JP3320829B2

JP3320829B2 - 疲労に対する筋肉の耐性及び感度の判定システム

Info

Publication number: JP3320829B2
Application number: JP08743893A
Authority: JP
Inventors: アルト・レメス; カリ・エスケリネン
Original assignee: メガ・エレクトロニッカ・オサケユキテュア
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1993-04-14
Publication date: 2002-09-03
Anticipated expiration: 2017-09-03
Also published as: JPH06304157A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、疲労に対する筋肉の耐
性と感度とを判定するシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】人間の筋肉の状態は、その者の生活の
質、仕事の効率、満足など多くの事柄に著しい影響を与
える。筋肉状態を測定する際には、同年齢の一般公衆と
の比較がよい標準を与える。筋肉状態とは筋肉の耐性及
び疲労であって、様々な種類のテストを用いることで観
察できるが、直接かつ迅速に、信頼性の高い比較、たと
えば一般公衆と比較することが可能な信頼性の高い結果
は、これらのテストでは得られない。

【０００３】筋肉は、筋肉繊維すなわち筋肉細胞からな
る。１つの神経繊維が、複数の筋肉繊維を規制してい
る。筋肉繊維は、筋原繊維に分解され、更に筋肉フィラ
メントに分解され、これは、アクチンフィラメントとミ
オシンフィラメントとに分解される。筋収縮は、これら
のミクロの単位で、Ｃａ⁺⁺イオンの侵入とそれに続くア
デノシン三リン酸（ＡＴＰ）の加水分解によって、機械
的に生じる。筋収縮は、細胞質から筋原繊維の中にＣａ
⁺⁺イオンをリリースする神経インパルスによって生じ、
これにより、アクチンフィラメントとミオシンフィラメ
ントとが相互に滑り合って接触する。同時に、筋肉細胞
膜の上で、活動電位（action potential）が発生し、そ
の結果として、数百万のアクチン・ミオシン単位で、平
行して現象が起こる。

【０００４】多くの筋肉細胞が、運動単位（motor uni
t）と呼ばれる機能的単位を形成している。筋肉強度が
増加しなければならない場合には、より多くの運動単位
が収縮プロセスに動員される。

【０００５】この場合の活動電位は測定でき、たとえ
ば、針電極（針筋電計測法（needle electromyograph
y）、すなわち、ニードルＥＭＧの場合）又は表面電極
（surfaceelectromyography）、すなわち、サーフィス
ＥＭＧの場合）を用いることで、筋肉細胞の内側から電
気的に測定する。運動単位とはアクチン・ミオシン単位
であるが、異なる周波数で機能し、異なる時刻において
刺激を受ける。したがって、たとえば皮膚表面で記録さ
れる収縮する筋肉のＥＭＧ信号は、主に、１０〜４００
Ｈｚの周波数の範囲の周波数成分を含む。記録信号の強
さは、この場合、数μＶから約５０００μＶまで変化す
る。筋肉のこの種の測定と観測は非常に一般的なもので
あり、様々な目的に用いられている。

【０００６】筋収縮は、そのエネルギをＡＴＰから得て
いる。ＡＴＰの合成と分解代謝との両方において、酸素
が重要である。筋肉のきつい働きにおいては、ＡＴＰの
分解の結果、多くの水素イオンが筋肉細胞の中で発生す
るが、この水素イオンは、他の酸素を有する反応物と結
合しない。よって、細胞質の酸性度が上昇し、エネルギ
の生産は減少して、筋肉は、疲労し始める。筋肉細胞が
酸性になるにつれて、筋肉細胞の膜の導電率が低下し、
筋肉細胞内の活動電位の形成が減速し、神経インパルス
の筋肉の中への浸透は禁止される。この現象は、今日の
測定機器を用いれば検出可能である。

【０００７】

【発明の概要】本発明の目的は、筋肉の疲労に対する耐
性と感度とを、迅速かつ信頼性の高い態様で分析・判定
し、その結果を一般公衆と比較するシステムを提供する
ことである。更に、本発明の目的は、一個人の筋肉状態
の追跡にも適用可能なシステムを提供することである。

【０００８】本発明によれば、筋肉細胞膜の導電率の低
下と活動電位の形成の減速とが、疲労に対する筋肉の耐
性及び感度を判定するのに用いられる。具体的には、こ
の判定には、記録された筋電計測（ＥＭＧ）信号の周波
数分析（例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用い
る）を実行し、メジアン周波数（Median Frequency＝Ｍ
Ｆ）、平均パワー周波数（Mean Power Frequency＝ＭＰ
Ｆ）及びゼロ交差率（Zero Crossing Rate＝ＺＣＲ）を
含む少なくとも３つの計算パラメータが用いられる。こ
れらの計算パラメータは、以下のように定義する。

