JP2011056243A - コードレス小型筋電バイオフィードバック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定者自身にとって運動の制約が無く、かつ自分の筋肉の動きを瞬時に感知体感でき、以降の筋活動への反映を円滑に行うことができる筋電バイオフィードバック装置を提供する。
【解決手段】筋電信号を検出する電極と筋電信号を処理する回路と筋電信号の大きさに相関して音量・音階・音程・音色・メロディー・リズム・音の長さ・音の間隔のうち少なくとも１つが変化するスピーカーとこれらを駆動する電源電池を小型の筐体内に配置し、電極と共に被測定者の測定部位に装着できる構成にした。
さらに、最大筋電信号を学習する機能、ワイヤレス送受信装置、刺激信号発生装置と組み合わせることにより、より高度な訓練とデータ解析を可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は生体用の筋電バイオフィードバック装置に関するものである。

従来の筋電バイオフィードバック装置では、筋肉の活動を波形としてコンピュータに映し出したり、ランプの点灯等によって視覚で捉えることはできるが、被測定者（被訓練者）本人が運動と同時に視覚装置を見るために運動に制約があったり、有線部分があってそれにより自由な運動に制約があるなどの欠点があった。

特許文献１には、筋電情報前処理装置とＩ/Ｏユニット間の信号の受け渡しをフォトカップラーによって行うバイオフィードバック装置が提案されている。また、特許文献２には、有線部分がなく運動の制約がない筋電位計が提案されている。

特公平２−３６２３号公報 特開１０−２７６９９５号公報

しかしながら、上記特許文献１は被測定者に装着した電極と筋電情報前処理ユニットの間に導線が存在し、更に筋電情報前処理ユニットが定置される場所が不明であり、実際には運動自体に制約がある可能性が大きい。また、視覚で確認するためのスクリーンの位置や大きさ、場所によって画面を確認するために被測定者本人の動きが、更に妨げられる場合が考えられる。同様に上記特許文献２でも、被測定者の運動に制約はないが、測定結果の被測定者への通知やフィードバックについての配慮がなく、バイオフィードバック装置としてはやはり制約がある。

上記特許文献１、特許文献２、でも明らかであるが、従来はバイオフィードバック装置の使用においては、測定者（訓練者）の存在が前提になっており、測定者の測定と分析のためのバイオフィードバック装置として発展してきた。被測定者本人が、制約条件なく、フィードバック情報を、即時的に運動や動作に反映させる事が試みられていない。

制約条件があれば自然な自由な運動が不可能であるし、第三者によって結果を知らせてもらう場合には、時間的にだけでなく自分の体感ともズレが生じてしまう。

また、近年機器の小型化が進み、測定者にとって使いやすい技術的な発達が成されているが、被測定者のためのバイオフィードバック装置としての技術の発達が成されていない。

これは、筋電位測定における、電位の個人差、筋部位による差、部位内での測定位置による差への対処でも同様であり、これまでは専門の測定者の存在が前提となっており、この差の補正への配慮がなされていない。

本発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、被測定者自身にとって運動の制約が無く、測定された筋電位の補正も手軽で、かつ自分の筋肉の動きを瞬時に感知体感でき、以降の筋活動への反映を円滑に行うことができる筋電バイオフィードバック装置を提供することにある。

本発明は、筐体と前記筐体の外表面に装着した、生体の筋電信号を検出する電極と、前記筐体の内部の、前記電極から得た筋電信号を前置増幅するプリアンプと前記プリアンプの出力信号を処理するハムフィルタ、バンドパスフィルタ及びゲインコントロール回路で構成される筋電信号前処理ユニットと、前記筋電信号前処理ユニットから出力した信号をＡ/Ｄ変換するＡ/Ｄコンバーターと、前記Ａ/Ｄコンバーターの出力信号を処理する演算装置で構成されるデジタル処理機構と、前記デジタル処理機構から出力した信号によって音を発生させる聴覚表示機構と、前記筋電信号前処理ユニット、前記デジタル処理機構、前記聴覚表示機構とを駆動する電池とを含む筋電バイオフィードバック装置である。筐体を体表面の測定対象部位に装着することで、電極等上記全ユニットや機構の用意が完了し、小型の筐体から発生する音によって、運動への制約なしに被測定者自らがバイオフィードバックトレーニングに取組む事を可能とする。

また、本発明は測定される筋電信号の個々人による差、測定部位による差、測定部位内での取付位置による差を補正するために、前記Ａ/Ｄコンバーターからの最大筋電信号の学習を開始する手段と、前記学習を終了する手段と、前記学習の開始から終了までの間に測定した最大筋電信号を記憶する手段と、前記記憶した最大筋電信号とその後に測定した実測筋電信号との比に相関して音量・音階・音程・音色・メロディー・リズム・音の長さ・音の間隔等を変化させる機能を持った演算装置を備えたことにより、測定者がいなくても、被測定者自身の運動の実感と合致する音によって円滑なバイオフィードバックトレーニングが可能となる。

