立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

バーチャルミラーボックスによる新しい手指リハビリ手法の開発
Novel Method for Hand Rehabilitation Using Virtual Mirror Box
2161007

研究代表者

富山県立大学 工学部
知能デザイン工学科

准教授

小柳

共同研究者

富山県立大学 工学部
知能デザイン工学科

教 授

大島(助成金受領者)

健一
徹

要素も加えたバーチャルミラーボックスを開発[研 究 の 目 的]する。リハビリ効果の定量的評価・見える化を
片手切断者等の幻視痛治療において，切断部行うだけでなく，旧来の装置では行えない運動を隠すように鏡を置き，患側上に健側の虚像をの誘導やアシストを加え，比較的簡便な装置と写して健側の動きと同時に見せることで行う鏡いう優位性を保ったまま，新規で高機能なリハ

療法 [1] は，多くの治療成績がある。脳卒中

ビリ手法の開発を目指す。本論文では，試作しのような中枢系疾患患者への応用では，脳内のたバーチャルミラーボックスで行える訓練・評

身体モデルと現実との矛盾を視覚フィードバッ価の方式である，鏡療法モードと教示モードにクによって補い，脳に運動機能の再学習をさせついて述べ，脳卒中後の片麻痺者や注意障害者る働きが期待される。既にいくつかの臨床的なに試行した結果を示す。また，同じく行える力

成果報告 [2]〜[4] があるが，その機序は十分刺激モードで用いる多自由度バルーン型アクには解明されていない。臨床における一般的なチュエータについて述べる。なお，患者を対象

手指の機能評価は，ある握り方や動作，作業がにする全ての実験は，金沢医科大学医薬品等臨できるかのような定性的なものがほとんどで，床研究倫理審査員会の承認のもとで進められた。

細やかな機能評価は難しい。単純に鏡を用いた[研究の内容，成果]

手法では手指の動きを定量的に評価できない問題が残るが，鏡療法にコンピュータを援用することで，ロボットを用いた訓練運動支援装置に1．ハードウェア構成比べて簡便で実用性の高いシステムの構築が期

ミラーボックスは，図 1 のように穴を開けた待できる。しかし，これまでに提案された方法箱に鏡を入れ両手を差し込んで用いる道具であ[5]〜[7] では，ロボットを用いた大掛かりなる。図では，左手の鏡像が本来なら右手があるシステムであるか，簡便な装置であっても手指位置に見え，仮に右手が失われているか，またの定量的な評価に至ってはいない。

は十分に動かなくても，右手が左手の動きに追これらに対し本研究では，箱に鏡を入れた簡従して動いているように見える。脳卒中片麻痺

易な装置であるミラーボックスをモチーフに，者が使うと，右手 (麻痺手) を動かそうとする

拡張現実感技術を加え，さらにアクチュエータ

意図に対し見かけの右手 (健手の鏡像) による― 1 ―立石科学技術振興財団

視覚フィードバックを脳に与えることになり，るように斜め向きの板を置き，モニタ角度と映センサリモータ系の再構築・再学習を促進する像の向きが合うようにした。使用者は少し手を効果が期待できる。

背屈させることになるが，指の動きに支障が出

本研究では，ミラーボックスの機能に，複合るような角度でないことは確認している。また，現実感技術による手の目標姿勢となるような刺板には黒い布を貼り，モニタ背面には鏡を設置

激画像の重畳，実際の手の姿勢の計測や，目標し照明を反射させることで，板上に影ができな姿勢との偏差の算出機能を追加した。これをデいようにした。PC を除くバーチャルミラー

ジタルミラーボックスと呼び，図 2 に示す。内ボックス 1 台の重さは，65N 程度である。

部には，USB カメラ (640×480 pixel，30 fps)と白色 LED ライト (90 lux/1.0 m) を設置し2．画像処理と定量評価ている。ボックスに手を挿入すると，撮影されバーチャルミラーボックスでは，手の映像をた映像に中央の PC で画像処理した結果をリア

