CN113164099A - 肌肉活动观测装置以及肌肉活动观测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及肌肉活动观测装置以及肌肉活动观测方法。肌肉活动观测装置(10)具备传感器模块(20)以及检测模块(30)。传感器模块(20)具备压电传感器(21)。压电传感器(21)根据肌腱或者肌肉的振动而使输出变化，并且根据肌腱或者肌肉的伸缩而使输出变化。检测模块(30)的检测部(31)使用从压电传感器(21)输出的震颤信号和伸缩信号来检测肌腱或者肌肉的活动状态。

Description

肌肉活动观测装置以及肌肉活动观测方法
技术领域
本发明涉及观测肌肉的活动的肌肉活动观测的技术。
背景技术
专利文献1所记载的肌肉运动检测装置具备传感器和控制器。传感器的电阻根据伴随肌肉的运动的收缩而变化。控制器通过传感器的电阻来检测与肌肉运动相对应的电压。
专利文献1：日本特开2010-29633号公报
然而，在专利文献1所记载的肌肉运动检测装置中，不能区分计测等张收缩和等长收缩。因此，难以准确掌握肌肉的活动。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够区分观测等张收缩和等长收缩的肌肉活动观测技术。
该发明的肌肉活动观测装置具备第一传感器、第二传感器以及检测部。第一传感器根据肌腱或肌肉的振动而使输出变化。第二传感器根据肌腱或肌肉的伸缩而使输出变化。检测部使用第一传感器的输出信号和第二传感器的输出信号来检测肌腱或肌肉的活动状态。
在该结构中，通过第一传感器得到基于肌腱或肌肉的震颤的信号(震颤信号)。另外，通过第二传感器得到基于肌腱或肌肉的伸缩的信号(伸缩信号)。而且，通过分别得到这些震颤信号和伸缩信号，能够分别识别等长收缩的状态和等张收缩的状态。
根据该发明，能够区分观测等张收缩和等长收缩。由此，能够更准确地掌握肌腱或肌肉的活动、状态。
附图说明
图1是表示第一实施方式所涉及的肌肉活动观测装置的结构的框图。
图2的(A)是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的侧视图，图2的(B)是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的俯视图。
图3的(A)是表示传感器模块的简要结构的侧视图，图3的(B)是表示传感器模块的简要结构的俯视图。
图4是表示压电传感器的简要结构的侧面剖视图。
图5是表示压电传感器的输出电压的一个例子的波形图。
图6是表示信号处理部的结构的框图。
图7是用于对提取伸缩信号和震颤信号的概念进行说明的波形图。
图8是表示震颤信号的波形的一个例子的波形图。
图9是表示伸缩信号的波形的一个例子的波形图。
图10是表示检测模块的结构的框图。
图11是表示活动状态的解析表的一个例子的图。
图12是表示肌肉活动观测方法的流程的图。
图13是表示状态解析的流程的图。
图14是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的侧视图。
图15的(A)、图15的(B)是表示安装于臂(上臂)以及大腿的形态的图，图15的(C)、图15的(D)是表示安装于前臂的形态的图。
图16的(A)、图16的(B)是表示安装于胸、腹、背、腰的形态的图。
图17是表示第二实施方式所涉及的肌肉活动观测装置的结构的框图。
图18的(A)是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的侧视图，图18的(B)是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的俯视图。
图19是表示部位、动作以及对象的肌腱、肌肉的关系的一个例子的表。
图20的(A)是表示第三实施方式所涉及的肌肉活动观测装置的结构的框图，图20的(B)是表示信号处理部的结构的框图。
图21是表示第四实施方式所涉及的肌肉活动观测装置中的传感器模块的结构的框图。
图22是表示第五实施方式所涉及的肌肉活动观测装置中的传感器模块的结构的框图。
图23是表示肌肉活动观测系统的第一方式例的框图。
图24是表示肌肉活动观测系统的第二方式例的框图。
具体实施方式
(第一实施方式)
参照附图对本发明的第一实施方式所涉及的肌肉活动观测装置进行说明。图1是表示第一实施方式所涉及的肌肉活动观测装置的结构的框图。
(肌肉活动观测装置的功能框的结构)
如图1所示，肌肉活动观测装置10具备传感器模块20以及检测模块30。传感器模块20具备压电传感器21以及信号处理部22。检测模块30具备检测部31、通信部32以及电源33。
压电传感器21根据生物体的肌腱或肌肉的活动位移。压电体201产生与该位移对应的电荷(电位差)。信号处理部22通过将压电传感器21检测到的电荷转换为电压信号而生成震颤信号和伸缩信号。信号处理部22将震颤信号和伸缩信号输出至检测部31。
检测部31根据震颤信号检测震颤的状态，根据伸缩信号检测伸缩的状态。另外，检测部31根据震颤的状态以及伸缩的状态来解析生物体的对象部位(例如，脚)的动作。
此外，本申请中的震颤是表示有节奏的肌肉活动的不随意运动。即、本申请中的震颤是正常人中所看到的细小且快速的姿势时的震颤，被称为生理震颤，例如是从8Hz到12Hz的频率。此外，在帕金森病人等疾病患者中看到的颤抖是病理震颤，例如从4Hz到7Hz，不作为本申请中的震颤的对象。
