JP6858400B2 - 歩行訓練装置、歩行診断装置、体重免荷装置、及び歩行診断方法 - Google Patents
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Description
(1−1) 設備(体重免荷トレッドミル)
体重免荷装置として、(A)天井に据え付けた空気圧シリンダーとハーネスにより対象の上体を持ち上げる、比較例としての「吊り上げ型体重免荷装置」(ニューアシスト,インターリハ株式会社,日本)と、(B)図1〜図3に示す、カウンターウェイトとシーソー型機構によって対象の股下部に作用する「サドル支持型体重免荷装置」の2種類を使用した。また、トレッドミルは、床反力計を内蔵したスプリットベルトトレッドミル(ITR5018,Bertec Corp., USA)を用いた。これらの体重免荷装置とスプリットベルトトレッドミルを組み合わせることで、体重による重力の影響を軽減しながら、対象者のエンドエフェクタ(足部)へ介入し、「バランス制御」と「股関節伸展」を安全に支援訓練するようにした。さらに、対象の前方に、Kinectセンサ71(Kinect for Windows v2,Microsoft Corp., USA)と、モニタ711としての大型ディスプレイ(REGZA 65J7,東芝, 日本)を配備し、歩行中の左右バランスに関する運動学情報の提示を行った(図1(a)参照)。
もう一つの介入として、エンドエフェクタ(足)に隣接する足関節へ作用する機能的電気刺激を採用した。電気刺激部50として、STG4008(Multi Channel Systems, Inc., Germany)を使用した。ここでは、「足関節によるPush-off」を支援/訓練することを目的に、対象の随意的なキュー(スイッチ52の押下)に基づき、足関節底屈筋群を電気刺激した。刺激は、周波数60[Hz]のパルス搬送波を0.35秒間、かつそれぞれ一対の電極で腓腹筋の外側頭へ7[mA]、内側頭へ8[mA]とした。
被験者(対象者)は、健常成人女性1名(157[cm]、45.9[kg])とした。実験は、大阪大学基礎工学研究科倫理委員会に承認された手続きに則り行われた。(A)吊り上げ型および(B)サドル支持型の体重免荷装置により、対象者の体重を中程度免荷し、対象者が自然と感じる速度(2.5[km/h])でそれぞれ130秒間、体重免荷歩行を行った。各試行において、前半は体重免荷のみ、後半は体重免荷に加えて機能的電気刺激を行った。
図9,図10は、(A)吊り上げ型と、(B)サドル支持型の2種類の体重免荷方式の違いがトレッドミル歩行に与える影響と、 それぞれの体重免荷下における機能的電気刺激による足関節Push-offの支援効果を示している。図9(c)のサドル支持型体重免荷歩行では、図9(a)の吊り上げ型体重免荷歩行に比べて大きな歩幅が実現されている。機能的電気刺激を加えた場合も、サドル支持型体重免荷歩行ではその利点を消失することなく効果的な運動支援が確認された(図9(b),(d))。
続いて、歩行リハビリテーションへの有効な介入を探索することを目的に、サドル支持型体重免荷装置と機能的電気刺激(functional electrical stimulation: FES)とを組み合わせた、エンドエフェクタ型歩行訓練装置の特徴を検証する。これは神経筋疾患患者の随意運動制御の再建を目的とした、タスク指向のアプローチである。吊り上げ型体重免荷歩行とサドル支持型体重免荷歩行の違いを、快適歩行速度、運動学や床反力、FESの効果で評価する。
被験者(対象者)は、3名の健常者(男性1名、女性2名、24歳)とした。実験は大阪大学基礎工学研究科倫理委員会に承認された手続きに則り行われた。また、被験者A,B,Cには、あらかじめ実験の趣旨、内容について十分な説明を行い、本人から実験参加の同意を得た。
(2−2−1)体重免荷トレッドミル
被験者の体重を免荷する装置として、<実験1>と同様、据え付けた空気圧シリンダーとハーネスにより対象の上体を持ち上げる「吊り上げ型体重免荷装置」(ニューアシスト,インターリハ株式会社, 日本)と、シーソー型機構によって対象の股下部に作用する「サドル支持型体重免荷装置」(図1〜図3参照)との2種類を使用して、介入を行った。いずれの体重免荷システムも、床反力計を内蔵したスプリットベルトトレッドミル(ITR5018,Bertec Corp., USA)を含む。以下、吊り上げ型体重免荷装置をハーネス支持型体重免荷装置と呼ぶ。
