JP2017086184A - 筋活動可視化システムと筋活動可視化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筋肉の筋活動を簡単な構造で可視化できるシステムを提供する。【解決手段】被験者１０の３次元的な姿勢を計測する距離画像カメラ２０と、距離画像カメラで計測したデータから被験者の筋活動量を推定する演算部３０と、推定した筋活動量を被験者の画像に重ねて表示する表示手段４０とを備える。演算部３０は、距離画像カメラ２０のデータから被験者１０の関節位置を取得し、関節位置と被験者の質量から重心位置を算出し、重心位置及び重心の加速度を用いてＺＭＰを求め、さらに床反力を算出する。また関節位置のデータから関節角度を算出し、その角度と床反力とを用いて関節トルクを算出する。対象筋肉の起始及び停止の位置を求めて、筋長を推定し、筋長の大きさに基づいて筋活動の有無を判断し、筋活動が有るとき、関節トルクに比例した筋活動量を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、被験者の筋肉の筋活動量を表示する筋活動可視化システムとその可視化方法であり、歩行訓練等を行う被験者が、特別の機器を装着しなくても、筋肉の強化を図る運動等が適切に行われているかどうかを自ら確認できるようにしたものである。

下記特許文献１には、被験者の筋肉の筋張力を推定する方法及び装置の発明が開示されている。この発明では、図９に示すように、被験者に装着したマーカーの位置をモーションキャプチャで記録して被験者の運動データを取得し、被験者が載る床反力計（フォースプレート）によって被験者に作用する床反力データを計測し、また、筋電計（ＥＭＧ）を用いて被験者の筋電位データを計測し、それらのデータを用いて全身の筋張力を計算し、計算結果に基づいて筋張力を視覚化した画像を表示する。

ＷＯ２０１０／０９５６３６

片側の大腿を切断し、そこに義足を付けた義足装着者は、バランスの取れた対称的な歩行を完成するために、筋力強化を図る歩行訓練が必要とされている。
股関節の外転作用をする外転筋群の中で、中殿筋は立位や歩行時に身体を安定させる働きをしており、義足装着者の歩行訓練では中殿筋の筋力トレーニングが欠かせない。
中殿筋は、その一方が骨盤の腸骨翼の外側に付着し（起始）、他方が大転子先端の外側面に付着している（停止）。例えば、左脚を外転したとき、右脚側の中殿筋は、左脚が床に着くまで遠心性収縮（起始と停止が遠ざかる筋収縮）をしながら骨盤を固定しており、この中殿筋の作用で立位や歩行時の身体が安定する。
歩行訓練時に、こうした筋肉の筋活動をリアルタイムで可視化して、適切に筋肉を動かしているかを訓練者に確認させることは、訓練の効果を高める上で極めて有効である。

しかし、特許文献１に記載されているように、モーションキャプチャシステムやフォースプレート、ＥＭＧ等を使用するシステムは、高いコストが掛かり、手軽に導入することができない。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、筋肉の筋活動を簡単な構造で、安価に可視化できる筋活動可視化システム及び筋活動可視化方法を提供することを目的としている。

本発明は、運動時における被験者の筋肉の筋活動量を推定して可視化する筋活動可視化システムであって、被験者の３次元的な姿勢を計測する距離画像カメラと、距離画像カメラで計測したデータから被験者の筋活動量を推定する演算部と、演算部が推定した筋活動量を被験者の画像に重ねて表示する表示手段と、を備え、演算部が、距離画像カメラで計測したデータから被験者の関節位置を取得する関節位置取得手段と、その関節位置と被験者の質量とから被験者の重心位置を算出する重心位置算出手段と、重心位置及び重心の加速度を用いて、被験者の身体の慣性力と被験者の足裏に作用する床反力とが釣合うゼロ・モーメント・ポイント（ＺＭＰ）を求めるＺＭＰ算出手段と、被験者の左右の足の位置、被験者の質量及びＺＭＰから床反力を算出する床反力算出手段と、関節位置取得手段が取得した関節位置のデータから関節の角度を算出し、その角度と床反力とを用いて関節のトルク（負荷）を算出する関節トルク算出手段と、対象となる筋肉の起始及び停止の位置を求めて、その筋肉の筋長を推定する筋長推定手段と、筋長推定手段が推定した筋長の大きさに基づいて筋活動の有無を判断し、筋活動が有ると認められるとき、関節トルク算出手段が算出したトルクに比例した筋活動量を算出する筋活動量算出手段と、筋活動量算出手段が算出した筋活動量を表示手段の表示に反映させる表示制御手段と、を備えることを特徴とする。
このシステムは、被験者を撮影する距離画像カメラと、表示手段と、演算部を構成するパーソナルコンピュータとで実現できる。

