JP4752052B2

JP4752052B2 - 膝関節運動測定装置

Info

Publication number: JP4752052B2
Application number: JP2005207555A
Authority: JP
Inventors: 幸夫浦辺
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: JP2007020881A

Description

この発明は、膝関節の運動を従来よりも厳密かつ詳細に測定するための装置に関するものである。

膝関節の障害は、スポーツ選手、高齢者を含めてたいへん多い。それゆえ、膝関節損傷の程度や、正常膝関節との差異を明らかにすることは、診断、評価、治療、治療効果の判定の何れにおいても重要である。

膝関節の運動解析は、さまざまな方法で行われており、最も多いのは、膝関節の周囲の皮膚に複数のマーカを貼り着け、それらのマーカをビデオ撮影して、空間でのマーカの座標変位を２次元または３次元で解析するものである。

また、三つのロータリエンコーダを互いに直交する方向に組合せて膝の横に配置するとともにそれらのロータリエンコーダのうちの二つを大腿と下腿とにそれぞれ固定し、さらに膝頭の上にパッドを当ててそのパッドの動きを下腿に固定した別のロータリエンコーダで測定し、それらのロータリエンコーダの出力信号を解析することで膝関節の運動を測定する装置も知られている（非特許文献１参照）。
The American Journal of Sports Medicine Vol. 32, No. 5, 2004のP1250-P1255に記載の"Knee Translation in ALC-Deficient Patients"中、図１にて紹介されたCA-4000 Electrogoniometer 参照

しかしながら、皮膚に貼り着けたマーカをビデオ撮影する方法では、極めて大まかな運動しか測定することができなかった。

また、実際の膝関節では屈曲中心は固定されていず釣り針状に移動することから、互いに直交する方向に組合せた三つのロータリエンコーダで測定する方法では、それらのロータリエンコーダの位置を厳密に位置決めしてしまうと膝関節の屈伸ができなくなるため平行リンクを介在させて適当に動きを逃がしているので、これも膝関節の運動を厳密かつ詳細に測定することはできなかった。そして膝頭の上に当てたパッドの動きをロータリエンコーダで測定する方法では、ジャンプ着地等の激しい動きをするとパッドが膝頭から外れてしまって測定できないという問題もあった。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、この発明の膝関節運動測定装置は、大腿に装着固定される大腿カフと、下腿に装着固定される下腿カフと、前記大腿カフに、大腿の延在方向に直交する方向に延在する第１の軸線周りに回動可能に連結された第１の連結部材と、前記大腿カフと前記第１の連結部材との間の前記第１の軸線周りの回動角を検出する第１の角度検出手段と、前記第１の連結部材に、大腿の延在方向と直交するとともに前記第１の軸線とも直交する方向に延在する第２の軸線周りに回動可能に連結された第２の連結部材と、前記第１の連結部材と前記第２の連結部材との間の前記第２の軸線周りの回動角を検出する第２の角度検出手段と、前記第２の連結部材に所定方向へ直線移動可能に連結された第３の連結部材と、前記第２の連結部材と前記第３の連結部材との間の前記直線移動の移動量を検出する直線移動量検出手段と、前記下腿カフに、下腿の延在方向に直交する方向に延在する第３の軸線周りに回動可能に連結された第４の連結部材と、前記下腿カフと前記第４の連結部材との間の前記第３の軸線周りの回動角を検出する第３の角度検出手段と、前記第４の連結部材に、下腿の延在方向と直交するとともに前記第３の軸線とも直交する方向に延在する第４の軸線周りに回動可能に連結され、かつ前記第３の軸線と前記第４の軸線とに直交して前記直線移動方向に延在する第５の軸線周りに回動可能に前記第３の連結部材にも連結された第５の連結部材と、前記第４の連結部材と前記第５の連結部材との間の前記第４の軸線周りの回動角を検出する第４の角度検出手段と、前記第３の連結部材と前記第５の連結部材との間の前記第５の軸線周りの回動角を検出する第５の角度検出手段と、を具え、さらに、前記第１の角度検出手段の検出した角度と、前記第２の角度検出手段の検出した角度と、前記第３の角度検出手段の検出した角度と、前記第４の角度検出手段の検出した角度と、前記第５の角度検出手段の検出した角度と、前記直線移動量検出手段の検出した直線移動量とから演算により、前記大腿カフと前記下腿カフとの間の移動状態を直角座標系で三次元的に求めて出力する三次元移動状態演算手段を具えてなるものである。