【０００９】連続信号のパワー・スペクトルであるＳ
（ｆ）は、Ｓ（ｆ）＝Ｒｅ^２＋Ｉｍ^２として定義する。
ここで、Ｒｅは実数項、Ｉｍは虚数項である。振幅スペ
クトルＡ（ｆ）は、次の式で定義する。

【００１０】

【数１】メジアン周波数（ＭＦ）とは、次の式のように、スペク
トルを２つの等しい面積に分割する周波数を示す。

【数２】平均パワー周波数（ＭＰＦ）は、数学的に、次の式で定
義する。

【００１１】

【数３】これは、離散的な形式では、次の式である。

【００１２】

【数４】ゼロ交差率（ＺＣＲ）とは、ＥＭＧ信号の１秒あたりの
ゼロ交差(zero crossings)の数を示す。

【００１３】平均のＥＭＧは、次の式にしたがって計算
される。

【００１４】

【数５】たとえば毎分当たり（Ｈｚ／ｍｉｎ）のＭＦ、ＭＰＦ及
びＺＣＲパラメータの時間的な変化率を調べれば、比較
に用いることが可能で、疲労に対する筋肉の耐性と感度
とを記述する数が得られる。

【００１５】物理療法やトレーニング中の患者のフォロ
ーアップに上述の現象と計算とを応用することによっ
て、各筋肉テストに対して正規化された指数が得られ、
これは、たとえば、男女の年齢群によるものである。こ
の指数の利用により、一般公衆との比較における被験者
の筋肉状態が、直接に得られる。上述したシステムによ
れば、個人レベルの筋肉状態の向上のフォローアップも
可能である。したがって、本発明のシステムは、トレー
ニングのフォローアップ、働く能力の評価、トレーニン
グ及び筋肉状態に応じた正しいエクササイズの選択、職
場その他での背中や首の問題の防止手段の評価などに応
用できる。

【００１６】

【実施例】図１の実施例では、被験者が処置台の上に支
持を受けずに水平方向に横たわって状態で、筋肉の状態
が測定される。臀部は、腸骨の上部から下向きに支持さ
れる。被験者は、上半身をこの位置で３０秒から６０秒
程度維持する。水平レベルは、適切な方法、たとえば、
背中に軽く触れるように被験者の上方に吊り下げた垂球
糸などによってチェックできる。他方、処置台の水平方
向レベルも使用できる。被験者が、測定の間、一定の位
置にあることが重要である。記録用の電極Ａ１、Ａ２
を、皮膚の表面に、脊柱起立筋の上部の脊柱から約３〜
５ｃｍの腰椎Ｌ４、Ｌ５のレベルの左右両側に、双極的
に接着させる。

【００１７】図２によれば、ＥＭＧ記録用増幅器１は、
設置した電極２に取り付けるノブの上に置かれる。これ
らの増幅器を直接に皮膚表面に置いて、通常モードの乱
れを吸収することが、重要である。この実施例における
記録用増幅器の性質は、次の通りである。利得：５００ＣＭＲＲ＞１３０ｄＢ周波数帯域：２０〜４７０Ｈｚ（３ｄＢ点）入力インピーダンス：１０¹² Ω タイプ：差動登録装置と接続されるパラメータは、記録器のキーボー
ドにおいて選択する。テストの間は、ＥＭＧ信号は、た
とえば毎秒１０００記録で、登録装置のメモリに記録さ
れる。テストが終了すると、記録されたデータは、たと
えば光データ転送によって、コンピュータに転送され
て、分析・正規化される。

【００１８】本発明による記録システムが、図３に示さ
れている。皮膚表面に置かれたＡｇ／ＡｇＣｌ使い捨て
表面電極が、その電極の下の筋肉Ｍにおいて活性化され
た運動単位電位を登録する。両方の入力に接続した通常
モードの乱れ（６０Ｈｚ、ＥＣＧ）は、差動前置増幅器
Ｐの使用と記録のバイポーラ設定とによって除去され
る。次に、信号は、５〜４７０Ｈｚの帯域フィルタＡに
よってフィルタされる。このフィルタは、従来知られた
演算増幅の技法を用いて得られる。信号は、第２段の増
幅器Ｂから１２ビットのアナログ・デジタル・コンバー
タＣに供給され、そこで、信号は、たとえば毎秒１００
０又は２０００記録のマイクロプロセッサＤに可読な形
式で、表示される。修正された値は、マイクロプロセッ
サが数学的に処理、あるいは、ＲＡＭメモリＥに直接記
憶される。

【００１９】記録器のプログラミングは、液晶（ＬＣ）
表示Ｆによって導かれる。メモリに記録されたデータ
は、光伝送装置Ｇを通じて、ＰＣコンピュータに転送さ
れる。光学的伝送装置とコンピュータ内にインストール
した光インターフェース・カードＨとの間に、光ファイ
バ・ケーブルを接続し、このケーブルに沿ってデータが
赤外線光として転送される。

