JP7174946B2

JP7174946B2 - 骨位置検出装置

Info

Publication number: JP7174946B2
Application number: JP2018113213A
Authority: JP
Inventors: 和美纐纈
Original assignee: Tec Gihan Co Ltd
Current assignee: Tec Gihan Co Ltd
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: JP2019184555A

Description

本発明は、人間の動作中における骨の位置をリアルタイムに検出できるようにした骨位置検出装置に関するものである。

背骨は人間の中心的骨格をなすものであるため、湾曲やズレなどによって筋肉や内臓などに負担をかけてしまう。そのため、骨は、正常な位置にあることが望ましいが、骨が正常に位置しているか否を検査するためには、従来ではレントゲン撮影による静止状態での検査しか行うことができなかった。

しかしながら、静止状態で骨が正常な位置にあったとしても、日常生活における人間の行動、例えば、荷物を持った状態や着座している状態などにおいて、背骨を曲げた状態で行動するようなことが多く、これらの状態での骨の位置をリアルタイムで把握することが困難であった。

これに対して、人間の各部にマークを施し、そのマークの位置をカメラで撮影してそのマークの動きや位置などを把握できるようにすることも考えられるが（特許文献１）、服を着た状態では、骨の位置に付されたマークを正確に読み取ることができず、また、カメラの撮影範囲内でしかそのマークの位置を判断することができない。

特開２０１５－２２７８１３号公報

そこで、本発明は上記課題を解決するために、カメラなどを用いることなく、リアルタイムで骨の位置を判断できるようにした骨位置検出装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、背骨の各骨に対応する皮膚などに取り付けられる複数の点着部材と、各点着部材に取り付けられ、当該点着部材の表面に対して鉛直軸回りの第一回動軸に回動可能に取り付けられた第一リンク部材と、当該第一リンク部材に取り付けられ、一端側に、前記第一回動軸と同じ軸方向に回動する第二回動軸を設け、他端側に、当該第二回動軸と直交する第三回動軸を設けた二軸連結部材と、隣接する二軸連結部材との間に跨って取り付けられ、前記二軸連結部材の第二回動軸もしくは第三回動軸に取り付けられた第二リンク部材と、前記第一リンク部材に取り付けられ、当該第一リンク部材の回動角度を検出する第一センサーと、前記第二リンク部材に取り付けられ、当該第二リンク部材の回動角度を検出する第二センサーと、当該第一センサーおよび第二センサーで検出された回動角度によって、隣接する他の点着部材との間の変位を検出する変位検出手段とを設けるようにしたものである。

本発明によれば、背骨の位置に対応して取り付けられた点着部材や、これに取り付けられる連結部材やセンサーなどによって骨の変位を検出することができるため、服を着た状態であっても、リアルタイムに背骨の変位を検出することができるようになる。これにより、日常生活などにおける背骨の位置を判断することができ、治療やリハビリ、各種運動などに役立てることができるようになる。

本発明の一実施の形態における骨位置検出装置の外観を示す図同形態における隣接する点着部材とリンク機構を示す図同形態におけるＺ軸方向の変位を示す図同形態におけるＹ軸方向の変位を示す図同形態におけるＸ軸方向の変位を示す図第二の実施の形態における骨位置検出装置を示す図

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態における骨位置検出装置１は、図１に示すように、背骨の各骨（図示せず）に対応する皮膚の位置に取り付けられる点着部材２と、隣接する点着部材２との間でリンク機構３を構成する複数の連結部材３０（３１、３２、３３）と、この連結部材３０に取り付けられるセンサー（４１、４２）とを備え、当該センサー（４１、４２）に作用する連結部材３０から動きによって他の点着部材２との間の変位を変位検出手段５（図２参照）で検出できるようにしたものである。そして、このように隣接する点着部材２の位置を順次検出していくことによって、動作中における骨の位置をリアルタイムに検出し、リハビリや治療などに役立てるようにしたものである。以下、本実施の形態における骨位置検出装置１の構成について詳細に説明する。

＜第一の実施の形態＞

まず、点着部材２は、背骨を構成する各骨の皮膚に貼り付けられるものであって、粘着性を有する平面状の可撓性シールを備えて構成されている。なお、ここでは点着部材２を皮膚に取り付ける場合を例に挙げて説明するが、骨との相対的な位置が変わらないコンプレッションウェアなどに間接的に取り付けてもよい。この点着部材２の表面側には、その平面の法線方向に沿った第一回動軸３ａが設けられており、この第一回動軸３ａを中心に第一リンク部材３１を回動させるようにしている。

