JP2020076764A - 床材衝撃荷重測定方法及び床材安全性評価方法 - Google Patents
床材衝撃荷重測定方法及び床材安全性評価方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
特許文献1は、JIS A 6519に記載されているG値測定法による剛性が90Gの床材を形成する技術であり、使用者が転倒して頭部が床に衝突しても脳挫傷が発生しない程度の安全性が確保される床材である。
そこで、本発明は、床材の剛性と大腿骨骨折のリスクとの関連性を得るために使用者が床材上で転倒したときの衝撃荷重を測定することができる床材衝撃荷重測定方法と、床材衝撃荷重測定方法を利用して使用者が転倒したときの骨折に対する安全性を高精度に評価することができる床材の安全性評価方法と、を提供することを目的としている。
また、本発明の一態様に係る床材安全性評価方法は、上述した床材衝撃荷重測定方法を使用した床材安全性評価方法であって、使用者の年齢、性別及び骨密度に基づいて骨折荷重を演算し、骨折荷重と、床材衝撃荷重測定方法で計測した前記衝撃荷重とを指標として表示する。
また、本発明に係る床材安全性評価方法によると、使用者の骨折荷重と、床材の衝撃荷重を比較することで使用者が転倒したときの骨折に対する安全性を高精度に評価することができる。
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
図1に、第1実施形態の床材安全性評価装置1を示す。床材安全性評価装置1は、衝撃荷重測定装置2と、制御装置3、を備えている。
また、図2は、第1実施形態の床材安全性評価装置1を構成する制御装置3を示す図であり、図3は、床材安全性評価装置1を構成する衝撃荷重測定装置2を示す図である。
衝撃荷重測定装置2は、図3に示すように、床FLに設置された測定台5と、測定台5上に配置された衝撃付与部6と、荷重測定部7と、を備えている。
測定台5上には、荷重測定部7の荷重計測手段としてロードセル8が配置され、ロードセル8上に骨折に対する安全性を評価すべき評価床材9が載置されているとともに、評価床材9上に緩衝材10が載置されている。
衝撃付与部6は、測定台5から立ち上がる支柱13と、支柱13の上部に直交して水平方向に延在する腕部14と、支柱13に対する腕部14の高さを変化させる高さ調整部15と、腕部14の先端側に保持された錘11及び打撃部19と、を備えている。
錘11及び打撃部19は一体化されている。錘11は直方体形状の部材であり、打撃部19は、錘11に一体化される面は平面とされ、錘11に一体化されていない面は所定曲率Rの曲面19aに形成されている。
入力部20はキーボードなどの入力装置であり、評価床材9を使用する使用者の身長H、体重W、年齢Y、性別Mを入力する。
測定条件演算部25は、落下式の衝撃付与部6の操作条件と、緩衝材10の選択条件とを演算し、これらをディスプレイ(モニタ)やプリンター装置などの出力装置である表示部22に出力する。
骨密度・骨折荷重演算部26は、骨密度Bm、骨折荷重Bpを演算する。
衝撃荷重演算部27は、衝撃荷重Fを演算する。
指標表示部29は、表示部22に、演算した衝撃荷重F、骨折荷重Bp、衝撃エネルギーSEを出力する。
図4は、測定条件演算部25が行う測定条件演算処理を示すものである。この測定条件演算処理では、先ず、ステップST1において、錘11が衝突したときの衝撃エネルギー演算値SEに基づいて、使用者が転倒したときに衝撃を受ける腰の高さ(転子点高さ)を算出し、この転子点高さに基づいて錘11の落下高さShを演算する。
衝撃エネルギー演算値SEは、5J以上50J以下の範囲に演算され、好ましくは10J以上40J以下の範囲に演算されている。この範囲の衝撃エネルギー演算値SEは、使用者が転倒する際に評価床材9に底付きの現象を与えるのに必要な値である。具体的な演算は、文献値には体重が70kg、身長Hが170cm、軟組織厚さが2cmの使用者が転んだときに5600Nの荷重を受けるといった平均データがあり、この分布より衝撃エネルギーを演算する。
ここで、打撃部19の曲面の大きさSrは、曲率R60mm以上R180mm以下の範囲に演算され、好ましくは、曲率R90mm以上R160mm以下の範囲に演算されている。打撃部19の曲面の大きさSrがこの範囲に演算されることで、大腿骨転子部に模擬した打撃部19の形状となる。
