JP7092336B2 - 荷重計測用靴 - Google Patents

Description

本発明は、足装着型荷重計測装置に関するものである。

下肢骨折や骨関節疾患などの術後患者に対する理学療法の１つに免荷訓練がある。免荷訓練では、患者の全体重よりも軽い荷重（部分荷重）を当該患者に負荷して歩行訓練等を行うが、患者に過度の負荷を与えることなく、かつ、効果的な訓練を行うには、適切な荷重制御が必要となる。

訓練時に適切な荷重制御を行うには、免荷訓練等における患者の下肢に作用する荷重を計測する必要がある。特許文献１、２には、前足部と後足部に対応した２つの荷重センサないし重量検出部を備えた靴ないし履物が開示されており、免荷訓練に用い得ることが記載されている。

従来の足装着型荷重計測装置では、計測された荷重データの精度が課題となっていた。患者の下肢に作用する実荷重と計測された荷重データの誤差が大きくなると、実荷重が計測荷重に比べて大きい場合には、患者に過度の負荷が作用して、治癒過程を阻害してしまうおそれがある。

特開平７－２０４２３６ 特開２００３－２１０５３７

本発明は、足装着型荷重計測装置において、荷重の負荷訓練の精度を高めることを目的とするものである。

本発明が採用した技術手段は、
ソールとアッパーからなる本体と、
装着者の前足部に対応するソール上面の前側部位に位置調整可能に設けた第１荷重センサと、
装着者の後足部に対応するソール上面の後側部位に設けた第２荷重センサと、
前記ソール上面に、前記第１荷重センサ、前記第２荷重センサを覆うように取り外し可能に載置される中敷と、
前記第１荷重センサの上面と前記中敷の下面の間に位置する第１押圧プレートと、
前記第２荷重センサの上面と前記中敷の下面の間に位置する第２押圧プレートと、
を備え、
前記ソール上面の前側部位には、足長に応じた第１荷重センサの最適位置が表示されており、装着者の足長に応じて第１荷重センサの位置が調整可能となっている、
足装着型荷重計測装置、である。

１つの態様では、第１荷重センサの最適位置は、装着者の母指ＭＰ関節が第１荷重センサの後側半部に載るような位置である。
このような最適位置は、足長に応じて設定することができ、前記ソール上面の前側部位に、足長に応じた複数のマークを表示し、装着者の足長に応じてマークを選択し、選択したマークに第１荷重センサを位置合わせする。

１つの態様では、第１荷重センサ、第２荷重センサは、平面視方形状である。
１つの態様では、第１荷重センサは、第２荷重センサの第２の向きに対して、靴の内側端に向かって僅かに回転した第１の向きでソール上面に設置される。

１つの態様では、第１荷重センサは、平面視５．０±０．７ｃｍ×５．０±０．７ｃｍであり、第１荷重センサは、踵部から「足サイズ実測値×０．７ｃｍ」の距離に第１荷重センサの後端縁が位置するように設置する。
すなわち、踵部から「足サイズ実測値×０．７ｃｍ」の距離に第１荷重センサの後端縁が位置するように、足長に応じた第１荷重センサの最適位置がソール上面に表示されており、最適位置に一致させて第１荷重センサを設置するようにしている。
１つの態様では、第１荷重センサは、第１荷重センサの内側縁と靴の内側端との距離が１．５±０．５ｃｍであるように配置される。

１つの態様では、第１荷重センサは、面ファスナによって、ソール上面に着脱可能に設けられ、面ファスナ上でソール上面の長さ方向に位置調整可能となっている。
１つの態様では、前記面ファスナは、第１荷重センサと同じ第１の向きでソール上面に設置されており、第１荷重センサの側端縁を前記面ファスナの側辺に一致させることで、ソール上面の幅方向における第１荷重センサの位置決めが行われる。
１つの態様では、前記面ファスナの側辺に隣接して、ソール上面には第１荷重センサの最適位置を示すマークが表示されており、第１荷重センサの前端縁あるいは／および後端縁を前記マークに一致させることで、ソール上面の長さ方向における第１荷重センサの位置決めが行われる。

