立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

筋シナジーの診断に基づくロボット介入とその効果―― 脳卒中リハビリテーションの新展開 ―――― Robot- assisted intervention in stroke rehabilitation :a new approach based on assessment of muscle synergies ――
2161017

研究代表者

大阪大学大学院

基礎工学研究科

准教授

平井宏

明

共同研究者

大阪大学大学院

基礎工学研究科

名誉教授

宮崎

文

夫

・診断−異常な身体協調の定量評価[研究の目的］・治療−正常な身体協調の再獲得を促進する
介入プロトコルの開発

現在，我が国のロボット療法は黎明期にあり，・効果−臨床試験による介入効果の科学的根

次世代医療の発展へ向けて正しい介入と誤った拠の獲得

介入を適切に見極めながら，臨床エビデンスの蓄積によって効果的な運動療法を開発すること上肢訓練が求められている。本研究では，脳卒中リハビ① 健常者の運動訓練と運動学習

リテーションにおける運動の協調性に着目し，未習熟運動は練習を重ねることによってその研究代表者らの「シナジー診断技術」と「ロ技能を向上させることができる。ここでは，健ボット療法技術」の融合により，ニューロリハ常者の上肢運動 (非利き手による螺旋描画運ビリテーションの新展開を図るロボット介入方動) を対象に，運動の学習過程における身体協法の確立を目指す。具体的には，研究代表者ら調の変化を解析し，運動習熟と身体協調の関係の仮説「身体協調に基づく身体の剛性と平衡点を明らかにした。図 1 は「シナジー診断技術」の調整訓練が脳卒中患者の運動再学習を促進し，及び「多自由度筋協調モデル」によって推定さ運動機能回復に効果的である」ことを臨床試験れた 3 つの身体協調の指標 (筋シナジー，手先を通して実証することを目的とした。

剛性，手先平衡点) を示している。また，図 2は運動習熟とともに運動学指標が改善される中，上記 3 つの運動力学指標も互いに影響しながら[研究の内容，成果］変化している様子を示している。これらの運動シナジーの概念の下，上肢・下肢運動へそれ指標の詳細な解析により，運動の習熟には，手ぞれロボット介入を行ない，得られた結果を統先剛性の低い偏角方向の運動について，平衡点合し，体系化することで，身体運動のニューロ軌道の内部モデルを獲得することが重要であるリハビリテーション手法としてまとめることをことが明らかとなった。上記結果は，身体協調目指した。ここでは課題達成のために克服すべに基づく運動介入に示唆を与えるとともに，身き以下の 3 つの技術課題を設定した。

体協調の概念が運動の評価や診断，さらには運― 1 ―立石科学技術振興財団

図 3 力覚提示ロボットにより運動外乱を受ける脳卒中患者 A

図1(A) 螺旋描画運動を訓練する健常者。(B) ロボット訓練システムにより，筋シナジー，手先剛性，手先平衡点の 3 つの身体協調の指標がリアルタイムに推定される。

図 4 脳卒中患者 A の手先剛性。(a) 機械的摂動による推定，(b) 筋電図解析による推定。

ボット訓練システムにより力覚提示を受けながらタスクを遂行する患者の様子を示したものである。筋シナジーと密接な関わりを持つ手先剛性楕円と手先平衡点の変化をディスプレイに提示し，患者の視覚フィードバックを利用した訓練が可能となっている。図 4 はタスク遂行時の
図2

運動学習効果を測る 5 つの指標。A．スパイラルテ
スト (左上)，B．1/3 乗則 (右上)，C．筋シナジー，
D．手先剛性，E．手先平衡点軌道。運動学評価指標(A，B)，運 動 力 学 評 価 指 標 (C，D，E) と も に 8日間の練習によって運動が大幅に改善されたことを示している。

手先剛性を摂動法 (従来法) と筋電図解析 (提案手法) の 2 つの方法で推定した結果である。
両結果の類似は筋シナジー診断技術に基づく身体協調解析が (少なくとも軽度の) 脳卒中患者動の支援や訓練に有用であることを指し示してに適用可能であることを示している。そこで，いる。

