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2015 年度 実績報告書

BMIを用いたペダリング型下肢運動リハビリテーションシステムの構築と有用性の検討

研究課題

研究課題/領域番号 26282162
研究機関東京大学

研究代表者

満渕 邦彦  東京大学, 情報理工学(系)研究科, 教授 (50192349)

研究分担者 荒木 望  兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10453151)
深山 理  東京大学, 情報理工学(系)研究科, 助教 (30508205)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードリハビリテーション / 医療・福祉 / 脳・神経 / 生物・生体工学 / 生体・生命情報学
研究実績の概要

平成27度は、脳波から、リアルタイムでペダリング動作意図を検出するソフトウエアの改善とともに、1)疑似歩行装置として、ペダルの回転装置の他に、クランク型の疑似歩行装置の開発、2)モータによる回転によってではなく、機能的電気刺激(FES)による筋肉の収縮により足(ペダル)の強制回転を行わせる機構の開発、3)電極として、ペースト等を必要としないドライアクティブ電極を用いた脳波計測系の構築、および、4)ペダリング動作をイメージする際に、リズミカルな視覚刺激・聴覚刺激を加え、このリズミカルな刺激によるイメージング効率の上昇に対する効果等についても検討を行った。健常人・脊髄損傷の患者さんを被験者とした実験で、1)のクランク型の疑似歩行装置に関しては、患者さんの漕ぐ操作も無理なく行う事が可能で、クローヌスなどの発生も抑制できており、また、2)のFES によるペダリングコントロールも、タイミングに合わせて筋収縮を発生させ、ドロップフットの抑制にも有効というそれなりの結果を得る事が出来たことから、概ね、研究を順調に進める事が出来たと考えている。ただ、3)のドライ電極に関しては、まだノイズ等が大きく、良好な信号を得るには至っておらず、今後の改良が必要である。また、脳波以外の手法を用いた脳活動の評価も試みる予定であったが、今後、情報通信研究機構との共同研究の形で MEG, fMRI, fNIRS を用いた運動意図の検出も試みる予定である。
システムの評価に関しては、現在は健常者を被験者とした、いわゆる運動のイマジェリーを行った際のシステム作動の正答率による評価、および、1名の脊髄損傷のボランティアを被験者としてシステムを作動させた際の成績、によって評価を試みているが、今後は多数の脊髄損傷の患者さんに対して本装置を適用し、症状の改善がみられるかについても統計的検討を加えていく予定である。

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

前項でも述べたように、システム構築に関しては研究計画は概ね順調に進展していると考えている。昨年度(初年度)は、研究の骨子である、脳波(β, 及びα帯域のERD)によりペダルを漕ごうとする運動意図をリアルタイムで検出し、ペダル(とそれに固定した足)を回転させるアルゴリズムの構築と、ペダリング装置のハードウエアの構築を行ったが、本年度は、このペダリング装置のハードウエア、および、運動意図検出のソフトウエアの改良を進めるとともに、麻痺肢を強制的に動かすのに、単に外力(モータ)によって強制回転させるのではなく、末梢神経への電気刺激により筋肉を収縮させる、いわゆる機能的電気刺激(FES)によりペダルを回転させる(より生理的に生体に近い)システムへと拡張させる事、および、脳波計測に関して、現在のペーストを必要とする皿電極を用いたシステムから、装着が簡単でペーストを必要としないドライ・アクティブ電極を用いたシステムに変更する事を目的としてシステムの開発を進めた。FES を用いてペダルを回転させる系については、ペダルをモータで回転させると同時に足の回転の位相に同期して(電気刺激によって)筋を収縮させるシステムを構築し、良好に作動する事を確認している。また、ペダリング装置も回転式のものの他に(クローヌスの発生を抑え、スムースに動くように)足を交互に前後へ動かすクランク式のものも試作し、良好な結果を得ている。
問題点としては、ドライアクティブ電極による信号計測が良好でない事、また、運動意図検出の正答率、及び、検出までの時間遅れの問題がある。運動意図検出に関しては正答率が80%を超える事を目標としているが、現在は70%代で十分とは言えない。又、遅れ時間に関しては、データ処理による遅れと正答率との間にトレードオフの関係があり、実時間性を考えて、どこまでが許容範囲かについて検討を加えている所である。

