成果報告書詳細
管理番号20150000000853
タイトル平成26年度成果報告書 未来医療を実現する先端医療機器・システムの研究開発 先端医療機器の開発 麻痺した運動や知覚の機能を回復する医療機器・システムの研究開発
公開日2016/3/1
報告書年度2014 - 2014
委託先名学校法人慶応義塾 パナソニック株式会社 株式会社島津製作所 日本光電株式会社 パシフィックサプライ株式会社 株式会社ソリトンシステムズ 北海道公立大学法人札幌医科大学 インターリハ株式会社
プロジェクト番号P14008
部署名ロボット・機械システム部
和文要約【事業目的】国民の健康福祉・医療経済に甚大な影響を与える脳卒中による上肢麻痺及び歩行障害に対し、神経回路の再生を促す革新的・体系的リハビリテーション(以下、リハ)システムを開発し、実用化・産業化に結びつける。具体的には革新的脳活動センサとホルダ、BMIリハロボットシステム、リハ効果の定量的評価技術および運動錯覚誘導技術を開発する。【研究開発の成果】1.革新的脳活動センサとホルダ:従来の脳波電極とホルダの欠点(安定性、快適性、感度、発毛部位への対応、準備・片付けの手間等の問題)を克服するため、多様な身体物理特性に幅広く適応可能なエルゴノミクス・デザインと回路開発を行った。慶應からの要求仕様提案を基に、パナソニックが専用アンプとLSIを実装したEEGモジュール及びそれを組込んだEEGホルダの基本設計と基本設計確認用試作を完了した。パナソニックが作製したEEG用超低消費電力ASICを用い、日本光電が脳波計と同等の性能を有する脳波モジュールを試作して、IEC 60601-2-26 Edition3.0を基準とした試験を実施中である。2.BMIリハロボットシステム 1)上肢運動回復BMIリハシステム:慶應からの要求仕様提案を基にパナソニックがEEGモジュール、EEGホルダ、電動装具、制御BOX、システムソフトウェアを含む上肢リハロボットシステムの基本設計と基本設計確認用試作を完了した。また、ATRと慶應が上肢近位リハロボットの要求仕様を検討した[軽量化・コンパクト化のための空気圧人工筋とボーデンケーブル、汎用性を想定したモジュール構造のアクチュエータ]。島津製作所は、電動装具・電気刺激装置と携帯型NIRSを組込んだ脳波-NIRS BMIリハシステム全体の入出力仕様について、慶應と連携して基本設計を完了し、一部基本設計確認用試作を完了した。パシフィックサプライは、同システムからの指令信号を受け手指伸筋の刺激と手指伸展アシスト用電動装具を制御する電気刺激装置の基本設計と基本設計確認用試作を完了した。島津製作所は、携帯型NIRSを組込んだNIRSニューロリハシステムシステム全体の入出力仕様について、森之宮病院、大阪大学と連携して基本設計を完了し、一部基本設計確認用試作を完了した。 2)歩行運動回復BMIリハシステム:パシフィックサプライは、自社研究用のGaitJudge-PCtypeを上位制御システムとし、脊髄刺激装置への無線による指令と筋電計から無線による計測データのモニタリングが行えるシステムを構築し、東海大学での評価を基にアプリケーションのUI仕様を策定した。東海大学は、patterned electrical stimulationと随意運動の組合せの神経生理学的機序を検討するとともに、トレッドミル歩行と脊髄刺激を組合せた治療法を開発し、臨床試験を開始した。関西医科大学は、パシフィックサプライと連携し、歩行回復技術の治療効果の検証に必要な3次元運動解析、床反力、筋電図テレメータによる歩行解析システムを構築し、脳卒中急性期の下肢装具を用いたリハ治療効果に関する歩行解析データを標準的歩行練習の基礎データとして収集した。パシフィックサプライは、歩行信号検出機能付脊髄刺激装置及びハイブリッド電気刺激装具システムの開発において、共通の制御システムを用いて、長下肢装具に設置したセンサから歩行中の動作を計測し、センサ情報から脊髄および下肢筋に刺激が行えるシステムを構築した。ATRは、下肢リハロボットの関節構造を含めた基本仕様を検討した[空気圧人工筋とボーデンケーブルを組合せたモジュール型駆動装置と片持ち構造の関節構造]。 3.リハ効果の定量的評価技術:島津製作所は、リアルタイム脳活動モニタソフトウェアの要求仕様を策定した。森ノ宮病院では大脳皮質各領域のNIRS信号を頭皮血流の影響を最小限にしながら、スライディング・ウィンドウGLMアルゴリズムを応用して、被験者にフィードバックする手法を確立した。日本光電は、動作解析センサモジュールの仕様検討及び確認作業を実施した。さらに、実験を通してスマートポジション(位置情報検出)の要素技術の検討を進めた。ソリトンは、画像伝送システムの仕様決定のために必要な既有の画像伝送ソフトウェアのパラメータ設定ノウハウにつき、本システム条件への適用可能性を実験的に確認した。慶應と日本光電は上下肢リハのタイプ分類を行い、アウトプット情報の入手及び整理を行った。また、リハ評価スケールの情報収集と選定作業を行った。関西医科大学は、片麻痺患者の歩行解析データベースを構築し、データを蓄積した。レギュラトリープロセス案の策定に向け、PMDAと医療機器開発の全般相談を実施した。
英文要約【Objective of the project】The project aims at developing innovative and systematic rehabilitation systems to induce reorganization of neural circuits in patients with upper extremity paralysis and gait disturbance secondary to stroke, which can exert extensive influence on people’s health and welfare and domestic and international health economics, and translating these technological developments to practical clinical application and industrialization. Specifically, we will develop innovative brain activity sensors and holders, Brain-Machine interface (BMI) rehabilitation robot systems, quantitative evaluation technologies to document rehabilitation effects, and technologies to induce illusion of motion.