JP5594689B2 - 足首インピーダンスの測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、足首のインピーダンス（足首の粘弾性係数）を測定するための測定装置に関する。

本発明に係る測定装置は、足首の弾性係数および粘性係数などのインピーダンスを測定することを目的とするが、足首の弾性係数を測定する装置自体は、非特許文献１、２などに開示されており、公知である。

非特許文献１に記載の測定装置では、倒立振り子に連結されて、水平軸まわりに揺動可能に構成されたフットプレート上に被験者を立たせたうえで、被験者に所定のトルクの発生を求め、さらに倒立振り子を所定角度に倒すように求める。そして、測定されたトルクと角度から足首の弾性係数を算出している。

非特許文献２に記載の測定装置では、サーボモータに連結されて、水平軸まわりに揺動可能に構成されたフットプレート上に被験者を立たせたうえで、所定角度範囲（−０．５°〜＋０．５°）で被験者の足先が上下動するようにフットプレートを駆動揺動させる。つまり、非特許文献２に記載の装置では、上記角度範囲に対応した短周期（１秒）のパルスをサーボモータに与えて、被験者の足先にパルス刺激を与えており、測定後の床反力（フットプレートに対する反力）の加わる圧の中心位置（ＣＯＰ）と足首との距離を測定し、ＣＯＰの位置からトルクを算出し、さらに足首の弾性係数を算出している。

Loram.D and LakieM,"Direct measurement of human ankle stiffness during quiet standing:The intrinsic mechanical stiffness is insufficient for stability.",Journal of Physiology,545.3,pp.1041-1053(2002) Casadio M,Morasso P and Sanguineti V,"Direct measurement of ankle stiffness during quiet standing: implications for control modering and clinical application",Gait&posture,21pp.410-424(2004)

これら非特許文献１、２に開示された測定装置では、静止立位姿勢の身体動揺は、倒立振り子の運動と同等であるという見解に基づき、フットプレート上に立たせた被験者に対して測定を行い、その測定結果から足首の弾性係数を求めている。しかし、このように被験者を立位姿勢としたうえで測定を行う方法では、足首により全身の体重が受け止められた状態で測定を行うため、得られた弾性係数が全身の関節等による力の影響を受けて、真に純粋な足首を中心とした弾性係数を得ることは不可能であった。すなわち、非特許文献１、２に開示された測定装置では、得られた弾性係数の値が、被験者の体重、或いは平衡を保つための被験者の全身の関節や筋力を使った体重移動など、種々の要因により左右されやすく、正確に足首の弾性係数の値を得ることは困難であった。

加えて、足首を含む人間の骨格筋は、非常に大きな力を発生させることが可能なアクチュエータと考えることができ、しかも単に力を発生させるだけではなく、バネ、ダンパのような粘弾性も併せ持っている。このことは、骨格筋を活動させると筋は硬くなり、逆に力を抜いてリラックスすると柔らかくなることからも明らかである。従って、例えば立位姿勢時における身体平衡維持のメカニズム解明には、足首の弾性係数のみならず、足首の粘性係数についても勘案することが必要であるが、上記非特許文献１では、弾性係数のみを測定しており、粘性係数の測定には至っておらず、その点にも改良の余地があった。また、上記非特許文献２においても、粘性に着目はしているものの立位において測定しており上体の影響を考慮しておらず、その点に改良の余地があった。

本発明は、以上のような従来の測定装置の抱える問題を解決するためになされたものであり、より正確に弾性係数および粘性係数（以下、これら粘弾性係数をインピーダンスと記す）を求めることができる、新規な足首インピーダンスの測定装置を得ることを目的とする。

