OS1-1-4
LIFE2012 2012 年 11 月 2 日－4 日 愛知 (名古屋大学)

ロボットスーツ HAL を用いた歩行訓練による機能改善事例
Functional Improvement by Locomotor Training using the Robot Suit HAL○ 上林清孝河本浩明

江口清山海嘉之（筑波大）

Kiyotaka KAMIBAYASHI, Hiroaki KAWAMOTO, Kiyoshi EGUCHI, Yoshiyuki SANKAI, University of Tsukuba
Abstract: A wearable robot, named Robot Suit HAL has been developed to assist physical movement in elderly people andmotor-impaired individuals. In the HAL system, actuators in the hip and knee joins can generate assistive torque forwalking. The amount and timing of the assistive torque are controlled by the surface EMG signals in the flexor andextensor muscles of the hip and knee as well as the signals of foot pressure. In the pilot study, we examined theeffectiveness of locomotor training using HAL on locomotor recovery in chronic motor-incomplete spinal cord-injured
participants. Six of 7 participants completed 16 locomotor training sessions. Increased walking speed in the 10 -meter walktest was observed in all completers. The effect size of the difference in walking speed indicated a nearly large effect(Cohen’s d = 0.78). Despite the small number of participants, this pilot study showed locomotor training using HAL isfeasible.
Key Words: Walking, Gait, Rehabilitation, Assistive robot, Spinal cord injury
1. 背景
脊髄損傷や脳卒中などの神経疾患による歩行機能障害に対して，体重を免荷した状態でステッピング動作を繰り返す免荷式歩行トレーニングが実施されており，その訓練効果が多数報告されている (1-3)．重度の機能障害では患者自身が随意的に脚を動かすことが困難となり，その場合にはセラピストが徒手で患者の脚を歩行様に動かす必要がある．
この徒手によるアシストではセラピストの身体的負荷が非常に大きく，ステッピング動作も安定しないことから，このような問題点を解決する目的でロボット技術を応用した歩行補助装置が開発されている．代表的なリハビリテーションロボットには，外骨格部の股関節・膝関節にあるモータで歩行を支援する Lokomat (4)や足底部を載せるフットプレートの動きによって歩行を支援する Gait Trainer(5)などがあげられる．このようなロボット装置を用いた臨床研究も実際に行われており，リハビリテーションの実行可能性や訓練効果が報告されている (6-8)．
我が国においても，ヒトの身体動作支援を目的に，外骨格型ロボットであるロボットスーツ HAL(Hybrid AssistiveLimb)が開発されており (9, 10)，HAL 福祉用は病院や福祉施設などですでに利用され始めている（図 1）．あらかじめ設定された歩行パターンを供給するこれまでの歩行補助装置とは異なり，HAL では下肢筋群の筋活動や足圧情報をセンシングし，それらの情報を基に股関節や膝関節に対するアシストトルクの大きさやタイミングが調節される．この制御手法はサイバニック随意制御(cybernic voluntary control:CVC)と呼ばれる．また，筋活動電位の計測が困難な患者に対しては，足圧情報を基に歩行動作に応じたトルクを与えFig. 1Robot Suit HAL (Hybrid Assistive Limb)−1−る 自 律 制 御 方 法 ［ サ イ バ ニ ッ ク 自 律 制 御 (cybernicautonomous control: CAC)］も利用可能である．しかしながら，これまで HAL を用いた歩行トレーニングの実行可能性や訓練効果に関しては詳細に検討されていなかった．そこで，筑波大学附属病院リハビリテーション部を中心とし，歩行機能障害者を対象とした HAL による歩行リハビリテーションの臨床研究を開始した．この研究プロトコルは2010 年 1 月 UMIN に臨床試験登録され(UMIN 000002969)，2012 年 8 月の時点で 51 名が研究に参加している．本稿ではそのうち脊髄不全損傷患者から得られた結果を中心に，訓練効果を紹介する．
2. HAL を用いた脊髄不全損傷患者に対する歩行訓練
2-1 方法51 名の訓練参加者のうち，7 名（男性 5 名，女性 2 名）が慢性期脊髄不全損傷者（損傷後 38±23 カ月：平均±標準偏差）であった．ASIA 機能障害尺度ではグレード C が 3名，D が 4 名で，歩行時には全員が補助具や装具を使用していた．
今回の歩行訓練では，計 16 回（週 2 回，8 週間）の訓練セッションが行われた．1 回のセッションは 1 時間程度であり，20－30 分間 HAL を用いた歩行訓練を実施した．
トレーニングによる歩行機能への効果を評価するため，訓練開始前と 16 回の訓練終了後に 10 m 歩行テストを行った．参加者は HAL を装着することなく 10 m を快適な速度で歩行し，要した時間から歩行速度を計算した．また，10 m歩行に要したステップ数をカウントし，ステップ数と歩行時間から歩行率を算出した．歩行テストは 2 回実施し，より短い歩行時間であった試行を解析対象とした．その他，複合的な 運動パフォーマンス評価と して Timed Up andGo(TUG) テ ス ト ， バ ラ ン ス 評 価 と し て Berg BalanceScale(BBS)，ADL 評価として Barthel Index(BI)を 16 回の訓練開始前後で評価した．
データはすべて平均±標準偏差で表記し，統計的な有意水準は P < 0.05 とした．評価項目の訓練前後での比較には，
paired Student’s t-test を用いた．加えて，訓練前後での平均値の差を標準化した効果量(Cohen’s d)を求めた (11)．効果量については，Cohen のガイドラインから d 値が 0.2 では小さい効果，0.5 で中程度，0.8 で大きな効果と解釈される．

