JP7288663B2 - 筋収縮による筋音を検出可能な装置 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 １． 発行日：平成３０年１１月２１日 刊行物：日本機械学会 シンポジウム：スポーツ工学・ヒューマンダイナミクス２０１８講演論文集（ＵＳＢメモリに格納して配布） 公開者：竹井裕介、吉田学、竹下俊弘、小林健 内容：筋肉電気刺激・筋収縮モニタリング可能なスマートウェア ２． 発表日：平成３０年１１月２１日（開催期間 平成３０年１１月２１日～２３日） 集会名：日本機械学会 シンポジウム：スポーツ工学・ヒューマンダイナミクス２０１８ 開催場所：京都テルサ（京都府京都市南区） 公開者：竹井裕介、吉田学、竹下俊弘、小林健 内容：講演番号 Ａ－９ 「筋肉電気刺激・筋収縮モニタリング可能なスマートウェア」の口頭発表資料

本発明は、生体に電気的な刺激を与えそれに応じた筋収縮による筋音を検出可能な装置に関する。

近年、健康管理や医療技術の進展に伴い、人やペットの平均寿命が伸びている。しかし、筋力低下が原因で歩行中の転倒により骨折して歩行が困難になると体力低下や認知症の誘発等、健康上重大な問題が生じる。また、スポーツ界では、好成績を残すために様々な筋力トレーニングが行われている。

他方、運動トレーニングや傷病後のリハビリテーションでは、対象者の意思の強弱が運動機能や筋力、筋疲労等の結果に影響して、運動トレーニングやリハビリテーションの客観的な困難である。

筋肉は電気的な刺激に応じて活動するが、この活動状況を検知する方法としてこれまでは、筋肉の収縮によって生じる電気的な信号、いわゆる筋電を検知するのが一般的であった。しかし、筋電は数ｍＶ（ミリボルト）の電気信号に対して、筋肉を収縮させるために必要な電気刺激は数百Ｖ（ボルト）であり、最大で５桁も電圧の大きさが異なり、かつ両方とも皮膚表面の電位を計測する必要があるため、同時に計測することは非常に困難であった。

このような状況において、筋肉の活動状況を知るために、筋肉が収縮する際に発生する圧力波が注目されている。この圧力波は、筋音図、あるいは筋音（Ｍｅｃｈａｎｏｍｙｏｇｒａｍ（ＭＭＧ））と呼ばれている（例えば、非特許文献１参照。）。

本願発明者は、筋肉の定量的な質的評価として筋音に着目し、電気刺激信号を電極により皮膚表面に与えて、筋収縮に伴う筋音の高周波成分を解析する手法を発表している（例えば、非特許文献２参照。）。

R. Aoki, Y. Takei, N. Minh-Dung, T. Takahata, K. Matsumoto, I. Shimoyama, Proc. MEMS2016, pp.356-358 竹井裕介ら、日本機械学会 シンポジウム：スポーツ工学・ヒューマンダイナミクス 2017 講演論文集, No.17-43, 2017

本発明の目的は、電気的な刺激を筋肉に与えて筋収縮により生じた筋音に基づいて筋肉の状態の評価を行うことが可能な装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、電気的な刺激を筋肉に与えて筋収縮による筋音を検出可能な装置であって、電気的な刺激信号を与えた測定対象の筋肉において発生した筋音に応じた筋音信号を受信する入力手段と、上記刺激信号を与えた時点から上記筋音信号のピークを受信した時点までの反応時間またはそのピークの波高値に基づいて上記筋肉の状態を評価する解析手段と、を備える、上記装置が提供される。

上記態様によれば、電気的な刺激信号を与えた測定対象の筋肉において発生した筋音に応じた筋音信号を受信して、解析手段により刺激信号を与えた時点から筋音信号のピークを受信した時点までの反応時間または筋音信号のピークの電圧値に基づいて筋肉の状態を評価する。これにより、筋肉をコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）や磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）を直接用いずとも筋肉の状態を評価でき、非侵襲でかつ簡便に評価できる。