本発明者等は、被験者を座位姿勢としたうえで測定を行えば、より正確に足首のトルクの測定が可能であり、加えて、測定された足首のトルクに基づいて、より正確に足首の弾性係数のみならず、粘性係数の計測が可能となることを見出して、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、足首インピーダンスの測定装置を対象とする。この測定装置は、被験者２が着座したときに、該被験者２の臀部２ａを受け止める着座板１１と、水平に配された回転軸１８まわりに揺動回転可能に構成されて、被験者２の足先２ｂが載せられるフットプレート１２と、前記回転軸１８を介して、前記フットプレート１２に駆動回転力を付与する駆動源３１と、揺動回転時に前記フットプレート１２に加わるトルクを検出するためのトルク検出手段３３と、揺動回転時の前記フットプレート１２の傾斜角度を検出するための角度検出手段２３と、着座姿勢における被験者２の下腿部２ｃを固定するための下腿固定具２５と、前記フットプレート１２上に載せられた被験者２の足先２ｂを固定するための足先固定具２０とを備える。そして、前記下腿固定具２５および前記足先固定具２０を使って、被験者２の踝２ｄが前記回転軸１８の軸心上に位置するように被験者２の脚部を固定し、かかる脚部の固定状態で、前記駆動源３１を駆動して前記フットプレート１２を前記回転軸１８まわりに揺動回転駆動して、足先２ｂを踝２ｄまわりに上下方向に強制的に姿勢変位させ、かかる足先２ｂを上下方向に姿勢変位させた際の前記トルク検出手段３３による検出値と、前記角度検出手段２３による検出値と、前記フットプレート１２の質量Ｍと、下腿部２ｃと足先２ｂの質量で規定される被験者の足の質量ｍと、前記回転軸１８の軸心からフットプレート１２の重心Ｇ１までの距離Ｌ１と、該回転軸１８の軸心から足圧中心Ｇ２までの距離Ｌ２と、該フットプレート１２の重心Ｇ１位置における該フットプレート１２の重量に由来する慣性モーメントＩ ₁ と、該足圧中心Ｇ２位置における被験者の足の重量に由来する慣性モーメントＩ ₂ と、前記角度検出手段２３による検出値から得られる角速度および角加速度と、に基づいて、足首の粘弾性係数を算出することを特徴とする。

前記フットプレート１２には、足先２ｂを該フットプレート１２に載せたとき、被験者２の踵を受け止めるための緩衝材２８が配されている構成を採ることができる。

前記フットプレート１２の前記回転軸１８まわりの揺動回転限界を規制するための規制機構４０を備える構成を採ることができる。

前記測定装置には、着座板１１の上下方向の位置調整機構、および／又はフットプレート１２の上下方向および／又は前後方向の位置調整機構を設けることができる。

本発明によれば、下肢筋が力を発揮していない座位状態で足首のインピーダンスを計測することができるので、従来の非特許文献１、２に記載の計測装置に比べて、より正確に足首のトルクを計測し、加えて、該トルクから足首の粘弾性係数を得ることができる。すなわち、人は立位状態で姿勢を維持しようとすると、脚部だけでなく、身体全体を用いてバランスを取ろうとする。その為、非特許文献１、２に記載の計測装置のように、立位姿勢で足首のトルクを測定するものでは、得られた値は、他の関節、特に上半身の関節の影響を受けた値となることが避けられない。これに対して、本発明のように被験者を座位姿勢としたうえで計測を行うようにしていると、上半身による姿勢を維持しようとする要因を完全に排除することができるため、より正確に足首の粘弾性係数を計測することができる。

被験者２の踝２ｄが、足先２ｂが載せられるフットプレート１２の回転軸１８の軸心とずれていると、フットプレート１２の回転に伴って、足の踵の位置が前後にずれる。このため、被験者２の下腿部２ｃが前後に動くことが避けられず、下腿部２ｃの筋力が足先２ｂを介してフットプレート１２に加わり（下肢筋が力を発揮し）、正確に足首の粘弾性係数を測定することが困難となる。これに対して、本発明のように、被験者２の踝２ｄを、足先２ｂが載せられるフットプレート１２の回転軸１８の軸心上に位置させていると、フットプレート１２の回転に伴って被験者２の下腿部２ｃが動くことは無く、該下腿部２ｃの筋力（下肢筋の筋力）の影響を排除して、より正確に足首の粘弾性係数を測定することができる。

