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Creating a highly accurate neuro-musculo-skeletal model for the elderly people: Aiming to develop a fall prevention system

Research Project

Project/Area Number 21J10122
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 59010:Rehabilitation science-related
Research InstitutionTokyo Metropolitan University

Principal Investigator

大津 創  東京都立大学, 大学院システムデザイン研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords高齢者 / 歩行 / 転倒 / 数理モデル / 推進力 / 安定性 / 歩行シミュレーション
Outline of Research at the Start

高齢化が進む中で「転倒リスクの把握と処方の提案」のシステム化が重要になると考える.研究目的は,その中でも処方の提案に大きく寄与すると考えられる「高精度な高齢者の神経筋骨格モデルを作成すること」である.目的を達成するために,以下の項目を明らかにする.

項目①:単純な歩行モデルで加齢による歩行の影響をどこまで説明が出来るかを実験データと比較し検証する.

項目②:神経筋骨格モデルに対して①の理論を応用することで,モデルの妥当性向上を目指す.合わせて,神経筋骨格モデルを使用して加齢を表現する方法論について検討する.

Outline of Annual Research Achievements

歩行速度は,push-off期に発生する推進力(=床反力の前方成分)によって調節され,快適歩行速度と推進力はともに加齢によって低下する.高齢者の歩行速度の低下は,歩行中の転倒を予測する強力な因子であるため,転倒を防ぐには歩行速度を維持するための推進力の強化が必要となる.また,推進力の低下を補うため,高齢者は後脚の股関節の屈曲トルクの増強によって代償することが知られており,この代償戦略が彼らの歩行を不安定化させると考えられるが,このメカニズムは明らかとなっていなかった.そこで,今年度はモデリング研究と実験研究の相補的アプローチによって,加齢による歩行中の推進力の低下が歩行を不安定化させるメカニズムの解明を試みた.具体的には,このメカニズムを解明するために,シンプルな歩行モデルにおいて,歩行速度を変えずに股関節のバネ剛性のみを高めた場合に,推進力,股関節屈曲トルク,margin of stability(MoS)がどのように変化するかを調べ,その関係がヒトの歩行においても成立するかを検証した.その結果,歩行速度が0.50~1.75m/sの場合,股関節のバネ剛性を高めると,モデルとヒトの歩行のどちらにおいても股関節屈曲トルクが増加し,推進力とMoSが減少することが分かった.さらに,股関節屈曲トルクの増加はバネ剛性の増加で説明でき,推進力とMoSの減少はバネ剛性の増加に伴う歩行のステップ周波数の増加で説明できることが分かった.したがって,股関節屈曲トルクの増大は推進力とMoSを減少させ,このメカニズムは股関節のバネ剛性を介することによって説明されることが分かった.本研究の成果は,歩行アシスト装置の制御設計や,高齢者の歩行戦略の理解の向上に役立つと考えられる.
この成果のメインを国際誌へ提出し,現在査読中である.さらに,この成果の1部をISB/JSB 2023にて発表予定である.

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Investigation of the relationship between steps required to stop and propulsive force using simple walking models2022

    • Author(s)
      Hajime Ohtsu, Naoto Haraguchi, Kazunori Hase
    • Journal Title

      Journal of Biomechanics

      Volume: 136 Pages: 111071-111071

    • DOI

      10.1016/j.jbiomech.2022.111071

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Vibroarthrographic signals for the low-cost and computationally efficient classification of aging and healthy knees2021

    • Author(s)
      Rui Gong, Hajime Ohtsu, Kazunori Hase, Susumu Ota
    • Journal Title

      Biomedical Signal Processing and Control

      Volume: 70 Pages: 103003-103003

    • DOI

      10.1016/j.bspc.2021.103003

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Adaptive Vibrarthographic Signal Denoising via Ant Colony Optimization Using Dynamic Denoising Filter Parameters2021

    • Author(s)
      Rui Gong, Kazunori Hase, Hajime Ohtsu, Susumu Ota
    • Journal Title

      International Journal of Engineering and Technology Innovation

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 01-15

    • DOI

      10.46604/ijeti.2021.8718

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Simple walking model to explain hip torque compensation for reduced propulsive force2023

    • Author(s)
      Hajime Ohtsu, Kouta Sakoda, Kazunori Hase
    • Organizer
      ISB/JSB 2023
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 転倒リスク評価に向けた,慣性センサによる歩行バランス評価システムの開発2022

    • Author(s)
      迫田 洸太,大津 創,長谷 和徳,喜多 俊介,小栢 進也
    • Organizer
      LIFE2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] A Novel Interpolation Method for One Dimensional Bio-signals2022

    • Author(s)
      ゴン ルイ, 大津 創, 嶋崎 真琴, 長谷 和徳
    • Organizer
      SATテクノロジー・ショーケース2022
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Proposal of a stability index including the effect of a finite-time double support period2022

    • Author(s)
      Hajime Ohtsu, Kazunori Hase, Kouta Sakoda, Shunsuke Kita, Shinya Ogaya
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanics
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Does the simplest walking model explain the relationship between propulsive force and balance?2021

    • Author(s)
      Hajime Ohtsu, Kazunori Hase, Shinya Ogaya, Shunsuke Kita
    • Organizer
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 【研究発表】歩行中の蹴り出し力が低下するメカニズムを解明 ―加齢に伴う歩行の変化の理解へ寄与―

    • URL

      https://www.tmu.ac.jp/news/topics/31738.html

    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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