JKA Social Action
2024年度 競輪とオートレースの補助事業 研究補助
「協調制御理論に基づいた協調性トレーニング支援システムの開発」
１．本事業の背景
1）脳卒中患者の協調運動障害について
脳卒中患者の特徴的な後遺症に麻痺側上下肢の協調運動障害がある．
脳卒中患者は運動麻痺によって精緻な運動制御が困難となるため，二関節筋を過剰に使用する傾向が強くなり，単関節筋と二関節筋の出力バランスが不均衡となって協調的な運動制御が阻害される．
【脳卒中患者は特定の方向に対する運動協調性に問題を抱えている】
リーチ動作は全方向に障害されているのではなく，特定の方向に対して障害されている．麻痺肢の運動障害の原因は筋の麻痺そのものではなく，単関節筋と二関節筋の協調性の問題として捉えることができる．
（Levin MF. Interjoint coordination during pointing movements is disrupted in spastic hemiparesis. Brain. 1996;119(Pt 1):281-293.）．
Fig. 1 Diagram of the target positions (black circles) for reaching movements made on a horizontal surface. The starting position (small stippled circle) was located in the midline of the body.
2）臨床的課題
単関節筋と二関節筋の出力比率を定量的に評価し，協調運動を再組織化する治療法は確立されていない．
そのため，そのため，電気刺激療法や促通反復療法などによって運動麻痺が改善しても，日常生活場面で麻痺肢を協調的に使用できず，日常生活能力の改善に結びつかない患者が多数存在している．
3）本事業の着想
3対6筋協調制御理論が協調運動障害を定量化しうる可能性がある．
3対6筋協調制御理論とは，ヒト上下肢の拮抗二関節筋と両端の関節の拮抗単関節筋群の活動について，筋電図動作学的解析とロボット工学的解析を並行して行った結果に基づき提唱された生体四肢運動制御モデルである（提唱者：熊本水頼）．
【下肢の理論の例】
-
単関節筋と二関節筋の出力の組み合わせによって作られる出力分布は六角形ABCDEFとなる
-
たとえば，f1とe2による出力Ff1とFe2によって辺ABの中点への出力が可能となる
-
さらに，辺ABの中点から頂点Aの方向には実効二関節筋e3の出力Fe3が，頂点Bの方向には実効二関節筋f3の出力Ff3が作用することによって，出力分布の辺ABが構成される
-
各拮抗筋は活動レベルを交代することで特定の領域の出力方向制御に貢献し，360°全方位にわたって出力方向制御に貢献していることが示唆される
本事業では，3対6筋協調制御理論に基づき，麻痺側上下肢の運動時の単関節筋と二関節筋の出力比率を定量評価し得るシステムを開発することにより，麻痺肢の協調運動能力を改善させる新たな治療法を確立し，脳卒中患者の日常生活能力の向上や入院期間の短縮，医療費の削減を目指す．
2）事業の経過
1）単関節筋と二関節筋の実効筋力を測定する測定器の開発
-
2019〜2021年度のJKA補助事業「IOT、AI、協調制御理論によるトレーニング支援システムの開発補助事業」において計算力学研究センター（RCCM）が開発した測定器を脳卒中患者と高齢者用に改良開発した．
-
具体的には，力覚センサーの感度を最適化するとともに，軽量化して移動しやすくした．
-
上肢用測定器については，机上に固定する仕様に変更し，持ち運びと計測を容易にした．
-
下肢用測定器については，起立・歩行が困難な脳卒中患者が使用しやすいよう背もたれ部分を広くし，座面の位置を高くした．
-
被検者の計測肢位を一定にすることを目的に，足踏み板を45度固定として測定中に回転しない機構に変更したが，足関節に不要なモーメントが生じることにより実測値が安定しないことが判明したため，センサーと足部の固定方法を再改良した．
改良前後の実効筋力測定器
（上図：上使用 下図：下肢用）
2）ソフトウェアの改良開発
-
最初に開発したものは被検者の踏力を赤色のベクトルで画面表示し，最大出力と思われるポイントを検者が観察しながらクリックして決定する仕様としていた．
-
しかし，センサー部に生じるノイズにより意図した計測ポイントを抽出できない現象が認められたため，計測時の恣意性を排除することを目的に，計測時間中の最大出力ポイントをコンピューターで自動検出するよう改良した．
-
その結果，計測が安定的に行えるようになった．
3）基準値の収集
-
健常成人，高齢者，脳卒中患者を対象に，左右上下肢の実効筋力を測定中．
4）起立・歩行の3次元動作解析データとの統合分析
-
3次元動作解析装置を用い，健常成人の起立と歩行データを計測し，協調制御理論と組み合わせた分析を実施中．
5）脳画像解析との統合的分析
-
MRIを用い，脳卒中患者の神経ネットワーク解析（構造的接続性解析，機能的接続性解析）を行い，統合的に分析を実施中．
3）事業の結果
掲載予定．