JP2017217189A

JP2017217189A - 筋状態測定シート

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Publication number: JP2017217189A
Application number: JP2016113382A
Authority: JP
Inventors: 江尻　孝一郎; Koichiro Ejiri; 孝一郎江尻; 晴彦近藤; Haruhiko Kondo; 翼田中; Tsubasa Tanaka
Original assignee: SMK Corp
Current assignee: SMK Corp
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: US20170347941A1; JP6439752B2; CN107468255A

Abstract

【課題】誘発筋音図ＭＭＧの振幅や周波数を定量的に検出し、正確に筋の活動状態を評価できる筋状態測定シートを提供する。
【解決手段】一組の刺激電極と筋音センサーが所定間隔を隔てて絶縁シートの背面に臨んで筋の体表面に密着するので、電気刺激位置と筋音を検出する位置が一定で、誘発筋音図ＭＭＧの振幅や周波数を電気刺激位置や筋音検出位置に依存せずに定量的に検出できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、神経刺激を加えて筋線維を伸縮させ、筋の伸縮に伴って発生する筋音から骨格筋の活動状態を評価する評価システムに用いられる筋状態測定シートに関する。

骨格筋は、多数の筋線維が収縮する際に、筋線維の方向と直交する側方に微細な振幅で振動し、この微細振動の機械的変位を体表面から筋音として検出することができる。筋音の波形や振幅は、筋の種類、損傷状態、活動状態などにより変化するので、従来から筋音を記録した筋音図ＭＭＧ（ｍｅｃｈａｎｏｍｙｏｇｒａｍ：ＭＭＧ）に基づいて、筋の損傷や活動状態を評価する評価システムが知られている。

特許文献１に記載の筋肉測定装置は、内側に筋音センサーであるトランスデューサの検知面を露出させたカフを右太ももに巻き付け、太ももの筋に負荷を与えながら、筋の微振動で発生する筋音を検出し、検出した筋音の振幅や周波数から筋の種類や筋の疲労度を評価している。

また、特許文献２に記載の筋の損傷状態を評価する評価システムは、アクリルプレートの内側に受感材であるＰＶＤＦフィルムとラバーが取り付けられた筋音センサーを、評価する筋の体表面に密着させ、体表面から受感材を介して検出する筋音の平均周波数と分散の経時変化のデータを比較して、筋の損傷状態を評価している。

また、より定量的に筋の活動状態を評価する目的で、図４に示す非特許文献１に記載の評価システム１００では、刺激発生装置１０１からパルス幅が５００μｓの単極性パルスの電気刺激信号を、３００ｍｓの一定周期で前頸骨筋につながる総腓骨神経に加え、前頸骨筋の体表面に両面テープで貼り付けた加速度センサー１０２で、電気刺激に誘発されて収縮する前頸骨筋の微細振動を表す筋音を検出し、処理装置１０３で筋音の波形を経過時間とともに表す誘発筋音図ＭＭＧを形成する。誘発筋音図ＭＭＧに表れる筋音の振幅は、前頸骨筋の収縮レベルを表し、収縮方向の前頸骨筋の粘弾性は収縮レベルの増加に線形に変化することから、誘発筋音図ＭＭＧの波形によって前頸骨筋の粘弾性を評価している。

特開２００４−１４１２２３号公報特開２００９−２９７２０６号公報山口拓政、樋口辰哉、内山孝憲、"前頸骨筋における誘発筋音図のシステム同定"、生体医工学４７（６）：５４１−５４８，２００９

上述の特許文献１や特許文献２の評価システムでは、運動神経からの刺激を受けて筋が伸縮する際の微細振動による筋音を検出するものであるので、脳から運動神経を介して筋に伝達される刺激強度は一定ではなく、筋音の振幅や周波数は、筋への刺激強度により変化するので、筋の活動状態を定量的に評価することができない。特に筋の疲労度を評価する場合には、筋に負荷を与えながら筋音を検出するので、運動神経からの刺激強度が筋疲労の亢進につれて変化し、筋疲労度を正確に評価できない。

そこで、非特許文献１の評価システム１００では、一定レベルの電気刺激信号を評価する筋に加え、電気刺激信号に誘発される誘発筋音図ＭＭＧから、筋の活動状態を評価しているが、電気刺激位置と筋音を検出する筋音センサー（加速度センサー）１０２との相対位置が一定ではないので、電気刺激位置と筋音センサー１０２との距離に応じて筋音の振幅や周波数が変化する誘発筋音図ＭＭＧからは、正確に筋の粘弾性等の活動状態を評価できない。

