JP5043484B2 - エルゴメータの表示制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、病院や健康増進施設などで行われている運動療法において運動負荷装置として使用されているエルゴメータ、特にその表示制御装置に関するものである。

一般的なエルゴメータでは、ペダルの回転速度を表示するのみで、運動する者の股関節や膝関節など脚の各関節部分の動きに着目し、その部分の角速度や角度を表示するものがなかったが、例えば大腿部股関節などの変形性関節症など下肢整形疾患を有する運動者では、その部分の運動時の状態を把握し運動状態を管理したいという要望がある。

また、運動補助装置の使用中に運動者の筋肉の活動状態を、力学的モデルに身体寸法をインプットして演算により解析する方法がある(例えば下記特許文献１参照)。

特開２００３−１１６８２２号公報、図２等

高齢者社会に伴い、運動療法を必要とする患者がそれ以外の疾患を抱えることも少なくなくなり、特に変形性関節症など整形疾患を有する患者への運動療法を実施することも増えている。しかしながらそのような運動者に対してエルゴメータで運動させる場合には、運動者の関節可動域および動作速度(関節の可動域角度および角速度)が患部に対して無理が掛らないよう注意する必要があるが、従来のエルゴメータではこれを表示する機能を有するものがなかった。

また現状でこれに対応しようとするならば、ゴニオメータと呼ばれる関節角度を計測する機器を別に用意し関節に貼り付け、その角度情報をまた別に用意した解析装置にて演算して角速度を求めるなどの方法しかないため、運動システムとして多くの装置が必要となり、簡単に測定できないなどの課題があった。

また他の例としては、運動中の患者の映像をＴＶカメラで撮影し画像処理にて測定する方法や、上記特許文献１の図２にあるように、力学的モデルに身体寸法をインプットし演算にて求める方法がある。ＴＶカメラを使用する方法の場合は広い空間と高額で大規模なシステムが必要であり、力学的リンクモデルを使用する方法の場合は入力に必要な項目は、通常比較的把握している身長や体重以外に各関節間の距離などの細かな項目を多岐に渡って数多く入力する必要があるため、予めこれらの入力項目を細かく測定する必要がある。このためこれらの例についても、簡単に測定することが困難であった。

この発明は、より簡単な構成、容易な操作によりペダル回転運動時の運動部位関節の運動状態を推定して表示する機能を持たせたエルゴメータの表示制御装置を提供することを目的とする。

この発明は、ペダル装置によるペダル回転運動を行うエルゴメータの表示制御装置であって、運動者の身長に対して推定される運動部位関節の可動域角度を格納した記憶部と、入力された運動者の身長に対して、前記推定される運動部位関節の可動域角度を求め、前記可動域角度と前記ペダル装置の回転速度検出部からのペダル装置での回転速度に基づき運動部位関節の角速度を算出する演算部と、前記演算部で算出された運動部位関節の角速度を表示する表示部と、を備えたことを特徴とするエルゴメータの表示制御装置等にある。

この発明によれば、例えば変形性関節症による関節可動制限を指示されている運動者などに対して、疾病部分に無理な負担を掛けることなく運動を実施させることができるため、運動による２次疾病の発生や現有疾病の悪化を防止できる効果が得られる。また可動する関節の角速度を検出するための機器構成も簡素であるとともに、入力情報も少なく簡単に入力できるため、安価で利便性が高い。

以下、運動部位関節として下肢の膝関節の運動状態を表示する場合を例に挙げて説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態によるエルゴメータの表示制御装置を含むエルゴメータの概略的な構成を示す図である。入力部１はキーボードやタッチパネルから構成され、運動者又は運動者以外の利用者(以下説明の便宜上、単に運動者とする)がエルゴメータに対して運動負荷レベル等の設定入力を行うためのものである。運動装置３は漕ぐペダル３０設けたペダル装置３ａとこのペダル装置３ａに回転負荷を与えるモータ３ｂからなる。ペダル装置３ａの回転速度は、回転速度検出部５で検出される。モータ３ｂで発生される回転負荷は負荷制御部４で制御される。

