JP5884221B2 - 足首インピーダンスの測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、足首のインピーダンス（足首の粘弾性係数）を測定するための測定装置に関する。

本発明に係る測定装置は、足首の弾性係数および粘性係数などのインピーダンスを測定することを目的とするが、足首の弾性係数を測定する装置自体は、非特許文献１、２などに開示されており公知である。

非特許文献１に記載の測定装置では、倒立振り子に連結されて、水平軸まわりに揺動可能に構成されたフットプレート上に被験者を立たせたうえで、被験者に所定のトルクの発生を求め、さらに倒立振り子を所定角度に倒すように求める。そして、測定されたトルクと角度から足首の弾性係数を算出している。

非特許文献２に記載の測定装置では、サーボモータに連結されて、水平軸まわりに揺動可能に構成されたフットプレート上に被験者を立たせたうえで、所定角度範囲（−０．５°〜＋０．５°）で被験者の足先が上下動するようにフットプレートを駆動揺動させる。つまり、非特許文献２に記載の装置では、上記角度範囲に対応した短周期（１秒）のパルスをサーボモータに与えて、被験者の足先にパルス刺激を与えており、測定後の床反力（フットプレートに対する反力）の加わる圧の中心位置（ＣＯＰ）と足首との距離を測定し、ＣＯＰの位置からトルクを算出し、さらに足首の弾性係数を算出している。

Loram.D and LakieM,"Direct measurement of human ankle stiffness during quiet standing:The intrinsic mechanical stiffness is insufficient for stability.",Journal of Physiology,545.3,pp.1041-1053(2002) Casadio M,Morasso P and Sanguineti V,"Direct measurement of ankle stiffness during quiet standing: implications for control modering and clinical application",Gait&posture,21pp.410-424(2004)

これら非特許文献１、２に開示された測定装置では、静止立位姿勢の身体動揺は、倒立振り子の運動と同等であるという見解に基づき、フットプレート上に立たせた被験者に対して測定を行い、その測定結果から足首の弾性係数を求めている。しかし、このように被験者を立位姿勢としたうえで測定を行う方法では、足首により全身の体重が受け止められた状態で測定を行うため、得られた弾性係数が全身の関節等による力の影響を受けて、真に純粋な足首を中心とした弾性係数を得ることは不可能であった。すなわち、非特許文献１、２に開示された測定装置では、得られた弾性係数の値が、被験者の体重、或いは平衡を保つための被験者の全身の関節や筋力を使った体重移動など、種々の要因により左右されやすく、正確に足首の弾性係数の値を得ることは困難であった。

加えて、足首を含む人間の骨格筋は、非常に大きな力を発生させることが可能なアクチュエータと考えることができ、しかも単に力を発生させるだけではなく、バネ、ダンパのような粘弾性も併せ持っている。このことは、骨格筋を活動させると筋は硬くなり、逆に力を抜いてリラックスすると柔らかくなることからも明らかである。従って、例えば立位姿勢時における身体平衡維持のメカニズム解明には、足首の弾性係数のみならず、足首の粘性係数についても勘案することが必要であるが、上記非特許文献１では、弾性係数のみを測定しており、粘性係数の測定には至っておらず、その点にも改良の余地があった。また、上記非特許文献２においても、粘性に着目はしているものの立位において測定しており上体の影響を考慮しておらず、その点に改良の余地があった。

本発明は、以上のような従来の測定装置の抱える問題を解決するためになされたものであり、より正確に弾性係数および粘性係数（以下、これら粘弾性係数をインピーダンスと記す。）を求めることができる、新規な足首インピーダンスの測定装置を得ることを目的とする。

本発明者等は、被験者を座位姿勢としたうえで測定を行えば、より正確に足首のトルクの測定が可能であり、加えて、測定された足首のトルクに基づいて、より正確に足首の弾性係数のみならず、粘性係数の計測が可能となることを見出して、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、足首インピーダンスの測定装置を対象とする。この測定装置は、着座姿勢における被験者２の足先２ａが載せられるフットプレート１０と、フットプレート１０上に載せられた被験者２の足先２ａを固定するための足先固定具１１と、前後方向に延びる第１回転軸３０まわりにフットプレート１０を揺動回転させる第１駆動部１２と、左右方向に延びる第２回転軸５０まわりにフットプレート１０を揺動回転させる第２駆動部１３と、上下方向に延びる第３回転軸７０まわりにフットプレート１０を揺動回転させる第３駆動部１４と、揺動回転時のフットプレート１０の角度を検出するための角度検出手段１５とを備える。各駆動部１２・１３・１４は、回転軸３０・５０・７０を介してフットプレート１０に駆動回転力を付与する駆動源３８・５８・７８と、駆動源３８・５８・７８の駆動力を回転軸３０・５０・７０に伝える伝動機構３９・５９・７９とを備える。フットプレート１０は、前後方向に延びる第１回転軸３０を介して第１支持枠３１に支持されている。伝動機構３９を介して第１回転軸３０に駆動力を伝える駆動源３８が第１支持枠３１に支持されている。第１支持枠３１は、左右方向に延びる第２回転軸５０を介して第２支持枠５１に支持されている。伝動機構５９を介して第２回転軸５０に駆動力を伝える駆動源５８が第２支持枠５１に支持されている。第２支持枠５１は、伝動機構７９を介して駆動源７８により揺動回転される上下方向に延びる第３回転軸７０に連結されている。回転軸３０・５０・７０のそれぞれに、フットプレート１０の揺動回転時に回転軸３０・５０・７０に作用するトルクを検出するためのトルク検出手段４０・６０・８０を設ける。そして、被験者２の踝２ｂが各回転軸３０・５０・７０の軸心上に位置するように、足先固定具１１で被験者２の足先２ａを固定し、かかる足先２ａの固定状態で、駆動源３８・５８・７８を駆動してフットプレート１０を回転軸３０・５０・７０まわりに揺動回転駆動して、足先２ａを強制的に姿勢変位させ、足先２ａを姿勢変位させた際のトルク検出手段４０・６０・８０による検出値と、角度検出手段１５による検出値に基づいて、足首の粘弾性係数を算出することを特徴とする。なお、本明細書および特許請求の範囲において、前後、左右、上下の各方向は、フットプレート１０に足先２ａを載せた状態の被験者２から見た方向を意味する。

