JP5971931B2 - 関節の衝撃緩衝組織劣化を診断する装置 - Google Patents

Description

本発明は、関節の衝撃緩衝組織の劣化状況を診断したり、評価することが出来る装置に関するものである。

スポーツの普及による膝関節障害や、国内で年間約90万人が新たに発症する変形性膝関節症の要因の一つに、膝関節にかかる負担量の増大が挙げられている。本来、膝等の関節には負担を軽減するクッションの役割を担う軟骨よりなる衝撃緩衝組織の半月板が存在するのであるが、加齢に伴いこの半月板のクッション機能が劣化または硬化し関節にかかる負担を軽減できなくなる。
現在、この機能劣化を診断する方法として、関節部分のＸ線画像やＭＲＩ画像を撮影して解析する手法やフォースプレートと３次元動作分析装置を併用し各関節軸における関節モーメントを算出することは既に行われている。前者の例として特許文献１があるが、この発明は膝関節の診断を客観的に行うために、医師に対して、有効な定量的な診断情報を提供する診断支援方法・装置を提供することを目的としたもので、Ｘ線画像データを、ノイズ除去をし、左足・右足の判定を行い、膝関節の診断のための参照領域を設定する。そして、大腿骨と脛骨との間隙において、軟骨の存在する領域を抽出する。そして、この領域の面積を出力するので、変形性膝関節症等の診断に寄与する客観的・定量的な判断材料を得ることが可能である。同様に、大腿骨と脛骨の側面を検出し、側面の中心曲線を得ると共にその中心曲線の回帰直線を得る。この回帰直線を、大腿骨軸及び脛骨軸と見なし、両者のなす角度を求めてＦＴＡを算出する。従って、変形性膝関節症の診断に寄与する客観的な判断材料を得ることができるとされている。しかしその診断法は関節機能を直接検知するものではなく、その状態を画像から解析し医師の判断材料を提供するものである。

関節モーメントについて人間の直立姿勢を下腿のみで説明すると、股関節の屈筋である腸腰筋、膝関節の伸展制御機能を持つ前十字靱帯、後十字靱帯、足関節の底屈筋群である下腿三頭筋等（以下、抗力筋）が働かない場合、大腿部、下腿部、足部の慣性モーメントにより股関節、膝関節、足関節の軸周りに回転モーメントが生じ姿勢は崩れ落ちてしまう。直立姿勢を維持するには、抗力筋が回転モーメントとつりあう回転モーメントを発生させることになるが、これを関節モーメントと呼ぶ。
後者の方法は非特許文献１に紹介されたものであるが、体節の動きを生じさせる要因の内、関節モーメント以外の影響をすべて取り除けば、関節モーメントが残るという知見に立って、足部の身体パラメータ、床反力、足関節位置、フォースプレートを用いたＣＯＰ（立位重心位置）の位置、加速度、各加速度を把握して、三次元動作分析装置によって最末梢端の体節である足関節の関節モーメントを求める手法である。次にこの方式を下腿部に適用し、前記足部からの影響、この部分の身体パラメータ、膝関節位置、加速度、各加速度を把握して、三次元動作分析装置によって膝関節の関節モーメントを求めるという手法が開示されている。しかし、それは関節軸に発生する回転モーメントを計測しているだけで、膝にかかる負担量を計測するものでも膝関節のクッション性を評価するものでもない。しかも、関節軸に発生する回転モーメントを計算するには最末梢端の体節である足関節の関節モーメントから計算を始めなければならないと言う厄介な手順を要する。

特開２００８−９３２２９号公報 「膝関節診断支援方法及び装置並びにプログラム」 平成２０年４月２４日公開

「関節モーメントによる歩行分析」 医歯薬出版株式会社１９９７年７月２５日発行

本発明の課題は、膝関節の画像から状態を医師が間接的に関節の衝撃緩衝組織の劣化状況を診断するのではなく、厄介な解析を重ねる手続も要せず、被検者のアクションに基づく反応を計測するだけで、関節の衝撃緩衝組織の劣化状況を直接評価するデータを得ることができる手法並びにそれを実施する装置を提示することにある。

