JP6756787B2 - 筋力特性取得方法、及び、筋力特性取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、人や動物等の肢体の筋力特性を評価するための筋力特性評価方法に関する。

上肢又は下肢等の２関節を含む肢体の２次元面内での運動に寄与する筋を評価するためのモデルであって、肢体に設けられた筋を第１拮抗一関節筋対、第２拮抗一関節筋対、拮抗二関節筋対に分類した３対６筋群モデルが知られている（例えば、非特許文献１）。３対６筋群モデルにおいて、肢体の先端で発揮することのできる最大出力は各筋の最大出力を足し合わせた６角形の最大出力分布として表される。

３対６筋群モデルに基づいて、被験者の筋力特性を評価する筋力特性評価方法が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、上記２次元面内の所定の４方向の出力に基づいて、最大出力分布が求められる（４点測定法）。更に、特許文献１では、最大出力分布に基づいて各筋の最大出力を算出され、算出された各筋の最大出力は、リハビリテーションやスポーツの筋力評価、トレーニング指導評価等に利用される。

特開２０００−２１０２７２号公報

大島徹，藤川智彦，熊本水頼、「一関節筋および二関節筋を含む筋座標系による機能別実効筋力評価−出力分布の簡便な測定法」、精密工学会誌，Ｖｏｌ．６７，Ｎｏ．６，ｐ．９４３―９４８（２００１）

特許文献１に記載された４点測定法では、４方向の最大出力に基づいて６角形の最大出力分布が求められているため、データの点の数が少なく、取得される最大出力分布の再現性や信頼性が乏しいという問題がある。

本発明は、以上の背景を鑑み、取得される最大出力分布の再現性や信頼性に優れた筋力特性評価方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明のある態様は、第１関節（Ｊ_１）により支持された基端を有する第１杆（Ｌ_１）と前記第１杆の遊端に第２関節（Ｊ_２）を介して支持された第２杆（Ｌ_２）とを有する肢体（３）の筋力特性を、前記第１関節を跨ぐ第１拮抗一関節筋対（ｅ_１，ｆ_１）、前記第２関節を跨ぐ第２拮抗一関節筋対（ｅ_２，ｆ_２）、及び前記両関節を跨ぐ拮抗二関節筋対（ｅ_３，ｆ_３）からなる筋群モデルに基づいて評価する筋力特性評価方法であって、前記両杆により画定される面（Ｈ）内に於ける前記第２杆の遊端の少なくとも１つの所定の方向への最大出力（Ｆ_１、Ｆ_２，Ｆ_３、Ｆ_４）を測定するステップ（ＳＴ１）と、前記面内に於ける前記第２杆の遊端の全方向への周回出力（Ｓ）を測定するステップ（ＳＴ２）と、前記所定の方向への最大出力と前記周回出力とに基づいて、前記筋群モデルの各筋の寄与に対応する６角形の最大出力分布（Ｑ）を作成するステップ（ＳＴ３、ＳＴ４）とを含むことを特徴とする。

この構成によれば、周回出力を最大出力に基づいて拡大することによって、最大出力分布を取得することができ、且つ、最大出力及び周回出力を組み合わせることによって、最大出力分布の再現性や信頼性を高めることができる。

上記の態様において、前記最大出力分布から前記筋群モデルの各筋の寄与量を算出するステップを更に含むとよい。

この構成によれば、筋群モデルの各筋の寄与量が算出されるため、実際の被験者の筋力特性に近い筋群モデルが構築できる。これにより、増強すべき筋を特定することができるため、リハビリテーションやスポーツの筋力評価に活用することができる。

上記の態様において、前記最大出力を測定するステップ及び前記周回出力を測定するステップが、前記第１関節及び前記第２関節を、それぞれ所定の角度で保持した状態で実行されるとよい。

この構成によれば、最大出力及び周回出力を測定するときに第１関節の角度及び第２関節の角度が保持されるため、被験者の姿勢が変化し難くなり、最大出力分布の再現性及び信頼性をより高めることができる。

上記の態様において、前記最大出力を測定するステップが、２つ以上の異なる方向毎に測定され、前記最大出力と前記周回出力とに基づいて、６角形の前記最大出力分布を作成するステップに於いて、前記周回出力を前記異なる方向に応じた前記最大出力に合わせて拡大補正するとよい。

この構成によれば、複数の最大出力に基づいて周回出力の向きに依存した拡大率を設定することができるため、拡大周回出力を測定された複数の最大出力により近づけることができる。これにより、拡大周回出力をより実際の最大出力分布に近づけることができ、測定によって得られる最大出力分布の再現性や信頼性を高めることができる。

以上の構成によれば、取得される最大出力分布の再現性や信頼性に優れた筋力特性評価方法を提供することができる。

上肢に対する３対６筋群モデルの説明図 上肢先端における最大出力分布の説明図 測定装置の説明図 測定装置のブロック図 筋力評価処理のフローチャート 近似処理のフローチャート ４点測定法によって得られた４つの最大出力の測定結果を示す図 周回出力の測定結果を示す図 （Ａ）拡大周回出力の算出方法を説明するための説明図、及び（Ｂ）拡大率の方向依存性を示すグラフ 近似処理における処理を説明するための説明図 算出された最大出力分布、及び算出された各筋の機能的実効筋力を示す図 第２実施形態に係る筋力評価処理の線形変換処理のフローチャート 線形変換処理を説明するための説明図 拡大周回出力の算出方法の変形例を説明するための説明図

以下では、本発明に係る筋力特性評価方法を、人の右側上肢の筋力特性を評価するために用いた２つの実施形態について、図面を参照して説明する。

＜＜第１実施形態＞＞
筋力特性評価方法は、公知の３対６筋モデルに基づく。３対６筋モデルとは、上肢や下肢等の２関節（肩関節と肘関節、股関節と膝関節）を含む肢体の２次元的な運動において、肢体の先端（手根関節部、足根関節部）での出力に寄与する筋をモデル化したものである。以下ではまず、３対６筋モデルを、本発明に必要な範囲で説明する。

