膝関節音の周波数解析を用いた変形性膝関節症重症度分類法の開発　
挑戦的研究（萌芽）（代表）　令和元年から令和4年

変形性膝関節症の早期発見が重要ですが、同様に予防が大切であり介護予防、健康寿命延伸の第一歩と考えられています。しかし健康診断には膝関節の検査が含まれていません．我々は痛みや被ばく（レントゲンやCT）がなく、「少し膝が変形し始めていますよ」という段階で簡便に見つけ予防に結び付ける方法として、膝から出る「音」に着目し研究をしています。今回の研究では、臨床で簡単に計測できる方法論の確立とAIを使った解析を進めました。計測については、安定して計測でき簡便に使用できるソフトを開発（試作）しました。片足と両足スクワット、段差など動作の負荷を変えることで生ずる音の差（違い）を見る方法が、現時点では使用しやすいというところまでわかりました。AIを使った解析についても工学部との共同研究により複数の論文掲載まで至りました。今後は、実用化を目指していきたいと考えます。

歩行のre-trainingによる変形性膝関節症への長期効果検証　
基盤研究（B）(代表)　令和元年から令和4年

変形性膝関節症は要支援となる原因のひとつであり，運動機能が落ちる最初の原因とされています．早期にどうしたら良いかという点を研究しています。特に歩く動作は，最も一般的な運動であると同時に繰り返し膝にストレスを加えています．我々は先行研究でO脚になる負荷が約6％減らすことができるドローイン歩行を提唱しました．ドローインとは腹部をへこませて体幹の深部筋を収縮させる方法です．今回，2㎝へこませることを基準として，その2㎝のへこましができているか，力が抜けて膨らんでしまったかを音でフィードバックするベルトを作成し，変形性膝関節症のある方々に6週間，1日20分歩く時にそのベルトを付けていただく方法で応用しました．その結果，膝痛と姿勢が改善しました．簡単で続けやすい方法であるため，86％の方が継続できました．今後は，変形性膝関節症と関連のある生活習慣病，糖尿病，尿漏れ，転倒予防への効果を検証していきます．また，工学部との共同研究で，膝に加わる負荷を簡便に計測するシステムを開発しています．慣性センサを用いたもので，実用的な方法に段階的に近づいています。

膝関節から生じる振動信号の解析による変形性膝関節症の早期診断方法の確立　
基盤研究（B）　平成27年度から平成29年度

　人間ドックには、関節の検査があまりないのが現状です。膝の痛みや変形は多くの中高齢者が抱える問題です。この研究では、比較的簡単に膝の変形の始まりをとらえることができないかを関節から起こる振動（音）の解析の検討をしています。今までの結果では、変形が進んだ骨の変形は，膝の立ち上がり時の膝の角度と振動の周波数、音の回数を組み合わせて、健康な膝との違いを出すことができ、振動を膝の周辺よりもすねの骨で計測した方がノイズが少なく、判別しやすいということまでわかりました。しかし、軟骨の変化までは、十分な判別ができず、今後は、膝関節の動かし方なども変更して、解析を進めて行く予定です。細かい軟骨の変性などの判別は難しいと思いますが、健康な膝、軟骨が少し悪い膝、軟骨がだいぶ悪い膝、軟骨がなく骨の変形が進んだ膝の4段階ぐらいに分類ができればと考えています。その結果と体重や生活習慣から3年後，5年後の膝の状態を予測できれば、膝の変形の予防につながるのではないかと考えています。
　また、膝の変形の予防を目的として歩行や動作についても、合わせて研究を進めています。

• 現在までの本研究成果

研究論文

• Aimoto K, Ota S, Hase K, Sakai T, Kodama K, Nakamura H. Development of an impulse response method for assessing knee osteoarthritis at the femorotibial joint. - Comparison between healthy young adults and older women with clinical knee osteoarthritis -. J Med Biol Eng. 2019. (in Press)
• Ota S, Ogawa Y, Ota H, Fujiwara T, Sugiyama T, Ochi A. Beneficial effects of a gait used while wearing a kimono to decrease the knee adduction moment in healthy adults. PloS One. 2017; 12(6):e0179260.
• Ota S, Ando S, Tozawa Y, Nakamura T, Okamoto S, Sakai T, Hase K. Preliminary study of optimal measurement location on vibroarthrography for classification of patients with knee osteoarthritis. J Phys Ther Sci. 2016 ; 28: 2904-2908

