JPWO2015190605A1 - 麻痺機能回復訓練装置及び麻痺機能回復訓練方法 - Google Patents

Abstract

麻痺機能回復訓練装置(10)は、患者の麻痺している部分に外部から力を加えて他動的に運動させるサーボモータ(21)と、患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより患者が自らの意思で力を入れて麻痺している部分を運動させることができるサーボモータ(21)と、患者に力を入れるタイミングを伝えるための刺激を付与する刺激提示手段(72)と、を備えている。

Description

本発明は、指や前腕などが麻痺した患者を訓練して治療するための訓練装置及び訓練方法に関する。

本書では、「他動」とは外部から力を加えることで、身体の一部を動かすことを言い、「自動」とは外部から力を加えないで身体の一部が動くことを言う。

脳卒中患者は、身体に麻痺部位を有する。この麻痺部位の機能は、日常生活活動（ADL）や生活の質（QOL）を向上させることで回復させることができる。例えば、指の屈曲／伸展訓練については、まず医師の力によって他動的に行い、次に指の第一関節にタッピング刺激を与え、伸長反射により随意的自動伸展を行わせる。このタッピング刺激によって、伸張反射が促され、効果的な訓練が見込める。

前腕の訓練についても同様で、他動運動に引き続いて随意的自動運動を行わせる。ここで、随意的自動運動をさせる前に、患者の指や前腕に対して急加速の刺激を与えることが大事である。

しかし、医師や作業療法士など、人手で一人の患者に対してこのような作業療法を行うと、膨大な時間と労力を要し、十分な質と量の訓練を行うことは困難であった。
人手の負担を解消することを目的としたものについては、従来、訓練装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１８に示されるように、従来の訓練装置１００は、ベース１０１と、このベース１０１上の一端に設けられるモータ１０２と、このモータ１０２で支持され正転及び逆転される筒体１０３と、この筒体１０３に立てられる把持部（スティック）１０４と、筒体１０３の入り口に設けられる第１バンド１０５と、ベース１０１上の他端に設けられる縦枠１０６と、この縦枠１０６から延ばされ前腕部１０７と上腕部１０８を各々支える前受け部１０９及び後受け部１１１と、各々に設けられる第２バンド１１２及び第３バンド１１３と、制御機構１２０とからなる。

手首１１４が第１ハンド１０５でしっかり固定され、前腕部１０７が第２バンド１１２でしっかり固定され、上腕部１０８が第３バンド１１３でしっかり固定される。

制御機構１２０には、電源スイッチ１２１、モータ１０２の速度制御用つまみ１２２、モータ１０２のオンオフスイッチ１２３、筒体１０３の回転数を計測し表示するカウンタ表示部１２４、筒体１０３の正逆回転数を制御するダイヤルスイッチ１２４、モータ１０２のトルクを制御する制御つまみ１２５及び終了を知らせるブザー１２６が設けられている。
そして、モータ１０２により、筒体１０３が所定の角度回され、次に所定の角度逆側に回される要領で、正転と逆転が繰り返される。

このような従来の訓練装置１００には、次に述べる問題点がある。
この種の訓練では、身体に残っている機能を刺激し、強化させることが重要である。特許文献１による訓練装置１００では、モータ１０２の駆動力で筒体１０３が正転と逆転がなされる。患者が前腕から力を抜いた状態（脱力した状態）でも、見かけ上は、訓練が進行する。しかし、力を抜いた状態では訓練の効果は得られない。

脱力しないように、患者に気持ちを集中させることが重要であるが、訓練装置１００にはそのような機能が設けられていない。
しかし、訓練効果の向上が求められ中、患者に集中力を促しつつより確実に機能回復が図れる訓練装置及び訓練方法が求められる。

特開平４−２６１６５７号公報

本発明は、患者に集中力を促しつつより確実に機能回復が図れる訓練装置及び訓練方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するには、促進反復療法を実施できる訓練装置及び訓練方法が有効であることを知見した。
促進反復療法とは、治療者（医師や療養士など）が患者の麻痺した指や手足を操作して必要な神経回路にピンポイントで刺激を伝え、目標とする動作を誘発させることを言う。この動作を根気強く繰り返すことで、必要な神経回路を再建・強化して麻痺の回復を促進する新しいリハビリ法である。
促進とは、患者が意図した動作をしやすいように、動かしたい部位に刺激を与えて運動を助ける手技を表す。

片麻痺患者は、自らの意志（脳からの指令）によって麻痺肢を動かすことは難しい。しかし、麻痺肢に刺激を与えることにより伸張反射を起こし、神経細胞が興奮し脳からの指令により麻痺肢を動かすことが可能となる。そこで目的となる運動に関与している神経回路に刺激を伝えるために、素早く目標の筋を伸張して筋緊張が高まった直後に伸張反射を起こし、その筋の収縮を命じることで目標となる動作を誘発させる。

