JPWO2002094091A1 - 疲労検査装置および疲労評価方法 - Google Patents

Abstract

この発明は、人間の疲労度を、比較的に簡単な手段で計測できる疲労検査装置および疲労評価方法を提供するものである。この発明においては、まず、対象者の腕に、加速度センサを取り付ける。加速度センサから得られた加速度データを、解析部２０で解析する。これにより、振動スペクトルと、トータルパワーにおける帯域別スペクトル含有率とを得る。上肢振戦の場合は、振動スペクトルにおいて高周波帯域の成分が多ければ、大脳系の疲労が大きいと評価できる。他方、低周波帯域の成分が多ければ、脊髄系の疲労が大きいと評価できる。すると、疲労状態の判断を適切に行うことが可能となる。

Description

技術分野
本発明は、疲労検査装置および疲労評価方法に関するものである。
背景技術
人間の身体部位には、振戦が存在する。振戦とは、目に見えない程度の微少な振幅での、無意識的な機械的振動である。例えば、本発明者らによる文献（「振戦の発生メカニズムについて」バイオメカニズム学会講演会予稿集第３１頁〜第３４頁、坂本和義等、１９８９年７月１２日〜１３日）に記載されているように、病理的な原因で生じる振戦の周波数特性を用いて、障害の部位や程度を測定しようとする研究がされている。
しかしながら、健常者の振戦（これを生理的振戦という）を対象とし、これから、人間の疲労度を測定しようとする試みは、なされていない。
本発明者は、振戦の振動特性を用いて、人間の疲労度を測定できるという知見を得た。
本発明は、前記の知見に基づいてなされたもので、その目的は、人間の疲労度を、比較的に簡単な手段で計測できる疲労検査装置および疲労評価方法を提供することを目的としている。
発明の開示
請求項１記載の疲労検査装置は、対象者の身体部位における振戦の振動を検出する検出部と、前記振動のスペクトルを解析する解析部とを備えたものである。
請求項２記載の疲労検査装置は、請求項１記載のものにおいて、前記振動を、加速度におけるものとした。
請求項３記載の疲労検査装置は、請求項１または２に記載のものにおいて、前記解析部を、前記振動のスペクトルにおける高周波帯域成分および／または低周波帯域成分を含むデータを出力する構成とした。
請求項４記載の疲労検査装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のものにおいて、前記解析部を、前記振動のスペクトルのトータルパワーにおける高周波帯域成分および低周波帯域成分の比率を出力する構成とした。
請求項５記載の疲労検査装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のものにおいて、前記検出部を加速度センサとした。
請求項６記載の疲労検査装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のものにおいて、前記高周波帯域成分と低周波帯域成分とを分ける閾値を、前記振動スペクトルにおける高周波側と低周波側でのピーク周波数の平均値またはその近傍とした。
請求項７記載の疲労評価方法は、対象者の身体部位における振戦の振動スペクトルを取得し、前記振動スペクトルに基づいて、前記対象者の疲労状態を評価する構成となっている。
請求項８記載の疲労評価方法は、対象者の身体部位における振戦の振動スペクトルを取得し、前記振動スペクトルの高周波帯域成分および／または低周波帯域成分の値に基づいて、前記対象者の疲労状態を評価する構成となっている。
請求項９記載の疲労評価方法は、請求項８記載のものにおいて、前記高周波帯域成分と低周波帯域成分とを分ける閾値を、前記振動スペクトルにおける高周波側と低周波側でのピーク周波数の平均値またはその近傍としたものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施形態に係る疲労検査装置および疲労評価方法を説明する。
まず、本発明実施形態の前提となる、振戦と疲労との関係を示す実験結果（すなわち知見）について説明する。ここで、振戦の測定対象とできる部位は、指、手、前腕、上肢、足、下腿、下肢、頭部、体幹などである。以下では、身体部位のうち上肢部位を例として、上肢振戦を測定している。
はじめに、図１に示されるように、椅子に座っている被験者の右腕１の肘関節から前腕にかけて負荷（重り）２を取り付ける。負荷２としては、被験者間での負荷強度を一定にするため、各被験者に対し事前に最大随意収縮筋力（以下、Ｍａｘｉｍｕｍ Ｖｏｌｕｎｔａｒｙ Ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎの頭文字をとりＭＶＣと称する）を測定し、５％、１０％、１５％、２０％ＭＶＣおよび外部負荷零（本明細書において「無負荷」または「ｐｏｓｔｕｒａｌ」ということがある）の５種類の負荷を与えることにする。負荷２は、手首と肘の中間に取り付けられる。負荷２は、腕１に対して移動しないように取り付けることが望ましい。
さらに、腕１の手首近傍には、加速度センサ３を取り付ける。加速度センサとしては、例えば、日本光電製のＭＴ−３Ｔを用いることができる。被験者は、腕を体幹に対して垂直かつ前方に出し、回内させた状態（上肢全体を内側にひねり、手が地面に対して水平になる状態）で伸ばしておく。また、手首および指の振戦の影響を避けるため、手首および指は弛緩させておく（図１）。