もう一つの介入として、エンドエフェクタに隣接する足関節へ作用する機能的電気刺激を採用した。刺激システムは、<実験1>の場合と同様の電気刺激装置を使用した。腓腹筋外側頭、内側頭いずれも被験者A,Bは、16[mA]、被験者Cは、12[mA]の強度、周波数200[Hz]のパルス搬送波で、0.15秒間の刺激を行った。
被験者は、図11に示す実験条件下で、110秒間の歩行を行った。この中でFESは、50秒経過してから適用した。各試行で最初の50秒間(免荷の有無による歩行)と、最後の50秒間(FES介入下における免荷の有無による歩行)を解析対象とした。下肢の運動学(左右の股、膝、脚、爪先)は全て、11台のカメラを含むモーションキャプチャシステム(OptiTrack, NaturalPoint,Inc., USA)を用いて、100[Hz]で計測した。床反力は、スプリットベルトトレッドミルに搭載されている床反力計で、1000[Hz]で計測し、100[Hz]までダウンサンプリングした。運動学および床反力は、それぞれ訓練システムの評価の指標として採用した。運動学は、介入を受けた被験者が自然な姿勢で歩けるか否か、床反力は、3つの歩行機能(バランス制御、股関節伸展、足関節Push-off)に必要な床面との相互作用を、体重免荷装置やトレッドミル、FESがどのように支援しているかを示す。被験者の随意歩行実験の間、運動学、床反力およびFESの刺激タイミングは同期して記録され、記録データは平滑化されてから、歩行の一周期で正規化された。FES制御側の足の最初の接地を0%、その次の接地を100%(1歩行)としている。実験の前には予め歩行の練習期間を設け、被験者が各環境に十分に慣れてから運動計測を行った。
(2−3−1)快適歩行速度
図12に、ハーネス支持型体重免荷装置とサドル支持型体重免荷装置の免荷量に応じた、快適と感じる歩行速度の変化を示す。これらの主観的な好みのデータは、被験者に対するアンケート調査への回答から得られた。
図13は、被験者Aがハーネス支持型およびサドル支持型体重免荷システムを中程度の体重免荷(33% BWS)で歩行した際の股、膝、足関節の関節角度を示し、図14は、同条件での、床反力の垂直成分、前後剪断成分および左右剪断成分を示す。これらの運動データは、非体重免荷(non-BWS)歩行においても同速度で測定した。
図15は、被験者Aが免荷装置を用いない非体重免荷歩行を、様々な速度(1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、および4.5[km/h])で行った際の床反力の3成分を示す。ここで、非体重免荷歩行は、その快適歩行速度(4.0[km/h])において、立脚中期(歩行相10〜30%)と立脚終期(歩行相30〜50%)とで2つの顕著なピークが見られる。最初のピークは主に股関節の伸展に、2つ目のピークは股関節伸展と足関節のPush-offによるものである。
図18、図19は,被験者Aがサドル支持型体重免荷歩行を行った際の各関節の角度変化と床反力の3成分を示す。パラメータは、歩行速度3.5[km/h](33% BWSの下で快適な歩行速度)における免荷量とした。
図20は、被験者A(3.5[km/h], 33% BWS)、被験者B(2.5[km/h],40% BWS)、被験者C(4.5[km/h], 40% BWS)がそれぞれ各条件での快適歩行速度において、ハーネス支持型体重免荷歩行およびサドル支持型体重免荷歩行を行った際の床反力の3成分、およびそのFESの有無による違いを示す。
(2−4−1)部分体重免荷とトレッドミルの介入
被験者3名のアンケートの回答より、図12に示すように、体重免荷量が増加するにつれ快適歩行速度が減少するという一貫した傾向が存在することが分かった。この傾向はハーネス支持型、およびサドル支持型の両者の体重免荷方式で確認された。このデータを踏まえ、歩行速度や免荷量による運動学と床反力の変化について考察する。
