論文の公開元へ運動機能障害を呈する高齢者及び慢性腰痛患者に対するHAL腰タイプを用いた運動療法による効果に関する研究
概要
筑 波 大 学
博士（医学）学位論文
運動機能障害を呈する高齢者及び慢性腰
痛患者に対する HAL 腰タイプを用いた
運動療法による効果に関する研究
２０２２
筑波大学大学院博士課程人間総合科学研究科
安 永 好 宏
原典論文
この学位論文は、Exercise Therapy Using the Lumbar-Type Hybrid Assistive
Limb Ameliorates Locomotive Function after Lumbar Fusion Surgery in an
Elderly Patient, Yoshihiro Yasunaga, Kousei Miura ,Masao Koda, Toru
Funayama, Hiroshi Takahashi, Hiroshi Noguchi, Kentaro Mataki, Tomoyuki
Asada, Keiji Wada, Yoshiyuki Sankai and Masashi Yamazaki, Hindawi Case
Reports in Orthopedics, Article ID 1996509, 4 pages 2021 / DOI:
10.1155/2021/1996509 と Biofeedback Physical Therapy With the Hybrid
Assistive Limb (HAL) Lumbar Type for Chronic Low Back Pain: A Pilot Study,
Yoshihiro Yasunaga, Ren Koizumi, Taro Toyoda, Masao Koda, Naotaka Mamizuka,
Yoshiyuki Sankai, Masashi Yamazaki, Kousei Miura. Biofeedback Physical
Therapy With the Hybrid Assistive Limb (HAL) Lumbar Type for Chronic Low
Back
Pain:
A
Pilot
Study.
Cureus
14(3):
e23475,
2022
/
DOI:
10.7759/cureus.23475 及び Exercise training using hybrid assistive limb
(HAL) lumbar type for locomotive syndrome: a pilot study,
Kousei Miura, Masao Koda, Kazuhiro Tamaki, Masatoshi Ishida, Aiki Marushima,
Toru Funayama, Hiroshi Takahashi, Hiroshi Noguchi, Kentaro Mataki,
Yoshihiro Yasunaga, Hiroaki Kawamoto, Yoshiyuki Sankai, Akira Matsumura
and
Masashi
Yamazaki,
BMC
Musculoskelet
Disord.
2021,
22:533.
10.1186/s12891-021-04421-3 を原典とする。これら原典論文はそれぞれ Hindawi、
Cureus および BMC Musculoskelet Disord より許可を得て再利用している。
目次
第１章 本研究の背景 ................................................ 3
1.1
運動機能障害を呈する高齢者と慢性腰痛の問題 .................. 3
1.2
装着型サイボーグ HAL ......................................... 4
1.3
HAL 腰タイプ ................................................. 8
第２章 本研究の目的 ............................................... 12
第３章 ロコモティブシンドロームに対する HAL 腰タイプを用いた運動療法に
関する研究【研究１】 ............................................... 13
3.1
背景 ....................................................... 13
3.2
対象 ....................................................... 15
3.3
装着方法とプロトコル ....................................... 17
3.3.1 装着方法 ................................................. 17
3.3.2
プロトコル ............................................. 18
3.4
評価項目 ................................................... 20
3.5
結果 ....................................................... 21
3.6
考察 ....................................................... 23
3.7
小括１ ..................................................... 27
