A method for evaluating the effects of leg motion on center of foot pressure during walking 06M40191 Hiroki WATANABE COP : Center Of Pressure COP COP 11 +13cm 0cm -13cm 7m 44 9 2 3 COP COM COM : Center Of Mass COP COM COM COP COM COM COP COP COM COP COP COP COP COP
1. 2 1 COP (1 COP 2 3 (2 COP 2. 2.1 2.1.1 11 22.1±2.2 172.7±7.4cm 62.9±8.9kg 7m 3 Fig.1 3 +13cm ±0cm -13cm 3 10 30 Fig. 1 Gait condition 2.2 2.2.1 3 44 MAC 3D System Eagle Motion Analysis 9 250Hz 2.2.2 kistler 0.6m 0.4m 2 1kHz
2.2.3 慣性センサ Fig.2 に示すように 加速度セン サ 3-Axis ±3g ANALOG DEVICES 社製 とジャ イロセンサ 2-Axis ±500deg/sec InvenSense 社製 によって構成された慣性センサ (5-DOF Spark Fun Electronics 社製2 機を用いて 足部と下腿部の加速 度 角速度を サンプリング周波数 1kHz で計測した 2.3.4 Newton Euler 法 に よ る 逆 動 力 学 解 析 Newton-Euler の運動方程式にしたがって逆動力学計 算を行った 歩行動作中に身体に加わる外力は重力と 床反力であると仮定し 力の釣り合いの関係を利用し て 直接測定することができない関節トルク及び関節 間力を算出した (Fig.4 各セグメントの質量中心回り の並進の運動方程式 2 と質量中心回りの回転の運動 方程式 3 を遠位セグメントから解き 関節間力及び 関節トルクを算出した なお 関節トルクの値は 被 験者の体重 BW [kg] とセグメント長 SL [m] の 積 [kgm] によって除することで その大きさを正規化 した F p = ma F d mg F e (2 T p = M rp F p rd F d T d re F e T e (3 Fig. 2 2.3 Messurement system using inertial sensor 2.3.1 分析対象区間 最初の右脚踵接地から右足 つま先離地までの一歩行周期中の立脚期を分析対象区 間とした 2.3.2 セグメント角度の算出 下肢姿勢をオイラー 角を用いて定義した 下肢のあるセグメント i の静止 座標系に対する位置関係は 1 式で表され x 軸 y 軸 z 軸の順番に回転させてセグメントの回転を行う オイラー角を算出した xi Xgcs (1 yi = [Rz ] [Ry ] [Rx ] Ygcs zi Zgcs 2.3.3 関節角度の算出 Fig.3 に示すような右脚の 股関節 膝関節 及び足関節に関節座標系を定義し Grood らが推奨する手法を用いて関節角度を算出した (ihip 解析方法 Fig. 3 (iiknee (iiiankle Definitions of moving coordinate system Fig. 4 General body segment with kinematic state, mass, inertia, externally applied loads, and loads from other connected joints. 2.4 COP progression angle COP 軌跡の特 徴を COP progression angle を用いて定義した COP progression angle は 踵接地時刻と床反力の垂直分 力が極小となる時刻における COP を結ぶ線分と足 部長軸のなす角で算出される 臨床では 正値を正 常歩行 負値を正常から逸脱した歩行と定義してい る 本研究では この定義に従い COP 軌跡を 2 群 (< 0 : medialgroup, > 0 : lateralgroup に分類した 2.5 統計処理 統計的検定は 実験条件とした 歩隔 3 条件 を 1 要因とする反復測定分散分析と Bonferroni 法による多重比較 そして COP 軌跡の特 徴 2 群 を 1 要因とする独立 2 群間 t 検定を行い 有 意水準はそれぞれ 5未満とした
& & & + 3. 3.1 3 Table.1 Step width:f (2, 20 = 3.315, p <.05 Table 1 Mean step width and standard deviations in the three different step width(mean ± SD +13(N=108 ±0(N=108-13(N=109 step width[cm] 9.36 ± 1.8 0.5 ± 1.9-10.9 ± 1.9 3.2 Fig.5 3 1 2 ' 0 ( /, '. +,- '( ( 4 5768 9 ;: < 4 5;68 9 4 5;6= 9 Fig. 5 Track of center of mass 3.3 COP Fig.6(i,(ii COP '&( + -, -&( + - -&( + & (i Mediolateral axis (ii Anteroposterior axis Fig. 6 Time series of center of foot pressure (' +,.-/ 0 (' + 1 (' + 12 0 3.4 Fig.7 - '& ( +-,. +/0 1 +-,. 2 +-,. 1 Fig. 7 internal-(+ / external-rotation(- Time series of hip joint angle 3.5 Fig.9(i,(ii, +' ( ' Fig. 8.-0/ 1.2 43.-5/ 16 7.-5/ 16 3 (i Thigh rotation. -, ' ( & ' 0/21 3 04 65 0/71 3 8 0/71 3 5 (ii Shank rotation Time series of angle of thigh and shank angle 3.6 COP progression angle COP 2 COP progression angle Table.2 2 p <.05 COP medial group 6 Table 2 Mean cop mediolateral angle and standard deviations in the two different track of cop (mean ± SD COP progression angle[deg] 0 (N=30 > 0 (N=295-5.44 ± 4.23 13.26 ± 7.56 3.7 Fig.4 (i - (ii - COP
&'( + -., + / 01 23 4 5 2 4 23 4 65 (i adduction(+ / abduction(- (ii internal(+ / external(- Fig. 9 /0.,- ( &' 1 2 3 54687 9 4 7 4687 59 Time series of joint torque of thigh and shank 3.8 Fig.10 (i (ii COP - +, &' ( Fig. 10. /0 1243 65 1 3 1243 5 (i Shank rotation., - + '(& / 01 2 34 65 2 4 2 34 65 (ii Foot rotation Time series of angular velocity(by inertial sensor COP 4.4 COP COP 3 COP 5. COP COP COP COP 4. 4.1 COP COM COP COM (3 COP COM COM 4.2 COP COP (4 COP 4.3 COP COP (1 Elftman H, The force exerted by the ground in walking. Arbeitsphysiol 10, (1939 485 (2 Hooman D, A New Approach to Accurate Measurement of Uniaxial Joint Angles Based on a Combination of Accelerometers and Gyroscopes. IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEER- ING, Vol.52, NO.8, AUGUST, (2005 1478-1483 (3 Roy B. Davis, Kenton R. Kaufman, Human Walking, LPPINCOTT WILLIAMS & WILKINS, (2006 53-54 (4 Inman VT, Mann RA. Du, Surgery of the Foot, St Louis, Mosby, (1978