JP2007202612A - 身体動作能力の質を定量化するシステム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筋肉の電位を取り出すことは従来より行われているが、筋肉の活動の「質」評価と動き「なめらかさ」の評価は出来ていない、これを評価可能とする機器を開発する。
【解決手段】身体表面に筋活動を検知するための複数の筋電計の電極と角速度センサーを設置しこれらの電子データを増幅器を通じて有線又は無線の形で、受信部に伝え、受信部において、得られたデータをwavelet周波数解析を行う。wavelet周波数解析により、筋電計電極からのデータを、リアルタイムにかつ、筋肉の活動の「質」の評価を可能にする。又、角速度データからは、理想的な左右対称の波形からの比較により、歩行時の動きの「滑らかさ」の評価を可能にする。二つの有効なデータを同時に提供することにより、はじめて有効なリハビリテーションの進捗の確認、手法の開発等に有効な機器を提供する。

【選択図】 なし。

Description

本発明は、筋電図センサーからの信号と、角速度センサーからの信号を表示、解析し、歩行や走行といった動作における筋活動の質と運動の「なめらかさ」を定量化するもので、リハビリテーションの治療効果、スポーツ領域のパフォーマンス評価、あるいは高齢者の運動機能評価に有効な、携帯型モニターに関するものである。

従来、筋肉上の皮膚に置かれた電極をとおして、筋肉の電気活動を測定するシステム、あるいはその信号を検知し、電気刺激を行うバイオフィードバック訓練はよく知られている。

その中で、特開2000-41964において開示される装置は筋電計センサー（Electro- myographic Sensors）、力感知抵抗器(Force Sensing Resistors)等の多種類の筋骨格ストレスデータを同時に採集することができるポータブルフィードバックシステムであり、例えば圧力、筋の活動、姿勢を同時に測定しようとするバイオフィードバックユニットは、作業中に特定の力を維持するのに必要な筋の作用力（Effort）と姿勢を研究者が一目決定できるという装置の発明である。

また、特開2004-81676において開示される装置は、患者の自発的意思による筋力で足関節を底背屈させ、目標足関節背屈角度まで背屈できない場合、前脛骨筋の活動がある時のみ腓骨神経に電気刺激を与えることのできるバイオフィードバック装置である。

その仕組みを説明すると、予め設定した軌道に沿って患者の肢体を駆動する駆動手段と、前記肢体の患部の状態を前記患者または理学療法士に提示する提示手段とを有するバイオフィードバック装置において、肢体の関節角度を計測する関節角速度計測手段と、患者の訓練内容を判断する判断手段とを備え、筋電図に基づいて筋活動がある時に治療的電気刺激を与えることを特徴とする装置である。
特開2000-41964 特開2004-81676

上記第１の従来例、第２の従来例ともに筋活動の電気信号を他の信号とともに表示装置上に表し、理学療法士等にリハビリテーション等のために有用なデータを提供しようとするものであるが、現在提供されているデータは、動的環境下における筋の質的評価が全く確立されていない状況である。したがって、歩行、階段昇降といった日常生活に必要な筋活動の「質」の評価ができないという致命的な欠陥があった。

さらには、個々の筋の質的評価のみならず、例えば歩行動作全体の「なめらかさ」を評価する手段を全くもたなかった。これは、リハビリテーションの評価技術としては致命的な欠点というべきである。
さらに経済的な観点から言えば、従来の筋電計等の評価システムは、解析用のソフトを含め、平均４００−６００万円と高価であり、一部の研究者等が使用する前提で作られたものが多く、一般の医療施設等の理学療法士、作業療法士が、常時患者のリハビリテーションに使用可能な機器とはいえない。
従って、本発明の目的は、あらゆる日常生活動作、スポーツ領域等における筋肉の質的評価、および動きのなめらかさを定量化する簡易型評価システムを安価に提供することにある。

本発明の特長と新規な機構は後述する説明において述べるが、添付の特許請求範囲で特に指摘した手段や、組合せによって実現し達成することができる。

請求項１記載の、前述の課題は、表面筋電計において、身体に設置した筋肉活動センサー群からの電気信号を増幅、伝達し、送信された信号を解析処理し表示装置に時間関数として表示すると同時に、身体に設置された角速度センサー群からの信号群を増幅、解析し前記表示装置に時間関数として表示することにより、通常の日常生活動作時、スポーツ動作時の筋肉の「質」の評価と、動きの「なめらかさ」を同時に評価することが可能となる。