被験者２の一方の脚の足先２ａをフットプレート１０に載せて、当該一方の脚の足首インピーダンスを測定する構成を採ることができる。

角度検出手段は、フットプレート１０に設けたジャイロセンサ１５で構成することができる。

具体的には、足先固定具１１は、フットプレート１０上に載せられた被験者２の足先２ａを包む固定バッグ２２と、固定バッグ２２に接続された吸引手段２４とを備える。固定バッグ２２は、内部に気密空間を有するバッグ本体２５と、バッグ本体２５の気密空間内に収納された多数のビーズ２６とを備える。被験者２の足先２ａを固定バッグ２２で包んでから、吸引手段２４でバッグ本体２５の気密空間内の空気を抜くことにより、固定バッグ２２を足先２ａに密着した状態で保形させて、足先２ａをフットプレート１０に固定する。

本発明によれば、下肢の筋肉が力を発揮していない座位状態で足首のインピーダンスを計測するので、従来の非特許文献１、２に記載の計測装置に比べて、より正確に足首のトルクを計測し、該トルクから足首の粘弾性係数を的確に得ることができる。すなわち、人は立位状態で姿勢を維持しようとすると、脚部だけでなく、身体全体を用いてバランスを取ろうとする。その為、非特許文献１、２に記載の計測装置のように、立位姿勢で足首のトルクを測定するものでは、得られた値は、他の関節、特に上半身の関節の影響を受けた値となることが避けられない。これに対して、本発明のように被験者を座位姿勢にしたうえで計測を行うと、上半身による姿勢を維持しようとする要因を完全に排除することができるため、より正確に足首の粘弾性係数を計測することができる。また、高齢者や治療中の患者に対して、立位姿勢で足首のインピーダンスを測定することは被験者の負担が大きく、そもそも測定自体が困難となるおそれがあるが、本発明に係る装置を用いれば、座位姿勢で測定を行うことができるため、被験者の負担を大きく軽減することができる。

被験者２の足先２ａをフットプレート１０に載せたときに、被験者２の踝２ｂが、フットプレート１０の揺動回転中心となる各回転軸３０・５０・７０の軸心とずれていると、フットプレート１０の回転に伴って、足の踵の位置が前後にずれる。このため、被験者２の下腿部が揺れ動くことが避けられず、下腿部の筋力が足先２ａを介してフットプレート１０に加わり（下肢の筋肉が力を発揮し）、正確に足首の粘弾性係数を測定することが困難となる。これに対して、本発明のように、被験者２の踝２ｂを各回転軸３０・５０・７０の軸心上に位置させていると、フットプレート１０の回転に伴って被験者２の下腿部が動くことは無く、該下腿部の筋力（下肢の筋力）の影響を排除して、より正確に足首の粘弾性係数を測定することができる。

以上のような本発明に係る計測装置によって計測された足首の粘弾性係数は、例えば、高齢者の転倒事故の防止等に貢献し得る極めて有用な情報として利用することができる。すなわち、身体の各部位を異なった速さで動かすと、重心の位置は刻一刻と変化するが、それにもかかわらずバランスを崩すことなく立っていられるのは平衡機能の働きによるものである。この平衡機能は、高齢になると平常に働かなくなり、高齢者（総務省で定義されている６５歳以上の方を示す）における転倒の主な原因となっている。また、平衡機能は、身体を支える支点となる足圧中心（ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｐｒｅｓｓｅｒ：ＣＯＰ）の動きにより管理されており、足首のインピーダンス（粘弾性）特性によって大きな影響を受ける。従って、足首の粘弾性係数を正確に計測することができれば、被験者の平衡機能の低下度合いの推測が可能となり、転倒事故等の発生を未然に防ぐことが可能となる。また、足首の粘弾性係数を正確に計測することができれば、医学的リハビリテーションの現場において、平衡機能の回復具合を定量的に評価することも可能となる。