これらの条件下で、腕１がマーカー４からずれないように被験者みずから視認しつつ（視覚フィードバック）、一定時間（通常１分間）、同じ姿勢を保持させる。その後、視覚フィードバックを保ちつつ、加速度センサ３によって、振戦の振動を取得する。このデータをフーリエ変換し、パワースペクトルを求めた。この実験での被験者は、男性１０名（平均年齢２３．４歳）であった。データとしては、全被験者間での平均値を採用している。実験の結果を図２に示す。ここでの振動は、あくまで、加速度におけるものである。スペクトルには、高周波ピークと低周波ピークとが存在することがわかる。上肢振戦のピークは、負荷が大きくなるほど大きくなった。特に、高周波ピークにおいては、その傾向が強かった。
図２（および後述する図３）に示す結果から、上肢振戦においては、高周波ピークの大小は、大脳の疲労度の大小に対応し、低周波ピークの大小は、脊髄系の疲労度の大小に対応していることが判る。なお、身体部位の質量の小さい指振戦では、高周波成分が脊髄系の働き、低周波成分が大脳の働きとなり、上肢振戦とは周波数成分の働きが逆となる。
このように判断できる理由は次の通りである。上肢振戦においては、図２に示す如く外部負荷加重零（すなわち無負荷またはｐｏｓｔｕｒａｌ）から２０％ＭＶＣへ負荷加重を増加すると、高周波成分（上肢の場合は１０Ｈｚ付近の周波数成分）が１５倍増加する。一方、低周波成分（上肢では３Ｈｚ付近の周波数成分）は４倍となる。一般に、負荷加重による上肢姿勢保持は、脊髄系の働きによる自動化された機能のみでは行うことができない。大脳系による意識レベルの活動が必要となり、姿勢を調整するために、上肢部位の振動が大きくなる。上肢姿勢保持のためには、力に相当する成分（加速度成分）が上肢に加わる。その結果として加速度成分が増加することになる。したがって、図２の１０Ｈｚ成分のパワースペクトルが増加しているということは、「上肢振戦の１０Ｈｚ成分の発生起源は大脳の働きによってもたらされたものである」ことが実験的に示されたことになる。ここで、３Ｈｚの成分も増加した理由は、大脳の働きが、その下位機構である脊髄に影響したためであると考えられる。
一方、低周波成分の発生起源を調べるために、上肢部位を水中に浸した状態での、振戦振動のパワースペクトラムを測定した。その結果を図３中の太線に示す。図中細線は、空気中での外部負荷加重零での測定結果である。上肢部位が水中に浸されると、そこに加わる浮力のために、上肢保持にかかわっている筋肉への負担は軽減する。水中における姿勢保持には、「反射的に上肢を保持する、脊髄を中心とした筋・神経機能」と「ターゲットに上肢先端を合わせて保持する、意識的な筋・神経機能」との２種類の機能が関与している。水中では、浮力により、上肢保持力は減少し、反射的な上肢保持機能は必要なくなり、それに基づく振動成分は低下する。図３において、空気中（図中、無負荷）の曲線で生じている２個のピークのうち、水中の曲線では、低周波成分（３Ｈｚ）が激減し、高周波成分のみのパワースペクトルが検出されている。この結果により、３Ｈｚ成分の振動は脊髄系の働きによって発生していることが判る。
さらに、振戦の振動スペクトルのトータルパワーと負荷との関係を取得した。その結果を図４に示す。図４は、外部の負荷加重が与えられていない状態（無負荷）から２０％ＭＶＣに加重されている状態までの、５％ＭＶＣおきの負荷状態と、上肢振戦に関する加速度のパワースペクトルの和であるトータルパワー（ＴＰ）との関係を表現したものである。その際、各被験者の無負荷における値を基準値として、各負荷加重時の値を、相対値として表現した。さらに、全被験者の相対値の平均値（図４中、黒丸）と標準偏差（図４中、縦棒）を求めて図４に表示した。負荷加重の増加につれて相対的トータルパワー値は増加する。特に、１５％ＭＶＣ以上の負荷加重においては、相対的トータルパワー値は急増する。図中の「＊」、「＊＊」の印は、無負荷と他の負荷加重における相対的トータルパワー値との差を統計的に検定（対データに関するｔ検定）し、それぞれ５％と１％で統計的に差（有意差）があることを示している。ここで、骨格筋の負荷について一般に言えることであるが、１５％ＭＶＣ以下の負荷加重では、長時間保持可能であり、１５％ＭＶＣを超えた負荷加重では、一定時間後に筋疲労が必ず発生する。図４の結果は１５％ＭＶＣ以上で急激にトータルパワー値が増加しており、この現象を説明している。
さらに、上肢振戦では、０．５〜５０Ｈｚにおける全周波数成分のトータルパワーを１００％として、高周波帯域成分（５〜５０Ｈｚ）と低周波帯域成分（０．５〜５Ｈｚ）との、帯域別スペクトル含有率を求めた。その結果を図５に示した。この結果は、図２の結果を裏付けるものである。ただし、無負荷から５％負荷への変化から判るように、軽度の疲労の場合は、むしろ高周波成分比率が低下することもあることが判った。ただし、全体的な傾向としては、負荷が大きいほど、高周波成分比率が大きくなることが判る。
本発明は、以上の知見に基づいている。
つぎに、本発明の一実施形態に係る疲労検査装置を、図６に基づいて説明する。この疲労検査装置は、振戦の振動を検出する検出部１０と、振動のスペクトルを解析する解析部２０と、解析部２０から出力されたデータを表示する表示部３０とを備えている。
検出部１０は、この実施形態では、加速度センサとなっている。加速度センサとしては、図１に示される加速度センサ１と同様のものを用いることができる。したがって、検出部１０からは、加速度に基づく出力（例えば電圧）が解析部２０に送られる。