かかるこの発明の膝関節運動測定装置にあっては、大腿カフを大腿に装着固定するとともに、下腿カフを下腿に装着固定して脚を屈伸、内外旋、内外反すると、その大腿カフとそれに大腿の延在方向に直交する方向に延在する第１の軸線周りに回動可能に連結された第１の連結部材との間のその第１の軸線周りの回動角を第１の角度検出手段が検出し、その第１の連結部材とそれに大腿の延在方向と直交するとともに前記第１の軸線とも直交する方向に延在する第２の軸線周りに回動可能に連結された第２の連結部材との間のその第２の軸線周りの回動角を第２の角度検出手段が検出し、その第２の連結部材とそれに所定方向へ直線移動可能に連結された第３の連結部材との間の前記直線移動の移動量を直線移動量検出手段が検出する。

さらにこの発明の膝関節運動測定装置にあっては、前記下腿カフとそれに下腿の延在方向に直交する方向に延在する第３の軸線周りに回動可能に連結された第４の連結部材との間のその第３の軸線周りの回動角を第３の角度検出手段が検出し、その第４の連結部材とそれに下腿の延在方向と直交するとともに前記第３の軸線とも直交する方向に延在する第４の軸線周りに回動可能に連結され、かつ前記第３の軸線と前記第４の軸線とに直交して前記直線移動方向に延在する第５の軸線周りに回動可能に前記第３の連結部材にも連結された第５の連結部材との間の前記第４の軸線周りの回動角を第４の角度検出手段が検出し、そして前記第３の連結部材と前記第５の連結部材との間の前記第５の軸線周りの回動角を第５の角度検出手段が検出する。

従って、この発明の膝関節運動測定装置によれば、膝関節の屈伸、内外旋、内外反に対応する大腿カフと下腿カフとの間の移動状態を回動５自由度および直線移動１自由度の合計６自由度の動きから幾何学的に三次元的に求めることができるので、膝関節の運動を厳密かつ詳細に測定することができる。

また、三次元移動状態演算手段を具えているので、大腿カフと下腿カフとの間の移動状態を直角座標系で三次元的に求めることができ、膝関節の運動をより理解しやすい形で測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の膝関節運動測定装置の一実施例を膝関節を伸ばした脚への装着状態で示す斜視図、図２は、その実施例の膝関節運動測定装置の、大腿カフと下腿カフとを除いた構成を示す斜視図、図３は、上記実施例の膝関節運動測定装置の構成を示すスケルトン図、図４は、上記実施例の膝関節運動測定装置を膝関節を外旋させた脚への装着状態で示す斜視図、そして図５は、上記実施例の膝関節運動測定装置用のキャリブレーション治具を例示する正面図である。

この実施例の膝関節運動測定装置は、図１〜図３に示すように、面ファスナで周長を調節されて大腿THに装着固定される大腿カフ１と、面ファスナで周長を調節されて下腿ＬTに装着固定される下腿カフ２と、大腿カフ１に、大腿ＴＨの延在方向に直交する方向に延在する第１の軸線Ｃ１周りに回動可能に連結された断面Ｌ字状の第１の連結部材３と、大腿カフ１と第１の連結部材３との間の第１の軸線Ｃ１周りの回動角を検出する、第１の角度検出手段としてのロータリエンコーダ４と、第１の連結部材３に、大腿ＴＨの延在方向と直交するとともに第１の軸線Ｃ１とも直交する方向に延在する第２の軸線Ｃ２周りに回動可能に連結された断面Ｌ字状の板状の第２の連結部材５と、第１の連結部材３と第２の連結部材５との間の第２の軸線Ｃ２周りの回動角を検出する、第２の角度検出手段としてのロータリエンコーダ６と、第２の連結部材５にレール７ａとそれに嵌まり合うスライダ７ｂとを持つ直線移動案内機構７を介して所定方向（図２では略左右方向）へ直線移動可能に連結された断面Ｌ字状の板状の第３の連結部材８と、第２の連結部材５と第３の連結部材８との間の前記直線移動の移動量をレール７ａに対するスライダ７ｂの移動量から検出する、直線移動量検出手段としてのリニアエンコーダ９とを具えている。

