JP7177318B2 - 障害のある足首の運動期中の経済的な、携帯用の欠損調整型の適応的な補助を提供する方法および装置 - Google Patents
障害のある足首の運動期中の経済的な、携帯用の欠損調整型の適応的な補助を提供する方法および装置 Download PDFInfo
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の下で、2015年6月22日に出願された、米国仮特許出願第62/182,779号の利益を主張し、その内容全体は、本明細書に十分に明記されるように引用によって本明細書に組み込まれる。
患者が関節の1つ以上に影響を与える損傷または病状を患うとき、関節を動かす及び調節する患者の能力は損なわれる。例えば、患者は、損傷または病状前に以前に達成可能であったトルクで関節を動かすことができないかもしれない。さらに、患者は、損傷または病状前に以前に達成可能であった、一連の運動によって、速度または配向で関節を動かすことができないかもしれない。様々な実施形態によると、処置の間の障害のある関節のための補助の適応的な規模またはタイミング、あるいは幾つかの組み合わせを判定するために、障害のある関節の運動のこれらのパラメーターを測定するためのセンサーが提供される。
例えば、方法(200)の工程は、コントローラー(140)のモジュール(150)によって適用される。図2のフローダイアグラムは、例証目的のために特定の順序で不可欠な工程として描写されているが、他の実施形態では、1つ以上の工程またはそれらの一部が、異なる順序で、時間的に重なり合って、連続して、または平行して実行されるか、または省略され、あるいは1つ以上の追加の工程が加えられるか、あるいは方法が、方法の幾つかの組み合わせで変更される。
A.足首
足首が歩行およびバランスのバイオメカニクスにおいて重要な役割を果たすため、麻痺性の(例えば、罹患した)足首の寄与を増大させることによって、患者が脳卒中を経験した後に歩行およびバランスの機能を改善する関連で、本発明の1つの実例となる実施形態が利用される。脳卒中後に、歩行のこれらの生態学的側面の幾つか(またはすべて)は妨害される。例えば、「下垂足」は、足を上げる背屈筋の弱さによって引き起こされる一般的な障害である。下に議論されるように、下垂足の存在は、安全且つ効率的な歩行に必要な歩行サイクルの立脚期から遊脚期への移行時に障害のある足が地面から十分に離れる(clear)能力を妨害する。結果として、下垂足は、しばしば、「つま先の引きずり(toe drag)」(すなわち、歩行サイクルの遊脚期中の障害のある足の引きずり);「フットスラップ(foot slap)」(すなわち、地面との制御されない最初の足接触)、及び/又は転倒の原因である歩行サイクルの立脚期中の横方向不安定性(足のその中線への内向きのひねり)を含む、歩行中の1つ以上の合併症につながる。
一実施形態において、本発明は、患者の失われた肢を置き換えるように設計される切断用義肢、及び、患者を助ける遠位の下方の肢の部分的切断の状況において利用される:a)足首と多分節の運動制御(全身)に関与する可動性運動能力を回復し;及び、b)着用時に歩行と平衡の感覚運動機能を改善するだけでなく、適切な場合にトレーニングと共に、日常生活の可動性動作の量と安全性を増大させるために装置が着用されていない時間にわたり達成される利益をもたらす。特に、義足は、機械的な支持、ショック吸収、平衡、及び推進力をもたらす。本発明の一例の実施形態は、着地の前に適切な方向付けを向上させるための(中に浮いている)遊脚期を含む義足の運動期中、及びユーザーと共同して協力的且つより健全な様式で接地力を制御するための立脚期中の、補助及び抵抗に関する機能性を提供する。一例の実施形態において、適応的な補助のために適応的なタイミングと適応的な規模を利用する、電池式の電動切断義肢は、活発な切断義肢の分野を進展させるために利用され得、これは特に、動作の品質と安全性を制御する運動(力)及び運動学的な(方向)力の動的な制御を制限し又は全く制御を行わない、主に静的装置を現在利用している部分的な遠位の足切断患者に当てはまる。
片側から片側への足首の動作(回外-回内、又は前頭面(今後IE面と称される))は、足首の上下の運動(矢状面、又はPD面)とは機械的に独立しており、及び、IE面における初期の測定値を含む、PD面及びIE面における受動的な剛性(つまり、外部の位置的な混乱(perturbations)の下にあるばねのような特性)を別々に測定した。更に、受動的に動かされると、足首は内側への回転時に最も弱く(つまり、機械的に最も適合)、片側から片側への傾き時により強く(つまり、機械的にあまり適合しない、或いはより剛性である)、及び単に上下に移動する時に最も強く(つまり、機械的に最小の適合、又は最も剛性がある)、高度に異方性の(つまり、方向依存性)多面の受動的な機械インピーダンスを実証する。