以上のような本発明に係る計測装置によって計測された足首の粘弾性係数は、例えば、高齢者の転倒事故の防止等に貢献し得る極めて有用な情報であると考える。すなわち、身体の各部位を異なった速さで動かすと、重心の位置は刻一刻と変化するが、それにもかかわらずバランスを崩すことなく立っていられるのは平衡機能の働きによるものである。この平衡機能は、高齢になると平常に働かなくなり、高齢者（総務省で定義されている６５歳以上の方を示す）における転倒の主な原因となっている。また、平衡機能は、身体を支える支点となる足圧中心（ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｐｒｅｓｓｅｒ：ＣＯＰ）の動きにより管理されており、足首のインピーダンス（粘弾性）特性によって大きな影響を受ける。従って、足首の粘弾性係数を正確に計測することができれば、被験者の平衡機能の低下度合いの推測が可能となり、転倒事故等の発生を未然に防ぐことが可能となる。また、足首の粘弾性係数を正確に計測することができれば、医学的リハビリテーションの現場において、平衡機能の回復具合を定量的に評価することも可能となる。
また、高齢者や治療中の患者に対して、立位姿勢で足首のインピーダンスを測定することは被験者の負担が大きく、そもそも測定自体が困難となるおそれがあるが、本発明に係る装置を用いれば、座位姿勢で測定を行うことができるため被験者の負担は少なく、実用利便性に優れている。

フットプレート１２に、被験者２の踵を受け止めるための緩衝材２８を配していると、フットプレート１２内における足先２ｂの位置調整が容易となる。つまり、フットプレート１２内において足先２ｂを位置調整しながら、しかも、足先固定具２０を使って足先２ｂを確りと固定することが可能となる。このことは、被験者２の足のサイズとは無関係に、フットプレート１２内で足先２ｂを所定位置（踝２ｄが回転軸１８の軸心上に在る位置）に配置させることができることを意味し、装置の測定精度および実用利便性の向上に貢献できる。

フットプレート１２の回転軸１８まわりの揺動回転限界を規制するための規制機構４０を設けていると、フットプレート１２が過剰に揺動回転することに起因にする測定事故の発生を確実に防ぐことができる。

着座板１１の上下方向の位置調整機構、および／又はフットプレート１２の上下方向および／又は前後方向の位置調整機構を設けていると、被験者２の足の長さやサイズに応じた、踝２ｄの正確な位置調整、および下腿部２ｃの正確な姿勢調整が可能となる。すなわち、本発明者等は、立位姿勢における身体平衡維持機能のメカニズム解明には、座位姿勢でありながら、脚部については立位姿勢に近い状態、すなわち、下腿部２ｃが鉛直姿勢にある状態で足首インピーダンスを測定することが重要であると考えている。従って、着座板１１およびフットプレート１２の位置調整機構を設けていると、被験者２の身体部位（特に下腿部２ｃ）の長さ寸法の大小とは無関係に、下腿部２ｃを鉛直姿勢とすることができ、本測定装置を使った足首インピーダンスの測定精度の向上を図ることができる。また、下腿部２ｃおよび踝２ｄの正確な位置調整を容易に行うことができるので、測定装置の実用利便性が格段に向上する点でも優れている。位置調整機構の具体例としては、機械式ジャッキ、油圧式ジャッキ、空気式ジャッキ等を挙げることができる。

本発明の足首インピーダンスの測定装置の概略構成図である。 測定装置の外観斜視図である。 測定装置の平面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の測定装置を使った測定方法を説明するための図である。 規制機構を説明するための図である。 本発明の測定装置の回路構成を説明するためのブロック図である。 足首インピーダンスの算出方法を模式的に示す図である。 トルクの設定値、実測角度値、およびトルクメータの実測値の経時的変化を説明するための図である。 インピーダンス測定モデルを示す図である。 別の足首インピーダンスの算出方法を模式的に示す図である。 本発明の足首インピーダンスの測定装置の他の実施例を示す図である。

（実施例） 本発明に係る足首インピーダンスの測定装置について、図１乃至図７を参照して詳細に説明する。なお、本実施例の説明において、前後、左右、および上下方向は、図１乃至図４に示す矢印と、該矢印に付記された方向の記載に従う。

