筋肉の形状と変形を考慮した新しい仮想人体筋骨格モデル「Def Muscle」の開発に成功

2016年9月1日

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT） リンク

リンク" target="_blank" rel="nofollow">筋肉の形状と変形を考慮した新しい仮想人体筋骨格モデルの開発に成功
～PCで動作可能な次世代筋骨格モデル「Def Muscle(デフ マッスル)」～

【ポイント】
■　筋肉のボリューム（形状）と干渉（ぶつかり合い）により、筋肉の自然な位置関係が表現可能に
■　運動神経科学、リハビリ、スポーツ等の分野における教育支援や運動解析の精度向上に貢献
■　GPU搭載のパーソナルコンピュータで動作可能なソフトウェアを技術移転

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 坂内 正夫）は、脳情報通信融合研究センター（CiNet）において、筋肉のボリューム（大きさ・形状）と干渉（ぶつかり合い）による変形を考慮した新しい仮想人体筋骨格モデル 「Def Muscle(デフ マッスル)」を開発することに成功しました。本技術の開発により、従来モデルでは表現しきれなかった肩・体幹などの複雑な筋肉の位置関係及び筋力の作用ベクトルを表現できるようになり、運動神経科学やリハビリ・スポーツ等のバイオメカニクス関連分野における運動解析の精度が向上し、特にこれまで重要とされながらも手に負えなかった肩こりやスポーツ肩障害の予防研究への応用が期待できます。
　今回パーソナルコンピュータに搭載可能なGPUを用いて開発された筋骨格モデルの計算基盤は、運動解析や運動シミュレーション、ビジュアライゼーション等で利活用できるプログラミングソフトウェアとして技術移転先企業から販売される予定です。
　本研究成果の一部は、JSPS 科研費（24650383、15H05362）の助成を受けて行われたものです。

【背景】
　筋骨格モデルは、現在、人間工学やバイオメカニクス関連分野において幅広く用いられており、ヒトの運動を対象にしたあらゆる分野で必須のツールとなってきています。NICT CiNetでは、脳が膨大な数の筋肉を制御する仕組みを明らかにする研究で筋骨格モデルを利用しています。しかし、従来の筋骨格モデルでは、筋肉をボリュームのない直線や折れ線として単純化してしまっているため、筋が骨の中に埋まったり、本来表層にあるべき筋が深層の筋の内部に埋まったりといった不自然な状況が起きてしまう場合があり、関連分野全体の大きな課題となっていました。

【今回の成果】
　本研究では、この問題を根本的に解決するため、筋肉のボリューム及び干渉による変形を考慮した新しいタイプの筋骨格モデルの開発に取り組んできました。ボリュームの変形には多大な計算コストがかかり、ボリュームモデル開発の大きな障壁となってきましたが、本研究では、近年急速に発展したGPU並列プログラミング手法を取り入れて解決を図りました。その結果、肩周辺の33本の筋肉のボリュームと干渉を考慮したモデルを、スーパーコンピューターではなく、パーソナルコンピュータ（GPU搭載が必要）で動作させることに成功しました。
　今回公開するソフトウェアは、体の姿勢に応じて変化する筋肉の形状や位置関係を可視化する機能に加え、関節への作用を決定する筋力の作用ベクトルを出力する機能を有しています。

【今後の展望と技術移転】
　本研究の成果を活用し、脳が膨大な数の筋肉を制御する仕組みを明らかにする研究を効果的に進めていきます。また、将来的には、体幹や下肢にまで部位を拡張し、近年ニーズの高まっているロコモティブシンドローム対策の研究等に応用していく予定です。リハビリやスポーツへ応用する際には、各個人のモデルを作成することが必要となるので、断面画像等を利用して個人モデルを作成する技術の開発も視野に入れています。
　本筋骨格モデル「Def Muscle」に関する知的財産権は、株式会社スリーディー（リンク）にライセンスされ、同社によって2016年中にプログラミングソフトウェアとして販売が開始される予定です。肩周辺筋群の形状サンプルは無償で公開し、部位が拡張された際には随時公開していく予定です。