また本発明では、前後方向に延びる第１回転軸３０と、左右方向に延びる第２回転軸５０と、上下方向に延びる第３回転軸７０とのまわりに、フットプレート１０を揺動回転させることができる。しかも、第１〜第３の回転軸３０・５０・７０に対応する第１〜第３の駆動部１２〜１４を、駆動源３８・５８・７８および伝動機構３９・５９・７９で独立に駆動させて、各回転軸３０・５０・７０まわりの駆動回転力をフットプレート１０に対して独立に付与することができる。さらに、回転軸３０・５０・７０のそれぞれにトルク検出手段４０・６０・８０を設けたので、フットプレート１０の揺動回転時に各回転軸３０・５０・７０に作用するトルクを個別に検出することができる。従って、本発明によれば、前後方向の回転軸まわりの足首のインピーダンスと、左右方向の回転軸まわりの足首のインピーダンスと、上下方向の回転軸まわりの足首のインピーダンスという、３方向の足首のインピーダンスを一つ測定装置で測定することができる。一回のフットプレートへの足の固定作業で、３方向のインピーダンスの測定が可能であり、迅速に測定作業を進めることができる点でも優れている。

水平な回転軸を１つだけ持つ測定装置でも、被験者（足先）に対して測定装置（フットプレート）を９０°回転させれば、フットプレートを前後軸まわりに揺動回転させる測定と、左右軸まわりに揺動回転させる測定とを行うことはできるが、一度フットプレートから足先を離し、被験者もしくは測定装置を移動させてから、再度足先をフットプレートに固定するという手間が生じる。その点、本発明に係る測定装置によれば、前後方向に延びる第１回転軸３０と、左右方向に延びる第２回転軸５０とを個別に備えるので、フットプレート１０に足先２ａを固定したまま、フットプレート１０を前後軸まわりに揺動回転させる測定と、左右軸まわりに揺動回転させる測定とを続けて行うことができる。

被験者２の一方の脚の足先２ａをフットプレート１０に載せて、当該一方の脚の足首インピーダンスを測定する測定装置によれば、左右の脚の足首インピーダンスが異なる場合に、左右それぞれの足首インピーダンスを正確に測定することができる。すなわち、一方の足首が曲がりやすく、他方の足首が曲がりにくい被験者２の両足をフットプレート１０に載せると、フットプレート１０を揺動させるときに、曲がりにくい足首が大きな抵抗となるため、曲がりやすい足首のインピーダンスを正確に測定することはできない。これに対して本発明のように、一方の足先２ａだけをフットプレート１０に載せるようにすると、一方の脚の足首インピーダンスを測定する際に、他方の脚の影響を排除して、正確な測定を行うことができる。

フットプレート１０の角度検出手段を、フットプレート１０に設けたジャイロセンサ１５で構成すると、第１〜第３の回転軸３０・５０・７０のいずれのまわりにフットプレート１０を揺動させた場合にも、１つのジャイロセンサ１５だけでフットプレート１０の角度を測定することができる。ジャイロセンサ１５を用いると、各回転軸３０・５０・７０に角度検出手段を設ける場合に比べて、コストを削減することができる。

気密空間にビーズ２６が収納されたバッグ本体２５で固定バッグ２２を構成し、気密空間内の空気を吸引手段２４で排除して、足先２ａをフットプレート１０に固定する足先固定具１１によれば、フットプレート１０上における足先２ａの位置調整が容易となり、しかも、調整後の位置で足先２ａを確りと固定することが可能となる。すなわち、吸引手段２４で空気を吸引する前の固定バッグ２２は、足先２ａの動きに合わせて容易に変形するので、足先２ａを固定バッグ２２で包んでから足先２ａを動かして、踝２ｂを各回転軸３０・５０・７０の軸心上に位置させることができる。足先２ａの位置を調整した後、バッグ本体２５の気密空間内の空気を抜くと、固定バッグ２２が足先２ａに密着し、さらに、気密空間内のビーズ２６どうしが密着して、固定バッグ２２が密着姿勢で保形されるので、足先２ａを調整後の位置に確りと固定することができる。このように、被験者２の踝２ｂが各回転軸３０・５０・７０の軸心上に位置する状態で、足先２ａを確りと固定できると、足首インピーダンスの測定精度を向上することができる。また、本発明に係る足先固定具１１は、被験者２の足先２ａのサイズとは無関係に適用することができるので、足先２ａのサイズごとに足先固定具を用意する場合に比べてコストを削減することができる。

本発明の足首インピーダンスの測定装置の装置本体の縦断側面図である。 測定装置の縦断正面図である。 測定装置の一部の分解斜視図である。 足先固定具の使用方法を説明するための図であり、（ａ）が足先の固定前、（ｂ）が足先の固定後を示している。 本発明の測定装置の回路構成を説明するためのブロック図である。 足首インピーダンスの算出方法を模式的に示す図である。 トルクの設定値、実測角度値、およびトルクメータの実測値の経時的変化を説明するための図である。 インピーダンス測定モデルを示す図である。 別の足首インピーダンスの算出方法を模式的に示す図である。

