3軸角速度センサによる動作分析の可能性 ―歩行時の下肢動作分析より―

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(1)埼玉理学療法 12 ： 33–38，2005.. ■研究と報告. 3 軸角速度センサによる動作分析の可能性 ―歩行時の下肢動作分析より―. 熊井満喜 1）柊幸伸 2, 3） 1）学校法人葵学園埼玉医療福祉専門学校理学療法学科 4 年〒 362-0071 埼玉県上尾市井戸木 2-2-1 2）学校法人葵学園埼玉医療福祉専門学校理学療法学科 3）国際医療福祉大学大学院医療福祉学研究科保健医療学専攻理学療法学分野要旨. 臨床における理学療法評価の中の動作分析は，理学療法士の手と目による動作分析が主であり，. 技量と経験に依存している部分が多い。動作分析の客観的評価機器には 3 次元動作分析装置や床反力計等が用いられているが，価格，操作性，設置場所等の問題があり，臨床で広く普及するには至っていないのが現状である。近年，加速度や角速度が計測できる小型のセンサが容易に入手できるようになり，理学療法やその隣接領域でそれらセンサを用いた動作分析の試みがなされてきている. 1–3）. 。今. 回，我々は市販の 3 軸角速度センサと A/D 変換器を用いた動作分析システムを使用する機会を得た。 3 軸角速度センサを大腿部，下腿部，足部の 3 カ所に装着し，トレッドミル上の歩行分析を試みた。下肢の各関節の運動が細部にわたって記録できており，運動方向と運動速度の関係から動作の分析が可能であった。比較的安価に作成することが出来た今回のシステムは，臨床での客観的な動作分析に有用であると考えた。また，コンパクトで動作を拘束することが少ないため，歩行分析だけでなく，あらゆる動作分析に応用可能なものであると考えた。キーワード：角速度・センサ・歩行分析. 3 軸角速度センサは，物体の運動時の角速度. はじめに. を X, Y, Z の 3 軸方向に分けて 3 次元的に計測で. 臨床における歩行分析は，理学療法士の目や. きるセンサである。昨今の GPS やナビゲーシ. 手によって行なわれる治療・介入計画を立案す. ョンシステムの普及に伴い，価格も安価となり，. るための治療指向的な歩行の分析であり，理学. 入手は比較的容易になってきている。今回，. 療法評価の一項目である。しかし，モトスコピ. 我々はこのセンサを理学療法分野に応用する. ー，いわゆる目による観察では，運動学的な現. と，人体の動作解析，具体的な関節の運動解析. 象の把握が主であり，運動力学的な現象の把握. に利用可能であると考え，計測システムを考案，. 4, 5）. 。現在，モトメト. 作成した。人体の運動は各関節の運動軸を中心. リー，あるいはモトグラフィーでの歩行分析に. とした回転運動の組み合わせと考えることがで. おいて運動力学的な分析をする方法には，3 次. きる。3 軸角測度センサの 3 つの軸方向を各関. 元動作解析，床反力測定，足底圧痕測定，加速. 節の運動方向に合わせることで，計測できる角. 度測定，積分筋電図の解析などが利用されてい. 速度はすなわち関節運動の速度を表し，その結. には限界があるとされる. 6）. る。. 果から客観的な動作分析が行えるものと考え.

