Vol.29 No.1 2013
長下肢装具の可能性
ロボットスーツ HAL の脳卒中片麻痺への応用
前島伸一郎
1）大沢 愛子
1）西尾 大祐
2）平野 恵健
2）木川 浩志
2）武田 英孝
3） キーワード ロボット，脳卒中，片麻痺 抄録 医用工学の進歩に伴い，医療・福祉の領域においてもロボット技術が応用されている．なかでも，筋 力が低下した高齢者や運動機能障害を有する人の自立支援や，介護支援などへの適用が期待されている 装置がロボットスーツ Hybrid Assistive Limb（HAL）Ⓡである．HAL は生体電位信号を活用し，人間・機械・情報系の融合複合体技術を駆使したサイボーグ型ロボットである．脳卒中片麻痺に対する HAL の効果について，現時点においてはほとんど検証されておらず，装着に手間がかかり，介助が増え，疲 れやすい等の欠点も否めないが，将来性は高く，今後，装具あるいは訓練器具として，リハビリテーショ ンへの利用が期待される． 1． はじめに 脳卒中の多くは片麻痺や感覚障害等により歩行障害を有 し，在宅復帰を阻害する．そのため，発症早期から起立訓 練を集中的に行いつつ，患者の障害に応じた下肢装具を用 いて歩行訓練を行うことが推奨されている1）．一方，医用 工学の進歩に伴い，医療・福祉の領域においても様々なロ ボット注1）の使用が試みられている2-8）．その中でも，筋力が 低下した高齢者や運動機能障害を有する人の自立支援，重 労働でもある介護支援などの分野へ広く展開する期待が持 たれている装置がロボットスーツ Hybrid Assistive Limb （HAL）Ⓡ（CYBERDYNE 社）である5-7）．HAL は単なるパ
ワーアシストという概念ではなく，生体電位信号を活用し， 思い通りに操作することができる「随意制御」と，人間の 運動特性を反映した運動パターンを自律的に生成する「ロ ボット的自立制御」を有するハイブリッドシステムであり， サイバニクス技術（人間・機械・情報系の融合複合体技術） を駆使した世界初のサイボーグ型ロボットである．人間の 意思通りに身体運動機能を拡張・増幅・補助することを目 的とするため，筋力が低下した高齢者や運動機能障害を有 する要介護者の歩行支援に使用されている．本稿では，ロ ボットを用いた下肢訓練の最近の知見とロボットスーツ HAL を用いた脳卒中片麻痺への応用について概説を行う． 2． HAL はロボットなのか？ 今世紀に入ってから，医療分野におけるロボット技術の めざましい発展があった．ロボットの語源である Capek9） の戯曲“R.U.R.ロッスムユニバーサルロボット社（1920）” では，ロボットは人の構造を模倣しているが，外見上の明 確な定義はなく，人の形をしていなくても人の代わりに自 動的かつ連続的に何らかの作業を行うものがロボットと呼 ばれている10）．医療用で使われているロボットもこの特長 を生かし，安全・確実に手術ができるようにしたものであ る．よく話題になる手術支援ロボット da Vinci11）は，前立 腺がん以外の手術では認可が取れておらず，診療報酬体制 や補償制度が確立していない等の問題点もあるが，安全で 精確な手術作業という観点からは十分な働きをしている． これに対し，鉄腕アトムやキューティハニーのように人 の形をした機械で，生命は持たず，自律的に独立して行動 できるものをアンドロイドというが，これらの存在は今の ところほとんどが漫画や映画の世界に限られている．ちな みに，ドラえもんはアンドロイドではなく，ネコ型ロボッ トである．アザラシ型癒し系ロボット「パロ」はすでに市
Clinical application of the hybrid assistive limb for stroke patients with hemiplegia 1）埼玉医科大学国際医療センターリハビリテーション科 〒350-1298 日高市山根 1397-1
Saitama Medical University International Medical Center 1397-1 Yamane, Hidaka-shi, Saitama, 350-1298 Japan Shinichiro MAESHIMA（医師），Aiko OSAWA（医師） 2）飯能靖和病院リハビリテーション科
Daisuke NISHIO（理学療法士），Yoshitake HIRANO（理学療法士），Hiroshi KIGAWA（医師） 3）国際医療福祉大学山王メディカルセンター神経内科
Hidetaka TAKEDA（医師）