また、本発明の筋活動可視化システムでは、関節トルク算出手段が、被験者の股関節のトルクを算出し、筋長推定手段が、被験者の中殿筋の筋長を推定し、筋活動量算出手段が、中殿筋の筋長が閾値を超えるときに、股関節のトルクに比例した筋活動量を算出する。
このシステムにより、中殿筋の強化を図る歩行訓練の効果を高めることができる。

また、本発明の筋活動可視化システムでは、表示手段に、被験者の画像と、距離画像カメラのデータから取得した骨格データと、筋活動量を表す表示とを重ねて表示することが望ましい。
被験者は、この表示から、筋肉のトレーニングに有効な関節の動かし方を把握することができる。
また、本発明の筋活動可視化システムは、義足歩行訓練者の訓練に好適である。

また、本発明は、被験者の３次元的な姿勢を計測する距離画像カメラで運動時の被験者を撮影し、被験者の筋肉の筋活動量を推定して表示手段に表示する筋活動可視化方法であって、距離画像カメラで計測したデータから被験者の関節位置を取得する関節位置取得ステップと、関節位置と被験者の質量とから被験者の重心位置を算出する重心位置算出ステップと、重心位置及び重心の加速度を用いて、被験者の身体の慣性力と被験者の足裏に作用する床反力とが釣合うゼロ・モーメント・ポイント（ＺＭＰ）を求めるＺＭＰ算出ステップと、被験者の左右の足の位置、被験者の質量、及びＺＭＰから床反力を算出する床反力算出ステップと、関節位置取得ステップで取得した関節位置のデータから関節の角度を算出し、その角度と床反力とを用いて関節のトルクを算出する関節トルク算出ステップと、対象となる筋肉の起始及び停止の位置を求めて、この筋肉の筋長を推定する筋長推定ステップと、筋長推定ステップで推定した筋長の大きさに基づいて筋活動の有無を判断し、筋活動が有ると認められるとき、関節トルク算出ステップで算出したトルクに比例した筋活動量を算出する筋活動量算出ステップと、筋活動量算出ステップで算出した筋活動量を表示手段の表示に反映させる表示制御ステップと、を備えることを特徴とする。
この方法は、被験者を撮影する距離画像カメラと、表示手段と、プログラムに基づいて各ステップの処理を実行するパーソナルコンピュータとで実現できる。

また、本発明の筋活動可視化方法では、関節トルク算出ステップで被験者の股関節のトルクを算出し、筋長推定ステップで被験者の中殿筋の筋長を推定し、筋活動量算出ステップで、中殿筋の筋長が閾値を超えるときに、股関節のトルクに比例した筋活動量を算出する。
この方法で中殿筋の筋活動量を可視化することにより、歩行訓練の効果が高められる。

また、本発明の筋活動可視化方法では、表示手段に、被験者の画像と、距離画像カメラのデータから取得した骨格データと、筋活動量を表す表示とを重ねて表示することが望ましい。
被験者は、この表示から、筋肉のトレーニングに有効な関節の動かし方を把握することができる。

