大脳刺激・神経筋刺激・ロボット訓練による難治性疼痛と運動麻痺の同時克服への挑戦

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K18781
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 平井 宏明 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (60388147)
• 研究分担者: 齋藤 洋一 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 特任教授 (20252661)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• キーワード: 中枢性脳卒中後疼痛 / 運動機能回復 / 反復経頭蓋磁気刺激 / 機能的電気刺激 / ロボット訓練

研究実績の概要

難治性神経障害である中枢性脳卒中後疼痛は，患者の生活の質の低下は元より，患者を機能回復へ導くリハビリテーションの障壁となっている．こうした中，近年，脳神経科学の分野では「疼痛により運動が困難な麻痺肢を積極的に運動させることが脳の可塑性を誘発し，疼痛と麻痺の改善に繋がる」ことが示唆されている．では，如何にしてこの「疼痛・麻痺」と「運動」の相反する要求を満たし，治療として実現できるだろうか．本研究では，反復経頭蓋磁気刺激，機能的電気刺激，ロボット訓練のそれぞれ作用機序の異なる介入手段を組み合わせることで，除痛と運動機能回復を同時に実現する多様式な治療法を探索し，その科学的根拠の獲得を目指す．ここでは，ロボット訓練として，筋シナジー仮説に基づく運動療法を採用する．
昨年度に生じた想定外の機材の不具合より研究期間の延長を余儀なくされる中，本年度は阪大開発のリハロボットおよび筋シナジー解析技術を用いて，共同運動を特徴づける運動協調の5つの工学的指標（①運動学，②筋シナジー，③手先インピーダンス，④手先平衡点，⑤手先力）の評価の洗練化を行った．②③④は筋骨格系の数理モデルより算出される物理的指標であり，工学から医学への提案指標である．推定される運動特徴量は中枢神経系の運動指令を反映しており，異常運動の定量評価に貢献する．同手法を上肢到達運動を含む多様な身体運動の解析や訓練に適用することで，仮説に基づく運動の評価，介入，およびその周辺技術について科学的知見を深めた．結果は，「手先平衡点の操作性が向上するように，肢内のインピーダンスのバランスを調整することが本質的である」ことを示唆し，今後の展開への大きな足掛かりとなった．

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

実験実施に不可欠な機材（ロボットアーム）が初年度に故障し，原因の特定と修理に長期の時間を要し，その間，研究を中断せざるを得なかったため．

今後の研究の推進方策

予期せぬ事態のため，研究期間を1年間延長し，年度を繰り下げて当初の計画を遂行する．

次年度使用額が生じた理由

研究初期段階において，実験実施に不可欠な機材（ロボットアーム）が故障し，製造元である米国にて修理の必要を生じた．故障原因の特定と修理に長期の時間を要し，その間，研究を中断せざるを得なかったため．予期せぬ事態のため，研究期間を1年延長する手続きを行なった．年度を繰り下げて当初の計画を遂行予定である．