この第一リンク部材３１は、比較的剛性の高い部材で構成されるものであって、第一回動軸３ａに回動可能に取り付けられ、他端側で、二軸連結部材３２を介して第二リンク部材３３を取り付けられるようになっている。この第一リンク部材３１に取り付けられる二軸連結部材３２は、第一リンク部材３１の第一回動軸３ａと同じ軸回りに回動する第二回動軸３ｂを有し、その先端側に第二回動軸３ｂと直交する軸回りの第三回動軸３２ａを設け、その第三回動軸３２ａに第二リンク部材３３を連結している。

このように設けられた第一リンク部材３１や第二リンク部材３３には、第一センサー４１や第二センサー４２が取り付けられる。

これらの第一センサー４１や第二センサー４２は、第一リンク部材３１や第二リンク部材３３の角速度を検出するジャイロセンサーで構成されるものであって、サンプリング時間ごとに角速度を積分して変位角度を検出するとともに、カルマンフィルターなどを用いて誤差を修正して、正確な第一リンク部材３１や第二リンク部材３３などの角度を検出できるようにしている。これらの第一センサー４１や第二センサー４２は、第一リンク部材３１や第二リンク部材３３の略中央部分に取り付けられており、図２に示すように、ケーブル４３を介して値が出力される。なお、このようにケーブル４３を取り付ける場合、各連結部材３０が軽いとケーブル４３の引っ張り力によってリンク機構３が強制的に変形されてしまう可能性がある。このため、好ましくは、ケーブル４３の引っ張り力によってリンク機構３が変形しないように、リンク機構３の対称的な位置にケーブル４３を延出させて固定するようにするとよい。

このような点着部材２やリンク機構３などを背骨に沿って取り付ける場合、各骨に対応した位置に点着部材２を取り付けるとともに、また、骨と骨の間にリンク機構３を設けるように取り付ける。このようなリンク機構３を順次隣接して取り付ける場合、隣接するリンク機構３が干渉してしまう可能性があるため、隣接するリンク機構３を干渉させないように、図２に示すような千鳥状にリンク機構３を配置させるようにする。

変位検出手段５は、この第一センサー４１や第二センサー４２の出力値によってそれぞれの点着部材２の変位を算出できるようにしたものであって、あらかじめ第一リンク部材３１の距離Ｌ１（正確には、第一回動軸３ａと第二回動軸３ｂとの距離）、第二リンク部材３３の距離Ｌ２（正確には、第三回動軸３２ａ間の距離）などを記憶させておき、次のようにして変位を算出する。なお、人間が起立した場合における鉛直方向をＺ軸、身体の左右方向をＹ軸、身体の前後方向をＸ軸とする。

（Ａ）Ｚ軸方向の変位
まず、図３に示すように、背骨を伸ばすような上下方向の動作を行った場合、すなわち、点着部材２が上下方向（Ｚ軸方向）に変位するような動作を行った場合、上下の点着部材２の距離が離れるため、第一リンク部材３１が末広がり状に変形していく。一方、Ｚ軸方向に沿って点着部材２が変位している場合、第二リンク部材３３の角度は変わらない。これをサンプリング時間ごとに、下側の第一センサー４１と上側の第二センサー４２との回動角度の角度Δθ１、Δθ２を検出し、その三角関数値に第一リンク部材３１の距離Ｌ１を積算するとともに、第二センサー４２の回動角度の時間差分Δθ３を算出し（今回は「０」）、その三角関数値に第二リンク部材３３の距離Ｌ２を積算して足し合わせる。このような背伸び動作の場合、すなわち、Ｚ軸方向への伸びの場合、第二リンク部材３３の回動角度による時間差分（Δθ３）が「０」となるため、第一リンク部材３１の角度Δθ１、Δθ２によってのみ上側の点着部材２の位置が算出されることになる。具体的には、上側の点着部材２の位置を算出する場合、下側の点着部材２の位置を基準として、次式を用いて算出される。

＜式１＞
Ｚ＝Ｌ１ｓｉｎ（Δθ１）＋Ｌ２ｃｏｓ（Δθ３）＋Ｌ１ｓｉｎ（Δθ２）

（Ｂ）Ｙ軸方向の変位
次に、図４に示すように、背骨を左右方向に曲げる動作を行った場合、すなわち、上側の点着部材２が左右方向（Ｙ軸方向）に変位するような動作を行った場合、リンク機構３を構成する第二リンク部材３３の角度が変わることになる。このときも、同様に、サンプリング時間ごとに、第二センサー４２の回動角度の時間差分（Δθ３）を算出し、その三角関数値に第二リンク部材３３の距離Ｌ２を積算する。具体的には、上側の点着部材２の位置を算出する場合、下側の点着部材２の位置を基準として、次式を用いて算出される。