また、この実施例の膝関節運動測定装置は、下腿カフ２に、下腿ＬＴの延在方向に直交する方向に延在する第３の軸線Ｃ３周りに回動可能に連結された断面Ｌ字状の第４の連結部材１０と、下腿カフ２と第４の連結部材１０との間の第３の軸線Ｃ３周りの回動角を検出する、第３の角度検出手段としてのロータリエンコーダ１１と、第４の連結部材１０に、下腿ＬＴの延在方向と直交するとともに第３の軸線Ｃ３とも直交する方向に延在する第４の軸線Ｃ４周りに回動可能に連結され、かつ第３の軸線Ｃ３と第４の軸線Ｃ４とに直交して前記直線移動方向に延在する第５の軸線Ｃ５周りに回動可能に第３の連結部材８にも連結された断面Ｌ字状の第５の連結部材１２と、第４の連結部材１０と第５の連結部材１２との間の第４の軸線Ｃ４周りの回動角を検出する、第４の角度検出手段としてのロータリエンコーダ１３と、第３の連結部材８と第５の連結部材１２との間の第５の軸線Ｃ５周りの回動角を検出する、第５の角度検出手段としてのロータリエンコーダ１４とを具えている。

さらに、この実施例の膝関節運動測定装置は、図３に示す如き、大腿Ｔｈの中心から軸線Ｃ１までの距離ｄ１と、軸線Ｃ１の延在方向の軸線Ｃ１，Ｃ５間の距離ｄ２と、軸線Ｃ２の延在方向の軸線Ｃ１，Ｃ５間の距離ｄ３と、ロータリエンコーダ４の検出した角度θ２と、ロータリエンコーダ６の検出した角度θ３と、ロータリエンコーダ１１の検出した角度θ７と、ロータリエンコーダ１３の検出した角度θ５と、ロータリエンコーダ１４の検出した角度θ４と、リニアエンコーダ９の検出した直線移動量に基づく軸線Ｃ２，Ｃ４間の距離ｄ４と、軸線Ｃ４の延在方向の軸線Ｃ３，Ｃ５間の距離ｄ５と、軸線Ｃ３の延在方向の軸線Ｃ３，Ｃ５間の距離ｄ６と、下腿ＬＴの中心から軸線Ｃ３までの距離ｄ７とから演算により、大腿カフ１と下腿カフ２との間の相対的な移動状態ひいては大腿ＴＨと下腿ＬＴとの間の相対的な移動状態を座標変換により直角座標系で三次元的に求めて出力する、三次元移動状態演算手段としての図示しない通常のパーソナルコンピュータを具えている。ここで、ｄ１、ｄ７はこの実施例の装置を大腿Ｔｈおよび下腿ＬＴに装着した状態でスケールにより測定した値であり、ｄ２，ｄ３，ｄ５，ｄ６はこの実施例の装置固有の値である。

上記パーソナルコンピュータは、具体的には、あらかじめ与えられたプログラムに基づき以下の［数１］および［数２］の演算を行って、膝関節の仮想中心の下方移動量ｘ，前方移動量ｙ，側方移動量ｚおよび膝関節の仮想中心に対する上腿ＴＨの捩れ角φ，下腿ＬＴの捩れ角ψ，上腿ＴＨ，下腿ＬＴ間の屈曲角θを求める。

図５に示すキャリブレーション治具１５は、擬似大腿ＡＴＨと擬似下腿ＡＬＴとを連結機構１６を介して連結したもので、連結機構１６は、高精度の回動機構を三個組合せてなり、所定の中心に対する擬似大腿ＡＴＨの捩れ角、擬似下腿ＡＬＴの捩れ角および擬似大腿ＡＴＨと擬似下腿ＡＬＴ間の屈曲角を目盛りで表示するとともに、それらの角度を０から任意に変化させることができる。

このキャリブレーション治具１５に上記実施例の膝関節運動測定装置をセットして、擬似大腿ＡＴＨの捩れ角、擬似下腿ＡＬＴの捩れ角および擬似大腿ＡＴＨと擬似下腿ＡＬＴ間の屈曲角と、上記パーソナルコンピュータが出力する膝関節の仮想中心に対する上腿ＴＨの捩れ角φ，下腿ＬＴの捩れ角ψ，上腿ＴＨ，下腿ＬＴ間の屈曲角θとのキャリブレーションをとった後、図１に示すように、被験者の大腿ＴＨに上記実施例の膝関節運動測定装置の大腿カフ１を装着固定するとともに、被験者の下腿ＬＴにその実施例の膝関節運動測定装置の下腿カフ２を装着固定して、被験者の脚を屈伸、内外旋、内外反すると、その大腿カフ１とそれに大腿ＴＨの延在方向に直交する方向に延在する第１の軸線Ｃ１周りに回動可能に連結された第１の連結部材３との間のその第１の軸線Ｃ１周りの回動角をロータリエンコーダ４が検出し、その第１の連結部材３とそれに大腿ＴＨの延在方向と直交するとともに第１の軸線Ｃ１とも直交する方向に延在する第２の軸線Ｃ２周りに回動可能に連結された第２の連結部材５との間のその第２の軸線Ｃ２周りの回動角をロータリエンコーダ６が検出し、その第２の連結部材５とそれに所定方向へ直線移動可能に連結された第３の連結部材８との間の直線移動の移動量をリニアエンコーダ９が検出する。

