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2015 年度 実績報告書

能動運動を引き出す教示支援型在宅下肢リハビリテーションシステムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 15H03050
研究機関東北大学

研究代表者

渡邉 高志  東北大学, 医工学研究科, 教授 (90250696)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
キーワードリハビリテーション工学 / 電気刺激 / 慣性センサ / 片麻痺者歩行 / 足こぎ車いす
研究実績の概要

慣性センサによる3次元運動計測法について,カルマンフィルタのパラメータを自動調整する方法を検討した結果,角速度積分による方法では,矢状面内角度の計測精度を改善できたが,クォータニオンによる方法では,大きな改善は見られなかった.しかしクォータニオン法は,健常者のトレッドミル歩行中の角度計測において,運動機能障害者に近い歩行速度で,矢状面の角度の二乗平均平方根誤差(RMSE)が概ね平均3deg以下を達成した.前額面内角度も4deg未満の平均RMSEを達成したが,被験者毎,試行毎のばらつきがあり,参照信号の座標系との不整合が影響していることを示唆する結果も得た.
上記の角度の他,臨床での評価指標を慣性センサで計測するため,回旋運動について,角速度信号への高域通過フィルタ(HPF)の適用を検討し,短距離歩行ではあるが,2~8deg程度の平均RMSEを得た.HPFは有効であるが,角速度のドリフト成分が一定しないことがばらつきの原因であることが示唆された.また,足部に装着したセンサを用いた歩行事象タイミング検出法,1歩毎のストライド長計測法を構築し,精度を検証した.これらの方法を基に,10m歩行時の平均歩行速度推定法を検討し,健常者で平均約5%以下の推定精度の達成可能性を示した.フットクリアランスについても,既存の方法を調査し,プログラム実装を進めた.
運動リハビリテーションでの電気刺激印加タイミングのデータを作成するため,健常者での歩行と足こぎ車いす走行において、筋電図と慣性センサによる運動の同時計測を行った.これらの結果から,健常者の筋活動タイミングについて,歩行事象や足こぎ車いすクランク角度との関係を明らかにした.また,機能的電気刺激(FES)により動作を補助する方法として,数回の繰り返し動作制御を行う中で電気刺激パラメータを自動設定する方法を,歩行時の下垂足矯正,足こぎ車いすのFES走行に適用可能にした.

現在までの達成度 (区分)
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

慣性センサを用いた3次元運動計測法を構築し,歩行運運動中の矢状面内と前額面内の下肢の角度を平均3~4deg程度以下のRMSEで計測できることを確認した.これにより,人の実際の運動を慣性センサで計測する場合の精度を定量的に検証でき,本計測手法をシステムへ実装し,試験に使用可能であることを確認した.しかしながら,前額面角度の計測精度にばらつきがあり,計測精度の更なる向上のためには継続した検討の必要性が課題となった.
慣性センサを用いて臨床評価指標を算出する方法として,新たに回旋運動について検討し,HPFの有効性と課題を確認した.これまでは,磁気センサを用いて誤差を補正する研究が多く,実用上の課題が大きかったが,角速度と加速度だけで計測する1つの方法を定量評価できた.この方法でも,精度の改善が望まれるので,さらなる検討が必要である.また,在宅での利用を想定した少数センサでの指標算出法として,足部に装着したセンサから歩行事象タイミング,足部角度,1歩毎のストライド長を計測する方法を構築し,一般的に利用される10m歩行時の平均歩行速度が,足部に装着したセンサから良好な精度で推定可能になることを示唆する結果を得た.フットクリアランスについても、先行研究の方法を実装し、試験できる段階になった.
電気刺激教示支援型運動リハビリテーション法を開発する上で不可欠な電気刺激印加タイミングについて,健常者の運動を目標とする方法を採用し,その運動に関する筋活動タイミングを慣性センサで検出する方法を構築できた.また,動作が十分に行えない患者のために,FESにより動作を補助する方法として,数回の繰り返し動作制御を行う中で電気刺激パラメータを自動設定する方法を実装し,歩行時の下垂足矯正と足こぎ車いすのFES走行で試験可能にした.