第４章 在宅にて腰椎固定術後に対する HAL 腰タイプを用いた運動療法に関す
る研究【研究２】 ................................................... 28
4.1
背景 ....................................................... 28
4.2
対象 ....................................................... 29
4.3
プロトコル ................................................. 29
4.4
評価項目 ................................................... 30
4.5
結果 ....................................................... 31
4.6
考察 ....................................................... 32
4.7
小括 2 ...................................................... 33
第５章 単回での慢性腰痛に対する HAL 腰タイプを用いた運動療法に関する研
1
究【研究３】 ....................................................... 35
5.1
背景 ....................................................... 35
5.2
対象 ....................................................... 36
5.3
プロトコル ................................................. 37
5.4
評価項目 ................................................... 38
5.5
結果 ....................................................... 40
5.6
考察 ....................................................... 41
5.7
小括 3 ...................................................... 43
第６章 本研究のまとめと限界及び今後の展望 ......................... 44
第７章 総括 ....................................................... 46
引用文献
要約図
謝辞
略語一覧
10MWT
10 meter walk test ( 10m歩行テスト )
1MSTS
1-minute Sit to Stand test( 1分間立ち上がりテスト )
BBS
Berg Balance Scale
EQ VAS
EuroQol visual analogue scales
EQ-5D
EuroQol five-dimension
FFD
finger-to-floor distance ( 指床間距離 )
HAL
Hybrid Assistive Limb
LFS
Lumbar fusion surgery ( 腰椎固定術 )
OLST
One-leg standing test ( 片足立ち時間 )
SD
standard deviation ( 標準偏差 )
SLR
straight leg raising test ( 下肢伸展挙上テスト )
TUG
Timed Up & Go Test ( Timed Up and Goテスト )
VAS
visual analogue scale （ 視覚連続尺度 ）
( バーグバランススケール )
( EuroQol 視覚評価法 )
( EuroQol 5項目による効用値 )
2
第１章 本研究の背景
1.1
運動機能障害を呈する高齢者と慢性腰痛の問題
日本では超高齢社会を迎え、高齢化率が毎年上がっており令和 2 年 10 月で
は 28.8%に達しており、令和 18 年には 33.3%を超えて 3 人に 1 人が 65 歳以上
となる[1]。当然ながら高齢者の増加に伴い要介護者も増大している[2]。この
要因により社会保障費(年金・医療・福祉等を合わせた費用)は増大の一途を辿
っている[3]。このように社会保障費の増大が問題となる中で、少子化により
一般的に社会保障費の財源を生み出す役割を担っている生産年齢人口の減少も
大きな社会問題となっている[4]。そこで増大する社会保障費を抑制するため
にも、高齢者が元気で生活でき要介護者の増加を抑制することが重要課題であ
る。しかし、運動機能に障害を持つ高齢者が要介護者となる割合が多く、ます
ます深刻な社会問題になっている[5]。
また腰痛を有する患者はきわめて多く、厚生労働省による 2019 年国民生活
基礎調査の概況によると、有症率は男性 9.1％、女性 11.3％となっており、男
性では最も多い症状であり、女性では肩こりに次ぐ多い症状である[5]。腰痛
の治療にかかる医療経費は、直接的な経済損失と腰痛のため作業効率の低下な
らびに休業による間接的な経済損失を合わせると、社会に与える影響は非常に
大きいとされている。特に慢性腰痛については、長期にわたる医療費の負担や
長期にわたる休業が発生することから大きな社会保障費の増加要因となる。こ
のようなことから、慢性腰痛は少子高齢化により財源不足に悩む日本において
