JP2015211705A - Ｂｍｉ運動補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な機能を備えたＢＭＩ運動補助装置を提供する。【解決手段】ＢＭＩ運動補助装置は、使用者の脳波（ＥＥＧ）から脳波生体信号を検出し、使用者の表面筋電位（ＥＭＧ）から表面筋電位生体信号を検出する検出回路と、両生体信号に基づいて制御信号を演算する演算部３０を有する。ＢＭＩ運動補助装置の制御信号生成機構は、脳波（ＥＥＧ）を表す信号、及び表面筋電位（ＥＭＧ）を表す信号を受ける入力端子と、ＥＥＧを表す信号から第１処理信号を演算し、ＥＭＧを表す信号から第２処理信号を演算し、これら２つの処理信号に基づいて、アクチュエータ６０の制御信号を演算する演算部とを備え、演算部の演算結果を外部に出力する出力端子を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、四肢が不自由な人を補助するＢＭＩ運動補助装置に関する。運動補助装置は装具、義肢を含む概念である。運動補助装置を使用する者を使用者と呼ぶ。

脳・神経の活動に由来する生体信号を用いて機械の操作を可能とするブレイン‐マシン・インタフェース（ＢＭＩ）（ブレイン‐コンピュータ・インタフェース（ＢＣＩ）とも呼ばれる）の技術を用いて、脳卒中や脊髄損傷などにより四肢が不自由となった人の運動をサポートする装具または義肢（ＢＭＩ運動補助装置）が、現在精力的に研究・開発されている。

脳波（electroencephalography, 以下ＥＥＧ）を検出し、使用者が行おうとする運動を識別し、それに合わせて腕の動き、手の開閉をサポートする装具として、神作らのグループによるＢＯＴＡＳ（非特許文献1）がある。

表面筋電位（surface electromyography, 以下ＥＭＧ）を検出し、使用者の運動を識別し、上肢あるいは下肢運動のサポートをする装具（特許文献１, ２, ３, ４）がある。

脳波を検出して、リハビリ装置として用いる装具も提案されている（特許文献５, ６）。

ＢＭＩ型装具をリハビリ装置として使用する場合、患者が麻痺肢をある程度動かせるようになってきたところで、装具のアシストに頼らない動作を促すことが望ましい。上肢を麻痺した片麻痺患者にあえて麻痺手のみを使用させるＣＩ療法(constraint induced movement therapy)が成果を上げている（非特許文献２）。

脳波（ＥＥＧ）には運動と直接関係のない脳活動の影響も含まれるため、十分な精度で動作の識別を行うためには、使用者が運動を行おうとしてから数秒程度を識別のための脳波計測に費やす必要があり、動作の遅れが生じていた。また対象とする動作の種類を、あらかじめ登録した数種類の動作に限定する必要があった。これらは、患者の意図する動作とアシスト中実現される動作の差を広げるので、センスオブエージェンシ（sense of agency、ある運動の動作主が自分であるという感覚）の低下につながり、リハビリ訓練にとって好ましくないと考えられる。

片麻痺患者が、ＢＭＩ型装具を使用するにつれ、初めは見られなかった麻痺手のＥＭＧが観測されるようになった例も示されている（非特許文献３）。

表面筋電位（ＥＭＧ）は、筋へ送られる神経の指令を皮膚表面上から計測したもので、ほぼ運動に関係した情報のみが含まれている。健常者の肩・肘の動作を、ＥＭＧとニューラルネットを用いて遅れ・動作の限定なしで推定している例もある（非特許文献４）。

特許第４１７８１８５号「装着式動作補助装置、及び装着式動作補助装置における駆動源の制御方法、及びプログラム」 特許第４７４２２６３号「歩行補助装置」 特許第５０７５７８３号「歩行補助装置の制御装置」 特許第５２３４５４２号「筋骨格系モデル作成装置および該方法、筋骨格系機構制御装置ならびに筋骨格系機構システム」 特許第４６１８７９５号「リハビリ装置」 特許第５０７５７７７号「リハビリテーション装置」 特許第５２７７４０５号「脳波測定用電極、脳波測定用電極付きキャップ及び脳波測定装置」

