JP5383803B2 - 足関節捻挫損傷を防止する装置 - Google Patents
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Description
本発明は、足関節捻挫損傷の防止又は軽減に関する。
足関節外側靭帯等の下肢の筋肉、靭帯、及び骨の損傷は、スポーツで非常に多く、脚又は足関節の痛み及び不動を引き起こし得る。例えば、長期にわたる足関節靭帯の損傷は、足関節不安定性の発症につながる場合があり、これに対する適切な治療及びリハビリテーションプロトコルはまだ確率されていない。
ほとんどの足関節捻挫損傷は、回外又は内反作用によって引き起こされる。腓骨筋は、下腿の外側面にあり、足関節を回内又は外反させるように機能することが知られている。したがって、腓骨筋は、過度の足関節回外又は内反に抵抗するための、足関節捻挫損傷に対する本質的な防御機構としての役割を果たす。しかしながら、足関節捻挫損傷の原因の１つは、腓骨筋の反応時間が遅いことである。そのため、この損傷のほとんどで、腓骨筋の反応が本質的な保護を与えるのに間に合っていなかった。
現在、リハビリテーション訓練のための損傷した筋肉の受動運動を開始するために、「機能的電気刺激」（ＦＥＳ）等の筋電気刺激がさまざまな医療装置で用いられている。さらに、受動的マッサージ装置でも同様の技術が用いられる。さらに、神経筋活性化を脚筋に伝えて歩くことができない片麻痺患者の歩行を補助するために、同様の技法が用いられている。これらの装置すべてにおいて、電気信号が電極対を通して選択された筋群に伝達され、これが人間に内在の神経筋電気刺激の代わりとなる。電気信号は、筋細胞の或る程度の生化学的変化を誘発して、筋肉の収縮、ひいては関節の屈伸をもたらすことができる。しかしながら、これらの装置は、急性の足関節捻挫損傷を防止するような迅速な反応を行わせることができない。
足関節捻挫損傷を防止するために、正常な筋肉反応前に腓骨筋機能を開始させるための人工トリガーが伝達される。
本発明の一態様によれば、足関節捻挫損傷を防止又は軽減する装置であって、
足関節動作（Motion）に関連するデータを感知するように構成された感知部と、
前記足関節動作が捻挫動作であるか否かを決定するように、前記データを解析するように構成された解析部と、
前記捻挫動作を防止又は軽減するように、１つ又は複数の下肢筋を刺激するように構成された刺激部と、
を備える足関節捻挫損傷防止軽減装置が提供される。
足関節動作（Motion）に関連するデータを感知するように構成された感知部と、
前記足関節動作が捻挫動作であるか否かを決定するように、前記データを解析するように構成された解析部と、
前記捻挫動作を防止又は軽減するように、１つ又は複数の下肢筋を刺激するように構成された刺激部と、
を備える足関節捻挫損傷防止軽減装置が提供される。
本発明の別の態様によれば、本明細書に記載の前記装置を備える靴が提供される。
以下で、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１を参照すると、一実施形態において、本発明の装置１００は、感知（sensing：検出）部１１０、解析部１２０、及び刺激部１３０を含む。
感知部１１０は、使用者の足の動作を感知するように構成される。足の動作を感知するために、感知部１１０は、図２に示されるように靴のヒールカップの外面又は内面に取り付けられる。代替的に、感知部１１０は、足の皮膚表面に取り付けることもできる。動作の際、感知部１１０は、使用者の足の動作のデータをリアルタイム方式で感知して送る。一実施態様では、感知部１１０は、脛(Shank)部に対する足部の動作を感知するために三軸加速度計(Tri-axial Accelerometer)及びジャイロメーター(Gyrometer)を備える。この場合、感知して送られるデータは、動作時の使用者の足の足関節内反速度である。本開示では、足関節内反速度は、足の足関節内反度の変化率を意味する。すなわち、下記式で表される。
別の実施態様では、感知部１１０は、足部の動作を感知するための圧力センサーを備える。この場合、感知部１１０によって感知して送られるデータは、動作時の使用者の足に対する圧力である。
他の実施態様では、感知部１１０は、三軸加速度計、ジャイロメーター、ゴニオメーター(Goniometer)、圧力センサー等からなる群から選択される１つ又は複数を備える。