通过使用震颤，从而相对于肌电，具有以下的各种优点。例如，震颤的检测(计测)即使不直接粘贴在人体等被检测体的表面(皮肤等)上也能够进行。通过检测震颤，能够检测肌肉伸缩。通过检测震颤，能够检测伴随肌肉疲劳的变化。
通信部32将震颤的状态、伸缩的状态、生物体的对象部位的动作等的检测结果通信到外部。通信方式既可以为无线也可以为有线。电源33向检测部31以及通信部32供给电源。此外，电源33也能够向传感器模块20的信号处理部22供给电源。但是，传感器模块20也可以具备与电源33分开的电源。
(肌肉活动观测装置的安装的一个方式)
肌肉活动观测装置10例如如以下所示那样安装于上述的生物体的对象部位。图2的(A)是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的侧视图，图2的(B)是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的俯视图。
如图2的(A)、图2的(B)所示，肌肉活动观测装置10具备生物体支承体40。生物体支承体40由具有伸缩性的材料构成，与生物体的运动相配合地变形。优选生物体支承体40是尽量不阻碍压电传感器21的位移(更具体而言，压电传感器21的压电体201(参照图4)的位移)的材料。例如，能够使用棉腈纶混纺、涤纶棉混纺、棉麻混纺、腈纶毛混纺、毛尼龙混纺、动物毛混纺、丝绸、绢纺丝、绢紬丝(绢纺紬丝)等。
生物体支承体40具备第一部分41以及第二部分42。第一部分41以及第二部分42是筒状，侧视时大致以L字状连接。在第一部分41和第二部分42的连接处形成有将筒状的中空与外部连通的孔43。
如图4的(A)、图4的(B)所示，在包括各肌腱或肌肉的脚的脚后跟93的附近与生物体(人体)的外形相配合地安装生物体支承体40。此时，第一部分41覆盖脚踝91。第二部分42覆盖脚背92和脚掌94。而且，脚后跟93从孔43露出到外部。
压电传感器21安装于第一部分41。更具体而言，压电传感器21通过利用粘合材料的粘合到第一部分41、缝合到第一部分41、收容到设置于第一部分41的口袋等而安装于第一部分41。此时，优选压电传感器21安装在第一部分41的内侧(中空侧)。
另外，压电传感器21配置在第一部分41中的与跟腱901重叠的位置。特别是，优选压电传感器21配置在与小腿最小围90重叠的位置。通过配置在这样的位置，压电传感器21能够提高由跟腱901的震颤以及伸缩引起的电荷产生的灵敏度。
并且，压电传感器21的长度方向(L方向)与跟腱901延伸的方向大致正交。在后述的图3、图4所示的构造的压电传感器21中，相对于长度方向(L方向)的位移最容易产生电荷。由此，压电传感器21能够以高灵敏度检测跟腱901的伸缩。
此外，此处示出检测跟腱901的震颤以及伸缩的方式。然而，在检测胫骨前肌腱902的震颤以及伸缩的情况下，只要使压电传感器21与胫骨前肌腱902重叠即可。另外，在检测腓骨长肌腱903的震颤以及伸缩的情况下，只要使压电传感器21与腓骨长肌腱903重叠即可。此时，压电传感器21的长度方向(L方向)最好与肌腱延伸的方向尽可能正交。
另外，生物体支承体40支承脚背92及脚掌94和脚踝91，并在中途弯曲，从而生物体支承体40与脚的位置关系不易变化。因此，压电传感器21的位置不易变化，压电传感器21相对于震颤以及伸缩的检测对象的肌腱(此处，跟腱901)不易发生位置偏移。由此，压电传感器21能够更可靠地检测检测对象的肌腱的震颤以及伸缩。
检测模块30安装于生物体支承体40。检测模块30也可以安装于生物体支承体40的任意位置。然而，检测模块30的安装位置优选为与外部的通信环境容易的位置，例如，优选为第一部分41的外侧、且筒状延伸的方向上的与连接于第二部分42的一侧相反侧的端部附近。此外，检测模块30和传感器模块20通过规定的电缆连接。
(传感器模块20的构造)
图3的(A)是表示传感器模块的简要结构的侧视图，图3的(B)是表示传感器模块的简要结构的俯视图。
如图3的(A)、图3的(B)所示，传感器模块20是平膜状。传感器模块20具备平膜状的压电传感器21、薄型的信号处理电路模块22M、平膜状的传输电缆220C以及连接端子220M。
压电传感器21是具有长度Lp和宽度Wp的大致矩形的片状。长度Lp大于宽度Wp(Lp＞Wp)。信号处理电路模块22M由构成信号处理部22的电子部件和基材形成，在图3的(A)、图3的(B)中省略具体的电子部件的构造等。信号处理电路模块22M与压电传感器21并列配置，通过扁平电缆等与压电传感器21连接。传输电缆220C中的延伸的方向的一端与信号处理电路模块22M连接。在传输电缆220C中的延伸的方向的另一端形成有由导体构成的连接端子220M。
(压电传感器21的构造以及输出信号)
图4是表示压电传感器的简要结构的侧面剖视图。如图4所示，压电传感器21具备压电体201、检测用电极202、粘合层203以及辅助板204。
压电体201是具有主面的矩形的膜。例如，压电体201的长度Lp约为40mm，宽度Wp约为10mm，厚度小于0.3mm。此外，压电体201的尺寸不限于此，能够根据观测对象适当地设定。压电体201例如由以聚乳酸(PLLA)为主成分的材料、或者以氮化铝(AlN)为主成分的材料构成。
