小脳内部順モデル仮説に基づく歩行運動のデータ駆動型同定と小脳障害評価への応用

基于小脑内部正向模型假设的数据驱动运动识别及其在小脑疾病评估中的应用

• 批准号: 21K11200
• 负责人: 田中 宏和
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Tokyo City University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K11200/
• 关键词: 小脳失調; 歩行運動; モーションキャプチャ; 四元数; 成分分析; 力学系; 力学系モデリング; 神経疾患; データ駆動型

神経疾患に伴い特徴的な運動障害が生じることはよく知られており、そのため神経疾患の臨床診断には運動障害の適切な評価が不可欠である。一方、臨床で広く使われている診断基準は医師の主観に依存した定性的なものが多く、客観的かつ定量的な運動障害の評価法が望まれている。本研究の目的は、小脳障害を対象に全身運動のデータ駆動型力学系モデリングを通して脳の制御信号を推定し、その制御信号の解析を通して神経疾患に特徴的な運動障害の原因を解明する方法論を確立することである。当該年度は複数の関節角間の協調を定量化するため、歩行運動中の関節回転角の多変量成分分析法を開発した。昨年度は回転角の四元数が持つ数学的特性を活用し、四限数の自由度を減らす変換を行うことで、多変量成分分析を可能にした。開発した成分分析法を歩行運動データに適用することで、解釈可能な歩行成分を抽出することが可能となった。これは歩行運動中の関節角を力学系として定式化する上で重要な成果である。この成果に基づき、四元数で縮約した自由度から力学系の同定を試みた。データ駆動型に力学系モデルを構築することで、身体運動のどの自由度がその後の運動を決定づけるかを調べた。具体的には、低次元に縮約したデータをスパース回帰の方法で力学系としてモデル化し、現ステップのどの成分が一ステップ後のどの成分に影響を与えるかを定量化することで、自由度間の因果的相互作用を定量化した。この方法を歩行運動データに適用したところ、反対側の運動からの影響を受けていることを明らかにした。

众所周知，神经系统疾病会出现特征性运动障碍，因此，对运动障碍进行适当的评估对于神经系统疾病的临床诊断至关重要。另一方面，临床实践中广泛使用的许多诊断标准都是定性的，取决于医生的主观性，因此需要一种客观、定量的运动障碍评估方法。本研究的目的是通过数据驱动的小脑疾病患者全身运动动力系统建模来估计大脑控制信号，并开发一种方法通过分析这些控制来阐明神经系统疾病特征的运动障碍的原因是建立信号。今年，我们开发了步行运动过程中关节旋转角度的多元分量分析方法，以量化多个关节角度之间的协调性。去年，我们利用旋转角度四元数的数学特性并执行减少四个有限数自由度的变换，使多元分量分析成为可能。通过将开发的成分分析方法应用于步行运动数据，可以提取可解释的步行成分。这是将步行运动期间的关节角度公式化为动态系统的重要结果。基于这一结果，我们尝试根据四元数减少的自由度来识别动力系统。通过构建数据驱动的动力系统模型，我们研究了身体运动的哪些自由度决定了后续运动。具体来说，使用稀疏回归方法将降维到低维的数据建模为动态系统，并通过量化当前步骤中的哪个组件影响后一步中的哪个组件，自由度为当将该方法应用于步行运动数据时，发现它受到对面运动的影响。

项目成果

Juggling on the Moon: A VR Yystem for Complex Motor Skill Learning

月球杂耍：用于复杂运动技能学习的 VR 系统

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiroyuki Kambara;Wanhee Cho;Hyeonseok Kim;Rikiya Oya;Yusuke Kitami;Makoto Kobayashi;Supat Saetia;Takahiro Kagawa;Hirokazu Tanaka;Makoto Miyakoshi;John Iversen;Scott Makeig;Makoto Sato;Natsue Yoshimura
• 通讯作者: Natsue Yoshimura

Universite Claude Bernard Lyon/Hopital Neurologique(フランス)

克劳德伯纳德里昂大学/神经医院（法国）

Scale for ocular motordisorders in ataxia (SODA).

共济失调眼部运动障碍量表（SODA）。

• DOI: 10.1016/j.jns.2022.120472
• 发表时间: 2022
• 期刊: J Neurol Sci.
• 作者: Shaikh AG;Kim JS;Froment C;Koo YJ;Dupre N;Hadjivassiliou M;Honnorat J;Kothari S;Mitoma H;Rodrigue X;Soong BW;Subramony SH;Strupp M;Schmahmann J;Manto M.
• 通讯作者: Manto M.

Cerebellum as a CNS Hub (Contemporary Clinical Neuroscience)

小脑作为中枢神经系统中心（当代临床神经科学）

• 发表时间: 2021
• 作者: Hidehiro Mizusawa;Shinji Kakei
• 通讯作者: Shinji Kakei

A Quaternion-Based Analysis of Joint Rotations in Whole-Body Gait Cycles

全身步态周期中关节旋转的基于四元数的分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Shinji Kakei;Masaya Watanabe;Toshiyuki Kondo;Hirokazu Tanaka
• 通讯作者: Hirokazu Tanaka