WO2004023996A1 - 活動筋肉表示装置 - Google Patents

Description

明細 活動筋肉表示装置 技術分野

本発明は、 皮膚表面上で計測する表面筋電図か ら筋を 構成する運動単位を特定し、 こ の特定した運動単位に基 づき、 活動する筋肉を表示する活動筋肉表示装置に関す る も のである。 背景技術

生体は複雑な運動制御を行っ てお り 、 その制御機構を 明 らかにする こ とは、 人間工学等の分野において大きな 意義があ り 、 こ のよ う な生体における制御機構を解明す るため、 神経一筋活動を計測 · 解析しょ う と い う 試みが 多く 行われている。

筋は、 多く の運動単位と呼ばれるサブユニッ ト によ り 構成されている。 こ の運動単位は脊髄内の単一の α運動 ニュー ロ ン ひ M o t o r N e u r o n 、 以下、 「 a — M N」 とする。 ） と、 ひ 一 M N に支配される筋繊維 群か ら な り 、 神経一筋制御機構の最小機能単位である。 筋の収縮時には、 複数の運動単位が協調 して活動する。 運動単位の活動電位 （ M o t o r U n i t a c t i o n p o t e n t i a l 、 以下、 「 M U A P 」 とする 。 ） を計測し、 個々 の活動様式を解析する こ と は、 神経 一筋制御機構を解明する上で重要な こ とである。

筋収縮に伴っ て発生する電位の変化を示す筋電図は、 複数の M U A P の干渉波形 と して計測されるが、 こ の筋 電図には、 筋に刺入する針電極で計測 した針筋電図と、 非侵襲の表面電極によ り 計測した表面筋電図がある。

針筋電図は、 生体組織な どの影響を受けに く く 、 運動 単位の分離が比較的容易である とい う利点があ り 、 筋電 図を運動単位の分離によ り解析する際に用い られる こ と が多い （ K . C . M c G i 1 1 、 K . L . C u m m i n s a n d L . J . D o r f m a n , A u t o m a t i c D e c o m p o s i t i o n o f C l i n i c a 1 E 1 e c t r o m y o g r a m " I E E E T r a n s 。 B i o m e d 。 E n g 、 B M E 、 v o l . 3 2 、 p p . 4 7 0 - 4 7 7 , 1 9 8 5 ) 。 一方、 表 面筋電図は、 皮膚表面に表面電極を貼 り 付ければ計測で きるため、 針筋電図に比べ比較的簡単に筋電図を計測で きる と いっ た利点があっ た。

しか しながら 、 針筋電図は、 計測時に針電極を筋肉に 刺して計測する必要があ り 、 生体に負荷を与えて し ま う と いっ た問題点があるため、 多数の筋を同時に計測する こ とは困難であ った。 また、 針電極が計測する部位は、 非常に狭い範囲であ り 、 あ らか じめ生体組織内の どの場 所を計測するかを決定してお く 必要があ った。 一方、 表 面筋電図では電極下にある多数の M U A P が、 時間的 - 空間的に加算されたもの と して観測されるため、 個々 の 運動単位の発火パターンを特定する こ とが困難である と い う 問題点があっ た。 発明の開示

上記の課題を解決するために、 本発明は、 次のよ う な 手段を講じたものである。

すなわち、 本発明は、 皮膚表面上に配置する複数の電 極と、 こ の複数の電極における皮膚表面上の表面筋電図 を計測する表面筋電図計測部と、 こ の表面筋電図計測部 で計測した表面筋電図に基づき活動した筋を構成する個 々 の運動単位か ら の信号を分離する運動単位分離部と、 運動単位分離部で得た個々 の運動単位の活動によ り 生じ た皮膚表面上での電位分布か ら 、 運動単位の 3 次元的な 位置を推定する運動単位位置推定部と、 こ の運動単位位 置推定部で特定した個々 の運動単位の活動をま とめて画 像化 して表示する表示部と を具備する こ と を特徴とする こ のよ う な構成によれば、 複数の電極及び表面筋電図 計測部によって生体を侵襲する こ とな く 表面筋電図を計 測する こ とができる と と も に、 運動単位分離部及び運動 単位位置推定部によ って、 時間的 · 空間的に加算された 多数の M U A P か ら活動した運動単位の 3 次元的位置を 特定する こ とができ、 さ ら に、 特定した運動単位を表示 部が画像化するため、 生体における筋制御機構の解明に 非常に有用 とする こ とができる。 なお、 前記表面筋電図計測部で計測した表面筋電図か ら所定の発火パターンを示す個々 の運動単位を推定する ためには、 前記運 単位分離部が、 多チャ ンネルブライ ン ドデコ ンポルーシ ヨ ン法に基づき、 前記表面筋電図計 測部で計測 した表面筋電図か ら所定の発火パターンを示 す個々 の運動単位を分離する こ とが望ま しい。

