JP2016013182A - リハビリテーションシステムおよびリハビリテーションシステムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】患者毎の脳の可塑性の程度に着目したリハビリテーションシステムを提供する。【解決手段】リハビリテーションシステムは、脳波測定装置１０、提示装置２０、電動装具３０、および、制御装置５０を備えている。脳波測定装置１０は、患者の脳波を計測する。提示装置２０は、患者に対して情報の提示およびフィードバックを行う。電動装具３０は、患者の身体に装着して、電気的および力学的な刺激の少なくとも一方を患者に与える。制御装置５０は、脳波測定装置１０によって計測された脳波から運動意図に関連したＥＲＤ信号を抽出し、運動意図が正しく表出されたと判定された場合に、提示装置２０と電動装具３０からフィードバックを与える。また、制御装置５０は、訓練前の脳波の解析結果から訓練量を決定する。【選択図】図２

Description

本発明は、脳波に基づいて患者に刺激を与えるリハビリテーションシステム、および、リハビリテーションシステムの制御方法に関する。

従来、脳卒中等により体肢に麻痺を生じた患者を回復させるために、脳波に基づいて体肢を動作させるリハビリテーションが知られている。このリハビリテーションにおいては、患者が体肢を動作させようとする運動意図の表出に基づいて出現する脳波の変化、例えば、事象関連脱同期（event-related desynchronization；ＥＲＤ）に合わせて身体駆動装置を用いて体肢を動作させることにより、リハビリテーションの効果が高まることが知られている（例えば、非特許文献１）。

特許文献１のリハビリテーションシステムは、患者の脳波を測定する脳波測定装置、体肢を動作させる身体駆動装置、および、これら装置を制御する制御装置を備えている。制御装置は、運動意図の表出として脳波測定装置によりＥＲＤを検出し、検出されたＥＲＤに基づいて身体駆動装置を駆動させる。

特開２０１２−２１７７２１号公報

Shindo K, Kawashima K, Ushiba J, Ota N, Ito M, Ota T, Kimura A, Liu M,"Effects of Neurofeedback training with an electroencephalogram-based brain-computer interface for hand paralysis in patients with chronic stroke: a case series study", Journal of Rehabilitation Medicine 2011, Vol.43, pp951-957

上記リハビリテーションによる訓練の進み具合には患者間の個人差が大きいという特徴がある。同一の手続きによって訓練を実施した場合でも、患者によっては早期に訓練が進む人もいれば、訓練に時間がかかる人もいる。これは、患者それぞれの脳内の可塑性や障害の程度によって生じる差異である。本来ならば、患者の可塑性に応じて訓練の手続きを変更することが望ましいが、これまでは、一通りの訓練を実施した後に、回復の程度が思わしくない患者に対しては追加の訓練を行うなど、訓練の結果がある程度わかってから対策が取られていた。
しかしながら、リハビリテーションにおいて回復の速度は、障害が発生した直後が最も脳の可塑性が残っていて回復が速く、時間の経過とともに回復の速度も低減するという特性がある。このため、リハビリテーションの訓練を開始する前に脳の可塑性の程度を推定して、訓練の手続きを患者ごとに調整すればリハビリテーションの効果は向上することが期待される。

本発明の目的は、患者毎の脳の可塑性の程度に着目したリハビリテーションシステムおよびリハビリテーションシステムの制御方法を提供することである。

〔１〕本発明の一形態に従うリハビリテーションシステムは、患者の脳波を計測する脳波測定装置と、患者に対して情報の提示およびフィードバックを行う提示装置と、患者の身体に装着して、電気的もしくは力学的に刺激を与える電動装具と、前記脳波測定装置によって計測された脳波から運動意図に関連した信号を抽出し、運動意図が正しく表出されたと判定された場合に、前記提示装置と前記電動装具からフィードバックを与える制御装置を備えるリハビリテーションシステムであって、前記制御装置は、訓練前の脳波の解析結果から訓練量を決定する。