（実施例） 本発明に係る足首インピーダンスの測定装置について、図１乃至図５を参照して詳細に説明する。本実施例に係る測定装置１は、被験者が座った状態で、弾性係数（ｋ）および粘性係数（ｄ）といった、被験者の足首のインピーダンス（粘弾性係数）を測定するものである。図１に示すように測定装置１は、装置本体４と、装置本体４を制御する制御部５とで構成される。装置本体４は、被験者２の足先２ａが載せられるフットプレート１０と、フットプレート１０上に載せられた足先２ａを固定するための足先固定具１１と、フットプレート１０を揺動回転させる第１〜第３の駆動部１２〜１４と、揺動回転時のフットプレート１０の角度を検出するためのジャイロセンサ（角度検出手段）１５などで構成される。制御部５はパーソナルコンピュータなどで構成される。なお、上述のように、本実施例における前後、左右、上下の各方向は、フットプレート１０に足先２ａを載せた状態の被験者２から見た方向を意味し、その方向を図３に示す。

図１および図３に示すようにフットプレート１０は、被験者２の足裏が接する前後に長い矩形板状の底壁２０と、底壁２０の前後端に立設された前後側壁２１・２１とを備える逆門形に形成されており、底壁２０の下面にジャイロセンサ１５が取り付けられている。本実施例に係る測定装置１は、被験者２の足首のインピーダンスを左右別々に測定するものであり、フットプレート１０には左右一方の足先２ａだけが載せられる。底壁２０の前後寸法は４０ｃｍ、左右寸法は１５ｃｍに設定されている。

図４に示すように足先固定具１１は、フットプレート１０の底壁２０上で足先２ａを包む固定バッグ２２と、固定バッグ２２にチューブ２３を介して接続された真空ポンプ（吸引手段）２４とを備える。固定バッグ２２は、ポリウレタンシートなどで構成されて内部に気密空間を有するバッグ本体２５と、バッグ本体２５の気密空間内に収納された多数の合成樹脂製のビーズ２６とを備える。バッグ本体２５の一個所には、バッグ本体２５の気密空間とチューブ２３とを連通する吸引口２７が設けられており、チューブ２３における吸引口２７と真空ポンプ２４の間にはバルブ２８が設けられている。

被験者２の足先２ａをフットプレート１０に固定するときは、図４（ａ）に示すように足先２ａを固定バッグ２２で包んでから、真空ポンプ２４でバッグ本体２５の気密空間内の空気を抜き、バルブ２８を閉じる。これにより、図４（ｂ）に示すように固定バッグ２２が足先２ａに密着し、さらに、バッグ本体２５内のビーズ２６どうしが密着して、固定バッグ２２が足先２ａに密着した姿勢で保形されるので、足先２ａをフットプレート１０に固定することができる。なお、被験者２の踝２ｂは、固定バッグ２２で覆うことなく露出させるようにする。

図１および図３に示すようにフットプレート１０は、前後方向に延びる一対の第１回転軸３０・３０を介して、第１支持枠３１で支持されている。つまり、フットプレート１０は、その上面が右斜め上方向に指向する右傾斜姿勢と、その上面が左斜め上方向に指向する左傾斜姿勢との間で、第１回転軸３０・３０のまわりに揺動回転可能に構成されている。第１支持枠３１は、フットプレート１０の下方に配置された前後に長い板状の底壁３２と、底壁３２の前後端に立設された前後側壁３３・３３と、底壁３２の左右端の前後方向中途部に立設された左右側壁３４・３４とを備える。第１回転軸３０の一端（基端）はフットプレート１０の前後側壁２１に固定されており、第１回転軸３０の他端（突端）は、第１支持枠３１の前後側壁３３に設けた軸受３５で回転自在に支持されている。

前後一方（本実施例では後側）の第１回転軸３０に、フットプレート１０を第１回転軸３０のまわりに揺動回転させるための第１駆動部１２が連結されている。図１に示すように第１駆動部１２は、ギヤードモータ（駆動源）３８と、ギヤードモータ３８の駆動力を第１回転軸３０に伝える伝動機構３９とを備える。伝動機構３９は、ギヤードモータ３８の出力軸４２に固定された原動プーリ４３と、第１回転軸３０に固定された従動プーリ４４と、両プーリ４３・４４の間に巻き掛けられたタイミングベルト４５とで構成される。ギヤードモータ３８の駆動力は、出力軸４２から原動プーリ４３、タイミングベルト４５、および従動プーリ４４を順に介して、第１回転軸３０へ伝達される。ギヤードモータ３８は、第１支持枠３１の底壁３２の下面に立設した取付板４６で支持されている。底壁３２には、タイミングベルト４５を挿通するための通口４７が形成されている。

第１回転軸３０におけるフットプレート１０の後側壁２１と従動プーリ４４との間に、トルクメータ（トルク検出手段）４０が配置されている。ギヤードモータ３８を駆動して第１回転軸３０まわりにフットプレート１０を揺動回転させたときに、第１回転軸３０に作用するトルクを、トルクメータ４０で計測することができる。

