JP2007020835A

JP2007020835A - リハビリ装置

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Publication number: JP2007020835A
Application number: JP2005206468A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kamitsukuri; 憲司神作; Keiji Matsuda; 圭司松田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Natural Sciences
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: JP4618795B2

Abstract

【課題】脳卒中の後遺症などにより身体の一部が麻痺し、自発的に麻痺した部位を動かすことのできない患者のリハビリのための装置を提供する。
【解決手段】本発明のリハビリ装置は、視覚入力により麻痺を伴う肢部を患者自身が動かしているという感覚（動作主感覚）がリハビリテーションへ与える効果があり、実際の運動に伴う運動覚などの脳への入力も起こるため、高いリハビリ効果がある。本発明は、脳卒中の後遺症などにより身体の一部が麻痺した患者のリハビリのための装置であって、患者に麻痺した身体部分の正常な動きを見せる視覚刺激装置、身体駆動装置、患者の生体信号を検知する手段、及び検知した生体信号から身体を駆動させるためのデータを生成する手段、及び生成されたデータを身体駆動装置に送信する手段から成り、該生体信号の検知又は外部信号をトリガーとして、該視覚刺激装置と協調して該身体駆動装置が患者に見せる身体部分の動きと同じ動きを強制的に開始し、一定時間その動きを継続するようにプログラムされたリハビリ装置である。
【選択図】図１

Description

この発明は、脳卒中の後遺症などにより身体の一部が麻痺した患者のリハビリのための装置に関する。

脳卒中の後遺症などにより身体の一部が麻痺した患者の麻痺部分を効果的に回復させるための方法や装置に関して精力的に研究と開発が進められている。
このような研究結果として、麻痺のある部位を患者自身が動かしているという感覚（動作主感覚）が大きいほど、感覚運動統合を行うと考えられている領域が活動することが知られており（非特許文献１）、こうした領域が随意運動に重要であり（非特許文献２）、さらに、その領域はリハビリの効果があった患者の初期によく活動することが分かっている（非特許文献３）。
また具体的なリハビリの方法や装置として、随意運動している健常側を鏡で写し、麻痺側が動いているような視覚入力を与えると、リハビリ効果があがることが分かっている（非特許文献４）。更に、患っている手指を強制的に動かす装置（特許文献１）や、患者の意志に基づいて麻痺した手指を動作させる装置（特許文献２）などが開発されている。
その他、手指を動かそうとする意思を、脳波の運動準備電位より捕らえようとする研究も行われている（非特許文献５，６）。

特開2004-267254 特許第1661864号(特公平3-28225) Neuroimage. 2003 Feb;18(2):324-33 Neuroimage. 2004 Jun;22(2):904-11 Brain. 2003 Nov;126(Pt 11):2476-96 Lancet. 1999 Jun 12;353(9169):2035-6 Clini. Neurophysiol. 2005 May;116(5):1213-21 Proceeding of 1st international conference on CME. 2005 May:15-7

本発明は、脳卒中の後遺症などにより身体の一部が麻痺し、自発的に麻痺した部位を動かすことのできない患者のリハビリのための装置を提供する。

本発明のリハビリ装置は、視覚入力により麻痺を伴う肢部を患者自身が動かしているという感覚（動作主感覚：エージェンシー）がリハビリテーションへ与える効果があり、実際の運動に伴う運動覚などの脳への入力も起こるため、高いリハビリ効果がある。
また本発明のリハビリ装置と、非侵襲脳機能計測と組み合わせ、新たな装置を構成することができる。非侵襲脳機能計測法によって得られる特定の領域の脳活動と、動作主感覚及びリハビリ効果の関係に着目し、最適なリハビリ内容の選択に用いることができる。適切なリハビリ運動を選択することによりリハビリ促進効果が期待される。

