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技術 筋力特性評価方法

出願人 本田技研工業株式会社
発明者 竹中透池内康植松博赤塚浩二下野誠通藤代崇弘後藤優
出願日 2018年8月27日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2018-158227
公開日 2020年3月5日 (9ヶ月経過) 公開番号 2020-031700
状態 特許登録済
技術分野 生体の呼吸・聴力・形態・血液特性等の測定
主要キーワード 関節リンク機構 拡大変形 拡大行列 拡大率α 外側頭 筋モデル フィティング 拡大補正
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

再現性や信頼性の優れた筋力特性評価方法を提供する。

解決手段

第1関節J1により支持された基端を有する第1L1と第1杆の遊端に第2関節J2を介して支持された第2杆L2とを有する肢体3の筋力特性を、第1拮抗一関節筋対e1,f1、第2拮抗一関節筋対e2,f2、及び拮抗二関節筋対e3,f3からなる筋群モデルに基づいて評価する筋力特性評価方法であって、第2杆の遊端の少なくとも1つの所定の方向への最大出力F1、F2,F3、F4を測定するステップST1と、面内に於ける第2杆の遊端の全方向への周回出力Sを測定するステップST2と、所定の方向への最大出力と周回出力とに基づいて、筋群モデルの各筋の寄与に対応する6角形の最大出力分布Qを作成するステップST3、ST4とを含む。

概要

背景

上肢又は下肢等の2関節を含む肢体の2次元面内での運動に寄与する筋を評価するためのモデルであって、肢体に設けられた筋を第1拮抗一関節筋対、第2拮抗一関節筋対、拮抗二関節筋対に分類した3対6筋群モデルが知られている(例えば、非特許文献1)。3対6筋群モデルにおいて、肢体の先端で発揮することのできる最大出力は各筋の最大出力を足し合わせた6角形の最大出力分布として表される。

3対6筋群モデルに基づいて、被験者筋力特性を評価する筋力特性評価方法が知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1では、上記2次元面内の所定の4方向の出力に基づいて、最大出力分布が求められる(4点測定法)。更に、特許文献1では、最大出力分布に基づいて各筋の最大出力を算出され、算出された各筋の最大出力は、リハビリテーションスポーツ筋力評価、トレーニング指導評価等に利用される。

概要

再現性や信頼性の優れた筋力特性評価方法を提供する。 第1関節J1により支持された基端を有する第1L1と第1杆の遊端に第2関節J2を介して支持された第2杆L2とを有する肢体3の筋力特性を、第1拮抗一関節筋対e1,f1、第2拮抗一関節筋対e2,f2、及び拮抗二関節筋対e3,f3からなる筋群モデルに基づいて評価する筋力特性評価方法であって、第2杆の遊端の少なくとも1つの所定の方向への最大出力F1、F2,F3、F4を測定するステップST1と、面内に於ける第2杆の遊端の全方向への周回出力Sを測定するステップST2と、所定の方向への最大出力と周回出力とに基づいて、筋群モデルの各筋の寄与に対応する6角形の最大出力分布Qを作成するステップST3、ST4とを含む。

目的

本発明は、以上の背景を鑑み、取得される最大出力分布の再現性や信頼性に優れた筋力特性評価方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

第1関節により支持された基端を有する第1と前記第1杆の遊端に第2関節を介して支持された第2杆とを有する肢体筋力特性を、前記第1関節を跨ぐ第1拮抗一関節筋対、前記第2関節を跨ぐ第2拮抗一関節筋対、及び前記両関節を跨ぐ拮抗二関節筋対からなる筋群モデルに基づいて評価する筋力特性評価方法であって、前記両杆により画定される面内に於ける前記第2杆の遊端の少なくとも1つの所定の方向への最大出力を測定するステップと、前記面内に於ける前記第2杆の遊端の全方向への周回出力を測定するステップと、前記所定の方向への最大出力と前記周回出力とに基づいて、前記筋群モデルの各筋の寄与に対応する6角形の最大出力分布を作成するステップとを含むことを特徴とする筋力特性評価方法。

請求項2

前記最大出力分布から前記筋群モデルの各筋の寄与量を算出するステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の筋力特性評価方法。

請求項3

前記最大出力を測定するステップ及び前記周回出力を測定するステップが、前記第1関節及び前記第2関節を、それぞれ所定の角度で保持した状態で実行されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の筋力特性評価方法。

請求項4

前記最大出力を測定するステップが、2つ以上の異なる方向毎に測定され、前記最大出力と前記周回出力とに基づいて、6角形の前記最大出力分布を作成するステップに於いて、前記周回出力を前記異なる方向に応じた前記最大出力に合わせて拡大補正する請求項1〜請求項3のいずれか1つの項に記載の筋力特性評価方法。

