JP2010201111A

JP2010201111A - 上肢リハビリテーション支援装置

Info

Publication number: JP2010201111A
Application number: JP2009053134A
Authority: JP
Inventors: Shinji Aramaki; 晋治荒巻
Original assignee: Akita Prefecture
Current assignee: Akita Prefecture
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】脳卒中片麻痺上肢のリハビリテーションにおいて、装置が大型化せず、装着が容易で、麻痺側への注意喚起を行うことが可能な、肩、肘、手関節の左右鏡面対称動作を行う上肢リハビリテーション支援装置を提供する。
【解決手段】水平面上を前後左右に移動可能であり、互いに左右鏡面対称な位置になるように構成された一対のステージと、各のステージに固定された前腕手関節動作支援部とを有し、該前腕手関節動作支援部は、前腕部を支持するアームレストと、手で握るためのグリップを前腕の回内外方向に回転するアクチュエータと、該グリップを手関節の屈曲伸展方向に回転するアクチュエータとを含み、左右いずれかのグリップを他動的に回転させたとき、もう一方のグリップが左右鏡面対称の位置となるように制御し、センサーからの信号を視覚的にフィードバックし、左右方向の動きを訓練対象上肢が動く方向に表示する。
【選択図】図２

Description

本発明は、上肢機能回復訓練装置に関し、特に、正常な運動機能を有する健側上肢の動きに対応させて、運動機能の回復訓練を要する患側の上肢を他動的に運動させ、リハビリテーションを行うことが可能な上肢機能回復訓練装置に関する。

脳卒中片麻痺上肢のリハビリテーションでは、作業療法士が患者の麻痺側上肢を繰り返し他動的に動作させる訓練が行われている。従来の訓練では、療法士の疲労や人的資源の不足または保健診療上の訓練時間の制限から患者本人の疲労等の医学的限界よりも繰り返し訓練の回数に制限がある。また、近年、麻痺側上肢だけでなく健側上肢を含めた両手鏡面対称動作が麻痺側上肢の機能回復に有効であることや、麻痺側上肢の手関節等の上肢の末梢部（上肢遠位部）を繰り返し動かす訓練が上肢遠位部だけでなく肩、肘関節（上肢近位部）を含めた麻痺側上肢全体の機能改善に有効であるということが明らかとなった。このような背景から以下に示すようなリハビリテーション支援装置が開発されている。

例えば、非特許文献１では麻痺側上肢の前腕部をロボットアームに固定し、麻痺側上肢に、ロボットアームの動きを介する受動的な動作によってリハビリテーションを支援する装置が開発されているが、訓練効果が高いとされる両手鏡面対称動による作訓練を行うことはできない。

両手鏡面対称動作を実現するリハビリテーション支援装置として、直列関節型のロボットマニピュレータに麻痺側上肢前腕部を固定し、健側上肢の前腕の位置を検出する検出器からの情報を元にロボットマニピュレータを動かし、健側上肢と麻痺側上肢が鏡面対称動作を行うようにしたリハビリテーション支援装置がある（例えば、非特許文献２）。しかし、非特許文献２で示される装置は前腕部の鏡面対称動作であるため、肩、肘関節までの動作はできるが、よりリハビリテーション効果が高いとされる手関節を含めた動作はできない。

また、リハビリテーション前に肩から手指までの各関節の角度または関節に加わる力を測定し、微調整する必要があるものの、上肢手指に関して鏡面対称動作を行う上肢手指リハビリテーションシステムが提案されている。（例えば特許文献１、２）しかし、特許文献１、２では肩肘関節に取りつけられる動作支援機構の具体的な構成に関して何ら開示されていない。また、関節の動きや力を検出するためのセンサーおよび上肢の動きを制御するための機械を各関節毎に装着する必要がある。

特開２００４−２６７２５４号公報特開２００８−６７８５２号公報

Krebs HI et al: Overview of clinical trials with MIT-MANUS: a robot-aided neuro-rehabilitation facility. Technology and Health Care 1999;7(6):419-23 Burgar CG et al: Development of robots for rehabilitation therapy: the Palo Alto VA/Stanford experience. Journal of Rehabilitation Research and Development 2000 Nov-Dec;37(6):663-73.

