現代のテクノロジーは切断患者のために何をもたらすのでしょうか?元の手足から

制作：中国科学普及協会

著者: 胡旭慧(中国科学院蘇州生物医学工学技術研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

早朝に目覚まし時計が鳴ったら、アラームを止めて起き上がり、歯を磨き、靴ひもを結び、出かける準備をする…これはほとんどの人が毎日直面する光景です。よく注意して観察すると、これらすべての活動の基礎は人々の手の柔軟な使い方にあることに気づくでしょう。実際の生活では、手の機能はそれ以上のものです。それは、より正確に表現するのに役立ち、文化的なシンボルになることさえあります。

しかし、これらはほとんどの人にとっては一般的な動作ですが、一部の人にとっては非常に困難、あるいは不可能な作業です。彼らは手に障害を持つ障害者です。病気、事故、あるいは先天的な要因によって手に問題が生じ、正常に手が使えなくなることがあります。このような状況に直面すると、人々は常にさまざまな手段を使って助けようとしますが、その中で最も役立つのは義肢かもしれません。

今日は障害者の日です。現代のテクノロジーが切断者のために何をもたらすかについてお話ししましょう。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

1. 義手技術の進化

上肢義肢を機能の数で分類すると、装飾義肢は最も機能がシンプルで価格も手頃な義肢となるはずです。通常はシリコン製で、見た目も手触りも良いのですが、名前の通り、それだけです。

(装飾義手画像出典: veer gallery)

現在、より実用的な主流の義肢は、ケーブル制御の義手です。通常は、使用者の肩に結ばれたストラップの形で着用されます。使用者の肩に結ばれたストラップは、義肢の指の関節まで伸びています。ユーザーは、反対側の肩甲骨を動かして牽引ロープの締め付け具合を制御し、掴み動作を行います。しかし、それに伴うのは、装着の煩わしさ、動作中の摩擦の痛み、そして直感に反する操作方法に適応するための膨大な練習です。

ケーブル制御義手制御原理

画像出典：参考文献[1]

横軸に使いやすさ、縦軸に機能性をそれぞれ表すと、装飾用義肢、ケーブル制御義肢、および通常の義肢の間には依然として大きな隔たりがあることがわかります。機能性と使いやすさの面で元の肢にできるだけ近い新しいタイプの義肢を作成するには、より豊かな動作特性を備えながら、ユーザーにとって直感的に操作できる義肢が必要です。これを達成するには、手がかりを得るためにまず私たちがどのように手足を制御するかを理解する必要があるかもしれません。

装飾義肢とケーブル制御義肢の機能性と使いやすさの分布

（画像出典：著者自作）

2. 人間はどのようにして自らの手足の動きを制御するのでしょうか?

人体における情報伝達の基本単位はニューロンであり、ニューロンは樹状突起を通じて上流の神経伝達物質の影響を受けます。興奮状態に入ると膜上のナトリウムイオンチャネルが開き、正に帯電したナトリウムイオンが大量に流入し、その一部は電位の低い軸索部分に押し出されます。ナトリウムイオンの刺激により、軸索上のナトリウムイオンチャネルが軸索末端まで一つずつ開きます。軸索末端のカルシウムイオンがタンパク質に結合し、小胞内に神経伝達物質を放出し、放出された神経伝達物質が下流の標的細胞に影響を与えます。

運動神経シグナル伝達プロセス

（画像出典：参考文献[1]）

このプロセスを膜電位の変化の観点から図に簡略化すると、次のようになります。

単一運動単位の活動電位波形

（画像出典：参考文献[1]）

この特殊な波形を持つ膜電位脈動は活動電位と呼ばれます。軸索構造やニューロンの長さの違いにより伝達プロセスがまったく同じというわけではありませんが、一般的に神経系はそのような情報ハイウェイとみなすことができます。信号は脳から送信され、脊髄を介して末梢神経系に伝達され、最終的に対応する骨格筋の収縮を制御して対応する動作を完了します。手足を失うということは、脳がまだ信号を送り、神経がまだ信号を伝達し、筋肉がまだ収縮しているが、対応する受信側がオフラインになっていることを意味します。

3. 切断者は義肢の動きをどのように制御するのでしょうか?

