装具の神経力学

装具の神経力学とは、人体が装具とどのように相互作用するかを指します。米国では何百万人もの人々が、脳卒中、多発性硬化症、ポリオ後遺症、脊髄損傷、その他装具の使用によって改善される様々な疾患に苦しんでいます。[ 1 ]能動装具やパワード・エクソスケルトンに関しては、これらの装置を製造する技術は急速に進歩していますが、これらのヒューマンマシンインターフェースにおける人間側の研究はほとんど行われていません。

アクティブ装具

能動装具（または電動装具）は、一般的に障害のある人の歩行を補助する補助器具を指す点で外骨格とは異なります。一方、外骨格は、健康な人の動作を補助することを目的とした装置を指すのが一般的です。ただし、「能動装具」と「外骨格」という用語は、しばしば同じ意味で使用されます。

電動装具は、装着者の動きを補助することも、抵抗することもできます。動きを補助することは、リハビリテーションに有益であり、[ 2 ] [ 3 ]、兵士や看護師の筋力を強化して仕事のパフォーマンスを向上させること、[ 1 ] [ 4 ]、工場労働者など反復作業を行う人の怪我の防止にも役立ちます。最後に、この技術は、通常自力で歩くことができない人が歩けるようにするためにも使用されています（eLEGSデモンストレーション）[ 5 ]。 電動装具は、動きに抵抗したり、動きを変えたりするようにも作られています。[ 6 ]このような装具の目的は、人体がさまざまな困難にどのように適応するかを研究することです。たとえば、1つの筋肉の動きが制限された場合、私たちの体は代わりに他のどの筋肉を使うかを理解できるのでしょうか。

人間に力を与える

外骨格に関する記事の多くは、装置への電力供給方法に焦点を当てていますが、それを使用する人間への電力供給方法も重要です。外骨格を設計する際には、各関節の電力要件を理解する必要があります。[ 1 ]歩行解析から、股関節、膝関節、足首関節の電力供給量が異なることが分かっています。これらの関節への電力供給量は、歩行速度、坂道、階段の登り方などによって大きく異なります。[ 1 ]

ユーザーに電力を供給する際の課題は、特定の人がどれだけの電力を必要とするか、そしてどの瞬間にその電力を作動させる必要があるかを正確に把握することです。[ 1 ]電力が多すぎても少なすぎても技術は役に立たなくなりますが、装着者にとって最適なものにするには、各デバイスをカスタマイズする必要があります。

代謝コスト

デバイスが人の作業を補助しているのか妨げているのかを判断する主な方法は、作業に必要な代謝コストを測定することです。 [ 1 ]代謝コストとは、人が作業中にどれだけの酸素を消費し、二酸化炭素を排出するかのことです。[ 7 ] [ 8 ]外骨格や能動装具が実際に装着者に利益をもたらすかどうかをテストするために、被験者が最初にデバイスなしで作業を行い、次にデバイスを装着した状態で同じ作業を行い、2つの作業の代謝コストを比較する研究が行われます。[ 1 ]

2008年の時点で、荷物を運びながら歩く際の代謝コストを実際に減らすことができる外骨格は（能動装具とは対照的に）1つだけであることが分かっています。[ 1 ] [ 9 ]外骨格の代謝コストに関する研究はほとんど行われていませんが、米国陸軍ネイティック兵士センターが行ったある研究では、使用した外骨格によって代謝コストが実際に40％増加したことがわかりました。[ 10 ]

2012年、S. Galleらは、歩行中の蹴り出しを補助する電動足首・足伸展器の代謝コストを研究しました。約20分間の装置への順応後、ユーザーの歩行時の代謝コストは9%減少しました。[ 11 ]

コントロール

フェリスは論文「人間の歩行のためのロボット外骨格に関する生理学者の視点」の中で、コントローラの種類の影響について論じている。[ 9 ]