技術分野

0001

本発明は、人や動物等の肢体筋力特性を評価するための筋力特性評価方法に関する。

背景技術

0002

上肢又は下肢等の2関節を含む肢体の2次元面内での運動に寄与する筋を評価するためのモデルであって、肢体に設けられた筋を第1拮抗一関節筋対、第2拮抗一関節筋対、拮抗二関節筋対に分類した3対6筋群モデルが知られている(例えば、非特許文献1)。3対6筋群モデルにおいて、肢体の先端で発揮することのできる最大出力は各筋の最大出力を足し合わせた6角形の最大出力分布として表される。

0003

3対6筋群モデルに基づいて、被験者の筋力特性を評価する筋力特性評価方法が知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1では、上記2次元面内の所定の4方向の出力に基づいて、最大出力分布が求められる(4点測定法)。更に、特許文献1では、最大出力分布に基づいて各筋の最大出力を算出され、算出された各筋の最大出力は、リハビリテーションスポーツ筋力評価、トレーニング指導評価等に利用される。

0004

特開2000−210272号公報

先行技術

0005

大島徹,川智彦,熊本水頼、「一関節筋および二関節筋を含む筋座標系による機能別実効筋力評価−出力分布の簡便な測定法」、精密工学会誌,Vol.67,No.6,p.943—948(2001)

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献1に記載された4点測定法では、4方向の最大出力に基づいて6角形の最大出力分布が求められているため、データの点の数が少なく、取得される最大出力分布の再現性や信頼性が乏しいという問題がある。

0007

本発明は、以上の背景を鑑み、取得される最大出力分布の再現性や信頼性に優れた筋力特性評価方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0008

上記課題を解決するために本発明のある態様は、第1関節(J1)により支持された基端を有する第1(L1)と前記第1杆の遊端に第2関節(J2)を介して支持された第2杆(L2)とを有する肢体(3)の筋力特性を、前記第1関節を跨ぐ第1拮抗一関節筋対(e1,f1)、前記第2関節を跨ぐ第2拮抗一関節筋対(e2,f2)、及び前記両関節を跨ぐ拮抗二関節筋対(e3,f3)からなる筋群モデルに基づいて評価する筋力特性評価方法であって、前記両杆により画定される面(H)内に於ける前記第2杆の遊端の少なくとも1つの所定の方向への最大出力(F1、F2,F3、F4)を測定するステップ(ST1)と、前記面内に於ける前記第2杆の遊端の全方向への周回出力(S)を測定するステップ(ST2)と、前記所定の方向への最大出力と前記周回出力とに基づいて、前記筋群モデルの各筋の寄与に対応する6角形の最大出力分布(Q)を作成するステップ(ST3、ST4)とを含むことを特徴とする。

0009

この構成によれば、周回出力を最大出力に基づいて拡大することによって、最大出力分布を取得することができ、且つ、最大出力及び周回出力を組み合わせることによって、最大出力分布の再現性や信頼性を高めることができる。

0010

上記の態様において、前記最大出力分布から前記筋群モデルの各筋の寄与量を算出するステップを更に含むとよい。

0011

この構成によれば、筋群モデルの各筋の寄与量が算出されるため、実際の被験者の筋力特性に近い筋群モデルが構築できる。これにより、増強すべき筋を特定することができるため、リハビリテーションやスポーツの筋力評価に活用することができる。

0012

上記の態様において、前記最大出力を測定するステップ及び前記周回出力を測定するステップが、前記第1関節及び前記第2関節を、それぞれ所定の角度で保持した状態で実行されるとよい。

0013

この構成によれば、最大出力及び周回出力を測定するときに第1関節の角度及び第2関節の角度が保持されるため、被験者の姿勢が変化し難くなり、最大出力分布の再現性及び信頼性をより高めることができる。

0014

上記の態様において、前記最大出力を測定するステップが、2つ以上の異なる方向毎に測定され、前記最大出力と前記周回出力とに基づいて、6角形の前記最大出力分布を作成するステップに於いて、前記周回出力を前記異なる方向に応じた前記最大出力に合わせて拡大補正するとよい。

0015

この構成によれば、複数の最大出力に基づいて周回出力の向きに依存した拡大率を設定することができるため、拡大周回出力を測定された複数の最大出力により近づけることができる。これにより、拡大周回出力をより実際の最大出力分布に近づけることができ、測定によって得られる最大出力分布の再現性や信頼性を高めることができる。

発明の効果

0016

以上の構成によれば、取得される最大出力分布の再現性や信頼性に優れた筋力特性評価方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

0017

上肢に対する3対6筋群モデルの説明図
上肢先端における最大出力分布の説明図
測定装置の説明図
測定装置のブロック図
筋力評価処理フローチャート
近似処理のフローチャート
4点測定法によって得られた4つの最大出力の測定結果を示す図
周回出力の測定結果を示す図
(A)拡大周回出力の算出方法を説明するための説明図、及び(B)拡大率の方向依存性を示すグラフ
近似処理における処理を説明するための説明図
算出された最大出力分布、及び算出された各筋の機能的実効筋力を示す図
第2実施形態に係る筋力評価処理の線形変換処理のフローチャート
線形変換処理を説明するための説明図
拡大周回出力の算出方法の変形例を説明するための説明図

