FESによる運動機能代行 ―現在の方法と課題, 制御技術の開発―

FESに

よ る 運 動 機 能 代 行

-現在 の方 法 と課 題, 制 御 技 術 の

開発-渡 邉

高 志*・ 星 宮

望**

1. は じ め に

機 能 的 電 気 刺 激(Functional Electrical Stimu-lation; FES)は, 上 位 運 動 神 経 系 の 障 害 に起 因 す る 運動 機 能 や 感 覚 機 能 の麻 痺 に対 して, 健 常 な末梢 の神 経 ・筋 系 に外 部 か ら適 切 な電 気 刺 激 を与 え る こ とで, 失 われ た機 能 を補 助 ・再 建 す る方 法 で あ る. FESに よ る運 動 系 の機 能 代 行 は, 脊 髄 損 傷 や 脳 血 管 障 害 等 に よ り麻 痺 した上 下 肢 の 運 動機 能再 建 や 排 尿 補 助 な どで 臨床 的 に も有 効 性 が確 認 され て お り, 末 梢 の神 経 ・筋 系 に器 質 的 障 害 が な け れ ば重 度 の 四 肢 麻痺 に対 して も適 用 可 能 で あ る. しか し な が ら, FESで は, 上 肢 の動 作 を患 者 の 希 望 に したが っ て 自由 に再建 す る こ とや, 下 肢 の 運 動 機 能 を再 建 す る こ とで は, 十分 な実 用 性 が 達 成 さ れ て い る とはい え ない. 現 状 で は, 限 られ た 動作 の 再 建 の み がFESで 実 現 で き るだ け で あ る. した が っ て, 中枢 神 経系 の 障害 に よ り運 動 機 能麻 痺 とな っ た患 者, 特 に, 重 度 の 四肢 麻 痺 者 は, 今 な お, 家 族 の 協 力 の も と, 障害 に よ る不 自由 な 日常 生 活 を送 り 続 けて い る の で あ る. 我 々 は, この よ うな現 状 を改 善 す る た め, 特 に 四肢 麻 痺 者 が, 少 しで も多 くの 日 常 生 活動 作(ADL)を 獲得 し, 日常 生 活 にお け る 自 立 が可 能 に な る よ う, 多 くの複 雑 な動 作 を実 用 的 に 再建 す るFES制 御 の 実 現 を 目指 して い る. 本 稿 で は, FESに よ る運 動機 能代 行 と して, 我 々 の グ ル ー プの研 究 を工学 的観 点 か ら紹 介 す る. 最 初 に, FESの 原 理 や これ まで に 開発 され たFESシ ス テ ム とそ の 臨 床 応 用 につ い て簡 略 に説 明 し, FES に よ る麻痺 肢 制御 の現 状 にお け る問 題 点 に つ い て考 え る. そ して, 複 雑 な動 作 を再建 す る た め に現 在 研 究 を進 め て い る, 冗 長 な特 性 を有 す る筋 骨 格 系 の 多 チ ャネ ルFES制 御 法 につ い て紹 介 す る. 2. FESに よ る麻 痺 肢 の 制 御 2.1 電 気 刺 激 の 方 法 FESで 用 い られ る電 気 刺 激 は, 持 続 時 間 の 短 い 負 性 の パ ル ス 電流 また は電 圧 で あ り, パ ル ス振 幅 か パ ル ス 幅 の い ず れ か を変 化 させ て 再建 動 作 を制 御 す る1). 振 幅 や パ ルス 幅 を増 大 させ る と活 動 す る運 動 単 位 の数 が増 加 し(リ ク ル ー トメ ン ト), 筋 全 体 の 収縮 量 が増 え る. 刺 激 パ ル ス の繰 り返 し周 波 数 を変 化 させ て も筋 収縮 量 を制御 で きるが, 高 い刺 激 周 波 数 で は筋 疲 労 が 早 く生 じ, 低 周 波 数 で は筋 の震 えが 出 現 す るの で, FESの 臨 床 応 用 で は, 適 切 な 刺 激 周 波 数 に固 定 す るの が一 般 的で あ る. 臨床 で の 電気 刺 激 法 は, 表 面 電極 を用 い て皮 膚 表 面 か ら神 経 ・筋 に電 気 刺 激 を与 え る方法 と, ワ イヤ 電 極 な ど を筋 内 の末 梢 神 経 枝 近傍 に留 置 して電 気 刺 激 を与 える 方法 とに大 別 で きる. 表面 電 極 法 で は, 2つ の電 極 を用 い て1個 の筋 を刺 激 す る双 極 刺 激 法 が 一般 に用 い られ る. 最 近 は, 導 電 性 ソ リ ッ ドゲ ル を使 用 す る表 面 電極 が 多 く, 表 面 電 極 法 は, これ ま で よ り も簡 便 に利 用 で き る よ う に な っ て い る が, 個 々 の筋 や 深 部 の筋 を選 択 的 に制 御 す る こ とは 困難 な場 合 が 多 い. ワイ ヤ電 極 に よ る刺 激 の場 合 に は, 体 外 の 刺 激 装 置 を用 い る貫 皮 的埋 め 込 み電 極 法 と, 刺 激 装 置 と ワイ ヤ電 極 を体 内 に埋 め 込 む完 全 埋 め 込 み 電 極 法 名3)とが あ るが, い ず れ も, 負 電 位 側 の 電 極 を神 経 近傍 に留 置 し, 電 位 の基 準 とな る電 極 を共 通 に使 用 す る単 極 刺 激 法 が 一般 的 で あ る. この 刺 激 法 は, 神 経 束 や 筋 の 選 択 的刺 激 が可 能 であ り, 複雑 な動 作 を再 建 す る場合 に実用 的 で あ る. また, 完全 埋 め込 み電 極 法 に は, 刺 激電 極 を一 体 化 した超 小 型 刺 激 装 置4)も あ るが, 双 極 刺 激 法 で あ る こ と を 除 け ば ワ イ ヤ電 極 の 場合 と同様 で あ る. 2.2 臨床 用 多 チ ャ ネルFESシ ス テ ム 国 内 の 臨 床 用FESシ ス テ ム は, 刺 激 デ ー タ を作 成 す る シス テ ム コ ン トロ ー ラ と患 者 が携 帯 す る ポ ー タ ブ ル刺 激 装 置(刺 激 出 力30チ ャ ネ ル)か ら構 成 * W _{atanabe T東 北 大 学情 報 シナ ジー セ ンター 先端 情 報 技 術研} 究部 ** Hoshimiya N東 北 学 院大 学