主制御部２は例えば内蔵されるプログラムに従って動作するコンピュータ(ＣＰＵ)からなり、入力部１からの設定入力、メモリ６に記憶された各種計算式、データ、運動者の身長に対する運動部位関節のデータを含む標準情報であるデータテーブル、回転速度検出部５からの回転速度、等に従って、負荷制御部４への負荷制御指示および表示部７への表示制御指示を行う。表示部７は主制御部２からの制御に従って、ペダル回転速度や膝関節角速度等の主制御部２での算出結果を表示する。

なお、主制御部２が演算部、メモリ６が記憶部、表示部７が表示部を構成し、メモリ６に格納されるデータテーブル(以下も同様)が運動部位関節の運動を推定するための運動者の身長に対する標準情報を構成する。

次にエルゴメータの基本動作について説明すると、主制御部２は入力部１から入力された回転負荷レベルに従って負荷制御部４に負荷制御指示を入力する。負荷制御部４はこの負荷制御指示に従って、運動者が運動装置３のペダル装置３ａのペダル３０を漕いだ時に設定に従った回転負荷がかかるように、モータ３ｂを制御する。そして回転速度検出部５で検出されたペダル３０の回転速度であるペダル装置３ａの回転速度Ｖは、主制御部２に入力され、主制御部２は表示部７にペダル回転速度Ｖ(rpm)を表示する表示制御指示を入力する。表示部７は主制御部２からの表示制御指示に従ってペダル回転速度を図１の７０１に示すように表示する。

そしてこの発明のエルゴメータではさらに、特に膝関節の膝関節角速度を表示する。図２には入力項目および検出データから膝関節角速度を演算により推定して求めて表示する、主制御部２での動作の一例を示す動作フローチャートを示す。以下図２に従って動作を説明する。この実施の形態では、図３に示すような運動者の身長Ｔ(cm)に対するエルゴメータを使用した場合の膝関節の可動域角度θ(rad)が実験的かつ統計的評価により予め求められ、実験的／統計的評価による身長対膝関節可動域角度データテーブル６ａとしてメモリ６に格納されている。なお膝関節の可動域角度θとは、一番簡単な構造を例に挙げると、例えば図１においてペダル装置３ａの上方側に座席シート(図示省略)があるとした場合、膝関節角度が最小となる足が一番腰に近づく位置(例えばペダル装置３ａの最上点位置)にある時の膝関節角度と、逆に膝関節角度が最大となる足が一番腰から遠い位置(例えばペダル装置３ａの最下点位置)にある時の膝関節角度との角度差θである。

そして入力部１から身長Ｔ(cm)が入力されると(Ｓ１)、主制御部２はメモリ６に格納されている身長対膝関節可動域角度データテーブル６ａに基づいて、身長Ｔに対応する平均的な膝関節可動域角度θ(rad)を読み出す(Ｓ２)。次に運動者がエルゴメータで運動中、主制御部２は、回転速度検出部５からペダル３０の回転速度であるペダル装置３ａにおける回転速度Ｖ(rpm)を得る(Ｓ３)。そして回転速度Ｖからペダル装置３ａでの１／２周期運動に必要な時間ｔ(sec)を

ｔ(sec)＝６０÷(２×Ｖ(rpm)) (１)

により計算して得る(Ｓ４)。次に、１／２周期運動に必要な時間ｔと膝関節の可動域角度θから、膝関節角速度ωを

ω(rad／sec)＝θ(rad)÷ｔ(sec) (２)

により計算して得る(Ｓ５)。そしてこのように推定して求めた膝関節角速度ωをω(deg(度)／sec)に換算し、これをペダル回転速度Ｖ(rpm)と共に表示部７に表示させる表示制御指示を行う(Ｓ６)。表示制御指示を受けた表示部７はこの膝関節角速度ωをペダル回転速度Ｖ(rpm)と共に図１の７０２に示すように表示する。なお１／２周期運動に必要な時間ｔ、膝関節角速度ωを求める上述の(１)(２)式はそれぞれメモリ６に格納しておき、必要な時に読み出して使用するようにしてもよい。また角度とラジアンとの換算表又は換算式、および三角関数表はメモリ６に格納しておく。そして図２の動作は所定の周期で繰り返される。