図２および図３に示すように第１支持枠３１は、左右方向に延びる一対の第２回転軸５０・５０を介して、第２支持枠５１で支持されている。つまり、第１支持枠３１は、第２支持枠５１に対して第２回転軸５０・５０のまわりに揺動回転させることができる。第１支持枠３１を第２回転軸５０のまわりに揺動回転させると、フットプレート１０が第１支持枠３１と一体に揺動回転する。つまり、フットプレート１０は、その上面が前方上方向に指向する前傾斜姿勢と、その上面が後方上方向に指向する後傾斜姿勢との間で、第２回転軸５０・５０のまわりに揺動回転可能に構成されている。第２支持枠５１は、第１支持枠３１の下方に配置された左右に長い矩形板状の底壁５２と、底壁５２の左右端に立設された左右側壁５４・５４とを備える。第２回転軸５０の一端（基端）は第１支持枠３１の左右側壁３４に固定されており、第２回転軸５０の他端（突端）は、第２支持枠５１の左右側壁５４に設けた軸受５５で回転自在に支持されている。

左右一方（本実施例では右側）の第２回転軸５０に、第１支持枠３１を第２回転軸５０のまわりに揺動回転させるための第２駆動部１３が連結されている。図２に示すように第２駆動部１３は、ギヤードモータ（駆動源）５８と、ギヤードモータ５８の駆動力を第２回転軸５０に伝える伝動機構５９とを備える。伝動機構５９は、ギヤードモータ５８の出力軸６２に固定された原動プーリ６３と、第２回転軸５０に固定された従動プーリ６４と、両プーリ６３・６４の間に巻き掛けられたタイミングベルト６５とで構成される。ギヤードモータ５８の駆動力は、出力軸６２から原動プーリ６３、タイミングベルト６５、および従動プーリ６４を順に介して、第２回転軸５０へ伝達される。ギヤードモータ５８は、第２支持枠５１の底壁５２の上面に立設した取付板６６で支持されている。

第２回転軸５０における第１支持枠３１の右側壁３４と従動プーリ６４との間に、トルクメータ（トルク検出手段）６０が配置されている。ギヤードモータ５８を駆動して、第２回転軸５０まわりに第１支持枠３１をフットプレート１０と一体に揺動回転させたときに、第２回転軸５０に作用するトルクを、トルクメータ６０で計測することができる。

図２に示すように第２支持枠５１は、上下方向に延びる第３回転軸７０と連結されており、水平姿勢で配置された矩形板状のテーブル７１で下側から支持されている。つまり、第２支持枠５１は、テーブル７１に対して第３回転軸７０のまわりに揺動回転させることができる。第２支持枠５１を第３回転軸７０のまわりに揺動回転させると、第１支持枠３１およびフットプレート１０が第２支持枠５１と一体に揺動回転する。換言すれば、つまり、フットプレート１０は、水平姿勢を維持したままで、その前端が時計方向に回転された右回転姿勢と、その前端が反時計方向に回転された左回転姿勢との間で、第３回転軸７０まわりに揺動回転可能に構成されている。

テーブル７１は、床面に載置されたベース７２の上面側に固定されている。第２支持枠５１の底壁５２の下面側には、円筒状の連結ボス７３が固定されており、この連結ボス７３の中心軸線は第３回転軸７０の軸心と一致する。テーブル７１の上面と連結ボス７３の外周面とが、上下方向を回転軸方向とするベアリング７４で連結されている。つまり、第２支持枠５１は、テーブル７１に対して相対回転自在に、ベアリング７４を介してテーブル７１で支持されている。ここでのベアリング７４は、回転軸方向に働く力を受け止めるスラストベアリングである。

第３回転軸７０の上端（基端）は、第２支持枠５１の底壁５２の下面に連結固定されている。第３回転軸７０の下端（突端）に、第２支持枠５１を第３回転軸７０のまわりに揺動回転させるための第３駆動部１４が連結されている。第３駆動部１４は、ギヤードモータ（駆動源）７８と、ギヤードモータ７８の駆動力を第３回転軸７０に伝える伝動機構７９とを備える。伝動機構７９は、ギヤードモータ７８の出力軸８２に固定された原動プーリ８３と、第３回転軸７０に固定された従動プーリ８４と、両プーリ８３・８４の間に巻き掛けられたタイミングベルト８５とで構成される。ギヤードモータ７８の駆動力は、出力軸８２から原動プーリ８３、タイミングベルト８５、および従動プーリ８４を順に介して、第３回転軸７０へ伝達される。ギヤードモータ７８は、テーブル７１の上面側に水平姿勢で固定した取付板８６で支持されている。

第３回転軸７０における第２支持枠５１の底壁５２と従動プーリ８４との間に、トルクメータ（トルク検出手段）８０が配置されている。ギヤードモータ７８を駆動して、第３回転軸７０まわりに第２支持枠５１を第１支持枠３１およびフットプレート１０と一体に揺動回転させたときに、第３回転軸７０に作用するトルクを、トルクメータ８０で計測することができる。テーブル７１の中央には、第３回転軸７０およびトルクメータ８０を挿通するための通口８７が形成されており、従動プーリ８４はテーブル７１とベース７２の間に配されている。