よ り 正確に活動した運動単位を特定するためには、 生 理学的知見に基づく 運動単位の発火間隔の分布パターン および表面筋電図波形を格納する運動単位発火パターン 格納部を備え、 前記運動単位分離部が分離した各電極の おける時系列信号と照合して， 一致する関係にある場合 に， 運動単位と特定する こ とが望まれる。

運動単位位置推定部では、 与え られた皮膚表面上の電 位分布を再現するのに必要な生体組織内に流れる電流源 も し く は筋繊維の脱分極によっ て形成される電位分布を 推定する必要がある。 これを行う には、 静電場を与える 偏微分方程式程式に従っ て、 運動単位分離部で与え られ た表面電極位置での電位を境界条件 と して逆問題を解け ばよい。

なお、 本発明の好ま しい態様と しては、 前記運動単位 分離部で得た各運動単位に対応する電極位置電位よ り ， 前記運動単位位置推定部が、 その電位を再現する よ う に ポアソ ン方程式か ら電流源を推定する ものが挙げられる また、 運動単位位置推定部における逆問題を解く ため には、 電気的コ ンダク タ ンスが異なる生体内の脂肪、 骨 、 筋肉等の分布、 配置をモデル化 したコ ンダク タ ンス分 布モデルを格納する コ ンダク 夕 ンス分布モデル格納部を 備える必要があ る。

また、 運動単位位置推定部における逆問題は、 そのま までは不良設定問題であ るため、 一意に解く ため には運 動単位の脱分極モデルを格納する運動単位脱分極モデル 格納部を備える必要があ る。

分離の精度を向上させるためには、 前記複数の電極が 、 ア レイ 状に並べて配置された ものである こ とが望ま し い

皮膚の動きに と もなう 接触抵抗の変化ゃ リ 一 ド線の揺 れな どによ り 生 じる低周波の変動等の外乱を好適に除去 するためには、 所定の周波数以上の周波数成分を有する 信号を通過させるハイパス フ ィ ルタ を設け、 前記表面筋 電図計測部が計測する表面筋電図が、 こ のハイ パス フ ィ ル夕 を通過させたものであればよい。

多チャ ンネルブライ ン ドデコ ンポ リ ューシ ョ ンを精度 よ く 行う ためには、 前記表面筋電図計測部で計測 した表 面筋電図を、 平均値が 0 、 分散が 1 に正規化した り 、 前 記運動単位分離部が、 前記表面筋電図計測部で計測する 表面筋電図を所定の条件で学習 し、 こ の学習 した学習デ —夕 に基づき発火した筋を構成する個々 の運動単位を推 定した り する こ とが望ま しい。

また、 運動単位を構成する筋繊維や運動ニュー ロ ンを モデル化した筋肉分布モデルを格納する筋肉分布モデル 格納部を備え、 前記表示部が前記運動単位位置推定部で 特定 した運動単位を前記筋肉分布モデルに重ねて 3 次元 表示すれば、 発火した運動単位の動作をよ り 具体的に認 識する こ とができる。

精度よ く 表面筋電図の測定を行う ためには、 表面筋電 図の計測時に、 計測中の表面筋電図を画像出力する計測 監視部を設け、 こ の計測監視部に運動単位以外と推定さ れる表面筋電図が画像出力 された際に、 前記表面筋電図 計測部が計測を行わないよ う に構成している こ とが望ま しい。 図面の簡単な説明

第 1 図は、 本発明の実施形態における活動筋肉表示装置 の全体構成を模式的に示す図である。

第 2 図は、 同実施形態における表面電極を模式的に示す 図であ る。

第 3 図は、 同実施形態における活動筋肉表示装置本体の 内部機器構成図であ る。

第 4 図は、 同実施形態における活動筋肉表示装置の機能 を示す機能構成図である。

第 5 図は、 同実施形態におけるチャ ンネル毎の表面筋電 図を示す図である。

第 6 は、 同実施形態における ブライ ン ドデコ ンポ リ ュー シヨ ンの構造を示す図である。 第 7 図は、 同実施形態における発火間隔分布 Λター ン格 納部に格納する運動単位の発火間隔の分布パター ンを示 す図である。