実施例

0018

以下では、本発明に係る筋力特性評価方法を、人の右側上肢の筋力特性を評価するために用いた2つの実施形態について、図面を参照して説明する。

0019

<<第1実施形態>>
筋力特性評価方法は、公知の3対6筋モデルに基づく。3対6筋モデルとは、上肢や下肢等の2関節(肩関節肘関節股関節膝関節)を含む肢体の2次元的な運動において、肢体の先端(手根関節部、足根関節部)での出力に寄与する筋をモデル化したものである。以下ではまず、3対6筋モデルを、本発明に必要な範囲で説明する。

0020

3対6筋モデルにおいて、図1に示すように、被験者1の上肢2や下肢等の肢体3は、基体L0に第1関節J1により枢支(支持)された基端を有する第1杆L1と、第1杆L1の遊端に第2関節J2を介して枢支(支持)された第2杆L2とを有する2関節リンク機構6としてモデル化される。より具体的には、上肢がモデル化される場合には、基体L0は肩甲骨、第1関節J1は肩関節に、第1杆L1は上腕骨に、第2関節J2は肘関節に、第2杆L2は橈骨及び尺骨の少なくとも一方にそれぞれ対応する。また、第2杆L2の遊端J3は手根関節部に対応する。以下では、第2杆L2の遊端J3を肢先端J3と記載する。

0021

肢体3の第1関節J1、第2関節J2、及び肢先端J3を含む2次元面内での運動に寄与する筋をモデル化した3対6筋群モデルは、第1関節J1に跨る第1拮抗一関節筋対f1,e1、第2関節J2に跨る第2拮抗一関節筋対f2,e2、及び両関節J1,J2に跨る拮抗二関節筋対f3,e3からなる。

0022

第1拮抗一関節筋対f1,e1は第1関節J1を屈曲させる筋f1と、第1関節J1を伸展させる筋e1とからなる。第1拮抗一関節筋対の筋f1,e1は一端において基体L0に、他端において第1杆L1にそれぞれ付着され、第1関節J1を跨ぐように設けられている。第1拮抗一関節筋f1は例えば三角筋前部に対応し、第1拮抗一関節筋e1は例えば三角筋後部に対応している。

0023

第2拮抗一関節筋対f2,e2は第2関節J2を屈曲させる筋f2と、第2関節J2を伸展させる筋e2とからなる。第2拮抗一関節筋対の筋f2,e2は一端において第1杆L1に、他端において第2杆L2にそれぞれ付着され、第2関節J2を跨ぐように設けられている。第2拮抗一関節筋対f2は例えば上腕筋に対応し、第2拮抗一関節筋e2は例えば上腕三頭筋外側頭に対応している。

0024

拮抗二関節筋対f3,e3は第1関節J1及び第2関節J2を同時に屈曲させる筋f3と、第1関節J1及び第2関節J2を同時に伸展させる筋e3とからなる。拮抗二関節筋対f3,e3は一端において基体L0に、他端において第2杆L2にそれぞれ付着され、それぞれ第1関節J1及び第2関節J2を跨ぐように設けられている。拮抗二関節筋f3は例えば上腕二頭筋に対応し、拮抗二関節筋e3は例えば上腕三頭筋長頭に対応している。

0025

第1拮抗一関節筋対f1,e1、第2拮抗一関節筋対f2,e2、及び拮抗二関節筋対f3,e3の出力の組み合わせによって、肢先端J3における出力の大きさ及び向きが定まる。第1拮抗一関節筋f1が肢先端J3に出力する最大出力をFf1、第1拮抗一関節筋e1が肢先端J3に出力する最大出力をFe1、第2拮抗一関節筋f2が肢先端J3に出力する最大出力をFf2、第1拮抗一関節筋e2が肢先端J3に出力する最大出力をFe2、拮抗二関節筋f3が肢先端J3に出力する最大出力をFf3、拮抗二関節筋e3が肢先端J3に出力する最大出力をFe3とすると、これら3対6筋によって肢先端J3に得られる最大の出力の分布図(以下、最大出力分布)は図2に示すように、各筋の寄与に対応する6角形ABCDEFによって簡易的に表される。ただし、各筋の最大出力(以下、機能的実効筋力)とは各筋が発揮(出力)できる最も大きな力であり、第1杆L1及び第2杆L2で画定される面内のベクトルによって表される。6角形ABCDEFの算出方法の詳細については公知であるためここでは割愛するが、例えば、上記した非特許文献1を参照するとよい。