研究成果

• [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Massachusetts Institute of Technology
• [学会発表] ヒトとキカイの運動の科学 (2024)
  • 著者名/発表者名: 平井宏明
  • 学会等名: 第106回バイオメクフォーラム21
  • 招待講演
• [学会発表] Visuomotor adaptation in aiming movement: effects of order of control and dead time on error-driven switching control (2023)
  • 著者名/発表者名: Shun Yamane, Shotaro Hino, Hiroaki Hirai, Koyo Migiyama, Emiko Dan, Kazuhiro Matsui, Atsushi Nishikawa, and Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 45th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Relation between delay and sense of agency related to avatar experience using arbitrary dynamics (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuto Okamoto, Kazuhiro Matsui, Tetsuya Ando, Keita Atsuumi, Kazuhiro Taniguchi, Hiroaki Hirai, and Atsushi Nishikawa
  • 学会等名: 45th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Physiological markers of motor improvement following five-month sprint training in young boys (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuto Noro, Asumi Takeichi, Hiroaki Hirai, Hideya Okamoto, Daisuke Kogawa, Chikako Kamimukai, Yasunori Kaneko, Noriyuki Tabuchi, Shoji Kinoshita, Yuta Miyajima, Yusuke Yashima, Hirokazu Kuga, Satoru Yamamoto, Naoto Yamada, Kazuhiro Matsui, Atsushi Nishikawa, and Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: The 11th International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines (AMAM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 多チャンネル表面筋電図の統計解析から見たヒト上肢三次元到達運動の構成要素と運動制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 淡 媛美子, 平井 宏明, 伴 征晃, 山根 駿, Kevin Lam, 八島 侑祐, 黒木 蓮, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 第24回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2023)
• [学会発表] サッカー熟練者のインステップキック動作における蹴り脚の運動制御戦略 (2023)
  • 著者名/発表者名: 黒木 蓮, 平井 宏明, 八島 侑祐, 武市 明日海, 淡 媛美子, 山根 駿, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 第24回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2023)
• [学会発表] 脚間を連結する受動的外腱を付与されたヒトの走動作の運動適応とその利用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 八島 侑祐, Eric Christofori, 平井 宏明, 黒木 蓮, 武市 明日海, 山根 駿, 淡 媛美子, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 第24回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2023)
• [学会発表] 視覚／力覚提示によって修飾される人間機械系の機械動特性の変化に伴う人間の適応的運動制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山根 駿, Kevin Lam, 平井 宏明, 淡 媛美子, 伴 征晃, 八島 侑祐, 黒木 蓮, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 第24回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2023)
• [学会発表] 誤差学習を目的とした筋電図操作一人称アバターの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松居 和寛，安藤 哲也，岡本 湧人, 平井 宏明, 西川 敦
  • 学会等名: 第28回日本基礎理学療法学会学術大会
• [学会発表] 仮想空間における空間知覚の研究 ―二種のディスプレイの比較と触覚フィードバックによる介入効果の検証― (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡田 耕太郎, 松居 和寛, 厚海 慶太, 谷口 和弘, 平井 宏明, 西川 敦
  • 学会等名: 第28回日本バーチャルリアリティ学会大会
• [学会発表] 筋電図インタフェース一人称アバター体験を用いたニューロリハビリテーションの提案 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松居 和寛，安藤 哲也，岡本 湧人, 平井 宏明, 西川 敦
  • 学会等名: 第28回日本バーチャルリアリティ学会大会
• [学会発表] EMG信号の統計解析から見たヒト上肢三次元運動の基本要素 (2023)
  • 著者名/発表者名: 淡 媛美子, 平井 宏明, 山根 駿, 伴 征晃, 久賀 紘和, 八島 侑祐, 武市 明日海, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 第41回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2023)
• [学会発表] 陸上指導を受ける10－11 歳男児の疾走能力の熟達に伴う下肢制御戦略の変容 (2023)
  • 著者名/発表者名: 武市 明日海, 平井 宏明, 野呂 和主, 岡本 英也, 古川 大輔, 上向井 千佳子, 金子 靖仙, 田渕 規之, 木下 昭二, 八島 侑祐, 黒木 蓮, 久賀 紘和, 淡 媛美子, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 第41回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2023)
• [学会発表] 脚間を連結する受動的外腱を付与されたヒトの走動作と運動適応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 八島 侑祐, 平井 宏明, Eric Christofori, 武市 明日海, 黒木 蓮, 佐々木 皓生, 久賀 紘和, 淡 媛美子, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 第41回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2023)
• [学会発表] サドル支持型部分体重免荷, 左右分離型トレッドミル, および下腿筋への干渉波電気刺激を用いた歩行訓練システムの開発と評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 久賀 紘和, 平井 宏明, 古川 啓介, 佐々木 皓生, 淡 媛美子, 八島 侑祐, 武市 明日海, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 第41回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2023)
• [学会発表] 筋電図操作一人称アバター体験による誤差学習におけるアフターエフェクト (2023)
  • 著者名/発表者名: 松居 和寛, 安藤 哲也, 岡本 湧人, 平井 宏明, 西川 敦
  • 学会等名: 第21回日本神経理学療法学会学術大会
• [学会発表] Feasibility of human wrist-joint neuromuscular system identification method using functional electrical stimulation in clinical examinations (2023)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 雄也, 松居 和寛, 厚海 慶太, 谷口 和弘, 平井 宏明, 西川 敦
  • 学会等名: 生体医工学シンポジウム2023
• [学会発表] ディスプレイを介した仮想空間における空間知覚の研究 ―触覚フィードバックによる空間知覚への介入効果の検証― (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡田 耕太郎, 松居 和寛, 厚海 慶太, 谷口 和弘, 平井 宏明, 西川 敦
  • 学会等名: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023 (ROBOMECH2023)
• [学会発表] 視覚提示によって修飾される人間機械系の機械動特性の変化に伴う人間の適応的運動制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山根 駿, 日野 匠太朗, 右山 航洋, 平井 宏明, 淡 媛美子, 八島 侑祐, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023 (ROBOMECH2023)
• [学会発表] 脚間を連結する受動的外腱によるヒト走動作の経済性向上 (2023)
  • 著者名/発表者名: 八島 侑祐, 平井 宏明, 野呂 和主, 久賀 紘和, 佐々木 皓生, 内藤 龍人, 山根 駿, 松居 和寛, 西川 敦, Hermano Igo Krebs
  • 学会等名: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023 (ROBOMECH2023)
• [学会発表] 振動子とラップトップ PC を用いた自動ラバーハンド錯覚誘起システムの開発と評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松居 和寛, 濱 拓弥, 岡田 耕太郎, 平井 宏明, 西川 敦
  • 学会等名: 第62回日本生体医工学会大会
• [備考] 大阪大学 大学院基礎工学研究科 身体運動制御学グループ 西川研究室
  • URL: http://hmc.me.es.osaka-u.ac.jp/