本発明の筋活動可視化システム及び筋活動可視化方法は、モーションキャプチャシステムやフォースプレート、ＥＭＧ等が不要であり、低コストで実現できる。

本発明の実施形態に係る筋活動可視化システムの構成を示す図 図１のコンピュータの構成を示す図 図１のディスプレイの表示を示す図 図１の筋活動可視化システムの動作手順を示すフロー図 関節の角度及びトルクの求め方を説明する図 筋肉の筋長の求め方を説明する図 実験の模様を示す図 実験結果を示す図 従来の筋肉の筋張力推定方法を示す図

図１は、本発明の実施形態に係る中殿筋の筋活動量を可視化する筋活動可視化システムを示している。
このシステムは、歩行訓練のために足踏み動作を行う被験者１０を撮影する距離画像カメラ２０と、距離画像カメラ２０の画像情報から被験者１０の中殿筋の筋活動量を推定するコンピュータ（演算手段）３０と、距離画像カメラ２０が撮影した被験者１０の画像に重ねて、コンピュータ３０が推定した中殿筋の筋活動量を表示するディスプレイ（表示手段）４０とを備えている。

距離画像カメラ２０は、撮影対象に照射した光の反射時間を計測して撮影対象までの距離を検出する機能を有しており、各ピクセルの画像に３次元距離情報を付加した画像情報を出力する。また、例えば、マイクロソフト社製のＫＩＮＥＣＴ（登録商標）のように、被験者の動きに基づいて被験者の関節や骨組みを認識する機能を備えた機種も市販されている。

コンピュータ３０は、距離画像カメラ２０の画像情報から被験者１０の中殿筋の筋活動量を推定するために、図２に示すように、画像情報から被験者１０の全身の関節位置を取得する関節位置取得部３１と、被験者１０の重心位置を算出する重心位置算出部３２と、被験者１０のＺＭＰ（ゼロ・モーメント・ポイント：被験者１０の身体の慣性力と被験者１０の足裏に作用する床反力とが釣合う点）を求めるＺＭＰ算出部３３と、被験者の左右の足に作用する床反力を算出する床反力算出部３４と、股関節のトルク（負荷）を算出する関節トルク算出部３５と、中殿筋の筋長を推定する筋長推定部３６と、中殿筋の筋長の大きさから中殿筋の筋活動の有無を判断し、中殿筋の筋活動が認められるとき、股関節のトルクに比例する筋活動量を算出する筋活動量算出部３７と、筋活動量算出部３７が算出した筋活動量をディスプレイ４０の表示に反映する表示制御部３８とを有している。
このコンピュータ３０の各部は、コンピュータ３０がプログラムで定められた処理を実行することによって実現される。

図３は、ディスプレイ４０に表示される画像の一例を示している。ディスプレイ４０の画面には、距離画像カメラ２０で撮影された被験者１０の画像４１と共に、中殿筋の筋活動量４５を示す表示が被写体画像４１の中殿筋の位置周辺に表示されている。筋活動量４５は、それが大きい程、太く表示される。また、この画像には、距離画像カメラ２０の画像から取得した骨格データ４２と、左右の脚に作用する床反力４３、４４とが併せて表示されている。床反力４３、４４は、その大きさに応じてバーの長さが変化する。
ディスプレイ４０には、被験者１０の画像４１や筋活動量４５、骨格データ４２、床反力４３、４４がリアルタイムで表示される。

図４は、コンピュータ３０の動作を示すフロー図である。
関節位置取得部３１は、距離画像カメラ２０の画像情報から被験者１０の骨格データ及び全身の関節位置の情報を取得する（ステップ１）。
重心位置算出部３２は、距離画像カメラ２０の画像情報から、次式（数１）により被験者１０の重心位置を算出する（ステップ２）。

ここで、Ｍは、予め測定した被験者１０の質量、Ｎは、体節の数、ｘｉ，ｙｉ，ｚｉはｉ番目の体節の座標、ｍｉは、文献値の身体部分係数（ＢＳＰ）を用いて求めたｉ番目の体節の質量である。

