転倒回避の成否を決定づける筋力制御特性の解明

• Project/Area Number: 22KJ3177
• Project/Area Number (Other): 21J01097 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 59010:Rehabilitation science-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 工藤 将馬 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 国立研究開発 法人産業技術総合研究所, 研究員
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 姿勢/バランス制御 / 筋骨格シミュレーション / 歩行動作 / 転倒予防 / 筋骨格モデル / 起立動作 / 姿勢制御

Outline of Research at the Start

バランス能力が低下した個人の予期せぬ外乱に対する，股関節内外転筋群の筋力発揮/制御特性の基準値を取得し，これらの能力の変化が転倒回避動作（下肢ステップ応答）の成否に及ぼす影響を解明する．具体的には，＜研究①＞若年，高齢および転倒経験者の骨格筋量と，静止立位および歩行動作中の左右方向への力学外乱に対する筋活動を測定し，対象者の筋力発揮/制御特性を解明する．＜研究②＞筋力発揮/制御能力の設定変数値を変更した際の予期せぬ左右方向への力学外乱に対する下肢ステップ動作をシミュレートし，転倒回避の成否に寄与する筋力発揮/制御能力を解明する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，バランス能力が低下した個人の転倒回避動作をシミュレートし，予期せぬ外乱に対する転倒回避の成否を決定する筋力発揮/制御特性を明らかにすることを目指した．筋の最大等尺性張力，最大収縮速度および活性化メカニズムに関連するパラメータを個別に変更することが可能な筋骨格シミュレーションモデルを独自に構築した．これらのパラメータを個別に変化させた際の歩行動作をシミュレートし，歩行動作中のモデルの動的安定性を比較した．最大等尺性筋張力が低下したモデルにおいて身体重心の安定性を重視した歩行動作がシミュレートされ，転倒経験者が用いている歩行中の転倒回避戦略と類似した結果が得られた．このことから，外乱が身体に作用しない条件下においては，筋の最大筋張力の低下が身体の姿勢制御の主な阻害因子である可能性が示唆された．本年度は，予期せぬ外乱に対する反応的な姿勢制御の評価を可能にするシミュレーションモデルを構築した．昨年度までに構築した筋骨格モデルに対し，身体動作中の腱に生じる張力や筋の収縮速度などの体性感覚や，身体重心の位置および速度をフィードバックするモデルを新たに実装した．このことにより，予期せぬ外乱に対して反応的な転倒回避動作をシミュレートすることが可能となった．定常歩行などの能動的な身体運動条件下では，筋の最大筋張力が身体のバランス制御に大きく影響することが明らかになったが，外乱に対する反応的なバランス制御が要求される条件では，より素早く筋張力を発揮する際に必要となる最大筋収縮速度など筋力発揮特性が重要になると考えられる．今後は，これらの成果を実践的な運動介入プログラムなどに組み込み，バランス能力の向上や転倒予防につながる具体的な介入手法の開発に取り組んでいく．

Research Products

• [Journal Article] Optimal degrees of freedom of the lower extremities for human walking and running (2023)
  • Author(s): Kudo Shoma、Fujimoto Masahiro、Sato Takahiko、Nagano Akinori
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 13-17
  • DOI: 10.1038/s41598-023-43239-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of characteristics of foot position and angle during swing phase in fallers using principal component analysis (2023)
  • Author(s): Inai T., Kobayashi Y., Huang C., Fujita K., Fujimoto M., Nihey F., Yamamoto A., Nakajima K., Nakahara K., Kutsuzawa G., Fukushi K., Kudo S.
  • Journal Title: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Volume: 11 Pages: 1-13
  • DOI: 10.3389/fbioe.2023.1117884
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a data platform for monitoring personal health records in Japan: The Sustaining Health by Integrating Next-generation Ecosystems (SHINE) Study (2023)
  • Author(s): Fukuda H., Murata F., Azuma S., Fujimoto M., Kudo S., Kobayashi Y., Saho K., Nakahara K., Ono R.
  • Journal Title: Plos one Volume: 18 Issue: 2 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0281512
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Estimation of gait parameters from trunk movement measured by doppler radar (2022)
  • Author(s): Saho K., Shioiri K., Kudo S., Fujimoto M.
  • Journal Title: IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology Volume: 6 Issue: 9 Pages: 461-469
  • DOI: 10.1109/tbme.2014.2319333
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Effects of age-related muscle degeneration on dynamic stability during walking: A computer simulation study (2023)
  • Author(s): Shoma Kudo，Akinori nagano and Masahiro Fujimoto
  • Organizer: XXIX Congress of International Society of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The differences in the characteristics of segment angular momentum in the frontal plane during walking between young and elderly people (2023)
  • Author(s): Kodai Kawase, Shoma Kudo, Takahiko Sato, and Akinori Nagano
  • Organizer: XXIX Congress of International Society of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Age-related differences in sit-to-stand motor strategy: a musculoskeletal computer simulation analysis (2022)
  • Author(s): Kudo S., Nagano A., Fujimoto M.
  • Organizer: ISPGR World Congress 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Age-associated effect of pre-step interlimb weight shifting on rapid sidestepping is related to fall history and hip strength (2022)
  • Author(s): Fujimoto, M., Kudo S., Rogers W. M.
  • Organizer: ISPGR World Congress 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 赤池情報量基準を用いた走歩行動作解析における下肢剛体リンクモデルの最適自由度の検討 (2021)
  • Author(s): 工藤将馬，藤本雅大，佐藤隆彦，長野明紀
  • Organizer: 第27回日本バイオメカニクス学会大会
• [Presentation] 杖歩行における杖への荷重の大きさの違いが上肢関節のキネティクスに及ぼす影響 (2021)
  • Author(s): 川瀬 広大，工藤 将馬，佐藤 隆彦，長野 明紀
  • Organizer: 日本体育・スポーツ・健康学会 第71回大会