JPH0666631U - 生体変形量検出ゲージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生体の屈伸運動時に、関節軸が平行移動した
り、ゲージにたわみがあっても生体の屈伸角度量を正確
に検出する。 【構成】 生体の添着する電気絶縁性で伸縮性の大きな
高分子材料でなる杆状の弾性基体を形成し、該基体と一
体的に伸縮する導電性の高分子材料からなる絶縁性電気
抵抗素が基体の相対向する外面で基体の全長に亘って配
設され、該電気抵抗素子に接続した電気的制御回路には
ブリッジ回路素子を設けられている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は生体の変形量を検出するゲージに関し、特に医療の目的をもって人体 の伸縮運動、関節の屈曲角度等を検出する生体変形量検出ゲージに関するもので ある。

【０００２】

【従来の技術】

人体、特に四肢の運動機能の障害等において、その障害度及び治療による回復 経過を把握するために、障害部の可能運動量の測定を治療に伴って行うことが必 要である。

【０００３】 従来工学的物体の変形量の測定には一般に公知の歪み計が用いられている。こ の歪み計は伸縮性を有する合成樹脂等の基板に張力又は圧縮力を加えると電気抵 抗が変化する金属等の電気抵抗素子を固着したもので、前記基板を被測定物体に 貼着し、物体の変形（歪み）と共に伸縮する電気抵抗素子の電気抵抗の変化を測 定することによって物体の変形量を検出するものである。この種の歪み計では剛 性の大きい金属半導体を電気抵抗素子としているため、測定可能な変形量は１０ ^-4 程度であり、前記人体の１０^-1以上にも達する大きな変形量を検出するには不 適当である。

【０００４】 更に、人体の関節では、例えば、上腿に対して下腿が膝軸を中心として屈伸回 動するだけでなく、膝軸自体も下腿の屈伸に対応して平行移動する。このように 人体は肘関節、足関節などすべての関節軸は平行移動するものである。

【０００５】 従来、人体の変形量を測定する技術としては、細長い弾性基体の部分的な部位 に短かい歪ゲージを張着しておき、この弾性基体は関節部を跨いで両側の生体部 に添着して使用し、歪ゲージを張り付けた局所的な部位の歪変化から測定してい た。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上述した従来技術では複雑に平行移動する関節軸の軸周りに回 動する生体の回動角度の変化を検出することは不可能である。また、歪ゲージに 導電性合成ゴムなどを用いる場合には伸長したときと圧縮されたときの電気抵抗 値の変化の割合が変化し、伸長量に比例した変化は示されない。即ち、高分子材 料に一般的にみられる非直線性やヒステリシスが発生するからである。更に、従 来技術では電気的測定回路中に回転型ポテンショメータを用いると共に平行リン ク機構を併用して、軸合せをする煩雑な操作が必要であるばかりでなく、嵩張っ て側方への突出部があり、素早く関節の動きに追随して測定できないという問題 点があった。

【０００６】 本考案は、従来技術の有する上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目 的とするところは関節軸の平行移動による歪ゲージの電気抵抗変化が起らないよ うになし、弾性基体両端の添着部の角度変化に比例した電気抵抗値の変化が正確 に得られ、また、嵩張る測定部材を省略することにより素早い測定操作をなすこ とができる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために本考案による生体変形量検出ゲージでは生体に添着 する電気絶縁性でかつ伸縮性の大な高分子材料で成る弾性基体と、該基体と一体 に伸縮する導電性でかつ伸縮性の大な高分子材料で成る弾性電子抵抗素子を該基 体に張着し、前記抵抗素子と接続した電気的測定検出回路にブリッジ回路を介装 したものである。

【０００８】

【作用】

本考案ゲージは弾性基体の全長に亘って１体的な弾性電気抵抗素子を張着して いて、関節軸両側の生体の変形により歪ゲージとしての抵抗素子の変形する形状 がどのように伸びたり縮んだりしても、その伸縮量を足し合わせると、その合計 量は抵抗素子の変形した形状に依存することなく、両端添着部のなす角度を確実 に測定して検出することができる。

【０００９】 更に本考案は測定電気回路中にホイートストンブリッジ回路を設けることによ り、高分子材料に発生するような非直線性やヒステリシスなど現象が打ち消され て出力の特性が格段に改善され上述の如く関節軸両側の生体屈伸角度の測定検出 を正確に把握することが可能である。