学会発表

• Ota S, Ohko H, Fujita R, Imai A. Preliminary study of modifications of gait and ADL to reduce knee pain and improve knee Joint function. 2017 OARSI World Congress 2017.4.27.-4.30, Las Vegas, USA
• Sakai T, Kodama K, Wakayama S, Kageyama K, Hase K, Ota S. Development of Non-invasive Diagnosis Method for Knee Osteoarthritis by Using Knee Joint Angle and Acoustic Information, Progress in Acoustic Emission, XVIII, 2016.12.05-09．83-88.
• 中村 博明, 長谷 和徳, 林 祐一郎, 坂井 建宣, 太田 進．ウェアラブルセンサによる変形性膝関節症診断システムの開発(原著論文)．第37回バイオメカニズム学術講演会（予稿集） 2016.11.1213，富山．.129-132.
• Aimoto K, Itoh Y, Hase K, Sakai T, Kondo I, Ota S. A new impulse response method to assess early knee osteoarthritis differences between young and elderly women. European League Against Rheumatism (Eular) 2016.6.8-6.11, London, England
• Ota S, Ogawa Y, Ota H, Fujiwara T, Sugiyama T. Beneficial effect of a gait modification, “Nanba style walk,” for decreased knee adduction moment. European League Against Rheumatism (Eular) 2016.6.8-6.11, London, England
• 相本啓太，太田進，近藤和泉．インパルス応答法を用いた膝関節振動計測方法の検討．第51回日本理学療法学術大会，2016年5月27-29日，札幌市

膝関節から生じる振動信号の解析による変形性膝関節症の早期診断方法の確立　
基盤研究（B）　平成27年度から平成29年度

　人間ドックには、関節の検査があまりないのが現状です。膝の痛みや変形は多くの中高齢者が抱える問題です。この研究では、比較的簡単に膝の変形の始まりをとらえることができないかを関節から起こる振動（音）の解析の検討をしています。今までの結果では、変形が進んだ骨の変形は，膝の立ち上がり時の膝の角度と振動の周波数、音の回数を組み合わせて、健康な膝との違いを出すことができ、振動を膝の周辺よりもすねの骨で計測した方がノイズが少なく、判別しやすいということまでわかりました。しかし、軟骨の変化までは、十分な判別ができず、今後は、膝関節の動かし方なども変更して、解析を進めて行く予定です。細かい軟骨の変性などの判別は難しいと思いますが、健康な膝、軟骨が少し悪い膝、軟骨がだいぶ悪い膝、軟骨がなく骨の変形が進んだ膝の4段階ぐらいに分類ができればと考えています。その結果と体重や生活習慣から3年後，5年後の膝の状態を予測できれば、膝の変形の予防につながるのではないかと考えています。
　また、膝の変形の予防を目的として歩行や動作についても、合わせて研究を進めています。

• 現在までの本研究成果

研究論文

• Aimoto K, Ota S, Hase K, Sakai T, Kodama K, Nakamura H. Development of an impulse response method for assessing knee osteoarthritis at the femorotibial joint. - Comparison between healthy young adults and older women with clinical knee osteoarthritis -. J Med Biol Eng. 2019. (in Press)
• Ota S, Ogawa Y, Ota H, Fujiwara T, Sugiyama T, Ochi A. Beneficial effects of a gait used while wearing a kimono to decrease the knee adduction moment in healthy adults. PloS One. 2017; 12(6):e0179260.
• Ota S, Ando S, Tozawa Y, Nakamura T, Okamoto S, Sakai T, Hase K. Preliminary study of optimal measurement location on vibroarthrography for classification of patients with knee osteoarthritis. J Phys Ther Sci. 2016 ; 28: 2904-2908