図1 国 内の臨床 用FESシ ス テム によ る運 動機 能再 建 法の概 念 図 図2 国 内の 臨床 用FESシ ス テム で使 用 されて い る標 準 刺 激 デー タの例(円 筒握 り) され, 振 幅 変 調 され た 電圧 パ ルス 列(繰 り返 し周 波 数20Hz, パ ルス 幅0.2ms)を 用 い て刺 激 を行 う も の で あ る56). ま た, 貫 皮 的埋 め 込 み 電極 と して, 機 械 的 強 度 が大 きい こ と, 無 毒 で組 織 反応 が少 な い こ と, 耐 食 性 が 高 い こ と な どの 条 件 を も と に, SUS316L硬 質 ス テ ン レス 線 を用 い た 電 極 が 開発 さ れ て い る1). 図1に, 上 述 のFESシ ス テ ム を用 い た運 動 機 能 再 建 法 の概 念 を示 す. この方 法 で は, 最 初 に, 再建 した い動 作 を健 常 者 が行 い, そ の動 作 に伴 う筋 活動 を多 チ ャ ネ ル 筋 電 図(EMG)と して計 測 し, そ れ を整 流 ・平 滑 した後 台 形 近似 す る. これ が, そ の動 作 の標 準 的 な刺 激 パ ル ス振 幅 デ ー タ(標 準刺 激 デ ー タ)と な る. 標 準刺 激 デ ー タの一 例 を図2に 示 す. 縦 軸 は規 格 化 した刺 激 電 圧 で, 横 軸 は再 建 動 作 に対 応 し, 刺 激 装 置 内 の メモ リの ア ドレス が割 り当 て ら れ る. 臨床 適用 の 際 に は, 標 準刺 激 デ ー タ と患 者 の 被 刺 激 筋 の刺 激 電 圧 の閾 値 と最大 値 を シ ス テ ム コ ン トロー ラに与 え る と, 患 者個 人 の そ の動 作 の 刺 激 デ ー タが作 成 され る. ただ し, 麻痺 の状態や筋骨格系 の 電気 刺 激 応 答 特性 は患者 ご とに異 な るた め, 作 成 した刺 激 デー タ を さ らに患 者 ご とに調 整 す る必要 が あ る. この よ う に作 成 され た刺 激 デー タは, ポ ー タ ブ ル刺 激 装 置 に保 存 され る. 患 者 は, 残 存 機 能 を利 用 して刺 激 装 置 に制 御 命 令 を与 え, 再建 す る動 作 の選 択 や 制御 を行 う. 国内 の 臨 床 用FESシ ス テ ム で は, 次 の3種 類 の 制 御 命 令 が 一般 に必 要 で あ る. (1) 動 作 選 択 命 令FES装 置 に登 録 さ れ た い く つ か の 動 作 の う ち の1つ の 動 作 を 選 択 す る. (2) 動 作 実 行 命 令:動 作 の ス ター ト, 保 持(ホ ー ル ド), ス トップ を命 令 す る . (3) 比 例 制御 命 令:刺 激 デ ー タの メ モ リア ドレ ス を指 す ポ イ ン タ を, ア ナ ロ グ的 な量 に比 例 して動 か し, 動作 を制御 す る. 表1は, 上 述 の 制 御命 令 入 力 の一 例 を示 す. これ は, 患 者 の呼 気, 吸 気 を2種 類 の呼 吸 セ ンサ で検 出 して 制 御 命 令 と して用 い る方 法 で, C4四 肢 麻 痺 者 の肘 関 節 よ り遠 位 の 関節 運 動 をFESに よ り制 御 す る場 合 の 例 で あ る. 呼 吸 セ ンサS1は 動 作 選 択 命 令 を入 力 す るた め の もの で, 短 い 呼 気 を間 欠 的 に 目的 の 命 令 に対 応 す る 回数 だ け与 える. 1回 で 手 指 ・手 関 節 の把 持 動 作(刺 激 デ ー タ1)が 選 択 され, 2回 で肘 関 節 の 動 作(刺 激 デ ー タ2)が 選択 され る. ま

