JP5387837B2 - 筋活動量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、身体の筋活動の計測方法に係り、表面筋電位の強度や強度分布から身体内部の筋活動量を計測する装置に関する。

従来、動作中に身体の筋にかかる負荷の評価には、筋活動を電気的に計測する筋電計が用いられている。筋電計の主な種類には、筋に電極針を挿入して計測する針筋電計や、筋の直上の皮膚に表面電極を貼り付けて計測する表面筋電計があるが、医療診断などの特殊な分野を除けば、非侵襲で痛みがなく簡易な表面筋電計による計測が望ましい。

しかし、表面筋電計には、電極周辺にある筋の筋電位が全て重畳して計測されてしまう問題があるため、特定の筋の筋電位のみを計測することは困難であった。特に、前腕や下腿のように多数の筋が狭い領域に密集するような部位は、計測目的の筋以外からの筋電位の重畳が大きくなり、計測はさらに困難であった。例えば、ハンマーの把持動作のように手指はグリップを握り、手関節はハンマーを支えるような場合、手指については浅指屈筋や深指屈筋が、手関節については橈側手根屈筋や橈側手根伸筋が協調して働くが、これらの筋は前腕内のごく近い位置にあるため重畳が大きく、表面筋電計でこれらの筋の筋活動量分布や筋ごとの筋活動量を計測するのは困難であった。

ここでいう筋活動量とは、筋が活動するときに発生する間欠的な放電電流の強度を指す。筋電計は、この放電電流により発生した電位差すなわち筋電位を計測するが、筋活動により発生する電流と、この電位差は比例するため、筋活動量を間接的に計測できる。筋活動量は、この放電電流や筋電位の時間２乗平均平方根値、いわゆる実効値により算出されるのが一般的である。

従来の類似技術には、例えば特開２００４−２４７６９号に前腕周囲に複数の表面電極を環状に貼り付け、前腕周囲における表面筋電位の分布から前腕の動作に伴う筋電位を測定する方法が提案されている。特開２００４−２４７６９号は表面筋電位から前腕の筋活動を総合的に評価する方法および装置であって、身体内部の筋活動量の分布や筋ごとの筋活動量を計測するものとは異なる。

特許３８３１７８８号には多チャンネルブラインドデコンボルーション法による筋の運動単位活動の計算手法が提案されている。特許３８３１７８８号によれば運動単位活動を計測できる。しかし、この特許の方法で検出できる運動単位活動は多くて数十程度で、この数におさまる筋活動は極微弱なものに限られ、各筋に数百ある運動単位が全て重なり合うような通常の筋活動においては、特許３８３１７８８号の方法による計測は著しく困難である。

特公平５−３２０５７号には複数の表面筋電位検出電極を配した器具を使用する技術が提案されている。特公平５−３２０５７号は、電極配列体を筋線維上に沿って貼付し、検出した筋電位信号から筋の神経筋接合部の位置及び分布を測定する装置に関するものであり、身体内部の筋活動量の分布や筋ごとの筋活動量を計測するものとは異なる。

特開平２００４−２４７６９号 特許３８３１７８８号 特公平５−３２０５７号

本発明は、多数の筋の筋電位が重畳した表面筋電位信号から身体内部の筋活動量の分布や筋ごとの筋活動量を計測する筋活動量計測装置を提供するものである。

本発明の筋活動量計測装置は請求項１に記載のように、
身体の概円柱形状部位の周囲に環状に配列した表面電極と、
前記表面電極における表面筋電位を計測する表面筋電位計測部と、
前記身体の概円柱状部位の前記表面電極を環状に配列した位置の横断面の筋の筋活動量から、前記表面電極の位置における表面筋電位シミュレーション値を計算する表面筋電位シミュレーション部と、
前記表面筋電位シミュレーション部で計算された前記表面電極の位置における表面筋電位シミュレーション値と、前記表面筋電位計測部で計測された前記表面電極の位置における表面筋電位とを概一致させるように前記横断面の筋活動量を調整し、概一致したときの筋活動量を身体内の筋活動量と推定する筋活動量推定部と、
を具備し、
前記表面筋電位シミュレーション部において、前記横断面内の筋を小筋領域に分割し、前記小筋領域の筋活動量の時間２乗平均値から、前記小筋領域の筋活動による表面筋電位の時間２乗平均値を計算し、前記横断面内の筋全体について、前記小筋領域の筋活動量による表面筋電位の時間２乗平均値の総和の平方根をとることにより、前記表面筋電位シミュレーション値を計算することを特徴とする。
このような構成にすることで、従来計測が困難であった身体内部の筋活動量の分布または筋ごとの筋活動量を計算により求めることができ、小筋領域の筋活動によって生じる表面筋電位の総和を取ることで全体の表面筋電位を求めることが可能になり、表面筋電位と筋活動量のシミュレーション計算が著しく簡便になる。