解析部２０は、検出部１０からの出力を取り込むインタフェースを備えた通常のコンピュータにより構成できる。解析部２０における機能の例としては、入力に対してＡＤ変換をするＡＤコンバータ、得られたディジタルデータに対するフーリエ変換を行って振動スペクトルを取得する機能、振動スペクトルのトータルパワーにおける帯域別のスペクトル含有率を取得する機能などである。これらの機能は、ソフトウエアとしてもハードウエアとしても容易に実装可能である。また、これらの機能は、複数の分散要素によって実現されてもよい。なお、本実施形態では、ＡＤ変換の標本時間は１０ｍｓとした。
表示部３０は、解析部２０で得られた振動スペクトルに関するデータをディスプレイやプリンタを介して表示するものである。
つぎに、本実施形態における疲労評価方法について、図１を参照しながら説明する。また、疲労評価においても、負荷２を装着する。ここで、上肢の疲労評価において装着する負荷の例としては、図４に示すように、５％ＭＶＣから可能である。ただし、負荷の大きさは、振戦振動のトータルパワーの増加を示す時間に逆比例するので、疲労評価を速やかに行いたい場合は、１５％ＭＶＣ以上の負荷を与えるとよい。
まず、図１に示されるように、対象者の腕１に、検出部１０としての加速度センサ３を取り付ける。加速度センサ３から得られた加速度データを、解析部２０で解析する。これにより、図２および図５に示されるような、振動スペクトル、トータルパワーにおける帯域別スペクトル含有率を得る。このようなグラフは、表示部３０により、適宜な媒体で表示される。ここで、帯域別スペクトル含有率の導出においては、上肢振戦の場合は、高周波成分の周波数帯域を５Ｈｚ〜５０Ｈｚとし、低周波成分の周波数帯域を０．５〜５Ｈｚとしている。
具体的な評価は、次のように行う。まず、図２に示すような上肢振戦のスペクトルにおいて、高周波帯域の成分が多ければ、大脳系の疲労が大きいと評価できる。他方、低周波帯域の成分が多ければ、脊髄系の疲労が大きいと評価できる。すると、疲労部位の特性に応じた判断、例えば、疲労回復措置の種類などの判断を適切に行うことが可能となる。この判断は、図５のようなスペクトル含有率に基づいても行うことが可能である。ここで、高周波帯域成分と低周波帯域成分とを分ける閾値は、振動スペクトルにおける高周波側と低周波側でのピーク周波数（つまり二つのピーク周波数）の平均値またはその近傍とすることができる。前記のように、平均値またはその近傍の値を閾値とすると、個人差による周波数の変動や身体部位の違いに対応して、振戦振動の周波数成分を、合理的に、高低二つの帯域成分に分割することが可能となる。
また、本実施形態によれば、スペクトル含有率を用いて疲労度を定量的に示すことが可能であるという利点もある。これにより、疲労評価を正確に行うことが可能になる。
さらに、本実施形態では、振動を加速度センサからの加速度データ（力を示すデータ）として得ているので、スペクトルの変化、特に高周波スペクトルの増減が明瞭になるという利点もある。
なお、前記実施形態では、加速度センサを対象者の手首近くに取り付けて、上肢振戦を測定したが、他の部位（例えば、上腕部）に取り付けてもよい。また、上肢に限らず、指、手、前腕、下腿、下肢、体幹などの多くの身体部位に取り付けて、種々の身体部位の振戦を測定してもよい。要するに、振戦を発生する部位であればよい。その場合には、高周波と低周波とを仕切る周波数が変動する。この周波数を得るには、本明細書に記載したように、事前に、被験者に対して実験を行い、高低のピーク値を得ればよい。また、他の身体部位の振戦において、身体部位の質量が小さい場合（例えば指振戦）は、周波数帯域成分の働きが、上肢振戦とは逆の働きをするので、疲労評価においては、周波数帯の働きを上肢振戦と逆にして行えばよい。
なお、前記実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。
産業上の利用可能性
本発明によれば、対象者の疲労度を簡易な構成で測定することができる疲労検査装置および疲労評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明にかかる疲労評価方法の前提となる知見を説明するための説明図である。
図２は、本発明者によって得られた知見を説明するためのグラフであって、負荷加重時における上肢振戦スペクトルの変化を示すものである。このグラフにおいて、横軸は周波数、縦軸はパワースペクトラムを示している。
図３は、本発明者によって得られた知見を説明するためのグラフである。上肢を空気中無負荷状態とした場合と、水中に浸けた場合とにおける振戦パワースペクトルを示している。図において横軸は周波数、縦軸はパワースペクトラムである。
図４は、本発明者によって得られた知見を説明するためのグラフであって、横軸は負荷の大きさ、縦軸は、無負荷での値を１としたときの相対的なトータルパワーである。
図５は、本発明者によって得られた知見を説明するためのグラフであって、負荷加重時における上肢振戦スペクトルの帯域別スペクトル含有率の変化を示すものである。このグラフにおいて、横軸は負荷の大きさ、縦軸は、トータルパワーにおける、高周波帯域成分と低周波帯域成分との比率を示している。
図６は、本発明の一実施形態に係る疲労評価装置の概略的なブロック図である。

