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アップルウォッチでも測定可能! 動きの「滑らかさ」を世界に先駆け数値化

富山英三郎

「脊髄性筋萎縮症(SMA)」の患者の動きを、モーションキャプチャやアップルウォッチを使い3次元解析するプログラムを開発した岐阜大大学院の研究チーム。本来は薬の効果を数値的に可視化するためのものだが、将来的にはスポーツ選手や舞踏家、職人技が魅せる「動きの美しさ」を数値化できるかもしれない。そんな3次元解析プログラムが生まれた背景や、今後の応用についてなどを同大学院連合創薬医療情報研究科の加藤善一郎教授に伺った。

ぎこちない動きと、
スムーズな動きの違いは何か?

加藤教授は創薬に関する研究を続ける傍ら、現在も臨床医として同大学の小児科でさまざまな患者を診察。医療の現場で得た知見を活用し、いくつもの研究を同時進行させている。そのひとつの成果が、モーションキャプチャやアップルウォッチを使った世界初の3次元解析プログラムだ。これは、全身の筋力が低下していく「脊髄性筋萎縮症(SMA)」患者の体の動きを解析するために生まれた。

「脊髄性筋萎縮症は、まだ研修医だった約30年前に担当していたことがあったんです。当時は薬もなく、視線を使っての会話術などQOL(クオリティ・オブ・ライフ)を改善する程度のことしかできなかった。それから約10年後、『TRH』という薬を、岐阜大学独自で脊髄性筋萎縮症の患者に向けて臨床応用し始めたのですが、その薬効を定量的に評価する方法がないということに改めて驚いたわけです」

脊髄性筋萎縮症の症状を評価する際、これまでは『腕が上がらない=0点』、『途中まで上がる=1点』、『耳まで上がる=2点』など大まかな評価方法が主体だった。

「でも、震えながら腕がぎこちなく上がるのと、スムーズに上がるのでは違いますよね? 『TRH』を投与すると、明らかに動きがスムーズになるわけです。これを臨床的には『滑らかになった』と表現します。しかし、その『滑らかさ』を評価する指標がなかった。これでは、薬を承認する機関に提出しても、どちらも手が上がっている状態と見なされ『治療効果ナシ』と判断されてしまう。そこで何かしらの指標が必要だと考えていました」

加藤教授は、遺伝子の変異によって生まれる病気の研究でも知られている。なかでも、免疫異常の原因物質(分子構造)を世界で初めて『立体的(3D)』に捉え、新薬開発へと導いた功績が大きい。『ハイテク技術を用いて立体構造を解明していく』ことは得意分野なのだ。

「体の動きを3Dで表現しようと考えたときに、スポーツの世界ではモーションキャプチャを使っているなと思ったんです。そこで、学内に眠っていた装置を引っ張り出して計測をしてみました。しかし、既存の方法論では臨床現場で必要とされる評価ができない。つまり、ぎこちなく上がる手と、滑らかに上がる手の違いを数値化できなかった」

モーションキャプチャとは、複数の赤外線カメラを並べた場所でマーカーと呼ばれる小さな球体を体に取り付ける。すると、カメラがマーカーの動きを捉え、軌道を計測していくというものだ。主に、正常な動きと比べてどれくらいズレているのかを計測するものであり、また正常値とされるものは健常者を対象としたものであった。

シンプルを極めたら、
アップルウォッチでも測定できることが判明

「臨床的な所見をどうすれば数学的に表現できるかを試行錯誤をしているとき、大学行きのバスの中で出会った方に話しかけてみたら、偶然にもコンピューターサイエンスを専門とする松丸先生だったわけです」

共同研究者である松丸直樹さんは、会津大学のコンピュータ理工学部、米国ウェイン州立大学コンピュータ研究科を経て、ドイツのフリードリッヒ・シラー大学コンピューターサイエンス研究科で理学博士となった人物。しかし、そんな専門家とタッグを組んでも『滑らかさ』の指標づくりには5年の歳月がかかった。

