私は茨城県日立市の生まれで、地元の工業高等専門学校（高専）に進学しました。当時の高専は、卒業後は就職するのが一般的で、大学へ編入学できることなど知らなかったのですが、先生が大学へ進学することを勧めていたこともあって、高専を卒業後は、山梨大学工学部電気工学科の3年生に編入学しました。その頃は、電磁気学が面白いと思っていたので、電磁波、光、レーザーといったあたりの研究をやってみたいと漠然と思っていました。西澤潤一先生が書かれた本もよく読んでいましたので、光やレーザーに興味をもっていましたね。ですので、卒業研究では、そのような研究ができる研究室にいきました。そこで与えられたテーマは、液晶を混入したプラスチックの光デバイスの研究でした。最初は光ファイバの研究を希望したのですが、じゃんけんで負けてしまったんです。でも残念な気持ちはあまりなかったですね。とにかく、知らないことに関われるというほうが大きかったです。知識があまりない中で、先輩と一緒に実験をやって、偏光素子の製作だったんですけども、きれいに偏光した結果が出たときは嬉しかったですね。理論的な解析は先輩と先生がやって、先生がレター論文までまとめてくださいました。今思えば、研究の初期からまとめまで関われたことは、とても良い経験でした。

大学院から東北大学に進学したのですが、東北大学は光通信の研究で世界的に有名でしたから、光通信に関する研究をしている電気通信研究所の研究室を見学に行きました。ですが、配属面接の際に、生体工学を研究している新しい研究室を紹介され、その場で配属を希望しました。実は、受験後に、北海道大学の生体工学専攻の学生募集のポスターを見つけまして、なぜかとても強く魅かれていたんです。生体工学って何かよく知らなかったのですが、工学でも生体に関われるんだという感じです。そのようなときに紹介されたわけですから、希望しないわけがありません。これが、恩師である星宮 望先生との出会いであり、機能的電気刺激（FES）に関する研究に関わるきっかけでした。最初は修士を卒業したら就職をしようと思っていましたが、患者さんと接しているうちに、患者さんの笑顔っていうんですか、ちょっとしたことでもすごく喜んで下さって、もう少し関わってみたいなっていう気持ちになって、博士の後期課程に進学することに決めました。いろいろと事情があって大学院を途中で退学して、東北大学で助手に採用されて現在に至っています。

I was born in Hitachi City, Ibaraki Prefecture, and went to National Institute of Technology (KOSEN), Ibaraki College. At that time, it was common for students to get a job after graduation from the National Institute of Technology, and I didn’t know that it was possible to transfer to a university. After graduating from the National Institute of Technology, I transferred to the Yamanashi University as a junior in the Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, partly because a professor recommended that students go on to university. At that time, I was interested in electromagnetism, and I vaguely wanted to study electromagnetic waves, light, and lasers, and so on. I had often read books written by Prof. Junichi Nishizawa, so I was interested in light and lasers. So, for my graduation research, I went to a laboratory where such studies could be done. The theme I was given was a study on liquid crystal doped plastic optical devices. Initially, I wanted to study optical fiber, but I lost it in a rock-paper-scissors competition. However, I wasn’t too disappointed. Anyway, it was more important for me to be able to get involved in something I didn’t know. Although I didn’t have much knowledge of the study, I did experiments many times with my senior to produce a polarizing device, and finally, we could get a result that was clearly polarized, which made me very happy. My senior and the assistant professor performed the theoretical analysis, and finally, the study was accepted as a letter paper. Looking back on it now, it was a very good experience to be involved in the study from the beginning to the end.

I then entered into Graduate School of Engineering, Tohoku University. Since Tohoku University was world-famous for its research on optical communication, I went to visit the laboratories of the Research Institute of Electrical Communication, which was doing research on optical communications. However, at the time of the laboratory assignment interview, I was introduced to a new laboratory that was researching biomedical engineering, and I requested on the spot that I would be assigned to the laboratory. Actually, after I took the entrance examination, I found a poster for recruiting students for the Division of Biomedical Engineering at Hokkaido University, and for some reason, I was very strongly attracted to it. I didn’t know much about biomedical engineering, but it made me realize that in engineering, you can get involved in studies on living things. Since I was introduced to the laboratory at such a time, there is no reason not to hope for it. This was how I met my supervisor, Professor Nozomu Hoshimiya, and how I got involved in research on Functional Electrical Stimulation (FES). Initially, I thought I would find a job after graduating from my master’s program, but as I was interacting with patients, I could say that they were smiling, and they were very happy, even at the smallest things, which made me want to get more involved, so I decided to go on to the doctoral program. For various reasons, I quit graduate school midway through the program and was hired as a research associate at Tohoku University, where I continue to work today.

