DE60316401T2

DE60316401T2 - Vorrichtung zur Messung der muskulären Erschöpfung

Info

Publication number: DE60316401T2
Application number: DE60316401T
Authority: DE
Inventors: Masato Nakada
Original assignee: Tanita Corp
Current assignee: Tanita Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: EP1433420A1; JP2004201877A; DE60316401D1; US7065399B2; EP1433420B1; JP3960475B2; US20040092840A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung, die das Niveau der Ermüdung von Muskeln, die in einem Körperteil vorhanden sind (d.h. Standes von Muskelermüdung), basierend auf einer Impedanz in dem Körperteil abschätzt.
Aus dem Dokument EP 1 114 610 A1 ist bereits eine Vorrichtung zum Bestimmen des Grads der Ermüdung des menschlichen Körpers bekannt, bei der zwei Elektroden den Körper einer Person berühren. Eine Spannungseinrichtung misst die Spannung zwischen den zwei Elektroden, um die bioelektrische Impedanz zu berechnen.
Das Dokument JP-06304157 stellt auch bereits eine Vorrichtung zum Messen der Belastbarkeit und der Sensibilität von Muskeln gegen eine Ermüdung dar.
Herkömmliche Vorrichtungen zum Messen des Standes von Muskelermüdung (muskuläre Ermüdungsbestimmungsvorrichtungen) ordnen Elektroden auf einem Körperteil an, um so eine Änderung im Potenzial (myoelektrisches Potenzial) zu messen, das durch eine Kontraktion von Muskeln, die in dem Körperteil vorhanden sind, hervorgerufen wird, und um eine Muskelermüdung (muskuläre Ermüdung) zu bewerten (zu bestimmen) (siehe zum Beispiel Patentveröffentlichungen 1 und 2).
Patentveröffentlichung 1

Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 232/2000

Patentveröffentlichung 2

Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 224072/2002

Allerdings haben die herkömmlichen Vorrichtungen zum Messen des Stands von Muskelermüdung (Vorrichtungen zum Bestimmen einer muskulären Ermüdung) ein Problem dahingehend, dass die Elektroden unter demselben Abstand voneinander zu jedem Zeitpunkt angeordnet werden müssen, zu dem die Messung vorgenommen wird, da die Größe des gemessenen, myoelektrischen Potenzials dann variiert, wenn der Abstand zwischen den Elektroden, die auf dem Körper angeordnet sind, variiert.
Demzufolge ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung diejenige, das vorstehende Problem des Stands der Technik zu lösen und eine Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung zu schaffen, die einen Stand einer Muskelermüdung abschätzt, ohne durch einen Abstand zwischen den Elektroden beeinflusst zu werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterhin weist die Impedanzkomponenten-Messeinrichtung auf:
eine Stromzuführeinrichtung,
eine Spannungsmesseinrichtung, und
eine Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung,
wobei
die Stromzuführeinrichtung einem Körperteil Wechselströme mehrerer Frequenzen zuführt,
die Spannungsmesseinrichtung Spannungen misst, die in dem Körperteil durch Zuführen der Wechselströme mehrerer Frequenzen durch die Stromzuführeinrichtung erzeugt werden, und
die Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung Widerstandskomponenten und Reaktanzkomponenten in dem Körperteil durch Dividieren der durch die Spannungseinrichtung gemessenen Spannungen durch die von der Stromzuführeinrichtung zugeführten Ströme berechnet.
Weiterhin sind die Wechselströme mehrerer Frequenzen ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 kHz und ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 6,25 kHz.
Weiterhin weist die Messeinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes auf:
eine Teillängen-Messeinrichtung,
eine Teilbreiten-Messeinrichtung, und
eine Berechnungseinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes,
wobei die Teillängen-Messeinrichtung eine Teillänge in dem Körperteil misst,
die Teilbreiten-Messeinrichtung eine Teilbreite in dem Körperteil misst, und
die Berechnungseinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes die effektive Länge des muskulären Gewebes in dem Körperteil basierend auf der Teillänge, die durch die Teillängen-Messeinrichtung gemessen ist, und der Teilbreite, die durch die Teilbreiten-Messeinrichtung gemessen ist, berechnet.
Weiterhin berechnet die Berechnungseinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes die effektive Länge des muskulären Gewebes unter Verwendung des folgenden Ausdrucks:
wobei Meff die effektive Länge des muskulären Gewebes darstellt, Ml die Teillänge darstellt, Mw die Teilbreite darstellt und k einen Korrekturkoeffizienten darstellt.
Weiterhin berechnet die Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung den Stand der Muskelermüdung, indem der extrazelluläre Fluidwiderstand durch die Verteilungsmembran-Kapazität geteilt wird.
Weiterhin berechnet die Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung ein genaueres Niveau einer Muskelermüdung, indem wenigstens ein Element per sönlicher Daten, einschließlich Körpergewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht zusätzlich zu dem berechneten Stand der Muskelermüdung berücksichtigt wird.
Weiterhin weist die Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung auf:
einen Hauptkörper,
erste Einschließabschnitte,
zweite Einschließabschnitte, und
Elektrodengruppen,
wobei der Hauptkörper als ein Unterteil dient, die ersten Einschließabschnitte an dem Hauptkörper so angeordnet sind, dass sie in einer Teilbreitenrichtung in einem Körperteil frei gleiten können, um eine Breite zu messen,
die zweiten Einschließabschnitte an den ersten Einschließabschnitten so angeordnet sind, dass sie in einer Teillängenrichtung in dem Körperteil frei gleiten können, um eine Teillänge zu messen, und die Elektrodengruppen Strom leitende Elektroden sowie Messelektroden umfassen, die an Positionen an den zweiten Einschließabschnitten angeordnet sind, die der Teillänge entsprechen,
die Impedanzkomponenten-Messeinrichtung die Elektrodengruppen enthält und eine Widerstandskomponente sowie eine Reaktanzkomponente in einem Körperteil, das in direktem Kontakt mit den Elektrodengruppen steht, als Impedanz in dem Körperteil misst, und
die Einrichtung zum Messen der effektiven Länge von Muskelgewebe eine effektive Länge von Muskelgewebe in dem Körperteil auf Basis der durch die ersten Einschließabschnitte gemessenen Teilbreite und der durch die zweiten Einschließabschnitte gemessenen Teillänge berechnet.