提案手法を用いて 2.5ヶ月のリハビリテーション (FIM ス コ ア，訓 練 前：44/126 点，訓 練② 脳卒中患者の運動訓練と運動再学習後：66/126 点) と身体協調の関係について解運動麻痺は練習 (リハビリテーション) を重析を行った (図 5)。訓練後では，筋シナジーねることによって失われた機能を回復すること及び手先剛性の 2 つの身体協調の指標においてができる。ここでは，脳卒中患者の上肢運動大幅な改善が見られ，手先平衡点軌道において(麻痺側による円描画運動) を対象に，運動のも完全ではないものの運動回復が認められた。

再学習過程における身体協調を解析することで，患者は明らかに回復過程にあり，訓練を継続すその柔軟な修復能力を定量評価し，運動再学習ることによって更なる運動改善が期待される。と身体協調の関係を明らかにした。図 3 はロ― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図 6 上肢訓練ロボットシステム
図5

脳卒中患者 A のリハビリテーションによる身体協調の回復。2.5ヶ月の運動訓練によって，2 つの身体協調の指標 (筋シナジー，手先剛性) に大きな改善が認められた。訓練後には，理想となる健常者のパターンに近づいていることが確認される。なお，もう 1 つの身体協調の指標である手先平衡点軌道については回復の途中と考えられる。これらの変化は運動学 (緑線) からは観測されない点は注目に値する。

ジー診断技術」を適用した。サドル支持型体重免荷装置とロボット制御された左右分離型トレッドミルの介入 (図 7C−a, b) と，足関節底背屈筋群への機能的電気刺激 (図 7C−c) の介入によって，症状に応じた訓練 (動作点の剛性及び平衡点の補助／抵抗) を実施した。第一の③ 臨床応用へ向けたシナジー診断技術の洗介入は，対象の股下部を支持し体重を軽減しながら，股部と (トレッドミル上の) 足部との相練化
筋シナジー診断において，患者への負担とな対位置変化を促し，対象の「バランス制御」とる最大随意収縮時の筋電位を計測することなし「股関節伸展」を訓練する。第二の介入は，「蹴に高い精度で筋シナジーと平衡点の推定を可能り出し」をはじめとする足関節周りの歩行機能にする新しい診断法を開発した。上述の成果をやバランス機能を訓練する。これらの介入の下，臨床へ応用する際に実用面で重要となる技術で所望の運動を実現するために筋群活動がどのよある。これらの技術が実装された研究代表者ら

うに組織化され，協調関係が創発されていくののロボット訓練システム (図 6) は可搬式でかを筋シナジー診断技術で観察することにより，オールインワンの訓練環境を提供できるように身体協調が再獲得・保持される過程が解析され設計されている。必要な運動機能や症状に応じた (図 7B)。また，本システムは対象の前方とて訓練内容を変更，追加することでロボット訓

足元に映像を投影でき，患者の注意を操作しな練ワークステーションとして機能することがでがら視聴覚によるフィードバック情報の提供がきる。本技術を含む一連の手法は国内外に特許可能である。これらの機能により，動的プリミ出願された。

ティブの概念に基づく，バランス (インピーダンス) 訓練，離散運動 (サブムーブメント) 訓下肢訓練練，周期運動 (オシレータ) 訓練が可能である① 筋シナジー診断に基づく歩行訓練環境(図 7D)。なお，これらの一連の技術は特許出

歩行運動は，環境と断続的な力学的相互作用願された。

を繰り返しながら，両脚の下肢筋群の協調が求められる高度な随意運動である。ここでは，軽② 健常者・脳卒中患者による歩行訓練評価〜中程度の脳卒中患者の歩行訓練を想定し，図提案する歩行訓練環境の有用性の科学的根拠

