機能的電気刺激(FES)を用いた足踏み式車椅子開発のための基礎研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14380388
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 半田 康延 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (00111790)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中野 栄二 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (90198151) ; 藤居 徹 東北大学, 大学院・医学系研究科, 助手 (70302122) ; 関 和則 東北大学, 大学院・医学系研究科, 助教授 (20206618) ; 星宮 望 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50005394) ; 高橋 隆行 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助教授 (70197151)
• Keywords: 機能的電気刺激 / 足踏み式車椅子

Research Abstract

本研究では、足踏み式車椅子の走行をFESで制御し、下肢不自由者の高速移動とそれによる日常生活活動の拡大を目的としている。平成14年度は、以下の5項目の研究を行った。
1 健常者の足踏みペダル運動の解析
健常被験者において、本人の同意を得た後、3次元動作解析装置とエルゴメータを用いて、足踏み運動時の下肢関節位置座標とクランクトルクと足底圧を計測し、股関節・膝関節・足関節モーメントを算出した。
2 足踏み式車椅子用表面電極式FES装置の開発
8チャンネルの刺激出力を有し、ペダルクランク角度を検知して刺激開始と強度を決定する表面電極式FES装置を開発した。また、電気刺激から筋収縮が得られるタイムラグを自動的に補正するアルゴリズムも開発した。
3 表面刺激電極の開発
刺激部位は、両下肢の大腿四頭筋とハムストリング筋、大殿筋の合計6筋を基本とし、十分な筋収縮力が得られる大きさを検討した。また、皮膚インピーダンスが低くなるような刺激用電極を開発した。
4 シミュレーションによる刺激データの作成と健常者での刺激実験
下肢を剛体リンクモデルとして、足踏み運動シミュレーションを行い、各筋肉の最適筋収縮タイミングを決定した。この結果と刺激-収縮タイムラグの自動補正式から、最適電気刺激タイミングを算出し、刺激データを作成した。健常被験者の大腿四頭筋とハムストリング筋に対して、表面電極を用いて刺激実験を行い、ペダル回転速度が変化しても、スムーズな足漕ぎ運動を再建することができた。
5 以上の結果に甚づき、足踏み式車椅子の設計と試作を行った。