今後の研究の推進方策

疑似歩行装置(ペダリング装置)に関しては、ペダル回転型・クランク型両者の改良をさらに推し進める。特にモータ回転によるノイズがのる事があり、これの抑制に努める。脳波の計測系に関しては、ドライアクティブ電極の形状・構造の改善と、電極固定用のヘッドキャップの改善を進める。モータによる足の強制回転ではなく、FESにより足の筋肉を収縮させ、その力によりペダル(クランク)を回転させるシステムに関しては、現在、モータによる足の強制回転とFESを併用した形で作動させているが、FESの比率を徐々に上げて最終的にはFES のみでペダル(クランク)を回転させる事を試みる。
運動意図を検出する手法としては、現在は、基本的には脳波のβ波帯域のパワーを特徴量とし、ERD・ERSによる変化を検出するという方法を用いているが、特徴量の選択等について、更に検討を加え、また、脳波以外にも、NICT (情報通信研究機構)との共同研究の形で、脳磁図(MEG)、近赤外スペクトロスコピー(NIRS)、機能的MRI(f-MRI)などを用いて運動意図の検出を試みる。また、本年度実施する事が出来なかったが、動物を用いた実験系で、麻痺肢を強制回転させ、これに同期させて脳皮質(運動野・感覚野)に微小電気刺戟(ICMS)を加える事によってリハビリテーション効果が発現するか否かの検討も試みる。
また、実際の脊髄損傷などの患者さんに作成した装置を適用し、非適用患者さんとの間で症状の改善を比較検討し、装置のfeasibility についての評価を行う。

次年度使用額が生じた理由

機能的電気刺激(FES)用の電気刺激装置として、単価980,000円の装置を購入する予定であったが、別のFES用電気刺激装置を実験期間のみレンタルで使用した事による。最初、購入を予定していたFES用電気刺激装置の購入予算を、電気刺激装置のレンタル料、ペダリング装置の部品費、被験者(脊髄損傷の患者さん)の旅費等に使用したが、本年度の電気刺激装置の使用期間はそれほど長くはなく、当初の予想予算額との間で差額が生じたため、次年度使用額が生じる結果となった。

次年度使用額の使用計画

平成28年度には、機能的電気刺激用の電気刺激装置をレンタル期間が長くなることが予想されるので、その際の費用(の一部)に使用する予定である。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Active Noise Reduction with the Wiener Filter for Vagal Nerve Recording of a Goat with an Implanted Artificial Heart Device2016

    • 著者名/発表者名
      Osamu Fukayama, Shintaro Hara, Itsuro Saito, Yusuke Abe, Kunihiko Mabuchi
    • 雑誌名

      Abstracts of The 47th ISCIE Intl. Symp. on Stochastic Systems Theory and Its Applications

      巻: 1 ページ: 25-26

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 脳内刺入電極を用いた脳領野間への電気的な経路の追加による神経活動への影響2016

    • 著者名/発表者名
      星野彰太郎、深山理、星野隆行、満渕邦彦
    • 雑誌名

      電気学会研究会資料 医用・生体工学研究会 (MBE-16)

      巻: 1 ページ: 33-38

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 同期的電流刺激デバイスを用いた神経細胞間における高ガンマ帯信号の伝播効率変化2016

    • 著者名/発表者名
      内藤優、深山理、満渕邦彦
    • 雑誌名

      電気学会研究会資料 医用・生体工学研究会 (MBE-16)

      巻: 1 ページ: 55-58

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 足こぎ運動中における視覚刺激による事象関連脱同期と定常状態視覚誘発電位の同時利用の検討2015

    • 著者名/発表者名
      井尻蓮, 荒木望, 中谷真太朗, 小西康夫, 満渕邦彦
    • 雑誌名

      第28回バイオメカニカル・ファジィ・システム学会年次大会抄録集

      巻: 1 ページ: 227-228

  • [雑誌論文] Motion Discrimination from EEG Using Logistic Regression and Schmitt-Trigger-Type Threshold2015