第 8 図は、 同実施形態における活動筋肉表示装置の動作 を示すフ ロー図である。

第 9 図は、 同実施形態における独立成分を示すフ ロー図 である。

第 1 0 図は、 同実施形態における 4 番目 の独立成分に対 する混合フ ィ ル夕 のィ ンパルス応答を示す図である。 第 1 1 図は、 同実施形態における 7 番目 の独立成分に対 する混合フ ィ ル夕 のィ ンパルス応答を示す図である。 第 1 2 図は、 同実施形態における 1 5 番目 の独立成分に 対する混合フィ ルタ のイ ンパルス応答を示す図である。 第 1 3 図は、 同実施形態における 1 6 番目 の独立成分に 対する混合フィ ルタ のイ ンパルス応答を示す図である。 第 1 4 図は、 同実施形態における発火した運動単位を画 像表示する態様を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明の一実施形態について図面を参照して説 明する。

第 1 図は、 本発明の実施形態における活動筋肉表示装 置 Aの全体構成を模式的に示す図である。

本発明の活動筋肉表示装置 Aは、 第 1 図に示すよ う に 、 被験者 Mの皮膚表面上に配置する複数の表面電極 1 a 、 l b , - ■ · 、 I s 及び I t (以下、 「表面電極 1 」 と 総称する。） を備えた表面電極ユニ ッ ト 1 U と 、 こ の複 数の表面電極 1 それぞれに接続される複数の リ ー ド線 2 a 、 2 b 、 · · · 、 2 s 及び 2 t (以下、 「 リ ー ド線 2 」 と総称する。） と 、 こ の複数の リ ー ド線 2 と接続さ れる と と も に前記複数の表面電極 1 を用いて測定した表面筋 電図に基づき発火した運動単位を特定し さ ら に こ の特定 した運動単位を画像化 して表示する活動筋肉表示装置本 体 3 と を具備する ものであ る。 なお、 本実施形態では、 地面に対して図示しない水平な台の上に被験者 Mの腕を 載せ、 その被験者 Mの薬指の張力発生時に筋長変化を伴 わない等尺性収縮時における筋電図を測定し、 これよ り 発火した運動単位を特定し さ ら に特定 した運動単位を画 像化 して表示する場合を一例に挙げて説明する。

表面電極ユニ ッ ト 1 Uは、 第 1 図及び第 2 図に示すよ う に、 筋の収縮運動に と もなっ て生ずる皮膚表面上の電 位の変化を検知する直径 2 . 0 m mの表面電極 1 と、 こ の表面電極 1 を極間 1 0 m m及び 4 m mにて 5 X 4 のァ レイ 状に して取 り 付ける表面電極支持板 1 1 と を備える ものであっ て、 この表面電極ュニッ ト 1 Uを肘窩よ り 約 1 0 c mの と こ ろか ら配置する こ とによ り 、 薬指の動作 によ っ て生じ る筋の収縮運動に と もなっ て生ずる皮膚表 面上の電位の変化を好適に検知するよ う に している。 そ して、 5 X 4 のア レイ 状に配置した表面電極 1 において 、 極間 1 0 m mにて隣接する一対の表面電極 1 を 1 チ ヤ ンネルと し、 1 6 チヤ ンネルそれぞれのチヤ ンネルにお ける電位差を筋電位信号と して活動筋肉表示装置本体 3 に出力するよ う に設定している。

活動筋肉表示装置本体 3 は、 一般的な情報処理機能を 有する コ ンピュータであっ て、 第 3 図に示すよ う に、 C P U 1 0 1 、 内部メ モ リ 1 0 2 、 H D D等の外部記憶装 置 1 0 3 、 前記 リ ー ド線 2 と接続される通信イ ンタ フ エ イ ス 1 0 4 、 ディ ス プレイ 1 0 5 、 マウスやキーボー ド と いっ たユーザイ ン夕 フ ェイ ス 1 0 6 等を主な構成要素 と してレ る。

一方、 こ の活動筋肉表示装置本体 3 を機能面で説明す る と、 前記各部が動作する こ と によ り 、 第 4 図に示すよ う に、 フ ィ ルタ部 3 1 と、 表面筋電図計測部 3 2 と、 運 動単位分離部 3 3 と、 コ ンダク タ ンス分布モデル格納部 3 4 と 、 運動単位位置推定部 3 5 と、 筋肉分布モデル格 納部 3 6 と、 計測監視部 3 7 と、 表示部 3 8 、 運動単位 発火パターン格納部 3 a 、 運動単位脱分極モデル格納部 3 b 等と しての機能を有している。

