2021 Fiscal Year Research-status Report

受動型直交座標系新規３次元上肢リハビリ支援システムとその各種リハビリ手法との融合

Research Project

Project/Area Number	19K04303
Research Institution	Fuzzy Logic Systems Institute
Principal Investigator	古荘純次一般財団法人ファジィシステム研究所, 研究部, 特別研究員 (70107134)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	池田篤俊近畿大学, 理工学部, 講師 (20609903) 川平和美鹿児島大学, 医歯学総合研究科, 客員研究員 (20117493) 菅俊光関西医科大学, 医学部, 教授 (40288816) 畑迫健一産業技術短期大学, その他部局等, 教授 (30735527) 原田孝近畿大学, 理工学部, 教授 (80434851) 森岡周畿央大学, 健康科学部, 教授 (20388903) 原口真大阪工業大学, 工学部, 講師 (80467547)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	リハビリ支援システム / 脳卒中 / ブレーキ / 受動型リハビリ支援システム / Pleasure / Motivation / 慣性力の影響
Outline of Annual Research Achievements	上肢リハビリ支援システムの本格的実用化を目指している。差動ループベルトと差動ネジを組み合わせた新しい４自由度直交型パラレル機構を提案してきた。これまでは，数式計算ソフトウエアを用いて、動力学と拘束条件の混合微分方程式であるマルチボディシステム動力学を応用して、提案したロボットシステムの運動方程式を数式的に導出した．2021年度は，マルチボディダイナミクス用数値計算ソフトウエアの一つであるSimscape Multibodyを用いて提案する機構の動的解析を行った。高価で大きなリハビリ支援システムは、一部で使用されているが、本格的な実用化には至っていない。リハビリ専門病院を除くと、一般病院・医院、老健施設、介護施設等は、大きく高価な装置の導入は困難である。また、上肢リハビリ支援システム以外に、多種の装置を置く必要があるため、小型で収容性の良いシステムが望まれる。そこで、回転 plus リニア型システム、およびリニア型システムの開発を行った。リンク型の力覚提示システム・位置入力システムやリハビリ支援システム等の設計においては、慣性力の影響を考慮する必要がある。そこで、力学モデルによる理論解析を行い、数値計算を行い、評価方法を提案した。次に、特性改善方法を提案し、閉リンクモデルが優れていることを示した。次に、閉リンクモデルの実験装置を作成し、予備実験を行った。実験では、特性の改善が見られ、ヒューマンインターフェイスとして優れていることが分かった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 寝たきりになる原因の3割近くが脳卒中などの脳血管疾患で，全医療費の1割近くが脳卒中診療に費やされている。そこで、脳卒中患者を主な対象とする新規な受動型の直交座標系の3次元、2次元、１次元上肢リハビリ支援システムの研究開発を行ってきた。リハビリ支援システムは、人間と常に接触して働くため，安全性が最も重要となる。モータ等を用いるアクティブ型においては、暴走などの異常があった場合に患者に物理的な危険を及ぼすため，厳重な管理が必要である。一方、ブレーキ等を用いた受動型は、本質安全性を有し、医療機器としてクラスⅠとなり、自主訓練に適する。受動型の３次元直交型リハビリ支援システムについて、新たな知見を得ることが出来た。周辺技術の研究開発にも注力したために、若干遅れているが、全体としては順調に進んでいる。リハビリ専門病院を除くと、大きく高価な装置の導入は困難である。そこで、回転 plus リニア型システム、およびリニア型システムの開発を行った。また、システムに鏡面対称型健側補助、同側型健側補助を導入する方法、および冗長ブレーキを導入する方法を検討した。リンク型の力覚提示システム・位置入力システムやリハビリ支援システム等の設計においては、慣性力の影響を考慮する必要がある。そこで、力学モデルによる理論解析を行い、数値計算を行い、特性改善方法を提案した。数値計算の結果、閉リンクモデルが優れていることを示した。次に、実験装置を作成し、予備実験を行った。実験では、特性の改善が見られ、ヒューマンインターフェイスとして優れていることが分かった。
Strategy for Future Research Activity	ブレーキで力覚を提示する直交座標系の3次元システムについては、2022年度に最終的な完成を目指す。そのため、従来購入した部品等を用いて、周辺の装置の開発を予定している。ブレーキで力覚を提示する直交座標系２次元のリハビリ支援システムの研究開発に関しては、若干遅れている。そこで、2次元のリハビリ支援システムである回転 plus リニア型システムの研究開発に力を入れた。このシステムは、優れた慣性力特性を有する。このシステムへの健側補助の導入に関する研究開発を2022年度には行う。ローコストかつコンパクトな上肢リハビリ支援システムを目指した研究開発として、リニアガイドを用いた1次元リハビリ支援システムの研究開発を2021年度に行った。この研究をさらに進め、2022年度には、健側補助の導入を行う。リンク型の力覚提示システム・位置入力システムやリハビリ支援システム等の設計においては、慣性力の影響を考慮する必要がある。そこで、実験装置を作成し、予備実験を行った。実験では、特性の改善が見られ、ヒューマンインターフェイスとして優れていることが分かった。この研究を、2022年度にはさらに進める。臨床評価については、新型コロナウイルス (COVID-19)の影響を受け進んでいない。2022年度には、臨床評価、あるいは臨床的評価を行う。
Causes of Carryover	半導体不足、新型コロナウイルス (COVID-19)等のため各種部品の入手が困難となった。また、新型コロナウイルスの影響で、多くの学会等がネットワークを用いた開催となり、旅費の必要が減少した。これらの結果、次年度使用額が生じた。半導体不足、及び新型コロナウイルスによる流通機能の低下は、現在も続いているが、代替品等を探して研究を遂行する。