ＺＭＰ算出部３３は、次式（数２）により被験者１０の重心の加速度を計算する。

ここで、ｔは時刻であり、Ｔはサンプリングタイムである。

次いで、次式（数３）によりＺＭＰ（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）を算出する（ステップ３）。

ここで、ｇは重力加速度である。

床反力算出部３４は、次式（数４）により右足に作用する床反力Ｆ_Rと左足に作用する床反力Ｆ_Lを算出する（ステップ４）。

ここで、ΔＲはＺＭＰと右足との距離、ΔＬはＺＭＰと左足との距離であり、右足の座標を（ｘ_R，ｙ_R，ｚ_R）、左足の座標を（ｘ_L，ｙ_L，ｚ_L）とすると、次式（数５）で表される。

関節トルク算出部３５は、前額面での腰関節と股関節の各関節角度を計算し（ステップ５）、それを基に股関節のトルクを計算する（ステップ６）。
ここで、図５に示すように、片脚を２つの体節で構成された２リンクの系で近似する（膝は省略）。この系において、前額面での骨盤中央の腰関節の座標を（ｙ_hip，ｚ_hip）、股関節の座標を（ｙ_leg，ｚ_leg）、足首関節の座標を（ｙ_ankle，ｚ_ankle）、腰関節と股関節との間のリンクの長さをｌ₁、股関節と足首関節との間のリンクの長さをｌ₂とし、また、足首関節に作用する床反力の前額面上の成分を（ｆ_y，ｆ_z）とすると、腰関節の角度θ_hip及び股関節の角度θ_legは、次式（数６）（数７）により算出される。


また、腰関節のトルクτ_hip及び股関節のトルクτ_legは、次式（数８）により算出される。

筋長推定部３６は、前額面での腰関節及び左右の股関節の座標を基に中殿筋の起始及び停止の座標を算出し、中殿筋の筋長を算出する（ステップ７）。
図６に示すように、前額面での左右の股関節座標の差をｄｙ_pelvis、ｄｚ_pelvisとすると、左右の股関節位置の傾きθ_pelvisは、次式（数９）により求めることができる。

また、中殿筋の起始と腰関節との間の距離Ｐ₁や中殿筋の停止と股関節との間の距離Ｐ₂は、文献値（ＡＩＳＴ 人体寸法データベース）から求めることができる。
これらのデータを用いて、中殿筋の起始の座標（ｙ_s、ｚ_s）は、次式（数１０）により算出できる。

一方、中殿筋の停止の座標（ｙ_e、ｚ_e）は、骨の回転による停止の位置の変化が小さいため、常に角度を０として、次式（数１１）により算出する。

なお、そうした事情が無い場合は、筋肉の停止の座標も（数１０）と同様の式で求める。

中臀筋の筋長ｌ_muscleは、起始と停止の座標から次式（数１２）により算出する。

筋活動値算出部３７は、中殿筋の筋長ｌ_muscleを被験者の身長Ｌで正規化した値（ｌ_muscle／Ｌ）と、静止状態の中殿筋の筋長に基づいて設定した閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）とを比較し、中殿筋に遠心的収縮が発生しているか否かを判定する（ステップ８１、ステップ８２）。
右脚側の中殿筋については、その筋長ｌ_muscle,Rが、
ｌ_muscle,R／Ｌ＞Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ
の場合（ステップ８１でＹｅｓ）に遠心的収縮が発生していると判定し、右股関節トルクτ_leg,Rが負であれば（ステップ９１でＹｅｓ）、中殿筋の筋活動が行われていると見て、右股関節トルクτ_leg,Rに任意の係数ｋ_muscleを乗じて、次式（数１３）により右脚側中殿筋の筋活動量を算出する（ステップ１０１）。

また、ステップ８１、ステップ９１においてＮｏの場合は、右脚側中殿筋の筋活動量を０とする（ステップ１２１）。

左脚側の中殿筋については、その筋長ｌ_muscle,Lが、
ｌ_muscle,L／Ｌ＞Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ
の場合（ステップ８２でＹｅｓ）に遠心的収縮が発生していると判定し、左股関節トルクτ_leg,Lが正であれば（ステップ９２でＹｅｓ）、中殿筋の筋活動が行われていると見て、左股関節トルクτ_leg,Lに任意の係数ｋ_muscleを乗じて、次式（数１４）により左脚側中殿筋の筋活動量を算出する（ステップ１０２）。