检测用电极202使用粘合层203分别粘合至压电体201的两主面。优选检测用电极202为例如铜(Cu)等导电率高的材料。优选粘合层203尽可能薄。
辅助板204配置在检测用电极202中的与压电体201相反侧。此时，辅助板204的主面与压电体201的主面平行。
在这样的结构中，例如，若产生与压电体201的主面正交的方向上的弯曲位移，则在两个检测用电极202上分别产生相反特性的电荷。由于该电荷量，在两个检测用电极202之间产生图5所示那样的电压。图5是表示压电体201的弯曲位移与电压的关系的图表。这样，通过检测压电传感器21的电压即、电荷量，能够检测压电传感器21的弯曲位移。而且，如上述的图2所示，通过配置压电传感器21，由于跟腱901的伸缩引起的压电传感器21的安装面的变形，在压电传感器21上产生弯曲位移。因此，通过检测压电传感器21的电压，能够检测跟腱901的伸缩。
并且，压电传感器21的压电体201也根据微小的振动而产生电荷。通过检测压电传感器21的电压，不仅能够检测跟腱901的伸缩，还能够检测跟腱901的震颤。由此，也可以不单独设置用于检测肌腱或肌肉的伸缩的传感器、和用于检测肌腱或肌肉的震颤的传感器。其结果，能够通过简单的结构实现可检测肌腱或肌肉的伸缩和震颤的传感器。
另外，辅助板204最好具有以下特性。辅助板204比压电体201硬即可。此处，所谓硬是表示弯曲难度的指标。例如，辅助板204的弯曲弹性模量比压电体201的弯曲弹性模量高。另外，作为其它指标，在压电体201为上述的材料的情况下，辅助板204的杨氏模量最好为4GPa左右。此时，辅助板204的弯曲弹性模量或杨氏模量只要设定为，使用辅助板204的方式与仅利用压电体201而不使用辅助板204的方式相比，针对于相同振动的大小的电荷的产生量多即可。
由此，压电传感器21能够更高灵敏度地检测跟腱901的震颤。
(信号处理部22的结构以及处理)
图6是表示信号处理部的结构的框图。如图6所示，信号处理部22具备：震颤信号提取电路221、伸缩信号提取电路222、放大电路223、放大电路224、滤波电路225以及滤波电路226。
震颤信号提取电路221以及伸缩信号提取电路222分别由电荷放大电路构成。此时，震颤信号提取电路221的电荷放大器的时间常数被设定为用于提取震颤信号。另外，伸缩信号提取电路222的电荷放大器的时间常数被设定为用于提取伸缩信号。例如，震颤信号提取电路221的电荷放大器的时间常数小于伸缩信号提取电路222的电荷放大器的时间常数。
图7是用于对提取伸缩信号和震颤信号的概念进行说明的波形图。在图7中，横轴为时间，纵轴为电压，示出有肌腱的伸缩的情况。图8是表示震颤信号的波形的一个例子的波形图。在以下，根据需要也参照图5的压电传感器21的输出波形的图进行说明。
若有肌腱的伸缩，则如图5所示，电压变动较大。在压电传感器21单体中，如图5所示，电压的变动是暂时的。此处，通过适当地设定伸缩信号提取电路222的时间常数，如图7所示，能够将由肌腱的伸缩引起的电压的变动输出为大致方形波。
另外，伴随肌腱的振动的电压变动较小。然而，伴随肌腱的振动的电压变动具有10Hz左右的频率成分。因此，通过适当地设定震颤信号提取电路121的时间常数，如图8所示，能够输出由肌腱的振动引起的微小且具有周期性的电压的变动。
由震颤信号提取电路221处理后的信号被输入到放大电路223。由伸缩信号提取电路222处理后的信号被输入到放大电路224。
放大电路223放大震颤信号提取电路221的输出信号，并输出至滤波电路225。放大电路224放大伸缩信号提取电路222的输出信号，并输出至滤波电路226。放大电路223的放大率和放大电路224的放大率被适当地设定，但优选放大电路223的放大率高于放大电路224的放大率。由此，检测模块30中的震颤信号的检测灵敏度提高。
滤波电路225提取10Hz附近的频率成分，并使交流噪声成分以及DC成分衰减。由此，从滤波电路225输出的信号成为与图8所示那样的震颤对应的震颤信号。
而且，该震颤信号的振幅根据震颤的大小而变化。具体而言，震颤越大，则震颤信号的振幅越大。
如图8所示，震颤信号是规定的频率(例如，约10Hz)的信号。震颤信号的振幅根据生物体的负载状态而变化。具体而言，例如，如果像生物体为安静状态的情况那样几乎没有产生的负载，则如图8(左侧的波形)所示，震颤信号的振幅极小。另外，在生物体处于姿势维持状态且产生的负载较小的情况下(例如，生物体在静止状态下抵抗重力而维持姿势的情况)，如图8(中央的波形)所示，震颤信号的振幅成为规定的电平(强度)。另外，在生物体处于姿势维持状态，产生的负载较大的情况(例如，生物体一边活动一边依次维持姿势的情况)下，如图8(右侧的波形)所示，震颤信号的振幅进一步变大。
滤波电路226提取比10Hz低的频率成分，更具体而言，大致DC成分。由此，从滤波电路226输出的信号成为图7中的位移较大的成分(除了重叠成分之外的成分)，成为与伸缩对应的伸缩信号。
而且，该伸缩信号的振幅根据伸缩的大小而变化。具体而言，伸缩越大，则伸缩信号的振幅越大。
图9是表示伸缩信号的波形的一个例子的波形图。如图9所示，伸缩信号是与生物体的动作对应的信号，例如是比震颤信号低的频率且大致DC成分的信号。伸缩信号的振幅根据生物体的负载状态而变化。具体而言，如果生物体为安静状态、不动，则如图9(左侧的波形)所示，伸缩信号的振幅大致为基准电压。另外，在生物体中产生肌腱或肌肉伸缩的小运动的情况下(低负载运动)，如图9(中央的波形)所示，伸缩信号的振幅成为规定的电平(强度)。另外，在生物体中产生肌腱或肌肉伸缩的大运动的情况下(高负载运动)，如图9(右侧的波形)所示，伸缩信号的振幅进一步变大。
