JP4663996B2 - 筋力計測方法及びそれに用いる装置 - Google Patents

Description

本発明は、筋力を計測する方法、及びそれに用いる装置に関する。

従来より、筋力の計測方法として、特許文献１に記載の発明のように、筋収縮によって発生する筋電位を、皮膚に貼り付けた表面電極によって計測する表面筋電計測法が知られており、スポーツトレーニングやリハビリテーションなどの分野で広く用いられている。しかしこのような表面筋電計測法は、筋疲労や電極の貼り付け方などの影響を受け、正確な計測を行えない場合があった。

特開2003-169782号公報

本発明が解決しようとする課題は、筋疲労や電極の貼り付け方などの影響を受けず、安定した計測を行うことのできる筋力計測方法、及びそれに用いる装置を提供することである。

骨格筋は結合組織から成る帯状の腱によって骨に結合しており、筋の収縮・進展が腱を介して骨に伝えられることで運動が行われる。腱は筋肉に比べて伸縮性が少なく、筋の収縮に応じてその張力が変化する。このことから、本願発明者は筋肉の収縮に伴う腱の張力変化を計測することにより、発揮されている筋力を直接計測できることに想到し本願発明に至った。

即ち、上記課題を解決するために成された本発明に係る筋力計測方法は、生体の腱に外部から振動を与えつつ、該腱の応答振動を計測し、該応答振動を基に腱の張力を計測することによって、筋力を求めることを特徴とする。

また、上記方法を用いた本発明に係る腱張力計測装置の第１のものは、生体の腱に一定周波数の振動を与える振動送信部と、該振動を与えている間の腱の応答振動を受信する振動受信部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る腱張力計測装置の第２のものは、振動発生部と、身体と接触し、上記振動発生部からの振動を腱に伝える押し当て部と、上記振動発生部と押し当て部とを連結する弾性体と、上記振動発生部と押し当て部にそれぞれ設けられた加速度センサと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る腱張力計測装置の第３のものは、振動発生部と、身体と接触し、上記振動発生部からの振動を腱に伝える押し当て部と、上記振動発生部と押し当て部とを連結し、弾性係数を調節可能な弾性要素と、上記弾性係数を変化させつつ、上記腱の振動の振幅を計測する計測手段と、を備えることを特徴とする。

上記各腱張力計測装置において、更に圧力センサから成る押し付け力計測部を設けてもよい。

本発明に係る筋力計測方法は、筋収縮に伴う腱の張力変化を計測することによって筋力を求めるものであるため、筋疲労等の影響を受けることなく正確な筋力計測を行うことができる。

上記第１から第３の腱張力計測装置は、上記方法を利用して、腱の張力すなわち筋力を計測する装置であるが、上述のような筋力計測に使用する他に、外部負荷の計測、例えば整形外科等における牽引治療の際に、筋肉に与えられる負荷を計測する目的などにも使用することができる。
上記第２の腱張力計測装置は、腱への振動の付与と、腱の応答振動の計測を一体となった装置で行うものであり、より簡便に計測を行うことができる。
上記第３の腱張力計測装置も、一体型の装置であり、装置に設けられた弾性要素の弾性係数を調節することによって、より容易に計測結果が得られるものである。
また、上記第１から第３の腱張力計測装置に、装置を身体に押しつける力を計測するための、押しつけ力計測部を設けることにより、押しつけ力が変化することによって、腱に与えられる振動の周波数が変化してしまうのを防ぎ、安定した計測結果を得ることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

まず、本発明の第１の実施例に係る筋力計測装置の計測原理について説明する。図１は腱を弦とみなした場合のモデル図であり、この時、腱の固有周波数は以下の式で表すことができる。
即ち、腱の長さと質量を一定としたとき、張力Sが増加すると、腱の固有周波数f_nは増大する。
また、減衰のある強制振動の理論より、次のゲイン式が成り立つ。
従って、減衰比ζを一定と考えると、腱に与えられる周波数ωとゲインGの関係は、図２のようになり、一定周波数でのゲインの値は腱の固有周波数の増加に伴って減少する。
本実施例の筋力計測装置は、上記の腱の張力と固有周波数の関係、及び腱の固有周波数とゲインの関係を利用するものであり、腱に一定周波数の振動を与えた際の応答振動を計測することにより、腱の張力、すなわち筋力が求められる。

次に、本実施例に係る筋力計測装置の構成について説明する。図３は、本実施例の筋力計測装置３０の使用状態を示す概略図である。本実施例の筋力計測装置は、振動送信部３１、振動受信部３２、及び振動受信部３２に接続された演算部３４とを備え、振動送信部３１によって腱３３に一定周波数の振動を与えて、その応答振動の周波数と振幅を振動受信部３２で検出し、その値を基に、演算部３４で演算を行うことによって腱３３の張力を求めるものである。

