JP5344401B2 - Disc load measuring device and measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、椎間板負荷の測定装置および測定方法に関する。
人間の脊柱（背骨）は複数の脊椎骨（椎骨）で構成されている。各脊椎骨は、人体の腹側に位置する椎体と背側に位置する椎弓とを備えており、隣接する脊椎骨の椎体間には椎間板がそれぞれ存在している。この椎間板は、椎体間の緩衝材として機能している。
現在、生活環境や労働環境の変化に伴って、日本では多数の人が腰痛で悩まされるようになっている。かかる腰痛の代表的な原因の一つとして、椎間板ヘルニアがある。椎間板ヘルニアは、脊椎骨間の椎間板に負荷が加わり椎間板が変形して神経を圧迫することにより発症する。また、椎間板ヘルニア以外でも椎間板への負荷が原因で発生する発症する腰痛は多い。このため、人が動作しているときにおける椎間板への負荷が把握できれば、椎間板ヘルニアやその他の腰痛の原因究明や予防法、治療法を検討する際に、非常に有用な情報となる。
本発明は、かかる椎間板への負荷を求める椎間板負荷の測定装置および測定方法に関する。
The present invention relates to an apparatus and a method for measuring an intervertebral disc load.
The human spinal column (spine) is composed of a plurality of vertebrae (vertebrae). Each vertebra has a vertebral body located on the ventral side of the human body and a vertebral arch located on the dorsal side, and an intervertebral disc exists between vertebral bodies of adjacent vertebrae. This intervertebral disc functions as a cushioning material between vertebral bodies.
Currently, with changes in living and working environments, many people in Japan are suffering from back pain. One typical cause of such low back pain is a herniated disc. Intervertebral hernia develops when a load is applied to the intervertebral disc and the disc deforms and compresses the nerve. In addition to intervertebral hernia, there are many low back pains that develop due to the load on the intervertebral disc. Therefore, if the load on the intervertebral disc when a person is operating can be grasped, it will be very useful information when investigating the cause of the herniated disc and other low back pain, and examining the prevention and treatment methods.
The present invention relates to an intervertebral disk load measuring device and a measuring method for determining the load on the intervertebral disk.
腰椎の椎間板に掛かる負荷を把握する方法として、椎間板に加わる負荷を直接測定する方法（侵襲的な方法）がある（例えば、非特許文献１）。この方法では、被験者の椎間板にセンサを埋め込んで、動作中における椎間板への負荷を直接センサによって測定できるので、椎間板への負荷を正確に測定できるという利点がある。
しかし、上記方法の場合、センサを埋め込むためには外科的な処置が必要であるため、この処置の際や動作中に被験者の脊髄などを損傷するリスクがある上、センサをつけた状態で測定を行うので被験者への負担が大きいという問題がある。
As a method of grasping the load applied to the lumbar intervertebral disc, there is a method (invasive method) for directly measuring the load applied to the intervertebral disc (for example, Non-Patent Document 1). This method has an advantage that the load on the intervertebral disc can be accurately measured because the sensor is embedded in the intervertebral disc of the subject and the load on the intervertebral disc during operation can be directly measured by the sensor.
However, in the case of the above method, since a surgical procedure is required to implant the sensor, there is a risk of damaging the spinal cord of the subject during this procedure or during operation, and measurement is performed with the sensor attached. There is a problem that the burden on the subject is large.
近年、筋骨格モデルにより人間の内力を非侵襲的に推定する方法が検討されており（例えば、非特許文献２）、この方法を椎間板への負荷の推定に適用することも考えられる。
筋骨格モデルは、人体を構成する複数の骨および複数の筋肉を詳細にモデル化したものであるが、筋骨格モデルを用いて内力（椎間板への負荷）を正確に推定する場合には、各被験者について、各部の力学的な特性や随意筋の状況などの情報が必要である。しかし、これらの情報は計測が困難な不明確な情報であるため、筋骨格モデルを用いて椎間板への負荷を推定しても、上述した侵襲的な方法に比べて大幅に精度が低くなる。
In recent years, a method for non-invasively estimating human internal force using a musculoskeletal model has been studied (for example, Non-Patent Document 2), and this method may be applied to estimation of a load on an intervertebral disc.
The musculoskeletal model is a detailed model of multiple bones and multiple muscles that make up the human body. However, when accurately estimating the internal force (load on the intervertebral disc) using the musculoskeletal model, For the subject, information such as the mechanical characteristics of each part and the situation of voluntary muscles is necessary. However, since these pieces of information are unclear information that is difficult to measure, even if the load on the intervertebral disc is estimated using a musculoskeletal model, the accuracy is significantly lower than the invasive method described above.
以上のごとく、現存する方法により椎間板への負荷を測定する場合、被験者の安全性利便性と、測定の精度のいずれか一方を犠牲にせざるを得ないため、両方法の利点を兼ね備えた計測法が望まれている。 As described above, when measuring the load on the intervertebral disc by the existing method, either the safety convenience of the subject or the accuracy of the measurement must be sacrificed, so the measurement method combines the advantages of both methods Is desired.
本発明は上記事情に鑑み、被験者の負担が少なく、しかも精度良く椎間板に加わる負荷を測定できる椎間板負荷の測定装置および測定方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an intervertebral disc load measuring device and a measuring method that can measure a load applied to an intervertebral disc with high accuracy and less burden on a subject.
（測定方法）
第１発明の椎間板負荷の測定方法は、人体の動作に起因して椎間板に加わる負荷を推定する方法であって、所定の姿勢の被験者の背中を撮影し、この撮影によって得られた画像情報に基づいて脊椎骨の位置情報を算出し、該脊椎骨の位置情報に基づいて、椎間板に負荷が加わらない無負荷状態の基準姿勢に対する脊柱の変形を算出し、算出された脊柱の変形に基づいて、椎間板に加わる負荷を推定することを特徴とする。
第２発明の椎間板負荷の測定方法は、第１発明において、前記脊柱の形状を、測定された脊椎骨の動作から算出される脊椎骨の位置情報に基づいて曲線近似によって算出し、前記脊柱の変形を、基準姿勢における被験者の脊柱の形状と、基準姿勢から姿勢を変更したときにおける脊柱の形状と、に基づいて算出することを特徴とする。
第３発明の椎間板負荷の測定方法は、第１発明において、脊柱を構成する各脊椎骨を剛体としかつ隣接する脊椎骨間に柔軟性を有する椎間板が配置された脊柱モデルであって、基準姿勢における被験者の脊柱の形状に基づいて形成される基準脊柱モデルを使用し、前記脊柱の変形を、基準姿勢から姿勢を変更したときに測定された被験者の脊椎骨の動作を強制変位入力として、脊柱モデルの変形を解析して求めることを特徴とする。
（測定装置）
第４発明の椎間板負荷の測定装置は、人体の動作に起因して椎間板に加わる負荷を推定する装置であって、被験者の体表面における脊椎骨の後端と対応する位置に取り付けられた複数のマーカーと、該複数のマーカーを撮影する撮影手段と、該撮影手段が撮影した画像を解析する解析手段とからなり、該解析手段は、前記撮影手段が撮影した画像に基づいて脊椎骨の位置情報を算出し、算出した脊椎骨の位置情報に基づいて、椎間板に負荷が加わらない無負荷状態の基準姿勢に対する脊柱の変形を算出する変形解析部と、該変形解析部によって算出された脊柱の変形に基づいて、椎間板に加わる負荷を推定する負荷推定部とからなることを特徴とする。
第５発明の椎間板負荷の測定装置は、第４発明において、前記変形解析部は、前記脊椎骨の位置情報に基づいて曲線近似によって算出し、前記脊柱の変形を、基準姿勢における被験者の脊柱の形状と、基準姿勢から姿勢を変更したときにおける脊柱の形状と、に基づいて算出することを特徴とする。
第６発明の椎間板負荷の測定装置は、第５発明において、前記解析手段は、脊柱を構成する各脊椎骨を剛体としかつ隣接する脊椎骨間に柔軟性を有する椎間板が配置された脊柱モデルであって、基準姿勢における被験者の脊柱の形状に基づいて形成される基準脊柱モデルを記憶する基準脊柱モデル記憶部を備えており、前記変形解析部は、前記基準脊柱モデルを用いて、前記基準姿勢から姿勢を変更したときに測定された被験者の脊椎骨の動作を強制変位入力として、前記基準脊柱モデルの変形を解析して求めるものであることを特徴とする。
(Measuring method)
The intervertebral disc load measuring method of the first invention is a method for estimating the load applied to the intervertebral disc due to the movement of the human body, and images the back of the subject in a predetermined posture, and the image information obtained by this imaging Vertebrae position information is calculated based on the vertebral position information, and based on the vertebral position information, a spinal deformity is calculated with respect to a reference posture in an unloaded state in which no load is applied to the intervertebral disk. It is characterized by estimating a load applied to the.
The method for measuring the intervertebral disc load according to a second aspect of the present invention is the method according to the first aspect, wherein the shape of the spinal column is calculated by curve approximation based on the position information of the vertebrae calculated from the measured movement of the vertebrae, and the deformation of the spinal column is calculated. The calculation is based on the shape of the spine of the subject in the reference posture and the shape of the spine when the posture is changed from the reference posture.
The method for measuring the intervertebral disc load according to the third invention is the spinal column model according to the first invention, wherein each vertebra constituting the spinal column is a rigid body and a flexible intervertebral disc is arranged between adjacent vertebrae. Using the reference spine model formed based on the shape of the spine of the subject, the deformation of the spine model is determined by using the movement of the vertebrae of the subject measured when the posture is changed from the reference posture as the forced displacement input. It is characterized by analyzing .
( Measurement equipment)
An intervertebral disc load measuring device according to a fourth aspect of the present invention is a device for estimating a load applied to an intervertebral disc due to movement of a human body, and a plurality of markers attached at positions corresponding to the rear end of the vertebra on the body surface of the subject And imaging means for imaging the plurality of markers, and analysis means for analyzing the images taken by the imaging means, the analysis means calculating vertebra position information based on the images taken by the imaging means Based on the calculated position information of the vertebra, based on the deformation analysis unit that calculates the deformation of the spinal column with respect to a reference posture in an unloaded state where no load is applied to the intervertebral disc, and based on the deformation of the spine calculated by the deformation analysis unit And a load estimating unit for estimating a load applied to the intervertebral disc.
According to a fifth aspect of the present invention, in the apparatus for measuring an intervertebral disc load according to the fourth aspect of the invention, the deformation analysis unit calculates a curve approximation based on the position information of the vertebra, and calculates the deformation of the spinal column based on the shape of the spine of the subject in a reference posture. And the shape of the spinal column when the posture is changed from the reference posture.