請求項２に記載のように、
前記表面電極は２個の電極が対となったバイポーラ電極であり、前記２個の電極の間隔が異なる２以上のバイポーラ電極が、前記２個の電極の中心部を結ぶ線分の中点が概一致するよう配置されれば、電極間隔が狭くなると表面筋電位の減衰が大きくなるため電極近傍の筋の筋活動量を詳細に計測でき、広い電極間隔のバイポーラ電極では減衰が小さくなるため広範囲で深部の筋活動を計測できることから、詳細かつ広範囲な筋活動量の計測が可能となる。

請求項３に記載のように、
前記筋活動量推定部が、前記表面電極の位置における表面筋電位シミュレーション値と前記表面電極の位置における表面筋電位が概一致したときの前記横断面内の小筋領域の筋活動量を、身体内の小筋領域の筋活動量と推定すれば、身体内の筋活動分布を推定計算することが可能になる。

請求項４に記載のように、
前記筋活動量推定部が、前記小筋領域の筋活動量を調整するときに、同じ筋に属する小筋領域の筋活動量を同一にして、前記表面筋電位シミュレーション値を計算すれば、筋ごとの筋活動量のシミュレーション計算が著しく簡便になる。

本発明によれば、筋からの筋電位が複雑に重畳した表面筋電位から、身体内の電気伝導シミュレーションモデルにより身体内部の筋活動量を計算によりそれぞれの筋について求められ、従来は困難であった表面筋電計による身体内の筋活動量の計測を実現できる。

前腕の横断面２５上の表面筋電位の分布をバイポーラ電極で計測している模式図である。 横断面２５における前腕の断面図である。 前腕の電気伝導モデルの構築方法を示す模式図である。 人の表面筋電位から前記シミュレーションモデルを用いて筋活動量を計算する方法のフローチャートである。 前腕の横断面２５上に、狭い間隔のバイポーラ電極と広い間隔のバイポーラ電極を配置し、前腕の横断面２５上の表面筋電位の分布を計測している模式図である。 筋活動量計算装置のブロック図である。

以下、実施例で本発明の実施形態を示す。

図１のように前腕の中心線２６を概法線とする前腕の横断面２５上の皮膚表面には、バイポーラ電極２２が環状に配置されているものとする。バイポーラ電極とは、２つの単電極を一対としてその差動電圧を計測する電極であり、図１のバイポーラ電極２２は、中心線２６と概平行に並ぶ単電極が対をなしてバイポーラ電極となっている。バイポーラ電極は、前腕の周方向について概等間隔にｎ列配列されているものとする。筋活動量の計算精度を向上するには電極の配列数は多いほどよいが、計算精度を確保するには１８ないし２０以上が望ましい。このバイポーラ電極に、それぞれ便宜上の番号ｉ＝１…ｎを振る。

バイポーラ電極には、電極ケーブル２３を介して表面筋電計測部２４が接続されており、これらにより横断面２５上の表面筋電位が計測されている。

次に、身体内の電気伝導シミュレーションモデルの構築方法について説明する。被計測者の横断面２５における前腕の断層画像から、前腕表面の外形線１７と、各筋の外形線１３を抽出する。

抽出の後、筋断面の外形線１３で囲まれた筋領域を細かいサイズの小筋領域１４に分割する。図３の筋領域１５は、一つの筋領域を小筋領域に分割した状態を模式的に示したものである。