这样，通过使用信号处理部22，传感器模块20能够从在压电传感器21产生的电压分别获取并输出伸缩信号和震颤信号。此时，传感器模块20能够提取并输出与观测对象的肌腱或肌肉的负载状态对应的振幅的伸缩信号和震颤信号。
(检测模块30的结构以及处理)
图10是表示检测模块的结构的框图。如图10所示，检测模块30具备震颤信号检测部311、伸缩信号检测部312以及状态解析部313。此外，检测模块30只要至少具备震颤信号检测部311和伸缩信号检测部312即可。检测模块30可以通过MCU等来实现。
从信号处理部22向震颤信号检测部311输入震颤信号。震颤信号检测部311检测震颤信号的电平(振幅)，并输出至状态解析部313。从信号处理部22向伸缩信号检测部312输入伸缩信号。伸缩信号检测部312检测伸缩信号的电平(振幅)，并输出至状态解析部313。
状态解析部313使用震颤信号的电平和伸缩信号的电平来解析观测对象的肌腱或肌肉的活动状态。图11是表示活动状态的解析表的一个例子的图。
(产生等长收缩而未产生等张收缩的情况)
如图11所示，在没有产生等张收缩而产生等长收缩的情况下，震颤信号的振幅变大，伸缩信号的振幅没有变化。因此，若震颤信号在规定的单位时间的平均振幅为阈值THa以上，且伸缩信号在规定的单位时间的平均振幅的变化量小于阈值THb(典型地从基准值实质上没有运动的状态等)，则状态解析部313判定为是产生等长收缩而未产生等张收缩的状态。此外，震颤信号在规定的单位时间的平均振幅为阈值THa以上的状态是图8中的有负载的状态(对应于图8中央的波形、图8右侧的波形)。另外，伸缩信号在规定的单位时间的平均振幅的变化量小于阈值THb，或者从基准值实质上没有变化的状态是图9中的没有运动的状态(对应于图9左侧的波形)。
(产生等张收缩而未产生等长收缩的情况)
如图11所示，在没有产生等长收缩而产生等张收缩的情况下，震颤信号的振幅变大，伸缩信号的振幅变化。因此，若震颤信号在规定的单位时间的平均振幅为阈值THa以上，且伸缩信号在规定的单位时间的平均振幅的变化量为阈值THb以上，则状态解析部313判定为是没有产生等长收缩而产生等张收缩的状态。此外，伸缩信号的振幅有变化的状态是图9中的有运动的状态(对应于图9中央的波形以及图9的右侧的波形)。
(产生被动运动的情况)
被动运动意味着具备观测对象的肌腱或肌肉的生物体从外部被施加力而无意识地运动的状态。例如是通过康复时的治疗师、护理设备等，脚通过外力而运动的状态等。
如图11所示，在产生被动运动的情况下，震颤信号的振幅变小，伸缩信号的振幅变化。因此，若震颤信号的振幅小于阈值THa，且伸缩信号的振幅的变化量为阈值THb以上，则状态解析部313判定为是产生被动运动的状态。此外，震颤信号的振幅小于阈值THa的状态是图8中的没有负载的状态(对应于图8左侧的波形)。
(安静状态)
安静状态意味着没有进行运动，没有施加姿势维持的负载，也没有被动运动的状态。
如图11所示，在安静状态的情况下，震颤信号的振幅变小，伸缩信号的振幅没有变化。因此，若震颤信号的振幅小于阈值THa，且伸缩信号的振幅小于阈值THb，则状态解析部313判定为是安静状态。
这样，通过使用来自传感器模块20的信号，检测模块30能够分别检测仅产生等长收缩的状态、产生等张收缩的状态、产生被动运动的状态以及安静状态。
此外，在上述的说明中，示出通过多个功能部实现肌肉活动观测装置10的处理的方式。然而，也可以使用如下方式：对如下所示的肌肉活动观测方法进行编程并存储于存储部，通过运算装置读取该程序并执行。
图12是表示肌肉活动观测方法的流程的图。图13是表示状态解析的流程的图。此外，各处理的具体内容如上所述，省略说明。
运算装置获取传感器的输出信号(S11)。运算装置从传感器的输出信号提取震颤信号并放大该震颤信号(S12)。运算装置从传感器的输出信号提取伸缩信号并放大该伸缩信号(S13)。此外，步骤S12的处理和步骤S13的处理的顺序不限于此，可以相反，也可以同时并行处理。
运算装置检测震颤信号的电平(S14)。运算装置检测伸缩信号的变化量(S15)。此外，步骤S14的处理和步骤S15的处理的顺序不限于此，可以相反，也可以同时并行处理。
运算装置使用震颤信号的电平和伸缩信号的变化量来解析观测对象的肌腱或肌肉的状态(S13)。具体而言，如果震颤信号的平均电平为阈值THa以上(S161：是)，且伸缩信号的平均变化量为阈值THb以上(S162：是)，则运算装置判定为产生等张收缩(S163)。如果震颤信号的平均电平为阈值THa以上(S161：是)，且伸缩信号的平均变化量小于阈值THb(S162：否)，则运算装置判定为产生等长收缩(S164)。如果震颤信号的平均电平小于阈值THa(S161：否)，且伸缩信号的平均变化量为阈值THb以上(S165：是)，则运算装置判定为是被动运动(S166)。如果震颤信号的平均电平小于阈值THa(S161：否)，且伸缩信号的平均变化量小于阈值THb(S165：否)，则运算装置判定为是安静状态(S167)。此外，上述的平均电平、平均变化量的“平均”是规定的单位时间内的平均。