下肢能動装具または外骨格を制御するためのさまざまな方法：

  • 外骨格からの感覚情報を活用し、人間は行きたい方向に優しく押すだけである[ 12 ]
  • 足センサーはユーザーが行きたい場所を検知する[ 13 ]
  • ユーザーは股関節を自由に屈曲させることができ、外骨格の脛にはフルブリッジひずみゲージが取り付けられ、膝関節にはポテンショメータが取り付けられている[ 14 ]
  • 靴に地面反力センサー、脚の前側と後ろ側の股関節と膝の間に皮膚表面筋電図（EMG）電極、関節にポテンショメーター、バックパックにジャイロスコープと加速度計を取り付けて胴体の位置を計測する[ 13 ]
  • 弾性バンドを用いて、力覚センサ（FSR）を筋肉の上の皮膚に取り付けます。筋肉が屈曲すると、センサは力を感知し、力の強さとポテンショメータからの関節角度データを出力することで、指定された関節に必要なトルクを決定します[ 4 ]。
  • 地面反力と前後圧力センサーの両方を使用し、ユーザーが足で操作できる[ 15 ]
  • フットスイッチ制御で、ユーザーの前足が地面に接触すると人工筋肉が作動する[ 3 ]
  • EMG制御では、ユーザーの筋肉の屈曲の振幅に応じて人工筋肉が供給する力の量を決定します[ 3 ]
  • 部分麻痺のある方のための両足短下肢装具は、押しボタン式です。ユーザーは手持ちのデバイスのボタンを押します。集中力が必要すぎると感じるユーザーもいれば、操作感を気に入ったユーザーもいました。[ 3 ]

研究での使用

能動装具の中には、研究目的のみで作られたものもあります。神経生理学者のキース・ゴードン博士によると、「人間の運動適応は十分に解明されていません。特定の運動指令とそれに伴う筋活動とを関連付ける学習済みの神経筋マップに重大な障害が生じた後、どのような神経再編成が起こるのかを解明するため、我々はロボット外骨格の機械的動作を歩行中のヒラメ筋の筋電図プロファイルと関連付けました」[ 6 ] 。ダニエル・フェリスも別の論文で「運動生理学における多くの重要な問題は、十分に理解されていないか、激しい議論の的となっている」と述べ、これに同意しています[ 9 ] 。彼の研究チームは、被験者がトレッドミルで歩行する際に装着する能動装具をカスタムメイドで製作しました。被験者が足底屈曲（歩行中に地面を蹴り出す動作）のためにヒラメ筋を屈曲させると、この装具は被験者の動きを制限し、足を背屈方向に強制します。[ 6 ]装置を装着して1時間歩いた後（休憩を含む）、被験者はヒラメ筋と腓腹筋の使用量が減り、背屈を強制されることは少なくなったが、装置の要求に完全に適応することはできなかった。[ 6 ]

ゴードン氏のチームによる別の研究では、デバイスが筋肉と連携すると、より容易に適応できることが示されました。例えば、被験者に片足に能動装具を装着してもらいました。この装具は、足底屈曲が期待されるヒラメ筋を屈曲させるたびに、非常に強い底屈運動を引き起こしました。しかし、デバイスによる底屈運動は強すぎたため、被験者は片足の筋力を最小限にするだけで正常に歩行できました。被験者は30分以内にこの困難に適応することができました。[ 16 ] S. Galle氏らによる別の研究でも、「足首伸展を補助する外骨格を用いた歩行への適応」という論文で同様の結果が得られました。[ 11 ] グレゴリー・サウィキ氏、キース・ゴードン氏、ダニエル・フェリス氏は共同で、能動下肢装具を用いた運動リハビリテーションの改善に関する研究を行いました。様々なタイプの制御を実験した後（被験者の中には、デバイスを起動するためのプッシュボタンには集中力が必要すぎると感じる人もいれば、デバイスの起動を自分で制御できることを好む人もいた）、研究チームは、使用した足首装具はリハビリテーションのために多くの改良が必要であるが、「歩行力学と代謝コストの関係を調査する上で価値がある」可能性があると結論付けました。[ 3 ]