販されている．一方，改造人間といわれる仮面ライダーや サイボーグ 009 などのように，もともと生命を持ったもの に対して，機械的に手を加えたものはサイボーグ（Cyborg） と呼ばれる．かつては「半機械人間」と呼ばれたが，石ノ 森章太郎が「サイボーグ」，「改造人間」という言葉を使い， 認知された．サイボーグはサイバネティック・オーガニズ ム（Cybernetic Organism）の略で，生命体（organ）と自 動制御系の技術（cybernetic）を融合させたものである． 失われた四肢や臓器・感覚器の機能を代替・回復させるた めの，人工関節，義肢，人工内耳，人工網膜，人工心臓， 脳深部刺激などが含まれる．健常者に用い，人間本来の機 能を強化するためのパワードスーツ（人工外骨格）注2）も含 まれ，この意味からも，HAL はサイボーグ型ロボットの範 疇に入る． 3． ロボットを用いた下肢訓練と HAL リハビリテーション（リハ）で用いられる歩行ロボット は，麻痺の回復をサポートする訓練ロボットと機能を補完 するロボットに大別される12, 13）．前者は脳卒中や脊髄損傷 に対して，部分免荷トレッドミル装置など，大掛かりな設 置が必要である．一方，後者は場所を選ばず，日常生活へ の活用が期待できる．HAL も制御のための電波が届く範 囲であれば作動する．また，階段昇降やまたぎ動作も可能 である．そのため，我々は HAL を訓練機器というより， 日常生活機能を向上させるための補装具（治療用装具）の ようなものとして考えている．医療用器具としては承認さ れていないため，日常の臨床現場では使用できないが，患 者の同意と倫理委員会の承諾を得ながら臨床研究として試 用されている． すでにロボット装置を用いた下肢の訓練法は脳卒中のリ ハ戦略や脳卒中後麻痺の改善などをテーマとしたレビュー にも記載されるようになった14, 15）．このなかでもしばし
ば使用されるのが，Gait Trainer16）と Lokomat17-19）である．
Gait Trainer は，ハーネスで体幹を懸垂しながら，足の部 分についた足板を前後に動かすことにより，遊脚期と立脚 期の歩行訓練を行う．前向き無作為化試験も行われてい て，歩行能力や日常生活活動の改善8, 20）が，より少ない期 間と努力で行われ，療法士の肉体的負担も少ない20-22）．一 方，Lokomat は外骨格構造の装置を下肢に装着し，ハーネ スで体幹を懸垂しながら，股関節と膝関節部に取り付けら れたサーボモーターがプログラミングされた歩行パターン に従って，トレッドミル上を歩行させる．歩行速度や耐久 性の改善に差はない17, 22）が，神経症状の改善17）や心肺機 能の向上18, 19）がみられている．また，新エネルギー産業 技術開発機構プロジェクトとして安川電機で開発された Hachisuka ら23）の歩行支援ロボットは，体幹を懸垂せずに ロボットアームで下肢の動きを制御してトレッドミル上を 歩行させ，重度片麻痺の筋力増強や歩行速度の増加が期待 できる．一方，わが国でもロボットスーツに関する前向き 無作為化試験は現在一部の施設で開始されたようである． 4． ロボットスーツ HAL の構造 HAL は，人間の身体機能の拡張，および増幅を目的とし て開発された．フレームは身体の側面に骨格を有する外骨 格型であり，パワーユニットは各関節部分に取り付けられ ている．パワーユニットから発生するトルクはモールドを 介して装着者に伝わる．各関節には角度センサが内蔵され ており，関節角度を計測する．また，CoP を検出するため の床反力センサや筋肉を動かそうとするときに発生する微 弱な生体電位信号を皮膚表面で読み取るための生体電位セ ンサ等が取り付けられている．制御用コンピュータやバッ テリーは腰部に取り付けられており，単独での移動が可能 となっている．国内で市販されている（実際はリース）ロ ボットスーツは HAL 福祉用両脚型（CYBERDYNE 社）あ るいは単脚型であり，すでに 100 カ所以上の施設や病院で 使用されている（図 1）． 5． ロボットスーツを装着して歩行訓練を行った症例 入院中に HAL を用いた理学療法を実施し，その後，在 宅復帰に至った症例を紹介する． 症例 65 歳，男性． 既往歴：糖尿病，高血圧． 家族歴：妻との 2 人暮らし． 現病歴：右視床出血にて発症 30 日後に回復期リハ病棟 に入院した．入院時には，左片麻痺（BRS Ⅲ）および重度 感覚鈍麻が残存し，端座位保持は可能であったが，移乗や 図 1 HAL 福祉用両脚型（左）と単脚型（右） 注 1）蜂須賀10）はロボットを，「時に人に類似し，人の操作や前もってプログラムされた情報に従い，多彩な作業をある程度自動的に遂行 することができる装置」と定義している． 注 2）パワードスーツ（Powered exoskeleton）：人体に装着される電動アクチュエーターや人工筋肉などの動力を用いた，外骨格型，ある いは衣服型の装置．1968 年，米国 GE 社が「Hardiman」を試作したが，実用化には至らなかった．米国では現在も，軍事用として 兵士の負担軽減のために開発を続けている．
歩行に介助を要した．また，数回の起立動作を繰り返すと 疲労を訴えた．HAL を使用できるような下肢筋力・耐久 性を向上させることを短期目標に，起立・移乗訓練を集中 的に実施し，監視での起立は可能になったものの，安定し た移乗や歩行に不可欠である下肢・体幹の筋力訓練や基本 動作練習に対する重要性の認識はなかった．そこで，HAL を用いた理学療法を試みた．この際，全ての過程で 2 人の 介助を要し，所要時間は「HAL 電極貼り付け」に 10 分， 「HAL 装着・制御設定」に 20 分，「HAL 訓練」に 30 分を要 した．「HAL 訓練」では，起立を 10 回×4，手すり歩行を 10 m×4，4 点杖歩行を 10 m 実施した．起立動作は HAL 装着による違和感があり，見守りを要したものの，動作を 繰り返すことによって自力で可能となった．