また一般的に、片麻痺患者には麻痺側と非麻痺側が存在する。先ず、各種の感覚がよくて随意的自動運動が正常に行える非麻痺側に、訓練装置による訓練を行う。そして、患者が訓練装置による訓練の“コツ”を理解・把握させる。次に、麻痺側に訓練装置による訓練を行う。すなわち、非麻痺側で把握した“コツ”を利用して、麻痺側へも訓練装置による訓練を行う。

原理的には、左脳が右側をコントロールして、右脳が左側をコントロールするが、脳に左右両側の運動機能に関わる“共通部分”が存在する。訓練装置による非麻痺側の訓練により、訓練中に訓練装置との運動協調や運動コツなどを把握すると、麻痺側への訓練装置による訓練の効果と効率が改善される。

前腕の目標動作を誘発するためにピンポイントの刺激で伸張反射を引起さなければならない。特許文献１による訓練装置では、ピンポイントの伸張反射を簡単に引起せない。
一方、本発明では、伸張反射を誘発して随意的自動運動を引起すために、患者に集中力を高めさせる刺激機構を付与することが有効である。

請求項１に係る発明によれば、患者の麻痺している部分に外部から力を加えて他動的に運動させる他動運動手段と、前記患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより患者が自らの意思で力を入れて前記麻痺している部分を運動させることができる随意的自動運動手段と、患者に力を入れるタイミングを伝えるための刺激を付与する刺激提示手段と、を備えている麻痺機能回復訓練装置が提供される。

請求項２に係る発明では、好ましくは、患者の麻痺している部分に外部から力を加えて他動的に運動させる他動運動と、患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより患者が自らの意思で力を入れて前記麻痺している部分を運動させることができる随意的自動運動とが同一の運動手段で実施できるようにしたものである。

請求項３に係る発明では、好ましくは、患者に与える刺激は、他動運動手段が動作している最中と、他動運動手段の動作終了後の何れか一方のタイミングで、患者に付与されるようにしたものである。

請求項４に係る発明では、好ましくは、患者に与える刺激は、視覚的刺激と、聴覚的刺激と、触覚的刺激の少なくとも一つの刺激を患者に付与するものである。

請求項５に係る発明では、好ましくは、視覚的刺激を発光としたものである。

請求項６に係る発明では、好ましくは、聴覚的刺激を音声としたものである。

請求項７に係る発明では、好ましくは、触覚的刺激を機械的振動としたものである。

請求項８に係る発明では、好ましくは、運動手段を患者が操作するスティックとし、スティックは長手軸に直交する軸を中心に回転可能に保持され、第１の方向に回転する場合は、患者の麻痺部分に力を加えて他動運動を行い、第１の方向とは逆の第２の方向に回転する場合は、患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより随意的自動運動を行わせるように構成したものである。

請求項９に係る発明では、好ましくは、上記のスティックは、第１角速度で第１の回転方向に回転し、次いで第１角速度よりも大きい第２角速度により第１の回転方向に回転し、その後第２の回転方向に回転するとともに、刺激手段による患者への刺激は第１角速度域で開始されるようにしたものである

請求項１０に係る発明では、好ましくは、患者への視覚と聴覚の一方に関する刺激の付与は、スティックが第２の方向に回転する前に終了するようにしたものである。

請求項１１に係る発明では、好ましくは、患者への視覚と聴覚の一方に関する刺激の付与は、スティックが第１の方向への回転を終了するのと同時に終了するようにしたものである。

請求項１２に係る発明では、好ましくは、患者への触覚に関する刺激の付与は、スティックの第２の方向への回転中に終了するようにしたものである。

請求項１３に係る発明によれば、麻痺機能回復訓練方法であって、患者の麻痺している部分に外部から力を加えて他動的に運動させる他動運動と、患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより患者が自らの意思で力を入れて前記麻痺している部分を運動させることができる随意的自動運動と、患者に力を入れるタイミングを伝えるための刺激を付与する過程とを含むようにしたものである。

請求項１４に係る発明では、好ましくは、麻痺機能回復訓練において、刺激は、他動運動をしている最中と、他動運動の終了後の何れか一方のタイミングで、患者に付与されるようにしたものである。

請求項１５に係る発明では、好ましくは、麻痺機能回復訓練において、刺激は、視覚的刺激と、聴覚的刺激と、触覚的刺激の少なくとも一つである。

請求項１６に係る発明では、好ましくは、麻痺機能回復訓練において、光により患者に刺激を付与するようにしたものである。

請求項１７に係る発明では、好ましくは、麻痺機能回復訓練において、音声により患者に刺激を付与するようにしたものである。

請求項１８に係る発明では、好ましくは、麻痺機能回復訓練において、振動により患者に刺激を付与するようにしたものである。

請求項１に係る発明では、片麻痺患者の機能回復を図る訓練中に、患者に刺激を付与するための刺激提示手段を備えたので、患者が随意的自動運動を入れるタイミングを容易に知ることができるという効果がある。