本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置による筋音信号の測定例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置による体の異なる部位の筋音信号の測定例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置による異なる被検者の筋音信号の測定例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置によるウォーミングアップ前後の筋音信号の測定例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置によるトレーニング中の筋音信号の測定例を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置の概略構成図である。図１を参照するに、アクティブ筋音センシング装置１０は、２つの電極１１と、筋音センサ１２と、電気刺激信号供給部１３と、信号入力部１４、１５と、解析部１６と、表示部１８と、制御部２０とを有する。アクティブ筋音センシング装置１０は、電気刺激信号供給部１３からパルス状の電圧を２つの電極１１間に印加して、電極１１が貼り付けられた測定対象（例えば上腕部）ＭＯの筋肉に電気刺激信号を与えることで筋肉の収縮を発生させる。筋音センサ１２は、筋肉の収縮時に発生する圧力波を検知して電気信号（筋音信号）に変換する。筋音信号は信号入力部１４に入力される。電気刺激信号供給部１３から電気刺激信号自体または電気刺激信号と同じタイミングで生成されたタイミング信号が信号入力部１５に入力される（以下、総称して「タイミング信号」と称し、電気刺激信号自体の場合は、「電気刺激信号」と称することもある。）。解析部１６においてタイミング信号（つまり電気刺激信号）と筋音信号との時間差、筋音信号の波高値等を計測して筋肉の状態の解析を行う。

電極１１は、ゲル電極を用いることができる。ゲル電極は、例えば、フレキシブル基板上に形成された導電性薄膜に導電性のゲルまたは導電材料を分散させたゲルを形成したものである。電極１１は、柔軟な基材の表面に多数の導電性繊維を植毛したものでもよい。２つの電極１１は、測定対象ＭＯの筋肉表面の皮膚に接触させ、電気刺激信号供給部１３に接続される。

制御部２０は、電気刺激信号供給部１３に接続され、測定対象ＭＯに与えるトレーニングのレシピ、すなわち、電気刺激信号のレシピを設定可能であり、その設定に基づいて電気刺激信号の電圧値、パルス幅、パルス時間間隔、パルス個数、供給時間等のレシピを電気刺激信号供給部１３に送る。制御部２０は、解析部１６に接続され、トレーニングのレシピを送るとともに、解析部１６およびアクティブ筋音センシング装置１０全体の制御を行ってもよい。

電気刺激信号供給部１３は、制御部２０からのレシピに基づいて、電極１１に電気刺激信号を供給する。電気刺激信号供給部１３は、例えば、電圧が例えば±５０Ｖ、パルス幅が正負両極とも例えば１５０μ秒の１サイクルの矩形波を電気刺激信号として繰り返し発生可能な電源を用いることができる。電気刺激信号供給部１３は、２つの電極１１に接続され、２つの電極１１間に電気刺激信号を印加する。

筋音センサ１２は、音響センサ、加速度センサまたはレーザ距離計を用いることができる。音響センサは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電素子を有し、測定対象の筋肉の表面の皮膚に接触させて筋音を検出する。筋音センサ１２は、感度が良好な点で、音響センサを用いることが好ましい。筋音センサ１２は、２つの電極１１に挟まれた測定対象ＭＯの筋肉表面の皮膚に接触させて用いることができる。

解析部１６は、信号入力部１４、１５、計測部２１、判定部２２、筋音データ記憶部２３、筋音－筋組成データ蓄積部２４を有する。信号入力部１４は、筋音センサ１２の出力部が接続され、筋音センサ１２から筋音信号が入力される。信号入力部１５は、電気刺激信号供給部１３に接続され、電気刺激信号が電極１１に印加される時のタイミング信号が入力される。

計測部２１は、信号入力部１４、１５に接続され、電気刺激信号のタイミング信号と筋音信号とが入力される。計測部２１は、電気刺激信号のタイミング信号、すなわち電気刺激信号から筋音信号のピークまでの時間および筋音信号のピークの波高値を少なくとも計測する。この時間は、電気刺激信号が与えられてから筋肉の収縮が行われるまでの時間である。本願明細書および特許請求の範囲では「反応時間」と称する。

図２は、本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置による筋音信号の測定例を示す図である。図２の横軸は時間を表し、縦軸は、左側が電気刺激信号であり、右側が筋音信号である。図２を図１と合わせて参照するに、電気刺激信号が与えられた時点を基準として、筋音信号として、数十ｍ秒後に比較的鋭い２つのピークを有する負値の第１信号部分Ｓ１と、数百ｍ秒後になだらかなピークを有する負値の第２信号部分Ｓ２とが表れる。なお、筋音信号が負値のときは筋肉の収縮により筋肉が盛り上がり筋音センサ１２の受信面が押されることを表している。第１信号部分Ｓ１は速筋の収縮によるものである。速筋は速く大きく収縮する。最初に表れるピークＰＡは速筋タイプＡ（白っぽい色の筋繊維が比較的多い。）の筋収縮に相当し、次に表れるピークＰＢは速筋タイプＢ（ピンク色の筋繊維が比較的多い。）の筋収縮と考えられる。第２信号部分Ｓ２は遅筋（赤色の筋繊維が多い）の筋収縮によるものである。なだらかなピークＰＣは、遅筋がゆっくりと収縮し、持続的な収縮ができることを示している。計測部２１は、電気刺激信号が与えられた時点からピークＰＡ、ＰＢおよびＰＣまでの時間（反応時間）を計測する。計測部２１は、時間に対する筋音信号の電圧値を計測し、また、ピークＰＡ、ＰＢおよびＰＣの波高値（電圧値）を計測する。計測部２１はこれらの計測値である筋音データを筋音データ記憶部２３に送って記憶してもよく、判定部２２に送ってもよい。計測部２１は、電気刺激信号の時間に対する電圧値を計測してもよい。なお、ピークＰＡ、ＰＢおよびＰＣの波高値は負値であるが、以下説明の便宜のため絶対値で表現することもある。

