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課題・解決手段

本方法は、関節によって連結されている肢にセンサ(56)を取り付けるステップと、関節がねじれている、または曲がっているときに、センサの出力信号を測定するステップと、センサのこの出力信号を、ねじれ度または曲がり度に関連付ける最後のステップと、を含んでいる。センサは導電性ループ(51)を備えており、導電性ループ(51)は、一方の肢および他方の肢の両方を少なくとも部分的に覆っている。肢は、人体または動物体の肢とすることができる。センサは、ループインダクタンス尺度となる出力信号を提供する出力ユニット(57)を、さらに備えている。静的な条件下で、関節における、適切に定義されたねじれ度または曲がり度に対するセンサの出力信号を検出することによって、センサの較正データを求めることができ、この較正データは格納しておく。

概要

背景

人体または動物体の一部(例えば頸部)のねじれまたは曲がりを測定することは、科学や治療において重要である。このような測定によって得られる情報は、人や動物の(例えばスポーツにおける)能力を向上させる、あるいは変形が原因となる怪我を防止する目的に使用することができる。

非特許文献1には、体動センサが記載されている。この論文は、衣服に組み込まれた導電性コイルを、人の肢の動きを測定するための変換器として使用することを提案している。コイルは、衣服の繊維に導電性繊維を織り込むことによって作製されている。腕の周囲の巻線より下の巻線、肘の巻線、および肘より上の巻線)によるコイルが記載されている。すべての巻線を含む1つのコイルの自己インダクタンス、または巻線の一部によるコイルの間の相互インダクタンスを使用して、肘の曲がりを測定する。

これにより、関節より上および下の測定から関節のおよその角度を求めることで、肘の関節より上および下の2点間の曲がりの角度を測定することが可能である。また、関節全体の曲がりを監視することによって、回転の支点または軸線被験者の間で一貫性があるものと想定して、回転の支点または軸線の差異または変化が測定に含められる。しかしながら、このコイル構造の場合、曲がり全体を測定することが困難である。相互インダクタンス型のセンサは、例えば関節の生体力学において極めて重要な要素となり得る回転度を測定することができない。追加のセンサの使用については、この論文には記載されていない。

特許文献1には、曲がりの角度を測定する装置(角度計)として使用される光ファイバと、加速度センサとを組み合わせた膝装具が開示されている。

特許文献2には、第1の要素と第2の要素との間の角度を測定する方法、装具、およびシステムが開示されている。第1および第2の要素は、人または動物の回転する肢(例えば膝関節)とすることができる。この公知の方法では、動的な状況下での使用に適する角度測定センサを、静的な状況下において加速度計によって較正する。この特許では、角度測定センサとして光学角度計を使用することが開示されている。より詳細には、光ファイバまたは光フレキシブルチューブ(optical flexible tube)を使用して角度を測定することが開示されている。

光ファイバを使用して角度を測定する方式の1つの問題として、曲がり度が約30度の最大角度に制限されるという問題がある。なぜなら、これより大きい角度ではクラックが生じることがあり、また、光は比較的小さい角度のみにおいて伝わるためである。さらには、このような光ファイバは脆弱であり、例えばいわゆるクラッド層物理的に損傷しやすく、損傷が生じると精度が下がり、性能(特に信頼性)が低下する。

非特許文献2には、体動センサ網が開示されている。複数の運動センサからのデータは、送信器を使用してワイヤレス信号によって中央のプロセッサに送信される。この論文では、可能なセンサとして、加速度計、3軸磁気センサジャイロスコープ、およびリニアエンコーダが記載されている。より一般的には、この論文では、機械的検出、慣性的検出、音響的検出、磁気的検出光学的検出、さらには、光ファイバの光損失を検出する繊維メッシュ圧電繊維が記載されている。この論文では、このようなセンサからの出力情報数学的にモデル化する方法と、複数の異なるセンサからの情報を融合する方法とが記載されている。このうち、リニアエンコーダの構造のみが、いくらか詳しく記載されている。

概要

本方法は、関節によって連結されている肢にセンサ(56)を取り付けるステップと、関節がねじれている、または曲がっているときに、センサの出力信号を測定するステップと、センサのこの出力信号を、ねじれ度または曲がり度に関連付ける最後のステップと、を含んでいる。センサは導電性ループ(51)を備えており、導電性ループ(51)は、一方の肢および他方の肢の両方を少なくとも部分的に覆っている。肢は、人体または動物体の肢とすることができる。センサは、ループインダクタンス尺度となる出力信号を提供する出力ユニット(57)を、さらに備えている。静的な条件下で、関節における、適切に定義されたねじれ度または曲がり度に対するセンサの出力信号を検出することによって、センサの較正データを求めることができ、この較正データは格納しておく。

目的

本発明の目的は、関節のねじれおよび曲がりを検出するセンサおよび検出方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

第1の肢と第2の肢との間の連結部において使用して、前記連結部における前記肢の互いに対するねじれまたは曲がりを検出する、連結部の動き検出装置(55)であって、第1のループ構成部分と、第2のループ構成部分と、第3のループ構成部分とを有し、前記第1の肢から前記第2の肢に延び、前記第2の肢の上を延びて前記第2の肢から前記第1の肢に戻っている導電性ループ(51)であって、前記第1のループ構成部分から前記第2のループ構成部分に続くとともに、前記第2のループ構成部分から第3のループ構成部分に続きループ領域境界における前記第1のループ構成部分、前記第2のループ構成部分、および前記第3のループ構成部分によって、前記ループ領域の少なくとも一部を形成している、前記導電性ループ(51)と、前記導電性ループ(51)に結合されて、出力信号を提供する出力ユニット(58)と、前記出力ユニットに結合されて、前記出力ユニットの出力を表す出力信号を受信器に送信する送信器(57)と、を備えている、連結部の動き検出装置(55)。

