補助事業番号

2023M-357

補助事業名

2023年度高齢者・障がい者を対象とした踏込み式車いす取付け型自転車の開発研究 補助事業
補助事業者名秋田大学 巖見 武裕

１ 研究の概要
車いす使用者が廃用症候群の予防のために行うリハビリ運動を，日々の生活の中で効果的に行うための機器として，車いすに取付けて脚の伸展運動で駆動する「踏込み式車いす取付け型自転車」の構造試作機を製作した．これは，病院や施設でも広く使われている標準型車いすに，加工を必要とせず取付けることができ，使用者の身体特性に合わせて踏込みペダルの位置と運動方向を調整できる構造とした．人間工学に基づく機器のデザインと設計には，筋骨格モデリングソ
フトAnyBody Modeling Systemによる構造解析とシミュレーションを用いた．
また，車いすの使用が難しい寝たきりの高齢者や入院患者が，ベッドの上やベッドサイドで使用する運動機器として，車いす取付け型と同じ踏込み機構を用いながら，最小限の要素で構成したシンプルで使いやすい設置タイプの運動機器を製作した．
製作したこれら試作機は，本学倫理委員会の承認を得て，医学部附属病院の医療従事者による使用評価と改良を行った．さらに，新しく開発したペダル型フォースセンサとモーションキャプチャシステムを用いた動作計測により，機器使用時の筋力や関節負荷などをAnyBody Modeling
Systemを用いて定量的に評価した．
２ 研究の目的と背景
高齢や障がいによる車いす生活者は，下肢の筋萎縮，筋力低下，関節拘縮，末梢循環不全など廃用症候群と呼ばれる２次障害を予防するため，定期的にリハビリ施設などに出向いて，理学療法士による運動療法を行っている．しかし，東北のような寒冷降雪地域では冬季に外出することは困難であり，普段生活している自宅や施設内で手軽に運動を行うことのできる機器が求められている．そこで，本研究グループが長年の治療実績を持つ機能的電気刺激（FES）の技術を機器開発に取り入れ，車いすに乗ったまま効果的なリハビリ運動ができる機器の開発を行う．
３ 研究内容（１）踏込み式車いす取付け型自転車の開発(https://sites.google.com/view/iwamilab/research-%E7%A0%94%E7%A9%B6)
FES cycling とは，運動能力を失った筋の再建法である機能的電気刺激(Functional ElectricalStimulation)を用いて下肢のペダリング運動を与えるリハビリ手法の一つである．本開発研究では脊椎損傷・脳卒中による下肢麻痺患者や高齢者など，自力での下肢の運動が困難な車いす使用者が廃用症候群の予防のために行うリハビリ運動を，日々の生活の中で効果的に行うための機器として，車いすに取付けて脚の伸展運動で駆動する「踏込み式車いす取付け型自転車」の構造試作機を製作した．これは，高齢者や虚弱者は車いす取付け型自転車として，脊椎損傷・脳卒中による下肢麻痺患者は FES cycling としてリハビリ運動に使用できるものである．
① １次試作機の製作と評価
踏込み機構をレバー式として試作した車いすをベースに，ユーザーに合わせて付帯部分を変動させるモジュール構造の１次試作機を製作し，医学部附属病院のリハビリテーション科において理学療法士による使用評価を行った．その結果，レバー式の踏込み構造では大殿筋の運動が主体となるが，効果的なリハビリには運動効果の大きい大腿四頭筋の運動が求められる．
そのため，踏込みペダルの位置と運動方向を別々に調整できる機構が必要．また，駆動ユニットが大きく重く，車いす本体の駆動輪とは別に前方に駆動輪が設置されているため操作性が悪い．などの評価を得た．

脚の伸展による踏込み運動

レバー式踏込み機構の１次試作機② ２次試作機の設計
２次試作機の設計要件として，「運動効果の大きい大腿四頭筋による膝伸展運動で車いすを駆動する」，「踏込みペダルの位置と運動方向を別々に調整できる」，「軽量・小型」，「標準型車いすに加工を必要とせず取付けることができる」，「車いすの操作性と運動性を損なわない」と定め，これらを満たすような機構の設計に取り組んだ．機構のジオメトリや，想定される使用者の体形に合わせた調整範囲の設定など，人間工学に基づく機器のデザインと設計には，筋骨格モデリングソ
フトAnyBody Modeling Systemによる運動解析とシミュレーションを用いた．
③ 運動シミュレーションに基づく機構設計
3次元筋骨格モデルによる運動シミュレーションでは，車いす座面に対する踏込みペダルの距離，高さ，運動方向の３つを調整パラメータとして，踏込み運動を行った時の大殿筋と大腿四頭筋（大腿直筋，広筋）の筋張力を推定して比較した．３つの調整パラメータの組み合わせにより筋張力に大きな変化が見られ，特に座面からの距離が筋張力に与える影響が大きいことが分かった．