第１信号部分Ｓ１のピークＰＡおよびＰＢの反応時間は５ミリ秒～７０ミリ秒であり、第２信号部分Ｓ２のピークＰＣの反応時間は、７０ミリ秒～２００ミリ秒である。判定部２２は、この反応時間に基づいて、筋音信号の各々のピークが速筋の筋収縮によるものか遅筋の筋収縮によるものかを判定してもよい。

表示部１８は、解析部１６に接続され、トレーニングのレシピ、図２に示したような、電気刺激信号および筋音信号の波形、各ピークの反応時間、波高値およびその時間変化等を解析部１６から受信して表示することができる。

図３は、本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置による身体の異なる部位の筋音の測定例を示す図である。図３は、ある被験者の（ａ）が右上腕部の測定例であり、（ｂ）が右大腿部の測定例である。図３（ａ）および（ｂ）を参照するに、ピークＰＡ、ピークＰＢおよびピークＰＣの各々対応するピークを比較すると、波高値が右上腕部は右大腿部よりも大きくなっており、反応時間が右上腕部は右大腿部よりも短くなっている。コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）や磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）等の調査によれば、一般的に、上腕二頭筋遅筋速筋比率は、速筋：遅筋が６０％：４０％であり、大腿四頭筋遅筋速筋比率は、速筋：遅筋が３０％：７０％である。このような筋組成データを筋音データと関係づけたデータ（「筋音－筋組成データ」と称する。）を筋音－筋組成データ蓄積部２４に予め記憶しておき、判定部２２において、筋音信号のピークの波高値と反応時間と、筋音－筋組成データ蓄積部２４からの筋音－筋組成データを参照することによって、筋音データに基づいて、被験者の筋組成を推測することができる。

図４は、本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置による異なる被検者の筋音の測定例を示す図である。図４は、右上腕部の速筋の筋音（第１信号部分）について、（ａ）が被験者Ａ、（ｂ）が被験者Ｂの測定例である。図４（ａ）および（ｂ）を参照するに、ピークＰＡとピークＰＢの波高値の比率が、被験者Ａと被験者Ｂとでは明らかに異なっており、速筋タイプＡと速筋タイプＢとの筋量比が異なっていることが分かる。判定部２２は、図４（ａ）に示すようにピークＰＡがピークＰＢよりも大きいので、速筋のタイプＡがタイプＢよりも筋量が多いと判定する。判定部２２は、図４（ｂ）に示すようにピークＰＡとピークＰＢとがほぼ波高値が等しいので、速筋のタイプＡおよびタイプＢは筋量が等しいと判定する。判定部２２は、ピークＰＡおよびピークＰＢの波高値の比率に基づいて、被験者の識別を行ってもよく、各被験者の例えばトレーニングによる筋量比の変化を判定してもよい。

アクティブ筋音センシング装置１０は、電気刺激信号供給部１３から電極１１によって測定対象ＭＯの筋肉に電気刺激信号を与えるのと並行して、筋音センサ１２からの筋音信号を解析部１６で解析することで、測定対象ＭＯの筋肉のウォーミングアップ効果や疲労度を評価してもよい。判定部２２は、筋音信号の時間平均、各刺激信号に対する筋音信号のピークＰＡ、ＰＢまたはＰＣの波高値、あるいは各刺激信号に対する筋音信号の最大値と最小値との差（すなわち、山を示すピークと谷を示すピークと波高値の差）の平均値の経時的な変化に基づいて筋肉の状態、例えばウォーミングアップ効果、疲労度等を評価してもよい。

図５は、本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置によるウォーミングアップ前後の筋音の測定例を示す図である。