ここで、サーバー23に蓄積されている人体軟組織のデータには、緩衝材10の所定範囲のアスカーC硬度と、動的粘弾性値データとして測定周波数が1Hzにおける緩衝材10の所定範囲のtanδが蓄積されている。
そこで、緩衝材10の測定周波数1Hzにおける所定範囲のtanδは、0.1以上07以下の範囲に演算され、好ましくは0.2以上0.50以下の範囲に演算される。
また、緩衝材10の厚さKaは、7mm以上80mm以下の範囲に演算され、好ましくは
9mm以上30mm以下の範囲に演算される。
また、緩衝材10のヤング率Kyは、0.05MPa以上0.80MPa以下の範囲に演算され、好ましくは0.1MPa以上0.5MPa以下の範囲に演算される。
このような硬さ(アスカーC硬度)Kb、厚さKa、ヤング率Ky、衝撃荷重Ksの範囲に決定された緩衝材10は、使用者が転倒したときの人体軟組織に模擬した最適な材料となる。
この測定条件演算部25で演算された落下高さSh、衝撃時の錘11及び打撃部19の重さSw、打撃部19の曲面の大きさSr、緩衝材10の厚さKa、硬さKb、ヤング率Ky、衝撃荷重Ksは、ディスプレイ(モニタ)やプリンター装置などの出力装置である表示部22に出力される。
次に、図6は、衝撃荷重演算部27が行う衝撃荷重演算処理を示すものである。この衝撃荷重演算処理では、ステップST10において、衝撃荷重記録装置12に入力したロードセル8からの測定信号に基づいて衝撃荷重を演算する。次に、ステップST11において読み込んだ衝撃荷重の最大値を衝撃荷重Fとして記憶する。
次に、評価者が、第1実施形態の床材安全性評価装置1を操作して評価床材9の骨折に対する安全性を評価する手順について、図1、図2及び図8を参照して説明する。
先ず、評価者は、制御装置3の入力部20に、評価床材9を使用する使用者の身長H、体重W、年齢Y及び性別Mの使用者情報を入力する。
入力部20に使用者情報が入力されたことで、測定条件演算部25が、錘11及び打撃部19の落下高さSh、衝撃時の錘11及び打撃部19の重さSw、緩衝材10に接触する打撃部19の曲面の大きさSr、緩衝材10の厚さKa、硬さKb、ヤング率Ky、衝撃荷重Ksを演算して表示部22に出力し、骨密度・骨折荷重演算部26が骨折荷重Bpを演算する。
また、測定台5にロードセル8を載置し、ロードセル8上に評価床材9を載置するとともに、評価床材9上に、表示部22に出力された厚さKa、硬さKb、ヤング率Ky、衝撃荷重Ksを選別して緩衝材10を載置する。
ここで、評価床材9は、表面積が50cm2以上、好ましくは100cm2以上のものが使用されている。50cm2を下回る表面積の評価床材9を使用すると、小さな面積に大きな荷重が作用するので正常な評価が難しい。
錘11及び打撃部19が緩衝材10上に落下したことで、衝撃荷重演算部27は、ロードセル8から入力した測定信号に基づいて衝撃荷重Fを演算する。
衝撃荷重演算部27で演算した衝撃荷重Fは、図8に示すように、打撃部19が緩衝材10に接触する時間t1から徐々に大きくなり、ある時間において最大値Fmaxとなり、徐々に小さくなって時間t2で消滅する。ここでは、衝撃荷重演算部27が最大値Fmaxを衝撃荷重Fとして記憶する。
これにより、評価者は、表示部22に出力された衝撃荷重Fと骨折荷重Bpとを比較し、衝撃荷重Fが骨折荷重Bpより上回っている場合には(F>Bp)、使用者(身長H、体重W、年齢Y及び性別M)が評価床材9を使用するときには骨折リスクが高いと評価することが可能となる。一方、衝撃荷重Fが骨折荷重Bpより下回っている場合には(F<Bp)、使用者が評価床材9を使用するときには骨折リスクが低いと評価することが可能となる。
次に、第1実施形態の床材安全性評価装置1の効果について説明する。
床材安全性評価装置1を構成する衝撃荷重測定装置2は、使用者が転倒したときの衝撃エネルギー演算値SEに基づいて打撃部19の落下高さShを設定し、緩衝材10に接触する打撃部19の接触面を、使用者の大腿骨転子部に模擬した曲面形状とし、使用者が転倒して側臥位で床材に接触した際の大腿骨転子部に掛かる重さSwを設定し、使用者の尻に基づいた緩衝材10を評価床材9上に配置した状態とし、錘11及び打撃部19を緩衝材10上に落下させて衝撃荷重Fを測定している。
そして、打撃部19の曲面の大きさSrを、曲率R60mm以上R180mm以下の範囲に決定し、好ましくは曲率R90mm以上R160mm以下の範囲に決定した。このことから、使用者の大腿骨転子部に模擬した形状となるので、使用者の大腿骨骨折のリスクとの関連性をさらに高精度に得ることができる。