図13は、異なる免荷方式による歩行(ハーネス支持型体重免荷歩行、サドル支持型体重免荷歩行、および非体重免荷歩行)の各関節角度を示す。免荷量は33%BWS(中程度の体重免荷)、歩行速度は3.5[km/h](この免荷量での快適歩行速度)にそれぞれ固定した。ハーネス支持型およびサドル支持型の2種類の体重免荷方式間で各関節角度に顕著な違いは見られなかった(r>0.93, p<0.05)。ただし、これらの体重免荷歩行では非体重免荷歩行に比べ股関節角度の可動域が減少する傾向にあった。
臨床の歩行訓練においては、多くの患者は自分の脚で身体を支えることが困難なため、体重免荷装置は必要である。このため効果的な体重免荷歩行を考えなければならない。前述の通り、体重免荷量が増えると、快適歩行速度は減少する。このため、低速の歩行への免荷の有無に着目した。図15(a)より、低速(2.5[km/h])での非体重免荷歩行時における床反力の垂直成分には、二峰性が見られない。一方、図17(a)より、低速(2.5[km/h])、中程度の体重免荷(33% BWS)におけるサドル支持型体重免荷歩行における床反力の垂直成分には顕著な二峰性が観察される。つまりサドル支持型体重免荷歩行では、快適歩行速度だけでなく、より低速であっても床反力の垂直成分に2つのピークを示すことが認められた。ただし、この特徴(低速、中程度の体重免荷(2.5[km/h]、33%BWS)におけるサドル支持型体重免荷歩行時の床反力の垂直成分に二峰性が観察される)が支援に効果的なのか否かは、現在のところ必ずしも明らかではないものの、脳卒中患者はゆっくりと歩くことを想定すると、これは歩行訓練に適していると考えられる。
図20より、非体重免荷歩行においては被験者A,B,CいずれもFESの有無による顕著な床反力の変化は見られない(r>0.97, p<0.05)。これは足関節周りの筋が電気刺激されて発揮する踏力が、被験者の(免荷のない)全体重を支えるには不十分であるからである。被験者Cは、サドル支持型体重免荷歩行時(図20(a)、Subject Cの特性線(6))、FESによって床反力の垂直成分が3.0[%BW]増加し、ハーネス支持型体重免荷歩行時(同図の特性線(5))にはFESによって前遊脚期に、床反力の垂直成分が2.8[%BW]増加した。この踏力の増加量が患者の歩行を援助するのに十分か否かは、症状の重度によるものの、刺激電流の振幅、周波数、刺激時間を適切に調整すれば、生成される踏力はより大きくなりうると考えられる(C. L. Lynch, and M. R. Popovic,“Functional electrical stimulation: closed-loop control of induced musclecontractions,” IEEE Control System Magazine, vol. 28, no. 2, pp. 40-50, 2008.)。
10 体重免荷部
12 アーム
13 サドル
14 錘係合部
16 錘
20 トレッドミル(床部)
23 ベルト(無端ベルト)
25 荷重検出部
30 動き検出部(運動検出部)
40 筋電位検出部(筋電位検出部)
50 電気刺激部
501,502 電極
51 刺激信号生成部
52 スイッチ(指示部)
60 制御部(演算部)
603 筋シナジー算出部(演算手段)
604 平衡点・剛性算出部
70 運動観察部(位置検出部)
80 訓練処理部
82 プロジェクタ(映像投影部)
84 応答性判定部(訓練評価部)
Claims (10)
- 対象者を股下部で支持するサドルを備え、前記対象者の体重の一部を免荷する体重免荷部と、
前記サドルの下方に位置し、前記対象者が歩行する床面を有する床部と、
前記対象者の足関節底屈筋への電気刺激を行う電気刺激部とを備え、
前記体重免荷部は、基台と、前記基台に軸支され、垂直面内で支軸周りに揺動するアームと、錘とを備え、
前記サドルは、前記アームの先端に取り付けられ、
前記錘は、前記アームの基端側に垂設され、
前記サドルは、前記アームの先端の取付具に設けられた前後方向に平行な第1の軸及び前記第1の軸を介して取り付けられた垂直な第2の軸を介して、各軸周りに揺動可能に取り付けられたことを特徴とする歩行訓練装置。 - 前記電気刺激部は、前記対象者の足関節底屈筋の表面に貼着される電極と、
前記電極に刺激信号を印加する刺激信号生成部と、
前記刺激信号の印加を指示する指示部とを備えた請求項1に記載の歩行訓練装置。 - 前記対象者の下肢における各筋の筋電位及び前記対象者の下肢の各関節の動きを検出する検出部と、