此外，在上述的说明中，将震颤的频率设为约10Hz。然而，例如，震颤的频率可以为0.5Hz到100Hz，更优选为3Hz到25Hz。这是因为，伴随不随意运动的机械运动除了生理震颤之外，还有病理震颤、肌电图、微振动、心冲击描记图等。为了进行与这些信号的区分，优选为将震颤的频率设为0.5Hz到100Hz进行计测的系统。
另外，生理震颤的中心频率为8Hz到12Hz，但也存在取决于部位的频率。例如，上肢为3Hz，手指为25Hz。因此，更优选为将震颤的频率设为3Hz到25Hz进行计测的系统。
另外，在上述的说明中，以侧视时大致L字状的生物体支承体40为例进行示出，但也可以是图14所示那样的形状。图14是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的侧视图。
如图14所示，生物体支承体40A是圆筒形。生物体支承体40A是与上述的生物体支承体40中的第一部分41类似的形状。生物体支承体40A被配置为覆盖脚踝91。
另外，在图14所示的结构中，传感器模块20和检测模块30沿由圆筒形构成的生物体支承体40A的圆筒形的周向并列配置。而且，传感器模块20和检测模块30通过沿该周向延伸的布线连接。
这样，通过成为图14所记载的结构，例如能够简化肌肉活动观测装置10的结构，安装变得容易。
另外，在上述的说明中，将传感器模块20安装在脚上，但如以下所示，也能够安装在身体的其它部位。图15的(A)、图15的(B)是表示安装于手臂(上臂)以及大腿的形态的图，图15的(C)、图15的(D)是表示安装于前臂的形态的图。图16的(A)、图16的(B)是表示安装于胸、腹、背、腰的形态的图。
如图15的(A)、图15的(B)所示，在安装于上臂991的情况下，最好使传感器模块20中的压电传感器21的长度方向与上臂991延伸的方向正交。另外，如图15的(A)、图15的(B)所示，在安装于大腿992的情况下，最好使传感器模块20中的压电传感器21的长度方向与大腿992延伸的方向正交。另外，如图15的(C)、图15的(D)所示，在安装于前臂993的情况下，最好使传感器模块20中的压电传感器21的长度方向与前臂993延伸的方向正交。此外，在图15的(A)、图15的(B)中，针对安装对象，安装了两组传感器模块20和检测模块30，但也可以安装一组。
另外，如图16的(A)、图16的(B)所示，在安装于胸994以及背996的情况下，最好使传感器模块20中的压电传感器21的长度方向与胸994以及背996的宽度方向平行。另外，如图16的(A)、图16的(B)所示，在安装于腹995以及腰997的情况下，最好使传感器模块20中的压电传感器21的长度方向与腹995以及腰997的宽度方向平行。
另外，针对图15的(A)、图15的(B)、图15的(C)、图15的(D)、图16的(A)、图16的(B)的安装形态，例如，可以将身体的前侧和后侧的传感器模块20配置在一个生物体支承体40A中，将同样配置在生物体支承体40A的共用的一个检测模块30连接于这些传感器模块20。
此外，通过将脚设为检测对象，能够用袜子本身检测震颤信号等，或者从袜子或长筒袜上检测震颤信号等。另外，能够同时检测肌肉负载和脚关节的运动。腿或者脚是远离人的意识的安装位置，使得容易忘记安装的感觉，与手臂、腰、胸部等相比，能够减少对传感器模块20的安装的不适感。如果是安装在小腿最小围附近，则不受鞋的有无、袜子的有无的影响。能够检测并观测胫骨前肌、比目鱼肌、腓肠肌、日常生活动作、姿势维持、步行时重要的肌肉。如果安装于两腿，则能够利用于步行、慢跑、下肢训练、下肢康复等的解析、量化。
(第二实施方式)
参照附图对本发明的第二实施方式所涉及的肌肉活动观测装置进行说明。图17是表示第二实施方式所涉及的肌肉活动观测装置的结构的框图。图18的(A)是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的侧视图，图18的(B)是表示将肌肉活动观测装置安装在脚上的状态的俯视图。
如图17所示，第二实施方式所涉及的肌肉活动观测装置10A与第一实施方式所涉及的肌肉活动观测装置10不同的点在于：具备传感器模块20A、传感器模块20B以及传感器模块20C、检测部31A的处理。肌肉活动观测装置10A的其它结构与肌肉活动观测装置10同样，省略同样的位置的说明。
传感器模块20A、传感器模块20B以及传感器模块20C执行与第一实施方式所涉及的传感器模块20同样的结构以及处理。如图18的(A)、图18的(B)所示，传感器模块20A的压电传感器21A安装于小腿最小围90，以便与跟腱901重叠。传感器模块20B的压电传感器21B被安装成与胫骨前肌腱902重叠。传感器模块20C的压电传感器21C被安装成与腓骨长肌腱903重叠。即，肌肉活动观测装置10A将肌腱或者肌肉的活动的检测位置设为多个。
传感器模块20A、传感器模块20B以及传感器模块20C将各自提取出的震颤信号以及伸缩信号输出至检测模块30A的检测部31A。
检测部31A与上述的检测部31同样地检测等长收缩、等张收缩、被动运动或者安静状态，并且解析脚的动作状态。图19是表示部位、动作以及对象的肌腱或肌肉的关系的一个例子的表。
检测部31A若根据传感器模块20A的震颤信号和伸缩信号检测到等张收缩，则检测到跟腱901的伸缩。检测部31A若从传感器模块20B的震颤信号和伸缩信号检测到等张收缩，则检测到胫骨前肌腱902的伸缩。检测部31A若根据传感器模块20C的震颤信号和伸缩信号检测到等张收缩，则检测到腓骨长肌腱903的伸缩。