「できあがってみれば、1ヶ月もあればできたと思えるかもしれない(笑)。基本的な計算方法は、かなり早い段階でほぼ決まっていました。でも、患者さんにお願いするタスク(動き)と、我々が考えている解析手法がフィットするかなども含め、実証して検証して、最終的な計算まで詰めるのに時間がかかったんです」

一般的に、ぎこちない動きとスムーズな動きの違いは、モーションキャプチャを使いマーカーがブレる姿を表現すればいいと考える。そこで『ブレ』とは何かを考えたとき、加藤教授らは『空間精確性』(反復運動した際の、軌道の差を体積に似た数値として算出)と、『滑らかさ』(連続するベクトルの変化のズレから軌道の歪みを算出)というふたつの指標を取り入れた。

「一般的なモーションキャプチャは、20~30個のマーカーを取り付けるので、それもまたモーションキャプチャが臨床現場で敬遠される要因です。そこで、我々はできる限りシンプルなものを作ろうと思い研究開発した結果、マーカーが1つあれば解析できることがわかりました。その副産物としてアップルウォッチに内蔵されている加速度センサーなどを使っても、ほぼ同じ『空間精確性』『滑らかさ』という解析指標を使って評価できることがわかりました。実際の計算式はまったく別物なのですが(笑)」

モーションキャプチャを使う場合は、赤外線カメラなどの装置が必要になるが、アップルウォッチなら専用のアプリを使うだけ。これならば、町のクリニック、さらには在宅でも測定することができる。そうなると、遠隔医療の領域まで広がっていくことが予想される。また、動画に比べてモーションキャプチャやアップルウォッチからのデータは、せいぜい数十キロバイト。そのため、データのやり取りや保存も容易だ。今後、世界中からモーションキャプチャやアップルウォッチからのデータが集まれば、脊髄性筋萎縮症の子どもの標準値も決まってくる。すると、データ解析の手法にも広がりが生まれるかもしれない。

動きの滑らかさを追求すると、
「美」とは何か? にたどり着く

「運動機能を定量評価できるということは、薬の効果を可視化できるだけでなく、逆にどれくらいのペースで悪くなっていくのかもわかります。実は、そこもよくわかっていない部分なんです。また、神経疾患や筋肉疾患の患者さんだけでなく、発達障害の方へも応用できると思われます。さらには、スポーツや踊り、伝統芸能の世界で『キレ』や『美しさ』などと呼ばれる曖昧な表現も、数値で表現できるかもしれません」

私たちがプロのスポーツ選手やダンサーを見たとき、「動きに優雅さがある」「動きにキレがある」などと感心する場面は多い。しかし、なぜそう感じるのかを数学的に表現する術はこれまでになかった。しかし、『空間精確性』と『滑らか』さという指標を応用すれば、従来は曖昧だった『美』の領域へと踏み込むことができる。

「モーションキャプチャはスポーツの分野だけでなく、CGの世界でも使われていたりと、世界中にはさまざまなデータがあります。それらの過去データを使い、我々の解析プログラムで新しい評価軸を得ることができる。そうなると、医療とは違う業界でまったく新しい使われ方が生まれる可能性がある。そうなったら面白いですよね」

最後に、現在気になっている技術についてお話を伺った。

「アップルウォッチなど、ウェアラブルデバイスの進化に注目しています。今後さらに小さくなれば、指の繊細な表現も測定できるなど、ハード面の発達によって次なる展開が生まれる気がします」

加藤善一郎(Zenichiro Kato)
1990年 岐阜大学医学部医学科卒業、岐阜大学医学部小児科入局。
1997年 岐阜大学院医学研究科修了(医学博士)、奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科(国内留学・研究員)
1998年 岐阜大学医学部 助手(小児科)
2004年 岐阜大学医学部 講師(小児科)
2005年 ハーバード大学分子細胞生物学留学 客員研究員
2010年 岐阜大学医学部 准教授(小児科)
2011年 岐阜大学大学院医学系研究科 臨床教授(小児病態学)
2014年 岐阜大学大学院連合創薬医療情報研究科 教授(構造医学)、岐阜大学大学院医学系研究科 教授(小児病態学)