本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置は、関節を挟んで一方の側の部位に取付けられる加速度センサーと、他方の側の部位に取付けられる加速度センサーと、前記２つの加速度計が発生する振動のタイミング差を検知する手段と、前記タイミング差と関節の衝撃緩衝組織劣化状態との対応データを記憶した手段とを備えたものであって、関節の両側部位が直線的関係にある直立姿勢骨盤挙上動作で一方の側に力が加えられた際の前記２つの加速度計が発生する振動のタイミング差によって関節の衝撃緩衝組織劣化状態を評価することを特徴とするものである。本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置は、更なる構成として計測手段とディスプレイとを備えると共に、前記振動のタイミング差を検知する手段には加速度計の出力を受信し、振動波形から衝撃波に相当するピーク値を検出すると共に、前記計時手段からのクロックを受け２つの加速度計Ａ，Ｂそれぞれのピーク値のタイミング差を検知して前記ディスプレイに結果を出力する信号処理部を備えるものとした。

本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置は、更なる構成として前記タイミング差と関節の衝撃緩衝組織劣化状態との対応データを記憶した手段を備えるものとした。また、前記信号処理部は、検知したタイミング差を前記記憶手段の対応データに基づいて状態を評価し、前記ディスプレイに出力する機能を備えるものとした。また、本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置の好ましい形態としては、前記加速度計には３軸加速度計を用いるものとした。ただし、１軸、２軸加速度計でも可能である。
本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置は、更なる構成として片足を載置する重力計を備えると共に、前記２つの加速度計を踝上顆および／または大腿骨外側上顆に取つけ、前記重力計と加速度計の出力から歩行時の立脚期における取付部位の力積を算出する手段を備えることにより、膝および／または踵の負担量を計測する機能を備えるものとした。

本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置は、上記のような構成を採ったものであるから、前記２つの加速度計が発生する振動のタイミング差という検出データから直接的に関節の衝撃緩衝組織劣化状態を評価することができるものである。しかも関節の両側部位に２つの加速度計を取付け、関節の両側部位が直線的関係にある状態で一方の側に力を加えるという単純な作業によってその診断結果を得ることができるものである。

本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化診断の概念を説明する図である。 本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置の構成を説明する図である。 膝関節の診断の際の加速度計取付け位置を説明する図である。 膝関節の診断の際、被検者の動作を説明する図である。 立位膝伸展状態で骨盤挙上から足を接地する動作で得られた下腿部と大腿部での振動位相差データを示すグラフである。 歩行時の立脚期における膝の負担量と踵の負担量を力積で示したグラフである。 変形性膝関節症の程度と膝の変形状態を説明する図である。

関節は隣接する骨を結合するジョイントの役割を担うもので、例えば膝関節の構造は３つの骨からなっており、すねの骨である脛骨の上に大腿骨（太ももの骨）が乗り、更に大腿骨の前面にはひざのお皿と呼ばれる膝蓋骨がある。また、骨だけではなく靭帯や筋肉が介在している。膝関節は、いわゆる蝶番の役割をしている関節で、大腿骨と脛骨の間で曲げ伸ばしが可能となっており、膝関節内の骨の表面はそれぞれ軟骨で覆われており、クッションのような機能を果たし関節が滑らかに動くようにできている。更に、脛骨と大腿骨の間には半月板という柔らかい組織があり、前記２つの骨の軟骨への衝撃が吸収されるようになっている。また、脛骨の外側には腓骨と呼ばれる細い骨が存在しており、膨らんだ近位端は腓骨頭と呼ばれ、脛骨の外側顆の背面にある。腓骨頭の先端にはとがった腓骨頭尖があり、脛骨に面する部分に腓骨頭関節面がある。腓骨頭は膝関節の一部ではないが、大腿骨や脛骨と靱帯で結ばれている。

膝関節は関節包という袋に包まれ、その中は関節液と呼ばれる液体で満たされており、関節液は、関節を滑らかに動かす役割を果たすと共に、軟骨に酸素や栄養を与えている。骨をスムースに動かすための潤滑油の役目を果たす軟骨が磨り減ったり、関節液が減ってきてしまうと、変形性膝関節症等の膝の病気を発症することになる。図７の（１）は健常者の正常な関節であり、（２）は初期の関節症患者の膝関節、そして（３）が進行した関節症患者の膝関節を示している。図中で１が大腿骨、２が頸骨、３が軟骨、４が滑膜、５が骨棘である。（２）に示す初期の関節症患者の膝関節は軟骨３がすり減り滑膜４が炎症を起こして厚くなっている。（３）の進行した関節症患者の膝関節を見ると、軟骨３が更にすり減り骨同士が擦れ合う状態となっており、骨が棘状になった骨棘５ができると共に、炎症が進み滑膜４が一層厚くなっている。

