的電気刺激を用いるものが多数提案されている [9]. これらが筋肉を実際に駆動することで力を実際に提示することから実際の体の動きを伴うのに対し, 腱への電気刺激による力覚提示は感覚器への直接の提示であるため実際の体の動作は伴わない. これはコックピット等の限られた空間での操縦など, 運動を強制させる

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腱電気刺激を用いたハプティックインタフェースにおける

刺激パラメータと生起力覚量の関係

髙橋 哲史

†

田辺 健太

‡

梶本 裕之

‡

†電気通信大学情報理工学部 〒182-8585 東京都調布市調布ヶ丘 1-5-1

‡電気通信大学大学院情報理工学専攻 〒182-8585 東京都調布市調布ヶ丘 1-5-1

E-mail: †[email protected], ‡{k.tanabe, kajimoto}@kaji-lab.jp

あらまし 従来提案されてきた力覚提示装置は実際に物理的な力を発生させるために大型化しやすいという課 題があった．我々はこれを小型化するため，腱部に存在する力覚受容器またはこれにつながる神経を直接電気刺激 する腱電気刺激による力覚提示手法を提案してきた．本稿では手首に位置する腱上の皮膚表面に電気刺激を与える ことで，力覚提示が可能であるか調査した．またこのとき生じる感覚の量が，用いる電流パルスの周波数および電 流値によって調節可能であるか調査した．この結果手首への電気刺激により力覚が生じること，その力覚の方向は 筋電気刺激とは向きが逆であること，さらに生起する力覚量を制御可能であることが分かった． キーワード 力覚，ゴルジ腱器官，ハプティックインタフェース，Ib 神経線維，腱，電気刺激

Relationship of force sensation and stimulation parameters

in haptic interface using tendon electrical stimulation

Akifumi TAKAHASHI

†

Kenta TANABE

‡

and Hiroyuki KAJIMOTO

‡

†Faculty of Informatics and Engineering, University of Electro-Communications 1-5-1 Choufugaoka, Chouhu-shi,

Tokyo, 182-8585 Japan

‡Graduate School of Informatics and Engineering, University of Electro-Communications 1-5-1 Choufugaoka,

Chouhu-shi, Tokyo, 182-8585 Japan

E-mail: †[email protected], ‡{k.tanabe, kajimoto}@kaji-lab.jp

Abstract Most haptic devices have a common issue of large hardware setup, because they must present actual force. To cope with this issue, we have proposed a method to present force sensation using tendon electrical stimulation. In this paper, we investigated whether it is possible to present force sensation by giving an electrical stimulus through the skin surface of a wrist. We also investigated relationship between the amount of sensation and stimulation parameters. As a result, we found that the force sensation can be generated by the electrical stimulation to the wrist, the direction of the force sensation is opposite to the

motion occurred by muscle electrical stimulation, and it is possible to control the amount of the sensationby pulse frequency.

Keywords Force sensation, Golgi tendon organ, Haptic Interface, Ib fiber, Tendon electrical stimulation (TES)