Front. Neurosci. 2013 Sep;7(172):1-10 JAMA 2006 Nov;296(17): 2095-2104 Ann. Neurol. 2013 July;74(1):100-108 Biol. Cybern. 1995 Sep;73(4):291-300

新規な機能を備えたＢＭＩ運動補助装置を提供する。

本発明の１観点によれば、
使用者の脳波（ＥＥＧ）から脳波生体信号を測定し、使用者の表面筋電位（ＥＭＧ）から表面筋電位生体信号を測定し、両生体信号に基づいて制御信号を演算する、ＢＭＩ運動補助装置
が提供される。

脳波（ＥＥＧ）と表面筋電位（ＥＭＧ）とを用いて制御信号を生成することにより、より信頼性の高い制御が可能になる。

装具の場合は、使用者の回復度に応じた対応が可能となる。

図１は、ＢＭＩ運動補助装置を示す斜視図である。 図２は、ＢＭＩ運動補助装置の構成要素のブロック図である。

１１ ＥＥＧ用電極、１２ ＥＭＧ用電極、２０ 前段回路、３０ 演算部、４０ コントローラ、４５ 電源供給装置、５０ 刺激用アタッチメント、６０ アクチュエータ、７０ 出力端子。

ＢＭＩ運動補助装置のアクチュエータを制御するための制御信号を、使用者の脳波（ＥＥＧ）から計算される連続的な制御信号（1種あるいは複数種の実数又は実数のベクトルであらわされる制御信号、例としてモータのトルクや回転速度があり、アクチュエータのＯＮ／ＯＦＦ等の連続的でない信号は外れる）と、使用者の表面筋電位（ＥＭＧ）から計算される連続的な制御信号（1種あるいは複数種）をもとに、それぞれの生体信号から抽出される特徴量（状態を近似的に表すと考えられる量、例としてＥＥＧの視覚刺激点滅周波数におけるパワー、ＥＭＧから計算される筋活性度がある）に応じて新たに連続的な制御信号を計算することを介して提供することを想定する。

ＥＥＧあるいはＥＭＧの特徴量の大きさ（1次元の場合は絶対値、多次元の場合はノルム）が大きいほど、対応する制御信号の影響が出力において強くなるように計算を行うことが望ましい。

また、装具の場合、出力される制御信号をトルクとし、ＥＭＧから推定された麻痺の回復度が上がるにつれて出力されるトルクが小さくなるようにすることが望ましい。

また、ＥＥＧとＥＭＧから抽出された特徴量を表す信号を入力とし、ＥＥＧの特徴量から制御信号を演算する部分と、ＥＭＧの特徴量から制御信号を演算する部分と、これら２つの演算部分の出力をもとにアクチュエータの制御信号を演算する演算部分を備え、計算結果を他の機器に与えることができるようにすることを想定する。

さらに、上記の制御信号演算機構と、ＥＥＧとＥＭＧを計測する生体信号測定部と、使用者の関節を動かすアクチュエータと、アクチュエータを制御信号に基づき制御するコントローラを備え、生体信号測定部が測定した生体信号に基づいて計算された制御信号に基づきコントローラがアクチュエータを制御するＢＭＩ運動補助装置を提供することを想定する。

装具の場合、ＥＭＧによるアシストトルク計算値を出力に影響させることにより、回復につれてＥＭＧがより強く発生するようになった患者に対しては、より運動意図が細かく反映されるアシストを提供することができる。

また、装具の場合、麻痺が回復するにつれてＢＭＩ型装具が与えるアシストを小さくすることにより、患者自身の力による動作を促し、回復効果を促進することが望ましい。

以下、肘関節のアシストを行うＢＭＩ運動補助装置を説明する。

図1に示すように、ＢＭＩ運動補助装置は、ＥＥＧとＥＭＧを計測するための電極１１，１２および前段回路２０、演算部３０、アクチュエータを制御信号に基づき制御するコントローラ４０、使用者の関節を動かすアクチュエータ６０、電源供給装置（バッテリなど）４５、ＳＳＶＥＰ誘発用ＬＥＤパネル等の刺激用アタッチメント５０、等で構成される。