これを理解すると、物事がより明確になるようです。この時点で、賢い友人の中には、信号は脳によって生成されるのだから、EEG 信号取得装置を脳に埋め込んで情報を読み取り、それを機械命令に変換して義肢が実行できるようにすればいいのではないのかと疑問に思う人もいるかもしれません。しかし、実際には、このプロセスは言うのは簡単ですが、実現するのは非常に困難です。これが、最先端の脳コンピューターインターフェース技術が現在研究していることです。

脳コンピューターインターフェース技術（画像提供：veer Gallery）

この技術に伴う問題は、まず第一に、EEG信号取得装置を脳に埋め込むには、侵襲的な脳コンピューターインターフェース手術が必要になることです。この手術には大きな潜在的危害と生理的拒絶反応のリスクがあり、また倫理的問題（個人のプライバシーなど）も数多くあります。第二に、信号の取得とデコード技術は現時点では非常に未熟です。 EEG 信号を正しく識別し、その信号をデコードするにはどうすればよいでしょうか?これらはすべて未解決の問題です。さらに、取得装置が正常に埋め込まれた後でも、徐々にグリア細胞に包まれ、信号取得の精度に重大な影響を与えるため、この問題を解決するには頭蓋骨を再度開くしかありません。したがって、現時点では、侵襲的脳コンピューターインターフェースは、まだ技術の理論的研究と実験段階にあります。それは火星の植民地化と同じくらい私たちの生活に近いものです。

脳波や経頭蓋磁気刺激に基づく非侵襲性の脳コンピューターインターフェースはすでに登場しているが、携帯性を考慮しなくても、人体の中央処理装置の近くの局所的な四肢信号を非侵襲的に探すことは、浙江大学の徐克迪教授が言うように、合唱団の歌声の中から特定の歌手の声を探すようなものだ。

しかし、脳内で四肢の信号を認識することは難しいですが、不可能というわけではありません。信号が脳から伝わるにつれて、局所的な手足に向けられた活動電位は他の信号から分離し、最終的に筋肉の接合部に到達し、筋肉繊維に沿って両側に放射状に広がります。上半身の義肢の場合、ここでの信号の垂直性ははるかに高くなります。さらに、筋繊維上の活動電位は、脂肪などの皮下組織に沿って皮膚表面まで広がります。これにより、運動意図に関連する生理学的電気信号を侵襲的な手段なしに皮膚表面で収集できるという朗報がもたらされます。これらの信号は筋肉から発生するため、表面筋電信号と呼ばれます[3]。

信号はすでに存在しており、切断者の切断面からの表面筋電図信号を解読し、それを義肢が実行するための対応する機械的コマンドに変換するだけでよいようです。しかし、表面筋電図信号の解読は簡単な作業ではありません。

筋電信号発生の原理

（画像出典：参考文献[1]）

4. 残存肢の筋電図信号を解読するにはどうすればよいでしょうか?

科学者が筋電図信号に含まれる運動の意図を解読する方法をよりよく理解するために、まずはより簡単な例を見てみましょう。

図の 3 次元モデルの特徴が音声信号を表している場合、私たちのタスクは、その中でどの楽器が使用されているかを分析することです。明らかに、これによって人々は何も分からないことになります。この写真には情報が豊富に含まれており、時間、周波数、音量という 3 つの主要な情報が一目でわかりますが、それでも楽器の種類を区別することはできません。

時間、周波数、音量に関する音信号の3次元モデル

（画像出典：参考文献[1]）

このモデルを別の角度から見ると、横軸は周波数、縦軸は音量です。ある瞬間のこの曲の周波数応答曲線を得ることができます。これは、その瞬間の各楽器の周波数応答曲線の線形重ね合わせです。つまり、さまざまな楽器の周波数応答曲線モデルに精通していれば、これを使用して、現時点でどの楽器が含まれているかを判断できます。もちろん、現実には、私たち一人ひとりはそれらに精通しています（ただし、オーディオ波形の形ではありません）。なぜなら、私たちの脳はそのようなモデルを大量に保存し、そこからモデルの特徴をうまく抽出しているからです。そのため、エレキギターの歪みやオーバーロードなどの効果は大きく異なりますが、聴覚によってそれらを区別することができます。