本発明の装置の一実施形態によれば、感知部１１０のサンプリング周波数は調整可能である。本発明の一実施態様では、感知部１１０のサンプリング周波数は５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚである。例えば、感知部１１０のサンプリング周波数は１００Ｈｚ又は５００Ｈｚであってもよい。
感知部１１０によって感知される動作のそれぞれに関するデータは、有線方式又は無線方式で解析部１２０にリアルタイムで送信される。捻挫動作を正常動作と区別するしきい値が、解析部１２０で事前設定される。動作に関して受信されたデータがしきい値を超えると、解析部１２０は、刺激部１３０にトリガー信号を送信する。反対に、受信したデータがしきい値を超えていない場合、トリガー信号は解析部１２０から送信されず、解析部１２０は後続のデータを処理する。
一実施態様では、解析部１２０で事前設定されたしきい値は、体重の異なる使用者ごとに、又は歩行時、スポーツ時、登山時等の異なる用途ごとに調整可能である。
刺激部１３０は、足関節捻挫損傷を防止するように下肢筋を刺激するために設けられる。一実施態様によれば、刺激部１３０は、図１に示されるように、電源１３１、制御回路１３２、及び一対の電極１３３、１３４を備える。電源１３１は、電極１３３及び１３４と接続される制御回路１３２に電力を供給する。
一実施形態では、図２に示されるように、感知部１１０、解析部１２０、電源１３１、及び制御回路１３２は、靴３００のヒールカップに取り付けられるハウジング２００に封入され、電極１３３及び１３４は、腓骨筋群を刺激するように腓骨筋群の皮膚表面に取り付けられる。ハウジング２００を、縫い付け、接着、又は任意の他の既知の結合方法によって、実際の使用者のニーズに従って靴の任意の他の位置に取り付けることもできる。刺激部１３０が解析部１２０からトリガー信号を受け取ると、制御回路１３２は、使用者の下肢の腓骨筋群を通してパルス電流を発生させるように、電極１３３及び１３４に電気刺激信号を伝達する。
一実施形態では、電気刺激信号は、所望のレベルのパルスの電位差である。
電気信号が腓骨筋群を通過すると、使用者の腓骨筋群が足関節を迅速に回内又は外反させるように刺激されて、足関節の急性足関節捻挫損傷を防止することができる。特に、制御回路１３２からのパルス電流が電極１３３及び１３４を通して腓骨筋群に伝達されると、腓骨筋群が収縮し、足関節の回内又は外反を開始させて突発的な回外又は内反に抵抗する。
この実施形態によれば、制御回路１３２からの電気信号は、捻挫損傷の開始後２０ミリ秒〜３０ミリ秒以内に筋群を通して伝達される。足関節筋のトルク潜時（torque latency）は、約２１ミリ秒〜２５ミリ秒であることが知られている。したがって、捻挫損傷に対する反応時間は十分に短く、腓骨筋収縮を開始させて足関節を保護するのに間に合う。
一実施形態によれば、電源１３１は１組の電池である。電源１３１を用いることによって、制御回路１３２は、約１００Ｖ〜２００Ｖのピーク電圧を有するパルスを出力することができる。ピーク電圧は非常に高いが、電流は使用者の安全を確保するのに十分なほど小さい。
この実施形態では、電極１３３及び１３４は、腓骨筋群の皮膚表面上で１ｃｍ〜３ｃｍの距離だけ離れている。電極１３３及び１３４は、使い捨て又は交換可能な皮膚取り付け式の塩化銀ディスクであってもよい。さらに、電極１３３及び１３４は、下腿の外側面に収納室を有する任意の付属のブレース又はソックスに埋め込むことができる。電極１３３及び１３４と皮膚表面との直接接触を妨げることのない保護衣料が付属してもよい。安全のために、電極１３３及び１３４によって皮膚インピーダンスが検出されない場合、装置１００は起動されない。
さらに、制御回路１３２は、電極対への電気信号の伝達を制御するオンオフスイッチを備え得る。
感知部１１０によって感知されてしきい値と比較される物理的変数は、内反角、傾斜角（地面に対する足部の角度）、傾斜速度等の足の動作を特徴付ける変数のいずれかであってもよい。一実施形態では、足関節内反速度が、感知される物理的変数である。その場合、捻挫動作を正常動作と区別するしきい値は、良好な保護を与えるように、足の正常動作の足関節内反速度の範囲よりもわずかに大きく選択される。足の正常動作の足関節内反速度の範囲は、試験を経て得ることができる。一実施形態によれば、任意の正常動作の足関節内反速度は、２２．８度／秒〜１８６．７度／秒である。