幾つかの実施形態において、上記方法の1以上の工程が、糖尿病性神経障害における足の圧力と地面反力を調節する状況に使用される。アメリカ合衆国の人々のおよそ9.3%、及び恐らく5%が世界的に2型糖尿病(T2DM)を有しており、これは65歳以上の個人の26%を含み;この状態の主要な上昇は、既知の世界的な加齢及び肥満症の傾向に基づいて予想されている。このような人々の実質的な部分は、末梢神経障害を進行させ、疾患の経過にわたり最終的に100%になり、特につま先と踵の感覚の減少に繋がる。これは、固有の足の筋肉の消耗、及び、槌趾、シャルコー関節、外側のつま先の逸脱、及び中足骨パッドの菲薄化から成る二次的な整形外科的な問題によるものである。このような状態は全て、無感覚な足と組み合わさって、足の潰瘍へと繋がり、この潰瘍は、足の圧力の力をより良く分布させるために「静的な矯正器具」でのみ処置可能であるため、50%の5年生存率をもたらす。
幾つかの実施形態は、足病学、整形外科、及び義肢学の結果、同様に、混合型又は複合型の疾病(足病学、整形外科、及び義肢学の範囲に該当する疾病に重ねられ、それを引き起こし、又はそれに起因する、任意の神経性の、脊髄の、又は末梢神経のプロセス又は損傷)を患う個体を改善するための、運動学習の状況において利用される。足病学及び整形外科における選択された手術後のケア条件は、地面反力(衝撃)、及び遊脚期と立脚期における足と足首の運動が、安全性のために、及び、より安全且つ安定した動的な歩行の進行的な運動学習のために制御される場合に、結果を最適化することが可能であり、平衡パターンは、即時の手術後のリハビリテーションの回復期において、及びケアの亜急性期と慢性期(特に、後者の期間では、繰返しの非適応性の使用パターンが、関係する足と脚の力の適応的な制御及び段階的なリアルタイムの調節を欠いている受動装置により適切には対処されない、組織と機能の低下が経時的に引き起こされる)にわたって最適化される。このような実施形態は、動的な歩行と平衡を調節するために、欠損を調整した及び段階的な性能を制御システムに提供する。一実施形態において、内蔵式センサーはまた、ピットフォールを回避するために、且つ健康を促進する身体活動行動を修飾するために、定量的な報告をクライアント、介護者、及びセラピストに知らせるための同時記録能力と情報科学を提供する。義肢学の分野において、地面反力(衝撃)は、人工の又は残りの肢の軸部の上方で行われ、及び、何年にもわたり、繰り返しの使用及び強打(pounding)は、血管分布状態を制限して損傷及び/又は感染を引き起こす断端における組織への疼痛、損傷、及びに断端上の二次的な関節損傷を引き起こし得る。
幾つかの実施形態において、上記方法の1以上の工程は、下肢の可動性を使用する日常生活動作(ADL)の安全な実行を促進するためにロボット補助を提供する情況において使用される。歩行は高優先度のADLであり、機能的な可動性を取り戻すことに重要である一方、成功と安全性のために適切に時間を定められ且つ適切な足の制御に従事且つ依存する、他のホームコミュニティーADL(階段昇降、縁石の乗り降り(step on/off)、障害物を跨ぐことなど)がある。多様な実在の設定における可動性のADLに重要な態様は、それらが、タスクに対する多分節の運動制御をカスタマイズし、且つ安全性のために障害物を回避するために、主要な動きの有限集合から成るということである。そのため、必須のサブタスクは、急速でインコースの(in-course)動態的調整を特徴とする方法で変わる環境を介したナビゲーティングを含む、可動性の「プリミティブ(primitives)」と見なされる場合もある(階段を上るタスク中の段の高さの除去など)任意の可動性ADLの良好な(安全な)且つ効果的な実行は故に、各サブタスク又はタスクに固有のプリミティブの良好且つ効果的な実行を特徴とする。卒中又は他の神経系の疾病から結果として生じる、或いは加齢による足首欠損を含む下肢を持つ個体は大抵、特定の可動性のADLに固有の1以上の可動性のプリミティブを実行する際に負荷をかけられる(challenged)。
