JP7297330B2 - 関節の解剖学的な動きを測定するための方法およびデバイス - Google Patents

Description

本発明は、関節、たとえば膝関節または肩の動きを測定するための診断デバイスおよび方法に関する。詳細には、本発明は、たとえば診断解析の手段として関節の動的機能を定量化することに関する。

関節の動きを非侵襲的に測定するために、いくつかの技法が存在する。身体力学においては写真測量が一般的であり、これにより関節の画像が運動中に撮られ、その後、相対回転および変位を測定するために使用される。しかし、これらの技法は、実際には皮膚および周囲の組織を測定しており、関節が構成される骨を測定しない点で本来欠点がある。

この欠点がある手法に対する代替は、運動検出のためのマーカとして働くピンを骨に直接取り付けることを含んでいた。ピンを骨に取り付けることは、明らかに非侵襲性の思想を損なう。

ＭＲＩおよびＣＴスキャンなど、より貫通性の方法も可能であるが、これらには自然な運動中に診断テストを行うための可動性がない。またこれらは、専門医にとっても（資本集約的な機器）、それらの運転費用についてもコストがかかり、これは患者に転嫁される。

したがって、関節機能の非侵襲的な定量化にとって診断ギャップがある。市場においては関節の診断評価のための非侵襲的な方法が求められているので、骨の動きを測定することができるものは、しばしば不正確であり、時間がかかり、結局主観的である。

第１の態様では、本発明は、関節の動的な動きを測定するための方法を提供し、この方法は、前記関節のいずれかの側で（又は両側で、on either side）皮膚にそれぞれが取り付けられた一対の慣性測定ユニットを使用して、関節の相対回転を測定するステップと、前記ＩＭＵのうちの第１のものに近接する骨の複数の超音波画像を取り込むステップと、前記骨上のマーカを識別するステップと、マーカの変位を追跡するステップと、前記変位を関節の相対回転と相関するステップと、その結果、関節の動的な動きを測定するステップとを含む。

第２の態様では、本発明は、関節の動的な動きを測定するためのシステムを提供し、このシステムは、前記関節のいずれかの側で皮膚にそれぞれが取り付けられた一対の慣性測定ユニットと、前記ＩＭＵは、関節の相対回転を測定するように構成される、前記ＩＭＵのうちの第１のものに近接する骨の複数の画像を取り込み、前記骨上のマーカを識別するための超音波センサと、前記ＩＭＵからの相対回転、および前記超音波センサによって取り込まれた画像を受信するための制御システムとを備え、制御システムは、マーカの変位を測定し、前記変位を関節の相対回転と相関し、それに応じて、関節の動的な動きを測定するように構成される。

したがって、関節の測定された相対回転を、超音波を使用して重要なマーカを識別した骨の追跡の特定の測定結果と相関することによって、関節の動きをより正確に測定することができる。

一実施形態では、動作中、筋活動を検出するために、筋電図検査（ＥＭＧ）センサが使用され得る。この実施形態では、筋活動は、筋によって関節に加えられる力の尺度を提供するために較正され得る。さらに、筋によって関節に加えられる力の測定結果は、測定された動きと相関され得る。したがって、力および動きの検出は、対象の関節の動的機能を決定するための正確な診断ツールを提供することができる。