振動送信部３１としては、通常の力を発揮する際の腱の共振周波数領域と考えられる6〜12Hzの周波数を発生できるものを用いることが望ましい。このような振動送信部３１は、例えばモータとギヤボックス、及び重りから成る偏心振動装置などで構成することができる。また、振動受信部３２は、例えばひずみゲージをプラスチック板に貼付した構成などとすることができる。演算部３４は、例えば、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータ等を有する専用の装置とすることもできるし、汎用のパーソナルコンピュータ上で専用のプログラムを実行することによって実現しても良い。

上記振動送信部３１及び振動受信部３２は、腱３３直上の皮膚表面に接触させて使用するが、この時、振動送信部３１を押し当てる力によって、腱３３に与えられる周波数に変化が生じてしまう。そのため、振動送信部３１に圧力センサ等から成る押し付け力計測部を設け、振動送信部３１の押し付け力が常に一定となるようにすることが望ましい。

以下、上記筋力計測装置３０を用いた計測試験について説明する。計測試験は、５人の成人男性を被験者４０とし、図４のように腰を掛け、手に重り４１を持った状態で、手首内側に位置する橈側手根屈筋腱の直上に本実施例の筋力計測装置３０の振動送信部３１及び振動受信部３２を配置して行った。振動送信部３１による入力振動の周波数は8.3Hzとし、重り４１の重量を0kg,1.0kg,2.0kg,3.0kgと変化させて、荷重の増大による腱の応答振動の変化を調べた。

上記の計測試験によって得られた計測データをFFTによって信号解析した結果を図５に示す。図５より、負荷の増大に応じて、腱の応答振動の振幅が減少していることがわかる。この結果を基に、各荷重時における一定周波数での振幅の値を取り、負荷0kgで正規化したグラフを図６に示す。図６から明らかなように、負荷とゲインの値は高い相関を示し、各計測値も理論値とほぼ一致していた。

本発明の第２の実施例に係る筋力計測装置７０は、振動子を用いた一体型の計測装置であり、図７に示すように押しバネ７１を介して連結された振動子７２と押し当て部７３、及び該振動子７２及び押し当て部７３にそれぞれ設けられた加速度センサ７４、７５と、装置上部に設けられた押し付け力計測部７６、これらを収容するための筐体７７、及び加速度センサ７４、７５に接続された演算部７８を備えている。演算部７８は、加速度センサ７４、４５で検出された加速度を基に、後述のような演算処理を行うことによって、腱の張力を算出するものであり、上記実施例１と同様に、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータ等を有する専用の装置とすることもできるし、汎用のパーソナルコンピュータ上で専用のプログラムを実行することによって実現しても良い。また、マイクロコンピュータ等を含む演算部７８を、筐体７７の内部に収容しても良い。押し付け力計測部７６は上記実施例１と同様に、身体に対する装置の押し付け力を一定に保つために設けられるものである。
本実施例の筋力計測装置７０は、振動子７２によって腱に強制力を与えて振動させ、その際の装置の上部及び下部の加速度を計測することにより、間接的に腱の応答振動を計測するものであって、この筋力計測装置７０による計測方法は、請求項１に記載の筋力計測方法に含まれるものである。なお、上記押しバネ７１は、腱に近い弾性係数を有するものを使用する、また、押しバネ７１の代わりに同等の弾性係数を有するゴムを用いても良い。

はじめに、本実施例の筋力計測装置７０の計測原理について説明する。本実施例の筋力計測装置７０による計測原理は、図８に示すような２自由度系モデルで説明される。
このモデルでは、腱８１をバネとみなし、その弾性係数をk₁とおく。k₂は押しバネ７１の弾性係数であり、m₁は、押し当て部７３と腱８１を含めた下部系８２の質量、m₂は振動子７２と押しバネ７１を含めた上部系８３の質量を示す。
このモデルの運動方程式は以下のようになる。
m₁に強制力F(t)=F₀sinωtが作用すると、この時の上記運動方程式の解、x₁,x₂は、
と置くことができる。(3),(4)を(1),(2)式に代入すると、
となり、これらをa,bについて解くと、
となる。(7),(8)式を変形すると、
となる。ここで、
である。
これらの項を(9),(10)式に代入すると、
となる。(11),(12)を(3),(4)式に代入すると、
となる。(13),(14)より、加速度の式は以下のようになる。

