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 (A) ］

義足歩行の習熟を支える神経基盤の理解とその定量評価システムの開発
Physiological Evaluation of Neural Basis behind Proficiency of Prosthetic Walk2201005

研究代表者

慶應義塾大学
環境情報学部

准 教 授

牛山

潤一

共同研究者

京都大学
大学院人間・環境学研究科

講師

萩生

翔大

東京大学

博士課程

原

大学院教育学研究科

基Chvatal et al., 2012)。さらにこの筋シナジーは[研 究 の 目 的]

歩行 (Ivanenko et al., 2004)/走行 (Cappellini
我が国には 60,000 人にものぼる下肢切断者

et al., 2006; Hagio et al., 2015)/サイクリングが存在し，義足は彼らの失われた身体機能を代(Barroso et al., 2014) /姿勢保持課題 (Chvatal替するうえで非常に重要なツールである。とくet al., 2013) など，異なる課題間で共有されてに日常活動量を維持するためには，リハビリいることが知られており，課題間の運動制御則テーションによって義足歩行の能力を増進するの共通性と相違性を抽出するうえで有用なメことは意義深い。義足歩行にとってもっとも深ソッドである。したがって，健常歩行と義足歩刻なのは，一般的な義足には骨格筋のようなア行の筋シナジーを比較することで，義足歩行のクチュエーターがないことであり (Boonstra

習熟とともに筋シナジーの再構成が起こるのか，

et al., 1996)，切断肢の残された関節・筋肉の既存の筋シナジーの動員タイミングを変調させみで義足を制御することは困難を極める。しかるのかなど，義足歩行への適応プロセスに迫るし，長年義足を利用し続けている習熟者は身体ことが可能になる。

的には左右非対称であるにもかかわらず，傍目近年，義足利用者の健常肢の活動に着目したには健常者と見分けがつかないほど，左右対称筋シナジー研究は数例報告されているが (Deな歩行が可能である (Nolan et al., 2003; Segal

Marchis et al., 2019; Mehryar et al., 2020)，切et al., 2006)。こうした義足習熟者の歩行制御断肢の残存部の制御にまで着眼した研究は存在を理解することは，義足歩行を「どのように学しない。そこで本研究では，トレッドミル歩行ぶか？」について体系だった訓練方法を確立すにおける筋活動パターンを健常者と義足利用歴るためには極めて重要である。の異なる股義足利用者間で横断的に比較するこ歩行は複数の筋群のコーディネーションを要とを目的とした。健常側に加え，義足側の近位する機能的な運動課題である。多くの研究で筋 (股関節周りの筋) からも筋電図を導出し，は，歩行における複数の下肢筋群の活動パター筋シナジー解析をもちいて，義足利用者特有のンが，いくつかの筋の機能的なまとまりである成分/健常者と義足利用者に共通の成分を検証「筋シナジー」を機能単位として分類可能であした。本研究が，セラピストの経験則に依存しる こ と を 示 し て い る (Ivanenko et al., 2004;ていた義足歩行リハビリテーションの現状を打Lacquaniti et al., 2012; Dominici et al., 2011;

破し，個々のユーザーの障害レベルや習熟レベ― 1 ―立石科学技術振興財団

ルに応じた柔軟かつ科学的なトレーニング法の提案への重要な第一歩であるものと確信している。
[研究の内容，成果]
1．方法
1-1．被験者

8 名の健常成人男性 (24±5 歳) と 3 名の義足利用者 (35±8 歳) が本研究に参加した。3名の義足利用者の義足歴はそれぞれ 3ヶ月/2 年/21 年であった。
図11-2．計測ワイヤレス筋電図センサ (A) の貼付位置(1, GLUTMax ; 2, GLUTMed ; 3, RF ; 4, BF ;5, TA ; 6, MG)。義足利用者を例に示す。

すべての計測はトレッドミル (Win FDM-T,Zebris Medical GmbH, Galgenbuehl, Germany)

行周期を同定した。1 歩行周期は，健常者は左上で実施された。被験者はトレッドミル上で 5足の踵地から次の踵地まで，義足利用者にとっつの異なる速度 (時速 2.0/2.5/3.0/3.5/4.0 キロては健常側の踵地から次の踵地までと定め，課メートル) における歩行を 30 秒ずつ実施した。