学会発表

• Ota S, Ohko H, Fujita R, Imai A. Preliminary study of modifications of gait and ADL to reduce knee pain and improve knee Joint function. 2017 OARSI World Congress 2017.4.27.-4.30, Las Vegas, USA
• Sakai T, Kodama K, Wakayama S, Kageyama K, Hase K, Ota S. Development of Non-invasive Diagnosis Method for Knee Osteoarthritis by Using Knee Joint Angle and Acoustic Information, Progress in Acoustic Emission, XVIII, 2016.12.05-09．83-88.
• 中村 博明, 長谷 和徳, 林 祐一郎, 坂井 建宣, 太田 進．ウェアラブルセンサによる変形性膝関節症診断システムの開発(原著論文)．第37回バイオメカニズム学術講演会（予稿集） 2016.11.1213，富山．.129-132.
• Aimoto K, Itoh Y, Hase K, Sakai T, Kondo I, Ota S. A new impulse response method to assess early knee osteoarthritis differences between young and elderly women. European League Against Rheumatism (Eular) 2016.6.8-6.11, London, England
• Ota S, Ogawa Y, Ota H, Fujiwara T, Sugiyama T. Beneficial effect of a gait modification, “Nanba style walk,” for decreased knee adduction moment. European League Against Rheumatism (Eular) 2016.6.8-6.11, London, England
• 相本啓太，太田進，近藤和泉．インパルス応答法を用いた膝関節振動計測方法の検討．第51回日本理学療法学術大会，2016年5月27-29日，札幌市

布センサーを利用した良姿勢フィードバックによる作業関連性疼痛の予防　
平成27年度から平成29年度　挑戦的萌芽研究

　平成24年から26年度の基盤研究（C）により、お腹を2㎝ほどへこます（腹圧を挙げる：おなかに力を入れる）と、背中が2度伸びる（姿勢が良くなる）ことが分かり、お腹の周りの長さを常に監視して、計測できるシステムの試作品まで完成しました。そのセンサ（布センサ）を、いろいろな姿勢や関節の位置などの気づきに使えないかを検討した研究です。まずは、事務仕事時に姿勢が悪くなった時を知らせる研究を行いました。背中の丸くなることよりも、肩が前に出てくることを感知した方が、計測しやすく、特に頭が前に出てくる傾向を予防することができました。現在は、センサの回路が小さくなり、先の腹囲やその他の部位の感知を行っています。腹囲の感知もおおよそ違和感なくでき、現在はそのデータをスマートフォンに送り、悪い姿勢や関節の位置をスマートフォンのバイブレーションで、知らせるなどの工夫をしています。そのためのアプリの作成も研究分担者と進めています。

• 現在までの本研究成果

研究論文

• 加藤禎菜，福田早紀，鈴木康雄，太田進．VDT (Visual Display Terminals) 作業中の姿勢フィードバックによる姿勢アライメントと疼痛に関する効果．実験力学．2016:16(4):315-319.

変形性膝関節症の一発症要因解析とその予防のための姿勢フィードバックツールの開発
基盤研究(C) 2012年4月1日～2015年3月31日

　本研究は、40歳以降に急速に増加する変形性膝関節症（中年期以降の主な膝痛の原因で一般的にO脚変形を来します）の原因を歩行や姿勢とキーワードに、検討したものです。4つの研究から成り立っています。

1．変形性膝関節症の方は、そうでない方と比較して若い時に姿勢やO脚などの特徴があるか検討しました。その結果、O脚傾向はありませんでしたが、足先がまっすぐ向いている傾向がありました。つまり、脛骨と言う膝下の骨が下に行くほど内側に少し捻れていると考えられます。捻転（内捻）と言って、日本人の特徴との報告もあり、その結果と類似するものと思われます。

2．20歳代と40歳代の膝軟骨の状態と歩行の特徴を比較した所、40歳代で大腿骨内側表面の軟骨変性がありました。また、歩行の特徴としては、40歳代の方が腿の前の筋肉を多く使う歩き方をしていました。その2点に直接関係は、ありませんでしたが、O脚変形（体の横方向の変形）の前に、歩行としては前後方向の変化が起こるのかもしれません。

3．姿勢と歩行時膝関節O脚方向にかかる力の関係を調べました。良い姿勢をとるため、腹部引き込みというおなかをへこませる方法と取りました。その方法により70％程度の方は、背中の丸さが改善し、歩行時O脚方向の力が減少しました。つまり、ウォーキング時におなかをへこませる（腹式呼吸のように息を吐く時で，時々で良いと思います）と、O脚になりにくい歩き方となると考えます。