図５は、本実施例に係る測定装置１の回路構成を示すブロック図である。この測定装置１は、制御部５からの信号により、足先固定具１１の真空ポンプ２４およびバルブ２８を操作して、被験者２の足先２ａをフットプレート１０に固定するとともに、各駆動部１２〜１４のギヤードモータ３８・５８・７８を駆動して、フットプレート１０を揺動操作する。後述する本実施例に係る測定方法では、第１駆動部１２、第２駆動部１３、第３駆動部１４の順で、各ギヤードモータ３８・５８・７８を個別に駆動する。また、この制御部５には、フットプレート１０の揺動操作時において、各駆動部１２〜１４のトルクメータ４０・６０・８０により検出されたトルクに関する検出結果、およびジャイロセンサ１５により検出されたフットプレート１０の角度に関する検出結果が送り込まれる。また制御部５は、トルクや角度の検出結果に基づいて、被験者２の足首の粘弾性係数を算出する。

制御部５を構成するパーソナルコンピュータには、非常停止ボタン９０が接続されている。被験者２が危険を感じたときに非常停止ボタン９０を押圧操作すると、ギヤードモータ３８・５８・７８の駆動が即時に停止されて、フットプレート１０の回転が直ちに停止されるようになっている。非常停止ボタン９０を設けることにより、フットプレート１０が過剰に揺動回転されることに起因して、被験者２が足首を痛めることを防ぐことができる。非常停止ボタン９０が押圧操作されてフットプレート１０の回転が停止した後、フットプレート１０が初期角度姿勢へ戻る方向にギヤードモータ３８・５８・７８を駆動させるようにすると、被験者２の足首に対する負荷が大きい危険な状態を迅速に脱することができる。また、非常停止ボタン９０に加えて、各回転軸３０・５０・７０の回転限界を機械的に規定する規制機構を設けると、フットプレート１０の過剰な揺動回転を確実に防止して、被験者２にとっての安全性をさらに向上することができる。

次に、上記構成からなる測定装置１を使った足首インピーダンスの測定方法について、図６乃至図８を参照して説明する。かかる測定方法は、トルク（τ）と角度（θ）の測定（測定工程）と、これらトルク（τ）と角度（θ）のサンプルデータから最小二乗法を使った足首インピーダンス（弾性係数：ｋ、粘性係数：ｄ）の算出（算出工程）とに大別できる。

測定工程においては、被験者２を椅子などに座らせてから、被験者２の足先２ａを足先固定具１１でフットプレート１０に固定する。このとき、被験者２の踝２ｂが各回転軸３０・５０・７０の軸心上に在るように、フットプレート１０上における被験者２の足先位置を調整する。なお、足先２ａを固定するのに加えて、被験者２の下腿部を椅子などに固定してもよい。

次に、フットプレート１０を所定の初期角度姿勢とする。具体的には制御部５が、ジャイロセンサ１５からの検出信号を勘案しながら、各駆動部１２〜１４のギヤードモータ３８・５８・７８を駆動して、フットプレート１０を初期角度姿勢となるまで揺動操作する。初期角度姿勢は、例えばフットプレート１０および第１支持枠３１の底壁２０・３２が水平で、かつ、第２支持枠５１の底壁５２がテーブル７１に対して捻れていない状態（底壁５２とテーブル７１の上下縁どうし、および左右縁どうしが平行である状態）とする。

次に、第１駆動部１２のギヤードモータ３８を駆動して、フットプレート１０を第１回転軸３０のまわりに揺動させながら、第１回転軸３０に作用するトルク（τ）、およびフットプレート１０の角度（θ）を、第１駆動部１２のトルクメータ４０とジャイロセンサ１５で計測する。ここで、フットプレート１０の角度（θ）とは、フットプレート１０の底壁２０が第１支持枠３１の底壁３２に対してなす角度のことをいう。

具体的には、フットプレート１０を、上記の初期角度姿勢から所定の角度範囲（例えば±１５°）で、所定のトルク（τ₁ ）を加えながらゆっくりと揺動させる。フットプレート１０が初期角度姿勢から所定の角度範囲（±１５°）で揺動されたのちに初期角度姿勢に戻るまでの間を１周期とし、この１周期が例えば１秒以上の長周期となるように、フットプレート１０を揺動させる。図７にトルク設定値（τ₁ ）、実測角度値（θ）、トルクメータ４０によるトルク実測値（τ）の時間変化の例を示す。本測定装置１では、１周期において数回から数千回の測定を行うことができる。また、測定は、数周期〜数十周期に亘って実行される。

上記測定が終了すると、フットプレート１０を初期角度姿勢に戻してから、フットプレート１０を第２回転軸５０のまわりに揺動させる測定を開始する。すなわち、第２駆動部１３のギヤードモータ５８を駆動して、第１支持枠３１をフットプレート１０とともに第２回転軸５０のまわりに揺動させながら、第２回転軸５０に作用するトルク（τ）、およびフットプレート１０の角度（θ）を、第２駆動部１３のトルクメータ６０とジャイロセンサ１５で計測する。ここで、フットプレート１０の角度（θ）とは、フットプレート１０の底壁２０が第２支持枠５１の底壁５２に対してなす角度のことをいう。トルク（τ）と角度（θ）の具体的な測定方法は、上記測定と同様であるため、その説明を省略する。