0026

6角形ABCDEFにおいて、辺AB、辺DE、及び第2杆L2は互いに平行であり、辺CD、辺FA、及び第1杆L1は互いに平行である。また、辺BCと、辺EFと、肢先端J3及び第1関節J1を結ぶ直線とは互いに平行である。図3の点Aでの出力FA、点Bでの出力FB、点Cでの出力FC、点Dでの出力FD、点Eでの出力FE、及び点Fでの出力FFはそれぞれ、以下の式(1)によって表される。各筋の機能的実効筋力Ff1、Ff2、Ff3、Fe1、Fe2、及びFe3は、6角形ABCDEFから式(1)を用いて算出することが可能である。

0027

0028

次に、図3を参照して、第1実施形態に係る筋力特性評価方法を実施するための測定装置10について説明する。測定装置10は着座部と、着座部の後部に結合された背凭れ11と、背凭れ11に一端において結合された第1リンク12と、第1リンク12の他端に結合された第2リンク13と、演算装置14(図4参照)とを備えている。

0029

第1リンク12は略水平をなし、一方向に延びた棒状の部材である。第1リンク12は、延在方向の一端側において、背凭れ11に上下方向に延びる軸線Xを中心に回動可能に結合されている。第1リンク12には、第1リンク12の延在方向における長さを変化させる第1アクチュエータ16、及び第1アクチュエータ16の駆動を制御する第1制御装置17が設けられている。第1リンク12と背凭れ11との間には、第1リンク12の背凭れ11に対する回転角度を測定する第1角度センサ18と、第1リンク12が背凭れ11に対して回動しないようにロックする公知の第1ロック機構19が設けられている。

0030

第2リンク13もまた略水平をなし、一方向に延びた棒状の部材である。第2リンク13は延在方向の一端側において、第1リンク12の延在方向の他端側に上下方向に延びる軸線Yを中心に回動可能に結合されている。第2リンク13には、第2リンク13の延在方向における長さを変化させる第2アクチュエータ26、及び第2アクチュエータ26の駆動を制御する第2制御装置27が設けられている。第1リンク12と第2リンク13との間には第2リンク13の第1リンク12に対する回転角度を測定する第2角度センサ28と、第2リンク13が第1リンク12に対して回動しないようにロックする公知の第2ロック機構29が設けられている。第2リンク13には被験者1の前腕30を固定するためのベルト31(固定具)がその延在方向に間隔をおいて複数設けられている。

0031

第2リンク13の他端側、すなわち遊端側には、力センサ32が設けられている。力センサ32は上面に加わる面内方向の力を検出する公知のセンサであり、その上面が第2リンク13の上面と面一となり、且つ略水平をなすように配置されている。力センサ32としては、例えば、静電容量型のセンサであるとよい。本実施形態では、力センサ32は、図5に示すように、力センサ32の上面に加わる力のベクトルFを、背凭れ11に略平行であり、被験者1の右側を向くx軸方向の力の成分Fxと、x軸に垂直であり被験者1の前方を向くy軸方向の力の成分Fyとに分けて出力する。力センサ32によって測定される力のベクトルは、力センサ32の上面を原点Oとし、略水平な面内に定義されるxy座標上の一つの点(Fx,Fy)に対応している。

0032

演算装置14は、図4に示すように、中央演算処理装置(CPU)などの演算処理を行う演算処理部35と、メモリ及びハードディスクなどの情報を保持する記憶部36と、及び、ディスプレイ37A、スピーカ37B等の出力部37と、入力部38とを備えたコンピュータである。演算装置14は入力部38において、第1角度センサ18、第2角度センサ28、第1制御装置17、第2制御装置27及び力センサ32に所定のケーブルを介して接続されている。

0033

被験者1の上肢2の筋力を評価するときには、被験者1は着座部に着座した後、自らの背中を背凭れ11に沿うように配置し、胴体をベルト等によって背凭れ11に固定する。これにより、被験者の胴体が移動することがなく、筋力特性評価をより適切に行うことができる。その後、被験者1は上腕40を第1リンク12の上面に沿って配置し、前腕30を第2リンク13の上面に沿って配置する。このとき、被験者1は肩関節(第1関節)J1が軸線Xに整合し、肘関節(第2関節)J2が軸線Yに整合し、且つ手根関節部(肢先端)J3が力センサ32の上面に接するように、第1アクチュエータ16及び第2アクチュエータ26を駆動させて、第1リンク12及び第2リンク13の長さを調節するとよい。次に、被験者1はベルト31を用いて、前腕30を第2リンク13に固定し、各ロック機構19、29によって各リンク12,13が回動しないようにロックする。その後、演算装置14は筋力評価処理を実行する。

0034

筋力評価処理が実行される間、被験者1の上腕骨(第1杆)L1、橈骨及び尺骨(第2杆)L2は略水平な測定面H(図8参照)に沿って配置される。また、各ロック機構19、29によるロック、及びベルト31によって、被験者1の肩関節J1(第1関節)の角度、及び肘関節J2(第2関節)はそれぞれ所定の角度で保持された状態となり、被験者1の姿勢は一定に保たれる。また、筋力評価処理が実行される前に、演算装置14はスピーカ37Bから発する音声によって、被験者1に手のひらを下に向けるように指示をするとよい。