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the analyzing means is a spinal column model in which each vertebra constituting the spinal column is a rigid body and a flexible intervertebral disc is arranged between adjacent vertebrae. A reference spine model storage unit that stores a reference spine model formed based on the shape of the subject's spine in a reference posture, and the deformation analysis unit uses the reference spine model to perform posture from the reference posture The movement of the vertebrae of the subject measured when the position is changed is used as a forced displacement input to analyze and determine the deformation of the reference vertebral column model.
（測定方法）
第１発明によれば、椎間板を構成要素として含む脊柱について基準姿勢の状態を基準として得られる変形に基づいて椎間板への負荷を求めており、しかも、脊柱の変形は、その構成要素である脊椎骨の動作を測定した結果に基づいて算出されている。よって、椎間板への負荷を求めるときに、筋肉の情報等の不明確な情報を使用する必要がないので、椎間板に加わる負荷を精度良く推定することができる。しかも、脊椎骨の動作を、被験者の体表面を撮影することによって計測しているので、測定において外科的な処置が不要であり、被験者の負担を少なくすることができる。
第２発明によれば、姿勢変更後の脊柱の形状を曲線で近似しているので、個々の脊椎骨の位置を測定する精度が低かったり、測定されたデータに基づく位置推定精度が低かったりしても、椎間板に加わる負荷をある程度高い精度で推定することができる。
第３発明によれば、基準脊柱モデルに対して、脊柱の構成要素である脊椎骨の動作を強制変位として入力して基準脊柱モデルの変形を算出しているので、算出される基準脊柱モデルの変形の精度を高くすることができる。
（測定装置）
第４発明によれば、負荷推定部は、椎間板を構成要素として含む脊柱について基準姿勢の状態を基準として得られる変形に基づいて椎間板への負荷を求めており、しかも、変形解析部は、脊柱の変形を、撮影手段が撮影した画像に基づいて算出される脊椎骨の位置情報に基づいて算出している。よって、椎間板への負荷を求めるときに、筋肉の情報等の不明確な情報を使用する必要がないので、椎間板に加わる負荷を精度良く推定することができる。しかも、脊椎骨の動作を、被験者の体表面を撮影することによって計測しているので、測定において外科的な処置が不要であり、被験者の負担を少なくすることができる。
第５発明によれば、姿勢変更後の脊柱の形状を曲線で近似しているので、個々の脊椎骨の位置を測定する精度が低かったり、測定されたデータに基づく位置推定精度が低かったりしても、椎間板に加わる負荷をある程度高い精度で推定することができる。
第６発明によれば、基準脊柱モデルに対して、脊柱の構成要素である脊椎骨の動作を強制変位として入力して基準脊柱モデルの変形を算出しているので、算出される基準脊柱モデルの変形の精度を高くすることができる。
(Measuring method)
According to the first aspect of the present invention, the load on the intervertebral disc is obtained based on the deformation obtained on the basis of the state of the reference posture with respect to the spinal column including the intervertebral disc as a constituent element. It is calculated based on the result of measuring the operation. Therefore, it is not necessary to use unclear information such as muscle information when determining the load on the intervertebral disc, so that the load applied to the intervertebral disc can be accurately estimated. In addition, since the movement of the vertebra is measured by photographing the body surface of the subject, no surgical treatment is required in the measurement, and the burden on the subject can be reduced.
According to the second invention, since the shape of the spine after the posture change is approximated by a curve, the accuracy of measuring the position of each vertebra is low, or the position estimation accuracy based on the measured data is low. In addition, the load applied to the intervertebral disc can be estimated with a certain degree of accuracy.
According to the third aspect of the present invention, the deformation of the reference spine model is calculated by inputting the movement of the vertebra as a component of the spine as a forced displacement to the reference spine model and calculating the deformation of the reference spine model. Accuracy can be increased .
( Measurement equipment)
According to the fourth invention, the load estimating unit obtains the load on the intervertebral disc based on the deformation obtained with reference to the state of the reference posture with respect to the spinal column including the intervertebral disc as a component, and the deformation analyzing unit includes the spinal column Is calculated based on the position information of the vertebrae calculated based on the image photographed by the photographing means. Therefore, it is not necessary to use unclear information such as muscle information when determining the load on the intervertebral disc, so that the load applied to the intervertebral disc can be accurately estimated. In addition, since the movement of the vertebra is measured by photographing the body surface of the subject, no surgical treatment is required in the measurement, and the burden on the subject can be reduced.
According to the fifth invention, since the shape of the spine after the posture change is approximated by a curve, the accuracy of measuring the position of each vertebra is low, or the position estimation accuracy based on the measured data is low. In addition, the load applied to the intervertebral disc can be estimated with a certain degree of accuracy.
According to the sixth aspect of the present invention, since the deformation of the reference spine model is calculated by inputting the movement of the vertebrae, which is a component of the spine, as the forced displacement with respect to the reference spine model, the deformation of the calculated reference spine model is calculated. Accuracy can be increased.
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の椎間板負荷測定方法は、非侵襲的な方法によって椎間板の負荷を測定する方法であって、脊椎骨の動き、つまり、脊柱の変形に基づいて椎間板の負荷を推定するようにしたことに特徴を有している。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The intervertebral disc load measuring method of the present invention is a method for measuring the intervertebral disc load by a non-invasive method, wherein the intervertebral disc load is estimated based on the movement of the vertebrae, that is, the deformation of the spinal column. have.
まず、上記のごとき方法から椎間板に加わる負荷が推定できる原理について説明する。
図６（カイロプラクティック概論、鈴木正教著から引用）は腰椎を含む脊柱を示しているが、図６に示すように、脊柱は複数の脊椎骨から構成されており、隣接する脊椎骨の椎体間にそれぞれ椎間板が存在している。
このため、脊柱の姿勢が変化して隣接する脊椎骨の椎体間の隙間が変化すれば、椎間板に加わる負荷が変化する。具体的には、椎体間の隙間が狭くなれば、椎体間に位置している椎間板は圧縮されるので、椎間板に加わる圧縮方向の負荷が大きくなる。逆に、椎体間の隙間が広くなれば、椎間板に加わっていた圧縮力が弱くなるので、椎間板に加わる圧縮方向の負荷は小さくなる。
したがって、脊柱の形状の変化、つまり、脊柱のたわみ曲線の変化を見れば、椎骨の隙間がどのように変化したかを推定できるので、椎間板への負荷の変化も推定することができるのである。
First, the principle by which the load applied to the intervertebral disc can be estimated from the above method will be described.
FIG. 6 (Introduction to Chiropractic, quoted from Masanori Suzuki) shows the vertebral column including the lumbar vertebrae. As shown in FIG. 6, the vertebral column is composed of a plurality of vertebrae, and between the vertebral bodies of adjacent vertebrae. Each has an intervertebral disc.
For this reason, if the posture of the spine changes and the gap between vertebral bodies of adjacent vertebrae changes, the load applied to the intervertebral disc changes. Specifically, when the gap between the vertebral bodies becomes narrow, the intervertebral disc located between the vertebral bodies is compressed, so that the load in the compression direction applied to the intervertebral disc increases. On the contrary, if the gap between the vertebral bodies becomes wide, the compressive force applied to the intervertebral disc becomes weak, so the load in the compression direction applied to the intervertebral disc becomes small.
Therefore, it is possible to estimate how the vertebral gap has changed by looking at the change in the shape of the spinal column, that is, the change in the deflection curve of the spinal column.
つぎに、本発明の椎間板負荷測定方法に使用する装置を説明する。
図２に示すように、椎間板負荷測定方法に使用する装置（以下、椎間板負荷測定装置という）は、撮影手段１０と、解析手段２０とを備えている。
Next, an apparatus used for the disc load measuring method of the present invention will be described.
As shown in FIG. 2, an apparatus used for an intervertebral disk load measuring method (hereinafter referred to as an intervertebral disk load measuring apparatus) includes an imaging unit 10 and an analyzing unit 20.
撮影手段１０は、椎間板の負荷を測定する人（以下、被験者という）の背中を撮影して、被験者の脊柱を構成する脊椎骨の動作を測定するものである。具体的には、撮影手段１０は、被験者の背中において、脊椎骨と対応する位置に貼り付けられたマーカーＭを含む画像を撮影できる撮影機器を備えている。この撮影機器は、撮影した画像に関する情報（画像情報）を解析手段２０に送信することができる機能も有するものである。例えは、撮影機器には、高速度カメラや光学式３次元形状計測装置などを採用することができるが、前記機能を有するものであれば、特に限定されない。 The imaging means 10 measures the motion of the vertebrae constituting the subject's spine by imaging the back of a person (hereinafter referred to as a subject) who measures the load on the intervertebral disc. Specifically, the photographing means 10 includes a photographing device that can photograph an image including the marker M attached to a position corresponding to the vertebra on the back of the subject. This photographing apparatus also has a function capable of transmitting information (image information) relating to the photographed image to the analyzing means 20. For example, a high-speed camera, an optical three-dimensional shape measuring device, or the like can be adopted as the photographing device, but it is not particularly limited as long as it has the above function.
なお、撮影手段１０は、通常、撮影機器を２台以上備えているが、後述する基準姿勢から負荷測定姿勢までの脊椎骨の動きがほぼ２次元的であると考えられる場合には撮影機器は１台でもよい。また、被験者の姿勢によって、２台の撮影機器ではマーカーＭを撮影できない状況が生じる可能性がある場合には、３台以上の撮影機器を設ける必要がある。 Note that the imaging unit 10 normally includes two or more imaging devices. However, when the movement of the vertebra from a reference posture described later to a load measurement posture is considered to be almost two-dimensional, the imaging device 1 is used. It may be a table. Further, when there is a possibility that a situation in which the marker M cannot be photographed by two photographing devices depending on the posture of the subject, it is necessary to provide three or more photographing devices.
解析手段２０は、撮影手段１０が撮影した画像情報に基づいて、椎間板に加わる負荷を算出するものである。
この解析手段２０は、変形解析部２１、データ記憶部２２、負荷推定部２５、および基準脊柱モデル記憶部３０とを備えている。
The analysis unit 20 calculates a load applied to the intervertebral disc based on the image information captured by the imaging unit 10.
The analysis unit 20 includes a deformation analysis unit 21, a data storage unit 22, a load estimation unit 25, and a reference spine model storage unit 30.
変形解析部２１は、撮影手段１０が撮影した画像の画像情報に基づいて脊椎骨の動作を解析し、脊柱の変形を解析するものである。脊柱の変形とは、基準姿勢における脊柱の形状に対するある姿勢での脊柱の形状の変化を意味している。つまり、被験者が基準姿勢から姿勢を変えたときに、全脊椎骨について、基準姿勢における位置からのズレを積算したものが、脊柱の変形となるのである。 The deformation analysis unit 21 analyzes the motion of the vertebra based on the image information of the image captured by the image capturing means 10 and analyzes the deformation of the spine. The spinal deformity means a change in the shape of the spine in a certain posture with respect to the shape of the spine in the reference posture. That is, when the subject changes his / her posture from the reference posture, the sum of the deviations from the position in the reference posture for all vertebrae is the deformation of the spine.