上記測定が終了すると、フットプレート１０を初期角度姿勢に戻してから、フットプレート１０を第３回転軸７０のまわりに揺動させる測定を開始する。すなわち、第３駆動部１４のギヤードモータ７８を駆動して、第２支持枠５１を第１支持枠３１およびフットプレート１０とともに第３回転軸７０のまわりに揺動させながら、第３回転軸７０に作用するトルク（τ）、およびフットプレート１０の角度（θ）を、第３駆動部１４のトルクメータ８０とジャイロセンサ１５で計測する。ここで、フットプレート１０の角度（θ）とは、フットプレート１０の底壁２０の上下縁（あるいは左右縁）がテーブル７１の上下縁（あるいは左右縁）に対してなす角度のことをいう。トルク（τ）と角度（θ）の具体的な測定方法は、上記測定と同様であるため、その説明を省略する。

以上のように、本実施例では、フットプレート１０を前後方向に延びる第１回転軸３０のまわりに揺動させる測定と、左右方向に延びる第２回転軸５０のまわりに揺動させる測定と、上下方向に延びる第３回転軸７０のまわりに揺動させる測定との３つを行うが、もちろん測定の順序は任意である。また、必ずしも３つの測定を行う必要は無い。

次の算出工程では、得られた実測角度（θ）とトルク実測値（τ）の値から、最小二乗法を使って弾性係数（ｋ）と粘性係数（ｄ）とを推定する（図６参照）。図８は、左右方向に延びる第２回転軸５０のまわりにフットプレート１０を揺動させる測定におけるインピーダンス測定モデルである。第２回転軸５０には、測定時において、第２支持枠５１に設けた軸受５５で支持される各部材（第１支持枠３１、フットプレート１０等）の総重量（Ｍｇ）に由来する慣性モーメント（Ｉ₁ ）と、被験者２の足の重量（ｍｇ）に由来する慣性モーメント（Ｉ₂ ）とが作用する。従って、この測定モデルにおける力学式を示すと、以下の式（１）の如くとなる。なお図８では、軸受５５で支持される各部材を代表して、フットプレート１０のみを示している。

（式１）

上記式（１）のうち、τはトルクメータ６０の実測値、θはジャイロセンサ１５の実測値である。フットプレート１０の質量（Ｍ）、フットプレート１０の重心（Ｇ_１）からフットプレート１０の回転中心までの距離（Ｌ_１）は、常に変わることの無い既知の値である。本実施例の測定装置１には、被験者２の足の質量（ｍ）、およびＣＯＰである（Ｇ₂ ）の位置を計測するためのフォースプレートを使用していない。これは、フォースプレートの重量による慣性モーメント（Ｉ₂ ）の増加を防ぎ、さらに（Ｉ₂ ）の増加に伴う被験者２の足に対する負荷を低減させて安全性を向上させるためである。しかし、被験者２の足の質量（ｍ）は、実質的に下腿部と足先２ａの質量であるので、当該質量（ｍ）は、足（下腿部と足先２ａ）の被験者２の身体重に占める割合から算出できる。すなわち、人間の身体重に占める足の重量の割合は凡そ決まっているため、足の質量（ｍ）は、被験者２の身長および体重データから推定可能な値である。また、ＣＯＰである（Ｇ₂ ）の位置は、足のサイズから推定可能である。従って、（Ｇ₂ ）からフットプレート１０の回転中心までの距離（Ｌ₂ ）も推定可能な値である。
以上のように、式（１）は、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）の二つの未知の値を含むものとなる。

次に、上記式（１）を微分の差分近似により離散化して（θ）のみの式に変換し、当該式に所定のサンプリング間隔毎で得られた実測値（θ）（τ）を当てはめて、ｎ個の角度データおよびトルクデータを取得する。ここで、上記式（１）を微分の差分近似により離散化すると以下の式（２）の如くとなる。式（３）は、式（２）をまとめたものである。

（式２）

（式３）

最後に、疑似逆行例を用いた最小二乗法により、式（３）に含まれる誤差成分を最小にすることで、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）を算出することができる。なお、フットプレート１０を前後方向に延びる第１回転軸３０のまわりに揺動させる測定と、上下方向に延びる第３回転軸７０のまわりに揺動させる測定においても、上記と同様の方法で弾性係数（ｋ）および粘性係数（ｄ）を算出することができる。

上記の測定方法では、足の質量（ｍ）、および（Ｇ₂ ）からフットプレート１０の回転中心までの距離（Ｌ₂ ）は被験者２の身長および体重データから推定したが、式（１）における、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）、および足の質量（ｍ）と距離（Ｌ₂ ）を掛け合わせた数値（Ｌ₂ ｍ）の三つの未知の値を含むものとして算出しても良い（図９参照）。ここで、（Ｌ₂ ｍ）を一つの値としたのは、（Ｌ₂ ）または（ｍ）の個々の値のみを用いての計算が式中にないためである。取得した角度データおよびトルクデータから、疑似逆行例を用いた最小二乗法により、式（３）に含まれる誤差成分を最小にすることで、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）および足の質量とフットプレート１０の回転中心までの距離を掛け合わせた数値（Ｌ₂ ｍ）を算出することができる。以上のように、図９に示す測定方法であっても、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）を算出することができる。