【Results of research and development】1.Innnovative brain activity sensors and holders: To overcome the drawbacks that previous EEG electrodes and holders have, such as lacks of stability, comfort and sensitivity, handling of hair growth areas, time and labor required for preparation and removal, we developed ergonomics designs and circuits that are widely applicable to a variety of bodily and physical properties. Based on the required specifications proposed by Keio University, Panasonic Ecosolutions Co. Ltd. completed basic designing and prototype production to confirm an EEG module implemented with an exclusive amplifier and LSI and an EEG holder incorporating the module. Using ultra-low electricity consuming ASIC for EEG made by Panasonic Ecosolutions Co. Ltd., Nihon Koden Co. Ltd. produced a trial EEG module having performance equal to existing clinical EEG equipment, and is now testing its performance based on IEC 60601-2-26 Edition 3.0.  2.BMI rehabilitation robot systems:1)BMI rehabilitation systems to induce recovery of upper extremity movement: Based on the required specifications proposed by Keio University, Panasonic Ecosolutions Co. Ltd. finished basic designing and prototype production to confirm an upper extremity rehabilitation robot system consisting of EEG module, EEG holder, electrically powered orthosis, control box and system software. ATR and Keio discussed required specifications of upper extremity proximal rehabilitation robot and came to a conclusion that pneumatic air muscles and Bowden cables to achieve weight saving and downsizing and actuators with module structures assuming versatility are appropriate. In collaboration with Keio, Shimadu Co. Ltd. finished basic designing of input-output specifications of an EEG-NIRS BMI rehabilitation system incorporating portable NIRS equipment, an electrical stimulator and an electrically-powered orthosis, and partially finished prototype production to confirm the designing. Pacific Supply Co. Ltd. completed basic designing and prototype production to confirm the designing of an electrical stimulator that stimulates finger extensor muscles and controls electrically powered orthosis to assist finger extension triggered by command signals from the EEG-NIRS BMI rehabilitation system. Shimadu Co. Ltd. finished input-output specifications of a NIRS neurorehabilitation system incorporating a portable NIRS in collaboration with Morinomiya Hospital and Osaka University, and partially finished prototype production to confirm the designing. 2) BMI rehabilitation systems to induce recovery of ambulation: Pacific Supply Co. Ltd. used GaitJudge-PCtype for in-house research as a host system, and built a wireless system transmitting a command to a spinal stimulator and a monitoring system of measured data from an electromyograph. They further formulated user-interfaces of the application based on the evaluation at Tokai University. Tokai University examined neurophysiological mechanisms of combining patterned electrical stimulation with voluntary movement. They also developed a new therapeutic intervention combining treadmill walking with spinal stimulation and started a clinical trial.
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