JP6789903B2

JP6789903B2 - 筋電位測定装置

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Publication number: JP6789903B2
Application number: JP2017175387A
Authority: JP
Inventors: 和幸高山; 学酒井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP2019050906A; US20190076042A1

Description

本実施形態は、筋電位測定装置に関する。

従来、装着者の皮膚表面に接触する複数の筋電位センサ電極からの信号を検出して、装着者の動作分析に用いる筋電位測定装置が開示されている。しかし、装着者毎に筋肉の位置が異なるため、筋電位センサ電極の数を増やしても意図するデータが取得できない場合がある。また、筋電位センサ電極を固定する保持部材として伸縮性のある素材を使用した場合には、装着者の体型に応じて保持部材が伸縮し筋電位センサ電極の位置が変動することが想定される。

装着者の体型、あるいは、筋電位測定装置の装着状態によって筋電位センサ電極の配置位置が変動しても、意図するデータを精度よく取得できる筋電位測定装置が望まれる。

特許第５４０９６３７号公報

一つの実施形態は、筋電位測定装置の装着状態によって筋電位センサ電極の配置位置がずれたとしても、意図するデータを精度よく取得できる筋電位測定装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、筋電位測定装置は、複数の筋電位センサ電極を有する。前記複数の筋電位センサ電極から少なくとも３つを選択して、基準電極、第１の入力電極、及び第２の入力電極に割当てる選択部を有する。前記基準電極の電圧をもとに、前記第１の入力電極と前記第２の入力電極から供給される電圧の差分を測定する測定部を有する。前記選択部での前記選択された筋電位センサ電極の組合せを変更する選択信号を供給する制御部を有する。

図１は、第１の実施形態の筋電位測定装置の構成を示す図である。図２は、筋電位の測定と各電極の電圧の関係を説明する為の図である。図３は、筋電位測定の一つのフローを示す図である。図４は、筋電位測定装置の外観を概略的に示す図である。図５は、センサ電極の配置と組合せ方の一つの例を説明する為の図である。図６は、センサ電極を選択する選択部の構成の一例を具体的に示す図である。図７は、センサ電極を千鳥状に配置した構成と、センサ電極の組合せ方の他の例を示す図である。図８は、センサ電極の他の配置例を示す図である。図９は、センサ電極の他の配置例を示す図である。図１０は、第２の実施形態の筋電位測定装置の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる筋電位測定装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の筋電位測定装置の構成を示す図である。本実施形態の筋電位測定装置は、センサ部１０と信号処理部２０を備える。センサ部１０は、複数の筋電位測定用のセンサ電極（図示せず）を備える。センサ電極は装着者の皮膚表面に接触し、装着者の体表面からの電位信号を検出する。電位信号は装着者の筋肉の動きに応じて発生し、センサ電極によって検出される。各センサ電極の電位信号は、信号線１１−１〜１１−ｎ（ｎは３以上の整数）を介して、信号処理部２０に供給される。

信号処理部２０は、選択部３０、測定部４０及び制御部５０を備える。選択部３０は、信号線１１から少なくとも３つの信号線を選択する。選択部３０は、選択したセンサ電極を、第１の入力電極（Ｐ電極）、第２の入力電極（Ｎ電極）及び基準電極に割当て、信号線３１〜３３を介して測定部４０に接続する。信号線３１、３２、３３のそれぞれは、Ｐ電極、Ｎ電極及び基準電極に割当てられる。

測定部４０は、信号線３３からの電位信号を基準電極として、Ｐ電極とＮ電極の差分電圧を測定する。測定部４０は、例えば、差動入力型のＡＤコンバータ４０１によって構成される。尚、測定部４０は、オペアンプによりＰ電極とＮ電極の差分電圧を求め、その差分電圧をＡＤコンバータにより測定する構成（図示せず）とすることが出来る。

測定部４０の測定結果は、制御部５０に供給され、保存される。制御部５０は、測定結果に基づいて選択部３０に信号線５１を介して制御信号を供給する。選択部３０は、制御信号に応答して信号線１１の組合せ、すなわち、センサ電極の組合せを切換える。

例えば、制御部５０は、Ｐ電極とＮ電極の差分電圧が最も大きくなるセンサ電極の組合せを求める制御を行う。制御部５０は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）によって構成される。