1. は じ め に

ロ ボ ッ ト の 遠 隔 操 作 の 快 適 性 や VR の 没 入 感 の 向 上 の た め の 力 覚 提 示 手 法 と し て 操 縦 者 の 体 や そ の 一 部 に ロ ボ ッ ト ア ー ム 等 を 装 着 さ せ る も の が 多 数 提 案 さ れ て い る ． し か し 多 く の 力 覚 提 示 装 置 は 機 械 的 に 物 理 的 な 力 を 発 生 さ せ る た め に 大 掛 か り な 機 構 を 必 要 と す る と い う 課 題 が 有 る ． も し 力 覚 の 受 容 器 な い し 受 容 器 か ら 伸 び る 感 覚 神 経 を 直 接 的 に 刺 激 す る 手 段 が あ れ ば 劇 的 に 小 型 の 提 示 装 置 が 構 成 可 能 で あ る と 考 え ら れ る ． 実 際 触 覚 受 容 器 に つ な が る 神 経 を 電 気 刺 激 す る こ と で 触 覚 提 示 す る 研 究 は 多 く 行 わ れ て い る [1,2]．ま た 自 己 受 容 感 覚 に 関 し て ， 主 に 平 衡 感 覚 を 司 る 前 庭 に 電 気 刺 激 を 行 う こ と で 加 速 度 感 を 提 示 す る 研 究 [3]が あ る ． 一 方 筋 肉 と 骨 と を つ な ぐ 腱 に 振 動 刺 激 を 与 え る こ と で 運 動 錯 覚 が 起 こ る こ と も 知 ら れ て い る [4,5,6,7]．さ ら に こ の 腱 へ の 電 気 刺 激 に よ っ て も 運 動 錯 覚 が 生 じ ， こ れ が ゴ ル ジ 腱 器 官 に 由 来 す る も の で あ る こ と も 示 唆 さ れ て い る [8]． ゴ ル ジ 腱 器 官 は 筋 に か か る 力 を 検 知 す る 受 容 器 で あ る こ と か ら 腱 電 気 刺 激 に よ っ て 力 覚 生 起 が 可 能 で あ る こ と が 期 待 さ れ る ． 電 気 刺 激 に よ る 力 覚 提 示 自 体 は ， 筋 肉 に 対 す る 機 能

的 電 気 刺 激 を 用 い る も の が 多 数 提 案 さ れ て い る [9]． こ れ ら が 筋 肉 を 実 際 に 駆 動 す る こ と で 力 を 実 際 に 提 示 す る こ と か ら 実 際 の 体 の 動 き を 伴 う の に 対 し ， 腱 へ の 電 気 刺 激 に よ る 力 覚 提 示 は 感 覚 器 へ の 直 接 の 提 示 で あ る た め 実 際 の 体 の 動 作 は 伴 わ な い ． こ れ は コ ッ ク ピ ッ ト 等 の 限 ら れ た 空 間 で の 操 縦 な ど ， 運 動 を 強 制 さ せ る こ と が 不 都 合 な 場 面 に 適 し て い る と い え る ． 本 研 究 の 最 終 的 な 目 的 は 腱 電 気 刺 激 を 用 い る こ と に よ り ， 直 接 感 覚 受 容 器 な い し 関 連 す る 神 経 を 直 接 刺 激 す る こ と で ， コ ン パ ク ト な 力 覚 提 示 装 置 を 実 現 す る こ と で あ る ．こ の た め 本 論 文 で は ，生 じ る 感 覚 の 量 が ， 用 い る 電 流 パ ル ス の 周 波 数 お よ び 電 流 値 に よ っ て 調 節 可 能 で あ る か を 調 査 す る ．

2. 従 来 研 究

2.1. 腱 振 動 刺 激 による運 動 錯 覚

腱 に 振 動 刺 激 を 与 え る こ と で 運 動 錯 覚 が 生 じ る こ と を 1972 年 Goodwin ら [4]が 肘 に あ る 上 腕 二 頭 筋 及 び 上 腕 三 頭 筋 の 腱 に 対 し て 振 動 刺 激 し た 実 験 か ら 見 出 し た ． Goodwin ら と 同 時 期 に Eklund [5]が ひ ざ の 腱 に 振 動 刺 激 を 行 う こ と で 被 験 者 が 実 際 と は 異 な る 脚 の 姿 勢 を 報 告 し た こ と か ら ， 同 様 に 運 動 錯 覚 が 生 じ る こ と を 見 出 し た ． 1980 年 代 ま で の 運 動 錯 覚 に 関 し て は Jones [4]に よ る 総 説 で 広 く 紹 介 さ れ て い る ． ま た 友 田 ら [7]は 運 動 最 中 に 腱 に 振 動 刺 激 を 加 え る こ と で ， 錯 覚 が 強 ま る こ と を 報 告 し て お り ， 実 際 の 可 動 域 以 上 に 伸 展 す る 過 伸 展 が 生 じ る こ と に も 触 れ て い る ． こ れ は 運 動 錯 覚 を 用 い る こ と で ， 自 身 の 運 動 を 邪 魔 し な い 感 覚 提 示 の 実 現 を 示 唆 し て い る ． こ れ ら の 運 動 錯 覚 は 腱 の 振 動 が 筋 に 存 在 す る 筋 紡 錘 に 伝 わ る こ と で 生 じ る と さ れ て い る ． 筋 紡 錘 は 筋 の 長 さ と そ の 変 化 の 速 度 を 感 知 す る 自 己 受 容 器 で あ る こ と か ら ， こ れ が 刺 激 さ れ る こ と に よ り 位 置 感 覚 に 関 す る 錯 覚 や 運 動 感 覚 に 関 す る 錯 覚 が 起 こ る と 考 え ら れ る ． 骨 格 筋 周 辺 に は 筋 紡 錘 の ほ か に 筋 に か か る 力 を 検 知 す る ゴ ル ジ 腱 器 官 が 存 在 す る が ， 振 動 刺 激 に 対 し て の 閾 値 が 高 い た め に こ れ ら の 振 動 刺 激 で は 興 奮 し な い と さ れ て い る ． こ の た め 力 覚 提 示 に 関 し て は ， 腱 振 動 刺 激 で は 関 節 を 動 か さ れ る 感 覚 へ の 応 用 は 考 え ら れ る が ， 外 力 に 対 し て 筋 の 張 力 が つ り あ う 等 尺 性 収 縮 の 場 合 の 感 覚 を 再 現 不 可 能 で あ る と 考 え ら れ る ．

