立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (B) ］

慢性重度片麻痺上肢の回復に有効なサイバネティック機能的電気刺激装置の開発
CYBERNETIC ELECTRICAL STIMULATOR DEVELOPMENT FOR CHRONICUPPER- EXTREMITY HEMIPARESIS TREATMENT
2201903

研究代表者

群馬パース大学
大学院保健科学研究科

教 授

南共同研究者

岡山医療専門職大学
作業療法学科

教 授

小林

征吾隆

司

[研 究 の 目 的]
慢性脳卒中の重度片麻痺上肢は，難治性を伴い実用的な上肢までの回復は困難とされる。また，それは痛みや筋の萎縮の原因になるだけではなく，姿勢バランスを崩し転倒の危険性を高め，寝たきりになる二次的要因ともなっている。

図1

重度片麻痺上肢の人に対して，運動療法と随合目的的電気刺激療法の実践過程と事例(脳卒中発症 5 年以上) ※文献 [4] にて作成

意運動介助型の電気療法を併用すると運動療法

trical stimulation therapy: PA-EST) と し た

単独の介入よりも治療効果が高いとされている(Minami et al., 2020, 2021)。このプログラムに(Hara, et al., 2008)。電気刺激療法は，抹消神より，廃用的上肢から補助的上肢までの改善を経を刺激し，筋収縮や随意性を促通するとして認めた (図 1)。このプログラムは，その人の生理学的にも効果が示されている (Japanese

合目的的活動に焦点を当て，筋電気刺激装置をGuidelines for the Management of Stroke 2015.

併用することで，慢性重度麻痺側上肢をもつそ3rd ed.)。一方，電気刺激療法だけでは生活行の人の生活を豊かにすることができた。

為に上肢を汎用するまでに至らないとの指摘も

筋電気刺激装置は，筋電気刺激によって筋をある (Granz et al., 1996)。慢性脳卒中の重度片刺激し関節を動かし，手の運動を促すものであ

麻痺上肢を患った人の殆どは，在宅で生活される。慢性重度麻痺側上肢に対する筋電気刺激装ており自宅で出来る実践と電気刺激療法の組み置の役割を目的活動と生活適応から分類すると合わせは重要な課題であると考えられる。

図 2 となる。図 2 は，① 運動ができない人に我々は，慢性重度麻痺側上肢に対するリハビ

筋電気刺激装置によって廃用性筋委縮を予防やリテーションの在宅支援プログラム開発を進め，筋力トレーニングを実施する装置，② 運動が本人の関心のある合目的的活動と，現存する先できない人に，筋電気刺激装置によって目的活端機器の介助型電気刺激装置 (NESSH200) と動を促し運動を引き出す装置，③ 環境にした

随 意 介 助 型 電 気 刺 激 装 置 (WILMO) を 段 階がって生活適応力を引き出す装置，である。③

的に実施した。このプログラムを合目的的電は，機器を主体にするのではなく，人が主体と気 刺 激 療 法 (purposeful activity-based elec-なる機器を考えている。

― 1 ―立石科学技術振興財団

システムである。なお，図 3 の筋電気刺激装置の青の枠組みは，これまで実施してきた PAEST のプログラムである。赤枠は，環境情報と身体信号から筋電気刺激装置に情報入力と出力する本研究の取り組むべき課題である。
本研究では，手の作動する環境 (物体) の距離や高さをデータ処理できるよう画像センサを用いて測定する。手の動くシステムは，指導モードと実施モードによって調整する (図 4)。
指導モードは，測定側の手から出力される筋の図2

慢性脳卒中の重度片麻痺上肢に対する目的活動と生活適応の筋電気刺激装置の分類

電圧を対象物からの距離と同期して測定する。

③の装置は，対象物 (環境) と身体反応の関節の背屈運動，手指の伸展運動，手指の屈曲運係性を捉え人の予測制御を促し，生活適応力を動を主たる筋の筋電計の電気信号とする (図高められるもので，まだ世界に於いて見当たら5)。このデータを動かす側の筋電気刺激の基準ない。これをサイバネティック機能的電気刺激とする。実施モードでは，指導モードによって装置とした。この装置の開発は，神経系機能の測定された手の筋の電圧が設定基準となる。基

情報と機械の自動制御を統合し，人と機械の相準とした各電気信号の強度と距離に合わせて，互関係を促進する。本研究では，身体反応と外筋電気刺激の出力で手を動かす。なお，筋電気部環境を取り込み，人の動きを促通する研究機

