神経インタフェース技術の確立による次世代義肢における感覚及び随意運動機能の実現

文献情報

• 文献番号: 201011003A
• 報告書区分: 総括
• 研究課題名: 神経インタフェース技術の確立による次世代義肢における感覚及び随意運動機能の実現
• 課題番号: H20-ナノ・一般-003
• 研究年度: 平成22(2010)年度
• 研究代表者(所属機関): 満渕 邦彦(東京大学 大学院情報理工学系研究科)

研究分担者(所属機関)

• 鈴木　隆文(東京大学　大学院情報理工学系研究科)
• 深山　理(東京大学　大学院情報理工学系研究科)
• 下条　誠(電気通信大学　電気通信学部)
• 石川　正俊(東京大学　大学院情報理工学系研究科)
• 竹内　昌治(東京大学　生産技術研究所)
• 眞溪　歩(東京大学　大学院新領域創成科学研究科)
• 國本　雅也(社会福祉法人済生会　横浜市東部病院　脳神経センター)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 厚生科学基盤研究分野 医療機器開発推進研究（低侵襲・非侵襲医療機器（ナノテクノロジー）研究）
• 研究開始年度: 平成20(2008)年度
• 研究終了予定年度: 平成22(2010)年度
• 研究費: 36,180,000円
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

本研究の目的は、生体の神経系（神経線維・神経細胞）と外部機器の信号ラインを神経電極などのインタフェース素子で直接かつ永続的に接続する事によって、生体の運動神経情報によって装着者が意思どおりに動かすことができ、また、人工肢に装着したセンサ類によって得られた圧や位置などの情報を、（神経への）刺激インパルス列に変換し、対応する感覚神経系を直接刺激してやることにより、生体が自分の手足で触れた際に感じられるのと全く同等な感覚を装着者が感じる事もできるという、次世代の人工肢システムの試作を試みるものである。。

研究方法

研究方法は、１）末梢神経において運動神経線維からの情報の記録と、感覚神経線維への刺激を同時に行ないうる再生型電極等の末梢神経用多チャンネル電極を開発すると同時に、２）末梢神経の運動神経情報、あるいはその代替信号（大脳皮質運動野の信号や筋電信号など）を用いて義手を操作するアルゴリズムの確立を図り、また、３）マイクロスティミュレーション法などを用いて末梢神経の感覚神経線維を電気刺激する事によって、要求する性状・強度の感覚を生成する手法の確立を行ない、この３技術を義手システムに投合・実装して、随意運動機能と感覚機能を有する義手を構築するというものである。

結果と考察

末梢神経信号やその代替信号によるロボット肢の動きの制御、感覚神経への微小刺激法や腱振動刺激による体性感覚や固有感覚の生成（コーディング則）の検討、再生型電極の改良と試作など、各要素技術の開発研究は継続したが、最終年度のため、埋め込み型電極による末梢運動神経情報の計測と統合システムの構築に重点を置き、前者ではラット坐骨神経に埋め込んだパリレン柔軟電極からの運動神経情報により、ロボット肢にラットの歩行を模して歩かせる事ができ、また、ヒトを被験者とした実験系では、ロボットハンドを筋電情報を用いて被験者の意思通りに動かすと共に、マイクロスティミュレーション法を用いて、その指で触れた際の圧を自然な圧感覚として感じさせる事も可能である事を示した。

結論

ヒトを被験者とし、ロボットハンドを用いた実験系、および、動物の末梢神経にパリレン柔軟電極を埋め込んだ実験系によって、随意運動機能と感覚機能を具えた義肢システムを構築する事が可能である事を示す事ができたが、最重要開発目標とした再生型電極に関しては良好なS／N比での計測が困難で、更なる検討を必要とする。

公開日・更新日

• 公開日: 2011-08-15
• 更新日: -

文献情報

• 文献番号: 201011003B
• 報告書区分: 総合
• 研究課題名: 神経インタフェース技術の確立による次世代義肢における感覚及び随意運動機能の実現
• 課題番号: H20-ナノ・一般-003
• 研究年度: 平成22(2010)年度
• 研究代表者(所属機関): 満渕 邦彦(東京大学 大学院情報理工学系研究科)

研究分担者(所属機関)

• 鈴木　隆文(東京大学　大学院情報理工学系研究科 )
• 深山　理(東京大学　大学院情報理工学系研究科 )
• 下条　誠(電気通信大学　電気通信学部)
• 石川　正俊(東京大学　大学院情報理工学系研究科 )
• 竹内　昌治(東京大学　生産技術研究所)
• 眞溪　歩(東京大学　大学院新領域創成科学研究科)
• 國本　雅也(社会福祉法人済生会　横浜市東部病院　脳神経センター)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 厚生科学基盤研究分野 医療機器開発推進研究（低侵襲・非侵襲医療機器（ナノテクノロジー）研究）
• 研究開始年度: 平成20(2008)年度
• 研究終了予定年度: 平成22(2010)年度
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