制 御 PC (Windows7，Core-i7 2.4 GHz，メ モ

ルタイムでボックス前面のモニタ (15.6 inch，リ 4 GB) にて VC++ および OpenCV3.0 にて1366×768 pixel) に 提 示 す る。元 来 の ミ ラ ー

開発したソフトウェアを用いて画像処理を施し，ボックスは，上から覗き込むようにしなければ実際の手の姿勢と目標姿勢との偏差を計測する。

ならないため，使用者に負担の大きい姿勢をさまた，刺激画像と手の画像をモニタに出力する。

せていた。バーチャルミラーボックスでは，モ

図 3 において，左手が健常手で右手が麻痺手ニタを斜めに置くことで自然な座位姿勢のままとすると，以下の手順を行う。

で使用できる。ただし，内部に指先側が高くな(a) 画像を中央で区切り，右手領域と左手領域に分ける。
(b) 左手領域のみの鏡像を作製する

図1

図2

ミラーボックスバーチャルミラーボックス

図3

― 2 ―

鏡像処理と鏡像処理

Tateisi Science and Technology Foundation(c) 右手領域に左手領域鏡像を移動する。

して扱う。それを重畳したときの重なり合う部(d) 左手領域鏡像を二値化し，背景領域を取分を新たに黒 (0) とし，このときの白領域を対り除き，左手鏡像領域を作製する。

象 差 (Subtraction) と 定 義 す る。Subtraction(e) 左手鏡像領域で元の手の画像を切り取る，を代表値で割ったものを一致度とし，グラフ表または領域を単色で塗りつぶし，左手鏡像示する。Subtraction は，手指姿勢のずれだけとする。

ではなく位置のずれも含む。すなわち，左手と右手の指角度が一致していても，手首の位置の(f) 左手鏡像を右手領域に重畳する。
図 3 は，この (e) において元の手の画像をずれや手首の傾きによって一致度は小さくなる。

用いたもので，鏡像を実画像の上に重ねている。

そこで，単に左手鏡像領域面積と右手領域面積

そのため，元来のミラーボックスと同様に，意の差 (Difference) を定義し，Difference を代

図通りに運動しているような視覚フィードバッ

表値で割った一致度も評価値として用いた。

クを，鏡像から得ることができる。また，図 4のようにいくらかのずれが生じている場合，鏡3．多自由度バルーン型アクチュエータ像に実際の手を合わせようとすることで，意図より重篤な麻痺を有する者に他動運動的に手通りの運動へ導く視覚刺激を与えることができ指を動かす必要がある。脳卒中麻痺患者は手をる。

握るのがたやすく開くのが難しいため，課題画定量的な評価を行うため，上述 (d) におけ像に合わせて膨らんで形状を変える空気圧式アる二値化画像を用いる。図 6 のように左手鏡像クチュエータが適していると考えられる。また，

領域や右手領域を白 (1)，背景領域を黒 (0) とこれは物理的な刺激装置でもあるため，デジタ
ルミラーボックスにとっては視覚フィードバッ
ク機能に力覚フィードバック機能を加えることとなり，複合的な感覚フィードバックが脳の運動制御に与える影響の検証にもつながる。
筆者らは，図 14 に示す 3 自由度のバルーン型アクチュエータを試作している。軽く握れる程度の木の土台に，3 つの風船を母指，示指と中指，薬指と小指に対応する位置に取付けた。
膨らませる風船を制御することで，グー・チョキ・パーに対応した姿勢を取れる。また，風船

図4

患側と健側のずれ

図5は自転車タイヤのゴムチューブを用いた。この定量的評価

図6― 3 ―

多自由度バルーンアクチュエータ

立石科学技術振興財団

用途では，風船に空気を注入したときに，半径ハビリや障害予防となる運動を行うことで，健方向には大きく膨らみ軸方向にはあまり変動し康寿命の延伸，ひいては地域の活性化にもつなない異方性が要求される。いくつか検討した結がると期待できる。

