JP5158824B2 - 筋シナジー解析方法、筋シナジー解析装置、及び筋シナジーインターフェース - Google Patents
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Description
検体として健常成人男性の歩行運動に対して、EMG(筋活動を直接計測する筋電図:electromyogram)計測を行い、筋協調を重視し、筋協調の最小単位と考える拮抗する筋同士の比(筋拮抗比)の概念を導入し、それを用いて主成分解析を行う。これにより8つの筋拮抗比が、3つのパターンに圧縮できた。また、拮抗する筋同士の活動を足し合わせる、筋活性度の概念も導入し、今回用いた筋拮抗比という概念と合わせて、筋協調を考える上で拮抗する筋群の働きが非常に重要な役割を果たしていることを示す。
本研究ではトレッドミル歩行中の筋活動に焦点を当て、健常成人男性(23歳、身長174.5[cm]、体重48[kg]、利き足右)に自然歩行時の右片脚下肢8筋を選択し、筋電位を計測した(図2参照)。
筋電位の計測は、10[mm]の表面電極を電極間距離20[mm]にて使用し、筋電位取得装置および生体アンプWEB-9000(日本光電社製)で筋電位を増幅したのち、AD変換記録装置LX-110(TEAC社製)と画像記録装置AQVU(TEAC社製)とを用いて、カメラ画像を同期して記録した。カメラ画像データは歩行相を判断するために用いた。歩行相は右踵接地から次の右踵接地までを1歩行周期とし、両脚が接地している間を両脚支持期、右下肢のみが接地している間を単脚支持期、右下肢が接地していない間を遊脚期と呼び、1歩行周期は順に、両脚支持期・単脚支持期・両脚支持期、遊脚期と分別される。また、サンプリング周波数は1[KHz]とした。
検体の被験筋は、二関節構造における二関節筋と一関節筋の協調による動作に関する前記報告(熊本水頼編著;前述)を元に、股関節1関節筋、股関節膝関節2関節筋、膝関節1関節筋、足関節筋の各屈筋・伸筋をペアとした8筋を対象とした。図2に筋の筋名と付着位置を示す。
検体(被験者)に電極11を貼り付ける際には、スキンピュア(日本光電社製)で皮膚処理を行い、皮膚抵抗を10[kΩ]以下とした。歩行は、トレッドミルT650m(SportsArt Fitness社製)を用い、走行速度、3.0[km/h]、4.0[km/h]の設定で1分間ずつ行ってもらい、各速度での歩行運動時の筋電位を計測した。
筋電位は、前述の通り、筋間での正規化をとるために最大等尺性収縮時の筋電位に対する百分率%MVCで表す。そのために予め各筋の最大等尺性収縮時の筋電位を計測しておく。実測値、正規化用データにそれぞれ整流化、フィルタリング(10-150[Hz] 帯域通過)、平滑化を施し、実測値を正規化用データで除すことで、データを百分率で表した後、1歩行周期毎でデータを平均化し、時間軸も百分率(1000ポイント)で表した。さらに、5[%]時間ごとにデータを平均し、時間を(t1 . . . t20)で表した。また、各筋のうち作用が相反するもの同士を拮抗する筋ペア群として、お互いの比率を算出し、筋拮抗比とした。今回はその中から、前記表1の組み合わせの筋拮抗比を用いた。
得られたデータは8筋の情報が含まれており、これらの情報をより少ないパラメータで表現するために、これらデータに対し主成分分析を行った。これにより、8筋の自由度がさらに少ない要素に圧縮でき、この圧縮した情報が筋協調につながるのではないかと考える。筋拮抗比番号をp、各時間をt、各筋拮抗比をrtpとして前記式2〜式6を得ている。なお、筋活動データ行列Rは、20×8の行列とした。
Er={2.16, 1.80, 3.32, 1.56, 0.89, 2.85, 1.37, 0.96}
λ={4.62, 2.43, 0.91}
c={0.56, 0.29, 0.11}
C={0.56, 0.85, 0.96}
[走行速度3.0km/hのとき]
Er={2.10, 1.45, 3.20, 2.03, 0.99, 2.45, 0.98, 0.87}
λ={4.03, 2.76, 0.74}
c={0.49, 0.33, 0.09}
C={0.49, 0.82, 0.91}
