JPH06304157A - 疲労に対する筋肉の耐性及び感度の判定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 筋肉の疲労に対する耐性及び感度を判定する
方法を提供すること。 【構成】 筋肉Ｍ上に取り付けられた記録用電極によっ
て記録されたＥＭＧ信号に対して、パーソナル・コンピ
ュータを用いて、ＦＦＴ分析と呼ばれる周波数分析を行
うことにより、筋肉の疲労に対する耐性と感度とを示
す、比較の可能な数値を得る。この得られた数値を各筋
肉テストに対して正規化した指数と比較して、一般的人
口又は当該被験者の以前のデータと比較して図解的に表
示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、疲労に対する筋肉の耐
性と感度とを判定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】人間の筋肉の状態は、その者の生活の
質、仕事の効率、満足など多くの事柄に著しい影響を与
える。筋肉状態を測定する際には、同年齢の一般的人口
との比較がよい標準を与える。筋肉状態とは筋肉の耐性
及び疲労であって、様々な種類のテストを用いることで
観察できるが、直接かつ迅速に、信頼性の高い比較、す
なわち、たとえば一般的人口と比較可能な信頼性の高い
結果は、これらのテストでは得られない。

【０００３】筋肉は、筋肉繊維すなわち筋肉細胞からな
る。１つの神経繊維が、複数の筋肉繊維を規制してい
る。筋肉繊維は、筋原繊維に分解され、更に筋肉フィラ
メントに分解され、これは、アクチンフィラメントとミ
オシンフィラメントに分解される。筋収縮は、これらの
ミクロの単位で、Ｃａ⁺⁺イオンの侵入とそれに続くアデ
ノシン三リン酸（ＡＴＰ）の加水分解によって、機械的
に生じる。筋収縮は、細胞質から筋原繊維の中にＣａ⁺⁺
イオンをリリースする神経インパルスによって生じ、こ
れにより、アクチンフィラメントとミオシンフィラメン
トとが相互に滑り合って接触する。同時に、筋肉細胞膜
の上で、活動電位（action potential）が発生し、その
結果として、数百万のアクチン・ミオシン単位で、平行
して現象が起こる。

【０００４】多くの筋肉細胞が、運動単位（motor uni
t）と呼ばれる機能的単位を形成している。筋肉強度が
増加しなければならない場合には、より多くの運動単位
が収縮プロセスに動員される。

【０００５】この場合の活動電位は測定でき、たとえ
ば、針電極（針筋電計測法、ニードルＥＭＧ）又は表面
電極（サーフィスＥＭＧ）を用いることで、筋肉細胞の
内側から電気的に測定する。運動単位とはアクチン・ミ
オシン単位であるが、異なる周波数で機能し、異なる時
刻において刺激を受ける。したがって、たとえば皮膚表
面で記録される収縮する筋肉のＥＭＧ信号は、主に、１
０〜４００Ｈｚの周波数の範囲の周波数要素を含む。記
録信号の強さは、この場合、数μＶから約５０００μＶ
まで変化する。筋肉のこの種の測定と観測は非常に一般
的なものであり、様々な目的に用いられている。

【０００６】筋収縮は、そのエネルギをＡＴＰから得て
いる。ＡＴＰの合成と分解代謝との両方において、酸素
が重要である。筋肉のきつい働きにおいては、ＡＴＰの
分解の結果、多くの水素イオンが筋肉細胞の中で発生す
るが、この水素イオンは、他の酸素を有する反応物と結
合しない。よって、細胞質の酸性度が上昇し、エネルギ
の生産は減少して、筋肉は、疲労し始める。筋肉細胞が
酸性になるにつれて、筋肉細胞の膜の導電率が低下し、
筋肉細胞内の活動電位の形成が減速し、神経インパルス
の筋肉の中への浸透は禁止される。この現象は、今日の
測定機器を用いれば検出可能である。

【０００７】

【発明の概要】本発明の目的は、筋肉の疲労に対する耐
性と感度とを、迅速かつ信頼性をもって、分析・判定
し、その結果を一般的人口と比較する方法を提供するこ
とである。更に、本発明の目的は、一個人の筋肉状態の
追跡にも適用可能な方法を提供することである。

【０００８】本発明によれば、筋肉細胞膜の導電率の低
下と、活動電位の形成の減速とが、記録されたＥＭＧ信
号の周波数分析（ＦＦＴ分析）を実行することによっ
て、疲労に対する筋肉の耐性及び感度を判定するのに用
いられる。また、３つ又はそれ以上の計算パラメータで
ある、メジアン周波数（Median Frequency＝ＭＦ）、中
間パワー周波数（Mean Power Frequency＝ＭＰＦ）、ゼ
ロ交差率（Zero Crossing Rate＝ＺＣＲ）を用いる分析
を使用することによって、筋肉細胞の膜上の導電率の低
下を観察することができる。これらの計算パラメータ
は、以下のように定義する。