１つの態様では、第２荷重センサは、第２荷重センサの後端縁と靴の踵部との距離が２．８±０．５ｃｍであるように配置される。
１つの態様では、第２荷重センサは、面ファスナによって、ソール上面に着脱可能に設けられる。

１つの態様では、ソール下面はフラット部を備え、前記フラット部は、踵から前足部の略中間地点（足長に応じてＭＰ関節が位置する可能性のある範囲を含むように）まで延びている。

本発明では、荷重センサ、特に、前足部に対応する第１荷重センサの設置位置を足長に応じて最適位置に設置可能としたことで、高い荷重精度を実現した。

本実施形態に係る足装着型荷重計測装置（荷重計測靴）の斜視図である。 左図は、本実施形態に係る荷重計測靴において、中敷、荷重センサを取り除いた状態を示す平面図であり、右図は、本実施形態に係る荷重計測靴において、中敷を取り除いた状態を示す平面図である。 左図は、面ファスナが装着されたソール上面の平面図であり、図２左図に対応しており、右図は、面ファスナに荷重センサが装着されたソール上面の平面図であり、図２右図に対応している。 図３に類似する図であり、面ファスナ及び荷重センサの取付位置を説明する図である。 本実施形態に係る荷重計測靴における第１荷重センサの最適位置への取付を説明する図である。 本実施形態に係る荷重計測靴の中敷の底面図である。 本実施形態に係る荷重計測靴の底部の構成を示す概略図である。 本実施形態に係る荷重計測靴の荷重データの処理の流れを示すブロック図である。

図面を参照しつつ、足装着型荷重計測装置としての荷重計測靴について説明する。図１、図２は左足用の荷重計測靴、図３、図３Ａ、図４は右足用の荷重計測靴である。左足用の荷重計測靴と左足用の荷重計測靴は左右対称である点を除き同じ構成を備えている。１つの態様では、荷重計測靴として、２７ｃｍ（男性を対象）および２４ｃｍ（女性を対象）の２種類のサイズを用意しておき、例えば、男性用荷重計測靴は、２５ｃｍ～２９ｃｍの足サイズに対応可能とする。

図１に示すように、荷重計測靴は、靴底部としてのソール１とアッパー２からなる靴本体を備えている。図１、図２に示すように、アッパー２は、装着者の足の外側に位置する外側部位２０と、足の内側に位置する内側部位２１と、外側部位２０と内側部位２１の後方を一体的に接続する踵部位２２と、からなり、つま先側は開放状となっている。アッパー２の外側部位２０、内側部位２１、踵部位２２で囲まれた空間に足を挿入して装着するようになっている。外側部位２０と内側部位２１の間には、前側（前足部に対応する部位、前足部と中足部の間に対応する部位）に位置して、面ファスナを備えたベルトないしバックルストラップ２３Ａ、２３Ｂが設けてある。

ソール１は、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２が載置される上面１０と、床面に接地する下面１１とを備えている。本実施形態では、ソール１は、下面１１を形成する樹脂製のアウターソールと、アウターソールの上面に一体化された繊維製の固定中敷からなり、固定中敷の上面がソール１の上面１０を形成しているが、ソール１の構成は限定されず１層構造や３層構造であってもよい。

図３に示すように、ソール上面１０には、装着者の前足部に対応する前側部位に第１荷重センサＳ１が着脱可能に設けてあり、装着者の後足部に対応する後側部位に第２荷重センサＳ２が着脱可能に設けてあり、荷重のセンシング箇所を前足部と後足部の２箇所としている。第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２は、平面視正方形で所定厚みを備えた方形プレート状の金属筐体を備えたロードセルである。第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２の四周状の縁部は、前端縁Ｅ１、後端縁Ｅ２、内側縁Ｅ３、外側縁Ｅ４からなり（図４参照）、正方形状の上面Ａ１を備えている。ゴムセンサに比べて負荷荷重に荷重精度が左右されない堅牢な金属筐体の荷重センサを用いることで、計測データの精度を確保している。本実施形態では、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２は、同一形状・同一寸法を備え、外形及び内部構造の全てが同一のセンサである。第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２の外形寸法は、例えば、平面視５．０±０．７ｃｍ×５．０±０．７ｃｍであり、本実施形態では５ｃｍ×５ｃｍである。なお、本実施形態では、１つの好ましい形態として、平面視正方形の荷重センサを用いたが、荷重センサの平面視形状は限定されず、平面視円形であってもよい。