(2) 34. 埼玉理学療法第 12 巻第 1 号. 図1. 計測機器. 図 2 センサ取付け場所およ. び実験風景中継ボックスは市販のブラスチックケースを利用し，配線およびコネクタとセンサへの電源供給のための乾大腿外側，下腿外側，足背部に電池ボックス（単 4 × 3）を収納した。中継ボックスとセンサを装着し，トレッドミル上 NR-2000 の間は RS-232C ケーブルを加工した。NR-2000 で歩行。とパソコンは市販の USB ケーブルで接続した。NR2000 は A/D 変換器として利用し，データ収集はパソコン上のソフト（WAVE SHOT! 2000）で操作した。社製）を用いて行った。データ収集は，3 つのセンサから同時に収集できるよう設定し，サンた。関節運動の速度が計測できると，そこから. プリング周波数は 50 Hz とした。収集後の計測. 移動距離（角度）や加速度の算出も可能である。. データは EXCEL 形式のファイルに出力し，解. 比較的安価で操作性がよく，運動を拘束しない. 析・グラフ作成等を行った。. 本システムは臨床での応用に適していると考える。この 3 軸角速度センサを運動力学的な動作. 3．計測方法（図 2）. 分析の方法の一手段とすることで理学療法の. ① センサを平坦で振動の起こらない台または. EBM に貢献できると考える。. 被験者および方法 1．被験者. 床の上に置き，40 秒間計測し，その平均値をオフセット電圧とした。オフセット電圧は被験者へのセンサ装着直前に計測した。 ② 被験者の左下肢の以下 3 カ所にセンサを装. 被験者は，整形外科的・内科的疾患を有さな. 着した。センサの裏面には両面テープを貼. い健康な本校男子学生とした。年齢は 24 歳，. り，センサの上から面ファスナーで更に固. 身長 177.0 cm，体重 70.0 kg であった。被験者. 定した。. には事前に実験目的・方法を説明し，了承を得. ・大腿部（膝関節外側裂隙より 10 cm 上部. た後計測を行なった。. で，矢状面上の位置）。・下腿部（外果中央より 10 cm 上部で，矢. 2．計測機器およびソフトウェア 3 軸角速度センサは MP-G3-01A（マイクロス. 状面上の位置）。・足部（足部背側の比較的平坦な位置）。. トーン社製）を 3 セット用いた。3 軸角速度セ. ③ トレッドミル上で，4 km/h の速度で歩行中. ンサはケーブル配線と電源供給のための自作の. の各センサに発生する角速度を 40 秒間計. 中継ボックスを介してデータ収集システム. 測した。計測は歩行開始より 15 秒以上経. NR-2000（キーエンス社製）に接続した。さら. 過し歩容が安定したところより開始した。. に USB ケーブルにて NR-2000 とパソコンを接続した（図 1）。計測データの収集は付属のソフトウェア「WAVE SHOT! 2000」（キーエンス. 結果歩行動作において，踵接地時に足関節が底屈.

(3) 3 軸角速度センサによる動作分析の可能性 35. 図3. 歩行中の足関節の動き（矢状面）. 足背部に装着したセンサで計測した角速度データ。踵接地および足趾離地のポイントを図中に示す。踵接地直後と立脚後期に速い底屈運動が計測され，足趾離地直後より遊脚期には背屈運動が計測された。. 図4. 1 歩行周期中の下肢関節の動きに伴う角速度の変化. 大腿外側，下腿外側，足背部に装着したそれぞれのセンサで計測した角速度。センサ内の直交する 3 本の測定軸が各関節の 3 つの運動軸の運動を反映している。.

(4) 36. 埼玉理学療法第 12 巻第 1 号. 表1. 1 歩行周期中の下肢各関節運動の平均角速度. 大腿部（股関節）（単位： deg/s）伸展（＋）/屈曲（−）外転（＋）/内転（−）外旋（＋）/内旋（−）立脚前期. 14.1. − 12.9. − 5.3. 中期. 3.8. − 15.7. 13.2. 後期. − 74.2. 6.0. 40.9. 遊脚前期. − 165.9. − 28.4. − 3.8. 後期. − 64.2. − 23.5. − 72.2. 下腿部（膝関節）（単位： deg/s）屈曲（＋）/伸展（−）外反（＋）/内反（−）外旋（＋）/内旋（−）立脚前期. 91.8. 26.8. 17.3. 中期. 94.4. 45.2. 23.6. 後期. 141.6. 71.2. 54.6. 遊脚前期. − 11.9. − 95.1. − 0.2. 後期. − 138.9. − 133.6. − 102.9. 足部（足関節）（単位： deg/s）外転（＋）/内転（−）背屈（＋）/底屈（−）内反（＋）/外反（−）立脚前期. 42.6. − 73.5. − 25.5. 中期. 9.2. 1.1. − 25.8. 後期. 115.0. − 273.5. 4.6. 遊脚前期. − 126.2. 199.0. 91.9. 後期. − 233.5. 151.9. 42.1. 方向に運動を始めるタイミングから次の同タイ. 考察. ミングまでを 1 歩行周期とした。また，1 歩行周期の中で最大底屈位から背屈方向に運動が切り替わる点を足指離地とした（図 3）。 1 歩行周期中の足指離地の点を境に立脚期と. 計測データをもとに一般的な文献に記載されている内容と比較しながら今回の歩行を考察してみる。. 遊脚期に分け，さらに立脚期を 3 相，遊脚期を. 丸山らによると，股関節の屈曲・伸展方向の. 2 相にそれぞれ経過時間をもとに等分に分割し. 動きは，踵接地の時点では約 20 °の屈曲位をと. た。大腿部のセンサが示す主に股関節周りの運. っている。ここから徐々に伸展運動をしていき，. 動，下腿部のセンサが示す主に膝関節周りの運. 立脚中期には中間位をとった後，立脚後期には. 動，および足部のセンサが示す主に足関節周り. 伸展位となり，踵離地時に最も伸展する。この. の運動は図 4 のようになった。. 後，屈曲方向の運動になり，足指離地時には約. 1 歩行周期に要した時間は 1.14 秒であり，立. 10 °伸展位で，遊脚期に中間位を越えて屈曲位. 脚期 0.72 秒（63.2 ％），遊脚期 0.42 秒（36.8 ％）. となり，遊脚中期に約 22 °の最大屈曲位をとっ. であった。1 歩行周期の各相で各々のセンサの. 4）た後，次の踵接地へとつながるとされる。今. 各々の軸に発生した角速度の平均は表 1 に示し. 回の角速度の変化を見ると，矢状面の立脚前期. たとおりとなった。. の運動は伸展方向に平均 14.1 deg/s，立脚中期では伸展方向に 3.8 deg/s，立脚後期では屈曲方.