請求項２記載の装置は筋肉活動センサーが筋電計電極を備えるものであり、本電極から電気信号を送信、信号の解析、表示する装置に関するものである。

請求項３記載の装置は、角速度センサーを第９胸椎棘突起と第２仙椎中央部に添付し、両者の角速度の矢状面と水平面の信号を受け、その位相差を解析すること。歩行の「なめらかさ」を実施例において説明するように定量化することが出来る。すなわち健常者のなめらかな歩行では肩甲帯の回旋角度と骨盤帯の回旋角度は半周期分ずれる。この位相差を定量化すれば「なめらかさ」を定量化できる。歩行のなめらかさを定量化することは、歩行のリハビリテーション上極めて重要である。

請求項４に記載される装置は、筋肉活動および位置の動きの分析が、従来行われてきた高速フーリエ変換（FFT）とよばれる周波数解析によるものではなく、wavelet変換（WT）とよばれる解析手法によるものである。従来のFFTは解析する信号波形の定常性が前提となるため測定法が静的なものに制限される。そのため歩行や階段昇降における下肢筋、或いはジャンプ動作といった瞬時に筋活動が変化する動的な筋の質的評価には適していない。そこで、工学分野で注目されているWTを表面筋電周波数解析に応用した。WTの最大の特徴は非定常的な短時間の筋電図情報でも、解析の質を低下させることなく、周波数情報（スケールパラメータ）と時間情報を同時に提供することが出来る。

請求項５に記載される装置は、表面筋電センサー群からの解析波形と、角速度センサー群の位相差を解析した複数データを、同時にその電子データ収集装置上に提供するものであり、これにより歩行時、走行時の筋活動の質の評価と、動作時の運動のなめらかさの定量評価データを同時に提供する。このデータを利用して、理学療法士、作業療法士は患者に適切な、リハビリテーションの回復程度の具体的な提供、より改善されたリハビリテーション手法を提示可能とする事等ができる。スポーツセンター等で、運動機能向上にその指標として使用することも勿論可能である。

請求項６に記載される装置は、表面筋電センサー群からの信号群および角速度センサー群からの信号群は電子データ収集装置上に有線ケーブルまたは無線LANにより伝えられ、格納され、また解析されディスプレー上に表示される。患者、被検体の自由な活動が制限される有線ケーブルと比較し、無線LANによる送受信システムの方が好ましいことはいうまでもないが、両者とも利用可能である。また、病院、施設等での無線LANの使用に関して、使用可能な周波数帯域の制限を受ける。

請求項７に記載される装置は、電子データ収集装置が携帯型であり、その電源がバッテリーである装置である。この装置を使えば、患者あるいは被検者と、例えば理学療法士が歩行訓練中の患者と並んで歩き、歩行中の筋の質の評価値となめらかさの定量データを見ながら、患者にリハビリテーション上の指示を行うことも出来る。また、あるところに止まり、患者や被検者のみ歩行し、そのデータを見ることも自在にできる。

本発明の電子データ収集装置によれば、身体の筋電図のデータと身体の位置の動きを示すデータが時間関数として、リアルタイムに表示されるため、リハビリテーション中の患者、又は筋の強化のための運動中の被験者に、現在の動きの実態を定量的、視覚的に提示できる。また、新たなリハビリのための動き、筋肉の強化等のための運動の新たな試みについても、即座に前記の両データが提示されるため患者、被験者等が納得し易い、有効なアドバイス、指導が可能である。

本発明の目的と特長は、以下の説明から当業者には直ちに明らかになるであろう。以下の説明では、本発明を実施するためのべストモードと思われるものを単に示すことによって本発明の好ましい実施例のみが図示記載されている。了解されるように、本発明はその他の異なる実施例も実現可能であり、その詳細も発明から逸脱せずに様々な自明の個所において変形することができる。従って、図面の発明は本質的に例示的であり制限的なものとみなしてはならない。

図1は、本発明の好ましい実施例に従って構成されたポータブルで電子データ集積装置を示している。筋電図センサー１-a、角速度センサー２-a、フットスイッチセンサー３-aにて測定した電気信号を各EMGアンプ（筋電図増幅器）１、角速度アンプ２、フットスイッチアンプ３、にて増幅しその電気信号をインプットボックス４経由して、コンディションアンプ４にインプットする。マルチプレクサ６、は各６ｃｈのアナログ信号を切換てA/D変換７、へ転送する、A/D変換７はアナログ信号をデジタルに変換（11ビット180μsec8ch）しその各デジタル信号をTransmit unit、にて無線プロトコル（IEEE802.11ｂ）、で送信する。CPU3は、クロック信号にて、マルチプレクサ6、A/D変換7、Transmit unit３を各コントロールし、マルチプレクサ、からA/D変換、Transmit unit３で無線伝送信号（2.4G 802.11ｂ）信号に変換する。Power Supply（電源）１０はCPU、コンディションアンプ、生体アンプへの電源を供給する。