負荷推定部２５は、変形解析部２１が算出する脊柱の変形に基づいて椎間板に加わる負荷（圧力値や圧縮力、ねじりモーメント）を算出するものである。具体的には、脊柱が変形すると、隣接する脊椎骨の椎体間の相対的な位置（両者間の距離や相対的な回転等）が変化するので、この変形量に基づいて、椎間板の変形量が得られる。すると、椎間板の変形量と椎間板の性質（物性）とに基づいて、椎間板に加わる負荷（圧力）を算出することができるのである。
例えば、椎間板の物性がわかっている場合には、非線形の有限要素法で椎間板をモデル化し椎間板の変形量を強制変位として与えて解析する。すると、椎間板に加わる負荷として、数値的に応力や反力を求めることが可能である。この場合には、椎間板にねじり変形がある場合でも、ねじれ応力を数値的に求めることもできる。
The load estimation unit 25 calculates a load (pressure value, compressive force, torsional moment) applied to the intervertebral disc based on the deformation of the spine calculated by the deformation analysis unit 21. Specifically, when the spinal column deforms, the relative position between the vertebral bodies of adjacent vertebrae (distance between them, relative rotation, etc.) changes. Based on this deformation, the amount of deformation of the intervertebral disc Is obtained. Then, the load (pressure) applied to the intervertebral disc can be calculated based on the deformation amount of the intervertebral disc and the nature (physical properties) of the intervertebral disc.
For example, when the physical properties of the intervertebral disc are known, the intervertebral disc is modeled by a nonlinear finite element method, and the amount of deformation of the intervertebral disc is given as a forced displacement for analysis. Then, as a load applied to the intervertebral disc, it is possible to obtain a stress and a reaction force numerically. In this case, even when the intervertebral disc has torsional deformation, the torsional stress can be obtained numerically.
また、負荷推定部２５が算出する負荷は、椎間板に加わる圧力値等以外にも、脊柱の変形や椎間板の歪の程度によって表すことができる。かかる変形や平均的な歪は，椎間板の物性や形状によらず得ることができるので，これらを用いて評価すれば，比較的簡単に椎間板に加わる負荷を評価することができる。とくに、脊柱の変形があまり速い動きでない場合、つまり、負荷の変動があまり速くない現象であれば，歪自身を負荷として評価するのがもっとも単純である。
例えば、基準姿勢における脊柱に対して、ある姿勢における脊柱の曲率がどの程度変化したか、つまり、脊柱の曲率の変化量を算出し、この曲率の変化量を用いて負荷を評価することも可能である。この場合、圧力値を負荷として算出する場合のように負荷を絶対値として把握することはできないが、基準姿勢において椎間板に加わる負荷に対する相対値として、ある姿勢における椎間板に加わる負荷を把握することができる。なお、脊柱の曲率の変化量によって椎間板に加わる負荷を推定できる理由は後述する。
Further, the load calculated by the load estimating unit 25 can be expressed by the degree of spinal column deformation or intervertebral disc distortion in addition to the pressure value applied to the intervertebral disc. Such deformation and average strain can be obtained regardless of the physical properties and shape of the intervertebral disc. Therefore, if these are used for evaluation, the load applied to the intervertebral disc can be evaluated relatively easily. In particular, if the spinal column is not deformed very quickly, that is, if the load fluctuation is not so fast, it is simplest to evaluate the strain itself as a load.
For example, it is possible to calculate how much the curvature of the spine in a certain posture has changed with respect to the spine in the reference posture, that is, to calculate the amount of change in the curvature of the spine, and to evaluate the load using this amount of change in curvature. It is. In this case, it is not possible to grasp the load as an absolute value as in the case of calculating the pressure value as a load, but it is possible to grasp the load applied to the intervertebral disc in a certain posture as a relative value to the load applied to the intervertebral disc in the reference posture. it can. The reason why the load applied to the intervertebral disc can be estimated from the amount of change in the curvature of the spinal column will be described later.
データ記憶部２２は、撮影手段１０から送信される画像情報を記憶しておくものであり、変形解析部２１の要求に応じて所定のデータを変形解析部２１に対して供給できる機能も有している。 The data storage unit 22 stores image information transmitted from the photographing unit 10 and has a function of supplying predetermined data to the deformation analysis unit 21 in response to a request from the deformation analysis unit 21. ing.
基準脊柱モデル記憶部３０は、変形解析部２１や負荷推定部２５が解析を行う際に基準データとして使用する基準脊柱モデルの情報を記憶しておくものである。また、基準脊柱モデル記憶部３０は、要求に応じて基準脊柱モデルの情報を変形解析部２１や負荷推定部２５に対して供給できる機能も有している。
ここで、基準脊柱モデルとは、被験者の基準姿勢における脊柱の形状を再現したものである。つまり、基準脊柱モデルの情報は、被験者の基準姿勢おける各脊椎骨の相対的な位置の情報（位置情報）や各脊椎骨の大きさ、形状等を含んでいる。
The reference spine model storage unit 30 stores information on a reference spine model used as reference data when the deformation analysis unit 21 and the load estimation unit 25 perform analysis. The reference spine model storage unit 30 also has a function of supplying information on the reference spine model to the deformation analysis unit 21 and the load estimation unit 25 as required.
Here, the reference spine model is a reproduction of the shape of the spine in the reference posture of the subject. That is, the information of the reference spine model includes information on the relative position of each vertebra in the reference posture of the subject (position information), the size and shape of each vertebra, and the like.
なお、基準姿勢は特に限定されないが、負荷を推定する誤差を小さくでき負荷算出精度を高くする上では、椎間板への負荷が最も小さいと考えられる姿勢とすることが好ましい。とくに、椎間板に加わる負荷が全く無い基準姿勢（無負荷姿勢）で得られた位置情報に基づいて基準脊柱モデルが形成されることが理想的である。無負荷姿勢は、例えば、被験者を寝かせた状態とすれば得られると考える。 The reference posture is not particularly limited. However, in order to reduce the error in estimating the load and increase the load calculation accuracy, it is preferable that the posture is considered to have the smallest load on the intervertebral disc. In particular, it is ideal that the reference spine model is formed based on position information obtained in a reference posture (no load posture) in which no load is applied to the intervertebral disc. The no-load posture is considered to be obtained, for example, when the subject is in a laid state.
また、基準姿勢における脊柱の形状を把握することが困難である場合には、統計的なデータや医学的な知識をもとに理想的な姿勢をコンピュータ上で設定するというのが現実的である。 In addition, when it is difficult to grasp the shape of the spinal column in the standard posture, it is realistic to set an ideal posture on a computer based on statistical data and medical knowledge. .
そして、後述するように、ある姿勢における椎間板への負荷を、基準姿勢の負荷に対する割合で評価する場合、つまり、負荷を無次元化して評価する場合には、基準姿勢は任意の姿勢とすることができる。かかる相対的な評価は、負荷の絶対値の表現が難しいときに有効である。例えば、椎間板への負荷が比較的の小さいと考えられる立位を基準として、ある姿勢における負荷は、立位における負荷の何倍と評価することもできる。かかる相対的な評価に用いる基準姿勢を、以下では、標準姿勢として説明する。
（測定方法）
As will be described later, when evaluating the load on the intervertebral disc in a certain posture as a percentage of the load of the reference posture, that is, when evaluating the load in a non-dimensional manner, the reference posture should be an arbitrary posture. Can do. Such relative evaluation is effective when it is difficult to express the absolute value of the load. For example, on the basis of a standing position in which the load on the intervertebral disc is considered to be relatively small, the load in a certain posture can be evaluated as many times the load in the standing position. The reference posture used for such relative evaluation will be described below as a standard posture.
(Measuring method)
以上のごとき構成であるので、図１に示すような手順により、椎間板に加わる負荷を推定することができる。 Since the configuration is as described above, the load applied to the intervertebral disc can be estimated by the procedure shown in FIG.
まず、被験者の背中に複数のマーカーＭを貼り付ける。この複数のマーカーＭは、被験者の背中において、脊柱を構成する複数の脊椎骨と対応する位置にそれぞれ貼り付けられる（図２（Ｂ））。 First, a plurality of markers M are pasted on the subject's back. The plurality of markers M are pasted at positions corresponding to the plurality of vertebrae constituting the spinal column on the back of the subject (FIG. 2B).
複数のマーカーＭを貼り付けると、被験者に上述した標準姿勢をとらせる。
被験者が標準姿勢をとると、その状態で、撮影手段１０によって被験者の背中、つまり、被験者の背中に貼り付けられている複数のマーカーＭを撮影する。撮影された画像の情報は、撮影手段１０から解析手段２０のデータ記憶部２２に送信されて記録される。
When a plurality of markers M are pasted, the subject is made to take the standard posture described above.
When the subject takes the standard posture, the plurality of markers M attached to the subject's back, that is, the subject's back is photographed by the photographing means 10 in that state. Information on the photographed image is transmitted from the photographing means 10 to the data storage unit 22 of the analyzing means 20 and recorded.
標準姿勢での被験者の背中を撮影すると、被験者の姿勢を、標準姿勢から所定の姿勢（負荷測定姿勢）に変更させる。負荷測定姿勢とは、例えば、標準姿勢から上半身を前方に曲げた状態等を挙げることができるが、特に限定されない。 When the subject's back in the standard posture is photographed, the posture of the subject is changed from the standard posture to a predetermined posture (load measurement posture). Examples of the load measurement posture include, but are not limited to, a state in which the upper body is bent forward from a standard posture.
被験者が負荷測定姿勢をとると、その状態で、撮影手段１０によって被験者の背中に貼り付けられている複数のマーカーＭを撮影する。撮影された画像の情報は、標準姿勢の画像と同様に、撮影手段１０から解析手段２０のデータ記憶部２２に送信されて記録される。 When the subject takes the load measuring posture, the plurality of markers M attached to the subject's back is photographed by the photographing means 10 in that state. The information of the photographed image is transmitted from the photographing means 10 to the data storage unit 22 of the analyzing means 20 and recorded, similarly to the standard posture image.
なお、被験者が標準姿勢から負荷測定姿勢まで姿勢を変化させる状況を連続して撮影してもよい。この場合には、撮影された画像の情報は、撮影手段１０から解析手段２０のデータ記憶部２２に随時送信されるようになっていてもよいし、負荷測定姿勢になるまでの全ての画像を撮影してから、全ての画像の情報を解析手段２０のデータ記憶部２２に送信するようにしてもよい。 In addition, you may image | photograph continuously the condition where a test subject changes a posture from a standard posture to a load measurement posture. In this case, the information of the captured image may be transmitted from the imaging unit 10 to the data storage unit 22 of the analyzing unit 20 as needed, or all the images until the load measuring posture is obtained. Information on all images may be transmitted to the data storage unit 22 of the analysis unit 20 after shooting.