３対６筋モデルにおいて、図１に示すように、被験者１の上肢２や下肢等の肢体３は、基体Ｌ_０に第１関節Ｊ_１により枢支（支持）された基端を有する第１杆Ｌ_１と、第１杆Ｌ_１の遊端に第２関節Ｊ_２を介して枢支（支持）された第２杆Ｌ_２とを有する２関節リンク機構６としてモデル化される。より具体的には、上肢がモデル化される場合には、基体Ｌ_０は肩甲骨、第１関節Ｊ_１は肩関節に、第１杆Ｌ_１は上腕骨に、第２関節Ｊ_２は肘関節に、第２杆Ｌ_２は橈骨及び尺骨の少なくとも一方にそれぞれ対応する。また、第２杆Ｌ_２の遊端Ｊ_３は手根関節部に対応する。以下では、第２杆Ｌ_２の遊端Ｊ_３を肢先端Ｊ_３と記載する。

肢体３の第１関節Ｊ_１、第２関節Ｊ_２、及び肢先端Ｊ_３を含む２次元面内での運動に寄与する筋をモデル化した３対６筋群モデルは、第１関節Ｊ_１に跨る第１拮抗一関節筋対ｆ_１，ｅ_１、第２関節Ｊ_２に跨る第２拮抗一関節筋対ｆ_２，ｅ_２、及び両関節Ｊ_１，Ｊ_２に跨る拮抗二関節筋対ｆ_３，ｅ_３からなる。

第１拮抗一関節筋対ｆ_１，ｅ_１は第１関節Ｊ_１を屈曲させる筋ｆ_１と、第１関節Ｊ_１を伸展させる筋ｅ_１とからなる。第１拮抗一関節筋対の筋ｆ_１，ｅ_１は一端において基体Ｌ_０に、他端において第１杆Ｌ_１にそれぞれ付着され、第１関節Ｊ_１を跨ぐように設けられている。第１拮抗一関節筋ｆ_１は例えば三角筋前部に対応し、第１拮抗一関節筋ｅ_１は例えば三角筋後部に対応している。

第２拮抗一関節筋対ｆ_２，ｅ_２は第２関節Ｊ_２を屈曲させる筋ｆ_２と、第２関節Ｊ_２を伸展させる筋ｅ_２とからなる。第２拮抗一関節筋対の筋ｆ_２，ｅ_２は一端において第１杆Ｌ_１に、他端において第２杆Ｌ_２にそれぞれ付着され、第２関節Ｊ_２を跨ぐように設けられている。第２拮抗一関節筋対ｆ_２は例えば上腕筋に対応し、第２拮抗一関節筋ｅ_２は例えば上腕三頭筋外側頭に対応している。

拮抗二関節筋対ｆ_３，ｅ_３は第１関節Ｊ_１及び第２関節Ｊ_２を同時に屈曲させる筋ｆ_３と、第１関節Ｊ_１及び第２関節Ｊ_２を同時に伸展させる筋ｅ_３とからなる。拮抗二関節筋対ｆ_３，ｅ_３は一端において基体Ｌ_０に、他端において第２杆Ｌ_２にそれぞれ付着され、それぞれ第１関節Ｊ_１及び第２関節Ｊ_２を跨ぐように設けられている。拮抗二関節筋ｆ_３は例えば上腕二頭筋に対応し、拮抗二関節筋ｅ_３は例えば上腕三頭筋長頭に対応している。

第１拮抗一関節筋対ｆ_１，ｅ_１、第２拮抗一関節筋対ｆ_２，ｅ_２、及び拮抗二関節筋対ｆ_３，ｅ_３の出力の組み合わせによって、肢先端Ｊ_３における出力の大きさ及び向きが定まる。第１拮抗一関節筋ｆ_１が肢先端Ｊ_３に出力する最大出力をＦ_ｆ１、第１拮抗一関節筋ｅ_１が肢先端Ｊ_３に出力する最大出力をＦ_ｅ１、第２拮抗一関節筋ｆ_２が肢先端Ｊ_３に出力する最大出力をＦ_ｆ２、第１拮抗一関節筋ｅ_２が肢先端Ｊ_３に出力する最大出力をＦ_ｅ２、拮抗二関節筋ｆ_３が肢先端Ｊ_３に出力する最大出力をＦ_ｆ３、拮抗二関節筋ｅ_３が肢先端Ｊ_３に出力する最大出力をＦ_ｅ３とすると、これら３対６筋によって肢先端Ｊ_３に得られる最大の出力の分布図（以下、最大出力分布）は図２に示すように、各筋の寄与に対応する６角形ＡＢＣＤＥＦによって簡易的に表される。ただし、各筋の最大出力（以下、機能的実効筋力）とは各筋が発揮（出力）できる最も大きな力であり、第１杆Ｌ_１及び第２杆Ｌ_２で画定される面内のベクトルによって表される。６角形ＡＢＣＤＥＦの算出方法の詳細については公知であるためここでは割愛するが、例えば、上記した非特許文献１を参照するとよい。