表1 国内 の臨床 用:FESシ ステ ムで の制御 命令 入力 の例 た, 3回 で刺 激 の停 止, 4回 で他 の 動 作(予 備)の 選 択 も可 能 とな っ てい る. S1で 動 作 を選択 した後, S2へ 呼 気 あ る い は 吸 気 を入 力 す る と, S2へ 命 令 を 与 え て い る 問, 装 置 内 の刺 激 デ ー タの メモ リア ドレ ス を指 す ポ イ ンタが 一 定 速 度 で移 動 し, ポ イ ン タが 指 す メ モ リ内の 振 幅 を持 つ刺 激 パ ル ス列 が 順 に出力 され, 動 作 が 再 建 され る. 任 意 の位 置 で 動作 を保持 す る場 合 に は, S2へ の 呼 気 ・吸 気 の 供 給 を停 止 す る. 表1の 刺 激 デ ー タ1で は, 呼 気 で 手 の 開 き, 吸 気 で握 りが 制 御 され, 刺 激 デ ー タ2で は, 呼気 で肘 の伸 展, 吸 気 で 肘 の屈 曲 が 制 御 さ れ る. こ の よ う に, S2は, 比 例 制 御 命 令 を入 力 す る た め に使 わ れ るが, 肩 の 変位 な どの ア ナ ロ グ的 な随 意信 号 に よる 直 接 的 な比 例 制御 を擬 似 的 に実 現 す る方 法 で あ り, 応 答 時 間 に制約 が あ る もの の, 零 レベ ル の調 節 な ど が 不 要 で使 い やす い特 徴 が あ る. 2.3 臨 床応 用 前 節 で紹 介 した方 法 は, 協 調 的, 拮 抗 的 に働 く多 数 の 筋 を同 時 に制 御 す る場 合, 特 に, 自由度 が 大 き く極 め て複 雑 で巧 妙 な動 き をす る上 肢 の動 作 再 建 に お い て実 用 的 で あ り, 有 効性 も高 い. こ れ に よ り, 最 も複 雑 で不 可 能 と され て きた重 度 の 四肢 麻 痺 者 の 手指 ・手 関節 ・肘 関節 の動 作 を再 建 す る こ と7)や, 片 麻 痺 者 の 肩 を制 御 す る こ と8)に 世 界 で 最 初 に 成 功 して い る. しか し, あ らか じめ刺 激 デー タ を作 成 して お く必 要 が あ り, 患 者 の多 様 な希 望 をか な える こ と ま で は で き て い な い. FESの 臨床 応 用 の 詳 細 に つ い て は, 医 学 的 観 点 か らの解 説 工9∼11)があ る の で, 以 下 で は概 略 を述 べ る.