【００１０】

【実施例】

以下実施例について図面を参照して説明する。 図１，図２は線方向の伸縮を検出する基本型の生体変形量検出ゲージの実施例 を示す。 図１に示す第１の実施例は、電気絶縁性でかつ伸縮性の大な長矩形薄板状高分 子材料（例えばゴム系材料）で成る弾性基体２に、導電性でかつ伸縮性の大な高 分子材料で成る直線状の弾性電気抵抗素子３を同じく弾性を有する接着材（例え ばゴム系接着材）で強固に接着し、弾性基体２と弾性電気抵抗素子３とが一体に 伸縮するようにして変形量検出ゲージ１を構成する。上記の弾性電気抵抗素子３ は、例えばゴム系の、高分子材量の母材に適当な電気抵抗値を有する導電性フィ ラー（例えばニッケル・クロム合金微粉末、導電性カーボン等）を適当な密度で 分散させて製造することができる。この実施例では上記電気抵抗素子３の一端は 基体２に金属製リベット４で止められ、他端５は基体２より外方へやや延出され ている。

【００１１】 この変形量検出ゲージ１を用いて人体等の変形量を測定するには、該ゲージ１ の基体２の長手方向を人体等の被測定部の伸縮方向に沿わせて添着する。そして 人体等の被測定部の伸縮と共に伸縮する電気抵抗素子３の抵抗値変化を、例えば ホイートストンブリッジのごとき電気抵抗計によって測定することによって被測 定部の変形量が検出される。該ゲージ１の電気抵抗計への接続は、例えば第１図 に示すごときリード線に接続されたクリップ６を電気抵抗素子３の端部５に挾着 して行う。

【００１２】 図２に示す第２の実施例は、前記実施例と同様の材料で成る長矩形薄板状の弾 性基体２′に、前記実施例と同様の材料で成るＵ字状の電気抵抗素子３′を接着 して変形量検出ゲージ１′を構成したものである。

【００１３】 該ゲージ１′による被測定部の変形量の測定法は前記第１の実施例と同様であ る。この実施例によれば、電気抵抗素子３′は第１の実施例と同様の感度を有し ながらゲージ１′の長さを約２分の１に短縮し得る。

【００１４】 図３に示す第３の実施例は、被測定部の剪断方向の変形量を検出するもので、 前記実施例と同様の材料で成る長矩形薄板状２″に、前記実施例と同様の材料で 成る直線状の電気抵抗素子３″を基体２″に対してバイアス方向に接着して変形 量検出ゲージ１″を構成する。

【００１５】 該ゲージ１″による変形量の測定は、測定しようとする被測定部の剪断変形方 向に対して基板２″の長手方向を直角にして被測定部にゲージ１″を添着し、前 記実施例と同様にゲージ１″を電気抵抗計に接続して電気抵抗素子３″の抵抗値 変化を計測して行う。

【００１６】 上述の第１，第２，第３の実施例のゲージ１，１′，１″は人体の胸部あるい は四肢の表面に周方向に添着し、胸部あるいは四肢の筋肉の緊張、弛緩の活動状 態を検出することができる。 図４及び図７は人体等の関節の屈曲角度を測定するための変形量検出ゲージの 実施例を示す。

【００１７】 図４に示す第４の実施例は、基体が中心軸線を含む一平面に沿って屈曲する屈 曲（以下一次元屈曲と称す）角度を検出する変形量測定ゲージで、弾性基体１２ は前記実施例と同様に電気絶縁性で、かつ伸縮性の大な高分子材料により断面略 方形の杆状に形成される。又弾性電気抵抗素子Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ はやはり 前記実施例と同様に導電性でかつ伸縮性の大な高分子材料により４条１組の直線 状に形成される。そして前記杆状の弾性基体１２の対向する平行２面の各面に２ 条ずつの電気抵抗素子Ｐ₁ ，Ｑ₁ 及びＲ₁ ，Ｓ₁ が軸方向に並列され、弾性基体 １２に同じく弾性を有す接着剤で強固に接着され、弾性基体１２と一体に伸縮す るようにして変形量検出ゲージ１１が構成される。

【００１８】 このゲージ１１は、基体１２が被測定部の屈曲に伴ってその対向する平行２面 １２ａ，１２ａ′に垂直な平面に沿って屈曲（一次元屈曲）するとき、屈曲の内 側にある電気抵抗素子が短縮され、屈曲の外側にある電気抵抗素子が伸張され、 それらの電気抵抗値を変化させる。従ってそれらの電気抵抗値を計測することに よって、予めキャリブレートしておいた電気抵抗値と一次元屈曲角度との関係か ら被測定部の一次元屈曲角度が検出される。

【００１９】 図５はホイートストンブリッジ１０によって前記電気抵抗素子Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ ₁ ，Ｓ₁ の抵抗値変化を計測し、一次元屈曲角度を検出する場合の結線図を示し ている。電気抵抗素子Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ 相互間の接続は図６に一例を示す ように一方の電気抵抗素子から他方の電気抵抗素子へ基体を通して金属針１４を 挿通することによって簡単になされ、リード線は金属針１４にハンダ付けされる 。