６角形ＡＢＣＤＥＦにおいて、辺ＡＢ、辺ＤＥ、及び第２杆Ｌ_２は互いに平行であり、辺ＣＤ、辺ＦＡ、及び第１杆Ｌ_１は互いに平行である。また、辺ＢＣと、辺ＥＦと、肢先端Ｊ_３及び第１関節Ｊ_１を結ぶ直線とは互いに平行である。図３の点Ａでの出力Ｆ_Ａ、点Ｂでの出力Ｆ_Ｂ、点Ｃでの出力Ｆ_Ｃ、点Ｄでの出力Ｆ_Ｄ、点Ｅでの出力Ｆ_Ｅ、及び点Ｆでの出力Ｆ_Ｆはそれぞれ、以下の式（１）によって表される。各筋の機能的実効筋力Ｆ_ｆ１、Ｆ_ｆ２、Ｆ_ｆ３、Ｆ_ｅ１、Ｆ_ｅ２、及びＦ_ｅ３は、６角形ＡＢＣＤＥＦから式（１）を用いて算出することが可能である。

次に、図３を参照して、第１実施形態に係る筋力特性評価方法を実施するための測定装置１０について説明する。測定装置１０は着座部と、着座部の後部に結合された背凭れ１１と、背凭れ１１に一端において結合された第１リンク１２と、第１リンク１２の他端に結合された第２リンク１３と、演算装置１４（図４参照）とを備えている。

第１リンク１２は略水平をなし、一方向に延びた棒状の部材である。第１リンク１２は、延在方向の一端側において、背凭れ１１に上下方向に延びる軸線Ｘを中心に回動可能に結合されている。第１リンク１２には、第１リンク１２の延在方向における長さを変化させる第１アクチュエータ１６、及び第１アクチュエータ１６の駆動を制御する第１制御装置１７が設けられている。第１リンク１２と背凭れ１１との間には、第１リンク１２の背凭れ１１に対する回転角度を測定する第１角度センサ１８と、第１リンク１２が背凭れ１１に対して回動しないようにロックする公知の第１ロック機構１９が設けられている。

第２リンク１３もまた略水平をなし、一方向に延びた棒状の部材である。第２リンク１３は延在方向の一端側において、第１リンク１２の延在方向の他端側に上下方向に延びる軸線Ｙを中心に回動可能に結合されている。第２リンク１３には、第２リンク１３の延在方向における長さを変化させる第２アクチュエータ２６、及び第２アクチュエータ２６の駆動を制御する第２制御装置２７が設けられている。第１リンク１２と第２リンク１３との間には第２リンク１３の第１リンク１２に対する回転角度を測定する第２角度センサ２８と、第２リンク１３が第１リンク１２に対して回動しないようにロックする公知の第２ロック機構２９が設けられている。第２リンク１３には被験者１の前腕３０を固定するためのベルト３１（固定具）がその延在方向に間隔をおいて複数設けられている。

第２リンク１３の他端側、すなわち遊端側には、力センサ３２が設けられている。力センサ３２は上面に加わる面内方向の力を検出する公知のセンサであり、その上面が第２リンク１３の上面と面一となり、且つ略水平をなすように配置されている。力センサ３２としては、例えば、静電容量型のセンサであるとよい。本実施形態では、力センサ３２は、図５に示すように、力センサ３２の上面に加わる力のベクトルＦを、背凭れ１１に略平行であり、被験者１の右側を向くｘ軸方向の力の成分Ｆｘと、ｘ軸に垂直であり被験者１の前方を向くｙ軸方向の力の成分Ｆｙとに分けて出力する。力センサ３２によって測定される力のベクトルは、力センサ３２の上面を原点Ｏとし、略水平な面内に定義されるｘｙ座標上の一つの点（Ｆｘ，Ｆｙ）に対応している。

演算装置１４は、図４に示すように、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの演算処理を行う演算処理部３５と、メモリ及びハードディスクなどの情報を保持する記憶部３６と、及び、ディスプレイ３７Ａ、スピーカ３７Ｂ等の出力部３７と、入力部３８とを備えたコンピュータである。演算装置１４は入力部３８において、第１角度センサ１８、第２角度センサ２８、第１制御装置１７、第２制御装置２７及び力センサ３２に所定のケーブルを介して接続されている。

被験者１の上肢２の筋力を評価するときには、被験者１は着座部に着座した後、自らの背中を背凭れ１１に沿うように配置し、胴体をベルト等によって背凭れ１１に固定する。これにより、被験者の胴体が移動することがなく、筋力特性評価をより適切に行うことができる。その後、被験者１は上腕４０を第１リンク１２の上面に沿って配置し、前腕３０を第２リンク１３の上面に沿って配置する。このとき、被験者１は肩関節（第１関節）Ｊ_１が軸線Ｘに整合し、肘関節（第２関節）Ｊ_２が軸線Ｙに整合し、且つ手根関節部（肢先端）Ｊ_３が力センサ３２の上面に接するように、第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ２６を駆動させて、第１リンク１２及び第２リンク１３の長さを調節するとよい。次に、被験者１はベルト３１を用いて、前腕３０を第２リンク１３に固定し、各ロック機構１９、２９によって各リンク１２，１３が回動しないようにロックする。その後、演算装置１４は筋力評価処理を実行する。

筋力評価処理が実行される間、被験者１の上腕骨（第１杆）Ｌ_１、橈骨及び尺骨（第２杆）Ｌ_２は略水平な測定面Ｈ（図８参照）に沿って配置される。また、各ロック機構１９、２９によるロック、及びベルト３１によって、被験者１の肩関節Ｊ_１（第１関節）の角度、及び肘関節Ｊ_２（第２関節）はそれぞれ所定の角度で保持された状態となり、被験者１の姿勢は一定に保たれる。また、筋力評価処理が実行される前に、演算装置１４はスピーカ３７Ｂから発する音声によって、被験者１に手のひらを下に向けるように指示をするとよい。