2.2. 腱 電 気 刺 激

腱 に 電 気 刺 激 を 与 え る こ と で 運 動 錯 覚 が 生 じ た こ と を 報 告 す る 研 究 も 存 在 す る ． Gandevia [10]は 手 首 の 腱 に EMS で 用 い る 電 流 量 を 下 回 る 電 流 パ ル ス で 刺 激 す る こ と で 運 動 錯 覚 が 生 じ た こ と を 報 告 し た ． こ れ に よ る 運 動 感 覚 は 筋 電 気 刺 激 に よ っ て 生 じ る 筋 の 収 縮 と は 逆 の 方 向 へ の 感 覚 で あ っ た ．Gandevia は こ の 錯 覚 を ゴ ル ジ 腱 器 官 で は な く 筋 紡 錘 の 脱 分 極 に よ る も の と 推 測 し て い る ． こ れ に 対 し 梶 本 [8]は 腱 へ の 電 気 刺 激 に よ っ て 運 動 錯 覚 が 生 じ る こ と を 報 告 し ， こ れ が ゴ ル ジ 腱 器 官 に よ る も の で あ る こ と を 示 唆 し て い る ．Gandevia は ゴ ル ジ 腱 器 官 で は な い 理 由 と し て ， ゴ ル ジ 腱 器 官 か ら 伸 び る Ib 神 経 線 維 は 筋 紡 錘 か ら 伸 び る Ia 神 経 線 維 よ り 閾 値 が 高 い こ と を 挙 げ た ． し か し 腱 へ の 電 気 刺 激 で は 刺 激 位 置 と 受 容 器 の 位 置 関 係 か ら 筋 紡 錘 へ の 刺 激 は 考 え づ ら く ，Ib 神 経 線 維 も Ia 神 経 線 維 同 様 I グ ル ー プ の 線 維 で 閾 値 は Ia と 同 等 か ，高 く て も 他 グ ル ー プ の 線 維 よ り 低 い こ と か ら ， ゴ ル ジ 腱 器 官 へ の 刺 激 の 可 能 性 は 高 い と 考 え ら れ る ． ま た 前 述 の 腱 振 動 刺 激 に お い て も ゴ ル ジ 腱 器 官 へ の 刺 激 は 明 確 に 否 定 さ れ た わ け で は な く ， ゴ ル ジ 腱 器 官 が 運 動 錯 覚 に 関 与 し て い る 可 能 性 も 存 在 す る ． さ ら に ， 電 気 刺 激 に よ る ゴ ル ジ 腱 器 官 へ の 刺 激 自 体 は 可 能 で ， Kahn ら [11]の 研 究 で 腱 部 へ の 電 気 刺 激 に よ っ て ゴ ル ジ 腱 器 官 に つ な が る Ib 神 経 を 経 由 し て 起 こ る Ib 反 射 が 生 じ る こ と が 確 か め ら れ て い る ．