刺 激 の 最 大 強 度 は，健 康 機 器 に 相 当 す る 10器の開発に取り組んだ。

mA までとした。なお，強度は周波数やデュー測定対象は，手の動きを把握するために，手関ティ比によって調整する。指導モードを非麻痺側と想定，実施モードを麻痺側として想定して[研 究 の 内 容]
これまで実施してきたプログラムと本研究の位置づけを図 3 に示す。本人と療法士とで確認した目的活動に必要な動作を促せる筋電気刺激の最低強度を設定する方法の開発 (インタラクティブ)。ヒューマンインタフェースは，人の認知・行動によって目的動作を予測し，筋電気刺激装置の筋電気刺激の強さをさらに制御する

図4

環境情報と身体反応の捉え方 (指導モード，実施モード)

青枠：合目的的電気刺激療法のこれまでの実践内容
赤枠：環境情報と身体信号を捉えて筋電気刺激を出力する (本研究)

図3

本研究の位置づけ

図 5 電極パッドの貼る位置― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundationいる。本研究は，システムが作動するかどうかようにした (図 7)。筋電位測定の結果は，画を確認するもので，患者には実施していない。

像センサで捉えた位置と物体との距離において相違なく観測することができた。

[研 究 の 成 果]
研究成果の概要は，① 画像センサによって物体と身体の動きを観測する，② 筋電位測定を基盤に，③ 筋電気刺激が出力される，④ 強度をデューティ比と周波数で調整する，⑤ 電気刺激装置の安全機能の確認，である。
1．画像センサ (図 6)
物体と手の位置を広視野で捉えることができる解像度の高い画像センサを用いて，物体と手に表示したポイントマーカーの高さと距離を捉

図7

3 つのチャンネルで受信されるえた。なお，ポイントマーカーが距離に合わせて追随するかを確認し，画面上に示した位置と3．実施モード (筋電気刺激出力)の一致を確認した。物体の大きさは 100 mm に画像センサと表面筋電位から得られたデータ設定した。なお，画像センサは部屋の明暗にに基づいて出力値を電気刺激装置に入力する。

よって影響をうけることを防ぐために明暗を自距離と出力値は，目標物と手の間の距離に対す動調調整し，ポイントマーカーを捉えやすくしる筋電気刺激の強さの出力値を設定する。距離た。動作の確認の結果，画像センサで捉えた位と距離の間は線形な傾きにより出力値を補完し置と物体との距離において相違なく確認できた。

表示される。例えば，距離 0 mm 時に出力値 8mA，150 mm 時に出力値 4 mA，300 mm 時に
出力値 2 mA，450 mm 時に出力値 1 mA，に設定した(図 8)。筋電気刺激量は実質の関節運動までは及ばなかったが，出力の強弱は距離によって確認できた。

図6

筋電気刺激出力と距離

2．指導モード (筋電位測定)

図8

筋電気刺激の線形画像センサで得られた物体との距離のデータと，その距離に応じて表面筋電位を測定した。

4．強度設定測定時は，物体から 400 mm 離れたところから電気刺激の周波数とそのデューティ比を以下物体に触って戻すまでを 5 回実施した。また，のように設定した。周波数出力は矩形波で行わ1 往復に約 10 秒間かけるように指示をした。

れ，1 周期のディーティ比[%] の間出力 ON

筋電計のセンサのチャンネルは 3 つ受信できる(出力値の値を出力)，100-ディーティ比[%]― 3 ―立石科学技術振興財団の間出力 OFF を繰り返す。なお強度設定によな AI の導入が求められる。

り実施モードで行った関節運動は実質値には至2．アプリケーションの開発らなかった。

本研究では，環境情報と身体信号で得られた情報を入力し，この情報に基づいて筋電気刺激

5．安全機能の確認
筋電気刺激出力の開始ボタンを押すと，電気装置によって刺激が出力された。出力値は一部刺激の出力を開始される。対象物に手を近づけに手入力で実施した。したがって，情報を解析，たり遠ざけたりすると，電気刺激出力の設定に判断と処理から自動的に情報を出力するには従い筋電気刺激出力を与えられる。筋電気刺激至っていない。本研究によって得られたデータ出力の停止ボタンを押すと，電気刺激の出力をからある一定の出力アウトラインが見出せつつ停止する。なお，安全のため 3 秒間手の位置がある。今後明確な主力アウトラインが明らかに検出されなかった場合やソフトから基板ボックなれば，それによって予測制御できるシステム