図１に示すように、本実施例に係る測定装置１は、被験者２が座った状態で弾性係数（ｋ）および粘性係数（ｄ）といった、被験者２の足首のインピーダンス（粘弾性係数）を測定するものである。図２に示すように、測定装置１は、左方に配されて被験者２が座る測定部３と、右方に配されてモータ３１等が組み付けられた機械部４と、制御部５（図７参照）とからなる。

図１乃至図４に示すように、測定部３は、縦（上下）方向、前後水平方向、および左右水平方向に延びる複数本のフレームで構成されるフレーム体１０を基体とするものであり、着座姿勢をとった際に被験者２の臀部２ａを受け止める着座板１１と、被験者２の足先２ｂが載せられるフットプレート１２とを備える。

図２に示すように、測定部３を構成するフレーム体１０は、上下方向に走る複数本の縦支柱１３と、これら縦支柱の間を繋ぐように、左右水平方向に走る複数本の左右横支柱１４と前後水平方向に走る前後横支柱１５とで構成される。各支柱１３・１４・１５はアルミニウム製の角管である。

詳しくは、縦支柱１３は、測定部３の左右端部に配された上下長さ寸法が大きな４本の縦支柱１３ａ・１３ａ・１３ｂ・１３ｂと、該縦支柱１３ａ・１３ｂよりも上下長さ寸法の小さな縦支柱１３ｃ・１３ｃとで構成される。前後横支柱１５は、縦支柱１３ａ・１３ｂの上端どうしを連結する横支柱１５ａと、縦支柱１３ａ・１３ｂの上下方向の中途部と、縦支柱１３ｃの上端とを連結する横支柱１５ｂと、該横支柱１５ｂよりも下方に配されて、縦支柱１３ａ・１３ｂの中途部どうしを連結する横支柱１５ｃと、縦支柱１３ａ・１３ｂ・１３ｃの下端を連結する横支柱１５ｄとで構成される。左右横支柱１４は、縦支柱１３ａ・１３ａの下端どうしを連結する横支柱１４ａと、縦支柱１３ｃ・１３ｃの下端どうしを連結する横支柱１４ｂと、縦支柱１３ｃ・１３ｃの上端どうしを連結する横支柱１４ｃと、横支柱１５ｂ・１５ｂの前後方向の中途部どうしを連結する横支柱１４ｄとで構成される。横支柱１４ｃ・１４ｄは、着座板１１を受け止める板受フレームを構成する。図１に示すように、横支柱１５ａの上端の高さ位置は、被験者２が着座姿勢を取った際に、おおよそ被験者２の肩の高さ位置にくるようになっている。

図１および図２に示すように、着座板１１の前方には、該着座板１１に被験者２が腰を降ろした際に、被験者２の下腿部２ｃおよび足先２ｂの挿入を許す測定空間Ｓが形成されており、該測定空間Ｓの下方にフットプレート１２が配されている。フットプレート１２は、左右一対の回転軸１８・１８により揺動可能に支持されている（図４参照）。図３および図４において、符号１９・１９は、フレーム体１０（１５ｃ）に固定されたベアリングブロックを示しており、該ベアリングブロック１９・１９に回転軸１８・１８は支持されている。

図２乃至図５に示すように、フットプレート１２は、被験者２の足裏が接する底壁１２ａと、底壁１２ａの後端に立設された後壁１２ｂと、底壁１２ａの左右端に立設された側壁１２ｃ・１２ｃとを備え、上方および前方に開口を有する有底容器状に形成されている。底壁１２ａには、該底壁１２ａ上に載せられた被験者２の足先２ｂを固定するための足先固定具２０が、左右一対設けられている。各足先固定具２０は、底壁１２ａに装着された左右一対のバンド２１・２１と、一方のバンド２１の下面に配されたウレタン樹脂製の緩衝材２２とで構成される。両バンド２１・２１には、面ファスナーが設けられており、足裏全体を底壁１２ａに接するように載せたうえで、足の甲側に緩衝材２２を押し付ながら、両バンド２１・２１の面ファスナーどうしを係合させることにより、被験者２の足先２ｂを遊動不能に固定することができる。両足先固定具２０・２０の間には、フットプレート１２の傾斜角度を検出するための角度センサ（角度検出手段）２３が設けられている。

