博士 （情報 科学）遠 藤博史
学 位 論 文 題 名

生理振戦による手先不安定性の計測と評価に関する研究
学位論文内容の要旨
現在の日本の先端医療、 先端技術は、数多くの場面で職人技的な優れた手先の作業に支えられており、高度な医療技術やも のづくり国際競争カを維持していくためには、作業に必要な手先の技能を維持・継承していくこと が非常に重要な課題となっている。そのためには、手先作業のためにどのような種類の基本的能力（認知的、感覚運動的能力）が関係しているのかを明らかにし、それら能カを定量的に評価していく ことが重要である。
本研究では精密作業にと って重要な手先の安定化能カに焦点を当て、その人が持っている震えやすい性質を作業課題によら ずに定量的に評価する方法の検討と、その生理学的根拠を明らかにすることを目的とした。本研究 では、震えの背景にある生理的特性を計測することで、その人の震えに関する評価が可能になると 考え、身体の微細で不随意な震え現象である生理振戦に着目した。もし随意的な手の安定化と不随 意な生理振戦との間に何らかの因果関係があれば、生理振戦を計測することで作業課題によらない 手の震えの定量的評価が可能になると考えられる。そこでまず研究課題
1では「生理振戦がその人が持っている震えやすしゝ素質を定量的に評価する指標になる」という仮説 を 検 証 し 、 さ ら に 研 究 課 題 2で は 、 生 理 振 戦 の 個 人 差 の 要 因 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。
文献調査の結果、これま での研究報告から10 Hz付近 にピーク周波数を持つ振戦成分の強度が、手先パフオーマンスの良さ と正の相関関係がある、っま り10 Hz振戦が小さいと手先のパフオーマンスが良いという可能性が 示唆された。そこで実験1で は、手指動作に対して震えの計測を行い、10 Hzの生理振戦と手の安定 性（随意的運動制御におけ る制御誤差）との関係を検討した。その結果、10 Hz振戦と手指のカの 制御誤差との間には正の相 関関係があり、振戦の振幅の大きい人は制御誤差が大きく、手指のカの安定性が悪しゝことが示され、10Hzの生理振戦が安定性評価の指標になる可能性が示された。し かし一方で、腕の位置制御課題では上記の相関関係は見られなかった。
腕の位置制御課題に関して は、腕の共振周波数付近に大きな振幅の変動が見られたことから、腕の共振 が制 御誤 差に 影 響し 、単 純に 振 戦だ けで は制 御誤 差 を説 明で きな かっ た と考 えら れた 。
次に振戦と制御誤差との 間の因果関係を探るため、実 験2では筋−神経系の運動単位による単収縮の 数学 モデ ルに よ る数値シミュレーションを 行った。振戦の振幅が増大 する要因は脊髄a運動二ユ一口ンヘの周期的な入 力増加であり、入力増加による影響を、個々の運動単位の同期性が増加する場合と中枢神経系から の周期的入力変動に分けて検討した。その結果、単に制御系の内部が振動的になることが誤差増大 の要因ではなく、同期する運動単位の数が増加することにより、運動単位の単収縮カが時間的にラ ンダムに散らばった状態から偏った状態になり、単収縮カの均一な融合が起 きに くくなる ことが、筋出カの不安定性を増大させている可能性とし て示された。
実験1、2より、静的な定 常状態における振戦と制御誤 差との関係が示されたが、 実際の作業では動いている状態（動的な 状態）における安定性も重要 であることから、実験3では、動的な状態―936−における振戦と制御誤差との関係を検討した。トラッキング課題中の震えを解析した結果、カを一定に安定化させている最中は、振戦と制御誤差との間に相関関係が見られたが、カを増加あるいは減 少さ せ てい る 時 は、 振 戦と 制 御 誤差 と の 間に 相 関関 係 は 見ら れ なか っ た 。
さ らに実 験1と3よ り、10 Hzの生理 振戦が 、指や腕 などの 動作部位や、位置やカあるいは静的か 動的か といっ た計測条件に依存しない、っまりある条件で10 Hz振戦の振幅が小さい人は、他の条件でも振幅が小さいことも明らかとなった。この条件に依存しないという性質は、振戦を安定性評 価の指 標とし て考える際に非常に重要な性質であると考えられる。以上の結果から、研究課題1において、「生理振戦がその人が持っている震えやすい素質を定量的に評価する指標になる」という仮説が検証された。