筋力評価処理時において、演算装置１４は入力部３８において第１角度センサ１８からの信号を受信し、受信した信号に基づいて、被験者１の第１関節Ｊ_１（肩関節）の角度δ_１（図３参照）を算出することができる。また、演算装置１４は入力部３８において第２角度センサ２８からの信号を受信し、受信した信号に基づいて、被験者１の第２関節Ｊ_２（肘関節）の角度δ_２（図３参照）を算出することができる。演算装置１４は入力部３８において第１制御装置１７からの信号を受信し、受信した信号に基づいて、被験者１の上腕４０、すなわち第１杆Ｌ_１の長さｌ_１（図３参照）を算出することができる。演算装置１４は入力部３８において第２制御装置２７からの信号を受信し、受信した信号に基づいて、被験者１の前腕３０、すなわち第２杆Ｌ_２の長さｌ_２（図３参照）を算出することができる。

次に、演算装置１４において実行される筋力評価処理について図５を参照して説明する。

筋力評価処理の最初のステップＳＴ１において、演算装置１４は被験者１に４つの方向に最大出力を発揮させるべく指示することによって、４方向の最大出力の測定を行う。４方向の最大出力の測定は特許文献１に記載された４点測定法と同様であってよい。具体的には、まず、演算装置１４は、肢先端Ｊ_３に第２関節Ｊ_２が伸展する向き（以下、第1の方向）の力を所定の計測時間内に最大限発揮するように被験者１に指示をする。第１の方向は上腕４０（第１杆Ｌ_１）及び前腕３０（第２杆Ｌ_２）により画定される面、すなわち測定面Ｈ内で定義され、概ね被験者１の前方向である。被験者１への指示は、ディスプレイ３７Ａへの表示やスピーカ３７Ｂからの音声によって行われるとよい。被験者１が肢先端Ｊ_３に発揮した力は力センサ３２の上面に加えられる。演算装置１４は力センサ３２からの出力に基づいて、その計測時間内に力センサ３２の上面に加えられた最も大きい力のベクトルＦ_１を抽出して記憶する。次に、肢先端Ｊ_３に第２関節Ｊ_２が屈曲する向き、すなわち第1の方向と逆向きの力を所定の計測時間内に最大限発揮するように被験者１に指示をする。演算装置１４はその計測時間内に力センサ３２の上面に加えられた最も大きい力のベクトルＦ_３を抽出して記憶する。

次に、演算装置１４は、測定面Ｈに平行であり、Ｆ_１とＦ_３の差分（Ｆ_１―Ｆ_３）に直交し、且つ、第１関節Ｊ_１及び第２関節Ｊ_２が共に伸展する向きの第２の方向を算出する。更に、演算装置１４は、肢先端Ｊ_３に第２の方向の力を所定の計測時間内に最大限発揮するように被験者１に指示をする。演算装置１４は、力センサ３２からの出力に基づいて、その計測時間内に力センサ３２の上面に加えられた最も大きい力のベクトルＦ_２を抽出して記憶する。次に、演算装置１４は、肢先端Ｊ_３に第２の方向の逆向きの力を所定の計測時間内に最大限発揮するように被験者１に指示をする。演算装置１４は力センサ３２からの出力に基づいて、その計測時間内に力センサ３２の上面に加えられた最も大きい力のベクトルＦ_４を抽出して記憶し、ステップＳＴ１を完了する。図７に示すように、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３及びＦ_４の４つの力のベクトルはそれぞれ、ｘｙ座標における４つの点に対応している。

ステップＳＴ１が完了すると、演算装置１４はステップＳＴ２を実行する。ステップＳＴ２において、演算装置１４は測定面Ｈ内における肢先端Ｊ_３の全方向への周回出力Ｓを測定する。より具体的には、演算装置１４は被験者１に所定の計測時間（例えば５秒〜１０秒）をかけて、肢先端Ｊ_３から力センサ３２の上面、すなわち測定面Ｈ内に沿って周方向、すなわち３６０度向きを変えながら力を加えるように指示をする。本実施形態では、演算装置１４は上面視右回りに向き（図８の矢印の向き）を変えながら力を加えるように被験者１に指示を行う。このとき、演算装置１４は被験者１に力センサ３２の上面に可能な限りの力を加えるように指示することを要しない。演算装置１４は力センサ３２からの出力に基づいて、その計測時間内において所定のタイミング毎に力センサ３２の上面に加えられている力のベクトルを取得する。更に、演算装置１４は計測時間内に取得した力のベクトルの群を周回出力Ｓとして記憶し、ステップＳＴ２を完了する。周回出力Ｓはｘｙ座標において概ね環状に配置された点の群（図８参照）に対応する。

ステップＳＴ２が完了すると、演算装置１４はステップＳＴ３を実行する。ステップＳＴ３において、演算装置１４は最大出力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、及びＦ_４のそれぞれの点に対して、原点Ｏを基点とし、各点を通って外方に延びる半直線ＯＦ_１、半直線ＯＦ_２、半直線ＯＦ_３及び半直線ＯＦ_４をそれぞれ算出する。次に、演算装置１４は最大出力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、及びＦ_４のそれぞれの点に対して、周回出力Ｓの中から対応する半直線に最も近い点を抽出する。その後、演算装置１４は抽出された点と原点Ｏとの距離と、対応する最大出力の大きさとの比α_１、α_２、α_３、及びα_４を算出する。例えば、最大出力Ｆ_１に対して、半直線ＯＦ_１に最も近い点がＦ_１'であるときには、α_１は、α_１＝｜Ｆ_１｜／｜Ｆ_１'｜と表される。但し、｜ｘ｜は原点Ｏからの距離（すなわち、力のベクトルの大きさ）を表す。

次に最大出力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、及びＦ_４のそれぞれに対して、ｘ軸に対する角度θ_１、θ_２、θ_３、及びθ_４を算出する。周回出力Ｓの各点Ｆ_Ｓに対して、その点と原点Ｏとを結んだ直線とｘ軸とのなす角度θを算出し、下の式（２）に基づいて、周回出力Ｓに含まれる力のベクトルＦ_Ｓのそれぞれに対する拡大率ｋを算出する。

