研究内容 【研究概要】 人間情報学(Human Informatics)を研究基盤として, 人間の感覚・認知・行動に関する心理特性や生理特性の科学的な解明 と医用・福祉・生活・生産などへの応用研究を行っています. 人間情報学研究室 Human Informatics Laboratory 【研究テーマ】 総合情報学専攻 経営情報学コース 水戸 和幸 筋機能情報の検出と評価法の確立 加圧トレーニングによる筋活動様式の解明 視覚障害者のコミュニケーション支援 ベッド柵事故防止システムの開発 PCソフト起動時間のイライラ度評価 物体色彩と重量知覚の関係 匂いと色彩の感情評価 [email protected] 1 Kazuyuki MITO Kazuyuki MITO 2 研究室と環境 西5号館4階 主な実験機器 405室:教員室 407室:実験室 413室:学生部屋&実験室 学生数:13人 4年生 =6人 修士1年=4人 修士2年=3人 Kazuyuki MITO 生体アンプ 8ch×4台 エアロバイク 脚筋力測定装置 視覚刺激装置 点字ディスプレイ 力覚生成装置 発汗計 運動機能評価に関する研究 3 Kazuyuki MITO 4 1 研究テーマ:運動機能評価 研究テーマ:運動機能評価 筋電位:運動終板(神経・筋接合部)で 発生し、筋線維に沿って伝播 (3~6m/s)、筋末梢(腱)で消滅 筋電図(EMG) 筋線維伝導速度(MFCV) (活動量,疲労度,筋組成, etc) 運動・動作モデルの構築 表面電極 高齢者のレジスタンストレーニング法の確立 効果的なリハビリテーション手法の確立 運動機能情報を反映した福祉機器の開発 5 研究1:筋機能情報の計測・解析手法の確立 6 Kazuyuki MITO 研究1:研究の特徴・着目点 腱(末梢,肘) MFCV (m/s) MFCV (m/s) 数理工学的(理論的)研究 どの位置の 12 どの値が 妥当か? 計算のみで人体の 運動・動作を生成 医用・福祉分野へ応用 筋力 計測・解析手法 数理工学的(理論的)研究 10.2kg 脊髄 Kazuyuki MITO 臨床的(実験的)研究 臨床的(実験的)研究 運動機能情報の計測・解析 → 運動・動作特性の解明 計測・解析手法の開発 荷重 変換器 加速度 センサー + 筋音図(MMG) モデルの開発と改良 筋活動状態の定量的評価 - 運動 動作 運動機能評価システム 筋電図,筋線維伝導速度, 筋音図,筋力 筋機能情報 10 8 16ch De 1ch MFCVの定義:運動終板で発生した 1ch 筋電位は、その形状と大きさを保ちな がら一定の速度で伝播(単一筋線維) 2ch 3ch • 形状の変化 →相関係数 • 大きさの変化 →振幅比 4ch 5ch 6 6ch 4 7ch 腱(肩) proximal 2 40 ms 9ch –60 –50 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50 60 移動 y(t) 8ch 腱(肘) distal x(t) t 10ch 運動終板帯からの距離 (mm) Distance from end–plate: Le (mm) 0.2 mV 11ch 表面電極 Kazuyuki MITO 腱(肩) 運動終板帯 10 ms Rxy(T) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 12ch 筋腹(中央) 筋電図(EMG)、筋線維伝導速度 (MFCV)の適切な計測位置と 条件の確立 腱(肘) 13ch 運動終板帯 14ch -10 15ch 16ch 伝播 0.5 mV 100 ms (運動終板帯:信号の極性が反転) 7 相関係数 (最大値) t 伝播 -8 -6 -4 -2 -0.2 -0.4 -0.6 0 Ts Rxy(Ts) 2 4 6 8 10 移動時間: T (ms) MFCV De Ts De 5 mm Kazuyuki MITO 8 2 研究成果1:結果 研究1:まとめ MFCV MFCV(m/s) (m/s) 運動終板帯、腱(筋末梢) 筋電位の相関係数(形状) と振幅比(振幅)の低下 →MFCVの増大 s 0.9 xy 相関係数 R (T ) 相関係数≧0.9 振幅比 ≧0.8 →MFCV=3.90±0.38 m/s 臨床的(実験的)研究 数理工学的(理論的)研究 計測・解析手法 ** ** 1 0.8 振幅比 AMR 運動終板と腱を除く領域 16 14 ** :p<0.01 12 10 8 6 4 2 ** 0 Mito K, Sakamoto K: Electromyogr. Clin. Neurophysiol. 43(2), pp.137-149, 2002. 0.7 0.6 ** 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0 5 ** ** ** ** 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 MFCVの検出条件と計測位置の確立 Distance from motor end–plate: Le (mm) 運動終板帯からの距離(mm) MFCV検出条件の確立 (筋電位の波形形状と大きさに着目) (測定位置の決定法) 9 Kazuyuki MITO 研究2:筋電位モデルの構築 10 Kazuyuki MITO 研究2:研究の特徴・着目点 臨床的(実験的)研究 数理工学的(理論的)研究 計測・解析手法 筋電位・筋収縮モデル 各筋電位の総和(干渉波) 皮膚 運動終板帯 • 筋電位の発生 表面筋電図 • 伝播方向が異なる 表面電極 16 ** :p<0.01 MFCV (m/s) 14 ? 