筋電図信号とそれに対応する運動単位活動電位の構成

（画像出典：参考文献[1]）

さて、この筋電図信号のグラフをもう一度見てみましょう。まだ怖いですが、何かヒントを与えてくれそうです。これは複数の運動単位の筋電信号の線形重ね合わせであることはすでにわかっているので、これらの運動単位の筋電信号モデルを取得して特徴を抽出できれば、この混合信号セクションに含まれる動作意図を逆に判定して実行することができます。しかし、現時点では十分なモデルを入手する方法がありません。この問題は理論的には解決不可能なものではなく、多くの実践者が懸命に取り組んでいます。現在、より主流の技術的道筋は、独立した分析方法に基づくブラインドソース分離です。かなり難解に聞こえるので、もう一度この音楽に戻りましょう。ロック音楽とその楽器について何も知らないと仮定すると、どの音が同じ楽器から出ているのかを見分けるのは難しいということになります。たとえば、ベースの高音とギターの低音は、同じ楽器から出ていると解釈される場合があります。

それで、どうやって違いを見分けるのでしょうか?答えは、もっと聞くことです。

音楽ソフトウェアを開いて、このバンドの他の曲を聴きながら、さまざまなセクションを比較してみましょう。同時に、同期サウンド録音中に、さまざまな楽器の前面から収集されたミックスされたオーディオ信号も取得する必要があります。このように、音色の一般的な分類と、さまざまなマイクで収集された楽器の音声の距離情報を組み合わせることで、どの音がどの楽器から出ているかを正確に区別することができます。独立した分析に基づくブラインド ソース分離についても同様です。異なる位置にあるマイクロフォンは、これらの楽器信号の異なる重みの線形重ね合わせを収集し、これらの重みはマトリックスを形成します。マイクの数が楽器の数以上であり、継続的な反復によって可能な限り現実的な行列が得られる限り、これらの未知の楽器の混合信号は、行列方程式を解くことによって以前と同じように分解できます。

ブラインド ソース分離は、音楽分離、人間とコンピュータの音声インタラクションなどに応用されています。技術的な道筋は存在し、オーディオ分野では比較的成熟した商用アプリケーションが存在します。すべてが美しく見えますね。しかし、音楽の例では、さまざまな位置にあるマイクの数は楽器の数以上でなければならないという前提について話しました。この文を翻訳するには、信号コレクターの数がソース信号の数より多くなければなりません。コレクターの相対的な数が少ないほど、結果は曖昧になります。これは通常、ソース信号の数が少ないオーディオ分野では簡単に実現できますが、人体の場合、肘のすぐ下にあるソース信号として機能する運動単位の数はすでに数千に上ります。一致する数のコレクターをプロテーゼに組み込むことはまったく非現実的です。

それで何をすればいいのでしょうか?答えは妥協かもしれない。それは最も一般的な3番目のタイプの義手である筋電義手が行うことだ。 2 つの EMG センサーを介して屈筋側と伸筋側から表面 EMG 信号を収集し、収集した EMG 信号に対してエンベロープ解析を実行し、曲線を水平軸の下に折り曲げて、低周波の特徴を抽出します。これは、手首の内反、手首の外転、および掴みの 3 つの動作を認識するのに十分です。これを基に、日常生活でよく使われるさまざまなジェスチャーが義肢にプリセットされており、使用時のシナリオに応じて切り替えることができます。音楽アプリと同じように、前の曲、次の曲、再生。制御はまだ十分に直感的ではありませんが、ケーブル制御の義肢と比較すると、筋電義肢では複数のジェスチャーで器用な操作を実行することが可能になります。

市販されている筋電義手の制御原理

（画像出典：参考文献[1]）

これまで上肢義手市場の製品について簡単にご紹介してきました。現時点で後悔していることはありますか？いくつかの。たとえば、切断部位が上腕まで上がると、この解決策は適用できなくなります。別の例として、インテリジェントなバイオニックハンドは、実際の手のように温度、力、位置などを感知することはできません。

