WEKO3
アイテム
運動器機能障害者を対象とした力伝達機構を有するメカニカル装具の開発
http://hdl.handle.net/10076/0002001042
http://hdl.handle.net/10076/0002001042a03f9b1f-d0f4-43fa-8933-c7ccef10554d
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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2019DE0308.pdf (12.7 MB)
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| アイテムタイプ | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||||
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| 公開日 | 2025-03-31 | |||||||
| タイトル | ||||||||
| タイトル | 運動器機能障害者を対象とした力伝達機構を有するメカニカル装具の開発 | |||||||
| 言語 | ja | |||||||
| タイトル | ||||||||
| タイトル | Mechanical Orthosis with Force Transmission Mechanism for People with Muscular Dysfunction | |||||||
| 言語 | en | |||||||
| 言語 | ||||||||
| 言語 | jpn | |||||||
| 資源タイプ | ||||||||
| 資源タイプ識別子 | http://purl.org/coar/resource_type/c_db06 | |||||||
| 資源タイプ | doctoral thesis | |||||||
| アクセス権 | ||||||||
| アクセス権 | embargoed access | |||||||
| アクセス権URI | http://purl.org/coar/access_right/c_f1cf | |||||||
| 著者 |
伊丹, 琢
× 伊丹, 琢
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| 抄録 | ||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||
| 内容記述 | 近年，我が国では高齢化問題が深刻化しており，それに伴い脳血管障害後の後遺症である片麻痺や高齢者の半数以上が抱える変形性膝関節症，脊髄損傷などといった運動器機能障害者の数も増加している．近年世界中で上肢機能障害者や下肢機能障害者の自立を目的とし，身体機能の拡張や失われた機能の代替を目的として人間の行動を直接補助する装着型ロボットが研究開発されており，臨床研究においてその効果も実証されている．しかしながら，それらの多くがモータや油圧による他動的な支援によって失われた機能を代替することを目的とした支援機器である．運動器機能障害者の自立と機能回復を目的とする場合，他動的な支援では機能回復は見込めず，機器なしでは生活が困難となるほか，自身の随意的な運動ではないため残存機能の低下も起こりうる．また，他動的な支援を行うためには大型のサーボモータや圧縮機が必要となるため装置重量の増加は避けられず，装着者の負担はさらに増加する． 一方で装具学という考え方がある．装具とは身体に使用される器具であり，変形の予防や矯正，機能補助を目的に使用されている．装具には，拘縮や変形の矯正のための静的装具だけでなく，筋の再教育や運動の誘導のための動的装具があり，近年では失われた機能を補助する役割として多くの臨床効果も報告されている．しかしながら機能補助を目的とした動的装具は，バネ等の弾性力を利用するものが多いため運動中に常に強制力がかかり不必要時に拘束力がかかるほか，装具の動的効果を骨レベルで評価，解析できていない． そこで本研究では，運動器機能障害者の残存機能に着目し装着者の残存筋力を動力源として利用することで，失われた機能を代替する新たなメカニカル装具とロボット装具の開発を行った．中でもメカニカル装具やロボット装具の装着がどのように筋骨格系へ影響し，動的に動きを作り出すのかという点に着目し，機能解剖学や装具学，人間工学の観点からメカニカル装具とロボット装具の装着が筋骨格系へ与える動的運動変化について明らかにした． 運動器機能障害として変形性膝関節症による歩行障害に着目した．下肢機能障害者は現在3000 万人以上と推定され，今後も増加することが見込まれている．下肢機能障害の最も深刻な問題は，全身バランスの崩れた特徴的な歩容（歩行の様子）となることにより，身体・精神面において健常者との差別化がおこることである．片麻痺や変形性膝関節症などにより下肢機能に問題が生じると，筋肉や骨格のアライメントの異常から歩行中に痛みが生じ，その痛みを補うように歩行するため，歩行中の全身バランスが崩れ，筋肉や骨格のさらなる異常につながる．また，歩行に対する精神的ストレスから外出頻度の減少などQOL（生活の質）低下にもつながりうる．膝関節に注目すると，歩行動作中に屈曲・伸展運動のほかに回旋運動が重要な役割を持つ．この回旋運動は屈曲・伸展運動と連動しており，独立して行うことはできない．歩行中に回旋運動が働くことにより，踵接地時の衝撃吸収や人間らしい歩行が可能となる．この回旋運動は膝関節だけでなく股関節-膝関節-足首関節の下肢全体にわたり働きや歩行において重要な役割を占めている．さらに回旋運動などを考慮し適切な骨格アライメントへ誘導することは，歩行中の痛みの低減につながることも知られている．回旋機能を持たないロボットや装具を装着した場合，つまり，従来の装着型ロボットのように支援する関節軸において，屈曲・伸展のサポートしか考慮されていない装具やロボットを装着した歩行リハビリや歩行支援を行うと，人間本来の足の自由度が奪われることにより，拘束力のかかった無理な歩容へと矯正することになる．これは歩行を支援する装具やロボットの使用により，逆にリハビリテーションや運動支援を妨げているといえる． そこで本研究では，膝の変性を有する膝OA 患者の骨回旋異常に着目した骨回旋誘導機構を持つメカニカル装具の開発を目的とした．骨回旋誘導機構として，本研究では歩行立脚期における足関節底背屈角度と下腿内外旋運動の連動性に着目し，皮膚を介して骨回旋を制御する3 自由度足関節継手を提案した．本機構により，歩行立脚期中の足関節底背屈角度に応じて内外支柱の傾動量に差が生まれ，下腿部に回旋力を与えることを可能とする．開発したメカニカル装具の有効性を検証するため，健常者と膝OA 患者による歩行時の下腿回旋量等を計測した．結果から，開発した装具を装着することにより踵接地期では下腿内旋，立脚後期には下腿外旋が確認できた．また装着前後での膝OA 患者の膝関節機能を評価することにより，回旋運動を含め3 次元的に正常な歩容へと誘導することで，正しい歩容への誘導ならびに運動機能や膝痛が回復することが示された． 本研究で明らかとなったメカニカル装具が骨格アライメントへ与える効果から，上肢機能障害として頸髄損傷者の車いす操作支援に着目した．現在日本には脊髄損傷者が10 万人おり，そのうち7 割が頸髄損傷と言われている．頸髄損傷者は体幹から遠い末端神経には麻痺が大きく影響するが，体幹に近い筋群は麻痺の度合いが軽度であり，特に手動車いすが利用可能なC5 レベルより軽度な頸髄損傷者は肩甲骨周りの筋群が残存している．しかしながら通常の車いす操作では肩甲骨周りの筋群を使用した車いす操作が行えず，肘の屈曲に作用する上腕二頭筋のみを使用した車いす操作を行うため，残存筋の廃用性筋委縮や可動域の減少といった問題がでてくる．そこで肩甲骨周りの残存筋力を手先操作力へ伝達することで，通常の車いす操作では使用することのない肩甲骨周りの筋群を使用した大きな操作力を得ることができ，機能回復も期待できる．そこで本研究ではラチェット機構を応用し，肘関節を任意のタイミングや角度でロックを行うことで肩甲骨周りの残存力を手先操作力へ伝達可能な力伝達用ロボット装具「アクティブギプス」を開発した．本装具を実際のC5，C6 頸髄損傷者に装着いただき，どのように筋骨格系へ動きが誘発され動的に車いす操作姿勢が変化するのか，また残存筋への効果を解析することで，本装具の有効性を示した． 本研究で提案したメカニカル装具やロボット装具は，従来の高出力な駆動力によるパワーアシストではなく，自身の残存機能を利用した支援機器であるため，装着者の機能回復が実現可能となる．今後，本提案手法のさらなる汎用化，他の症状への適用が期待される． |
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| 言語 | ja | |||||||
| 抄録 | ||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||