〔２〕本発明の一形態に従うリハビリテーションシステムの制御方法は、〔１〕のリハビリテーションシステムを制御する。

本リハビリテーションシステムおよびリハビリテーションシステムの制御方法によれば、患者毎の脳の可塑性の程度に着目したリハビリテーションシステムが提供できる。

実施形態のリハビリテーションシステムの正面図。 実施形態のリハビリテーションシステムのブロック図。 実施形態の画像表示部に安静期間に表示される内容を示す模式図。 実施形態の訓練シーケンスの繰り返しを説明する図。 実施形態の画像表示部にイメージ期間に表示される内容を示す模式図。 実施形態の制御装置により実行されるスケジュール決定処理の処理手順を示すフローチャート。 従来方式のリハビリテーションシステムのブロック図。

図１に示されるように、リハビリテーションシステム１は、脳波測定装置１０、提示装置２０、電動装具３０、操作部４０、および、制御装置５０を備えている。以下、図１および図２を用いてリハビリテーションシステム１の各構成の動作について説明する。

図１に示されるように、脳波測定装置１０は、患者の頭に装着するヘッドホン形状を有し、複数の電極１１、脳波計測部１２、および、脳波送信部１３を備えている。
複数の電極１１は、患者が脳波測定装置１０を頭部に装着したときに、患者の運動意図に関連する脳波を測定しやすい位置に配置されている。具体的には、複数の電極１１は、例えば、患者の右半身の随意運動を支配する左運動野、および、患者の左半身の随意運動を右運動野のそれぞれと対応できる位置（脳波電極の指定方法である、国際１０−２０法では、Ｃ４、Ｃ３の位置）に配置することが好ましい。電極１１の配置を左運動野および右運動野のそれぞれと対応させることにより、同一のリハビリテーションシステム１を左半身の麻痺を有する患者および右半身の麻痺を有する患者の両方に用いることができる。なお、軽量化、簡易装着等の観点から、片側の運動野のみに電極１１を装着したヘッドセットを用いてもよい。

脳波計測部１２は、電極１１のうちの２つの電極間の電位差を増幅して、脳波信号として計測する。計測した脳波は脳波送信部１３に送られる。
脳波送信部１３は、脳波計測部１２にて計測された脳波信号を制御装置５０の脳波受信部５１に送信する。

提示装置２０は、スピーカー２１および画像表示部２２を備えている。スピーカー２１は、制御装置５０から入力される音響信号に基づいて、患者に音および音声を提示する。画像表示部２２は、制御装置５０から与えられる制御信号に基づいて、患者に視覚情報を提示する。患者に提示される情報は、患者がどのようなイメージをすれば良いかの指示に関する指示情報と、患者が指示通りにイメージできているかのフィードバック情報とを含む。

電動装具３０は、患者の指および腕に装着される装具３１、モータ３２、および、筋刺激電極３３を備えている。モータ３２は、装具３１の肘付近に取り付けられている。モータ３２の出力軸と装具３１の指の背の部分とは、図示しないワイヤーにより接続されている。このため、モータ３２が回転することにより、装具３１を装着した患者の指がワイヤーにより引っ張られ、指に力学的な刺激を与える。これにより、患者の指が他動的に運動させられる。

筋刺激電極３３は、患者の前腕部に筋刺激を与えるための電極である。筋刺激電極３３は、ＥＲＤ検出のタイミングに基づいて制御される制御装置５０の筋刺激制御部５９（図２参照）による電極３３間の電流制御によって患者の前腕部に電気的な刺激を与える。この電気的な刺激が患者の前腕部の筋刺激となる。筋刺激およびモータ３２の制御にともなう他動的な運動は、患者の体性感覚へのフィードバックとなる。

操作部４０は、例えば、マウスやタッチパネル等として構成される。リハビリテーションの補助者、例えば作業療法士は、操作部４０を介して患者に関する各種情報を制御装置５０に登録したり、制御装置５０に対する訓練の開始や停止の指示を入力したりする。操作部４０がタッチパネルとして構成される場合には、提示装置２０に一体化することもできる。