さらに、"Biomechanics of supination ankle sprain: A case report of an accidental injury event in the laboratory", Fong DTP, Hong Y, Shima Y, KrosshaugT, Yung PSH, Chan KM, The American Journal of Sports Medicine, 37(4):822-827 (2009)において、人間の最大足関節内反速度が６３２度／秒であることが報告されている。したがって、刺激部１３０の起動のためのしきい値は、１８６．７度／秒〜６３２度／秒にあるべきである。この実施形態では、刺激部１３０の起動のためのしきい値は、２００度／秒等、１９０度／秒〜６００度／秒の範囲内に設定される。しきい値は、使用者のニーズに従って１９０度／秒〜６００度／秒で調整可能であってもよい。例えば、ユーザがランニング、ハイキング、バスケットボール競技等の高強度運動を行っているときに、しきい値を高く設定することができる。
説明のために、健常足関節を有する数人が、足の正常動作のデータを収集するための試験に参加する。感知部１１０として用いられる２０ｍｍ×１８ｍｍ×６ｍｍのサイズのジャイロメーターを、使用者の足の踵又は靴のヒールカップの表面に固定する。ジャイロメーターを、５０ｍｍ×２５ｍｍ×１５ｍｍのサイズの単一のプリント回路基板（ＰＣＢ）に接続して、動作のデータを収集する。ジャイロメーターは、足部の内反速度を監視する。ジャイロメーターのサンプリング周波数は５００Ｈｚである。使用者は、５つの正常動作（すなわち、非捻挫動作）：歩行（Walking）、ランニング(Running)、カッティング（cutting）、跳躍・着地、及び階段降りを行う。各動作がそれぞれ１０回の試験に寄与する。これらの動作は、人間の日常活動でよく見られるため選択される。種々の非捻挫動作のデータ収集の順序は無作為である。歩行試験及びランニング試験では、使用者が自然に５歩連続で歩くか又は走ることが求められる。データ収集は、１歩目から開始する。カッティング試験では、使用者が左足又は右足で片足カッティングを行うことが求められる。使用者は、カッティング前に全速力で５歩連続して走った後に９０度カッティングする。階段降り試験では、連続３歩のデータを収集する。跳躍・着地試験では、使用者が最大限の高さまで両足で垂直跳躍及び着地を行うことが求められる。さらに、筋肉が疲労しないことを確実にするために、試験ごとに使用者を休ませる。試験の結果を表１に示す。動作の最高内反速度は、２２．８度／秒〜１８６．７度／秒でさまざまであることが分かる。試験及び／又は使用者の条件が変わった場合、試験の結果が変わることに留意されたい。したがって、説明のためのこれらの試験は、本発明を限定するものではない。
一実施形態によれば、電極１３３及び１３４は、使用者の脚の腓骨筋の皮膚表面に取り付けられる。制御回路１３２によって発生される電気刺激信号は、電気パルスである。例示的な電気パルスが図３に示されている。図３に示されるように、電気パルスは複数の周期を有する。１周期のオン時間（すなわち幅）、周期の数、及び捻挫損傷の開始から電気パルスの開始までの遅延時間は、すべて調整可能である。この実施形態によれば、単純な機械的回外捻挫シミュレーター（"A mechanical supination sprain simulator for studying ankle supination sprain kinematics" Chan YY, Fong DTP, Yung PSH, Fung KY, Chan KM, Journal of Biomechanics. 41(11):2571-2574 (2008)に記載）が、種々の電気パルスの効果を評価するように約１５度又は３０度の突発的足関節回外を提供するために用いられる。図４に示されるように、機械的回外捻挫シミュレーターの同じ水平面にある２枚の板５００の上に、使用者が両足それぞれで立ち、続いて２枚の板５００の一方が、約１５度又は３０度の突発的足関節回外を提供するように降下する。これらのパラメーターの種々の組み合わせでの試験の結果を、表２（ａ）及び表２（ｂ）に示す。値は、複数の試験の平均値である。
これらの結果から、筋電気刺激を与えた足関節の内反角度がさまざまな程度で減ることが分かる。