請求項２に係る発明では、他動運動と、随意的自動運動とが同一の運動手段で実施できるようしたので、訓練装置の構造が簡単になり、また患者への負担が軽減されるという効果がある。

請求項３に係る発明では、患者への刺激は、他動運動の最中、又は他動運動の終了後に患者に付与されるようにしたので、随意的自動運動をさせる前に、患者の指や前腕に対して急加速の刺激を与えることができ、伸張反射が促され、効果的な訓練が見込めるという効果がある。

請求項４に係る発明は、刺激提示手段は視覚的刺激または聴覚的刺激または触覚的刺激のうちのいずれか一つ、又は複数を組み合わせたものを患者に付与するようにしたので、訓練の状況に応じて適宜刺激手段を選択することができるという効果がある。

請求項５に係る発明は、視覚的刺激は発光によるものとしたので、患者への刺激が明瞭かつ簡便に行えるという効果がある。

請求項６に係る発明では、聴覚的刺激は音声によるものとしたので、患者が刺激の意味を理解でき、よりスムーズに随意的自動運動に移行できるという効果がある。

請求項７に係る発明では、触覚的刺激は振動によるものとしたので、患者への訓練の負担を軽減できるという効果がある。

請求項８に係る発明は、運動手段は患者が操作するスティックであって、スティックは長手軸に直交する軸を中心に回転可能に保持され、第１の方向に回転する場合は、患者の麻痺部分に力を加えて他動運動を行い、第１の方向とは逆の第２の方向に回転する場合は、患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより随意的自動運動を行わせるように構成したので、訓練装置の構造が簡便でかつ患者の負担を軽減できる効果がある。

請求項９に係る発明は、刺激手段による患者への刺激が第１角速度域で開始されるようにしたので、患者が随意的自動運動に移行するタイミングが余裕をもって認識できる効果がある。

請求項１０に係る発明は、患者への視覚と聴覚の一方に関する刺激の付与は、スティックが第２の方向に回転する前に終了するようにしたので、患者が随意的自動運動に移行するタイミングを確実に認識できる効果がある。

請求項１１に係る発明は、患者への視覚と聴覚の一方に関する刺激の付与は、スティックの第１の方向への回転の終了と同時に終了するようにしたので、患者が随意的自動運動に移行するタイミングをより確実に認識できる効果がある。

請求項１２に係る発明は、患者への触覚に関する刺激を、スティックが第２の方向へ回転している最中に終了するようにしたので、患者が触覚に関する刺激を十分に確認した後に随意的自動運動に移行するタイミングを認識できる効果がある。

請求項１３に係る発明は、麻痺患者の機能回復を図る訓練中に、患者に刺激を付与するようにしたので、患者が力を入れるタイミングを容易に知ることができるという効果がある。

請求項１４に係る発明は、刺激は、他動運動をしている最中、又は他動運動の終了後に患者に付与されるようにしたので、随意的自動運動をさせる前に、患者の指や前腕に対して急加速の刺激を与えることができ、伸張反射が促され、効果的な訓練が見込めるという効果がある。

請求項１５に係る発明は、視覚的刺激または聴覚的刺激または触覚的刺激のうちのいずれか一つ、又は複数を組み合わせたものを患者に付与するようにしたので、訓練の状況に応じて適宜刺激の種類を選択することができるという効果がある。

請求項１６に係る発明は、患者への刺激は発光によるものとしたので、患者への刺激が明瞭かつ簡便に行えるという効果がある。

請求項１７に係る発明は、患者への刺激は音声によるものとしたので、患者が刺激の意味を理解でき、よりスムーズに随意的自動運動に移行できるという効果がある。

請求項１８に係る発明では、患者への刺激は振動によるものとしたので、患者の訓練の負担を軽減できるという効果がある。

本発明に係る麻痺機能回復訓練装置の側面図である。 本発明に係る麻痺機能回復訓練装置の斜視図である。 半割筒体の斜視図である。 図１の４線断面図である。 図１の５線断面図である。 麻痺機能回復訓練装置の要部の分解斜視図である。 図６の７−７線断面図である。 手首支持部の正面図である。 手首支持部の作用図である。 麻痺機能回復訓練装置の作用図である。 半割筒体の作用図である。 他動運動を説明する図である。 トルク検出機構の正面図である。 トルク検出機構の原理を説明する図である。 発光刺激機構及び聴覚刺激機構の作用を説明する図である。 振動刺激機構の原理を説明する図である。 振動刺激機構の作用を説明する図である。 従来の訓練装置の構成図である。