Claims (9)

1. 対象者の身体部位における振戦の振動を検出する検出部と、前記振動のスペクトルを解析する解析部とを備えた疲労検査装置。
2. 前記振動は、加速度におけるものであることを特徴とする請求項１記載の疲労検査装置。
3. 前記解析部は、前記振動のスペクトルにおける高周波帯域成分および／または低周波帯域成分を含むデータを出力する構成となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の疲労検査装置。
4. 前記解析部は、前記振動のスペクトルのトータルパワーにおける高周波帯域成分および低周波帯域成分の比率を出力する構成となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の疲労検査装置。
5. 前記検出部は、加速度センサであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の疲労検査装置。
6. 前記高周波帯域成分と低周波帯域成分とを分ける閾値は、前記振動スペクトルにおける高周波側と低周波側でのピーク周波数の平均値またはその近傍であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の疲労検査装置。
7. 対象者の身体部位における振戦の振動スペクトルを取得し、前記振動スペクトルに基づいて、前記対象者の疲労状態を評価することを特徴とする疲労評価方法。
8. 対象者の身体部位における振戦の振動スペクトルを取得し、前記振動スペクトルの高周波帯域成分および／または低周波帯域成分の値に基づいて、前記対象者の疲労状態を評価することを特徴とする疲労評価方法。
9. 前記高周波帯域成分と低周波帯域成分とを分ける閾値は、前記振動スペクトルにおける高周波側と低周波側でのピーク周波数の平均値またはその近傍であることを特徴とする請求項８記載の疲労評価方法。

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