今後の研究の推進方策

検討した慣性センサを用いた3次元運動計測法については,比較的良好な計測精度を達成できた.また,複数種類の角度の他に歩行事象や1歩毎のストライド長,平均歩行速度などの評価指標算出法を構築でき,先行研究のクリアランス算出法を実装できた.これらの結果をもとに,それらの算出アルゴリズムを統合し,自動処理,および複数の評価指標を組み合わせた評価が可能なアプリケーションの構築を進める.なお,3次元運動計測法では,前額面内の角度の計測精度にばらつきがあり,参照信号を計測する3次元動作解析装置の座標系とセンサ座標系との不整合が影響している可能性が示唆されたので,検証方法を検討して精度を再検証することを並行して進める.また,臨床評価指標として角度を利用する場合,屈曲/伸展,内転/外転のような運動の表現での角度の他,オイラー角で計測している研究も多い.慣性センサによる3次元的運動の計測では,それらの運動と角度との対応が不明確になる場合もあり,現状では明確な説明は無いので,本研究でも検討を進める.さらに,慣性センサを用いた臨床評価指標の算出法として,回旋運動に関する指標の算出を継続して検討し,加えて,新たな評価として,大腿部センサだけでぶん回し歩行を評価する指標も検討する.
電気刺激教示支援型運動リハビリテーション法の検討を行えるようにするために,少数のセンサと小型電気刺激装置,タブレット型コンピュータで構成するプロトタイプシステムの構築を行う.ここでは,今年度の結果をもとに,足部に装着したセンサで評価する方法の検討も継続し,少数センサでの有効な評価指標算出法の構築を進める.そして,リハビリテーションにおいてFESにより動作を補助する方法として,動作制御を繰り返し行う中で電気刺激パラメータを自動設定する方法の実験的検証を行うとともに,フィードバック制御法についても検討を行う.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] Comparison of Muscle Stimulation Groups for Simplified Practical FES Cycling Control with Cycling Wheelchair: An Experimental Test with Healthy Subjects2016

    • 著者名/発表者名
      Takashi Watanabe, Yuta Karasawa
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Information and Systems

      巻: 99-D(5) ページ: 1345-1352

    • DOI

      10.1587/transinf.2015EDP7135

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Potential of M-wave Elicited by Double Pulse for Muscle Fatigue Evaluation in Intermittent Muscle Activation by Functional Electrical Stimulation (FES) for Motor Rehabilitation2016

    • 著者名/発表者名
      Naoto Miura and Takashi Watanabe
    • 雑誌名

      Journal of Medical Engineering

      巻: 2015 ページ: -

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1155/2016/6957287

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Validation Test of a Simple Method of Stride Length Measurement Only with Inertial Sensors and a Preliminary Test in FES-assisted Hemiplegic Gait2015

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe and T. Miyazawa
    • 雑誌名

      IFMBE Proceedings

      巻: 51 ページ: 1111-1114

    • DOI

      10.1007/978-3-319-19387-8_270

  • [雑誌論文] A Basic Study on Quantitative Evaluation of 3-dimensional Foot Movements with an Inertial Sensor during FES Foot Drop Correction2015

    • 著者名/発表者名
      Maho Shiotani, Takashi Watanabe
    • 雑誌名

      Proceedings of the 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society

      巻: - ページ: 6684-6687

    • DOI

      10.1109/EMBC.2015.7319926.

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 足こぎ車いすのFES走行制御のためのEMG信号に基づく刺激開始タイミングに関する検討2015

    • 著者名/発表者名
      只野卓巳,渡邉高志
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 115(317) ページ: 1-4

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 慣性センサを用いた歩行事象検出アルゴリズムの臨床応用のための問題点抽出に関する検討2015

    • 著者名/発表者名
      阿部光司,遠藤 駿,渡邉高志
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: 115(317) ページ: 5-8

    • 謝辞記載あり
  • [学会発表] 3次元運動計測精度評価における異なる計測システム間の座標系設定法に関する検討2016

    • 著者名/発表者名
      塩谷真帆,渡邉高志
    • 学会等名
      第55回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      富山国際会議場(富山県・富山市)
    • 年月日
      2016-04-27
  • [学会発表] リハビリテーション支援のための慣性センサ信号を用いた歩行解析アプリケーションの試作2016