C4四 肢 麻 痺 で は, BFO (Balanced Forearm Orthosis)に よ り上肢 を支 持 し, 手 指 お よび 手 ・肘 関節 をFESで 制 御 して, 食 事 や 整 容 な どの 動 作 を 実 現 してい る. しか し, 複 数 の 関節 運 動 を多 くの筋 で制 御 す る必 要 が あ る こ と, 残 存 機 能 が 非常 に制 限 され て い る ため に制御 命 令 を与 え る方 法 が 少 な い こ とな どか ら, 多 様 な動 作 を再 建 す るた め に は多 くの 課 題 が あ る. C5四 肢 麻 痺 で は, 肩 関 節 や肘 関 節 な どに随 意 性 が 残 され て い る場 合 が 多 い の で, 手 指 お よび手 関 節 を制御 す る だ け で, 患 者 の希 望 に応 じる こ とが 可 能 に な る. ま た, C4四 肢 麻 痺 よ りも残 存 機 能 が 多 く, 制御 ス イ ッチ の 選択 肢 も増 え る ので, 実 用 的 に な る とい え る. しか しC6四 肢 麻 痺 に な る と, 手 関 節 の 随 意 背 屈 も可 能 に な る の で, FESに よ る動作 獲 得 の効 果 はあ ま り期待 で きな くな って し ま う. 対 麻 痺 で は, 特 別 な場 合 を 除 い てFES歩 行 は 困 難 で あ る. しか し, 体 幹 の バ ラ ンス を とる こ とが で き る状 態 で あ れ ば, FESに よる起 立 が 可 能 に な る. また, 脊 髄 上 位 の 損 傷 に よる麻 痺 で体 幹 が 不 安 定 な 場 合 で も, 車 椅 子 とベ ッ ドとの 間 の移 乗 補 助 な どに FESを 利 用 す る こ とが 有 効 で あ り, 介 護 者 の 負 担 の軽 減 に役 立 ち, 実用 的 に な る. 片 麻 痺 者 の 上 肢 の 動作 につ い て は, 肩 関 節 を含 め た制 御 が 可 能 で あ る. しか し, 健 側 に よ るス イ ッチ 操 作 で動 作 を制 御 して お り, 両 手 を 同時 に動 かす こ とは で きて い な い の で, 実 用 性 が 高 い と は い え な い. 下 肢 の場 合 に は, フ ッ トス イ ッチ を利 用 した古 典 的 な尖足 矯 正 が広 く行 われ てい る. 3. 麻 痺 肢 のFES制 御 に お け る諸 問 題 3.1 筋 ・骨格 系 の制 御 FESに よ る再建 動 作 の制 御 を難 し く した り, FES の 実 用 的利 用 を妨 げ た りす る要 因 と して, 電 気 刺 激 に よ る運 動単 位 の活 動 の様 子 が 随 意運 動 の場 合 と異 な る こ と, 電 気 刺 激 に よ る運 動 の発 生 過 程 に は, ダ イナ ミクス, 非 線 形 性, お よび 時変 性 が 複 雑 に影 響 して い る こ と, 臨床 適 用 の 際 に, 筋 ご と, 個 人 ご と の 大 きな ば らつ きが あ る こ とな どが 挙 げ られ る. そ