図４に示すように、着座板１１の前方には、着座姿勢における被験者２の下腿部２ｃを固定するための下腿固定具２５が左右一対設けられている。各下腿固定具２５は、左右横支柱１４ｄに装着された左右一対のバンド２６・２６からなる。両バンド２６・２６には、面ファスナーが設けられている。各下腿固定具２５に対応して左右横支柱１４ｄには、緩衝材２７が配されている。緩衝材２７は、ウレタン樹脂を素材とする長方体形のブロック体である。緩衝材２７にふくらはぎ上部を押し当てながら、下腿固定具２５で被験者２の下腿部２ｃを固定することで、遊動不能に、しかも過度の圧迫感を与えることなく、下腿部２ｃを固定することができる。

図３および図５に示すように、フットプレート１２の後壁１２ｂには、各足先固定具２０に対応して、被験者２の踵を受け止める緩衝材２８が左右一対配されている。各緩衝材２８は、ウレタン樹脂を素材とする長方体形のブロック体であり、この緩衝材２８に踵を押し当てた際に、該緩衝材２８が変形することで、足のサイズ等のとは無関係に、被験者２の足先２ｂを底壁１２ａの所望位置に位置させることができる。尤も、後述するように、この測定装置１では、被験者２の踝２ｄを回転軸１８・１８の軸心上に位置させることが重要であり、当該位置に踝２ｄが配されるように、被験者２の足先２ｂを底壁１２ａ上で位置調整することが重要である。符号２８ａは、緩衝材２８の前面に設けられた上下方向に長い凹溝を示しており、該凹溝２８ａに踵を合わることで、緩衝材２８の過剰な反発力が踵に加わるのを防ぐことができる。なお、図２では、足先固定具２０、下腿固定具２５、および緩衝材２２・２７・２８の記載を省略している。

図２、図３および図４に示すように、機械部４は、長方体形に組まれたフレーム体３０を基体とするものであり、該フレーム体３０の内部に、フットプレート１２の駆動源となるモータ（駆動源）３１、減速機構３２、トルクメータ（トルク検出手段）３３、減速機構３２の出力軸３２ａと回転軸１８とを連結する伝動機構３４などが組み付けられている。伝動機構３４は、伝動軸３５と、該伝動軸３５の一端（右端）と減速機構３２の出力軸３２ａとを連結する第１カップリング３６と、測定部３から突出して機械部４の内部に至る右側の回転軸１８と伝動軸３５の他端（左端）とを連結する第２カップリング３７とで構成される。伝動軸３５の中途部には、伝動軸３５に作用するトルクを計測するためのトルクメータ（トルク検出手段）３３が設けられている。

図３および図４に示すように、伝動軸３５の中途部には、伝動軸３５の回転限界、すなわち、フットプレート１２の回転軸１８まわりの揺動回転限界を規制するための規制機構４０が設けられている。図６に示すように、規制機構４０は、伝動軸３５の中途部に装着される被規制部材４１と、該被規制部材４１に接触して、その移動限界を規制する規制部材４２とからなる。被規制部材４１は、上下一対の長方板状のプレート４１ａ・４１ａと、両プレート４１ａ・４１ａを連結するための一対のボルト４１ｂ・４１ｂとで構成される。規制部材４２は、支持プレート４３に固定された前後一対の板体であり、両板体は下拡がりのハ字状の姿勢で支持プレート４３に固定されている。図６において仮想線で示すように、伝動軸３５の回転に伴って被規制部材４１の姿勢角度が水平面に対して所定角度（本実施例では、±３０°）に至ると、規制部材４２に該被規制部材４１が面接触状に接触し、これにて、被規制部材４１、伝動軸３５、回転軸１８、およびフットプレート１２の回転限界が規制されるようになっている。これにて、フットプレート１２が過剰に揺動回転されることに起因して、被験者２が足首を痛めることを防ぐことができる。

