立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (A) ]最適刺激位置を追従する Robotic FES の開発
Development of a robotic FES device that tracks the optimal stimulation position
2221017

研究代表者

電気通信大学
脳・医工学研究センター准教授

姜共同研究者

電気通信大学
大学院情報理工学研究科

教 授

横井銀

来浩

史

[研 究 の 目 的]
機能的電気刺激 (FES: Functional ElectricalStimulation) を用いた脳卒中後のニューロリハビリテーションにおいて，脳の中で意図した図1運動と，電気刺激で発現された運動と一致する筋収縮に伴う MP の皮膚に対する移動ことで，脳の可塑的変化あるいは再組織化が誘導される。この過程を集中的に反復することにより，中枢神経系の回復が促進される。しかし，最も幅広く利用されている表面電極を用いた
FES には二つの課題がある。一つは，同じ刺激でも運動中に誘発される筋収縮力が異なることであり，もう一つは，関節運動の中間姿勢の

図2

肘関節角と MP 位置との関係制御が不精確である。課題の起因は，筋収縮による Motor Point (MP) の皮膚に対する移動膚に対する MP の位置が移動するため，初期であると，申請者の先行研究で明らかにしたの電極位置では MP を刺激できなくなる。申[1][2]。

請者の先行研究で上腕二頭筋と三頭筋におけるMP は最も低い刺激強度で筋収縮を誘発でき

MP 位置と肘関節角度との関係を調査した結果，る皮膚上の部位と定義されている。MP をター

肘の屈曲により，二頭筋の MP が近位方向に，ゲットとする刺激は，効果が高く電気刺激によ三頭筋の MP が遠位方向に移動することが確

る 筋 疲 労 も 少 な い。し か し，Dynamic Exer-認された (図 2)。

cise において，MP が皮膚に対して移動するた

Dynamic Exercise の関節運動に伴う最適なめ，皮膚上の表面電極による刺激の効果が薄れ

電 気 刺 激 位 置 MP の 移 動 に 追 従 す る よ う なてしまう。表面電極による FES を実施する前FES システムの開発が，本研究の目的である。に，一般的に皮膚上に MP の位置を探索し，ロボット技術を導入することで，MP の移動にその位置に合わせて電極を貼り付ける (図 1

追従するような刺激方法を開発することで，負左)。しかし，図 1 右のように，筋収縮で筋長担の軽減と効果の向上を両立できできる刺激方変化の大きい Dynamic Exercise の際には，皮法の開発を図る。

― 1 ―立石科学技術振興財団[研究の内容，成果](1) 表面電極配置方法の検討
表面電極法は電極の大きさによって，双電極法 (BEC: Bipolar Electrode Configuration) と単電極法 (MEC: Monopolar Electrode Configuration) との 2 種類に分けられる。双電極法は同じ大きさの電極を対象の筋肉を挟むように貼る方法である。双電極法では，電極面積が等しいため電極の中間付近の筋肉が刺激される。電極間の距離によって刺激範囲が決定される。双電極法は大きな筋肉を刺激するのに適した方法である。一方で，単電極法は刺激したい筋肉の図3方に面積の小さい電極 (関電極) を，面積の大FES における双電極法と単電極法

きな電極 (不関電極) を拮抗筋，もしくは筋末端部に貼る方法である。電極の面積が小さい方の電流密度が大きくなり関電極付近の筋肉が優先して刺激される。刺激範囲が減少し対象の筋のみを刺激することができ。不要な筋の収縮を防ぐことができる。一方で痛みや不快感などを生じやすい欠点もある。
本研究は，FES の有効性の改善のために特に電極の貼り方に注目した。そこで，上腕二頭
図4筋への FES において単電極法と双電極法の電最大誘発力

