足底クリアランスを増やすための足首背屈動力学に関する需要：装具設計とエネルギー需要に対する意味合い
科研报告
背景介绍
人口高齢化や脳卒中などの神経系および筋肉系疾患の増加に伴い、歩行障害による転倒のリスクが深刻な問題と化しています。研究によると、足関節背屈は歩行のスイングフェーズで足の離地高度を確保するために極めて重要です。しかし、現時点ではスイングフェーズにおける足関節の動力学および機械的エネルギー交換に関する研究が少ないです。現存の研究は主に正常歩行時の足関節背屈に焦点を当てていますが、背屈を支援する各種装置の開発に伴い、これらの装置に必要なエネルギーの最小要件を理解する必要があります。
近年、足関節背屈支援技術は急速に発展し、特に高性能のアクチュエーターやエネルギー回収装置を利用して歩行の安全性を高め、転倒を防止するための技術が進展しています。しかし、これらの装置はスイングフェーズの背屈支援を確実にするために十分な機械的パワーを提供する必要があります。足関節背屈の動力学的要求を理解することは、軽量で低消費電力の支援装置を設計する上で特に重要です。
论文来源
この論文はビクトリア大学のSoheil Bajelan、W.A.(Tony) Sparrow、Rezaul Beggによって執筆され、2024年の『Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation』に発表されました。通信著者はSoheil Bajelan（メールアドレス: soheil.bajelan@vu.edu.au）です。
研究工作介绍
研究流程
本研究では、リアルタイムのルームランナー歩行フィードバック技術を使って、スイングフェーズでの足関節背屈を制御し、足と地面のクリアランスを4センチメートル増加させました。実験では、Anybodyモデリングシステムを使用して、スイングフェーズでの足関節のトルクおよび背屈筋群の力を推定しました。研究の仮定として、足関節だけを使用して足と地面のクリアランスを4センチメートル増やすためには、通常の歩行状態よりも明らかに大きな背屈筋力とトルクが必要であるとされました。
実験步骤:
- 参与者招募：8人の健康で身体的にアクティブな男性参加者を募集（年齢：35±4歳、身長：175±5.6センチメートル、体重：78±8.9キログラム）。全参加者はインフォームド・コンセントに署名し、健康に問題がないことを確認するためのアンケートを実施しました。
- 仪器设备：ViconモーションキャプチャシステムおよびAMTIデュアルプレートフォーストレッドミルを使用して、体の姿勢と足と地面の接触力を記録しました。また、前脛骨筋（Tibialis Anterior, TA）と足屈筋の筋電図信号を同期して収集しました。
- 实验设计：ベースラインの歩行を設定し、参加者には自然速度で歩行させ、最低つま先クリアランス（Minimum Toe Clearance, MTC）を測定しました。次に、各参加者のMTCに基づいて4センチメートル増加し、参加者にはスイングフェーズ中に足関節背屈のみを使用して目標高度を達成するよう指示しました。
- 筋骨骼建模与仿真：Anybodyモデリングシステムを使用して個別化された筋骨格モデルを開発し、逆動力学分析を行い、関節角度と動力学データを計算しました。
主要发现
結果は、追加の足関節背屈が足関節トルクを顕著に増加させなかったことを示しました。しかし、前脛骨筋の力は顕著に増加し、歩行開始後の2 N/kgから4 N/kgに増加しました。これは前脛骨筋と腓腹筋の共同活性化（coactivation）によるものです。足と地面の最低クリアランスを4センチメートル増加させるためには、歩行開始後すぐに約0.003ジュール/キログラムのエネルギーを放出する必要がありました。
研究结论与意义
本研究はスイングフェーズにおける足関節トルク、筋力、エネルギー要求の相互関係を明らかにし、外部支援装置が足関節トルクの顕著な増加を必要とせず、最低つま先クリアランスイベント（Minimum Foot Clearance, MFC）前に急速に足関節背屈を行うための高い機械的パワーを提供する必要があることを示しました。これは人工筋肉やヒューマノイドロボットなどの生物模倣型の足関節支援技術の設計に重要な意味を持ちます。足関節背屈の動力学的要求を理解することは、より効果的な足関節矯正装置や外骨格の開発に役立ちます。
研究亮点
- 研究创新：リアルタイムの歩行フィードバック技術を用いて足関節背屈を制御。
- 系统方法：詳細な筋骨格モデリングおよびシミュレーション分析。
- 实际应用：足関節支援装置の設計における重要な動力学的要求データを提供。
结论
本研究の実験データは、スイングフェーズの足関節背屈を増加させるために足関節トルクを著しく増加させる必要がないことを示していますが、十分な機械エネルギーを提供する必要があります。外部支援装置は、重要な最低つま先クリアランスイベント前に迅速なエネルギーバーストを提供することに集中すべきです。これは軽量で低消費電力の足関節支援技術を開発する上で重要な指針となります。研究結果は、歩行支援技術の改良および歩行の安全性や歩行能力の向上に寄与するでしょう。
以上の分析と結論は、特にパーソナライズされた特定のニーズに対応する歩行支援技術の開発と応用に強い指針を提供します。