(text: 富山英三郎)

(photo: 岐阜大学)

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義足のスペシャリスト臼井二美男は、なぜ“走る”にこだわるのか【the innovator】前編

長谷川茂雄

日本におけるスポーツ用義足作りのパイオニアとして知られ、義肢装具士として30年以上活動を続ける臼井二美男氏。かつてまだ日本でスポーツ用義足が普及していなかった1980年代から、自ら情報を収集し、数々のプロダクトを生み出した臼井氏は、オリジナルのクラブチームを発足させ、走ることの楽しさも伝え続けてきた。そこから多くのパラリンピック選手が生まれ、現在も日本代表選手たちの総合的なサポートを行っている。なぜ臼井氏は義足を作り、走ることの重要性を説くのか? 同氏が所属する鉄道弘済会義肢装具サポートセンターを訪ねた。

恩師を思い出して義肢に興味を持った

義足作りの第一人者として知られる臼井氏は、JR南千住駅の目の前にある鉄道弘済会義肢装具サポートセンターで、日々義足を必要とする人たちの訪問を受け、要望を聞き、その人にぴったりのプロダクトを作るべく格闘している。そもそもなぜ義足作りを始めたのだろうか? 

「義足作りをする前は、ずっとアルバイト生活をしていたんですよ。それで28歳のときに、腰を据えてできる仕事を探そうと思って、たまたま大塚の職業訓練校に義肢課というものがあることを知ったんです。“義肢”っていう漢字自体、それまであまり見たこともなかったんですが、義足に対しては親近感がありまして。実は、小学校6年生ときの担任の先生が、腫瘍ができて大腿切断をしたために義足を履いていたんですよ。それを見せてもらったことを鮮烈に覚えていたので、義肢課に興味を持ったんです。早速ここ(現在の鉄道弘済会義肢装具サポートセンター)に見学に来たら、“技術者に欠員が出たから見習いとしてきてみないか?”と言われたんですよ」

ユーザーの急な来訪にも対応できるように、作業着のポケットやボディバッグには、常に多くの工具を入れて持ち歩いている。

義肢装具士は義足を作っているだけではない

義肢装具士と一口で言っても、その仕事内容は多岐にわたる。ユーザーにマッチした義足を作ることはもちろんだが、病院に出向いて様々な意見を聞いたり提案もする、いわゆる営業活動も大切な業務だ。ときには見積書を作成したり事務仕事もこなしながら、ユーザーのアフターケアも行う。それらを分業で行うところも多いが、臼井氏は義肢装具士を志した当初から、あらゆることを一人で行ってきたという。

「自分は仕事をオールマイティにこなすことが普通という環境で育ちましたので、なんでも一人でやってきました。大きな会社では、義肢装具士は営業だけで、義足作りもまったくしないところが少なくありません。その場合、義足は専門の職人さんが作るので出来栄えは綺麗ですが、患者さんのニーズに細かく対応できないというデメリットもあります。一概に、義肢装具士がすべてを一人でこなすことがいいとは言えませんが、お客さんからすると、責任を持ってあらゆることに関わってくれるほうが、安心感はあると思います。ただ、いろいろな業務をこなしながらモノづくりを覚えていくのは簡単ではありません。自分も、最初の2年間は仕上げだけしかやらせてもらえませんでしたから。患者さんの足の型を取って義足作りができるまで3年はかかりましたね」

臼井氏のようにユーザーの希望に事細かく対応しながら、あらゆる業務をこなすというのは大変なエネルギーが必要だ。加えて、近年では、義足そのものの作りも大きく変わってきている。そのため、義肢装具士は時代の変化に対応して、常に新たな技術習得も求められる。

