þ
脊髄損傷患者に対する最新の
リハビリテーション治療
―機能的電気刺激（functional
electrical stimulation：FES）―
The Cutting-edge Rehabilitation Treatment for Patients with
Spinal Cord Injury：Functional Electrical Stimulation（FES）
松永俊樹
＊ø宮腰尚久
＊ù工藤大輔
＊ù斉藤公男
＊ø木村竜太
＊úToshiki Matsunaga ・Naohisa Miyakoshi ・Daisuke Kudo ・Kimio Saito ・Ryota Kimura
井上純一
＊ù千田聡明
＊ø畠山和利
＊ø島田洋一
＊ùJunichi Inoue ・Satoaki Chida ・Kazutoshi Hatakeyama ・Yoichi Shimada
Key words：機能的電気刺激／脊髄損傷／四肢麻痺／対麻痺／動作再建 要 旨 脊髄損傷による四肢麻痺・対麻痺では，脳からの運動制御指令が損傷高位で途絶するため末 梢に伝達されず，随意的筋収縮ができない状態であることが多い．機能的電気刺激（FES） は，プログラムされた動作刺激を末梢運動神経とその支配筋に行う医用工学的技術で，麻痺 からの回復促進や動作再建などに有用である．FES により，四肢麻痺上肢の手指把持動作再 建や，対麻痺起立歩行再建などが可能であり，新しい表面電極 FES システムが国内で普及 しつつある．将来的には，多チャンネル同時刺激可能な完全埋め込み電極の実用化，BMI や リハビリテーションロボット技術の発展などと相まって，FES は脊髄損傷再生医療における リハビリテーション治療において，重要な役割を担うことが期待される． ＊1 秋田大学医学部附属病院 リハビリテーション科・部 （〒010-8543 秋田県秋田市本道 1-1-1） E-mail：[email protected] ＊2 秋田大学大学院医学系研究科 医学専攻機能展開医学系整形外科学講座 ＊3 秋田厚生医療センター整形外科 DOI：10.2490/jjrmc.56.555
はじめに
脊髄損傷後は，手術・保存治療どちらにおいて も，適切な全身管理下に早期から可能な限り積極 的なリハビリテーション治療を行うことが重要であ る．一般的には，麻痺が高位で重度になるほど日 常生活活動自立が困難となる．しかし，医用工学 分野における技術進歩により，従来達成できなかっ た麻痺肢の運動機能再建が可能になりつつある．機能的電気刺激（functional electrical stimula-tion：FES）は，脊髄損傷によって伝達されなくなっ た脳からの運動制御指令を，コンピュータ制御によ る電気刺激に置き換えて麻痺肢動作再建を行う医 用工学的治療である．FES により，四肢麻痺上肢 における飲食・書字・整容，対麻痺下肢における起 立・歩行などが再建可能であるø, ù)．本稿では，脊 髄損傷に対するリハビリテーション治療としての FES について概説する．
四肢麻痺に対する FES
頚髄損傷による四肢麻痺では，øĀýú 年 Longú) が，Cû 麻痺の指伸筋を刺激して手の opening を制 御し，finger hinge splint と組み合わせて応用した のが世界最初の FES 運動機能再建である．しか脊髄損傷に対するリハビリテーション医療―実践と挑戦―
し，当時の装置では手指機能の複雑な機能は再建 できなかった．
その後，Peckham らù)は ÿ チャンネルの完全埋 め込み電極および刺激装置，外部コントローラから 構成される FES システムである Freehand system を開発実用化した．このシステムは，片側上肢の ÿ 筋しか刺激できないため，腱移行術や母指 IP 関節 固定術の併用などが必要であったが，FES で手指 把持機能や肘伸展機能などの動作再建が可能であ り，米国食品医薬品局（FDA）によって認可され 欧米を中心に広く臨床で用いられた． わが国では，仙台 FES プロジェクトの半田らû) により開発された経皮的埋め込み電極 FES システ ムが，臨床応用に大きな飛躍をもたらした．しか し，電極埋め込み手術が必要となるため，脊髄損 傷後早期からの治療開始が困難だった． われわれは，脊髄損傷後早期から治療開始可能 で，回復期から生活期を通じて使用できる表面電 極型 FES システム NESS Hù÷÷ ハンド・リハビリ テーション・システム（NESS Hù÷÷®）をわが国で 初めて導入したü)．