以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面に基づいて説明する。

図１に示されるように、麻痺機能回復訓練装置１０は、キャスター（自在車輪）１１を備える移動台１２と、この移動台１２上の一端に設けられる前腕載せ台１３と、移動台１２上に設けられる装置ベース１４と、この装置ベース１４に水平軸廻りに回転可能に支持され上面が開放されている半割筒体１５と、この半割筒体１５内に設けられる、運動手段としてのスティック１６と、半割筒体１５内に設けられ手首支持部１７と、一端が半割筒体１５に連結され水平軸に沿って延びる駆動軸１８と、装置ベース１４に設けられ駆動軸１８を回転自在に支える軸受台１９、１９と、装置ベース１４に設けられ駆動軸１８を駆動するサーボモータ２１と、このサーボモータ２１に設けられモータ軸２２の回転角を計測するエンコーダ２３と、このエンコーダ２３から回転角情報を取得し半割筒体１５を左右の一方向に正転させ、停止させ、逆転させ、停止させることを繰り返し、正転では機能回復を図る筋の緊張で筋の伸張反射を起こして神経細胞を興奮させるために第１角速度と前記第１角速度より高速の第２角速度で筋の刺激を与える速度を制御し、逆転では筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために抵抗力を付与する、一連の制御をなす制御部２４と、スティック１６に加えられるトルクを演算し制御部２４へ送るトルク換算部２５とからなる。

なお、キャスター１１の一部は、普通の車輪（非自在車輪）であってもよい。また、キャスター１１を省いてもよい。この場合は、移動台１２は、単なる台となる。
台であれば、適当なテーブルや机を台の替わりにすることができるため、移動台１２を装置ベース１４の下に配置するか否かは任意である。
ただし、サーボモータ２１やエンコーダ２３は重いため、人的負担を軽減する上で、本実施例のように装置ベース１４と移動台１２を一体化することが推奨される。

また、半割筒体１５は、筒体の一部が切り欠いてあればよく、切り欠き率は５０％に限定されるものではない。さらには、半割筒体１５は、半割円筒を原則とするが、多角形筒であってもよい。

半割筒体１５と駆動軸１８との間に、トルク検出機構６０が設けられる。このトルク検出機構６０の構成及び作用は後述する。

図２に示されるように、移動台１２は、４本の柱２６で支えられる主台部分２７と、この主台部分２７から延びると共に先端が１本の柱２８で支えられるサブ台部分２９とからなる。このサブ台部分２９は細長く、それの左右にはスペース３１、３２があり、スペース３１とスペース３２の少なくとも一方に患者が入ることができるようにした。柱２６、２８を含め軽量形鋼、具体的にはアルミニウムサッシで構成することで、移動台１２の軽量化を図るとよい。

スティック１６の上部に、刺激提示手段の一形態である視覚刺激機構としての発光素子７１、７１が設けられている。これらの発光素子７１、７１は制御部２４で点滅が制御される。制御部２５は正面（患者に最も近い面）に、刺激提示手段の一形態である聴覚刺激機構としてのスピーカー７２が設けられている。
その他の構成要素は、図１の符号を流用し、説明を省略する。

図３に示されるように、半割筒体１５は、上面が開放されている。
図４に示されるように、半割筒体１５は、第１カムフォロア３１と第２カムフォロア３２で、水平軸廻りに回転自在に支えられる。
さらに、図５に示されるように、半割筒体１５は、第３カムフォロア３３と第４カムフォロア３４と第５カムフォロア３５で、水平軸廻りに回転自在に支えられる。

なお、中央の第４カムフォロア３４は外すことができる。また、カムフォロア３１〜３５は、支軸とこの軸に取付けたニードルベアリングとこのニードルベアリングを囲うローラとからなる組立品であるが、いわゆる、フリーローラ（自由回転ローラ）であればよく、構造は任意である。

図６に示されるように、サーボモータ２１のモータ軸２２にカップリング３６を介して駆動軸１８が連結される。この駆動軸１８には、先端部に上方に延びる帯板状の棒状部材３８が固定され、この棒状部材３８より先端側に角軸部３９が形成され、この角軸部３９より先端側に雄ねじ部４１が形成される。

半割筒体１５の一端に円板４２が固定され、この円板４２に角穴４３が設けられる。この角穴４３に角軸部３９が嵌められる。その後に、図３に示されるように、雄ねじ部４１にナット４４が取付けられる。以上により、半割筒体１５に駆動軸１８が連結され、半割筒体１５の軸方向の位置決めがなされる。すなわち、半割筒体１５が回転中に軸方向へ移動する心配はない。

図６に示されるように、駆動軸１８は一対の軸受台１９、１９で回転自在に支持される。これらの軸受台１９と軸受台１９との間にて、駆動軸１８にキー４５が固定される。また、軸受台１９と軸受台１９との間にて、ストッパブロック４６が装置ベース１４に固定される。

図７に示されるように、ストッパブロック４６は上面に、ストップ面４７、４８を備え、これらのストップ面４７、４８が駆動軸１８の下に配置される。中立状態ではキー４５は駆動軸１８の上にある。駆動軸１８が中立位置から左右に各９０°、最大１８０°回される。すなわち、キー４５は想像線で示す位置まで移動する。想像線で示すキー４５であってもストップ面４７から１．５ｍｍ程度の隙間αがある。したがって、通常はキー４５がストップ面４７に当たることはない。ストップ面４８についても同様である。