第１荷重センサＳ１の設置位置は、母指ＭＰ関節が第１荷重センサＳ１の後ろ半分に載る位置であり、第２荷重センサＳ２の設置位置は、踵が第２荷重センサＳ２の中央に載る位置である。「足部水平」から「踵離地」までの歩行過程において足部の支点となる部分である母指ＭＰ関節と踵の直下に第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２をそれぞれ設置すると共に、第１荷重センサＳ１の位置を装着者の足サイズに応じて決定することで最適化を図っている。

本実施形態では、第１荷重センサＳ１は、歩行過程の踵離地の際に主に力を床に伝える箇所である母指のＭＰ関節（すなわち、第１ＭＰ関節）に作用する力を良好に計測できるように位置決めして設置される。より具体的には、装着者の足長から第１ＭＰ関節の位置を推定し、推定した第１ＭＰ関節の位置を用いて第１荷重センサＳ１の最適な位置を決定することで荷重精度を高めている。すなわち、足長から推定される第１ＭＰ関節の位置に基づいて足サイズごとに第１荷重センサＳ１の最適設置位置を選択して、最適位置に第１荷重センサＳ１を設置できるようにしており、足長という１つのパラメータのみに依存して、画一的に第１荷重センサＳ１の位置決めを行うことができる。

本実施形態では、第１荷重センサＳ１は、踵部から「足サイズ実測値×０．７ｃｍ」の距離Ｌ１に第１荷重センサＳ１の後端縁Ｅ２（幅方向中央）が位置するように設置する（図３Ａ右図参照）。また、第１荷重センサＳ１は、内側縁Ｅ３が靴の内側端から１．５±０．５ｃｍの位置となるように設置する。後述するように、本実施形態では、第１荷重センサＳ１は、ソール上面１０に固定した第１面ファスナ３に対して着脱可能となっており、第１面ファスナ３の内側辺３２と靴の内側端との距離Ｄ１を、１．５±０．５ｃｍとすることによって、第１荷重センサＳ１の内側縁Ｅ３を第１面ファスナ３の内側辺３２に一致させるように設置すればよい。図３、図３Ａに示すように、第１荷重センサＳ１は、第２荷重センサＳ２の第２の向きに対して、内側に少し回転した第１の向きで設置される。第１荷重センサＳ１の向きと側縁からの距離が計測精度の影響を与えることが実験により判っている。

本実施形態では、第２荷重センサＳ２は、足長によらず、踵部から２．８±０．５ｃｍの位置に設置する。後述するように、本実施形態では、第２荷重センサＳ２は、ソール上面１０に固定した第２面ファスナ４に対して着脱可能となっており、第２面ファスナ４の後辺４１と靴の踵部との距離Ｌ２を、２．８±０．５ｃｍとすることによって、第２荷重センサＳ２の後端縁Ｅ２を第２面ファスナ４の後端辺４１に一致させるように設置すればよい。

本実施形態では、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２の正方形状の裏面には、面ファスナ（図示せず）がそれぞれ固定されている。図２左図、図３左図、図３Ａ左図に示すように、ソール上面１０の前側部位には、第１面ファスナ３が固定されており、後側部位には、第２面ファスナ４が固定されている。図３、図３Ａに示すように、第１面ファスナ３は、第２面ファスナ４の第２の向きに対して、靴の内側端に向かって少し回転した第１の向きで設置される。第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２は、裏面の面ファスナを介して、それぞれ、第１面ファスナ３、第２面ファスナ４に対して着脱可能である。本実施形態では、第１荷重センサＳ１を面ファスナでソール上面１０に剥離・固定することによって、装着者の足サイズに合わせて第１荷重センサＳ１の取付位置を最適化する。