また、本発明は前期筐体内に、前記演算装置の出力に応じた信号をワイヤレスで発信するワイヤレス発信装置を更に組み込み、前記筐体の外に前記信号を受信するワイヤレス受信装置と、受信した信号を視覚表示処理するコンピュータと視覚フィードバックとして表示するディスプレイにより視覚表示機構を構成することで、記録による測定者からの評価と、音による被測定者自身の評価を比較するという、高度なトレーニングが可能となる。

また、本発明はワイヤレス受信装置が、複数のワイヤレス発信装置の信号を受信できることにより、複数の位置で測定された筋電信号を同時に処理でき、全身的な筋活動を捉える事が可能になる。

また、本発明は前記コンピュータに刺激信号発生機能を加え、発生させた刺激信号を前記演算装置へ入力するために、前記ワイヤレス発信装置を受発信装置として使用し、前記ワイヤレス受信装置を受発信装置として使用し、前記刺激信号を前記演算装置とＤ/Ａコンバーターとアナログ処理回路で処理し、前記アナログ処理回路の出力である刺激電圧を電極にかけ、筋に対する末梢刺激をおこない脳へのフィードバック情報を提供することで、運動における障害の治療が可能となる。

筋肉の活動を感知する際に、筋電信号を検知する電極部分と筋電信号を出力する機構が従来は導線等で接続されていたのであるが、それらが同一の筐体に内蔵されている事と体外表面に保持できる機能があることによって、被測定者の運動を妨げることなく様々な運動による筋活動を測定できる効果がある。

しかも、その筐体から音が出る事によって、視覚情報を得るための動作が必要でなく、即時的に円滑に運動を繰り返して行い筋活動を的確に把握することができ、被測定者自らによる充分な筋電バイオフィードバック訓練に役立つ効果がある。

また、筋電位の個人差、筋部位による差、部位内の位置による差の補正システムを持つことで、どの被測定者が、どの筋の、どの位置で測定しても、その被測定者が、例えばその筋の最大筋力や５０％程度の筋力など任意の筋力を発揮しようと意識した時には、それぞれに同じ音でフィードバックさせる事ができ、被測定者の感覚とズレが小さい筋電バイオフィードバックが行える。

さらに、筋電信号をコンピュータに送信しディスプレイに映し出し被測定者本人以外にもその筋活動を見ることができるので、その後のデータとしての保存や分析が可能で、測定者の協力を得ての取り組みと被測定者自身での取り組みを繰り返す事で、分析的な取り組みにまで発展できる効果がある。

また、より専門的な取組みでは、本発明による筋電バイオフィードバック装置を複数個使用する事が可能であり、総合的に動作を捉え得る効果がある。その場合、一つ一つの装置の音の発生のさせ方（音程やメロディーなど）を変え、被測定者が認識しやすくする事も可能である。

メタボリックシンドロームを防止するためには、運動の見た目の量だけでなく、方法自体も重要である。筋活動での消費カロリーを増やすためには、見た目に激しい運動や長時間の運動が必要なのではなく、実際に筋活動がなされるような動作でなければならない。

早い動作では、本人は筋活動がなされているように意識するが、実際には筋活動として少ない場合がある。本発明により、自由に動作を行いながら十分な筋活動が起き続ける動作を自分自身で確認でき、メタボリックシンドロームを防止するための運動を実現する効果がある。

筋力トレーニングでは、強化する対象となる筋肉部位が特定されている場合が多い。しかしながら、実際の筋力トレーニングにおいては、対象となる筋肉があまり使われず、対象ではない筋肉が主体となった運動となっている場合も多い。

本発明を活用すれば、対象となる筋肉が活動しているかどうかを確認できるという大きな効果がある。また、本発明の装置を保持させる身体部位を選ぶことで、トレーニングの対象ではない筋肉があまり活動しない事、つまり音が鳴らない事を確認するという使用方法があり、トレーニング効果の向上と同時に筋力トレーニングでの怪我を減少防止させる効果がある。

運動技能の向上では、一般的に身体の使い方は動きの形として指導が成される場合が多い。しかし、実際の動きの形は筋肉によって生み出されている。本発明を活用する事で、個別スポーツ種目の個別の動作において、筋肉の使い方のレベルでの指導が可能となり、選手と指導者が具体的な筋肉の使われ方の情報を共有しながら技能の向上が図れる効果がある。

また、筋麻痺患者への治療やスポーツトレーニングにおいて、末梢筋への刺激によって脳に情報を送るバイオフィードバックトレーニングの場合も、被測定者の動作が制約されることなく治療やトレーニングが可能であり、高い効果がある。

