リハビリテーション・エンジニアリング

特Vol.37 No.3,(2022)

集

VR 技術を用いたリハビリテーション医療の工学的理論背景

村川雄一朗 1）、原正彦 1), 2）

1）mediVR リハビリテーションセンター
2）島根大学 地域包括ケア教育研究センター

都合なく利用できる。

１. はじめに
我々は大阪大学における産学連携活動を通して仮2.2 三次元トラッキング想現実（virtual reality, VR）技術を応用したリハ

HTC 社製の高性能 VR 機器を採用した理由は三次ビリテーション（以下、リハビリ）用医療機器「mediVR

元空間においてミリ単位で正確な計測が可能だからカグラ」を開発し 2019 年 3 月より一般販売を開始しである。ベースステーションと呼ばれる赤外線を利た。本機器は座位トレーニングで安全にリハビリが用した測定用の機器を、リハビリスペースを囲むよう出来る一方で、その独自性のある高い改善効果に期に配置することで HMD あるいはコントローラーの位置待が集まっている 1)- 3)。機器発売当初はその効果を正確に把握する（図 1）。このような特徴から、セに懐疑的な意見も多く認められたが、近年ではエビラピストはリハビリ中に自分自身の体が赤外線の遮蔽デンスの蓄積や症例毎の劇的な改善の実体験も相物とならないように立ち位置に気を使ったり、赤外線まってその改善効果に対する認識がかなり浸透してきの乱反射を惹起するような鏡などの反射物、あるいたと感じている。本項では mediVR カグラの多彩なは赤外線と干渉するような強い光を生じるライトなど臨床効果や安全性が、どのような工学的理論背景にを周辺に配置しないようにしたりして、トラッキングエ基づき開発されたのかを概説する。

ラーが生じないように注意する必要がある。

２. mediVR カグラの構成
2.1 機器構成
mediVR カグラ（図 1）はソフトウェアとしてのカグラシステムを搭載したコンピューターと、高性能 VR機器によって構成される医療機器である。現在 VR
機器としては HTC 社製 HTC VIVE Pro Eye を利用しており、患者は頭部にヘッドマウントディスプレイ（HMD）を装着し、両手にコントローラーを保持又は固定して座位でリーチング動作を用いたリハビリを行う。なお、カグラシステムの実施にはインターネットを介したサーバーとの接続が必須となっているが、取り扱うデータパケットを最低限に留めることで上り500kbps、下り1Mbps 程度の通信が確保できれば不1）mediVR リハビリテーションセンター〒 561-0872 大阪府豊中市寺内 2-4-1緑地駅ビル 3 階

図1mediVR カグラの構成と右片麻痺患者に対するリハビリテーションの様子

2.3 操作画面− 122 −

カグラシステムを搭載したコンピューターに表示さリハビリテーション・エンジニアリング

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れる操作画面を図 2 に示す。セラピストはリハビリをリハビリ内容をボタン一つで完全に再現でき、患者が行うためのパラメーター設定を画面左側で行い、HMD自主トレーニングをする際に利用されている。に映し出される正面画像の一部を画面右側で確認できる。また、これらの基本操作はすべてワイヤレス型テンキー（図 3）を用いて実行できるようになっており、セラピストは患者の様子を観察しながらリハビリを提供できる（図 1）。

図4

カグラシステム管理画面

３. VR 酔い予防の工学的理論背景
3.1 VR 酔いのメカニズム
図2

一般的に VR 機器使用に際しては「VR 酔い」と言カグラシステムを搭載したコンピューターの操作画面

われる乗り物酔いに似た目眩感やふらつき症状、吐き気などが 3 割程度の利用者で生じると言われており、VR の医療応用の際の障壁となる 1)- 3)。このような気分不良は sensory conflict と呼ばれる視覚情報と内耳情報の解離によって引き起こされることが知られている 4)。例えば、大海原における船酔いや小児の車酔いは視覚情報に変化がない状況で、内耳が揺さぶられるために生じる（視覚 = 動いていない vs
内耳 = 動いている）。また、テレビのニュース番組等でカメラが揺れる映像を見た際に生じる映像酔いは、船酔いとは逆に視覚情報が変化している状況で、内耳からの情報に変化がないために生じる（視覚 = 動
図3

