ロボット支援による慢性脳卒中成人の足関節本体感覚の損傷と関連する脳損傷の評価

学術背景

脳卒中は神経系の一般的な疾患であり、通常は患側肢体の機能障害を引き起こし、患者のバランスや歩行制御に影響を与えます。本体感覚は、身体の姿勢や動きに対する自己認識の能力を指しており、筋肉、関節、腱、皮膚に存在する機械感受器から提供されます。これらの感覚は、バランスと歩行の制御を維持するために非常に重要です。既存の研究では、脳卒中の生存者はしばしば足関節本体感覚の障害を伴うことが示されており、特に位置感覚および動きの感覚が失われていることが多いです。しかし、足関節の位置感覚と動きの感覚に関する系統的な研究は少ないです。[Cho et al., 2021] は、足関節の本体感覚の損傷が脳卒中患者のバランス機能障害の強い予測因子であることを発見しました；[Tuthill et al., 2018; Goble et al., 2011]は、従来の臨床スコアカードは最も重篤な本体感覚の欠陥しか検出できず、より軽微な欠陥に対しては感度が不十分であることを指摘しています。したがって、この研究はロボット技術を応用して脳卒中後の足関節本体感覚の損傷を定量化し、関連する脳損傷部位を特定することを目的としています。

論文出典

この論文はQiyin Huang（ミネソタ大学）、Naveen Elangovan（ミネソタ大学）、Mingming Zhang（中国南方科技大学）、Ann Van de Winckel（ミネソタ大学）、およびJürgen Konczak（ミネソタ大学）によって共同執筆されました。この論文はJournal of NeuroEngineering and Rehabilitation（2024年）に掲載され、以下のリンクを通じてアクセスできます：https://doi.org/10.1186/s12984-024-01396-9。

研究プロセスと方法

参加者

研究では計12名の慢性脳卒中成人（平均年齢54±10.9歳、平均脳卒中後6年）と、年齢及び性別がマッチした13名の神経正常なコントロール群（平均年齢54±15.3歳）が参加しました。参加者はすべて実験前に書面でインフォームド・コンセントを提供し、Mini-Mental State Examination（MMSE）テストで正常な認知機能があることが確認されました。

ロボット支援による本体感覚テスト

この研究で使用されたのは、ロボット足関節本体感覚評価システムで、直流モーターと内蔵エンコーダーで構成され、足板を高精度で回転させることができます。参加者はロボットを使って足関節が受動的に２つの異なる位置あるいは速度まで伸びることを体験し、その後心理物理学的方法により心理学的可知差阈（JND）と不確実性区間（IU）を得て、それらはそれぞれ本体感覚の偏差と精度を測定する指標として使用されました。

実験設計

各参加者のテストプログラムは２つの部分に分かれています：位置感覚テストおよび動きの感覚テストです。位置感覚テストでは、ロボットは足を中立位置から異なる２つの角度に受動的に屈曲させ、2秒間保持しました。比較刺激位置（PC）の振幅範囲は8.3度から14.6度までです。動きの感覚テストでは、ロボットの比較刺激速度の範囲は5.2度/秒から9.4度/秒までです。各テスト中にロボットは参考刺激と比較刺激をランダムな順序で提供し、参加者はどちらの動作が超えた/より速いかを答えて、次の比較刺激は適応Bayesianアルゴリズムで選択されました。

データ分析

研究は30回のトライアルデータを含み、logistic Weibull関数を使って参加者の感度の違いのデータをフィットし、心理学的可知差阈（JND）を感覚の偏差として、IUを感覚の精度として得ました。統計分析はWelchのt検定やWilcoxon-Mann-Whitney検定を使用して異なるグループ間の差異を比較し、相関性はSpearmanやPearson分析で行われました。

脳損傷分析

参加者のMRIスキャンには、標準的な脳イメージング分析ソフトウェア（MRIcronとSPM12）を使用して、MRI手動病変描写と統計パラメータマッピング（SPM）分析が行われました。重度の脳損傷比較MRIスキャンを空間的に標準化することにより、各被験者の脳病変の体積を得て、その本体感覚の損傷との関連を分析しました。

研究結果

本体感覚の損傷特性

この研究では、83％の脳卒中成人が位置感覚または動きの感覚、あるいはその両方で異常があることがわかりました。コントロール群と比較して、脳卒中群では心理学的可知差阈（JND）が顕著に増加し、位置感覚は77%、動きの感覚は153％増加しました。本体感覚の精度（IU）も同様に顕著に増加し、位置感覚では148%、動きの感覚では78%増加しました。

脳損傷と本体感覚の損傷との関連

脳卒中群の脳損傷の位置は、大脳皮質の複数の領域に集中していました。これには、一次体性感覚皮質、後頭頂葉皮質、一次運動皮質、前頭葉、インスラ、および側頭頂領域が含まれています。これは、これらの脳領域が足関節の本体感覚の処理と密接に関連していることを示しています。

結論および意義

この研究は、慢性脳卒中成人の足関節の位置感覚および動きの感覚の損傷の程度と頻度を初めて系統的に定量化しました。多くの脳卒中患者が本体感覚の損傷を抱えていることが判明しました。また、これらの損傷は特定の脳損傷領域と密接に関連しています。ロボット技術と心理物理学的方法の組み合わせにより、将来の臨床評価とリハビリテーションに向けたより正確で信頼性の高い方法と根拠を提供しています。

研究のハイライト

1. 系統的評価：慢性脳卒中成人の足関節位置感覚と運動感覚の損傷を初めて系統的に評価しました。
2. 高精度測定：ロボット技術と心理物理学的方法を用いて、本体感覚の偏差と精度を定量化しました。
3. 脳損傷との相関：足関節本体感覚の損傷と特定の脳損傷領域との関連性を初めて詳細に明らかにしました。

研究の応用価値

本研究は、脳卒中後的な本体感覚の損傷の検出におけるロボット技術の応用可能性を証明し、将来のリハビリテーション治療の方向性およびツールを提供しています。これらの発見は、脳卒中患者のバランスと歩行を改善し、転倒リスクを低減し、生活の質を向上させるための効果的なリハビリテーションプログラムの開発に役立つでしょう。

この脳卒中後の足関節本体感覚の損傷と関連する脳損傷に関する研究は、新しい視点と方法を提供し、将来の科学的研究と臨床実践に新たな道を開くものであります。