以下、 各部を詳述する 。

フ ィ ル夕部 3 1 は、 前記表面電極 1 か ら リ ー ド線 2 を 介して取得する筋電位信号において所定の周波数よ り 高 い周波数成分を通過させる ものであ っ て、 本実施形態で は、 皮膚の動きに と もなう 接触抵抗の変化 · リ ー ド線 2 の揺れな どによ り 生じる低周波の変動を前記筋電位信号 か ら好適に除去できる よ う に、 カ ッ トオフ周波数 2 . 5 H z のハイパス フィ ル夕で構成 している。 そして、 この フィ ル夕部 3 1 を通過後に第 5 図に示すよ う な 1 6 チヤ ンネル各々 の表面筋電図で前記ディ ス プレイ 1 0 5 に表 示する よ う に構成している。

表面筋電図計測部 3 2 は、 表面電極 1 によ り 計測した 信号を増幅し、 ア ンチエイ リ アシングフィ ルターをかけ た後で、 前記皮膚表面上における表面筋電図を計測する ものである。 なお、 本実施形態では、 前記筋電位信号を サンプリ ング周波数 1 k H z 及び 1 2 ビッ ト A Z D変換 にてサンプリ ングを行う 。

運動単位分離部 3 3 は、 前記表面筋電図計測部 3 2 で 計測 した表面筋電図に基づき発火した筋を構成する個々 の運動単位を推定する ものであ っ て、 本実施形態では、 多チャ ンネルブライ ン ドデコ ンポル一シ ョ ン法に基づき 、 前記表面筋電図計測部 3 2 で計測 した表面筋電図か ら 所定の発火パターンを示す個々 の運動単位を分離する よ う に設定している。

よ り 具体的に多チヤ ンネルブライ ン ドデコ ンポルーシ ヨ ン法を説明する と、 この方法は高次統計量を利用 して 信号を統計的独立な成分へと分離可能な独立成分分析に 分類される手法の一つであっ て、 時間的に独立な信号 s ( t ) = [ s 丄 （ t ) 、 · ■ · 、 s _n ( t ) ] ^τが混合 フィ ルタ に通されたもの と して観測される多チャ ンネル の各時刻 t での信号を X ( t ) = [ X _x ( t ) 、 · · · 、 X _n ( t ) ] ^Tと表した と き、

y(t)二

によ り 信号を独立成分 y ( t ) = [ y _x ( t ) 、 y _n ( t ) ] ^Tに分離する こ とができ る。 こ で、 W ( Z - ¹ ) は、

( 2 ) と表される。 Ζ - ¹ は Z — ^r X ( t ) = X ( t 一 て ） のよ う に動作する時間遅れ演算子を表す。

そ して、 逆フ ィ ルタ を求めやすく するために W ( z - ¹ ) を 2 つ の片側のみの F I R フ ィ ルタ L ( c a u s u a l )、 R ( n o n - c a u s u a 1 ) に分解する 。 こ のよ う に分解されたフ ィ ルタ におけるブライ ン ドデコ ン ポ リ ューシ ョ ンの過程を第 6 図に示す。 混合フィ ルタは 時空間的に一定である と仮定し、 その逆フ ィ ル夕 の推定 は、

Δ^(τ) = η ； {δ(τ')一 φ議 t― r')}L(r― τ'

τ'=0 ( 3 )

AR(T) =—η L^H {ζ-^ι)ψ{_υ{ϊ))η^τ [t + T')R(T一 τ')

'=0 ( 4 ) によ って学習される。 こ で R ( 0 ) は単位行列、

Ν

^L ―¹ ∑L(T)^T

「=0

であ る。 以上によっ て分離された独立成分の各出力信号の例を 第 9 図に示す。 この例では、 4 、 7 、 1 5 番目 の各成分 に単独の運動単位に相当する信号が現れている。 こ の信 号は、 ディ スプ レイ に表示され、 計測者がこれら を選択 する。

次に、 各独立成分に対応する M U A P の各表面電極へ の現れ方を次のよ う に して調べる。 i 番目 の独立成分の イ ンパルス 出力 のみ、 y = [ 0 、 · · · 、 0 、 y ； ( t ) > 0 , - - - 0 ] ^T , y _i ( t ) = [ 0 , - - - , 0 , ( t )、 0 、 · · · 、 0 ] に対する入力 x ( i ) は、 y ( t ) = W ( Z - ¹ ) ( t ) よ り 、