極配置により，刺激中の出力と筋疲労がどのように変わるのかを明らかにするために実験を行った。
実験では，不関電極を拮抗筋である上腕三頭筋に貼る単電極法 (MECA) (図 3(a))，不関電 極 を 前 腕 肘 付 近 に 貼 る 単 電 極 法 (MECF)(図 3(b))，双電極法 (図 3(c)) の 3 種類を比較した。固定器具を取り付け刺激中の出力も測定しながら肘を固定した等尺性下で電気刺激を行った。刺激の前後に，それぞれ最大恣意筋力

図5MVC の変化率収縮(Maximal voluntary contraction : MVC) 3回測定した。MVC の平均値の変化を筋疲労のを表す。図 5 に MVC の変化率の結果を棒グラ指標とした。被験者は健常者 9 人であった。

フで示す。

実験結果は，図 4 と図 5 に示す。図 4 に各電刺激中の最大出力が得られた配置方法は，拮極配置において刺激前の 100%MVC を 100%抗筋である上腕三頭筋に不関電極を置く単電極として，刺激中の最大出力が何 % を占めるか法であった。筋疲労は電極の配置方法による有― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation意な差はなかった。この結果により，上腕二頭筋における FES は拮抗筋に不関電極をおく単電極法が最適であることを明らかにした。
(2) MP 追従刺激装置の開発図に示した MP の位置と肘関節の角度との関係に基づいて，上腕二頭筋を対象とした MP追従刺激装置を開発した。移動式電極装置を図6 に示す。本研究では電極の制御にリニアアク図 7 モーターのステップ数を計算する近似曲線チュエータを採用した。本装置では日本パルスモーター株式会社の直動型 PM ステッピングモーター (PFCL25-48Q4 (096)) を使用した。

(2) 評価実験と結果

ステッピングモーターは本装置ではナット部にMP 追従刺激の効果を検証するために，従来電極を取り付け，位置制御を行う。ネジリードの方法である多チャンネル同時刺激 (SS) ととモーターの回転数によって移動量を決定できの比較実験を実施した。被験者は健常男性 4 名るため制御が単純であり，ナット部に電極を直と健常女性 1 名の計 5 名であった。実験環境は，接取り付けることで装置を小さくできるため本

図 8 に示す。

装置で採用した。また，先行研究によると上腕FES による筋疲労を発生させ，SS と MPT二頭筋の MP 位置の平均移動量は約 32.0 mmを比較するために筋疲労プロトコル (図 9) をであることが報告されている[1]。本研究で使実施した。筋疲労プロトコルは 2 s の刺激を 3用したボールネジのシャフトの長さは 90 mm

s の間隔で伝達し (1 周期：5 s) これを 200 周で使用可能長さは 60 mm であり，MP の移動期行った。腕を伸ばした状態を基準姿勢 (肘関範囲をカバーするようにした。

図6

上腕二頭筋の MP を追従する装置

MP の位置は個人差が大きく関節角度によりMP 位置の移動量は異なる。本研究では，各被図8

実験装置の全体像

験者の MP 位置およびその移動量に合わせ電極位置の制御を行う。図 7 に示したように，肘関節角度と MP 位置との関係を曲線で近似し，その曲線よりモーターのステップ数を算出する方法を考案した。
図9― 3 ―

筋疲労プロトコルの刺激周期立石科学技術振興財団

節角度 0°) とし，被験者に刺激が発生しない 3s の間に肘関節を基準姿勢に戻すように指示した。
比較対象である SS の電極配置は図 10 に示す。前述の表面電極配置方法の検討により，不関電極を拮抗筋である上腕三頭筋に貼る単電極法 (MECA) を採用した。3 チャンネル同時刺激のタイミングチャートを図 11 に示す。
筋疲労の評価を行うために MVC の測定を行った。MVC の計測では，上腕の力だけを入れるように被験者に指示し，フォースゲージの