FESの目的は電気刺激で人体の動きを制御することです。実用化されている方法では、単純なオープンループ制御が使用されており、フィードバック制御がほとんど入っていませんでしたので、もっと工学的な制御を実現したいと考えていていました。フィードバック制御では、運動を計測することも重要ですので、計測方法の開発にだんだん研究の重点を移していきました。そのうち、人間が本来持っているメカニズムの複雑さを知るにつれて、これは工学的なシステムだけでは実現できないなという印象を持つようになりました。またその頃、世界的なFESに関する研究の流れが、日常生活での運動の制御からリハビリテーションへの応用に方向性が移ってきた雰囲気を感じたんですね。それで、リハビリテーションの方に重点を移していきながら、制御を簡単化して使えるようなシステムができないかと考え始めたんです。患者さんの状態をきちんと把握しないと、リハビリテーションプログラムにも応用できないので、患者さんの運動機能を計測して評価するという研究も並行して進めていきました。医工学研究科に移ってからは、計測から運動を評価する仕組みの開発と、患者さんの運動を補助しながらリハビリテーション訓練ができるようなシステムの開発を行っています。最近は初心に戻って、複雑な運動を工学的に制御する方法について、研究を再開しました。

FESによって人の運動を制御する場合、制御対象である人間の非線形性や時変性、冗長性や個人差の問題を解決する必要があります。これらを一気に解決したいところですが、やはり難しいんですね。それでいま着目しているのが、冗長性と個人差というところです。冗長性については実用に耐えうる形まで詰めていきたいと思っています。個人差については、ニューラルネットワークを使って、対象となる人の特性を学習させる方法の研究を進めています。あとは、センサで現在の状態を計測して、数秒後の動きを予測して、動きの目標を設定してフィードバック制御する方法の開発を行っています。やはり人の動きは再現性が低いですし、その時々で異なりますし、本人の状態に合わせて制御する必要がありますから。また、患者さんの動きに少し負荷をかける、ちょっと手助けすると患者さんの歩行がより良い方向に変わっていくような仕組みをシステムに埋め込むことができたら、リハビリテーションにも役立つと思っています。

運動の計測についての研究では、慣性センサ、つまり加速度センサとジャイロセンサを中心に使っています。慣性センサは着脱が簡単で、軽くて運動も妨げないし、付けた部位の状態を測定できるので便利なんです。現在の研究では、腰のところ（体幹）と、両足の太もも、すね、足部（靴の上）に、合計7個付けています。健常者ですと結構精度良く測定できていて、例えば歩行中の下肢の矢状面の角度は平均で数度ぐらいの誤差で測定できます。ストライド長や歩行速度も、平均で2～3%程度の誤差で出せます。慣性センサは激しい運動の測定は苦手ですが、患者さんのような比較的ゆっくりした動きでしたら十分利用できます。一方で、カメラ撮影による測定は、正確ではあるんですけど、限られた状況でしか測定できないし、患者さんもカメラに写ってるところでは無意識のうちに頑張っちゃうんですね。だから、慣性センサだと、自然な状態、あと家に帰ってからの状態も測定できると思っています。また、慣性センサのメリットは、いつでもどこででも簡単に測れるところです。病院によっては計測のスペースが十分取れないところもあって、そういうところで手軽に測れるシステムになります。リハビリテーションも含めて医療関係では、最初のスクリーニングではこういう装置で簡単に測定して、次に高精度の装置で、より詳細に診断するというように分けて利用することもできると思います。

リハビリテーションについての研究では、計測と電気刺激を組み合わせて、センサで測りながら電気刺激を与えて歩行の練習をするシステムの開発を行っています。具体的には、下垂足（足首を反らすことができないので、歩行時に下肢全体を外側に振ったり、足を高く挙げないと歩けない状態）を電気刺激で矯正することから行っています。遊脚期に前脛骨筋や総腓骨神経を電気刺激して、歩行がどう変わるか、装具をつけた時と下垂足をFESで補正した時でどう変わるかなどを計測しています。もちろん、歩行装具の方が安定性はあるし、長距離を歩くときには歩きやすいと思います。でも、日本は靴を脱いで家に上がって畳に座る文化があるので、装具を使わないでそういう生活に適応できる環境を提供できたらいいなと思って研究を進めています。