0035

筋力評価処理時において、演算装置14は入力部38において第1角度センサ18からの信号を受信し、受信した信号に基づいて、被験者1の第1関節J1(肩関節)の角度δ1(図3参照)を算出することができる。また、演算装置14は入力部38において第2角度センサ28からの信号を受信し、受信した信号に基づいて、被験者1の第2関節J2(肘関節)の角度δ2(図3参照)を算出することができる。演算装置14は入力部38において第1制御装置17からの信号を受信し、受信した信号に基づいて、被験者1の上腕40、すなわち第1杆L1の長さl1(図3参照)を算出することができる。演算装置14は入力部38において第2制御装置27からの信号を受信し、受信した信号に基づいて、被験者1の前腕30、すなわち第2杆L2の長さl2(図3参照)を算出することができる。

0036

次に、演算装置14において実行される筋力評価処理について図5を参照して説明する。

0037

筋力評価処理の最初のステップST1において、演算装置14は被験者1に4つの方向に最大出力を発揮させるべく指示することによって、4方向の最大出力の測定を行う。4方向の最大出力の測定は特許文献1に記載された4点測定法と同様であってよい。具体的には、まず、演算装置14は、肢先端J3に第2関節J2が伸展する向き(以下、第1の方向)の力を所定の計測時間内に最大限発揮するように被験者1に指示をする。第1の方向は上腕40(第1杆L1)及び前腕30(第2杆L2)により画定される面、すなわち測定面H内で定義され、概ね被験者1の前方向である。被験者1への指示は、ディスプレイ37Aへの表示やスピーカ37Bからの音声によって行われるとよい。被験者1が肢先端J3に発揮した力は力センサ32の上面に加えられる。演算装置14は力センサ32からの出力に基づいて、その計測時間内に力センサ32の上面に加えられた最も大きい力のベクトルF1を抽出して記憶する。次に、肢先端J3に第2関節J2が屈曲する向き、すなわち第1の方向と逆向きの力を所定の計測時間内に最大限発揮するように被験者1に指示をする。演算装置14はその計測時間内に力センサ32の上面に加えられた最も大きい力のベクトルF3を抽出して記憶する。

0038

次に、演算装置14は、測定面Hに平行であり、F1とF3の差分(F1—F3)に直交し、且つ、第1関節J1及び第2関節J2が共に伸展する向きの第2の方向を算出する。更に、演算装置14は、肢先端J3に第2の方向の力を所定の計測時間内に最大限発揮するように被験者1に指示をする。演算装置14は、力センサ32からの出力に基づいて、その計測時間内に力センサ32の上面に加えられた最も大きい力のベクトルF2を抽出して記憶する。次に、演算装置14は、肢先端J3に第2の方向の逆向きの力を所定の計測時間内に最大限発揮するように被験者1に指示をする。演算装置14は力センサ32からの出力に基づいて、その計測時間内に力センサ32の上面に加えられた最も大きい力のベクトルF4を抽出して記憶し、ステップST1を完了する。図7に示すように、F1、F2、F3及びF4の4つの力のベクトルはそれぞれ、xy座標における4つの点に対応している。

0039

ステップST1が完了すると、演算装置14はステップST2を実行する。ステップST2において、演算装置14は測定面H内における肢先端J3の全方向への周回出力Sを測定する。より具体的には、演算装置14は被験者1に所定の計測時間(例えば5秒〜10秒)をかけて、肢先端J3から力センサ32の上面、すなわち測定面H内に沿って周方向、すなわち360度向きを変えながら力を加えるように指示をする。本実施形態では、演算装置14は上面視右回りに向き(図8の矢印の向き)を変えながら力を加えるように被験者1に指示を行う。このとき、演算装置14は被験者1に力センサ32の上面に可能な限りの力を加えるように指示することを要しない。演算装置14は力センサ32からの出力に基づいて、その計測時間内において所定のタイミング毎に力センサ32の上面に加えられている力のベクトルを取得する。更に、演算装置14は計測時間内に取得した力のベクトルの群を周回出力Sとして記憶し、ステップST2を完了する。周回出力Sはxy座標において概ね環状に配置された点の群(図8参照)に対応する。

0040

ステップST2が完了すると、演算装置14はステップST3を実行する。ステップST3において、演算装置14は最大出力F1、F2、F3、及びF4のそれぞれの点に対して、原点Oを基点とし、各点を通って外方に延びる半直線OF1、半直線OF2、半直線OF3及び半直線OF4をそれぞれ算出する。次に、演算装置14は最大出力F1、F2、F3、及びF4のそれぞれの点に対して、周回出力Sの中から対応する半直線に最も近い点を抽出する。その後、演算装置14は抽出された点と原点Oとの距離と、対応する最大出力の大きさとの比α1、α2、α3、及びα4を算出する。例えば、最大出力F1に対して、半直線OF1に最も近い点がF1'であるときには、α1は、α1=|F1|/|F1'|と表される。但し、|x|は原点Oからの距離(すなわち、力のベクトルの大きさ)を表す。

