JP4110771B2 - 筋電位計測装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体の筋肉に発生する電位を検出する筋電位計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来筋電位を検出して筋活動を測定する装置として、特開昭60−168435号公報や、特開2000−316827号公報に記載されているものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記の前者の従来例は、筋負担の程度を測定するものであり、後者の従来例は筋活動状況を測定するものであるが、被測定者である装着者の発揮筋力と筋肉疲労を同時にリアルタイムに演算するには多大な計算負荷があるため、被測定者に装着するの携帯型の小型筋電位測定装置においては発揮筋力と筋肉疲労を同時にリアルタイムに提示するものは提供されていなかった。
【0004】
また、発揮筋力の度合いをレベル分割して表示するものはあったが、現在の瞬時値のみを被測定者に提示するであるため、過去の力の入れ具合と発揮筋力の関係が判らないため、被測定者が自分の発揮筋力を適切な目標値に合わせたいと思った場合に困難が伴うという問題があった。
【0005】
本発明は、上記の点に鑑みて為されたものであって、請求項1の発明の目的とするところは発揮筋力と筋肉疲労度合いの両方の計算を行い且つ装置の小型化が可能な筋電位測定装置を提供することにある。
【0006】
請求項2の発明の目的とするところは、上記目的に加えて被測定者が現在の筋肉の力加減と発揮筋力の関係とが一目で分かる筋電位測定装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1の発明では、筋肉の2点間の電位差を検出する電極部と、該電極部の検出電位差を増幅する増幅部と、該増幅部で増幅された電位差信号に対してFFT演算を行って周波数パワースペクトル分布に変換するフーリエ演算手段、該フーリエ演算手段で得られる周波数パワースペクトル分布に対して積分演算してその積分演算値に基づいて発揮筋力を求めるリアルタイム発揮筋力演算手段、上記フーリエ演算手段で得られる周波数パワースペクトル分布に対して周波数分析を行って筋肉疲労度合いを求めるリアルタイム筋肉疲労演算手段からなる信号処理部とを、備えたことを特徴とする筋電位計測装置。
【0008】
加えて、請求項2の発明では、請求項1の発明において、上記リアルタイム発揮筋力演算手段が求める発揮筋力のレベルを分割して該分割レベルに基づいてレベル表示及びグラフ表示を行う表示部を備えていることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下本発明を一実施形態により説明する。
【0010】
図1は本実施形態の全体構成を示すブロック図であって、本実施形態の筋電位計測装置は、計測・演算処理部1と、表示部2とを別体に分離して構成されている。
【0011】
一方の計測・演算処理部1は、被測定者の筋肉の2点間の電位差を検出する電極部10と、該電極部の検出電位差を増幅する増幅部11と、CPUからなる信号処理部12と、表示部2へ信号処理部12で得られたデータをワイヤレスによって送信するためのデータ送信部13と、電池からなる電源14とから構成され、他方の表示部2はデータ送信部13からのデータを受信復調するデータ受信部20と、電池からなる電源20と、受信したデータから後述するように表示データを生成する表示制御部22と、表示制御部22からの表示データに基づいて表示が制御される液晶表示器23とから構成される。
【0012】
さらに詳説すると、計測・演算処理部1は、図2に示す処理部本体3内に増幅部11,信号処理部12,データ送信部13及び電池からなる電源14を内蔵し、処理部本体3の底部外面側に電極部10を一体的に配設したもので、処理部本体3は、図2に示すようにベルト4により被測定者Mの例えば太股に装着されるようになっている。
【0013】
電極部10は、図3に示すように処理部本体2底部に設けられるプレート5に可撓性を有する支持体6で支持された一対の測定電極10a,10b及びこれら測定電極10a、10bを囲むように可撓性を有する支持体5でプレート5に支持された環状のグランド電極10cとで構成され、上記のように処理部本体3が被測定者Mに装着された際に、これら電極10a〜10cが被測定者Mの皮膚表面に接触するようになっている。
【0014】