次に、本実施例の筋力計測装置７０によって計測した上部系８３及び下部系８２の加速度から腱の張力を算出する方法について述べる。まず、図１のように腱を弦とみなした時の固有周波数の式は以下のように表される。
(17)をSについて解くと，
となる。ここで，f_nは計測から求められるため，張力Sを求めるのにm,lの値が必要となる。
(15) ,(16)の加速度の式より，
が求まる。(19)に以下の項
を導入すると，
となり，(20)をk₁について解くと，
となる。ここで，図８のように腱をバネとみなした時の固有周波数の式は，
と表すことができるので，(17),(22)より，
となる。(23)をSについて解くと，
となる。(21)を(24)に代入すると，
が求められる。

この時、張力Sを求めるにあたって、腱の重さを含んだ未知の値m₁を求める必要がある。まず、(25)をm₁について解くと、
となる。(26)に無負荷時の計測結果と、既知のパラメータの値を代入することで各被験者のm₁の値が算出される。この時、無負荷時における腱の張力は0kgfと仮定する。

以下、本実施例の筋力計測装置７０を用いた筋力計測試験について説明する。計測試験は、成人男性6人を被験者とし、上記実施例１と同様に、腰を掛け、手に重り４１を持った状態で行い、橈側手根屈筋腱の直上に本実施例の筋力計測装置７０の押し当て部７３を当てて腱を振動させ、その際の上部系８３及び下部系８２の振動を加速度センサ７４，７５によって計測した。

本実験で得られた、荷重0kg,1.0kg,2.0kg,3.0kgにおける、装置の上部および下部の加速度センサ７４，７５からのデータを図９に示す。
また、図９の計測結果を基に、上記の算出方法で求めた、荷重と腱の張力の関係を図１０に示す。これにより、図１０に示すように、各被験者とも荷重が増すにつれ、腱の張力すなわち筋力も増大していることがわかった。

本発明の第３の実施例に係る筋力計測装置は、上記実施例２の筋力計測装置の押しバネ７１の代わりに、弾性係数を自在に変化させることのできる弾性要素を設けたものである。このような弾性要素としては、例えば通電加熱によって弾性係数を調節可能な形状記憶合金や、外部からの加熱により弾性係数を調節可能な形状記憶プラスチックから成る弾性体等が考えられる、またあるいは、種々の弾性係数を有するバネやゴムを適宜交換できるようにしたものであっても良い。この場合、腱の弾性係数ｋ₁と、該弾性要素の弾性係数ｋ₂が一致した時、上部と下部が共振して、振幅が最大となる。そのため、上部振幅が最大となるように弾性要素を調節することで、腱の弾性係数ｋ₁を直接知ることができるので、加速度センサ７４，７５を設ける必要はなく、得られたｋ₁の値を(24)式に代入することで、容易に腱の張力を求める事ができる。

腱を弦とみなした場合のモデル図 弦の固有周波数とゲインの関係を示すグラフ 第１の実施例に係る筋力計測装置の概略構成図 同実施例の筋力計測装置を用いた筋力計測試験の概略図 同計測試験の結果を表すグラフ 同計測試験から求められた荷重とゲインの関係を示すグラフ 本発明の第２の実施例に係る筋力計測装置の概略構成図 同実施例の筋力計測装置の計測原理を示すモデル図 同実施例の筋力計測装置による計測試験の結果を表すグラフ 同計測試験から求められた荷重と腱の張力の関係を示すグラフ

符号の説明

３０、７０…筋力計測装置
３１…振動送信部
３２…振動受信部
３４、７８…演算部
７１…押しバネ
７２…振動子
７３…押し当て部
７４，７５…加速度センサ
７６…押し付け力計測部

Claims (5)

1. 生体の腱に外部から振動を与えつつ、該腱の応答振動を計測し、該応答振動を基に腱の張力を計測することによって、筋力を求めることを特徴とする筋力計測方法。
2. a)生体の腱に一定周波数の振動を与える振動送信部と、
   b)該振動を与えている間の腱の応答振動を受信する振動受信部と、
   を備えることを特徴とする腱張力計測装置。
3. a)振動発生部と、
   b)身体と接触し、上記振動発生部からの振動を腱に伝える押し当て部と、
   c)上記振動発生部と押し当て部とを連結する弾性体と、
   d)上記振動発生部と押し当て部にそれぞれ設けられた加速度センサと、
   を備えることを特徴とする腱張力計測装置。
4. a)振動発生部と、
   b)身体と接触し、上記振動発生部からの振動を腱に伝える押し当て部と、
   c)上記振動発生部と押し当て部とを連結し、弾性係数を調節可能な弾性要素と、
   d)上記弾性係数を変化させつつ、上記腱の振動の振幅を計測する計測手段と、
   を備えることを特徴とする腱張力計測装置。
5. 更に、圧力センサから成る押し付け力計測部を設けたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の腱張力計測装置。