前記検出部による検出結果から下肢先端の運動制御に関わる特徴量を算出する演算部とを備えた請求項1又は2に記載の歩行訓練装置。 - 前記検出部は、筋活動として前記筋電位を測定する筋電位検出部と、下肢運動として前記各関節の動きを検出する運動検出部とを備え、
前記演算部は、前記筋電位検出部の検出結果及び前記運動検出部の検出結果から、筋シナジー、剛性及び平衡点の少なくとも1つを前記特徴量として算出する請求項3に記載の歩行訓練装置。 - 前記床部は、互いに平行に配置された、水平に軸支された回転体の間に周回可能に掛け渡され、上面側が前記床面を構成する無端ベルトと、
前記床面への前記対象者の足裏の踏み出し位置及び床反力を検出する荷重検出部とを備えた請求項1〜4のいずれかに記載の歩行訓練装置。 - 前記床部の床面に訓練映像を投影する映像投影部と、
前記床面への前記対象者の足裏の踏み出し位置及び床反力を検出する荷重検出部と、
前記訓練映像の床面上の表示位置と、前記運動検出部及び前記荷重検出部の一方で検出された前記踏み出し位置とから訓練の評価を行う訓練評価部とを備えた請求項4に記載の歩行訓練装置。 - 前記錘を前記アームに垂設させる錘係合部を備え、
前記錘は、前記基台に複数個積層配置されてなり、
前記錘係合部は、上方側から任意の複数個の錘を前記アームの基端に係合させる請求項1に記載の歩行訓練装置。 - 対象者を股下部で支持するサドルを備え、前記対象者の体重の一部を免荷する体重免荷部と、
前記サドルの下方に位置し、対象者が歩行する床面を有する床部と、
対象者の下肢における各筋の筋電位及び前記対象者の下肢の各関節の動きを検出する検出部と、
前記検出部による検出結果から運動診断情報を演算する演算部とを備え、
前記体重免荷部は、基台と、前記基台に軸支され、垂直面内で支軸周りに揺動するアームと、錘とを備え、
前記サドルは、前記アームの先端に取り付けられ、
前記錘は、前記アームの基端側に垂設され、
前記サドルは、前記アームの先端の取付具に設けられた前後方向に平行な第1の軸及び前記第1の軸を介して取り付けられた垂直な第2の軸を介して、各軸周りに揺動可能に取り付けられ、
前記検出部は、筋活動として前記筋電位を測定する筋電位検出部と、下肢運動として前記各関節の動きを検出する運動検出部とを備え、
前記演算部は、前記筋電位検出部の検出結果及び前記運動検出部の検出結果から、下肢先端の運動制御に関わる特徴量である筋シナジー、剛性及び平衡点の少なくとも1つを特徴量として算出する歩行診断装置。 - 対象者を股下部で支持するサドルを備え、前記対象者の体重の一部を免荷する、歩行訓練装置の体重免荷装置において、
基台と、前記基台に軸支され、垂直面内で揺動するアームと、錘と、前記錘を前記アームに垂設させる錘係合部とを備え、
前記サドルは、前記アームの先端に取り付けられ、
前記錘は、前記アームの基端側に垂設され、
前記サドルは、前記アームの先端の取付具に設けられた前後方向に平行な第1の軸及び前記第1の軸を介して取り付けられた垂直な第2の軸を介して、各軸周りに揺動可能に取り付けられたことを特徴とする体重免荷装置。 - 対象者を股下部で支持するサドルを備え、前記対象者の体重の一部を免荷する体重免荷部と、
前記サドルの下方に位置し、対象者が歩行する床面を有する床部と、
対象者の下肢における各筋の筋電位及び前記対象者の下肢の各関節の動きを検出する検出部と、
前記検出部による検出結果から運動診断情報を演算する演算部とを備え、
前記体重免荷部は、基台と、前記基台に軸支され、垂直面内で支軸周りに揺動するアームと、錘とを備え、
前記サドルは、前記アームの先端に取り付けられ、
前記錘は、前記アームの基端側に垂設され、
前記サドルは、前記アームの先端の取付具に設けられた前後方向に平行な第1の軸及び前記第1の軸を介して取り付けられた垂直な第2の軸を介して、各軸周りに揺動可能に取り付けられ、
前記検出部は、筋活動として前記筋電位を測定すると共に、下肢運動として前記各関節の動きを検出し、
前記演算部は、前記筋電位の検出結果、及び前記下肢運動として前記各関節の動きの検出結果から、下肢先端の運動制御に関わる特徴量である筋シナジー、平衡点及び剛性の少なくとも1つを特徴量として算出する歩行診断方法。
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