足底部剪断力計測デバイスによる歩行および足部機能の新たな評価手法の開発

• 研究課題/領域番号: 19K19821
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分59010:リハビリテーション科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 中嶋 香奈子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (00760290)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 歩行動作分析 / 足部機能評価 / 剪断力計測 / 無線通信 / リアルタイムモニタリング / 人間工学 / 計測工学 / 足部異常発生予防 / 足部異常予防 / 足底部剪断力計測 / 歩行 / 足部 / 転倒予防

研究開始時の研究の概要

本研究課題では，日常生活中や臨床現場において簡便に活用可能な足部機能・歩行機能の評価手法が確立されていないことに着目し，ヒトの足底部にかかる「剪断力」の観点から行う定量的評価手法の構築を目的とする．ここでは，小型の三軸力剪断力センサとデータ伝送用の無線装置を備えた靴型の足底部剪断力計測デバイスを設計・開発を進める．さらに，開発デバイスを用いて，健常者・高齢者・足部疾患患者を対象とした歩行データの取得を行うことで，足部の解剖学的構造や歩行動作分析に密接に関わる計測パラメータに着目した自動分析アルゴリズムを作製し，足部／歩行機能の新たな評価パラメータの創出を目指した計測システムを構築する．

研究実績の概要

本研究課題ではヒトの足部に着目し，日常生活の中で簡便に活用可能な歩行機能および足部機能の定量的評価手法の確立を目指した．外反母趾や胼胝，魚の目，巻き爪などの足部の異常は，高齢者の転倒リスクを増加させる要因の1つであるとの報告が挙げられることから，発生予防のための対策が求められる．また，これらの足部異常は日々の生活の中で繰り返し行われるヒトの歩行動作により，足部への負荷や荷重の度合いが影響することから，高齢者のみならず幅広い年代を通して健康的な足部状態の保持が重要である．そこで本研究課題では，ヒトの足底部にかかる「剪断力」に着目した定量的評価手法の構築を目的とし，歩行機能・足部機能の評価パラメータの新たな創出を目指した足底部剪断力計測デバイスの開発を行った．足底部剪断力計測デバイスには剪断力計測が可能な小型高感度三軸力センサを採用し，無線通信により得られたデータをリアルタイムに電子端末に提示可能な設計とした．これまでの実験結果より，歩行動作時における足部にかかる剪断力データを各センサから取得することができ，出力波形の比較分析を進めることで，歩行周期における足部動作を詳細に解析することができた．
2023年度は，これまでのフィールド実験において取得した，地域在住の健常者および高齢者の足底部剪断力計測デバイスデータを分析し，専用ソフトウェアに実装する自動分析アルゴリズムの構築を進めた．対象者群別に，歩行中の足部の内外反の動きや，足圧中心軌跡の偏移，出力データの全体的な波形の特徴の違いについて統計的差異を検出し，得られた実験結果について考察した．場所を問わず，利用者の日常生活に沿った歩行動作の計測ができる足底部剪断力計測デバイスは，ヒトの足部の解剖学的構造や3次元的な動作分析に着目でき，対象者の歩行機能および足部機能の新たな評価手法を見出す1つのツールとして提案できると考えられる．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

現在までに，ヒトの歩行機能および足部機能の定量的評価のための足底部剪断力計測デバイスの開発・改良を進め，多点の小型高感度三軸力センサから得られる計測データが安定して取得できることを確認した．また，足底部剪断力計測デバイスと，既存の評価手法である三次元動作解析システムによる健常者の歩行計測データを取得し，開発した足底部剪断力計測デバイスの有用性の検証を行った．加えて，地域在住の健常者および高齢者を対象としたフィールド実験において，足底部剪断力計測デバイスを用いた歩行計測を行い，複数の対象者の歩行データを取得することができた．得られたデータの分析を進め，ヒトの歩行動作時における足底部にかかる剪断力データを定量化することができた．足底部剪断力計測デバイスを用いることにより，実験室環境下以外の場面での歩行動作中においても安定して剪断力データを取得できることを確認した．データ分析においては，多変量解析の手法等を用いて解析を進めた．結果から，対象者の足部の内外反の動きや足圧中心の偏移，歩行立脚期における荷重データの波形特徴等を観察できることを確認した．これらの特徴量の抽出が可能になったことから，自動分析アルゴリズムに組み込むための評価パラメータを抽出することができた．

今後の研究の推進方策

本研究課題では，足底部剪断力計測デバイスと計測データの収集，自動分析アルゴリズムの確立を目指した．今後の研究においては，足底部剪断力計測デバイスを用いたフィールド実験で取得した歩行動作データについて，さらなる解析を進め，分析アルゴリズムの構築を行う．具体的には，足底部剪断力計測デバイスから得られた計測データに対して，複数の多変量解析手法や機械学習の手法を用いて足部の解剖学的構造・歩行動作に着目した身体運動データの特徴のパターン分類を行い，各データに適した評価方法の探索を行う．加えて，計測データから研究対象者ごとの身体的特徴量を抽出することで，歩行機能および足部機能の定量的評価手法の確立を目指す．さらに，足底部剪断力計測デバイスの制御用アプリケーションソフトウェアに対し，上記で得られた分析手法の要素を組み込み，足底部剪断力計測デバイス一式の改良を進める．最終的には，エンドユーザへのデータのフィードバック機能を充実させることで，日常生活の場面や医療・保健・福祉現場等で活用可能な，足底部剪断力計測デバイス全体のユーザビリティの向上を目指す．これにより，研究対象者が日常生活中の自身の身体情報を簡便に知ることができ，知識支援につながる新たな評価手法を創出するという本研究の目的を達成できると考えられる．