检测部31A使用跟腱901的伸缩、胫骨前肌腱902的伸缩以及腓骨长肌腱903的伸缩来检测脚(小腿)的动作状态。例如，如图19所示，检测部31A如果检测到跟腱901的伸缩(比目鱼肌、腓肠肌等的伸缩)，则判定为有脚的屈曲(跖屈)或者内翻。另外，如图19所示，检测部31A如果检测到胫骨前肌腱902的伸缩(胫骨前肌的伸缩)，则判定为有脚的伸展(背屈)。另外，如图19所示，检测部31A如果检测到腓骨长肌腱903的伸缩，则判定为有脚的外翻。这样，肌肉活动观测装置10A能够判定脚的各种动作状态。
此外，对于脚以外，通过实现上述图15的(A)、图15的(B)、图15的(C)、图15的(D)、图16的(A)、图16的(B)所示那样的安装形态，如图19所示，也针对其它部位，检测动作状态。
例如，如果检测到股四头肌的伸缩，则能够判定膝盖(大腿)的屈曲。如果检测到股后肌的伸缩，则能够判定膝盖(大腿)的伸展。如果检测到手掌屈肌群(指深屈肌/指浅屈肌/拇长屈肌等)的伸缩，则能够判定手、手指的屈曲(掌屈)。如果检测到手背屈肌群(指伸肌等)的伸缩，则能够判定手、手指的伸展(背屈)。如果检测到肱二头肌的伸缩，则能够判定肘(上臂)的屈曲。如果检测到肱三头肌的伸缩，则能够判定肘(上臂)的伸展。如果检测到腹直肌的伸缩，则能够判定腹、腰的屈曲(脊柱的前屈)。如果检测到固有背肌群(竖脊肌等)的伸缩，则能够判定腹、腰的伸展(脊柱的后屈)。如果检测到胸大肌的伸缩，则能够判定胸的屈曲(收缩)。如果检测到阔背肌的伸缩，则能够判定胸的伸展。
(第三实施方式)
参照附图对本发明的第三实施方式所涉及的肌肉活动观测装置进行说明。图20的(A)是表示第三实施方式所涉及的肌肉活动观测装置的结构的框图。图20的(B)是表示信号处理部的结构的框图。
如图20的(A)所示，第三实施方式所涉及的肌肉活动观测装置10B与第一实施方式所涉及的肌肉活动观测装置10不同的点在于，具备信号处理部22B、传感器模块20B。肌肉活动观测装置10B的其它结构与肌肉活动观测装置10同样，省略同样的位置的说明。
信号处理部22B相对于信号处理部22，还具备发送控制部227。发送控制部227与滤波电路225以及滤波电路226连接。发送控制部227将震颤信号和伸缩信号分时发送至检测部31。
通过成为这样的结构，能够简化将传感器模块20B和检测模块30连接的通信电缆的结构。
(第四实施方式)
参照附图对本发明的第四实施方式所涉及的肌肉活动观测装置进行说明。图21是表示第四实施方式所涉及的肌肉活动观测装置中的传感器模块的结构的框图。
如图21所示，传感器模块20C与传感器模块20不同的点在于，不具备压电传感器21而具备震颤观测用传感器21tr以及伸缩观测用传感器21tm。传感器模块20C的其它结构与传感器模块20同样，省略同样的位置的说明。
震颤观测用传感器21tr是检测上述的震颤信号的传感器。例如，震颤观测用传感器21tr通过加速度传感器、麦克风等来实现。此外，震颤观测用传感器21tr也可以通过压电传感器21来实现。另外，震颤观测用传感器21tr只要是能够检测10Hz左右的信号的传感器，也可以是其它传感器。
震颤观测用传感器21tr将基于震颤的电变化输出至信号处理部22C的震颤信号提取电路221。
伸缩观测用传感器21tm是检测上述的伸缩信号的传感器。例如，伸缩观测用传感器21tm通过压电传感器21来实现。此外，伸缩观测用传感器21tm只要是状态根据观测对象的肌腱或肌肉的伸缩而变化并获得与该状态变化对应的电信号的传感器，也可以是其它传感器。作为其它传感器，例如，可以使用利用了压敏膜的压敏传感器、对由隔膜变形引起的应变变化、静电电容变化进行检测的压力传感器、载荷传感器等。
伸缩观测用传感器21tm将基于肌腱或者肌肉的伸缩的电变化输出至信号处理部22C的伸缩信号提取电路222。
也可以如该传感器模块20C那样，分开形成检测震颤信号的传感器和检测伸缩信号的传感器。该情况下，检测震颤信号的传感器的辅助板和检测伸缩信号的传感器的辅助板可以为适于检测各个信号的材料、特性的板。
(第五实施方式)
参照附图对本发明的第五实施方式所涉及的肌肉活动观测装置进行说明。图22是表示第五实施方式所涉及的肌肉活动观测装置中的传感器模块的结构的框图。
如图22所示，第五实施方式所涉及的肌肉活动观测装置10D与第一实施方式所涉及的肌肉活动观测装置10不同的点在于：追加噪声观测传感器50、检测部31D的处理。肌肉活动观测装置10D的其它结构与肌肉活动观测装置10同样，省略同样的位置的说明。
噪声观测传感器50例如是加速度传感器，检测观测对象的生物体的部位的动作，生成动作噪声。噪声观测传感器50将动作噪声输出至检测部31D。
检测部31D使用动作噪声来抑制震颤信号以及伸缩信号所包含的噪声。
通过该结构，检测部31D能够更高精度地解析肌腱或者肌肉的动作状态。
此外，在各实施方式的结构中，也能够将震颤信号的检测用于肌肉活动观测装置的启动。例如，肌肉活动观测装置仅观测震颤信号的电平作为睡眠模式。而且，肌肉活动观测装置检测到震颤信号的电平成为阈值THa以上，从睡眠模式启动，观测震颤信号以及伸缩信号。由此，肌肉活动观测装置将省电。
另外，在各实施方式中，使用生物体支承体40来安装压电传感器。然而，压电传感器也可以不使用生物体支承体40而直接安装于生物体。