標準姿勢および負荷測定姿勢での撮影が終了すると、データ記憶部２２に記憶されている標準姿勢の画像および負荷測定姿勢の画像に基づいて、変形解析部２１によって脊柱の変形が算出される。
例えば、変形解析部２１は、各画像における撮影した個々についてマーカーＭの３次元位置情報（絶対座標上における座標値）を算出する。マーカーＭの３次元位置情報を算出する方法はとくに限定されず公知の方法を採用できる。例えば、マーカーＭの座標値を算出する場合には、画像情報から各マーカーＭの座標を算出する市販のソフトを、変形解析部２１における座標算出手段として使用することも可能である。座標算出を行う市販のソフトとしては、例えば、Motion Analysis社製のEva RT 5.0.4Post Processinや、Vicon Motion Systemsなどを採用することができる。
When imaging in the standard posture and the load measurement posture is completed, the deformation analysis unit 21 calculates the deformation of the spine based on the standard posture image and the load measurement posture image stored in the data storage unit 22.
For example, the deformation analysis unit 21 calculates the three-dimensional position information (coordinate values on the absolute coordinates) of the marker M for each photographed image in each image. The method for calculating the three-dimensional position information of the marker M is not particularly limited, and a known method can be adopted. For example, when calculating the coordinate value of the marker M, commercially available software that calculates the coordinate of each marker M from the image information can be used as the coordinate calculation means in the deformation analysis unit 21. As commercially available software for calculating coordinates, for example, Eva RT 5.0.4 Post Processin manufactured by Motion Analysis, Vicon Motion Systems, or the like can be employed.
マーカーＭの３次元位置情報が算出されると、この情報に基づいて標準姿勢時および負荷測定姿勢時における脊柱の形状が算出される。そして、各状態における脊柱の形状に基づいて、標準姿勢時に対する負荷測定姿勢時の変形が算出される。 When the three-dimensional position information of the marker M is calculated, the spine shape in the standard posture and the load measurement posture is calculated based on this information. Then, based on the shape of the spine in each state, the deformation at the load measurement posture with respect to the standard posture is calculated.
なお、撮影された画像の情報が撮影手段１０から解析手段２０のデータ記憶部２２に随時送信されるようになっている場合には、リアルタイムでマーカーＭの３次元位置情報および脊柱の形状の算出を行ってもよいし、全ての画像の情報がそろってからマーカーＭの３次元位置情報および脊柱の形状の算出を行ってもよい。 In addition, when the information of the imaged image is transmitted from the imaging unit 10 to the data storage unit 22 of the analysis unit 20 as needed, the three-dimensional position information of the marker M and the shape of the spine are calculated in real time. Alternatively, the three-dimensional position information of the marker M and the shape of the spine may be calculated after all the image information has been gathered.
また、撮影手段１０がマーカーＭの３次元座標を解析し、マーカーＭの３次元位置情報を解析手段２０に送信する機能を有している場合には、変形解析部２１は、マーカーＭの３次元位置情報（絶対座標上における座標値）を算出する機能を備えていなくてもよい。この場合、変形解析部２１は、マーカーＭの３次元位置情報に基づいて、各状態における脊柱の形状や、標準姿勢時に対する負荷測定姿勢時の変形だけに基づいて負荷測定姿勢時の変形を算出する機能を有していればよい。 In addition, when the imaging unit 10 has a function of analyzing the three-dimensional coordinates of the marker M and transmitting the three-dimensional position information of the marker M to the analyzing unit 20, the deformation analysis unit 21 sets 3 of the marker M. A function for calculating dimension position information (coordinate values on absolute coordinates) may not be provided. In this case, the deformation analysis unit 21 calculates the deformation at the load measurement posture based on only the shape of the spine in each state and the deformation at the load measurement posture with respect to the standard posture based on the three-dimensional position information of the marker M. What is necessary is just to have the function to do.
標準姿勢時の脊柱に対する負荷測定姿勢時の脊柱の変形が算出されると、この脊柱の変形に基づいて椎間板に加わる負荷を算出することができる。例えば、脊柱の変形から隣接する脊椎骨における椎体間の距離の変化量が求まるので、椎間板の変形量と椎間板の性質（弾性や減衰等）とに基づいて、負荷を算出することができるのである。
また、脊柱の変形として、標準姿勢時の脊柱の曲率と、負荷測定姿勢時の脊柱の曲率を算出し、これらに基づいて算出される脊柱の曲率の変化量から椎間板に加わる負荷を評価することもできる。脊柱の曲率は、例えば、曲率を求めたい部分の脊椎骨の形状にフィットする曲線（円や２次曲線等）を求めて、この曲線から曲率半径を推定して算出することが可能である。かかる曲率半径を推定する方法の具体例については、後述する。
When the deformation of the spinal column during the load measurement posture with respect to the spinal column in the standard posture is calculated, the load applied to the intervertebral disc can be calculated based on the deformation of the spinal column. For example, since the amount of change in the distance between vertebral bodies in adjacent vertebrae can be obtained from the deformation of the spinal column, the load can be calculated based on the amount of deformation of the intervertebral disc and the nature of the disc (elasticity, damping, etc.). .
Also, as the spine deformity, calculate the curvature of the spine in the standard posture and the curvature of the spine in the load measurement posture, and evaluate the load applied to the intervertebral disc from the amount of change in the curvature of the spine calculated based on these. You can also. The curvature of the spinal column can be calculated, for example, by obtaining a curve (circle, quadratic curve, etc.) that fits the shape of the vertebrae for which the curvature is to be obtained, and estimating the curvature radius from this curve. A specific example of a method for estimating the radius of curvature will be described later.
以上のごとく、本発明の方法では、マーカーＭの移動に代表される脊椎骨の動作に基づいて算出した脊柱の変形に基づいて椎間板に加わる負荷を算出しており、筋骨格モデルなどのように、筋肉の情報等のように不明確な情報を使用する必要がない。言い換えれば、全筋肉の動きの結果である脊柱の変形に基づいて椎間板に加わる負荷を算出しているので、椎間板に加わる負荷の推定精度を高くすることができる。
しかも、脊椎骨の動作は、体表面（背中）に貼り付けられたマーカーＭを撮影手段１０によって撮影した画像情報から算出しているので、負荷測定において外科的な処置が不要であり、被験者の負担を少なくすることができる。
つまり、本発明の椎間板負荷測定方法は、現存する方法により椎間板への負荷を測定する場合に問題となる、被験者の安全性・利便性と、測定の精度を両立させることができるのである。
As described above, in the method of the present invention, the load applied to the intervertebral disc is calculated based on the deformation of the vertebrae calculated based on the motion of the vertebrae represented by the movement of the marker M. There is no need to use unclear information such as muscle information. In other words, since the load applied to the intervertebral disc is calculated based on the deformation of the spine as a result of the movement of all the muscles, the estimation accuracy of the load applied to the intervertebral disc can be increased.
Moreover, since the motion of the vertebra is calculated from image information obtained by photographing the marker M attached to the body surface (back) by the photographing means 10, no surgical treatment is required in the load measurement, and the burden on the subject is reduced. Can be reduced.
That is, the intervertebral disc load measuring method of the present invention can achieve both the safety and convenience of the subject and the measurement accuracy, which are problems when measuring the load on the intervertebral disc by the existing method.
（脊柱の変形の算出）
つぎに、解析手段２０の変形解析部２１において、脊柱の変形を算出する方法を説明する。
(Calculation of spinal deformity)
Next, a method for calculating the deformation of the spinal column in the deformation analysis unit 21 of the analysis means 20 will be described.
（梁モデルに基づく方法）
梁モデルに基づく方法では、脊柱を曲がりはりと仮定して、標準姿勢における状態からの変形を算出する。この梁モデルでは、脊柱の曲率の変化量によって椎間板に加わる負荷を推定することができる。
(Method based on beam model)
In the method based on the beam model, assuming that the spinal column is a bending beam, the deformation from the state in the standard posture is calculated. In this beam model, the load applied to the intervertebral disc can be estimated based on the amount of change in the curvature of the spinal column.
まず、梁モデルに基づく方法によって、脊柱の変形を算出する手順を説明する前に、脊柱の曲率の変化量によって椎間板に加わる負荷を推定できる理由を説明する。 First, the reason why the load applied to the intervertebral disc can be estimated based on the amount of change in the curvature of the spine before explaining the procedure for calculating the deformation of the spinal column by the method based on the beam model.
脊柱の曲率の変化量によって椎間板に加わる負荷を推定できるのは、両者の関係が、脊柱を梁と考えた場合における曲げ変形（曲率と関連）と曲げモーメントが１対１の関係にあることから想定できる。つまり、一様な曲げ変形をしている梁において，曲率半径をρとすれば梁の曲げのたわみｙを長さ方向の位置ｘで２回微分した値は，ほぼ１／ρとなる。よって、梁に発生している曲げモーメントをＭ，梁の断面２次モーメントをＩ，Ｅをヤング率とすると、以下の数１の関係が成立する。
よって、脊柱の曲率の変化量によって椎間板に加わる負荷を推定は可能である。
なお、曲げ以外に梁の軸方向の引っ張り圧縮が加わる場合であって、その引っ張り圧縮が計測できる場合には、その効果も加えて脊柱の曲率の変化量を算出すれば、椎間板に加わる負荷を推定は可能である。
The load applied to the intervertebral disc can be estimated by the amount of change in the curvature of the spinal column because the relationship between the two is a one-to-one relationship between bending deformation (related to the curvature) and bending moment when the spinal column is considered as a beam. Can be assumed. That is, in a beam that is uniformly bent, if the radius of curvature is ρ, the value obtained by differentiating the bending deflection y of the beam twice at the position x in the length direction is approximately 1 / ρ. Therefore, when the bending moment generated in the beam is M, the cross-sectional secondary moment of the beam is I, and E is Young's modulus, the following relationship of Formula 1 is established.
Therefore, it is possible to estimate the load applied to the intervertebral disc by the amount of change in the curvature of the spinal column.
In addition to bending, when the axial compression of the beam is applied, and the tensile compression can be measured, the amount of load applied to the intervertebral disc can be calculated by calculating the amount of change in the curvature of the spinal column with the effect added. Estimation is possible.
つぎに、梁モデルに基づく方法によって、脊柱の変形を算出する手順を以下に説明する。 Next, a procedure for calculating spinal deformity by a method based on a beam model will be described below.