次に、断面内の筋領域１３と小筋領域１４にそれぞれ番号を振る。仮に筋領域１５の筋番号をｊとし、その中にある小筋領域１４の番号をｋとして、筋ｊ内の小筋領域ｋの位置ベクトルをｘＭｊｋして表す。モデルの表面には、実際の前腕に配置したバイポーラ電極２２の位置と同じ位置に仮想バイポーラ電極１１があるものとし、身体に配置したバイポーラ電極と同じ番号を振る。仮に電極１２の番号をｉとして、その位置ベクトルをｘＥｉとする。表面電極−小筋領域間距離１６をＬｉｊｋとすると、ＬｉｊｋはｘＭｊｋとｘＥｉとベクトルのノルム記号｜｜．．．｜｜を用いて、数１のように表せる。このとき、表面電極−小筋領域間距離は、バイポーラ電極を構成するそれぞれの単電極の中心を結ぶ線分の中点から小筋領域の中心までの距離を指すものとする。以下、バイポーラ電極の位置を示したときは、前記の単電極の中心を結ぶ線分の中点を指すものとする。

ここで、概円柱形状の身体部位について、部位内の筋線維の方向が中心軸方向に概ね揃っているとき、筋ｊ内の小筋領域ｋが筋活動量の時間２乗平均値（以下、ＭＳ値とする）ｍｊｋ２で活動したときに表面電極ｉ上に発生する表面筋電位の時間２乗平均値Ｖｉｊｋ２は、表面−小筋領域間距離Ｌｉｊｋに対して累乗的に減衰することがわかっている。Ｖｉｊｋ２とｍｊｋ２の関係は、数１とｍｊｋとＬｉｊｋおよびにＬｉｊｋ対する減衰乗数ｂ，単位表面−小筋領域間距離Ｌ０＝１ｍｍのときの単位筋活動量ＲＭＳ値ｍｊｋ＝１における表面筋電位２乗平均平方根値（以下、ＲＭＳ値とする）である係数Ｖ０を用いて次のように表される。なお、ｂ、Ｖ０はバイポーラ電極を構成する各電極の間隔によって決まる定数であり、ＲＭＳ値はＭＳ値の平方根である。

ここで、同一筋領域にある小筋領域は全て同じ筋活動量をとると仮定し筋ｊ内の小筋領域は全て同じＲＭＳ値ｍｊをとるとすると、電極ｉにおける筋ｊの表面筋電位ＭＳ値Ｖｉｊ２は、Ｖｉｊｋ２の総和として数２より次のように計算できる。

数３のＬＳｉｊを、筋ｊの電極ｉに対する総和伝達係数と呼ぶ。さらに，電極ｉの表面筋電位ＭＳ値Ｖｉ２は全ての筋のＭＳ値の総和となるため，数３より次式で表される。

数４が、本発明の電気伝導シミュレーションモデルによる表面筋電位のシミュレーション計算式となる。これにより、各筋がそれぞれの筋活動量で活動したときの表面筋電位をモデル上で計算でき、逆に表面筋電位から筋活動量を計算できる。

次に、人の表面筋電位と前記電気伝導シミュレーションモデルを用いて筋活動量を計算する方法を説明する。モデル上の仮想電極ｉに対応する被計測者の前腕上の表面電極ｉにより測定された表面筋電位ＭＳ値をＶＭｉ２とする。

以下、図４のフローチャートに沿って計算方法を説明する。計算の最初に、Ｓ２１に示すように数４のモデル式における各筋の筋活動量ｍｊの初期値をあらかじめ適当に決めておく。

次に、Ｓ２２に示すように数４のシミュレーション計算式によりシミュレーション表面筋電位ＲＭＳ値Ｖｉを計算する。

ここから、人の前腕で測定した表面筋電位ＲＭＳ値ＶＭｉとシミュレーション表面筋電位ＲＭＳ値Ｖｉとの差ｅｉを、次のように計算する。

数５のｅｉから，Ｓ２３に示すように差の評価関数ｆをＲＭＳ値の差の２乗和として次のように計算する．

評価関数ｆを計算し、Ｓ２４に示すように、このｆが概最小となったかを判定する。ｆが概最小でない場合はＳ２５に示すように筋活動量ｍｊの値を適宜変更してＳ２２に戻りシミュレーション表面筋電位ＲＭＳ値Ｖｉを再計算することを繰り返す。ｆが概最小となったときは、人の前腕で測定した表面筋電位ＲＭＳ値の分布とシミュレーション表面筋電位が概一致したとみなし、Ｓ２６に示すように、モデルの筋活動量ＭＳ値ｍｊを人の前腕の筋活動量ＭＳ値とする。