    • 著者名/発表者名
      Motoki Murakami, Shintaro Nakatani, Nozomu Araki, Yasuo Konishi and Kunihiko Mabuchi
    • 雑誌名

      Proceedings of 2015 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics

      巻: 1 ページ: 2338-2342

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 大脳基底核ブレイン・マシン・インタフェースのための電極位置同定手法に関する研究2015

    • 著者名/発表者名
      須藤奈美、深山理、内藤優、禹泰城、井上雄介、磯山隆、関野正樹、阿部雄介、満渕邦彦
    • 雑誌名

      Proceedings of Life Engineering Symposium 2015

      巻: 1 ページ: 115-118

  • [雑誌論文] 多点電極 BMI による歩行関連電位計測のための体動に由来する同相信号成分除去2015

    • 著者名/発表者名
      平野健、須藤奈美、深山理、満渕邦彦
    • 雑誌名

      Proceedings of Life Engineering Symposium 2015

      巻: 1 ページ: 129-131

  • [雑誌論文] AVR マイコンを用いたシナプス可塑性誘発デバイスの開発 - 入力の同期性に関する時間的性能の検討2015

    • 著者名/発表者名
      内藤優、須藤奈美、深山理、満渕邦彦
    • 雑誌名

      Proceedings of Life Engineering Symposium 2015

      巻: 1 ページ: 134-137

  • [雑誌論文] 脳機能改変に向けた脳内インピーダンス制御における電場・電流分布の検討2015

    • 著者名/発表者名
      星野彰太郎、深山理、星野隆行、満渕邦彦
    • 雑誌名

      Proceedings of Life Engineering Symposium 2015

      巻: 1 ページ: 152-155

  • [雑誌論文] EEG制御足漕ぎ車椅子を用いたリハビリテーションへの視覚的フィードバック導入に関する検討2015

    • 著者名/発表者名
      木太久賢悟、中谷真太朗、井尻蓮、深山理、荒木望、満渕邦彦
    • 雑誌名

      Proceedings of Life Engineering Symposium 2015

      巻: 1 ページ: 162-167

    • 謝辞記載あり
  • [学会発表] 脳内刺入電極を用いた脳領野間への電気的な経路の追加による神経活動への影響2016

    • 著者名/発表者名
      星野彰太郎、深山理、星野隆行、満渕邦彦
    • 学会等名
      電気学会 医用・生体工学研究会
    • 発表場所
      東京都目黒区(東京大学(先端研))
    • 年月日
      2016-03-22
  • [学会発表] 同期的電流刺激デバイスを用いた神経細胞間における高ガンマ帯信号の伝播効率変化2016

    • 著者名/発表者名
      内藤優、深山理、満渕邦彦
    • 学会等名
      電気学会 医用・生体工学研究会
    • 発表場所
      東京都目黒区(東京大学(先端研))
    • 年月日
      2016-03-22
  • [学会発表] 脳波からの動作識別のためのL1正則化を用いた特徴量選択手法2016

    • 著者名/発表者名
      村上元気, 中谷真太朗, 荒木望, 小西康夫, 満渕邦彦
    • 学会等名
      第24回日本人間工学会システム大会
    • 発表場所
      東京都新宿区(早稲田大学西早稲田キャンパス55号館大会議場)
    • 年月日
      2016-03-11
  • [学会発表] 麻痺患者の運動企図に応じた足漕ぎ車いす動作のためのウェアラブル脳波計の利用検討2016

    • 著者名/発表者名
      中谷真太朗, 井尻蓮, 荒木望, 小西康夫, 成瀬康, 満渕邦彦
    • 学会等名
      第24回日本人間工学会システム大会
    • 発表場所
      東京都新宿区(早稲田大学西早稲田キャンパス55号館大会議場)
    • 年月日
      2016-03-11
  • [学会発表] Active Noise Reduction with the Wiener Filter for Vagal Nerve Recording of a Goat with an Implanted Artificial Heart Device2015