次 に研究 課題2において、振戦の個人差要因の検討を行った。先行研究から振戦の発現メカニズ
ム は、脊 髄a運動 二ユーロンへの周期的な入力増加（運動単位間の同期性の増加）であると報告され ていた ため、 実験4において表面筋電の解析を行った。その結果、振戦周波数帯域での筋電の脈動が大きい人、っまり周期的に筋電の活動が増強される人は振戦が大きく、筋肉の活動様式の違いが、振戦の個人差の主要因であることが明らかとなった。
また振戦と筋電のピーク周波数帯域には幅があり、筋電のピーク周波数は振戦のピーク周波数よりも高く、さらに筋電のピーク周波数がより高い場合には、振戦の振幅がより小さくなる傾向が見ら れた。 実験2の シミュレーション結果と合わせて考えると、運動単位の発火頻度によるピーク周波数と振戦の周波数が存在し、運動単位の平均発火周波数は振戦の周波数よりも高いため、振戦が小さい場合には運動単位の発火周波数が相対的に大きく検出されることが、振戦の振幅が小さぃゝ時に高い周波数にピークが出る原因であることが分かった。さらに振動は、入力（運動指令）だけでなく、系の機械的性質によっても変化する。筋肉の機械的性質である粘弾性特性に関しては、男性
よ りも女 性が小 さいことが報告されており、柔らかい弾性体は振動を吸収するため、実験5において震えの男女差を検討した。その結果、女性は男性よりも有意に震えが小さいことが明らかとなった。振戦強度の男女差を説明するには筋電の脈動（筋肉の活動バターン）だけでは十分ではなく、筋肉 の柔ら かさが 影響し ている 可能性が 考えら れた。 以上の 結果から、研究課題2において、振戦の個人差要因として、筋肉の活動様式（同期による振動的運動指令）と機械的特性（粘弾性特性）といった2つの要因が関係している可能性が示唆された。
本 研究に よって明らかとなった点を要約すると、10Hzの生理振戦の発現要因である運動単位の周期的同期発火の増加（同期に関与する運動単位の数の増加）により、運動単位の単収縮カがランダムに散らばった状態から偏った状態になり、単収縮カの均一な融合が起きにくくなることが、筋出カの不安定性を増大させる。また運動単位の同期の程度や筋肉の機械的特性には個人差があり、そ れら要 因によ り10 Hzの振戦には個人差が発生する。上記のメカニズムにより、より強い振戦の発現要因を持つ人は、不安定性が増大し、制御誤差も大きくなっている可能性が示された。また10Hzの 生理振 戦は、 動作部 位や計 測条件 に依存 せず、あ る条件 で10Hz振戦の振幅が大きい人は、他の条件でも大きい。以上のことから、その人が持っている震えやすい素質、っまり手先作業中の不 安 定 性 を 10 Hzの 振 戦 で 定 量 的 に 評 価 す る こ と が 可 能 で あ る と 考 え ら れ た 。
一方で、評価としての適応していくための限界も示された。機械的共振の影響が大きい場合や、目 標値へ の動的 制御を行っている場合では、振戦と制御誤差との間に相関関係がなく、10Hz振戦だけでは手先の不安定性を評価できないことも明らかとなった。

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学位論文審査の要旨
主 査 教授 河 原剛一
副 査 教授 清 水孝一
副査 准教授 高橋 誠

学 位 論 文 題 名生 理振戦に よる手 先不安定 性の計測 と評価に関する研究
ヒトが手先で行う作業のために、どのよう教種類の能力（認知的、感覚運動的能力）が関係しているかは明らかではをく、そのことが高度な手先技能に必要を適性検査や効率の良い訓練方法の開発を阻害している。古くからべグさし込み検査をどの作業成績で手先のパフオーマンスは評価されていたが、認知・生理学的根拠に関しては不明極点が多い。そのため、認知・生理学的根拠に基づいた手先作業に関わるヒトの基本的能カを明らかにし、それら能カを定量的に評価していく手法を開発することは極めて意義のある研究である。優れた動作パフオーマンスを実現するためには遠さと正確さのトレードオフが存在し、精密さを要求する作業にとってより重要とをるのは正確さであり、そのために手先の安定化は欠くことのできをい重要を要素である。そこで本研究では精密作業にとって重要毅手先の安定化能カに焦点を当て、その人が持っている震えやすい性質を生理的を指標によって定量的に評価する方法の検討と、その生理学的根拠を明らかにすることを目的とした。