0041

次に最大出力F1、F2、F3、及びF4のそれぞれに対して、x軸に対する角度θ1、θ2、θ3、及びθ4を算出する。周回出力Sの各点FSに対して、その点と原点Oとを結んだ直線とx軸とのなす角度θを算出し、下の式(2)に基づいて、周回出力Sに含まれる力のベクトルFSのそれぞれに対する拡大率kを算出する。

0042

0043

拡大率kは、図9(A)に示す半直線OF1及び半直線OF2によって挟まれる領域Iと、半直線OF2及び半直線OF3によって挟まれる領域IIと、半直線OF3及び半直線OF4とによって挟まれる領域IIIと、半直線OF4及び半直線OF1とによって挟まれる領域IVのそれぞれにおいて、式(2)に示す角度θの一次関数で表されている。また、図9(B)にはkとθの関係が示されている。拡大率kは、各領域I、II、III、及びIV内において、境界における拡大率α1、α2、α3、及びα4を用いてx軸に対する角度θに対して線形補完したものに相当している。

0044

次に、演算装置14は、周回出力Sに含まれる力のベクトルそれぞれに対して、対応する拡大率kを掛けることによって、周回出力Sを拡大補正し、拡大周回出力P(図9(A)参照)を算出する。演算装置14は算出された拡大周回出力Pを記憶して、ステップST3を完了する。

0045

ステップST3が完了すると、演算装置14はステップST4を実行する。演算装置14はステップST4において、拡大周回出力Pから最大出力分布Qに対応する6角形を作成する。より具体的には、演算装置14は、拡大周回出力Pに基づいて6角形を構成する6つの辺の近似直線を算出する近似処理を行う。以下では、図6を参照して、近似処理の詳細を説明する。

0046

近似処理の最初のステップST11において、演算装置14は、まず、第1角度センサ18の出力に基づいて第1関節J1(肩関節)の角度δ1を算出し、第2角度センサ28の出力に基づいて第2関節J2(肘関節)の角度δ2を算出する。次に、演算装置14は、第1制御装置17の出力に基づいて前腕30(第1杆L1)の長さl1を算出し、第2制御装置27の出力に基づいて上腕40(第2杆L2)の長さl2を算出する。その後、演算装置は、δ1、δ2、L1及びL2に基づいて、導出すべき近似直線に対応する辺の理論上の傾きを算出する。導出すべき近似直線に対応する辺の傾きは、図2に示すように、辺ABが第2杆L2に平行であり、辺CDが第1杆L1に平行であり、辺BCが肢先端J3と第1関節J1とを結ぶ直線に平行であることを用いて算出されるとよい。図10(A)には、例として、辺AFに対して算出された理論上の傾きを有し、原点Oを通る直線50Aが図示されている。

0047

ステップST11が完了すると、演算装置14はステップST12を実行する。ステップST12において、演算装置14は、まず、ステップST11において算出された傾きを有する直線50Aに直交し、且つ、原点Oを通る直線50Bを求める(図10(A))。次に、拡大周回出力Pに含まれる各点から、求められた直線50Bに垂線を引き、その交点を求める。求められた交点の中から、原点Oから最も遠く、且つ、導出すべき近似直線に対応する辺(辺AB)の側に位置する点を最大点51として抽出する(図10(B))。演算装置14は抽出された最大点51を記憶し、ステップST12を完了する。

0048

ステップST12が完了すると、演算装置14はステップST13を実行する。ステップST13において、演算装置14は最大点51を通り、ステップST11において算出された理論上の傾きを有する第1仮想線52と、第1仮想線52に平行であり、第1仮想線52に直交する方向に所定の値(例えば、50N)原点Oの側に位置する第2仮想線53を算出する(図10(C))。次に演算装置14は拡大周回出力Pの中から、第1仮想線52と第2仮想線53との間に位置する点を、フィティング用の点列Rとして抽出して記憶し、ステップST13を完了する。

0049

ステップST13が完了すると、演算装置14はステップST14を実行する。ステップST14において、演算装置14はフィティング用の点列Rを直線でフィティングすることによって、近似直線55を算出し(図10(D))、近似処理を終える。

0050

演算装置14は、6角形を構成する6つの辺それぞれについて近似処理を行うことによって、6つの近似直線55〜60を算出する。これにより、演算装置14は、図11に示すように、6角形の最大出力分布Qを取得する(ステップST4)。最大出力分布Qを取得した後、演算装置14はステップST5において、最大出力分布Qから、式(1)に基づいて、各筋の機能的実効筋力Ff1、Ff2、Ff3、Fe1、Fe2、及びFe3を算出する。また、演算装置14は、各筋の機能的実効筋力Ff1、Ff2、Ff3、Fe1、Fe2、及びFe3を、6角形ABCDEF、及び式(1)に加えて、拮抗する2つの筋力の大きさの比率、例えば、|Ff1|/(|Ff1|+|Fe1|)等に適宜の数値を設定することによって算出してもよい。次に、演算装置14は算出された各筋の機能的実効筋力の大きさ、|Ff1|、|Ff2|、|Ff3|、|Fe1|、|Fe2|、及び|Fe3|をディスプレイ37Aに表示して、筋力評価処理を終了する。