Weiterhin sind die Elektrodengruppen an den Positionen an den zweiten Einschließabschnitten, die der Teillänge entsprechen, über flexible elastische Elemente angeordnet.
1 zeigt ein Blockdiagramm, das einen funktionalen Aufbau einer Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 zeigt eine Vorderseitenansicht der Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung zum Zeitpunkt einer Messung.
3 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung zum Zeitpunkt einer Messung.
4 zeigt eine bodenseitige Ansicht der Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung zum Zeitpunkt der Messung.
5 zeigt eine rechtsseitige Ansicht der Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung zum Zeitpunkt der Messung.
6 zeigt ein Blockdiagramm, das einen strukturellen Aufbau der Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 zeigt ein Hauptflussdiagramm, das den Ablauf zur Verwendung der Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung gemäß der vorliegenden Erfindung und die Betriebsweise der Vorrichtung darstellt.
8 zeigt ein Teilflussdiagramm, das Schritte zum Messen einer Impedanz in einem Körperteil darstellt.
9 zeigt ein Teilflussdiagramm, das Schritte zum Bestimmen eines Standes einer Muskelermüdung in einem Körperteil darstellt.
10 zeigt ein biologisch äquivalentes Modell.
Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Hauptkörper; 2 und 3 bezeichnen erste Einschließabschnitte; 4 (4a, 4b) und 5 (5a, 5b) bezeichnen zweite Einschließabschnitte; 13b, 14b, 15b und 16b bezeichnen Strom führende Elektroden; 13c, 14c, 15c und 16c bezeichnen Messelektroden; 21 bezeichnet eine Impedanzkomponenten- Messeinrichtung; 22 bezeichnet eine Einrichtung zum Messen der effektiven Länge von Muskelgewebe; 23 bezeichnet eine Parameterberechnungseinrichtung für ein biologisch äquivalentes Modell; 24 bezeichnet eine Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung; und 100 bezeichnet einen Körper.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFOR-MEN
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben.
Zunächst wird der Aufbau einer Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf ein funktionales Blockdiagramm, das in 1 dargestellt ist, eine Vorderseitenansicht der Vorrichtung zum Zeitpunkt einer Messung, die in 2 dargestellt ist, eine Draufsicht davon, die in 3 dargestellt ist, eine bodenseitige Ansicht davon, die in 4 dargestellt ist, eine rechtsseitige Ansicht davon, die in 5 dargestellt ist, ein strukturelles Blockdiagramm, das in 6 dargestellt ist, und ein biologisch äquivalentes Modell, das in 10 dargestellt ist, beschrieben. Die äußere Form der Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung der vorliegenden Erfindung ist in ihrem Grundaufbau durch einen Hauptkörper 1, erste Einschließabschnitte 2 und 3 und zweite Einschließabschnitte 4 und 5 (4a und 4b, und 5a und 5b) gebildet.
Der Hauptkörper 1 bildet die Basis der vorliegenden Vorrichtung und besitzt eine zylindrische Form. Er enthält eine elektronische Schaltungsplatte, auf der eine elektrische Stromversorgung 31, ein Oszillator 32, ein V/I-Wandler 33, ein Strom führender Elektrodenselektor 34, ein Messelektrodenselektor 35, ein Verstärker 37, ein Filter 37, ein A/D-Wandler 38, eine Speichereinheit 39, eine Anzeige 40 und eine CPU 41 montiert sind.
Die ersten Einschließabschnitte 2 und 3 dienen als Klauen, um eine Teilbreite in einem Körperteil zu messen, und besitzen jeweils eine prismatische Form. Die Bereiche 2 und 3 sind an dem Hauptkörper 1 derart befestigt, dass sie frei entlang der Richtung der Zylinderachse des Hauptkörpers 1 (oder entlang der Richtung der Teil breite in dem Körperteil) gleiten können und sich in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Zylinderachse des Hauptkörpers 1 (oder der Richtung der Teilbreite in dem Körperteil) erstrecken.
Weiterhin sind die ersten Elektroden 21a und 22a an der Führungsfläche des Hauptkörpers 1 vorgesehen und die zweiten Elektroden 21b und 22b sind an den Führungsflächen der ersten Einschließabschnitte 2 und 3 vorgesehen. Diese ersten Elektroden 21a und 22a und die zweiten Elektroden 21b und 22b bilden erste Codierer 21 und 22. Sie erfassen, etwa ähnlich bekannter elektronischer Schiebelehren, relative Verschiebungsgrößen zwischen dem Hauptkörper 1 und den ersten Einschließabschnitten 2 und 3 und geben die Daten zu der CPU 41 aus.
Die zweiten Einschließabschnitte 4 und 5 dienen als Klauen, um eine Teillänge in einem Körperteil zu messen, und weisen jeweils ein Paar von prismatischen Elementen 4a und 4b und ein Paar von prismatischen Elementen 5a und 5b auf. Die Elemente 4a und 5a sind an den Elementen 4b und 5b so befestigt, dass die Elemente 4a und 5a jeweils frei innerhalb der Elemente 4b und 5b gleiten können. Die zweiten Einschließabschnitte 4 und 5 sind an den vorderen Enden der ersten Einschließabschnitte 2 und 3 so angeordnet, dass die prismatischen Elemente 4a und 5a in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Zylinderachse des Hauptkörpers 1 und den Richtungen der Prismenachse der ersten Einschließabschnitte 2 und 3 (oder der Richtung der Teillänge in dem Körperteil) gleiten.