スへの制御がなかった場合は電気刺激出力が強の開発が可能である。本研究機器によって，さ制的に OFF される。この機能は問題なく実施らに分析を進め予測制御できるデータを増やしできた。

アプリケーションとして稼働できるよう進めていきたい。ただし，最終的な判断はセラピストとエンドユーザーによって決定するシステムが[今 後 の 課 題]求められると推察される。
本研究は，環境情報と身体反応を捉えて，電気刺激の出力を調整するシステムである。本研

3．電気刺激装置の簡易に装着可能なデザイン

究によって，以下に 3 つの課題があげられ，そ本研究では，指導モードと実施モードに従って，筋電計や筋電気刺激のパッドの位置や張替のまとめを記載した。

えながら実施された。しかしながら，生活適応を高めるためには，合目的的動作のプログラム

1．筋電気刺激の設定
本研究では，環境と手の動きをモニターし，を阻害せず，またパッドをかえずにデータを取それに従って筋電気刺激の出力を調整し，一部得でき，且つ片手で簡易に着脱可能な電気刺激反対側の手の動きが再現された。しかしながら，装置のデザインの検討が必要である。デザイン

筋電気刺激の設定は，人によって異なり，電気の課題は，容易に脱着可能であること，電気刺刺激の強度やパルス幅，周期，デューティ比の激装置と合目的的動作を阻害しないことである。

設定が同じでも，人によって異なる反応を示す。

本研究機器は，さらに生体工学に合わせたデザそれだけでなく，日々の状態によっても異なるインによって生活適応力を高めるアイデアを考反応を示す場合がある。リハビリテーションを案することである。

実施するセラピスト，電気刺激装置を使用する
エンドユーザーにとっては，一定の基準を示す

4．本研究のまとめ
本研究機器を基盤に，対象物 (環境) と身体必要がある。
課題は，電気刺激の出力値をエンドユーザー反応によって人の動きを予測制御し，人と機械にわかりやすく，視覚的に表現できることであの調和をはかり，人の生活，思考，行動をさらる。表現は，「強い」「快適」「弱い」などであに高めることを検討した。環境に合わせて合目る。本研究機器による情報と新たな情報を組み的的活動を実施すための筋電気刺激の設定を試合わせて，筋電気刺激の設定を提案できる簡単

み，目的活動と生活適応に特化する電気刺激装― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

置の開発に取り組んだ。今後は，身体情報や信号を解析し判断/処理される予測制御システム[参考文献][1]

Hara et al.: A home-based rehabilitation pro-を開発し，人の生活適応力を支援するリハビリ

gram for the hemiplegic upper extremity by power-

テーション機器 (試作版) の製作を目指していassisted functional electrical stimulation. Disabil

きたい。

Rehabil. 30: 296-304. 2008.
[ 2 ] The Japan Stroke Society. Japanese Guidelines
for the Management of Stroke 2015. 3 rd ed. 286-294.
Tokyo, Kyowa Kikaku, 2019.

[成果の発表，論文等]
1)

Seigo MINAMI, Ryuji KOBAYASHI, Tomoki
AOYAMA.

Occupational

Therapy:Connecting

people and technology, 60th Japanese society for
medical and biological engineering, 36th Japan
biomagnetism and bioelectromagnetics society. 発表，2021．5 月
2)

南征吾：人と環境をつなぐテクノロジー，第 2 回
ロボットと作業療法研究会大会．発表，2021．7 月

3)小林隆司：AI とロボットの使用に向けて，第 56回日本作業療法学科，発表，2022．9 月4)

南征吾：合目的的活動と電気刺激療法の実践，第3 回ロボットと作業療法研究会大会．発表，2022．
11 月 (予定)[ 3 ] Glanz et al.: Functional electrostimulation in
post-stroke rehabilitation: A meta-analysis of therandomized controlled trials. Arch Phys Med
Rehabil. 77: 549-553. 1996.
[ 4 ] Minami et al.: Program for rehabilitation of thechronic severe hemiparesis upper extremity of
cerebral stroke survivors: application of purposefulactivities and an electrical stimulation therapy
program. Cognition & Rehabilitation, 1-1: 74-82.
2020.
[ 5 ] Minami et al.: Effect of home-based rehabilitation of purposeful activity-based electrical stimulation therapy for chronic stroke survivors: a crossover randomized controlled trial. Restorative
Neurology and Neuroscience. 39: 173-180. 2021.

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