図７は、本実施例に係る測定装置１の回路構成を示すブロック図である。同図に示すように、この測定装置１は、装置全体を制御する制御部５からの信号によりモータ３１を駆動してフットプレート１２を揺動操作する。また、この制御部５には、揺動操作時において角度センサ２３により検出されたフットプレート１２の傾斜角度に関する検出結果、およびトルクメータ３３により検出されたフットプレート１２に作用するトルクに関する検出結果が送り込まれる。制御部５は、傾斜角度やトルクの検出結果が表示されるオシロスコープと、傾斜角度やトルクの検出結果に基づいて、足首の粘弾性係数を算出するパーソナルコンピュータと、パーソナルコンピュータからの制御信号をパルス化して、これをモータ３１に送出するモーターコントローラなどで構成される。

上記に規制機構４０以外に、この測定装置１には種々の安全対策が講じられている。まず、モーターコントローラは、モータ３１に流れる電流値を管理し、過電流が指定時間以上流れると、直ちにモータ３１の回転を停止するようになっている。また、外乱やシステムを要因とした被験者２に危険を及ぼす可能性のあるトルクが伝動軸３５に与えられると、機構的にモータ３１より先に第１カップリング３６が壊れ、トルクフリーとなるように設計されている。また、フレーム体１０の上部に非常停止ボタン４５を設けて、被験者２が危険を感じたときに該ボタン４５を押圧操作すると、モータ３１の回転が即時に停止されて、フットプレート１２の回転が直ちに停止されるようになっている。

次に、上記構成からなる測定装置１を使った足首インピーダンスの測定方法について、図８乃至図１０を参照して説明する。かかる足首インピーダンスは、トルク（τ）と角度（θ）の測定（測定工程）と、これらトルク（τ）と角度（θ）のサンプルデータから最小二乗法を使った足首インピーダンス（弾性係数：ｋ、粘性係数：ｄ）の算出（算出工程）に大別できる。

測定工程においては、被験者２を着座板１１の上に座らせてから、下腿固定具２５および足先固定具２０を使って、被験者２の下腿部２ｃと足先２ｂを固定する。このとき、被験者２の踝２ｄが回転軸１８の軸心上に在るように、フットプレート１２上における被験者２の足先位置を調整したうえで、被験者２の下腿部２ｃと足先２ｂを固定する。また、被験者２の下腿部２ｃが鉛直姿勢となるように、被験者２の座り位置や足先位置などを調整したうえで、被験者２の下腿部２ｃと足先２ｂを固定する。

次に、フットプレート１２を所定の初期角度姿勢（例えば水平姿勢（傾斜角度＝０°））とする。具体的には、角度センサ２３からの検出信号を勘案しながら、パーソナルコンピュータからモーターコントローラを介して指示を与えてモータ３１を駆動させて、フットプレート１２を初期角度姿勢となるまで揺動する。なお、モータ３１が駆動されると、減速機構３２の出力軸３２ａが駆動回転し、該出力軸３２ａの駆動回転力は、伝動機構３４および回転軸１８を介してフットプレート１２に伝わり、これにて、フットプレート１２を所定の初期角度姿勢とすることができる。

次に、上記の初期角度姿勢から、フットプレート１２を所定の角度範囲（例えば±１５°）で、所定のトルク（τ₁ ）を加えながらゆっくりと揺動させ、このときの伝動軸３５に作用するトルクの変化をトルクメータ３３で計測する。具体的には、例えば、１周期が１秒以上の長周期となるように、所定のトルク（τ₁ ）を与えてフットプレート１２を揺動させる。図９にトルク設定値（τ₁ ）、実側角度値（θ）、トルクメータ３３によるトルク実測値（τ）の時間変化の例を示す。

ここでは、フットプレート１２が初期角度姿勢から所定の角度範囲（±１５°）で揺動されたのちに初期角度姿勢に戻るまでの間（一周期）で、各角度（θ）におけるトルク（τ）を測定する。本測定装置１では、一つの周期において、数回から数千回の測定を行うことができる。また、測定は、数周期〜数十周期に亘って実行される。