まず、撮影手段１０によって撮影された負荷測定姿勢の画像情報に基づいて、脊椎骨の位置に相当する各マーカーＭの３次元位置情報（座標点）を算出する。
各マーカーＭの座標点が算出されれば、この座標データを基に、最小２乗法を用いて関数の式を求める。つまり、脊柱の形状を関数として求めるのである。
First, based on the image information of the load measurement posture photographed by the photographing means 10, the three-dimensional position information (coordinate points) of each marker M corresponding to the position of the vertebra is calculated.
If the coordinate point of each marker M is calculated, a function equation is obtained using the least square method based on the coordinate data. In other words, the shape of the spinal column is obtained as a function.
例えば、腰椎は第３腰椎と第４腰椎の部分が腹側に凹んだ形状であるので、腰椎部分の椎間板の負荷を求めるのであれば、腰椎部分の形状を、第３腰椎と第４腰椎の間に頂点を有する２次曲線であると仮定することができる。つまり、腰椎部分の形状を曲線によって近似させることができる。
このため、各姿勢における各マーカーＭの座標点に基づいて、最小２乗法を用いて２次関数の式を求めれば、各姿勢（標準姿勢や負荷測定姿勢）での腰椎部分の形状を曲線近似により求めることができるから、標準姿勢に対する負荷測定姿勢時の腰椎部分の形状を求めることができる。
For example, since the lumbar vertebra has a shape in which the portions of the third lumbar vertebra and the fourth lumbar vertebra are recessed on the ventral side, if the load on the intervertebral disc of the lumbar vertebra is to be obtained, the shape of the lumbar vertebra is changed to the shape of the third lumbar vertebra It can be assumed that it is a quadratic curve with vertices in between. That is, the shape of the lumbar portion can be approximated by a curve.
For this reason, if a quadratic function expression is obtained using the least square method based on the coordinate points of each marker M in each posture, the shape of the lumbar portion in each posture (standard posture and load measurement posture) is approximated by a curve. Therefore, the shape of the lumbar portion at the time of the load measurement posture with respect to the standard posture can be obtained.
そして、変形解析部２１において各姿勢での脊柱の形状が求められれば、負荷推定部２５において、標準姿勢における脊柱各部の曲率（標準曲率）からの負荷測定姿勢における脊柱各部の曲率（負荷時曲率）の変化量を求めることができる。すると、標準曲率に対する負荷時曲率の変化量は、脊椎骨間の隙間の変化に起因するので、隙間の変化量が得られる。変化量が得られれば、この変化量を用いて椎間板に対する負荷の変化を推定することができるのである。なお、上記隙間の変化量は、負荷時曲率を標準曲率で除せば，変化量を無次元化した値として表すことができる． When the deformation analysis unit 21 determines the shape of the spinal column in each posture, the load estimation unit 25 calculates the curvature of each spine in the load measurement posture from the curvature of each spine in the standard posture (standard curvature). ) Can be obtained. Then, since the variation | change_quantity of the curvature at the time of load with respect to a standard curvature originates in the change of the clearance gap between vertebrae, the variation | change_quantity of a clearance gap is obtained. If the amount of change is obtained, the change in load on the intervertebral disc can be estimated using this amount of change. The amount of change in the gap can be expressed as a non-dimensional value of the amount of change by dividing the curvature at load by the standard curvature.
しかも、脊柱の形状を曲線で近似しており、しかも、この曲線の関数を最小２乗法を用いて求めているので、個々の脊椎骨における位置の測定の精度が低くても、基準曲率に対する負荷時曲率の変化量をある程度の高い精度で推定することができる。 In addition, the shape of the spinal column is approximated by a curve, and the function of this curve is obtained using the method of least squares. Therefore, even when the accuracy of position measurement in each vertebra is low, the load on the reference curvature is low. The amount of change in curvature can be estimated with a certain degree of accuracy.
なお、上記のごとき方法によって得られる標準曲率および負荷時曲率と、上述した基準姿勢（無負荷姿勢）の基準脊柱モデルとを用いれば、脊椎骨間の隙間の変化も把握することができる。よって、基準脊柱モデルにおける椎間板に対する負荷から、負荷測定姿勢における椎間板に対する負荷を直接推定することも可能である。 It should be noted that the change in the gap between the vertebrae can be grasped by using the standard curvature and the on-curvature curvature obtained by the method as described above and the reference spine model of the reference posture (no-load posture) described above. Therefore, it is also possible to directly estimate the load on the intervertebral disc in the load measurement posture from the load on the intervertebral disc in the reference spinal model.
また、上記例では腰椎の形状を推定する場合を説明したが、上記方法は腰椎の部分に限らず、脊柱の他の部分についても適用することができる。
また、腰椎部分の形状や脊柱の他の部分の形状を近似する関数は２次関数に限られず、円弧でもよいし、より多くのマーカーＭの座標点（例えば、６個以上）を用いる場合には、次数を増加させた関数によって形状を表してもよい。
In the above example, the case of estimating the shape of the lumbar vertebra has been described. However, the above method is not limited to the lumbar portion, but can be applied to other portions of the spinal column.
Further, the function for approximating the shape of the lumbar vertebra part and the shape of the other part of the vertebral column is not limited to the quadratic function, but may be an arc or when more coordinate points (for example, six or more) of the markers M are used. May represent the shape by a function with an increased order.
（脊柱の曲率変化を算出する具体的方法の説明）
つぎに、各マーカーＭの座標点に基づいて、曲線近似により脊柱の曲率を算出し、その曲率変化を求める具体的方法を説明する。
以下では、選択した脊椎骨に円をフィットさせて曲率半径を推定する方法（円弧フィット）と、２次曲線などによってカーブフィットする方法を採用することができる。
(Description of a specific method for calculating the curvature change of the spinal column)
Next, a specific method for calculating the curvature of the spinal column by curve approximation based on the coordinate point of each marker M and calculating the curvature change will be described.
In the following, a method of estimating a curvature radius by fitting a circle to a selected vertebra (arc fitting) and a method of curve fitting using a quadratic curve or the like can be employed.
（円弧フィット）
まず、円弧フィットにより脊柱の曲率を算出する方法を説明する。
(Arc fit)
First, a method for calculating the curvature of the spinal column by arc fitting will be described.
図７において、符号ｒは、脊椎に（図１では腰椎部分）の形状にフィットする円弧の曲率半径を示している。
また、符号θは、解析に採用する複数のマーカーＭ（図７では５個）のうち、もっとも距離の離れたマーカーＭ間（以下、両端のマーカーＭ間）の部分を円弧とする扇形の中心角を示している。
In FIG. 7, the symbol r indicates the radius of curvature of an arc that fits the shape of the spine (the lumbar portion in FIG. 1).
Further, the symbol θ is a sector-shaped center in which a portion between the markers M that are the farthest away (hereinafter, between the markers M at both ends) among the plurality of markers M (five in FIG. 7) employed in the analysis is an arc. Shows corners.
（θの算出）
まず、撮影された画像に基づいて計測された、両端のマーカーＭ間の距離をｍとする。すると、以下の関係が成り立つので、中心角θを算出することができる。
First, let m be the distance between the markers M at both ends, measured based on the captured image. Then, since the following relationship is established, the central angle θ can be calculated.
（曲率半径ｒの推定）
つぎに、撮影された画像から得られるマーカーＭの座標に基づいて、曲率半径ｒを算出することができる。
具体的には、撮影手段１０が撮影した画像を解析して得られるマーカーＭの位置データから、その姿勢における曲率半径ｒを、最小２乗法を用いて次式のような円弧の式(3)により求めることができる。
Next, the radius of curvature r can be calculated based on the coordinates of the marker M obtained from the captured image.
Specifically, from the position data of the marker M obtained by analyzing the image photographed by the photographing means 10, the curvature radius r in the posture is expressed by the following arc equation (3) using the least square method: It can ask for.
なお、マーカーＭが３〜５個あれば曲率半径ｒは算出できる。しかし、最小２乗法によって曲率半径ｒを算出する際、より多くのマーカーＭの情報を用いれば、算出される曲率半径ｒの誤差を平均化することができる。
一方、曲率半径ｒの算出に使用するマーカーＭの数が少なければ、算出される曲率半径ｒの誤差は大きくなるが、局所的な曲率半径ｒの値を得ることができる。
If the number of markers M is 3 to 5, the radius of curvature r can be calculated. However, when calculating the radius of curvature r by the least square method, the error of the calculated radius of curvature r can be averaged if more information on the marker M is used.
On the other hand, if the number of markers M used for calculating the curvature radius r is small, the error of the calculated curvature radius r increases, but the value of the local curvature radius r can be obtained.
（隙間算出）
中心角θと曲率半径ｒがわかれば、以下のような方法で、椎間板の位置におけるマーカーＭが取り付けられている椎骨間の距離を求めることができる。
なお、以下において、円弧とは、椎間板の位置を通る円弧、つまり、椎間板の中心を通る円（図７ではＣ１が相当する）の一部を意味している。つまり、円Ｃ１において、もっとも距離の離れたマーカーＭが取り付けられている椎骨間に位置する円弧を意味しており、符号ｌはその円弧の長さを示している。（図７参照）。
(Gap calculation)
If the central angle θ and the radius of curvature r are known, the distance between the vertebrae to which the marker M is attached at the position of the intervertebral disc can be obtained by the following method.
In the following, the arc means a part of an arc passing through the position of the intervertebral disc, that is, a circle passing through the center of the intervertebral disc (C1 corresponds to FIG. 7). That is, in the circle C1, it means an arc located between the vertebrae to which the most distant markers M are attached, and the symbol l indicates the length of the arc. (See FIG. 7).
円弧の長さｌは、円弧が外に凹の場合（図７の状態）では以下の式(4)により、また、円弧が外に凸の場合には以下の式(5)によりで表すことができる。
なお、上記式において、ｄは各マーカーＭ中心から椎骨ジョイント部までの距離、ｅは椎骨ジョイント部から椎間板の位置までの距離である（図７参照）。距離ｄ、距離ｅとも、事前に把握できる値であるから、距離ｄ，ｅがわかれば、円弧の長さｌは簡単に計算することができる。例えば、距離ｄ、距離ｅは、レントゲン撮影により求めてもよいし、統計的な数値を使用してもよく、とくに限定されない。 In the above formula, d is the distance from the center of each marker M to the vertebra joint, and e is the distance from the vertebra joint to the position of the intervertebral disc (see FIG. 7). Since both the distance d and the distance e are values that can be grasped in advance, the arc length l can be easily calculated if the distances d and e are known. For example, the distance d and the distance e may be obtained by X-ray photography, or statistical numerical values may be used, and are not particularly limited.
