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) ］

筋電図，機能的電気刺激，触覚提示が仮想/拡張現実内でインタラクティブに調和したバイオフィードバックシステムの開発
Development of a biofeedback system in which EMG, FES, and tactile presentation areinteractively harmonized in virtual / augmented reality
2211024

研究代表者

大阪大学
大学院基礎工学学研究科

助 教

松

居和寛

言える。さらに，FES を EMG に置き換えるこ[研 究 の 目 的]とで，直接的な身体不自由の治療にも指標を活
脳卒中理学療法における「バイオフィード用する。これは，VR/AR 内に，健康時の指標，バック療法」は，国内ガイドラインでは臨床であるいは自身とは異なる指標が反映された身体行うことが強く勧められているが，直感性に乏オブジェクトを用意し，EMG で操作することしく未だ発展途上である。本研究の目的は，筋で，「健康だったころの身体あるいは自身とは

電図 (EMG)，機能的電気刺激 (FES)，触覚異なる身体を動かす」，いわば代替現実 (SR)-提示を利用し，以下の機能を持つ，まさに人間

EMG-BFB として，小脳に存在すると言われと機械がインタラクティブに調和したバイオる「内部モデル」の再学習を促す，というもの

フィードバックデバイスを開発することである。

である (特願 2021-36935)。また，この NMSS・患者の発する EMG を用いて，「自身とは異モデルは，そのまま FES のコントローラとしなる身体」，「健康だったころの身体」を，仮て も 活 用 で き，SR-EMG-BFB に よ る 視 覚

想現実 (VR)・拡張現実 (AR) 空間内で制フィードバックだけでなく，FES を用いて実御するという体験を触覚と共に提供する。

際に四肢を制御することで体性感覚のフィード・VR/AR 空間で指定した運動を，FES を用いバックも可能となる。
加えて，体性感覚へのフィードバックをよりて患者自身の身体に教示する。

強化するために，ウェアラブルの触覚刺激装置も開発した。これらはローラ状の刺激部を回転[研究の内容，成果]させ指腹部に剪断刺激を与えるものと，ギア・我々が考案した FES による運動モデリングを活用する。これは，相反する作用を持つ複数ラック構造を用いて指尖部に圧覚刺激を与えるものである。の筋への協調的な FES を用いて刺激に対するヒトの身体の応答を神経筋骨格系モデル■ NMSS モデルを用いた EMG による運動予測(NMSS モデル) として同定し，そのパラメー

NMSS モデルを用いて，EMG から運動予測タを定量的な指標として取得，ヘルスデータとを行いそれを VR/AR 空間の仮想四肢に反映すして活用するものである。この指標を得ることることで，EMG で操作する任意の特性を持つはすなわち，末梢における神経伝達と筋のしな仮想四肢が実現できるかを検証した。2 名の被やかさを複合的に評価できる新しい検査手法と験者の上腕二頭筋・上腕三頭筋に電極を貼り付― 1 ―立石科学技術振興財団

け，それぞれ別の肘関節水平面内 1 自由度運動■ FES を用いた手指 MP 関節運動モデルの取を行ってもらった。タスクは，被験者 A：肘得および駆動

関 節 角 度 θ=90°か ら 目 標 地 点 の マ ー カ ま で指定した運動を FES で教示することを目的(60°程度伸展) 1 秒かけて肘を伸展させる運動に ヒ ト 手 指 MP (metacarpophalangeal) 関 節を 20 回，被験者 B：2 点マーカ間 (50°程度屈に対し電気刺激を行った時の挙動の再現性およ伸) を 2 秒と 3 秒周期で屈伸する運動を 40 秒

び，挙動が NMSS モデルを用いて説明できる間もしくは 60 秒間とした。EMG と関節角度かを検証した。FES を連続的に入力し，6 周期を取得し，被験者 A は 1 回ごと，被験者 B はの 平 均 と 標 準 偏 差 を 評 価 し た。運 動 範 囲 の3 周期ごとに切り出し平均化し，演算アルゴリ1.07〜6.23% で再現性があった。これまでの研ズムに入力した。演算に用いるパラメータは任究から NMSS モデルは 2 次+むだ時間+2 次と意とした。結果を図 1 に示す。

いう伝達関数で記述されることが示唆されたが，図 2 に示すように，より低次の 2 次+むだ時間の系でもボード線図に近似的にフィッティング可能であることを示すことができた。ただし，FES を入力した際の挙動は得られたモデルで説明するには姿勢等による非線形要素等の考慮が不足していることが示唆された。

図22 次遅れ+むだ時間でフィッティングした
ボード線図の例■ 触覚提示を行うデバイスの開発と触覚フィードバックの意義
触覚提示を実現するために，将来的にはウェアラブル化することを前提に，まずは据え置き型の剪断刺激デバイスを開発し，任意の知覚を
図1

予測角度と実測角度は 3 つの例で R 2 ≥0.8 で良く一致している。ここからパラメータ決定式係数群は任意だが，少なくとも角度予測ができ得る組み合わせがあることがわかる。また，被験者 B において，パラメータの決定 (≒学習) は 2 秒周期の結果で行ったが，異なる 2 タスクを 1 パターンのパラメータ決定式係数群で予測できている点も注目すべき点である。

与えられることを目的に刺激と知覚の関係性を定量化した (図 3)。回転数と指を押し当てる
押込み力を入力パラメータとして，摩擦感，反発感，痛みという項目を 7 段階アンケートによって定量化し，3 名の被験者のデータを用い― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundationて任意の感覚を得るための数理モデルを求めた。

