2019 Fiscal Year Research-status Report
自立支援を統合した在宅向け手指用能動型リハビリ支援機器の開発
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18K12164
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| Research Institution | Hakodate National College of Technology |
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Principal Investigator |
浜 克己 函館工業高等専門学校, 生産システム工学科, 教授 (00180927)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 尚彦 函館工業高等専門学校, 生産システム工学科, 准教授 (30435383)
三上 貞芳 公立はこだて未来大学, システム情報科学部, 教授 (50229655)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 手指 / 片麻痺 / リハビリテーション / 運動学習 / 日常生活動作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，①運動学習方法の考案，②生体信号の活用方法と訓練内容との対応づけ，③使用者の負担を考慮した機構の設計，④リハビリ効果の検証・評価方法の確立の４項目について順次実施することとなっている．
①に関しては，手指の分離運動に着目しながら能動的なリハビリ支援方法を提示するとともに，日常生活のさまざまな動作のうち，回復状況を段階的に示す指標である手指のブルンストロームステージ（以下，手指Brs）を参考に，全指を用いる把持動作と親指と示指によるつまみ動作に関して，アシスト機能の補助が可能となった．
②に関しては，随意運動後の自力では訓練が困難な動作範囲の取得に生体信号を使用することとした．そのため，皮膚表面の変位から簡易的に筋活動を測定でき，患者自身で比較的容易に対応できるものとして，安価なフォトレフレクタによる変位筋音センサを作製した．これにより，自力では訓練が行えない動作範囲が検出されたときに，アクチュエータを駆動してその後の補助支援を継続して行うなど，運動学習の促進を図ることができた．
③に関しては使用者の安全性や負担を考慮し，先行研究のソフトロボティクスを参考にゴム素材のエラストマで作製した空気圧アクチュエータ（以下，Eアクチュエータ）を基本としていたが，構造上の問題から手指のリハビリで重要となる伸展動作には対応できていなかった．そこで，新たな素材としてナイロンフィルムを用いた空気圧アクチュエータ（NFアクチュエータ）を試作し，改良を行った．このNFアクチュエータは．伸展用と屈曲用をそれぞれ分けて製作し，それらを組み合わせた2重構造にしており，空気圧駆動源の小型，軽量化も可能となった．さらに，手指の関節間の長さを調整できるため，各手指に適合させることもできるようになった．
④に関しては，指の関節角度の測定はモーションキャプチャを用いた動画解析から求められるようになった．
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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
実績の概要に記載した内容を含め，実施４項目に関する令和元年度の進捗状況は以下の通りである．
①については「機能改善に応じた日常生活動作への切り替え・アシスト機能の補助」であり，習得させた運動スキルを日常生活で反映させるために手指の動作を分離して行う機能とともに，手指Brsに基づく具体的な動作に対する機能補助も可能としたことから，順調に進展している．
②については「訓練動作と生体信号との対応付け・運動意志の反映」であり，生体信号として筋変位を測定するセンサを作製し，それを用いることで随意運動の範囲を検出することができるようになり，能動的かつ効果的なリハビリ訓練方法を提示したことから，順調に進展している．
③については，「改善点を考慮した機構の設計と評価に基づく改善」であり，当初のリンク機構とマッキンベン式の空気圧アクチュエータを使用したものから，ソフトロボティクスを参考にしたEアクチュエータを基本とした構成に切り替え，空気圧駆動源もDCモータによる２種類の小型エアポンプを使用することで機器の小型化は図ることができたが，最も重要な伸展動作に対しては期待したほどの効果が得られなかった．そのため，その問題点を改善するために，新たにNFアクチュエータを作製した結果，形状が各手指に適合して伸展動作に対する性能を向上させるとともに，素材を軽量化できたことで装置全体の更なる小型・軽量化を図ることができたことから，順調に進展している．
④については「定量的な評価方法の確立と非麻痺手との比較・定性評価の判断」であり，指の関節角度の測定については動作解析を用いた定量的な評価が可能となり順調に進展しているが，回復度合いの評価方法については非麻痺手との比較・定性評価を含めやや遅れている．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度の進捗状況を踏まえ，実施４項目に関する令和２年度の推進方策は以下の通りである．
①については「機能改善に応じた日常生活動作への切り替え・アシスト機能の補助」の継続であり，複雑な動作訓練には手指の分離運動が重要で，そのためにはNFアクチュエータに空気を送る制御も分ける必要がある．現在は，複数のエアポンプを用いて制御を行っているが，その数を減らすには空気弁を用いて空気を分散させることなども考えられるため，アシスト機能の補助とともにその方法を検討する．
②については「訓練動作と生体信号との対応付け・運動意志の反映」の継続であり，スムーズに動作を行えない範囲に対して補助を加えるための生体信号との対応付けは可能となったが，未実施の速度調整や改善の余地がある取り付け方法については，実際に患者に使用してもらいながら対応を検討する．
③については「評価に基づく改善」であり，NFアクチュエータに替えたことで手指への適合が可能となり伸展動作にも対応できるようになったが，アクチュエータの作製に時間を要しているため，そのための評価に基づく改善を検討する．また，制御に使用するエアポンプも小型・軽量となったが，在宅支援機器としての装置化を図るためには，バッテリーなどほかの構成要素も考慮する必要があるため，それらについて検討する．
④については「非麻痺手との比較・定性評価の判断」であり，非麻痺手の動作時の生体信号との比較や患者による定性評価なども加え，リハビリ機器としての有効性を明らかにする．
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| Causes of Carryover |
主な理由としては，リハビリ支援機器の有効性を検証するために，医工連携に関する包括連携協定を結んでいる函館市医師会病院の協力のもと，片麻痺等の患者による被験者としての協力と作業療法士等によるそのサポートに対して人件費・謝金を計上していたが，試作機器の改良もあり，対象者の確保が遅れて実施できなかったためである．これについては，機器としての改善とともに，研究協力者を含む関係者と相談をして候補となる対象者への要請を検討し，対応する予定である．
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Research Products
(24 results)