手すりを持っ て歩行訓練を行ったところ，下肢の振り出しをスムーズに 行うことができたが，バランスをとることに難渋した．と くに 4 点杖歩行では，下肢の振り出しが不安定となり歩行 介助を要した（図 2）．「HAL 電極貼り付け」および「HAL 装着・制御設定」で疲労は認めなかったが，「HAL 訓練」で 疲労を認めた．HAL に対する本人の期待が大きかっただ けに，訓練後の満足感はなかったが，安定した歩行の獲得 には下肢の筋力強化が必要であることを自覚し，起立・移 乗訓練を高頻度に実施することへの意欲を示した．翌日よ り，妻の協力による自主訓練が積極的に実施された．3 週 後に T 字杖で屋外歩行が可能となり，5 週後に自宅退院と なった． 6． 使用上の問題点の検討 ロボット訓練を行う際には，その装着過程を含めた使用 上の問題を明らかにする必要がある．そこで我々は，回復 期リハ病棟入院中の脳卒中片麻痺患者 15 名に対して HAL を用いた理学療法を実施し，HAL の効果的な使用法につ いて検討した（図 3）24）．使用したロボットスーツは HAL 福 祉用両脚型（CYBERDYNE 社）で，装着して起立・歩行訓 練を行う過程に介助が必要な人数，所要時間，疲労の有無 を評価し，装着後には HAL に対する満足感などを聴取し た．その結果，全ての過程で介助に 2 名以上のスタッフを 要した．また，装着・制御設定に時間がかかるため，疲労 をきたし，訓練に至らない患者がいた．一方，HAL を脱着 後，7 割以上の患者で「寝てばかりいては駄目ですね」「も う少し体力をつけなくては」など，通常の理学療法に対す る理解・意欲の向上を認めることができた．担当した理学 療法士からは，装着・制御設定に面倒な作業が多く，患者 の転倒および疲労に配慮して作業を迅速に実施する必要が あるとの意見が聴かれた（表）． 7． 脳卒中片麻痺の歩行能力に及ぼす効果 歩行の再獲得を目指す脳卒中片麻痺患者に対して HAL を 用いた研究はほとんどない．そこで，我々は回復期リハ病棟 入院中の片麻痺患者 16 名に対して HAL が歩行能力に及ぼ す影響について検討した．いずれも長下肢装具（KAFO）で 歩行訓練中であり，体幹・四肢筋力の低下した 4 名は歩行 に介助が必要で，他の 12 名は歩行に監視（3 名は手すり歩 図 2 HAL を用いた歩行訓練 図 3 HAL 福祉用両脚型を用いた理学療法における作業および，その補助に要した人数（a）・所要時間（b）・ 患者の疲労（c）（文献 24 より）
行，9 名は四脚杖歩行）が必要であった．HAL は福祉用両 脚型を用い，長下肢装具（KAFO）と比較した．その結果，歩 行速度や重複歩の増加を 4 名に認めた（図 4）．HAL を装着 した歩行は，新しい歩行パターンへの慣れと運動の調整が 必要となる．健常者と異なり，重度な片麻痺を有し，この ような新たな歩行パターンに速やかに適応することが困難 な症例では，HAL 装着によって，逆に歩行が大幅に乱れる 症例もあった．このことからも，HAL は片麻痺患者の歩 行訓練に応用できる可能性があるが，適応についてはなお 検討の余地があると思われた25）． 8． 問題点と今後の展望
Stroke Care Unit を併設した救命救急センターにおい て，HAL を使用している施設もあるようだが26），現時点に おいて，脳卒中片麻痺患者に HAL を使うことは，手間が かかり，介助が増え，患者によっては歩きにくく，疲れや すい等の欠点が少なくない．もちろん，片麻痺が中∼軽度 であっても訓練は可能であるが，その効果についての検証 がなされているわけではない．今後，医療現場で HAL を 使用するためには，医薬品医療機器総合機構（PMDA）の 認可を受けること27）が前提となるが，①十分な安全体制を 確保する，②装着・脱着の手間を少なくする，③効果・効 能を明確にする等の工夫が必要であろう．長下肢装具を装 着しても歩行に難渋している重度片麻痺患者が，HAL を 装着することによって容易に歩行することができ，さらに その歩行パターンを繰り返し学習する28）ことで訓練効果 が得られ，将来的には HAL を取り外しても，自立的に歩 行できるというのが，我々の理想である． 本研究は厚生労働科学研究費補助金（難治性疾患克服研 究事業）H24 年度「希少性難治性疾患一神経・筋難病疾患 の進行抑制治療効果を得るための新たな医療機器，生体電 位等で随意コントロールされた下肢装着型補助ロボット （HAL-HNO1）に関する医師主導治験の実施研究」により 行われた． 文 献 1 ）脳卒中合同ガイドライン委員会（篠原幸人ほか）：歩行 障害に対するリハビリテーション．脳卒中治療ガイドラ イン 2009．300-304，協和企画，2009
2 ）Volpe, B.T., et al. : A novel approach to stroke rehabili-tation.Robot-aided sensorimotor stimulation.Neurology, 54 : 1938-1944, 2000
3 ）Hidler, J., et al. : Advances in the understanding and treatment of stroke impairment using robotic devices. Top. Stroke Rehabil., 12 : 22-35, 2005