Weiterhin sind die dritten Elektroden 23a und 24a an den Führungsflächen der prismatischen Elemente 4a und 5a vorgesehen, und vierte Elektroden 23b (nicht dargestellt) und 24b sind an den Führungsflächen der prismatischen Elemente 4b und 5b vorgesehen. Diese dritten Elektroden 23a und 24a und vierten Elektroden 23b und 24b bilden zweite Codierer 23 und 24. Entsprechend bekannter elektronischer Schiebelehren können sie relative Verschiebungsgrößen zwischen den prismatischen Elementen 4a und 5a und den prismatischen Elementen 4b und 5b erfassen und die Daten zu der CPU 41 ausgeben.
Zusätzlich besitzt der zweite Einschließabschnitt 4 eine Einstellschraube 6 und der zweite Einschließabschnitt 5 besitzt eine Einstellschraube 7 und verschiedene Schal ter 8. Die Einstellschrauben 6 und 7 passen in Schraubnuten hinein, die in den prismatischen Elementen 4b und 5b gebildet sind, und drücken die prismatischen Elemente 4a und 5a durch die prismatischen Elemente 4b und 5b, um so die Positionen der prismatischen Elemente 4a und 53 und der prismatischen Elemente 4b und 5b dann zu fixieren, wenn die prismatischen Elemente 4a und 5a innerhalb der prismatischen Elemente 4b und 5b gleiten. Die Schalter 8 weisen einen EIN/AUS-Schalter 8a, der zwischen einer Zuführung eines elektrischen Stroms zu den Einheiten in dem elektrischen System und einem Unterbrechen der Zufuhr des elektrischen Stroms zu den Einheiten umschaltet, einen UP-Schalter 8b, der einen numerischen Wert erhöht, der auf der Anzeigeeinheit 40 zum Zeitpunkt einer Einstellung verschiedener Daten, wie beispielsweise persönlicher Daten (z.B. Körpergewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht), angezeigt ist, einen DOWN-Schalter 8c, der einen numerischen Wert verringert, der auf der Anzeigeeinheit 40 zum Zeitpunkt der Einstellung verschiedener Daten, wie beispielsweise persönlicher Daten (z.B. Körpergewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht), angezeigt ist, und einen SET-Schalter 8d, der einen numerischen Wert einstellt, der unter Verwendung des UP-Schalters 8b oder des DOWN-Schalters 8c ausgewählt ist, auf.
Weiterhin sind, an den vorderen Enden der prismatischen Elemente 4a, 5a, 4b und 5b der zweiten Einschließabschnitte 4 und 5, Elektrodengruppen über Federn 9, 10 11 und 12 so angeordnet, dass sie nach innen in der Richtung der Zylinderachse des Hauptkörpers 1 weisen. Die Elektrodengruppen weisen Platten 13a, 14a, 15a und 16a, Strom führende Elektroden 13b, 14b, 15b und 16b und Messelektroden 13c, 14c, 15c und 16c auf. Diese Elektroden sind an den entsprechenden Platten angeordnet.
Weiterhin erzeugt der Oszillator 32 konstante Spannungen unterschiedlicher Frequenzen (50 kHz und 6,25 kHz). Der V/I-Wandler 33 nimmt die konstanten Spannungen, die von dem Oszillator 32 erzeugt sind, auf, wandelt die konstanten Spannungen in konstante Ströme um und gibt die konstanten Ströme aus. Die Strom führende Elektroden-Auswahleinrichtung 34 nimmt die konstanten Ströme, die von dem V/I-Wandler 33 ausgegeben sind, auf und gibt die konstanten Ströme zu den abgebenden, Strom führenden Elektroden 13b und 16b oder 14b und 15b aus. Weiterhin dienen die Strom führenden Elektroden 13b, 14b, 15b und 16b als Übertragungsanschlüsse, um die konstanten Ströme, die von der den Strom führenden Elektroden-Auswahleinrichtung 34 durch einen Körperteil zugeführt sind, hindurchzuführen. Der Oszillator 32, der V/I-Wandler 33, die Strom führende Elektrodenauswahleinrichtung 34 und die Strom führenden Elektroden 13b, 14b, 15b und 16b bilden eine Stromzuführeinrichtung, um Wechselströme mehrerer Frequenzen (50 kHz und 6,25 kHz) durch einen Körperteil zuzuführen.
Weiterhin dienen die Messelektroden 13c, 14c, 15c und 16c als Verbindungsanschlüsse zum Erfassen von Spannungen, die durch eine Impedanz in dem Körperteil verursacht sind, wenn die Ströme durch den Körperteil von den Strom führenden Elektroden 13b, 14b, 15b und 16b hindurchgeführt werden. Die Messelektroden-Auswahleinrichtung 35 nimmt die Spannungen von den gegebenen Messelektroden 14c und 15c, 13c und 16c auf und gibt die Spannungen aus. Der Verstärker 36 nimmt die Spannungen, die durch die Impedanz in dem Körperteil verursacht sind, von der Messelektroden-Auswahleinrichtung 35 auf und verstärkt die Spannungen und gibt sie aus. Der Filter 37 nimmt die Spannungen von dem Verstärker 36 auf und lässt nur zu, dass spezifische Frequenzkomponenten (50 kHz und 6,25 kHz) dort hindurchführen. Der A/D-Wandler 38 wandelt die Spannungen, die durch den Filter 37 hindurchgeführt sind, von analogen Signalen in digitale Signale um und gibt die digitalen Signale zu der CPU 41 aus. Diese Messelektroden 13c, 14c, 15c und 16c, die Messelektroden-Auswahleinrichtung 35, der Verstärker 36, der Filter 37 und der A/D-Wandler 38 bilden Spannungs-Messeinrichtungen, um Spannungen von Wechselströmen mehrerer Frequenzen (50 kHz und 6,25 kHz), die in einem Körperteil auftreten, zu messen.