3. 電 気 刺 激 装 置

使 用 す る 電 気 刺 激 装 置 を 図 1 に 示 す [12]．本 装 置 は マ イ ク ロ コ ン ト ロ ー ラ (mbed NXP LPC1768, NXP 社 製 ) で 刺 激 パ タ ー ン を 制 御 す る ．電 流 制 御 で 0～ 25mA の 出 力 が 可 能 で ，電 圧 は 最 大 300V で あ る ．ま た Photo MOS Relay を 使 用 し た 電 流 チ ャ ン ネ ル 変 更 回 路 で 最 大 4 チ ャ ン ネ ル そ れ ぞ れ に 対 し て ， 陰 極 ， 絶 縁 ， 陽 極 の 状 態 を 切 り 替 え る こ と が 出 来 る（ 図 2）．以 下 の 実 験 で は 実 験 １ で 2 チ ャ ン ネ ル の 電 極 を ， 実 験 2 で 3 チ ャ ン ネ ル の 電 極 を 用 い た ．ま た 電 極 は ゲ ル 電 極（ 1.9mm×3.5mm， Vitrode F， 日 本 光 電 ） を 用 い た ． 図 1 腱 刺 激 に 用 い る 電 気 刺 激 装 置 ． [12]

図 2 Photo MOS Relay に よ る 電 流 チ ャ ン ネ ル の 決 定 ． Photo MOS Relay の 状 態 を 切 り 替 え る こ と で 電 極 の 極 性 を 切 り 替 え る 図 3 生 成 パ ル ス と 刺 激 部 位 に 与 え ら れ る 二 相 性 パ ル ス 刺 激 電 極 を 交 互 に 切 り 替 え る こ と で 2 相 性 パ ル ス を 出 力 可 能 で あ り ，こ れ を 用 い た 両 極 刺 激 を 行 う（ 図 3）． 本 装 置 を 用 い て 予 備 的 実 験 を 行 っ た と こ ろ ， 腱 電 気 刺 激 に よ っ て 力 覚 が 生 じ る こ と が 確 認 さ れ た ． 手 首 は 前 腕 の 筋 肉 と 関 連 す る 腱 が む き 出 し に な っ て い る が ， こ の 手 首 の 手 の 甲 側 に 電 気 刺 激 腕 す る と 腕 が 手 の 平 側 へ す な わ ち 電 極 が 設 置 さ れ て い る 側 の 反 対 側 へ 動 か さ れ る よ う な 感 覚 が 生 じ た ． た だ し こ の と き 実 際 に 運 動 が 強 制 さ れ る わ け で は な い ．

4. 実 験

電 気 刺 激 に よ っ て 生 じ る 力 覚 を 定 量 化 し ， さ ら に こ の 力 覚 が 電 流 パ ル ス の パ ラ メ ー タ に よ っ て 制 御 可 能 で あ る か を 確 か め る た め の 実 験 を 行 っ た ．（ 実 験 １ ） さ ら に こ の 力 覚 が 腱 な い し 深 部 の 受 容 器 に 由 来 す る も の か ， あ る い は 皮 膚 感 覚 の 受 容 器 に 由 来 す る も の か を 確 か め る た め ， 電 極 間 の 幅 を 変 化 さ せ て 力 覚 量 を 比 較 し た ．（ 実 験 ２ ）

4.1. 実 験 1

本 実 験 で は 腱 電 気 刺 激 に よ っ て 生 起 す る 力 覚 を 定 量 化 す る た め ， さ ら に こ の 力 覚 量 が 電 流 パ ラ メ ー タ に よ っ て ど の よ う に 変 化 す る か を 調 査 す る た め の 実 験 を 行 っ た ．