なお、図6において、第3主成分は、値−2.000〜2.000までを、0.200ずつの20区分に分けたもので、色彩で識別表示している。また、図6中、各プロットには、t1,t2,…t20の経時情報が付されている。今、色彩の識別表示を、最下位から最上位に向けて、識別番号1(値−2.000〜−1.800)から識別番号20(値1.800〜2.000)の番号を付すとき、
図6(a)のt1からt20までの識別番号は、{10,9,8,8,9,12,15,19,19,16,11,7,3,3,5,7,9,12,12,9}であり、
図6(b)のt1からt20までの識別番号は、{11,6,7,7,7,9,13,18,19,18,13,9,8,7,6,7,9,11,13,13}である。但し、実際には、モニタ24はカラーモニタが採用されるため、そのままで色識別が可能である。
G.Cappelliniら(“Motor Patterns in HumanWalking and Running”, J Neurophysiol Vol.95,p.3426-3437, 2006.)の報告では、32筋の筋電位に対し5つのタイミングパターンで筋電位データを十分説明できるとしていたが、本処理は8筋に対する8種の筋拮抗比について3つの主成分で表した際、累積寄与率は90%を超え、3つの要素基本パターンで標準化した筋電位データを説明できることが判った。
(実験方法)
本実験では、手先の拘束を全く受けずに、平面内で時計回りの円軌道を描くという固有のタスクについて、健常成人男性(22歳,右利き)の協力のもと、筋電位、手先位置および関節角の測定を行った(図10)。
(φ,θ1,θ2,θ3,)=(−π/2,π/2,π/2,0)とする。
手先は全く拘束しないが、重力を補償するために十分に高い天井からひもを吊るし、上腕を支える。目標円軌道半径は100[mm]とし、なるべく目標円軌道を描くよう被験者に指示した。全データのx座標およびy座標それぞれの平均値を回転中心とみなし、計測後に回転中心c及び位相角φを算出する。また、φ=0を1試行の開始地点/終了地点とみなす。そして、1試行を8秒〜10秒で行うように指示し、60秒間で6試行分の測定データを取得した。
筋電位の測定は、10[mm]の表面電極を電極間距離20[mm]にて使用し、筋電位取得装置及び生体アンプWEB-9000(日本光電社製)で筋電位を増幅した後、PowerLab8/30 (ADInstruments 社製)を通じて行い、サンプリング周波数1[khz]で記録した。なお、被験者に電極を張り付ける際にはスキンピュア(日本光電社製)を用い、皮膚抵抗が10[kΩ]以下となるように処理を行った。
本実験装置(システム)には、SenSable Technologies 社製(SensAble technologies: http://www.sensable.com/.)が開発した力覚提示デバイスであるPHANTOMを導入した。ただし、本運動(タスク)では力覚提示を行わず、手先位置計測のみを行った。また、関節角の計測にはゴニオメータ(Biometrics社製)を用い、ADボード(Contec 社製)を通じて取得した電圧値を角度値に変換した。
各筋の間に存在する協調関係を明らかにするため、表4で定義する筋拮抗比r1〜r4を求め、さらに1試行の長さを正規化するなどした上で主成分分析を行った。解析手順を以下で述べる。
筋電位で取得したデータに対して、整流化、フィルタリング(50〜150[Hz];通過帯域)、平滑化を順に施した上で、予め測定した最大等尺性収縮時の値で除する事により正規化し、その百分率を取って%MVCに変換する。更に、表4に従い、%MVCから筋拮抗比を求める。
1試行にかかる時間が均一ではないため、各試行時間について正規化を行った。さらに各試行を時間的に25分割し、各時間区間をt1,t2,…,t25と定義する。そして、各時間区間内のデータを平均し、さらに全試行の平均値を求め、その結果、得られたデータを代表データとして扱う。
代表データのうち、筋拮抗比を表わす4列を抜き出す。抜き出した25行4列のデータについて主成分解析を行い、その結果を用いて、筋拮抗比に基づく人間の運動解析を行う。
主成分解析の結果を、表4に示す。なお、第1主成分得点をP1、同様に第2主成分得点以下をP2,P3,P4で表す。また、各関節角の遷移について図11に、主成分得点の推移を図12に、及び第1主成分得点を横軸に、第2主成分得点を縦軸にプロットした様子を図13に示す。なお、図13においては、5ポイント毎に時間区間をラベリングしてある。