は大きな問題であると言えよう。
3
このような環境下で、期待をされているのが生活支援ロボットである。ロボ
ット技術は、生産効率を上げるための産業用ロボットとして発展してきたが、
超高齢社会の日本では介護・福祉、医療、家事、安全・ 安心などの生活分野
においても、社会的な課題を解決するツールとしての活用が期待されている。
経済産業省は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構を通じて、
2005 年より人間支援型ロボット実用化基盤技術開発[6]を経て、2009 年より生
活支援ロボット実用化プロジェクトにより本格的に支援を行ってきた[7]。こ
の生活支援ロボット実用化プロジェクトを通じて、未整備であった利用者本人
や周囲の人やモノに対する安全を確保するための基準として生活支援ロボット
安全規格「ISO 13482」ができた[8]。
そして厚生労働省でも、2022 年時点で特に人材不足が顕著である介護分野に
おいては、介護ロボット開発及び普及事業として様々な支援を行っている。
このように日本政府としても、新しいテクノロジーを活用して超高齢社会の
問題を解決しようと模索している。
1.2
装着型サイボーグ HAL
生活支援ロボットによる超高齢社会の問題解決が期待される中で開発された
のが Hybrid Assistive Limb (以下 HAL)である。HAL は筑波大学大学院システ
ム情報工学研究科教授山海嘉之氏が開発し、CYBERDYNE 社が製造、販売を行っ
ている装着をするタイプのサイボーグである。HAL には三つの制御方法があ
る。それは生体電位信号をもとにした随意的なアシストを行うサイバニック随
意制御( Cybernic Voluntary Control )、予めプログラムされた動作でアシス
4
トを行うサイバニック自律制御( Cybernic Autonomous Control )、積極的な
アシストは行わず関節がなめらかに動けるようにするサイバニックインピーダ
ンス制御( Cybernic Impedance Control )である。HAL は装着型サイボーグと
言われており、身体機能を改善・補助・拡張・再生するために使われている。
装着型サイボーグと呼ばれる由縁は、その特徴にあり、人が体を動かそうとす
ると、指令信号が脳から神経を通じて筋肉へ送られ信号が指令する動作を実現
するように、筋肉が動く。同時に、動作が実現されると身体内部の感覚神経系
の情報が脳に戻っていく。動作の実現と、感覚神経系のフィードバックからな
る情報伝達ループが体の基本であるが、病気や怪我を患った患者の場合、この
情報伝達ループがうまく機能しなくなる場合がある。そこで、脳神経と筋系を
つなげる役割を果たすのが装着型サイボーグ HAL のサイバニック随意制御の特
徴である。疾患などで指令信号が不安定化したり、非常に弱くなってしまって
も、HAL は装着者の体表に漏れ出てくる微弱な「生体電位信号」を皮膚に貼っ
たセンサーで検出し、意思に従った動作を実現することができる。また意思に
よる動作を実現することで、感覚神経系の情報を脳に送り返すことができる。
具体的には【脳→脊髄→運動神経→筋骨格系→HAL】、そして、【HAL→筋骨格
系→運動神経→脊髄→脳】という脳・神経系と身体と HAL との間でインタラク
ティブバイオフィードバック(interactive Bio-Feedback)が成立されることに
なる。これにより脳神経系の繋がりが強化・調整され、機能改善を促すことが
できるのが HAL の特徴である[9-13]。
CYBERDYNE 社によると HAL は、その原理づくりの段階から、その特徴が最大
限に活用できる医療(治療)現場での使用を想定しており、基礎技術が確立され
5
てからは、医学的効能効果を有する医療機器としての承認取得に向けて、研究
開発、試作・評価、安全技術開発・安全評価技術開発、臨床研究、臨床評価、
国際連携、標準化、治験、保険適用に至る様々な取り組みが行われてきた
[13]。HAL は上述した人間支援型ロボット実用化基盤技術開発研究費の採択を
されている。
2008 年に HAL は、ロボットスーツ HAL 福祉用（図１）としてレンタル販売が
開始された。2009 年より生活支援ロボット実用化プロジェクトにも採択され、
改良改善が行われてきた。従来はロボットスーツと称していたが、ロボットは
元来プログラムに従い自律的に動作するものを意味しており、随意制御を特徴
とする HAL は装着型サイボーグと称するようになった。
図１：ロボットスーツ HAL 福祉用
6
2013 年に HAL 医療用下肢タイプ（図２）が、下肢に障害がある方々を対象に
した治療のできる医療機器として製品化された。2013 年 8 月に欧州にて医療機
器として認証(CE 0197)され、ドイツで公的労災保険が適用されている[13]。
また、日本においても医療用 HAL が医師主導治験の結果として、進行性の神経
筋難病疾患でも効果が確認され[12]、2015 年 11 月に新医療機器として薬事承
認され、2016 年の 9 月から進行性の神経筋難病疾患を対象として、公的医療保
険によって進行を抑制するための治療が行われている[13]。そのほか脊髄損傷
[14]、脳卒中[15,16]、脳性麻痺[17,18]などにおいても、HAL 下肢タイプを用
いた機能改善が報告されている。また、HAL 単関節タイプ（図３）において
は、2019 年 10 月に欧州における医療機器の認証を取得し、2020 年には日本に
おいても医療機器の認証を取得している。そして脳卒中においての機能改善が
報告されている[19]。
7
1.3
HAL 腰タイプ