7A の よ う な 体 重 免 荷 歩 行 に 対 し て，「シ ナを得るため，運動学，運動力学，生体情報等に― 3 ―立石科学技術振興財団

図7

図8

筋シナジーと動的プリミティブの概念に基づく歩行訓練

歩行訓練環境の介入効果の一例 (床反力)よる多角的かつ体系的な評価実験を実施した。

図9

詳細な解析の結果，提案手法は，中程度以下歩行訓練を行う脳卒中患者 Bの体重免荷 (<33 % BWS) 下で，低速〜中速り強力な科学的根拠の獲得へ向けて，病院，海(2.5〜4 km/h) で歩行訓練するときに最も効果

外研究機関，大手企業と連携しながら，国際共的であることが明らかとなった。初期訓練で利同研究を継続していく予定である。

用頻度の高い低速歩行で介入訓練の効果を期待できることは先進的であり，対象の高いリハビ[成果の発表，論文等］

リ効果が期待できる。ただし，現状，症例数が[ 1 ] 片岡夏美，平井宏明，Taya Hamilton，渡邉英限られているため，今後さらなる研究の継続に知，吉川史哲，黒岩晃，長川祐磨，二ノ丸雄大，佐より科学的根拠を蓄積する必要がある。

伯友里，植村充典，宮崎文夫，中田裕士，西知紀，成冨博章，Hermano Igo Krebs : 部分体重免荷，左右分離型トレッドミル，機能的電気刺激を用いた歩[今後の研究の方向，課題］

行への介入−新しい歩行訓練環境の提案と介入効果の基礎的検証 −，計測自動制御学会論文集，vol.

本研究では予備的ではあるが，仮説を裏付ける複数の知見を得ることができた。今後は，よ― 4 ―54, no. 4, pp. 412-420, 2018.
[ 2 ] B. L. Jackson, R. M. Coelho, H. Hirai, and H. I.

Tateisi Science and Technology FoundationKrebs :and佐伯友里，二ノ丸雄大，植村充典，宮崎文夫：歩行

Discrete Gait Using the MIT Skywalker, Proc.

An

Investigation

訓練装置，歩行診断装置，体重免荷装置，歩行訓練

IEEE方法，及び歩行診断方法，特願 2017-36437, 大阪大

RAS/EMBSInt.

intoConf.

Rhythmic
Biomed.

Rob.

Biomechatron. (BIOROB2018), pp. 922-927, 2018.
[3]

K. Kozasa, R. Fujihara, H. Hirai, and H. I. Krebs :学, 2017 年 2 月 28 日.
[ 11 ] 富永健太，飯村太紀，植村充典，平井宏明，宮Interference Electrical Stimulation Applied to崎文夫：ヒトの下肢運動に関わる不変量としての筋

Soleus Muscle in Humans : Preliminary Study on

シナジー，計測自動制御学会論文集, vol. 52. no. 1,

Relationship among Stimulation Parameters, Force

pp. 37-45, 2016.

IEEE[ 12 ] 鎌田一平，植村充典，平井宏明，宮崎文夫：膝RAS/EMBS Int. Conf. Biomed. Rob. Biomechatron.

装具歩行における制御戦略の解析，日本機械学会論

OutputandPain

Sensation,

Proc.

文集，vol. 82, no. 843, pp. 16-00236, 2016.

(BIOROB2018), pp. 1038-1043, 2018.
[ 4 ] R. Fujihara, K. Kozasa, H. Hirai, and H. I. Krebs :[ 13 ] E. Watanabe, T. Oku, H. Hirai, F. Yoshikawa, Y.

Alteration in Foot Strike Pattern during RunningNagakawa, A. Kuroiwa, E. P. Grabke, M. Uemura, F.

with Elastic Insoles : A Case Study on the Effect ofMiyazaki, and H. I. Krebs : Exploiting invariantLong-term Training, Proc. IEEE RAS/EMBS Int.

structure for controlling multiple muscles inConf.

Biomechatron.

anthropomorphic legs : II. experimental evidence for[ 5 ] N. Kataoka, H. Hirai, T. Hamilton, F. Yoshikawa,human pedaling, Proc. 2016 IEEE-RAS Int.

A. Kuroiwa, Y. Nagakawa, E. Watanabe, Y.

Conf. Humanoid Robots (Humanoids2016), pp.

Biomed.