| 内容記述 | In recent years, aging problems in Japan are becoming more serious, so that the number of patients with hemiplegia which is a sequela after cerebrovascular disease, osteoarthritis of the knee which is more than half of the elderly, spinal cord injury and so on are also increasing. Currently, wearable robots are being researched and developed around the world aiming at independence of upper limb dysfunction and lower limb dysfunction, and directly assisting body motion for the purpose of expansion of body function and replacement of lost function. Its effects have also been demonstrated in clinical field. However, there are the support devices for the purpose of replacing the lost functional by a passive support of a motor and the hydraulic pressure. A case for the purpose of independence and the functional recovery of persons with motor dysfunction, the passive support cannot anticipate the function recovery of locomotorium, support robots are always necessary for everyday life. And because it is not the voluntarily motion of own, the depression of the remaining function may happen. In addition, because of a large servo motor and compressor are necessary to perform passive support, the increase in support robots weight is not avoided, and the burdens on person of wearing increase more. Human body does not perform alone, but also perform movements and behavior in conjunction with muscle, ligament and bones. Therefore, it is necessary to induce normal alignment dynamically while considering whole body balance during performing dynamical motion, not the support of only one joint. In this research, we focus on the residual function of the person with motor dysfunction and develop the new wearable robot orthosis and mechanical orthosis in order to replace the lost function by using the residual muscle power of the wearer as the power source. Above all, we focused on how wearing of robot orthosis and mechanical orthosis influenced musculoskeletal system, and paid our attention to a point whether created movement dynamically. From the viewpoint of function anatomy and prosthetics, ergonomics, we study the dynamical motion change that wearing robot orthosis and mechanical orthosis give to musculoskeletal system. Needless to say, when using the residual function as a power source, the condition of the wearer is needed to take into account. Therefore, at first, we focused on gait disorder due to knee osteoarthritis as lower limb dysfunction. The number of people with lower limb dysfunction is currently estimated to be more than 30 million, and is expected to increase in the future. The most serious problem of lower extremity dysfunction is that the physical and mental aspects of the differentiated from the healthy person because of becoming the characteristic gait (the state of walking) with the whole body balance broken. Once problems in the lower extremity function occur due to hemiplegia or osteoarthritis of the knee, etc., pain occurs during walking due to an abnormality in alignment of muscles and skeletons, and walking is performed to compensate for the pain, so the whole body balance during walking is broken, also leading to further abnormalities of muscles and skeletons. It can also lead to a decrease in quality of life (QOL) such as mental stress on walking and a decrease in the frequency of going out. Focusing on the knee joint, rotational movement has an important role in addition to flexion and extension movement during walking motion. This rotational movement is linked to the flexion-extension movement and can not be performed independently. The rotational movement works during walking, which makes it possible to absorb impact when the heel is on the ground and to walk like a human being. This rotational movement works not only at the knee joint but also at the entire lower extremity of the hip joint, knee joint and ankle joint, and has an important role in walking. Furthermore, it is also known that inducuction to proper skeletal alignment, considering rotational movement etc., leads to the reduction of pain during walking. When wearing a robot or orthosis that does not have a rotational function with one joint axis that supports it like a conventional wearing robots, walking rehabilitation or walking support with an robot or orthosis that only supports flexion-extension support, by doing so, the human’s natural degree of freedom is limited, and the gait can be corrected to an unreasonable gait with binding power. Conversely, it can be said that the use of robots and orthosis disturb the support walking rehabilitation and exercise support. In this study, we aimed to develop a mechanical orthosis with bone rotation induction mechanism focusing on bone rotation