即ち、本発明は、脳卒中の後遺症などにより身体の一部が麻痺した患者のリハビリのための装置であって、患者に麻痺した身体部分の正常な動きを見せる視覚刺激装置、身体駆動装置、患者の生体信号を検知する手段、及び検知した生体信号から身体を駆動させるためのデータを生成する手段、及び生成されたデータを身体駆動装置に送信する手段から成り、該生体信号の検知又は外部信号をトリガーとして、該視覚刺激装置と協調して該身体駆動装置が患者に見せる身体部分の動きと同じ動きを強制的に開始し、一定時間その動きを継続するようにプログラムされたリハビリ装置である。
生体信号を利用しない場合は、音などの外部信号を利用し、この信号をトリガーとして、身体駆動装置が該視覚刺激装置が患者に見せる身体部分の動きと同じ動きを強制的に開始する。
本発明は、更に、前記リハビリ運動に関連する脳領域の脳活動を検知する手段を備え、検知した脳活動の解析結果を前記データにフィードバックさせ、それに応じてリハビリ運動を選択することを含む上記のリハビリ装置である。

本発明のリハビリ装置は、リハビリ運動を、同一の運動内容の視覚刺激と同期させて患者に呈示するため、その運動を自己が行うという感覚（動作主感覚）を引き起こすことができる。さらに、脳機能を計測・解析を行ない、動作主感覚やリハビリテーション効果との関係を客観的に示し、その結果から、より適したリハビリ運動内容を選択する。これらは従来のリハビリシステムには無いものであり、顕著にリハビリを促進する効果がある。

本発明のリハビリ装置は、リハビリの対象とする運動内容を可視化した視覚刺激を呈示する視覚刺激装置と、同様の運動を引き起こす身体駆動装置、麻痺を伴う患者からの生体信号を検出する装置を備える。身体の麻痺により、自発的に部位を動かすことができない患者については、例えば脳波を計測することにより運動に関する信号（脳波の運動準備電位）を「生体信号」とする。動作に不自由があるが、ある程度身体を動かすことのできる患者については、動きそのものを検出する、又は、筋電位などを計測することにより、生体信号とする。生体信号をトリガーとして、視覚刺激と駆動装置を同期させて患者へ呈示する。これによりリハビリ運動を患者自身が行うという感覚（動作主感覚）を引き起こさせる。

さらに本装置は、患者の生体信号をトリガーとして利用できない場合は、外部同期信号を用いてトリガーとして利用することができる。外部同期信号としては、例えば２秒ごとに「ピッ」という音を提示し、その音のリズムに合わせて患者にリハビリ運動をさせるといったことを想定している。音の提示と同時に身体駆動装置を動作させず、人が音を聞いてから動作に至る遅れ時間分を考慮して、身体駆動装置を動作させる。この遅れ時間を挿入することにより、動作主感覚を大きくすることが可能となる。
リハビリには、いくつかの運動が考えられるが、患者の症状に応じて最適な運動が存在する。その最適な運動を選択するために、リハビリ中の脳活動を非侵襲脳機能画像法(PET、fMRI、EEGなど)にて計測し、これをリハビリや動作主感覚効果との関係に注目し解析して解析を行ない。その解析結果からより適したリハビリ運動を選択する。

リハビリ運動（例えば、上肢の麻痺を伴う患者に、両手手指対向運動の視覚刺激呈示と共に機械による補助を伴う手指対向運動といった特定の運動）を行い、その際の脳活動を非侵襲脳機能画像法(PET、fMRI、EEGなど)にて計測する。手指の対向運動のリズム、パターンなどを変化させたリハビリ運動を幾種類か行わせ、動作主感覚が大きい、つまりリハビリ効果の大きいほど良く活動すると言われている感覚運動統合を行う脳領域の活動を観測する。観測結果をもとに、リハビリ運動内容を選択することでリハビリ効果を促進させることができる。

（１）患者に麻痺した身体部分の正常な動きを見せる視覚刺激装置とは、例えば、患者の正面に、CRT、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ELディスプレイ、無機ELディスプレイ、SED(surface-conduction Electron-emitter Display)、FED(Field Emisson Displays)など通常のビデオ信号又は、コンピュータの画面を表示できる装置を置く。患者には、麻痺した部位が直接見えないように覆いをする。その上で、できる限り広い視野を確保し、画面に表示される麻痺部位が自分の身体の一部であるように見えるようにする。臨場感、没入感をより高くするために、HMD（Head Mount Display）、Ensphered Vision (http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/vrlab_web/enspheredvision/enspheredvision_j.html)などを用いることも可能である。表示される映像としては、以下のようなものを用いる。実写の映像を用いる場合は、健常者に、患者の麻痺した身体部分の運動を行なってもらい、それを撮影し用いる。又は、患者自身の健常側の上肢運動を撮影し、麻痺側が運動しているように鏡像映像を作成し、用いる。コンピュータグラフィックスを用いる場合は、患者の麻痺している部位が健常な状態であるかのように動く動画を作成する。それらを、身体駆動装置と同期させる。

