2016 Fiscal Year Annual Research Report
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
| Project/Area Number |
15H03050
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
渡邉 高志 東北大学, 医工学研究科, 教授 (90250696)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | リハビリテーション工学 / 電気刺激 / 慣性センサ / 片麻痺 / 歩行 / 足こぎ車いす |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に検討した慣性センサによる運動評価指標の算出アルゴリズムをMATLAB上で実装し，自動処理と複数指標を組み合わせた評価が可能なアプリケーションを構築した．また，前額面内角度の推定精度のばらつきを改善するために座標系の校正方法を検討し，回旋歩行での推定精度を改善するためにカルマンフィルタの適用方法を改良した．回旋歩行を含む複数の歩行条件で身体部位ベクトルと関節角度の評価を行い，誤差がベクトル値6%程度，角度3deg未満で推定できた．回旋運動評価では膝関節に着目し，慣性センサ信号からの指標算出法を決定した．大腿部センサによるぶん回し歩行評価，足部センサによる足部接地時の角度評価についても解析を行い，評価方法の実現可能性を確認した．
繰り返し制御による電気刺激パラメータ自動設定法について，前年度の方法で応答性に課題があったため改良し，健常者座位での実験的検証から有用性を確認した．実時間閉ループFES制御については，実用性を考慮してファジィ制御器で実装し，座位での膝関節制御で実験的検証を行った．足こぎ車いすのFES走行制御については，繰り返し制御に加え実時間閉ループ制御が有効になることを予備試験で確認した．また，応答の遅れが大きいことから，学習型制御法の検討を開始した．刺激タイミングについては，前年度のEMG計測結果に基づいてFES制御で実験的に検討し，慣性センサ情報によるリアルタイム検出に基づく電気刺激教示タイミングデータとして利用可能であることを確認した．
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したリハビリテーション用プロトタイプシステムを構築し，健常者や片麻痺者で動作検証を実施し，教示効果を引き出す上での課題を確認した．また，免荷式リフトを併用する歩行訓練を対象に，歩行の計測と解析を行い，少数センサでの有効な評価指標の検討を開始した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
慣性センサを用いた3次元運動評価のための統合型アプリケーションを構築し，下肢運動機能やリハビリテーション効果を評価する基盤を実現した．健常高齢者の下肢運動機能評価には十分実用的になると期待され，また，運動機能障害者の機能評価に関する情報提供も可能になる．運動機能障害者の評価のために，より詳細な評価に利用可能な指標の算出方法，慣性センサ情報から評価指標を推定する精度の更なる向上とばらつきの低減を継続して検討することで，リハビリテーションでの利用範囲の拡大を期待できる．
FESによる動作制御法については，実用性を考慮してファジィ制御を用いた実時間閉ループ制御の基盤を構築し，座位での関節運動や足こぎ車いす走行のFES制御で実験的に検証した．下肢動作では上肢よりも電気刺激応答の遅れが大きく，開ループ制御との併用が実用的になると示唆されたため，学習型FES制御の検討を開始した．
FES制御や教示で利用するための刺激タイミングについては，前年度のEMG計測結果に基づいてFES制御で実験的に検討した結果から，検討した刺激タイミングデータを利用可能であることを確認した．このタイミングデータをもとに繰り返し制御や実時間閉ループ制御と組み合わせて，教示訓練とFES制御訓練を組み合わせたリハビリテーションが行えるシステムに展開することを今後進める予定である．
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したリハビリテーション用プロトタイプシステムを構築し，健常者や片麻痺者で動作検証を実施し，利用可能性を確認したが，教示効果にばらつきもみられたことから，今後，教示の利用方法を検討することが課題である．少数センサでの有効な評価指標については，単一センサで推定可能な指標に加え，訓練の具体的方法が必要であったことから，新たに免荷式リフトを併用する歩行訓練を対象に検討を開始した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
能動運動を引き出す電気刺激教示支援型運動リハビリテーション法の開発に関して，前年度に構築した統合型評価アプリケーションで利用するための基準データの作成を進め，リハビリテーション訓練効果の評価に利用する上での課題を検討する．また，アプリケーションに追加実装するために，ぶん回し歩行の評価指標，回旋運動の評価法の確立を進めるとともに，評価指標の推定精度の向上のための座標系の校正方法を実用性を考慮して検討する．あわせて，これまでに構築してきた評価指標算出法について全体的な推定精度の向上と安定化を継続して検討する．
少数センサで簡便に状態を把握する方法を実現するため，多数センサシステムでの計測結果からリハビリテーションで有用な指標を決定し，少数センサで推定可能な指標の決定と，推定方法の開発を行う．
実際に訓練で使用することを想定し，動作のFES制御法を開発する．FESによる下垂足矯正のための3次元動作の制御法は，前年度までの検討結果をもとに，歩行の計測結果から刺激強度や刺激タイミングを自動調整する方法を実現するために，繰り返し制御，及び実時間閉ループ制御の方法を検討する．また，足こぎ車いすのFES走行制御で利用するための実時間閉ループ制御についても実現を進める．
在宅リハビリテーションへ展開するために，前年度に構築したプロトタイプシステムの試験を継続し，課題解決を図るとともに，教示の利用方法の検討を行う．また，前述の慣性センサに基づく電気刺激教示法とFES動作補助法の実装を進める．
以上の結果をもとに，慣性センサ情報に基づいて能動運動のタイミングをリアルタイム検出し電気刺激で教示する方法とFESによる運動補助を利用する方法とを統合したリハビリテーションシステムに発展させる．
|
Research Products
(17 results)