第１面ファスナ３は前辺３０、後辺３１、内側辺３２、外側辺３３から平面視長方形状に形成されており（図４参照）、前足部に対応するように、ソール１の上面１０の長さ方向（前後方向）に沿って延びている。第１面ファスナ３の横幅（前辺３０、後辺３１の長さ）は、第１荷重センサＳ１の横幅（前端縁Ｅ１、後端縁Ｅ２の長さ）と略同じ寸法を備え、第１面ファスナ３の縦幅ないし長さ（内側辺３２、外側辺３３の長さ）は、第１荷重センサＳ１の横幅（内側縁Ｅ３、外側縁Ｅ４の長さ）と略同じ寸法を備えている。第１荷重センサＳ１は、第１面ファスナ３の長さ内において設置位置が調整可能となっている。

第２面ファスナ４は前辺４０、後辺４１、内側辺４２、外側辺４３から平面視長正方形状に形成されており（図３左図参照）、後足部に対応するようにソール１の上面１０に設けられる。第２面ファスナ４は、第２荷重センサＳ２の横幅、縦幅と略同じ横幅寸法、縦幅寸法を備えている。すなわち、第２荷重センサＳ２の前端縁Ｅ１、後端縁Ｅ２、内側縁Ｅ３、外側縁Ｅ４、第２面ファスナ４の前辺４０、後辺４１、内側辺４２、外側辺４３の長さは全て略同じである。

ソール上面１０には、足長に応じた第１荷重センサＳ１の最適位置を示すマークが設けてあり、装着者の足長に応じて第１荷重センサＳ１の位置が調整可能となっている。図４に示す例では、第１面ファスナ３の外側辺３３に隣接して、足長２９ｃｍ、２８ｃｍ、２７ｃｍ、２６ｃｍ、２５ｃｍに対応するマーク（目盛）が表示されている（図３、図３Ａでは目盛のみを示し、寸法表示は省略してある）。第１荷重センサＳ１の前端縁Ｅ１をマークに一致させ、内側縁Ｅ３、外側縁Ｅ４を第１面ファスナの内側辺３２、外側辺３３に一致させるように位置決めして固定する。より具体的には、第１面ファスナ３の外側辺３３に隣接して、「―２９ｃｍ」、「―２８ｃｍ」、「―２７ｃｍ」、「―２６ｃｍ」、「―２５ｃｍ」と印字されたシールをソール上面１０に貼る。「―」のマーク位置を目印に第１荷重センサＳ１の前端縁Ｅ１を合せるように設置する。各足サイズに対応する第１荷重センサＳ１の最適位置はわかっているので（踵部から「足サイズ実測値×０．７ｃｍ」の距離Ｌ１に第１荷重センサＳ１の後端縁Ｅ２（幅方向中央）が位置するように設置する）、第１荷重センサＳ１の前端縁Ｅ１あるいは／および後端縁Ｅ２の所定の最適位置を決めておくことで、第１荷重センサＳ１を最適位置に配置することができる。

図４の例では、第１荷重センサＳ１の前端縁Ｅ１を位置合せするマークを表示したが、第１荷重センサＳ１の後端縁Ｅ２を位置合わせするように、マークを表示してもよい。あるいは、前端縁Ｅ１、後端縁Ｅ２の両方の最適位置に合わせて、マークを表示し、いずれかを一致させるようにしてもよい。なお、上記例では、ソール上面１０にマークを貼り付けているが、ソール上面１０にマークを直接印刷してもよい。また、マークの一部（例えば、「―」のマーク）あるいは全部を第１面ファスナ３に設けてもよく、「ソール上面１０に設けた第１荷重センサの最適位置の表示」は、ソール上面１０に設けた第１面ファスナ３に表示を設けた場合も含む。

ソール上面１０には、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２を覆うように中敷５が取り外し可能に載置される。中敷５はソール上面１０と略同一形状・寸法を備えており、ソール上面１０全面を略覆うように載置される。中敷６は、可撓性を備えた繊維や樹脂から形成されている。