神経 12 皮膚 r 伝播 10 8 筋線維 6 4 r cos 腱 2 0 0 ** 5 ** ** 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 筋電位 Distance from motor end-plate: Le (mm) • 一方向に伝播 MFCVと測定位置との関係を論理的に解明 (なぜMFCVは測定位置で異なるのか?) Kazuyuki MITO 腱(筋末梢) • 筋電位の消滅 運動終板帯と腱以外 生理学および解剖学的知見に基づいた 数理工学的モデルの構築 11 Kazuyuki MITO 12 3 表面EMG(モデル) 3 2 1ch 運動終板と腱を除く領域 Channel … 筋電位の相関係数(形状)と 振幅比(振幅)の低下 →MFCVの増大 0.05 mV 筋電位 (双極子) 相関係数,振幅比≧0.9 →MFCV≒4.0m/s(一定) 0 50 100 時間 (ms) 12 8 4 0 * * * * * * * * * * * * * 0.9 0.8 -0.6 -0.8 -1 1 臨床的研究の結果と一致 13 14 活動筋線維数:2本 筋電位: 双極子モデル 伝播速度:4.0 m/s(一定) 28 24 20 1 相関係数 12 11 1 筋電位(双極子)の発生 2 と伝播にともなう表面筋 3 4 電図の分布を計算 5 →境界要素法(BEM) 6 7 8 9 10 11 運動終板帯 12 運動終板帯,腱(筋末梢) 振幅比 数理モデル … 研究2:結果 MFCV (m/s) 研究2:モデルの概念と計算法 150 研究2:まとめ 0.6 0.4 0.2 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 運動終板帯での筋電位の発生と腱で の消滅、および干渉がMFCV推定に 影響することを理論的に証明 13 Kazuyuki MITO 0.8 運動終板帯からの距離(mm) 14 Kazuyuki MITO 研究3:運動形態と筋活動特性 臨床的(実験的)研究 数理工学的(理論的)研究 臨床的(実験的)研究 数理工学的(理論的)研究 計測・解析手法 筋電位・筋収縮モデル 計測・解析手法 筋電位・筋収縮モデル 運動形態 Mito K, Kaneko K, Makabe H, Takanokura M, Sakamoto K: Med. Sci. Monit. 12(4), pp.115-123, 2006. 種々の運動形態における筋活動状態をEMGとMFCV にて評価(詳細な筋活動情報の獲得) 数理モデルによる筋電位の発生とMFCVの分布の再 現が可能 →関節角度(筋長の変化),収縮形態,運動速度との関係 →皮膚表面で計測されるMFCVは見かけ上変化 Kazuyuki MITO 15 Kazuyuki MITO 16 4 研究3:結果 肘関節角度(筋長) 50°~130° 肩側 (短い) 2 3 収縮形態(3種): 等尺性:筋長を一定にして 4 5 Channel 筋力を発揮 短縮性:筋長を短くしながら 筋力を発揮 伸張性:筋長を伸ばしながら 筋力を発揮 *筋長→筋の長さ 6 7 4 3.5 :運動終板帯 収縮形態 運動速度 20ms 90 110 130 関節角度 (°) 関節角度 1mV 角度 ∝ MFCV (筋長 ∝ 1/MFCV) 長い ← 筋長 → 短い 詳細な筋活動情報を 獲得することが可能 17 70 12 13 50 肘側 11 (相関係数,振幅比→MFCV) °/s) °/s) 3 10 計測・解析手法の成果を投入 Kazuyuki MITO 4.5 °/s) °/s) 8 9 運動速度: 0,10,20 °/sec :伸張性(20 :伸張性(10 :等尺性 :短縮性(10 :短縮性(20 5 (c) 130° Proximal side (b) 90° Distal side (長い) (a) 50° 1 MFCV (m/s) 研究3:研究の特徴・着目点 短縮性 > 等尺性 > 伸張性 短縮性: 速度 ∝ MFCV 伸張性: 速度 ∝ 1/MFCV Kazuyuki MITO 18 研究3:まとめ 臨床的(実験的)研究 数理工学的(理論的)研究 計測・解析手法 筋電位・筋収縮モデル その他の研究 運動形態 水戸和幸, 安西理, 金子賢一, 坂本和義,清水豊: 日本福祉工 学会誌 9(2), pp.40-46, 2007. 運動形態の違いをMFCVおよびEMGにて 評価することが可能 →検出条件の取り決めが重要 Kazuyuki MITO 19 Kazuyuki MITO 20 5 PCソフト起動時間のイライラ度評価 物体色彩と重量知覚の関係 イライラしないPCソフトを設計・開発するには? 把持物体の色彩が重量知覚に与える影響は? 限界時間(sec) 時間 (sec) 20 ストレス増加 作業効率の低下 許容時間 重量予測(視知覚) 同じ重さ,大きさ で色彩情報が異 なる場合は? 15 重そう 心理的 限界時間 10 軽そう 5 0 パターン1 パターン2 重量感 (触・力覚) パターン3 起動条件 起動法とイライラ するまでの時間 との関係 パターン1 パターン2 パターン3 (起動画面無し) (起動画面有り) (残り時間表示) 意外と軽い +2:待てる ±0:どちらでもない -2:待てない 重い 同じ重さであっても大きさが異なると小さい 物体を重く感じる(Size-weight illusion) 21 Kazuyuki MITO では・・・ 明度では重量予測と 重量感で異なる(錯覚有) 色相,彩度では個人差が 大きい 22 Kazuyuki MITO 視覚障害者向けイメージ伝達法の検討 ベッド柵センサーの開発 視覚障害者にイメージ(図)を伝える方法は? 触察 提示 ベッド柵による事故を防止するには? 触覚ディスプレイ 側面への身体圧迫 上部への頭部,頸部の乗り上げ 予備知識 学習時間 理解度 上部 上部 通知 側面 柵の上部,側面に圧力スイッチを設置 効果 事故に遭遇する機会の減少(看護スタッフの身を守る) 患者の行動パターンの把握(生活リズムの改善) Kazuyuki MITO 23 Kazuyuki MITO 24 6
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