制御系のトラブル等に起因して駆動軸１８の回転量が変わったときには、キー４５がストップ面４７とストッパ面４８の一方に当たり、それ以上は駆動軸１８が回転しない。結果、半割筒体（図３、符号１５）が所定角度を超えて回転する心配はなくなる。すなわち、本発明では回転量の制御はエンコーダで行うが、エンコーダの故障等に備えて、機械的なストッパを設け、安全性を高めた。

図８に示されるように、手首支持部１７は、上に開くコ字状のブラケット４９と、このブラケット４９の壁部５１、５１にねじ５２、５２を介して支持され前記手首を挟む左右の湾曲部材５３、５４とからなる。指掛け棒５５でねじ５２を回すことができる。

図９に示されるように、手首５６が、クッション５７、５７を介して左右の湾曲部材５３、５４で挟まれた状態で、訓練が行われるが、ブラケット４９及び左右の湾曲部材５３、５４は、上方が開放されているため、患者が望めば、手首５６を、白抜き矢印のように上へ抜くことができる。すなわち、開放感に富む分だけ、圧迫感や拘束感が薄れ、より好ましい訓練が実施可能となる。

図１０に示されるように、患者は、例えば左手に訓練を施す必要があり、手首５６を手首支持部１７に載せ、前腕部５８を前腕載せ台１３に載せる。
患者から見て左の手首５６を、矢印（１）のように身体の中心へ回すことを「回内運動」と呼び、矢印（２）のように外側へ回すことを「回外運動」と呼ぶ。

矢印（１）又は矢印（２）へ自分の意志で回す運動を「随意的自動運動」と呼び、この随意的自動運動をより大きく引き起こすために、外部から力を与えて他方へ回転させる運動を「他動運動」と呼ぶ。
例えば、矢印（１）の方向へ「他動運動」を行うことで、矢印（２）の方向へ「随意的自動運動」を引き起こすことができる。

図１１（ａ）には、図面が煩雑になるため手首は記載していないが、中立状態にあり、この状態から訓練が始められる。
図１１（ｂ）に示されるように、サーボモータ２１により他動運動を行う。
具体的には、図１２に示されるように、先ず、第１角速度で他動運動を行い、急加速度を行い、第２角速度で他動運動を行う。例えば、第１角速度は２．５ラジアン／秒であり、第２角速度は１１．０ラジアン／秒である。すなわち、第２角速度は第１角速度の２倍〜５倍程度にする。

急加速度は、サーボモータ２１が出し得る最大の加速度に設定する。例えば、０．０１秒で、第１角速度から第２角速度へ移行させる。このとき角加速度は、（１１．０−２．５）／０．０１＝約１０００ラジアン／秒２とする。

すなわち、第１角速度による一定の回転後に、急加速度及び第２角速度で素早く回転させ機能回復を図る筋の緊張を高める。すると、筋緊張により伸張反射が励起される。
この伸張反射により、筋の収縮が促され、図１１（ｃ）に示されるように、患者の意志で随意的自動運動が行われる。ただし、サーボモータ２１で筋の刺激を持続して筋緊張を維持するために、軽い抵抗力を発生させる。

軽い抵抗力をサーボモータ２１で発生させるには、患者が自動的回転時に発生するトルクを知る必要がある。すなわち、トルクが大きければ抵抗力（抵抗トルク）を高め、トルクが小さければ抵抗力を小さくすることで、患者の負担にならないようにする。

本発明では、そのためのトルク検出機構を備える。
なお、軸トルクは、駆動軸１８に歪ゲージを貼ることで検出可能である。ただし、駆動軸１８の外径が小さいときには、軸のねじれ量（図１４、符号θａ参照）が小さいため、測定が難しいと共に測定誤差が大きくなる。
本発明では、次に述べるように、測定精度が良好なトルク検出機構を採用した。

図１３に示されるように、トルク検出機構６０は、円板４２の外周部に図面表へ延びるように立てたピン６１と、このピン６１に一端が嵌り円板４２の回転中心へ延びる棒状部材３８と、この棒状部材３８の途中に設けたくびれ部６２と、このくびれ部６２に貼り付けた歪ケージ６３と、この歪ケージ６３で得た歪情報をトルクに換算するトルク換算部２５とからなる。

棒状部材３８の一端は、棒状部材３８の長手方向へ延びる長穴６４を介してピン６１に嵌めることで、ピン６１に対する棒状部材３８の移動を許容するようにした。また、棒状部材３８の他端は、フランジ６５、６６で駆動軸１８の別の角軸部６７に挟めるようにした。

棒状部材３８は、帯板の他、丸棒、角棒であってもよく、形状は任意である。ただし、帯板であれば、両端の幅が大きいため、この幅を利用して一端を円板４２に容易に取付けることができると共に他端を駆動軸１８に容易に取付けることができる。