図５に示すように、中敷５の裏面には、前足部に対応する前側部位に位置して、第１押圧プレート６Ａ、６Ｂが貼り付けられており、後足部に対応する後側部位に位置して、第２押圧プレート７Ａ、７Ｂが貼り付けられている。第１押圧プレート６Ａ、６Ｂ、第２押圧プレート７Ａ、７Ｂは、中敷５よりも硬く、変形し難くなっており、例えば、金属プレートと樹脂プレートから形成されている。第１押圧プレート６Ａ、６Ｂ、第２押圧プレート７Ａ、７Ｂは、それぞれ、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２の上面Ａ１全体を覆って当接するような面積を備えており、上面Ａ１全体に荷重が良好に作用するようにしている。

図示の態様では、第１押圧プレートは２枚のプレート６Ａ、６Ｂからなり、２枚のプレート６Ａ、６Ｂによって第１荷重センサＳ１の上面に被さるようになっているが、１枚のプレートであってもよい。同様に、第２押圧プレートは２枚のプレート７Ａ、７Ｂからなり、２枚のプレート７Ａ、７Ｂによって第２荷重センサＳ２の上面に被さるようになっているが、１枚のプレートであってもよい。また、第１押圧プレートと第２押圧プレートが一部材から形成されていてもよい（例えば、第１押圧プレートと第２押圧プレートが帯状片で接続されているような場合）。

本実施形態では、中敷５の裏面に第１押圧プレート６Ａ、６Ｂ、第２押圧プレート７Ａ、７Ｂが固定されているが、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２の上面に第１押圧プレート、第２押圧プレートをそれぞれ固定してもよい。あるいは、第１押圧プレートが第１荷重センサＳ１の上面と中敷５の下面の間で移動しない状態で位置してれば、必ずしも第１押圧プレートを中敷５あるいは第１荷重センサＳ１に固定しなくてもよい。同様に、第２押圧プレートが第２荷重センサＳ２の上面と中敷５の下面の間で移動しない状態で位置してれば、必ずしも第２押圧プレートを中敷５あるいは第２荷重センサＳ２に固定しなくてもよい。

本実施形態では、ソール１の下面１１は、水平面状のフラット部１１０と、フラット部１１０の先端側の傾斜部１１１とからなる。フラット部１１０は、「踵」から「ＭＰ関節」に対応する部位に亘って延びている。足長によって踵からＭＰ関節までの距離は異なり得るが、足長に応じてＭＰ関節が位置する可能性がある範囲を含むようにフラット部１１０を設定することができる（図３Ａ左図参照）。例えば、フラット部１０は、踵からの距離が１８０ｍｍ～１８５ｍｍの位置まで延びており、踵から前足部の前後方向の略中間部位にまで延びている。傾斜部１１１は、緩やかに反るように先端に延びており、フラット部１１０に対する傾斜部１１１の立ち上がり角度（フラット部１１０の先端を起点）は例えば８°以下である。

一般的に靴は歩行しやすいように前足部が上方向に反った形状をしているが（例えば、立ち上がり角度が１５°以上であり、立ち上がりの起点もより踵に近い、例えば、踵から１６０ｍｍ）、このような形状では床反力値と荷重センサ検出値の差が大きいことが開発段階で判明した。本実施形態では、ソール１の下面１１、上面１０をなるべく水平面に近い形状とすることで計測データの精度を向上させている。本実施形態では、ソール１の厚さは、踵からつま先に向かって緩やかに薄くなっているため、ソール１の上面１０は緩やかに傾斜しているが、前足部においては、下面１１に沿った形状となっており、つま先側の反りは通常の靴に比べて緩やかになっている。なお、図６は概略図であって、便宜上、全体が水平状の上面１０、下面１１を示している点に留意されたい。

荷重計測靴のアッパー２は、装具を履いた患者も利用できるように前足部が大きく開く形態となっている（図２参照）。より具体的には、バックルストラップ２３Ａ、２３Ｂは、外側部位２０と内側部位２１の前足部に対応する部位が大きく開くことができるような十分な長さに伸ばすことが可能となっており、装具を履いた患者も容易に荷重計測靴を装着することができるようになっている。