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2-2 結果
7 名中 6 名が 16 回の訓練セッションを完遂した．16 回のセッション終了までの平均期間は 8.8±1.6 週であった．1名は持病である神経障害性の疼痛増悪によって 5 回目のセッション終了後に脱落となった．
表 1 に 10 m 歩行テストの結果を示した．歩行速度は参加者全員に改善がみられ，16 回のセッションを通じて平均で 0.34 m/s から 0.42 m/s に増加した．この変化は統計的に有意ではなかったが，効果量は 0.78 であった，Cohen のガイドラインで d = 0.8 は大きな効果量と判断されることから，本研究での歩行速度改善もほぼ大きい効果とみなされた．歩行率に関してもすべての参加者で改善がみられ，7.4
steps/min の変化は統計的に有意であり(P = 0.039)，効果量も非常に大きかった(d = 1.13)．10 m 歩行に要したステップ数については 6 名中 4 名で減少がみられ，ステップ長の増加が示された．残り 2 名のうち 1 名には訓練前後で変化がなく，もう 1 名は 1 歩増加した．参加者全員の平均で，39.7から 36.5 歩への減少は有意でなかったが，効果量は大きかった(d = 0.82)．
Table 1Outcomes from 10-meter walk test pre- andpost-intervention
PrePostDifference
Mean (SD)
Mean (SD)
Mean (95% CI)

Walking
speed (m/s)

0.34 (0.27)

0.42 (0.32)

0.09(-0.03 to 0.20)

Cadence(steps/min)

60.2 (26.1)

67.6 (27.1)

7.4(0.5 to 14.2)

Number ofsteps (steps)

39.7 (18.8)

36.5 (18.7)-3.2(-7.2 to 0.9)