次の算出工程では、得られた実測角度（θ）とトルク実測値（τ）の値から、最小二乗法を使って弾性係数（ｋ）と粘性係数（ｄ）とを推定する（図８参照）。図１０は、本発明装置のインピーダンス測定モデルである。同図からわかるように、伝動軸３５には、測定時において、フットプレート１２の重量（Ｍｇ）に由来する慣性モーメント（Ｉ₁ ）と、被験者２の足の重量（ｍｇ）に由来する慣性モーメント（Ｉ₂ ）とが作用する。従って、この測定モデルにおける力学式を示すと、以下の式（１）の如くとなる。

上記式（１）のうち、τはトルクメータ３３の実測値、θは角度センサ２３の実測値である。フットプレート１２の質量（Ｍ）、フットプレート１２の重心（Ｇ_１）からフットプレート１２の回転中心までの距離（Ｌ_１）は、常に変わることの無い既知の値である。本実施例の測定装置１には、被験者２の足の質量（ｍ）、およびＣＯＰである（Ｇ₂ ）の位置を計測するためのフォースプレートを使用していない。これは、フォースプレートの重量による慣性モーメント（Ｉ₂ ）の増加を防ぐ目的、さらに（Ｉ₂ ）の増加に伴う被験者２の足に対する負荷を低減させて安全性を向上させるためである。しかし、被験者２の足の質量（ｍ）は、実質的に下腿部２ｃと足先２ｂの質量であるので、当該質量（ｍ）は、足（下腿部２ｃと足先２ｂ）の被験者２の身体重に占める割合から算出できる。すなわち、人間の身体重に占める足の重量の割合は凡そ決まっているため、足の質量（ｍ）は、被験者２の身長および体重データから推定可能な値である。また、ＣＯＰである（Ｇ₂ ）の位置は、足のサイズから推定可能である。従って、（Ｇ₂ ）からフットプレート１２の回転中心までの距離（Ｌ₂ ）も推定可能な値である。
以上のように、式（１）は、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）の二つの未知の値を含むものとなる。

次に、上記式（１）を微分の差分近似により離散化して（θ）のみの式に変換し、当該式に所定のサンプリング間隔毎で得られた実測値（θ）（τ）を当てはめて、ｎ個の角度データおよびトルクデータを取得する。ここで、上記式（１）を微分の差分近似により離散化すると以下の式（２）の如くとなる。式（３）は、式（２）をまとめたものである。

最後に、疑似逆行例を用いた最小二乗法により、式（３）に含まれる誤差成分を最小にすることで、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）を算出することができる。

上記の測定方法では、足の質量（ｍ）、および（Ｇ₂ ）からフットプレート１２の回転中心までの距離（Ｌ₂ ）は被験者２の身長および体重データから推定したが、式（１）における、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）、および足の質量（ｍ）と距離（Ｌ₂ ）を掛け合わせた数値（Ｌ₂ ｍ）の三つの未知の値を含むものとして算出しても良い（図１１参照）。ここで、（Ｌ₂ ｍ）を一つの値としたのは、（Ｌ₂ ）または（ｍ）の個々の値のみを用いての計算が式中にないためである。取得した角度データおよびトルクデータから、疑似逆行例を用いた最小二乗法により、式（３）に含まれる誤差成分を最小にすることで、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）および足の質量とフットプレート１２の回転中心までの距離を掛け合わせた数値（Ｌ₂ ｍ）を算出することができる。以上のように、図１１に示す測定方法であっても、弾性係数（ｋ）、粘性係数（ｄ）を算出することができる。

図１２に、本発明の別実施例を示す。図１２では、着座板１１の下方に機械式のジャッキ（位置調整機構）５０を設けて、該ジャッキ５０により被験者２の身体寸法に合わせて、着座板１１の位置を上下方向に調整できるようにしている。また、フットプレート１２の下方にジャッキ（位置調整機構）５１を設けて、該ジャッキ５１により被験者２の身体寸法に合わせて、フットプレート１２の位置を上下方向に調整できるようにしている。また、ジャッキ５１は、これを前後方向に移動可能に構成して、フットプレート１２の位置を前後方向に調整できるようにしてもよい。この場合には、フットプレート１２およびジャッキ５１を支持するコ字状の支持体５２を配し、この支持体５２に左右一対の回転軸１８・１８を設けて揺動可能に支持するようにする。