【００２０】 図７に示す第５の実施例は、基体が中心軸線を含むすべての平面に沿う方向に 屈曲する屈曲（以下二次元屈曲と称する）角度を測定する変形量検出ゲージで、 前記実施例の基体と同様の材料で成る断面円形の杆状弾性基体１２′の周面に、 前記実施例の弾性電気抵抗素子と同様の材料で成る４条を１組とする弾性電気抵 抗素子の２組Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ 及びＰ₂ ，Ｑ₂ ，Ｒ₂ ，Ｓ₂ が夫々軸方向 に、並列にして配設されて変形量検出ゲージ１１′が構成される。そして一方の 組の電気抵抗素子のＰ₁ ，Ｑ₁ とＲ₁ ，Ｓ₁ は基体１２′の一直径線上に略対向 され、他方の組の電気抵抗素子Ｐ₂ ，Ｑ₂ とＲ₂ ，Ｓ₂ は一方の組の電気抵抗素 子Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ が配設される直径線と垂直に交わる直径線上に略対向 されて配設される。この両組の電気抵抗素子Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ 及びＰ₂ ， Ｑ₂ ，Ｒ₂ ，Ｓ₂ は夫々別個に２個のホイートストンブリッジの回路に図５に示 したと同様に結線される。

【００２１】 このゲージ１１′は、被測定部に添着した基体１２′が被測定部の屈曲に伴っ て二次元屈曲をするとき、屈曲の内側にある電気抵抗素子が短縮され、屈曲の外 側にある電気抵抗素子が伸張され、それらの電気抵抗値を変化させる。従ってそ れらの電気抵抗値を２個のホイートストンブリッジによって計測することによっ て、予めキャリブレートしておいた両電気抵抗値と二次元屈曲角度との関係から 被測定部の二次元屈曲角度が検出される。

【００２２】 図８に示す第６の実施例は、前記二次元屈曲角度と中心軸線の囲りの捻り角度 とを同時に検出する変形量検出ゲージで、前記実施例の基体と同様の材料で成る 断面円形の杆状弾性基体１２″に、二次元屈曲角度検出用の４条を１組とする弾 性電気抵抗素子の２組Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ 及びＰ₂ ，Ｑ₂ ，Ｒ₂ ，Ｓ₂ と、 捻り角度検出用の１組の弾性電気抵抗素子Ｐ₃ ，Ｑ₃ ，Ｒ₃ ，Ｓ₃ が組込まれて 変形量検出ゲージ１１″が構成される。二次元屈曲角度検出用の電気抵抗素子Ｐ ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ 及びＰ₂ ，Ｑ₂ ，Ｒ₂ ，Ｓ₂ は前記第５の実施例と同様、 一方の組の電気抵抗素子のＰ₁ ，Ｑ₁ とＲ₁ ，Ｓ₁ は基体１２″の一直径線上に 略対向されて埋込み配設され、他方の組の電気抵抗素子Ｐ₂ ，Ｑ₂ とＲ₂ ，Ｓ₂ は一方の組の電気抵抗素子Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ が配設される直径線と垂直に 交わる直径線上に略対向されて夫々基体１２″の軸方向に埋込み配設される。捻 り角度検出用の電気抵抗素子Ｐ₃ ，Ｑ₃ ，Ｒ₃ ，Ｓ₃ は各２条の電気抵抗素子Ｐ ₃ ，Ｑ₃ とＲ₃ ，Ｓ₃ とが互いに逆方向の螺旋状に、かつ等間隔に、又基体１２ ″の横断面に対して４５度の進み角度をもって埋込み配設される。これらの電気 抵抗素子の重合部には互いに接触しないよう基体１２″自体又は絶縁材が介在さ れる。これら３組の電気抵抗素子Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ 、Ｐ₂ ，Ｑ₂ ，Ｒ₂ ， Ｓ₂ 、Ｐ₃ ，Ｑ₃ ，Ｒ₃ ，Ｓ₃ は夫々別個に３個のホイートストンブリッジの回 路に図５に示したと同様に結線される。

【００２３】 このゲージ１１″は、被測定部に添着した基体１２″が被測定部の屈曲及び捻 りに伴って屈曲及び捻りが与えられるとき、各組の電気抵抗素子Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ ₁ ，Ｓ₁ 、Ｐ₂ ，Ｑ₂ ，Ｒ₂ ，Ｓ₂ 及びＰ₃ ，Ｑ₃ ，Ｒ₃ ，Ｓ₃ は夫々伸長又は 短縮してそれらの電気抵抗値を変化させる。従ってそれらの電気抵抗値を３個の ホイートストンブリッジによって計測することによって、予めキャリブレートし ておいた３種の電気抵抗値と二次元屈曲角度並びに捻り角度との関係から被測定 部の二次元屈曲角度と捻り角度とが検出される。前記第１乃至第６の実施例にお いて電気抵抗素子の外面に当該ゲージ１，１′，１″，１１，１１′，１１″と 一体に伸縮する電気絶縁性のカバー７，７′，７″，１３，１３′，１３″を夫 々水密に被着して防水構造とすることにより、電気抵抗素子が導電性の皮膚に接 触して測定誤差を生じるのを防止すると共に、水泳、入浴時における運動機能の 測定も可能となる。

