スマートフォンベースのモーションキャプチャを用いた脳卒中患者の骨盤と下肢の協調分析

2025-02-26 Wed
スマートフォンビデオキャプチャ技術を用いた脳卒中患者の骨盤と下肢の協調性分析に関する研究学術的背景脳卒中（stroke）は、世界中で発症率、障害率、死亡率が最も高い疾患の一つであり、毎年1500万人の新規患者が発生しています。そのうち20％から30％の患者が片麻痺歩行（hemiplegic gait）に至り、これは脳卒中後の最も深刻な機能障害の一つです。片麻痺歩行は、患者の歩行能力に影響を与えるだけでなく、転倒リスクも増加させ、生活の質を著しく損ないます。従来の歩行分析では、通常、下肢の時空間パラメータ（spatiotemporal parameters）や関節運動学（joint kinematics）に焦点が当てられますが、これらの離散的なパラメータは、脳卒中患者の歩行異常のメカニズムを完全には明らかにできません。骨盤と下肢の協調性（intersegment coordination）は、歩行の安定性、バランス、推進力の維持において重要な役割を果たしますが、この分野の研究は依然として少ないのが現状です。
現在、骨盤と下肢の協調性の評価は、高コストの反射マーカーを使用したモーションキャプチャシステム（reflective marker-based motion capture）に依存しており、これが臨床での広範な応用を制限しています。技術の進歩に伴い、スマートフォンを活用した無マーカーモーションキャプチャ（markerless motion capture）技術が、歩行分析に対して便利で低コストかつ携帯性の高い代替手段を提供しています。本研究は、スマートフォンビデオキャプチャ技術を統計的パラメトリックマッピング（Statistical Parametric Mapping, SPM）および連続相対位相（Continuous Relative Phase, CRP）分析法と組み合わせて、脳卒中患者の骨盤と下肢の協調性および運動学的特性を深く探求し、臨床リハビリテーションに新しい評価ツールと介入戦略を提供することを目指しています。
論文の出典本研究は、Yinghu Peng、Wei Wang、Yangkang Zeng、Zhenxian Chen、Hai Li、Guanglin Liによって共同で行われ、それぞれ中国科学院深圳先進技術研究院（Shenzhen Institutes of Advanced Technology, CAS）、南方医科大学深圳病院リハビリテーション医学科（Neurorehabilitation Laboratory, Department of Rehabilitation Medicine, Shenzhen Hospital, Southern Medical University）、長安大学機械工学科（School of Mechanical Engineering, Chang’an University）に所属しています。論文は2025年にIEEE Transactions on Biomedical Engineering誌に掲載されました。
研究プロセス1. 参加者情報本研究では、17名の入院中の脳卒中患者（平均年齢49.9歳）と20名の年齢を一致させた健常対照群（平均年齢49.4歳）を募集しました。包含基準は次の通りです：年齢18-65歳、肥満ではない（BMI < 30 kg/m²）、単一の脳半球卒中（出血性または虚血性）で診断されたもの、片側の麻痺のある脚、補助なしで10メートル歩行可能なこと、Brunnstromスコアが4以上であること。除外基準には、指示を理解できないこと、他の精神疾患または全身性神経疾患があること、生命に関わる臓器の機能障害などが含まれます。
2. 機器と実験手順研究では、2台のiPhone（iPhone 11および12 mini）を使用して運動データを収集しました。実験は以下のステップに分かれています：

1) カメラ校正：チェッカーボードを使用してカメラ位置を校正し、OpenPoseアルゴリズムでビデオデータを処理しました。

2) 静的試験：参加者の静的データを収集し、カスタマイズされた筋骨格モデルを作成しました。

3) 動的試験：OpenCapウェブアプリケーションを使用して同期された2Dビデオキーポイントの三角測量を行い、公共モーションキャプチャデータセットに基づいて訓練されたLSTMネットワークを使用して43個の解剖学的マーカーの3D位置を推定しました。
3. データ処理と関節運動学計算オープンソースソフトウェアであるOpenSimを使用して関節運動学を推定しました。データ処理には以下が含まれます：