「自分が義足作りを始めた1980年代は、骨格構造のモジュラー義足ができはじめた時代です。ちょうど義肢の技術が進歩し始めた頃で、それまで膝や足部の種類はすごく少なかったのが、あらゆる部品やパーツが飛躍的に増えていったんです。材料に関しても、チタンとか、アルミ合金とかカーボンファイバー、そういうものが義足にもちょっとずつ使われるようになっていきました。今主流になっているカーボンファイバーがしっかり浸透し始めたのは1995年頃だと思います」

ユーザー一人一人の特性やニーズはもちろん、時代の流れを把握して、その人にとって最高の義足を作るのが自分の役目だと語る臼井氏。これまで義肢装具サポートセンターが手掛けた多くのプロダクトの一部は、展示スペースで拝見することができる。

走ることやクラブチームに
関わることが生きがいになる

かつては限られた部品と材料で、画一的な義足が作られていたが、この20年で技術も素材も驚くほど進歩し、実に多種多様なプロダクトが作られるようになった。それだけに義肢装具士にも幅広い知識や技術が求められるが、だからといって基本は変わらないという。

「まず義肢装具士にとって大切なことは、ユーザーが支障なく生活できるちゃんとした日常用義足を提供することです。それは時代や状況が変わっても同じです。長く履いていても痛くないものを作ることが大前提。義足は体重がかかるので、痛みを伴うことが多いんですよ。しっかりと適合していないと必ずどこかが痛くなる。それは、虫歯をずっと抱えているような感じですから、精神的にもすごく不安定になるし、歩き方もおかしくなってしまうんです。それだと結局外に出なくなったり、人に対して短気になってしまったりと、何もいいことはないんです。まずは日常用のしっかりとした義足を作ってアフターケアもする。スポーツをお薦めするのは、次の段階です。その順番は、年齢も性別も関係なくみんな同じです」

臼井氏が日夜開発などを行う研究室には、大小様々な3Dプリンターも常備されている。

義足でも走ってみようと誰もが思うわけではない。まずはそう思えるまでの前段階が必要だと臼井氏は語る。自転車に最初から乗れる人がいないように、義足もまずは日々の生活と歩行が支障なくできるようになり、そこから走るためのトレーニングを徐々に積んで走る技術を習得していく必要がある。まずは、走ってみたいという欲求が出てくることも重要だ。

「必ず誰にでも走ることを薦めているわけではありませんが、ちょっとでも可能性を感じたら、“走ってみたら”と提案しています。それは、別にアスリートになって欲しいと思って言っているわけではありません。運動することでその人が持っている性格や体質、運動神経などが活かせることがたくさん出てきますので、可能性があるならぜひトライしてもらいたいだけなのです。なかには、運動よりも文化的なことが好きという方もいますから、そういう場合はもちろん無理強いはしません。でも、絵を描くことやホームページの作成などで(自分が発足させた)クラブチームを手伝ってくれている方もいらっしゃいます。大切なのは、走ることやクラブチームに関わることで、その人なりの生きがいを見つけることなんです」

後編へつづく

臼井二美男(うすい・ふみお)
1955年、群馬生まれ。大学を中退後に、28歳で義肢装具士を目指し東京身体障害者福祉センター(現公益財団法人鉄道弘済会 義肢装具士サポートセンター)に入社。1989年から、それまで日本になかったスポーツ用義足の開発・製作を開始する。1991年、切断障がい者を対象としたランニングクラブ“ヘルスエンジェルス(現スタートラインTOKYO)”を設立。自らが先頭に立ち、義足ユーザーがスポーツをすることの大切さを説いてきた。また、ランニングに関わらず、ユーザーの様々な要望(水泳、マタニティ、バイク、ファッションショーなど)に合わせた多くの義足を開発。2000年のシドニー大会以降は、パラリンピック日本代表のメカニックスタッフとして同行している

(text: 長谷川茂雄)

(photo: 増元幸司)

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