第2主成分までの累積寄与率が95%以上になるという結果が得られた。従って、第1主成分、第2主成分の主成分得点、及び主成分ベクトルに着目して考察を行う。
w1=f(r、r′、r″)+α1(動的干渉、手先力、姿勢)
w2=g(θ、θ′、θ″)+α2(動的干渉、手先力、姿勢)
と表される。なお、記号「′」は1次微分を示し、記号「″」は2次微分を示す。上記において、二次微分項は必ずしも存在するとは限らず、逆に、場合によっては3次微分項が必要となる態様も考えられる。ここでは、主成分W1が極座標の距離rに対応し、主成分w2が極座標の角度θに対応している。また、運動コマンドが極座標(r、θ)で表現されていることは、歩行運動中の下肢においても同様であり、腰に対する足先位置を極座標(r、θ)で表現したものが、(w1,w2)に対応している。
平面内で手先位置を半径100[mm]の目標円軌道に沿って移動させるタスクを行い、カメラ等による手先位置の計測と筋電位計測とを行った。なお、重力を補償するために十分に高い天井から紐を吊るし、上腕を支えた。
時計回りの運動における主成分ベクトル(2つの主成分の累積寄与率90%以上)と主成分得点との関係は、表7及び図18の通りである。
図20は、第1主成分得点w1が肩と手先とを結ぶ直線上に沿った伸縮(r)に対応することを示す重回帰分析結果の図表である。横軸は運動位置(時間)で、縦軸はw1であり、破線は実験に基づくもの、実線は重回帰分析したものである。クランクタスク(時計回り)におけるw1の(r、r′)による推定結果を、式7で示す。
図21は、第2主成分得点w2が肩あるいは頭部を中心とした手先の回転(θ)に対応することを示す重回帰分析結果の図表である。横軸は運動位置(時間)で、縦軸はw2であり、破線は実験に基づくもの、実線は重回帰分析したものである。クランクタスク(時計回り)におけるw2の(θ、θ′)による推定結果を、式8で示す。
図20、図21に示すように、重回帰分析された曲線w1、w2はいずれも計測値から多変量解析された主成分得点と比べて近似し、高い相関関係にあることが判る。
図22は、クランクタスク(時計回り)における実験値(r、θ)から時計回りの(w1,w2)を推定した結果(上記重回帰モデルを利用)を示す図表である。図23は、クランクタスク(時計回り)における実験値(r、θ)から反時計回りの(w1,w2)を推定した結果(上記重回帰モデルを利用)を示す図表である。図22、図23において、破線は実験に基づくもの、実線は重回帰分析したものである。
10 筋電計(検出器)
20 信号処理部
201 測定処理部
202 筋拮抗比算出部(筋拮抗比算出手段)
203 第1の主成分解析部(第1の主成分解析手段)
204 第1の差分算出部(第1の差分算出手段)
205 表示制御部(第1の表示制御手段、第2の表示制御手段)
206 筋活性度算出部(筋活性度算出手段)
207 第2の主成分解析部(第2の主成分解析手段)
208 第2の差分算出部(第21の差分算出手段)
24 モニタ(第1の表示部、第2の表示部)
100 筋シナジーインターフェース
110 運動コメント設定部
120 制御部
130 第1の変換部
131 座標変換部
132主成分得点変換部
140 第2の変換部
141 主成分処理部
142 出力変換部
143 筋活動コマンド生成部
150 出力部
151 電極
160 制御対象
Claims (18)
- 検体の拮抗する筋ペア群における各筋に生じる筋電信号を検出するステップと、前記検体の所定の運動中に検出された筋電信号から拮抗する筋ペアの筋電信号のレベルの筋拮抗比を時系列データとして算出するステップと、前記時系列データの各時刻における前記筋拮抗比を変数として多変量解析を行って相関の寄与度の高い少なくとも第1主成分を含む主成分を算出するステップとを備えたことを特徴とする筋シナジー解析方法。
- 前記検体の筋拮抗比に基づいて得られた主成分を参照主成分とし、この参照主成分と、新たな検査によって算出された同検体の筋拮抗比に基づいて得られた主成分との差分を算出するステップと、算出された前記差分を第1の表示部に表示するステップとを備えたことを特徴とする請求項1に記載の筋シナジー解析方法。