果，コスト，破裂耐性などを考慮して決定した。
バルーン型アクチュエータは，空気を抜き畳ま[参考文献]れている状態で患者に握らせ，デジタルミラー[1] Ramachandran, V. S. and Hirstein, W., The

ボックス内に手を差し入れて用いる。風船内のperception of phantom limbs (Review), Brain : A

圧力制御にはピストンシリンダ型アクチュエー
タを用い，比較的ゆっくりと膨張収縮をさせる。

Journal of Neurology, 121 (1998), 1603-1630.
[2] Yavuzer, G. Selles R., Sezer, N., Sütbeyaz, S.,Bussmann, J. B., Köseǒglu, F., Atay, M. B. and Stam,

すなわち，外力により手指を伸長させる他動運

H. J., Mirror therapy improves hand function in

動的な使い方をするよりは，膨らむことで手指subacute stroke : a randomized controlled trial,に伸長方向の力刺激を与えて自動運動を誘発さArchives ofphysical medicineand rehabilitation, 89-せる狙いもある。

3 (2008), 393-398.
[3]Thieme, H., Mehrholz, J., Pohl, M., Behrens, J. andDohle, C., Mirror Therapy for Improving Motor
Function After Stroke, Stroke, 44-1 (2012), e1-e2.

[今後の研究の方向，課題][4] 平上尚吾・井上優・佐藤ゆかり・原田和宏・香川幸次郎，脳卒中片麻痺患者の上肢運動機能に対する本論文では，手指リハビリテーションを行う回復期のミラーセラピーの効果，理学療法科学，ミラーボックスに，拡張現実感技術として，画像処理・情報化機能を加え，さらにアクチュエータ要素も加えたバーチャルミラーボックスの試作機について述べた。また，バーチャルミ
ラーボックスで行える訓練・評価の方式につい31-4 (2016), 609-613.
[5] Kaneko,F.,

Yasojima,T.

andKizuka,

T.,

Kinesthetic illusory feeling induced by a finger
movement movie effects on corticomotor excitability, Neuroscience, 149-4 (2007), 976-984.
[6] 一ノ瀬晶路・佐野佑子・和家尚希・大隅倫弘・住谷昌彦・熊谷晋一郎・國吉康夫，高い治療効果を有て述べた。力刺激機能に用いる多自由度バルーする利便性の高い幻肢痛 VR リハビリシステムの開ン型アクチュエータについて述べた。

発，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講

金沢医科大学病院において行っている実験により，バーチャルミラーボックスで麻痺の程度や注意障害の程度を定量的に評価し現せることが分かっている。しかし，これまでは実験結果

演会 2015 講演論文集，(2015), 1P2-L04.
[7] 松田直樹・金子文成・柴田恵理子・高橋良輔・本澤征二・稲田亨・小山聡，視覚誘導性自己運動錯覚が脳卒中片麻痺者の上肢運動機能回復に及ぼす影響，理学療法学，43-Supplement 2 (2016), 0939.

を個別に解析し解釈し考察したものであり，評価指標として挙げた一致度を系統的に解析し評価する手法を確立することが課題として残る。

[成果の発表，論文等][1]

大島徹，小柳健一，影近謙治，増田寛之，本吉達

また，訓練効果の程度を検証するには，多くの郎，「鏡治療法を起点とした画像処理リハビリテー臨床的実験が必要である。

ション装置の開発」，日本機械学会ロボティクス・

本研究のバーチャルミラーボックスは，構造が比較的単純であるため，多様な使い方が期待できる。当初は個人のリハビリとして家庭や病院，介護施設への導入を想定するが，次のステップとして複数人で同時にひとつの課題を行うようなことも考えられる。みなで楽しんでリ― 4 ―メカトロニクス講演会 2016 講演論文集，2P1-01b3(2016).
[2]

小柳健一，大島徹，影近謙治，村林知明，増田寛之，本吉達郎，澤井圭，「デジタルミラーボックスによる脳卒中片麻痺者に向けた新しい手指リハビリ手法」，第 22 回ロボティクスシンポジア予稿集，pp. 1-6 (2017).