図２にブロック図を示す。

電極１０は、頭部に装着するＥＥＧ用電極１１を３つ（接地電極、リファレンス電極、後頭部のＥＥＧを測定する電極）、上腕に装着するＥＭＧ用電極１２を２つ（肘の屈筋のＥＭＧを測定する電極、肘の伸筋のＥＭＧを測定する電極）用意する。電極の固定は、頭部に関しては電極ホルダー付きのキャップ、上腕に関してはアームスリーブで行う。電極としては、例えば特許文献７の実施例で示されているグリースを用いるものを用いる。

ＳＳＶＥＰ誘発用ＬＥＤパネル５０は、運動補助装置使用時は常時点灯しており、一定の周波数（たとえば８Ｈｚ）で色を周期的に切り替える。運動補助装置の使用者がＬＥＤパネルを見ると使用者の脳にＳＳＶＥＰが発生するため、これをＥＥＧ電極で捕らえることでＢＭＩ運動補助装置へのＥＥＧ入力とすることができる。

前段回路２０は、ＥＥＧ用前段回路２１、ＥＭＧ用前段回路２２を含み、それぞれ、ＥＥＧ電極１１から得られた生体信号sig1、ＥＭＧ電極１２から得られた生体信号sig2を増幅し、ノッチフィルタなどにより交流電源などによるノイズを低減し、生体信号として出力する。

演算部３０は、ＥＥＧ生体信号から制御信号を演算する第１演算部３１と、ＥＭＧ生体信号から制御信号を演算する第２演算部３２と、これら２つの演算部の出力をもとにアクチュエータの制御信号を演算する第３演算部３３を含む。演算部３０は、一定の周期で運動補助装置に供給するトルクを求め、それを電気的信号として出力する。

アクチュエータのコントローラは、演算部３０が出力するトルク計算値を電気的信号の形で受け取り、アクチュエータのトルクがその計算値と近くなるようにアクチュエータに対して電流を与える。すでに市販されているモータコントローラを、このコントローラとして使用できる。

アクチュエータは、運動補助装置の肘関節部分に一つ装着される。たとえばＤＣモータに適当な減速比のギアボックスを備え付けたものを使用することができる。

第１演算部３１は、例えば非特許文献１の材料及び方法（MATERIALS AND METHODS）の項に開示されている1チャンネルのＥＥＧによるものを使用する。このＳＳＶＥＰを用いた制御信号計算部の出力は、運動補助装置の関節に与えるトルクτ_ＥＥＧの計算値とし、使用者がＳＳＶＥＰ誘発用ＬＥＤパネルを見ることでトルクを増加させることができるようにする。また、後述する制御信号の混合に使用するため、以下のＳＳＶＥＰの活性度Ａ_ＥＥＧを出力する。
Ａ_ＥＥＧ ＝ Ｗ_{ＳＳＶＥＰ}Ｓ（ｆ_{ＳＳＶＥＰ}）
ただし
は適当な定数、
は直近のある一定時間のＥＥＧから計算された周波数
におけるパワー、
はＳＳＶＥＰを発生させるために用いる点滅刺激の周波数である。

第２演算部３２は、例えば特許文献４の実施形態として開示されているものを使用する。出力は、運動補助装置の関節に与えるトルクの計算値である。同時に、制御信号の混合と、回復度の推定に用いるため、ＥＭＧの活性度Ａ_ＥＭＧを出力する。
（１）
ただし
はＥＭＧの総チャンネル数、
はチャンネルごとに設定する適当な定数、
は第
チャンネルのＥＭＧを全波整流したのち適当なローパスフィルタをかけたものの現在値である。

