2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of An Implantable Electrical Stimulation Device towards Reconstructing Functional Motions
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21H01290
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
竹内 大 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (20713374)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
徳武 克浩 名古屋大学, 医学部附属病院, 病院助教 (90822289)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 機能的電気刺激 / 機能的運動再建 / 埋込デバイス / 無線給電 / 神経刺激装置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、無線給電を用いた体内埋込型の末梢神経刺激デバイスを基盤技術とし、末梢神経を電気刺激することでその先の筋の収縮を制御する技術について、複数の筋を独立して同時に制御することで多関節の運動制御を実現することを目指している。さらに、痙縮など中枢からの異常な神経信号による筋の望まない収縮をブロックする技術を併用し、痙縮緩和と運動制御の同時実現を目指している。
本年度は4chの神経刺激装置を開発し、2関節の拮抗筋を同時制御することでより複雑な運動制御を実現することを目指した。特に、歩行運動に着目し、膝関節及び足関節の運動制御を行うことで、歩行運動の再建を目指した。神経を刺激するタイミングを随意運動と同期させるため、ラットの歩行状態を観測し電気刺激タイミングを決定するシステムを構築すると共に、歩行時の立脚・遊脚それぞれにおける制御アルゴリズムを新たに構築した。その結果、ラットの自発的な歩行に合わせて神経への電気刺激を実施することに成功し、随意運動と同期した神経刺激を行うための基盤技術が確立できたことを確認した。また、神経信号をブロックする技術についても研究を進め、これまでのフィードバック制御に加えてフィードフォワード制御を導入することで、神経ブロックに対する四肢の応答を早めるシステムについても構築し、ラットを用いた実験を通じて有効性を検証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、当初の計画通り4つの神経に対して独立して神経刺激が可能な4ch神経刺激装置の基盤技術を確立すると共に、随意運動と同期した神経刺激を実施可能なシステムを構築し、ラットを用いた実験によってラットの歩行運動に合わせた神経刺激が可能であることを確認でき、当初計画よりもさらに進んだ段階まで研究を発展できたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に構築した神経刺激システム及び実験動物の随意運動計測システムを基盤とし、機能的運動の再建に向けた研究を加速していく。特に、歩行運動においては体重を支える立脚状態を電気刺激によって維持することが重要となる。現状のデバイスが出力できる最大電流値をより大きくし、大きな力を電気刺激によって発揮できるようにする必要がある。また、神経ブロック技術についても、デバイスの無線化による完全体内埋込を目指し、無線給電量の増大が必要である。まずは上記の課題について取り組むと共に、機能的運動がどの程度再建できたかを評価する方法についても検討し、確立することを目指す。
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