x ( i ) = W ( Z ¹ ) ¹ の第 i 列 … （ 5 ) で与え られる。 なお、 こ こで δ ( t ) は、 t = 0 の時だ け 1 で、 その他では 0 を と る もの とする。 これは i 番目 の独立成分に対応する運動単位か ら発生した M U A P が 、 各表面電極上でどのよ う に入力されたかを示すイ ンパ ルス応答となっ ている。 4 、 7 、 1 5 番目 、 そして比較 のため、 運動単位とは違っ た ものと して推定されている 独立成分の う ち 1 6 番目 の独立成分に対 して式 （ 5 ) に よ っ て算出されるイ ンパルス応答を第 1 0 図〜第 1 3 図 に示す。 第 1 0 図〜第 1 2 図の結果は、 単独の運動単位 に相当するィ ンパルス応答を示している こ とが確認でき る。 しか しなが ら、 第 1 3 図の結果は 特に有意な信号 を分離した とは見なせない こ とが分かる。 第 1 0 図〜第 1 2 図のイ ンパルス応答を観察する と、 肘に近い上側に 配置された電極と、 手先に近い下側に配置された電極と で、 ィ ンパルス応答の位相が反転している こ とが確認で きる。 M U A P は運動終板か ら筋繊維の末端に向かっ て 両側に伝搬してい く ため、 運動終板の前後の筋電図は位 相が反転する こ とが知 られている。 したがって、 ち ょ う ど位相が反転する部分において運動単位のィ ンパルス応 答が非常に弱い電極が存在している原因は、 これ ら の電 極付近に運動終板があつ たためである と考え られる。 ま た、 第 1 0 図〜第 1 2 図において、 運動終板の位置およ び最大振幅を示す電極位置がそれぞれ異なる こ とか ら、 これら は異なる運動単位を抽出 したものである と推定で きる。 一方、 第 1 3 図では特に 目立っ た特徴が見 られず 、 1 6 番目 の独立成分はノイ ズと して抽出されている と 考え られる。 以上よ り 、 独立成分に通される混合フィ ル 夕の特性と い う観点か ら、 4 、 7 、 1 5 番目の独立成分 は運動単位である と特定できる。

このよ う な多チャ ンネルブライ ン ドデコ ンポ リ ューシ ヨ ン法を用いる こ と によ っ て、 前記表面筋電図計測部 3 2 で計測 した表面筋電図に基づき、 発火した運動単位を 分離する。 なお、 本実施形態において、 多チャ ンネルブ ライ ン ドデコ ンボルーシ ヨ ン法を行う 際の学習条件と し て、 タ ッ プ数 て は 2 0 、 パッ チサイ ズは 1 0 0 、 学習率 は ？7 ( 0 ) = 0 . 0 0 0 0 1 か ら はじめて 1 0 回学習す る ごと に 7? ( t + 1 ) = 0 . 8 n ( t ) に したがって更 新するよ う に設定している。 また、 非線形関数 ψ ( X ) は運動単位の発火統計が、 スーパ一ガウ シア ン分布を し てレ る とい う仮定によ り Φ ( X ) = t a n h ( x ) を用 いて いる 。 こ こ で、 スーノ°.—ガウシア ン分布とは、 尖度 と呼ばれる K = E [ ( X — ⁴ ] / E [ ( - II ² ) ² ] 一 3 の 4 次の統計量が正の値を と る分布の こ とであ る。

運動単位発火パターン格納部 3 a は、 生理学的知見に 基づく 運動単位の発火間隔の分布パター ンを格納する も のであ っ て、 前記外部記憶装置 1 0 3 や内部メ モ リ 1 0 2 の所定領域に形成している。 なお、 本実施形態におい て、 こ の生理学的知見に基づく 運動単位の発火間隔の分 布パターンは、 第 7 図に示すよ う に、 運動単位の発火間 隔の分布と して示すこ とが可能な針筋電図か ら得た も の を格納している。

運動単位位置推定部 3 5 は、 前記運動単位分離部 3 3 で分離した個々 の運動単位に起因する各電極上の電位を 境界条件と して、 静電場に関する偏微分方程式であるポ ァソ ン方程式 ▽ · σ ν Φ = — I で与え られる逆問題を 解き、 各運動単位に対して個別に対応する電流源 I の分 布を求める。 こ こで、 σ は、 生体組織のコ ンダク タ ンス 分布を表し、 コ ンダク タ ンス分布モデル格納部 3 4 によ つ て与え られる。 Φ は、 生体組織内の電位分布であ り 、 皮膚表面上で、 σ ν Φ · η = 0 とい う境界条件を満たす 。 η は、 皮膚に対する法線ベク トルであ る。