また、筋への電気刺激位置に対して、筋の側方への変位が最も大きい体表面の位置に筋音センサーの検知面を配置することが困難であるので、高精度の誘発筋音図ＭＭＧを得ることができない。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、誘発筋音図ＭＭＧの振幅や周波数から、筋の活動状態を定量的に評価できる筋状態測定シートを提供することを目的とする。

また、筋に負荷を与える運動中であっても、リアルタイムで筋音を検出し、筋の活動状態を評価できる筋状態測定シートを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１に記載の筋状態測定シートは、絶縁シートの体表面に対向する側の裏面を測定する筋の体表面上に位置決めして、測定する筋の近傍に電気刺激信号を加え、その筋の近傍の体表面に表れる誘発信号から筋の活動状態を評価する評価システムに用いられる筋状態測定シートであって、電極間に電気刺激信号が出力される一組の刺激電極と、電気刺激信号により誘発される筋の微細振動を検出する筋音センサーと、一組の刺激電極と筋音センサーの検知面を裏面に臨ませる絶縁シートとを備え、一組の刺激電極と筋音センサーの検知面とを相互に所定の間隔を隔てて体表面に密着させたことを特徴とする。

一組の刺激電極と筋音センサーの検知面とが相互に所定の間隔を隔てて体表面に密着するので、電気刺激位置と筋音を検出する筋音センサーの検知面とが一定の間隔であり、誘発筋音図ＭＭＧに表れる筋音の振幅や周波数が電気刺激位置や筋音の検出位置に依存せずに定量的に検出できる。

一組の刺激電極や筋音センサーが振動しても、絶縁シートを筋の体表面に位置決めして密着させるので、体表面から離れることがなく、運動中でもリアルタイムに同じ位置で筋音の経時変化を検出できる。

請求項２に記載の筋状態測定シートは、一組の刺激電極が、絶縁シートの裏面の筋音センサーの検知面を隔てた両側に半円リング状に向き合って露出し、測定する筋の伸縮方向に直交する側方変位が最大となる体表面に筋音センサーの検知面が密着するように、絶縁シートの裏面を体表面に密着させることを特徴とする。

筋音センサーの検知面は、一組の刺激電極の間で絶縁シートの裏面に臨むので、電気刺激位置に近接する体表面に検知面が密着する。また、その密着する位置を、測定する筋の筋線維方向に直交する側方変位が最大となる位置とすることができるので、筋音センサーは、最大振幅の微細振動による誘発筋音図ＭＭＧを検出できる。

請求項３に記載の筋状態測定シートは、一組の刺激電極間の間隔が、測定する筋の筋線維の長さより短くなるように、一組の刺激電極を絶縁シートの裏面に臨ませたことを特徴とする。

一組の刺激電極と、その間の筋音センサーの検知面が、測定する筋の筋線維の長さより短い間隔内で絶縁シートの裏面に臨むので、一組の刺激電極と筋音センサーの検知面が測定する筋の体表面から外れることなく密着させることができ、確実に筋を電気刺激信号で刺激し、電気刺激に誘発される筋音を検出できる。

請求項４に記載の筋状態測定シートは、筋音センサーは、マイクロフォンであることを特徴とする。

筋の微細振動により生じる圧波を、マイクロホンで電気信号に変換して検出する。

請求項１の発明によれば、誘発筋音図ＭＭＧの筋音の振幅や周波数が電気刺激位置や筋音の検出位置で変化しないので、筋の疲労状態や動員数の増減などの活動状態を正確に検出できる。

また、筋を伸縮させる運動中であっても、リアルタイムで検出する筋音から筋の活動状態を評価できる。

請求項２の発明によれば、電気刺激信号を加えて微細振動の振幅が最大となる位置の体表面に筋音センサーの検知面が密着するので、検出誤差を小さくして誘発筋音図ＭＭＧの振幅や振動周波数を検出できる。

請求項３の発明によれば、一組の刺激電極と筋音センサーの検知面を、測定する筋の体表面から外れることなく密着させることができるので、確実に筋を電気刺激信号で刺激し、電気刺激を受けて収縮する筋の筋音を検出できる。