Weiterhin speichert die Speichereinheit 39 verschiedene Einstelldaten, die mittels des SET-Schalters 8d eingestellt sind, und die Anzeigeeinheit 40 zeigt verschiedene Einstelldaten und verschiedene Messdaten an.
Weiterhin dient die CPU 41 als Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung, Teilbreiten-Berechnungseinrichtung, Teillängen-Berechnungseinrichtung, Berechnungseinrichtung für die effektive Länge des Muskelgewebes, Parameter- Berechnungseinrichtung 23 für ein biologisch äquivalentes Modell und als Bestimmungseinrichtung 24 für den Stand einer Muskelermüdung. Die CPU 41 steuert auch Einheiten in dem elektrischen System und führt Berechnungen in einer bekannten Art und Weise durch.
Die Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung teilt die Spannungen der Wechselströme mehrerer Frequenzen (50 kHz und 6,25 kHz), die von dem A/D-Wandler 38 aufgenommen sind, durch Ströme, die durch den Körperteil von der Stromzuführeinrichtung hindurchführen, so, um eine Widerstandskomponente und eine Reaktanzkomponente in dem Körperteil für jede Frequenz (d.h. 50 kHz und 6,25 kHz) zu berechnen. Die vorstehenden Stromzuführeinrichtungen, die Spannungs-Messeinrichtung und die Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung bilden eine Impedanzkomponenten-Messeinrichtung 21, um eine Widerstandskomponente und eine Reaktanzkomponente in einem Körperteil als eine Impedanz in dem Körperteil zu messen.
Die Teilbreiten-Berechnungseinrichtung berechnet eine Teilbreite Mw basierend auf Ausgängen, die von den ersten Codierern 21 und 22 aufgenommen sind, und die Teillängen-Berechnungseinrichtung berechnet eine Teillänge Ml, und zwar basierend auf Ausgängen, die von den zweiten Codierern 23 und 24 aufgenommen sind. Die Berechnungseinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes substituiert die Teilbreite Mw, die durch die Teilbreiten-Berechnungseinrichtung berechnet ist, und die Teillänge Ml, die durch die Teillängen-Berechnungseinrichtung berechnet ist, in einen Ausdruck 7, um so eine effektive Länge Meff des muskulären Gewebes in dem Körperteil zu berechnen.
wobei k ein Korrekturkoeffizient ist (z.B. 1/2^½, der experimental bestimmt ist).
Der vorstehende Hauptkörper 1, die ersten Einschließabschnitte 2 und 3 und die Teilbreiten-Berechnungseinrichtung bilden eine Teilbreiten-Messeinrichtung zum Messen einer Teilbreite Mw in einem Körperteil. Weiterhin bilden die vorstehenden zweiten Einschließabschnitte 4 und 5 und die Teillängen-Berechnungseinrichtung eine Teillängen-Messeinrichtung zum Messen einer Teillänge Ml in einem Körperteil. Weiterhin bilden die vorstehende Teilbreiten-Messeinrichtung, die Teillängen-Messeinrichtung und Berechnungseinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes eine Messeinrichtung 22 für die effektive Länge des muskulären Gewebes, um eine effektive Länge des muskulären Gewebes in einem Körperteil zu messen.
Die Parameter-Berechnungseinrichtung 23 für das biologisch äquivalente Modell substituiert die Widerstandskomponente R und die Reaktanzkomponente jX, die für jede Frequenz (50 kHz und 6,25 kHz) berechnet worden sind, durch die Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung, und die effektive Länge Meff für das muskuläre Gewebe, die durch die Berechnungseinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes berechnet worden ist, in einen Ausdruck 8 für jede Frequenz (50 kHz und 6,25 kHz), um so einen realen Teil ρr und einen imaginären Teil jρx einer komplexen Widerstandsfähigkeit für jede Frequenz (50 kHz und 6,25 kHz) zu berechnen (R + jX)/Meff = ρr + jρx
Weiterhin substituiert die Parameter-Berechnungseinrichtung 23 für das biologisch äquivalente Modell den realen Teil ρr und den imaginären Teil jρx der komplexen Widerstandsfähigkeit, die für jede Frequenz (50 kHz und 6,25 kHz) berechnet worden ist, eine Messfrequenz f, eine imaginäre Zahl j und ein pi (π) in einen Ausdruck 9 für jede Frequenz, und drei Gleichungen werden basierend auf dem Ausdruck für jede Frequenz (50 kHz und 6,25 kHz) aufgestellt, um so eine extrazellulare Fluidwiderstandsfähigkeit Re, eine intrazellulare Fluidwiderstandsfähigkeit Ri und eine Verteilungsmembran-Kapazität Cm zu berechnen. Die extrazellulare Fluidwiderstandsfähigkeit Re, die intrazellulare Fluidwiderstandsfähigkeit Ri oder die Verteilungsmembran-Kapazität Cm wird als Parameter für ein biologisch äquivalentes Modell bezeichnet. 1/(ρr + jρx) = 1/Re + 1/(Ri + j × 2π × f × Cm)
Die Vorrichtung 24 zum Messen des Standes von Muskelermüdung teilt die extrazellulare Fluidwiderstandsfähigkeit Re, die durch die Parameter- Berechnungseinrichtung 23 für das biologisch äquivalente Modell berechnet worden ist, durch die Verteilungsmembran-Kapazität Cm, um so einen Grad K einer Muskelermüdung zu berechen (zu bestimmen). Dann substituiert die Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung das berechnete Niveau K einer Muskelermüdung und persönliche Daten (Körpergewicht W, Körpergröße H, Alter Ag und Geschlecht S), die durch den SET-Schalter 8d eingestellt sind, in einen Ausdruck 10, um so ein genaueres Niveau Kh einer Muskelermüdung zu berechnen (zu bestimmen). Kh = K × f1 (W) × f2 (H) × f3 (Ag) × f4 (S)wobei die Funktion f1, f2, f3 und f4 Funktionen sind, die im Voraus aus Daten abgeleitet sind, die aus einer Anzahl von Gegenständen zusammengestellt sind.