これら、非特許文献１、２のロボットに共通して用いられている直列関節型のロボットマニピュレータは、末梢から根幹部になるに従い、大きな出力を発生できるアクチュエータが必要である。したがって、非特許文献１、２の素技術を集積して近位部から遠位部まで含めた上肢リハビリ支援装置を構築すると、装置暴走時の過負荷によって生じる筋障害や骨折などの危険性を制御する新たな機構が必要となり、装置は複雑化・大型化するので広い設置スペースを確保し、床を補強して設置する必要が生じ、運転には専門オペレーターが必要となってしまう。特許文献１および２では、健側上肢の各関節の動きや力を検出するためのセンサーおよび麻痺側上肢の各関節の動きを制御するための機械を上肢の各関節毎に装着する必要があり、制御する関節数が増加すると、それに比例して装着部位が増加し、その結果、装着に時間がかかり、装着部位の摩擦などによる健康被害の可能性が増加する。

また、仮にこのような装置を構築しても脳卒中後のリハビリテーションにおいて、片麻痺患者は麻痺側に注意が向きにくい症状（半側空間無視）を伴うことが多く、療法士は、麻痺側に注意を促しながら訓練を行う必要があり、機械化に伴う人的省力化は期待できない。

このように周辺領域の従来技術で上肢リハビリテーション装置の多機能化を図ると、使用方法が煩雑になり、利用時の安全性は小さくなり、新たな機構によって対策を講じると装置はさらに大型化し、機械化の長所をリハビリテーションに活かすことは困難である。そこで、人的省力化を図るためにオペレーターが介在しないでも簡便に操作可能であり、小さな出力のアクチュエータによって装置を小型化・簡素化し、リハビリテーション時に装置が安全に機能するための新たなメカニズムおよびそのメカニズムを基本とした上肢リハビリテーション装置の開発が必要となる。

上記問題点を解決するために請求項１の発明は、水平面上を前後左右に移動可能であり、互いに左右鏡面対称な位置になるように構成された一対のステージと、各のステージに固定された一対の前腕手関節動作支援部とを有し、前記前腕手関節動作支援部は、第１支持部材を介して前腕部を支持するアームレストと、第１支持部材に固定され、第２支持部材を前腕の回内外動作の軸まわりに回転する第１アクチュエータと、第１アクチュエータの回転角度を検出する第１センサーと、第２支持部材に固定され、手で握るためのグリップを手関節の屈曲伸展動作の軸まわりに回転する第２アクチュエータと、第２アクチュエータの回転角度を検出する第２センサーとを含み、左右いずれかの前腕手関節動作支援部のグリップを回内外動作の軸および屈曲伸展動作の軸まわりに他動的に回転させたとき、もう一方の前腕手関節動作支援部のグリップが他動的に回転させたグリップの左右鏡面対称の位置となるように第１および第２のアクチュエータにより制御されることを特徴とすることを要旨とするものである。
なお、前腕の回内外動作とは、図７（ａ）に示すように前腕Ｈｚを前方へ突き出した状態で人体側に回転する動作を回内、その反対側に回転する動作を回外という。また、手関節の屈曲伸展動作とは、図７（ｂ）に示すように手首Ｈｎを反らせる動きを伸展、手首Ｈｎを伸展と反対側に曲げる動きを屈曲という。

請求項２の発明は、請求項１において、ステージの平面上の位置を検出するセンサーが設けられ、該センサーと上記前腕手関節動作支援部のセンサーからの信号とを視覚的にフィードバックする装置を有し、視覚的にフィードバックする際、左右方向の動きは訓練対象上肢（麻痺側上肢）が動く方向に表示することを特徴とする。視覚的にフィードバックする装置は、例えば、コンピュータに取り込まれたセンサーからの信号を画面上に表示した対象物の動きで表示するための画面、コンピュータおよびコンピュータ上で動作するソフトウエアで構成される。

請求項１の発明によれば、健側上肢の動きにより左右肩、肘、手関節および前腕部の左右鏡面対称動作を行うことが可能となり、その結果、脳卒中片麻痺患者の麻痺側上肢機能の改善が期待できる。また、左右の肩、肘関節の動きは、左右鏡面対称に動く平面２自由度のステージが担うことにより、アクチュエータおよび装置の大型化が不要となり、アクチュエータ暴走時の危険性を抑止できる。また、人体への接触部分はアームレストおよびグリップのみであるため、例えば特許文献１、２と比較して装着を簡便に行うことが可能となる。