決定し、緩衝材10のヤング率Kyを、0.05MPa以上0.80MPa以下の範囲に決定し、緩衝材10の衝撃荷重Ksを、3500N以上10000N以下の範囲に決定した。このような緩衝材1を選択したことで、人体の軟組織に模擬した緩衝材10を選択することができるので、さらに評価床材9の剛性と骨折リスクとの関連性を高めることができる。
なお、緩衝材10としては、合成ゴム、天然ゴム、天然ゴムの発泡体、発泡スチロール、各種エラストマー及び発泡体、動物軟組織などが使用可能である。動物軟組織は人体軟組織と挙動が近いが、素材のばらつきが大きく安定した骨折に対する安全性評価の測定に適さない。このような欠点を持たない緩衝材としては、超軟質ウレタン樹脂が好適である。
すなわち、文献は「A.Curtney et al., The Journal of bone and joint surgery, vol 77-A, No3, March 1995」である。
この文献には、以下の通りランク付けがなされており、このランク付けと衝撃荷重Fとを比較することで評価床材9の骨折に対する安全性を評価することができる。
全年代で骨折発生 :7.20kN以上
高齢者骨折リスク高い:3.44以上7.20kN以下
高齢者骨折リスク低い:2.11以上3.44kN以下
全年代で骨折発生無し:0超2.11kN以下
次に、図9は、本発明に係る第2実施形態の衝撃荷重測定装置30を示すものである。なお、図3で示した第1実施形態の衝撃荷重測定装置30と同一構成部分には同一符号を示す。
本実施形態は、測定台5上に荷重測定部7のロードセル8が配置され、ロードセル8上に評価床材9が載置されているとともに、評価床材9上に緩衝材10が載置されている。
本実施形態の衝撃付与部31は、測定台5から立ち上がる支柱13と、支柱13に支持されて先端側が上り傾斜を付けて延在する腕部14と、支柱13に対する腕部14の高さを変化させる高さ調整部15と、腕部14の先端側に保持された錘11及び打撃部19と、を備えている。衝撃付与部31は、高さ調整部15を中心として下方向にスウィング可能な構造とされる。以下、本実施形態の衝撃付与部31を、振り子式の衝撃付与部31と称する。
そして、ロードセル8が測定した測定信号が衝撃荷重記録装置12に入力すると、衝撃荷重演算部27が、ロードセル8からの測定信号に基づいて衝撃荷重Fを演算する。
このように、第2実施形態の衝撃荷重測定装置30も、評価床材9上の使用者が腰の高さから転倒して尻餅をつき、大腿骨骨折を起こした状況を模擬して衝撃荷重Fを測定しているので、評価床材9の剛性と、使用者の大腿骨骨折のリスクとの関連性を高精度に得ることができる。
評価結果を、以下の表1に示す。なお、実施例1〜実施例5と、実施例6〜実施例10は、同一の身長及び体重である。
評価床材Aは、落下面のサイズを10000mm2とし、12mmの木質合板と6mmの架橋ポリエチレン樹脂発泡層の積層体である。
評価床材Bは、落下面のサイズを10000mm2とし、7mmの木質合板と5mmの架橋ポリエチレン樹脂発泡層の積層体である。
緩衝材10は、アスカーC硬度7(エクシール社製)の超軟質ウレタン造形用樹脂である人肌ゲルを用い、厚さは15mmであり、27mm角とした。
そして、第1実施形態の床材安全性評価装置1を使用して、実施例1〜実施例10の衝撃荷重Fを測定するとともに、骨折荷重Bpを演算した。また、実施例1〜実施例10に対して、JIS A 6519に記載されているG値測定法を行った。なお、G値測定法では、G値が100以下の場合は、転倒した際に脳挫傷に対しては安全と判断される。
実施例1〜10の年齢(65歳)、性別(男性)の骨折荷重Bpは2673(N)として演算され、実施例1,2の衝撃荷重Fは骨折荷重Bpを下回っているので、実施例1、2は、評価床材Aに骨折に対する安全性評価が「〇」、すなわち大腿骨骨折のリスクが低いと判定することができる。
また、実施例3〜5は、衝撃荷重Fが骨折荷重Bp(2673(N))を上回っているので、評価床材Aに骨折に対する安全性評価が「×」、すなわち大腿骨骨折のリスクが高いと判定することができる。
また、実施例6〜8の衝撃荷重Fが骨折荷重Bp(2673(N))を下回っているので、評価床材Bに骨折に対する安全性評価が「〇」、すなわち大腿骨骨折のリスクが低いと判定することができる。