1) カスタマイズスケーリング：参加者の身長と静的試験データに基づき、カスタマイズされた筋骨格モデルを作成しました。

2) 逆運動学：歩行試験におけるマーカートラジェクトリを使用して骨盤と下肢の関節角度を計算し、歩行サイクルを100%に正規化しました。
4. 部間協調性分析連続相対位相（CRP）分析法を採用して、骨盤と下肢の協調性を評価しました。研究では、5つのセグメントペアのCRPを分析しました：骨盤-大腿（矢状面、冠状面、横断面）、大腿-下腿（矢状面）、下腿-足（矢状面）。CRPの計算はHilbert変換と位相差に基づいており、統計的パラメトリックマッピング（SPM）を使用して時間系列解析を行いました。
主要な結果1. 部間協調性研究では、骨盤-大腿の冠状面におけるCRP曲線が歩行サイクル全体で有意な差があることがわかりました（p < 0.001）。対照群の大腿-下腿CRPは、振り出し期（65％-91％）に偏麻痺側および非偏麻痺側よりも有意に高くなりました。また、下腿-足のCRPは、立脚中期（13％-29％）および振り出し中期（57％-68％）でも有意な差が認められました。
2. 骨盤の運動学対照群の骨盤側傾（list）可動域（ROM）は、脳卒中患者群より有意に高かった（p < 0.001）。歩行サイクルの初期および中期（2％-35％）では、対照群の骨盤側傾値は脳卒中患者群より有意に低く、後期および振り出し初期（47％-71％）では有意に高くなりました。
3. 下肢関節の運動学偏麻痺側の股関節の屈伸可動域は、対照群および非偏麻痺側と比較して有意に低かったです（p = 0.001）。偏麻痺側膝関節の最大屈曲角度は、対照群および非偏麻痺側と比較して有意に低かったです（p < 0.001）。また、足関節背屈角度は立脚中期に有意に低くなっていました。
研究結論本研究では、スマートフォンビデオキャプチャ技術をSPMおよびCRP分析法と組み合わせることで、脳卒中患者の骨盤と下肢の協調性および運動学的特性を包括的に評価しました。研究により、偏麻痺側および非偏麻痺側の骨盤と下肢の協調性に有意な差があることがわかり、これらの差異は筋機能障害（例えば、痙縮や筋力低下）に関連している可能性があります。研究結果は、臨床リハビリテーションに新しい評価ツールを提供し、痙縮の軽減や筋力強化といった具体的な介入戦略に科学的根拠を与えています。
研究のハイライト技術革新：初めてスマートフォンビデオキャプチャ技術を脳卒中患者の骨盤と下肢の協調性評価に適用し、臨床に便利で低コストな歩行分析手法を提供しました。

方法論の革新：SPMとCRP分析法を組み合わせ、歩行サイクル中の時間系列データを包括的に評価し、脳卒中患者の歩行異常の深いメカニズムを明らかにしました。

臨床的価値：研究結果は、脳卒中患者のリハビリ治療に新しい評価指標と介入戦略を提供し、歩行力学の最適化と機能予後の改善に寄与します。

その他の有益な情報本研究では、今後の研究方向性についても指摘しており、例えば、Brunnstromスコアが低い患者を含めること、さらなる筋機能指標の評価、BMI、性別、年齢などの因子が歩行に与える影響を考慮することが挙げられます。さらに、研究ではOpenCap技術の限界についても議論しており、動的で複雑な動きにおける関節キーポイント識別の誤差や、照明や衣服が測定精度に与える影響が示されています。
本研究は、脳卒中患者の歩行分析に新しい技術手段を提供するだけでなく、臨床リハビリテーション治療に重要な科学的根拠を提供し、顕著な学術的価値と臨床応用の可能性を持っています。