4.1.1. 実 験 手 順

被 験 者 は 21~24 歳 の 研 究 室 内 の 男 性 8 名 で あ っ た ． 刺 激 位 置 を 図 4 に 示 す ．電 流 パ ル ス は 二 相 性 パ ル ス に よ る 両 極 刺 激 で ， パ ラ メ ー タ は 周 波 数 と 電 流 の 2 要 因 に つ い て 変 化 さ せ た ．周 波 数 は 10，20，40，80Hz の 4 条 件 ， 電 流 は 25Hz 時 に 力 覚 を 感 じ る 閾 値 を 1 と し ， 各 周 波 数 条 件 で の 痛 覚 閾 値 を 上 限 と し て_√23 倍 し て い く log ス ケ ー ル を 用 い た ． こ れ に よ り 生 じ る 力 覚 を 定 量 化 す る た め ，図 5 の よ う に 一 方 の 腕 に 腱 電 気 刺 激 を 与 え る と 同 時 に も う 一 方 の 腕 で バ ネ 秤 を 牽 引 さ せ ， バ ネ 秤 で 引 き 戻 さ れ る 感 覚 を も っ て 腱 電 気 刺 激 に よ っ て 生 起 し た 力 覚 を 再 現 さ せ る 調 整 法 に よ る 実 験 を 行 っ た ． 図 4 刺 激 位 置 図 5 実 験 概 説

4.1.2. 実 験 結 果

図 6 に 実 験 結 果 の グ ラ フ を 示 す ．縦 軸 は 再 現 さ れ た 力 覚 量 で 単 位 は 重 量 グ ラ ム [gf]，横 軸 が 周 波 数 の 違 い ， 各 電 流 量 で の バ ー の パ タ ー ン は 電 流 量 で 力 覚 閾 値 を １ と し て3_√2倍 ず つ 刻 む log ス ケ ー ル を 表 わ す ． 人 に よ っ て 痛 覚 閾 値 が 異 な る こ と か ら ， 電 流 量 が 大 き く な る ほ ど 実 際 に デ ー タ を 取 得 で き た 実 験 回 数 が 減 少 し た ． 得 ら れ た 結 果 を 分 散 分 析 し た と こ ろ ， 電 流 要 因 ・ 周 波 数 要 因 の 両 方 に お い て 5%水 準 で 有 意 差 が 見 ら れ た ． 次 に 各 要 因 に お い て Scheffe 法 で 多 重 解 析 を 行 っ た ． す る と 電 流 量 要 因 の 場 合 に ， 力 覚 閾 値 の 電 流 量 が １ の と き の_(√23 ₎2倍 の 電 流 量 と_(√23 ₎5_{倍 の 電 流 量 と の 間 で 5%} 水 準 の 有 意 差 が 見 ら れ た ．周 波 数 要 因 の 場 合 に は 20Hz と 40Hz の 間 以 外 で 5%水 準 の 有 意 差 が 見 ら れ た ． 電 流 量 要 因 に つ い て ， 電 流 量 は 人 に よ っ て 力 覚 閾 値 と 痛 覚 閾 値 の 間 隔 が 異 な り ， 電 流 量 が 増 大 す る に 連 れ て サ ン プ ル 数 が 激 減 し た た め ， こ の 結 果 は 個 人 差 を 表

わ し て い る に 過 ぎ な い と 考 え ら れ る ． す な わ ち 今 回 は 電 流 量 に よ る 明 確 な 変 化 は 見 ら れ な か っ た ． 電 流 量 が 大 き く な る と ， 皮 膚 下 の 電 位 差 が 大 き く な り ， 刺 激 が 広 く 伝 わ る こ と で 多 く の 神 経 の 興 奮 を 促 す と 考 え ら れ ， こ れ に よ っ て 感 覚 量 も 大 き く な る こ と が 予 想 さ れ て い た ． し か し な が ら 明 確 な 結 果 が 得 ら れ な か っ た 原 因 の 一 つ は ， あ る 程 度 の 電 流 量 で 充 分 に 全 て の 神 経 を 刺 激 出 来 て し ま っ て い た た め に ， そ れ 以 上 の 電 流 量 が 意 味 を な さ な か っ た こ と が 考 え ら れ る ． 一 方 で 周 波 数 の 増 大 に よ っ て 生 起 す る 力 覚 量 が 大 き く な る こ と が 分 か っ た ． こ れ は ， 刺 激 の 周 波 数 が 大 き く な る と 感 覚 神 経 の 興 奮 頻 度 が 高 く な る こ と か ら ， 周 波 数 が 大 き い ほ ど 大 き な 刺 激 （ 力 ） を 感 じ た と 捉 え る こ と が で き る ． 以 上 か ら 力 覚 を 量 的 に 変 化 さ せ う る こ と が 確 か め ら れ ， ま た 少 な く と も 周 波 数 を 変 化 さ せ る こ と で 力 覚 量 を 制 御 可 能 で あ る こ と が 分 か っ た ． 図 6 周 波 数 ・ 電 流 量 と 知 覚 力 覚 量 の 関 係 （ 被 験 者 間 の 平 均 と 標 準 偏 差 ）