(5) 3 軸角速度センサによる動作分析の可能性 37. 向に 74.2 deg/s であった。遊脚期では遊脚前期. る。この後，伸展運動が起こり，踵離地の時点. で屈曲方向に 165.9 deg/s，遊脚後期で屈曲方向. ではほぼ完全伸展位となる。踵離地以降再び屈. に 64.2 deg/s であった。立脚前期は平均すると. 曲運動が起こり，最大屈曲位となる遊脚中期を. 伸展方向への運動であるが，ごく前半の 0.6 秒. 境に伸展運動が起こり，次の踵接地時には完全. 間には平均 24.3 deg/s の屈曲方向への運動が存. 4）伸展位となるとされる。角速度の変化を見る. 在した。同時期は膝関節が踵接地後 100.0 deg/s. と，立脚前期では平均角速度 91.8 deg/s，立脚. 以上の角速度で屈曲している時期であり，踵接. 中期では平均角速度 94.4 deg/s，立脚中期では. 地時の衝撃吸収を目的とした膝関節屈曲動作に. 平均角速度 141.6 deg/s の屈曲が起こり立脚期に. 連鎖した股関節の運動を表しているものと考え. は伸展方向への角速度は踵接地直後の 0.2 秒間. た。また，立脚中期は平均すると伸展方向への. に 61.8 deg/s の運動が計測されたのみであった。. 動きであるが，ごくわずかな屈曲方向への動き. 遊脚前期の後半より遊脚後期では早い伸展運動. もとらえることが出来た。これは重心線が膝関. が計測できた。踵接地後の衝撃吸収に寄与する. 節軸よりも前方に移ることで起こる屈曲方向へ. 膝関節屈曲は認められたものの，立脚中期での. の動きを反映しているものと考えた。. 完全伸展は認められず。角速度から見る限りで. 股関節の内・外転方向の動きは，踵接地時はほぼ中間位で，足底接地まで約 4 °の内転運動. はいわゆる二重膝作用（Double knee action）は捉えられなかった。. の後，外転運動に移る。立脚中期で中間位とな. 足関節は 1 歩行周期中に底屈運動と背屈運動. った後も外転運動を続け，踵離地で最大外転位. を 2 回行なう。踵接地時にはやや背屈位で入り，. 4）となり，再び内転運動に移るとされる。角速. 底屈運動が始まる。足底接地時には底屈位とな. 度の変化を見ると，立脚前期の前半部に外転方. り，ここより背屈運動が開始される。踵離地の. 向の運動が認められるが平均では内転方向への. とき最大背屈位となり，この後，急激な底屈運. 動きとなっていた。立脚中期では常に内転方向. 動により，足指離地時には最大底屈位になる。. への運動であるが，立脚後期では外転方向へと. 遊脚期は背屈運動が起こり，遊脚中期以降，約. 運動方向が切り替わる。遊脚期では再び内転方. 5 °の背屈位を保ったまま，次の踵接地に移行. 向への運動が発生していた。つまり 1 歩行周期. 4）するとされる。角速度の変化を見ると，立脚. の中で立脚初期の前半と立脚後期に外転方向へ. 前期では平均角速度 73.5 deg/s の底屈が起こり，. の運動がみとめられ，1 歩行周期に外転・内転. 最大底屈角速度は 290.7 deg/s と速い運動であっ. は 2 回ずつ繰り返されていることが分かった。. た。立脚中期では前半に底屈運動が残っている. 股関節の内・外旋方向の動きは，立脚相（足底接地から踵離地まで）で約 4 °の内旋，遊脚. ものの後半は背屈方向への運動に切り替わり，平均で 1.1 deg/s の緩やかな背屈運動が記録され. 相（足指離地から踵接地まで）で約 4 °の外旋. た。立脚後期では平均角速度 273.5 deg/s の速い. 4）が起こるとされる。角速度の変化を見ると，. 底屈運動が起こり，最大底屈角速度は. 立脚前期から立脚中期の前半にかけて細かな内. 639.1 deg/s を示した。遊脚期は再び背屈方向へ. 外旋のふらつきが 2 度認められた。それ以降の. と運動方向が切り替わり，遊脚前期では平均角. 立脚期から遊脚前期の前半にかけては外旋方向. 速度 199.0 deg/s，立脚後期では平均角速度. への運動のみが計測された。遊脚前期の後半か. 151.9 deg/s の背屈が計測された。. ら踵接地までは内旋方向への運動のみ計測され. 足部の内・外反の動きは，踵接地時の内反位. た。この運動は丸山らの報告とは異なり，立脚. は，足底接地時にかけての急激な外反運動で約. 相では外旋運動を行ない，遊脚相では内旋運動. 3 °程度の外反位となる。踵離地後には内反運. を行っていること示した。. 動を開始し，足指離地時に最大内反位となった. 膝関節の屈曲・伸展方向の運きは，踵接地時. 後，外反運動が起こり，遊脚中期以降は再び内. には 0 °の完全伸展位であるが，ここから屈曲. 反運動を起こし，次の踵接地に移行するとされ. 運動が始まり足底接地時に約 15 °の屈曲位をと. 4）る。角速度の変化を見ると，立脚前期では平.

