日本義肢装具学会誌日本義肢装具 Vol.29 学会 No.1 誌 2013 特集 Vol.29 No 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

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ありあはぎにわ
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1 日本義肢装具学会誌日本義肢装具 Vol.29 学会 No.1 誌 2013 特集 Vol.29 No 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) 西尾大祐平野恵健木川浩志武田英孝 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) R 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) R (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 Capek 9) 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 Vinci 11) 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日高市山根 Saitama Medical University International Medical Center Yamane, Hidaka-shi, Saitama, Japan Shinichiro MAESHIMA( 医師 ),Aiko OSAWA( 医師 ) 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 ) 46

前島ほか : ロボットスーツ HAL の脳卒中片麻痺への応用販されている. 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.

2 前島ほか : ロボットスーツ HAL の脳卒中片麻痺への応用販されている. 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 (CyberneticOrganism) 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, 人間本来の機注能を強化するためのパワードスーツ ( 人工外骨格 ) 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 Trainer 16) とLokomat 17-19) 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 8, て, 歩行能力や日常生活活動の改善 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, 2 が, 神経症状の改善 17) や心肺機 18, 能の向上 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図 1 HAL 福祉用両脚型 ( 左 ) と単脚型 ( 右 ) 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. 47

日本義肢装具学会誌 Vol.29 No.1 2013 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.

3 日本義肢装具学会誌 Vol.29 No 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 10m 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. 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 ). 図 2 HAL を用いた歩行訓練 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 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 ) 48

4 前島ほか : ロボットスーツ HAL の脳卒中片麻痺への応用表 HAL 装着前準備 HAL 装着制御設定 HAL 訓練 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. 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. 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. 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. 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 ) 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 , 協和企画, )Volpe, B.T., et al. : A novel approach to strokerehabilitation.robot-aided sensorimotor stimulation.neurology, 54 : , )Hidler, J., et al. : Advances in the understanding and treatment of stroke impairment using robotic devices. Top. Stroke Rehabil., 12 : 22-35, )Banala, S.K., et al. : Robot assisted gait training with active leg exoskeleton (ALEX). IEEE Trans.Neural Syst. Rehabil.Eng., 17 : 2-8, )Kawamoto, H., et al. :Power assist method based on phase sequence and muscle force condition for HAL. Adv.Robot., 19 : , )Lee, S., et al. : Virtual impedance adjustment in unconstrained motion for an exoskeletal robot assisting the lower limb.adv Robot., 19 : , )Kawamoto, H., et al. : Developmentofsingle leg version of HAL for hemiplegia.conf. Proc. IEEE Eng. Med.Biol. Soc., 2009 : , )Pohl, M., et al. : Repetitive locomotor training and physiotherapy improve walking and basic activities of daily 49

5 日本義肢装具学会誌 Vol.29 No living after stroke : a single-blind, randomized multicentre trial (DEutsche GAngtrainer Studie, DEGAS).Clin.Rehabil., 21 : 17-27, )Capek, K.( 千野栄一訳 ): ロボット (R.U.R). 岩波書店, ) 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, ) 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: , 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: , ) 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: , )Dobkin, B.H. : Strategies for strokerehabilitation.lancet Neurol., 3 : , )Langhorne, P., et al. : Motor recovery after stroke : a systematic review. Lancet Neurol., 8 : , )Hesse,S., et al. : Gait pattern of severely disabled hemiparetic subjects on anew controlled gait trainer as compared to assisted treadmill walking with partial body weightsupport.clin.rehabil., 13 : , ) Schwartz, I., et al. : The effectiveness of locomotor therapy using robotic-assisted gait training in subacute stroke patients: Arandomized controlled trial. PM R, 1 : , )Husemann, B., et al. : Effects of locomotion training with assistance ofarobot-driven gait orthosis in hemiparetic patients after stroke.a randomized controlled pilot study. Stroke, 38 : , )Chang, W.H,.et al. : Effects of robot-assisted gait training on cardiopulmonary fitness in subacute stroke patients : a randomized controlled study.neurorehabil.neuralrepair, 26 : , )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 randomized crossover study. Stroke, 33 : , )Peurala, S.H., et al. : Effects of intensive therapy using gait trainer or floor walking exercises early after stroke. J.Rehabil. Med., 41 : , Hidler, J., et al. : Multicenter randomized clinical trial evaluating the effectiveness of the Lokomat in subacute stroke.neurorehabil.neural Repair, 23 : 5-13, )Hachisuka, K., et al. : A prototype walking assist robot and its clinical application for stroke patients with severe gait disturbance.ring, H., et al. (eds) Advances in Physical and Rehabilitation Medicine.23-26, Monduzzi Editore, ) 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, )Maeshima, S., et al. : Efficacy ofahybrid assistive limb in post-stroke hemiplegic patients : apreliminary report. BMCNeurology, 11 : 116, ) 井上亨 :SCU(StrokeCare Unit) と ROBOT SUIT HAL. 脳神経外科速報,21: , ) 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: , ) 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. Key words : robotics, stroke, hemiplegia 50

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Microsoft Word - p docx 12. 段階的な基本動作訓練と早期歩行訓練が重度脳卒中片麻痺患者に及ぼす効果の検証平野恵健 1 2) 前島伸一郎 3) 大沢愛子 3) 西尾大祐 1 4) 池田誠 2) 平野めぐみ 1) 皆川知也 1) 金子亮太 1) 畑一成 1) 木川浩志 1) 1) 飯能靖和病院リハビリテーションセンター 2) 首都大学東京大学院人間健康科学研究科 3) 埼玉医科大学国際医療センターリハビリテーション科 4)