Als nächstes werden der Vorgang zum Verwenden der Messeinrichtung zum Bestimmen des Standes von Muskelermüdung gemäß der vorliegenden Erfindung und die Betriebsweise der Vorrichtung genauer unter Bezugnahme auf ein Hauptflussdiagramm, das in 7 dargestellt ist, ein Teilflussdiagramm zum Messen einer Impedanz in einem Körperteil, das in 8 dargestellt ist, und einem Teilflussdiagramm zum Bestimmen des Standes einer Muskelermüdung in einem Körperteil, das in 9 dargestellt ist, beschrieben.
Zuerst wird, unter Niederdrücken des EIN/AUS-Schalters 8a, elektrischer Strom zu den Einheiten in dem elektrischen System von der elektrischen Stromversorgungsquelle 31 zugeführt (SCHRITT S1).
Dann werden numerische Werte entsprechend zu persönlichen Daten (Körpergewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht) durch den UP-Schalter 8b oder den DOWN-Schalter 8c ausgewählt. Wenn die numerischen Werte durch den SET-Schalter 8d eingestellt sind, werden die eingestellten, persönlichen Daten (Körpergewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht) in der Speichereinheit 39 gespeichert (SCHRITT S2).
Dann erfassen, nachdem die relativen Positionen der prismatischen Elemente 4a und 5a und der prismatischen Elemente 4b und 5b der zweiten Einschließabschnitte bestimmt sind und durch die Einstellschrauben 6 und 7 fixiert sind, die zweiten Codierer 23 und 24 relative Verschiebungsgrößen zwischen den prismatischen Elemente 4a und 5a und den prismatischen Elemente 4b und 5b. Die CPU (Teillängen-Berechnungseinrichtung) 41 berechnet einen Durchschnitt (Teillänge Ml) eines Abstands zwischen den Elektrodengruppen 13 und 14 und eines Abstands zwischen den Elektrodengruppen 15 und 16 der zweiten Einschließabschnitte basierend auf den erfassten, relativen Verschiebungsgrößen (SCHRITT S3).
Dann werden die Elektroden 13b, 13c, 14b, 14c, 15b, 15c, 16b und 16c in einem direkten Kontakt mit einem Körperteil gebracht, dessen Stand der Muskelermüdung bestimmt werden soll, indem ein Abstand zwischen den ersten Einschließabschnitten 2 und 3 eingestellt wird. Dann erfassen die ersten Codierer 21 und 22 relative Verschiebungsgrößen zwischen dem Hauptkörper 1 und den ersten Einschließabschnitten 2 und 3. Die CPU (Teilbreiten-Berechnungseinrichtung) 41 berechnet einen Abstand (Teilbreite Mw) zwischen den Elektrodengruppen 13 (14) und 15 (16) basierend auf den erfassten, relativen Verschiebungsgrößen (SCHRITT S4).
Dann wird die Impedanz in dem Körperteil gemessen (SCHRITT S5). Genauer gesagt erzeugt der Oszillator 32 eine konstante Spannung von 50 kHz unter der Steuerung der CPU 41. Der V/I-Wandler 33 ändert, unter Empfang der konstanten Spannung, die konstante Spannung zu einem konstanten Strom und gibt den konstanten Strom aus (SCHRITT S21). Dann wird S = 1 in einem Register registriert (SCHRITT S22).
Dann wählt, unter der Steuerung der CPU 41, die Strom führende Elektroden-Auswahleinrichtung 34 die Strom führenden Elektroden 13b und 16b aus und die Messelektroden-Auswahleinrichtung 35 wählt die Messelektroden 14c und 15c aus (SCHRITT S23). Dann führt der konstante Strom, der von dem V/I-Wandler 33 ausgegeben ist, durch den Körperteil hindurch, der zwischen den Strom führenden Elektroden 13b und 16b liegt, und zu diesem Zeitpunkt erfassen die Messelektroden 14c und 15c eine Spannung, die in dem Körperteil erzeugt ist (SCHRITT S24).
Der Verstärker 36 verstärkt, unter Empfang der erfassten Spannung, die erfasste Spannung und gibt sie aus. Der Filter 37 lässt nur, unter Empfang der verstärkten Spannung, eine Frequenzkomponente entsprechend zu 50 kHz hindurch. Dann wandelt der A/D-Wandler 38, unter dem Empfang der Spannung von 50 kHz, das analoge Signal in ein digitales Signal um und gibt das digitale Signal aus. Die CPU (Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung) 41 berechnet, unter Empfangen des digitalen Signals, eine Widerstandskomponente und eine Reaktanzkomponente in dem Körperteil, indem die Spannung von 50 kHz durch den Strom, der durch den Körperteil von der Stromzuführeinrichtung hindurchfährt, geteilt wird (SCHRITT S25).