本実施形態の筋電位測定装置においては、複数のセンサ電極から少なくとも３つを選択して基準電極、第１の入力電極（Ｐ電極）、及び第２の入力電極（Ｎ電極）に割当て、測定部４０に各センサ電極からの信号を供給する選択部３０を備える。測定部４０における測定結果により、例えば、Ｐ電極とＮ電極の間の差分電圧が最も大きくなるセンサ電極の組合せを選択することが出来る。複数のセンサ電極の中から、意図する筋電位測定に相応しい組み合わせを選択することが出来る。筋電位測定装置の装着位置が変動した場合でも、各センサ電極からの電位信号に応じてセンサ電極の組合せを変更することが出来る為、汎用性の高い筋電位測定装置を提供することが出来る。

また、測定部４０においては、基準電極３３の電位信号を基準にして、Ｐ電極とＮ電極の差分電圧が測定される。基準となる電極を用いることでノイズを低減することが出来る。基準電極を用いて測定する手法は、ノイズを除去する有効な手法として、例えば、ライトレッグドライブと呼ばれる心電図の測定においても用いられている。ノイズに対する耐性を上げることにより、単純な筋肉の動きによる大きな電位信号のみならず、複雑な筋肉の動きによる微小な電位信号を精度よく検出することが出来る。

図２は、筋電位の測定と各電極の電圧の関係を説明する為の図である。横軸に時間、縦軸に電圧を示す。電圧の基準は基準電極からの電位信号を示し、Ｐ電極からの電位信号を曲線３４、Ｎ電極からの電位信号を曲線３５で示す。例えば、時間Ｔ１において、Ｐ１で示すＰ電極の電圧Ｖ１と、Ｎ１で示すＮ電極の電圧Ｖ２との差分電圧ΔＶが測定される。この電圧測定は、図１の測定部４０において実施される。

図３は、筋電位測定の一つのフローを示す図である。この筋電位測定は、例えば、図１の筋電位測定装置において実施される。センサ電極の組合せの選択基準として、最も高い測定値が得られるセンサ電極の組合せを選択する場合のフローである。

装着者の皮膚に接触する複数のセンサ電極の内から３個を選択する（Ｓ３０１）。この選択は、選択部３０により実施される。

選択したセンサ電極の組合せにより筋電位の測定を行う。この測定は、測定部４０において実施される。この測定を、センサ電極の組合せを変えて行う（Ｓ３０２）。例えば、最初の測定において基準電極として割当てたセンサ電極を、次の測定においてはＰ電極として割当てて行う。同様な、割り当ての変更を実施する。組合せの変更は、選択部３０により行う。

選択したセンサ電極の内で割り当てを変えて測定した結果、最も高い測定値が得られたセンサ電極の割り当てを、Ｐ電極、Ｎ電極、及び基準電極として登録する（Ｓ３０３）。

次の新たな３個のセンサ電極の組合せを選択する（Ｓ３０４）。この選択は、選択部３０により行う。新たに選択したセンサ電極により、基準電極、Ｐ電極、及びＮ電極として割当てを変えて、筋電位を測定する（Ｓ３０５）。

既に測定が終わったセンサ電極の組合せにより得られた測定値よりも高い測定値が有るか否かを判定する（Ｓ３０６）。既に測定が終わったセンサ電極の組合せの測定値よりも高い測定値がない場合（Ｓ３０６：Ｎｏ）には、更に、新たなセンサ電極の組合せを選択して測定を行う。既に測定が終わったセンサ電極の組合せの測定値よりも高い測定値が得られた場合（Ｓ３０６：Ｙｅｓ）には、その測定値が得られた時のセンサ電極の割り当てを、新たな基準電極、Ｐ電極、及びＮ電極として登録する（Ｓ３０７）。

以上の測定を、全てのセンサ電極の組合せで行ったかどうかを判定する（Ｓ３０８）。全てのセンサ電極の組合せについて測定を行った場合（Ｓ３０８：Ｙｅｓ）には、最終的に基準電極、Ｐ電極、及びＮ電極として登録されたセンサ電極を動作分析の測定に用いる（Ｓ３０９）。全てのセンサ電極の組合せについての測定が終わっていない場合（Ｓ３０８：Ｎｏ）には、測定を継続する。

