片麻痺患者の筋シナジーに合わせて介入する起立動作のリハビリテーションシステム

• 研究課題/領域番号: 20J13582
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分20020:ロボティクスおよび知能機械システム関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 湖上 碩樹 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2020-04-24 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: 起立動作 / リハビリテーション / 筋シナジー

研究開始時の研究の概要

脳損傷で筋を適切に活動させられない片麻痺患者は理学療法士のリハビリテーションにより運動機能の改善を目指す．本研究は日常生活の起点となる起立動作に着目した．起立動作における関節運動を支援する機器もすでに開発されており，理学療法士の介入のように患者の筋活動の改善が実現されれば運動機能がさらに改善する．しかし，リハビリテーションにより片麻痺患者の起立動作がどのように改善するかは分かっていない．よって，本研究は起立動作の改善過程の解明を目的とし，理学療法士の介入による片麻痺患者の起立動作の調査と改善過程のモデル化を目標とする．

研究実績の概要

脳損傷で筋を適切に活動させられない片麻痺患者は理学療法士のリハビリテーションにより運動機能の改善を目指す．理学療法士の不足を補う手段として，リハビリのためのロボット技術や支援機器が開発されている．リハビリ支援機器の開発のためには，理学療法士と片麻痺患者の両者の動作の理解が重要である．しかし，理学療法士の介入技能は定量的に評価されていないという問題がある．そこで，本研究では理学療法士による介入を神経筋協調の観点で定量的に評価可能な解析手法により理学療法士の介入技能を解明した．また，筋シナジーと呼ばれる筋肉の協同発揮と運動学を組み合わせた解析手法により片麻痺患者の起立動作を解析した．
理学療法士の介入中の技能を調査するため，片麻痺患者の麻痺側の膝と骨盤後面に介入を行う理学療法士の腕の表面筋電図から解析する手法を確立した．本研究では理学療法士の4つの筋シナジーを抽出し，それぞれ膝の引っ張り，臀部の持ち上げ，膝の押し戻し，骨盤を上向きにする，という役割を持つことが確認された．また，筋シナジーと運動学を組み合わせた解析手法により，理学療法士が介入中の片麻痺患者の起立を調査した．理学療法士の介入により片麻痺患者の重心の前方移動から上方移動に切り替わるタイミングが早くなることが確認された．以上の調査から，理学療法士は動作の開始や離臀のタイミングを教示することが技能として抽出された．また，脳血管疾患により筋シナジーの活動タイミングを阻害された片麻痺患者に対し，理学療法士が介入することで筋シナジーの活動が改善されることが明らかにされた．今後の展望として，本研究で形式知化された理学療法士の介入技能を応用したリハビリ支援機器の開発，理学療法士の技能教育への応用が期待される．

