2018 Fiscal Year Research-status Report
筋肉疲労に対して安全な電気刺激による遠隔リハビリテーションシステムの開発
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18K04220
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| Research Institution | Ishikawa National College of Technology |
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Principal Investigator |
河合 康典 石川工業高等専門学校, 電気工学科, 准教授 (90413765)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
越野 亮 石川工業高等専門学校, 電子情報工学科, 准教授 (90369968)
三好 孝典 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10345952)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 遠隔制御 / 電気刺激 / 筋肉疲労 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，筋肉疲労に対して安全な電気刺激による遠隔リハビリテーションシステムの開発を行うため，今年度は下記の3つの課題について考える。
課題①の筋肉疲労の推定と患者側での安全機構の開発については，筋肉疲労の推定を行うために2つのことを行う。はじめに，電気刺激を用いて膝関節の制御を行い，筋電計を用いて筋電圧を測定する。次に，電気刺激の電流と筋肉にかかる電圧から筋肉のインピーダンスを求める。これらの測定値から周波数解析を用いて，健全時と疲労時における筋肉の数式モデルの違いを考える。
課題②の筋肉疲労に対するバイラテラル遠隔制御システムの安定化機構の開発については，改良型スキャッタリング変換と Time Domain Passivity Control を考える。改良型スキャッタリング変換では，遠隔リハビリテーションの理学療法士側と患者側のゲインを独立する設計法を考える。また，Time Domain Passivity Control では，スキャッタリング変換を用いた遠隔リハビリテーションに Time Domain Passivity Control を適用する。受動性を観測する Passivity オブザーバと受動性を満たすように制御する Passivity コントローラを用いた安定化機構を考える。
課題③の高速化と耐故障性を備えたクラウドシステムの開発については，クラウドシステムを用いてHTTP通信による遠隔リハビリテーションを考える。汎用のクラウドサーバーを介して，理学療法士側と患者側が通信することで，グローバルIPを用いず，どこからでも通信できる遠隔リハビリテーションを考える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
現在までの進捗状況を課題ごとに下記に示す。やや遅れている原因として，必要となった追加の研究内容を加えたためである。
課題①の筋肉疲労の推定と患者側での安全機構の開発については，電気刺激を与えた状態で筋電計を用いた周波数特性を得た。次に，追加の研究内容として，電気刺激により筋肉に流れる電流と筋肉にかかる電圧を用いて，筋肉のインピーダンスを求めた。しかし，これら2つの方法では，明確な疲労を判断することができなかった。今後の課題は，オブザーバの設計，皮膚電位計と脳波計を用いた疲労の計測，機械学習による筋肉疲労度を推定である。
課題②の筋肉疲労に対するバイラテラル遠隔制御システムの安定化機構の開発については，追加の研究内容として，スキャッタリング変換の改良型を提案して設計の自由度を上げた。また，Time Domain Passivity Control をこれまでのスキャッタリング変換に適用することで，安定化の改善を行った。今後の課題は，当初から提案しているノルムオブザーバを用いて，さらに安定化の改善を行う。
課題③の高速化と耐故障性を備えたクラウドシステムの開発については，HTTP通信を用いることで，グローバルIPを使わずに様々な端末から通信可能になるシステムを構築した。これにより，耐故障性を増加させることができた。しかし，UDPを用いた場合と比較して通信速度が低下したため，今後の課題は，通信速度の改善を図る。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策について，課題ごとに下記に示す。
課題①の筋肉疲労の推定と患者側での安全機構の開発については，当初の計画とおり，皮膚電位計，脳波計の購入を行い，機械学習による判別をする考える。
課題②の筋肉疲労に対するバイラテラル遠隔制御システムの安定化機構の開発については，当初予定になかったTime Domain Passivity Control を用いることでよい成果が得られたので，これに加えて当初の計画とおり，患者側と理学療法士側のH∞ノルムの積が1以下であることをチェックするノルムオブザーバを用いて安定化機構を考える。
課題③の高速化と耐故障性を備えたクラウドシステムの開発については，HTTP通信の通信速度を改善するために，通信に関連する処理の効率化を考える。そして，遠隔リハビリテーションシステムに適用して実験により検証する。
課題④の遠隔地での実験による検証については，課題③が完成次第，石川高専-長岡技術科学大学で実験を行う。当初の計画では豊橋技術科学大学との実験であったが，研究分担者の所属が変更になったため，長岡技術科学大学に変更する。リハビリテーションを行う理学療法士側として，長岡技術科学大学にパドルを配置して，患者側として石川高専に電気刺激装置を配置する。実際の通信回線を用いることで，提案する遠隔リハビリテーションシステムの安全性について検証する。予定より早く進めば，石川高専-フロリダ大学（アメリカ）の間で実験を行う。
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| Causes of Carryover |
2018年度は，当初計画していた電気刺激装置(Hasomed Gmbh 製,型番：RehaStim)ではなく，最新の電気刺激装置(Hasomed Gmbh 製,型番：RehaMove3)を購入したため予算不足となった。そこで，余裕をもって20万円を前倒請求したため，残金により次年度使用額が生じた。しかし，当初は2018年度に購入予定であった脳波計・皮膚電位計のbiosignalsPlux(plux製，型番biosignalsPlux Explorer)を2019年度に購入するため，この残金を2019年度に使用する必要がある。
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