【０００９】連続信号のパワー・スペクトルであるＳ
（ｆ）は、Ｓ（ｆ）＝Ｒｅ^２＋Ｉｍ^２として定義する。
ここで、Ｒｅは実数項、Ｉｍは虚数項である。振幅スペ
クトルは、次の式で定義する。

【００１０】

【数１】 メジアン周波数（ＭＦ）とは、次の式のように、スペク
トルを２つの等しい面積に分割する周波数を示す。

【数２】 中間パワー周波数（ＭＰＦ）は、数学的に、次の式で定
義する。

【００１１】

【数３】 これは、離散的な形式では、次の式である。

【００１２】

【数４】 ゼロ交差率（ＺＣＲ）とは、ＥＭＧ信号の１秒あたりの
ゼロ交差(zero crossings)の数を示す。

【００１３】平均のＥＭＧは、次の式にしたがって計算
される。

【００１４】

【数５】 たとえば毎分当たり（Ｈｚ／ｍｉｎ）の、時間の関数と
してのＭＦ、ＭＰＦ、ＺＣＲパラメータの変化率を調べ
る際には、比較に用いることが可能で、疲労に対する筋
肉の耐性と感度とを記述する数が得られる。

【００１５】物理療法やトレーニング中の患者のフォロ
ーアップに上述の現象と計算とを応用することによっ
て、各筋肉テストに対して正規化された指数が得られ、
これは、たとえば、男女の年齢群によるものである。こ
の指数の利用により、一般的人口との比較における被験
者の筋肉状態が、直接に得られる。上述した方法によれ
ば、個人レベルの筋肉状態の向上のフォローアップも可
能である。したがって、本発明の方法は、トレーニング
のフォローアップ、働く能力の評価、トレーニング及び
筋肉状態に応じた正しいエクササイズの選択、職場その
他での背中／首の問題の防止手段の評価などに応用でき
る。

【００１６】

【実施例】図１の実施例では、被験者が処置台の上に支
持を受けずに水平方向に横たわって、筋肉の状態が測定
される。臀部は、腸骨の上部から下向きに支持される。
被験者は、上半身をこの位置で３０秒から６０秒程度維
持する。水平レベルは、適切な方法、たとえば、背中に
軽く触れるように被験者の上方に吊り下げた垂球糸など
によってチェックできる。他方、処置台の水平方向レベ
ルも使用できる。被験者が、測定の間、一定の位置にあ
ることが重要である。記録用の電極Ａ１、Ａ２を、皮膚
の表面に、脊柱起立筋の上部の脊柱から約３〜５ｃｍの
腰椎Ｌ４、Ｌ５のレベルの左右両側に、双極的に接着さ
せる。

【００１７】図２によれば、ＥＭＧ記録用増幅器１は、
設置した電極２に取り付けるノブの上に置かれる。これ
らの増幅器を直接に皮膚表面に置いて、通常モードの乱
れを吸収することが、重要である。この実施例での記録
用増幅器の性質は、 利得：５００ ＣＭＲＲ＞１３０ ｄＢ 周波数帯域：２０〜４７０ Ｈｚ（３ｄＢ点） 入力インピーダンス：１０¹² Ω タイプ：差動 登録と接続したパラメータは、記録器のキーボードにお
いて選択する。テストの間は、ＥＭＧ信号は、たとえば
毎秒１０００記録で、登録装置のメモリに記録される。
テストが終了した際には、記録されたデータは、たとえ
ば光データ転送によって、コンピュータに転送されて、
分析・正規化される。

【００１８】本発明の方法で使用する記録システムは、
図３に示される。皮膚表面に置かれたＡｇ／ＡｇＣｌ使
い捨て表面電極が、その電極の下の筋肉Ｍにおいて活性
化された運動単位電位を登録する。両方の入力に接続し
た通常モードの乱れ（６０Ｈｚ、ＥＣＧ）は、差動前置
増幅器Ｐの使用と記録のバイポーラ設定とによって除去
される。次に、信号は、５〜４７０Ｈｚの帯域フィルタ
Ａによってフィルタされる。このフィルタは、従来知ら
れた演算増幅の技法を用いて得られる。信号は、第２段
の増幅器Ｂから１２ビットのアナログ・デジタル・コン
バータＣに供給され、そこで、信号は、たとえば毎秒１
０００又は２０００記録のマイクロプロセッサＤに可読
な形式で、表示される。修正された値は、マイクロプロ
セッサが数学的に処理、あるいは、ＲＡＭメモリＥに直
接記憶される。

【００１９】記録器のプログラミングは、液晶（ＬＣ）
表示Ｆによって導かれる。メモリに記録されたデータ
は、光伝送装置Ｇを通じて、ＰＣコンピュータに転送さ
れる。光学的伝送装置とコンピュータ内にインストール
した光インターフェース・カードＨとの間に、光ファイ
バ・ケーブルを接続し、このケーブルに沿ってデータが
赤外線光として転送される。