Dann wird, basierend auf den Variationen der Widerstands- und Reaktanzkomponenten in dem Körperteil, bestimmt, ob der Zustand eines Kontakts zwischen den Elektroden und dem Körperteil gut ist (SCHRITT S26). Wenn die Variationen höher als gegebene Werte sind, wird bestimmt, dass der Kontaktzustand nicht gut ist, und die SCHRITTE S24 und S25 werden erneut ausgeführt (NEIN im SCHRITT S26). Dabei wird, wenn die Variationen niedriger als die gegebenen Werte sind oder gleich dazu sind, bestimmt, dass der Kontaktzustand gut ist, und der darauf folgende Schritt wird ausgeführt (JA im SCHRITT S26).
Dann wird bestimmt, ob die Messung stabil ist oder nicht, und zwar basierend auf einem Anhalten der Variationen der Widerstands- und Reaktanzkomponenten in dem Körperteil, die niedriger als die gegebenen Werte oder gleich dazu sind (SCHRITT S27). Wenn die Variationen niedriger als oder gleich zu den gegebenen Werten nicht über eine gegebene Zeit fortführen, wird bestimmt, dass die Messung nicht stabil ist, und die SCHRITTE S27 bis S26 werden erneut ausgeführt (NEIN im SCHRITT S27). Dabei wird, wenn die Variationen niedriger als oder gleich zu den gegebenen Werten über die gegebene Zeit anhalten, bestimmt, dass die Messung stabil ist, und der darauf folgende Schritt wird ausgeführt (JA im SCHRITT S27).
Dann werden Werte, die auf dem Bildschirm der Anzeigeeinheit 40 angezeigt sind, durch Werte der Widerstands- und Reaktanzwerte in dem Körperteil aktualisiert, wenn die Messung dahingehend bestimmt ist, dass sie stabil ist (SCHRITT S28), und die Werte der Widerstands- und Reaktanzwerte in dem Körperteil werden, wenn die Messung dahingehend bestimmt ist, dass sie stabil ist, in der Speichereinheit 39 gespeichert (SCHRITT S29).
Dann erhöht das Register den momentan registrierten Wert S um 1 und registriert den aktualisierten Wert S (SCHRITT S30) und bestimmt, ob der aktualisierte Wert S größer als 2 ist oder nicht (SCHRITT S31). Wenn S nicht größer als 2 ist, werden die SCHRITTE S23 bis S30 erneut ausgeführt (NEIN im SCHRITT S31). Im SCHRITT S23 wählt in diesem Fall die Strom führende Elektroden-Auswahleinrichtung 34 die Strom führenden Elektroden 14b und 15b aus und die Messelektroden-Auswahleinrichtung 35 wählt die Messelektroden 13c und 16c, unter der Steuerung der CPU 41, aus. Dabei wird, wenn S größer als 2 ist, der darauf folgende Schritt ausgeführt (JA in SCHRITT S31).
Dann wird bestimmt, ob ein konstanter Strom, der durch den Körperteil hindurchfährt, 6,25 kHz ist, d. h. ob eine konstante Spannung, die durch den Oszillator erzeugt ist, 6,25 kHz ist (SCHRITT S32). Wenn sie nicht 6,25 kHz ist (NEIN im SCHRITT S32), wird die Erzeugung der konstanten Spannung von 50 kHz durch den Oszillator 32 unter der Steuerung der CPU 41 unterbrochen (SCHRITT S33), eine konstante Spannung von 6,25 kHz wird erzeugt (d.h. ein konstanter Strom von 6,25 kHz wird durch den Körperteil hindurchgeführt) und SCHRITT S22 und die darauffolgenden Schritte werden erneut ausgeführt (SCHRITT S34). Dabei wird die Erzeugung der konstanten Spannung von 6,25 kHz durch den Oszillator 32 unter der Steuerung der CPU 41, wenn sie 6,25 kHz ist (JA im SCHRITT S32), unterbrochen, und die Messung der Impedanz in dem Körper wird beendet (SCHRITT S35).
Dann wird der Stand einer Muskelermüdung berechnet (SCHRITT S6). Genauer gesagt substituiert die CPU 41 (Berechnungseinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes) die Teillänge Ml, die im SCHRITT S3 berechnet ist, und die Teilbreite Mw, die im SCHRITT S4 berechnet ist, in den Ausdruck 7, um so eine effektive Länge Meff des muskulären Gewebes in dem Körperteil zu berechnen (SCHRITT S51).
Dann substituiert die CPU 41 (Parameter-Berechnungseinrichtung 23 für das biologisch äquivalente Modell) die effektive Länge Meff des muskulären Gewebes, die Widerstandskomponente R und die Reaktanzkomponente JX zum Zeitpunkt der Messung bei 50 kHz, die in der Speichereinheit 39 gespeichert ist, und eine Wider standskomponente R und eine Reaktanzkomponente jX zum Zeitpunkt einer Messung bei 6,25 kHz in den Ausdruck 8, um so einen realen Teil ρr und einen imaginären Teil jρx einer komplexen Widerstandsfähigkeit zum Zeitpunkt einer Messung bei 50 kHz und einen realen Teil ρr und einen imaginären Teil jρx einer komplexen Widerstandsfähigkeit zum Zeitpunkt einer Messung bei 6,25 kHz zu berechnen (SCHRITT S52).
Dann stellt, basierend auf einem ersten Ausdruck, der sich aus einer Substitution des realen Teils ρr und des imaginären Teils jρx der komplexen Widerstandsfähigkeit zum Zeitpunkt der Messung bei 50 kHz, eine imaginäre Zahl j und ein pi (π) in den Ausdruck 9 ergibt, und einem zweiten Ausdruck, der sich aus einer Substitution des realen Teils ρr und des imaginären Teils jρx der komplexen Widerstandsfähigkeit zum Zeitpunkt einer Messung bei 6,25 kHz, eine imaginäre Zahl j und ein pi (π) in den Ausdruck 9 ergibt, die CPU (Parameter-Berechnungseinrichtung 23 für ein biologisch äquivalentes Modell) drei Gleichungen, ohne den imaginären Teil jρx der komplexen Widerstandsfähigkeit in den zweiten Ausdruck, auf, um so eine extrazellulare Fluidwiderstandsfähigkeit Re, eine intrazellulare Fluidwiderstandsfähigkeit Ri und eine Verteilungsmembran-Kapazität Cm als Parameter für ein biologisch äquivalentes Modell zu berechnen (SCHRITT S53).