EMG で VR 空間内にある四肢オブジェクトを当該モデルで別の被験者 1 名に任意の感覚を生操作でき，そのオブジェクトに任意のシンプルじさせる実験を行ったところ，7 段階評価に対な特性を持たせることができる図 5 のプロトタして 1 未満の誤差で感覚を提示できた。

イプが完成した。今後 SR-EMG-BFB によって内部モデルの再学習が可能かを検証していく。
さらに触覚提示との結合によってその効果がどのように変化するかも検証する。

図3

剪断刺激提示装置。将来的には指先に装着するウェアラブル化を目指しており，小型なものを製作した。
右図は実験時の示指の触れ方を表す。
図5

開発した SR-EMG-BFB プロトタイプ

また，ウェアラブルに示指指尖部に圧覚刺激を与えるデバイスを開発し，3 名の被験者に対・モデル化手法の簡便化

し 2 次元モニタ内に表示される奥行を持った仮モデル化手法の簡便化を進める。現時点で本想壁面を正しくなぞる補助ができるかを確認し指標を取得する検査システムは既存のものを利た (図 4)。今後，デバイスによる介入効果が用している。現状の既開発システムは図 6 のよデバイス離脱後も持続することを示すことがでうに非常に大型で，手順も煩雑で検査に時間がきれば，内部モデルが働くローカル座標ともいかかり，かつ各ユニットが独立しているので構える，身体図式への介入手法として提案するこ成が複雑である。まず肘関節 1 自由度に限定しとができると考えている。

た上で，既開発システムを「小型化」「簡便化」し，システム全体を病院等で使用できるサイズ感まで洗練し，指標の再現性，身体的特徴と指標の関連性を検証していく。本助成により試作が完了したので検証を進めていく。
・EMG による運動予測精度の向上

図4

圧覚刺激提示装置。ウェアラブル型であり，将来的に剪断刺激装置と結合することを考えている。

現状は，運動予測アルゴリズムに用いているパラメータは任意としているが，検査によって得られた値を設定することで，検査時に得られた随意運動を EMG から再現できるかを検証し[今後の研究の方向，課題]ていく。
今後以下の点を明らかにするために健常者で・FES による制御の精度向上の評価を進め，それと並行して協業先のメディ姿勢等による非線形性の考慮が不足している

カル分野のパートナーを探し臨床評価を進めてことが示唆されており，簡便化されたモデル化いく。

手法を用いて様々な姿勢や条件におけるモデル

・SR-EMG-BFB の介入効果を取得しその変化傾向を検証することで，現在本助成により SR-EMG-BFB の開発を進め，のモデルを修飾していく。

― 3 ―立石科学技術振興財団

2 ．安藤哲也，岡本湧人，松居和寛，厚海慶太，谷口和弘，平井宏明，西川敦．“内部モデルの再学習を目的とした仮想現実空間における視覚的筋電図バイ
オフィードバックシステムの開発 ―― ヒト肘関節剛性に与える影響の検討 ――．
”日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2022，2022 年 6
月 1-4 日；北海道，2A1-A12．
3 ．松居和寛，安藤哲也，Gong Shuogang，永井美和，平井宏明，西川敦．“内部モデルの再学習を目的としたモデルベースの筋電図バイオフィードバックシ
ステムに関する提案．
”第 19 回日本神経理学療法学会学術大会，2021 年 12 月 18-19 日；オンライン開催：O8-1．
4 ．松居和寛，安藤哲也，Gong Shuogang, 永井美和，平井宏明，西川敦．“筋協調を考慮した筋電図バイ
オフィードバックシステムの連続的な入力における角度計算精度検証．
”第 10 回日本支援工学理学療法学会学術大会，2021 年 12 月 4-5 日；オンライン開催：a132-1．
5 ．奥野真輝，松居和寛，下城拓真，厚海慶太，谷口和弘，平井宏明，西川敦．“二次元視覚情報下でのヒトの奥行き知覚能力の分析と触覚フィードバック
図6

これまでのシステム (肘関節水平面内 1 自由度用)。
上：神経筋系同定システム (センサをアングルを用いて卓上に固定する必要があり大がかり)，下：筋骨格系同定システム (外力印加装置接続箇所の互換性がなく神経筋系同定システムとは異なるセンサを使わざるを得ず，また可動部の重力補償にキャスター付き手置台を用いており摩擦による抵抗がノイズ源になる)の意義．
”第 39 回日本ロボット学会学術講演会，
2021 年 9 月 8-11 日；オンライン開催：1K2-04．
6 ．松居和寛，平井宏明，西川敦．
“機能的電気刺激により取得したヒト肘関節運動モデルを用いた筋電図による運動予測手法の検討．
”第 60 回日本生体医工学会大会，2021 年 6 月 15-17 日；オンライン開催：
O3-6-3-5．
〔その他〕[成果の発表，論文等]

1 ．特 許 出 願：PCT/JP2022/4796．出 願 日 2022 年 2
月 8 日．

〔学会発表〕
1 ．岡本湧人，安藤哲也，松居和寛，厚海慶太，谷口和弘，平井宏明，西川敦．“内部モデルの再学習を目的とした仮想現実空間における視覚的筋電図バイオフィードバックシステムの開発 ―― ヒト肘関節
運 動 に お け る平 衡 点の 挙 動 に 与 え る 影 響の検討――．”第 61 回日本生体医工学会大会，2022 年 6
月 28-30 日；新潟，O1-4-4-2．

― 4 ―2 ．松居和寛．
“表面筋電図および機能的電気刺激を用いた新しいバイオフィードバックシステムの研究．
”
第 6 回 大阪大学豊中地区研究交流会，2021 年 12月 21 日；オンライン開催．