運動単位位置推定部 3 5 において求め られる各運動単 位に対する電流源分布 I は、 生体組織中 における各運動 単位を構成する筋線維の脱分極位置を示しているが、 こ の逆問題は不良設定問題であ り 、 そのま までは解を一意 に決定する こ とができない。 そのため、 運動単位がどの よ う に脱分極して活動電位を発生させる のかをモデル化 した運動単位脱分極モデルをあ らか じめ運動単位脱分極 モデル格納部 3 b に持ち、 これを利用する こ と によっ て 、 一意に解を決定する。

筋肉分布モデル格納部 3 6 は、 運動単位を構成する筋 線維や運動ニュー ロ ンをモデル化した筋肉分布モデルを 格納する ものであっ て、 前記外部記憶装置 1 0 3 や内部 メモ リ 1 0 2 の所定領域に形成している。

計測監視部 3 7 は、 表面筋電図の計測時に、 計測中の 表面筋電図を前記ディ スプレイ 1 0 5 に画像出力する も のであ る。 なお、 本実施形態では、 表面筋電図の計測中 に運動単位以外と推定される表面筋電図が前記ディ スプ レイ 1 0 5 に画像出力された際には、 前記表面筋電図計 測部 3 2 が計測を行わないよ う に設定している。

表示部 3 8 は、 前記運動単位位置推定部 3 5 で推定し た運動単位の脱分極位置を、 前記筋肉分布モデル格納部 3 6 に格納する筋肉分布モデルに重ねて前記ディ スプレ ィ 1 0 5 に 3 次元画像出力する ものである。

次に、 以上のよ う に構成される活動筋肉表示装置 Aの 動作について第 8 図に示すフ ロー図等を用 いて説明する 。 なお、 本実施形態では、 次の （ 1 ) か ら （ 4 ) に示す 手順で準備を行っ たのち に活動筋肉表示装置 Aの主動作 を行う よ う に設定 している。 （ 1 ) 被験者 M を椅子に座 らせ、 左腕を掌が上に向く よ う に して台の上に固定する 。 （ 2 ) 各チャ ンネルの信号にハム雑音以外の雑音が見 られな く な り 、 また、 ハム雑音が十分小さ く なつ た こ と を計測者が確認する。 （ 3 ) 計測中 にお ける新たな運動 単位の動員や停止がないよ う に、 被験者 Mに対してディ スプレイ 1 0 5 に表示される筋電図を見ながら一定の力 で、 所定の指に力 を加える よ う に指示する 。 （ 4 ) 被験 者 Mは計測者の合図 と と も に一定の力で所定の指に力 を 加える。

まず、 表面電極 1 を用いて各チャ ンネルにおける筋電 位信号を計測する と （ステ ッ プ S 1 0 1 )、 フ ィ ル夕部 3 1 によっ て皮膚の動きに と もなう 接触抵抗の変化ゃ リ ー ド線 2 の揺れな どによ り 生じ る低周波の変動等の外乱 が除去され (ス テ ッ プ S 1 0 2 )、 こ の フ イ リレ夕部 3 1 を通過した筋電位信号は、 表面筋電図計測部 3 2 によ つ て、 第 5 図に示すよ う なチャ ンネル毎に計測 した表面筋 電図 と してディ スプレイ 1 0 5 に表示される （ステッ プ S 1 0 3 )。 次に、 運動単位分離部 3 3 が、 多チャ ンネ ルデコ ンポ リ ューシ ョ ン法によ り 、 第 5 図に示すよ う な 筋電図よ り 分離された独立成分を求め （ステッ プ S 1 0 4 )、 第 9 図に示すよ う な独立成分 と してディ ス プレイ 1 0 5 に表示する。 ディ スプレイ 1 0 5 に表示した独立 成分か ら独立成分がピーク値の振幅 と発火周期がほぼ一 定である 4 、 7 、 1 5番目 の成分が運動単位と推定され る （ステ ッ プ S 1 0 5 )。 なお、 本実施形態において、 この独立成分の推定は、 ディ スプレイ 1 0 5 に表示した 表面筋電図か ら計測者が独立成分と して推定される もの を選択し、 前記ユーザイ ンタ フェイ ス 1 0 6 を利用 して 発火したと推定される運動単位を活動筋肉表示装置本体 3 に入力する よ う に設定している。 次に、 分離した運動 単位の各電極におけるイ ンパルス応答を求め （ステッ プ S 1 0 6 )、 その値を境界条件と して運動単位の 3 次元 位置を推定する （ステッ プ S 1 0 7 )。