＜式２＞
Ｙ＝Ｌ２ｓｉｎ（Δθ３）

（Ｃ）Ｘ軸方向の変位
次に、図５に示すように、前屈や背屈などの動作を行った場合、すなわち、上側の点着部材２が前後方向（Ｘ軸方向）に変位するような動作を行った場合、リンク機構３を構成する上側の第一リンク部材３１が、前方に移動するようになる。すると、二軸連結部材３２に設けられた第三回動軸３２ａを中心に第二リンク部材３３が前後方向（Ｘ軸方向）に傾斜する。そこで、サンプリング時間ごとに、第二センサー４２の回動角度の時間差分（Δφ１）を算出し、その三角関数値に第二リンク部材３３の距離Ｌ２を積算する。具体的には、上側の点着部材２の位置を算出する場合、下側の点着部材２の位置を基準として、次式を用いて算出される。

＜式３＞
Ｘ＝Ｌ２ｓｉｎ（Δφ１）

これらの動きについては、実際には点着部材２がＸＹＺ軸方向に同時に変位することになるため、上の式１から式３を用いてＸＹＺの変位を算出していく。そして、下側の点着部材２を基準として上側点着部材２の位置を算出する。

以下同様にして、このように下側の点着部材２を基準として、隣接する点着部材２の位置を算出し、これに隣接する点着部材２の位置を順次算出していく。なお、ここでは、下側の点着部材２の位置を基準として上側の点着部材２の位置を算出するようにしたが、逆に上側を基準として算出してもよい。また、いずれか一端側の点着部材２から他端側に向けて算出していくと、他端側では誤差が大きくなるため、中央部分の点着部材２を基準として両端側に向かって、それぞれの点着部材２の位置を算出していくようにするとよい。

そして、このように構成された算出された各点着部材２の位置もしくは隣接する点着部材２からの変位を出力して、骨の位置をリアルタイムで表示できるようにする。

次に、このように構成された骨位置検出装置１の使用例について説明する。

まず、このような骨位置検出装置１を用いる場合、例えば、背骨の各骨に対応する皮膚に点着部材２を取り付ける。このとき、例えば、背骨の各骨に取り付ける場合は、一つの骨の近傍に、二つの点着部材２を密接するように取り付けるとともに、隣接するリンク機構３を図２に示すように千鳥状に配置させる。

そして、このように点着部材２を取り付けるとともに、第一センサー４１や第二センサー４２から延出されたケーブル４３も、それぞれの対称となるリンク機構３の中央部分から延出させ、テープあるいは点着部材２などで皮膚に固着させる。そして、そのケーブル４３をまとめて、背骨の下方向に延出させるようにする。

このように骨位置検出装置１を取り付けた後、それぞれのセンサー（４１、４２）を初期状態にリセットする。

このような状況のもと、人間が運動することによって背骨が前後左右に動くと、点着部材２の位置が変位し、これに伴って、リンク機構３が変形する。

このとき、例えば、人間の動作が背骨を伸ばす方向の運動を伴っている場合、隣接する第一リンク部材３１が末広がり状に広がり、基準位置を原点とするＺ軸方向の位置を算出する。

また、背骨を左右方向に曲げる動作を伴う場合は、隣接する第一リンク部材３１が、左右方向に傾斜し、また、背骨の角度によって第二リンク部材３３も傾斜する。そして、式２を用いて、Ｙ軸方向の位置を算出する。

＜式２＞
Ｙ＝Ｌ２ｓｉｎ（Δθ３）

さらに、背骨を前後方向に傾ける動作を伴う場合は、二軸連結部材３２の第三回動軸３２ａを介して第二リンク部材３３がＸ軸方向に傾斜し、式３を用いて、Ｘ軸方向の位置を算出することができる。

＜式３＞
Ｘ＝Ｌ２ｓｉｎ（Δφ１）

以下、同様にして、順次算出された点着部材２の位置を基準として、それに隣接する点着部材２の位置を算出していき、全ての点着部材２の位置をリアルタイムで出力できるようにする。