図２を参照して、制御装置５０について説明する。
制御装置５０は、脳波受信部５１、ＥＲＤ検出部５２、訓練制御部５３、スケジュール決定部５４、周波数解析部５５、フィードバック制御部５６、提示制御部５７、モータ制御部５８、および、筋刺激制御部５９を備えている。

制御装置５０は、操作部４０からの操作と、提示装置２０、電動装具３０への制御とによって、安静状態と運動意図の表出とを交互に所定の時間間隔で行う訓練を患者に実行させる。

リハビリテ訓練制御部５３ーションの訓練は、操作部４０からの開始指示によって開始される。作業療法士の操作により操作部４０から開始指示が訓練制御部５３に入力され、一連の訓練のプロセスが実行される。

図３にリハビリテーションの訓練の工程図を示す。
１回の訓練（以下、「訓練シーケンス」）は安静期間と運動意図の表出を行うイメージ期間とを含んで構成される。安静期間では、患者はリラックスして特定の思考を想起しないことが求められる。一方、イメージ期間では、患者は運動意図を表出することが求められる。安静期間およびイメージ期間の長さは、例えば、各５秒間に設定される。

そして、安静期間と運動イメージ期間を交互に行うことで訓練が進行する。１日あたり、例えば４０分程度の訓練時間が設定され、その中で制御装置５０は、上記訓練シーケンスを複数回繰り返す。換言すれば、１日あたり所定の訓練時間が終了するまで訓練シーケンスが実行される。患者１名に対しては、この訓練を例えば１０日間にわたって実行することでリハビリテーションの訓練とする。

図２に示される訓練制御部５３は、安静期間と運動イメージ期間との切り替えタイミングを提示制御部５７に伝達する。提示制御部５７は、患者に対して画像表示部２２およびスピーカー２１を介してそのタイミングを提示する。

図４に、画像表示部２２に表示される情報の例を示す。画像表示部２２には、安静期間を示す安静期間枠２３と、イメージ期間を示すイメージ期間枠２４とが並べられて表示される。時間の経過は、時間とともに左から右に移動する縦線２５によって表示される。また、患者に対する要請内容はメッセージボックス２６にも表示される。メッセージボックス２６は、安静期間には「リラックスしてください」等のメッセージを表示する。また、図５に示すように、メッセージボックス２６は、イメージ期間には「イメージしてください」等のメッセージを表示する。

また、図１に示す提示装置２０内のスピーカー２１は、安静期間の開始タイミングと、イメージ期間の開始タイミングとでは、異なる報知音を提示するようにしてもよい。このため、患者は、聴覚的にも安静期間とイメージ期間との切り替わりを認識できる。

次に、図２を参照して、訓練中の運動意図の分析のための脳波解析と患者への解析結果のフィードバックについて説明する。
脳波受信部５１は、脳波送信部１３からの脳波を受信する。また、同時に訓練制御部５３からの脳波訓練タイミングを受信する。脳波測定装置１０は、訓練期間中には常に脳波を計測している。このため、脳波送信部１３は、訓練タイミングを受信することにより、安静期間の脳波と、イメージ期間の脳波とを抽出し、脳波信号を脳波受信部５１に送信ことができる。

ＥＲＤ検出部５２は、運動意図に関連した信号であるＥＲＤ信号を検出する。ＥＲＤは、運動意図の表出により変化する脳波であり、運動意図を表出しているときに特有に発生するとされる。患者がＥＲＤを正しく表出できている場合には、安静期間には、ＥＲＤ信号は検出されず、イメージ期間にはＥＲＤ信号が検出されることになる。

ＥＲＤ信号は、脳波の周波数パワーの時間変化によって求められる。所定の時間範囲において、特定の周波数、例えば１０Ｈｚ付近の周波数パワーの変化が、所定の時間継続して見られた場合には、ＥＲＤ信号が検出されたと判定される。

ＥＲＤ信号が検出されたと判定された場合には、フィードバック制御部５６によって患者に対してフィードバック情報が作成される。フィードバック情報は提示制御部５７を経由して、画像表示部２２の画面上に表示されたり、音情報としてスピーカー２１に提示されたりする。

