JP6393881B2

JP6393881B2 - ３次元形状作製方法

Info

Publication number: JP6393881B2
Application number: JP2014104245A
Authority: JP
Inventors: 淳 ▲高▼嶋; 潤硯川; 剛伸井上
Original assignee: Japan Health Sciences Foundation
Current assignee: Japan Health Sciences Foundation
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: JP2015217202A

Description

本発明は、身体の表面形状を直接計測することなく、被験者の身体の表面の３次元形状を作製する方法に関する。

褥瘡は、寝たきりや長時間の車いす上生活を強いられる高齢者や頚髄損傷患者等に多く発生する病気である。これは身体表面に高い圧力が掛かることによる血流阻害が主な要因と考えられている（非特許文献１）。

これを予防するために医療、介護施設では、接触圧力測定装置等を用いて体表面に掛かる圧力を測定し、クッションやマットレスの調整することで体重を支持する面積を増やして圧力を低く保つ努力が広く行われている。

しかし、身体は凹凸が多く、肩甲骨や坐骨、尾骨等骨が突出した部分もあり、その部分に圧力が集中しやすいため、その調整には多く時間と労力を要する。

また、非常に柔らかいばね定数の小さなクッションやマットレスを用いて身体に密着させることで体圧分散を実現する場合（非特許文献２）、その柔軟性により姿勢の維持が難しくなり、日々の生活に様々な制約が発生する。

近年、３次元造型機等複雑な形状を加工する技術が発達し、安価に入手可能になってきた。例えば、特許文献１には、立体形状モデルの断面形状マスクパターンに則してモデル材とサポート材とを積層し立体物を造形した後、当該立体物に電解質溶液を付着させることによって当該立体物からサポート材を除去する３次元造型方法が記載されている。

また例えば特許文献２には、３次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを取得するデータ取得手段と、粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成するとともに、硬化液を前記断面データに従って該粉体層に供給することにより、前記３次元物体の１層分の断面形状に相当する断面部材を形成する断面部材形成手段と、前記断面部材が形成された粉体層の上に新たな粉体層を形成し、該新たな粉体層に前記断面データに従って前記硬化液を供給することで新たな断面部材を形成して、先に形成された断面部材の上に順次積層することによって、前記３次元物体を造形するように前記断面部材形成手段を制御する制御手段と、を備える３次元造形装置が記載されている。

特開２０１１−０２０４１２号公報特開２０１２−０６６５９４号公報

EM Landis. Micro-injection studies of capillary blood pressure in human skin. Heart, Vol. 15, No. 15, pp. 209-228, 1930. E. McInnes, A. Jammali-Blasi, SEM Bell-Syer, JC Dumville,andN. Cullum. Support surfaces for pressure ulcer prevention.status and date: New search for studies and content updated(no change to conclusions), published in, 2011.

しかし、上述の技術では、身体の凹凸に合った３次元形状の作製は困難であり、特に臥位や座位での臀部や背部の形状の作製が困難である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、被験者の身体の表面の３次元形状を簡易且つ正確に作製する方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる３次元形状作製方法は、台座上に水平位にて位置する被験者の身体の複数の対象部位表面の圧力分布を接触圧センサで測定する圧力分布測定工程と、前記圧力分布測定工程で測定された前記被験者の各々の対象部位表面にかかる圧力と、前記接触圧センサの接触面積と、前記被験者の弾性組織のばね定数の逆数と、を乗じることにより、前記被験者の身体の各々の対象部位の変形量を算出する変形量算出工程と、前記変形量算出工程で算出された前記被験者の身体の各々の対象部位の変形量に基づいて３次元形状を作製する３次元形状作製工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、被験者の身体の表面の３次元形状を簡易且つ正確に作製することができる。

体圧分布の状態を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明するが、当該実施形態は本発明の原理の理解を容易にするためのものであり、本発明の範囲は、下記の実施形態に限られるものではなく、当業者が以下の実施形態の構成を適宜置換した他の実施形態も、本発明の範囲に含まれる。

（実施形態１）
本実施形態にかかる３次元形状作製方法は、圧力分布測定工程と、変形量算出工程と、３次元形状作製工程と、を有する。

圧力分布測定工程では、台座上に水平位にて位置する被験者の身体の対象部位表面の圧力分布を接触圧センサで測定する。

水平位は、身体の長軸を重力ベクトルに対して水平に静止させた姿勢であり、例えば仰臥位、背臥位又は側臥位であり、好ましくは仰臥位である。

被験者の身体の対象部位は、特に限定されるものではないが例えば被験者の背面である。

被験者の身体の対象部位表面の圧力分布は、接触圧センサにて測定される。接触圧センサはシート状であり、接触圧センサは、例えば、ポリエステルフィルム等のパッキングシート間に行電極及び列電極が設けられ、これらの電極は感圧抵抗性の特殊インクと電極のシルバーペースト（銀色）でコーティングされて格子状に印刷されて構成される。接触圧センサは、被験者の左右方向に横方向、身長方向に縦方向を合わせ、それぞれ、X軸,Y軸とする。