ここで、椎間板に負荷がかかっていない無負荷の状態（つまり基準姿勢）での円弧の長さｌをｌ０とし、測定した状態（つまり負荷測定姿勢）での円弧の長さｌとする。すると、両者の差Δｌ（式(6)）は全ての隙間の変化量が合算されたものになる。つまり、差Δｌは、基準姿勢から負荷測定姿勢に姿勢が変化したときにおける腰椎系全体としての隙間変化量を表しているから、姿勢が変化したときにおける平均均な隙間変化に比例した量、言い換えれば、全隙間の変化量の平均に比例した量であると考えられる。
そして、差Δｌ（隙間の変化）が把握されると、椎間板に加わる負荷ｐを差Δｌの関数として評価することは可能である。 When the difference Δl (gap change) is grasped, the load p applied to the intervertebral disc can be evaluated as a function of the difference Δl.
例えば、椎間板の負荷が隙間変化に線形であると仮定すれば、負荷ｐは椎間板のばね定数を乗じたもので表現できるから、以下の式で求めることができる。なお、符号ｋは、差Δｌに対する個々の被験者における椎間板のばね定数と等価なばね定数である。
ここで、直立の立位等の標準姿勢における負荷や差Δｌを添え字ｓをつけて表現する。かかる標準姿勢は静止状態であるので、ばね定数ｋのみを用いて、静止状態の負荷は以下の式(8)で表すことができる。
そして、標準姿勢から負荷測定姿勢に姿勢を変更したときにおける負荷ｐは、静止状態の負荷ｐｓによって正規化すると以下の式(9)で表現することができる。なお、ρは、正規化された負荷である。
（ジョイント部の長さ変化）
また、標準姿勢から負荷測定姿勢に姿勢を変更した際に、脊椎骨におけるジョイント部が弾性変形すれば，腰椎系が全体的に圧縮され脊椎骨間の隙間も狭くなるので、ジョイント部が弾性変形したことによる負荷も椎間板に加わる。つまり、脊椎骨におけるジョイント部が弾性変形した場合には、脊柱の曲率変化に起因して椎間板に加わる負荷に加えて、ジョイント部が弾性変形したことに起因して椎間板に加わる負荷も求めなければならない。よって、椎間板に加わる負荷ｐを正確に算出するには、姿勢変更の際に、ジョイント部が変形するか否かを把握する必要がある。
このジョイント部の変形は、以下の方法により確認することができる。
(Joint length change)
In addition, when the posture is changed from the standard posture to the load measurement posture, if the joint part in the vertebra elastically deforms, the lumbar vertebra system is compressed as a whole and the gap between the vertebrae is narrowed. The load due to is also applied to the intervertebral disc. That is, when the joint part in the vertebra is elastically deformed, in addition to the load applied to the intervertebral disk due to the change in the curvature of the spinal column, the load applied to the intervertebral disk resulting from the elastic deformation of the joint part must be obtained. . Therefore, in order to accurately calculate the load p applied to the intervertebral disc, it is necessary to grasp whether or not the joint portion is deformed when the posture is changed.
The deformation of the joint portion can be confirmed by the following method.
まず、図７に示すように、ジョイント部の長さをＬとすると、円弧が外に凹の場合には、ジョイント部の長さＬは以下の式(10)により、また、円弧が外に凸の場合には、ジョイント部の長さＬは以下の式(11)であらわすことができる。
このジョイント部の長さＬの値を調べれば、ジョイント部の変形の様子を把握することができ、ジョイント部の変形をも考慮した負荷ｐを算出できるので、負荷ｐの算出精度を高くすることも可能である。 By examining the value of the length L of the joint part, it is possible to grasp the state of deformation of the joint part and calculate the load p taking into account the deformation of the joint part. Is also possible.
（ジョイント部の変形を無視できる場合）
姿勢を変更した場合において、各姿勢におけるジョイント部の長さＬｉは式(12)で表現することができる。なお、ｒｉおよびθｉは、各姿勢での曲率半径および中心角を示している。
When the posture is changed, the length L i of the joint portion in each posture can be expressed by Expression (12). Note that r i and θ i indicate the radius of curvature and the center angle in each posture.
ここで、ある異なる２つの姿勢におけるジョイント部の長さＬ１，Ｌ２が、Ｌ１＝Ｌ２であれば、以下の式(13)〜(15)が成立する。
そして、あらゆる異なる２つの姿勢の組み合わせからｄを計算しても、ｄの値にあまり変化がないのであれば、マーカーＭからｄだけはなれた位置におけるジョイント部の長さＬは、姿勢が変化してもその長さはほとんど変化しないことになる。つまり、姿勢が変化した場合におけるジョイント部の長さＬの変化を無視することができる。 Then, even if d is calculated from any combination of two different postures, if the value of d does not change much, the length L of the joint portion at a position that is only d away from the marker M changes the posture. But the length will hardly change. That is, the change in the length L of the joint portion when the posture changes can be ignored.
ジョイント部の長さＬの変化を無視することができるのであれば、円弧が外に凹の場合（図７の状態）では以下の式(16)により、また、円弧が外に凸の場合には以下の式(17)によりで表すことができる。
すると、この式(16)や式（17）によって得られる中心角θの値を式(4)に代入すれば、円弧の長さｌを計算でき、円弧の長さｌから差Δｌや負荷ｐが算出できる。つまり、マーカーＭ間の距離ｍを計測しなくてもよくなるから、測定が容易なるし、円弧の長さｌ等の算出精度を高くすることができる。 Then, by substituting the value of the central angle θ obtained by the equations (16) and (17) into the equation (4), the arc length l can be calculated, and the difference Δl and the load p can be calculated from the arc length l. Can be calculated. That is, since it is not necessary to measure the distance m between the markers M, the measurement is facilitated and the calculation accuracy of the arc length l and the like can be increased.
なお、上述したようなジョイント部の長さＬの変化を無視することができる状態としては、例えば、被験者が重量を持たない場合をあげることができる。かかる場合であれば、ジョイント部が十分剛でなく弾性変形する場合でも，弾性変形の影響は小さいと考えられるので、弾性変形を無視することができる。 In addition, as a state which can disregard the change of the length L of a joint part as mentioned above, the case where a test subject does not have a weight can be mention | raise | lifted, for example. In such a case, even when the joint portion is not sufficiently rigid and elastically deforms, it is considered that the influence of the elastic deformation is small, so that the elastic deformation can be ignored.
（速度の影響）
また、負荷ｐが、椎骨間の隙間だけでなく、椎骨間の隙間が変化する速度の影響を受ける場合には、以下の式（18）で負荷ｐを表現することができる。ただし、ｃは、個々の被験者における椎間板の減衰定数と等価な減衰定数であり、αはｃ／ｋである。
Further, when the load p is affected by not only the gap between vertebrae but also the speed at which the gap between vertebrae changes, the load p can be expressed by the following equation (18). However, c is an attenuation constant equivalent to the attenuation constant of the intervertebral disc in each subject, and α is c / k.
また、隙間変化の速度は、外に凹の場合であれば、上記式(4)を時間で微分した以下の式（19）から計算できる。
そして、標準姿勢から負荷測定姿勢に姿勢を変更したときにおける負荷ｐは、速度の影響がある場合でも、静止状態の負荷ｐｓによって正規化すると以下の式(20)で表現することができる。なお、ρは、正規化された負荷である。
なお、負荷ｐが椎骨間の隙間だけでなく椎骨間の隙間が変化する速度の影響を受ける場合には、曲率半径ｒや曲率半径が変化する速度が必要となるが、これらの値は各姿勢における計測から推定して得られる。
一方、α、つまり、ばね定数や減衰係数は、被験者ごとに求めることができれば好ましいが、被験者の値を計測することが困難であれば、公表されたデータを用いるなど、別途定数を準備すればよい。
When the load p is affected by the speed at which not only the gap between vertebrae but also the gap between vertebrae changes, the radius of curvature r and the speed at which the radius of curvature changes are necessary. Obtained by estimation from
On the other hand, α, that is, the spring constant or the damping coefficient is preferable if it can be obtained for each subject, but if it is difficult to measure the value of the subject, it is preferable to prepare a separate constant such as using published data. Good.
（２次関数あるいは３次関数によるフィット）
上述した例では、腰椎部分の形状を円弧でフィットする場合について示したが、以下では、２次関数あるいは３次関数でフィットさせる場合を説明する。
円弧の場合には、静止座標系でカーブフィットすればよいが、２次関数あるいは３次関数の場合には、図３に示すように局所座標系への座標変換が必要である。
(Fit with a quadratic or cubic function)
In the above-described example, the case where the shape of the lumbar vertebra part is fitted with an arc has been described.
In the case of an arc, curve fitting may be performed in a stationary coordinate system, but in the case of a quadratic function or a cubic function, coordinate conversion to a local coordinate system is required as shown in FIG.
具体的には、両端のマーカーＭの座標を結ぶ直線を水平座標Ｙとし、両端のマーカーＭのいずれか一方の点を原点とする局所座標系（Ｘ−Ｙ座標系）へ座標変換したのち、カーブフィットを行う。 Specifically, after a straight line connecting the coordinates of the markers M at both ends is set as the horizontal coordinate Y, and coordinate conversion is performed into a local coordinate system (XY coordinate system) having either one of the markers M at both ends as the origin, Perform curve fitting.
局所座標系における２次関数あるいは３次関数を以下の式(21)であらわすことができ、得られた関数の２階微分（式(22)）から円弧の場合と同様の手順で負荷を推定することができる。
微小変形理論を用いた梁の曲げ変形に関する理論でも示されているように、曲率半径ｒと上記２階微分との間には、近似的に以下の式(23)関係があることが知られている。
したがって、得られた２階微分より曲率半径ｒを求めれば、円弧フィットの場合と同様の手順で正規化した負荷ρが推定できる。 Accordingly, if the curvature radius r is obtained from the obtained second-order derivative, the normalized load ρ can be estimated by the same procedure as in the case of arc fitting.
なお、腰椎部分の形状や脊柱の他の部分の形状を近似する関数として、上記例では２次関数を用いたが、３次関数を用いてもよい。２次関数を用いた場合には、２階微分係数が定数になるので円弧の場合と同様、系全体の平均的な負荷が得られる。一方、３次関数を用いた場合には、微分係数が定数にならないので、負荷が場所の関数として得られるという利点がある。 In the above example, a quadratic function is used as a function that approximates the shape of the lumbar vertebra part and the shape of the other part of the spinal column. However, a cubic function may be used. When a quadratic function is used, since the second order differential coefficient becomes a constant, an average load of the entire system can be obtained as in the case of the arc. On the other hand, when a cubic function is used, since the differential coefficient does not become a constant, there is an advantage that the load can be obtained as a function of location.
