歩行運動の生成と制御に関する実験・理論的研究

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09268224
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 佐藤 俊輔 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 教授 (60014015)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): PAKDAMAN Kha 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科・, 助手 (30291438) ; 野村 泰伸 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科・, 助手 (50283734)
• Keywords: 歩行運動 / CPG / 摂動 / 位相遷移曲線 / 歩行モデル

Research Abstract

柔軟な安定性をもつ歩行運動の生成制御メカニズムを力学系の枠組で捉え歩行運動の制御機構を明らかにすることが本研究の目的である.摂動によりCPGの周期ダイナミクスが乱され,それが小脳からCPGへの周期的な制御信号により,再びある種の周期性を回復する過程は,周期的制御信号を受ける非線形振動子系でモデル化される.そのために,次の4つのレベルで研究を進めている:(1)外乱に対する歩行運動の計測とその応答の解析.(2)神経系による歩行運動パターン生成機構のモデル化.(3)神経系・筋骨格系・外部環境の相互作用のモデル化.(4)高次中枢による神経-骨格系の制御機構のモデル化.
ここでは,(1)と(3)についてのみ報告する.
(1)は比較的計測の簡単なヒトを用いて行っている.トッレッドミル上を一定速度・一定リズムで歩行する被験者の左右両肢の6関節角の時間変化を計測した.一脚の下腿にヒモを取り付け,歩行サイクルの様々なタイミング(位相)で被験者の後方から張力摂動を加えた.振動によって歩行リズムがどの程度変位したかが分かる.さらに,最終的に位相シフトの大きさが確定するまでの過渡的状態において左右肢の各関節サイクルの相対位相が摂動の位相に依存してどのように変化するかを解析した.このような摂動の位相に依存した応答に力学系の観点から解釈を与えた.
(3)ここでは,剛体リンクモデルによってヒトの二足歩行のモデル化を行なった.各関節間に単関節筋を仮定し,その関節トルクによって剛体が運動するものとした.また,モデルは,大きな粘性を伴う硬い非線形バネからなる床反力のモデルを通じて床と相互作用するものとした.(1)で得られた計測データをモデルに入力し,摂動のない場合,および摂動を加えたときの各関節にかかるトルクを推定した.また,フィードバック制御を用いて自律歩行のモデルを構築し,(1)で示された摂動に対する歩行リズムのリセットを制御に採り入れ,その影響を定量的に調べた.

Research Products

• [Publications] BZ Stiber,S.Sato: "Visualization of EEG Using Time-Frequency Distributions" Methods of Information in Medicine. 36. 298-301 (1997)
• [Publications] Epifanio Bagarinao,Jr, T.Nomura, K.Pakdaman, S.Sato: "Interpolation of the system behavior from a finite number of time series" 統計数理研究所共同研究リポート. 106. (1998)
• [Publications] J.Inoue, S.Sato, L.M.Ricciardi: "A note on the moments of the first-passage time of the Ornstein-Uhlenbeck process with a reflecting boundary" Richerche di Matemetica. XLVI(1). 87-99 (1997)
• [Publications] Y.Maeda, K.Pakdaman, T.Nomura, S.Doi, S.Sato: "Reduction of a model for an Onchidium pacemaker neuron" Biological Cybernetics. (in press).
• [Publications] S.Sato, T.Nomura, K.Pakdaman, S.Doi, Y.Maeda, T.Yamanobe, H.Fukai: "A mathematical aspect of neural coding" Proc.International Conference of Mathematical Biology. (in press).
• [Publications] S.Sato, T.Nomura, S.Doi, T.Yamanobe: "On the behavior of mRIC … a simple model of living pacemakers driven by periodic pulse trains" BioSystems. 40. 169-176 (1997)
• [Publications] M.Stiber, J.F.Vibert, E.Boussard, K.Pakdaman, J.P.Segundo, T.Nomura, S.Sato, S.Doi: "Complex responses of living neurons to pacemaker inhibition : a comparison of dynamical models" BioSystems. 40. 177-188 (1997)
• [Publications] 深井英和, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 土居伸二, 佐藤俊輔: "Hodgkin-Huxley方程式の大域的分岐構造" 日本神経回路学会誌. 4/2. 83-91 (1997)
• [Publications] 中島崇量, 野村泰伸, 佐藤俊輔: "二足歩行運動の力学系モデル" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-49. 71-78 (1997)
• [Publications] 小林誠, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "二足歩行運動の動的安定性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-48. 63-70 (1997)
• [Publications] 濱口幸子, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "1次元興奮性ケーブルの興奮波伝導特性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-47. 55-62 (1997)
• [Publications] 山野辺貴信, Khashayar Pakdaman, 野村泰伸, 佐藤俊輔: "過渡的パルス入力に対するペースメーカー細胞モデルの応答" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 45-48 (1997)
• [Publications] 深井英和, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 土居伸二, 佐藤俊輔: "Hodgkin-Huxley方程式における多安定な周期解およびその大域的分岐構造" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 77-80 (1997)
• [Publications] 前田義信, Khashayar Pakdaman, 野村泰伸, 土居伸二, 佐藤俊輔: "神経細胞の簡約化に対する考察" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 81-84 (1997)
• [Publications] 野村泰伸, 佐伯泰広, 佐藤俊輔: "心臓不整脈の力学系モデル" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 137-140 (1997)
• [Publications] 坂本修一, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "心拍・歩行・呼吸リズム間の相互作用と協調" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-8. 53-60 (1997)
• [Publications] 吉野公三, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "周期パルス刺激に対する興奮性振動性膜モデルの応答特性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-11. 75-82 (1997)
• [Publications] 下川哲也, Khashayar Pakdaman, 野村泰伸, 佐藤俊輔: "正弦波プラスノイズ入力に対するLeaky Integratorモデルの応答特性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-14. 99-106 (1997)
• [Publications] 野村泰伸: "不整脈の力学系モデル" BME誌. 11. 56-65 (1997)
• [Publications] T.Nomura, L.Glass: "Entrainment and Annihilation of Reentrant Excitation in a Periodically Stimulated Ring of Excitable Media" Methods of Information in Medicine. 36. 290-293 (1997)
• [Publications] T.Nomura, S.Saeki, S.Sato: "Dynamical system modelling and control of a cardiac arrhythmia" Proceeding of Ischia International Conference on Noise and Chaos in Medicine and Biology. (in press).