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Clarify Sit-to-Stand Muscle Synergy and Tension Changes in Subacute Stroke Rehabilitation by Musculoskeletal Modeling (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Ruoxi、An Qi、Yang Ningjia、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Yamakawa Hiroshi、Hamada Hiroyuki、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi R.、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • 雑誌名: Frontiers in Systems Neuroscience 巻: 16 ページ: 1-16
  • DOI: 10.3389/fnsys.2022.785143
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Classification of Motor Impairments of Post-Stroke Patients Based on Force Applied to a Handrail (2021)
  • 著者名/発表者名: An Qi、Yang Ningjia、Yamakawa Hiroshi、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Wang Ruoxi、Yamashita Atsushi、Asama Hajime、Ishiguro Shu、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Kurazume Ryo
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering 巻: 29 ページ: 2399-2406
  • DOI: 10.1109/tnsre.2021.3127504
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of muscle synergy and kinematics in sit-to-stand motion of hemiplegic patients in subacute period (2021)
  • 著者名/発表者名: Kogami Hiroki、An Qi、Yang Ningjia、Wang Ruoxi、Yoshida Kazunori、Hamada Hiroyuki、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Koji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • 雑誌名: Advanced Robotics 巻: 35 号: 13-14 ページ: 867-877
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1928547
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of muscle synergy and kinematics in sit-to-stand motion of hemiplegic patients in subacute period (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Kogami, Qi An, Ningjia Yang, Ruoxi Wang, Kazunori Yoshida, Hiroyuki Hamada, Hiroshi Yamakawa, Yusuke Tamura, Shingo Shimoda, Hiroshi Yamasaki, Moeka Sonoo, Fady Alnajjar, Noriaki Hattori, Koji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Atsushi Yamashita, and Hajime Asama
  • 雑誌名: Advanced Robotics 巻: 35
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temporal Muscle Synergy Features Estimate Effects of Short-Term Rehabilitation in Sit-to-Stand of Post-Stroke Patients (2020)
  • 著者名/発表者名: Yang Ningjia、An Qi、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Sonoo Moeka、Itkonen Matti、Shibata-Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Kinomoto Makoto、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • 雑誌名: IEEE Robotics and Automation Letters 巻: 5 号: 2 ページ: 1796-1802
  • DOI: 10.1109/lra.2020.2969942
  • 査読あり
• [学会発表] 起立動作中の縦手すりにかかる力を用いた運動機能の評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安 琪, 山川 博司, 湖上 碩樹, 吉田 和憲, 王 若曦, 山下 淳, 淺間 一, 楊 濘嘉, 横山 萌香, 下田 真吾, Fady Alnajjar, 山崎 弘嗣, 石黒 周, 服部 憲明, 高橋 幸治, 藤井 崇典, 乙宗 宏範, 宮井 一郎,倉爪 亮
  • 学会等名: 第36回ライフサポート学会大会
• [学会発表] リハビリテーションにおける片麻痺患者の起立動作の改善過程の解明滑らかさと安定性による評価―滑らかさと安定性による評価― (2020)
  • 著者名/発表者名: 湖上 碩樹，安 琪，吉田 和憲，王 若曦，山川 博司，楊 濘嘉，山崎 弘嗣，Fady Shibata-Alnajjar，園尾 萌香，下田 真吾，服部 憲明，高橋 幸治，藤井 崇典，乙宗 宏範，宮井 一郎，田村 雄介，山下 淳，淺間 一
  • 学会等名: 計測自動制御学会システム・情報部門学術講演会
• [学会発表] 片麻痺患者の起立動作中の手すりにかかる力を用いた運動障害の度合の分類 (2020)
  • 著者名/発表者名: Qi An，山川 博司，湖上 碩樹，吉田 和憲，王 若曦，山下 淳，淺間 一，石黒 周，下田 真吾，楊 濘嘉，山崎 弘嗣，園尾 萌香，Fady Shibata-Alnajjar，服部 憲明，高橋 幸治，藤井 崇典，乙宗 宏範，宮井 一郎，倉爪亮
  • 学会等名: 第38回日本ロボット学会・学術講演会
• [学会発表] Muscle Tension Analysis in Stroke Patient Sit-to-Stand Motion by Joint Torque-Based Normalization (2020)
  • 著者名/発表者名: Ruoxi Wang, Qi An, Ningjia Yang, Hiroki Kogami, Kazunori Yoshida, Hiroyuki Hamada, Shingo Shimoda, Hiroshi Yamasaki, Moeka Sonoo, Fady Alnajjar, Noriaki Hattori, Koji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Atsushi Yamashita, and Hajime Asama
  • 学会等名: The 5th International Conference on NeuroRehabilitation (ICNR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal Muscle Synergy Features Estimate Effects of Short-term Rehabilitation in Sit-to-stand of Post-stroke Patients (2020)
  • 著者名/発表者名: Ningjia Yang, Qi An, Hiroki Kogami, Kazunori Yoshida, Hiroshi Yamakawa, Yusuke Tamura, Shingo Shimoda, Hiroshi Yamasaki, Moeka Sonoo, Matti Itkonen, Fady Shibata-Alnajjar, Noriaki Hattori, Koji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Atsushi Yamashita, and Hajime Asama
  • 学会等名: The 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA2020)
  • 国際学会