abnormalities in knee-OA patients with knee degeneration. As a bone rotation induction mechanism, in this research, we focused on the linkage between the ankle dorsiflexion angle and the lower leg internal and external rotation movement in the walking stance phase, and proposed a 3-DOF(degree of freedom) of ankle joint that can control the bone rotation through the skin. By this mechanism, the amount of inclining of the inside and outside of the bars are different according to the ankle dorsiflexion angle during the walking stance phase, and it is possible to give transmitting power to the lower leg. In order to verify the effectiveness of the developed mechanical orthosis, we measured the amount of lower leg rotation during walking by healthy people and knee-OA patients. From these results, it was confirmed that the lower leg internal rotation was in the heel contact phase and the lower leg external rotation was in the late stance phase by wearing the developed orthosis. Also, it was shown that an instruction to a correct walk and exercise function and knee ache recovered by inducing to the normal walk including a rotation of three-dimensionally by evaluating the knee joint function of the knee-OA patients in before and after wearing. Moreover, we focused on wheelchair operation support for people with cervical cord injury as upper limb dysfunction. Currently, there are 100,000 spinal cord injuries in Japan, 70% of them are said to be cervical cord injuries. Patients with cervical cord injury have significant paralysis in the distal nerve far from the trunk, but muscle groups near the trunk have a mild of paralysis, especially those with cervical cord injuries that are milder than C5 levels whose muscle groups around the scapula remain available for manual wheelchairs. However, the usual wheelchair operation of the person with cervical cord injury can not operate using the muscle group around the scapula, and only the biceps muscle acting on the flexion of the elbow, so that problems such as a decrease in the range of motion and disuse muscle atrophy of residual muscle come up. Hence, it is possible to obtain a large operation force using the muscle group around the scapula by transmitting the residual muscle strength around the scapula to the hand operation force, that is not used in ordinary wheelchair operation. And also, functional recovery is also expected. Therefore, in this study, we developed a robot orthosis ”Active Cast” that can transmit the residual force around the scapula to the hand operation force by locking the elbow joint at an arbitrary timing and at an arbitrary angle using a ratchet mechanism. By wearing this orthosis on a person with actual C5 and C6 cervical cord injury, we verify the effectiveness of the device by analyzing that how movement is induced to the musculoskeletal system, the wheelchair operation posture changes dynamically and contribution to residual muscle. The mechanical orthosis and robot orthosis which proposed in this research are not power assist with conventional high power driving actuator, but support orthosis using their own residual function, as the power source, so that it is possible to realize the functional recovery of the wearer. In the future, further generalization of the proposed method and its application to other symptoms are expected. |
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| 言語 | en | |||||||
| 内容記述 | ||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||
| 内容記述 | 本文/三重大学大学院 工学研究科システム工学専攻 知能ロボティクス研究室 | |||||||
| 内容記述 | ||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||
| 内容記述 | 185p | |||||||
| 書誌情報 |
発行日 2020-03-25 |
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| フォーマット | ||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||
| 内容記述 | application/pdf | |||||||
| 著者版フラグ | ||||||||
| 出版タイプ | VoR | |||||||
| 出版タイプResource | http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85 | |||||||
| 出版者 | ||||||||
| 出版者 | 三重大学 | |||||||
| 出版者（ヨミ） | ||||||||
| 値 | ミエダイガク | |||||||
| 学位名 | ||||||||
| 学位名 | 博士(工学) | |||||||
| 学位授与機関 | ||||||||
| 学位授与機関識別子Scheme | kakenhi | |||||||
| 学位授与機関識別子 | 14101 | |||||||
| 学位授与機関名 | 三重大学 | |||||||
| 学位授与年月日 | ||||||||
| 学位授与年月日 | 2020-03-25 | |||||||
| 学位授与番号 | ||||||||
| 学位授与番号 | 甲工学第2013号 | |||||||
| 資源タイプ（三重大） | ||||||||
| 値 | Doctoral Dissertation / 博士論文 | |||||||