    • 著者名/発表者名
      阿部光司,渡邉高志,芝崎淳
    • 学会等名
      第14回姿勢と歩行研究会
    • 発表場所
      興和株式会社東京支店(東京都中央区)
    • 年月日
      2016-03-12
  • [学会発表] A Basic Study on Walking Speed Estimation Using Inertial Sensors for Gait Rehabilitation2015

    • 著者名/発表者名
      Tasuku Miyazawa, Takashi Watanabe
    • 学会等名
      12th International Conference on Ubiquitous Healthcare
    • 発表場所
      近畿大学(大阪府・東大阪市)
    • 年月日
      2015-12-01
    • 国際学会
  • [学会発表] Measurement of EMG signals for Determination of Stimulation Timing Pattern for FES Cycling with Cycling wheelchair2015

    • 著者名/発表者名
      Takumi Tadano, Takashi Watanabe
    • 学会等名
      12th International Conference on Ubiquitous Healthcare
    • 発表場所
      近畿大学(大阪府・東大阪市)
    • 年月日
      2015-11-30
    • 国際学会
  • [学会発表] 足こぎ車いすのFES走行制御のためのEMG信号に基づく刺激開始タイミングに関する検討2015

    • 著者名/発表者名
      只野卓巳,渡邉高志
    • 学会等名
      MEとバイオサイバネティックス研究会
    • 発表場所
      東北大学(宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-11-20
  • [学会発表] 慣性センサを用いた歩行事象検出アルゴリズムの臨床応用のための問題点抽出に関する検討2015

    • 著者名/発表者名
      阿部光司,遠藤 駿,渡邉高志
    • 学会等名
      MEとバイオサイバネティックス研究会
    • 発表場所
      東北大学(宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-11-20
  • [学会発表] 機能的電気刺激(FES)による運動制御とリハビリテーション2015

    • 著者名/発表者名
      渡邉高志
    • 学会等名
      第25回インテリジェント・システム・シンポジウム
    • 発表場所
      東北大学(宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-09-24
    • 招待講演
  • [学会発表] A Basic Study on Quantitative Evaluation of 3-dimensional Foot Movements with an Inertial Sensor during FES Foot Drop Correction2015

    • 著者名/発表者名
      Maho Shiotani, Takashi Watanabe
    • 学会等名
      the 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 発表場所
      Miano, Italy
    • 年月日
      2015-08-28
    • 国際学会
  • [学会発表] A Validation Test of a Simple Method of Stride Length Measurement Only with Inertial Sensors and a Preliminary Test in FES-assisted Hemiplegic Gait2015

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe and T. Miyazawa
    • 学会等名
      World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering
    • 発表場所
      Toronto, Canada
    • 年月日
      2015-06-08
    • 国際学会
  • [学会発表] 慣性センサを用いた歩行リハビリテーション支援のための評価指標算出・可視化アプリケーションの構築2015

    • 著者名/発表者名
      阿部光司,渡邉高志
    • 学会等名
      第54回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県・名古屋市)
    • 年月日
      2015-05-07
  • [学会発表] 生体医工学的観点から見た医療・福祉システム2015

    • 著者名/発表者名
      渡邉高志
    • 学会等名
      第15回青葉技術会ビジネス交流会
    • 発表場所
      東北大学・東京分室(東京都・千代田区)
    • 年月日
      2015-04-24
  • [産業財産権] 歩行測定装置、歩行測定方法及び歩行測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム2015

    • 発明者名
      渡邉高志,小林大亮,塩谷真帆
    • 権利者名
      渡邉高志,小林大亮,塩谷真帆
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2015-085114
    • 出願年月日
      2015-04-17
  • [産業財産権] 歩数計測装置、歩数計測方法及び歩数計測方法をコンピュータに実行させるためのプログラム2015

    • 発明者名
      渡邉高志,裴 艶玲
    • 権利者名
      渡邉高志,裴 艶玲
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2015-087001
    • 出願年月日
      2015-04-21

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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