実施例１において、電極間隔が１種類のバイポーラ電極を用いた筋活動量計算方法を示したが、電極間隔が異なる種類のバイポーラ電極を前腕の中心軸方向に複数配置すれば、実施例１より詳細な筋活動量計測ができる。

本実施例では、図５に示すように、前腕２１の横断面２５上に狭い間隔のバイポーラ電極２２ａと、広い間隔のバイポーラ電極２２ｂを配置し、それぞれのバイポーラ電極から得られる表面筋電位を表面筋電位計測部２４で計測する。

このとき、減衰乗数ｂと係数Ｖ０はバイポーラ電極の電極間隔によって決まる定数であり、バイポーラ電極の電極間隔が広くなるほど減衰が緩やかになることがわかっている。このとき、狭い電極間隔のバイポーラ電極における減衰乗数と係数をｂＮとＶ０Ｎ、広い電極間隔のバイポーラ電極における減衰乗数と係数をｂＷとＶ０Ｗとおく。

シミュレーションモデル上の仮想電極を前腕２１上のバイポーラ電極と同じ配置としたとき、小筋領域の筋活動量と表面筋電位との関係は、数２〜数４のｂとＶ０および総和伝達係数ＬＳｉｊを、狭い電極間隔のバイポーラ電極においてはｂＮとＶ０ＮとＬＮＳｉｊ、広い電極間隔のバイポーラ電極においてはｂＷとＶ０ＷとＬＷＳｉｊに置き換えて計算できる。数２〜数４に対応する狭い電極間隔のバイポーラ電極における表面筋電位ＲＭＳ値ＶＮｉｊｋ、ＶＮｉｊ、ＶＮｉと、広い電極間隔のバイポーラ電極における表面筋電位ＲＭＳ値ＶＷｉｊｋ、ＶＷｉｊ、ＶＷｉは次式で表される。

数９と数１２が、狭い間隔のバイポーラ電極と、広い間隔のバイポーラ電極を配置したときの電気伝導シミュレーションモデルによる表面筋電位のシミュレーション計算式となる。

本実施例における人の前腕で測定した狭い間隔のバイポーラ電極表面筋電位ＲＭＳ値ＶＭＮｉとＶＮｉとの差、および広い間隔のバイポーラ電極表面筋電位ＲＭＳ値ＶＭＷｉとＶＷｉとの差ｅｉは次のように定義される。

以下は、実施例１における筋活動量を計算する方法と同一の方法により、人の前腕の筋活動量ＭＳ値を計算する。

本実施例のように複数の電極間隔のバイポーラ電極を同時に用いると、狭い電極間隔のバイポーラ電極では減衰が大きいため電極近傍の筋の筋活動量を詳細に計算でき、広い電極間隔のバイポーラ電極では減衰が小さいため広範囲で深部の筋活動を計算できることで、詳細かつ広範囲な筋活動量の計測が可能となる。

主な実施形態を実施例１，２に述べたが、本発明の実施形態はこれらにとどまらない。例えば、身体内の電気伝導シミュレーションモデルの構築において被計測者の前腕横断面２５の外形線１７と各筋の外形線１３を抽出する方法は、抽出に用いる断面画像にはＣＴやＭＲＩのような人体の断層撮影装置や３次元画像撮影装置による被計測者の前腕断面画像を用いるのが望ましい。前記のような装置により被計測者を撮影できないときは、別人の断層画像や屍体の断層画像から外形線を抽出して、被計測者の前腕寸法に合わせて外形線を拡大縮小させたものを用いてもよい。

筋断面の外形線１３で囲まれた筋領域を小筋領域１４に分割する場合において、小筋領域１４の断面の幅と高さは、３ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍ、筋線維の平均径である２０μｍなどが考えられるが、断面形状を小筋領域で十分に再現できるサイズであればいずれでもよい。前腕では、小筋領域の分割サイズは断面形状を十分に再現できるサイズとして１ｍｍないし０．５ｍｍ以下が望ましい。断面形状は、三角断面、四角断面、六角断面などが考えられ、いずれを用いてもよいが、四角断面のうち正方形断面が分割が簡易で計算も容易なため望ましい。

