JP2022535563A - デジタルツイン神経リハビリテーションシステム - Google Patents

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JP2022535563A
JP2022535563A JP2021572105A JP2021572105A JP2022535563A JP 2022535563 A JP2022535563 A JP 2022535563A JP 2021572105 A JP2021572105 A JP 2021572105A JP 2021572105 A JP2021572105 A JP 2021572105A JP 2022535563 A JP2022535563 A JP 2022535563A
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rehabilitation system
sensors
model
rehabilitation
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デイヴィッド ロイド，
クラウディオ ピッツォラート，
ディネシュ パリパナ，
デイヴィッド ジョン サクスビー，
ローラ エリザベス ダイアモンド，
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Griffith University
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Griffith University
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Abstract

本発明は、脊髄損傷（ＳＣＩ）などの神経疾患を有する人をリハビリテーションするためのリハビリテーションシステムに関する。このシステムは、前記人が運動するのを可能とする運動器具を含む。運動中に前記人からの情報を感知するために、１つ又は複数のセンサが設けられている。このシステムはまた、センサから感知された情報を受信し、前記人のための電気刺激を生成するように構成された、運動する人のモデルを含む。有利には、個人用のコンピュータモデルは、人のための適切な電気刺激を生成し、人への骨折につながる可能性のある過度のストレスを回避するために使用することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、脊髄損傷、脳損傷、脳麻痺、または痙縮などの後天性または発達性の神経疾患を有する人のための神経リハビリテーションシステムに関する。脊髄損傷（ＳＣＩ）への適用のための本発明の好ましい実施形態が、提示される。
本明細書における先行技術への言及は、この先行技術が共通の一般的知識の一部を形成するとの、承認又はいかなる形態の示唆とも解釈されず、又解釈されるべきではない。
何千年もの間、ＳＣＩは不可逆的であると考えられていた。この考えは、現在変わりつつある。最近の科学的証拠は、思考制御のリハビリテーションロボットが、ＳＣＩにおけるいくつかの随意運動を回復させることができることを示している。さらなる証拠は、運動感覚フィードバックを提供することで、損傷した脊髄経路を回復できることを示唆している。
他の研究でもまた、脊髄や筋肉を電気的に刺激することが有効であることが示されている。しかし、このような刺激は、筋肉を活性化して、使用されないことによって時間の経過とともに弱くなった骨を骨折させることが知られている。
さらなる研究は、モータ駆動の外骨格を使用するリハビリテーションが、ＳＣＩにおける随意運動の回復を助けることができることを示している。モータは、刺激された筋肉を活性化させるのではなく、ＳＣＩ患者の動きを作り出すので、この形態のリハビリテーションは、過剰な負荷から保護することができる。しかし、モータ駆動のリハビリテーションは、電気刺激によって可能となるような、動きを作り出すための、刺激され活性化した筋肉の使用及び活動を促進しない。
多くの研究はまた、リハビリテーションにおけるバイオフィードバックの使用についても調査しており、視覚、触覚、又は聴覚のモニタを使用してユーザに情報を提供し、ユーザのトレーニングを改善している。通常、これは、関節の角度や体の位置に関する視覚的な情報を直接提供することを含む。しかしながら、我々の脳は、運動中に我々の関節の位置に関する情報を直接受信するのではなく、その代わりに、センサが埋め込まれており、その長さ、速度、および張力に関する電気信号を生成する筋肉及び腱（すなわち、筋紡錘及びゴルジ腱器官）内の機械的センサからの電気信号を、無意識に解釈している。
これまで述べられたＳＣＩリハビリテーションのための全ての方法の使用は手間のかかることであり、かなりの訓練を必要とする。そのため、医療専門家はこれらのアプローチを使用することを躊躇し、より時間のかかる、効果の低い実践的なリハビリテーション方法に依存している。
好ましい実施形態は、ＳＣＩを有する人をリハビリテーションするための改善されたリハビリテーションシステムを提供する。好ましいシステムは、リハビリテーションの前述のすべての態様を統合して、ＳＣＩにおける自発的な動きを安全に取り戻すのを助ける。さらに、好ましいシステムは、コンピュータモデリングの注意深い設計及び使用を通して、臨床環境でのシステムの使い易さを促進する。
本発明の一態様によれば、神経疾患を有する人をリハビリテーションするためのリハビリテーションシステムが提供され、このシステムは、