題中盤の 15 歩行周期を解析対象とした。筋電計測後にもっとも歩きやすかった至適速度を口

図波形はハイパスフィルタリング (カットオフ，頭でたずねた。

5 Hz)〜全波整流〜ローパスフィルタリング

図 1 に示すとおり，筋電図は健常側の内側腓(カットオフ，10 Hz) と処理したのち，1 周期

腹筋 (MG)，前脛骨筋 (TA)，大腿直筋 (RF)，につき 200 データポイントにリサンプルしたう

大腿二頭筋 (BF)，中臀筋 (GLUTMed)，大臀えで，速度ごとに 15 歩行周期の平均的な筋活筋 (GLUTMax)，および義足側の GLUTMed

動パターンをもとめた。筋電図振幅は，それぞと GLUTMax より導出した。健常者についてれの筋について，全 15 周期内の最大振幅値をは右脚より 6 筋，左脚より 2 筋とした。また，基準に規格化した (図 2)。

IMU センサーは仙骨上，大腿中部，下腿中部，そ の 後，非 負 値 行 列 因 子 分 析 (Non-足部にそれぞれ貼付され，関節角度変化の算出

negative matrix factorization，NMF) を 施 しに利用された。ワイヤレス筋電図・加速度評価(Lee et al., 1999)，同じタイミングで協調的にシ ス テ ム (TeleMyo DTS, Noraxon, Arizona,活動する筋のグループである「筋シナジー」をUSA) を用いて，サンプリング周波数 1500 Hz算出した。この解析から，一見別々の活動をしにて PC に記録された。ているようにみえる複数の筋の活動 (高次元)が，共通した少数の活動パターン (低次元) に

1-3．解析

圧縮されていること，すなわち筋活動の自由度

全被験者が 3.0/3.5/4.0 km/h の速度のいずれが簡略化されている様子をみてとることができかを至適速度であると申告したため，この 3 つる。NMF 解 析 を 通 じ て，そ れ ぞ れ の 筋 シ ナの速度の歩行に焦点をしぼって解析をおこなっ

ジーを構成する各筋の活動の重み (W) と，そた。フ ッ ト ス イ ッ チ の デ ー タ を 元 に 接 地 期の活動パターン (C) の情報を抽出した。また(stance phase) と遊脚期 (swing phase) の歩

行列 W と C の積によって再構成された行列― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図3図2

各被験筋の歩行周期依存的な筋活動パターン。健常者と義足利用者でほぼ同じパターンを示す筋もあれ
ば，義足利用者特有のパターンを示す筋，利用歴に応じてパターンが異なる筋などがみられる。

VAF の結果。これをもとにシナジー数を決定した。

2-2．各筋シナジーを構成する筋群とその活動パターン
図 4 には算出された筋シナジーへの各筋の重Mr の も と の 筋 活 動 行 列 M に 対 す る 寄 与 率

み (A) とそれぞれの筋シナジーの歩行位相に(variance accounted for: VAF) を 求 め た

依存した活動パターン (B) を示す。シナジー(Torres-Oviedo and Ting, 2007; Hagio and1 は健常側の股関節・膝関節周りの筋群を中心

Kouzaki, 2014)。健 常 者 の 筋 シ ナ ジ ー 数 はとした筋シナジーである。健常側の立脚に主にVAF 値 が 90% を 超 え る 最 小 数 (N_healthy)

寄与するシナジーと思われるが，義足歴 3ヶ月として決定した。義足使用者については，健常にユーザーでは遊脚中の活動が特異的に大きい。

者全員の N_healthy 時の VAF の分布を求め，こうした活動は，義足歩行時のバランス保持のそれぞれの義足使用者の VAF 値がこの分布内不安定さを補償する健常側の遊脚戦略を反映しに入るのかどうかの判定を行い，入る場合は筋ているものと思われる。既存の筋シナジーの活シナジー数は同数，入らない場合 (かつ分布の動パターンを変えながら，不慣れな義足歩行に正の方向に超える場合) は筋シナジー数は 1 つ

適応していこうとする初期の制御戦略の変化を少ない数として決定した。

反映しているものと思われる。シナジー 2 は健常側の足関節周り，とくに腓腹筋を中心とした2．結果筋シナジーである。前方に推進するためのエネルギーを生み出す筋シナジーと思われ，健常者

