2020 Fiscal Year Annual Research Report
Evaluation of human stand and walking stability for the risk estimation of falling
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19H04502
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山本 元司 九州大学, 工学研究院, 教授 (90202390)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ヒト立位安定性 / システム同定 / 極・零点 / 安定化制御システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ヒト姿勢安定化システムの安定性能評価手法を提案することで，最終的には力学的歩行アシスト装置における安全性評価手法，および転倒リスクの定量評価手法を確立することを目指している．本年度（2020年度）は前年度の成果に基づいて下記の研究をおこなった．
(1) 前年度提案したヒト立位安定性能評価手法に基づき，また，開発した斜板式外乱印加装置を用いて立位状態に関する様々な実験条件により，安定した評価が実現できる望ましい外乱入力実験条件を探索した．その結果，斜板式外乱印加装置によるヒト下肢への外乱印加において，システム同定時に入力データとして用いるのは，斜板の変位入力ではなく，斜板が落下するときの衝撃力を入力として用いることが適切であることを明らかにした．また，本装置での斜板落下高さは32mmと設定することが姿勢安定化の同定において適切であることを示した．
(2) 提案したヒト立位安定性能評価手法に基づき，また，開発した斜板式外乱印加装置を用いて立位状態に関する様々な実験条件により，姿勢安定性指標を計算した．その結果，種々の実験条件により同定される姿勢安定化ダイナミクスが異なることを実験的に示した．さらに実験条件の違いにより，被験者によっても勢安定化ダイナミクスが異なる場合があることも示した．
(3) 立位状態に関する様々な実験条件により，力学外乱時のヒト姿勢回復に貢献する筋骨格系，特に筋活動について，下肢筋を中心に表面筋電測定により実験的に主要筋を探索した．この結果，通常足配置やタンデム足配置など，立位安定性指標値が異なる実験条件では，姿勢安定時に特に腓腹筋や前脛骨筋の筋活動に顕著な違いが生じること，また被験者により同じ実験条件でも筋活動に違いが生じることを発見した．
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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
以下進捗良好な根拠を示す．
(1)本研究で提案したオリジナルの姿勢安定性評価実験システムである，斜板落下式外乱印加装置においては，その外乱入力としては斜板変位でなく，斜板落下時の衝撃力とすることが望ましいことを示した．この根拠としては，それぞれの場合での外乱入力によるシステム同定の伝達関数の次数を比較して，衝撃力とする方が次数がかなり低いことを示した．このことは，変位入力の場合は斜板落下式外乱印加装置において，装置自体の機械的なダイナミクスが同定ダイナミクスに含まれており，ヒトの姿勢安定化に関与するダイナミクスは，衝撃力入力とする方が，より純粋に抽出できることを示唆しており，より望ましい．
(2)種々の実験条件により同定される姿勢安定化ダイナミクスが異なることは，前年度で提案したヒト姿勢安定化指標が異なることでも確認できる．しかしながら，ここでは，より本質的な姿勢安定化ダイナミクスが異なるとが考えられる，同定伝達関数の次数の違いに着目して，この違いが姿勢安定化に主に寄与する筋骨格系の違いつながることを実験的に確かめた．
(3)上記の実験的確認より，姿勢安定化に主に寄与する筋骨格系が，被験者や立位姿勢などの違いによりどのように生じるのか，複数の実験条件で主要な筋活動を関連筋の筋電計測により測定し，その差異を検証した．この結果，いくつかの下肢筋，特に腓腹筋や前脛骨筋の活動が実験条件や被験者により異なることを明らかにした．これは，実験条件によりヒトは姿勢安定化のメカニズムを適応的に切り変えていることを意味しており，また被験者により主要活動筋が異なるのは，被験者により採用する姿勢安定化戦略が異なることを初めて明らかにした．
結局これらの成果は，ヒト姿勢安定化における筋骨格系の役割を実験的，具体的に示した成果であり，リハビリ等における臨床応用の可能性を導く成果と重要な知見と言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの本研究では，主としてその基礎となる立位安定性評価手法と，転倒に至る可能性がある力学外乱がヒト下肢に加えられた時の姿勢回復能力，およびその姿勢回復を実現する筋骨格系作動メカニズムを詳細に調べてきた．
歩行アシスト装置の安全性評価においても，転倒リスク評価においても，その評価はヒト歩行時の安定的な姿勢保持性能が重要であると考えられる．これまでの立位安定性評価においても，もちろん歩行時における歩行を乱す様々な外乱が作用して歩行姿勢を乱すことが，歩行時における転倒につながると考えている．しかしながら，歩行時と静止立位時のおいてヒトに加えられる外乱印加時の姿勢変動とその回復性能は本当に同じなのか，あるいは十分な相関があるのか，転倒リスク評価，姿勢安定性評価に関する当該研究分野においても未だ十分には解明されていない．そこで，次年度ではこれまでの研究成果に基づき，
(1) 姿勢位安定性に関する定量評価と歩行時の安定性，転倒リスクとの関係を調べる．歩行時の安定性に関しては，歩行時の重心揺動軌跡，歩幅等の歩行時のパラメータ周期性等を調べ，また転倒リスクに関しては特に高齢者における転倒履歴やサルコペニア指標等を調べ,これらと立位安定性に関する定量評価との関係性を調べる．
(2) 立位安定性や歩行安定性を低下させる要因を筋骨格系と認知系に分けて検討する．筋骨格系としては表面筋電計測により，立位姿勢安定時に主として機能する下肢筋を見出す．また，認知系としては視覚系，平衡感覚系，体性感覚系の適切な阻害により，安定性を評価することで主として機能している認知系を見出す．さらに，これらの複合要因を明らかにするため，多変量解析，感度解析等の統計的手法により安定性を低下させる主要因を見出す．
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Research Products
(4 results)