さらにここでは、下腿カフ２とそれに下腿ＬＴの延在方向に直交する方向に延在する第３の軸線Ｃ３周りに回動可能に連結された第４の連結部材１０との間のその第３の軸線Ｃ３周りの回動角をロータリエンコーダ１１が検出し、その第４の連結部材１０とそれに下腿ＬＴの延在方向と直交するとともに第３の軸線Ｃ３とも直交する方向に延在する第４の軸線Ｃ４周りに回動可能に連結され、かつ第３の軸線Ｃ３と第４の軸線Ｃ４とに直交して上記直線移動方向に延在する第５の軸線Ｃ５周りに回動可能に第３の連結部材８にも連結された第５の連結部材１２との間の第４の軸線Ｃ４周りの回動角をロータリエンコーダ１３が検出し、そして第３の連結部材８と第５の連結部材１２との間の第５の軸線Ｃ５周りの回動角をロータリエンコーダ１４が検出する。

そして、上記パーソナルコンピュータが、それらのエンコーダの出力信号に基づき、上述の如くして膝関節の仮想中心の下方移動量ｘ，前方移動量ｙ，側方移動量ｚおよび膝関節の仮想中心に対する上腿ＴＨの捩れ角φ，下腿ＬＴの捩れ角ψ，上腿ＴＨ，下腿ＬＴ間の屈曲角θを求め、それらの値の時間経過に伴う変化状態をグラフで出力する。

図６は、この実施例の膝関節運動測定装置を装着した被験者が台の上から片足でジャンプして着地した際の、膝関節の仮想中心の下方移動量ｘ，前方移動量ｙ，側方移動量ｚおよび膝関節の仮想中心に対する上腿ＴＨの捩れ角φ，下腿ＬＴの捩れ角ψ，上腿ＴＨ，下腿ＬＴ間の屈曲角θの時間経過に伴う変化状態を、この実施例の膝関節運動測定装置が測定して出力したグラフ、図７はそれらのうちの膝関節の仮想中心の下方移動量ｘ，前方移動量ｙ，側方移動量ｚおよび上腿ＴＨ，下腿ＬＴ間の屈曲角θを抽出したグラフ、そして図８はそれらのうちの膝関節の仮想中心に対する上腿ＴＨの捩れ角φ，下腿ＬＴの捩れ角ψおよび上腿ＴＨ，下腿ＬＴ間の屈曲角θを抽出したグラフであり、横軸は時間（秒）、縦軸は角度（°）および移動量（ｍｍ）を表している。

これらのグラフから明らかなように、この実施例の膝関節運動測定装置によれば、膝関節の屈伸、内外旋、内外反に対応する大腿カフと下腿カフとの間の移動状態を回動５自由度および直線移動１自由度の合計６自由度の動きから幾何学的に三次元的に求めることができるので、膝関節の運動を厳密かつ詳細に測定することができる。

しかも、この実施例の膝関節運動測定装置によれば、大腿カフと下腿カフとの間の移動状態を直角座標系で三次元的に求めることができるので、膝関節の運動をより理解しやすい形で測定することができる。

従って、この実施例の膝関節運動測定装置によれば、膝関節のスポーツ外傷で最も重症なものの一つである前十字靭帯損傷膝に対する脛骨前方変位量の測定が可能になる。脛骨前方変位量ついては、前述の実施例のようにパッドを当てるものは激しい動きをすると外れてしまうため、従来は安静背臥位で静止状態で測定する装置しかなかったが、この実施例の測定装置によれば、安静時はもちろん、実際の運動時の脛骨前方変位量の測定も行うことができるので、前十字靭帯損傷膝の診断、治療、リハビリテーションおよびそれらの効果判定を飛躍的に進歩させることができる。