考慮事項

ヒュー・ヘアによると、装具の性能は「移動の代謝コスト、歩行速度、動作の滑らかさと再現性、筋肉の疲労と安定性」、そして「筋骨格系にかかる力の軽減」の測定に基づいて決定されるべきだという。[ 1 ]

能動装具が直面する最大の課題は、電源、携帯性、重量である。今日の技術で十分な電源を供給すると、装置の重量が大きくなりすぎて、装置自体を持ち上げる以上のことが難しくなる。そのため、ほとんどの能動装具は電源につながれているが、これはコンピュータが常に近くにあることも意味するため、研究や患者のリハビリテーションには十分である[ 1 ]。 能動装具を作る際のその他の課題は、人間との密接なインターフェースである。これにより、操作者の関節を装置の関節に合わせること、装置を人間の体に取り付けることで人間の動きを制限すること、装置から動きに抵抗するその他の力、装置を装着したまま機械を制御すること、装置が人間の生体力学をどのように変化させているかを判断すること、装着者の安全を確保することが難しくなる。[ 1 ] [ 17 ] 電動装具を必要とする患者は、筋力低下や痙縮、脳損傷、感覚喪失などの病的な状態、あるいはスポーツ傷害や様々な疾患を患っている場合があります。患者ごとに歩行の具体的な変更が必要です。装具は、患者が歩行に支障をきたしているまさにその瞬間に動力を発生できなければなりません。[ 18 ]

例

膝

何千人もの人々が膝の怪我に苦しんでいますが、歩行中の立脚期には膝が体重を支えるため、立脚期の膝への負担を軽減する能動的な装具が開発されています。[ 18 ]

神経損傷を受けた患者は、通常、複数のセラピストが関わる運動訓練を受けなければなりません。この作業はセラピストにとって非常に負担が大きいため、この問題を支援するための様々な機器が開発されています。ロコマット、オートアンブレーター、メカニライズド・ゲイト・トレーナーは、いずれもトレッドミルで動作するように作られています。ウェアラブル型歩行訓練器は、地上での移動にも役立ちます。しかし、歩行の開始と停止、方向転換、坂道の上り下り、そしてより難易度の高いバランス運動といった複雑な動作が加わります。[ 18 ]

兵士のブーツのソールが行動に支障をきたさない程度の厚さになるまでの、広範囲にわたる研究が行われた。2インチ（約5cm）のソールは、特定のしゃがみ姿勢に影響を与え、薄いソールよりも快適性が低いことが判明したが、最終的には外骨格の設計に組み込むことは可能である。この研究の目的は、兵士の外骨格ブーツにセンサーを搭載するためにどれだけのスペースを確保できるかを明らかにすることであった。[ 20 ]

受動装具

受動型装具は外部からの動力を必要とせず、可動部品も少ない。しかしながら、バネなどの可動部品を用いて動作を補助する受動型装具も多く開発されている。[ 1 ] [ 21 ]

例

写真/動画

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e f g h i j k l Dollar, Aaron M., Hugh Herr. 「下肢外骨格と能動装具：課題と最新技術」ロボティクス、IEEE Transactions on 24.1 (2008): 144-158.
  2. ^ Ferris, DP; Sawicki, GS; Domingo, A (2005). 「歩行リハビリテーションのための電動下肢装具」 . Top Spinal Cord Inj Rehabil . 11 (2): 34– 49. doi : 10.1310/6gl4-um7x-519h- 9jyd . PMC  1414628. PMID  16568153 .
  3. ^ a b c d e Sawicki, Gregory S., Keith E. Gordon, Daniel P. Ferris. 「電動下肢装具：運動適応とリハビリテーションへの応用」リハビリテーションロボティクス、2005年。ICORR 2005、第9回国際会議、IEEE、2005年。http ://www.kines.umich.edu/sites/webservices.itcs.umich.edu.drupal.kinesprod/files/resource_files/Sawicki2005.pdf
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