ここで測定電極10a、10bは、被測定者Mの筋肉の2点間の電位差を検出するためのものである。またグランド電極10cは電位差を検出する際の基準電位を得るためのものであって、接触した皮膚表面上の電位を平均化し、また環状とすることで、どのように電極部10を被測定者に装着(貼着)しても安定する基準電位が得られるようになっている。
【0015】
増幅部11は上記グランド電極10cを基準電位として、電位差信号を増幅するもので、測定電極10a、10bで検出した電位差をインピーダンス変換して高入力インピーダンスで取り込むインピーダンス変換部11aと、ノイズを除去するフィルタ11bと、フィルタ11bを通過した電位差信号を増幅する増幅器11cとから構成されており、増幅した電位差信号を信号処理部12に出力するようになっている。
【0016】
CPUからなる信号処理部12は、入力される電位差信号をA/D変換する内蔵のA/D変換器12aと、このA/D変換器12aでA/D変換されて得られた電位差に対し、FFT演算を行って、周波数パワースペクトル分布に変換するフーリエ変換手段12bと、フーリエ演算手段12bで得られる周波数パワースペクトル分布に対して積分演算してその積分演算値に基づいて発揮筋力を求めるリアルタイム発揮筋力演算手段12cと、上記フーリエ演算手段12bで得られる周波数パワースペクトル分布に対して周波数分析を行って筋肉疲労度合いを求めるリアルタイム筋肉疲労演算手段12dと、後述する最大筋収縮時の全パワー加算値を記憶する内蔵メモリ12eとからなり、各演算手段12b〜12cはプログラムによって得られる演算機能により構成される。
【0017】
リアルタイム発揮筋力演算手段12cは、図4(a)に示す所定区間の電位差信号に対して行われたFFT演算より得られた図4(b)に示す周波数パワースペクトル分布の所要の周波数帯域のパワースペクトルの積分値、つまりパワースペクトルを全て加算して得られた全パワー加算値を演算するとともに、信号処理部12の内蔵メモリ12eに記憶させている最大筋収縮時の全パワー加算値に対する各時点(各区間)で得られた全パワー加算値の比率、つまり
発揮筋力(%)=(現在の全パワー加算値/最大筋収縮時の全パワー加算値)×100
を演算するようになっている。
【0018】
尚従来の発揮筋力を計算する手法では、筋電位の信号から直接的に絶対値やRMS値(二乗平均値)を算出し、最大筋収縮時の同値と比較して発揮筋力を求めていた。一方パーセバルの定理によると、時間領域の信号エネルギと周波数領域の信号エネルギが判っている。そこで本発明者らはこのパーセバルの定理に注目して時間領域の信号エネルギに相当するRMS値の代わりに、周波数領域の信号エネルギに相当する全パワー加算値を上述のように利用したのである。
【0019】
リアルタイム筋肉疲労演算手段12dは、FFT演算によって得られる周波数パワースペクトル分布から上述のように求めた全パワー加算値を、筋肉疲労が発生したときに徐波化が起きる筋電位の信号の平均周波数(或いは中間周波数)をを導出する際に利用したもので、本実施形態の場合FFT演算で得られた周波数パワースペクトル分布から、次の式で平均周波数を導出し、筋肉疲労の度合いを推定演算するようになっている。
【0020】
平均周波数(Hz)=Σ[周波数(Hz)×その周波数成分のパワー]/現在の全パワー加算値
尚勿論平均周波数の代わりに中心周波数を用いたり、高周波成分の低下を用いて筋肉疲労の度合いを演算しても良い。
【0021】
データ送信部13は、上記リアルタイム発揮筋力演算手段12cで求められた発揮筋力のデータ及びリアルタイム筋肉疲労演算手段12cで求められた筋肉疲労度合いのデータを所定形式のデータに変換して、例えば被測定者Mの人体を伝送路として用いるワイヤレス伝送方式により送信するものである。
【0022】
一方表示部2は、図2に示すように被測定者Mの腕にベルト8によって装着される表示部本体7の内部に上記データ送信部13から人体を介して伝送されてくる信号を受信するとともに受信信号よりデータを復調するデータ受信部20と、電池からなる電源21とを備え、表示部本体7外には液晶表示器23を取着し、また液晶表示器23内に表示制御部22を設けたものである。この表示制御部22を表示部本体7に設けても良い。
【0023】
表示制御部22はデータ受信部20を介して復調した筋肉疲労度合いのデータに基づいて筋肉疲労度合いを数値で表示させる表示データ、或いは発揮筋力のデータに基づいて発揮筋力を所定レベルで分割してその発揮筋力のレベルを表示させる表示データ、更に発揮筋力の度合いを被測定者Mに判りやすくするために、図5に示すようにグラフ表示させるための表示データを生成する機能を備えたものである。