Dann teilt, von diesen Parametern des biologisch äquivalenten Modells, die CPU 41 (Bestimmungsvorrichtung 24 für den Stand einer Muskelermüdung) die extrazellulare Fluidwiderstandsfähigkeit Re durch die Verteilungsmembran-Kapazität Cm, um so ein Niveau K einer Muskelermüdung zu berechnen (zu bestimmen) (SCHRITT S54). Dann substituiert die CPU 41 (Vorrichtung 24 zum Bestimmen des Standes einer Muskelermüdung) das Niveau K einer Muskelermüdung und die persönlichen Daten (Körpergewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht), die im SCHRITT S2 eingestellt sind, in den Ausdruck 10, um so einen genaueren Stand einer Muskelermüdung Kh zu berechnen (zu bestimmen), wodurch die Berechnung des Standes einer Muskelermüdung abgeschlossen ist (SCHRITT S55).
Dann zeigt die Anzeigeeinheit 40 den Stand K einer Muskelermüdung oder einen genaueren Stand Kh einer Muskelermüdung auf dem Bildschirm an (SCHRITT S7).
Beim Niederdrücken des EIN/AUS-Schalters 8a unterbricht die Stromversorgungsquelle 31 die Zufuhr von elektrischem Strom zu den Einheiten in dem elektrischen System, wodurch eine Reihe von Ablaufschritten der vorliegenden Vorrichtung abgeschlossen sind (SCHRITT S8).
Die Vorrichtung zum Messen des Standes einer Muskelermüdung der vorliegenden Erfindung misst, wie vorstehend beschrieben ist, eine Widerstandskomponente und eine Reaktanzkomponente in einem Körperteil als Impedanz in dem Körperteil durch die Impedanzkomponenten-Messeinrichtung 21, misst eine effektive Länge des muskulären Gewebes in dem Körperteil durch die Messeinrichtung 22 für die effektive Länge des muskulären Gewebes, berechnet Parameter für ein biologisch äquivalentes Modell, einschließlich einer extrazellularen Fluidwiderstandsfähigkeit und einer Verteilungsmembran-Kapazität basierend auf dieser Widerstandskomponente, dieser Reaktanzkomponente und der effektiven Länge des muskulären Gewebes durch die Parameter-Berechnungseinrichtung 23 für das biologisch äquivalente Modell, und bestimmt einen Stand einer Muskelermüdung basierend auf dem Verhältnis der extrazellularen Fluidwiderstandsfähigkeit zu der Verteilungsmembran-Kapazität durch die Bestimmungseinrichtung 24 für den Stand einer Muskelermüdung. Folglich kann die Vorrichtung zum Messen des Standes einer Muskelermüdung der vorliegenden Erfindung einen Stand einer Muskelermüdung mit einer hohen Genauigkeit erhalten, da sie das Niveau einer Muskelermüdung unter Berücksichtigung der effektiven Länge des muskulären Gewebes in dem Körperteil basierend auf dem Abstand zwischen den Elektroden erhält.
Weiterhin können Daten, die als eine Basis zum Berechnen der effektiven Länge eines muskulären Gewebes in dem Körperteil dienen, durch die ersten Einschließabschnitte 2 und 3 zum Messen einer Teilbreite, die an dem Hauptkörper 1 angeordnet sind, so dass sie frei in einer Teilbreitenrichtung in einem Körperteil gleiten können, und durch die zweiten Einschließabschnitte 4 und 5 zum Messen einer Teillänge, die an den ersten Einschließabschnitten 2 und 3 so angeordnet sind, dass sie frei in einer Teillängenrichtung in dem Körperteil gleiten können, erhalten werden. Dadurch kann die Messung einfacher und genauer vorgenommen werden.
In der vorstehenden Beschreibung wurden Federn zwischen den Elektrodengruppen und den zweiten Einschließabschnitten verwendet, so dass die Elektroden mit dem Körperteil einen Kontakt in einem guten Zustand haben. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auch unter Verwendung von Gummi oder anderen flexiblen, elastischen Elementen anstelle der Federn ausgeführt werden.
Die Vorrichtung zum Messen des Stands einer Muskelermüdung der vorliegenden Erfindung besitzt die Messeinrichtung für die effektive Länge des muskulären Gewebes, wodurch die Vorrichtung einen Stand einer Muskelermüdung unter Berücksichtigung der effektiven Länge eines muskulären Gewebes in einem Körperteil erhalten kann. Demzufolge ist der erhaltene Stand einer Muskelermüdung sehr genau.
Weiterhin misst die Vorrichtung zum Messen des Stands einer Muskelermüdung der vorliegenden Erfindung eine Teilbreite und eine Teillänge durch den Hauptkörper, die ersten Einschließabschnitte und die zweiten Einschließabschnitte, die so gebildet sind, dass die Abstände in dem Körperteil derart geändert werden können, um die effektive Länge eines muskulären Gewebes in dem Körperteil zu erhalten. Demzufolge kann der Stand der Muskelermüdung einfacher und genauer erhalten werden.