Abbreviation: CI = confidence interval.
TUG テストでの平均時間は訓練前に比べて訓練後に 8.8秒短縮し，BBS スコアは平均で 35.3 から 37.5 に増加したが，どちらも有意な変化ではなかった．BI では，訓練前 80.0ポイントから訓練後 84.2 ポイントへ増加したが，この増加もまた有意ではなかった．TUG，BBS，BI における訓練前後での効果量はそれぞれ 0.59，0.32，0.52 となり，中程度までの効果であった．
2-3 考察歩行速度は歩行回復を評価するうえで重要な指標であるが，これまでの脊髄不全損傷患者に対する歩行訓練では参加者全員が速度増加を示した．参加者は受傷後 1 年以上経過した慢性期患者であり，自発的な運動回復の大部分はすでに生じていたものと思われる．それゆえ，本研究で観察された歩行速度の改善は，HAL を用いた歩行トレーニングによる効果と考えられる．0.09 m/s の平均速度増加は統計的に有意ではなかったが，これはサンプルサイズが少ないことに起因するかもしれない．今回の効果量を用いて，α =0.05，power = 0.9 でサンプルサイズを求めたところ，統計的な有意差を示すためには 20 名の参加者が必要であることが示された．
歩行率に関しては参加者全員で改善がみられ，10 m 歩行に要したステップ数は 4 名で減少した．したがって，この4 名の参加者では歩行率とステップ長の増加によって歩行速度が増加した一方，残り 2 名ではステップ長の増加よりも主に歩行率の改善が歩行速度の増加に関連したようである．
慢性期の脊髄損傷患者を対象とした免荷式歩行トレーニ
ングに関する先行研究では，36 回の訓練セッションによって 0.12 m/s から 0.21 m/s への歩行速度増加が報告されている (12)．また，Lokomat によるロボットアシストでの歩行訓練の結果では，26 回の訓練によっておよそ 0.37 m/s から0.11 m/s の速度増加が観察されている (6)．訓練前のベースラ
イン計測における歩行速度は同等ではないものの，我々の研究でみられた速度増加もこれらの先行研究の結果と同程度であった．先行研究の多くは週 3－5 回，8－12 週間にわたる訓練が実施されており，週 2 回の頻度で計 16 回の訓練回数は先行研究に比べて少ないようである．訓練回数を先行研究程度まで増やすことで，HAL でより大きな歩行機能改善が生じるかもしれない．
TUG や BBS はバランス調節を含む複合的な運動パフォーマンスの評価となるが，これらの効果量は 10 m 歩行での指標における効果量に比べて小さいものであった．HALによる歩行トレーニング後，バランス機能よりも歩行機能でより大きな効果が得られた結果は，訓練課題に対して特異的な効果があらわれたことを示しているのかもしれない．
ADL を評価した BI スコアについては，6 名中 5 名が訓練開始時に 75 点以上の高い値（2 名の参加者は訓練開始時にすでに満点）であったことが，中程度の効果に留まった要因の一つにあげられる．
3. まとめ
我々は歩行機能障害者を対象に，HAL による歩行トレーニングの臨床研究を開始した．HAL による歩行トレーニン
グ中，徒手によるアシストの必要性は少なく，セラピストに対する身体負荷は軽減されていた．脊髄損傷患者に対するこれまでの結果では，訓練を完遂した参加者全員に歩行速度の改善がみられ，Cohen’s d の効果量からほぼ大きな効果であることが示された．また，慢性期の脳卒中患者に対する HAL を用いた歩行トレーニングの結果は，これまでのところ脊髄損傷患者よりも大きな訓練効果を示している．
以上の結果から，HAL を用いた歩行訓練が実行可能であり，歩行機能の改善に有効な療法であるものと示唆される．今後は，HAL による歩行トレーニングと他の歩行トレーニング方法を比較するランダム化比較試験が求められる．
謝辞
本研究の遂行にあたり，リハビリテーションやデータ収集に助力いただいた筑波大学 有安諒平氏，久保田茂希氏，山脇香奈子氏，市川安希氏に感謝申し上げる．また，研究プロトコルやデータ解析に有益なご助言を頂いた落合直之教授，坂根正孝准教授，中田由夫准教授に深謝する．
なお，本研究は，内閣府最先端研究開発支援プログラム「健康長寿社会を支える最先端人支援技術研究プログラム」の支援により行われた．
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treadmill and overground walking program improves
walking in persons residing in the community after stroke:−2−

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