被験者の右脚のヒラメ筋に電極１１を貼付し、図５（ａ）は電気刺激信号を与えたウォーミングアップ初期と、図５（ｂ）は電気刺激信号を右脚のヒラメ筋に１秒間隔でパルスを与えてウォーミングアップを行った後（「ウォーミングアップ後」と称する。）に、測定した例である。解析部１６は、ウォーミングアップ中の筋音信号の波形と、計測部２１からのピークＰＡ、ＰＢ、およびＰＣの反応時間および波高値を筋音データ記憶部２３に記憶する。判定部２２は、ウォーミングアップ初期のピークＰＡ、ＰＢ、およびＰＣの反応時間および波高値に対して、ウォーミングアップ中の測定値の変化に基づいて、筋肉のウォーミングアップの度合いを判定する。図５（ａ）および（ｂ）を参照するに、ウォーミングアップ初期では、速筋の筋音（第１信号部分Ｓ１）について、ピークＰＡ（ピークＰＢが重なっていると推察される。）の波高値が－０．０５７Ｖであったが、ウォーミングアップ後では、ピークＰＡが－０．３０７Ｖ、ピークＰＢ－０．１５６Ｖとなり、波高値が各々５．４倍、２．７倍に増加している。ピークＰＣも－０．０５０Ｖから－０．０７４Ｖとなり、波高値が１．５倍に増加している。判定部２２は、これらの波高値の比率に基づいて、ウォーミングアップ効果の度合いを判定してもよく、波高値の飽和の度合いに基づいて、ウォーミングアップの完了時を判定してもよい。

図６は、本発明の一実施形態に係るアクティブ筋音センシング装置によるトレーニング中の筋音の測定例を示す図である。図６（ａ）は電気刺激信号によるトレーニング中の測定例であり、所定の間隔の電気刺激信号を１分間与えた後の測定例であり、（ｂ）は、（ａ）の１４５秒後の測定例、（ｃ）は、（ｂ）の１５０．５秒後の測定例であり、電気刺激信号は、±４０Ｖの５０ｍ秒の間隔で与えた。電極の配置および解析部の動作は、図５の場合と同様に行った。

図６（ａ）～（ｃ）を参照するに、筋音信号の時間平均を算出すると、図６（ａ）の時点では０．００９０Ｖ、図６（ｂ）の時点では０．００３８Ｖ、図６（ｃ）の時点では０．００２８Ｖとなり、筋音信号の平均が次第に減少している。
各電気刺激信号に対する筋音信号の最大値（山として最も高いピークＰＡの波高値）の各々１秒間分を平均すると、図６（ａ）の時点では０．０２０Ｖ、図６（ｂ）の時点では０．０１５Ｖ、図６（ｃ）の時点では０．０１２Ｖとなり、次第に減少しており、筋収縮振幅が低下している。

各電気刺激信号に対する筋音信号の最大値（山として最も高いピークＰＡの波高値）と最小値（谷として最も深いピークＰＡ’の波高値）との差（すなわち最大振幅）の各々１秒間分を平均すると、図６（ａ）の時点では０．０５３Ｖ、図６（ｂ）の時点では０．０３６Ｖ、図６（ｃ）の時点では０．０３１Ｖとなり、次第に減少しており、筋収縮振幅が低下している。判定部２２は、これらの結果の少なくとも一つに基づいて、筋疲労が増加していると判定する。

判定部２２は、筋肉の状態を適切に評価するため、制御部２０を介して刺激信号供給部１３に電気刺激信号を与える時間間隔を調整するように指示できる構成としてもよい。判定部２２は、例えば、電気刺激信号に対して筋肉の反応時間が長くなる場合は、第１信号部分Ｓ１の山を示すピークＰＡ（最大値）と引き続く谷を示す最小値が計測できるように、判定部２２は、制御部２０を介して刺激信号供給部１３に電気刺激信号を与える時間間隔をより長くするように指示してもよい。

図１に戻り、制御部２０および判定部２２は、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ、プロセッサ）を用いることができる。筋音データ記憶部２３および筋音－筋組成データ蓄積部２４は、メモリを用いることができ、例えば、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、ハードディスクドライブを用いることができる。メモリは、ＣＰＵにバスにより接続されたチップでもよく、ＣＰＵに含まれるメモリでもよい。計測部２１は、オシロスコープを用いてもよく、ＣＰＵ上で動作する計測ソフトウェアでもよい。表示部１８は、ディスプレイを用いることができる。解析部１６および制御部２０は、ＣＰＵ、メモリ、オシロスコープが一体化された装置でもよく、別々のユニットでもよく、特に限定されない。