表2 FESに よ る動 作制 御 に影響 を与 える性質 れ らの項 目につ い て, 表2に 例 を示 した. 電 気 刺 激 に よ る運 動 単 位 の リ ク ル ー トメ ン トで は, 発 生 張 力 は 大 きい が疲 労 しや す い 運動 単 位 が 低 い刺 激 強 度 か ら活動 に参 加 し, 発 生 張力 は小 さいが 疲 労 しに くい運 動 単 位 は刺 激 強 度 が 大 き くな らない と活 動 に参 加 しな い. また, すべ て の運 動 単 位 が刺 激 パ ル ス に対 して同 期 的 に発 火 して しま う. これ ら は, 随 意 運 動 の よ う な滑 らか な動 作 を再 建 す る上 で の 障 害 に な る だ け で な く, FESに よ る 動 作 再 建 中 に筋 疲 労 が 生 じや す くな る とい った 重 大 な 問題 も引 き起 こす. これ に対 して は, 随 意 運 動 時 の リク ル ー トメ ン ト順 序 の実 現 や, 神 経 東 内 の微 小 領 域 の非 同 期 的 な発 火 な どにつ い て, 神 経 束 刺 激 を用 い た方 法 が研 究 さ れ て い るが12∼17), 実 用 化 に は至 っ て い な い. ま た, 神 経 束 の 外 部 か ら電 気 刺 激 を与 え る た め, 個 々 の運 動 単 位 を選択 的 に制 御 す る こ とは 困 難 で あ る と予 想 され る. 表2に 示 した よ うな, 筋 ご と, 個 人 ご との ば らつ きの ため に, 電気 刺 激 に対 す る筋 ・骨格 系 の応 答 は 患 者 に よっ て 異 な る の で, FESの 制 御 対 象 部 位 や 再 建 動作 は, 患 者 の症 状 に個 別 に対 応 して決 定 され る. また, 筋 萎 縮 や 関 節拘 縮 な どで 関節 可 動 域 に著 しい 制 限 の あ る場 合 に は適用 外 に な る こ と, 脊 髄損 傷 の場 合 に はdead bandに よ り麻 痺 筋 が 電 気 刺 激 に 反応 しな い部 位 もあ る こ とな ど, 制 御 を行 う以 前 の 課題 もあ る. これ らに加 え, 反 射 系 の亢 進 な ど も起 こ り, 健 常 者 で は電 気 刺 激 に よ る制御 が 適切 に行 え た と して も, 麻 痺 者 で は行 えな い場 合 もあ る. この よ うな対 象 の制 御 方 法 を開発 す る ため に は, 筋 ・骨 格 モ デ ル を利 用 した 計算 機 シ ミュ レー シ ョンが有 効 に な る と期 待 され る. 最 近 で は, 後 述 す る 制御 方 法 の実 験 結 果 につ い て, 計 算 機 シ ミュ レー シ ョ ンで も 同様 の 結 果 を得 る こ とが 可 能 に なっ て きた18). 3.2 シ ス テ ムの 操 作 FESシ ス テ ム を操 作 す る た め の 制 御 命 令 入 力 法 を現 在 の技 術 で 開発 す る 際 に考 慮 す べ き点 と して, 以下 の よ う な こ とが挙 げ られ るで あ ろ う. (1) 使 用 者 の残 存 機 能 を活 用 す る こ と. (2) 日常 生 活 に お い て 重 要 な役 割 を 果 た した り, 頻 繁 に利 用 され た りす る 機 能 は使 用 し な い こ と. (3) 随意 性 の 高 い 機 能 を割 り当 て る こ と. (4) 多 くの 命 令 や複 雑 な命 令 を容 易 に入 力 で き る こ と(操 作 が煩 雑 で ない こ と). (5) 同 一 の 手 法 を多 くの 患 者 に 適 用 で き る こ と. 現 在 の と ころ, これ らを十 分 に満足 す る方 法 は無 く, これ まで に研 究 開発 され て きた方 法 と して, 音 声 の 利 用19), 筋 電 信 号(EMG)の 利 用20), 残 存 す る 随 意 動 作 の 利 用21∼23)な どが あ るが, 現 実 的 に は, 残 存 す る随 意 運 動機 能 を利 用 した ス イ ッチ操 作 が使 用 され て い る だ け で あ る24). した が っ て, 重 度 の四 肢麻 痺 者 で は シス テ ムの 操作 が頭 部 や肩 の機 能 を利 用 す る方法 に 限 られ て し まい, また, 片 麻 痺 者 で は健側 で操 作 す るの で 両側 上 肢 の協 調 的 な動作 を再建 す る こ とが 難 しい. 下肢 麻 痺 者 で も上 肢 を使 用 す る必 要 が あ るた め に, シス テ ム操 作 の 煩 わ し さ や も どか しさが 残 され て い る. この よ うに, 制御 命 令 入 力 法 がFESの 実用 的利 用 の制 約 と な って い る. 近 年 で は, 脳 電 図(EEG)や 脳 か ら直 接 計 測 し て解析 した神 経 活 動 を利 用 して ユ ー ザ ・イ ンタ ー フ ェ イス(Brain Computer Interface; BCI)を 実 現 し よ う とす る 方 法 もあ る25∼28). しか し, 皮 膚 表 面 か ら計測 す る脳 波 は複 数 の神 経 活 動 の合 成 と して 計測 され る た め, FESシ ス テ ム の操 作 に利 用 す る に は 限界 が あ る と思 われ る. 一方, 脳 の神 経 活 動 を直接 計 測 して利 用 す る場 合 に は, 電 極 を含 め た計 測 技 術 の 開発 と, 計 測 され た信 号 か ら情 報 を抽 出 し, 操 作 者 の複 雑 な意 思 を的確 に理 解 す る方 法 の 開発 が, 任 意 の 動作 を 自由 に再 建 す るた め の 課題 で あ ろ う.