ù÷øþ 年からは，有線部分がワ イヤレス化された NESS Hù÷÷®Wireless ハンド・ リハビリテーション・システム（NESS Hù÷÷®W） が薬事承認され使用可能となっている（図 ø）． NESS Hù÷÷®W は，上肢に装着する内側に表面 電極がある刺激部分の装具型コンポーネントと， FES プログラムなどを内蔵したコントロールユ ニットから構成され，PDA で設定した刺激条件を コントロールユニットに転送し，無線操作可能であ る．表面電極は，指伸筋，短・長母指伸筋，母指球 筋，浅指屈筋，長母指屈筋の各筋群を刺激し，手 指屈曲伸展パターンや円筒握り（palmar grasp）お よび鍵握り（key grip）と呼ばれる手指の把持機能 再建が可能である（図 ù）．コンポーネントの中に ü チャンネルの表面電極が組み込まれており，対象 者ごとに最適な刺激部位を設定すれば，その後は 図 ø NESS Hù÷÷®W の構成 図 ù FES 手指把持動作再建の様子 コントロール ユニット PDA 装具型コンポーネント Palmar grasp Key grip
その装具を装着すれば簡便かつ十分な刺激が得ら れる特徴がある．コントロールユニットは，刺激周 波数 øÿ Hz（FES 使用時）および úý Hz（thera-peutic electrical stimulation〔TES〕使用時），刺 激強度 ÷～øü÷ mA で刺激条件の設定が可能であ る． 頚髄損傷では，機能残存レベル Cü または Cý が 再建のよい対象となる．末梢神経麻痺を伴ってい る場合，電気刺激に対する反応がみられれば適応 可能であるが，脱神経状態などでは再建困難とな る．全身状態が落ち着いていれば急性期からベッ ドサイドで行うことも可能である．Alon らý)は，頚 髄損傷慢性期四肢麻痺にこのシステムを用いて手 指機能再建を行い，握力や手指運動項目の有意な 改善を認めたと報告している． 頚髄損傷四肢麻痺上肢の FES では，本人による 装置の操作が課題となる．従来は，押しボタン型 スイッチ，呼吸入力スイッチなどが用いられてきた が，近年の brain-machine interface（BMI）技術な どの進歩により，脳で意図した入力を直接 FES 機 器に行うことが可能になりつつある．Ajiboye らþ) は，BrainGateù と呼ばれる BMI 装置を用いて， FES による頚髄損傷四肢麻痺上肢のリーチ動作と 把持動作の再建を初めて報告した．今後，このよ うな技術の進歩により，FES の適用範囲が拡大さ れることが期待できる．
対麻痺に対する FES
四肢麻痺上肢においては，FES による巧緻性が 重要視されるが，胸髄損傷などによる対麻痺下肢 では重力に抗した筋力が得られることが重視され る．FES により，屋内では歩行器などを使用して 実用歩行可能であるが，屋外では転倒リスクなど の点からまだ実用的ではない．屋内外の平地移動 は車椅子が移動速度・安定性・消費エネルギーな どの面で実際的であるが，FES により車椅子から 短時間起立でき，短距離離れて移動できれば，生 活空間の拡大につながり，ADL および QOL の向 上が期待できる．海外では，Klose らÿ)が，Parastep ø Ambula-tion system と呼ばれる ý チャンネルの表面電極型 下肢用 FES システムを開発し，完全対麻痺者 øý 名における持続歩行距離平均 úúû m，最大 ø,þ÷þ m の歩行再建を報告した．Triolo らĀ)は，Peckham らが開発した完全埋め込みシステムを対麻痺に適 用し，ù～øû 年の経過観察で立位保持などの ADL タスクに有用だったと報告している． われわれは，øĀĀ÷ 年代に，øÿ チャンネルの経皮 的埋め込み電極を用いた FES 刺激装置 Akita stimulator I を開発し，対麻痺起立歩行再建を開始 した．その後，úù チャンネルの Akita stimulator II を開発した．本装置は TES 機能や起立動作， 歩行振り出しに高周波数刺激を用いることも可能 であり，短・長下肢装具を併用した hybrid FES に よる起立歩行再建を達成したø÷)．