4 ）Banala, S.K., et al. : Robot assisted gait training with active leg exoskeleton (ALEX). IEEE Trans.Neural Syst. Rehabil.Eng., 17 : 2-8, 2009
5 ）Kawamoto, H., et al. : Power assist method based on phase sequence and muscle force condition for HAL. Adv.Robot., 19 : 717-734, 2005
6 ）Lee, S., et al. : Virtual impedance adjustment in uncon-strained motion for an exoskeletal robot assisting the lower limb.Adv Robot., 19 : 773-795, 2005
7 ）Kawamoto, H., et al. : Development of single leg version of HAL for hemiplegia.Conf. Proc. IEEE Eng. Med.Biol. Soc., 2009 : 5038-5043, 2009
8 ）Pohl, M., et al. : Repetitive locomotor training and phys-iotherapy improve walking and basic activities of daily
表 HAL 福祉用両脚型を用いた理学療法において過程別に配慮したこと HAL 装着前 準備 電極の貼り付け箇所およびケーブルの取り付け箇所が多いため（18 カ所）， 立位保持による患者の疲労が蓄積しないよう，転倒予防に努めながら，作業 を迅速に実施する必要があった． HAL 装着 制御設定 作業過程が多いため（HAL 本体への靴・カフ・バッテリーの取り付け，配線 接続，通信設定），端座位保持による患者の疲労が蓄積しないよう，転倒予防 に努めながら，作業を迅速に実施する必要があった． HAL 訓練 十分なアシスト機能が得られなかったり，アシスト機能が動作における姿勢 の安定に反映しなかった場合，患者の訓練意欲に悪影響を及ぼさないよう， その原因の説明を行う必要があった． 図 4 脳卒中重度片麻痺患者に対する HAL 装着前後の 歩行能力（文献 25 より）
living after stroke : a single-blind, randomized multicentre trial (DEutsche GAngtrainer Studie, DEGAS).Clin.Rehabil., 21 : 17-27, 2007 9 ）Capek, K.（千野栄一訳）：ロボット（R.U.R）．岩波書店， 1989 10）蜂須賀研二：ロボット訓練の適応と機能画像．Jpn. J. Rehabil. Med., 46：26-31，2009 11）石田善敬ほか：“ダヴィンチ”：ロボット手術の最前線． 医学のあゆみ，236：744-745，2011 12）蜂須賀研二：ロボット・リハビリテーションの最近の 進歩．脳と循環，13：229-233，2008 13）和田 太：訓練ロボットによる歩行機能再建：イメー ジと知覚の影響．Jpn. J.Rehabil. Med., 47：161-165，2010 14）Dobkin, B.H. : Strategies for stroke rehabilitation. Lancet
Neurol., 3 : 528-536, 2004
15）Langhorne, P., et al. : Motor recovery after stroke : a systematic review. Lancet Neurol., 8 : 741-754, 2009 16）Hesse, S., et al. : Gait pattern of severely disabled
hemi-paretic subjects on a new controlled gait trainer as com-pared to assisted treadmill walking with partial body weight support.Clin.Rehabil., 13 : 401-410, 1999 17） Schwartz, I., et al. : The effectiveness of locomotor
therapy using robotic-assisted gait training in subacute stroke patients: A randomized controlled trial. PM R, 1 : 516-523, 2009
18）Husemann, B., et al. : Effects of locomotion training with assistance of a robot-driven gait orthosis in hemiparetic patients after stroke.A randomized controlled pilot study. Stroke, 38 : 349-354, 2007