拡大率ｋは、図９（Ａ）に示す半直線ＯＦ_１及び半直線ＯＦ_２によって挟まれる領域Ｉと、半直線ＯＦ_２及び半直線ＯＦ_３によって挟まれる領域ＩＩと、半直線ＯＦ_３及び半直線ＯＦ_４とによって挟まれる領域ＩＩＩと、半直線ＯＦ_４及び半直線ＯＦ_１とによって挟まれる領域ＩＶのそれぞれにおいて、式（２）に示す角度θの一次関数で表されている。また、図９（Ｂ）にはｋとθの関係が示されている。拡大率ｋは、各領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、及びＩＶ内において、境界における拡大率α_１、α_２、α_３、及びα_４を用いてｘ軸に対する角度θに対して線形に補完したものに相当している。

次に、演算装置１４は、周回出力Ｓに含まれる力のベクトルそれぞれに対して、対応する拡大率ｋを掛けることによって、周回出力Ｓを拡大補正し、拡大周回出力Ｐ（図９（Ａ）参照）を算出する。演算装置１４は算出された拡大周回出力Ｐを記憶して、ステップＳＴ３を完了する。

ステップＳＴ３が完了すると、演算装置１４はステップＳＴ４を実行する。演算装置１４はステップＳＴ４において、拡大周回出力Ｐから最大出力分布Ｑに対応する６角形を作成する。より具体的には、演算装置１４は、拡大周回出力Ｐに基づいて６角形を構成する６つの辺の近似直線を算出する近似処理を行う。以下では、図６を参照して、近似処理の詳細を説明する。

近似処理の最初のステップＳＴ１１において、演算装置１４は、まず、第１角度センサ１８の出力に基づいて第１関節Ｊ_１（肩関節）の角度δ_１を算出し、第２角度センサ２８の出力に基づいて第２関節Ｊ_２（肘関節）の角度δ_２を算出する。次に、演算装置１４は、第１制御装置１７の出力に基づいて前腕３０（第１杆Ｌ_１）の長さｌ_１を算出し、第２制御装置２７の出力に基づいて上腕４０（第２杆Ｌ_２）の長さｌ_２を算出する。その後、演算装置は、δ_１、δ_２、Ｌ_１及びＬ_２に基づいて、導出すべき近似直線に対応する辺の理論上の傾きを算出する。導出すべき近似直線に対応する辺の傾きは、図２に示すように、辺ＡＢが第２杆Ｌ_２に平行であり、辺ＣＤが第１杆Ｌ_１に平行であり、辺ＢＣが肢先端Ｊ_３と第１関節Ｊ_１とを結ぶ直線に平行であることを用いて算出されるとよい。図１０（Ａ）には、例として、辺ＡＦに対して算出された理論上の傾きを有し、原点Ｏを通る直線５０Ａが図示されている。

ステップＳＴ１１が完了すると、演算装置１４はステップＳＴ１２を実行する。ステップＳＴ１２において、演算装置１４は、まず、ステップＳＴ１１において算出された傾きを有する直線５０Ａに直交し、且つ、原点Ｏを通る直線５０Ｂを求める（図１０（Ａ））。次に、拡大周回出力Ｐに含まれる各点から、求められた直線５０Ｂに垂線を引き、その交点を求める。求められた交点の中から、原点Ｏから最も遠く、且つ、導出すべき近似直線に対応する辺（辺ＡＢ）の側に位置する点を最大点５１として抽出する（図１０（Ｂ））。演算装置１４は抽出された最大点５１を記憶し、ステップＳＴ１２を完了する。

ステップＳＴ１２が完了すると、演算装置１４はステップＳＴ１３を実行する。ステップＳＴ１３において、演算装置１４は最大点５１を通り、ステップＳＴ１１において算出された理論上の傾きを有する第１仮想線５２と、第１仮想線５２に平行であり、第１仮想線５２に直交する方向に所定の値（例えば、５０Ｎ）原点Ｏの側に位置する第２仮想線５３を算出する（図１０（Ｃ））。次に演算装置１４は拡大周回出力Ｐの中から、第１仮想線５２と第２仮想線５３との間に位置する点を、フィティング用の点列Ｒとして抽出して記憶し、ステップＳＴ１３を完了する。

ステップＳＴ１３が完了すると、演算装置１４はステップＳＴ１４を実行する。ステップＳＴ１４において、演算装置１４はフィティング用の点列Ｒを直線でフィティングすることによって、近似直線５５を算出し（図１０（Ｄ））、近似処理を終える。

演算装置１４は、６角形を構成する６つの辺それぞれについて近似処理を行うことによって、６つの近似直線５５〜６０を算出する。これにより、演算装置１４は、図１１に示すように、６角形の最大出力分布Ｑを取得する（ステップＳＴ４）。最大出力分布Ｑを取得した後、演算装置１４はステップＳＴ５において、最大出力分布Ｑから、式（１）に基づいて、各筋の機能的実効筋力Ｆ_ｆ１、Ｆ_ｆ２、Ｆ_ｆ３、Ｆ_ｅ１、Ｆ_ｅ２、及びＦ_ｅ３を算出する。また、演算装置１４は、各筋の機能的実効筋力Ｆ_ｆ１、Ｆ_ｆ２、Ｆ_ｆ３、Ｆ_ｅ１、Ｆ_ｅ２、及びＦ_ｅ３を、６角形ＡＢＣＤＥＦ、及び式（１）に加えて、拮抗する２つの筋力の大きさの比率、例えば、｜Ｆ_ｆ１|／（｜Ｆ_ｆ１｜＋｜Ｆ_ｅ１｜）等に適宜の数値を設定することによって算出してもよい。次に、演算装置１４は算出された各筋の機能的実効筋力の大きさ、｜Ｆ_ｆ１｜、｜Ｆ_ｆ２｜、｜Ｆ_ｆ３｜、｜Ｆ_ｅ１｜、｜Ｆ_ｅ２｜、及び｜Ｆ_ｅ３｜をディスプレイ３７Ａに表示して、筋力評価処理を終了する。