（２）患者の生体信号を検知する手段は、患者の状態により用いる生体信号が異なるので、生体信号によって以下のような手段とする。
a)患者の一部が麻痺し、動作に不自由があるが、ある程度は動かすことができる場合は、身体駆動装置に取り付けられているセンサーからの信号を計算機に取り込む。センサーとしてはStrinGlove(NI帝人商事株式会社, http://www2.ni-teijinshoji.co.jp/news/050616.html）を用いることができる。即ち、各関節に、紐を取り付け、手首部分に、紐の長さを測定する装置を装備する。回転する軸に、紐が巻き付けてあり、紐の繰り出し量を軸の回転数と方向により検出する。関節が曲がることにより、手首までの紐の長さが変化する。紐の長さの変化から関節の曲がり角度を計測することが可能となる。
b)患者の身体の一部が麻痺し、自発的に麻痺部位を動かすことができない場合は、例えば脳波を計測し、運動に関する生体信号（運動をしようと意図すると運動に先立って信号が生ずる）を用いる。脳波計より出る電気信号をA/Dコンパータを介してデジタル信号として、計算機に取り込む。又は、健常側を同時に動かす運動をリハビリ運動とし、健常側の動作を検出する方法もある。

（３）検知した信号を身体を駆動させるためのデータに変換する手段としては、（２）のa,bともに生体信号を計算機に取り込む。計算機は、そのデータをトリガーとして、D/Aコンバータを介して、身体駆動装置を駆動する。身体駆動装置に関しては、後述する。また、身体駆動装置は、身体を駆動するとともに、その状態を把握するセンサーがついている。これらのセンサーを介して、計算機は患者の身体の状態を把握することができる。

（４）変換されたデータを身体駆動装置に送信する手段とは、例えば、D/Aコンバータを介して、計算機より身体駆動装置に取り付けた複数のアクチュエータを動作させる。

（５）身体駆動装置の例として、上肢麻痺患者を対象とした身体駆動装置について説明する。手の甲側に装着し、各指の関節をアクチュエータにより独立して動かすことができる。各アクチュエータは、D/Aコンバータを介して、計算機に接続され、計算機の指示に従い、必要量動かすことができる。また、関節には角度センサーを装備し、現在の角度をA/Dコンバータを介して計算機に入力することができる。患者自身の意思で、身体駆動装置を動かすことも可能である。その際に動いた量は前述の角度センサーにより得ることができる。

（６）トリガーは、患者の状態により異なる。麻痺があるが、ある程度は動かせる場合は、患者の麻痺部を動かした動作を前述の角度センサーより入手し、それを計算機に入力することによりトリガーとする。麻痺により完全に麻痺部を動かせない場合は、脳波を計測し、事象関連電位を検出し、それを計算機に入力することによりトリガーとする。
さらに本装置は、患者の生体信号をトリガーとして利用できない場合は、外部同期信号を用いてトリガーとして利用する。外部同期信号としては、例えば２秒ごとに「ピッ」という音を提示し、その音のリズムに合わせて患者にリハビリ運動をさせる。音の提示と同時に身体駆動装置を動作させず、人が音を聞いてから動作に至る遅れ時間分を考慮して、身体駆動装置を動作させる。

（７）「該視覚刺激装置と協調し該身体駆動装置が患者に見せる身体部分の動きと同じ動きを強制的に開始し、一定時間その動きを継続するプログラム」とは、身体駆動装置の動作パターンをあらかじめ計算機上に記録しておき、リハビリにあわせて、記録しておいた何種類もの関節の動かし方のパターンから選択することができる。

（８）前記麻痺部分の領域の脳活動を検知する手段とは、例えば、(7)にあるように、各種のリハビリ運動のパターンを作成し、リハビリ運動中の脳活動を非侵襲脳機能画像法(PET、fMRI、EEGなど)にて計測する。動作主感覚が大きい、つまりリハビリ効果の大きいほど良く活動すると言われている感覚運動統合を行う脳領域の活動を観測する。観測結果をもとに、リハビリ運動内容を選択することでリハビリ効果を促進させることができる。