以上、選択部３０により選択するセンサ電極の組合せを適宜変更して測定し、その測定結果により、最終的に使用するセンサ電極を選択することが出来る。

尚、センサ電極の組合せの選択基準は、最も高い測定値が得られた組合せに限らず、意図する測定の目的に応じて任意に設定することが出来る。また、各センサ電極の電位信号を別途設けた記憶装置（図示せず）に記憶させておき、その値を用いてセンサ電極の組合せを選択しても良い。

図４は、筋電位測定装置１の外観を概略的に示す図である。筋電位測定装置１は、保持部材２を有する。保持部材２は、例えば、伸縮性のある素材から成り、所謂、リストバンドを構成する。

保持部材２の内側、すなわち、装着者の皮膚側には、複数の筋電位センサ電極１０１〜１０３が固定される。

保持部材２の外側には、筐体３が固定される。筐体３には、例えば、図１の選択部３０、測定部４０、及び制御部５０を構成する半導体装置（図示せず）が収納される。各センサ電極１０１〜１０３と筐体３に収納された半導体装置は、保持部材２に設けられた配線（図示せず）によって接続される。装着者の皮膚表面に接触するセンサ電極１０１〜１０３からの電位信号が筐体３に収納された半導体装置に供給される。

図５は、センサ電極の配置と組合せ方の一つの例を説明する為の図である。図１のセンサ部１０を構成するセンサ電極の構成例を示す。図５の上部は、便宜的に、保持部材２を横方向に展開した状態を示す。保持部材２には、例えば、８個のセンサ電極１０１〜１０８が固定される。各センサ電極１０１〜１０８は円形の形状を有し、また、各センサ電極１０１から１０８間の間隔が等しくなる様に配置されている。

図５の下部は、センサ電極１０１〜１０８を組み合わせて、基準電極、Ｐ電極、及びＮ電極に割当てる例を示す。各センサ電極１０１〜１０８からの電位信号が信号線１１１〜１１８を介して選択部３０に供給される。センサ電極１０１〜１０８の組合せの変更は、選択部３０によって行われる。

組合せ１では、センサ電極１０１がＰ電極、センサ電極１０２が基準電極、そして、センサ電極１０３が、Ｎ電極として割当てられる。

以下同様に、組合せ２では、センサ電極１０２がＰ電極、センサ電極１０３が基準電極、そして、センサ電極１０４が、Ｎ電極として割当てられる。

組合せ３では、センサ電極１０３がＰ電極、センサ電極１０４が基準電極、そして、センサ電極１０５が、Ｎ電極として割当てられる。

組合せ４では、センサ電極１０４がＰ電極、センサ電極１０５が基準電極、そして、センサ電極１０６が、Ｎ電極として割当てられる。

組合せ５では、センサ電極１０５がＰ電極、センサ電極１０６が基準電極、そして、センサ電極１０７が、Ｎ電極として割当てられる。

組合せ６では、センサ電極１０６がＰ電極、センサ電極１０７が基準電極、そして、センサ電極１０８が、Ｎ電極として割当てられる。

組合せ７では、センサ電極１０７がＰ電極、センサ電極１０８が基準電極、そして、センサ電極１０１が、Ｎ電極として割当てられる。

組合せ８では、センサ電極１０８がＰ電極、センサ電極１０１が基準電極、そして、センサ電極１０２が、Ｎ電極として割当てられる。各組合せの変更は、選択部３０において、制御部５０からの制御信号により行われる。

例えば、組合せ１から組合せ８を測定した結果により、最も相応しいデータが得られた時の組合せを筋電位測定装置の基準電極、Ｐ電極、及びＮ電極として用いて装着者の筋電位測定を行い、動作分析に用いる。

図６は、選択部３０の構成の一例を具体的に示す図である。既述した実施形態に対応する構成には同じ符号を付している。各センサ電極１０１〜１０８は、信号線１１１〜１１８を介して選択部３０に接続される。

選択部３０は、選択回路３０１、３０２、３０３を有する。選択回路３０１は、信号線１１１〜１１８と信号線３１の間に接続されるスイッチ３０１１〜３０１８を有する。スイッチ３０１１〜３０１８のオン／オフは、制御部５０から信号線５１０を介して供給される制御信号によって制御される。スイッチ３０１１〜３０１８のオン／オフを制御することにより、Ｐ電極として割当てるセンサ電極１０１〜１０８を選択する。例えば、スイッチ３０１１がオンの場合には、センサ電極１０１が信号線３１に接続され、Ｐ電極として割当てられることになる。