このように構成すれば、リンク機構３の変形状態を検出することで、順次点着部材２の位置を算出することができ、リアルタイムに骨の位置を検出することができるようになり、リハビリや運動時における骨の状態を判断することができるようになる。

＜第二の実施の形態＞

次に第二の実施の形態について説明する。上記第一の実施の形態では、二軸連結部材３２の第一リンク部材３１側に、第一回動軸３ａを同じ方向の軸を設け、また、他端側にこれと直交する第三回動軸３２ａを設けるようにしたが、第二の実施の形態では、これとは逆に、図６に示すような構成を採用したものである。

すなわち、第一リンク部材３１の先端側に、その第一リンク部材３１の長手方向を軸とする第三回動軸３２ａを有する二軸連結部材３２設けるとともに、その二軸連結部材３２の先端側に、この第三回動軸３２ａと直交する第二回動軸３ｂを設けるようにしてもよい。そして、第一回動軸３ａや第二回動軸３ｂを用いてＹＺ平面での変位を許容し、第三回動軸３２ａでＸ方向への変位を許容してもよい。

このように上記実施の形態によれば、背骨の各骨に対応する皮膚などに取り付けられる複数の点着部材２と、各点着部材２に取り付けられ、当該点着部材２の表面に対して鉛直軸回りの第一回動軸３ａに回動可能に取り付けられた第一リンク部材３１と、当該第一リンク部材３１に取り付けられ、一端側に、前記第一回動軸３ａと同じ軸方向に回動する第二回動軸３ｂを設け、他端側に、当該第二回動軸３ｂと直交する第三回動軸３２ａを設けた二軸連結部材３２と、隣接する二軸連結部材３２との間に跨って取り付けられ、前記二軸連結部材３２の第二回動軸３ｂもしくは第三回動軸３２ａに取り付けられた第二リンク部材３３と、前記第一リンク部材３１に取り付けられ、当該第一リンク部材３１の回動角度を検出する第一センサー４１と、前記第二リンク部材３３に取り付けられ、当該第二リンク部材３３の回動角度を検出する第二センサー４２と、当該第一センサー４１および第二センサー４２で検出された回動角度によって、隣接する他の点着部材２との間の変位を検出する変位検出手段５とを設けるようにしたので、服を着た状態であっても、リアルタイムに骨の変位を検出することができるようになる。これにより、日常生活などにおける骨の変位状態などを判断することができ、治療やリハビリ、運動などに役立てることができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、ジャイロセンサーを用いて角度を検出するようにしたが、リンク機構３における三次元的な変位をそれぞれ検出できるような方法であれば、どのような方法を用いるようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、ケーブル４３によってセンサー値を出力させるようにしたが、無線でセンサー値を出力して、変位検出手段５で変位を算出するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、点着部材２を隣接して取り付けるようにしたが、一つの点着部材２に設けられた第一回動軸３ａを長く突出させ、これに隣接するリンク機構３の第一リンク部材３１を取り付けるようにしてもよい。

１・・・骨位置検出装置
２・・・点着部材
３・・・リンク機構
３０、３０ｆ・・・連結部材
３１・・・第一リンク部材
３ａ、３ｆａ・・・第一回動軸
３ｂ、３ｆｂ・・・第二回動軸
３２・・・二軸連結部材
３２ａ・・・第三回動軸
３３・・・第二リンク部材
４１・・・第一センサー
４２・・・第二センサー
４３・・・ケーブル
５・・・変位検出手段

Claims

背骨の各骨に対応する皮膚などに取り付けられる複数の点着部材と、
各点着部材に取り付けられ、当該点着部材の表面に対して鉛直軸回りの第一回動軸に回動可能に取り付けられた第一リンク部材と、
当該第一リンク部材に取り付けられ、一端側に、前記第一回動軸と同じ軸方向に回動する第二回動軸を設け、他端側に、当該第二回動軸と直交する第三回動軸を設けた二軸連結部材と、
隣接する二軸連結部材との間に跨って取り付けられ、前記二軸連結部材の第二回動軸もしくは第三回動軸に取り付けられた第二リンク部材と、
前記第一リンク部材に取り付けられ、当該第一リンク部材の回動角度を検出する第一センサーと、
前記第二リンク部材に取り付けられ、当該第二リンク部材の回動角度を検出する第二センサーと、
当該第一センサーおよび第二センサーで検出された回動角度によって、隣接する他の点着部材との間の変位を検出する変位検出手段と、
を備えたことを特徴とする骨位置検出装置。