（マーカーＭの取付方法の他の例）
また、各脊椎骨にマーカーＭを一つだけ設け、各マーカーＭの移動によって脊椎骨の移動を代表させてもよいが（図２（Ｂ）参照）、脊椎骨を剛体と見なせば、以下の方法を採用することによって脊椎骨の３次元的な移動を正確に把握することができる。
(Another example of how to attach the marker M)
Further, only one marker M may be provided for each vertebra, and the movement of the vertebra may be represented by the movement of each marker M (see FIG. 2B). However, if the vertebra is regarded as a rigid body, the following method is used. By adopting it, it is possible to accurately grasp the three-dimensional movement of the vertebra.
剛体は、その一部の変位が把握できれば残りの部分の動きを決定することができ、その動きは、１点の変位（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向）と回転（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸周りの回転）がわかれば決定することができる。そして、１つの剛体について任意の３点の変位がわかれば，任意の１点の変位および回転の６自由度の値を他の３点の変位から求めることができる。しかも、剛体はその３点の３次元座標を与えれば，あとのすべての部分の座標は決定することができる。
よって、各脊椎骨についてそれぞれマーカーを３点設ければ、画像情報に基づいて各脊椎骨の３次元的な動きを推定することも可能である。
If the displacement of a part of the rigid body can be grasped, the movement of the remaining part can be determined, and the movement is determined by one point of displacement (x-axis, y-axis, and z-axis directions) and rotation (x-axis, It can be determined if the rotation about each of the y-axis and z-axis) is known. If the displacement at any three points for one rigid body is known, the displacement at any one point and the six degrees of freedom of rotation can be obtained from the displacement at the other three points. Moreover, if the rigid body gives the three-dimensional coordinates of the three points, the coordinates of all the subsequent parts can be determined.
Therefore, if three markers are provided for each vertebra, the three-dimensional movement of each vertebra can be estimated based on the image information.
（傾斜計と距離計を用いる場合）
また、上述した方法では、マーカーＭを背中に取り付け、このマーカーＭを撮影することによって脊柱の変形を算出した。
しかし、マーカーＭを使用せず、人体に取り付けられる傾斜計と、この傾斜計の間の距離を計測する距離計の組み合わせても、脊柱の変形を把握することができる。
(When using an inclinometer and a distance meter)
Further, in the above-described method, the deformation of the spinal column is calculated by attaching the marker M to the back and photographing the marker M.
However, the deformation of the spinal column can also be grasped by combining an inclinometer attached to a human body without using the marker M and a distance meter that measures the distance between the inclinometer.
この方法を用いた場合には、上述したようなマーカーＭおよび撮影手段を用いる場合に比べて、ウエアラブルなセンサシステムとすることができる。つまり、人が傾斜計と距離計を備えた装置を身につけるだけで簡単に脊柱の変形を測定することが可能となる。すると、脊柱の変形を測定できる場所や条件の制約が少なくなるので、好適である。
例えば、装置が、人体と密着させることができるような部材（例えば、衣類（例えば、体にフィットするような衣類等）や、椅子の背もたれ等）を備えていれば、かかる部材に傾斜計を設けておけば、簡単に脊柱の変形を測定することが可能となるのである。
When this method is used, a wearable sensor system can be obtained as compared with the case where the marker M and the photographing means as described above are used. That is, it is possible to easily measure spinal deformity simply by wearing a device equipped with an inclinometer and a distance meter. Then, since the restrictions of the place and conditions which can measure the deformation | transformation of a spinal column decrease, it is suitable.
For example, if the apparatus includes a member that can be brought into close contact with the human body (for example, clothing (for example, clothing that fits the body) or the back of a chair), an inclinometer is provided on the member. If it is provided, it becomes possible to easily measure spinal deformation.
以下では、傾斜計と距離計の組み合わせにより脊柱の変形を測定する構成について説明する。 Below, the structure which measures the deformation | transformation of a spinal column by the combination of an inclinometer and a distance meter is demonstrated.
図８に示すように、２つの傾斜計３１を、人体の脊柱に沿った方向で離間した位置に取り付ける。このとき、２つの傾斜計３１は、体を伸ばした状態から、体を前後に曲げたときに、体を伸ばした状態の軸方向（例えば、直立姿勢であれば鉛直方向）に対する傾斜計３１の傾斜を検出できるように配置する。
図示しないが、距離計は、２つの傾斜計３１間の距離ｍが測定できるように配置する。
なお、傾斜計や距離計には、市販されているものを使用することができ、例えば、傾斜計であれば、ウアエラブルな姿勢センサであってジャイロセンサと加速度計と地磁気センサ（それぞれ３軸）を組み合わせたものなどを使用することが可能である。
また、距離計には、接触型であれば、差動トランスを用いた変位計，非接触型であれば、レーザ変位計や超音波変位計などを使用することが可能である。
As shown in FIG. 8, two inclinometers 31 are attached at positions separated in a direction along the spinal column of the human body. At this time, the two inclinometers 31 are configured so that when the body is bent back and forth from the stretched state, the inclinometer 31 with respect to the axial direction of the stretched body (for example, the vertical direction in an upright posture). Arrange so that the tilt can be detected.
Although not shown, the distance meter is arranged so that the distance m between the two inclinometers 31 can be measured.
A commercially available inclinometer or distance meter can be used. For example, in the case of an inclinometer, it is a wearable posture sensor that includes a gyro sensor, an accelerometer, and a geomagnetic sensor (each with three axes). It is possible to use a combination of these.
As the distance meter, a displacement meter using a differential transformer can be used if it is a contact type, and a laser displacement meter or an ultrasonic displacement meter can be used if it is a non-contact type.
上記のごとく２つの傾斜計３１を配置した状態において、上述した軸方向に対する２つの傾斜計３１の鉛直方向あるいは水平方向からの傾きをφ１、φ２とする（図８（Ｂ））。
すると、図８のように、脊柱が外に凸となっている状態では、θは、φ１、φ２を用いて、以下の式(24)、(25)で表すことできる。
Then, as shown in FIG. 8, in a state where the spine is convex outward, θ can be expressed by the following equations (24) and (25) using φ 1 and φ 2 .
したがって、上記式から、以下の式(26)、(27)の関係が成立する。
つまり、２つの傾斜計３１の軸方向からの傾きφ１、φ２と、２つの傾斜計３１間の距離ｍとが測定できれば、脊柱にフィットする円弧の曲率半径ｒと中心角θを得ることができる。
そして、脊柱にフィットする円弧の曲率半径ｒと中心角θが得られれば、円弧フィットの場合と同様の方法により、椎間板の変形および負荷を求めることができる。
That is, if the inclinations φ 1 and φ 2 from the axial direction of the two inclinometers 31 and the distance m between the two inclinometers 31 can be measured, the radius of curvature r and the central angle θ of the arc that fits the spinal column can be obtained. Can do.
If the radius of curvature r and the central angle θ of the arc that fits the spinal column are obtained, the deformation and load of the intervertebral disc can be obtained by the same method as in the arc fitting.
（その他）
なお、上述した梁モデルに基づく方法を採用する場合には、標準姿勢における状態からの変形を算出するので、試験開始時に標準姿勢での撮影を行う場合には、基準脊柱モデルは必ずしも必要ないので、基準脊柱モデル記憶部３０は設けなくてもよい。
(Other)
In addition, when adopting the method based on the beam model described above, the deformation from the state in the standard posture is calculated, so the reference spine model is not necessarily required when photographing in the standard posture at the start of the test. The reference spine model storage unit 30 may not be provided.
（剛体マルチボディシステムに基づく方法）
また、マーカーＭの３次元位置情報を入力として、数値解析によって脊柱の変形を算出してもよい。この場合、脊椎骨と椎間板とを有する脊柱モデルを作成して、この脊柱モデルの変形を、脊柱の変形として算出する。例えば、剛体の脊椎骨がピン結合され、かつ隣接する脊椎骨間に柔軟性を有する椎間板が配置された脊柱モデルを作成する。この脊柱モデルに対する強制変位入力として各マーカーＭの３次元位置情報を使用すれば、数値シミュレーションによって測定された各姿勢における脊柱モデルの変形を求めることができる。そして、数値シミュレーションによる解析では、各脊椎骨の位置を個別に算出することができるので、各脊椎骨間の隙間を個別に算出することができる。
(Method based on rigid multibody system)
Alternatively, the deformation of the spinal column may be calculated by numerical analysis using the three-dimensional position information of the marker M as an input. In this case, a spine model having a vertebra and an intervertebral disc is created, and the deformation of the spine model is calculated as the deformation of the spine. For example, a spinal column model is created in which rigid vertebrae are pin-coupled and a flexible intervertebral disc is disposed between adjacent vertebrae. If the three-dimensional position information of each marker M is used as a forced displacement input for this spinal column model, the deformation of the spinal model in each posture measured by numerical simulation can be obtained. In the analysis by numerical simulation, the position of each vertebra can be calculated individually, so that the gap between each vertebra can be calculated individually.
すると、基準姿勢（無負荷時）における各脊椎骨間の隙間等の情報（基準脊柱モデルにおける各脊椎骨間の隙間等の情報）と、算出された各姿勢に各脊椎骨間の隙間等を用いれば、各姿勢における脊椎骨間の隙間が、基準姿勢における各脊椎骨間の隙間からどれだけ、また、どのように変化したかについて算出することができる。 Then, if information such as the gap between each vertebra in the reference posture (no load) (information such as the gap between each vertebra in the reference spine model) and the gap between each vertebra in the calculated posture, It is possible to calculate how much and how the gap between the vertebrae in each posture has changed from the gap between the vertebrae in the reference posture.
そして、基準姿勢に対する各姿勢における各脊椎骨間の隙間等の変形と椎間板の物性などから、有限要素法などを用いて、各脊椎骨間に位置する椎間板について、個別に歪，歪速度を推定することも可能であるし、各脊椎骨間に位置する椎間板に加わる応力や反力を絶対値として求めることも可能である。 Then, using the finite element method, etc., estimate the strain and strain rate of the intervertebral disc located between each vertebra using the finite element method, etc. It is also possible to obtain the absolute value of the stress or reaction force applied to the intervertebral disc located between the vertebrae.
また，基準姿勢における位置から脊椎骨同士がどの程度相対的に回転したかを算出できるので、椎間板にねじりが加わった場合でも、椎間板に加わる負荷として、ねじれモーメントを絶対値として求めることも可能である。 In addition, since the relative rotation of the vertebrae can be calculated from the position in the reference posture, it is possible to obtain the torsional moment as an absolute value as a load applied to the intervertebral disc even when the intervertebral disc is twisted. .
本発明の椎間板負荷測定方法によって、被験者（３名）の椎間板負荷を推定し、その結果を、椎間板内圧を直接測定したNachemsonの実験結果と比較した。 The disc load measurement method of the present invention was used to estimate the disc load of three subjects, and the results were compared with the results of Nachemson's experiment in which the disc internal pressure was directly measured.