変形量算出工程では、下記式(1)に基づいて、被験者の身体の対象部位の変形量を算出する。

式１

h_h(x,y)＝(1/k_h)×s×p(x,y) ・・・式(1)
h_h(x,y):(x,y)位置にある被験者の身体の変形量
k_h:被験者の弾性組織のばね定数
s:接触圧センサの接触面積
p(x,y):(x,y)位置における圧力
３次元形状作製工程では、変形量算出工程で算出された前記被験者の身体の各々の対象部位の変形量に基づいて３次元形状を作製する。３次元形状の作製は特に限定されるものではなく、例えば３次元プリンタやCNC加工機等により作製することが可能である。

本実施形態にかかる発明によれば、身体の表面形状を直接計測することなく、被験者の身体の対象部位表面の３次元形状を簡易且つ正確に作製することができる。

（実施形態２）
本実施形態にかかる発明では、圧力分布測定工程で得られた圧力分布データを画像として表示し、その画像に対してスムージングの処理を行うスムージング処理工程を有する。

スムージングは、表示データのノイズ成分を低減させて、なめらかな測定結果を得るための処理である。スムージングを行うことにより、身体の対象部位表面の３次元形状をより滑らかに作製することが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態では、被験者と台座との間には弾性力を有する緩衝材が配置されており、この状態にて被験者の身体の対象部位表面の３次元形状を作製する。

圧力分布測定工程では、被験者の身体の対象部位表面の圧力分布と、緩衝材の圧力分布とを接触圧センサで測定する。緩衝材は特に限定されるものではなく、例えばマットレスである。

変形量算出工程では、実施形態１にて示されたように被験者の身体の対象部位の変形量を算出するともに、下記式(2)に基づいて緩衝材の変形量を算出する。

式２

h_m(x,y)＝(1/k_m)×s×p(x,y) ・・・式(2)
h_m(x,y):(x,y)位置にある緩衝材の変形量
k_m:緩衝材のばね定数
s:接触圧センサの接触面積
p(x,y):(x,y)位置における圧力
３次元形状作製工程では、下記式(3)に示すように、変形量算出工程で算出された被験者の身体の対象部位の変形量と緩衝材の変形量との和に基づいて３次元形状を作製する。

式３

h＝-(h_h(x,y)+h_m(x,y)) ・・・式(3)
これは、z=0を基準面として負の方向に凹んだ面の(x,y)座標の節点p(x,y)=(x,y,h(x,y))を表している。本実施形態にかかる発明によれば、被験者と台座との間に緩衝材が配置されており、被験者が緩衝材で保護された状態にて、身体の対象部位表面の３次元形状を作製できる。

（実施形態４）
上述の実施形態１〜３では、変形量算出工程においてばね定数を用いた。しかしながら、人体は部位毎の体組織の厚さが相違し、部位毎に体組織の内部組織構成が異なる上、そもそも人体はばねと異なり非線形の係数を有している。そこで、力-変位の特性を精密に計測し、非線形な係数を用いることも可能である。

(1)圧力分布測定工程
被験者の仰臥位における背中の圧力分布を測定した。マットレスを敷いた台座としての介護用ベッドに、被験者は仰臥位をとった。被験者の背中の下に、接触圧センサを引いた。接触圧センサとしては、XSENSOR社X3PROシートセンサを用いた。このシートセンサは、1/2インチ(=12.7mm)間隔に縦横それぞれ36列づつ、計1296個の計測点を持つものであった。シートセンサは、人間の左右方向に横方向、身長方向に縦方向を合わせ、それぞれ、X軸,Y軸とした。座標系はユークリッド座標、右手系を使用した。

計測は１フレーム/秒で１分間の計測を１試行とし、全60フレームの平均値を実験値として記録した。計測、評価ともに各10試行行った。その10試行の平均値を計測値とした。

なお、作製部材の評価時には、接触圧センサの下に作製部材を置き、作製部材の厚さの相当の板を臀部等に入れ、計測時と同じ姿勢になるよう高さ調整を行った。

(2)スムージング処理工程
接触圧センサでの計測は点における計測であるため、連続ではなく、離散的である。そのため、得られた離散的な高さをそのまま線形に接続すると、計測点で尖った形状になる。これでは、圧分散の役を果たせない虞もある。そこで、空間周波数を落とす平滑化処理を行った。具体的には、縦横ともに1/2ピッチの線形補間を行い、3×3のガウシアンフィルタをかけた。

(3)変形量算出工程
人体の弾性組織及びマットレスのばね定数は線形時不変と仮定し、それぞれの単位面積当たりのばね定数をk_h，k_m，(x,y)位置にある点の圧力をp(x,y)，センサの面積をsとした。