実施例１、２では、身体の表面筋電位の計測においてはバイポーラ電極を配置しているが、バイポーラ電極以外にも小型電極を多数具備した電極アレイを配置してもよい。

実施例２においては、狭い間隔と広い間隔の２種類のバイポーラ電極を前腕に配置する例を述べたが、バイポーラ電極の電極間隔をさらにふやし、３種類、４種類など他種類の電極間隔を持つバイポーラ電極を用いれば、さらに詳細な筋活動量計測を行える。

評価関数ｆをシミュレーションＲＭＳ値と測定表面筋電位ＲＭＳ値の差の絶対値の２乗和としたが、これを絶対値の３乗和や４乗和、あるいは絶対値の和にしてもよいし、絶対値の正の実数乗の和としてもよい。あるいは、評価関数ｆをシミュレーションＭＳ値と測定表面筋電位ＭＳ値の差の絶対値の和、絶対値の２乗和、３乗和、４乗和、あるいは正の実数乗の和としてもよい。

実施例１、２では前腕における本発明の実施例を述べたが、本発明は前腕に限らず概円柱形の部位であれば適用できる。例えば、上腕、大腿、下腿、首のような部位にも適用できる。これらの部位で本発明を実施する場合は、前記した発明を実施するための形態および実施例において、前腕と記した部分を上腕、大腿、下腿、首と読み換えて実施する。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、筋電位計測装置の製造産業などに利用可能である。

１１ シミュレーションモデル上の表面電極
１２ 番号ｉの仮想表面電極
１３ 筋外形線
１４ 筋ｊの中にある番号ｋの小筋領域
１５ 小筋領域に分割された筋ｊの外形線
１６ 電極−小筋領域間距離
１７ 前腕断面の外形線
２１ 前腕
２２ 表面電極
２２ａ 狭い電極間隔のバイポーラ電極を構成する各電極
２２ｂ 広い電極間隔のバイポーラ電極を構成する各電極
２３ 電極ケーブル
２３ａ 狭い電極間隔のバイポーラ電極を構成する各電極に接続された電極ケーブル
２３ｂ 広い電極間隔のバイポーラ電極を構成する各電極に接続された電極ケーブル
２４ 表面筋電位計測部
２５ 前腕の断面線
２６ 前腕の中心線

Claims (4)

1. 身体の概円柱形状部位の周囲に環状に配列した表面電極と、
   前記表面電極における表面筋電位を計測する表面筋電位計測部と、
   前記身体の概円柱状部位の前記表面電極を環状に配列した位置の横断面の筋の筋活動量から、前記表面電極の位置における表面筋電位シミュレーション値を計算する表面筋電位シミュレーション部と、
   前記表面筋電位シミュレーション部で計算された前記表面電極の位置における表面筋電位シミュレーション値と、前記表面筋電位計測部で計測された前記表面電極の位置における表面筋電位とを概一致させるように前記横断面の筋活動量を調整し、概一致したときの筋活動量を身体内の筋活動量と推定する筋活動量推定部と、
   を具備し、
   前記表面筋電位シミュレーション部において、前記横断面内の筋を小筋領域に分割し、前記小筋領域の筋活動量の時間２乗平均値から、前記小筋領域の筋活動による表面筋電位の時間２乗平均値を計算し、前記横断面内の筋全体について、前記小筋領域の筋活動量による表面筋電位の時間２乗平均値の総和の平方根をとることにより、前記表面筋電位シミュレーション値を計算することを特徴とする筋活動量計算装置。
   
2. 前記表面電極は２個の電極が対となったバイポーラ電極であり、前記２個の電極の間隔が異なる２以上のバイポーラ電極が、前記２個の電極の中心部を結ぶ線分の中点が概一致するよう配置されたことを特徴とする請求項１に記載の筋活動量計算装置。
3. 前記筋活動量推定部が、前記表面電極の位置における表面筋電位シミュレーション値と前記表面電極の位置における表面筋電位が概一致したときの前記横断面内の小筋領域の筋活動量を、身体内の小筋領域の筋活動量と推定することを特徴とする請求項１または２に記載の筋活動量計算装置。
4. 前記筋活動量推定部が、前記小筋領域の筋活動量を調整するときに、同じ筋に属する小筋領域の筋活動量を同一にして、前記表面筋電位シミュレーション値を計算することを特徴とする請求項１、２、または３に記載の筋活動量計算装置。
   

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