前記人が運動するのを可能とする運動器具、
運動中に人の頭部、首、および身体からの情報を感知する１つまたは複数のセンサを備えたヒューマンマシンインターフェース、
視覚フィードバック、好ましくは仮想／拡張現実、触覚フィードバックを介した触覚、又はイヤホンによる聴覚によって可能にされる、体性感覚フィードバックを有するヒューマンマシンインターフェース、
前記センサから情報の流れを受信し、前記人のために機能的又は脊髄の電気刺激及び電動支援を生成するように構成された、前記運動器具上で運動する人の個人用のコンピュータモデル、
及び
体性感覚フィードバックを合成および生成できる個人用のコンピュータモデル
を含む。
本発明の他の態様によれば、神経疾患を有する人をリハビリテーションするためのリハビリテーションシステムが提供され、このシステムは、
前記人が運動するのを可能とする運動器具、
運動中に前記人からの情報を感知するための１つまたは複数のセンサ、
及び
センサから感知された情報を受信し、前記人のための（機能的又は脊髄）電気刺激を生成するように構成された運動する人のモデル
を含む。
有利なことに、個人用のコンピュータモデルは、この人のための適切な機能的又は脊髄電気刺激を生成し、この人への骨折につながる可能性がある過度の負荷を回避するために使用することができる。
個人用のコンピュータモデルは、神経筋骨格モデルを含んでいてもよい。
センサは、人の頭部、首、及び/又は身体上の生体力学的及び/又は生理学的バイオセンサを含みうる。感知された情報は、筋電図（ＥＭＧ）、慣性測定ユニット、脳波（ＥＥＧ）、眼電図（ＥＯＧ）、視線、心拍数、心電図（ＥＯＧ）、及び呼吸のいずれか１つまたは複数に関係しうる。
センサは、人が装着するウェアラブルセンサを含んでいてもよい。
運動器具は、横臥エルゴメータ、上腕エルゴメータ、関節システム、ローイングシステム、又はウォーキングシステムを含みうる。このシステムは、人が機器上で運動を行うのを補助するためのアクチュエータをさらに含みうる。アクチュエータは、モータを含んでいてもよい。
センサは、機器の情報を感知するための１つまたは複数の機器センサをさらに含むことができ、この情報は、機能的又は脊髄電気刺激、及び／又は作動支援を生成するためにモデルにも提供される。機器センサは、速度センサ、モータ電流センサ、力センサ、及び／又はトルクセンサを含みうる。
モデルは、人と機器との間のヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）であるように構成されてもよい。ＨＭＩはヘッドセットを含むことができ、人の運動意図及び強度を分類するために、脳－コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）モデルにデータを提供するＥＥＧシステムを含む。この意図及び強度は、モデルをトリガして、機能的又は脊髄の電気刺激及び作動支援を生成し、人が機器上で所望の運動を実行することを可能にする。
モデルは、ＨＭＩを介して人にフィードバックされる感覚データを生成するように、さらに構成されてもよい。感覚データは、いくつかの体性感覚、心臓、及び／又は呼吸のデータを含んでいてもよい。感覚データは、視覚、聴覚及び／又は損傷を受けていない触覚フィードバック経路によって、人に提供されうる。ＨＭＩヘッドセットは、仮想又は拡張現実を含めることによって、あるいはイヤホン及び／又は触覚デバイスを介して、これらのエクステンデッドリアリティフィードバックを提供することができる。
本発明の他の態様によれば、神経疾患を有する人をリハビリテーションするためのリハビリテーション方法が提供され、この方法は、
運動器具で人を運動させるステップ、
前記運動する人及び運動器具からの情報を感知するステップ、
及び
前記感知された情報を受信し、前記運動器具を使用する人のモデルを使用して、その人のための機能的電気刺激及びアクチュエータ支援を生成するステップ
を含む。
本明細書に記載される特徴は、いずれも本発明の範囲内で、本明細書に記載される他の特徴のいずれか１つまたは複数と、任意の組合せで組み合わせることができる。
図１は、本発明の一実施形態に係るリハビリテーションシステムの概略図である。
本発明の好ましい特徴、実施形態および変形例は、当業者が本発明を実施するのに十分な情報を提供する、以下の詳細な説明から認識することができる。「詳細な説明」は、いかなる形であれ、前述の「発明の概要」の範囲を制限するものとはみなされない。詳細な説明では、以下のとおり、図面が参照される。
本発明の一実施形態によれば、ＳＣＩを有する人１０２をリハビリテーションするためのリハビリテーションシステム１００が提供される。このシステム１００は、人１０２が運動することを可能にする、横臥の自転車又はエルゴメータの形態である運動器具１０４を含む。個人用のウエアラブルな、頭部、首、及び身体バイオセンサ１０６、１０７(生体力学的及び生理学的バイオセンサ)は、運動中に人１０２から個人情報１０８、１０９を感知するために提供される。
このシステム１００は、運動器具１０４上の運動する人１０２の個人用のコンピュータモデル１１０をさらに含み、これはセンサ１０６、１０７が感知した個人情報１０８、１０９を受信し、その人用の電気刺激及び作動支援１１２を生成するためのものである。有利には、個人用のモデル１１０は、その人１０２のための適切な適応電気刺激を生成する際に使用され、その人１０２に対する過剰な筋骨格、心臓及び肺への負荷、並びに骨折の可能性を回避する。