さらに、筋電信号に基づくジェスチャ認識の実用化には依然として問題が残っています。たとえば、手足の動きや受容器腔による皮膚の圧迫により、筋電図信号にモーションアーティファクトが生じる可能性があります。これは、電気信号が皮膚表面に伝達されるには皮下組織を通過する必要があり、圧迫によって皮下組織の形態が変化するためです。音が伝播中に突然媒体を変え、電気信号が歪んで分析が難しくなるようなものです。しかし、これがまさに市販の筋電義肢の現状です。

5. 現在手足を切断している人にとって、どの義手がより良い選択肢でしょうか?

これまで、装飾義手、ケーブル制御義手、筋電義手という、市場で最も一般的な 3 種類の義手を紹介してきました。では、現時点では筋電義肢は牽引義肢よりも確実に優れているのでしょうか?筋電義肢は、さまざまなシナリオに対応するために、より多くのジェスチャーを実現できます。なので技術的にはより有利であると言えます。しかし、商品としての製品の重要な特性、つまり筋電義肢の価格についてはまだ話していません。

現在、義肢は個人に合わせて高度にカスタマイズする必要があるため、人件費と材料費を合わせると、牽引義肢の価格は数千元になります。筋電義肢の研究開発コストはさらに高くなります。明らかに、量販品と比較すると、上肢筋電義肢のコストを規模拡大によって削減することははるかに困難です。現在、中国における海外の先進的な筋電義手の平均価格は約20万～30万人民元で、一部の地域では流通価格が50万人民元を超えることもあります。極端な場合には、70万元の見積もりが出されることもあります。国内ブランドは販路管理において明らかに優位性があり、販売価格はこの数字の約1/5です。しかし、明らかにまだ安くはありません。実際、腕を失うと労働能力に大きな影響が出るため、前腕切断者の一人当たりの可処分所得は非常に低くなります。しかし、より高価で技術的に高度な義肢でも、使用者の失われた労力を効果的に補うことはできません。

エレイン・ビディス博士は、「上肢義肢の放棄の主な要因」と題した論文の中で、約20%の使用者が2年以内に上肢義肢を放棄していると指摘しています[7]。ノルウェーの四肢障害者を主に対象とした別の論文では、クリスティン・オストリー博士が同様のデータを示し、さらに「着用」は「使用」とみなされるため、統計上の人口のうち相当数の障害者は義肢を装飾目的でのみ使用しており、義肢の機能的使用率は実際にはもっと低いと付け加えた。

したがって、経済的な条件が限られていたり、筋電信号が弱かったりする場合でも、ケーブル制御の義肢は切断者の日常生活を支援することができます。美観と機能性に対する要件が高く、残存肢の EMG 信号が義肢制御の要件を満たす場合は、筋電義手が推奨されます。手足の自然な外観の完全性の方が重要であれば、この時点では、よりリアルな外観の化粧用手を検討する価値はあります。

もちろん、科学技術の継続的な発展は、障害を持つ人々にさらなる利便性をもたらし、多様な未来をもたらすことは間違いありません。

参考文献:

1. 「現在、切断患者にはどのような選択肢がありますか？また、費用はいくらですか？」 (2023) Bilibili大氣免成_1004 (公認)

2. 「補助器具情報研究第3号：わが国の義肢装具の歴史、現状、展望」（2020年）国立リハビリテーション補助器具研究センター

3. 表面筋電図からの神経戦略の抽出。 (2004) ダリオ・ファリーナ他

4. 独立成分分析：概要。 （2018）タルワット・アラア。

5. 人間と機械が協働する器用な筋電義肢のキーテクノロジーの研究（2022）胡旭慧

6. 上肢義肢の制御のための表面 ENG からの神経情報の抽出: 新たな道筋と課題。 (2014) ダリオ・ファリーナ他

7. 上肢義肢：義肢放棄の重要な要因。 (2007) エレイン・ビディス他

8. 後天性上肢切断患者における義肢拒絶反応：人口ベースの調査。 (2012) クリスティン・オストリー、他。