筋電バイオフィードバック装置の装着時の外観図である。 筋電バイオフィードバック装置の基本型のブロック図である。 筋電バイオフィードバック装置の送受信型のブロック図である。 筋に対する末梢刺激を行い脳へのフィードバック情報を提供する、筋電バイオフィードバック装置のブロック図である。 筋電位の個人差、筋部位による差、部位内の位置による差の補正システムのチャート図である。

図２は本発明の筋電バイオフィードバック装置の基本構成図であり、被測定者の生体の筋電信号を検出する電極１と、筋電信号を増幅しノイズを除去する筋電信号前処理ユニット１１、筋電信号をデジタル処理するデジタル処理機構７と、デジタル処理機構７の出力の大きさに相関して発音するスピーカー１２、およびこれらを駆動する電源電池２を同一の筐体１９に内蔵する。

電極１は筐体１９の表面に位置し、生体から直接筋電信号を検出する。筋電信号前処理ユニット１１は電極１から導入された筋電信号を増幅するプリアンプ３と、筋電信号に含まれるハム雑音を除去するハムフィルタ４と、所定周波数帯域内の筋電信号のみを抽出するバンドパスフィルタ５と、筋電信号を増幅制御するゲインコントロール回路６とからなる。

筋電信号前処理ユニット１１の出力は、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバーター８と入力、演算、記憶、判断、出力の機能を行うところの演算装置２１からなるデジタル処理機構７を経て聴覚表示機構１３としてのスピーカー１２に接続される。

このとき、スピーカーの音量、音階、音程、音色、メロディー・リズム・音の長さ・音の間隔等はゲインコントロール回路６とデジタル処理機構７によって筋電信号の大きさに相関するようにコントロールされ、多彩な音の表現（メロディーの選択など）が可能である。

筋電信号前処理ユニット１１、デジタル処理機構７、スピーカー１２の駆動電源は電池電源２により供給され、これら全ての構成品が比較的小さな筐体１９内に収められており、筐体１９の外表面に電極１が固定されている。

図３は、図２の構成に加えて筐体１９内にワイヤレス発信装置９を設けた例である。ワイヤレス発信装置９はワイヤレス受信装置１０と共に送受信ユニット２０を構成しワイヤレス受信装置１０を接続したメインボード１４と筋電信号処理系の命令の信号を発生させるキーボード１５によってコンピュータ１６は構成され、ディスプレイ１７とによって視覚表示機構１８を構成している。

図４は、筋に対する末梢刺激を行い脳へのフィードバック情報を提供する、筋電バイオフィードバック装置である。コンピュータ１６から刺激信号を発生させ、その信号の演算装置２１への入力のために、ワイヤレス発信装置９を受発信装置９aとして使用し、ワイヤレス受信装置１０も同様に受発信装置１０aとして使用する。

信号は演算装置２１でアナログ処理回路２３が必要な電気刺激を発生させるための信号に処理され、Ｄ/Ａコンバーター２２でデジタル信号からアナログ信号に変換され、最終的に電源電池２からの電力によりアナログ処理回路２３が生体の筋電信号を検出するための電極１から刺激電圧をかけ、筋に対する末梢刺激を行い脳へのフィードバック情報を提供する。尚、電極１からの刺激電圧が筋電信号前処理ユニット１１に流れないための切替スイッチ２４が設けられる。

図５は、最大筋電信号の測定の開始、記憶、終了しその後に測定した実測筋電信号との比に相関して音量・音階・音程・メロディー・リズム・音の長さ・音の間隔等を変化させ聴覚表示機構１３により、聴覚にフィードバックする方法を示している。

この一連の処理は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ/Ｄコンバーター８と入力、演算、記憶、判断、出力の各処理を行うところの演算装置２１からなるデジタル処理機構７によって行われる。本発明を皮膚に装着後、ボタン等の操作により、演算装置２１が最大筋電位測定モードとなる。音等によりこのモードになった事を確認後、被測定者は本発明を装着した部位の筋活動を最大筋力にて行う。

所定の時間の経過が音等によって知らされ、最大筋電位測定モードは終了し、所定時間内での最大筋電位がＡ/Ｄコンバーター８によりアナログからデジタルに変換された状態で自動的に演算装置２１内に入力され、記憶される。その後、被測定者は所望の運動を行うが、その時の筋電位と演算装置２１内に記憶されている先ほどの最大筋電位との比較が演算装置２１によって行われる。

その比較結果に応じて演算装置２１が判断し、音量・音階・音程・メロディー・リズム・音の長さ・音の間隔等が変化するように、スピーカー１２に信号を出力し、被測定者はスピーカー１２からの音によって聴覚によるフィードバックを行うのである。この仕組みによって、例えば最大や５０％程度など任意の筋活動を行った時の、筋電信号の個々人による差、測定部位による差、測定部位内での取付位置による差を補正する。