次に、このように構成した筋力特性評価方法の効果について説明する。同一の被験者１に対して、４つの最大出力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３及びＦ_４に基づいて各筋の機能的実効筋力を算出する４点測定法と本発明に係る筋力特性評価方法とを、それぞれ５回ずつ行って、各回において各筋の機能的実効筋力の大きさを算出した。表１には４点測定法によって算出された各回の各筋の機能的実効筋力の大きさと、５回の測定によって得られた各筋の機能的実効筋力の大きさの標準偏差を示した。表２には本発明に係る筋力特性評価方法によって算出された各回の各筋の機能的実効筋力の大きさ、５回の測定によって得られた各筋の機能的実効筋力の大きさの標準偏差を示した。

表１及び表２に示すように、本実施形態に係る筋力特性評価方法によって求めた場合の標準偏差は、ｆ_１及びｆ_２を除く４つの筋において、４点測定法で求めた場合の標準偏差よりも小さい。また、表１に基づいて、４点測定法によって求めた場合の標準偏差の平均値を算出すると、その平均値は２９．６５となった。一方、表２に基づいて、本実施形態に係る筋力特性評価方法によって求めた場合の標準偏差の平均値を算出すると、その平均値は２６．２８となった。これらから、本実施形態に係る筋力特性評価方法によって求めた場合の測定結果のばらつきが、４点測定法で求めた場合に比べて抑えることができることが確認できる。このように、本発明の筋力評価方法では、最大出力Ｆ_１〜Ｆ_４に周回出力Ｓを加えることによって、４点測定法よりも最大出力分布Ｑの再現性や信頼性を高めることができる。

更に、本実施形態では、ステップＳＴ１において、２つ以上の４つの異なる方向毎に最大出力Ｆ_１〜Ｆ_４が測定され、ステップＳＴ３において、異なる方向に応じた最大出力Ｆ_１〜Ｆ_４に合わせて、周回出力Ｓの各点に対してその方向に依存した拡大率ｋが設定されている。この拡大率ｋに応じて周回出力Ｓが拡大補正されて、拡大周回出力Ｐが算出されている。すなわち、周回出力Ｓが測定された複数の最大出力Ｆ_１〜Ｆ_４に近づけるように拡大変形されているため、取得された拡大周回出力Ｐが実際の最大出力分布に近づく。これにより、拡大周回出力Ｐに基づいて得られる最大出力分布Ｑの再現性や信頼性を高めることができる。

本実施形態では、最大出力分布Ｑに基づいて、筋群モデルの機能的実効筋力Ｆ_ｆ１、Ｆ_ｆ２、Ｆ_ｆ３、Ｆ_ｅ１、Ｆ_ｅ２、及びＦ_ｅ３、すなわち、各筋の寄与量である最大出力が算出される。これによって、被験者１の筋力特性に近い筋群モデルが構築できる。これにより、例えば、リハビリテーションにおいて増強すべき筋を特定することが容易になる。また、複数のスポーツ選手に対して、本発明を実施することによって、各選手の筋群モデルに基づいた筋力評価を行うことができる。これにより、その評価に基づいたトレーニングを実施することが可能となる。

＜＜第２実施形態＞＞
次に、第２実施形態に係る筋力特性評価方法について説明する。第２実施形態に係る筋力特性評価方法は第１実施形態と同様の構成を有する測定装置によって実行され、測定装置が実行する筋力評価処理はステップＳＴ３を除いて第１実施形態と同じである。よって、以下ではステップＳＴ３の詳細について説明し、他の説明については省略する。

ステップＳＴ３において、演算装置１４は第１実施形態と同様に、α_１、α_２、α_３、及びα_４を算出する。次に、演算装置１４は、周回出力Ｓに含まれる力のベクトルＦ_Ｓそれぞれに対して、所定の線形変換処理を行ってＦ_ｐに変換し、Ｆ_ｐの集合を拡大周回出力Ｐとして出力する。以下では、線形変換処理の詳細について、図１２を参照して説明する。

演算装置１４は線形変換処理の最初のステップＳＴ２１において、Ｆ_Ｓが図９に示す領域Ｉ〜ＩＶのうち、どの領域に属するかを判別する。以下では、Ｆ_Ｓが属する領域を領域ｒと記載して説明を行う。

次に演算装置１４はステップＳＴ２２において、領域ｒの境界を決める力のベクトルＦ_ｉ及びＦ_ｊを導出する。より具体的には、領域Ｉの境界を決める力のベクトルはＦ_１及びＦ_２であり、領域ＩＩの境界を決める力のベクトルはＦ_２及びＦ_３であり、領域ＩＩＩの境界を決める力のベクトルはＦ_３及びＦ_４であり、領域ＩＶの境界を決める力のベクトルはＦ_４及びＦ_１である。その後、演算装置１４は、抽出された力のベクトルＦ_ｉのｘ成分（Ｆ_ｉｘ）及びｙ成分（Ｆ_ｉｙ）と、Ｆ_ｊのｘ成分（Ｆ_ｊｘ）及びｙ成分（Ｆ_ｊｙ）とを用いて、以下の変換行列Ｔを算出する。