本発明の可能な構成を示す添付の図面を参照して本発明についてさらに述べることは好都合となろう。本発明の他の構成も可能であり、したがって、添付の図面の詳細内容は、本発明の先行する説明の一般性に取って代わるものと理解されるべきではない。
本発明の一実施形態によるデバイスの立面図。 センサに対して骨が近いことを示す図１Ａのデバイスの側面図。 図２Ａは、本発明のさらなる実施形態による様々なセンサの位置関係の様々な図。図２Ｂは、本発明のさらなる実施形態による様々なセンサの位置関係の様々な図。 本発明のさらなる実施形態による様々なセンサの位置関係の様々な図。 本発明の一実施形態によるデバイスによって測定された関節における骨の動き追跡の超音波図。 本発明の一実施形態による処理のフローチャート。 本発明のさらなる実施形態による超音波システムの概略図。 本発明の一実施形態によるデバイスによって識別された骨表面に対応する特定の層についての様々な追跡超音波画像。 本発明の一実施形態によるデバイスによって識別された骨表面に対応する特定の層についての様々な追跡超音波画像。 本発明の一実施形態によるデバイスによって識別された骨表面に対応する特定の層についての様々な追跡超音波画像。 本発明の一実施形態による、ＥＭＧおよびＩＭＵから制御システムへのデータフローについてのフローチャート。 本発明の一実施形態による、受信されたデータを相関するために制御システムによって操作されるアルゴリズム。 本発明の一実施形態によるシステムが適用されている肩の詳細図。 本発明のさらなる実施形態による関節追跡および監視システムの概略図。

本発明の一実施形態では、システムは、ヒトの関節の機能を定量化するように指示される。この実施形態では、システムは、１）ヒトの関節における真の解剖学的な骨の動きを検出および測定し、２）それを通って／またいで働く力の量を定量化するためにデータを相関する。この装置は、骨の動きに関する特定の情報を提供するための超音波トランスデューサと共に、皮膚上に配置された慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を主に使用し、体肢の全体の動きを検出する。さらなる実施形態では、測定された動きに対応する、関節に加えられた印加力を測定するために、筋電図（ＥＭＧ）センサも使用され得る。

本発明を使用することにおける利点は、様々な実施形態において以下を含むことができる。

・ 真の解剖学的な関節の動きのパラメータを非侵襲的に測定することができる（それだけには限らないが動的回転安定性を含む）。

・ 両関節（すなわち左および右）間の動的機能を評価および比較する。

・ 損傷した関節のリハビリテーション状況を決定する。

・ 性別、年齢、および体重に基づく母集団ノルムにわたる関節の機能を解析する。

・ 大母集団にわたって獲得されたビッグデータ集合に対するデータ解析学を利用することによって、関節に関連する損傷を予測および防止する。

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、ここには、本発明の一実施形態による、関節の動きを動的に測定するためのシステム５が示されている。

この実施形態では、本発明は、膝関節１５に適用されている。ＩＭＵ３５Ａは超音波トランスデューサ４０に並んで取り付けられ、このセットアップは、関節１５の上部１０の皮膚上に配置される。高リフレッシュレート超音波トランスデューサ４０は、皮膚の下方の骨２５の動きを追跡する。この情報は、真の骨の動きを提供するためにＩＭＵ３５Ａの位置を補正するために使用され、一方、第２のＩＭＵ５０セットアップは、関節をまたいで、関節１５の下部２０上に配置される。第２のＩＭＵ５０は、関節１５が動くとき第１のＩＭＵ３５Ａのための参照点を提供する。

別個のＥＭＧセンサ３５Ｂが、皮膚の上で、第１のＩＭＵ３５Ａと同じ剛性体近くに、またはその上に配置される。ＥＭＧ３５Ｂは、筋収縮の振幅を最もよく拾い上げるために、関節１５の活性化に対応する筋の膨大部の上に位置決めされる。収縮の振幅は、関節をまたいで加えられる力の量に相関されることになる。

ＥＭＧ信号は、関節に対して筋によって加えられる力を基準に照らすために使用される。関節１５の動きに対応する筋の信号をタップすることにより、デバイスは、特定の動きについてその特定の筋からの筋活動を基準に照らすことができることになる。

図１Ａに示されているシステムを参照すると、様々な構成要素が膝装具３７の形態で組み立てられており、これは、ＥＭＧセンサ３５Ｂが筋活動を拾い上げることになる内側広筋上に効果的なように配置される。これらの信号は、ベンチマークと比較されることになる特定の身体運動について筋活動を測定するために使用される。