第３演算部３３では、第１、第２演算部３１、３２の出力するトルクτ_ＥＥＧ，τ_ＥＭＧと活性度Ａ_ＥＥＧ，Ａ_ＥＭＧから、混合トルクτ_mixedを演算する。
（２）
ただし
、
はそれぞれＥＥＧ、ＥＭＧをもとに第１、第２演算部３１，３２が出力したトルクである。活性度を重みとして、脳波（ＥＥＧ）に基づいて演算されたトルクと表面筋電位（ＥＭＧ）に基づいて演算されたトルクの重みづけ平均を得ている。

義肢の場合、τ_mixedは、アクチュエータのトルクとする。

装具の場合、麻痺が回復してくると、表面筋電位ＥＭＧが増加してくる傾向がある。ＥＭＧの活性度を用いて以下のように回復度を計算する。
（３）
ただしｈ（ｘ）は、０から１までの範囲（0と1を含んでも含まなくてもよい）の数値をとる単調増加関数（例えばシグモイド関数）、Ａ_ＥＭＧバーはＡ_ＥＭＧに対し適当なローパスフィルタを掛けたものの現在値、Ａ_０は適当な定数である。

混合トルクと回復度を結合して、出力トルクとする。
（４）
この出力は、アクチュエータ６０に供給され、さらに他の機器にも供給できるように、出力端子７０に供給される。

なお、上記の活性度の計算、回復度の計算、各コントローラの出力の混合、出力の計算における具体的な式はあくまで制限的意義を有しない例示であり、他の式を用いてもよい。ＳＳＶＥＰの代わりに、あるいはＳＳＶＥＰと同時に、運動イメージによるＢＭＩを用いた運動補助装置コントローラを使用することもできる。

運動補助装置を制御する出力（上記実施例ではトルク）が、脳波（ＥＥＧ）と表面筋電位（ＥＭＧ）との複合関数として形成される。表面筋電位（ＥＭＧ）が微弱な場合は、主として脳波（ＥＥＧ）による制御が可能である。表面筋電位（ＥＭＧ）が強くなると、主として表面筋電位（ＥＭＧ）による制御が可能である。さらに、装具の場合、表面筋電位（ＥＭＧ）の活性度から回復度を判断し、出力を弱めることも可能となる。

Claims (6)

1. 使用者の脳波（ＥＥＧ）から脳波生体信号を検出し、使用者の表面筋電位（ＥＭＧ）から表面筋電位生体信号を検出する検出回路と、両生体信号に基づいて制御信号を演算する演算部と、を有するＢＭＩ運動補助装置。
2. 前記制御信号が活性度とトルクを含み、前記演算部は、脳波（ＥＥＧ）、表面筋電位（ＥＭＧ）から、それぞれ、活性度とトルクを演算し、活性度を重みとして、トルクの重みづけ平均を供給する、請求項1に記載のＢＭＩ運動補助装置。
3. 前記ＢＭＩ運動補助装置が装具であり、前記演算部は、さらに、ＥＭＧから回復度を演算し、回復度が上がるにつれてトルクの値を小さくすることを特徴とする請求項1または２に記載のＢＭＩ運動補助装置。
4. さらに、ＥＥＧとＥＭＧを計測する生体信号測定部と、使用者の関節を動かすアクチュエータと、アクチュエータを制御信号に基づき制御するコントローラとを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＢＭＩ運動補助装置。
5. 脳波（ＥＥＧ）を表す信号、及び表面筋電位（ＥＭＧ）を表す信号を受ける入力端子と、ＥＥＧを表す信号から第１処理信号を演算し、ＥＭＧを表す信号から第２処理信号を演算し、これら２つの処理信号に基づいて、アクチュエータの制御信号を演算する演算部とを備え、演算部の演算結果を外部に出力する出力端子を有する、ＢＭＩ運動補助装置の制御信号生成機構。
6. 使用者の脳波（ＥＥＧ）から脳波生体信号を測定し、使用者の表面筋電位（ＥＭＧ）から表面筋電位生体信号を測定し、両生体信号に基づいて制御信号を演算する、ＢＭＩ運動補助装置の制御信号の生成方法。