請求項４の発明によれば、筋音の検出に加速度計を用いないので、体動による発生する加速度を誤差として含まず、運動中であっても正確に誘発筋音図ＭＭＧを検出できる。

本願発明の一実施の形態に係る筋状態測定シート１の平面図である。筋の体表面に密着させた筋状態測定シート１を長手方向に沿って切断した縦断面図である。筋状態測定シート１が用いられる評価システム１０のブロック図である。従来の筋の活動状態を評価する評価システム１００のブロック図である。である。

本発明の一実施の形態に係る筋状態測定シート１は、筋５０に電気刺激信号を加えることにより、電気刺激に誘発される筋５０の筋音を検出し、筋音の振幅から筋５０の疲労度を評価する評価システム１０に用いられる。この筋５０の疲労度の評価のために評価システム１０は、図３に示すように、一組の刺激電極２の陽極２ａと陰極２ｂとマイクロフォン７とを一体に有する筋状態測定シート１と、陽極２ａと陰極２ｂ間に、アイソレータ１１を介して後述する電気刺激信号を出力する刺激発生装置１２と、マイクロフォン７の筋音検出信号を、増幅回路１３とＡ/Ｄコンバー１４を介して入力し、筋音検出信号から誘発筋音図ＭＭＧを生成し、誘発筋音図ＭＭＧに表れる筋音の振幅から筋５０の疲労度を評価するデータ処理装置１６とを備えている。

筋状態測定シート１は、筋音を測定する筋５０に電気刺激を加え、電気刺激により伸縮する筋５０の機械的変位で発生する筋音を検出するために、筋５０の体表面に位置決めされるものであり、ＰＥＴ等からなる可撓性の長方形の絶縁シート本体４に、陽極２ａと陰極２ｂからなる一組の刺激電極２と、絶縁シート本体４の陽極２ａと陰極２ｂの間の取付孔４ａに挿通させた筋音センサーとなるマイクロフォン７とが一体に固定され、絶縁シート本体４の底面に、陽極２ａの接触面２ａ１と陰極２ｂの接触面２ｂ１と、その間にマイクロフォン７の検知面７ａが所定の間隔を隔てて臨んでいる。

筋状態測定シート１を測定する筋５０の筋線維に沿った体表面に位置決めするように、絶縁シート本体４の体表面に対向する裏面となる底面の接触面２ａ１、２ｂ１と筋音センサー７の検知面７ａが露出する部位を除いたほぼ全面に図示しない両面テープが貼り付けられ、両面テープの剥離紙を剥離して表れる粘着層を、測定する筋５０の筋線維方向５０Ｃに沿った体表面に粘着し、筋状態測定シート１を位置決めしている。

一組の刺激電極２の陽極２ａと陰極２ｂは、それぞれ半円リング型の輪郭が長方形の絶縁シート本体４の長手方向で向かい合うように、絶縁シート本体４の長手方向の一側と他側で表裏を貫通して一体に形成されている。筋状態測定シート１を位置決めする筋５０の体表面は、筋線維方向５０Ｃの軸周りに円筒状の緩やかな湾曲面となっていて、その曲率は筋５０の曲率より小さいので、絶縁シート本体４の長手方向に直交する陽極２ａの端部２ａｓと陰極２ｂの端部２ｂｓの筋５０までの距離は、各中央部２ａｃ、２ｂｃの筋５０までの距離より離れる。しかしながら、本実施の形態では、陽極２ａと陰極２ｂとを、それぞれ半円リング型の輪郭が向かい合う形状としているので、一組の刺激電極２ａ、２ｂの端部２ａｓ、２ｂｓ間の間隔が中央部２ａｃ、２ｂｃ間の間隔より短く、筋５０の筋線維方向５０Ｃの軸周りで、電気刺激信号の電流値の差が生じないようにしている。

また、陽極２ａと陰極２ｂの各接触面２ａ１、２ｂ１は、図２に示すように、絶縁シート本体４の底面からわずかに突出し、これにより、筋状態測定シート１を体表面に位置決めする際に、陽極２ａと陰極２ｂが体表面を押し込み、所定の接触圧で体表面に密着する。また、陽極２ａと陰極２ｂが体表面に密着する際に、よりその間の接触抵抗を低下させる為、接触面２ａ１、２ｂ１の表面は金メッキで覆われている。