超音波モジュール４０は、マーカおよび大腿骨の動きを追跡する。ＩＭＵ３５Ａは、超音波の場所を計算し、その情報は、大腿の実際の運動を決定するために使用される。

真の骨の動きからのデータを、関節をまたいで加えられる力と組み合わせることにより、システム５は、患者の膝の真の機能的健康を決定する客観的な機能的スコアを提供するために、膝関節の運動の範囲および動的な回転安定性を決定することができることになる。

図２Ａから図２Ｃを参照すると、第２のＩＭＵ５０は、第１のＩＭＵ３５Ａから関節１５をまたいで配置されている。このシステムにおける２つのＩＭＵモジュール３５Ａ、５０は、体肢および関節の運動を追跡するために使用される。患者に予備的プロファイリング身体運動をさせることにより、デバイスは、短い較正活動に基づいて関節回転の軸を計算および識別するのに用いられ得る参照点を決定することができることになる。関節場所の投影は、虚空間に対するものであり、体肢全体の動きを追跡する。内部関節マップをマップすることができるこのことは、本発明者らのデバイスを他者から区別する。

たとえば、左の画像を参照すると、患者に予備的プロファイリングテストをさせることによって上記の思想を膝関節に適用した場合、膝関節をまたぐ第２のＩＭＵ５０は、何が固定長Ｌであるか計算することを可能にし、したがって、どこが点Ｍ（股関節部）か決定する助けとなる。次いで、これは、膝の機能的健康スコアを決定する際に、すべての後の活動について参照点として使用することができる。

図３は、２つの経路６０、６５に沿った骨の追跡を示す超音波画像を示す。超音波の場合、骨の縁部（骨の標識点またはマーカ７０、７５）を検出することができる。これらは、骨の回転を追跡および測定するために、マーカ７０、７５の変位をフレーム毎に追跡するために使用される。

図３のプロットについては、第１の線６０は、骨の回転の変化を示し、一方、第２の線６５は、一致したマーカ７０、７５の検出を示す。検出されたマーカ７０、７５は、変位の差および骨の角度を計算するために使用される。次いで、回転の速さが、画像の取り込み間の時間によって測定される。

ＩＭＵ３５Ａは、関節の回転または動きの中心を計算および識別する。次いで、関節の識別は、股関節ｍおよび膝関節１５の場所を識別するために使用することができる。これは、体肢の動きの追跡、および使用者によって行われた活動の識別を可能にする。

図４、図５、および図６Ａから図６Ｃは、超音波デバイスがマーカを識別し、画像を作成し、骨の動きを測定する処理を示す。超音波アレイは、超音波パルスを発するために使用される超音波トランスデューサの２次元行列からなる。
ＵＳパルス発生器を初期化する
超音波パルスを発するように超音波トランスデューサを励起する振幅および周波数など電気パルスについてのパラメータが初期化される。
骨表面からＵＳエコーを受信する
トランスデューサから発せられた超音波パルスは、筋組織を通って移動し、骨表面から反射されて戻る。これらのエコーは、画像に変換されることになるＲＦ信号を生成する行列アレイによって受信される。
超音波アレイの各列から２Ｄ画像を生成する
受信された超音波アレイのエコーは、図６Ａから図６Ｃに示されているように超音波画像を生成するために処理される。画像の幅は、走査線の数によって決定され、画像の高さは、反射表面の深さを示す。
２Ｄ画像から３Ｄ骨表面を再構築する
超音波列からの画像は、骨の３Ｄ輪郭１２５を再構築するために固定および補間される。骨の３Ｄ表面は、骨に対する装具３７の相対運動を計算し、３Ｄでの運動の最終計算のためにＩＭＵデータのバイアスを補正するために使用されることになる。
超音波画像内のマーカまたは特徴を検出する
特徴またはマーカ１３０、１３５は、マーカ検出器によって定義される画像上の異なる点である。マーカ検出器の最も重要な特性は、視角など様々な条件下で同じ点を見つける繰返し性である。マーカの隣にあるものは、異なった、ロバストな一意のディスクリプタによって定義される。尺度不変および回転不変マーカ検出器を使用することができるが、適用例に基づいて、他のマーカ検出器ディスクリプタが使用されてもよい。