The purpose of FES is to control the movements of the human body by applying electrical stimulation. Early studies used simple open-loop control for practical application, with little feedback control, so I wanted to achieve more advanced engineering control. With feedback control, measurement of movements is also important, so I gradually shifted the focus of our research to develop a measurement method. Eventually, as I learned more about the complexity of the mechanisms inherent in humans, I came to realize that engineering system alone was not enough to achieve the precise motor control. At the same time, I also felt that the global trend in FES research was gradually shifting from motor control to applications in motor rehabilitation. So, as I moved the focus of my research to rehabilitation, I began to think about whether we could realize a system that would simplify control of movement and apply it to rehabilitation. Without a proper understanding of the patient’s condition, it would not be possible to apply the system to the rehabilitation program, so I also conducted a study on measuring and evaluating the patient’s motor function. Since joining the Graduate School of Biomedical Engineering, I have been developing a system to evaluate movements and a system to assist patients’ movements in their rehabilitation training. Recently, I went back to the beginning and resumed my research on how to control complex movements in an engineering manner.

When controlling human movements by FES, it is necessary to solve the problems of nonlinearity, time variability, redundancy, and individual differences in humans who are controlled. We would like to solve all of these problems at once, but it’s not easy. What we are focusing on now are redundancy and individual differences. For the redundancy, we would like to improve it to a point where it is practically viable. Regarding individual differences, we are working on a method for learning the characteristics of a target person using a neural network. We are also developing a method of feedback control, in which a sensor measures the current state of the subject, predicts the subject’s movement in a few seconds, and sets a target for the movement control. After all, the movement of a person is low in reproducibility, differs from time to time, and it is necessary to control it according to the person’s condition. In addition, I think it would be useful for rehabilitation if we could embed in the system a mechanism that imposes a small load on the patient’s movements, or that can change the patient’s gait for the better with a little help.

In the research on the measurement of movements, we use inertial sensors, mainly accelerometers, and gyroscopes. Inertial sensors are convenient because they are easy to put on and off, are lightweight, don’t interfere with movement, and can measure the condition of the body segments they are attached to. In our current studies, we have a total of seven sensors on the lumbar region (trunk), thighs, shanks, and feet (on shoes) of both lower limbs. In the case of a healthy person, it can be measured with relatively good accuracy. For example, the angles of lower limbs in the sagittal plane during walking can be measured with an error of about several degrees on average. Stride length and walking speed can also be estimated with an average error of about 2-3%. Inertial sensors are not good at measuring intense movements, but they can be sufficiently applicable to relatively slow movements such as those of motor disabled patients. On the other hand, measurements with an optical motion analysis system are accurate, but they can only be made in limited situations, and patients also work hard unconsciously when they are caught on camera. That is why I think the inertial sensor can measure the patient’s natural condition and also properly measure the patient’s condition after returning home. Another advantage of the inertial sensor is that it can easily measure anytime and anywhere. Some hospitals don’t have enough space to take measurements, so we would like to develop a system that can be used easily in such places. In the medical field, including rehabilitation, I think it is possible to separate the initial screening phase into simple measurements with this kind of device, and then a more detailed diagnosis is performed with a high-precision device.

In our research on rehabilitation, we are developing a system that combines measurement and electrical stimulation to practice walking by giving electrical stimulation while measuring with sensors. Specifically, we use electrical stimulation to correct the drop foot (a condition in which the ankle cannot be made dorsiflexion, so the patient cannot walk without swinging the lower limb outward or lifting the foot high during walking). We are trying to electrically stimulate the tibialis anterior muscle and the common peroneal nerve during the swing phase and measure how the gait changes and how it changes between wearing a brace such as ankle-foot orthosis (AFO) and correcting the drop foot with FES. Of course, some patients find the orthosis more stable and easier to walk when walking long distances. However, in Japan, there is a culture of taking off shoes and sitting on the tatami at home, so I hope to provide an environment that allows people to adapt to this kind of lifestyle without using an orthosis, and that is what we are researching.

