2015 Fiscal Year Research-status Report
廃用性萎縮防止用電気刺激ハイブリッドトレーニングシステムの具現化要素の研究開発
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26506014
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| Research Institution | Kurume University |
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Principal Investigator |
田川 善彦 久留米大学, 医学部, 教授 (70122835)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志波 直人 久留米大学, 医学部, 教授 (20187389)
新田 益大 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20453821)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 電気刺激 / M波 / 微小重力 / トレーニング / シミュレーション / サイクリング / 酸素摂取量 / 筋力計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
喪失あるいは減弱した運動機能の電気刺激による改善・再建には，運動に必要な筋力を得ることが必要である．必要に応じ補償を考慮して，健常人レベルより低値を設定する．侵襲がほとんどない表面電気刺激では，被験者が耐え得る最大の刺激強度を調べ，それをベースに筋出力を制御することが多い．しかしこの最大耐用強度近傍での刺激は非常に強い不快さを伴うため，表面電気刺激がなかなか普及しない要因の一つとなっている．そこで最大耐用強度を調べなくても，電気刺激誘導電位（M波），刺激強度から筋張力を推定する手法を，足部の歩行時蹴り出し力を想定した等尺性運動を基に提案した．同時に，注目する運動を実現する刺激領域を細かく探索し，刺激用表面電極の貼付位置および大きさを決定（マッピング）すれば，不快感がなく，しかも大きな筋収縮力が得られた．またモータ駆動２リンクアームによる等速等の運動時の電気刺激筋収縮力を測定し，同時にM波測定からその力を推定できるようにアーム機構を見直し，強度を上げた．これにより種々の運動様式における刺激強度，筋収縮力，M波から，筋収縮力の予測式を求めることが可能となる．
また筋骨格モデル（AnyBody）を用いてハイブリットトレーニングエルゴ（HER）モデルを構築し，酸素摂取量のシミュレーションを行った．この結果は地上でのHERの実験結果とよく一致した．無重力下での酸素摂取量も計算し，宇宙でのHER利用に知見を提供した．すなわち酸素摂取量は，電気刺激強度により容易に制御できることを示した．これは主動筋，拮抗筋同時収縮を伴うHERの特徴であり，エルゴメータの機械的負荷の変更より，効率的である．さらにHER時に関節間力や酸素摂取量をあるレベルに保ちつつ，運動代謝エネルギーを最小化するサイクリング条件を最適化手法により求めた．これは長期宇宙滞在時の食糧の備蓄問題と絡み，重要な知見となる．
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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
電気刺激誘発筋電位（M波），刺激強度による筋力推定を，不快感が少ない範囲内での測定値から推定し，強い不快さを感じる最大耐用強度の80 % 程度まで精確な予測が可能であった．不快さを決定づけるには最大耐用強度が必要となるが，M波の変化と不快感を検討することで不快感を予測でき，その後の耐用強度測定を回避できると考えている．また筋骨格モデルを用いたハイブリットトレーニング（HTS）併用を各種運動に適用し，関節負荷や筋張力への影響をシミュレートした．平成27年度は次の課題1.～ 5. に取り組んだ．
1. 不快感が少ない範囲でM波，刺激強度，筋収縮力を測定し，強い不快さを感じる最大耐用強度の80 % までの筋力推定が精確に行えた．また不快感とM波の関連を検討した． 2. 筋骨格モデルへのHTS併用を関節角速度情報から拮抗筋刺激の定式化を行い，スクワット，エルゴサイクリングのシミュレーションを実施した．HTS強度と関節反力，筋張力の関連を精査した． 3. 2. のHTSエルゴサイクリング（HER）時の酸素摂取量について，まず，地上を想定した筋骨格モデルHER（mHER）と実験HER（eHER）の両結果を比較し，よく一致していることを示した．さらにmHERで宇宙での酸素摂取量を推定した． 4. 宇宙での骨密度，筋力，心肺機能の維持と食糧備蓄の観点から，mHERを用いて所望の関節反力の大きさと酸素摂取量を満足し，運動代謝エネルギーを最小化する問題に取り組んだ． 5. 2リンクアーム筋力計の構造を見直し，強度を上げた．
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 表面電気刺激を適用する上での難点は，所望の筋力を得るのに強度を大きくする場合があり，これに伴い強い不快感が生じることである．このため不快感の少ない刺激方法や電気刺激誘発筋電位（M波），刺激強度による簡便な筋力推定法を検討する必要がある．研究では次の(1)-(5)に注目する．(1) 刺激領域の探索（マッピング）により不快感がなく筋収縮力も増大するが，この探索を短時間で行えるシステム化について考える．センシングとノウハウの集約を検討する．(2) 電気刺激に伴う不快感と，M波の変化との関連付けを試みる．(3) (2) の結果に基づきM波から筋収縮力の推定を試みる．(4) ２リンクアーク筋力計を用いて，各種運動時のM波から筋力推定を検討する．(5) ２リンクアーム筋力計とM波を用いて，各種運動時の筋力制御を試みる．
2. シミュレーションにより刺激強度，刺激部位などの違いが身体に及ぼす影響を事前に評価できれば，傷害などのリスクを回避できる．膝・足関節の伸展・屈筋に電気刺激を印加する筋骨格モデルエルゴサイクリングHER（mHER）のシミュレーションと実験HER（eHER）を実施し，以下の(6)-(9)を検討する．(6) mHERにより刺激強度や刺激部位が筋力や関節反力に及ぼす影響を調査する．(7) 実験において拮抗筋が運動状況次応じて確実に刺激されているか確認する．(8) 酸素摂取量を比較する．(9) HER時のペダル反力のシミュレーションと測定から，イブリットトレーニング（HTS）が身体との接触面にどのような影響を与えるか調べる．
3. MATLABにより項目(10)，(11)を検討する．(10) 無重力下でのHERが，ISSの環境に及ぼす影響を引き続き検討する．(11) 有人火星探査船内でのHER運動が，探査船に与える影響をシミュレーションする．
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| Causes of Carryover |
電気刺激実験の高齢者群（2015年12月，2016年1月,2月実施）からの離脱者１名，2016年2月の若年者群からの離脱者２名により，当初計画と差異が生じ，経費に残が生じたため．
また研究分担者が他の役職により忙しくなったこと，およびサポートスタッフが年度途中に海外研修となったため，分担金に手つかずとなった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
電気刺激実験の経費に上乗せする．
分担金に上乗せする．
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