2015 Fiscal Year Annual Research Report
BMIを用いたペダリング型下肢運動リハビリテーションシステムの構築と有用性の検討
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26282162
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
満渕 邦彦 東京大学, 情報理工学(系)研究科, 教授 (50192349)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
荒木 望 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10453151)
深山 理 東京大学, 情報理工学(系)研究科, 助教 (30508205)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | リハビリテーション / 医療・福祉 / 脳・神経 / 生物・生体工学 / 生体・生命情報学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27度は、脳波から、リアルタイムでペダリング動作意図を検出するソフトウエアの改善とともに、１）疑似歩行装置として、ペダルの回転装置の他に、クランク型の疑似歩行装置の開発、２）モータによる回転によってではなく、機能的電気刺激（FES）による筋肉の収縮により足（ペダル）の強制回転を行わせる機構の開発、３）電極として、ペースト等を必要としないドライアクティブ電極を用いた脳波計測系の構築、および、４）ペダリング動作をイメージする際に、リズミカルな視覚刺激・聴覚刺激を加え、このリズミカルな刺激によるイメージング効率の上昇に対する効果等についても検討を行った。健常人・脊髄損傷の患者さんを被験者とした実験で、１）のクランク型の疑似歩行装置に関しては、患者さんの漕ぐ操作も無理なく行う事が可能で、クローヌスなどの発生も抑制できており、また、２）のFES によるペダリングコントロールも、タイミングに合わせて筋収縮を発生させ、ドロップフットの抑制にも有効というそれなりの結果を得る事が出来たことから、概ね、研究を順調に進める事が出来たと考えている。ただ、３）のドライ電極に関しては、まだノイズ等が大きく、良好な信号を得るには至っておらず、今後の改良が必要である。また、脳波以外の手法を用いた脳活動の評価も試みる予定であったが、今後、情報通信研究機構との共同研究の形で MEG, fMRI, fNIRS を用いた運動意図の検出も試みる予定である。
システムの評価に関しては、現在は健常者を被験者とした、いわゆる運動のイマジェリーを行った際のシステム作動の正答率による評価、および、１名の脊髄損傷のボランティアを被験者としてシステムを作動させた際の成績、によって評価を試みているが、今後は多数の脊髄損傷の患者さんに対して本装置を適用し、症状の改善がみられるかについても統計的検討を加えていく予定である。
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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
前項でも述べたように、システム構築に関しては研究計画は概ね順調に進展していると考えている。昨年度（初年度）は、研究の骨子である、脳波（β, 及びα帯域のERD）によりペダルを漕ごうとする運動意図をリアルタイムで検出し、ペダル（とそれに固定した足）を回転させるアルゴリズムの構築と、ペダリング装置のハードウエアの構築を行ったが、本年度は、このペダリング装置のハードウエア、および、運動意図検出のソフトウエアの改良を進めるとともに、麻痺肢を強制的に動かすのに、単に外力（モータ）によって強制回転させるのではなく、末梢神経への電気刺激により筋肉を収縮させる、いわゆる機能的電気刺激(FES)によりペダルを回転させる（より生理的に生体に近い）システムへと拡張させる事、および、脳波計測に関して、現在のペーストを必要とする皿電極を用いたシステムから、装着が簡単でペーストを必要としないドライ・アクティブ電極を用いたシステムに変更する事を目的としてシステムの開発を進めた。FES を用いてペダルを回転させる系については、ペダルをモータで回転させると同時に足の回転の位相に同期して（電気刺激によって）筋を収縮させるシステムを構築し、良好に作動する事を確認している。また、ペダリング装置も回転式のものの他に（クローヌスの発生を抑え、スムースに動くように）足を交互に前後へ動かすクランク式のものも試作し、良好な結果を得ている。
問題点としては、ドライアクティブ電極による信号計測が良好でない事、また、運動意図検出の正答率、及び、検出までの時間遅れの問題がある。運動意図検出に関しては正答率が80％を超える事を目標としているが、現在は70％代で十分とは言えない。又、遅れ時間に関しては、データ処理による遅れと正答率との間にトレードオフの関係があり、実時間性を考えて、どこまでが許容範囲かについて検討を加えている所である。
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| Strategy for Future Research Activity |
疑似歩行装置（ペダリング装置）に関しては、ペダル回転型・クランク型両者の改良をさらに推し進める。特にモータ回転によるノイズがのる事があり、これの抑制に努める。脳波の計測系に関しては、ドライアクティブ電極の形状・構造の改善と、電極固定用のヘッドキャップの改善を進める。モータによる足の強制回転ではなく、FESにより足の筋肉を収縮させ、その力によりペダル（クランク）を回転させるシステムに関しては、現在、モータによる足の強制回転とFESを併用した形で作動させているが、FESの比率を徐々に上げて最終的にはFES のみでペダル（クランク）を回転させる事を試みる。
運動意図を検出する手法としては、現在は、基本的には脳波のβ波帯域のパワーを特徴量とし、ERD・ERSによる変化を検出するという方法を用いているが、特徴量の選択等について、更に検討を加え、また、脳波以外にも、NICT (情報通信研究機構)との共同研究の形で、脳磁図(MEG)、近赤外スペクトロスコピー(NIRS)、機能的MRI(f-MRI)などを用いて運動意図の検出を試みる。また、本年度実施する事が出来なかったが、動物を用いた実験系で、麻痺肢を強制回転させ、これに同期させて脳皮質（運動野・感覚野）に微小電気刺戟(ICMS)を加える事によってリハビリテーション効果が発現するか否かの検討も試みる。
また、実際の脊髄損傷などの患者さんに作成した装置を適用し、非適用患者さんとの間で症状の改善を比較検討し、装置のfeasibility についての評価を行う。
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| Causes of Carryover |
機能的電気刺激(FES)用の電気刺激装置として、単価980,000円の装置を購入する予定であったが、別のFES用電気刺激装置を実験期間のみレンタルで使用した事による。最初、購入を予定していたFES用電気刺激装置の購入予算を、電気刺激装置のレンタル料、ペダリング装置の部品費、被験者（脊髄損傷の患者さん）の旅費等に使用したが、本年度の電気刺激装置の使用期間はそれほど長くはなく、当初の予想予算額との間で差額が生じたため、次年度使用額が生じる結果となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度には、機能的電気刺激用の電気刺激装置をレンタル期間が長くなることが予想されるので、その際の費用（の一部）に使用する予定である。
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