そして，出力結果をk-meansクラスタリングによって評価し，大腿四頭筋（大腿直筋，広筋）の運動効果が高く，かつ運動効率の良い（筋力の総和が小さい）調整パラメータの組み合わせを求めた．
そして，想定される使用者の体形の範囲から，車いす座面に対する踏込みペダルの距離，高さついて，必要な調整範囲を決定し，これらを独立に調整できるスライド式踏込み機構をもつ２次試作機の設計を行った．

３次元筋骨格モデルを用いた運動解析とシミュレーション

パラメータの組み合わせから５つのクラスタに分類した踏込み周期における筋張力

３つの調整パラメータ独立に調整できるスライド式踏込み機構

④ ２次試作機の製作と評価
設計した試作機モデルを基に２次試作機を製作した．そして，医学部附属病院のリハビリテーション科において理学療法士による使用評価を行い，動力伝達機構などに改良を加えて構造試作機とした．

理学療法士による評価の様子

改良を加えた移動タイプ２次試作機（２）設置タイプの運動機器の開発(https://sites.google.com/view/iwamilab/research-%E7%A0%94%E7%A9%B6)① ベッドサイド型運動機器の製作
車いすの使用が難しい寝たきりの高齢者や入院患者が，ベッドの上やベッドサイドで使用する運動機器として，運動効果の大きい大腿四頭筋による膝伸展運動を行う，シンプルで使いやすいベッドサイド型運動機器の１次試作機を製作した．１次試作機を用いて医師と理学療法士による使用評価を行い，入院患者などがフィールドテストで安全に使用できる2次試作機を製作した．

医療従事者による評価の様子

設置タイプ２次試作機

② ３次元筋骨格モデルによる解析と身体負荷の評価
ペダル型フォースセンサを新しく開発し，実際に使用者が開発機器を使ったリハビリ運動をモーションキャプチャシステムで計測して運動解析を行った．そして，3次元筋骨格モデルによる筋張力の推定を行うことで，各関節間力および筋活動量などを推定し，機器使用時の身体負荷を定量的に評価した．

ペダル型フォースセンサ

運動計測に基づくモデル解析

運動計測の様子

踏込み周期における下肢関節間力

４ 本研究が実社会にどう活かされるか―展望
本事業により開発した２種類の試作機を用いて，医療機関によるフィールドテストとリハビリ効果の検証を行うため，国から認定を受けた秋田大学臨床研究審査委員会に対して，特定臨床研

究の実施についての審査を依頼した．しかし，本審査には最短でも８カ月を要するため，本補助事業の実施期間に計画していたフィールドテストとリハビリ効果の検証を始めることは出来なかった．
特定臨床研究の承認後は，医療機関を通して通院患者と入院患者の協力を得て，開発機器のフィールドテストとリハビリ効果の検証を行い，さらに改良を加えた機器の製品化を目指す．本事業により開発した機器が製品化されることにより，車いす生活者が定期的にリハビリ施設などに出向かなくても，自宅や施設内で効果的なリハビリテーション運動を行うことのできる機器が手に入るようになる．特に下肢麻痺者に対しては，筋肉に電気刺激を与え，動作させる機能的電気刺激（Functional Electrical Stimulation:以下 FES）によって麻痺筋の収縮運動を行い，廃用症候群を効果的に予防できる．これにより，高齢者の健康寿命の増進や，障がい者の生活の質の向上が見込まれる．
５ 教歴・研究歴の流れにおける今回研究の位置づけ
研究代表者は，バイオメカニクス，ロボット工学をベースとした医用生体工学，リハビリテーション工学を専門として，秋田大学理工学研究科における教育と，秋田大学医学部との医理工連携による研究活動を進めてきた．これまでに，歩行運動における筋骨格系の機能解析，車いす駆動のバイオメカニクス解析，機能的電気刺激を用いた障がい者用運動機器の開発，高齢者の転倒予防を目的とした座位バランス計測装置の開発，CT/MRI画像に基づく３次元筋骨格モデルの製作と医学的利用，対麻痺者用歩行リハビリテーションロボットの開発，片麻痺者用上肢リハビリテーションロボットの開発，慣性センサを用いた障害歩行の評価などの研究を行ってきた．今回の研究は，秋田大学医学部附属病院が長年の治療実績を持つ機能的電気刺激（FES）の技術を機器開発に取り入れ，車いすに乗ったまま効果的なリハビリ運動ができる機器の開発と実用化を目指したものである．
６ 本研究にかかわる知財・発表論文等
７ 補助事業に係る成果物
８ 事業内容についての問い合わせ先
所属機関名： 国立大学法人秋田大学（コクリツダイガクホウジンアキタダイガク）
住所： 〒010-0822
秋田県秋田市手形学園町１－１

担

当者： 教授（キョウジュ） 巖見 武裕

担 当 部 署： 理工学研究科（リコウガクケンキュウカ）
E - m a i l： iwami@gipc.akita-u.ac.jp
URL： https://sites.google.com/view/iwamilab/home-%E3%83%9B%E3%83%BC%E3%83%A0