例として、超音波の場合、１Ｄおよび２Ｄ行列を画像化する知られているシステムがあるが、大部分は１Ｄ超音波システムである。本発明に適用可能な一例は、関節をよりよく見ることを可能にする２Ｄ超音波システムを使用することである。あるいは、１Ｄ／線形システムは、骨の回転を追跡することができる。さらなる実施形態では、２つの位置合わせされた１Ｄ超音波もまた、この目的に適していることがある。さらなる実施形態では、固定グリッドの２Ｄ超音波システムもまた、処理全体におけるこのステップを達成するための実行可能な選択肢である。マーカ識別が達成される手段は本発明の範囲外であり、本発明の結果を達成する任意の実行可能な超音波がこの目的のために使用されてよいことを理解されたい。
連続するフレームにおける特徴点の推定マッチング
連続するフレーム、すなわち現在のフレームおよび前のフレーム上のマーカが、それらのディスクリプタを使用して突き合わされ、ユークリッド距離によって境界を画される。
一致した特徴点の分類
一致したマーカは、特徴ディスクリプタおよび深さに基づいて骨または組織物質として分類される。この分類は、骨の境界、したがって骨の回転を計算するために不可欠なマーカを識別するために使用される。
前のフレームに対する骨の回転の計算
次いで、骨の回転が、骨表面上の任意の２つのマーカまたはそれ以上を識別することによって計算される。連続するフレームにおける任意の識別された２つのマーカの変位が、回転軸周りでの骨の回転を計算するために使用される。この方法は、骨の回転の中心が必要とされないので、または知られていない場合、最低２つのマーカを必要とする。

上式で、
δ_ｘおよびδ_ｙは、前のフレームのｘ座標およびｙ座標の変化である。
δ'_ｘおよびδ'_ｙは、現在のフレームのｘ座標およびｙ座標の変化である。
前のフレームに対する骨の表面変位の計算
骨の表面変位の計算は、連続するフレームからの一致した特徴点の座標を使用して計算される。画像座標を標準的な単位に変換するために、倍率が適用される。

関連の筋によって関節に加えられる力は、筋活性化によって生成される電気活動の測定値から計算される。これは、その後、力を間接的に測定することができるいくつかの活動を行う患者について較正され、その結果、ＥＭＧによる活動測定結果間の較正係数を、加えられた力に提供する。

実際的に言えば、ＥＭＧは、より明瞭な、より異なる信号を生成するために、受信された信号にフィルタを適用する。使用されるフィルタのタイプは、従来使用可能なフィルタであってよく、以下を含む。

・ フィルタを適用する（バリエーション：フィルタなし、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、およびバンドパスフィルタ）。次いで、信号は、パススルーエンベロープである（下記の方法など）。

・ ＥＭＧ信号を整流し（バリエーション：全波整流、半波整流）、移動平均をとる（バリエーション：移動ウィンドウのサイズを調整する）。

・ 二乗平均（バリエーション：移動ウィンドウのサイズを調整する（ウィンドウサイズ＝０.２５秒））
信号は、信号の閾値を識別するために正規化され得る。この処理は、活動で使用された筋強度について識別する助けとするためのものである。

従来の正規化：最大随意等尺性収縮（ＭＶＣまたはＭＶＩＣ）

この正規化方法の場合、被験者は、テスト前に参照身体運動に慣れることを必要とする。これは、最大筋出力を発揮することを必要とし、それにより再現性が不十分になる。また、これは高齢者または外科患者について実行するのが困難であり、筋力計を必要とする。
代替の正規化方法：セグメント重量動的運動（ＳＷＤＭ）