4. 多 チ ャ ネ ルFES制 御 法 の 開 発 4.1 多 チ ャ ネル 閉 ル ー プ制 御 臨床 的 に用 い られ て い る ほ とん どのFESシ ス テ ム は, 前 述 の よ うな 開 ル ー プ制 御 を採 用 して い る. その ため, 以 前 か ら閉 ル ー プ制 御 の 実現 が望 ま れ て い る もの の, 適切 な制 御 ア ル ゴ リズ ム, 実 用 的 な セ ンサ の 開発 が大 きな課 題 とな って い る. 制 御 ア ル ゴ リズ ム に 関 して は, 冗 長 性 を有 す る 筋 ・骨 格 系, す な わ ち, 刺 激 強 度 の決 定 にお い て 不 良 設 定 問 題 を生 じる場 合 のFES制 御 法 の 開発 が 必 要不 可 欠 で あ る. これ に対 し, 我 々が 検 討 して い る 方法 は, 計 測 した筋 の 入 出力 特 性(刺 激 強 度-関 節 角 度 特 性)か ら, 次 式 で 表 さ れ る 多 チ ャ ネ ルPID 制 御 器 のパ ラ メー タ を決定 す る方 法 で あ る29). こ こ で, 8nは 時 刻nで の 刺 激 強 度, 8thは 制 御 時 の 刺 激 強 度 の 最 小 値, enは 時 刻nに お け る 目標 角 度 と 測 定 角 度 と の 差 を 表 す ベ ク トル で あ る. Kp, KI, KDは パ ラ メ ー タ行 列 で, そ の 要 素 は 次 式 で 表 さ れ る. Li, Ti 男 は, 筋iの ス テ ップ応 答 をむ だ 時 間 を含 む1 次 遅 れ特 性 で 近似 した場 合 の む だ時 間 と時 定 数 で あ り, 筋 が 複 数 の運 動 に 関与 す る場 合, 各 運 動jに つ い て 求 め た値 の 平 均 値 を採 用 した. Δtは サ ン プ リ ング 間隔 で あ る. mijは 行 列M-の 要素 で, M一 は, 筋 骨 格系 の 入 出力 特 性 を刺 激 最小 値 と最 大 値 との 間 で 直 線 近 似 し, そ の 直 線 の 傾 き を 要 素 とす る行 列 Mの 一 般 化 逆行 列 で あ る. この 方 法 を, 手 関 節 の 掌 屈 ・背 屈, 橈 屈 ・尺 屈 の 2自 由度 運 動 を制 御 対 象 と し, 長 橈 側 手 根 伸 筋/短 橈 側 手根 伸 筋(橈 側 手根 伸 筋 群, ECRと 表 記), 尺 側 手 根 伸 筋(ECU), 橈 側 手 根 屈 筋(FCR), 尺側 手 根 屈 筋(FCU)を 被 刺 激 筋 と して, 健 常 被 験 者 に 適用 した. これ らの4筋 は, 制 御 対 象 と した複 数 の 運 動 に 関与 し, 逆 に, 制 御 対 象 と した 各 運動 に は, 複 数 の筋 が 関 与 す る. したが って, 動作 を再 建 す る 場 合 に, 各 筋へ の刺 激 量 を一 意 に決 定 す る こ とが 容 易 にで き ない こ とが わ か る. 上 述 の方 法 に よる 閉 ル ー プ制 御 結 果 の 一例 を図3 に示 す. この よ うに, 健 常 被 験 者 で の 実験 で は あ る 図3 多チャネル閉ループFES制 御 による関節角度の追従 制御結果の例 が, 手 関 節 の2自 由度 運 動 の4筋 刺 激 に よる 閉 ル ー プ制 御 を実 現 で きて い る. この 方 法 で は, 冗 長 性 を 有 す る対象 の多 チ ャネ ル 閉ル ー プ制御 の実 現 可 能 性 は示 され た が, 複 数 の 関節 の 運動 の制 御 や, パ ラ メ ー タ調 整 法 な どが 課 題 と して残 され て い る. また, 患 者 が再 建 した い動 作 の 目標 軌 道 な どを どの よ う に シス テ ム に与 え るか とい ったユ ー ザ ・イ ンター フ ェ イ ス の 問題, 関節 角 度 等 を計測 す る実 用 的 なセ ンサ の 開発 も解 決 しな けれ ば な らな い課 題 であ る. 4.2 フ ィー ドバ ッ ク誤差 学 習 の応 用 前述 の 閉 ルー プ制 御 で は, セ ンサ を常 に身体 部位 に装 着 しな けれ ば な らな い こ とや, 速 い 動作 に対 応