いている vs 内耳 = 動いていない）。

テンキーの操作割り当てこのような観点から、船酔いや車酔いの予防にはカグラでは左真横、左斜め前方、左前方、右前方、右斜め前方、右真横の 6 方向にリハビリ課題を視覚的変化を検出しやすくするフレームに液体が入った眼鏡が有効であることが知られている（図 5）。

出現させることができ、図のように各方向に対してテンキーのボタンが割り当てられている。
2.4 管理画面
カグラシステムの 管 理 画 面（ 図 4） は Google
Chrome に対応している。ここでは患者情報の登録や、リハビリの記録閲覧、時系列比較が可能でありデー

図5

乗り物酔い防止用眼鏡の 1 例（Shozxlcci 社製）

タは csv 形式で入手できる。また、リハビリ結果のレポート印刷がボタン一つで出力でき、患者のモチベー

3.2

Sensory Conflict の回避ション維持などに利用されている。さらにテンプレー

カグラシステムでは VR 酔いの原因となる sensory

トと呼ばれる機能を用いることでセラピストが行ったconflict を軽減するために以下の 5 つの工夫を盛り− 123 −リハビリテーション・エンジニアリング

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込み、VR 酔いの発生率を 0.5％未満に抑えることに意障害の程度を把握したり、あるいは介入戦略に取成功している 1)- 4)。

り入れたりしている。

3.2.1 背景画面の固定

3.2.3 フレームレートの維持

没入型の HMD を装着した VR 環境では視覚情報が映像出力のフレームレートが低いと画面がカクカ

360 度全方位 VR 映像となる。ほとんどすべての VR

ク動き、頭位変換時に背景画像がスムーズに追従

コンテンツで採用されているような背景画像が刻々してこない。この場合、視覚情報と内耳情報の間にと変化する仕様の場合、強力な視覚インプットによ齟齬が生じ、映像遅延により VR 酔いが引き起こさり内耳情報との乖離が大きくなり、前述した映像酔れる。我々はカグラシステム内の画像にローポリゴいの機序によって VR 酔いが極めて生じやすい状況とンコンテンツを用いることで Graphics Processingなってしまう。一方、カグラシステムでは患者自身がUnit（GPU）への負荷を低減し、プロセッサとして頭を動かさない限り背景画像は動かず固定されていIntel Core i5-4590 または AMD FX 8350 の同等品る。このように、視覚と内耳情報に齟齬が生じないよ

以上、GPU として NVIDIA GeForce GTX 1070/Quadro

うに背景映像を固定し sensory conflict を予防してP5000、または AMD Radeon Vega 56 の同等品以上いる点がカグラシステムの特徴の 1 つとなっている。の性能を備えたコンピューターを用いることでどのよ3.2.2 レーダーによる予測うな条件でも殆どの人が映像遅延を感じないとされ

HTC VIVE Pro Eye の HMD の視野角は 110 度である 90fps 以上のフレームレートが必ず維持できる環

り、視野角 180 度の健常人が本来頭位を変換しなく境を用意しており、VR 酔い軽減に繋げている 4)。ても見ることのできる物体を視認するために頭を動3.2.4 情報バーによる頭位の視覚認知

かす必要がある。そのため、我々はカグラシステム

mediVR カグラのディスプレイ正面にはレーダー画でのリハビリ中に VR 空間上のディスプレイ正面に扇像に加えて、その上部にプレイヤー名やプレイ開始型の分度器様視覚補助機構を表示し、これをレー後の経過時間などが表示される情報バーが配置されダーと呼んでいる（図 6）。レーダー画像には HMD のている（図 2 右側）。情報バーは VR 空間内地平線面向いている方向（図 6A 正面、図 6B 左斜め 45 度、と平行である（図 6D）。患者の頭位や体軸がゆがむ