Weiterhin kann auch einfach eine Erhöhung der Genauigkeit unter Verwendung einer herkömmlich verwendeten Elektromyographie in Kombination mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Standes von Muskelermüdung, die umfasst: eine Impedanzkomponenten-Messeinrichtung (121) zum Messen einer Widerstandskomponente R und einer Reaktanzkomponente jX in einem Körperteil als Impedanz in dem Körperteil, eine Einrichtung (123) zum Berechnen eines biologisch äquivalenten Modellparameters und eine Einrichtung (124) zum Bestimmen des Standes der Muskelermüdung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (122) zum Messen der effektiven Länge von Muskelgewebe, die eine Teillängen-Messeinrichtung (23, 24) zum Messen einer Teillänge in dem Körperteil, eine Teilbreiten-Messeinrichtung (21, 22) zum Messen einer Teilbreite in dem Körperteil umfasst, und eine Einrichtung zum Berechnen der effektiven Länge von Muskelgewebe, die die effektive Länge von Muskelgewebe unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:
wobei Meff die effektive Länge des Muskelgewebes darstellt, Ml die Teillänge darstellt, Mw die Teilbreite darstellt und k einen Korrekturkoeffizienten darstellt; wobei die Einrichtung (123) zum Berechnen eines biologisch äquivalenten Modellparameters extrazellulären Fluidwiderstand, intrazellulären Fluidwiderstand und Verteilungsmembran-Kapazität unter Verwendung der folgenden Ausdrücke berechnet: (R + jX)Meff = ρr + jρx wobei R die Widerstandskomponente darstellt, jX die Reaktanzkomponente darstellt, Meff die effektive Länge von Muskelgewebe darstellt und ρr sowie iρx einen realen Teil bzw. einen imaginären Teil von komplexem Widerstand darstellen; und 1/(ρr + jρx) = 1/Re + 1/(Ri + j × 2π × f × Cm),wobei Re den extrazellulären Fluidwiderstand darstellt, Ri den intrazellulären Fluidwiderstand darstellt, Cm die Verteilungsmembran-Kapazität darstellt, f eine Messfrequenz darstellt und j eine imaginäre Zahl darstellt; und die Einrichtung (124) zum Bestimmen des Standes von Muskelermüdung einen Stand der Muskelermüdung auf Basis des Verhältnisses zwischen dem extrazellulären Fluidwiderstand Re und der Verteilungsmembran-Kapazität Cm bestimmt, die durch die Einrichtung (123) zum Berechnen des biologisch äquivalenten Modellparameters berechnet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Impedanzkomponenten-Messeinrichtung (21) umfasst: eine Stromzuführeinrichtung (13b, 14b, 15b, 16b), eine Spannungsmesseinrichtung (13c, 14c, 15c, 16c), und eine Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung (41), wobei die Stromzuführeinrichtung (13b, 14c, 15c, 16c) einem Körperteil Wechselströme mehrerer Frequenzen zuführt, die Spannungsmesseinrichtung (13c, 14c, 15c, 16c) Spannungen misst, die in dem Körperteil durch Zuführen der Wechselströme mehrerer Frequenzen durch die Stromzuführeinrichtung (13b, 14b, 15b, 16b) erzeugt werden, und die Impedanzkomponenten-Berechnungseinrichtung (41) Widerstandskomponenten und Reaktanzkomponenten in dem Körperteil durch Dividieren der durch die Spannungsmesseinrichtung (13c, 14c, 15c, 16c) gemessenen Spannungen durch die von der Stromzuführeinrichtung (13b, 14b, 15b, 16b) zugeführten Ströme dividiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Wechselströme mehrerer Frequenzen ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 kHz und ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 6,25 kHz sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einrichtung (24) zum Bestimmen des Standes von Muskelermüdung den Stand der Muskelermüdung berechnet, indem sie den extrazellulären Fluidwiderstand durch die Verteilungsmembran-Kapazität dividiert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung (24) zum Bestimmen des Standes von Muskelermüdung des weiteren einen genaueren Stand der Muskelermüdung unter Berücksichtigung wenigstens eines Elements persönlicher Daten einschließlich Körpergewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht zusätzlich zu dem berechneten Stand der Muskelermüdung berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die umfasst: einen Hauptkörper (1), erste Einschließabschnitte (2, 3), zweite Einschließabschnitte (4, 5), und Elektrodengruppen, wobei der Hauptkörper (1) als ein Unterteil dient, die ersten Einschließabschnitte (2, 3) an dem Hauptkörper (1) so angeordnet sind, dass sie in einer Teil-Breitenrichtung in einem Körperteil frei gleiten können, um eine Teil-Breite zu messen, die zweiten Einschließabschnitte (4, 5) an den ersten Einschließabschnitten (2, 3) so angeordnet sind, dass sie in einer Teil-Längenrichtung in dem Körperteil frei gleiten können, um eine Teil-Länge zu messen, und die Elektrodengruppen stromleitende Elektroden (13b, 14b, 15b, 16b) sowie Messelektroden (13c, 14c, 15c, 16c) umfassen, die an Positionen an den zweiten Einschließabschnitten (4, 5) angeordnet sind, die der Teil-Länge entsprechen, die Impedanzkomponenten-Messeinrichtung (21) die Elektrodengruppen enthält und eine Widerstandskomponente sowie eine Reaktanzkomponente in einem Körperteil, das in direktem Kontakt mit den Elektrodengruppen ist, als Impedanz in dem Körperteil misst, und die Einrichtung (22) zum Messen der effektiven Länge von Muskelgewebe eine effektive Länge von Muskelgewebe in dem Körperteil auf Basis der durch die ersten Einschließabschnitte (2, 3) gemessenen Teil-Breite und der durch die zweiten Einschließabschnitte (4, 5) gemessenen Teil-Länge berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Elektrodengruppen an den Positionen an den zweiten Einschließabschnitten (4, 5), die der Teil-Länge entsprechen, über flexible elastische Elemente angeordnet sind.