このように、ジャッキ５０・５１を配して、着座板１１を上下方向に移動可能に構成するとともに、フットプレート１２を上下および前後方向に移動可能に構成していると、より正確且つ確実に下腿部２ｃの位置合わせや、踝２ｄの位置合わせを行うことが可能となる。

１ 足首インピーダンスの測定装置
２ 被験者
２ａ 被験者の臀部
２ｂ 被験者の足先
２ｄ 被験者の踝
１２ フットプレート
１８ 回転軸
２３ 角度検出手段（角度センサ）
２８ 緩衝材
３１ 駆動源（モータ）
３３ トルク検出手段（トルクメータ）
４０ 規制機構
５０ 位置調整機構（ジャッキ）
５１ 位置調整機構（ジャッキ）

Claims (4)

1. 被験者（２）が着座したときに、該被験者（２）の臀部（２ａ）を受け止める着座板（１１）と、
   水平に配された回転軸（１８）まわりに揺動回転可能に構成されて、被験者（２）の足先（２ｂ）が載せられるフットプレート（１２）と、
   前記回転軸（１８）を介して、前記フットプレート（１２）に駆動回転力を付与する駆動源（３１）と、
   揺動回転時に前記フットプレート（１２）に加わるトルクを検出するためのトルク検出手段（３３）と、
   揺動回転時の前記フットプレート（１２）の傾斜角度を検出するための角度検出手段（２３）と、
   着座姿勢における被験者（２）の下腿部（２ｃ）を固定するための下腿固定具（２５）と、
   前記フットプレート（１２）上に載せられた被験者（２）の足先（２ｂ）を固定するための足先固定具（２０）と、
   を備え、
   前記下腿固定具（２５）および前記足先固定具（２０）を使って、被験者（２）の踝（２ｄ）が前記回転軸（１８）の軸心上に位置するように被験者（２）の脚部を固定し、
   かかる脚部の固定状態で、前記駆動源（３１）を駆動して前記フットプレート（１２）を前記回転軸（１８）まわりに揺動回転駆動して、足先（２ｂ）を踝（２ｄ）まわりに上下方向に強制的に姿勢変位させ、
   かかる足先（２ｂ）を上下方向に姿勢変位させた際の前記トルク検出手段（３３）による検出値と、前記角度検出手段（２３）による検出値と、前記フットプレート（１２）の質量（Ｍ）と、下腿部（２ｃ）と足先（２ｂ）の質量で規定される被験者の足の質量（ｍ）と、前記回転軸（１８）の軸心からフットプレート（１２）の重心（Ｇ１）までの距離（Ｌ１）と、該回転軸（１８）の軸心から足圧中心（Ｇ２）までの距離（Ｌ２）と、該フットプレート（１２）の重心（Ｇ１）位置における該フットプレート（１２）の重量に由来する慣性モーメント（Ｉ ₁ ）と、該足圧中心（Ｇ２）位置における被験者の足の重量に由来する慣性モーメント（Ｉ ₂ ）と、前記角度検出手段（２３）による検出値から得られる角速度および角加速度と、に基づいて、足首の粘弾性係数を算出することを特徴とする足首インピーダンスの測定装置。
2. 前記フットプレート（１２）には、足先（２ｂ）を該フットプレート（１２）に載せたとき、被験者（２）の踵を受け止めるための緩衝材（２８）が配されている、請求項１記載の足首インピーダンスの測定装置。
3. 前記フットプレート（１２）の前記回転軸（１８）まわりの揺動回転限界を規制するための規制機構（４０）を備える、請求項１又は２記載の足首インピーダンスの測定装置。
4. 前記着座板（１１）の上下方向の位置調整機構（５０）、および／又は前記フットプレート（１２）の上下方向および／又は前後方向の位置調整機構（５１）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の足首インピーダンスの測定装置。

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