図２は、本発明の好ましい実施例に従って構成されるディスプレー画面の例を示している。筋電図４チャンネルはIEMG（積分筋電図解析）、MPF（平均周波数）をリアルタイムに表示できる。また、角速度データは円グラフ表示として体幹の回旋が視覚的に捉え易いようになっている。これらの筋活動の「質」の評価と、身体運動の「なめらかさ」の評価を同時にリアルタイムに表示可能であり、リハビリテーションのための基本データが同時に表示される。

図３−１，２は角速度センサーを身体の第９胸椎棘突起と第２仙椎中央部に添付し両者の矢状面と水平面の角速度データをしめしている。 図３−１は角速度センサーを用いて、歩行時の左旋回、右旋回の振幅値のピークを比較することで、その個人の振り出しの特性について評価可能であること示している。
図３−２は角速度小さな揺れの部分を周波数解析により抽出することでその人の歩行時の動きの滑らかさを評価できることを示している。

図４は筋電図データであり、wavelet周波数解析による筋活動の質的評価を示す。type1線維とtype2線維の筋活動はそれぞれ，パワースペクトルの低周波帯領域と高周波帯領域のパワーを反映すると考えられている．平均周波数（MPF）はパワースペクトルの中心傾向の指標としてよく用いられ、筋線維レベルの活動状態の推測ができる．

本発明はその機能が不十分で、なおかつ、機器価格が高いため研究用にしか使われていない筋電計をリハビリテーション、筋力トレーニングのいわば聴診器代わりに利用させようとするものである。従って、産業上の利用可能性は極めて高い。

電子データ集積装置のセンサー、送受信部等の全体図を表す 筋電図および角速度データを表示するディスプレー画面を表す 角速度データ。歩行時の運動の左右対称性の評価を示す。 角速度データ。歩行時の運動のなめらかさの評価を示す。 筋電図データ。WT周波数解析による筋活動の質的評価を示す

符号の説明

2chEMGアンプ（筋電図増幅器） 体表面に取り付けた電極からの筋電位を増幅する
1-a 筋電図用電極センサー
2 角速度アンプ 2チャネルの角速度を増幅する
2-a 角速度センサー
3フットスイッチアンプ ２チャネルのフット信号を作成する
3-aフットスイッチセンサー
4インプットボックス コンディションアンプへ信号をインプットする。
5コンディションアンプ 6ｃｈ入力用アンプ±2.5ｖ
6マルチプレクサ 6ｃｈのアナログ信号を切換A/D変換へ転送
7A/D変換アナログ信号をデジタルに変換（11ビット 180μsec/8ch）しTransmit LANに転送
8CPUマルチプレクサ、A/D、Transmit unitをコントロール
9Transmitデジタル信号を無線（2.4G 802.11ｂ）にて送信
10 Power Supply 電源 ±5 +3.3v

Claims (7)

1. 表面筋電計にあって、ａ）身体のある位置における筋活動を検知するための複数の筋活動センサーと、ｂ）身体のある位置の動きを検知する複数の角速度センサーと、ｃ）前記センサー群からの信号群を増幅、伝達する装置と、ｄ）前記筋肉活動、位置の動き等を示すセンサー群からの電気信号のうち、選択された電気信号を時間関数としてリアルタイムに表示する表示装置を含む電子データ収集装置。
2. 前記筋活動センサーが筋電計電極を備える、請求項１記載の電子データ収集装置。
3. 前記角速度センサーを第9胸椎棘突起と第2仙椎中央部に添付し、両者の矢状面と水平面の角速度の位相差から歩行、走行等の身体運動における「なめらかさ」の評価を行う、請求項１記載の電子データ収集装置。
4. 前記筋活動及び角速度データに対し、wavelet周波数解析を行い筋の質的評価と身体運動のなめらかさの評価を行う請求項2項記載の電子データ収集装置。
5. 前記分析結果に基づき、筋活動の欠陥、身体運動の左右比対称性等をグラフ、図として明示する請求項２記載の電子データ収集装置。
6. 前記センサー群からの信号を伝達する仕組みが無線を使う請求項２記載の電子データ収集装置。
7. 前記筋活動を解析し、表示する電子データ収集装置が携帯型で、バッテリーを電源とする請求項２記載の電子データ収集装置。