片麻痺患者の筋シナジーに合わせて介入する起立動作のリハビリテーションシステム

• Project/Area Number: 20J13582
• 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: 湖上 碩樹 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: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 起立動作 / リハビリテーション / 筋シナジー

Outline of Research at the Start

脳損傷で筋を適切に活動させられない片麻痺患者は理学療法士のリハビリテーションにより運動機能の改善を目指す．本研究は日常生活の起点となる起立動作に着目した．起立動作における関節運動を支援する機器もすでに開発されており，理学療法士の介入のように患者の筋活動の改善が実現されれば運動機能がさらに改善する．しかし，リハビリテーションにより片麻痺患者の起立動作がどのように改善するかは分かっていない．よって，本研究は起立動作の改善過程の解明を目的とし，理学療法士の介入による片麻痺患者の起立動作の調査と改善過程のモデル化を目標とする．

Outline of Annual Research Achievements

脳損傷で筋を適切に活動させられない片麻痺患者は理学療法士のリハビリテーションにより運動機能の改善を目指す．理学療法士の不足を補う手段として，リハビリのためのロボット技術や支援機器が開発されている．リハビリ支援機器の開発のためには，理学療法士と片麻痺患者の両者の動作の理解が重要である．しかし，理学療法士の介入技能は定量的に評価されていないという問題がある．そこで，本研究では理学療法士による介入を神経筋協調の観点で定量的に評価可能な解析手法により理学療法士の介入技能を解明した．また，筋シナジーと呼ばれる筋肉の協同発揮と運動学を組み合わせた解析手法により片麻痺患者の起立動作を解析した．
理学療法士の介入中の技能を調査するため，片麻痺患者の麻痺側の膝と骨盤後面に介入を行う理学療法士の腕の表面筋電図から解析する手法を確立した．本研究では理学療法士の4つの筋シナジーを抽出し，それぞれ膝の引っ張り，臀部の持ち上げ，膝の押し戻し，骨盤を上向きにする，という役割を持つことが確認された．また，筋シナジーと運動学を組み合わせた解析手法により，理学療法士が介入中の片麻痺患者の起立を調査した．理学療法士の介入により片麻痺患者の重心の前方移動から上方移動に切り替わるタイミングが早くなることが確認された．以上の調査から，理学療法士は動作の開始や離臀のタイミングを教示することが技能として抽出された．また，脳血管疾患により筋シナジーの活動タイミングを阻害された片麻痺患者に対し，理学療法士が介入することで筋シナジーの活動が改善されることが明らかにされた．今後の展望として，本研究で形式知化された理学療法士の介入技能を応用したリハビリ支援機器の開発，理学療法士の技能教育への応用が期待される．

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] 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
• [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] Analysis of muscle synergy and kinematics in sit-to-stand motion of hemiplegic patients in subacute period (2021)
  • Author(s): Hiroki Kogami, Qi An, Ningjia Yang, Ruoxi Wang, Kazunori Yoshida, Hiroyuki Hamada, Hiroshi Yamakawa, Yusuke Tamura, Shingo Shimoda, Hiroshi Yamasaki, Moeka Sonoo, Fady Alnajjar, Noriaki Hattori, Koji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Atsushi Yamashita, and Hajime Asama
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 35
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporal Muscle Synergy Features Estimate Effects of Short-Term Rehabilitation in Sit-to-Stand of Post-Stroke Patients (2020)
  • Author(s): Yang Ningjia、An Qi、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Sonoo Moeka、Itkonen Matti、Shibata-Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Kinomoto Makoto、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 5 Issue: 2 Pages: 1796-1802
  • DOI: 10.1109/lra.2020.2969942
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 起立動作中の縦手すりにかかる力を用いた運動機能の評価 (2021)
  • Author(s): 安 琪, 山川 博司, 湖上 碩樹, 吉田 和憲, 王 若曦, 山下 淳, 淺間 一, 楊 濘嘉, 横山 萌香, 下田 真吾, Fady Alnajjar, 山崎 弘嗣, 石黒 周, 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36回ライフサポート学会大会
• [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―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 Shibata-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
• [Presentation] 片麻痺患者の起立動作中の手すりにかかる力を用いた運動障害の度合の分類 (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 Shibata-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, Koji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Atsushi Yamashita, and Hajime Asama
  • Organizer: The 5th International Conference on NeuroRehabilitation (ICNR2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temporal Muscle Synergy Features Estimate Effects of Short-term Rehabilitation in Sit-to-stand of Post-stroke Patients (2020)
  • Author(s): Ningjia Yang, Qi An, Hiroki Kogami, Kazunori Yoshida, Hiroshi Yamakawa, Yusuke Tamura, Shingo Shimoda, Hiroshi Yamasaki, Moeka Sonoo, Matti Itkonen, Fady Shibata-Alnajjar, Noriaki Hattori, Koji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Atsushi Yamashita, and Hajime Asama
  • Organizer: The 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA2020)
  • Int'l Joint Research