（９）検知した信号を解析し、最も活動の大きかったリハビリ運動が、その患者にとって最適の運動であることがわかる。運動解析を行なうことにより、最適なリハビリ運動を選択することができ、時間あたりの効果を最大にすることができる。

次に、本発明の具体的装置を、図１に沿って、軽度の上肢単麻痺（片側の上肢のみの麻痺）に対して用いる場合を想定して説明する。但し、本装置は、麻痺のある体部位や麻痺の程度にかかわらず適用できるものであり、軽度の上肢単麻痺（片側の上肢のみの麻痺）に対してのみ用いられるわけではない。
対象とするリハビリ運動としては、両手で同時に行う手指対向運動とする。特にここでは、第2指と第1指との対向運動とする。
視覚刺激としては、まず実際の患者の健側の運動を、患者の視点よりデジタルビデオで撮影して準備する。この画像を、PCなどに取り込み、健常側を、左右反転させ、麻痺側の映像として合成する編集をする。これにより健側、麻痺側が共に滑らかに動いているような映像を作り、視覚刺激とする。
自然な画像が生成できないばあいは、麻痺側をCGで作成して、合成するという手段も考えられる。

さらに、この視覚刺激と同様の、リハビリの対象とする両手手指対向運動を、他動的に引き起こすことのできる身体駆動装置を準備する。具体的な装置の例としては、麻痺を伴う手指の関節に、関節の自由度に対応する駆動装置（モーターなど）を装備し、関節の近位部、遠位部にまたがりその動力を伝えることのできる装置を装着する。
この視覚刺激、及び身体駆動装置による両手手指対向運動は、それぞれ同期させて患者へと呈示するわけであるが、この同期信号をとらえる手段としては、例えば、患者の患側の手指の関節角や位置、角速度などの運動の物理量を検出する手段が挙げられる。例えば、運動の開始時点に関しては、関節角や位置、角速度などの運動の物理量の変化量が閾値を越えることで捉えることができる。

この際、麻痺側の手指が自動的に全く動かせない場合には、運動に関する生体信号（運動をしようと意図すると運動に先立って信号が生ずる）を用いる。脳波計より出る電気信号をA/Dコンパータを介してデジタル信号として、計算機に取り込む。又は、健常側を同時に動かす運動をリハビリ運動とし、健常側の動作を検出する方法もある。
検知した該運動開始時点の信号は、同期信号として、視覚刺激装置、及び身体駆動装置へと送り、それぞれを同期させて患者へと呈示する。あらかじめ、運動のパターンを用意しておき、それを繰り返し行なうことにより、リハビリ運動とする。

実際の運動の流れを図２に示す。
また、本発明のリハビリ装置と、非侵襲脳機能計測装置を組み合わせ、新たな装置を構成することができる。この装置の操作の流れを図３に示す。複数の視覚刺激、運動パターン（リハビリ運動）を作成する。各回においてリハビリ運動中の脳活動の非侵襲計測を行う。提示したリハビリ運動の中で最も脳活動の上昇したものがその患者にとっての最適なリハビリ運動となる。
患者自身の生体信号を利用できない場合は、外部信号を用いて図４に示す流れ図に沿ってリハビリ運動を行なうことができる。

リハビリ装置の構成例を示す図である。リハビリ運動流れを示す図である。最適なリハビリ運動選択のための流れを示す図である。外部周期信号を使用する場合のリハビリ運動流れを示す図である。

Claims

脳卒中の後遺症などにより身体の一部が麻痺した患者のリハビリのための装置であって、患者に麻痺した身体部分の正常な動きを見せる視覚刺激装置、身体駆動装置、患者の生体信号を検知する手段、及び検知した生体信号から身体を駆動させるためのデータを生成する手段、及び生成されたデータを身体駆動装置に送信する手段から成り、該生体信号の検知又は外部信号をトリガーとして、該視覚刺激装置と協調して該身体駆動装置が患者に見せる身体部分の動きと同じ動きを強制的に開始し、一定時間その動きを継続するようにプログラムされたリハビリ装置。
更に、前記リハビリ運動に関連する脳領域の脳活動を検知する手段を備え、検知した脳活動の解析結果を前記データにフィードバックさせ、それに応じてリハビリ運動を選択することを含む請求項１に記載のリハビリ装置。