その後，NESS Hù÷÷®と同様に，脊髄損傷の発症後早期から治療 開始可能な NESS Lú÷÷ フットドロップシステム （NESS Lú÷÷TM）を導入したü)． NESS Lú÷÷TMは，脊髄損傷では対麻痺下垂足に よる歩行障害に適応となる装具型 FES 装置であ り，下腿近位部に装着して刺激を行う RF Stim ユ ニットつき機能刺激（FS）カフ，刺激モードの設定 などを行うコントロールユニット，足部に装着する Intelli-sense gait sensorTMから構成される（図 ú）． FS カフの内面に ù チャンネルの表面電極があり， 総腓骨神経などを刺激して足背屈筋群を収縮させ る．コントロールユニットは，システムの電源 ON/ OFF，操作モード選択，刺激強度調整などが可能 であり，TES モードとして足背屈トレーニング， FES モードとして歩行モードがプログラムされて いる．Intelli-sense gait sensorTMは，靴内面の踵 付近に設置して歩行モード時に使用し，遊脚期を
検知して自動的に機能的な足背屈を行う．各コン ポーネントは無線接続されており，ワイヤレスで使 用する． Smith らøø)は，不 全 対 麻 痺 で 両 側 に NESS Lú÷÷TMを装着し，独歩可能になった例を報告して いる．現在のシステムは，遊脚期の足背屈コント ロールのみのため，対麻痺には適応が限定される． 米国では，大腿部との同時刺激が可能な NESS Lú÷÷TMPlus が利用可能になったøù)．足関節に加 えて膝関節のコントロールが可能になったことで 脊髄損傷例の適応拡大が期待され，わが国でも早 期に適応可能となることが望まれる．
脊髄損傷治療における
FES の将来展望
近年，脊髄損傷に対する再生医療が飛躍的に進 歩しており，そう遠くない将来，脊髄損傷治療が現 在とは一変する可能性がある．FES は，脊髄再生 リハビリテーション医療分野で麻痺筋の再生に重 要な役割を担うことが期待される．また，麻痺肢 に対するリハビリテーションロボットの研究開発も 飛躍的に進んでいる．リハビリテーションロボット は，麻痺肢に対するアシスト力の安定性などに優 れている．しかし，外部力源による生体への働き かけであるところが FES との最大の違いであり， 麻痺筋に対する直接的な刺激効果は FES のほうが 図 ú NESS Lú÷÷TMの構成 図 û Akita Trainer（右上は対麻痺用モデルのコ ンセプト画）Intelli-sense gait senorTM
コントロールユニット RF Stim ユニットつき機能刺激（FS） カフ
優れている．そこで，われわれは，新しい機器 Akita Trainer の開発を医理工連携事業で進めて いる（図 û）．この装置は，トレッドミル上で麻痺下 肢の運動制御を FES とロボットで同時に行うこと により歩行練習を実施するものである．将来的に は，対麻痺用モデルも含めて実用化を目標に開発 を進めている．
おわりに
脊髄損傷に対する FES による運動再建は，上肢 を中心に十分な実用レベルに達している．将来的 には，再生医療や BMI，リハビリテーションロボッ ト技術などの発展により，組み合わせて利用するこ とでより進んだ治療が可能になるであろう． 文 献ø) Shimada Y, Sato K, Abe E, Kagaya H, Ebata K, Oba M, Sato M：Clinical experience of functional elec-trical stimulation in complete paraplegia. Spinal Cord øĀĀý；úû：ýøü-ýøĀ
ù) Peckham PH, Keith MW, Freehafer AA：Restora-tion of funcAA：Restora-tional control by electrical stimulaAA：Restora-tion in the upper extremity of the quadriplegic patient. J Bone Joint Surg Am øĀÿÿ；þ÷：øûû-øûÿ
ú) Long C ùnd：An electrophysiology splint for the hand. Arch Phys Med Rehabil øĀýú；ûû：ûĀĀ-ü÷ú û) 半田康延：ポータブル機能的電気刺激装置の臨床応