4.2. 実 験 ２

こ れ ま で 腱 直 上 を 電 気 刺 激 す る こ と で ゴ ル ジ 腱 器 官 な い し 感 覚 神 経 を 刺 激 し て い る と 仮 定 し て 実 験 を 行 っ て い た ． し か し 皮 膚 表 面 に 電 極 を 設 置 す る こ と で 皮 膚 感 覚 の 受 容 器 も 刺 激 し て い る た め ， こ れ ま で 生 じ て き た 力 覚 が ， 深 部 感 覚 由 来 で は な く 皮 膚 感 覚 の 神 経 に よ る も の で あ る こ と も 考 え ら れ る ． 本 実 験 で は こ れ を 切 り 分 け る た め に ，電 極 間 の 幅 を 変 え て 実 験 を 行 っ た ． 電 極 間 の 幅 が 狭 い 場 合 ， 皮 膚 か ら 浅 い と こ ろ を 通 る 神 経 は 興 奮 し や す い 一 方 で ，深 部 の 神 経 は 興 奮 し づ ら い ． 対 し て 電 極 間 の 幅 が 広 い 場 合 ， 深 部 は 比 較 的 興 奮 し や す く な る ． し た が っ て ， 電 極 の 幅 が 広 い と き に 力 覚 が 強 く ， 狭 い と き に 弱 く 感 じ れ ば ， こ の 力 覚 は 少 な く と も 皮 膚 感 覚 で は な く 深 部 感 覚 に 由 来 す る も の で あ る と 考 え ら れ る ．

4.2.1. 実 験 手 順

被 験 者 は 21~ 32 歳 の 研 究 室 内 の 9 名 （ 内 男 性 6 名 ） で あ り ， 電 流 パ ル ス は 実 験 1 の 結 果 か ら 刺 激 周 波 数 は 最 も 強 く 力 覚 を 感 じ や す い と 考 え ら れ る 80Hz に 固 定 し た ． 電 流 量 は 80Hz 時 の 力 覚 閾 値 を 1 と し た 場 合 の √2 3 _{倍 の 電 流 量 を 用 い た ．こ れ は 被 験 者 の 多 く が 痛 み を} 感 じ づ ら い 範 囲 で 力 覚 を 充 分 に 感 じ ら れ る 値 と し て 決 め た ． 電 極 を 実 験 1 か ら 変 え ， 横 1.4mm 縦 4.5mm の ゲ ル 電 極 を 図 7 に 示 す よ う に 5 箇 所 に 設 置 し た ．こ の う ち 中 央 と 両 端 の 3 点 で 刺 激 す る 場 合 が 電 極 の 幅 の 広 い (wide)条 件 ， 中 3 点 で 刺 激 す る 場 合 が 電 極 の 幅 が 狭 い （ narrow） 条 件 に 対 応 す る ． ま た 電 極 の 極 性 は 中 央 の 電 極 と そ れ 以 外 が 逆 と な る よ う に し ， 両 極 刺 激 を 行 っ た（ 図 8）．手 順 は 実 験 １ と 同 様 に ば ね ば か り と の 比 較 を も っ て 力 覚 を 定 量 化 し た ． ま た 触 覚 の 大 き さ を マ グ ニ チ ュ ー ド 推 定 法 に よ り 求 め た ． 電 極 間 の 幅 が 広 い と き の 触 覚 の 大 き さ を 100 と し た と き に ， 電 極 間 の 幅 が 狭 い と き の 触 覚 の 大 き さ を 比 率 尺 度 で 答 え さ せ た ． 図 7 刺 激 位 置 （ 電 極 間 の 幅 が 広 い wide 時 ）． 電 極 の 幅 が 狭 い narrow 時 に は 両 端 の 電 極 か ら 内 側 の 電 極 へ と 付 け 替 え る ． 図 8 三 点 で の 両 極 刺 激