実施の形態２．
図４には入力項目および検出データから膝関節角速度を演算により推定して求めて表示する、別の例における主制御部２での動作フローチャートを示す。エルゴメータの基本的構成は図１に示すものと同様である。

この発明では、図５に示すような関節リンクモデルを使用する。図５の各符号はそれぞれ以下のものを示す。なおこのモデルでは、足やお尻の厚みは無視している。
Ｐ１：足関節位置
Ｐ２：股関節位置
Ｐ３：膝関節位置
Ｐ０：ペダル装置回転中心
ｒ１：ペダルのクランク長
Ｌ０：Ｐ０〜Ｐ２距離（＝座席シート高）
Ｌ１：Ｐ２〜Ｐ３長さ
Ｌ２：Ｐ３〜Ｐ１長さ
Ｌ３：Ｐ１〜Ｐ２長さ
θ３：Ｐ３の角度(膝関節角度)
ω３：θ３の角速度(膝関節角速度)
その他の符号については後述する。

最終的に求めるのが膝関節角度θ３であるため、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３からなる三角形(Ｐ１ Ｐ２ Ｐ３)の各辺の長さが判れば、余弦定理が利用できる。標準寸法の割合などを利用して身長から関節間長Ｌ１とＬ２を設定すれば、残りはＬ３を求めればよい。

この実施の形態では、図６に示すような運動者の身長Ｔ(cm)に対する関節間長Ｌ１(cm)、Ｌ２(cm)、および座席シート高Ｌ０(cm)が実験的かつ統計的評価により予め求められ、実験的／統計的評価による身長対膝関節リンクモデル寸法データテーブル６ｂとしてメモリ６に格納されている。またメモリ６にはペダル３０のクランク長ｒ１が格納されている。

ペダル装置３ａにおける自転車運動を前提としているので、足関節位置Ｐ１は決められた軌道上を周回するという制約条件が利用できる。すなわちθ３が最小となる位置は足関節位置Ｐ１が一番腰(股関節位置Ｐ２)に近づくＡ点にある状態であり、逆にθ３が最大となるのは足関節位置Ｐ１が一番腰から遠いＢ点にある状態である。そこでθ３が最小、最大の時の三角形(Ｐ１ Ｐ２ Ｐ３)からそれぞれθ３min、θ３maxを求める。Ａ点、Ｂ点でのＬ３

Ｌ３min＝Ｌ０−ｒ１、Ｌ３max＝Ｌ０＋ｒ１ (３)

の値を用い、余弦定理、例えば

ａ^２＝ｂ^２＋ｃ^２−２ｂｃ・cosＡ
cosＡ＝(ｂ^２＋ｃ^２−ａ^２)／２ｂｃ
但しａ，ｂ，ｃは三角形の各辺の長さ、Ａは辺ａに対向する角の角度

を使用すればθ３min、θ３maxが求められる。すなわち、

cosθ３＝(Ｌ１^２＋Ｌ２^２−Ｌ３^２)／(２×Ｌ１×Ｌ２) (４)

にＬ１、Ｌ２、Ｌ３min＝Ｌ０−ｒ１、Ｌ３max＝Ｌ０＋ｒ１を代入することでθ３min、θ３maxを求める。そしてθ３max−θ３min＝可動域角度θとして、上記式(１)(２)に基づき膝関節角速度ω３＝(θ３max−θ３min)／ｔを算出する。

なお、図５に示すθ３が最小となるＡ点と最大となるＢ点は、一般には、ペダル装置３ａの足関節位置Ｐ１(ペダル３０)の回転軌道上の、股関節位置(座席シート)Ｐ２とペダル装置３ａの回転中心Ｐ０を結ぶ直線と交わる、回転中心Ｐ０の互いに反対側になる位置となる。