アッパー２の踵部位２２は、歩行時に装着者の踵が脱げにくいような高さ寸法を備えている。装着者の足の裏面の接地面（中敷５の上面）は、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２の厚さ及び中敷５の厚さによって高さが増しており、この増加分に加えて、「踵離地」の過程時に靴踵部から足が脱げないような高さとなっている。まあ、踵部位２２はつま先側に向かって緩やかに近づくように傾斜状に立ち上がっており、装着者の踵が脱げにくくなっている。

前足部（足の甲）の締付け固定手段としてのバックルストラップ２３Ａ、２３Ｂ、後足部（踵部）の脱げを防止する踵部位２２によって、装着者の足が靴本体内部にしっかりと保持され、歩行訓練時等に靴本体内部で足がズレたり、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２に良好に荷重が作用しなかったりして計測データが劣化することを防止している。締付け固定手段は、ベルトないしバックルストラップ２３Ａ、２３Ｂに限定されるものではなく、例えば、外側部位２０と内側部位２１に互いに重なり合う部分を設け、当該部分に面ファスナを設けたものでもよい。

本実施形態に係る荷重計測靴は、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２の設置位置を最適化することに加えて、ソール１の下面１１をよりフラットにし、また、アッパー２の踵部位２２の高さを高くして装着者の足が脱げにくくしたことによって、第１荷重センサＳ１、第２荷重センサＳ２によって取得される荷重データの精度を向上させた。本実施形態では、前足部の第１荷重センサＳ１、後足部の第２荷重センサＳ２の２つのセンサを用いることで、歩行訓練上必要な精密なデータを得ることができる。

図７を参照しつつ、本実施形態に係る荷重計測靴の荷重データの処理の流れを説明する。第１荷重センサＳ１によって前足部荷重データが取得され、第２荷重センサＳ２によって後足部荷重データが取得され、取得された前足部荷重データ、後足部荷重データは電気信号として有線で送信機８（図２右図参照）に送信され、送信機から無線（例えば、Bluetooth）でコンピュータに送信される。コンピュータにデータ分析部、データ表示部を構成しており、データ分析部では、荷重データを処理し分析するためのプログラムによって、荷重データが処理、分析され、処理結果、分析結果等がデータ表示部としてのディスプレイに表示される。計測時には、送信機は、例えば、荷重計測靴のアッパー２に取り付けたり、荷重計測靴の装着者の足首に取り付けたりすることができる。荷重データを用いた具体的な処理・分析については、当業者において公知であると共に、また、特許文献１、２の記載を参照することができる。

１ ソール
２ アッパー
３ 第１面ファスナ
４ 第２面ファスナ
５ 中敷
６Ａ、６Ｂ 第１押圧プレート
７Ａ、７Ｂ 第２押圧プレート
８ 送信機
Ｓ１ 第１荷重センサ
Ｓ２ 第２荷重センサ

Claims (2)

1. ソールとアッパーからなる本体と、
   金属筐体を備えたロードセルからなり、装着者の前足部に対応するソール上面の前側部位に位置調整可能に設けた第１荷重センサと、
   金属筐体を備えたロードセルからなり、装着者の後足部に対応するソール上面の後側部位に設けた第２荷重センサと、
   前記ソール上面に、前記第１荷重センサ、前記第２荷重センサを覆うように取り外し可能に載置される可撓性の中敷と、
   前記第１荷重センサの上面と前記中敷の下面の間に位置して前記第１荷重センサの上面に当接しており、前記中敷よりも硬い第１押圧プレートと、
   前記第２荷重センサの上面と前記中敷の下面の間に位置して前記第２荷重センサの上面に当接しており、前記中敷よりも硬い第２押圧プレートと、
   を備え、
   前記ソール上面の前側部位には、足長に応じた第１荷重センサの最適位置が表示されており、装着者の足長に応じて、当該装着者の母指ＭＰ関節が第１荷重センサの後側半部に載るような位置に第１荷重センサの位置が調整可能となっている、
   荷重計測用靴。
2. 前記第１押圧プレートは、前後に隣接する２枚のプレートからなり、前記第２押圧プレートは、前後に隣接する２枚のプレートからなる、
   請求項１に記載の荷重計測用靴。

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