機能的電気刺激と部分空間同定法を用いた上肢麻痺患者の手先位置制御に関する研究

• 研究課題/領域番号: 22K04155
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21040:制御およびシステム工学関連
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 新田 益大 九州工業大学, 大学院工学研究院, 助教 (20453821)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 定電流電気刺激装置 / 画像解析 / 電気刺激 / 手先位置制御 / 補償入力 / 部分空間同定

研究開始時の研究の概要

脳血管障害などで四肢に麻痺が生じると要介護となり生活の質が低下する．神経系に異常があったとしても筋骨格系は正常な場合が多く，体外から微弱な電気を流せば筋活動を誘発できるため運動が可能になる．そこで本研究では，残存している筋に適切な電気刺激を加えることで身体機能の再建を目指す．
上肢は２リンク機構と見なせるので，筋発揮力を制御することで手先位置を決定することができる．しかし筋発揮力は運動の継続によって低下するし，個人差も存在するため人体のモデリング（システム同定）は不可欠である．そこで同定で得られた結果をリアルタイムにフィードバックすることで，患者の自立を支援する電気刺激装置の研究開発を行う．

研究実績の概要

はじめに，回路設計ソフトウェアを用いて小型の定電流電気刺激装置の開発を行った．これは，刺激箇所の探索を目的とする電気刺激装置の多くは電流を可変させて刺激強度を決定するため，保護回路に不具合が生じた場合に電流時間積が本邦の安全限界値を超過する恐れがあり，さらに，重量が２００ｇ超のために装着して使用することを考えると適切ではないからである．電気二重層キャパシタと昇圧トランスを用いて，おおよそ４０ｍｍ×５０ｍｍで５０ｇ弱を実現した．
つぎに，ウェアラブル端末として実装するために，シングルボードコンピュータを用いた画像処理システムの構築を行った．当初は，肘関節角の計測にポテンショメータもしくはロータリーエンコーダを用いる予定であったが，実用の観点から単眼カメラとチップＬＥＤマーカを用して画像処理により推定することにした．オープンソースの画像解析ライブラリを用いることで，随意運動ではあるが，肘関節の角度を推定することができた．
さらに，位置制御手法である部分空間同定法に基づくアルゴリズムの見直しを行った．目標値に追従させる際に，提案手法では外生信号を印加するが，これが外乱としても作用するために収束性能が悪くなることがあった．最適化を改めることで，この問題を克服した．
最後に，電気刺激装置と画像解析を組み合わせたシステムの評価実験を行った．ただし，当初は数名の被験者を対象に，個人差を考慮した性能評価を行う予定であったが，物品調達の都合で，自身のみを対象とした評価にとどまっている．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

世界的な電子部品供給不足により調達の遅延があったものの，予定通りの電気刺激装置を開発することができた．そして，自身の上腕二頭筋を対象とした通電試験により，前腕の運動を誘発することができた．
しかし，当初予定していた，被験者を対象とした実験は，肘関節角の計測方法を変更したために実施できていない．これにともない，個人差を考慮した位置制御も未実施である．

今後の研究の推進方策

本研究課題への協力を依頼していた被験者の大学院生は，次年度も継続して参加できない．そこで，次年度以降の評価に向けて，別機関の理学療法士の紹介のもと，プロトコルを提示して被験者として研究へ協力依頼する．
これにより，前年度の遅れを取り戻し，研究を遂行する．