このような構成のトルク検出機構６０の作用を次に述べる。
図１４（ａ）に示されるように、随意的自動運動により、スティック１６を介してトルクＴｍが円板４２に加えられる。このトルクＴｍは、駆動軸１８に直接伝えられると共に棒状部材３８を介しても駆動軸１８に間接的に伝えられる。直接伝えられるトルクをＴａ、間接的に伝えられるトルクをＴｓとすると、Ｔｍ＝Ｔａ＋Ｔｓとなる。歪ケージ６３は棒状部材３８だけに設けられている。

図１４（ｂ）に示されるように、トルクＴｓにより、棒状部材３８はくびれ部６２を折曲点にして、くの字に曲がる。トルクＴｓが大きいほど曲がりが大きくなる。この規則性により、トルクＴｓは構造力学的に算出することができる。
ここで、折曲点から駆動軸１８までの長さをＬ１、折曲点からピン６１までの長さをＬ２、くびれ部６２の長さをＬｘ、くびれ部６２の幅をｂとする。図には記入しないが、くびれ部６２の厚さ（図面表裏寸法）をｈとする。また、くびれ部６２の縦弾性係数（ヤング率）をＥとする。

図１４（ｃ）に示されるように、駆動軸１８にトルクＴａが作用すると、僅かにねじれる。図中の角度θａは、トルクＴａが大きいほど大きくなる。この規則性により、トルクＴａも構造力学的に算出することができる。
ここで、駆動軸１８の長さをＬＬ、直径をＲとする。また、駆動軸１８の横弾性係数をＧとする。

詳しい説明は省略するが、トルクＴａは、次に示されるように、Ｔｓの関数になる。

トルクＴｓは、歪ゲージ６３で求めることができるため、歪ゲージ６３で得た歪情報に基づいて、トルク換算部２５でトルクＴｍを求める。このトルクＴｍに応じて、サーボモータ２１で抵抗トルクを発生させる。この抵抗トルクの詳細は後述する。
随意的自動運動の際に、適度な大きさの抵抗力を付与すると、患者の前腕は刺激を持続して筋緊張を維持し、より大きく回転することができる。

なお、図１４（ｂ）において、くびれ部６４の幅ｂが小さいほど、棒状部材３８は大きく折り曲がり、くびれ部６４に大きな歪が発生する。この様なくびれ部６４に歪ゲージ６３を貼り付けたので、トルクＴｍは精度よく求まる。すなわち、図１４（ｃ）に示す駆動軸１８に歪ゲージを直接貼り付けるよりは、格段に高い精度でトルクを検出することができる。

次に、抵抗トルクの求め方を、説明する。
サーボモータの現在の角度をθ、仮想慣性をＩ、仮想粘性をＣ、仮想弾性をＫとしたときに、センシングされたトルクＴｍに対するインピーダンス式は次式になる。

等速時において、Ｃの値を調整することで抵抗力の大きさを決定する。加速・減速時において、Ｋ１、Ｋ２を調整することで抵抗トルクを決定できる。特に、時間の遅れを低減させたと場合は、Ｃを決定した後にＩの値をＫ２＝０に近づくように設定すればよい。
以上により、抵抗トルクＴｎが適当な値に設定される。

次に、視覚刺激機構や聴覚刺激機構の作用を説明する。
運動タイミング刺激において重要なことは、患者（片麻痺患者）に随意自動運転を入れるタイミングを伝え、随意的自動運動を引き起こしているかということである。このことが実現できなければ有効な刺激とはならない。そこで、効果的な随意的自動運動を引き起こすために、視覚刺激機構と聴覚刺激機構の開始・停止タイミングを検討する必要がある。視覚刺激機構と聴覚刺激機構の開始・停止タイミングについて以下の事項を考慮する必要がある。
・より効果的な訓練を実施するため、伸張反射が行われていると同時に随意的自動運動を行う必要がある。
・２つの刺激機構が作動を開始し、患者が視覚・聴覚から変化を感知し、脳からの随意指令により運動を行うまでに時間が掛かる。
・患者の集中力を高める。

これにより、随意的自動運動又は他動的第２角速度運動を行う際に、刺激を開始すると、患者が刺激機構から刺激を感知して随意的に筋を作動するには時間が掛かってしまい、患者の伸張反射は終了し、リズムよく回転運動を同調して行うことができずに訓練効果は低くなる。そのため、刺激を随意的自動運動又は他動的第２角速度運動から開始するのは、遅すぎる。

この知見から、刺激の開始タイミングを他動的第１角速度の途中からとする。第１角速度の途中から刺激を開始することで、伸張反射が行われると同時に、脳からの随意指令により随意的自動運動を行わせることができる。
また、刺激の終了タイミングは、他動的第２角速度の終了までとする。刺激機構には患者の集中力を向上・持続させることが求められる。刺激時間を短くすることで、患者の集中力を向上・持続させることができる。以上の知見から、図１５に示す制御が提供される。

図１５は縦軸が回転角であり、図１２で示した角速度とは次元が異なる。
他動運動は、第１角速度と第２角速度で実施される。第１角速度は低速であるため勾配が小さな直線で表され、第１角速度は高速であるため勾配が大きな直線で表され、境界が急加速度となる。