請求項2

前記導電性ループ(51)は、第4のループ構成部分を有し、前記第4のループ構成部分が、前記第1のループ構成部分と前記第3のループ構成部分との間で、前記第1の肢の上に延びており、前記導電性ループ(51)は、前記第1のループ構成部分および前記第3のループ構成部分から前記第4のループ構成部分に続き、前記肢が前記導電性ループ(51)の中を通らないように、前記第2のループ構成部分および前記第4のループ構成部分が、前記第1の肢および前記第2の肢の同じ向きの表面部分上に延びている、請求項1に記載の連結部の動き検出装置。

請求項3

前記導電性ループ(51)は、第4のループ構成部分を有し、前記第4のループ構成部分が、前記第1のループ構成部分と前記第3のループ構成部分との間で、前記第1の肢の上に延びており、前記導電性ループ(51)は、前記第1のループ構成部分および前記第3のループ構成部分から前記第4のループ構成部分に続き、前記第1の肢と前記第2の肢との結合体が前記導電性ループ(51)の中を通るように、前記第2のループ構成部分および前記第4のループ構成部分が、前記第1の肢および前記第2の肢の互いに逆向きの表面部分上に延びている、請求項1に記載の連結部の動き検出装置。

請求項4

前記出力ユニット(58)は、前記導電性ループ(51)に結合されており、前記出力信号は、前記第1のループ構成部分と、前記第2のループ構成部分と、前記第3のループ構成部分と、前記第4のループ構成部分とによって形成されている前記導電性ループ(51)、または、前記第1のループ構成部分、前記第2のループ構成部分、前記第3のループ構成部分、および前記第4のループ構成部分とそれぞれ平行に延びている複数のループ構成部分を有し、直列に接続された複数の導電性ループ(51)、の自己インダクタンス尺度となる、請求項2または請求項3に記載の連結部の動き検出装置。

請求項5

加速度計を備えている、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の連結部の動き検出装置。

請求項6

前記第1の肢および前記第2の肢に連結されている前記連結部の上に装着可能な装具、を備えており、前記ループ領域が、前記装具の表面上、または前記装具の表面より内側に存在している、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の連結部の動き検出装置。

請求項7

第1の肢および第2の肢の互いに対するねじれまたは曲がりを検出するシステム(40)であって、請求項1から請求項6のいずれか一項の前記連結部の動き検出装置と、送信された前記出力信号を受信する受信器(43)と、データを格納するメモリ(44)と、人体または動物体の前記連結部の部分のねじれ度または曲がり度を計算するプロセッサ(45)と、を備えている、システム(40)。

請求項8

第1の肢および第2の肢の互いに対するねじれまたは曲がりを前記第1の肢と前記第2の肢との間の連結部で検出する方法であって、第1のループ構成部分と、第2のループ構成部分と、第3のループ構成部分とを有し、前記第1のループ構成部分から前記第2のループ構成部分に続くとともに、前記第2のループ構成部分から第3のループ構成部分に続き、ループ領域の境界における前記第1のループ構成部分、前記第2のループ構成部分、および前記第3のループ構成部分によって、前記ループ領域の少なくとも一部を形成している、前記導電性ループ(51)を、第1のループ構成部分と、第2のループ構成部分と、第3のループ構成部分とが、前記第1の肢から前記第2の肢に延び、前記第2の肢の上を延びて前記第2の肢から前記第1の肢に戻ってくるように、前記肢に取り付けるステップと、ねじれ又は曲がりのときに、前記導電性ループ(51)のインダクタンスの尺度となる出力信号を測定する(15)ステップと、較正データを使用してセンサの前記出力信号をねじれ度または曲がり度に関連付けるステップと、を含む方法。

請求項9

前記導電性ループ(51)は、第4のループ構成部分を有し、前記第4のループ構成部分が、前記第1のループ構成部分と前記第3のループ構成部分との間で、前記第1の肢の上に延び、前記導電性ループ(51)は、前記第1のループ構成部分および前記第3のループ構成部分から前記第4のループ構成部分に続き、前記肢が前記導電性ループ(51)の中を通らないように、前記第2のループ構成部分および前記第4のループ構成部分が、前記第1の肢および前記第2の肢の同じ向きの表面部分上に延びている、請求項8に記載の方法。

請求項10

前記導電性ループ(51)は、第4のループ構成部分を有し、前記第4のループ構成部分が、前記第1のループ構成部分と前記第3のループ構成部分との間で、前記第1の肢の上に延びており、前記導電性ループ(51)は、前記第1のループ構成部分および前記第3のループ構成部分から前記第4のループ構成部分に続き、前記第1の肢と前記第2の肢との結合体が前記導電性ループ(51)の中を通るように、前記第2のループ構成部分および前記第4のループ構成部分が、前記第1の肢および前記第2の肢の互いに逆向きの表面部分上に延びている、請求項8に記載の方法。

請求項11

前記出力ユニット(58)は、前記導電性ループ(51)に結合され、前記測定する(15)ステップは、前記第1のループ構成部分と、前記第2のループ構成部分と、前記第3のループ構成部分と、前記第4のループ構成部分とによって形成されている前記導電性ループ(51)の自己インダクタンスの尺度となる出力信号を生成するステップを含んでいる、請求項9または請求項10に記載の方法。

請求項12

前記第1の肢と前記第2の肢との間の角度を、静的な条件下で曲がっている前記肢に対する重力の方向を求めることによって直接的に又は間接的に測定し、且つ、前記方向を使用して前記較正データを求める手段を、提供するステップを含んでいる、請求項8から請求項11のいずれか一項に記載の方法。

請求項13

前記手段が、ポテンショメータ可変抵抗器、加速度計、または光ファイバを備えている、請求項12に記載の方法。

請求項14

前記第1の肢および前記第2の肢ならびにこれらの連結部が、人体または動物体の一部である、請求項8から請求項13のいずれか一項に記載の方法。

請求項15

前記連結部が、人体または動物体のの関節である、請求項14に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、例えば人体または動物体の一部である2本の肢の間の関節(連結部に相当)、におけるねじれ度または曲がり度を測定する方法に関する。さらに、本発明は、ねじれ度または曲がり度を測定するシステムに関する。さらに、本発明は、ねじれ度または曲がり度を測定する装具に関する。