【0024】
液晶表示器23は液晶パネルの表示面の向きを変えることができるように垂直方向及び水平方向に回転できるように表示部本体7に取着されている。
【0025】
尚表示部本体7の表面には表示制御部22に対して液晶表示器23での表示を筋肉疲労度合いの数値表示か、発揮筋力のレベル表示か、或いはグラフ表示かを指定する選択スイッチの摘み(図示せず)を露設している。
【0026】
ここで液晶表示器23で表示させる上記グラフは図5に示すように縦軸に発揮筋力を%単位で表し、横軸に経過時間を表し、経過時間とともに発揮筋力がトレンドグラフ状に推移している形式としてる。
【0027】
尚本実施形態ではデータ伝送に人体を伝送路とするワイヤレス伝送方式を利用しいているが、小電力無線、PHS等の無線電波を用いたワイヤレス伝送方式を利用しても良い。
【0028】
【発明の効果】
請求項1の発明は、筋肉の2点間の電位差を検出する電極部と、該電極部の検出電位差を増幅する増幅部と、該増幅部で増幅された電位差信号に対してFFT演算を行って周波数パワースペクトル分布に変換するフーリエ演算手段、該フーリエ演算手段で得られる周波数パワースペクトル分布に対して積分演算してその積分演算値に基づいて発揮筋力を求めるリアルタイム発揮筋力演算手段、上記フーリエ演算手段で得られる周波数パワースペクトル分布に対して周波数分析を行って筋肉疲労度合いを求めるリアルタイム筋肉疲労演算手段からなる信号処理部とを備えているので、一度のFFT演算で発揮筋力及び筋肉疲労度合いの演算に用いることができる周波数パワースペクトル分布に電位差信号を変換することができ、そのため計算負荷が低減でき結果回路構成が簡単となって装置自体を被測定者に装着することができるような小型に製作することが可能となり、しかも被測定者が発揮筋力や筋肉疲労度合いをリアルタイムに知ることができる筋電位測定装置を実現できるため、年齢や性別、体力に応じて、個人が適切な運動量を把握することが可能となり、リハビリテーションやスポーツや家庭健康増進の分野に用いるのに有効となるという効果がある。
【0029】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、上記リアルタイム発揮筋力演算手段が求める発揮筋力のレベルを分割して該分割レベルに基づいてレベル表示及びグラフ表示を行う表示部を備えているので、過去の力の入れ具合を含め、現在の筋肉の力加減と発揮筋力の関係が人目で判り、被測定者が自分の発揮筋力を適切な目標値に合わせたいと思う場合に、容易にそれを実行することが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図2】同上の被測定者への装着説明図である。
【図3】(a)は同上の電極部の正面図である。
(b)は同上の電極部の側面図である。
【図4】同上の動作説明図である。
【図5】同上の液晶表示器での発揮筋力のグラフ表示例図である。
【符号の説明】
1 計測・演算部
10 電極部
11 増幅部
12 信号処理部
12a A/D変換器
12d フーリエ演算手段
12c リアルタイム発揮筋力演算手段
12d リアルタイム筋肉疲労演算手段
12e 内蔵メモリ
13 データ送信部
14 電源
2 表示部
20 データ受信部
21 電源
22 表示制御部
23 液晶表示器

Claims (2)

  1. 筋肉の2点間の電位差を検出する電極部と、該電極部の検出電位差を増幅する増幅部と、該増幅部で増幅された電位差信号に対してFFT演算を行って周波数パワースペクトル分布に変換するフーリエ演算手段、該フーリエ演算手段で得られる周波数パワースペクトル分布に対して積分演算してその積分演算値に基づいて発揮筋力を求めるリアルタイム発揮筋力演算手段、上記フーリエ演算手段で得られる周波数パワースペクトル分布に対して周波数分析を行って筋肉疲労度合いを求めるリアルタイム筋肉疲労演算手段からなる信号処理部とを、備えたことを特徴とする筋電位計測装置。
  2. 上記リアルタイム発揮筋力演算手段が求める発揮筋力のレベルを分割して該分割レベルに基づいてレベル表示及びグラフ表示を行う表示部を備えていることを特徴とする筋電位計測装置。
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