かくしてこの発明の膝関節運動測定装置によれば、膝関節の屈伸、内外旋、内外反に対応する大腿カフと下腿カフとの間の移動状態を回動５自由度および直線移動１自由度の合計６自由度の動きから幾何学的に三次元的に求めることができるので、膝関節の運動を厳密かつ詳細に測定することができる。

この発明の膝関節運動測定装置の一実施例を膝関節を伸ばした脚への装着状態で示す斜視図である。上記実施例の膝関節運動測定装置の、大腿カフと下腿カフとを除いた構成を示す斜視図である。上記実施例の膝関節運動測定装置の構成を示すスケルトン図である。上記実施例の膝関節運動測定装置を膝関節を外旋させた脚への装着状態で示す斜視図である。上記実施例の膝関節運動測定装置用のキャリブレーション治具を例示する正面図である。被験者が台の上から片足でジャンプして着地した際の、大腿と下腿との相対位置の時間経過に伴う変化状態を上記実施例の膝関節運動測定装置が測定して出力したグラフである。図６に示すデータのうちの膝関節の仮想中心の下方移動量ｘ，前方移動量ｙ，側方移動量ｚおよび上腿ＴＨ，下腿ＬＴ間の屈曲角θを抽出したグラフである。図６に示すデータのうちの膝関節の仮想中心に対する上腿ＴＨの捩れ角φ，下腿ＬＴの捩れ角ψおよび上腿ＴＨ，下腿ＬＴ間の屈曲角θを抽出したグラフである。

符号の説明

１上腿カフ
２下腿カフ
３第１の連結部材
４ロータリエンコーダ
５第２の連結部材
６ロータリエンコーダ
７直線移動案内機構
７ａレール
７ｂスライダ
８第３の連結部材
９リニアエンコーダ
１０第４の連結部材
１１ロータリエンコーダ
１２第５の連結部材
１３ロータリエンコーダ
１４ロータリエンコーダ
１５キャリブレーション治具
１６連結機構
Ｃ１〜Ｃ５軸線
ＡＴＨ擬似上腿
ＡＬＴ擬似下腿
ＴＨ上腿
ＬＴ下腿

Claims

大腿に装着固定される大腿カフ（１）と、
下腿に装着固定される下腿カフ（２）と、
前記大腿カフに、大腿の延在方向に直交する方向に延在する第１の軸線（Ｃ１）周りに回動可能に連結された第１の連結部材（３）と、
前記大腿カフと前記第１の連結部材との間の前記第１の軸線周りの回動角を検出する第１の角度検出手段（４）と、
前記第１の連結部材に、大腿の延在方向と直交するとともに前記第１の軸線とも直交する方向に延在する第２の軸線（Ｃ２）周りに回動可能に連結された第２の連結部材（５）と、
前記第１の連結部材と前記第２の連結部材との間の前記第２の軸線周りの回動角を検出する第２の角度検出手段（６）と、
前記第２の連結部材に所定方向へ直線移動可能に連結された第３の連結部材（８）と、
前記第２の連結部材と前記第３の連結部材との間の前記直線移動の移動量を検出する直線移動量検出手段（９）と、
前記下腿カフに、下腿の延在方向に直交する方向に延在する第３の軸線（Ｃ３）周りに回動可能に連結された第４の連結部材（１０）と、
前記下腿カフと前記第４の連結部材との間の前記第３の軸線周りの回動角を検出する第３の角度検出手段（１１）と、
前記第４の連結部材に、下腿の延在方向と直交するとともに前記第３の軸線とも直交する方向に延在する第４の軸線（Ｃ４）周りに回動可能に連結され、かつ前記第３の軸線と前記第４の軸線とに直交して前記直線移動方向に延在する第５の軸線（Ｃ５）周りに回動可能に前記第３の連結部材にも連結された第５の連結部材（１２）と、
前記第４の連結部材と前記第５の連結部材との間の前記第４の軸線周りの回動角を検出する第４の角度検出手段（１３）と、
前記第３の連結部材と前記第５の連結部材との間の前記第５の軸線周りの回動角を検出する第５の角度検出手段（１４）と、を具え、
さらに、前記第１の角度検出手段の検出した角度と、前記第２の角度検出手段の検出した角度と、前記第３の角度検出手段の検出した角度と、前記第４の角度検出手段の検出した角度と、前記第５の角度検出手段の検出した角度と、前記直線移動量検出手段の検出した直線移動量とから演算により、前記大腿カフと前記下腿カフとの間の移動状態を直角座標系で三次元的に求めて出力する三次元移動状態演算手段を具えてなる、膝関節運動測定装置。