図 12

刺激前後の MVC

図 13

MVC の変化率

先に取り付けたワイヤーを引っ張ることでMVC の 計 測 を 行 っ た。ま た，肘 関 節 角 度 を90°で一定にし，等尺性収縮の元で行われた。
MVC はそれぞれ計測間隔を 1 分間として 3 回計測した。筋疲労プロトコル実施後 5 分間の休憩の後計測した。各実験の間隔は筋疲労を考慮して 48 時間以上の感覚をあけた。

それぞれの手法においての刺激前後の MVCを図 12 に，MVC の変化率の平均値を図 13 に示す。Wilcoxson の符号順位検定によって有意差検定を行った (p<0.05)。各手法において刺激前後の MVC で，有意差が見られた。変化率
図 10

多チャンネル同時刺激の電極配置においても，SS と移動式電極装置の間で有意差がみられた。
これらの結果により，本研究で開発した移動式電極装置は SS と比較して筋疲労軽減に効果があり，MP を追従できていることが考えられる。
[今後の研究の方向，課題]
本研究は，Dynamic Exercise の関節運動に伴う最適な電気刺激位置 MP の移動に追従す
る FES 電極移動装置を開発し，上腕二頭筋を

図 11

多チャンネル同時刺激のタイミングチャート

対象として，MP 追従刺激の可能性と効果を検― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation証した。

International Conference of the IEEE Engineering

本研究では上腕二頭筋のみへの刺激を行ったが，肘関節の正確な姿勢制御を行うためには拮

in Medicine and Biology Society (EMBC), pp. 63376340, 2021.

抗筋である上腕三頭筋への刺激を同時に行う必要がある。そのため，上腕三頭筋への刺激を行うための装置とそれに基づく姿勢制御法の開発が今後必要であると考える。上腕二頭筋も三頭筋も複数の MP を持っているため，多数の MPを同時に追従するために，追従刺激装置の更な[成果の発表，論文など][ 1 ] Kiyoka Arai, Masao Sugi, Hiroshi Yokoi, LinWang and Yinlai Jiang, Comparison of Bipolar andMonopolar Electrode Configurations for FES on
Biceps Brachii, the 45th Annual International
Conference of the IEEE Engineering in Medicine
and Biology Society, 2023, accepted

る小型化・軽量化が要求される。今後，リニア[ 2 ] 柿野和真，山野井佑介，東郷俊太，横井浩史，アクチュエータより軽量で，身体に装着しやす姜銀来，伸縮機構を備えたロボティック・フィン
ガーの開発，日本ロボット学会誌，採択

いワイヤー駆動を検討する予定である。

[3]

森本韻，山野井佑介，杉正夫，姜銀来，横井浩

史，FES における刺激の位置から手指姿勢の推定：[参考文献]

機械学習を用いた試み，日本ロボット学会誌，40[ 1 ] Kento Ichikawa, Yinlai Jiang, Masao Sugi, Shunta
Togo, Hiroshi Yokoi, Joint Angle Based Motor Point
Tracking Stimulation for Surface FES: A Study onBiceps Brachii, Medical Engineering & Physics, Vol.
88, pp. 9-18, 2021.
[2]

Takashi Hirai, Yinlai Jiang, Masao Sugi, ShuntaTogo, Hiroshi Yokoi, Investigation of Motor Point
Shift and Contraction Force of Triceps Brachii for
Functional Electrical Stimulation, 43rd Annual― 5 ―巻 6 号 p. 546-549，2022．
[4]

安田翔大郎，姜銀来，杉正夫，横井浩史，機能的電気刺激を用いた母指の対立運動を伴う手指姿勢の発現，LIFE 2022 (第 21 回日本生活支援工学会大会，日本機械学会 福祉工学シンポジウム 2022，
第 37 回ライフサポート学会大会)，1P2-A2，2022.
[5]新井清か，杉正夫，横井浩史，姜銀来，上腕二頭筋の機能的電気刺激における単電極法と双電極法の比較，LIFE 2022, 3P1-E1, オンライン，2022.