以下、図４に従って動作を説明する。入力部１から身長Ｔが入力されると(Ｓ１)、主制御部２はメモリ６に格納されているペダル３０のクランク長ｒ１と、身長対膝関節リンクモデル寸法データテーブル６ｂに基づいて身長Ｔに対応する平均的な関節リンクモデルの各寸法として関節間長Ｌ１、Ｌ２、座席シート高Ｌ０を読み出す(Ｓ２)。次に運動者がエルゴメータで運動中、主制御部２は、回転速度検出部５からペダル装置３ａの回転速度Ｖ(rpm)を得る(Ｓ３)。そして回転速度Ｖから１／２周期運動に必要な時間ｔ(sec)を上述の式(１)により計算して得る(Ｓ４)。

次に、上述の(３)(４)式により膝関節角度θ３の最大と最小θ３max、θ３minを求め、これらの差から可動域角度θ＝θ３max−θ３minを計算して得る(Ｓ５)。次に、１／２周期運動に必要な時間ｔと膝関節の可動域角度θから、膝関節角速度ωを上述の(２)式により計算して得る(Ｓ６)。そしてこのように推定して求めた膝関節角速度ωをω(deg(度)／sec)に換算して、これをペダル回転速度Ｖ(rpm)と共に表示部７に表示させる表示制御指示を行う(Ｓ７)。表示部７はこの膝関節角速度ωをペダル回転速度Ｖ(rpm)と共に図１の７０１，７０２に示すように表示する。なお上記各(１)〜(４)式はそれぞれメモリ６に格納しておき、必要な時に読み出して使用するようにしてもよい。この実施の形態についても運動者は身長を入力するのみである。

なお、図６に示した身長対膝関節リンクモデル寸法データテーブル６ｂの関節間長Ｌ１、Ｌ２は、各身長に対する長さの値又は身長に対する割合でそれぞれに設定することができる。また簡易的に、身長に対する一律な割合として設定することもできる。また、座席シート高Ｌ０はデータテーブル６ｂに設定せずに、例えば図１に示す座席シート高センサ３ｃを設け、座席シート高センサ３ｃから検出信号(座席シート高信号)として入力するようにしてもよい。

また、この実施の形態２において、図４のステップＳ５で求めた膝関節角度θ３の最大値θ３maxと最小値θ３minを、ステップＳ７で図１の表示部７に７０３で示すように、度(deg)に換算して最大膝関節角度、最小膝関節角度として併せて表示するように表示制御指示するようにしてもよい。

実施の形態３．
また、上記実施の形態２において、図１の表示部７に７０４で示すように、現在の膝関節角度を併せて表示するようにしてもよい。この場合、図５の関節リンクモデルのθ０に相当する、ペダル３０の回転角度位置であるペダル装置３ａの回転角度位置を検出する回転角度位置検出部３ｄを設ける。以下図４のステップＳ６１〜６３に従って、現在の膝関節角度θ３を求める動作を説明する。回転角度位置検出部３ｄより現在のペダル装置３ａの回転角度位置であるθ０を得る(Ｓ６１)。次に図５の関節リンクモデルの時々刻々の膝関節角度θ３を求めるために、時々刻々の関節間長Ｌ３を求める。三角形(Ｐ０ Ｐ１ Ｐ２)においてＬ３を、

Ｌ３^２＝Ｌ０^２＋ｒ１^２−２×Ｌ０×ｒ１×cosθ０ (５)

から求める(Ｓ６２)。求められたＬ３を上述の(４)式に入れてθ３を求める(Ｓ６３)。そしてこのように推定して求めた現在膝関節角度θ３を度(deg)に換算して、例えば変化が分かり易いように図１の表示部７に７０４で示すようにアナログ表示させる表示制御指示を行う(Ｓ７)。

実施の形態４．
また、上記実施の形態１〜３において、図４のステップＳ６又は図２のステップＳ５で求めた膝関節角速度ωが、予め設定しメモリ６に格納した膝関節角速度上限値と比較し、これ以上になった場合には(図４のＳ６４)、例えば図１の表示部７に７０５で示すように警告表示をさせる表示制御指示を行う(Ｓ７)。これにより運動者に対して注意喚起を行うことができる。