また、ステップ８２、ステップ９２においてＮｏの場合は、左脚側中殿筋の筋活動量を０とする（ステップ１２２）。
表示制御部３８は、筋活動値算出部３７がステップ１０１で算出した右脚側中殿筋の筋活動量及びステップ１０２で算出した左脚側中殿筋の筋活動量の大きさを筋肉の太さ等で表現してディスプレイ４０上に可視化する（ステップ１１１、ステップ１１２）。

図７は、この筋活動可視化システムで推定した筋活動量の有効性を検証するために行った実験の模様を示している。
この実験では、足踏み動作を行う被験者の筋活動量を、筋電計５０を用いて測定するとともに、本発明の筋活動可視化システムにより、距離画像カメラ（ＫＩＮＥＣＴ（登録商標））２０の画像から推定した。実験の被験者は、健常者及び義足装着者を対象とした。

図８は、実験結果を示している。右上の図は、健常者の左脚側中殿筋の筋活動量を筋電計で測定した測定値（点線）と、本発明により推定した推定値（一点鎖線）とを重ねて示している。右下の図は、同様に健常者の右脚側中殿筋における筋活動量の測定値及び推定値を示している。また、左上の図は、義足装着者の左脚側中殿筋の筋活動量を筋電計で測定した測定値（実線）と、本発明により推定した推定値（点線）とを重ねて示し、左下の図は、同様に義足装着者の右脚側中殿筋における筋活動量の測定値及び推定値を示している。
この実験結果から、本発明の筋活動可視化システムで推定した筋活動のタイミングが測定結果と良く一致していることが分かる。

なお、ここでは、中殿筋に着目して筋活動量を推定したが、本発明は、膝を伸ばす筋肉である大腿直筋や膝を曲げる筋肉である大腿二頭筋など、他の筋肉の筋活動量を推定するためにも用いることができる。
また、ここでは、関節の角度・トルク及び筋の長さを算出するに当たり、前額面の情報を用いたが、矢状平面の情報を用いてそれらを算出する場合は、数式（数６〜数１２）中のｙをｘに代えれば良い。

本発明の筋活動可視化システム及び筋活動可視化方法は、低コストで実現でき、義足装着者の歩行訓練や、医療・介護施設でのリハビリテーション、ゴルフやバッティング等のトレーニング場等、幅広い分野で利用することができる。

１０ 被験者
２０ 距離画像カメラ
３０ コンピュータ（演算手段）
３１ 関節位置取得部
３２ 重心位置算出部
３３ ＺＭＰ算出部
３４ 床反力算出部
３５ 関節トルク算出部
３６ 筋長推定部
３７ 筋活動量算出部
３８ 表示制御部
４０ ディスプレイ（表示手段）
４１ 被写体画像
４２ 骨格データ
４３ 床反力
４４ 床反力
４５ 中殿筋の筋活動量
５０ 筋電計

Claims (7)