同様に、選択回路３０２は、信号線１１１〜１１８と信号線３２の間に接続されるスイッチ３０２１〜３０２８を有する。スイッチ３０２１〜３０２８のオン／オフは、制御部５０から信号線５１１を介して供給される制御信号によって制御される。例えば、スイッチ３０２１がオンの場合には、センサ電極１０２が、信号線３２に接続され、Ｎ電極として割当てられることになる。

同様に、選択回路３０３は、信号線１１１〜１１８と信号線３３の間に接続されるスイッチ３０３１〜３０３８を有する。スイッチ３０３１〜３０３８のオン／オフは、制御部５０から信号線５１２を介して供給される制御信号によって制御される。例えば、スイッチ３０３１がオンの場合には、センサ電極１０３が、信号線３３に接続され、基準電極として割当てられることになる。

制御信号によって各スイッチ（３０１１〜３０１８、３０２１〜３０２８、３０３１〜３０３８）のオン／オフを制御することにより、センサ電極１０１〜１０８の組合せを変更することが出来る。

尚、各選択回路３０１〜３０３は８入力から１つ選択して出力するマルチプレクサにより構成することも出来る。

図７は、センサ電極を千鳥状に配置した構成と、センサ電極の組合せ方の他の例を示す図である。図７の上部に示す保持部材２には、センサ電極１０１〜１０８が千鳥状に配置されている。センサ１０１〜１０８を千鳥状に配置することで、保持部材２の長手方向に加え、幅方向をセンサ電極１０１〜１０８の配置位置として有効に活用できる為、センサ電極１０１〜１０８の配置位置のバリエーションを増やすことが出来る。従って、バリエーションを持って配置されたセンサ電極の中から最も相応しい組合せを選ぶことが出来る。また、図７の下部は、センサ電極１０１〜１０８を組み合わせて、基準電極、Ｐ電極、及びＮ電極に割当てる組合せの例を示す。

例えば、組合せ１では、センサ電極１０１、１０４が基準電極、センサ電極１０２がＰ電極、そして、センサ電極１０３がＮ電極として割当てられる。

すなわち、組合せ１では、４個のセンサ電極１０１〜１０４が選択される。基準電極として割当てられるセンサ電極１０１と１０４は、例えば、図６に示すスイッチ３０３２と３０３７をオンさせることで基準電極用の信号線３３に接続され、選択される。

以下同様に、組合せ２では、センサ電極１０２と１０５が基準電極、センサ電極１０３がＰ電極、センサ電極１０４がＮ電極として割当てられる。

組合せ３では、センサ電極１０４と１０８が基準電極、センサ電極１０５と１０６がＰ電極、センサ電極１０７がＮ電極として割当てられる。

組合せ４では、センサ電極１０２と１０７が基準電極、センサ電極１０３と１０４がＰ電極、センサ電極１０５と１０６がＮ電極として割当てられる。

組合せの対象とするセンサ電極の数、基準電極として割当てるセンサ電極の配置位置等を適宜組み合わせることで、意図する筋電位測定に相応しいセンサ電極の組合せを選択することが可能となる。図１の筋電位測定装置はセンサ電極１０１〜１０８を適宜選択できる選択部３０を設ける構成で有る為、センサ電極の選択とその組合せの変更を容易に行う事が出来る。

図８は、センサ電極の他の配置例を示す図である。図８に示す配置例においては、保持部材２の長手方向に、夫々、２個ずつ対となったセンサ電極（１０１と１０２、１０３と１０４、１０５と１０６、１０７と１０８）が配置される。

保持部材２の長手方向に加え、幅方向の配置位置を有効に利用することが出来る。保持部材２の長手方向に対のセンサ電極を設けることで、保持部材２の装着位置のズレに対する余裕度を確保することが出来る。

図９は、センサ電極の他の配置例を示す図である。図９に示す配置例は、図７の配置例の場合と同様に、センサ電極が千鳥状に配置されるが、上部側に配置されるセンサ電極（１０１１、１０３１、１０５１、１０７１）の寸法が下側に配置されるセンサ電極（１０２、１０４、１０６、１０８）に比べて大きく、また、楕円形状を有する。

例えば、じゃんけんの「グー」「チョキ」「パー」等の簡単な手の動きの場合と、複雑な手の動きの場合とでは、生じる筋電位信号が異なる。例えば、複雑な動きによって生じる筋電位信号を検出する場合には、センサ電極の寸法は小さい方が好ましい場合がある。センサ電極を配置する位置によってそのセンサ電極の形状、あるいは、寸法を異ならせることにより、汎用性の高い筋電位測定装置を提供することが出来る。