この身体運動は、中程度の活動のための正規化参照として使用されるように設計される。正規化された値は、より激しい活動について１００％を上回ることになる。負荷は非常に低く、外科患者の残りの機能性を評価するために使用することができ、特別な機器は必要とされない。

靱帯および関節の健康に関して動きの差を追跡するために、筋活動レベルが別の体肢と比較される。

ＩＭＵが回転データを収集し、超音波が変位データを収集し、ＥＭＧが力データを収集した後、患者の関節の完全な診断評価を提供するためにそれを一体化することが必要とされる。

図７は、制御システム２２０によるデータ収集処理のための概略図を提供し、較正１６０、および生データ１６５、１７０が修正される正規化係数１５０の適用の後に、フィルタリングおよび正規化１４０、１４５、１５５を含むＥＭＧのための様々な構成要素が制御システム２２０に設けられる。

ＩＭＵデータ１８５、１９０から、これは、較正１９５の後に同様に補正２１０され、姿勢推定器２１５は、補正および相関のために、超音波データで骨の姿勢位置を推定する。

図８に示されている制御システムアルゴリズムは、ＩＭＵによって提供される回転データ、および超音波からの変位に基づいて、骨の相対姿勢を提供し、次に股関節部の位置、および知られている長さを使用し、動作中の骨のねじれに対処する。

次いで、この識別は、関節の動的な動きに対応する様々なパラメータを計算するために使用することができる。

前述のように、膝関節のために使用されるシステムを参照したが、このシステムは、他の関節にも等しく適用可能である。図９は、肩２７０を示し、そこには、第１のＩＭＵ２７５Ａおよび超音波センサ２８０が肩甲骨２９０の動きを追跡するために、また第２のＩＭＵ２９５が上腕骨２８５を追跡するために適用されている。また、ＥＭＧセンサ２７５Ｂが三角筋（図示せず）における活動を測定するために位置決めされ、すべてのデータは、情報を相関し、関節２７０の動的な動きを評価するために、制御システム（図示せず）に提供される。

一実施形態では、システムは、使用者がいくつかの中強度から高強度の活動を実施することを課されているとき使用者の動きの連続的なデータをとることができる。動きのデータは、活動中、弱点または異常を識別する助けとなり得る。レベルの差は、医者が治療の様式について決定できるように、不全の重症度レベルを提供することができる。

使用者は、回復の異なる段階中に、異なるレベルの活動を実施していてもよい。したがって、システムは、関節の機能的レベルを拾い上げることになり、その結果、患者が、行っているスポーツに戻るためのレベルに回復する時点まで、リハビリテーション段階の次のレベルに移動する前に、関節の機能性について監視されることになる。