なお上記各実施の形態では、運動部位関節を膝関節とし、この膝関節の運動状態を表示する場合を例に挙げて説明したが、この発明はこれに限定されず、例えば運動部位関節を膝関節とし、股関節の運動状態を表示する場合にも同様に適用可能である。この場合、上記実施の形態１では、図３に示したものと同様な、運動者の身長Ｔ(cm)に対する本エルゴメータを使用した場合の股関節の可動域角度θ(rad)が実験的かつ統計的評価により予め求められ、実験的／統計的評価による身長対股関節可動域角度データテーブル６ａとしてメモリ６に格納され、これに基づき、上述のものと同様な動作により股関節角速度の表示を行う。

また上記実施の形態２の場合は、図６に示したものと同じ、運動者の身長Ｔ(cm)に対する関節間長Ｌ１(cm)、Ｌ２(cm)、および座席シート高Ｌ０(cm)が実験的かつ統計的評価により予め求められ、実験的／統計的評価による身長対股関節リンクモデル寸法データテーブル６ｂとしてメモリ６に格納される。図５の関節リンクモデルにおいてＰ２の角度(股関節角度)θ２が最大となる位置は足関節位置Ｐ１が一番腰(股関節位置Ｐ２)に近づくＡ点にある場合であり、θ２が最小となる位置は足関節位置Ｐ１が一番腰から遠いＢ点にある場合であることから、上述の(４)式を

cosθ２＝(Ｌ１^２＋Ｌ３^２−Ｌ２^２)／(２×Ｌ１×Ｌ３) (６)

に代え、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３min＝Ｌ０−ｒ１、Ｌ３max＝Ｌ０＋ｒ１を代入する。そしてθ２max−θ２min＝可動域角度θとして、上記式(１)(２)に基づき股関節角速度ω２＝(θ２max−θ２min)／ｔを算出する。

図７には股関節の運動状態を表示する場合の主制御部２での動作フローチャートを示す。ステップＳ１〜Ｓ４は上述の実施の形態と同じである。図７のステップＳ５では上述の(３)(６)式により股関節角度θ２の最大と最小θ２max、θ２minを求め、これらの差から可動域角度θ＝θ２max−θ２minを計算して得る。次にステップＳ６で、１／２周期運動に必要な時間ｔと股関節の可動域角度θから、股関節角速度ωを上述の(２)式により計算して得る。そしてステップＳ７で、このように推定して求めた股関節角速度ωをω(deg(度)／sec)に換算して、これを表示部７にペダル回転速度Ｖ(rpm)と共に表示させる表示制御指示を行う(Ｓ７)。表示部７はこの股関節角速度ωをペダル回転速度Ｖ(rpm)と共に表示する。

また、図７のステップＳ５で求めた股関節角度θ２の最大値θ２maxと最小値θ２minを、ステップＳ７で度(deg)の単位に換算して表示部７に最大股関節角度、最小股関節角度として併せて表示するように表示制御指示してもよい。

また上記実施の形態３の場合は、図５の関節リンクモデルにおいてＰ２の股関節角度θ２を、三角形(Ｐ０ Ｐ１ Ｐ２)のＰ２の角度θ２１と、三角形(Ｐ１ Ｐ２ Ｐ３)のＰ２の角度θ２２との和(θ２＝θ２１＋θ２２)として求め、時々刻々、現在の股関節角度として表示する。

図７のステップＳ６１で、回転角度位置検出部３ｄより現在のペダル装置３ａの回転角度位置であるθ０を得る。次にステップＳ６２で、三角形(Ｐ０ Ｐ１ Ｐ２)におけるＬ３を上述の(５)式から算出する。

次にステップＳ６３で、図５の関節リンクモデルの三角形(Ｐ０ Ｐ１ Ｐ２)のＰ２の角度θ２１を

cosθ２１＝(Ｌ０^２＋Ｌ３^２−ｒ１^２)／(２×Ｌ０×Ｌ３) (７)

で求め、三角形(Ｐ１ Ｐ２ Ｐ３)のＰ２の角度θ２２を

cosθ２２＝(Ｌ１^２＋Ｌ３^２−Ｌ２^２)／(２×Ｌ１×Ｌ３) (８)