本研究の目的は、生体の神経系（神経線維、あるいは神経細胞）と外部機器の信号ラインを神経電極などのインタフェース素子で直接かつ永続的に接続し、生体の運動神経情報によって装着者が意思どおりに随意的に人工肢を動かすことができ、また、人工肢に装着したセンサ類によって得られた圧や位置などの情報を、（神経への）刺激インパルス列に変換し、対応する感覚神経系を直接刺激してやることにより、生体が自分の手足で触れた際に感じられるのと全く同等な感覚を生体側に誘起させる事もできるという、次世代の人工肢システムの試作を試みるものである。

研究方法

研究方法は、１）末梢神経において運動神経線維からの情報の記録と、感覚神経線維への刺激を同時に行ないうる再生型電極等の末梢神経用多チャンネル電極を開発すると同時に、２）末梢神経の運動神経情報、あるいは末梢神経信号と同等の特性を有する代替信号（大脳皮質運動野の信号や筋電信号など）を用いて義手を操作するアルゴリズムの確立を図り、また、３）マイクロスティミュレーション法などを用いて末梢神経の感覚神経線維を電気刺激する事によって要求通りの性状・強度の感覚を生成する手法の確立を行ない、この両機能を１）で開発した電極をインタフェースとする事によって義手システムに実装し作動させ、随意運動機能と感覚機能を有する義手を構築するという方法をとった。

結果と考察

方法の項の１）２）３）を継続し、最終的に、ラットを用いた系では坐骨神経に埋め込んだパリレン柔軟電極からの情報を用いて、ロボット肢にラットの歩行を模して歩かせる事ができた。また、ヒトを被験者とした実験系では、電極埋め込みは出来ないので動作の制御は筋電情報を用いたが、ロボットハンドにマイクロスティミュレーション法による感覚提示機能を併せ実装し、被験者の意思通りに動かす事ができ、また、手指に加えられた圧も自然な圧感覚として被験者が感じる事の出来る義手システムとして作動させる事が出来た。

結論

ヒトを対象とし、ロボットハンドを用いた実験系、および、動物を対象とし、埋め込み電極（パリレン柔軟電極）を用いた実験系によって、随意運動機能と感覚機能を具えた義肢を構築する事が可能である事を示す事ができた。しかしながら、その際、我々が最重要開発目標とした再生型電極に関しては良好なS／N比での計測が困難で、結局他の型の電極に依った事については、更に検討が必要である。

公開日・更新日

• 公開日: 2011-08-15
• 更新日: -

行政効果報告

• 文献番号: 201011003C

成果

• 専門的・学術的観点からの成果: 現在のブレイン・マシン・インタフェースシステムでは、感覚をフィードバックしたシステムはなく、また、電極はほとんどの例で大脳皮質に装着しているが、今回、末梢神経に装着した電極を介して刺激強度の応じた周波数の電気刺激を加える事によって圧覚などを望む強さで提示する事ができ、また、逆に計測した運動神経情報により、ロボットハンド（肢）の動きも装着者の意図どおりに制御しうる義手モデルの構築を行なう事ができた。
• 臨床的観点からの成果: 義手の制御等におけるブレイン・マシン・インタフェース（BMI）技術を応用する事によって随意運動機能と感覚機能を具えた義手システムのモデルを構築する事ができた。現在のBMIシステムの大部分は、大脳皮質に電極を装着するため、電極の刺入による傷害や合併症の問題により装着に対するハードルが高いが、本研究課題では末梢神経に電極を装着する事により、システムの装着に対するハードルを下げ、また、感覚機能についても、あたかも自分の手で触れたように感じる事ができ、また、情報処理によりその感覚を増強し得る事も示した。
• ガイドライン等の開発: 本プロジェクトでは、マイクロニューログラム法、マイクロスティミュレーション法を用いて末梢神経活動の計測と刺激を行なっており、神経軸索の活動の細胞外計測や電気刺激の実施に対する安全性について、学会（マイクロニューログラフィ学会）等でガイドラインを作成する事を目指しているが、これは今後のBMI機器の開発にも寄与し得るものと考える。
• その他行政的観点からの成果: 特にありません。
• その他のインパクト: 学会等、学術的団体からの特別講演・招待講演などの依頼、また、学術雑誌への総説・解説類の依頼は少なくありません。; 工学系の世界最大の学術団体であるIEEE（米国電気電子通信学会）の全会員向けの月刊誌 (IEEE Spectrum) で紹介されました。

発表件数

• 原著論文（和文）: 3件
• 原著論文（英文等）: 7件
• その他論文(和文): 3件
• その他論文(英文等): 0件
• 学会発表(国内学会): 90件
• 学会発表(国際学会等): 48件
• その他成果(特許の出願): 0件 ; 「出願」「取得」計0件
• その他成果(特許の取得): 0件
• その他成果(施策への反映): 0件
• その他成果(普及・啓発活動): 0件

主な原著論文20編（論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限る）

• 原著論文1: 橘 秀幸、鈴木隆文、満渕邦彦; 針筋電信号と単収縮畳み込みモデルによる手指筋の等尺性収縮時張力の推定; 電気学会論文誌C , 130 (2) , 254-260 (2010)

公開日・更新日

• 公開日: 2015-06-16
• 更新日: -

収支報告書

• 文献番号: 201011003Z