用．臨床整形外科 øĀĀ÷；ùü：ø÷ý÷-ø÷ýý
ü) 松永俊樹，島田洋一，三澤晶子，佐々木香奈，冨手 貴教，工藤大輔，奥寺良弥，佐藤峰善，千田聡明， 畠山和利，渡邊基起：機能的・治療的電気刺激の今
―NESS システム．Journal of Clinical Rehabilitation
ù÷øù；ùø：üý÷-üýû
ý) Alon G, McBride K：Persons with Cü or Cý tetra-plegia achieve selected functional gains using a neuroprosthesis. Arch Phys Med Rehabil ù÷÷ú；ÿû： øøĀ-øùû
þ) Ajiboye AB, Willett FR, Young DR, Memberg WD, Murphy BA, Miller JP, Walter BL, Sweet JA, Hoyen HA, Keith MW, Peckham PH, Simeral JD, Donoghue JP, Hochberg LR, Kirsch RF：Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia：a proof-of-concept demonstration. Lan-cet ù÷øþ；úÿĀ：øÿùø-øÿú÷
ÿ) Klose KJ, Jacobs PL, Broton JG, Guest RS, Needham-Shropshire BM, Lebwohl N, Nash MS, Green BA： Evaluation of a training program for persons with SCI paraplegia using the Parastep ø ambulation system：part ø. Ambulation performance and anthropometric measures. Arch Phys Med Rehabil øĀĀþ；þÿ：þÿĀ-þĀú
Ā) Triolo RJ, Bailey SN, Foglyano KM, Kobetic R, Lombardo LM, Miller ME, Pinault G：Long-term performance and user satisfaction with implanted neuroprostheses for upright mobility after paraple-gia：ù- to øû-year follow-up. Arch Phys Med Reha-bil ù÷øÿ；ĀĀ：ùÿĀ-ùĀÿ
ø÷) 島田洋一：FES の適応と長期成績．脊椎脊髄ジャー ナル ù÷÷ú；øý：ûÿý-ûĀù
øø) Smith C, Deimling A：The use of a neuroprosthesis to correct gait deviations in a patient with incomplete spinal cord injury：A Case Study（CSM Abstracts). J Neurol Phys Ther ù÷÷ÿ；úù：ùøü øù) Khamis S, Martikaro R, Wientroub S, Hemo Y,
Hayek S：A functional electrical stimulation sys-tem improves knee control in crouch gait. J Child Orthop ù÷øü；Ā：øúþ-øûú
øú) Kimura R, Matsunaga T, Iwami T, Kudo D, Saitoh K, Hatakeyama K, Watanabe M, Takahashi Y, Miyakoshi N, Shimada Y：Development of a reha-bilitation robot combined with functional electrical stimulation controlled by non-disabled lower ex-tremity in hemiplegic gait. Progress in Rehabilita-tion Medicine ù÷øÿ；ú：doi：ø÷.ùûĀ÷/prm.ù÷øÿ÷÷÷ü