変換行列Ｔは、ベクトルＦ_ｉに沿う方向の単位ベクトルｅ_ｉとベクトルＦ_ｊに沿う方向の単位ベクトルｅ_ｊとを基底ベクトルとする座標系上で表される力のベクトルを、ｘｙ座標系での力のベクトルに変換する行列である。変換行列の第１列目は、ｅ_ｉをｘｙ座標系で表したものであり、変換行列の第２列目は、ｅ_ｊをｘｙ座標系で表したものである。一方、変換行列Ｔの逆行列Ｔ^−１は、ｘｙ座標系での力のベクトルを、ｅ_ｉとｅ_ｊを基底ベクトルとする座標系上での力のベクトルに変換する行列となる。

次に演算装置１４はステップＳＴ２３において、Ｆ_ｉ及びＦ_ｊに対応する拡大率α_ｉ及びα_ｊを用いて、以下の拡大行列Ａを算出する。

次に、演算装置１４はステップＳＴ２４において、Ｆ_Ｓを以下の式（５）を用いてＦ_ｐに変換し、線形変換処理を終える。

力のベクトルＦｓはｅ_ｉとｅ_ｊとの線形結合で表される（図１３参照）。より具体的には、Ｆｓはｅ_ｉに所定の係数ｃ_ｉを掛けたベクトルと、ｅ_ｊに所定の係数ｃ_ｊを掛けたベクトルとの和で表される。上記の変換式によって得られるＦ_ｐは、図１３に示すように、その係数にそれぞれ対応する拡大率α_ｉ及びα_ｊに積算することによって得られるベクトルに対応している。すなわち、上記の変換式によって得られるＦ_ｐは、ｅ_ｉにα_ｉｃ_ｉを掛けたベクトルと、ｅ_ｊにα_ｊｃ_ｊを掛けたベクトルとの和で表される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。上記実施形態では、筋力評価処理（筋力特性評価方法）が周回出力Ｓを最大出力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、及びＦ_４に合わせて拡大補正して、拡大周回出力Ｐを算出するステップＳＴ３と、拡大周回出力Ｐに基づいて、筋群モデルの各筋の寄与に対応する６角形の最大出力分布Ｑを作成するステップＳＴ４とを含むように構成していたが、この態様には限定されない。筋力評価処理は最大出力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、及びＦ_４と周回出力Ｓとに基づいて、６角形の最大出力分布Ｑを作成するステップが含んでいればよく、例えば、筋力評価処理は周回出力Ｓから６角形の出力分布を算出するステップと、算出された６角形の出力分布を最大出力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、及びＦ_４に基づいて拡大補正することによって６角形の最大出力分布Ｑを算出するステップとを含むように構成してもよい。

演算装置１４はステップＳＴ１において、４方向の最大出力の測定を行っていたが、少なくとも一方向の最大出力の測定を行ってもよい。また、演算装置１４は、ステップＳＴ３において、方向に依存しない一つの拡大率ｒを算出するように構成してもよい。

例えば、演算装置１４は、ステップＳＴ３において、最大出力に対応する点の中から原点Ｏから最も遠い点Ａを抽出し、原点Ｏとの距離Ｌ_Ａを記憶する（図１４（Ａ））。次に、周回出力Ｓの中から、抽出された点Ｓに最も近い点Ｂを抽出し、点Ｂと原点Ｏとの距離Ｌ_Ｂを記憶する（図１４（Ｂ））。次に、演算装置は、Ｌ_Ａ／Ｌ_Ｂを拡大率ｒとして記憶する。その後、演算装置１４は周回出力Ｓに含まれる力のベクトルの全てに対して、拡大率ｒを掛けることによって、拡大補正し、拡大周回出力Ｐを算出するように構成してもよい（図１４（Ｃ））。このように構成することによって、拡大率ｒの算出を容易にすることができる。

このような構成においては、最大出力の測定により最大出力分布の大きさが取得され、周回出力の測定によって最大出力分布の概形が取得される。そのため、大きさ及び概形を別箇に取得することによって、被験者１が最大出力を発揮しなければならない回数を少なくすることができる。これにより、最大出力を繰り返すことによって生じる疲労によって、被験者１の発揮できる最大出力が低下し易い場合であっても、最大出力分布が再現性よく取得できる。

また、演算装置１４はステップＳＴ３において、周回出力Ｓに基づいて、ベジエ曲線等を用いて環状の近似曲線を算出し、算出された近似曲線を拡大することによって得られる拡大近似曲線と最大出力の各点との距離が最小となるように一つの拡大率ｒを算出してもよい。

上記実施形態において、筋力特性評価方法は被験者１の右側の上肢２の筋力の特性を評価するために用いられていたが、被験者１の右側の上肢２に限定されず、被験者１の左側の上肢２、又は、被験者１の左右いずれかの下肢であってもよい。また、上記実施形態において測定面は略水平をなすように設定されていたが、この態様には限定されず、例えば、測定面は略鉛直をなすように設定されていてもよい。また、筋力評価測定方法は動物、例えば、馬、牛、犬等の動物の筋力を評価するために用いられてもよい。

３ ：肢体
Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、Ｆ_４ ：最大出力
Ｆ_Ｑ ：最大出力分布
Ｆ_Ｓ ：周回出力
Ｆ_ｆ１、Ｆ_ｆ２、Ｆ_ｆ３、Ｆ_ｅ１、Ｆ_ｅ２、Ｆ_ｅ３：機能的実効筋力
Ｊ_１ ：第１関節（肩関節）
Ｊ_２ ：第２関節（肘関節）
Ｊ_３ ：肢先端（手根関節部）
Ｌ_１ ：第１杆
Ｌ_２ ：第２杆
Ｓ ：測定面
ｆ_１、ｅ_１ ：第１拮抗一関節筋
ｆ_２、ｅ_２ ：第２拮抗一関節筋
ｆ_３、ｅ_３ ：拮抗二関節筋

Claims (8)