尚、図９の例においては、配置するセンサ電極が２種類の形状を有する場合を示すが、適宜、センサ電極の形状の種類を増やして配置しても良い。図１の筋電位測定装置は、センサ電極の組合せを適宜選択できる選択部３０を有する為、センサ電極の形状の種類を増やしてバリエーションを広げる効果を生かすことが出来る。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態の筋電位測定装置の構成を示す図である。既述した実施形態に対応する構成には同一の符号を付している。

本実施形態は、加速度センサ６０を備える。加速度センサ６０の出力信号は、信号線６１を介して制御部５０に供給される。例えば、加速度センサ６０は、重力加速度Ｇがかかる方向（すなわち鉛直方向）を検知する３軸加速度センサである。

装着者の身体に対して加速度センサ６０がどういう位置関係にあるのかを予めキャリブレーションしておき、測定部４０の測定結果にそのキャリブレーションの結果を反映させることにより、装着者の動作分析の精度を向上させることができる。尚、最終的に使用するセンサ電極の組合せを選択する際の参照信号として、加速度センサ６０の信号を用いてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
なお、以下の付記に記載されているような構成と筋電位測定方法が考えられる。
（付記１）
前記測定部は、差動入力型のＡＤコンバータを備えることを特徴とする請求項１に記載の筋電位測定装置。
（付記２）
前記選択部は、前記複数の筋電位センサ電極の中から基準電極に割り当てる第１の選択回路と、前記複数の筋電位センサ電極の中から第１の入力電極に割り当てる第２の選択回路と、前記複数の筋電位センサ電極の中から第２の入力電極に割り当てる第３の選択回路を有することを特徴とする請求項１に記載の筋電位測定装置。
（付記３）
前記保持部材は、伸縮性のある素材で構成されることを特徴とする請求項２に記載の筋電位測定装置。
（付記４）
前記複数の筋電位センサを保持するリストバンド形状の保持部材を有することを特徴とする請求項１に記載の筋電位測定装置。
（付記５）
複数の筋電位センサ電極から少なくとも３つの筋電位センサ電極を選択し、
前記選択された筋電位センサ電極からの電位信号を測定し、
前記複数の筋電位センサ電極の中から選択する筋電位センサ電極の組合せを切換え、
前記選択した筋電位センサ電極の組み合わせの中から所望の筋電位センサ電極の組合せを特定し、
前記特定された筋電位センサ電極の組合せにより筋電位の測定を行うことを特徴とする筋電位測定方法。

１筋電位測定装置、２保持部材、３筐体、１０センサ部、２０信号処理部、３０選択部、４０測定部、５０制御部、６０加速度センサ。

Claims

複数の筋電位センサ電極と、
加速度センサと、
前記複数の筋電位センサ電極から少なくとも３つを選択して、基準電極、第１の入力電極、及び第２の入力電極に割当てる選択部と、
前記基準電極の電圧をもとに、前記第１の入力電極と前記第２の入力電極から供給される電圧の差分を測定する測定部と、
前記測定部の出力と前記加速度センサの出力に基づいて、前記選択部での前記選択された筋電位センサ電極の組合せを変更する選択信号を供給する制御部と、
を備えることを特徴とする筋電位測定装置。
前記複数の筋電位センサ電極を保持する保持部材を備え、前記複数の筋電位センサ電極は、前記保持部材において千鳥状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の筋電位測定装置。
前記複数の筋電位センサ電極は、前記保持部材における位置により異なる形状を有することを特徴とする請求項２に記載の筋電位測定装置。
複数の筋電位センサ電極と、
加速度センサと、
前記複数の筋電位センサ電極から少なくとも３つを選択して、基準電極、第１の入力電極、及び第２の入力電極に割当てる選択部と、
前記基準電極の電圧をもとに、前記第１の入力電極と前記第２の入力電極から供給される電圧の差分を測定する測定部と、
前記測定部の出力と前記加速度センサの出力に基づいて、前記選択された筋電位センサ電極の組合せを変更する選択信号を前記選択部に供給する制御部と、
を備え、予め設定した選択基準に基づいて前記選択部により選択された筋電位センサ電極の組合せを筋電位の測定に使用する筋電位測定装置。