このリハビリテーションシステム１００は、機器１０４の機器情報１１４を感知するための機器センサ(例えば、速度、トルク等)をさらに含む。機器情報１１４はモデル１１０にも提供され、電気刺激及び作動支援１１２を生成する際に使用される。
モデル１１０は、ＨＭＩ１１９内のエクステンデッドリアリティフィードバック１１８を介して人１０２に提供される感覚データ１１６を生成するように、構成される。ＨＭＩ１１９内のエクステンデッドリアリティ１１８は、視覚１２３、聴覚１２０、及び触覚フィードバック１２１を有する仮想又は拡張現実ヘッドセット１２２を含む。ＨＭＩ１１９は、人１０２が装着するヘッドセット１２２内のＥＥＧ、ＥＯＧ、視線センサデータ１０９が使用可能な脳－コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）１２４を、使用している。モデル１１０はまた、人１０２が行動について考えるときの、その人の必要な動きを解釈したデータを、ＢＣＩ１２４から受信するように構成される。モデル１１０は、典型的にはクラウド１２６に格納され、ＩｏＴが使用可能となっている。
システム１００の機能が、以下でより詳細に説明される。
神経筋骨格モデル１１０は、その人の骨、筋肉、関節、および神経系のコンピュータ表示であるデジタルツインを組み込んでいる。デジタルツイン技術は、ＳＣＩの部位を仮想的にバイパスするためにリアルタイムで使用され、脳、脊髄、および筋肉の間の感覚経路及び運動経路を再接続する。
モデル１１０は、仮想／拡張現実１２３、聴覚デバイス１２０及び触覚デバイス１２１、並びにバイオセンサ１０６、１０７が結合されたＨＭＩヘッドセット１２２を介した、デジタルツイン技術の革新的なアプリケーションであるＢｉｏＳｐｉｎｅを含む。ＢｉｏＳｐｉｎｅは、切断された脊椎での運動及び感覚接続を復元させるため、デジタルツインによって制御されるインテリジェントリハビリテーション支援技術の独自セットを統合している。ＢｉｏＳｐｉｎｅは、以下の個別の技術をシームレスシステム１００に統合する。これらは、ＨＭＩ１１９、ウェアラブルバイオセンサ１０６、１０７、人１０２の下肢筋の電気刺激１１２、提示した事例でのモータ補助下肢サイクリング、視覚１２３と聴覚１２０と触覚１２１のバイオフィードバックを有するエクステンデッドリアリティ１１８に変換される拡張体性感覚信号１１６である。
このシステム１００は、患者１０２の個人用のデジタルツインによって、直感的かつ自動的に制御される。
各参加者１０２の個人用のデジタルツインは、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）[２]と人工知能法とを組み合わせて、開発することができる。脳波（ＥＥＧ）は、携帯無線ヘッドセット(例えば、スイスのウェアラブルセンシングＤＳＩ７又はＤＳＩ－ＶＲ３００)１２２を介して取得され、この例ではサイクリング運動を、患者が実行したいかどうか、及び患者がどの程度強く実行したいかを識別するために、ＡＩ方法を使用してＢＣＩ１２４で処理されうる。
サイクリングの例では、自転車データに対する患者の運動意図１２４がデジタルツインを制御し、デジタルツインは、次いで電気刺激１１２を介して筋肉を最適に刺激し、サイクリングを達成するために適切な電動支援１１２を提供する。重要なことに、デジタルツインは、刺激された筋肉活性化が、運動を実行するための電動作動に対抗するのではなく、補助することを保証するように、電気刺激１１２および電動支援１１２を調整する。複数のウェアラブルバイオセンサ１０６からの生体力学的および生理学的情報１０８(例えば、筋電図、慣性測定ユニット、心拍数、心電図、および呼吸)は、患者のデジタルツインによって解釈され、筋骨格組織の負荷及び心血管需要を安全なレベに維持しながら、患者１０２を最大限に運動に従事させるために、エルゴメータペダル支援の量を、段階的に適応させることができる［３、４］。
最後に、患者のデジタルツインは、体性感覚情報１１６を合成することができ、これはエクステンデッドリアリティ１１８、視覚１２３、聴覚１２０、及び／又は触覚１２１フィードバックを介して、より高い体性感覚野にリダイレクトされる[４、５]。
既存の研究[６～１０]で使用され、確立された安全性プロファイルを有する既製で既知の薬理学的補助剤(例えば、ブスピロン)を加えて、神経可塑性に対するそれらの相加効果を測定することができる。システム１００は、既存の市販の機器１０４を改造し更新するように設計されている。
当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの実施形態および変形を行うことができることを理解するであろう。
システム１００は、運動器具１０４を作動させるために、駆動クランクに連結されたロボットモータなどのアクチュエータを更に含むことができる。使用時には、モデル１１０は、アクチュエータをある程度まで作動させて、人１０２を支援する。
法令に準拠して、本発明は、構造的又は方法的特徴について、多かれ少なかれ特有の言葉で説明されている。本明細書に記載された手段は、本発明を実施する好ましい形態を含んでおり、本発明は、図示または記載された特定の特徴に限定されるものではないことを理解されたい。
本明細書全体を通して、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体の様々な箇所における「一実施形態において」又は「実施形態において」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を参照しているとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ又は複数の組合せで任意の適切な方法で組み合わせることができる。