背景技術

0002

人体または動物体の一部(例えば頸部)のねじれまたは曲がりを測定することは、科学や治療において重要である。このような測定によって得られる情報は、人や動物の(例えばスポーツにおける)能力を向上させる、あるいは変形が原因となる怪我を防止する目的に使用することができる。

0003

非特許文献1には、体動センサが記載されている。この論文は、衣服に組み込まれた導電性コイルを、人の肢の動きを測定するための変換器として使用することを提案している。コイルは、衣服の繊維に導電性繊維を織り込むことによって作製されている。腕の周囲の巻線より下の巻線、肘の巻線、および肘より上の巻線)によるコイルが記載されている。すべての巻線を含む1つのコイルの自己インダクタンス、または巻線の一部によるコイルの間の相互インダクタンスを使用して、肘の曲がりを測定する。

0004

これにより、関節より上および下の測定から関節のおよその角度を求めることで、肘の関節より上および下の2点間の曲がりの角度を測定することが可能である。また、関節全体の曲がりを監視することによって、回転の支点または軸線被験者の間で一貫性があるものと想定して、回転の支点または軸線の差異または変化が測定に含められる。しかしながら、このコイル構造の場合、曲がり全体を測定することが困難である。相互インダクタンス型のセンサは、例えば関節の生体力学において極めて重要な要素となり得る回転度を測定することができない。追加のセンサの使用については、この論文には記載されていない。

0005

特許文献1には、曲がりの角度を測定する装置(角度計)として使用される光ファイバと、加速度センサとを組み合わせた膝装具が開示されている。

0006

特許文献2には、第1の要素と第2の要素との間の角度を測定する方法、装具、およびシステムが開示されている。第1および第2の要素は、人または動物の回転する肢(例えば膝関節)とすることができる。この公知の方法では、動的な状況下での使用に適する角度測定センサを、静的な状況下において加速度計によって較正する。この特許では、角度測定センサとして光学角度計を使用することが開示されている。より詳細には、光ファイバまたは光フレキシブルチューブ(optical flexible tube)を使用して角度を測定することが開示されている。

0007

光ファイバを使用して角度を測定する方式の1つの問題として、曲がり度が約30度の最大角度に制限されるという問題がある。なぜなら、これより大きい角度ではクラックが生じることがあり、また、光は比較的小さい角度のみにおいて伝わるためである。さらには、このような光ファイバは脆弱であり、例えばいわゆるクラッド層物理的に損傷しやすく、損傷が生じると精度が下がり、性能(特に信頼性)が低下する。

0008

非特許文献2には、体動センサ網が開示されている。複数の運動センサからのデータは、送信器を使用してワイヤレス信号によって中央のプロセッサに送信される。この論文では、可能なセンサとして、加速度計、3軸磁気センサジャイロスコープ、およびリニアエンコーダが記載されている。より一般的には、この論文では、機械的検出、慣性的検出、音響的検出、磁気的検出光学的検出、さらには、光ファイバの光損失を検出する繊維メッシュ圧電繊維が記載されている。この論文では、このようなセンサからの出力情報数学的にモデル化する方法と、複数の異なるセンサからの情報を融合する方法とが記載されている。このうち、リニアエンコーダの構造のみが、いくらか詳しく記載されている。

0009

欧州特許第2057944号明細書
国際公開第2009/061181号

先行技術

0010

Ravindra Wijesiriwardana, “Inductice Fiber-Meshed Strain and Displacement Transducers for Respiratory Measuring Systems and Motion Capturing Systems”, published in theIEEE sensors journal Vol. 6, No. 3 (kune 2006) pages 571-579. (EPO reference XP-002580465)
Kwang Yong Lim et al., “A Wearable, Self Calibrating. Wireless Sensor Network for Body Motion Processing”, published in the proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Pasadena, CA, USA, May 19-23, 2008, pages 1017-1022 (EPO reference XP00258040464)

発明が解決しようとする課題

0011

本発明の目的は、関節のねじれおよび曲がりを検出するセンサおよび検出方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0012

請求項1による方法を提供する。導電性ループ(electrically conductive loop)を備えたセンサを使用し、このループ領域は、関節における一方の肢から他方の肢まで延在している。ループから導かれる出力信号を、出力ユニットを使用して提供する。

0013

ループ領域が両方の肢に延在するループを使用することによって、単に複数のループを使用するよりも、肢の互いに対する曲がりおよびねじれの動きを広範囲に検出することが可能になる。それぞれが1本の肢の周囲に延びる単なる複数のループ(ループの領域は肢の軸線方向に垂直)を使用した解決策と比較すると、関節の難しい種類の動きを検出することができる。導電性ループは、1つまたは複数の導電性ループに付随するインダクタンスの一部としてもよい。ループ領域とは、本明細書において、このようなインダクタンスの1本の巻線の中の領域に対応する。しかしながら、複数の巻線により形成される複数のループ領域、すなわち、関節における一方の肢から他方の肢に延在する複数のループ領域は、実質的に一致するものとしてもよい。

0014

一つの実施形態においては、導電性ループは、全体が関節および肢の一方の側に延びており、したがって、肢はループ領域の中を通っていない。これによって、関節の幅広い動きを検出することが可能になる。別の実施形態においては、それぞれの肢におけるループの部分が、肢の互いに反対側の面に延びている。したがって、一方の肢から他方の肢に延びる部分を除いて、ループは、肢がループ領域の中を通るように延びている。これによってセンサの感度が高まる。