皮膚の変形量h_h(x,y)は下記式(1)で示された。

式４

h_h(x,y)＝(1/k_h)×s×p(x,y) ・・・式(1)
マットレスの変形量h_m(x,y)は下記式(2)で示された。

式５

h_m(x,y)＝(1/k_m)×s×p(x,y) ・・・式(2)
作製するべき曲面高さh(x,y)は下記式(3)で示された。

式６

h(x,y)＝-(h_h(x,y)+h_m(x,y)) ・・・式(3)
k_h，k_mは、下記に示す簡易計測で実験的に得た224[N/m]を用いた。
(a)質量:m=0.10[kg]，底面積:S=1.61×10^-4[m²]の錘を用意した。底面積は、使用した面状圧力センサのセンササイズ(12.7mm×12.7mm)に合わせた。
(b)測定部位と同じ弾力性を持つ部位として、前腕の内側を使用した。
(c)前腕に上記の錘を置き、沈んだ長さを計測した。沈んだ長さδd=4.4×10^-3[m]であった。
(d)この時の皮膚のばね定数k_h=mg/δd=224[N/m]であった。なお、gは重力加速度で9.8[m/s²]である。同様に、同じ錘を実験で使用するマットレスに置き、沈み量を計測すると、δd=4.4×10^-3[m]であったので、k_h=k_mとした。

(4)３次元形状作製工程
CNC加工機により３次元曲面を作製した。具体的には３次元加工機としてOneCNC社製，OneCNC XR5を用いて、ポリアセタール樹脂(0.3[m]×0.3[m]×0.05[m])に加工を行った。

３次元加工機へのデータ入力は下記に示すように行った。
(a)スムージングした圧力値から節点p(x,y)を算出した。
(b)３次元点列から３次元CADが読める形式にするために、節点p(x,y)及び隣接２点，p(x+0.0127,y)，p(x,y+0.0127)からなる３角形を作り面を構成し、これにより点列から面に変換した。
(c)構成した面を３次元CADが読める形式、即ちSTL形式に変換し、入力した。
(d)３次元CAD（OneCNC 社製，OneCNC XR5）を用いてスプライン曲線による補完を行い滑らかな曲面を作製した。

(5)３次元曲面の体圧分散効果の検証
作製した３次元曲面の体圧分散効果を調べた。具体的には下記３種類で体圧分布を計測した。
(i)被験者と介護用ベッドとの間にマットレスを配置した場合のマットレス面
(ii)被験者と介護用ベッドとの間に直方体形状の非加工樹脂を配置した場合の樹脂非加工面
(iii)被験者と介護用ベッドとの間に３次元曲面を加工した樹脂を配置した場合の樹脂加工面
上記の(i)(ii)(iii)における体圧分布図を図１に示す。(i)のマットレスは表面が柔らかいため、腰のあたりまで接触していた。一方、(ii)の非加工面では、肩甲骨のみが接触し高い圧力が発生していることがわかった。(iii)の加工面では、背中全体が当たり均一に圧力が発生していることが分かった。その一方で(i)と異なり腰のあたりに圧力が発生していないが、これは、樹脂加工面が腰まで届いていないからと考えられた。

下記表１に各条件における接触面積と平均圧力、圧力の標準偏差を示す。接触面積はマットレスが一番大きく、加工面、非加工面の順となっていた。加工面はマットレスには及ばないが、接触面積を大きくすることに成功していることが判明した。それに伴い平均圧力も同じ傾向を示していた。一方、標準偏差は、加工面が一番小さく、設計目標通り接触圧力の均一化が実現できていることが判明した。

介護用ベッドや車椅子の背もたれの形状の作製に利用できる。

Claims

台座上に水平位にて位置する被験者の身体の複数の対象部位表面の圧力分布を接触圧センサで測定する圧力分布測定工程と、
前記圧力分布測定工程で測定された前記被験者の各々の対象部位表面にかかる圧力と、前記接触圧センサの接触面積と、前記被験者の弾性組織のばね定数の逆数と、を乗じることにより、前記被験者の身体の各々の対象部位の変形量を算出する変形量算出工程と、
前記変形量算出工程で算出された前記被験者の身体の各々の対象部位の変形量に基づいて３次元形状を作製する３次元形状作製工程と、を有することを特徴とする被験者の身体の表面の３次元形状作製方法。
前記圧力分布測定工程で得られた圧力分布データを画像として表示し、その画像に対してスムージングの処理を行うスムージング処理工程を有することを特徴とする請求項１に記載の被験者の身体の表面の３次元形状作製方法。
前記被験者と前記台座との間には弾性力を有する緩衝材が配置されており、
前記圧力分布測定工程では、前記被験者の身体の複数の対象部位表面の圧力分布と、前記緩衝材の圧力分布とを接触圧センサで測定し、
前記変形量算出工程では、
前記被験者の身体の各々の対象部位の変形量を算出すると共に、前記圧力分布測定工程で測定された前記緩衝材にかかる圧力と、前記接触圧センサの接触面積と、前記緩衝材のばね定数の逆数と、を乗じることにより、前記緩衝材の変形量を算出し、
前記３次元形状作製工程では、前記変形量算出工程で算出された前記被験者の身体の各々の対象部位の変形量と前記緩衝材の変形量との和に基づいて３次元形状を作製することを特徴とする請求項１又は２に記載の被験者の身体の表面の３次元形状作製方法。
台座上に位置する前記被験者の身体の姿勢は仰臥位であり、
前記対象部位は前記被験者の背面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の被験者の身体の表面の３次元形状作製方法。