2-1．筋シナジーの数では立脚中は長く活動が持続するが，義足利用

図 3 には VAF の結果を示す。健常者群およ歴が長くなるにつれて活動タイミングが遊脚直

び義足利用歴 2 年のユーザーの筋シナジー数は前に集中するようになる。このことは義足歩行4 つ，義足利用歴 3ヶ月/21 年のユーザーの筋の習熟とともに前方への推進エネルギーを生みシナジー数は 3 つと算出された。

出すタイミングが変化することを示唆する。股義足には腓腹筋に該当するようなアクチュエーターが存在しないため，義足側の接地期全体にわたって前方への推進力を得ることは難しく，― 3 ―立石科学技術振興財団

が利用歴に応じて検出されたりされなかったりするのは興味深い。筋シナジーという神経システムそのものが義足の習熟とともにダイナミックに再編成されていることを示唆するものである。シナジー 4 は健常側の大腿二頭筋や前脛骨筋を含み，遊脚期後半から立脚期前半に活動が大きくなる。活動度の差はあれど，活動タイミ
ングは健常者でも義足利用者でも大差がなく，既存のシステムをほぼ同様のタイミングで利用していることがわかる。以上のように，本研究は利用歴の異なる股義足ユーザーを対象に，健常側・義足側の双方から筋電図を取得し，その歩行制御戦略を筋シナジーの観点から検討した。
結果，既存の筋シナジーの再利用/既存の筋シナジーの活動タイミングの変調/筋シナジー自体の再編と，構造面・機能面の可塑的変化によって義足歩行の習熟が支えられていることが明らかとなった。
[今後の研究の方向，課題]
本研究では，利用歴の異なる複数の義足ユーザーの歩行制御戦略を横断的に比較したが，あ図4算出された筋シナジーへの各筋の重み (A) と 3 つの歩行速度における各筋シナジーの活動パターン。
同じ列に並べられた筋シナジーは，健常者・各義足利用者間で共通した筋シナジーとして分類されたものである。

くまでも個人間の比較にとどまっており，ここでみられた差異が利用歴による習熟度を反映したものなのか，あくまでも個人の歩き方の差異が反映されているだけなのかは定かではない。

身体重心をある程度前方に移動させてはじめてコロナ禍で思うように計測が進展しなかったこ推進力が生まれる。こうした義足側がもつ拘束ともあるが，継続的な計測の必要性はあるであ条件に健常側の制御戦略も近づけることで，左ろう。ただし，とくにシナジー 2 に見られるよ右対称な歩行を実現しているのかもしれない。

うに，既存の筋シナジーの活動タイミングが利このシナジー 2 についてはとくに，利用歴の長用歴とともに変化していく様子が観察されたこさとともに活動パターンが変化していくのが興とは意義深い。たとえば視覚刺激や筋電気刺激味深く，既存の筋シナジーの動員タイミングのをもちいて義足歩行に適した活動タイミングを可塑的変調が反映されたものと思われる。シナ

ユーザーにフィードバックすることによって，

ジー 3 は健常者ならびに義足利用歴 3 年のユー義足歩行の習熟を促進してあげるような科学的ザーのみにみられた筋シナジーである。健常者サポートのあり方も考えられる。このような科

では右脚，義足利用者では義足側の股関節筋が学的エビデンスをもとにした義足歩行リハの開含まれるシナジーであり，遊脚から立脚への切発に今後は着手していきたい。

り替え期に活動がみられるが，この筋シナジー― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

generating capability. J Neurophysiol 112: 316-27.

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・ De Marchis C et al., Modular motor control of thesound limb in gait of people with trans-femoral
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・ Lacquaniti F et al., Patterned control of human locomotion. J Physiol 590: 2189-99, 2012. Lee DD &Seung HS. Learning the parts of objects by nonnegative matrix factorization. Nature 401: 788-791,1999.
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・ Torres-Oviedo G & Ting LH. Muscle Synergies
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・ Dominici N et al. Locomotor primitives in newborn[成果の発表，論文等]

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・ 国際学術誌投稿に向けた原著論文を現在執筆中であ・ Hagio S & Kouzaki M. The flexible recruitment ofmuscle synergies depends on the required force-― 5 ―る。