1. 第１関節により支持された基端を有する第１杆と前記第１杆の遊端に第２関節を介して支持された第２杆とを有する被験者の肢体の筋力特性を、前記第１関節を跨ぐ第１拮抗一関節筋対、前記第２関節を跨ぐ第２拮抗一関節筋対、及び前記両関節を跨ぐ拮抗二関節筋対からなる筋群モデルに基づく筋力特性として取得するための筋力特性取得方法であって、
   前記被験者に前記両杆により画定される面内に於ける前記第２杆の遊端の少なくとも１つの所定の方向に力を加えさせ、最大出力を測定するステップと、
   前記被験者に前記第２杆の遊端において前記面内に沿って３６０度向きを変えながら力を加えさせ、前記力を測定し、周方向の前記力のベクトルの群である周回出力を取得するステップと、
   前記周回出力に含まれる前記力のベクトルをそれぞれ拡大して前記最大出力に適合させるための拡大率と、前記第１杆に平行な２辺、前記第２杆に平行な２辺、並びに、前記第２杆の遊端及び前記第１関節を結ぶ直線に平行な２辺によって定義される６角形に前記周回出力を近似するための近似直線とを取得し、前記拡大率と前記近似直線とに基づいて、前記肢体が発揮できる筋力特性を示す６角形状の最大出力分布を取得するステップとを含むことを特徴とする筋力特性取得方法。
2. 前記６角形ＡＢＣＤＥＦにおける頂点Ａでの出力Ｆ _Ａ 、頂点Ｂでの出力Ｆ _Ｂ 、頂点Ｃでの出力Ｆ _Ｃ 、頂点Ｄでの出力Ｆ _Ｄ 、頂点Ｅでの出力Ｆ _Ｅ 、及び頂点Ｆでの出力Ｆ _Ｆ から、式（１）を用いて、前記第１拮抗一関節筋対の最大出力Ｆ _ｆ１ 及びＦ _ｅ１ と、前記第２拮抗一関節筋対の最大出力Ｆ _ｆ２ 及びＦ _ｅ２ と、前記拮抗二関節筋対の最大出力Ｆ _ｆ３ 及びＦ _ｅ３ とを算出するステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の筋力特性取得方法。
   

   
3. 前記最大出力を測定するステップ及び前記周回出力を測定するステップが、前記第１関節及び前記第２関節を、それぞれ所定の角度で保持した状態で実行されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筋力特性取得方法。
4. 前記最大出力を測定するステップが、２つ以上の異なる方向毎に測定され、前記最大出力と前記周回出力とに基づいて、６角形の前記最大出力分布を作成するステップに於いて、前記周回出力を前記異なる方向に応じた前記最大出力に合わせて拡大補正する請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の筋力特性取得方法。
5. 第１関節により支持された基端を有する第１杆と前記第１杆の遊端に第２関節を介して支持された第２杆とを有する被験者の肢体の筋力特性を、前記第１関節を跨ぐ第１拮抗一関節筋対、前記第２関節を跨ぐ第２拮抗一関節筋対、及び前記両関節を跨ぐ拮抗二関節筋対からなる筋群モデルに基づく筋力特性として取得するための筋力特性取得装置であって、
   前記被験者が前記両杆により画定される面内に於ける前記第２杆の遊端に発揮する力を検出する力センサと、前記力センサに接続された演算装置とを有し、
   前記演算装置は、
   前記力センサによって、前記被験者に前記両杆により画定される面内に於ける前記第２杆の遊端の少なくとも１つの所定の方向に力を加えさせたときの最大出力を測定するステップと、
   前記力センサによって、前記被験者に前記第２杆の遊端において前記面内に沿って３６０度向きを変えながら力を加えさせたときの前記力を測定し、周方向の前記力のベクトルの群である周回出力を取得するステップと、
   前記周回出力に含まれる前記力のベクトルをそれぞれ拡大して前記最大出力に適合させるための拡大率と、前記第１杆に平行な２辺、前記第２杆に平行な２辺、並びに、前記第２杆の遊端及び前記第１関節を結ぶ直線に平行な２辺によって定義される６角形に前記周回出力を近似するための近似直線とを取得し、前記拡大率と前記近似直線とに基づいて、前記肢体が発揮できる筋力特性を示す６角形状の最大出力分布を取得するステップと実行することを特徴とする筋力特性取得装置。
6. 前記６角形ＡＢＣＤＥＦにおける頂点Ａでの出力Ｆ _Ａ 、頂点Ｂでの出力Ｆ _Ｂ 、頂点Ｃでの出力Ｆ _Ｃ 、頂点Ｄでの出力Ｆ _Ｄ 、頂点Ｅでの出力Ｆ _Ｅ 、及び頂点Ｆでの出力Ｆ _Ｆ から、式（１）を用いて、前記第１拮抗一関節筋対の最大出力Ｆ _ｆ１ 及びＦ _ｅ１ と、前記第２拮抗一関節筋対の最大出力Ｆ _ｆ２ 及びＦ _ｅ２ と、前記拮抗二関節筋対の最大出力Ｆ _ｆ３ 及びＦ _ｅ３ とを算出するステップを更に含むことを特徴とする請求項５に記載の筋力特性取得装置。
   

   
7. 前記最大出力を測定するステップ及び前記周回出力を測定するステップが、前記第１関節及び前記第２関節を、それぞれ所定の角度で保持した状態で実行されることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の筋力特性取得装置。
8. 前記最大出力を測定するステップが、２つ以上の異なる方向毎に測定され、前記最大出力と前記周回出力とに基づいて、６角形の前記最大出力分布を作成するステップに於いて、前記周回出力を前記異なる方向に応じた前記最大出力に合わせて拡大補正する請求項５〜請求項７のいずれか１つの項に記載の筋力特性取得装置。

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