Rob.

three equilibrium-point-based synergies during(BIOROB2018), pp. 390-395, 2018.

Ninomaru, Y. Saeki, M. Uemura, F. Miyazaki, H.
Nakata, T. Nishi, H. Naritomi, and H. I. Krebs :EffectsofPartial

Body-weight

Supportand1167-1172, 2016. (finalist interactive paper)[ 14 ]

F. Yoshikawa, H. Hirai, E. Watanabe, Y.

Nagakawa, A. Kuroiwa, E. Grabke, M. Uemura, F.

GaitMiyazaki, and H. I. Krebs : Equilibrium-point-based

Characteristics during Treadmill Locomotion : Prossynergies that encode coordinates in task space : aandBody-weightpractical method for translating functional synergies

Support, 15th IEEE Int. Conf. Rehabilitationfrom human to musculoskeletal robot arm, Proc.

Robotics (ICORR2017), pp. 381-386, 2017.

2016 IEEE-RAS Int. Conf. Humanoid Robots

Functional[6]

Electrical

ConsofStimulation

Saddle-seat-typeon

R. S. Gonçalves, T. Hamilton, A. R. Daher, H.

Hirai, and H. I. Krebs : MIT-Skywalker : evaluating(Humanoids2016), pp. 1135-1140, 2016.
[ 15 ] 黒岩晃，平井宏明，吉川史哲，長川悠磨，渡邉

comfort of bicycle/saddle seat, Proc. 15th IEEE Int.

英知，片岡夏美，植村充典，宮崎文夫：サドル支持Conf. Rehabilitation Robotics (ICORR2017), pp.

型体重免荷トレッドミルと機能的電気刺激を用いた

516-520, 2017.

歩行への介入，第 17 回計測自動制御学会システム[7]

E. Watanbe, H. Hirai, Y. Ninomaru, N. Kataoka, Y.

Saeki, M. Uemura, F. Miyazaki, and H. I. Krebs :Exploiting Invariant Structure for ControllingMultiple

Musclesin

Equilibrium-point-based

AnthropomorphicControl

Legs :Approachtoインテグレーション部門講演会論文集 (SI2016),
pp. 2880-2882, 2016. (優秀講演賞)[ 16 ] (書 籍) H. Hirai, H. Pham, Y. Ariga, K. Uno,
F. Miyazaki : Motor control based on the muscle
synergy

hypothesis,

Cognitive

Neuroscience

Constrained Motion, Progress in Motor Control XI

Robotics : Synthetic Approaches to Human Under-(PMC XI), 1-A-9, 2017.

standing, Volume I : Synthetic Approaches, Part I,[8]I. Kamada, M. Uemura, H. Hirai, and F. Miyazaki :Chap. 2, pp. 25-50, Springer, 2016.

Efficacy of a knee orthosis that uses an elastic[ 17 ] (特 許) F. Miyazaki, H. Hirai, M. Uemura, K.

element, Proc. 39th Annual Int. Conf. IEEE Eng.

Uno, and T. Oku : Motion analysis apparatus,
method for analyzing motion, and motion analysis

Med. Biol. Soc. (EMBC2017), pp. 942-945, 2017.
[9](特許) 平井宏明，吉川史哲，渡邉英知，長川祐磨，黒岩晃，植村充典，宮崎文夫：運動解析装置，
運 動 解 析 方 法 及 び 運 動 解 析 プ ロ グ ラ ム，
PCT/JP2017/32049, 大阪大学, 2017 年 9 月 6 日.
[ 10 ]

program, US20160324436A1, Osaka University, Nov.
10, 2016.
[ 18 ] (特許) 平井宏明，吉川史哲，渡邉英知，長川祐磨，黒岩晃，植村充典，宮崎文夫：運動解析装置，(特許) 平井宏明，クレブス ハーマノ イゴ，渡邉英知，長川祐磨，吉川史哲，黒岩晃，片岡夏美，― 5 ―運 動 解 析 方 法 及 び 運 動 解 析 プ ロ グ ラ ム，特 願
2016-173385，大阪大学，2016 年 9 月 6 日．