一組の刺激電極の陽極２ａと陰極２ｂは、それぞれ絶縁シート本体４の平面側に露出する面に半田接続する一組のリード電線１７ａを介してアイソレータ１１の＋出力と−出力に接続し、その間にアイソレータ１１を介して刺激発生装置１２から出力される電気刺激信号が流れる。ここでは電気刺激信号は、最大電流値が１０ｍＡで、パルス幅が０．５ｍｓｅｃ、電圧が５０Ｖ乃至１００Ｖの矩形波で、１秒の固定周期で刺激電極２ａ、２ｂ間に出力される。電気刺激信号を、変化率の大きい矩形波とすることによって、低電流値であっても、緩やかに増加する漸増刺激波形に比べて高い刺激効果で神経線維を刺激できる。

疲労度を評価する筋５０に電気刺激信号を加えて刺激すると、筋５０に筋活動電位が誘発され、刺激を受けた筋線維が収縮する際に筋５０が側方に拡大し、一種の圧波が発生すると考えられている。筋音センサー７は、この筋５０が側方に伸縮する機械的な微振動の変位を筋音として検出し、データ処理装置１６が解析可能な電気信号に変換する。筋音の周波数や振幅は、筋５０の活動状態と一定の相関があると考えられ、この筋５０の活動状態を評価する目的から、筋音センサーとして、加速度センサーやマイクロフォンを用いることができる。本実施の形態では、筋音センサーを筋状態測定シート１に一体に取り付けて筋５０の体表面に密着させるので、運動中の体動による加速度を含んで検出する加速度センサーは適さず、マイクロフォン７を用いる。

図２に示すように、マイクロフォン７の検知面７ａも、絶縁シート本体４の底面からわずかに突出する突曲面に形成され、これにより筋５０の体表面に密着して筋５０の側方への微振動により生じる筋音を確実に検出することができる。

筋５０の体表面に密着する陽極２ａと陰極２ｂ間に電気刺激信号を流すと、電気刺激信号の通電中は、陽極２ａを内向きに、神経線維を長手方向に、陰極２ｂを外向きに電気刺激信号が流れる。筋状態測定シート１を、その長手方向が筋線維方向５０Ｃに一致するように筋５０の体表面に位置決めすると、長手方向の両側で臨む陽極２ａと陰極２ｂとは、図２に示すように、筋５０の筋線維方向５０Ｃの両側の体表面に密着し、マイクロフォン７の検知面７ａは、電気刺激位置の近傍であって、電気刺激を受けて伸縮する筋５０の側方変位が最も大きい筋５０の中央付近の体表面の位置に自然に密着する。その結果、電気刺激信号で誘発される筋音の振幅が最大となる位置にマイクロフォン７の検知面７ａを密着させることができ、高い精度で筋音を検出できる。

また、絶縁シート４の底面に露出する接触面２ａ１と接触面２ｂ１間の間隔は、筋音を測定する筋５０の筋線維の長さより短い間隔となっているので、筋状態測定シート１を筋線維方向５０Ｃに沿って体表面に位置決めした状態で、図２に示すように、陽極２ａの接触面２ａ１と陰極２ｂの接触面２ｂ１と、その間にマイクロフォン７の検知面７ａは、いずれも筋５０の体表面に密着し、確実に筋５０に電気刺激を加えると共に電気刺激で誘発される筋音を検出できる。

この筋状態測定シート１を用いた評価システム１０で、筋５０の疲労度を評価する方法を説明する。初めに筋状態測定シート１の底面に粘着させた両面テープの剥離紙をはがし、図２に示すように、評価しようとする筋５０の筋線維方向５０Ｃと長方形の筋状態測定シート１の長手方向が一致するように、筋５０の体表面に筋状態測定シート１を粘着させて位置決めする。これにより、一組の刺激電極２ａ、２ｂとマイクロフォン７の検知面７ａは、自然に筋５０の体表面に密着し、筋５０の側方変位が最大となる体表面にマイクロフォン７の検知面７ａが密着する。

続いて、刺激発生装置１２からアイソレータ１１を介して一組の刺激電極２ａ、２ｂ間に、１秒の周期でパルス幅が０．５ｍｓｅｃ、電圧が１００Ｖの矩形波の電気刺激信号を出力し、筋５０に一定の負荷をかける運動時間の前後にわたって連続して、電気刺激により誘発される筋音をマイクロフォン７で検出し、データ処理装置１６において、筋音の波形を運動の経過時間と共に表す誘発筋音図ＭＭＧを生成する。

筋５０が一定時間の運動で収縮と伸張を繰り返えすと、酸素の供給不足によって筋５０の一部に乳酸が発生し、筋５０の収縮力が低下する筋疲労の状態に至り、筋５０が伸びきった状態で伸縮するので、筋線維の側方への振幅が徐々に短くなる。その結果、筋音の振幅が減少していくので、一定の経過時間毎の誘発筋音図ＭＭＧに表れる筋音の振幅から筋５０の筋疲労を評価する。