本発明者は、関節の健康状態を診断する１つの手法として関節のクッション性をチェックすることに想到し、図１の（１）に示す大腿骨１と頸骨２の間には軟骨３が介在する膝関節をモデル化して（２）に示すような粘弾性体８を２つの剛体６，７で挟み込んだ連結膝関節モデルを作り、それぞれの剛体に加速度計Ａ，Ｂを貼着し、鉛直方向に立てた状態で床に落とし、その際の２つの加速度計出力を観察する実験を行った。その結果、２つの加速度計が出力した衝撃振動のタイミング差は弾性材の弾性に対応して変化するという知見を得た。すなわち、床に衝突した剛体７の衝撃を加速度計Ａが検出し、粘弾性体８を介して剛体６に伝えられた衝撃を加速度計Ｂが（３）に示されるように検出する。この検出信号を（４）に示すように同一時間軸に重ね合わせると加速度計Ａ、Ｂの検出信号には時間差と信号レベルの減衰が認められる。

本発明の関節の衝撃緩衝組織劣化を診断する方法及びそれを実施する装置は、この知見に基づいて開発されたもので、その基本構成は関節を挟む両側の骨部分に装着する２つの加速度計と、一方の骨に力を加えた際にその衝撃が他方の骨へ伝達されるタイミングを計測するシステムである。図２に示すように、このシステムは関節を挟む両側の骨部分に装着する２つの加速度計Ａ，Ｂと、該加速度計の出力を受信し、振動波形から衝撃波に相当するピーク値を検出すると共に、計時手段Ｃからのクロックを受け２つの加速度計Ａ，Ｂそれぞれのピーク値のタイミング差を検知し、前記ピーク値のタイミング差と関節状態との対応関係が蓄積された記憶手段Ｍの該データベースと比較して衝撃緩衝組織劣化を評価させる等の機能を備えた信号処理部Ｓと、該信号処理部Ｓが処理したデータを表示するディスプレイＤとからなる。記憶手段Ｍは必ずしも必須の構成ではなく、検出表示されたピーク値のタイミング差を医師等の検査するものが判断する形態であってもよい。

本発明を膝関節の診断に適用する場合においては、３軸加速度センサーを用い、直立姿勢から骨盤を回転させるように一方の足を挙げ、続いて床に落とすという、直立姿勢骨盤挙上動作での大腿骨と頚骨を連絡する中間支持関節等（膝関節等）の衝撃緩衝組織におけるクッション性劣化を診断、評価するものとした。この際重要なことは膝関節を伸ばした状態を保って行うことである。また、膝が伸展する歩行時のヒールコンタクトでも評価でき負担量も算出できる。
２つの加速度計を取付ける位置は図３に示されるように、骨が皮表に存在する部分、踝上顆部（図の左）、大腿骨外側上顆（図の右）とし、図４に示すように、踝上顆に３軸加速度計Ａを、大腿骨外側上顆には３軸加速度計Ｂを装着し、上記の直立姿勢骨盤挙上動作を行った際の、踝上顆、大腿骨外側上顆に装着する両加速度計の出力タイミングの遅れの程度に基づいて、衝撃緩衝組織の劣化診断、評価を行うものとした。ここで加速度計として３軸加速度計を用いたのは床を踏んで与えられた力は鉛直方向のものであることから、検出すべき衝撃波は鉛直方向の成分であり、正確な計測を行うためである。
本発明のシステムの形態はパソコンとモニターといった形態ばかりで無く、万歩計(登録商標)のように腰に取付けたりできる携帯可能なコンパクトな形態で実現することも可能である。

次に、試験データを開示する。踵骨後側、大腿骨外側上顆それぞれに３軸加速度計Ａ，Ｂを装着し、立位膝伸展状態で骨盤挙上から足を接地する片足の足踏みを行い、下腿部と大腿部の振動を計測した。その結果は図５に示す通りであった。図中上のグラフは８秒間の時間軸で踵骨後側に装着した３軸加速度計Ａと，大腿骨外側上顆に装着したＢの出力をグラフ表示したものであり、下のグラフは１秒間の時間軸で２つの３軸加速度計Ａ，Ｂの出力をグラフ表示したものである。下のグラフから明らかなように床に当接する足の裏に近接する踵骨後側に装着した３軸加速度計Ａが28.50秒にピーク値を示し、28.53秒に大腿骨外側上顆に装着した３軸加速度計Ｂの出力がピーク値を示した。下腿部と大腿部で振動の位相差があることとそのピーク値には伝達減衰と解されるレベル差を確認することが出来る。