4.2.2. 実 験 結 果 及 び 考 察

生 起 し た 力 覚 量 に 関 す る 結 果 を 図 9 に ，触 覚 の 大 き さ に 関 す る 結 果 を 図 10 に 示 す ． 電 極 間 の 幅 に 関 し て T 検 定 を 行 っ た と こ ろ ，力 覚 量 に 関 し て は 1%水 準 で 有 意 差 が 見 ら れ た（ t=3.308，自 由 度 26，p<0.01）．対 し て 触 覚 の 大 き さ に 関 し て 有 意 差 は 認 め ら れ な か っ た （ t=1.960，自 由 度 26，p>0.5）．し た が っ て ，電 極 の 間 隔 が 大 き く な る と ， 触 覚 は あ ま り 変 わ ら な い が ， 力 覚 を 明 確 に 強 く 感 じ ら れ る こ と が 分 か っ た ． こ の 結 果 か ら ， 今 回 行 っ て き た 手 首 へ の 電 気 刺 激 が ， 深 部 へ の 刺 激 を 行 っ て お り ，そ れ に よ っ て 力 覚 が 生 じ た と い え る ． こ の 結 果 か ら は 深 部 受 容 器 の 関 与 の み が 確 認 さ れ て い る た め ，ゴ ル ジ 腱 器 官 及 び Ib 神 経 へ の 刺 激 に よ る も の で あ る と い う こ と は 早 計 で は あ る が ， 刺 激 箇 所 に 関 す

る 解 剖 学 的 な 知 見 と ， 生 起 す る 感 覚 が 力 の 感 覚 で あ る こ と か ら ， 深 部 受 容 器 の う ち ゴ ル ジ 腱 器 官 由 来 で あ る と い う 可 能 性 は 高 い と 考 え ら れ る ． 触 覚 の 大 き さ に 関 し ， 当 初 の 予 想 と し て は 電 極 の 幅 が 狭 ま る こ と で 電 流 密 度 が 大 き く な り 触 覚 が 強 ま る と 考 え て い た が ， 有 意 差 が な い と い う 結 果 と な っ た ． こ れ は 手 首 に 近 い 部 分 ， す な わ ち 関 節 に 近 い 部 分 が 触 覚 受 容 器 の 分 布 密 度 が 小 さ い こ と が 結 果 に 影 響 し た こ と が 考 え ら れ る ． 別 の 予 備 的 実 験 で 手 首 と 前 腕 中 部 と の 触 覚 閾 値 を し ら べ た と こ ろ ， 手 首 の 方 が 2 倍 程 度 前 腕 中 部 よ り も 閾 値 が 高 い 傾 向 が 見 ら れ た ． ま た 別 の 原 因 と し て ， 電 極 間 の 隙 間 が 狭 い と き ， 実 験 中 手 首 が 曲 が っ た 際 に ゲ ル 電 極 同 士 が ぶ つ か っ て し ま っ た こ と が 考 え ら れ る ． こ の 場 合 ， 電 極 同 士 の シ ョ ー ト で あ る の で 皮 膚 刺 激 は 極 端 に 弱 く な る と 考 え ら れ る ． 少 数 で あ る が ， 腕 を 押 さ れ る 感 覚 と は 別 に 指 を 曲 げ ら れ る よ う な 感 覚 も 同 時 に 生 じ た と い う 被 験 者 も い た ． 手 首 へ の 電 気 刺 激 に よ っ て 刺 激 し て い る と 想 定 す る 腱 が 関 連 す る 筋 肉 は 指 や 手 首 の 屈 伸 を 担 う た め ， 充 分 に 考 え う る 現 象 で あ る ． 図 9 電 極 間 の 幅 に よ る 力 覚 量 の 比 較 （ 被 験 者 間 の 平 均 と 標 準 偏 差 ） 図 10 電 極 間 の 幅 に よ る 触 覚 の 大 き さ の 比 較 （ 被 験 者 間 の 幾 何 平 均 と 幾 何 標 準 偏 差 ）