0015

一つの実施形態においては、第1、第2、第3、および第4のループ構成部分によって形成されている導電性ループ、または複数のこのようなループの、自己インダクタンスが測定される。これに代えて、複数のループまたは複数のループ構成部分のインダクタンスマトリックス(inductance matrix)を測定するようにしてもよい。インダクタンスマトリックスとは、これらのループまたはループ構成部分の自己インダクタンスに加えて、相互インダクタンス(cross inductance)(あるループに、別のループまたはループ構成部分によって誘導される電圧)を含むものである。インダクタンスマトリックスからは、ループまたはループ構成部分の組合せの自己インダクタンスを求めることができる。この自己インダクタンスを使用して関節の動きを測定することによって、測定が単純になる。

0016

実施形態においては、本装置には、導体ループからの出力と、例えば関節の角度との間の関係を較正するための、追加のセンサが設けられている。

0017

導電性ループの利点として、このようなループは、機械的に極めて柔軟に作製することができ、また、損傷することなく大きな角度に曲げることができる。フレキシブルなループを使用する効果は、センサを損傷することなく大きく変形できるということである。

0018

センサが大きく変形することによって、人または動物の膝、肘、または他の部位(例えば胴、頸部)の大きな曲がりまたはねじれを測定することができる。

0019

上記および他の目的および有利な態様は、図面を参照しながら例示的に説明する実施形態から明らかになるであろう。

図面の簡単な説明

0020

ループの2つの異なる変形を概略的に示している。
膝装具のためのループの実施形態の例を概略的に示している。
ループのインダクタンスを測定するための可能な構成を概略的に示している。
装具の実施形態を概略的に示している。
ねじれまたは曲がりを測定するループのいくつかの実施形態を示している。
システムの2つの実施形態を示している。
ループの曲がりの較正データを示している。
一方法を示している。
検出ループの実施形態を示している。
検出ループのさらなる実施形態を示している。

実施例

0021

曲がりは、膝や肘などの関節の特徴的な動きである。ねじれは、体における回転する要素(例えば胴や頸部など)の特徴的な動きである。特に、頸部および胴の動きは複雑なことがあり、なぜならこれらの部位は自由度が2以上であるためである。このような複雑な動きを測定することのできるセンサを提供する。図1には、長方形(1)の単純な曲がり(2)と、より複雑な変形(3)とを示してある。長方形ループのインダクタンスは、形状ごとに異なる。したがって、ループのインダクタンスは、変形の尺度となる。

0022

ねじれ度または曲がり度を測定する本方法は、3つのステップを含んでおり、2番目のステップはサブステップを有する。これらのサブステップのうちの2つは、任意の順序で実行することができる。最初のステップにおいて、ねじれまたは曲がりを測定する対象の体の部分にセンサを取り付ける。本方法の最後のステップにおいて、センサの測定出力信号を、測定対象である体の部分のねじれ度または曲がり度に関連付ける。すなわち、特に、動的な状況における(すなわち人または動物が動いているときの)ねじれまたは曲がりである。これら2つのステップの間で、好ましくは人または動物が静止しているとき、センサを較正する。較正とは、ループのインダクタンスを、適切に定義された(well defined)特定のねじれまたは曲がりに関連付けることを意味する。この較正データは、測定されたインダクタンスをねじれまたは曲がりに関連付ける最後のステップで使用できるように、格納しておかなければならない。本方法のこの中間ステップにおいては、動的な状況においてループのインダクタンスをさらに測定する。較正を動的な測定の前に実行するか後に実行するかは、重要ではない。当然ながら、較正データの格納は、較正ステップ自体の後に行わなければならない。

0023

<較正>
本方法は、以下の洞察に基づいている。すなわち、ねじれおよび曲がりを測定するためのセンサには、動的な状況において良好な性能を有するタイプと、静的な状況における使用に適するタイプとが存在する。一般的には、ねじれまたは曲がり(それぞれ回転角度および曲がり角度に置き換えることができる)は、静的な状況において周知の角度測定法によって相当に良好かつ正確に測定することができる。このような測定は、手動で、またはあらゆる種類の自動もしくは半自動の技術的手段によって、実行することができる。手動での測定は、体において直接行う、または写真フィルムビデオに基づいて行うことができる。静的な状況における測定は、ポテンショメータ可変抵抗器、加速度計、または、角度を直接的または間接的に測定する(例えば、曲がっている要素の位置に対する重力の方向を求めることによる)その他の技術的手段によっても、行うことができる。しかしながら、これらの方法のほとんどは、動的な状況では使用することができず、その理由の1つとして、動く体に取り付けるには測定機器が大きすぎる、または重すぎるためである。

0024

動的な状況においてねじれまたは曲がりを測定するためのセンサは、精度が低いことがあり、その理由として、例えば、センサが一緒に動く、あるいはセンサが特に相対的な測定を実行するのに適しており、絶対的な測定には適していないためである。本方法、本装具、および本システムにおいては、ねじれまたは曲がりを導電性ループを使用して測定する。ループのインダクタンスは、ループの形状(より詳細には、ねじれ度または曲がり度)の絶対的な尺度ではないため、このようなループには較正が必要である。

0025

較正は、いくつかの方法に従って実行することができる。較正は、ねじれまたは曲がりを実際に測定する前に行うことができる。このような状況においては、較正データを使用して、ねじれおよび曲がりをリアルタイムで求めることができる。また、ねじれまたは曲がりを実際に測定した後に、較正を行うこともできる。この状況においては、実際の測定時のねじれまたは曲がりを求めるためには、測定されたデータを格納しておいて後から処理しなければならない。しかしながら、好ましい方法は、実際の測定時に反復較正(recurring calibration)を行うことである。このような反復較正(自動的に実行されるように実施することができる)では、導電性ループの幾何学形状の半永続的な変化を補正することができる。ループの幾何学形状の変化は、例えば使用中に装具がずれることによる。人または動物が静止している、あるいは、体のうち少なくともねじれまたは曲がりを測定する対象の部分が静止していることを加速度計が検出することによって、自動的な反復較正をトリガーすることができる。