使用者は、携わっているスポーツによって行われる活動のレベルを監視することができる。監視レベルは、使用者が効率および姿勢を追跡し続けることを可能にすることになる。さらに、スポーツ関連の損傷を受けやすい使用者を、実際の損傷が発生する前に決定することができる。トレーナは、自分の競技のためのカスタマイズされたトレーニングプログラムを作成することができる。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 関節の動的な動きを測定するための方法であって、
前記関節のいずれかの側で皮膚にそれぞれが取り付けられた一対の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を使用して、前記関節の相対回転を測定するステップと、
前記ＩＭＵのうちの第１のＩＭＵに近接する骨の複数の超音波画像を取り込むステップと、
前記骨上のマーカを識別するステップと、
前記マーカの変位を追跡するステップと、
前記変位を前記関節の前記相対回転と相関させるステップと、
その結果、前記関節の動的な動きを測定するステップと、を含む方法。
［２］ 前記識別するステップは、連続するフレームにおける各マーカを突き合わせることを含む、［１］に記載の方法。
［３］ 前記追跡するステップは、指定された軸周りでの前記マーカの回転を測定するステップをさらに含む、［１］または［２］に記載の方法。
［４］ 前記超音波画像を取り込むステップは、前記関節に近接して取り付けられた超音波センサによって提供される、［１］から［３］のいずれか一項に記載の方法。
［５］ 前記関節の動きを始動する筋における筋電図を作成するステップと、
その結果、前記筋内の活動データを測定するステップと、
前記活動データを較正し、その結果、前記筋によって前記関節に加えられる力を計算するステップと
をさらに備える、［１］から［４］のいずれか一項に記載の方法。
［６］ 関節の動的な動きを測定するためのシステムであって、
前記関節のいずれかの側で皮膚にそれぞれが取り付けられた一対の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）と、前記ＩＭＵは、前記関節の相対回転を測定するように構成される、
前記ＩＭＵのうちの第１のＩＭＵに近接する骨の複数の画像を取り込み、前記骨上のマーカを識別するための超音波センサと、
前記ＩＭＵからの前記相対回転を受信し、前記超音波センサによって取り込まれた前記複数の画像を受信するための制御システムと、を備え、
前記制御システムは、前記マーカの変位を測定し、前記変位を前記関節の前記相対回転と相関させ、それに応じて、前記関節の前記動的な動きを測定するように構成されている、システム。
［７］ 前記関節の動きを始動する筋における活動を測定し、前記活動のデータを前記制御システムに提供するための筋電図検査センサをさらに含み、前記制御システムは、前記筋によって前記関節に加えられる力を計算するように前記活動のデータを較正するようにさらに構成される、［６］に記載のシステム。

Claims (10)

1. 関節の動きを測定するための方法であって、
   前記関節の周りの１つ又は複数の骨を測定し、そのようにして前記関節の相対回転を測定するステップと、
   前記複数の骨のうちの１つの骨についての複数の超音波画像を取り込むステップと、
   前記骨上のマーカを識別するステップと、
   前記マーカの変位を追跡するステップと、
   前記変位を前記関節の前記相対回転と相関させるステップと、
   その結果、前記関節の動きを測定するステップと、を含む方法。
2. 前記測定するステップは、前記関節のいずれかの側で皮膚にそれぞれが取り付けられた一対の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＩＭＵのうちの第１のＩＭＵは前記骨に近接している、請求項２に記載の方法。
4. 前記識別するステップは、連続するフレームにおける各マーカを突き合わせることを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記追跡するステップは、指定された軸周りでの前記マーカの回転を測定するステップをさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記超音波画像を取り込むステップは、前記関節に近接して取り付けられた超音波センサによって提供される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記関節の動きを始動する筋における筋電図を作成するステップと、
   その結果、前記筋内の活動データを測定するステップと、
   前記活動データを較正し、その結果、前記筋によって前記関節に加えられる力を計算するステップと、をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 人の関節における骨の動きを測定するためのシステムであって、
   前記関節における骨の動きを測定するように配置された診断デバイスと、
   前記診断デバイスに近接する骨についての複数の画像を取り込み、前記骨上のマーカを識別するための超音波センサと、
   前記診断デバイスからの骨の動きデータを受信し、前記超音波センサによって取り込まれた前記複数の画像を受信するための制御システムと、を備え、
   前記制御システムは、前記マーカの変位を測定し、前記変位を前記関節の相対回転と相関させ、それに応じて、前記関節の動きを測定するように構成されている、システム。
9. 前記診断デバイスは、前記関節のいずれかの側で皮膚にそれぞれが取り付けられた一対の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を含む、請求項８に記載のシステム。
10. 前記関節の動きを始動する筋における活動を測定し、前記活動のデータを前記制御システムに提供するための筋電図検査センサをさらに含み、前記制御システムは、前記筋によって前記関節に加えられる力を計算するように前記活動のデータを較正するようにさらに構成される、請求項８又は９に記載のシステム。

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