本発明の1つの一例の実施形態は、上述のanklebot(300)のバージョンを提供する情況において利用され、これは、足底屈/背屈面(PD面)などの1つの面にトルクを与えるだけである(補助的又は抵抗的)。しかし、この実施形態は、PD面にトルクを与えることだけに限定されず、1つの一例の実施形態においては、IE面にトルクを与える。このanklebotの設計中、PD面においてトルクを与えるだけのそのような一次元のanklebotを使用して、サンプルデータを4人の慢性卒中の被験体から集めた。図21Aは、一実施形態に従う、anklebotの使用前後の被験体のピーク遊脚角度のデータの例を示すグラフ(2100)である。横軸(2102)は、回外-回内の足、又は前頭面(IE面)のピーク遊脚角度を表わす。縦軸(2104)は、方程式2で上述されるθmaxと同様のPD面における足のピーク遊脚角度を表わす。このデータ収集中に、被験体は、PD面にトルクを与えるだけのanklebotを着用しており、IE平面にトルクを与えず、それによりIE面での自由な動作を可能にした。
図19は、本発明の実施形態が実施され得るコンピュータシステム(1900)を例証するブロック図である。コンピュータシステム(1900)は、コンピュータシステム(1900)の他の内部と外部のコンポーネント間の情報を伝達するためのバス(1910)などの通信メカニズムを含む。情報は、典型的には電圧であるが、他の実施形態では、磁気、電磁気、現象、圧力、化学物質、分子の原子と量子の相互作用などの現象を含む、測定可能な現象の物理的な信号として表される。例えば、北と南の磁場、あるいは、ゼロとゼロでない電圧は、2進数字(ビット)を2つの状態(0と1)を表す。他の現象は、より高次の進数の桁を表すことができる。測定前の複数の同時の量子的状態の重ね合わせは量子ビット(量子ビット)を表す。1つ以上の進数字列は、数を表すかあるいは文字をコードするために使用されるデジタルデータを構成する。いくつかの実施形態において、アナログデータと呼ばれる情報は、特定の範囲内の測定可能な値の近い連続体によって表される。コンピューターシステム(1900)またはその一部は、本明細書に記載される1つ以上の方法を1工程以上行うための手段を構成する。
Claims (8)
- 装置であって、
装置は外骨格型足首ロボットを含み、外骨格型足首ロボットは、
複数の圧力センサー;
ピボットに接続された第1の梁および第2の梁を含む外骨格型足首ロボットに接続されるように構成され、被験体の肢の正面に取り付けられた可変トルクモーターであって、第1の梁および第2の梁が、それぞれ、被験体の足首で分けられた被験体の第1の肢および第2の肢の正面に連結されるように構成され、可変トルクモーターが、ピボットに第1の平面においてロボットにより適用されたトルクに対して電流または電圧の情報を取得するように構成され、ここで可変トルクモーターは、ピボットにおいてジョイントに接続されて、第1の平面にのみトルクを選択的に付与し、第2の平面にトルクを付与しないように構成され、被験体は第2の平面において拘束されない、可変トルクモーター;
足首機能の複数の運動期中に複数の圧力センサーから、現在の運動期に基づいて第1のデータを受信するように構成されたセンサー入力を有する少なくとも1つのプロセッサーであって、圧力センサーは閾値圧力が靴のそのそれぞれの領域において検出されるときに、「オン」位置に切り替わり、それぞれの電圧信号を出力し、閾値圧力が、靴のそのそれぞれの領域において検出されない場合に、「オフ」位置のままであり、それぞれの電圧信号を出力しない、プロセッサー;
1つ以上の一連の命令を含む少なくとも1つのメモリ、を含み、
少なくとも1つのメモリおよび1つ以上の一連の命令は、少なくとも1つのプロセッサーを用いて、少なくとも;
正常な被験体および障害のある被験体の外骨格型足首ロボットのそれぞれのロボット状態パラメーターに基づいて各運動期に対する欠損パラメーターを判定することであって、ここでロボット状態パラメーターは被験体が達成した角度または被験体が適用したトルクであること;
複数の圧力センサーの現在の第1のデータに基づく現在の運動期に基づいてロボットにより適用されたトルクに対するタイミングを判定すること;および
現在の運動期に対する欠損パラメーターに基づいてロボットにより適用されたトルクに対するピークトルクの大きさを判定することを、装置に実行させるように構成され;
ここで、
可変トルクモーターは、前記大きさおよび前記タイミングを受信するためにメモリと通信しており、前記タイミングに基づいて現在の運動期中にピボットに第1の平面のみにおいて前記大きさでロボットにより適用されたトルクを与えるように構成され、および