(6) 38. 埼玉理学療法第 12 巻第 1 号. 均角速度 25.5 deg/s，立脚中期では平均角速度. 今回の実験で 3 軸角速度センサによる動作分. 25.8 deg/s の外反が起こった。その後，立脚後. 析の可能性とその有用性が一部示されたと考え. 期の後半に至るまでは外反運動を継続するが，. た。実用にはさらに，今回使用した 3 軸角速度. 立脚後期の後半より内反方向への運動に切り替. センサの信頼性を示す必要があり，また，従来. わった。続いて，遊脚前期では平均角速度. の動作分析で主流である 3 次元動作解析装置や. 91.9 deg/s，遊脚後期では平均角速度 42.1 deg/s. 床反力計での分析結果と比較検討する必要があ. の内反が起こった。. る。そのことにより，今回のシステムが理学療. 以上のように，3 軸角速度センサを用いて歩. 法分野での EBM に貢献できるものと考えた。. 行分析を行うと，運動の細部にわたる分析が可. おわりに. 能であった。大がかりな動作分析装置を使用せずとも，被験者の細かな歩行の特徴を分析でき. 本研究は，埼玉医療福祉専門学校の卒業研究. る非常に有益な機器であると考えた。いわゆる. として行ったものを再考し，まとめたものであ. モトスコピーでの動作分析では客観的データが. る。指導教員のもと熟考を重ねたものではある. 得られにくく，験者の技量にも左右される要素. が，理学療法士を目指す学生の身でありまだま. が多い。今回使用したような簡便な機器でもモ. だ考えの甘さが露呈していることと思われる。. トメトリー，モトグラフィー的な歩行分析が可. ご容赦頂きたい。. 能である。より客観的なデータを示すことが出来たことより，3 軸角速度センサは理学療法分野における運動力学的な動作分析において，十分に 1 つの分析手段となりうると考えた。加えて，今回は下肢のみにセンサを設置したが，さらに上肢や体幹に設置することで全身的な動作分析も可能であると考えた。今回は被験者 1 名のみの歩行分析結果を示した。本被験者が教科書的な歩行をしているかどうかにはこだわらず，今回使用したシステムでどの程度詳しく動作を表すことができるかに重きを置いた。今後，計測した角速度をどのように表現するか，データをどのように加工するかを研究していく必要があると考えた。また，多くのデータを収集し，基準となるデータ作りや疾患別の特徴を把握する作業が必要である。. 文献 1）木藤伸宏，島澤真一，弓削千文・他：加速度センサを用いた変形性膝関節症の歩行時下肢運動の解析．理学療法学，31(1): p86–94, 2004. 2）菅川祥枝，木藤伸宏，島澤真一・他：内側型変形性膝関節症における歩行時大腿・下腿回旋運動の解析．理学療法学，31(7): p412–419, 2004. 3）田中尚文，園田茂，村岡慶裕・他：小型加速度計による歩行分析の再現性および妥当性の検討．リハビリテーション医学，33(8): p549–553, 1996. 4）丸山仁司（編）：ザ歩行第 1 版，アイペック，東京，2003, p23-29, p87–104． 5）齋藤宏，長崎浩：臨床運動学第 3 版，中村隆一，医歯薬出版，東京，2002, p36–38． 6）中村隆一，齋藤宏・他：基礎運動学第 5 版，医歯薬出版，東京，2002, p333–350..

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