0026

実際の測定時に反復較正が行われる場合には、1つまたは複数の追加のセンサを体に取り付けなければならない。このような追加のセンサは、静的な状況において(すなわち、体または少なくとも測定する対象の部分が静止している状況において)ねじれまたは曲がりを正確に求めることのできるセンサとするべきである。実際には、このようなセンサは、加速度センサとすることができる。すなわち、角度センサは、重力の方向を検出することができ、したがって角度を正確に測定できる。曲がる部分の2箇所の外端部(例えば、膝の曲がりを測定するとき場合には上肢および下肢)に、2個の追加の角度測定センサを取り付けてもよい。

0027

<ループ>
導電性ループのインダクタンスは、例えば、曲がる、伸びる、ねじれる、またはその他の変形によってループの形状が変わったときに、変化する。しかしながら場合によっては、インダクタンスの変化を、ループ形状の特定の変化に関連付けることが困難なことがある。この理由のため、ループは、特定の形状に構築されているか、または体の特性によって、または着衣あるいは装具によって、その変形が制約されていることが好ましい。このような状況においては、測定されるインダクタンスと、較正ステップにおいて得られるねじれまたは曲がりとが、相互に良好に関連付けられる。図2は、膝の装具(5)のためのループ(4)の実施形態の例を示している。この場合、装具は円筒として示してあるが、実際には、装具の形状は、下肢および上肢ならびに膝にフィットするように適合させたものとなる。円(9)は、膝の大きさを示している。図の右側は、ループのみの3次元形状を示している。図から理解できるように、ループが下肢および上肢ならびに膝の特定の形状に合わせてあり、この形状では感度が向上する。

0028

自由度がさらに大きい場合、インダクタンスを単発的に測定するのではなく、ループのインダクタンスの変化の特徴を監視することは、前方および横方向の曲がりと回転とを分けることができるなど、どの動きが行われているかを区別するうえで役立つ。追加のループを使用することで、より複雑な変形(すなわち自由度が2以上の場合の変形)を検出することができる。より詳細には、このような追加のループ、またはこれらのループの領域は、自由度が2以上の測定のための最適化を目的として、第1のループの領域に対して垂直に位置させることができる。

0029

導電性ループは、異なる用途に適するように、さまざまな材料、特に、繊維またはプラスチック(例えばセンサにプレテンションを与える、より弾性的な材料)に、取り付ける、または組み込むことができる。しかしながら、ループを例えば接着剤によって体に取り付ける、または服に留め具で固定することで取り付けることもできる。ループの形状は、特定のねじれまたは曲がりに対する感度および精度が最大となるような形状とすることができる。ループは、長方形や円形など単純な形状を有することができ、あるいは、図2の右側に示したように、体の一部を包み込む、より複雑な形状を有することができる。この図には、ループは、開放端を有する1本の巻線として示してある。しかしながら、感度を高めるため、または性能を改善するための他の理由によって、ループを2本以上の巻線から構成することができる。

0030

理想的または完璧なループは、そのインダクタンスによって電気的に特徴付ける(electrically characterised)ことができる。しかしながら、ループのさらに正確な特徴付けは、周波数に依存する複素インピーダンスまたは複素アドミッタンスである。本文書において使用されている「ループのインダクタンス」という表現は、より一般的に、ループの電気インピーダンスも含むものと理解されたい。

0031

図3に示したように、ループ(31)のインダクタンスは、当業者に公知である機器によって測定することができる。インダクタンスは、図3に概略的に示したように、発信回路(32)を使用することによって周波数カウンタ(33)を用いて測定することができる。カウンタの出力信号はデータロガー(34)に送ることができる。

0032

<装具>
装具(より詳細には整形外科装具)とは、特に、体の一部を支持する目的に使用できる製品である。また、装具は、人体または動物体の一部、特に、関節(例えば膝)を、部分的に固定する目的にも使用することができる。さらに、装具は、例えば人の胴の動きを支持または矯正する目的にも使用することができる。装具は、特定の用途および需要に応じて、いくつかの種類の材料から作製することができる。例えば、膝の装具は、さまざまな人に容易にフィットするように、弾性材料(より詳細には繊維)から作製することができる。しかしながら、特定の人にフィットするように、装具をオーダーメイドすることもできる。このような装具は、プラスチック材料から作製することができ、場合によっては金属部品セラミック部品を備えていることもできる。装具では、体の要素の自由度が1または2以上に制限されることが多い。フレキシブルな装具(可撓性材料から作製されている、または継手を備えている)は、治療上の理由から、またはそれ以外の用途(例えばスポーツ)において、使用することができる。

0033

治療上、またはそれ以外の理由(例えば、人の動きに関する科学的研究や、体の関節、あるいは曲がりまたはねじれが生じる他の要素にかかる負荷に関する科学的研究の場合)においては、ねじれまたは曲がりを特定の条件下で測定しなければならない。人体または動物体の一部のねじれまたは曲がりを導電性ループを使用して測定する方式は、例えば光学的な方法およびシステムよりも有利である。例示的な方法においては、このようなループは、例えば接着剤によって体の一部に直接取り付けることができるが、特に、動きを支持する、矯正する、または刺激する必要がある場合には、装具を使用することが好ましい。

0034

装具は、センサを体に取り付ける目的に使用できるのみならず(ただし本来の目的ではない)、例えば関節が正しく使われるように強制するため、あるいは力を除去するため、自由度を制約する目的にも使用することができる。

0035

図4は、装具の実施形態を示している。概略的に円筒として示した装具(55)は、ねじれ度または曲がり度を測定するためのセンサ(56)と、センサの出力信号を送信する送信器(57)とを備えている。送信はファイバを介することができるが、測定や動きが妨げられることを防止するため、ワイヤレス送信器(57)が好ましい。センサは、ねじれまたは曲がりを測定する対象である体の部分を覆う導電性ループ(51)を備えている。送信器は、さらに、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニット(58)を備えている。この出力ユニットは、電子回路、または特に、電気光学回路を備えていることができる。