図 6C 左真横 0 度）、及び VR 空間上に出現するオブと、HMD の傾きに追従するレーダー底面と情報バー

ジェクトの位置をレーダー上に表示することで、次にとの平行関係が崩れるため、患者は視覚補助的に内得られるであろう内耳変化を事前に予測させ sensory

耳情報を補正することが可能であり、セラピストも患conflict を予防している。このレーダー配置による内者の体軸のゆがみに気づきやすい仕様となっている。

耳変化の事前予測は、車酔いを予防する目的で窓か

図 6D は頭位が右側に 20 度傾いている際の映像を例

ら外を見ることと同義であり、VR 酔い予防に繋がっ示した。このようにカグラシステム内のユーザーインていると考えている。なお、mediVR カグラを用いたターフェースは患者がリハビリに没頭できるための要リハビリに際してはこのレーダーを応用して分配性注素に加えて、医学的な実利を兼ね備えた設計となっている。
3.2.5 座位による触覚入力
mediVR カグラによるリハビリは上肢機能改善を図る場合であっても、下肢やバランス、歩行機能改善を図る場合であっても原則として座位で実施する 1)- 3)。座位で実施することによって、座面、背面、床面の三箇所から触覚を介した内耳情報の補完が行える。我々はこの仕様が sensory conflict が生じにくい環境構築の一助となっていると考えている。この

図6

レーダー表示（A-C）と頭位把握のための情報バー (D) の仕組みように触覚を介した内耳情報補完は、例えば歩行時に壁に触れることでバランスを安定させるライトタッ− 124 −

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チ現象としてよく知られている 5)。

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肉に伝達されるようデザインしている。これを我々は「点推定」と表現しているが、通常の現実空間で行う

４. 改善効果発揮のための工学的理論背景

リーチングと比較して、点推定でのリーチングでは腹4.1 脳の再プログラミングという概念

横筋や回旋筋腱板などのいわゆる深層筋の収縮が明

これまでのリハビリで行われてきた運動学習は、確に得られる点が異なっている 1)- 3)。

患者の理解度に一部依存する部分もあったため学習

4.3 カグラシステムにおけるフィードバックの仕組みの定着効率が悪かったり、認知機能や覚醒状態に脳に新しい記憶を定着させるためには脳内におけよっては学習自体が困難な場合も存在した。一方、る明確なフィードフォーワードの生成に加えて、そのmediVR カグラを用いたリハビリではセラピストが 1 回動作達成の有無や精度に関する明確なフィードバックのリーチングごとに患者にあった適切な課題設定をも重要である 1)- 3)。カグラシステムでは手に保持し行うことで、症候学的見地から脳の機能統合が急速たコントローラーでオブジェクトに触れる毎に視覚、に進むような変化が生じていると考えられ、我々はこ聴覚、触覚刺激が発生する多信号生体フィードバッ

れを脳の再プログラミングと表現している 1)。この変クと呼ばれる特許技術（特許第 6714285 号）を採用

化はまるで自転車の乗り方を覚えるかの如く無意識し、脳の記憶の定着を図る仕組みを取り入れている。

下で生じ、一度学習が完了すればその記憶は長期間フィードバック要素が少ない場合、すなわち視覚またに渡って保持される。その結果、カグラシステムを用は聴覚刺激などの中から 1 つだけの要素でフィード

いたリハビリでは「座位」でのリーチング動作を「左バックをするリハビリを実施した場合に機能改善に 1右交互」に繰り返すだけで運動失調、歩行機能、週間程度を要していたような症状であっても、フィー上肢機能、認知機能、及び慢性疼痛に対して高い