    • 著者名/発表者名
      Osamu Fukayama, Shintaro Hara, Itsuro Saito, Yusuke Abe, Kunihiko Mabuchi
    • 学会等名
      The 47th ISCIE Intl. Symp. on Stochastic Systems Theory and Its Applications
    • 発表場所
      Waikiki Beach Marriott, Honolulu, HI, USA
    • 年月日
      2015-12-05
    • 国際学会
  • [学会発表] 足こぎ運動中における視覚刺激による事象関連脱同期と定常状態視覚誘発電位の同時利用の検討2015

    • 著者名/発表者名
      井尻蓮, 荒木望, 中谷真太朗, 小西康夫, 満渕邦彦
    • 学会等名
      第28回バイオメカニカル・ファジィ・システム学会年次大会
    • 発表場所
      熊本県熊本市東区(東海大学熊本キャンパス)
    • 年月日
      2015-11-22
  • [学会発表] Artifacts reduction with a simple filter for multichannel implantable neural interfaces2015

    • 著者名/発表者名
      Osamu Fukayama, Mitsuhiro Takano, Shintaro Hara, Itsuro Saito, Yusuke Abe, Kunihiko Mabuchi
    • 学会等名
      Socierty for Neuroscience Annual Meeting 2015
    • 発表場所
      McCormick Place, Chicago, IL, USA
    • 年月日
      2015-10-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Motion Discrimination from EEG Using Logistic Regression and2015

    • 著者名/発表者名
      Motoki Murakami, Shintaro Nakatani, Nozomu Araki, Yasuo Konishi and Kunihiko Mabuchi
    • 学会等名
      2015 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics
    • 発表場所
      City University of Hong Kong, Kowloon, HongKong, China
    • 年月日
      2015-10-11
    • 国際学会
  • [学会発表] 大脳基底核ブレイン・マシン・インタフェースのための電極位置同定手法に関する研究2015

    • 著者名/発表者名
      須藤奈美、深山理、内藤優、禹泰城、井上雄介、磯山隆、関野正樹、阿部雄介、満渕邦彦
    • 学会等名
      計測自動制御学会 ライフエンジニアリング部門シンポジウム 2015
    • 発表場所
      福岡県飯塚市(九州工業大学)
    • 年月日
      2015-09-02
  • [学会発表] 多点電極 BMI による歩行関連電位計測のための体動に由来する同相信号成分除去2015

    • 著者名/発表者名
      平野健、須藤奈美、深山理、満渕邦彦
    • 学会等名
      計測自動制御学会 ライフエンジニアリング部門シンポジウム 2015
    • 発表場所
      福岡県飯塚市(九州工業大学)
    • 年月日
      2015-09-02
  • [学会発表] AVR マイコンを用いたシナプス可塑性誘発デバイスの開発 - 入力の同期性に関する時間的性能の検討2015

    • 著者名/発表者名
      内藤優、須藤奈美、深山理、満渕邦彦
    • 学会等名
      計測自動制御学会 ライフエンジニアリング部門シンポジウム 2015
    • 発表場所
      福岡県飯塚市(九州工業大学)
    • 年月日
      2015-09-02
  • [学会発表] 脳機能改変に向けた脳内インピーダンス制御における電場・電流分布の検討2015

    • 著者名/発表者名
      星野彰太郎、深山理、星野隆行、満渕邦彦
    • 学会等名
      計測自動制御学会 ライフエンジニアリング部門シンポジウム 2015
    • 発表場所
      福岡県飯塚市(九州工業大学)
    • 年月日
      2015-09-02
  • [学会発表] EEG制御足漕ぎ車椅子を用いたリハビリテーションへの視覚的フィードバック導入に関する検討2015

    • 著者名/発表者名
      木太久賢悟、中谷真太朗、井尻蓮、深山理、荒木望、満渕邦彦
    • 学会等名
      計測自動制御学会 ライフエンジニアリング部門シンポジウム 2015
    • 発表場所
      福岡県飯塚市(九州工業大学)
    • 年月日
      2015-09-02
  • [学会発表] 足踏みペダルカーを模した下肢運動装置の製作と評価2015

    • 著者名/発表者名
      井尻蓮, 中谷真太朗, 小西康夫, 荒木望, 満渕邦彦
    • 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
    • 発表場所
      京都府京都市左京区(京都市勧業館「みやこめっせ」)
    • 年月日
      2015-05-18

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公開日: 2017-01-06  

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