本発明では、第１角速度域の途中、好ましくは末期の点Ｐｓで、発光（又は発音）が開始される。すなわち、正転の末期にて、図２に示す発光素子７１、７１が発光を開始すると共にスピーカー７２から音が発せされる。スティック１６を握っているため、患者は直ちに発光を視認する。また、患者の近くにスピーカー７２が置かれているため、患者は直ちに音を聴き取る。すると、患者は気持ちを集中させる。結果、伸張反射が十分に高まる。発光（又は発音）は第２角速度終了時点Ｐｆで終了する。発光（又は発音）時間は、例えば約０．２秒であり、ごく短い。

なお、図１５にて、第２角速度域や随意的自動運動開始時（逆転開始時）に刺激を与えることを検討したが、時間遅れがあり、伸張反射が十分に高まらなかった。そこで、本発明のように、第１角速度域、好ましくは第１角速度域の末期で、刺激を与え始めると、時間遅れが解消され、伸張反射が十分に高まるようになった。

以上の説明は、次のように整理することができる。
図１１において、図１１（ｂ）の矢印（１）は他動運動を示し、図１１（ｃ）の矢印（２）は自動的運動、すなわち随意的自動運動を示す。患者は、同一の運動手段（スティック１６）により、他動運動と随意的自動運動とが実施できる。スティック１６には、刺激提示手段としての発光素子７１が設けられており、力を入れるタイミングが知らされる。

すなわち、図１１に示す装置は、患者の麻痺している部分に外部から力を加えて他動的に運動させる他動運動手段としてのサーボモータ２１と、患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより患者が自らの意思で力を入れて麻痺している部分を運動させることができる随意的自動運動手段としてのサーボモータ２１と、患者に力を入れるタイミングを伝えるための刺激を付与する刺激提示手段としての発光素子４１とを備えている。

次に、刺激提示手段の一形態である振動刺激機構について説明する。
振動刺激において重要なことは、患者の訓練目的筋に伸張反射を誘発・増幅し、その随意的自動運動を引き起こしているかということである。ただし、他動運動開始時に振動刺激を入れると、訓練目的筋が早めに予想外の収縮を行い、他動方向に拮抗してしまい、十分な他動運動とそれによる伸張反射が起こせなくなる。また、自動的運動開始時に振動刺激を入れると、すでに促通刺激により伸張反射が誘発されているので、振動刺激の効果が減少する。

伸張反射の増幅・誘発が実現できなければ、有効な刺激とはならない。そこで、効果的な伸張反射を誘発させるタイミングで振動刺激の開始・終了を行う必要がある。振動刺激の開始・終了タイミングについて以下の事項を考慮する必要がある。
・振動刺激機構で、他動的第２角速度時に刺激を開始すると、患者が振動を感知し、伸張反射を促すまでに時間を要する。
・伸張反射を誘発した後であれば、随意的自動運動感度を高めて随意的自動運動を持続させることができる。

すなわち、他動第２角速度時に振動刺激を開始すると、体が振動を感知して筋を伸張反射させるまでに時間が掛かってしまい、訓練効果が低くなる。そのため、振動刺激を他動第２角速度で開始するのは、遅すぎることが判明した。
この知見から、他動運動の第１角速度域の途中から、振動刺激を開始することとした。その具体例を図１６と図１７で説明する。

図１６に示されるように、振動刺激機構は、制御部２４から延びる配線７３と、この配線７３の先端に設けられ振動子を備える振動パッド７４、７５とからなる。
前腕部５８の内側及び外側に振動パッド７４、７５が各々貼り付けられる。一方の振動パッド７４で円回内筋が刺激され、他方の振動パッド７５で回外筋が刺激される。

振動子は、回転運動を振動に変換する振動モータ、電気エネルギーで歪む圧電セラミックスなど電気エネルギー、または圧縮空気の機械エネルギーを振動に変換するパーツであれば、種類は問わない。

図１７に示されるように、振動は第１角速度の途中、この例では中間より前で開始する。急加速度、第２角速度、タイムラグ中も振動を継続し、逆転の途中で振動を終了する。
光や音とは異なり振動には伸張反射を促す効果がある。その上、振動は光や音よりの患者に与える影響が穏やかである。すなわち、逆転途中まで振動刺激を与えることで、患者の負担を増すことなく、伸張反射を促すことができる。１サイクル中の振動持続時間は、例えば約０．８秒である。

尚、視覚刺激機構としての発光素子７１は、刺激時間内は連続点灯させる他、短時間で点滅を繰り返す断続点灯させるものであってもよい。
また、発光素子は運動方向を示す矢印マックまたは文字で構成される発光体であってもよい。このような発光体の場合は、患者が刺激の意味を理解できるため、よりスムーズに随意的自動運動に移行できる。