5. お わ り に

本 研 究 で は 腱 電 気 刺 激 に よ っ て 力 覚 提 示 が 可 能 で あ る こ と が 確 か め ら れ た ． ま た 提 示 す る 力 覚 量 は 少 な く と も 周 波 数 を 変 化 さ せ る こ と に よ っ て 制 御 で き る こ と を 確 認 し た ． そ し て 腱 電 気 刺 激 に よ っ て 提 示 す る 力 覚 は 骨 格 筋 に 由 来 す る 腱 の 受 容 器 で あ る 可 能 性 が 高 い こ と が 分 か っ た ． 今 回 は 一 箇 所 の 腱 に の み 刺 激 を 行 っ て き た が ， 実 際 に 筋 肉 が 働 く 時 は 筋 の 両 側 の 腱 が 伸 び ， ま た 拮 抗 筋 も 働 く ． し た が っ て 今 回 の 刺 激 で は 筋 肉 が 力 を 発 揮 し た と 錯 覚 し た の で は な く ， 強 い 力 で 腱 部 を 押 さ れ て い る と 感 じ ， 腕 が 動 く よ う な 感 覚 に な っ た の だ と 考 え ら れ る ． そ こ で 今 後 は 筋 の 両 側 の 腱 へ の 刺 激 や 拮 抗 筋 へ 同 時 に 刺 激 を 行 う こ と で 感 覚 が ど う 変 化 し て い く の か 調 査 を 進 め て い く ． ま た 今 回 は 電 極 間 の 幅 の 条 件 を 変 え た 実 験 に よ り ， 手 首 へ の 電 気 刺 激 に よ っ て 生 起 す る 力 覚 量 が 変 化 す る こ と か ら ， こ れ が 深 部 へ の 刺 激 に よ る も の で あ る こ と を 示 し た が ， Kahn ら [11]の よ う に Ib 反 射 が 起 こ る こ と を 確 認 す る こ と で ， 力 覚 生 起 が ゴ ル ジ 腱 器 官 へ の 刺 激 に よ る も の で あ る こ と を 強 く 証 明 で き る も の と 考 え ， 調 査 を 進 め て い く ．

謝 辞

本 研 究 は JSPS 科 研 費 25700020 の 助 成 を 受 け た も の で す ．

文 献

[1]Kaczmarek, K. A., Tyler, M. E., and Bac, P., "Electrotactile haptic display on the fingertips: Preliminary results," Proc. 16 th International Conf. on IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, vol. 2, Baltimore, U.S.A., pp. 940-941 Nov. 1994. [2] 梶 本 裕 之 , "電 気 触 覚 デ ィ ス プ レ イ ," 触 覚 認 識 メ カ ニ ズ ム と 応 用 技 術_{―触覚センサ・触覚ディスプ} レ イ―増 補 版 , 初 版 , 下 条 誠 , 前 野 隆 司 , 篠 田 裕 之 , 佐 野 明 人 ( 編 ) S&T 出 版 日 本 , ch. 4[4], pp. 471-486. 2014 [3] 前 田 太 郎 , 安 藤 英 由 樹 , 渡 邊 淳 司 , 杉 本 麻 樹 "前 庭 感 覚 電 気 刺 激 を 用 い た 感 覚 の 提 示 ," バ イ オ メ カ ニ ズ ム 学 会 誌 , vol. 31, no. 2, pp. 82-89 May 2007.

[4] Goodwin, G. M., McCloskey, D. I., and Mathews, P. B.C. "The contribution of muscle afferents to kenesthesia shown by vibration induced illusions of movement and by the effects of paralysing joint afferents," Brain, vol. 95, no. 4, pp. 707-748 Jan. 1972.

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