さらに、実施例9,10は、衝撃荷重Fが骨折荷重Bp(2673(N))を上回っているので、評価床材Bに骨折に対する安全性評価が「×」、すなわち大腿骨骨折のリスクが高いと判定することができる。
評価床材Cは、ポリエチレン発泡成形体(10倍発泡6mm)上にポリプロピレン2倍発泡体の板を重ねた構成の床材である。
評価床材Dは、ポリエチレン発泡成形体(20倍発泡4mm)上に合板9mmを重ねた構成の床材である。
実施例1〜5、比較例1〜5の落下条件の衝撃エネルギーSEは、使用者が転倒する際に評価床材C、Dに底付きの現象を与えるのに必要な値に設定されている。
実施形態1〜5の緩衝材10のアスカーC硬度Kb、ヤング率Ky、厚さKa、衝撃荷重Ksも、使用者が転倒したときの人体軟組織に模擬した値の範囲に設定されている。
また、実施形態1〜5の打撃部の曲面の大きさSrは、大腿骨転子部に模擬した大きさの範囲に設定されている。
また、比較例2の緩衝材の衝撃荷重は、人体軟組織に模擬する範囲(3500N以上10000N以下の範囲に演算され、好ましくは5000N以上8000N)より大きい値(10382N)であり、比較例5の緩衝材の衝撃荷重は、人体軟組織に模擬する範囲より小さい値(3106)である。
また、比較例3,4は、打撃部の曲面の大きさSrが大腿骨転子部に模擬する大きさより小さいので、評価床材C、Dに大腿骨骨折に対する安全評価を判定することが難しい。
さらに、比較例5も、衝撃荷重の値が小さい緩衝材10が人体軟組織に模擬していないので、評価床材C、Dに大腿骨骨折に対する安全評価を判定することが難しい。
これに対して、実施例1〜5は、打撃部の曲面の大きさSrが、大腿骨転子部に模擬した大きさの範囲に設定され、緩衝材10のアスカーC硬度Kb、ヤング率Ky、厚さKa、衝撃荷重Ksが、使用者が転倒したときの人体軟組織に模擬した値の範囲に設定されているので、落下条件に対応した衝撃荷重Fを測定することができ、評価床材C、Dに対して大腿骨骨折に対する安全評価を正確に判定することができる。
2 衝撃荷重測定装置
3 制御装置
5 測定台
6 衝撃付与部
7 荷重測定部
8 ロードセル(荷重計測手段)
9 評価床材
10 緩衝材
11 錘
12 衝撃荷重記録装置
13 支柱
14 腕部
15 高さ調整部
16 電磁石
17 電磁石ON・OFF装置
19 打撃部
19a 曲面
20 入力部
21 演算部
22 表示部
23 サーバー
25 測定条件演算部
26 骨密度・骨折荷重演算部
27 衝撃荷重演算部
29 指標表示部
30、33 衝撃荷重測定装置
31 衝撃付与部(振り子式の衝撃付与部)
H 使用者の身長
W 使用者の体重
Y 使用者の年齢
M 使用者の性別
SE 衝撃エネルギー
Sh 錘及び打撃部の落下高さ
Sw 衝撃時の重さ
Sr 打撃部の曲面の大きさ
Ka 緩衝材の厚さ
Kb 緩衝材の硬さ(アスカーC硬度)
Ky 緩衝材のヤング率
Ks 緩衝材の衝撃荷重
Bm 骨密度
Bp 骨折荷重
F 衝撃荷重
FL 床
Claims (12)
- 床材上で使用者が転倒したときに前記使用者の大腿骨に加わる衝撃荷重を模擬的に測定する方法であって、
前記床材と同一材料の評価床材の上部に重ねて配置され、人体軟組織に模擬した材料で形成した緩衝材と、
模擬する転倒により前記大腿骨の転子部に加わる圧力分布に基づいた重さの錘と、
前記転子部に模擬した形状に形成した打撃部と、を備え、
模擬する転倒の高さに基づいた所定の落下高さで一体化した前記錘及び前記打撃部を落下させ、前記打撃部が前記緩衝材に接触した状態で前記錘が前記評価床材に衝撃を付与し、前記評価床材に生じた衝撃荷重を荷重計測手段で計測することを特徴とする床材衝撃荷重測定方法。 - 前記錘が前記評価床材に衝撃を付与したときの衝撃エネルギーが5J以上50J以下、好ましくは20J以上40J以下となるように、衝撃時の重さ、落下高さを設定することを特徴とする請求項1項記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 前記使用者の身長、体重、年齢、性別に基づいて前記緩衝材の材料を選択することを特徴とする請求項1又は2記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 