【００２０】記録されたデータが受信されると、プログ
ラムによって、ハード・ディスク上にファイルが作られ
る。オペレータは、被験者に関するデータと、当該デー
タファイルに加える測定した筋肉の名称とを入力する。
記録したＥＭＧ信号が、ＰＣのディスプレイ上でチェッ
クされる。信号の質が確認されると、疲労分析が開始さ
れる。この分析は以下のように進行する。

【００２１】記録信号の全体に亙って、１０２４ポイン
トのウィンドウ上で、連続的なフーリエ変換を計算す
る。連続計算ウィンドウが５０％オーバーラップするよ
うに、スペクトル・ウィンドウを作る。各スペクトルか
ら、周波数転送（トランスファー）を記述するパラメー
タを計算する、すなわち、メジアン周波数（ＭＦ）、中
間パワー周波数（ＭＰＦ）、ゼロ交差率（ＺＣＲ）、平
均ＥＭＧ（ＡＥＭＧ）である。

【００２２】筋肉の耐性／状態を記述する分の指数であ
る疲労指数(ＦＩ＝fatigue index）は、次の式によって
計算する。

【００２３】ＦＩ＝［周波数パラメータの変化］／［分
単位のテストの継続時間］ 図４は、ＥＰＦダイアグラム上で疲労指数をいかに決定
するかを示している。分当たりの変化幅は、Ｇによって
指示されている。

【００２４】得られた結果は、年齢群と性別によって以
下のように分類される。人口は、ガウス分布にしたがっ
て振る舞うと想定し、図５は、肩の筋肉の疲労テストに
おける、３５〜４５歳の女性の場合の、ＭＰＦパラメー
タの変化の偏差(deviation）を示す。中間及び標準偏差
（Ｍｅａｎ ＋／− ＳＤ）は、被験者のデータから計
算する。中間プラス２のＳＤの両側から５つのクラスが
得られる。得られた結果は、データベースと比較され
て、正規化された結果が、テーブル内のチャネルごとに
プリントされる。

【００２５】図６は、臨床的な解釈に適用可能な肩の筋
肉のテストにおけるプリントアウトである。ここでの各
図は、筋肉の変化と疲労とを示している。その結果は、
一般的人口と比較した筋疲労に対する耐性と感度とを直
ちに示すコラムとして示される。チャネルごとの分類さ
れたヒストグラムは、また、たとえばカラー・コードを
用いることで解釈できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法にしたがって測定を行う実施例の
側面からの図である。

【図２】本発明の方法において用いられる記録用増幅器
と、その皮膚への装着を示す。

【図３】本発明の方法において用いられる記録システム
の回路図である。

【図４】ＭＰＦ図における疲労指数の決定を示す。

【図５】ＭＰＦ指数のズレを示す。

【図６】臨床的な解釈へ応用可能な、本発明のプリント
アウトを示す。

【符号の説明】

Ａ 帯域フィルタ Ｂ 増幅器 Ｃ ＡＤコンバータ Ｄ マイクロプロセッサ Ｅ ＲＡＭ Ｆ ＬＣＤ Ｇ 光伝送装置 Ｈ 光インターフェース・カード Ｍ 筋肉 Ｐ 差動前置増幅器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筋疲労に対する耐性と感度とを判定する
   方法であって、 ａ）１つ又は複数の記録用電極を、被検体からのテスト
   対象の筋肉の上に取り付けるステップと、 ｂ）前記筋肉の筋肉細胞膜の活動電位を記録用電極によ
   って測定するステップと、 ｃ）記録されたＥＭＧ信号から、通常ＦＦＴ（高速フー
   リエ変換）分析と呼ばれる周波数分析を実行し、その分
   析を３つ又はそれより多くのパラメータを用いて適用す
   ることにより、筋肉細胞膜の導電率の低下を判定するス
   テップと、 ｄ）時間の関数としての計算パラメータの変化率を調
   べ、筋疲労に対する耐性と感度とを示す比較の可能な数
   値を得るステップと、 ｅ）前記得られた数値を、各筋肉テストに関して、正規
   化した指数と比較することにより、一般的人口との比較
   における被験者の筋肉状態を示し、あるいは、前記得ら
   れた数値を当該被験者自身の以前に測定し正規化した値
   又は絶対的な値と比較するステップと、 ｆ）前記比較結果を図解的に表示するステップと、 からなる方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法であって、少なくと
   も３つの計算パラメータが計算パラメータとして用いら
   れ、それらが、ＭＦ（メジアン周波数）分析と、ＭＰＦ
   （中間パワー周波数）分析と、ＺＣＲ（ゼロ交差率）分
   析とである方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の方法であって、ＡＥＭＧ
   （平均したＥＭＧ）パラメータを、パラメータとして用
   いる方法。