で求め、θ２を

θ２＝θ２１＋θ２２

で求める。そしてステップＳ７で、このように推定して求めた現在股関節角度θ２を度(deg)に換算して、表示部７に例えば変化が分かり易いようにアナログ表示させる表示制御指示を行う(Ｓ７)。

また上記実施の形態４の場合は、図７のステップＳ６で求めた股関節角速度ωを、ステップＳ６４で予め設定しメモリ６に格納した股関節角速度上限値と比較し、これ以上になった場合には、ステップＳ７で、例えば図１の表示部７に警告表示をさせる表示制御指示を行う。

なお、表示部７での各ファクタの表示方法は、アナログ表示でもデジタル表示でもよく、上記実施の形態に限定されるものではない。

この発明の一実施の形態によるエルゴメータの表示制御装置を含むエルゴメータの概略的な構成を示す図である。 この発明によるエルゴメータの表示制御装置の動作の一例を説明するための動作フローチャートである。 この発明によるエルゴメータの表示制御装置のメモリに格納された実験的／統計的評価による身長対膝関節可動域角度データテーブルの一例を示す図である。 この発明によるエルゴメータの表示制御装置の動作の別の例を説明するための動作フローチャートである。 この発明によるエルゴメータの表示制御装置で使用される関節リンクモデルの一例を示す図である。 この発明によるエルゴメータの表示制御装置のメモリに格納された実験的／統計的評価による身長対膝関節リンクモデル寸法データテーブルの一例を示す図である。 この発明によるエルゴメータの表示制御装置の動作のさらに別の例を説明するための動作フローチャートである。

符号の説明

１ 入力部、２ 主制御部(演算部)、３ 運動装置、３ａ ペダル装置、３ｂ モータ、３ｃ 座席シート高センサ、３ｄ 回転角度位置検出部、４ 負荷制御部、５ 回転速度検出部、６ メモリ(記憶部)、６ａ 身長対膝関節可動域角度データテーブル、６ｂ 身長対股関節リンクモデル寸法データテーブル、７ 表示部、３０ ペダル。

Claims (3)

1. ペダル装置によるペダル回転運動を行うエルゴメータの表示制御装置であって、
   運動者の身長に対して推定される運動部位関節の可動域角度を格納した記憶部と、
   入力された運動者の身長に対して、前記推定される運動部位関節の可動域角度を求め、前記可動域角度と前記ペダル装置の回転速度検出部からのペダル装置での回転速度に基づき運動部位関節の角速度を算出する演算部と、
   前記演算部で算出された運動部位関節の角速度を表示する表示部と、
   を備えたことを特徴とするエルゴメータの表示制御装置。
2. ペダル装置によるペダル回転運動を行うエルゴメータの表示制御装置であって、
   運動者の身長に対する運動部位関節のデータを含む標準情報を格納した記憶部と、
   入力された運動者の身長に対して、前記標準情報から推定される運動部位関節のデータを求め、運動部位関節の動きを算出する演算部と、
   前記演算部での算出結果を表示する表示部と、
   を備え、
   前記記憶部が、前記標準情報として、座席シートと回転中心を有するペダル装置、下肢の股関節位置、膝関節位置、足関節位置を含むリンクモデルの、身長に対する所定の部分のそれぞれの推定される長さを含み、
   前記演算部が、入力された運動者の身長に対する長さを設定した前記リンクモデルのペダル回転運動時の運動部位関節の最大角度と最小角度を算出し、前記最大角度と最小角度の差から求まる可動域角度とペダル装置の回転速度から運動部位関節の角速度を算出し、さらにペダル装置の回転角度位置検出部からのペダル装置の回転角度位置と入力された運動者の身長に対する長さとを設定した前記リンクモデルのペダル回転運動時の運動部位関節の角度を算出し、
   前記表示部が、運動部位関節の最大角度と最小角度と、角速度と、角度を表示する、
   ことを特徴とするエルゴメータの表示制御装置。
3. 記憶部が、運動部位関節の角速度上限値を格納し、
   演算部が、算出した運動部位関節の角速度が前記角速度上限値以上になったことを検出し、
   表示部が、運動部位関節の角速度が前記角速度上限値以上になったことを知らせる警告表示を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のエルゴメータの表示制御装置。

Images