請求項２の発明によれば、上肢の動きを視覚的にフィードバックすることができ、さらに左右方向の動きは訓練対象上肢（麻痺側上肢）が動く方向に表示することができるため、患者は麻痺側上肢を使って作業している感覚を得ることができ、その結果として、脳卒中片麻痺患者に多く出現する半側空間無視症状の軽減の効果が期待できる。

上肢リハビリテーション支援装置のブロック図。上肢リハビリテーション支援装置のロボット本体３の構成図。ロボット本体のＸＹステージ部４の構成図。ＸＹステージ部４の鏡面対称動作機構。前腕手関節動作支援部とステージとの接続部。ロボット本体３の前腕手関節動作支援部５、６の構成図。（ａ）は前腕の回内・回外の説明図、（ｂ）は手関節の屈曲・伸展の説明図。ゲームソフトウエア画面。肩、肘関節動作訓練用ソフトウエア画面。前腕回内外動作訓練用ソフトウエア画面。手関節屈曲伸展動作訓練用ソフトウエア画面。

本上肢リハビリテーション支援装置はコンピュータ１、コントロール基板２およびロボット本体３を有する構成で実現した。

図１に本実施例の上肢リハビリテーション支援装置のブロック図を示す。本上肢リハビリテーション支援装置はコンピュータ１、コントロール基板２およびロボット本体３で構成される。ロボット本体３の位置情報であるセンサー信号は、コントロール基板２に入力され、コントロール基板２から駆動信号がロボット本体３内のモータへ出力される。コンピュータ１とコントロール基板２とはシリアル通信（ＲＳ−２３２Ｃ）ケーブルで接続され双方向に通信される。本実施例では、コンピュータ１上で動作しているソフトウエアからコマンド文字列をコントロール基板に送り、コントロール基板２はそのコマンドに応じたロボット本体３の位置情報をコンピュータ１に送信している。

（コントロール基板２）
コントロール基板２について説明する。図１のコントロール基板２は、入出力デジタルポート、シリアル通信機能、タイマー機能および割り込み機能を有するワンチップマイコンとその周辺回路からなり、図３、４に示すステージ位置検出のためのロータリーエンコーダ１１５、１２２からの信号および図６に示す前腕手関節動作支援部５、６内のモータ・センサーユニット１２８、１３０等からの回転角度信号の入力とモータ駆動信号の出力を行う。前腕手関節動作支援部へのモータ駆動信号は、グリップの位置が左右鏡面対称となるように作成し出力する。また、シリアル通信でコンピュータと接続されコンピュータからのコマンドによりステージおよび前腕手関節動作支援部の位置情報（ロータリーエンコーダ１１５、１２２からの信号および前腕手関節動作支援部５、６内のモータ・センサーユニットからの回転角度信号）をコンピュータに送る。それらの動作はソフトウエアで実現される。

（ロボット本体３）
ロボット本体３は、ＸＹステージ部４および左右前腕手関節動作支援部５、６から構成される。図３で示すＸＹステージ部４の左右一対のステージ１０５、１０６に図６で示す左右一対の前腕手関節動作支援部５、６が図２で示すように固定されている。

（ＸＹステージ部４）
ＸＹステージ部４は、図３に示すように、Ｘステージ１０２が一対のスライドレール１０３、１０４に固定され、底板１０１対してＹ軸方向に滑らかに動くように配置される。

Ｘステージ１０２には、ベルト１１１およびベルトの張力を保つための引っ張りバネ１１２が、プーリー１１３、１１４を介して固定され、プーリー１１４の回転軸に回転角度を検出する光学式ロータリーエンコーダ１１５が配置されている。尚、ベルトとプーリーとの接触面には歯車様の凹凸があり、お互いに滑りが生じないようになっている。

Ｘステージ１０２上に左右一対のステージ１０５、１０６が、それぞれ一対のスライドレール１０７、１０８および１０９、１１０を介して固定され、ステージ１０５，１０６は、Ｘステージ１０２に対してＸ軸方向に滑らかに動くように配置される。