【００２０】記録されたデータが受信されると、プログ
ラムによって、ハード・ディスク上にファイルが作られ
る。オペレータは、被験者に関するデータと、当該デー
タファイルに加える測定した筋肉の名称とを入力する。
記録したＥＭＧ信号が、ＰＣのディスプレイ上でチェッ
クされる。信号の質が確認されると、疲労分析が開始さ
れる。この分析は以下のように進行する。

【００２１】記録信号の全体に亙って、１０２４ポイン
トのウィンドウ上で、連続的なフーリエ変換を計算す
る。連続計算ウィンドウが５０％オーバーラップするよ
うに、スペクトル・ウィンドウを作る。各スペクトルか
ら、周波数転送（トランスファー）を記述するパラメー
タを計算する、すなわち、メジアン周波数（ＭＦ）、平
均パワー周波数（ＭＰＦ）、ゼロ交差率（ＺＣＲ）、平
均ＥＭＧ（ＡＥＭＧ）である。

【００２２】筋肉の耐性／状態を記述する分単位の指数
である疲労指数(ＦＩ＝fatigue index）は、次の式によ
って計算する。

【００２３】ＦＩ＝［周波数パラメータの変化］／［分単位のテストの継続時間］図４は、ＥＰＦダイアグラム上で疲労指数をいかに決定
するかを示している。分当たりの変化幅は、Ｇによって
指示されている。

【００２４】得られた結果は、年齢群と性別とにしたが
って、以下のように分類される。人口は、ガウス分布に
したがって振る舞うと想定し、図５は、肩の筋肉の疲労
テストにおける、３５〜４５歳の女性の場合の、ＭＰＦ
パラメータの変化の偏差（deviation）を示す。平均及
び標準偏差（Ｍｅａｎ＋／− ＳＤ）は、被験者のデ
ータから計算する。平均プラス２のＳＤの両側から５つ
のクラスが得られる。得られた結果は、データベースと
比較されて、正規化された結果が、テーブル内のチャネ
ルごとにプリントされる。

【００２５】図６は、臨床的な解釈に適用可能な肩の筋
肉のテストにおけるプリントアウトである。ここでの各
図は、筋肉の変化と疲労とを示している。その結果は、
母集団と比較した筋疲労に対する耐性と感度とを直ちに
示すコラムとして示される。チャネルごとの分類された
ヒストグラムは、また、たとえばカラー・コードを用い
ることで解釈できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシステムにしたがって測定を行う実施
例の側面からの図である。

【図２】本発明のシステムにおいて用いられる記録用増
幅器と、その皮膚への装着を示す。

【図３】本発明のシステムにおいて用いられる記録シス
テムの回路図である。

【図４】ＭＰＦ図における疲労指数の決定を示す。

【図５】ＭＰＦ指数のズレを示す。

【図６】臨床的な解釈へ応用可能な、本発明のプリント
アウトを示す。

【符号の説明】

Ａ：帯域通過フィルタＢ：増幅器Ｃ：ＡＤコンバータＤ：マイクロプロセッサＥ：ＲＡＭＦ：ＬＣＤＧ：光伝送装置Ｈ：光インターフェース・カードＭ：筋肉Ｐ：差動前置増幅器

フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−138440（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−79984（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−86936（ＪＰ，Ａ) 特表平５−500461（ＪＰ，Ａ) 特表平４−507207（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 5/22 A61B 5/0488

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】疲労に対する筋肉の耐性と感度とを判定
するシステムであって、ａ）被検体のテスト対象の筋肉の上に取り付けられ、前
記筋肉の筋肉細胞膜の活動電位を筋電計測（electromyo
graphy = EMG）信号として測定し記録する１又は複数の
記録用電極と、ｂ）前記記録された筋電計測信号に対して高速フーリエ
変換を連続的に実行することにより、筋肉細胞膜の導電
率の低下を示す少なくとも３つのパラメータを取得する
周波数分析手段であって、前記少なくとも３つのパラメ
ータはメジアン周波数と平均パワー周波数とゼロ交差率
とを含む、周波数分析手段と、ｃ）前記少なくとも３つのパラメータのそれぞれの時間
的な変化率を計算して、疲労に対する前記筋肉の耐性と
感度とを示す値を取得する計算手段と、ｄ）各回の筋肉テストで取得された前記値を、一般公衆
との比較における前記被験者の筋肉の状態を取得するた
めに平均値と比較する、前記被験者に対して以前に測定
された値と比較する、又は、それ以外の特定の値と比較
する比較手段と、ｅ）前記比較の結果を図解的に示す表示手段と、を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２】請求項１記載のシステムにおいて、前記
３以上のパラメータは平均化された筋電計測（ＡＥＭ
Ｇ）パラメータを含むことを特徴とするシステム。