另外，在上述的说明中，压电传感器与脚踝附近的特定的肌腱重叠配置。然而，压电传感器的配置位置不限于此，只要与观测对象的肌腱或者肌肉重叠即可，而且即使不与肌腱或者肌肉重叠，只要是受到肌腱或者肌肉的运动的影响的位置即可。
另外，在上述的说明中，作为压电传感器的压电体的材料，示出使用聚乳酸、氮化铝的方式。然而，压电体的材料作为无机压电材料能够使用水晶、作为压电陶瓷的PZT及(Pb，La)(Zr，Ti)OX钙钛矿化合物(PZLT)、作为压电单晶的铌酸锆酸铅-钛酸铅固溶体(PZN-PT)、镁铌酸铅-钛酸铅固溶体(PMN-PT)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸钾(KNbO3)、氧化锌(ZnO)等的薄膜。另外，作为有机压电材料，列举有聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯系共聚物、聚偏二氯乙烯、偏二氰乙烯系共聚物、尼龙9、尼龙11等奇数尼龙、芳香族尼龙、脂环族尼龙、聚羟基丁酸酯等聚羟基羧酸、纤维素系衍生物以及聚脲等。
另外，在上述的说明中，生物体支承体40是筒状，但也可以是带状，还可以是袜子等衣物。
另外，上述的各实施方式所示的肌肉活动观测装置的结构能够适当组合，得到与各个组合对应的作用效果。
另外，在上述的说明中，使用震颤和伸缩来解析观测对象的肌腱或者肌肉的状态。然而，也能够仅用震颤进行解析。在仅使用震颤的情况下，在不需要进行肌肉收缩(弯曲)的解析的定量化中，能够简化装置的结构。不仅有肌腱的位置，肌腹等设置场所的自由度也增加。如上述那样，能够使用加速度传感器或者麦克风(高灵敏度麦克风)等代替压电膜。
(肌肉活动观测系统的结构例)
在例如图23、图24所示那样的肌肉活动观测系统中能够采用上述的各实施方式所示的肌肉活动观测装置。此外，在以下示出使用第一实施方式所涉及的肌肉活动观测装置10的方式，但也能够使用其它实施方式的肌肉活动观测装置。
图23是表示肌肉活动观测系统的第一方式例的框图。如图23所示，肌肉活动观测系统1具备肌肉活动观测装置10和服务器60。
服务器60例如具备服务器控制部61、通信部62以及数据库610。服务器控制部61进行服务器60的整体控制。另外，服务器控制部61执行肌腱或者肌肉的活动的解析结果、脚的动作状态等向数据库610的登记、读取等。
通信部62与肌肉活动观测装置10的通信部32进行数据通信。通信部62接收来自肌肉活动观测装置10的肌腱或者肌肉的活动的解析结果、脚的动作状态，并向服务器控制部61输出。通信部62与通信部32的通信可以是无线通信，也可以是有线通信。
通过这样的结构，对在肌肉活动观测装置10中得到的肌腱或者肌肉的活动的解析结果、脚的动作状态等进行数据库化并存储，用户能够根据需要利用这些。
图24是表示肌肉活动观测系统的第二方式例的框图。如图24所示，肌肉活动观测系统1A具备肌肉活动观测装置10和信息终端70。
信息终端70例如具备运算部71、通信部72、存储部73、显示部74以及操作部75。
运算部71进行信息终端70的整体控制。通信部72与肌肉活动观测装置10的通信部32进行数据通信。通信部72与通信部32的通信可以是无线通信，也可以是有线通信。通信部72接收来自肌肉活动观测装置10的肌腱或者肌肉的活动的解析结果、脚的动作状态，并向运算部71输出。在存储部73中存储有应用程序730。另外，在存储部73中存储有经由通信部72接收到的肌腱或者肌肉的活动的解析结果、脚的动作状态。显示部74由液晶显示器等构成。操作部75由触摸面板等构成。
运算部71根据来自操作部75的操作输入等，从存储部73读取应用程序730并执行。应用程序730例如是使肌腱或者肌肉的活动的解析结果、脚的动作状态等可视化的程序。
运算部71执行应用程序730。此时，运算部71使用由通信部72接收到的或者存储于存储部73的肌腱或者肌肉的活动的解析结果、脚的动作状态来执行应用程序730。运算部71使显示部74显示应用程序730的执行结果。
通过这样的结构，在利用肌肉活动观测装置10观测肌腱或者肌肉的活动的解析结果、脚的动作状态等的同时，用户能够容易在视觉上确认该观测结果。
上述的肌肉活动观测系统的各结构能够适当组合，获得与各个组合对应的作用效果。
附图标记说明
1、1A…肌肉活动观测系统；10、10A、10B、10D…肌肉活动观测装置；20、20A、20B、20C…传感器模块；21、21A、21B、21C…压电传感器；21tm、21tr…震颤观测用传感器；22、22B、22C…信号处理部；22M…信号处理电路模块；30、30A…检测模块；31、31A、31D…检测部；32…通信部；33…电源；40、40A…生物体支承体；41…第一部分；42…第二部分；43…孔；50…噪声观测传感器；60…服务器；61…服务器控制部；62…通信部；70…信息终端；71…运算部；72…通信部；73…存储部；74…显示部；75…操作部；121…震颤信号提取电路；201…压电体；202…检测用电极；203…粘合层；204…辅助板；220C…传输电缆；220M…连接端子；221…震颤信号提取电路；222…伸缩信号提取电路；223、224…放大电路；225、226…滤波电路；227…发送控制部；311…震颤信号检测部；312…伸缩信号检测部；313…状态解析部；610…数据库；730…应用程序；90…小腿最小围；91…脚踝；92…脚背；93…脚后跟；94…脚掌；901…跟腱；902…胫骨前肌腱；903…腓骨长肌腱；991…上臂；992…大腿；993…前臂；994…胸；995…腹；996…背；997…腰。