聴覚刺激機構としてのスピーカー７２は、ブザーやベルであってもよい。しかし、耳に優しい音を発生することを考えると合成音を発するスピーカーが好適である。
また、発音は人の声の録音または人の声を模して合成された音声であってもよい。このような音声の場合は、患者が刺激の意味を理解できるため、よりスムーズに随意的自動運動に移行できる。

上記の実施例では、片麻痺患者を対象にした片麻痺前腕機能回復訓練について説明したが、本発明は片麻痺患者に限られず、運動失調患者にも適用できることはもちろんである。また、上記の実施例では、片麻痺患者が回転するスティックを握るタイプの麻痺機能回復訓練装置について説明したが、他のタイプ、例えば患者の身体の一部を往復運動させるような構造の麻痺機能回復訓練装置にも適用できる。

本発明は、左又は右半身が麻痺した患者の前腕部を訓練して回復を促す訓練に好適である。

１０…麻痺機能回復訓練装置、１６…運動手段としてのスティック、２１…他動運動手段と随意的自動運動手段を兼ねるサーボモータ、７１…刺激提示手段の一形態である視覚刺激機構としての発光素子、７２…刺激提示手段の一形態である聴覚刺激機構としてのスピーカー、７４、７５…刺激提示手段の一形態である振動刺激機構としての振動パッド。

Claims (18)

1. 患者の麻痺している部分に外部から力を加えて他動的に運動させる他動運動手段と、前記患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより患者が自らの意思で力を入れて前記麻痺している部分を運動させることができる随意的自動運動手段と、患者に力を入れるタイミングを伝えるための刺激を付与する刺激提示手段と、を備えている麻痺機能回復訓練装置。
2. 患者の麻痺している部分に外部から力を加えて他動的に運動させる他動運動と、前記患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより患者が自らの意思で力を入れて前記麻痺している部分を運動させることができる随意的自動運動とが同一の運動手段で実施できる請求項１記載の麻痺機能回復訓練装置。
3. 前記刺激は、前記他動運動手段が動作している最中と、前記他動運動手段の動作終了後の何れか一方のタイミングで、患者に付与される請求項１記載の麻痺機能回復訓練装置。
4. 前記刺激提示手段は、視覚的刺激と、聴覚的刺激と、触覚的刺激の少なくとも一つの刺激を患者に付与する請求項１記載の麻痺機能回復訓練装置。
5. 前記視覚的刺激は、発光によるものである請求項４記載の麻痺機能回復訓練装置。
6. 前記聴覚的刺激は、音声によるものである請求項４項記載の麻痺機能回復訓練装置。
7. 前記触覚的刺激は、機械的振動によるものである請求項４記載の麻痺機能回復訓練装置。
8. 前記運動手段は患者が操作するスティックであって、前記スティックは長手軸に直交する軸を中心に回転可能に保持され、第１の方向に回転する場合は、患者の麻痺部分に力を加えて他動運動を行い、第１の方向とは逆の第２の方向に回転する場合は、前記患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより随意的自動運動を行わせるように構成した請求項１記載の麻痺機能回復訓練装置。
9. 前記スティックは、第１角速度で前記第１の回転方向に回転し、次いで第１角速度よりも大きい第２角速度で前記第１の回転方向に回転し、その後、前記第２の回転方向に回転するとともに、前記刺激手段による患者への刺激は前記第１角速度域で開始するようにした請求項８記載の麻痺機能回復訓練装置。
10. 前記患者への視覚と聴覚の一方に関する刺激の付与は、前記スティックが前記第２の方向に回転する前に終了する請求項９記載の麻痺機能回復訓練装置。
11. 前記患者への視覚と聴覚の一方に関する刺激の付与は、前記スティックの前記第１の方向への回転の終了と同時に終了する請求項９記載の麻痺機能回復訓練装置。
12. 前記患者への触覚に関する刺激の付与は、前記スティックの前記第２の方向への回転中に終了する請求項９記載の麻痺機能回復訓練装置。
13. 患者の麻痺している部分に外部から力を加えて他動的に運動させる他動運動と、前記患者の麻痺している部分に抵抗力を加えることにより患者が自らの意思で力を入れて前記麻痺している部分を運動させることができる随意的自動運動と、患者に力を入れるタイミングを伝えるための刺激を付与する過程とを含む麻痺機能回復訓練方法。
14. 前記刺激は、前記他動運動をしている最中と、前記他動運動の終了後の何れか一方のタイミングで、患者に付与される請求項１３記載の麻痺機能回復訓練方法。
15. 前記刺激は、視覚的刺激と、聴覚的刺激と、触覚的刺激の少なくとも一つである請求項１３記載の麻痺機能回復訓練方法。
16. 前記視覚的刺激は、発光によるものである請求項１５記載に麻痺機能回復訓練方法。
17. 前記聴覚的刺激は、音声によるものである請求項１５記載に麻痺機能回復訓練方法。
18. 前記触覚的刺激は、機械的振動によるものである請求項１５記載の麻痺機能回復訓練方法。

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