上記の実施例以外に、足先固定具１１は、面ファスナーを設けた左右一対のバンドなどで構成することができる。各回転軸３０・５０・７０に角度センサを設けて、角度検出手段１５を構成することができる。本発明は、左右両方の足先２ａ・２ａをフットプレート１０に載せる形態の足首インピーダンスの測定装置にも適用することができる。

１ 足首インピーダンスの測定装置
２ 被験者
２ａ 被験者の足先
２ｂ 被験者の踝
１０ フットプレート
１１ 足先固定具
１２ 第１駆動部
１３ 第２駆動部
１４ 第３駆動部
１５ 角度検出手段（ジャイロセンサ）
３０ 第１回転軸
３８ 第１駆動部の駆動源（ギヤードモータ）
３９ 第１駆動部の伝動機構
４０ 第１駆動部のトルク検出手段（トルクメータ）
５０ 第２回転軸
５８ 第２駆動部の駆動源（ギヤードモータ）
５９ 第２駆動部の伝動機構
６０ 第２駆動部のトルク検出手段（トルクメータ）
７０ 第３回転軸
７８ 第３駆動部の駆動源（ギヤードモータ）
７９ 第３駆動部の伝動機構
８０ 第３駆動部のトルク検出手段（トルクメータ）

Claims (4)

1. 着座姿勢における被験者（２）の足先（２ａ）が載せられるフットプレート（１０）と、
   前記フットプレート（１０）上に載せられた被験者（２）の足先（２ａ）を固定するための足先固定具（１１）と、
   前後方向に延びる第１回転軸（３０）まわりに前記フットプレート（１０）を揺動回転させる第１駆動部（１２）と、
   左右方向に延びる第２回転軸（５０）まわりに前記フットプレート（１０）を揺動回転させる第２駆動部（１３）と、
   上下方向に延びる第３回転軸（７０）まわりに前記フットプレート（１０）を揺動回転させる第３駆動部（１４）と、
   揺動回転時の前記フットプレート（１０）の角度を検出するための角度検出手段（１５）と、
   を備え、
   前記各駆動部（１２・１３・１４）は、前記回転軸（３０・５０・７０）を介して前記フットプレート（１０）に駆動回転力を付与する駆動源（３８・５８・７８）と、該駆動源（３８・５８・７８）の駆動力を前記回転軸（３０・５０・７０）に伝える伝動機構（３９・５９・７９）とを備えており、
   前記フットプレート（１０）は、前後方向に延びる第１回転軸（３０）を介して第１支持枠（３１）に支持されており、前記伝動機構（３９）を介して第１回転軸（３０）に駆動力を伝える前記駆動源（３８）が該第１支持枠（３１）に支持されており、
   前記第１支持枠（３１）は、左右方向に延びる第２回転軸（５０）を介して第２支持枠（５１）に支持されており、前記伝動機構（５９）を介して第２回転軸（５０）に駆動力を伝える前記駆動源（５８）が該第２支持枠（５１）に支持されており、
   前記第２支持枠（５１）は、前記伝動機構（７９）を介して前記駆動源（７８）により揺動回転される上下方向に延びる第３回転軸（７０）に連結されており、
   前記回転軸（３０・５０・７０）のそれぞれに、前記フットプレート（１０）の揺動回転時に該回転軸（３０・５０・７０）に作用するトルクを検出するためのトルク検出手段（４０・６０・８０）が設けられており、
   被験者（２）の踝（２ｂ）が前記各回転軸（３０・５０・７０）の軸心上に位置するように、前記足先固定具（１１）で被験者（２）の足先（２ａ）を固定し、
   かかる足先（２ａ）の固定状態で、前記駆動源（３８・５８・７８）を駆動して前記フットプレート（１０）を前記回転軸（３０・５０・７０）まわりに揺動回転駆動して、足先（２ａ）を強制的に姿勢変位させ、
   かかる足先（２ａ）を姿勢変位させた際の前記トルク検出手段（４０・６０・８０）による検出値と、前記角度検出手段（１５）による検出値に基づいて、足首の粘弾性係数を算出することを特徴とする足首インピーダンスの測定装置。
2. 被験者（２）の一方の脚の足先（２ａ）を前記フットプレート（１０）に載せて、当該一方の脚の足首インピーダンスを測定する請求項１記載の足首インピーダンスの測定装置。
3. 前記角度検出手段が、前記フットプレート（１０）に設けたジャイロセンサ（１５）で構成されている請求項１又は２記載の足首インピーダンスの測定装置。
4. 前記足先固定具（１１）が、前記フットプレート（１０）上に載せられた被験者（２）の足先（２ａ）を包む固定バッグ（２２）と、該固定バッグ（２２）に接続された吸引手段（２４）とを備えており、
   前記固定バッグ（２２）が、内部に気密空間を有するバッグ本体（２５）と、該バッグ本体（２５）の気密空間内に収納された多数のビーズ（２６）とを備えており、
   被験者（２）の足先（２ａ）を前記固定バッグ（２２）で包んでから、前記吸引手段（２４）で前記バッグ本体（２５）の気密空間内の空気を抜くことにより、前記固定バッグ（２２）を足先（２ａ）に密着した状態で保形させて、足先（２ａ）を前記フットプレート（１０）に固定する請求項１乃至３のいずれかに記載の足首インピーダンスの測定装置。

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