【００２４】

【効果】

以上詳細に説明したように本考案によれば、生体に添着する電気絶縁性でかつ 伸縮性の大な高分子材料で成る弾性基体と、該基体と一体に伸縮する導電性でか つ伸縮性の大な高分子材料で成る弾性電気抵抗素子とから生体変形量検出ゲージ を構成したことにより、従来工学的物体の変形量の測定に用いられた歪み計では 計測し得ない生体の大きな変形量を簡便に測定することが可能となる。そして従 来の人体の関節屈曲角度を計測する関節角度計に較べ、関節の屈曲角度のみなら ず、胸部あるいは四肢の筋肉の緊張、弛緩等の活動状態の計測等その応用範囲は 広く、かつ軽量コンパクトであるため、従来の関節角度計では測定できない指等 の人体の小部分の屈曲角度の検出も可能であり、しかも廉価に提供でき、人体の 四肢の運動機能の障害等の治療に貢献すること大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】弾性基体の長手方向の伸縮状況を検出する本考
案の第１の実施例を示す斜視図である。

【図２】弾性基体の長手方向の伸縮状況を検出する本考
案の第２の実施例を示す斜視図である。

【図３】弾性基体の剪断方向の変形量を検出する本考案
の第３の実施例を示す斜視図である。

【図４】弾性基体の中心軸線を含む一平面に沿った屈曲
角度を検出する本考案の第４の実施例を示す斜視図であ
る。

【図５】ホイートストンブリッジ回路によって電気抵抗
素子の抵抗値の変化を計測する結線図である。

【図６】電気抵抗素子相互間の結線方法の一例を示す横
断面図である。

【図７】弾性基体の中心軸線を含むすべての平面に沿う
屈曲角度を検出する本考案の第５の実施例を示す斜視図
である。

【図８】弾性基体の中心軸線を含むすべての平面に沿う
屈曲角度と中心軸線の周りの捻り角度とを同時に検出す
る本考案の第６の実施例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１，１′，１″，１１，１１′，１１″ 生体変形量検
出ゲージ ２，２′，２″，１２，１２′，１２″ 弾性基体 ３，３′，３″，Ｐ₁ ，Ｑ₁ ，Ｒ₁ ，Ｓ₁ ，Ｐ₂ ，
Ｑ₂ ，Ｒ₂ ，Ｓ₂ ，Ｐ₃ ，Ｑ₃ ，Ｒ₃ ，Ｓ₃ 弾性電気
抵抗素子 ７，７′，７″，１３，１３′，１３″ カバー

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体に添着する電気絶縁性でかつ伸縮性
   の大きな高分子材料でなる杆状の弾性基体を形成し、該
   基体と一体的に伸縮する導電性でかつ伸縮性の大きな高
   分子材料からなる弾性電気抵抗素子は基体の相対向する
   外面位置で基体の全長に亘って配設され、該電気抵抗素
   子の外面には電気絶縁性カバーを被着し、該電気抵抗素
   子に接続する電気的制御回路にはブリッジ回路素子を設
   け生体の屈伸動時に関節軸が平行移動してもその影響を
   受けることなく屈曲角度量や屈曲角度の変化過程を計測
   し得るようにしたことを特徴とする生体変形量検出ゲー
   ジ。
2. 【請求項２】 前記弾性電気抵抗素子は前記基体外面の
   全長に亘って並列する２条乃至４条を１組とする素子が
   ２組設けられ、その各組の素子は基体の直径線上の対向
   する位置で互に直交方向に交叉するように配設されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の生体変形量検出ゲー
   ジ。
3. 【請求項３】 前記弾性電気抵抗素子は２条乃至４条を
   １組とする素子３組で構成され、その２組の素子は基体
   の全長に亘って軸方向に並列すると共にその各組の素子
   は基体の直径線上の外面部の相対向する位置で互に直交
   方向に交叉するように配設され、他の１組の素子は１条
   乃至２条ずつが互に逆方向で螺旋状にかつ等間隔に、ま
   た、基体の横断面に対して４５度の進み角度をもって配
   設されていることを特徴とする請求項１記載の生体変形
   量検出ゲージ。