卓上型コンパクトロボットが理学療法提供を革新

『Tech Briefs』インタビュー：ウィスコンシン大学ミルウォーキー校（UWM）機械工学教授・学科長Habib Rahman氏による、脳卒中患者向け在宅リハビリロボット「iTbot」開発の経緯と技術詳細。

開発のきっかけ：コロナ禍でのリハビリ困難

Connected Systems Instituteプロジェクトでモーターのデジタルツイン作成・遠隔制御研究中に着想。Rahman教授は長年リハビリ/支援ロボティクス研究（脳卒中生存者グループ、車椅子ユーザーグループ）。COVID-19時、リハビリ支援が困難になり、デジタル技術と遠隔操作ロボット研究を融合し、ロボットを用いたテレヘルス実現を目指しました。

課題：ロボットの滑らか・安全な動作、データ適切伝送。通常産業用ロボットとは異なり、リアルタイムでロボット/患者観察、フィードバック取得必須。自前開発に着手。

張力/抵抗調整メカニズム

制御アルゴリズムが人間の運動意図検知。二種センサー使用：

• 筋電図（EMG）
• 力センサー

EMGは主にシステム動作検証用。EMG信号は筋肉から発生。動こうとするとベース電気信号から収縮時信号へ変化。脳卒中患者では良好信号取得難しいが、健常者なら増幅で対応可能。力センサーなら動作意図＝筋活性化で信号取得、生理学的品質測定可能。静止保持でも筋使用ならEMG信号検出。

EMGには針刺入型と表面型あり。表面EMG（皮膚貼付電極間電位差測定）使用。制御アルゴリズムで手部運動良好なら力センサー信号優先。

力センサー位置と治療モード

力センサーは手首ハンドルに配置、常に動作検知。患者障害程度に応じコントローラーが支援レベル調整、または抵抗増大で筋力強化。支援療法と抵抗療法両対応。目標設定し達成させるが強く押す必要あり（アクティブ支援療法）。到達不能時はロボット補助（アクティブ支援療法）。脳卒中で神経ネットワーク断絶・微細運動喪失時は反復必要、ロボットが無労力で肢位動かす（受動療法）。実動作獲得後は機能的タスクで協調学習。

技術的張力調整

モータードライバーが力センサー信号/EMG信号ベースでモーター電流調整、アクチュエーション変更。

遠隔/対面両対応とデジタルツイン

従来対面のみ、今テレヘルス探索中。バージョン違い：超小型在宅版、リハビリセンター版（療法士が目標設定、遠隔データ取得、プロトコル調整、遠隔ロボット制御可能）。

安全性とセラピスト関与

脳卒中患者対象でデータ取得中。AI完全開発後もセラピスト常にループ内。多数患者でAI完全開発目指すが、プログラミング・監督にはセラピスト必須。コントローラー開発で被験者募集継続中。

個人差大、セラピストなしでAIのみで適切力決定は困難。対策：運動前兆・疼痛期検知法則活用。筋活性化で疼痛増大、力センサー結果増大。EMG/力センサー両方で確認、開発段階ではセラピストと二重チェックしコントローラーへ反映。

将来数千患者対応へ、疼痛フリー可動域測定に三要素：EMG活動レベル、力センサー抵抗レベル、カメラ顔表情からの疼痛検知。開発段階で100%正確でないが、長期目標は最小監督システム。

デジタルツインの役割

セラピストは実ロボットでなくレプリカ（デジタルツイン）保有。ロボット遠隔操作、生成データ読取り可能。関節角度移動量、ロボット受けた力確認。被験者動作試行時、力大きさ/方向、EMG読み取り等確認。双方向通信。

Microsoft Azureクラウドサービス使用。信号→Azureクラウド→患者宅。セラピスト不在時データクラウド蓄積、セラピスト随時アクセス可能。

ゲーム活用でモチベーション向上

研究でロボット療法にゲーム活用で性能向上実証。運動学習原理に基づきタスク特化ガイド療法レジメン提供。適切チャレンジ設定、明示/暗黙フィードバック収集で進捗監視。機能的タスク（洗浄、テーブル拭き、スプーン移動等）ゲーム化。退屈な反復作業をエンゲージングに、スコア向上が動機付け。研究グループ実証でゲーム使用がより良い成果。

ロボットの利点：セラピスト補完、不足解消

セラピストと相補的。セラピスト慢性的不足・減少傾向。患者にロボット貸与、24/7 tirelessly稼働。1セラピストが1日多数患者診療可能。10回反復にセラピスト付き添い不要、ロボットが精密実施。血圧計を医師が遠隔監視するように、セラピスト/患者支援。保険適用リハビリ回数制限あるが、ロボットでセラピスト指導下無制限継続可能。

費用負担と商用化進捗

保険適用見込み：医学的正当性あれば持続的受動運動（CPM）マシンレンタル保険適用実績あり。CPMは単なる反復のみ。ロボットはスマート化したCPM相当。購入でなくレンタル想定。

商用化段階：実脳卒中患者で実験中。昨年スタートアップ設立、数名協力で商用化推進中。研究用ロボットとして即販売可能だが、臨床在宅利用にはFDA承認必要（1-2年見込み）。