図４にベルトおよびプーリーを用いた鏡面対称動作機構を示す。左ステージ１０５と右ステージ１０６とは、ベルト１１６、１１７およびベルトの張力を保つための引張りバネ１１８、１１９を介して接続される。その際プーリー１２０、１２１によりベルトの方向転換を行う。プーリー１２１の回転軸には回転角度を検出する光学式ロータリーエンコーダ１２２が配置されている。尚、ベルトとプーリーとの接触面には歯車様の凹凸があり、お互いに滑りが生じないようになっている。ステージ１０５、１０６のどちらか一方のステージを他動的に動かしたとき、本機構により、もう一方のステージが左右鏡面対称に動く。

このようにＹ軸方向に動くＸステージ１０２上に、Ｘ軸方向に動くステージ１０５、１０６を配置することにより、ステージ１０５、１０６はＸＹ平面上をＡ面に対して互いに鏡面対称に動く。

ロータリーエンコーダ１１５、１２２からの信号はコントロール基板２へ入力される。ロータリーエンコーダ１１５からの情報はステージ１０５、１０６のＹ軸上の位置に変換され、ロータリーエンコーダ１２２からの情報はステージ１０５、１０６のＸ軸上の位置に変換される。

（前腕手関節動作支援部）
図５に前腕手関節動作支援部とステージ１０５または１０６との接続部を示す。前腕手関節動作支援部は固定角度θと角度Φが調整可能なクランプ機構を介してステージに固定されている。

図６に前腕手関節動作支援部の構成図を示す。右前腕手関節動作支援部６は、クランプ機構１２５に第１支持部材１２６が固定され、第１支持部材１２６にアームレスト１２７と前腕の回内外動作を行うモータ・センサーユニット１２８が固定されている。そのモータ・センサーユニット１２８の回転軸に第２支持部材１２９が固定され、その第２支持部材１２９によりモータ・センサーユニット１２８の回転軸と直交するように手関節の屈曲伸展動作を行うモータ・センサーユニット１３０が固定されている。モータ・センサーユニット１３０の回転軸には支持板１３１が固定され、その支持板１３１にはグリップ１３２が固定されている。モータ・センサーユニット１２８および１３０からの図示していない回転角度センサー出力線および駆動入力信号線はコントロール基板２へ接続される。

左前腕手関節動作支援部５は右前腕手関節動作支援部６と同様の構成でそれぞれの構成部品が左右鏡面対称に配置されている。

（コンピュータ１）
コンピュータ１上でステージの位置情報および前腕手関節動作支援部の各回転角度情報を用いてゲームを行うソフトウエアが動作する。画面イメージを図８に示す。的２０１、照準器２０２、グリップに見立てた棒２０３および発射ボタン２０４が画面上に３次元的に表示されている。ここで、照準器２０２の画面上の位置はステージの位置に連動して動き、前腕手関節動作支援部のグリップの屈曲伸展角度に連動して照準器２０２が画面の奥行き方向に傾斜する。グリップに見立てた棒２０３はグリップの回内外方向の動きに連動して画面に垂直な軸回りに回転する。回内外動作に連動して発射ボタン２０４が押し込まれるように動き、最後まで押し込まれたとき弾が発射され的２０１を破壊する。的２０１が破壊されると、点数２０５が加算され、新たな的が表示され、予め設定された位置に移動し停止する。このように、画面内の照準器、グリップおよび発射ボタンの動きを見ながら（視覚フィードバック）、ステージおよび前腕手関節動作支援部を繰り返し操作することにより上肢訓練を行う。ここで、ステージおよび前腕手関節動作支援部の動きは左右鏡面対称であるため、画面上の照準器２０２の動きは麻痺側の動く方向に合わせ、表示するグリップに見立てた棒２０３の動きも麻痺側のグリップが動く方向に一致させる。また、訓練時間を予め設定でき、訓練残り時間２０６も同時に表示する。

その他に、コンピュータ１上では、肩、肘関節動作訓練用ソフトウエアが動作する。画面イメージを図９に示す。ステージの位置情報を画面上の位置に変換し、該位置にボール３０１を表示することにより表現する。本実施例では、画面の四隅に目標領域３０２、３０３、３０４、３０５を設定し、ステージを動かすことにより画面内のボール３０１を移動させ目標領域に到達する訓練を行う。目標領域に到達すると点数３０６が加算され、効果音が鳴り、次の目標領域の色が変化する。画面内のボール３０１を次々に移動する目標領域へ動かすことにより訓練を行う。訓練時間を予め設定でき、訓練残り時間３０７も同時に表示する。