装置は、携帯用であり、被験体によって持ち運ばれるように構成され、ここで、第1の平面は底屈-背屈(PD)面で第2の平面は回内―回外(IE)面である、装置。 - 各運動期中の関節の速度及び/又は角度などの位置データを測定する少なくとも1つのロボットセンサーであって、センサー入力がさらに、各運動期中に外骨格型ロボット足首のそれぞれのロボット状態パラメーターの少なくとも1つの第2のセンサーから第2のデータを受信するように構成されている、少なくとも1つの第2のセンサーをさらに含み;
ここで、外骨格型足首ロボットは、被験体の足首の上の被験体の第1の肢に取り付けるように構成された近位の取り付けおよび足首より下の被験体の第2の肢に取り付けるように構成された遠位の取り付けを含み、
ここで、第1の平面は第1の梁および第2の梁を通過し、および
ここで、梁の1つは任意選択でリニアアクチュエータであり、第1の肢は脚であり、近位の取り付けは、膝より上の脚にリニアアクチュエータを取り付けるように構成され、および膝装具と該膝装具に固定された取り付けブロックとを任意選択で含み、取り付けブロックは、リニアアクチュエータを膝装具に取り付けるための少なくとも1つの開口部、および取り付けブロックの重量を減少させるための開口部以外のミル加工された部分を含む、請求項1に記載の装置。 - 梁の1つはリニアアクチュエータであり、ここで第1の肢は脚であり、近位の取り付けは、膝の上の脚にリニアアクチュエータを取り付けるように構成されており、および
近位の取り付けは、膝より下の脚のまわりに固定されたストラップ、およびリニアアクチュエータをストラップに取り外し可能に取り付けるように構成されている、ストラップ上のブロックを任意選択で含む、請求項2に記載の装置。 - 梁の1つはリニアアクチュエータであり、ここで第2の肢は足であり、遠位の取り付けは、足のまわりに固定されるように構成されたあぶみを含み、該あぶみは、リニアアクチュエータにピボットで回転自在に連結された側板を含み;
ここで、遠位の取り付けは任意選択で、
足を受けるように構成された靴であって、あぶみは靴のソールと一体となっている、靴;および任意選択で
足を受けるように構成された靴のまわりにあぶみを固定するためのストラップ
をさらに含む、請求項2に記載の装置。 - 梁の1つは、1つのリニアアクチュエータのみを含み、
遠位の取り付けはさらに、ピボットで側板に固定された少なくとも1つの第1のバー、および少なくとも1つの第1のバーと接続する第2のバーを含んでおり、ここでリニアアクチュエータは、少なくとも1つの第1のバーおよび第2のバーが、リニアアクチュエータの直線運動に基づいてPD面のみでピボットのまわりにロボットにより適用されたトルクを与えるべく構成されるように、第2のバーに接続され;および任意選択で
遠位の取り付けはさらに、ピボットで側板に固定されたブロック、およびリニアアクチュエータにブロックを接続するためのリンクを含み、ここでリニアアクチュエータは、ブロックおよびリンクが、リニアアクチュエータの直線運動に基づいてPD面のみでピボットのまわりにロボットにより適用されたトルクを与えるべく構成されるように、リンクに接続される、請求項4に記載の装置。 - 梁の1つはリニアアクチュエータであり、ここで第2の肢は足であり、遠位の取り付けは、足を受けるように構成された靴の長さまわりに固定されるように構成された調整可能なサドルを含み、ここでピボットは、リニアアクチュエータにサドルを接続するボールジョイントコネクターであり;および任意選択で
第2の肢は足であり、ここで複数の圧力センサーは、足を受けるように構成された靴の踵領域およびつま先領域に位置付けられた圧力センサーを含み、現在の第1のデータは、圧力センサーからの集合出力である、請求項2に記載の装置。 - 梁の1つは、1つのリニアアクチュエータのみであり、ここで少なくとも1つのロボットセンサーは、各運動期中に直線運動データに基づいたリニアアクチュエータの直線運動またはロボット状態を測定するように構成された1つのセンサーのみを含む、請求項2に記載の装置。
- 第1の肢は脚であり、第2の肢は足であり、ここで足に連結された梁は、足を受けるための靴であり、脚に連結された梁の1つは、リニアアクチュエータであり、および可変トルクモーターおよびリニアアクチュエータは、脚の前側に取り付けられ;および
前記装置は任意選択で、現在の運動期が望ましい運動期であるかどうかに基づいて前記タイミングが判定されるように、複数の運動期中の望ましい運動期を選択するためのトグルスイッチをさらに含む、請求項1に記載の装置。
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