内部に埋め込まれた装置１１０を備える、靴又はブレース状若しくはソックス状足関節保護具等の、スポーツ及び野外活動での足関節の捻挫損傷を防止するための物品が提供される。当業者は、装置１００を、縫い付け、接着、又は任意の他の既知の結合方法によって、実際の要件に従って物品の適当な位置に取り付けるか又は埋め込むことができる。一実施態様では、装置１００を付けたインテリジェント捻挫予防靴（intelligent sprain-free shoe）が、運動競技での捻挫防止に有益である。
さらに、装置１００は、足関節捻挫損傷の治療費を低減することができる。使用者は、スポーツ関連損傷の防止用の装置１００を備え付けた製品から利益を得ることもできる。
本発明の特定の態様、実施形態、実施態様、又は実施例と共に説明された特徴、整数、特性、又は群は、本明細書に記載の任意の他の態様、実施形態、実施態様、又は実施例と矛盾しない限りこれらに適用可能であると理解されたい。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面のいずれをも含む）に開示されている特徴のすべて、及び／又はそのように開示されているいずれかの方法又はプロセスのステップのすべてが、こうした特徴及び／又はステップの少なくともいくつかが互いに相反するような組み合わせを除き、任意の組み合わせで組み合わせることができる。本発明は、上記実施形態のいずれの詳細にも制限されない。本発明は、本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面のいずれをも含む）に開示されている特徴の新規のいずれか１つ若しくはいずれかの新規の組み合わせに、又はそのように開示されているいずれかの方法又はプロセスのステップの新規のいずれか１つ若しくはいずれかの新規の組み合わせに及ぶ。
本発明は、上述した実施形態に限定されない。本明細書の開示に従って当業者が行う変形及び変更は、本発明の技術的範囲内にあるものとする。
Claims (9)
- 足関節捻挫損傷を防止又は軽減する装置であって、
足関節動作に関連するデータを感知するように構成された感知部と、
前記足関節動作が捻挫動作であるか否かを決定するように、前記データを解析するように構成された解析部と、
前記捻挫動作を防止又は軽減するように、１つ又は複数の下肢筋を刺激するように構成された刺激部と、
を備える、足関節捻挫損傷防止軽減装置。 - 前記感知部によって感知された前記データが、
有線方式又は無線方式で前記解析部にリアルタイムで送信され、
前記感知部が、
５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲のサンプリング周波数を有し、
靴の外部又は内部に取り付けられ、あるいは足に取り付けられる、請求項１に記載の装置。 - 前記感知部によって感知された前記データが、足関節内反速度を含む、請求項１又は請求項２に記載の装置。
- 前記感知部が、三軸加速度計、ジャイロメーター、ゴニオメーター、及び圧力センサーからなる群から選択される１つ又は複数を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
- しきい値が、前記感知部から送信されてきた前記データと比較するために、前記解析部で事前設定され、
前記解析部が、前記データが前記しきい値を超える場合に、前記刺激部にトリガー信号を送信する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。 - 前記感知部によって感知された前記データが、足関節内反速度であり、
前記しきい値が、１９０度／秒〜６００度／秒であり、
前記しきい値が、調整可能である、請求項５に記載の装置。 - 前記刺激部が、
下肢と接触するように構成された一対の電極と、
前記トリガー信号が前記解析部から送信された場合、前記電極間に印加される電気刺激信号を伝達するように構成された回路と、
を備え、
前記電極が、腓骨筋群の皮膚表面に取り付けられ、
前記電極が、前記腓骨筋群の前記皮膚表面上で１ｃｍ〜３ｃｍの距離だけ互いに離れている、請求項５又は請求項６に記載の装置。 - 前記電極が、使い捨て又は交換可能な皮膚取り付け式のディスクである、請求項７に記載の装置。
- 前記装置が、靴、ソックス、あるいはブレースに、部分的に又は全体
的に組み込まれている請求項１に記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
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