0036

導電性ループは、ねじれまたは曲がりを測定する対象である体の部分にループを装着できるようにするフレキシブルな装具または他の支持基材に、取り付けることができる。導電性ループは、金属ワイヤカーボンファイバ、または任意の他のタイプの可撓性の導電性ワイヤまたは導電性繊維から形成されていることが好ましい。ワイヤまたはファイバは、基材に織り込む、編み込む、または「ジグザグ状に組み込む」ことができ、これらの方法では、より高い可撓性が得られ、基材を形成している繊維または他の材料に良好に一体化することができる。しかしながら、導電性ループを基材の材料に印刷する、または積層させることもできる。図5は、ループの3つの可能な実施形態を示している。長方形(10)は、角度の小さい単純な曲がりの場合に十分な結果が得られる。ループのワイヤまたはファイバを伸ばすことができない場合、ワイヤまたはファイバを「ジグザグ」形状(20)とすることができ、これによってループが装具の伸張に対応することができる。形状(14)は、膝の曲がりを測定するうえで有利な特性を持つ形として前述したループによく似ているが、胴のねじれを測定する目的にも使用することができる。ただし当然ながら、ループの寸法は、膝と胴の大きさの違いに基づいて修正しなければならない。

0037

本方法においては、装具を使用することが適している。しかしながら、人体または動物体の一部の相対的な曲がりまたはねじりのみが求められれば十分である状況もある。このような状況においては、較正が必要ないことがある。ループのインダクタンスの相対的な変動が、使用者に十分な情報を提供する。このような状況では、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を測定する方法において、装具を使用することができる。本方法は、ねじれ度または曲がり度を測定するためのセンサを、人体または動物体の一部に取り付ける最初のステップと、人体または動物体の一部がねじれている、または曲がっているときにセンサの出力信号を測定するステップを含んでいる第2のステップと、センサの出力信号を、較正データを使用することによって、ねじれ度または曲がり度に関連付ける最後のステップと、を含んでいる。このような方法における特徴として、センサは、ループの領域が人体または動物体の一部を少なくとも部分的に覆っている導電性ループと、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニットと、を備えている。

0038

本システムは、図6の2つの実施形態において示したように、センサ(41)の出力信号を受信器(43)に送信する送信器(42)を備えている。送信は、送信器と受信器とを接続している導電性ワイヤまたは光ファイバを介して行うことができるが、送信機と受信器との間の信号の送信はワイヤレスであることが好ましい。本システムは、導電性ループ(46)のインダクタンスを表すセンサの出力信号、を提供する出力ユニット(47)、を備えている。この出力信号は、測定されたインダクタンスとすることができるが、較正データによって補正された信号とすることもできる。さらに、本システムは、データを格納するメモリ(44)を備えている。このようなメモリは、下側の図に示したように、センサに直接接続する、または上側の図に示したように、受信器に直接接続することができる。本システムは、メモリに加えて、ねじれ度または曲がり度を計算するプロセッサ(45)を備えている。

0039

データをワイヤレスで送信する方式の利点として、測定中に人または動物にとってワイヤが邪魔になることがない。このことは、歩いているとき、あるいは走っているときにねじれまたは曲がりが測定される場合に、特に重要である。任意のタイプのワイヤレス送信器(例えば赤外線)を使用することができるが、無線送信器が好ましく、なぜなら、その送信範囲が広いことと、送信機と受信器との間に物体が存在していても信号の受信はほとんど妨げられないためである。

0040

本システムは、静的な状況において(すなわち人または動物が静止しているときに)ねじれまたは曲がりを測定する1つまたは複数の追加のセンサを備えていることができる。このようなセンサは、加速度計、抵抗型の曲がりセンサ、または光学センサとすることができる。このセンサは、動くときの機械的負荷または変形力が相対的に小さい位置に配置することができる。このような位置の例は、膝の曲がりを測定するときには上肢および下肢、肘の曲がりを測定するときには上腕または前腕である。

0041

追加のセンサは、ループの較正が半永久的に(すなわち測定の合間の、体の一部が静止しているタイミングにおいて)実行されるシステムの実施形態において、特に適している。

0042

<実例>
図3に示した本方法の実施形態においては、導電性ループは、金属ワイヤからなる1本の巻線を有する30cm×10cmの長方形コイルであり、インダクタンスを測定するための2つのコンタクト用の開放端を有する。このループのインダクタンスは、2,5MHzの発振器を使用して測定される。発振器は、インダクタンスセンサに依存する周波数に対応するパルス列を提供する。インダクタンスセンサは、第2のコイル(Ls=470nH、容量C=5.7nF)に直列に接続されている。10msにおける発振器からのパルスを、カウンタを使用してカウントする。いま、10msにおけるカウントの測定値がNであるとする。周波数の測定値は、

0043

インダクタンスは、次式を使用して計算される。



または

0044

したがって、曲がりセンサの真のインダクタンスは、以下である。

0045

このループのインダクタンスLの一般的な値は、400nH〜600nHの範囲内である。図7は、この実施形態における、曲がりの角度と測定されたインダクタンスとの関係を示している。このグラフは、動的な条件下で、特に曲がりを測定する目的でのセンサの較正に使用される較正データの例である。ねじれと、さらに複雑な変形(すなわち自由度が2以上である場合の変形)についても、同様にして較正データを得ることができる。

0046

図8は、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を測定する方法(11)を示している。この方法は、ねじれ度または曲がり度を測定するためのセンサを、人体または動物体の一部に取り付ける最初のステップ(12)を含んでいる。さらなる一連のステップとして、人体または動物体の一部の、適切に定義されたねじれ度または曲がり度に対するセンサの出力信号を検出することによって、センサの較正データを取得する(13)ステップと、較正データを格納する(14)ステップと、人体または動物体の一部がねじれている、または曲がっているときにセンサの出力信号を測定する(15)ステップと、センサの出力信号を、較正データを使用することによって、ねじれ度または曲がり度に関連付ける(16)最後のステップと、を含んでいる。この場合、センサ(41,56)は、導電性ループ(46,51)であって、ループの領域が人体または動物体の一部を少なくとも部分的に覆っている導電性ループと、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニット(47,58)と、を備えている。