そ して、 位置を特定した運動単位： は、 表示部 3 8 に よ っ て、 筋肉分布モデル格納部 3 6 に格納している筋肉 分布モデルと重ね合わされ、 ディ ス プレイ 1 0 5 に画面 表示される こ と となる （ス テ ッ プ S 1 0 8 )。 なお、 本 実施形態では、 第 1 4 図に示すよ う に、 腕の組織を f M R I 等で取っ た 3 次元構造画像を半透明にディ スプレイ 1 0 5 に画面表示に表示する と と も に、 位置を特定した 運動単位 Xを輝線 （図中斜線） 等で表示するよ う に して 設定している。

以上に詳述 したよ う に、 本実施形態の活動筋肉表示装 置 Aは、 複数の表面電極及び表面筋電図計測部 3 2 によ つて生体を侵襲する こ とな く 表面筋電図を計測する こ と ができる と と もに、 運動単位分離部 3 3 及び運動単位位 置推定部 3 5 によ っ て、 時間的 · 空間的に加算された多 数の M U A Pか ら発火した運動単位を分離する こ とがで き、 さ ら に、 位置を特定した運動単位をディ ス プレイ で 画像化されるため、 生体における制御機構の解明に非常 に有用 とする こ とができる。

また、 ハイノ°ス フ ィ ル夕 によ っ て、 皮膚の動きに と も なう 接触抵抗の変化や リ ー ド線の揺れな どによ り 生じ る 低周波の変動等の外乱を好適に除去されるため、 精度よ く 表面筋電図を計測して発火した運動単位を特定する こ とができる。

さ ら に、 発火した と特定した運動単位を筋肉分布モデ ルに重ねて表示するため、 よ り 具体的にその動作を認識 する こ とができる。

なお、 本実施形態では、 地面に対して図示しない水平 な台の上に被験者 Mの腕を載せ、 その被験者 Mの薬指の 張力発生時に筋長変化を伴わない等尺性収縮時における 表面筋電図を測定し、 これよ り 発火した運動単位を特定 しさ ら に特定した運動単位を画像化 して表示する場合を 一例に挙げて説明 したが、 薬指に限 らずその他の部位の 筋を計測し、 発火した運動単位を特定して画像化可能で ある こ とは言う までもない。

また、 筋長変化を伴わない等尺性収縮時に限らず、 筋 長変化を伴う ものであっ ても、 発火した運動単位を特定 して画像化する よ う に対応させる こ と もできる。

また、 本実施形態において、 ハイ パス フ ィ ル夕 のカ ツ トオフ周波数を 2 . 5 H z と したが、 カ ッ トオフ周波数 はこれに限られる ものではない。 また、 表面電極 1 を極間 1 0 m m及び 4 m mにて 5 X 4 のア レイ状に して配置したが、 配置する表面電極 1 の 個数や配置方法はこれに限られる ものではな く 、 使用す る表面電極 1 の形状や寸法等も任意に設定しても構わな い。

なお、 本実施形態において、 ディ スプレイ 1 0 5 に表 示した表面筋電図か ら計測者が独立成分と して推定され る ものを選択し、 前記ユーザイ ンタ フ ェイ ス 1 0 6 を利 用 して発火した と推定される運動単位を運動単位分離部 3 3 に入力する よ う に設定しているが、 こ の推定する動 作を活動筋肉表示装置本体 3 で自動化して特定してもよ い

その他、 各部の具体的構成についても上記実施形態に 限られる ものではな く 、 本発明の趣旨を逸脱しない範囲 で種々変形が可能である。 産業上の利用可能性

上述したよ う に、 本発明によれば、 複数の電極及び表 面筋電図計測部によっ て生体を侵襲する こ となく 表面筋 電図を計測する こ とができる と と もに、 運動単位分離部 及び運動単位位置推定部によっ て、 時間的 · 空間的に加 算された多数の M U A Pか ら活動した運動単位の 3 次元 位置を特定する こ とができ、 さ ら に、 特定した運動単位 を表示部が画像化するため、 生体における制御機構の解 明に非常に有用な活動筋肉表示装置を提供する こ とがで

⁰ ^

oz

Z0C600/Z00Zdf/X3d 966£請 OOZ OAV

Claims

請求の範囲

1 . 皮膚表面上に配置する複数の電極と、 こ の複数の電 極における皮膚表面上の表面筋電図を計測する表面筋電 図計測部と、 こ の表面筋電図計測部で計測した表面筋電 図に基づき活動した筋を構成する個々 の運動単位を推定 する運動単位分離部と、 こ の運動単位分離部で活動した と推定される運動単位か ら発火した運動単位の位置を推 定する運動単位位置推定部と、 こ の運動単位位置推定部 で推定した運動単位を画像化して表示する表示部と を具 備する活動筋肉表示装置。