その他に、前腕回内外動作訓練用ソフトウエアが動作する。画面イメージを図１０に示す。前腕手関節動作支援部の回内外角度情報を画面上に３次元的に表現された太い矢印４０１が傾く角度で表現する。傾く方向は麻痺側のグリップが傾く方向に一致している。角度目標４０２、４０３も画面上に表示され、目標角度に到達したときに色の変化および効果音が鳴り、点数４０４が加算され、次の角度目標が表示される。訓練時間を予め設定でき、訓練残り時間４０５も同時に表示する。

さらにまた、手関節屈曲伸展動作訓練用ソフトウエアが動作する。図１１に画面イメージを示す。前腕手関節動作支援部の手関節屈曲伸展角度情報を画面上に３次元的に表現された太い矢印５０１が傾く角度で表現する。傾く方向は麻痺側のグリップが動く方向に一致している。角度目標５０２、５０３も画面上に表示され、目標角度に到達したときに色の変化および効果音が鳴り、点数５０４が加算され、次の角度目標が表示される。訓練時間を予め設定でき、訓練残り時間５０５も同時に表示する。

本実施例の使用方法は、まず、被験者は両上肢前腕部を左右のアームレストに置き、左右のグリップを握る。この際図示しない固定帯で前腕部をアームレストに、手をグリップに固定する。次に、コンピュータ画面の指示に従って両上肢を左右鏡面対称に動かす。アームレストに置かれた前腕部がＸＹ平面内を動くことで肩、肘関節の鏡面対称動作を行うことができ、左右のグリップが回内外および屈曲伸展方向に動くことにより前腕および手関節の左右鏡面対称動作を行うことができる。麻痺側上肢の筋力が小さい場合、麻痺側のステージは主に健側の筋力により動き、麻痺側のグリップは主にモータによって駆動される。

１コンピュータ
２コントロール基板
３ロボット本体
４ＸＹステージ部
５左前腕手関節動作支援部
６右前腕手関節動作支援部
１０１底板
１０２Ｘステージ
１０３、１０４スライドレール
１０５、１０６ステージ
１０７、１０８、１０９、１１０スライドレール
１１１ベルト
１１２引っ張りバネ
１１３、１１４プーリー
１１５光学式ロータリーエンコーダ
１１６、１１７ベルト
１１８、１１９引張りバネ
１２０、１２１プーリー
１２２光学式ロータリーエンコーダ
１２５クランプ機構
１２６第１支持部材
１２７アームレスト
１２８モータ・センサーユニット
１２９第２支持部材
１３０モータ・センサーユニット
１３１支持板
１３２グリップ
２０１的
２０２照準器
２０３グリップに見立てた棒
２０４発射ボタン
２０５点数
２０６残り時間
３０１ボール
３０２、３０３、３０４、３０５目標領域
３０６点数
３０７残り時間
４０１３次元的に表現された矢印
４０２、４０３角度目標
４０４点数
４０５残り時間
５０１３次元的に表現された矢印
５０２、５０３角度目標
５０４点数
５０５残り時間

Claims

水平面上を前後左右に移動可能であり、互いに左右鏡面対称な位置になるように構成された一対のステージと、各のステージに固定された前腕手関節動作支援部とを有し、
前記前腕手関節動作支援部は、第１支持部材を介して前腕部を支持するアームレストと、第１支持部材に固定され、第２支持部材を前腕の回内外動作の軸まわりに回転する第１アクチュエータと、第１アクチュエータの回転角度を検出する第１センサーと、第２支持部材に固定され、手で握るためのグリップを手関節の屈曲伸展動作の軸まわりに回転する第２アクチュエータと、第２アクチュエータの回転角度を検出する第２センサーとを含み、左右いずれかのグリップを回内外動作の軸および屈曲伸展動作の軸まわりに他動的に回転させたとき、もう一方のグリップが他動的に回転させたグリップの左右鏡面対称の位置となるように第１および第２のアクチュエータにより制御されることを特徴とする上肢リハビリテーション支援装置。
上記一対のステージの平面上の位置を検出するセンサーが設けられ、該センサーと上記前腕手関節動作支援部のセンサーからの信号とを視覚的にフィードバックする装置を有し、視覚的にフィードバックする際左右方向の動きは訓練対象上肢（麻痺側上肢）が動く方向に表示することを特徴とする請求項１記載の上肢リハビリテーション支援装置。