0047

一態様によると、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を測定する方法(11)が提供される。この方法は、ねじれ度または曲がり度を測定するためのセンサを、人体または動物体の一部に取り付ける最初のステップ(12)と、これに続くステップとして、人体または動物体の一部の、適切に定義されたねじれ度または曲がり度に対するセンサの出力信号を検出することによって、センサの較正データを取得する(13)ステップと、較正データを格納する(14)ステップと、人体または動物体の一部がねじれている、または曲がっているときにセンサの出力信号を測定する(15)ステップと、センサの出力信号を、較正データを使用することによって、ねじれ度または曲がり度に関連付ける(16)最後のステップと、を含んでいる。この方法の特徴として、センサ(41,56)は、ループの領域が人体または動物体の一部を少なくとも部分的に覆っている導電性ループ(46,51)と、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニット(47,58)と、を備えている。

0048

実施形態においては、適切に定義されたねじれ度または曲がり度は、人体または動物体の一部が好ましくは実質的に静止しているときに、加速度計を使用することによって測定される。

0049

別の態様によると、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を測定するシステム(40)が提供される。このシステムは、動的な条件下および静的な条件下で、ねじれ度または曲がり度を測定するためのセンサ(41)と、測定されたねじれ度または曲がり度を表す、センサの出力信号、を受信器に送信する送信器(42)と、送信された出力信号を受信する受信器(43)と、データを格納するメモリ(44)と、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を計算するプロセッサ(45)と、を備えている。このシステムの特徴として、センサは、人体または動物体の一部を少なくとも部分的に覆う領域を有する導電性ループ(46)と、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニット(47)と、を備えている。実施形態においては、送信器は、ワイヤレス送信器である。代替実施形態またはさらなる実施形態においては、本システムは、静的な条件下でねじれ度または曲がり度を測定するための第2のセンサを備えている。

0050

別の態様によると、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を測定する装具が提供される。この装具は、動的な条件下および静的な条件下で、ねじれ度または曲がり度を測定するためのセンサ(56)と、測定されたねじれ度または曲がり度を表す、センサの出力信号、を受信器に送信する送信器(57)と、を備えている。この装具の特徴として、センサは、人体または動物体の一部を少なくとも部分的に覆う領域を有する導電性ループ(51)と、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニット(58)と、を備えている。実施形態においては、本装具は、静的な条件下でねじれ度または曲がり度を測定するための第2のセンサを備えている。

0051

所望の目的は、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を測定する方法であって、動的な状況において(すなわち人または動物が動いている間に)、ねじれまたは曲がりを正確に測定することのできる方法、を提供することである。より詳細には、所望の目的は、大きな角度のねじれまたは曲がりを検出することのできる方法、を提供することである。

0052

この目的は、センサが、ループの領域が人体または動物体の一部を少なくとも部分的に覆っている導電性ループと、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニットと、を備えていることを特徴とする序文に従った方法によって達成される。

0053

導電性ループの利点として、このようなループは、機械的に極めて柔軟に作製することができ、また、損傷することなく大きな角度に曲がることができる。フレキシブルなループを使用する効果は、損傷することなくセンサを大きく変形できるということである。

0054

上記の目的は、この効果によって達成される。なぜなら、センサが大きく変形することによって、人体または動物体の膝、肘、または他の部位の大きな曲がりを測定できる、または、例えば胴または頸部の大きなねじれ角度を測定できるためである。

0055

別の所望の目的は、動的な状況において(すなわち人または動物が動いている間に)、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を正確に測定するシステム、を提供することである。より詳細には、所望の目的は、このような動的な状況において大きな角度のねじれまたは曲がりを検出することのできるシステムを提供することである。

0056

この目的は、センサが、人体または動物体の一部を少なくとも部分的に覆う領域を有する導電性ループと、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニットと、を備えていることを特徴とする序文に従ったシステムによって達成される。

0057

ねじれまたは曲がりを検出するための導電性ループの利点として、このようなループは機械的に極めて柔軟に作製することができる。体の測定対象の部分の少なくとも一部を覆う領域を有するフレキシブルなループを使用する効果として、センサを、損傷することなく大きく変形させることができる。フレキシブルである結果として、あらゆる種類の変形、特に、ねじれおよび曲がりに対する高い感度が得られる。

0058

上記の目的は、この効果によって達成される。なぜなら、センサが大きく変形することによって、人体または動物体の膝、肘、または他の部位の大きな曲がりを測定できる、または、例えば胴または頸部の大きなねじれ角度を測定できるためである。さらに、高い感度によって、ねじれまたは曲がりを正確に求めることができる。

0059

第3の所望の目的は、動的な状況において(すなわち人または動物が動いている間に)、人体または動物体の一部のねじれ度または曲がり度を正確に測定する装具、を提供することである。より詳細には、所望の目的は、このような動的な状況において大きな角度のねじれまたは曲がりを検出することのできる装具を提供することである。

0060

この第3の目的は、上述した装具において、センサが、人体または動物体の一部を少なくとも部分的に覆う領域を有する導電性ループと、ループのインダクタンスの尺度となる出力信号を提供する出力ユニットと、を備えていることを特徴とする装具、によって達成される。

0061

ねじれまたは曲がりを検出するための導電性ループの利点として、このようなループは機械的に極めて柔軟に作製することができ、したがって、フレキシブルな装具(特に、繊維からなる装具)における使用に、極めて適している。フレキシブルなループは、装具の機械的特性にほとんど影響を与えない。体の測定対象の部分の少なくとも一部を覆う領域を有するフレキシブルなループを使用する効果として、センサが損傷することなく、かつ、ねじれまたは曲がりに影響を及ぼすことなく、センサを大きく変形させることができる。さらに、フレキシブルである結果として、あらゆる種類の変形、特に、ねじれおよび曲がりに対する高い感度が得られる。

