置はまた、閉鎖性筋肉連鎖および関節の駆動と、所与の関節の開放性連鎖の特定の駆動との両方を可能にする。

装置は、背臥位または部分臥位において、下肢の可動性、力および持久力の駆動を可能にし、直立位置において、歩行の早期の駆動を可能にする。

ＣＬＩＭＦＥＳタイプの刺激とＥＭＧ測定とを組み合わせた装置の統合システムを通じて、装置は、筋肉の能動的関与による生理学的に最適な駆動を保証し、この駆動は、中枢神経系の負傷後に不可能になったまたは制限されるようになった自主活動の厳密な模倣を考慮することにより、中枢神経系と、必要に応じて代替可塑性との適切な固有受容刺激と、積分表面筋電図測定システム（ＥＭＧ）を用いて、機能回復の早期の兆候とその後の進展とを適時に客観的に評価するための適切な固有受容刺激とを保証する。

最後に、装置は、例えば、対麻痺、片麻痺などの運動または運動神経障害状態の人および脳性小児麻痺の場合の人の全体的に最適な駆動を可能にし、スポーツ分野の場合に機能性外傷後の再訓練および／または駆動を可能にする。

本発明をどのように有利に実現できるかを説明するために、ここで提示し終えた説明に従ったうえで、本発明はこの実施形態に限定されないことに留意すべきである。添付の特許請求の範囲に規定した本発明の範囲から逸脱することなく、直立位置で歩行を駆動すると共に背臥位または部分臥位にある人の下肢および上肢を駆動する装置のいくつかの変形実施形態は、当業者の分野において想定され得る。

Claims (15)