ドバック要素を 2 つにした途端数分単位で症状改善改善効果が発揮できると考えられている 1)- 3)。なが得られるといった事例を自験例で多く経験していお、その効果はプログラマーであるセラピストの実力る。また、フィードバック要素が 2 つであった場合に 100％依存すると考えている（図 7）1)- 3)。に数日程度しか改善効果が維持できなかった症状であっても、フィードバック要素を 3 つにした場合は、数カ月単位で改善が維持されるなどの効果も認められている。なお、嗅覚及び味覚刺激は回数を重ねるごとに刺激閾値が変化する事、刺激強度が個人の感覚に依存する事、刺激に新たな装置が必要になる事等、安定したフィードバック機構となりえないと考えカグラシステムには採用しなかった。このように我々は工学的に得られた新しい知見を元に 10 種以上の

図7

脳の再プログラミングの概念図

特許を取得しカグラシステムに取り入れている 1)- 4)。

4.2 カグラシステムにおけるフィードフォーワードの５. サポート体制

仕組み

デジタルデバイスを医療に安全に導入するために

我々は、上記のように脳の再プログラミングが行は機器導入後のサポート体制の構築も欠かすことはわれるには脳に強力な動作イメージが生成されるよできない。一口にリハビリと言っても患者の疾患や障うな条件が必要であると考えている。そのため、他害は非常に多様であることから、患者の能力や回復の VR リハビリコンテンツとは異なり、あえて VR 空間

目標に応じた適切な機器の操作を行うことが重要で内に患者の手や体を見せるなどの再現はしていない。

ある 1)- 3)。昨今の新型コロナウイルス感染症拡大の手に保持したコントローラーと目標の座標を VR 空間

現状においては訪問規制などで現場での対面サポーに提示し、それを重ね合わせるような動作を求める

トが制限されることも少なくないため、mediVR 社でことで錐体路を介した明確な運動指令が脳から各筋はすべての機器導入施設に対して iPhone ／ iPad、− 125 −

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Wi-Fi ルーター、 ヘッドフォン、マイクスピーカー

得を得ている。原正彦は株式会社 mediVR の代表取といった通信デバイスを貸し出し、WEB 会議ツール締役であり、会社株式を保有している。

（Zoom、Whereby、Teams、Google Hungout 等） を用いた遠隔サポート体制を提供している。

【参考文献】
1) 原正彦：仮想現実（VR）技術を用いたトレーニング, 総合

６. おわりにリハビリテーション, 50(4), 351-358, 2022

以上詳述したように、mediVR カグラは様々な工学

2) 原正彦：VR 技術のリハビリテーション医療への応用 , 臨的理論背景に基づき開発された医療機器である。近年拡張現実（augmented reality, AR）や混合現実

床リハ , 30(8), 877‒880, 2021
3) 原正彦：VR を活用したリハビリテーション, medicina,（mixed reality, MR）技術が VR の上位互換と捉え

58(6), 864-867, 2021

られてしまうことも多いが、本項を通してリハビリ効

DOI: 10.11477/mf.1402227642

果を十分に発揮するためには AR や MR では不十分で4) Hara M, et al: Safety and feasibility of dual-

あり、没入型 VR でなければならない理由を理解頂

task rehabilitation program for body trunk

けたと願っている。mediVR カグラで「治せる」時代

b ala nce usin g virtu al reality a nd th ree -になった今、本医療機器が最適な治療を患者に提供

dimensional tracking technologies, Prog Rehabil

できる環境構築の一助となり、患者を「治す」こと

Med, 3:20180016, 2018に真剣に取り組む医師、セラピストの強力な武器とDOI: 10.2490/prm.20180016

なってくれれば幸いである。

5) John J Jeka: Light touch contact as a balanceaid, Physical Therapy, 77(5), 476-487, 1997

＜利益相反開示＞

DOI: 10.1093/ptj/77.5.476

村川雄一朗は株式会社 mediVR の社員として給与所− 126 −