日本の大学では、医学系と工学系の中間の部局があんまりないんです。外国では、例えば、カナダのトロント大学では、リハビリテーションセンターの施設内に研究室があって、工学系の研究者がトップにいて、その中に、研究者、エンジニア、リハビリテーションスタッフが一体になって活動できる環境があるのですが、日本ではそのようなシステムはほとんどありません。医学は医学、工学は工学みたいに分かれているようです。医工学研究科はその中間的な組織であり、教育システムを提供していますので、将来、異なる分野をつなぐ人材が増えていって、もっと臨床と密に連携できる環境がたくさんできていくことを期待しています。

医工学研究科の学生さんには、自分自身で考えて、とにかく、人の役に立つようなことを考える人に育ってくれればと思います。とかく大学は通過点になってしまいがちなのですが、いま、一生懸命、患者さんの役に立つようなことを精一杯やってほしいと思っています。研究室での新人へのガイダンスの際に「まず、やってみる。なんでもやってみる。とにかくやってみる。」っていう研究の進め方の一つの考えを紹介しているのですが、うまく伝わっているかはわかりません。不確定要素が多くて、結果がどうなるかわからないことがほとんどですし、どんな小さなことでも、必要な点、大切な点は、人によって違うと思うんですよね。そこを自分で考えて、決めて、実行していくことで、道は拓けていくと思いますし、やったことは自身の力にもなりますから。最後まで、納得できるまでやるという考えでやってくれるようになれば、嬉しいですね。

医工学という観点でいうと、人が中心になってきますので、通常の工学系の研究とは違ったアプローチも出てくると思います。例えば、繰り返しやること、多くの被験者さんでやることの重要性を強調しています。Aさんで１回だけいい結果がでても、もう一度やったら違う結果になるかもしれないし、Bさんで結果が違ったら駄目ですよと。機械と違って対象が人間なので、再現性はかなり悪いですから。別な言い方をすれば、Aさんで使えるシステムができても、Bさんで使えなければだめですよね。また、例えば、歩行を測って重心の軌跡とかを推定すると、歩いているときの重心のパターンが人によって違って出てくる。人による違いがどうして生まれるのか、そういったことがすごく大切な発想の原点になると思っています。工学の場合、何に応用できるのか、という観点も大切なのですが、人の場合、未知のことも多いですし、個人差も大きいですから、なんでそうなるんだろうという観点での研究も並行して進めるようにしています。

In Japanese universities, there are few divisions combining medical and engineering fields. In other countries, for example, at the University of Toronto in Canada, there is a laboratory in the Rehabilitation Center, where an engineering researcher is at the top, and researchers, engineers, and rehabilitation staff can collaborate in the laboratory. In Japan, however, there is almost no such system. It seems that medicine is divided into medicine and engineering is divided into engineering. The Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University is an intermediate organization that provides an educational system, so I expect that in the future, the number of people who connect different fields will increase and that we will be able to create more environments in which researchers from different research fields can work more closely.

I hope that students in the Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University will grow up to be people who think about helping others. University tends to be a passing phase for students, but I want them to do their best to help patients as much as they can. When I was giving guidance to newcomers in the laboratory, I introduced one of the ways of conducting research, “Try first. Try anything.” However, I’m not sure if they understand what I’m saying. There are many uncertainties and we are not sure what the outcome will be, and I think the points that are necessary or important, no matter how small, are different from person to person. By thinking about it, deciding on it, and carrying it out, students will be able to pave the way, and what they do will give them strength. I would be happy if they can do it with the idea of doing it until they are satisfied with their work.

In terms of biomedical engineering, human beings are the focus, so I think there will be a different approach to this than in normal engineering research. For example, I emphasize the importance of repeating experimental tests, and doing it increases the number of subjects: even if you get one good result with patient A, the result might be different when the test is repeated, and if you get a different result with patient B, it may be useless. Unlike a machine, the subject is a human being, so the reproducibility is quite poor. In other words, even if a system that can be used by patient A is developed, it is useless if patient B cannot use it. In addition, for example, when we measure a person’s gait and estimate the trajectory of the center of mass (COM) of the body, the pattern of the COM while walking will differ from person to person. I think this is a very important starting point for thinking about why differences are caused by persons. In the case of engineering, it is important to think about what we can apply the technology to, but in the case of humans, there are many unknowns and individual differences, so I try to do research from the perspective of why this is happening.