1. 人の下肢を駆動する装置であって、ベースフレーム（４）と、前記人（１）を支持するテーブル（２）と、少なくとも１つのモータ付き機械装具であって、前記下肢および前記装具の動作が連動しかつ同一であるように、前記人（１）の前記下肢の少なくとも１つと連結をなすように構成され、前記テーブル（２）の端部に固定された少なくとも１つのモータ付き機械装具と、前記下肢の筋肉または筋肉群に作用して、一方で前記筋肉または筋肉群を刺激し、かつ他方で前記筋肉または筋肉群の反応を測定することを意図された刺激および測定電極（２８、２９）の少なくとも１つの対を含む機能的電気刺激および筋電図測定装置（２４、２５）とを含む装置において、前記人（１）の移送および取り付けが容易になる低位置と、中間作動位置と、立位にある前記人（１）の駆動を可能にする高位置との間で前記ベースフレーム（４）に対する前記テーブル（２）の垂直方向の位置を変えることを可能にする昇降機構（３）と、特に前記人（１）が背臥位にある水平位置と、前記人（１）が立位にある直立位置との間で前記ベースフレーム（４）に対する前記テーブル（２）の傾斜を変えることを可能にする、前記テーブル（２）を傾斜させる機構とをさらに含み、前記テーブル（２）の前記昇降および傾斜機構の組み合わせは、前記下肢の動作のそれぞれの生理学的領域の全範囲にわたる前記装具の可動性を可能にすることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、２つの装具であって、それぞれが患者の下肢の１つと連結をなすように構成された２つの装具を含むことを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、各装具は、それぞれ前記人（１）の大腿、脚および足と機械連結をなすことを意図された少なくとも３つの装具セグメント（８、９、１０）を含み、前記第１の装具セグメント（８）および前記第２の装具セグメント（９）は、それらをそれぞれ前記人（１）の前記大腿および前記脚に連結するための手段（１３、１５；１４、１６）を含み、および前記第３のセグメント（１０）は、足支持体をなすように構成され、かつ前記足支持体を前記人（１）の前記足に固定する手段（１７）を含み、前記第１のセグメント（８）は、その端部の一方において、前記人（１）の臀部の高さに配置された第１のモータ付き関節（６）によって前記テーブル（２）に連結され、かつその他方の端部において、第２のモータ付き関節（１１）によって前記第２のセグメント（９）の端部の一方に連結され、前記第２のセグメント（９）の他方の端部は、第３のモータ付き関節（１２）によって前記第３のセグメント（１０）に連結され、前記関節（６、１１、１２）の動力化は、アクチュエータ（１８、１９、２０）によって保証されることを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置において、前記第１の装具セグメント（８）および前記第２の装具セグメント（９）の前記連結手段は、前記人（１）の前記下肢の１つを収容することを可能にするトラフ状の詰め物入りの支持体（１３、１４）と、前記装具セグメント（８、９）に連結されたストラップ（１５、１６）とからなることを特徴とする装置。
5. 請求項３または４に記載の装置において、前記第３の装具セグメント（１０）は、前記人（１）の前記足の１つを収容することを可能にする一般的な形態の靴を有し、前記靴は、可撓性のトング（１７）によって確実に閉じられることを特徴とする装置。
6. 請求項３乃至５の何れか１項に記載の装置において、前記アクチュエータ（１８、１９、２０）は油圧式であり、特に前記第２の関節（１１）および前記第３の関節（１２）用の２段作動油圧シリンダ（１８、１９）と、前記第１の関節（６）用の回転式油圧シリンダ（２０）とであることを特徴とする装置。
7. 請求項３乃至６の何れか１項に記載の装置において、前記第１の装具セグメント（８）および前記第２の装具セグメント（９）は、それらの長さを前記人（１）の形態に合わせることができるように、長さが可変の要素からなることを特徴とする装置。
8. 請求項３乃至７の何れか１項に記載の装置において、前記第１の関節（６）は、前記テーブル（２）上での前記人（１）の前記移送および前記取り付けを容易にするために、水平位置にある前記テーブル（２）の高さより下に格納され得るように前記テーブル（２）に調整可能に固定されることを特徴とする装置。
9. 請求項３乃至８の何れか１項に記載の装置において、各関節（６、１１、１２）には、少なくとも１つの位置センサ（３３）と、少なくとも１つの力センサ（３４）とが設けられ、前記センサ（３３、３４）は、前記関節（６、１１、１２）の位置と、前記関節（６、１１、１２）に生じる力およびトルクとに関するデータを中央制御ユニット（２２）にリアルタイムで送ることができることを特徴とする装置。
10. 請求項９に記載の装置において、前記中央制御ユニット（２２）は、前記位置センサ（３３）および前記力センサ（３４）によって行われた一連の測定に関連して、前記刺激および測定電極（２８、２９）の対によって行われた一連の筋電図測定を格納した少なくとも１つの基準データテーブルを含み、前記基準データは、基準使用者の身体能力のみによって所定の軌道に従って前記基準使用者の各下肢を動かした前記基準使用者に関するものであり、前記中央制御ユニット（２２）は、前記所定の軌道に従って前記人（１）の前記下肢の少なくとも１つを動かすように、前記基準データテーブルを使用して、閉ループモードにおいてかつリアルタイムで前記アクチュエータ（１８、１９、２０）ならびに前記刺激および測定電極（２８、２９）の対を制御することを特徴とする装置。
11. 請求項９または１０に記載の装置において、前記中央制御ユニット（２２）は、マイクロコンピュータ（２３）を含むことを特徴とする装置。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の装置において、前記テーブル（２）の前記傾斜機構は、少なくとも１つのアクチュエータ（２１）を含むことを特徴とする装置。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の装置において、前記人（１）を支持する前記テーブル（２）は、前記人（１）を支持する装帯（３７）を装備することを特徴とする装置。
14. 請求項１３に記載の装置において、前記装帯（３７）は、前記人（１）が背臥位または部分臥位にある前記テーブル（２）の水平位置または傾斜位置において、強制駆動エクササイズ中に作用する反力を相殺することを意図された肩ストラップ（３８）を有する上部と、直立位置において、前記人（１）の体重を支持することを意図された脚ストラップタイプ（３９）の下部とを含むことを特徴とする装置。
15. 請求項１乃至１４の何れか１項に記載の装置において、前記昇降機構は、前記ベースフレーム（４）に組み込まれたはさみ構造物（３）を含むことを特徴とする装置。

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