0051

次に、このように構成した筋力特性評価方法の効果について説明する。同一の被験者1に対して、4つの最大出力F1、F2、F3及びF4に基づいて各筋の機能的実効筋力を算出する4点測定法と本発明に係る筋力特性評価方法とを、それぞれ5回ずつ行って、各回において各筋の機能的実効筋力の大きさを算出した。表1には4点測定法によって算出された各回の各筋の機能的実効筋力の大きさと、5回の測定によって得られた各筋の機能的実効筋力の大きさの標準偏差を示した。表2には本発明に係る筋力特性評価方法によって算出された各回の各筋の機能的実効筋力の大きさ、5回の測定によって得られた各筋の機能的実効筋力の大きさの標準偏差を示した。

0052

0053

0054

表1及び表2に示すように、本実施形態に係る筋力特性評価方法によって求めた場合の標準偏差は、f1及びf2を除く4つの筋において、4点測定法で求めた場合の標準偏差よりも小さい。また、表1に基づいて、4点測定法によって求めた場合の標準偏差の平均値を算出すると、その平均値は29.65となった。一方、表2に基づいて、本実施形態に係る筋力特性評価方法によって求めた場合の標準偏差の平均値を算出すると、その平均値は26.28となった。これらから、本実施形態に係る筋力特性評価方法によって求めた場合の測定結果のばらつきが、4点測定法で求めた場合に比べて抑えることができることが確認できる。このように、本発明の筋力評価方法では、最大出力F1〜F4に周回出力Sを加えることによって、4点測定法よりも最大出力分布Qの再現性や信頼性を高めることができる。

0055

更に、本実施形態では、ステップST1において、2つ以上の4つの異なる方向毎に最大出力F1〜F4が測定され、ステップST3において、異なる方向に応じた最大出力F1〜F4に合わせて、周回出力Sの各点に対してその方向に依存した拡大率kが設定されている。この拡大率kに応じて周回出力Sが拡大補正されて、拡大周回出力Pが算出されている。すなわち、周回出力Sが測定された複数の最大出力F1〜F4に近づけるように拡大変形されているため、取得された拡大周回出力Pが実際の最大出力分布に近づく。これにより、拡大周回出力Pに基づいて得られる最大出力分布Qの再現性や信頼性を高めることができる。

0056

本実施形態では、最大出力分布Qに基づいて、筋群モデルの機能的実効筋力Ff1、Ff2、Ff3、Fe1、Fe2、及びFe3、すなわち、各筋の寄与量である最大出力が算出される。これによって、被験者1の筋力特性に近い筋群モデルが構築できる。これにより、例えば、リハビリテーションにおいて増強すべき筋を特定することが容易になる。また、複数のスポーツ選手に対して、本発明を実施することによって、各選手の筋群モデルに基づいた筋力評価を行うことができる。これにより、その評価に基づいたトレーニングを実施することが可能となる。

0057

<<第2実施形態>>
次に、第2実施形態に係る筋力特性評価方法について説明する。第2実施形態に係る筋力特性評価方法は第1実施形態と同様の構成を有する測定装置によって実行され、測定装置が実行する筋力評価処理はステップST3を除いて第1実施形態と同じである。よって、以下ではステップST3の詳細について説明し、他の説明については省略する。

0058

ステップST3において、演算装置14は第1実施形態と同様に、α1、α2、α3、及びα4を算出する。次に、演算装置14は、周回出力Sに含まれる力のベクトルFSそれぞれに対して、所定の線形変換処理を行ってFpに変換し、Fpの集合を拡大周回出力Pとして出力する。以下では、線形変換処理の詳細について、図12を参照して説明する。

0059

演算装置14は線形変換処理の最初のステップST21において、FSが図9に示す領域I〜IVのうち、どの領域に属するかを判別する。以下では、FSが属する領域を領域rと記載して説明を行う。

0060

次に演算装置14はステップST22において、領域rの境界を決める力のベクトルFi及びFjを導出する。より具体的には、領域Iの境界を決める力のベクトルはF1及びF2であり、領域IIの境界を決める力のベクトルはF2及びF3であり、領域IIIの境界を決める力のベクトルはF3及びF4であり、領域IVの境界を決める力のベクトルはF4及びF1である。その後、演算装置14は、抽出された力のベクトルFiのx成分(Fix)及びy成分(Fiy)と、Fjのx成分(Fjx)及びy成分(Fjy)とを用いて、以下の変換行列Tを算出する。