2 . 前記運動単位分離部が、 多チャ ンネルブライ ン ドデ コ ンポルーシヨ ン法に基づき、 前記表面筋電図計測部で 計測した表面筋電図か ら所定の発火パター ンを示す個々 の運動単位を推定する こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項記載の活動筋肉表示装置。

3 . 生理学的知見に基づく 運動単位の発火間隔の分布パ ター ンおよび表面筋電図波形を格納する運動単位発火パ ターン格納部を備え、 前記運動単位分離部が分離した各 電極のおける時系列信号と照合して， 一致する関係にあ る場合に， 運動単位と特定する こ と を特徴とする請求の 範囲第 1 項又は第 2 項記載の活動筋肉表示装置。

4 . 前記運動単位分離部で得た各運動単位に対応する電 極位置電位よ り ， 前記運動単位位置推定部が、 その電位 を再現するよ う に静電場を与える偏微分方程式の逆問題 を解く こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項、 第 2 項又は 第 3 項記載の活動筋肉表示装置。

5 . 前記運動単位分離部で得た各運動単位に対応する電 極位置電位よ り ， 前記運動単位位置推定部が、 その電位 を再現するよ う にポアソ ン方程式か ら電流源を推定する こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項又 は第 4 項記載の活動筋肉表示装置。

6 - 前記運動単位位置推定部が、 逆問題を解く ために、 電気的コ ンダク タ ンスがそれぞれ異なる生体内の脂肪、 骨、 筋肉等の分布、 配置をモデル化したコ ンダク タ ンス 分布モデルを格納する コ ンダク 夕 ンス分布モデル格納部 を備えた こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項、 第 4 項、 第 5 項又は第 6 項記載の活動筋肉表示 装置。

7 . 前記運動単位位置推定部が、 逆問題を一意に解く た めに、 運動単位の脱分極モデルを格納する運動単位脱分 極モデル格納部を備えた こ とを特徴とする請求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項、 第 4項、 第 5 項又は第 6 項記載 の活動筋肉表示装置。

8 . 前記複数の電極が、 ア レイ 状に並べて配置されたも のである こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項、 第 4項、 第 5 項、 第 6 項又は第 7 項記載の活動 筋肉表示装置。

9 . 所定の周波数以上の周波数成分を有する信号を通過 させるハイ パス フ ィ ルタ を設け、 前記表面筋電図計測部 が計測する表面筋電図が、 このハイ パス フ ィ ルタ を通過 させたものである こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項、 第 4項、 第 5 項、 第 6 項、 第 7 項又は 第 8 項記載の活動筋肉表示装置。

1 0 . 前記表面筋電図計測部で計測 した表面筋電図を、 平均値が 0 、 分散が 1 に正規化 している こ とを特徴とす る請求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項、 第 4 項、 第 5 項 、 第 6 項、 第 7 項、 第 8 項又は第 9 項記載の活動筋肉表 示装置。

1 1 . 前記運動単位分離部が、 前記表面筋電図計測部で 計測する表面筋電図を所定の条件で学習 し、 この学習 し た学習データに基づき発火した筋を構成する個々 の運動 単位を推定する よ う に構成している こ と を特徴とする請 求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項、 第 4 項、 第 5 項、 第 6 項、 第 7 項、 第 8 項、 第 9 項又は第 1 0 項記載の活動 筋肉表示装置。

1 2 . 運動単位を構成する筋繊維や運動ニューロ ンをモ デル化した筋肉分布モデルを格納する筋肉分布モデル格 納部を備え、 前記表示部が前記運動単位位置推定部で特 定した運動単位を前記筋肉分布モデルに重ねて表示する こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項、 第 4 項、 第 5 項、 第 6 項、 第 7 項、 第 8 項、 第 9 項、 第 1 0 項又は第 1 1 項記載の活動筋肉表示装置。

1 3 . 表面筋電図の計測時に、 計測中の表面筋電図を画 像出力する計測監視部を設け、 こ の計測監視部に運動単 位以外と推定される表面筋電図が画像出力された際に、 前記表面筋電図計測部が計測を行わないよ う に構成して いる こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項、 第 2 項、 第 3 項、 第 4項、 第 5 項、 第 6 項、 第 7 項、 第 8 項、 第 9 項 、 第 1 0 項、 第 1 1 項又は第 1 2 項記載の活動筋肉表示