バーチャルリアリティ（VR）が、反復的なリハビリテーションを魅力的で適応性の高いトレーニングへと変えることで、脳卒中や神経障害の運動機能リハビリテーションをどのように変革しているかをご紹介します。本ブログでは、EEG（脳波）、EMG（筋電図）、モーショントラッキングなどの生体センサーを活用し、回復状況をリアルタイムでモニタリングし、モチベーションを高め、よりアクセスしやすく、個人に合わせた運動機能や歩行機能の回復を支援する、VRを活用した在宅テレリハビリテーションシステムについて解説します。
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何かを手に取ろうとする場面を想像してみてください。一見単純な動作のように思えますが、実際には複雑な行為です。この動作は、脳や体のさまざまなレベルで処理される一連の運動機能の連携によって成り立っています。神経系の損傷により運動機能に障害を抱える人々にとって、食事やメールの入力、本の読書といった一見日常的な作業でさえ、大きな課題となることがあります。
神経系の障害は、身体のあらゆる部位に影響を及ぼす可能性があります。最も一般的な例の一つとして、下肢の運動機能への影響が挙げられ、これが歩行障害や日常生活活動への参加制限につながります。歩行中に他の運動や認知タスクを遂行する能力は著しく損なわれ、それに伴い、例えば道路を横断したり障害物をまたいだりする際など、周囲の環境に適応する能力も低下します。
これらのプロセスには中枢神経系および末梢神経系の多くの部位が関与しており、その一部が損傷を受けると、運動機能の回復はしばしば困難で時間のかかるプロセスとなります。回復に向けたいくつかの戦略が検討されており、その中には集中的なリハビリテーション[1]、反復運動訓練[2]、ミラー療法[3]などが含まれます。以下では、次のアプローチについて解説します。
VRを活用したリハビリテーション
従来のリハビリテーションと聞くと、何を思い浮かべますか？ 退屈ですよね！ その性質上、繰り返しが多く、こうした反復は時間の経過とともに患者のやる気を低下させてしまいます。さらに、患者1人に対して（少なくとも！）1人のセラピストがマンツーマンで対応する必要があるため、リソースの需要が増え、ひいては医療システムのコスト増につながります。加えて、客観的なデータが得られず、患者が自宅でどの程度のリハビリを行っているかを把握することもできません。
研究者たちは、運動リハビリテーションをより魅力的で効果的なものにするための新たな手法を模索している。近年、バーチャルリアリティ（VR）は、リハビリテーション戦略を斬新かつ低コストなアプローチに取り入れることで、従来の療法を補完する有効な手段として注目されている[4]。VRを活用した療法は、前向きな学習体験をもたらし、患者の関心を高め、やる気を引き出すことができる。
VRを用いた療法では、模倣やビデオゲームのような活動を通じて、患者のニーズに合わせた課題を設定することができます。バーチャルリアリティの利点は、その可能性が本質的に無限であることです。仮想環境は、個々の認知機能や身体機能の障害に合わせた課題を設計することでカスタマイズすることができ、これは脳の再編成を最大限に促進し、運動計画、学習、実行に関与する脳領域を活性化させる[5, 6]だけでなく、患者の関与を維持する上でも極めて重要です。
サウスカロライナ大学の研究者らは、VRとブレイン・コンピュータ・インターフェース（BCI）の原理を組み合わせ、さまざまな程度の運動障害を抱える慢性期脳卒中患者の治療に取り組んでいる[7]。彼らのマルチモーダルなアプローチでは、仮想現実を用いて患者に自身の上肢のアバターを表示し、脳（脳波検査、EEG）と筋肉（筋電図検査、EMG）のセンサーおよび信号を組み合わせることで、提示された課題を実行しようとする患者の動きを可視化する。 この手法により、時間の経過とともに、患者の運動イメージ（動作を想像し計画する能力）が向上し、運動回路が再活性化され、上肢の運動機能の回復が促進されることが示されている。
VRを活用した療法は、脳卒中後の歩行リハビリテーションにおいても著しい改善をもたらしています。歩行の再訓練を目的としたVR介入では、没入型環境を構築するために、スクリーンやヘッドマウントディスプレイと組み合わせたトレッドミル訓練システムが頻繁に用いられます。また、慣性計測装置（IMU）、力センサー、筋電図（EMG）センサーなどの追加の生体センサーも使用され、患者の運動学、運動力学、および筋活動の変化を追跡しています。 これらのパラメータをリアルタイムで可視化することで、セラピストは患者に対し、課題の進捗状況や遂行の質についてタイムリーなフィードバックを提供でき、患者は自身の誤りを理解し、修正する機会を得ることができます。
さらに、調整可能な練習内容とカスタマイズ可能な環境により、セラピストは二重課題や予期せぬ状況を設計することができ、患者は歩行中に環境の変化に適応する能力を再学習できるようになります。その結果、VRを用いた訓練を受けた患者は、従来のリハビリテーションを受けた患者と比較して、課題の要求に応じて歩行速度をより効果的に向上させることが示されています。練習を重ねることで、患者は周囲の環境の変化に応じて歩行をより適切に適応させることができるようになります [8]。
To see how these concepts are applied in practice, explore our Talk to a Research Expert page.