次に、図１、図４、および、図５を用いて訓練中の動作についてさらに説明する。
図１に示されるように、１訓練シーケンスは、患者が電動装具３０の装着された指にペグＰをつまんだ状態において開始される。このため、ＥＲＤ信号が検出されたとき、電動装具３０のモータ３２の制御により、指が伸展し、ペグＰが落ちる。このとき、指の伸展に関わる神経機能に筋肉からフィードバックが付与され、神経機能の回復が促される。また、電動装具３０の駆動とともに、筋刺激電極３３により、指の伸展に関わる筋肉、例えば、総指伸筋に電気刺激が付与される。このため、指の伸展に関わる神経機能に筋肉からのフィードバックが付与され、神経機能の回復が促される。

制御装置５０は、操作部４０の操作により訓練制御を開始する。訓練制御部５３は、安静期間とイメージ期間の訓練シーケンスを繰り返し提示できるように、提示制御部５７に指示を送る。提示制御部５７は、図４に示されるように訓練の実行中である旨をグラフ等により画像表示部２２に表示させる。安静期間の開始時と、イメージ期間の開始時には提示制御部５７に提示情報を作成させ、スピーカー２１に報知音を提示させる。患者は、スピーカー２１からの報知音、および、画像表示部２２の表示内容の少なくとも一方からイメージ期間に移行した旨を認識し、運動意図の表出を行う。安静期間およびイメージ期間においては、図５に示されるように、ＥＲＤの減衰率の計算結果２８がグラフによって連続的に表示され、そのＥＲＤの減衰率が一定以上の場合に、ＥＲＤが検出されたと判定し、その時間区間は例えば帯２７として画像表示部２２に視覚フィードバック情報として追加的に表示される。また、聴覚フィードバック情報として、スピーカー２１からＥＲＤが検出された旨が報知される。また、モータ制御部５８および筋刺激制御部５９によって電動装具３０からもフィードバックが行われる。

これらの処理によって、患者が運動意図を表出した場合に、制御装置５０を介して擬似的に体性感覚のフィードバックを与えることができ、擬似的に思ったとおりに体が動いたという体験が可能になる。これを繰り返すことでリハビリテーションが進められる。

以上のように、リハビリテーションシステムによって訓練が実施される。
次に、本願発明者が着眼した患者の特性について説明する。患者の障害の回復度合いに関して、以下の文献に着目した。

「Westlake et.al, “Resting state alpha-band functional connectivity and recovery after stroke”, Experimental Neurology 237 (2012) p160-169」
上記文献によれば、患者の脳磁図、特にα帯（８〜１３ヘルツ）の活動強度と虚血性発作の患者の回復具合が関連しているという知見が記載されている。このα帯の活動強度が強い場合には、脳の可塑性が高まっていると考えられること、また、α帯の活動強度は脳波でも推定可能なことから、発明者らはリハビリテーションシステムにもこの知見が導入可能であると考えた。

具体的には発明者らはこの知見から、α帯の活動強度に応じてリハビリテーションのスケジュールを調整することで、リハビリテーションの効果の向上に貢献できることに着想した。

スケジュール決定部５４は、α帯の活動強度に基づいてリハビリテーションのスケジュールを作成し、訓練制御部５３内のメモリ（図示略）に記憶させる。スケジュールは、複数日間にわたるものである。スケジュールは、各日において訓練シーケンスを繰り返す時間や回数を定めている。訓練制御部５３は、スケジュール決定部５４により作成されたスケジュールに基づいて訓練制御を実行する。

訓練制御部５３は、各日のリハビリテーションの開始前にメモリからスケジュールを読み込む。訓練制御部５３は、スケジュールにより定められた時間が経過するまで訓練シーケンスを繰り返す。訓練制御部５３は、スケジュールにより定められた時間が経過したとき、訓練制御を終了し、その日のリハビリテーションを終了させる。