0062

上記の目的は、この効果によって達成される。なぜなら、センサが大きく変形することによって、人体または動物体の膝、肘、または他の部位の大きな曲がりを測定できる、または、例えば胴または頸部の大きなねじれ角度を測定できるためである。さらに、高い感度によって、ねじれまたは曲がりを正確に求めることができ、ねじれまたは曲がりは、ループによってほとんど影響されない。

0063

図9A〜図9Cおよび図10A〜図10Cは、検出ループの異なる実施形態を示している。関節によって連結されている第1および第2の肢90,92が示されている。肢90および肢92は、例えば、それぞれ人の大腿部および(スネ)部とすることができる。肢90,92において、肢90,92の仮想共通軸線を認識することができる(破線99によって示してある)。この共通軸線は、第1の肢90の軸線に沿って、関節を通り第2の肢92の軸線に通じており、したがって関節は、共通軸線における各軸線の間の角度に影響する。装具94が提供されている。説明を目的として、装具94は図9Aおよび図10Aのみに示してある。他の図9B、図9C、図10B、図10Cにも装具が存在するが、これらの図では省いてあることを理解されたい。装具とは、本明細書においては、関節の両側の肢90,92に、例えば肢90,92の周囲のバンドによって取り付けられる構造であり、少なくとも部分的に肢の表面に接触した状態で一方の肢から他方の肢まで延在している。

0064

図9A〜図9Cには、前に説明した検出ループをループ96として示してある。図10A〜図10Cには、代替の検出ループ98を示してある。これらの検出ループ96,98は、装具94の中に存在しており、場合によっては装具94の表面に存在している。装具94「の中に存在している」とは、本明細書においては、装具94の表面に存在する場合も含まれる。検出ループ96,98は、第1の肢90および第2の肢92ならびに関節の表面に実質的に平行に延びている。検出ループ96,98それぞれは、第1の部分および第2の部分を有し、これらの部分は、第1の肢90から関節の上を第2の肢92まで、それぞれ異なる位置において延びている。さらに、検出ループ96,98は、第1の部分と第2の部分との間で、第1の肢および第2の肢の上にそれぞれ延びている第3の部分および第4の部分を有する。

0065

図9A〜図9Cの実施形態においては、第3の部分と第4の部分は、肢90,92の同じ側に延びている。したがって、センサループは肢90,92の共通軸線を囲んでいない。図10A〜図10Cの実施形態においては、センサループ98の第3の部分98aとセンサループ98の第4の部分98bは、肢90,92の互いに反対の側に延びている。センサループ96,98によって縁部が形成されている2次元領域を、ループ領域として定義することができる(3次元においては湾曲していることがある)。ループ上の2点の間を渡るループ領域内の線分の上の点の集合を、ループ領域の表面部分として定義することができる(上記の各線分は、肢90,92および関節の表面に沿って延び、上記2点間でループと交差せずループ領域内で最小となる線分である。)。

0066

図9A〜図9Cの実施形態においては、ループ領域の表面部分は、センサループ96の完全な(閉じた)ループ領域であり、センサループ96は、その全体が肢90,98および関節の表面上に延びており、第1の肢90の表面の一部と、第2の肢92の表面の一部とを覆っており、これらの表面の間で、肢90と肢92との間に延びている。図10A〜図10Cの実施形態においては、ループ領域の表面部分は、第1の肢90の表面の一部と、第2の肢92の表面の一部とを覆っており、これら表面の間で、肢90と肢92の間に延びている。しかしながら、図10A〜図10Cの実施形態のセンサループ98のループ領域の表面部分は、完全なループ領域ではない。なぜならループ領域の一部が第2の肢92の軸線と交差しているためである。

0067

肢90,92の共通軸線99を囲んでいるのみであるセンサループ(すなわちループ領域の表面部分が両方の肢の表面の一部を覆っていないセンサループ)(図示していない)と比較する。この場合、ループ領域の表面部分が両方の肢まで延びているセンサループ96,98は、その利点として、肢の動きに対する感度がより高い。基本的には、共通軸線99を囲むのみであるループは、曲がり(共通軸線99に沿った肢90,92の軸線の間の角度の変化)を感知するのみであり、ねじれ(これらの軸線を中心とする、肢90,92の互いに対する回転に相当する)については、感知しない、またはわずかに感知するのみである。

0068

図9A〜図9Cおよび図10A〜図10Cの実施形態のセンサループは、曲がりおよびねじれの両方を感知する。図10A〜図10Cの実施形態におけるように、センサループの部分98a,98bがそれぞれの肢の互いに反対の側に延びていることは、さらなる利点として、関節の動きに対するセンサループの感度が大幅に上昇することが判明した。

0069

センサループ96,98それぞれは、導体ラインの1本の巻線のみから形成する、あるいは、1本または複数の導体ラインの複数の巻線から形成することができる。センサループは完全なループとすることができる。ただし用語「ループ」は、本明細書においては、ループが、両方の肢の上を延びる部分と、これらの肢の間を延びる部分とを有する限り、例えばループに接続するための開口部が途切れているようなほとんど完全な巻線をも包含する。図9A〜図9Cおよび図10A〜図10Cは、大きな凸形状を有するほぼ長方形のループを示しているが、他のパターン(例えば凹部を有するパターンや、ジグザグ状の導体を有するパターン)も使用できることを理解されたい。提示した例は、連結部として人体の関節に適用される場合について示したが、本システム、本方法、および本センサは、連結部として動物の関節の動き、さらには電気絶縁性材料電気抵抗性材料の任意の機械的ジョイントの動きを検出する目的にも適用できることを理解されたい。

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