ユーザインタフェース５５は、ユーザの操作用のデバイスのためのインタフェースで、入力用のキーボード（不図示）や操作用のマウス（不図示）等が制御部２０または解析部１６に接続される。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ アクティブ筋音センシング装置
１１ 電極
１２ 筋音センサ
１３ 電気刺激信号供給部
１４、１５ 信号入力部
１６ 解析部
１８ 表示部
２０ 制御部

Claims (9)

1. 電気的な刺激を筋肉に与えて筋収縮による筋音を検出可能な装置であって、
   電気的な刺激信号を与えた測定対象の筋肉において発生した筋音に応じた筋音信号を受信する入力手段と、
   前記受信した筋音信号に含まれる、前記刺激信号を与えた時点から最初に受信する前記測定対象の速筋の筋収縮に対応する第１の筋音信号部分と、該第１の筋音信号部分よりも後に受信する前記測定対象の遅筋の筋収縮に対応する該第１の筋音信号部分よりもなだらかな変化を示す第２の筋音信号部分とを検出して、前記刺激信号を与えた時点から前記第１の筋音信号部分および第２の筋音信号部分の各々のピークを受信した時点までの反応時間または各々の該ピークの波高値に基づいて前記筋肉の状態を評価する解析手段と、を備える、前記装置。
2. 電気的な刺激を筋肉に与えて筋収縮による筋音を検出可能な装置であって、
   電気的な刺激信号を与えた測定対象の筋肉において発生した筋音に応じた筋音信号を受信する入力手段と、
   前記受信した筋音信号に含まれる、前記刺激信号を与えた時点から最初に受信する前記測定対象の速筋の筋収縮に対応する第１の筋音信号部分と、該第１の筋音信号部分よりも後に受信する前記測定対象の遅筋の筋収縮に対応する該第１の筋音信号部分よりもなだらかな変化を示す第２の筋音信号部分とを検出して、前記第１の筋音信号部分のピークと前記第２の筋音信号部分のピークとの波高値または前記刺激信号を与えた時点から前記第１の筋音信号部分および第２の筋音信号部分の各々のピークを受信した時点までの反応時間に基づいて筋組成を判定する解析手段と、を備える、前記装置。
3. 前記解析手段は、前記第１の筋音信号部分において、前記反応時間の短い第１のピークと該第１のピークよりも反応時間の長い第２のピークとの波高値の比率または該第１および第２のピークの各々の反応時間に基づいて速筋の筋組成を判定する、請求項２記載の装置。
4. 前記解析手段は、前記刺激信号を所定の間隔で連続的に与えた前記測定対象の筋肉から並行して取得した各刺激信号に対する前記筋音信号の前記第１の筋音信号部分のピークの波高値の経時的な変化に基づいて前記筋肉の疲労度を評価する、請求項１記載の装置。
5. 前記解析手段は、前記筋音信号の前記経時的な変化が減少している場合は疲労度が増加していると判定する、請求項４記載の装置。
6. 電気的な刺激を筋肉に与えて筋収縮による筋音を検出可能な装置であって、
   電気的な刺激信号を与えた測定対象の筋肉において発生した筋音に応じた筋音信号を受信する入力手段と、
   前記刺激信号を与えた時点から前記筋音信号のピークを受信した時点までの反応時間または該ピークの波高値に基づいて前記筋肉の状態を評価する解析手段と、を備え、
   前記解析手段は、前記刺激信号を所定の間隔で連続的に与えた前記測定対象の筋肉から並行して取得した前記筋音信号の平均値、各刺激信号に対する前記筋音信号のピークの波高値、または各刺激信号に対する前記筋音信号の最大値と最小値との差の平均値の経時的な変化に基づいて前記筋肉のウォーミングアップ効果を評価する、前記装置。
7. 前記解析手段は、前記筋音信号の前記経時的な変化が増加している場合は前記ウォーミングアップ効果が表れていると判定する、請求項６記載の装置。
8. 前記測定対象に装着する電極と、
   前記電極に接続され、前記刺激信号を供給可能な信号供給手段と、
   前記入力手段に接続され、前記筋肉の筋音を検出して前記筋音信号を該入力手段に出力する検出手段と、
   前記信号供給手段に接続され、前記刺激信号を供給するタイミングを制御する制御手段と、を更に備える、請求項１～７のうちいずれか一項記載の装置。
9. 前記検出手段は、音響センサ、加速度センサおよびレーザ距離計のいずれかである、請求項８記載の装置。

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