身体には微細で不随意を震え現象である生理振戦が存在することに着目し、もし随意的を手の安定化と不随意を生理振戦との間に何らかの因果関係があれぱ、生理振戦の生理的特性を計測することで、作業課題によらをい手の震えの定量的評価が可能にをると考えた。そこで研究課題1
では「生理振戦がその人が持っている震えやすい素質を定量的に評価する指標にをる」という仮説を検証
し 、 さ ら に 研 究 課 題 2で は 、 生 理 振 戦 の 個 人 差 の 要 因 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。
研究課題1
では、10Hzの生理振戦と手の安定性（随意的運動制御における制御誤差）との関係を検討した。その結果、10Hz
振戦と手指のカの制御誤差との間には正の相関関係があり、振戦の振幅の大きい人は制御誤差が大きく、手指のカの安定性が悪いことが示され、10Hzの生理振戦が安定性評価の指標に教る可能性が示された。次に振戦と制御誤差との因果関係を探るため、筋ー神経系の運動単位による単収縮の数学モデルによる数値シミュレーションを行った結果、単に制御系の内部が振動的に教ることが誤差増大の要因ではをく、同期する運動単位の数が増加することにより、運動単位の単収縮カが時間的にランダムに散らばった状態から偏った状態にをり、単収縮カの均一顔融合が起きにくく春ることが、筋出カの不安定性を増大させている可能性が示唆された。さらに筋カを積極的に変化させる等尺性収縮状態下でのトラッキング課題における振戦と制御誤差との関係を検討した結果、カを増加あるいは減少させている時は、振戦と制御誤差との間に相関関係は見られ誼かったが、カの増加後一定に安定化させている最中は、振戦と制御誤差との間に相関関一 938―係が見られた。また研究課題1において、10Hzの生理振戦が、指や腕教どの動作部位や、位置やカあるいは一定か変化かといった計測条件に依存しをい、っまりある条件で10Hz振戦の振幅が小さい人は、他の条件でも振幅が小さいことも明らかとをった。この条件に依存しをいという性質は、振戦を安定性評価の指標として考える際に非常に重要を性質であると考えられる。以上の結果
から、研究課題1において、「生理振戦がその人が持っている震えやすい素質を定量的に評価する指標に極る」という仮説が検証された。
次に研究課題2において、振戦の個人差要因の検討を行った結果、振戦周波数帯域での筋電の脈動が大きい人、っまり周期的に筋電の活動が増強される人は振戦が大きく、筋肉の活動様式の違いが、振戦の個人差の主要因であることが明らかとをった。さらに女性は男性よりも有意に震えが小さいことが明らかとをり、筋肉の機械的性質である粘弾性特性に関しては、男性よりも女性が小さいことが報告されていることから、筋肉の柔らかさが振戦の個人差要因に影響している可能性が考えられた。っまり、研究課題2において、振戦の個人差には筋肉の活動様式（同期による振動的運動指 令） と機 械的 特性 （粘 弾性 特性 ）の 2つの 要因 が関 係し てい る可能性が示唆された。
これを要するに、著者は、運動単位が10Hzの周期で同期発火するてとにより、運動単位の単収縮カが偏った状態に社り、単収縮カの均一を融合が起きにくくをることが、筋出カの不安定性を増大させ、そのために制御誤差も大きくをっているとし、このことから、その人が持っている震えやすい素質、っまり手先作業中の不安定性を10Hzの振戦で定量的に評価できる可能性があると結論づけた。また10Hzの生理振戦が動作部位や計測条件に依存しをいことや、震えに性差があることなど多くの新知見を得たものであり、生体情報科学に対して貢献するところ大額るものがある。
よっ て著 者は 、北 海道 大学 博士 （情 報科学 ）の学位を授与される資格あるものと認める。

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