また、筋疲労がすすむにつれて筋５０が硬直する凝りの目安である筋硬度は、物質としての密度に依存し、物体の共振周波数は物体の密度に依存するので、電気刺激信号の周波数を徐々に変化させて検出される筋音の共振周波数から筋硬度を定量的に評価することもできる。このように筋音の共振周波数から筋５０の活動状態を評価する場合には、筋音の周波数が、Ｍ波（誘発筋活動電位の波形）の周波数より一桁低い１００Ｈｚ以下であるので、例えば、電気刺激信号の周波数を、１Ｈｚから１００Ｈｚまで徐々に上げていき、データ処理装置１６において、筋音図ＭＭＧの最大振幅が得られた時刻の前後の筋音図信号を抽出し、抽出した筋音図信号をＦＦＴ法（フーリエ変換）によりパワースペクトル密度を求め、パワースペクトル密度のピーク値が得られた際の周波数を共振周波数とする。

このように、電気刺激を加えることにより誘発される筋音から、筋５０の種々の活動状態を客観的に評価できるが、いずれの方法で評価する場合であっても、一組の刺激電極２ａ、２ｂから筋５０へ一定周期で電気刺激を加えることによって、運動中など筋５０に負荷を与えながら筋音を検出する場合であっても、脳からの神経刺激によって筋５０が伸縮する際に発生する筋音と識別して、電気刺激で誘発される筋音を検出できる。また、一組の刺激電極の陽極２ａと陰極２ｂとマイクロフォン７は、測定する筋５０の体表面に位置決めされる筋状態測定シート１に一体に形成されるので、運動中であっても電気刺激位置や筋音の検出位置が位置ずれすることがなく、筋音の振幅や電気刺激を加えてから筋音を検出するまでの潜時をリアルタイムに正確に検出できる。

上述の実施の形態では、粘着層によって絶縁シート４の底面を筋５０の体表面に粘着させているが、体表面の所定位置に位置決めできれば、バンドなどで体表面に巻き付けて位置決めしてもよい。

また、一組の刺激電極２の陽極２ａ陰極２ｂの間に、筋音センサー７の検知面７ａを露出させているが、筋状態測定シート１に一体に取り付けられていれば、その露出位置は図示する位置に限らない。

また、筋状態測定シート１に接続する評価システム１０の各部の構成は、バンドなどで身体に取り付ける装置に内蔵し、身につけるものであってもよい。

本発明は、筋音を検出し、運動中の筋の活動状態を筋音から評価する評価システムに用いる筋状態測定シートに適している。

１筋状態測定シート
２一組の刺激電極
２ａ陽極
２ａ１陽極の接触面
２ｂ陰極
２ｂ１陰極の接触面
４絶縁シート本体
７筋音センサー（マイクロフォン）
７ａ筋音センサーの検知面
１０評価システム
５０測定する筋
５０Ｃ筋線維方向

Claims

絶縁シートの体表面に対向する側の裏面を測定する筋の体表面上に位置決めして、測定する筋の近傍に電気刺激信号を加え、その筋の近傍の体表面に表れる誘発信号から筋の活動状態を評価する評価システムに用いられる筋状態測定シートであって、
電極間に電気刺激信号が出力される一組の刺激電極と、
電気刺激信号により誘発される前記筋の微細振動を検出する筋音センサーと、
前記一組の刺激電極と前記筋音センサーの検知面を裏面に臨ませる絶縁シートとを備え、
前記一組の刺激電極と筋音センサーの検知面とを相互に所定の間隔を隔てて体表面に密着させたことを特徴とする筋状態測定シート。
前記一組の刺激電極は、前記絶縁シートの裏面の前記筋音センサーの検知面を隔てた両側に半円リング状に向き合って露出し、
測定する筋の伸縮方向に直交する側方変位が最大となる体表面に前記筋音センサーの検知面が密着するように、前記絶縁シートの裏面を体表面に密着させることを特徴とする請求項１に記載の筋状態測定シート。
前記一組の刺激電極間の間隔が、測定する筋の筋線維の長さより短くなるように、一組の刺激電極を絶縁シートの裏面に臨ませたことを特徴とする請求項２に記載の筋状態測定シート。
前記筋音センサーは、マイクロフォンであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の筋状態測定シート。