次に力積を使って関節部の負担量を計測する方法を示す。力積とは力の積分値であり、この値は力が印加された物体の運動量の変化に対応することから、体の特定部位にかかる力積が測定できればその値がその部分にかかる負荷変化に相当するとの知見に基づいている。体の特定部位にかかる力積はその部分の加速度に質量を掛けることで求められる。先の関節の衝撃緩衝組織劣化を診断する装置に質量計測装置を付加すれば、踝上顆に３軸加速度計Ａを、大腿骨外側上顆には３軸加速度計Ｂを装着して加速度を測ることにより、膝部の負担量と踵部の負担量を計測することができる。図６に歩行時の立脚期における加速度を積算した力積（ｋｇｆ・ｔ）で、膝の負担量と踵の負担量を計測した例を示す。このグラフは片足を重心計に載せて一歩を踏み外れるまでの期間の値であり、太線が膝負担量、細線が踵の負担量を示している。この計測された加速度値には重力加速度が含まれている。このグラフから歩行における膝負担量は踵の負担量よりも小さく負担が掛る時期も遅れていることが分かる。このことは大腿骨と頸骨の間には軟骨が介在していることにより、この軟骨の緩衝機能によるものと解される。もし、この膝関節に障害が起きていると計測された膝負担量に変化が出ることになり、踵部の力積変化に対する膝部の力積変化を観察することによって膝関節の障害を診断することも可能となる。
なお、この機能は重心計の計測値で質量を求めるものであるから、肘や首関節の負担量を同様に計測することはできないが、左右足の荷重を計測できれば、人間モデル（年齢、性別、身長、体重と各部位の質量と慣性モーメントのデータベース）から推測値として演算可能で、肘や肩関節の負担量は肘や肩関節から先の連結部（例えば腕の重さ）をパラメータとし推測値を演算可能である。したがって、計測可能な部位は脚部の関節に限定されるものではない。因みに現在、病院、大学、研究施設等で用いている関節モーメントは人体モデルからの慣性モーメント用いて演算されている。

ディスプレイＤには図５に示したような検出加速度データをそのままグラフ上に波形表示するだけでなく、記憶部Ｍにピーク値のタイミング差データと関節の健康状態の相関関係が例えばルックアップテーブル形式等でデータベース化され、蓄積されておれば、ディスプレイＤにその診断結果を直接レベル表示させることも出来る。

本明細書では膝関節を対象に説明してきたが、本発明は膝関節に留まらず他の関節を含む関節の健康状態を診断するのに適用できる。また、２軸を結合するジョイント部の緩衝性を評価する技術としても応用可能である。

Ａ、Ｂ 加速度計 Ｃ 計時手段
Ｄ ディスプレイ Ｓ 信号処理部
Ｍ 記憶部 １ 大腿骨
２ 頸骨 ３ 軟骨
４ 滑膜 ５ 骨棘
６、７ 剛体 ８ 粘弾性体

Claims (5)

1. 関節を挟んで一方の側の部位に取付けられる加速度計と、他方の側の部位に取付けられる加速度計と、前記２つの加速度計が発生する振動のタイミング差を検知する手段とを備えたものであって、関節の両側部位が直線的関係にある直立姿勢骨盤挙上動作で一方の側に力が加えられた際の前記２つの加速度計が発生する振動のタイミング差によって関節の衝撃緩衝組織劣化状態を評価することを特徴とする関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置。
2. 計測手段とディスプレイとを備えると共に、前記振動のタイミング差を検知する手段には加速度計の出力を受信し、振動波形から衝撃波に相当するピーク値を検出すると共に、前記計時手段からのクロックを受け２つの加速度計Ａ，Ｂそれぞれのピーク値のタイミング差を検知して前記ディスプレイに結果を出力する信号処理部を備えたものである請求項１に記載の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置。
3. 前記タイミング差と関節の衝撃緩衝組織劣化状態との対応データを記憶した手段を備えたものである請求項２に記載の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置。
4. 前記信号処理部は、検知したタイミング差を前記記憶手段の対応データに基づいて状態を評価し、前記ディスプレイに出力する機能を備えたものである請求項３に記載の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置。
5. 前記加速度計には３軸加速度計を用いるものである請求項１乃至４に記載の関節の衝撃緩衝組織劣化診断装置。