VRを活用した遠隔リハビリテーション
脳卒中を経験した人々にとって、日々のリハビリテーションを継続することは、良好なリハビリ成果を得る可能性を高めます。しかし、米国やヨーロッパでは、何百万人もの患者が地方に住んでおり、セラピストへのアクセスが容易ではありません。そのため、彼らは、都市部への毎日の通院にかかる高額な交通費を負担するか、あるいは有益な治療を諦めるかの選択を迫られることになります。
こうした状況下では、患者のモチベーションを維持することが困難となります。さらに、患者が自宅で実施するリハビリテーションについては、処方された運動プログラムの遵守状況を把握できないため、従来のリハビリテーションの成果を予測することが難しく、成功の可能性も低くなる恐れがあります。
今日、バーチャルリアリティ（VR）を活用した遠隔リハビリテーションは、活発な研究が行われている分野です。VRを活用した遠隔リハビリテーションを行うセラピストは、ウェブを通じて運動プログラムを処方することができ、患者は自宅にいながら簡単にそのプログラムにアクセスし、実行することができます。VRを活用した課題は、患者が運動を行うための管理された環境を提供します。臨床データはリアルタイムで収集され、オンラインデータベースに保存されるため、遠隔地からでもアクセス可能です。
これにより、セラピストはウェブを通じて患者の経過を観察し、リアルタイムでのやり取りや指導を行うことなく、必要に応じて治療内容を調整することができる。このようにして、セラピストは自宅で同時に運動を行っている複数の患者を監視することが可能となり、従来の1対1の形式から大きな進歩を遂げるとともに、大幅なコスト削減を実現している[9, 10]。
結論
医療やリハビリテーションの現場において、バーチャルリアリティはまだ導入初期の段階にあり、臨床医の間では、この技術に関して次のような未解決の疑問が残されています。
- VRを感覚運動リハビリテーションに効果的に活用するために、認知面や知覚面において最低限必要な要件はあるのでしょうか？
- 半没入型システムは、運動機能の回復を促進する点において、没入型環境と同等の効果があるのだろうか？
しかし、パイロット研究の初期結果は、特に脳卒中後の慢性期患者にとって非常に有望であり、VRを活用した運動リハビリテーションの有効性について、以下のような知見をもたらしている：
- 従来の療法に代わる、より高度なデジタルリハビリテーション手法を提供し、リハビリテーションの効果を最大限に引き出します。
- これにより、さまざまな神経疾患を抱える患者が、障害のために現実の生活では行うことができない動作を実行できるようになります。
- 慎重な評価に基づき、個々の症例に応じた治療目標に沿って策定された、個別化された治療計画を提供することができます。
- 3D仮想環境やビデオゲームのようなタスクを通じて、患者の関与と意欲を高めます。
- 即座に、かつ分かりやすいフィードバックを提供します。
- 神経生理学的測定と分析を通じて、治療成果を向上させます。
- これは、遠隔リハビリテーションのための管理された環境を提供します。
リハビリテーションにおけるVRの活用について、お読みいただきありがとうございました。iMotionsとVRデバイスの連携についてさらに詳しく知りたい方は、以下のパンフレットをダウンロードしてください。
参考文献
[1] Wittenberg G.F., Richards L.G., Jones-Lush L.M., et al. (2017). 慢性期脳卒中患者における集中的な練習による上肢運動機能の改善に関連する予測因子および脳の接続性の変化. F1000Research 2017, 5:2119. doi: 10.12688/f1000research.8603.2
[2] Thomas L.H.、French B.、Coupe J. ほか（2017）。脳卒中後の機能的能力改善のための反復的タスク訓練：コクラン・レビューの主要な更新。『Stroke』2017;48:e102-e103.doi: 10.1161/STROKEAHA.117.016503
[3] Pérez-Cruzado, D., Merchán-Baeza, J. A., González-Sánchez, M., & Cuesta-Vargas, A. I. (2016). 脳卒中患者の上肢機能におけるミラー療法と従来のリハビリテーションの比較に関する系統的レビュー. Australian Occupational Therapy Journal, 64(2), 91–112. doi:10.1111/1440-1630.12342
[4] Laver K.E., Lange B., George S., Deutsch J.E., Saposnik G., Crotty M. (2017) 脳卒中リハビリテーションにおけるバーチャルリアリティ. Cochrane Database of Systematic Reviews. 第11号. 記事番号：CD008349. doi: 10.1002/14651858.CD008349.pub4.
[5] Boyd, L. A., Winstein, C. J. (2001). 片側脳卒中後のヒトにおける暗黙的な運動シーケンス学習：練習と明示的知識の影響. Neuroscience Letters, 298(1), 65–69. doi:10.1016/s0304-3940(00)01734-1
[6] Rizzo A., Kim G.J. (2005). バーチャルリアリティを用いたリハビリテーションおよび療法分野のSWOT分析. Presence, 第14巻第2号, 2005年4月, 119–146 © 2005 マサチューセッツ工科大学
[7] Vourvopoulos A、Pardo OM、Lefebvre S、Neureither M、Saldana D、Jahng E、Liew S-L (2019) 仮想現実（VR）ニューロフィードバックを併用した脳－コンピュータ・インターフェースの効果：慢性期脳卒中患者を対象としたパイロット研究。Front. Hum. Neurosci. 13:210. doi: 10.3389/fnhum.2019.00210
[8] de Rooij I., Port I., Visser-Meily J., Meijer J. (2019). 亜急性期脳卒中患者の社会参加改善に向けたバーチャルリアリティ歩行訓練と非バーチャルリアリティ歩行訓練の比較：ViRTAS無作為化比較試験の研究プロトコル. Trials. 20. 10.1186/s13063-018-3165-7.
[9] Pareto L., Johansson B., Zeller S., et al. (2011). 「バーチャル・テレリハビリテーション：事例研究」. Studies in health technology and informatics. 169. 676-80. 10.3233/978-1-60750-806-9-676.
[10] Tchero H., Tabue-Teguo M., Lannuzel A., Rusch E. (2018). 脳卒中生存者に対する遠隔リハビリテーション：系統的レビューおよびメタ解析. J Med Internet Res 2018; 20(10):e10867. doi: 10.2196/10867. pmid: 30368437. pmcid: 6250558