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Claims (20)

  1. 神経疾患を有する人をリハビリテーションするためのリハビリテーションシステムであって、
    前記人が運動するのを可能とする運動器具、
    運動中に前記人からの情報を感知するための１つ又は複数のセンサ、
    及び
    前記センサから感知された情報を受信し、前記人のための電気刺激を生成するように構成された前記運動する人のモデル
    を含む、リハビリテーションシステム。
  2. モデルが、個人用とされ、前記人に適した電気刺激を生成し、骨折につながる可能性がある前記人への過度の負荷を回避する、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  3. 前記センサが、生体力学的及び／又は生理学的バイオセンサを含む、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  4. 前記感知された情報が、筋電図、慣性測定ユニット、心拍数、心電図、及び呼吸のうちの任意の１つ又は複数に関連する、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  5. 前記センサが、前記電気刺激を生成するために前記モデルにも提供される前記機器の情報を感知するための１つ又は複数の機器センサをさらに含む、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  6. 前記機器センサが、速度センサまたはトルクセンサを含む、請求項５に記載のリハビリテーションシステム。
  7. 前記モデルが、エクステンデッドリアリティを通して前記人に提供される体性感覚データを生成するようにさらに構成される、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  8. 前記体性感覚データが、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、及び／又は触覚フィードバックを介してさらに提供されうる、請求項７に記載のリハビリテーションシステム。
  9. 前記モデルが、脳－コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）から運動データの意図を受信するように構成される、請求項７に記載のリハビリテーションシステム。
  10. 前記ＢＣＩが、視覚、聴覚及び／又は触覚フィードバックを有する仮想又は拡張現実ヘッドセットを含む、請求項７に記載のリハビリテーションシステム。
  11. 前記センサが、前記人によって着用されるウェアラブルセンサを含む、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  12. 前記モデルが、個人用とされ、神経筋骨格モデル又はデジタルツインを含む、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  13. 前記運動器具が横臥エルゴメータを含む、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  14. 前記運動器具を作動させるためのアクチュエータをさらに含む、請求項１に記載のリハビリテーションシステム。
  15. 前記アクチュエータがモータを含む、請求項１４記載のリハビリテーションシステム。
  16. 神経疾患を有する人をリハビリテーションするためのリハビリテーションシステムであって、
    前記人が運動するのを可能とする運動器具、
    運動中に前記人からの情報を感知するための１つ又は複数のセンサを備えたヒューマンマシンインターフェースであって、好ましくは仮想現実を介したエクステンデッドリアリティフィードバック、触覚フィードバックを介した触覚、又はイヤホンによる聴覚によって可能になる体性感覚フィードバックを有するヒューマンマシンインターフェース、
    及び
    前記センサから感知された情報を受信し、アクチュエータによって支援され、前記人のための電気刺激を生成するように構成された、前記運動器具上の前記運動する人の個人用のコンピュータモデル
    を含み、
    前記個人用のコンピュータモデルは、体性感覚フィードバックを合成し、生成することができる、リハビリテーションシステム。
  17. 神経疾患を有する人をリハビリテーションするためのリハビリテーション方法であって、
    運動器具で人を運動させるステップと、
    前記運動する人からの情報を感知するステップと、
    前記感知された情報を受信し、前記運動している人のモデルを使用して前記人のための電気刺激を生成するステップと
    を含む、 リハビリテーション方法。
  18. 前記人への骨折につながる可能性のある過度の負荷を回避しながら、電気刺激を生成することを含む、請求項１７に記載のリハビリテーション方法。
  19. 前記感知するステップが、体性感覚、視覚フィードバック、触覚及び聴覚感知のうちの任意の１つ以上を含む、請求項１７に記載のリハビリテーション方法。
  20. 前記運動器具を作動させるステップをさらに含む、請求項１７に記載のリハビリテーション方法。
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