0061

0062

変換行列Tは、ベクトルFiに沿う方向の単位ベクトルeiとベクトルFjに沿う方向の単位ベクトルejとを基底ベクトルとする座標系上で表される力のベクトルを、xy座標系での力のベクトルに変換する行列である。変換行列の第1列目は、eiをxy座標系で表したものであり、変換行列の第2列目は、ejをxy座標系で表したものである。一方、変換行列Tの逆行列T−1は、xy座標系での力のベクトルを、eiとejを基底ベクトルとする座標系上での力のベクトルに変換する行列となる。

0063

次に演算装置14はステップST23において、Fi及びFjに対応する拡大率αi及びαjを用いて、以下の拡大行列Aを算出する。

0064

0065

次に、演算装置14はステップST24において、FSを以下の式(5)を用いてFpに変換し、線形変換処理を終える。

0066

0067

力のベクトルFsはeiとejとの線形結合で表される(図13参照)。より具体的には、Fsはeiに所定の係数ciを掛けたベクトルと、ejに所定の係数cjを掛けたベクトルとの和で表される。上記の変換式によって得られるFpは、図13に示すように、その係数にそれぞれ対応する拡大率αi及びαjに積算することによって得られるベクトルに対応している。すなわち、上記の変換式によって得られるFpは、eiにαiciを掛けたベクトルと、ejにαjcjを掛けたベクトルとの和で表される。

0068

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。上記実施形態では、筋力評価処理(筋力特性評価方法)が周回出力Sを最大出力F1、F2、F3、及びF4に合わせて拡大補正して、拡大周回出力Pを算出するステップST3と、拡大周回出力Pに基づいて、筋群モデルの各筋の寄与に対応する6角形の最大出力分布Qを作成するステップST4とを含むように構成していたが、この態様には限定されない。筋力評価処理は最大出力F1、F2、F3、及びF4と周回出力Sとに基づいて、6角形の最大出力分布Qを作成するステップが含んでいればよく、例えば、筋力評価処理は周回出力Sから6角形の出力分布を算出するステップと、算出された6角形の出力分布を最大出力F1、F2、F3、及びF4に基づいて拡大補正することによって6角形の最大出力分布Qを算出するステップとを含むように構成してもよい。

0069

演算装置14はステップST1において、4方向の最大出力の測定を行っていたが、少なくとも一方向の最大出力の測定を行ってもよい。また、演算装置14は、ステップST3において、方向に依存しない一つの拡大率rを算出するように構成してもよい。

0070

例えば、演算装置14は、ステップST3において、最大出力に対応する点の中から原点Oから最も遠い点Aを抽出し、原点Oとの距離LAを記憶する(図14(A))。次に、周回出力Sの中から、抽出された点Sに最も近い点Bを抽出し、点Bと原点Oとの距離LBを記憶する(図14(B))。次に、演算装置は、LA/LBを拡大率rとして記憶する。その後、演算装置14は周回出力Sに含まれる力のベクトルの全てに対して、拡大率rを掛けることによって、拡大補正し、拡大周回出力Pを算出するように構成してもよい(図14(C))。このように構成することによって、拡大率rの算出を容易にすることができる。

0071

このような構成においては、最大出力の測定により最大出力分布の大きさが取得され、周回出力の測定によって最大出力分布の概形が取得される。そのため、大きさ及び概形を別箇に取得することによって、被験者1が最大出力を発揮しなければならない回数を少なくすることができる。これにより、最大出力を繰り返すことによって生じる疲労によって、被験者1の発揮できる最大出力が低下し易い場合であっても、最大出力分布が再現性よく取得できる。

0072

また、演算装置14はステップST3において、周回出力Sに基づいて、ベジエ曲線等を用いて環状の近似曲線を算出し、算出された近似曲線を拡大することによって得られる拡大近似曲線と最大出力の各点との距離が最小となるように一つの拡大率rを算出してもよい。

0073

上記実施形態において、筋力特性評価方法は被験者1の右側の上肢2の筋力の特性を評価するために用いられていたが、被験者1の右側の上肢2に限定されず、被験者1の左側の上肢2、又は、被験者1の左右いずれかの下肢であってもよい。また、上記実施形態において測定面は略水平をなすように設定されていたが、この態様には限定されず、例えば、測定面は略鉛直をなすように設定されていてもよい。また、筋力評価測定方法は動物、例えば、等の動物の筋力を評価するために用いられてもよい。

0074

3 :肢体
F1、F2、F3、F4 :最大出力
FQ :最大出力分布
FS:周回出力
Ff1、Ff2、Ff3、Fe1、Fe2、Fe3:機能的実効筋力
J1 :第1関節(肩関節)
J2 :第2関節(肘関節)
J3 :肢先端(手根関節部)
L1 :第1杆
L2 :第2杆
S :測定面
f1、e1 :第1拮抗一関節筋
f2、e2 :第2拮抗一関節筋
f3、e3 :拮抗二関節筋

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