2017 Fiscal Year Annual Research Report
能動運動を引き出す教示支援型在宅下肢リハビリテーションシステムの開発
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15H03050
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
渡邉 高志 東北大学, 医工学研究科, 教授 (90250696)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | リハビリテーション工学 / 電気刺激 / 慣性センサ / 片麻痺 / 歩行 / 足こぎ車いす |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに検討してきた運動評価指標を訓練効果の評価に利用するために，健常者での共通性の高い指標を検討し，歩行事象タイミングや足部傾斜角度の左右差の大きさは個人差の影響が小さい指標であり，運動機能障害者と直接的に比較可能であることを明らかにした．また，少数センサでの計測による評価として，大腿部ベクトルを利用した異常歩行の検出可能性，下腿部に装着したセンサから下腿部と大腿部の傾斜角度を推定する方法の実現可能性を実験的に確認した．一方，慣性センサの装着状態の計測精度への影響についてモデル解析を行い，矢状面内角度への影響は小さいことを確認し，これまでに検討してきた運動評価指標の有用性の根拠を示した．加えて，身体部位ベクトルの推定精度の評価，慣性センサ情報から3次元ベクトルの回転行列を計算する方法の検証を実施し，評価指標の推定精度の改善を行った．
FESによる動作制御については，下垂足矯正FESのための繰り返し制御，膝関節角度の閉ループ制御，足こぎ車いすのFES走行の走行速度の閉ループ制御，学習型FES制御を実験的に検証し，有効となる範囲を確認するとともに，リハビリテーションに応用する上での課題を確認し，解決を進めた．また，FESと教示のリハビリテーション応用のために，片麻痺者にFES下垂足矯正を適用した歩行，足関節背屈タイミングの教示を行った場合の歩行を計測・解析し，異常歩行に関連すると考えられる股関節運動を下垂足矯正により改善する可能性が示唆された．この結果から，教示に利用する情報として，足関節背屈角度が有用になることを確認したが，教示による歩行では動作のばらつきが大きくなる傾向もあった．また，下垂足FES矯正の場合，歩行動作の改善傾向があったが，筋疲労により異常歩行に戻る傾向も確認された．これらの結果から，FESや教示を用いて能動運動を引き出す本研究での具体的方法を決定した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
訓練効果の評価として，健常者の動作と直接的に比較できる評価指標を抽出し，少数センサでの計測による評価方法の有効性及び実現性を確認し，在宅リハビリテーションシステムへ実装する指標の見通しが得られた．複数センサを用いた動作計測についても，従来の指標についてはセンサ装着の影響が小さいことを確認でき，また，指標の推定精度の検証を実施した結果から，病院等でも利用可能になることを示す結果を得た．これらの結果から，システムに実装するための慣性センサによる運動機能の計測・評価の部分について基本的な機能を決定した．
FESによる動作制御については，下垂足矯正FESの繰り返し制御を試験し，その実用性を確認したが，特に麻痺者の足関節に関わる筋の電気刺激応答特性が強い非線形性を示す場合が多かったことから，その対策として電気刺激装置を高分解能型に改良するために，試験用ボードを製作して検討を行い，基本動作を確認した．足こぎ車いすのFES走行の走行速度の閉ループ制御については，膝関節角度制御で異なる制御器での比較を行った上で実装し，基本的な動作と検証を実施した．加えて，応答性を改善するための学習型制御についても計算機シミュレーションと実験的検証を実施し，リハビリテーション応用の可能性を検証した．これらの結果から，リハビリテーションのための基本的FES制御法の実装と検証，及び制御性能改善のための課題解決を進めた．
FESや教示をリハビリテーションに応用する方法として，下垂足矯正による股関節動作の変化を示す結果が得られ，これを中心に試作システムを構築することとし，本研究で開発するシステムの基本構成を決定した．
上記の結果をもとに，計測・評価，FESによる動作補助・教示を完成させて，リハビリテーションにおいて実用的に利用するために性能向上を進めるとともに，実装して試作システムを構築できるようにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
慣性センサによる運動計測・評価法について，在宅での少数の慣性センサの使用を想定し，単一のセンサから計測・評価する方法を完成させる．また，センサの装着状態の影響を受けにくい評価指標について検討し，実用性の高い方法に発展させる．評価指標については，これまでに構築した方法を含め，運動機能障害者での計測結果から，臨床での信頼性の検証を進める．あわせて，健常者や麻痺者での動作計測結果をもとに，運動機能評価の基準についての検討を進める．さらに，在宅での少数センサによる評価よりも詳細な評価が可能になるように，病院等での複数センサでの計測による新しい評価指標算出法の確立を進める．
下垂足のFES矯正により，異常歩行に関係する大腿部の動作に変化が生じることが確認されたことから，能動運動の状態を評価しながら下垂足矯正をFESで補助する閉ループ制御法の開発を行う．今年度の結果で，足関節部の筋の電気刺激応答の非線形性が特に強く，適切な制御が困難になる場合があったので，製作した試験用ボードでの検証を行って電気刺激装置を改良し，制御法の改良を実施して，FES制御器の開発を進める．また，足こぎ車いすについても，下肢全体のリハビリテーションとして有効であることから，FESによる足こぎ車いす走行の閉ループ制御法の構築を進める．これらの閉ループ制御法をもとに，教示とFESによる動作補助を組み合わせた制御システムに発展させ，在宅での利用に加え，病院等でも利用できる運動訓練方法の確立を進める．
上記を中心に，在宅リハビリテーションへ応用する携帯型システムとして利用するための簡便な評価と教示・制御の確立，携帯型システムへの実装を進めるとともに，在宅リハビリテーションを病院等で支援する技術を構築し，能動運動を引き出す教示支援型在宅下肢リハビリテーションシステムとしての実現を目指す．
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