フォースプラットフォーム

フォースプラットフォームまたはフォースプレートは、身体が上に立ったり、その上を移動したりすることで発生する地面反力を測定する 測定機器であり、バランス、歩行、その他の生体力学パラメータを定量化します。最も一般的な応用分野は、医療とスポーツです。

最も単純な力プラットフォームは、ロードセルとして装備された単一の台座を備えたプレートです。より優れた設計では、長方形のプレートが2つありますが、三角形のプレートを重ねて、その間の角にロードセルまたは3軸力変換器を配置することもできます。 ^[1]

シングルフォース プラットフォームと同様に、デュアルフォース プラットフォームは、両脚テストのパフォーマンスや、片側ジャンプおよび等尺性テストにおける筋力とパワーの非対称性を評価するために使用できます。ただし、両脚テスト中に四肢間の力の分布を評価することで神経筋の状態に関する追加レベルの情報も提供し、筋力の非対称性と代償戦略に関する重要な情報を明らかにします。

最も単純な力計は、プラットフォームの幾何学的中心における力の垂直成分のみを測定します。より高度なモデルでは、表面に加えられた単一の等価力とその作用点（通常圧力中心（CoP）と呼ばれる）の3次元成分、および力の垂直モーメントを測定します。^{[2]円筒形の力計は、}腕振り運動を含む樹上性移動の研究のためにも構築されています。

フォースプラットフォームは、単一台座型と複数台座型に分類され、また、変換器（力およびモーメント変換器）の種類によっても分類されます。変換器の種類には、ひずみゲージ、圧電センサー、静電容量ゲージ、圧電抵抗型などがあり、それぞれに長所と短所があります。^[3]単一台座型モデル（ロードセルと呼ばれることもあります）は、小さな領域に適用される力に適しています。歩行分析などの動作の研究では、少なくとも3つの台座、通常は4つの台座を備えたフォースプラットフォームを使用して、プレート全体に力が移動できるようにします。たとえば、歩行中、地面反力はかかとから始まり、親指の近くで終わります。^[2]

力測定プラットフォームは圧力測定システムとは区別されるべきである。圧力測定システムは圧力中心を定量化するが、加えられた力のベクトルを直接測定するものではない。圧力測定プレートは、足の下の圧力パターンを時間経過とともに定量化するのに有用であるが、加えられた力の水平成分やせん断成分を定量化できない。^[2]

フォース・プラットフォームからの測定値は、単独で研究することも、四肢の運動学などの他のデータと組み合わせて運動の原理を理解することもできます。生物がフォース・プレートから立ち上がってジャンプする場合、プレートのデータだけで、基本的な物理学を使用して加速度、仕事、出力、ジャンプ角度、ジャンプ距離を計算するのに十分です。脚の関節角度とフォース・プレートの出力を同時にビデオ測定すると、逆動力学と呼ばれる方法を使用して各関節のトルク、仕事、および出力を決定できます。

技術の進歩により、力測定プラットフォームは運動学の分野で新たな役割を担うようになりました。従来の研究室グレードの力測定プレートはコストが高く（通常数千ドル）、日常の臨床医にとっては非常に非実用的でした。しかし、任天堂は2007 年にWii Balance Board (WBB) (任天堂、京都、日本)を発表し、力測定プレートの構造を変えました。2010 年までに、WBB は「ゴールド スタンダード」の研究室グレードの力測定プレートと直接比較した場合、100 ドル未満のコストで体重分布を測定するための有効で信頼性の高い機器であることがわかりました。^[4]さらに、これは健常者と臨床者の両方で検証されています。^{[5] [6]}これは、WBB の角にある 4 つの力トランスデューサーによって可能になります。これらの研究は、LabVIEW (National Instruments、米国テキサス州オースティン) などのカスタマイズされたソフトウェアを使用して実施され、ボードに統合して、時間制限試験中に体の揺れの量や CoP パスの長さを測定できます。 WBB などの姿勢測定システムを導入するもう 1 つの利点は、持ち運びが可能なため、現在使用されている主観的な臨床バランス評価に頼るのではなく、世界中の臨床医が体の揺れを定量的に測定できることです。

Digital Trendsによると、任天堂のWiiとWiiUの後継製品は、どちらも2016年3月をもって製造中止になっています。これは、安価な既製の消費者向け製品を医療測定用に再利用することで生じる問題の1つを示しています。このような採用に関するさらなる問題は、世界中の規制機関や標準化団体から生じています。患者のバランスと移動能力を測定するために使用されるフォースプラットフォームは、米国FDA（米国食品医薬品局）によってクラスI医療機器に分類されています。そのため、ISO（国際標準化機構）のISO 9001品質管理原則またはISO 13485医療機器品質管理システムで確立された特定の品質基準に従って製造する必要があります。欧州連合のMDD（医療機器指令）も、医療測定に使用されるフォースプラットフォームをクラスI医療機器に分類しており、そのような医療用途で欧州連合に輸入および使用する場合は医療CE認証が必要です。注目すべき最近の規格であるASTM F3109-16 多軸力測定プラットフォームの検証のための標準試験方法は、製造業者とユーザーが作業面全体にわたって力プラットフォームの性能を検証するための枠組みを提示しています。このような規格は、医療グレードの力プラットフォームの製造業者によって使用され、患者集団で行われた測定が正確で、再現性があり、信頼できるものであることを保証しています。つまり、安価な消費者グレードのエンターテイメントコンポーネントは、そのような製品の継続性の欠如、およびそのような用途に対する法的、規制的、そしておそらく品質上の不適合性を考えると、医療測定には適さない可能性があります。^[7]

フォースプレートは、スポーツ選手の力発揮能力、筋力、アンバランスを評価するために一般的に使用されています[1]。専門家は、フォースプレートを使用して、トレーニングの必要性、トレーニングの準備状況、および競技復帰のプロセスを評価できます。

スポーツにおける典型的なフォースプレート評価には、カウンタームーブメントジャンプ (CMJ)、スクワットジャンプ (SJ)、ドロップジャンプ (DJ)、カウンタームーブメントリバウンドジャンプ、等尺性中大腿プル (IMTP) などがあります。

医師は、フォースプレートを使用する際にどの指標を追跡すればよいのか理解できないことがよくあります。チチェスター大学の一流バイオメカニクス研究者が、フォースプレートの指標を簡単に選択できるシステムを開発しました。このシステムは、Jason Lake 博士によって「ODSF システム」と呼ばれています。

年表

•1976• Advanced Mechanical Technology, Inc. (AMTI)は、ボストン小児病院のバイオメカニクス研究所で歩行分析用の最初の市販ひずみゲージフォースプレートを製作しました。^[8]

•2017• Hawkin Dynamics は、初のワイヤレス フォース プラットフォームとモバイル アプリを開発しました。

• 歩行分析
• 姿勢測定