- 前記検体の運動中に検出された筋電信号から前記拮抗する筋ペアの筋電信号のレベルを加算して筋活性度の時系列データを算出するステップと、前記時系列データの各時刻における筋活性度を変数として多変量解析を行って相関の寄与度の高い少なくとも第1主成分を含む主成分を算出するステップとを備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の筋シナジー解析方法。
- 前記検体の筋活性度に基づいて得られた主成分を参照主成分とし、この参照主成分と、新たな検査によって算出された同検体の筋活性度に基づいて得られた主成分との差分を算出するステップと、算出された前記差分を第2の表示部に表示するステップとを備えたことを特徴とする請求項3に記載の筋シナジー解析方法。
- 検体の拮抗する筋ペア群における各筋に生じる筋電信号を検出する検出器と、前記検体の所定の運動中に前記検出器によって検出された筋電信号から拮抗する筋ペアの筋電信号のレベルの筋拮抗比を時系列データとして算出する筋拮抗比算出手段と、前記時系列データの各時刻における前記筋拮抗比を変数として多変量解析を行って相関の寄与度の高い少なくとも第1主成分を含む主成分を算出する第1の主成分解析手段とを備えたことを特徴とする筋シナジー解析装置。
- 第1の検体と第2の検体における両主成分の差分を算出する第1の差分算出手段と、前記第1の差分算出手段によって算出された差分を第1の表示部に表示する第1の表示制御手段とを備えたことを特徴とする請求項5に記載の筋シナジー解析装置。
- 前記第1の検体と前記第2の検体とは同一体であることを特徴とする請求項6に記載の筋シナジー解析装置。
- 各主成分の寄与度の累積値が第1の閾値を超えていることを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の筋シナジー解析装置。
- 前記検体の運動中に前記検出器によって検出された筋電信号から前記拮抗する筋ペアの筋電信号のレベルを加算して筋活性度の時系列データを算出する筋活性度算出手段と、前記時系列データの各時刻における筋活性度を変数として多変量解析を行って相関の寄与度の高い少なくとも第1主成分を含む主成分を算出する第2の主成分解析手段とを備える請求項5〜8のいずれかに記載の筋シナジー解析装置。
- 第1の検体と第2の検体における両主成分の差分を算出する第2の差分算出手段と、前記第2の差分算出手段によって算出された差分を第2の表示部に表示する第2の表示制御手段とを備えたことを特徴とする請求項9に記載の筋シナジー解析装置。
- 各主成分の寄与度の累積値が第2の閾値を超えていることを特徴とする請求項9又は10に記載の筋シナジー解析装置。
- 複数の筋に所与の運動を行わせる筋シナジーインターフェースにおいて、
前記複数の拮抗する筋対群に対する運動を規定する運動情報を入力する運動コマンド設定手段と、前記運動情報を主成分情報に変換する第1の変換手段と、前記主成分情報を前記各拮抗する筋対へ印加する電位信号に変換する第2の変換手段とを備えたことを特徴とする筋シナジーインターフェース。 - 前記第1の変換手段は、運動情報としての直交座標系の位置情報を極座標系に変換するものであることを特徴とする請求項12記載の筋シナジーインターフェース。
- 前記第1の変換手段は、運動情報としての運動周期及び1周期での単位運動を極座標系に変換するものであることを特徴とする請求項12記載の筋シナジーインターフェース。
- 前記第1の変換手段は、前記運動情報を2種類の主成分情報に変換し、前記第2の変換手段は、得られた主成分情報を前記各拮抗する筋対への電位信号に変換することを特徴とする請求項12〜14のいずれかに記載の筋シナジーインターフェース。
- 前記第1の変換手段は、少なくとも前記複数の拮抗する筋群から構成される運動基部と運動端部との間の距離と回転角度とを2種類の主成分情報に置換し、前記第2の変換手段は、得られた2種類の主成分情報を前記各拮抗する筋対への電位信号に変換することを特徴とする請求項15に記載の筋シナジーインターフェース。
- 前記第1の変換手段は、前記運動実行時の制約に応じた固有値を算出することを特徴とする請求項12〜16のいずれかに記載の筋シナジーインターフェース。
- 前記第2の変換手段は、前記主成分情報を筋拮抗比及び活性度に変換するものであることを特徴とする請求項12〜17のいずれかに記載の筋シナジーインターフェース。
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