4．おなかをへこませる距離を計る布センサーを付けたベルトの試作品を作成しました。この構造は、今後の挑戦的萌芽研究に引き継ぎ、腰痛予防や頸部痛予防を目指します。

　現在、これらの研究内容は英語論文投稿中です。

• 現在までの本研究成果

研究論文

• Ota S, Kano R, Fukuta S, Miyai R, Masaoka N, Yoshida A. Does decrease of thoracic kyphosis influence decreased knee adduction moment during gait? : A preliminary study of a healthy population. J Phys Ther Sci. 2015; 27: 3077-3079

研究発表

• 福田祥冶, 宮井良, 正岡奈緒, 吉田旭宏, 加納里華, 福田祥冶, 宮井良, 太田進． 腹部引き込み運動による姿勢および歩行時膝関節内反モーメントへの影響． 第26回愛知県理学療法学会． 2017.03.05.
• 正岡奈緒, 吉田旭宏, 加納里華, 福田祥冶, 宮井良, 太田進． MRI T2mappingによる膝関節軟骨評価の臨床的有意性について -Smallest Real Differenceを用いて-第26回愛知県理学療法学会．2017.03.05.
• Ota S, Kano R, Fukuta S, Miyai R, Ohko H, Hase K. Acute influences of draw-in maneuver for spine alignment and knee adduction moment during gait. 2015 OARSI World Congress 2015.4.30-5.3, Seattle, USA
• 鳥居善哉，太田 進，片岡亮人， 藁科秀紀，今泉史生．変形性膝関節症症例と一般高齢者における青年期下肢アライメントと姿勢に対するアンケート調査 （第一報）― 10～20歳代の回想調査より ―．第30回東海北陸理学療法学術大会．静岡市，2014.11.15-16.
• Ota S，Nakamura T, Ando A, Fukuyama A, Watanabe A, Tozawa Y, Hase K, Matsui Y. A comparison of knee joint biomechanics during free gait and cartilage T2 mapping values in healthy individuals in their twenties and forties. OARSI2014, Paris, 2014.4.24-27.

介護、医療現場に応用しやすい簡便な高齢者用運動様式に関する研究
基盤研究(C) 21500467 , 2009年04月～2011年03月

　本研究は、ポールウォーキングの動作解析を行いその後に臨床、介護現場における応用を試みたものです。ポールウォーキングとは、スキーのストックのようなポールを陸地用に使用できるようになったものを用いたウォーキングです。研究のはじめは、ヒトのサルからの発達、子どもからの成人への発達を考えると歩行には四つ這いの動作が事前に必要であると考えられます。そのため、歩行能力の低下した高齢者に新たに四つ這いと同様の運動を行うと歩行能力が改善されるのではないかと考えました。四つ這いに類似した運動様式として、ポールウォーキングを取り入れることにしました。現在、ノルディックウォーキングとして一般に知られている様式もありますが、私が応用したポールウォーキングという様式は、ポールを普通の歩行のタイミングで前方に出して歩くだけのもので、ノルディックウォーキングより簡易と思われます。
　さて、そのポールウォーキングの動作解析では、健常成人では通常歩行よりO脚になる力が減少していることが分かりました。ノルディックウォーキングでは減少していませんでした。そのため、膝のO脚の予防、もしくはO脚の方には適した歩行と考えられました。また、デイサービスにおいて約65名のほどの高齢者の方に参加頂き、ポールウォーキングを使用した場合と使用しなかった場合（コントロール群）において，運動機能，姿勢やQOL（生活の質）などを比較しました。その結果、コントロール群では歩行能力が低下していましたが、ポール群では低下していませんでした。また一部の姿勢で前かがみが減少していました。最も明らかな結果としては，身体に関するQOLが改善していました。3か月間、週2回、1回10分という短い時間でしたが、そのような結果が得られました。デイサービスでの応用のため、時間には限界がありました．ただ地域の高齢者の方々が最も多く利用する居宅介護サービスで、スタッフの負荷も少なく、デイサービスを利用時にポールを使用して移動して頂く程度で効果があったということに重要な知見があると考えます。