しに くい とい っ た課 題 が あ る. これ に対 し, フ ィー ドバ ック誤 差 学 習30)を 用 い る こ とで, 開 ル ー プ 制 御 器 と 閉 ル ー プ 制 御 器 を併 用 したFES制 御 器 を実 現 で き る 可 能 性 が あ る31). こ れ は, 速 い 運 動 を行 え る開 ル ー プ制 御 器 と外 乱 補 償 が行 え る 閉 ル ー プ制 御 器 の 両 者 の利 点 を有 して お り, 各 制 御 器 を単 独 で 使 用 す る こ と も可 能 で あ る. また, 閉 ル ー プ制 御 器 の 出力 を誤 差 信 号 と して ニ ュ ー ラ ル ネ ッ トワ ー ク (ANN)を リア ル タイ ム に学 習 させ て逆 ダ イ ナ ミク ス モ デ ル(IDM)を 獲 得 し, 開 ル ー プ 制 御 器 を構 築 す る の で, 制御 対 象 の 特 性 が 変 化 して もIDMが それ に合 わ せ て変 化 で きる とい った特 徴 もあ る. 制御 系 の ブ ロ ック図 を図4に 示 す. 目標 関節 角 度 (θd)と そ の 一 次 微 分, 二 次微 分 を用 い て 開 ル ー プ 制 御 器(IDM)が 各 筋 へ の 刺 激 強 度 を 出 力 す る. ま た, 目標 関節 角 度(θd)と 実 際 の 関 節 角 度(θ) の差 を も とに, 閉 ル ー プ制 御 器 も刺 激 強 度 を出力 す る. これ らの 出 力 の和 に, 電 気 刺 激 に対 す る筋 の応 図4 フ ィ ー ドバ ック 誤差 学 習 を用 い たFES制 御 系 の ブ ロ ック図 答 の閾 値 に相 当す る量 を オ フセ ッ トと して加 え, 刺 激 最 小値 と最大 値 で の制 限 を与 え て最 終 的 な制 御 器 出 力8と す る. 閉 ル ー プ 制 御 器 に前 述 のPID制 御 器 を用 い て, 健 常 被 験 者 の 手 関 節 の橈 尺 屈 方 向の 往復 運動 を橈 側 手 根 伸 筋 群(ECR)と 尺 側 手 根屈 筋(FCU)の2筋 刺 激 に よ り制御 した. そ の結 果 を図5に 示 す が, 現 実 的 な繰 り返 し回数 でANNが 学 習 で き, 速 い 目標 動作 に対 して遅 れ量 の 少 ない 制御 を実 現 で きる こ と が確 認 され た. ま た, 全 制御 器 の 出力 パ ワー に対 す る開 ル ー プ制 御 器 の 出 力パ ワー の割 合 と関 節 角 度 の 平均 誤 差 を 図6に 示 した. 学 習 が 進 む につ れ て誤 差 図6 開ル ープ 制御 器 の 出 力パ ワ ー と関 節 角度 の 平均 誤 差 の 変化 図5 フ ィー ドバ ック誤差 学 習 を用 い た制御 器 によ る制御 結果 の例.