図６を参照して、訓練のスケジュール決定処理について説明する。
スケジュール決定処理は、各日のリハビリテーションの開始前に実施される。スケジュール決定処理は、患者に脳波測定装置１０を装着させ、かつ、患者が椅子に座る等して安静した状態において行われる。

制御装置５０は、ステップＳ１１において、操作部４０からの信号により、患者のＩＤ登録があるか否かを判定する。例えば、作業療法士により患者ＩＤの登録がない、すなわち、リハビリテーションの初日である旨の操作が行われたとき、患者のＩＤ登録がない旨を判定する。また、作業療法士により患者ＩＤの登録がある、すなわち、リハビリテーションの２日目以降である旨の操作が行われたとき、患者のＩＤ登録がある旨を判定する。

制御装置５０は、ステップＳ１１において、患者ＩＤの登録がない旨判定したとき、ステップＳ１２において訓練制御部５３は患者ＩＤを作成する。次に、周波数解析部５５は、ステップＳ１３において脳波測定装置１０からの信号に基づいて脳波受信部５１が受信した脳波から、α帯の活動強度を演算する。そして、スケジュール決定部５４は、ステップＳ１４において、α帯の活動強度に基づいてリハビリテーションのスケジュールを作成し、訓練制御部５３がこのスケジュールをリハビリテーションのスケジュールとして決定する。

具体的には、スケジュール決定部５４は、予め記憶されている基準のスケジュールを読み込み、α帯の活動強度が閾値よりも低いとき、１日のリハビリテーションの時間、および、リハビリテーションを行う日数の少なくとも一方が基準のスケジュールよりも長くなるようにスケジュールを作成する。また、訓練制御部５３、スケジュール決定部５４が決定したスケジュールを患者ＩＤと関連付けて内部のメモリに記憶する。なお、基準のスケジュールは、例えば、各日４０分、全体で１０日間を採用することができる。

スケジュールを長くする調整方法としては、例えば、（１）各日の４０分の訓練時間を例えば５０分、６０分等に長くして、１日あたりのシーケンス数を増やす、（２）１回の訓練時間４０分は変更せず、１日あたりの訓練回数を午前と午後の２回にするなどして、１日当りの訓練回数を増やす、（３）訓練日数を長くする、などが考えられる。

他方、制御装置５０は、ステップＳ１１において、患者ＩＤの登録がある旨判定したとき、すなわち、リハビリテーションの２日目以降である旨判定したとき、ステップＳ１５に進む。そして、訓練制御部５３は、ステップＳ１５において患者ＩＤから患者ＩＤと関連付けて記憶されているスケジュールをメモリから読み込み、訓練制御部５３がこのスケジュールにしたがって訓練のための提示装置２０に対する制御を行う。

リハビリテーションシステム１は、以下の作用および効果を奏する。
（１）リハビリテーションシステム１と図７に示す従来のリハビリテーションシステムとの違いについて説明する。本リハビリテーションシステム１は、周波数解析部５５およびスケジュール決定部５４を備え、図７に示す従来のリハビリテーションシステムは、周波数解析部５５およびスケジュール決定部５４を備えていない点において相違している。

図７に示す従来のリハビリテーションシステム１の訓練制御部５３は、患者の障害の程度や可塑性の状態に関わらず、予め設定された訓練回数分の訓練を実施するのみである。このため、患者に適した訓練量の設定はされていなかった。

制御装置５０は、周波数解析部５５およびスケジュール決定部５４を備えている。制御装置５０は、患者の脳波を測定し、測定した脳波に基づいてリハビリテーションのスケジュールを作成する。すなわち、リハビリテーションの開始前において患者の予後が良好になるスケジュールを作成することができる。このため、患者に応じたリハビリテーションを行うことができる。このため、患者の可塑性の程度に応じて訓練スケジュールを決定できるため、より効果的な訓練が可能なリハビリテーションシステム１が提供できる。

（２）制御装置５０は、脳波のうちのα帯の活動強度に応じてスケジュールを作成する。α帯の活動強度は、患者の予後とよく相関する。このため、患者の予後を良好なものにすることに貢献できる。

