ヒト起立動作における感覚情報に基づく制御モデルとリハビリによる長期変容の解明

• Project/Area Number: 20J10255
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 吉田 和憲 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 起立動作 / 筋シナジー / 運動プログラム / 感覚 / 機械学習 / ニューラルネットワーク / 前庭感覚 / 体性感覚

Outline of Research at the Start

起立動作は日常生活の起点となる重要な動作であり，起立動作が行えなくなった場合には，動作ができるようにするためのリハビリテーションが重要である．効率的にリハビリテーションを行うためには，ヒトが起立動作を行うメカニズムを理解し，それを助けるようなリハビリテーションを行うことが重要である．ヒトの起立動作は4種類の筋群を用いて行われていることが分かっているが，それがどのような情報に基づいて制御されているかは明らかになっていない．本研究では，それが感覚情報に基づいて制御されていると考え，感覚情報と起立動作の筋活動との関係性を明らかにすることを目的とする．

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、起立動作の運動プログラムをヒトがどのように生成しているのかを明らかにするため、膝の可動性が低下した際の起立動作の筋活動の変化を調べた。ヒトが多様な環境や身体の状態で起立動作を行うためには、多様な環境や身体の状態に応じて適切に運動プログラムを生成する必要がある。そのため、起立動作のリハビリテーション等において、適切に運動プログラムを生成できるようにすることは重要である。ヒトが起立動作の運動プログラムをどのように生成しているのかは明らかとなっていないため、本研究では、膝可動性低下という身体の変化に対して、ヒトが筋活動をどのように変化させるのかを調べることによって、ヒトが起立動作の運動プログラムをどのように生成しているのかを明らかにすることを目指した。高齢者疑似体験装具を用いて膝の可動性を低下させ、その状態で起立動作の計測を行った。通常の起立動作を30回、膝装具装着時の起立動作を30回、膝装具を外した後の起立動作を30回、この順で計測した。起立動作の筋活動は、前屈、離臀、伸展、安定化の、金シナジーと呼ばれる4種類の筋活動のグループに分割し、解析した。その結果、膝可動性低下時には、前屈の筋活動が増加し、離臀、安定化の筋活動が低下することが明らかとなった。これは、前屈を勢いよく行うことによって膝可動性低下を補ったと考えられ、前屈の活動増加は、起立動作の運動プログラムの変化を反映したものと考えられる。このことから、前屈の活動の大きさが起立動作の運動プログラムにおいて重要な役割を占める可能性が示唆された。今後、他の様々な環境や身体の変化において検証することが求められる。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Clarify Sit-to-Stand Muscle Synergy and Tension Changes in Subacute Stroke Rehabilitation by Musculoskeletal Modeling (2022)
  • Author(s): Wang Ruoxi、An Qi、Yang Ningjia、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Yamakawa Hiroshi、Hamada Hiroyuki、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi R.、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 16 Pages: 1-16
  • DOI: 10.3389/fnsys.2022.785143
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Artificial neural network that modifies muscle activity in sit-to-stand motion using sensory input (2021)
  • Author(s): Yoshida Kazunori、An Qi、Hamada Hiroyuki、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 35 Issue: 13-14 Pages: 858-866
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1917452
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis of muscle synergy and kinematics in sit-to-stand motion of hemiplegic patients in subacute period (2021)
  • Author(s): Kogami Hiroki、An Qi、Yang Ningjia、Wang Ruoxi、Yoshida Kazunori、Hamada Hiroyuki、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Koji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 35 Issue: 13-14 Pages: 867-877
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1928547
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Classification of Motor Impairments of Post-Stroke Patients Based on Force Applied to a Handrail (2021)
  • Author(s): An Qi、Yang Ningjia、Yamakawa Hiroshi、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Wang Ruoxi、Yamashita Atsushi、Asama Hajime、Ishiguro Shu、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Kurazume Ryo
  • Journal Title: IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering Volume: 29 Pages: 2399-2406
  • DOI: 10.1109/tnsre.2021.3127504
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Tilted Ground on Muscle Activity in Human Sit-to-Stand Motion: Preliminary Result (2021)
  • Author(s): Kazunori Yoshida, Qi An, Hiroshi Yamakawa, Yusuke Tamura, Atsushi Yamashita, Hajime Asama
  • Organizer: the 16th international conference on Intelligent Autonomous System (IAS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Role of Home-Modification Training for Care Managers (2021)
  • Author(s): Akiko Nishino, Yoritaka Harazono, Moeko Tanaka, Kazunori Yoshida, Toko Funaki, Ryosuke Takada, Takenori Nasu, Taketo Tobimatsu
  • Organizer: GSA2021 Annual Scientific Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Care Mangers Have Few Options for Home Modification Because They Are Not Specified in Architecture (2020)
  • Author(s): Kazunori Yoshida, Yoritaka Harazono, Toko Funaki, Akiko Nishino
  • Organizer: GSA2020 Annual Scientific Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リハビリテーションにおける片麻痺患者の起立動作の改善過程の解明～滑らかさと安定性による評価～ (2020)
  • Author(s): 湖上碩樹，安琪，吉田和憲，王若曦，山川博司，楊濘嘉，山崎弘嗣，Fady Alnajjar，園尾萌香，下田真吾，服部憲明，高橋幸治，藤井崇典，乙宗宏範，宮井一郎，田村雄介，山下淳，淺間一
  • Organizer: 計測自動制御学会システム・情報部門学術講演会2020
• [Presentation] 片麻痺患者の起立動作の手すりにかかる力を用いた運動障害の度合いの分類 (2020)
  • Author(s): Qi AN，山川博司，湖上碩樹，吉田和憲，王若曦，山下淳，淺間一，石黒周，下田真吾，楊濘嘉，山崎弘嗣，園尾萌香，Fady Alnajjar，服部憲明，高橋幸治，藤井崇典，乙宗宏範，宮井一郎，倉爪亮
  • Organizer: 第38回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] Muscle Tension Analysis in Stroke Patient Sit-to-Stand Motion by Joint Torque-Based Normalization (2020)
  • Author(s): Ruoxi Wang, Qi An, Ningjia Yang, Hiroki Kogami, Kazunori Yoshida, Hiroyuki Hamada, Shingo Shimoda, Hiroshi Yamasaki, Moeka Sonoo, Fady Alnajjar, Noriaki Hattori, Kouji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Atsushi Yamashita, Hajime Asama
  • Organizer: 5th International Conference on NeuroRehabilitaion (ICNR2020)
  • Int'l Joint Research