19）Chang, W.H,.et al. : Effects of robot-assisted gait training on cardiopulmonary fitness in subacute stroke patients :
a randomized controlled study.Neurorehabil.Neural Re-pair, 26 : 318-324, 2012
20）Werner, C., et al. : Treadmill training with partial body weight support and an electromechanical gait trainer for restoration of gait in subacute stroke patients : a ran-domized crossover study. Stroke, 33 : 2895-2901, 2002 21）Peurala, S.H., et al. : Effects of intensive therapy using
gait trainer or floor walking exercises early after stroke. J.Rehabil. Med., 41 : 166-173, 2009
22）Hidler, J., et al. : Multicenter randomized clinical trial evaluating the effectiveness of the Lokomat in subacute stroke.Neurorehabil.Neural Repair, 23 : 5-13, 2009 23）Hachisuka, K., et al. : A prototype walking assist robot
and its clinical application for stroke patients with se-vere gait disturbance.Ring, H., et al. (eds) Advances in Physical and Rehabilitation Medicine.23-26, Monduzzi Editore, 2003
24）西尾大祐ほか：脳卒中片麻痺に対する両脚型ロボット スーツ HAL 福祉用装着の実際に関する一考察．義装会 誌 28：53-56，2011
25）Maeshima, S., et al. : Efficacy of a hybrid assistive limb in post-stroke hemiplegic patients : a preliminary report. BMC Neurology, 11 : 116, 2011
26）井上 亨：SCU（Stroke Care Unit）と ROBOT SUIT HAL.脳神経外科速報，21：1175-1176，2012 27）中島 孝：神経・筋難病患者が装着するロボットスー ツ HAL の医学応用に向けた進捗，期待される臨床効果． 保健医療科学，60：130-137，2011 28）才藤栄一ほか：脳卒中患者の治療用装具．義装会誌 28：87-92，2011
Abstract : Robot devices are expected to be widely used in various applications. These include support for independent
mobility of elderly people with muscle weakness and people with impaired motor function as well as support for nursing care The hybrid assistive limb (HAL) suit is designed to increase and assist the motor function of the body at will and is used to provide walking support for people who require nursing care, including elderly people with muscle weakness and those with impaired motor function. There are few reports which verify the efficacy of HAL suits for hemiplegic patients with stroke.Although the wearing of HAL suits takes time and effort and care is required, the possibilities of HAL are high and it can be expected to be used as a brace or a piece of training equipment for future rehabilitation.