（３）制御装置５０は、α帯の活動強度が低いとき、α帯の活動強度が高いときよりもリハビリテーションの期間が長くなるようにスケジュールを作成する。すなわち、α帯の活動強度に基づいてリハビリテーションによる効果が低いと推定される患者に、特に可塑性が高いとされるリハビリテーション初期にリハビリテーションを長く行わせることができるため、患者の予後を良好なものにできる。

（４）制御装置５０は、初日のリハビリテーションの開始前に複数日間にわたるスケジュールを作成する。このため、リハビリテーションの初日を含む開始初期から患者に応じたスケジュールでリハビリテーションを行うことができる。このため、患者の予後をより良いものにすることに貢献できる。

本リハビリテーションシステム１が取り得る具体的な形態は、上記実施形態に例示された形態に限定されない。本リハビリテーションシステム１は、上記実施形態とは異なる各種の形態を取り得る。以下に示される上記実施形態の変形例は、本リハビリテーションシステム１が取り得る各種の形態の一例である。

・制御装置５０は、２日目以降であっても訓練開始前の脳波のα波の活動強度によって、可塑性が低いと判断された場合には、その後のスケジュールを変更することもできる。例えば、２日目以降にα波の活動強度が低い場合には、１日の訓練時間を増やすようにスケジュール変更してもよい。この構成によれば、毎日の活動強度に応じて、訓練量を柔軟に設定できる。

・α帯の活動強度が高いとき、基準のスケジュールよりも１日のリハビリテーションの時間、および、リハビリテーションを行う日数の少なくとも一方をα帯の活動強度が低いときよりも短くするようにスケジュールを作成することもできる。

・α帯の活動強度が低いほど、１日のリハビリテーションの時間、および、リハビリテーションを行う日数の少なくとも一方が長くなるようにスケジュールを作成することもできる。この場合、基準のスケジュールに代えて、α帯の活動強度とリハビリテーションの時間および日数との関係マップを予めメモリに記憶しておくこともできる。

・制御装置５０は、単日のリハビリテーションのスケジュールを作成することもできる。この場合、作業療法士等により定められたリハビリテーションの期間において、各日のリハビリテーションの開始前に、脳波に基づいてその日のリハビリテーションのスケジュールを作成するようにできる。

・分析の周波数帯はα波のみに限らず、全周波数帯の強度を用いてスケジュールを作成することもできる。
・簡易なシステムとするため筋刺激制御部５９および筋刺激電極３３、または、モータ制御部５８およびモータ３２を省略することもできる。

・患者の下肢に装着する形状の電動装具３０に変更することもできる。

１…リハビリテーションシステム、１０…脳波測定装置、２０…提示装置、３０…電動装具、４０…操作部、５０…制御装置。

Claims (6)

1. 患者の脳波を計測する脳波測定装置と、
   患者に対して情報の提示およびフィードバックを行う提示装置と、
   患者の身体に装着して、電気的もしくは力学的に刺激を与える電動装具と、
   前記脳波測定装置によって計測された脳波から運動意図に関連した信号を抽出し、運動意図が正しく表出されたと判定された場合に、前記提示装置と前記電動装具からフィードバックを与える制御装置を備えるリハビリテーションシステムであって、
   前記制御装置は、訓練前の脳波の解析結果から訓練量を決定する
   リハビリテーションシステム。
2. 前記制御装置における脳波解析は、α帯の活動強度を分析する
   請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
3. 前記制御装置において、前記α帯の活動強度が低いとき、前記α帯の活動強度が高いときよりも訓練時間が長くなるようにスケジュールを作成する
   請求項２に記載のリハビリテーションシステム。
4. 前記制御装置は、１日あたりの訓練時間を増やす
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のリハビリテーションシステム。
5. 前記制御装置は、毎日の訓練前に脳波計測を実施し、当日の訓練量を決定する
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のリハビリテーションシステム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のリハビリテーションシステムの制御方法。