Claims (21)

1.一种肌肉活动观测装置，具备：
第一传感器，根据肌腱或者肌肉的振动而使输出变化；
第二传感器，根据所述肌腱或者所述肌肉的伸缩而使输出变化；以及
检测部，使用所述第一传感器的输出信号和所述第二传感器的输出信号来检测所述肌腱或者所述肌肉的活动状态。
2.根据权利要求1所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述第一传感器和所述第二传感器由一个压电传感器形成。
3.根据权利要求2所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述压电传感器是具有主面的矩形，并且是片状。
4.根据权利要求3所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述压电传感器具备辅助板，所述辅助板与所述主面平行地配置并比构成所述压电传感器的压电体硬。
5.根据权利要求3或4所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述压电传感器被配置为，所述矩形的长度方向与所述肌腱或者所述肌肉延伸的方向大致正交。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述第一传感器与所述第二传感器的组为多个，
所述检测部使用所述多个组的所述第一传感器的输出和所述第二传感器的输出来检测所述肌腱或者所述肌肉的活动状态。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述检测部根据所述肌腱或者所述肌肉的活动状态检测具备所述肌腱或者所述肌肉的生物体的部位的动作。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述肌肉活动观测装置具备生物体支承体，所述生物体支承体是与包括所述肌腱或者所述肌肉的生物体的外形相配合的筒状，并与所述生物体的动作相配合地变形，
所述第一传感器以及所述第二传感器安装于所述生物体支承体。
9.根据权利要求8所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述生物体支承体安装在人体的脚上，
所述生物体支承体具备：
筒状的第一部分，覆盖脚踝；
第二部分，是覆盖脚背到脚掌的筒状，并与所述第一部分相连；以及
使脚后跟露出的孔。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述肌肉活动观测装置具备信号处理部，所述信号处理部从所述第一传感器的输出来提取震颤信号，从所述第二传感器的输出来提取伸缩信号，将所述震颤信号和所述伸缩信号放大，并输出至所述检测部，
所述检测部使用所述震颤信号和所述伸缩信号来检测所述肌腱或者所述肌肉的活动状态。
11.根据权利要求10所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述信号处理部分时输出所述震颤信号和所述伸缩信号。
12.根据权利要求1～11中任意一项所述的肌肉活动观测装置，其中，
所述肌肉活动观测装置具备通信部，所述通信部向外部通信所述检测部中的检测结果。
13.一种肌肉活动观测方法，
检测肌腱或者肌肉的振动并生成震颤信号，
检测所述肌腱或者所述肌肉的伸缩并生成伸缩信号，
使用所述震颤信号和所述伸缩信号来检测所述肌腱或者所述肌肉的活动状态。
14.根据权利要求13所述的肌肉活动观测方法，其中，
所述震颤信号和所述伸缩信号由一个传感器检测。
15.根据权利要求14所述的肌肉活动观测方法，其中，
所述一个传感器是压电传感器。
16.根据权利要求14或15所述的肌肉活动观测方法，其中，
配置所述一个传感器，使得检测灵敏度高的方向与所述肌腱或者所述肌肉延伸的方向大致正交。
17.根据权利要求13～16中任意一项所述的肌肉活动观测方法，其中，
所述震颤信号和所述伸缩信号的检测位置为多个，
使用所述多个检测位置的所述震颤信号和所述伸缩信号来检测所述肌腱或者所述肌肉的活动状态。
18.根据权利要求13～17中任意一项所述的肌肉活动观测方法，其中，
根据所述肌腱或者所述肌肉的活动状态检测具备所述肌腱或者所述肌肉的生物体的部位的动作。
19.根据权利要求13～18中任意一项所述的肌肉活动观测方法，其中，
将所述震颤信号和所述伸缩信号放大，并用于所述检测。
20.根据权利要求13～19中任意一项所述的肌肉活动观测方法，其中，
分时输出所述震颤信号和所述伸缩信号。
21.根据权利要求13～20中任意一项所述的肌肉活动观测方法，其中，
将从所述震颤信号和所述伸缩信号得到的肌腱或者肌肉的检测结果向外部通信。
CN201980077581.XA 2018-11-29 2019-11-08 肌肉活动观测装置以及肌肉活动观测方法 Pending CN113164099A (zh)

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