1. 運動時における被験者の筋肉の筋活動量を推定して可視化する筋活動可視化システムであって、
   前記被験者の３次元的な姿勢を計測する距離画像カメラと、
   前記距離画像カメラで計測したデータから前記被験者の筋活動量を推定する演算部と、
   前記演算部が推定した前記筋活動量を前記被験者の画像に重ねて表示する表示手段と、
   を備え、
   前記演算部が、
   前記距離画像カメラで計測したデータから前記被験者の関節位置を取得する関節位置取得手段と、
   前記関節位置と前記被験者の質量とから該被験者の重心位置を算出する重心位置算出手段と、
   前記重心位置及び重心の加速度を用いて、前記被験者の身体の慣性力と前記被験者の足裏に作用する床反力とが釣合うゼロ・モーメント・ポイント（ＺＭＰ）を求めるＺＭＰ算出手段と、
   前記被験者の左右の足の位置、該被験者の質量、及び前記ゼロ・モーメント・ポイントから前記床反力を算出する床反力算出手段と、
   前記関節位置取得手段が取得した前記関節位置のデータから関節の角度を算出し、該角度と前記床反力とを用いて前記関節のトルクを算出する関節トルク算出手段と、
   前記筋肉の起始及び停止の位置を求めて、該筋肉の筋長を推定する筋長推定手段と、
   前記筋長推定手段が推定した前記筋長の大きさに基づいて筋活動の有無を判断し、筋活動が有ると認められるとき、前記関節トルク算出手段が算出した前記トルクに比例した筋活動量を算出する筋活動量算出手段と、
   前記筋活動量算出手段が算出した前記筋活動量を前記表示手段の表示に反映させる表示制御手段と、
   を備えることを特徴とする筋活動可視化システム。
2. 請求項１に記載の筋活動可視化システムであって、前記関節トルク算出手段が、前記被験者の股関節のトルクを算出し、前記筋長推定手段が、前記被験者の中殿筋の筋長を推定し、前記筋活動量算出手段が、前記中殿筋の筋長が閾値を超えるときに、前記股関節のトルクに比例した筋活動量を算出することを特徴とする筋活動可視化システム。
3. 請求項１に記載の筋活動可視化システムであって、前記表示手段に、前記被験者の画像と、前記距離画像カメラのデータから取得した骨格データと、前記筋活動量を表す表示とが重ねて表示されることを特徴とする筋活動可視化システム。
4. 請求項２または３に記載の筋活動可視化システムであって、前記被験者が義足歩行訓練者であることを特徴とする筋活動可視化システム。
5. 被験者の３次元的な姿勢を計測する距離画像カメラで運動時の被験者を撮影し、該被験者の筋肉の筋活動量を推定して表示手段に表示する筋活動可視化方法であって、
   前記距離画像カメラで計測したデータから前記被験者の関節位置を取得する関節位置取得ステップと、
   前記関節位置と前記被験者の質量とから該被験者の重心位置を算出する重心位置算出ステップと、
   前記重心位置及び重心の加速度を用いて、前記被験者の身体の慣性力と前記被験者の足裏に作用する床反力とが釣合うゼロ・モーメント・ポイント（ＺＭＰ）を求めるＺＭＰ算出ステップと、
   前記被験者の左右の足の位置、該被験者の質量、及び前記ゼロ・モーメント・ポイントから前記床反力を算出する床反力算出ステップと、
   前記関節位置取得ステップで取得した前記関節位置のデータから関節の角度を算出し、該角度と前記床反力とを用いて前記関節のトルクを算出する関節トルク算出ステップと、
   前記筋肉の起始及び停止の位置を求めて、該筋肉の筋長を推定する筋長推定ステップと、
   前記筋長推定ステップで推定した前記筋長の大きさに基づいて筋活動の有無を判断し、筋活動が有ると認められるとき、前記関節トルク算出ステップで算出した前記トルクに比例した筋活動量を算出する筋活動量算出ステップと、
   前記筋活動量算出ステップで算出した前記筋活動量を前記表示手段の表示に反映させる表示制御ステップと、
   を備えることを特徴とする筋活動可視化方法。
6. 請求項５に記載の筋活動可視化方法であって、前記関節トルク算出ステップで前記被験者の股関節のトルクを算出し、前記筋長推定ステップで前記被験者の中殿筋の筋長を推定し、前記筋活動量算出ステップで、前記中殿筋の筋長が閾値を超えるときに、前記股関節のトルクに比例した筋活動量を算出することを特徴とする筋活動可視化方法。
7. 請求項５に記載の筋活動可視化方法であって、前記表示手段に、前記被験者の画像と、前記距離画像カメラのデータから取得した骨格データと、前記筋活動量を表す表示とを重ねて表示することを特徴とする筋活動可視化方法。