前記緩衝材は、アスカーC硬度が0超16未満、好ましくは5以上10以下の値のものを選択することを特徴とする請求項3に記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 前記緩衝材は、測定周波数1Hzにおける人体軟組織の動的粘弾性値tanδが0.1以上0.7以下、好ましくは0.2以上0.50以下の値のものを選択することを特徴とする請求項4記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 前記緩衝材は、剛直な測定台上に当該緩衝材を配置し、前記錘を落下させて当該緩衝材に衝撃を付与して発生した衝撃荷重が3500N以上10000N以下、好ましくは5000N以上8000N以下の値のものを選択することを特徴とする請求項4又は5記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 前記緩衝材は、ヤング率が0.05MPa以上0.80MPa以下、好ましくは0.1MPa以上0.5MPa以下の値のものを選択することを特徴とする請求項4から6の何れか1項に記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 前記緩衝材は、厚さが7mm以上80mm以下、好ましくは9mm以上30mm以下の値のも
のを選択することを特徴とする請求項4から7の何れか1項に記載の床材衝撃荷重測定方法。 - 前記緩衝材に接触する前記打撃部の接触面が、曲率R60mm以上R180mm以下、好ましくは曲率R90mm以上R160mm以下の値の曲面を有していることを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 前記衝撃荷重の計測値は、経時的に変化する衝撃荷重の最大値であることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 前記評価床材の表面積は、50cm2以上、好ましくは100cm2以上であることを特徴とする請求項1から10の何れか1項に記載の床材衝撃荷重測定方法。
- 請求項1から請求項11の何れか1項に記載の床材衝撃荷重測定方法を使用した床材安全性評価方法であって、
前記使用者の年齢、性別及び骨密度に基づいて骨折荷重を演算し、
前記骨折荷重と、前記床材衝撃荷重測定方法で計測した前記衝撃荷重とを指標として表示することを特徴とする床材安全性評価方法。
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Citations (3)
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---|---|---|---|---|
JPH11336309A (ja) * | 1998-05-22 | 1999-12-07 | Abc Trading Co Ltd | 床 材 |
JP2006517433A (ja) * | 2003-01-07 | 2006-07-27 | イメージング セラピューティクス,インコーポレーテッド | 筋骨格疾患を予測する方法 |
JP2008233016A (ja) * | 2007-03-23 | 2008-10-02 | Hajime Komuro | 衝撃緩衝性評価装置 |
-
2019
- 2019-10-21 JP JP2019192234A patent/JP2020076764A/ja active Pending
Patent Citations (3)
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---|---|---|---|---|
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Title |
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西尾 康宏, 伊藤 安海, 岸田 亮太郎, 鍵山 善之, 根本 哲也: "皮膚の動的粘弾性特性評価と安全評価用ダミー皮膚の提案", 実験力学, vol. 16巻, 4号, JPN6023026903, 23 January 2017 (2017-01-23), JP, pages 307 - 314, ISSN: 0005098084 * |
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