本実施例では、Nachemsonの実験と同様の姿勢を再現して、各姿勢において、被験者の背中に貼り付けたマーカーの位置座標を計測した（図４（Ａ））。そして、得られた計測結果を用いて、基準姿勢（図４（Ｂ）（ａ）の姿勢）に対する各姿勢における腰椎の曲率の変化量比を算出した。 In this example, postures similar to those of Nachemson's experiment were reproduced, and in each posture, the position coordinates of the marker attached to the subject's back were measured (FIG. 4A). And the variation | change_quantity ratio of the curvature of the lumbar vertebra in each attitude | position was calculated with respect to the reference | standard attitude | position (posture of FIG. 4 (B) (a)) using the obtained measurement result.
実験した各姿勢は、以下のとおりである（図４（Ｂ））。
（ａ） 立位と座位の中で最も腰椎への負担が小さいとされている姿勢
（ｂ） （ａ）から上半身を20度前に倒した姿勢
（ｃ） 背もたれの無い椅子に真っ直ぐに座った姿勢
（ｄ） （ｂ）から上半身を20度前に倒した姿勢
The postures tested are as follows (FIG. 4B).
(A) The posture that is considered to have the least burden on the lumbar spine in the standing and sitting positions (b) The posture in which the upper body is tilted 20 degrees forward from (a) (c) Sitting straight in a chair without a backrest Posture (d) Posture of upper body 20 degrees forward from (b)
本実施例では、マーカーは、被験者の背中における第１腰椎〜第５腰椎について、各腰椎の上部にそれぞれ一つずつ貼り付けた。
マーカーの位置座標の計測には、Hawk digital Camera（HWK-200RT: Motion Analysis社製）を６台用いて、一画像に全てのマーカー（５個）が入るように撮影を行った。各マーカーの座標点の算出には、市販の解析ソフトであるEva RT 5.0.4Ρost Ρrocessing（Motion Analysis社製） を用いた。
In this example, one marker was attached to each upper part of each lumbar vertebra for the first lumbar vertebra to the fifth lumbar vertebra on the back of the subject.
To measure the position coordinates of the markers, six Hawk digital cameras (HWK-200RT: manufactured by Motion Analysis) were used, and images were taken so that all the markers (five) were included in one image. For calculation of the coordinate point of each marker, Eva RT 5.0.4Ρost processing (manufactured by Motion Analysis), which is a commercially available analysis software, was used.
また、Nachemsonが行った実験の測定箇所（第３腰椎、第４腰椎間の椎間板内圧）と対応させるために、各姿勢における曲率の変化量比は、第３腰椎と第４腰椎との間の位置における曲率の変化量比を算出した。
なお、各姿勢における曲率の変化量比は、基準姿勢（図４（Ｂ）（ａ）の姿勢）を100とし、この基準姿勢に対する相対的な変化量比として表している。
In addition, in order to correspond to the measurement location of the experiment conducted by Nachemson (the intervertebral disc pressure between the third lumbar vertebra and the fourth lumbar vertebra), the change ratio of the curvature in each posture is between the third lumbar vertebra and the fourth lumbar vertebra. The change ratio of the curvature at the position was calculated.
The curvature change ratio in each posture is expressed as a relative change amount ratio with respect to the reference posture, where the reference posture (the posture in FIGS. 4B and 4A) is 100.
以下、図５に基づいて、結果を示す。
図５（Ａ）に示すように、数値誤差はあるものの、被験者全員について、全体の傾向は、Nachemsonの実験結果に類似していることが確認できる。このことから本発明の方法は、各姿勢における椎間板に掛かる負荷の計測に有効である考えられる。
Hereinafter, a result is shown based on FIG.
As shown in FIG. 5A, although there are numerical errors, it can be confirmed that the overall tendency is similar to the results of Nachemson's experiment for all the subjects. From this, it is considered that the method of the present invention is effective for measuring the load applied to the intervertebral disc in each posture.
また、図５（Ｂ）は、被験者が、図４（Ｂ）（ａ）の状態から、６秒間掛けて前方に上体を倒すように姿勢を変化させた場合における変化量の比を示したものであるが、図５（Ｂ）に示すように、被験者の上体が前方に傾いて行くに従って変化量比が増加していることが確認できる。つまり、本発明の方法は、運動中における椎間板に掛かる負荷の計測にも適応できると考えられる。 FIG. 5 (B) shows the ratio of the amount of change when the subject changes the posture from the state of FIG. 4 (B) (a) so as to tilt the upper body forward over 6 seconds. However, as shown in FIG. 5 (B), it can be confirmed that the change amount ratio increases as the upper body of the subject leans forward. That is, it is considered that the method of the present invention can be applied to the measurement of the load applied to the intervertebral disc during exercise.
本発明の椎間板負荷の測定方法は、椎間板ヘルニアの原因究明や予防法、治療法を検討する際に非常に有用な情報となる椎間板への負荷を求める方法として採用することができる。 The method for measuring the intervertebral disc load of the present invention can be employed as a method for determining the load on the intervertebral disc, which is very useful information when investigating the cause of a herniated disc, preventing it, and treating it.
１ 椎間板負荷測定装置
１０ 撮影手段
２０ 解析手段
２１ 変形解析部
２５ 負荷推定部
Ｍ マーカー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Intervertebral disk load measuring apparatus 10 Imaging | photography means 20 Analysis means 21 Deformation analysis part 25 Load estimation part M marker
Claims (6)
所定の姿勢の被験者の背中を撮影し、
この撮影によって得られた画像情報に基づいて脊椎骨の位置情報を算出し、
該脊椎骨の位置情報に基づいて、椎間板に負荷が加わらない無負荷状態の基準姿勢に対する脊柱の変形を算出し、
算出された脊柱の変形に基づいて、椎間板に加わる負荷を推定する
ことを特徴とする椎間板負荷の測定方法。 A method for estimating a load applied to an intervertebral disc due to movement of a human body,
Take a picture of the subject's back in a predetermined posture,
Calculate the position information of the vertebra based on the image information obtained by this shooting,
Based on the position information of the vertebrae, calculate the deformation of the spinal column with respect to a reference posture in an unloaded state where no load is applied to the intervertebral disc ,
A method for measuring an intervertebral disc load, comprising: estimating a load applied to an intervertebral disc based on the calculated spinal column deformation.
測定された脊椎骨の動作から算出される脊椎骨の位置情報に基づいて曲線近似によって算出し、
前記脊柱の変形を、
基準姿勢における被験者の脊柱の形状と、
基準姿勢から姿勢を変更したときにおける脊柱の形状と、に基づいて算出する
ことを特徴とする請求項１記載の椎間板負荷の測定方法。 The shape of the spinal column,
Calculate by curve approximation based on vertebra position information calculated from measured vertebra movement,
Deformation of the spinal column,
The shape of the subject's spine in the reference posture,
The intervertebral disc load measuring method according to claim 1, wherein the calculation is based on the shape of the spinal column when the posture is changed from the reference posture.
前記脊柱の変形を、
基準姿勢から姿勢を変更したときに測定された被験者の脊椎骨の動作を強制変位入力として、基準脊柱モデルの変形を解析して求める
ことを特徴とする請求項１記載の椎間板負荷の測定方法。 A vertebral column model in which the vertebrae constituting the vertebrae are rigid bodies and a flexible intervertebral disc is arranged between adjacent vertebrae, and the reference vertebral column model is formed based on the shape of the subject's vertebrae in a reference posture. ,
Deformation of the spinal column,
2. The method of measuring an intervertebral disc load according to claim 1, wherein the movement of the subject's vertebra measured when the posture is changed from the reference posture is used as a forced displacement input to analyze the deformation of the reference spine model.
被験者の体表面における脊椎骨の後端と対応する位置に取り付けられた複数のマーカーと、
該複数のマーカーを撮影する撮影手段と、
該撮影手段が撮影した画像を解析する解析手段とからなり、
該解析手段は、
前記撮影手段が撮影した画像に基づいて脊椎骨の位置情報を算出し、算出した脊椎骨の位置情報に基づいて、椎間板に負荷が加わらない無負荷状態の基準姿勢に対する脊柱の変形を算出する変形解析部と、
該変形解析部によって算出された脊柱の変形に基づいて、椎間板に加わる負荷を推定する負荷推定部とからなる
ことを特徴とする椎間板負荷の測定装置。 A device for estimating the load applied to the intervertebral disc due to the movement of the human body,
A plurality of markers attached at positions corresponding to the posterior end of the vertebrae on the subject's body surface;
Photographing means for photographing the plurality of markers;
Comprising an analyzing means for analyzing an image taken by the photographing means,
The analysis means includes
A deformation analysis unit that calculates position information of a vertebra based on an image captured by the imaging unit, and calculates a deformation of the spinal column with respect to a reference posture in an unloaded state in which no load is applied to the intervertebral disk based on the calculated position information of the vertebra When,
An intervertebral disc load measuring device comprising: a load estimating unit that estimates a load applied to the intervertebral disc based on the deformation of the spinal column calculated by the deformation analyzing unit.
前記脊椎骨の位置情報に基づいて曲線近似によって算出し、
前記脊柱の変形を、
基準姿勢における被験者の脊柱の形状と、
基準姿勢から姿勢を変更したときにおける脊柱の形状と、に基づいて算出する
ことを特徴とする請求項４記載の椎間板負荷の測定装置。 The deformation analysis unit
Calculated by curve approximation based on the position information of the vertebrae,
Deformation of the spinal column,
The shape of the subject's spine in the reference posture,
The intervertebral disk load measuring device according to claim 4, wherein the calculation is based on a shape of a spinal column when the posture is changed from the reference posture.
脊柱を構成する各脊椎骨を剛体としかつ隣接する脊椎骨間に柔軟性を有する椎間板が配置された脊柱モデルであって、基準姿勢における被験者の脊柱の形状に基づいて形成される基準脊柱モデルを記憶する基準脊柱モデル記憶部を備えており、
前記変形解析部は、
前記基準脊柱モデルを用いて、前記基準姿勢から姿勢を変更したときに測定された被験者の脊椎骨の動作を強制変位入力として、前記基準脊柱モデルの変形を解析して求めるものである
ことを特徴とする請求項４記載の椎間板負荷の測定装置。 The analysis means includes
A vertebral column model in which each vertebra constituting the vertebrae is rigid and a flexible intervertebral disc is arranged between adjacent vertebrae, and the reference vertebral column model formed based on the shape of the subject's vertebrae in a reference posture is stored It has a reference spine model storage unit,
The deformation analysis unit
Using the reference spine model, the movement of the subject's vertebra measured when the posture is changed from the reference posture is used as a forced displacement input, and the deformation of the reference spine model is obtained by analysis. The intervertebral disc load measuring device according to claim 4.
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