高齢化率増大が進む日本において、それに伴い要介護者が増加して介護士の
負担が増大して腰痛が大きな社会問題なるほか、さらには少子高齢化により労
働人口の減少も加速しており、重作業を伴う現場の労働環境の改善や労働災害
の防止は我が国の大きな課題となっている。その重作業を伴う現場での腰痛や
作業負担の問題を解決をするために開発、製品化されたのが HAL 腰タイプであ
る。HAL 腰タイプは、介護士の行う移乗介助や排泄支援、入浴支援、オムツや
シーツ交換などの介護動作や重量物を持ったときに腰部にかかる負荷を低減す
ることで、腰痛を引き起こすリスクを減らすことを目的としている[13]。
HAL 腰タイプの重量はバッテリーを含めて約 3kg である。外形寸法は 292mm
（長さ）×450mm（幅）×522mm（高さ）である。股関節の可動域は伸展 30°、
屈曲 130°である。電源はオリジナルバッテリーで、2 時間の充電で約 4.5 時
間稼働する。また、HAL 腰タイプは構造がシンプルで、健常者であれば装着者
1 人で約 3 分あれば十分に装着できると言われている。
HAL 腰タイプは、腰部・大腿部に外骨格フレームを有する構造となってお
り、体幹の屈曲・伸展動作を股関節の屈曲・伸展動作で代替できるよう腰部を
固定し、股関節の屈曲・伸展動作をアシストすることで、移乗介助等における
腰の負荷低減を実現できる。体組織と骨格系で構成された３次元人体モデルを
用いた力学シミュレーションにより、腰部椎間板にかかる応力の減少を定量的
に検証したところ、腰部・内骨格系の負荷が低減したことが報告されている
[20-21]。そして HAL 腰タイプは、Miura らの模擬患者移乗動作により介護支援
の中でも負荷のかかる移乗動作について腰痛予防だけでなく作業負担軽減につ
8
いても可能性が示唆されている[22]。また、Miura らの研究によると介護支援
のための重量物挙上反復動作[23]、ショベリング 除雪動作(雪かき)[24]など
の職業性腰痛の発生のリスクが高い重作業に対しても負荷軽減についての報告
がある。これに加えて von Glinski の研究でも重量物を持ち上げた際の筋活動
を減少できるとの報告がある[25]。
HAL 腰タイプは、医療用 HAL 同様、皮膚表面の微弱な生体電位信号に応じた
制御を採用することで、装着者の運動意思を反映したアシストが実現される。
HAL 腰タイプは、作業の負荷に合わせてアシストレベルを５段階に調整でき
る。機器の安全性においては、生活支援ロボットの国際安全基準である
ISO13482 の認証も取得しており、欧州機械指令 (CE マーク)にも適合している
[13]。
また、介護支援の負荷軽減を目的として開発された HAL 腰タイプではある
が、腰部負荷を軽減しながら立ち座りを支援することもできるため運動機能障
害を呈する高齢者の立ち座りやスクワット訓練にも適していると考えられる。
理由として、HAL 腰タイプは、腰部と大腿部に取り付けられた固定ベルトによ
り装着し、腰が動かないように制動している。腰部には体幹角度を感知する絶
対角度センターと股関節には股関節角度を感知するパワーユニット角度センサ
ーが付いている。これらのセンサーにより体幹と股関節の角度を随時計測して
適切な動作支援を行い股関節部のパワーユニットが、体幹屈曲・伸展と股関節
屈曲・伸展の関節動作を強力にアシストすることができる。また装着者の股関
節伸展の運動意図を簡便に推定するため腰部脊柱起立筋に電極シールを貼り、
生体電位信号を計測する。この生体電位信号で駆動トルクが発生し、両固定ベ
9
ルトを介して体幹及び下肢にその駆動トルクが伝達され、股関節伸展動作がア
シストされて、立ち上がり動作やスクワット動作を補助できる
（図４）[26]。
図４：HAL 腰タイプの構造
これについては、Watanabe らの研究により健常者において HAL 装着によるス
クワット運動時において心肺機能の負荷を有意に軽減できることがわかってい
る[27]。また、Miura らや von Glinski らの健常者への HAL 腰タイプの装着に
よる負荷軽減効果が報告されている[22-25]ことからも、腰痛のある患者に対
しても負荷を軽減した運動訓練が実施できる可能性があると考えられる。しか
し、医学的見地からの HAL 腰タイプを用いた運動療法による効果や有効性につ
いて明確に示した研究報告は非常に少ない。
上述したように日本では少子高齢化による社会保障費の増大が大きな社会問
題となっている。運動機能障害を持つ高齢者の増加による要介護者の増加や慢
性腰痛の問題も社会保障費の増加要因の一つである。そこで要介護者の増加を
10
抑制するために運動機能障害を持つ高齢者や慢性腰痛の問題を改善することに
よって社会保障費の増加を抑制できる可能性があると考えられる。そのための
方法の一つとして運動療法が重要であるとされている。しかし、運動機能障害
を持つ高齢者や慢性腰痛患者のための運動療法が以前より様々に行われてはい
るものの、確立された運動療法はない。
そこで、私は HAL 腰タイプの特性を活かした運動機能障害を呈する高齢者及
び慢性腰痛患者に対する運動療法による効果の検証が必要であると考えた。
11
第２章 本研究の目的
本研究の目的は、運動機能障害を呈する高齢者及び慢性腰痛患者に対する
HAL 腰タイプを用いた運動療法による効果を検討することである。
12
第３章 ロコモティブシンドロームに対する HAL 腰タイプ
を用いた運動療法に関する研究【研究１】
3.1
背景
高齢化が急速に進む日本では、運動機能に障害を持つ高齢者がますます深刻
な社会問題になっている[28]。 ...
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