次に、上記発明を実施するための形態の構成に基づく筋電バイオフィードバック装置の使用方法について以下説明する。

図1のように被測定者の測定したい筋肉の体表面に筐体１９を保持させる。保持する方法としては、電極１の周辺を両面テープで肌に貼り付ける方法、筐体１９の上面から押さえるようにテープで貼り付ける方法、同様に筐体１９の上面からベルトで締め付ける方法などが可能である。この場合、被測定者の皮膚に電極１を密着させることが重要となる。

被測定者は、目的とする筋活動を最初、意識的に最大筋力で行い、そのアンプ出力最大値をフルスケール電圧として判定する。また、音の鳴り方も選択を行う。

被測定者は目的とする筋活動を行い、筐体１９に内蔵されたスピーカー１２から発せられる音により自身の筋活動を感知し繰り返しフィードバックすることができる。

さらに、送受信ユニット２０によってコンピュータ１６に送信されたデータは、保存されディスプレイ１７によって視覚でも確認することができるので、継続的な観察やデータ収集、分析に使用することもできる。

複数個を使用する場合、部分的な筋活動だけではなく全身的な筋活動も測定できる。
複数個を使用した場合でも、個々の測定部位で音がするので、音がする方向や音色の違いなどで、被測定者は自分の筋活動の場所と強さをリアルタイムで認識しながら訓練することができる。

１・・・電極
２・・・電池電源
３・・・プリアンプ
４・・・ハムフィルタ
５・・・バンドパスフィルタ
６・・・ゲインコントロール回路
７・・・デジタル処理機構
８・・・Ａ/Ｄコンバーター
９・・・ワイヤレス発信装置
９a・・・ワイヤレス受発信装置
１０・・・ワイヤレス受信装置
１０a・・・ワイヤレス受発信装置
１１・・・筋電信号前処理ユニット
１２・・・スピーカー
１３・・・聴覚表示機構
１４・・・メインボード
１５・・・キーボード
１６・・・コンピュータ
１７・・・ディスプレイ
１８・・・視覚表示機構
１９・・・筐体
２０・・・送受信ユニット
２１・・・演算装置
２２・・・Ｄ/Ａコンバーター
２３・・・アナログ処理回路
２４・・・切替スイッチ

Claims (5)

1. 筐体と、
   前記筐体の外表面に装着した生体の筋電信号を検出する電極と、
   前記筐体の内部の、
   前記電極から得た筋電信号を前置増幅するプリアンプと前記プリアンプの出力信号を処理するハムフィルタとバンドパスフィルタ及びゲインコントロール回路で構成される筋電信号前処理ユニットと、
   前記筋電信号前処理ユニットから出力した信号をA/D変換するA/Dコンバーターと前記A/Dコンバーターの出力信号を処理する演算装置で構成されるデジタル処理機構と、
   前記デジタル処理機構から出力した信号によって音を発生させる聴覚表示機構と、
   前記筋電信号前処理ユニット、前記デジタル処理機構、前記聴覚表示機構とを駆動する電池と、
   を含む筋電バイオフィードバック装置。
2. 測定される筋電信号の個々人による差、測定部位による差、測定部位内での取付位置による差を補正するために、前記A/Dコンバーターからの最大筋電信号の学習を開始する手段と、前記学習を終了する手段と、前記学習の開始から終了までの間に測定した最大筋電信号を記憶する手段と、前記記憶した最大筋電信号とその後に測定した実測筋電信号との比に相関して音量・音階・音程・音色・メロディー・リズム・音の長さ・音の間隔のうち少なくとも１つを変化させる機能を持った演算装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載した筋電バイオフィードバック装置。
3. 前記筐体内に、前記演算装置の出力に応じた信号をワイヤレスで発信するワイヤレス発信装置を更に組み込み、前記筐体外に前記信号を受信するワイヤレス受信装置と、受信した信号を視覚表示処理するコンピュータと視覚フィードバックとして表示するディスプレイにより視覚表示機構を構成したことを特徴とする請求項１または２に記載した筋電バイオフィードバック装置。
4. ワイヤレス受信装置が、複数のワイヤレス発信装置の信号を受信できることにより複数の位置で測定された筋電信号を同時に処理できることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載した筋電バイオフィードバック装置。
5. 前記コンピュータに刺激信号発生機能を加え、発生させた刺激信号を前記演算装置へ入力するために、前記ワイヤレス発信装置を受発信装置として使用し、前記ワイヤレス受信装置を受発信装置として使用し、前記刺激信号を前記演算装置とD/Aコンバーターとアナログ処理回路で処理し、前記アナログ処理回路の出力である刺激電圧を電極にかけ、筋に対する末梢刺激をおこない脳へのフィードバック情報を提供することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載した筋電バイオフィードバック装置。