が 減少 し, 制 御 の 主 体 が 閉 ル ー プ制 御 器 か ら開 ル ー プ 制御 器 へ と移 行 して い くこ とが わか る. 5. お わ り に FESに よ る運 動 機 能 代 行 が, 不 幸 に も突 然 に起 こ っ た事 故 等 に よっ て重 度 の四 肢 麻 痺 とな っ た方 々 の一 助 に な るた め に は, 制 御 技術, イ ン ター フ ェ イ ス 技術 の 開発 を 中心 と して, よ り複 雑 な動 作, よ り 実 用 的 な動 作 の再 建 を実 現 す る こ とが必 要 な課 題 で あ ろ う. こ れ は, 医 学 と工 学 との 境 界 領 域 に い る 我 々が 果 たす こ とが で き る役 割 で あ る と考 え る. そ の た め に本 稿 で は, 最 初 に, FESに よ る麻 痺 肢 制 御 の 原 理 と国 内 の 臨床 用FESシ ス テ ム に よ る動 作 再 建 法 を示 し, 現 在 のFESに よ る麻 痺 肢 制 御 に お け る 問題 点 を挙 げ て み た. 複 雑 な非 線 形, 時 変特 性 を有 し, ば らつ きの 大 きな筋 ・骨 格 系 を確 実 に制御 で きる方 法 や, 複 雑 な動 作 を再 建 す るた め の 制御 命 令 入 力 法 は, 現 在 の と ころ確 立 され て い ない. ヒ ト が こ の よ う な対 象 の 制 御 を行 っ て い る 方 法 を解 明 し, 応 用 して い く こ と が1つ の 方 法 で あ ろ う. ま た, 微 細 加 工技 術 が飛 躍 的 に進 歩 した 現在, 本 稿 で 示 した問 題 の解 決法 や制 御 手 法 の 改 善 に応 用 可 能 な 技 術 が 提 供 され る よ うに な れ ば幸 い で あ る. 謝 辞 本稿 で紹 介 した研 究 の一 部 は, 東 北 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科, 同 医 学 系 研 究 科 な ど か ら な る, 「仙 台 FESプ ロ ジ ェ ク ト」 に よ る共 同研 究 の成 果 で あ る. 関係 各 位 に深 く感 謝 す る. また, 研 究 を進 め る にあ た っ て, 文部 科 学 省 科 学研 究 費補 助 金, 厚 生 労 働 科 学研 究 費補 助 金 の 補助 を受 け た. 記 して感 謝 す る. 文 献 1)星 宮 望:生 体 工学, 昭晃堂 東 京1990 166-192 2) Smith B, Tang Z, Johnson MW, Pourmehdi S, Gazdik MM, Buckett JR, Peckham PH:An externally pow-ered, multichannel, implantable stimulator-telemeter for control of paralyzed muscle. IEEE Trans Biomed Eng 45 (4):463-475, 1998

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Hoshimiya N, Sakurai M:Control of shoulder move-ment in the disabled by FES. Proc of 1st Int FES Symp in Sendai, 1992, 83-87 9) 星 宮 望 編, 特 集"機 能 的 電 気 磁 気 刺 激". BME 6 (8):1-54, 1992 10)市 江 雅 芳:機 能 的 電 気 刺 激 に よ る 上 肢 機 能 再 建. J Clin Rehab 3 (10):851-855, 1994 11) シ ン ポ ジ ウ ム"機 能 的 電 気 刺 激(FES) の 理 論 と 実 際". 臨 床 整 形 外 科30 (2):146-196, 1995

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24) 渡 邉 高 志, 村 上 肇, 古 瀬 則 夫, 星 宮 望:機 能 的 電 気 刺 激(FES) の 制 御 命 令 入 力 法.第18回 生 体 ・生 理 工 学 シ ンポ ジ ウ ム論 文 集, 2003, 225-228

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