JP6518932B2 - 運動解析装置及び運動解析プログラム - Google Patents
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Description
(1)方法
(1.1)実験内容
被験者2名(A,B)は、いずれも20代男性、右利きである。被験者は右肩がマニピュレータ3の正面に来るように着席し、図2(A)に示すように椅子の背もたれに両肩を固定された。被験筋は、水平面内の上肢運動で主要な役割を担う3対6筋(うち1対は二関節筋)であり、被験筋と座標系の定義を図2(B)に示す。
(1.2.1)EMGデータ
EMGデータは10〜450[Hz]のバンドパスフィルタ、整流化、および5[Hz]ローパスフィルタによる平滑化を施した後、最大随意筋収縮時(Maximum Voluntary Contraction, MVC)の値を用いて%MVC化し、平均をとったものをmi(i=1,2,…,6)とした。miを用いて定義した筋拮抗比と筋拮抗和およびその機能は、図3にまとめている。
本発明者が提案している、筋骨格モデルに基づいた筋シナジー抽出法によると、図2(B)に示す3対6筋モデルにおいて、極座標系で表される手先平衡点の速度ベクトル
p・=(ρ・,φ・)Tは、筋拮抗比の速度ベクトルr・=(r・ 1,r・ 2,r・ 3)Tと筋拮抗和si(i=1,2,3)とを用いて、式(9)で与えられる。なお、本実験では、簡単のため上腕と前腕のリンク長を同じとした。
この基底ベクトルは筋拮抗比ベクトルの動径・偏角方向への分配を示すものであるから、uρ(s)、uφ(s)をそれぞれ動径、偏角方向のシナジーベクトル、uρ×φ(s)をNull方向のシナジーベクトルとした。これらのシナジーベクトルと、筋拮抗比rの平均値r−からの変化量ベクトルr−r−との内積をシナジースコアと定義した。これらの関係から、極座標系での手先平衡点と筋拮抗比は、式(12)で示すような関係を持つことがわかった。
xeq emg=(ρcosφ,ρsinφ)としてx−y空間に変換した。
筋骨格モデルをもとに、筋拮抗和si(i=1,2,3)を用いて関節剛性行列Kθ emg_s(s)を表すと、式(13)で示すような、
剛性Kx emg_s+n(θ,s,r)に変換したものを、EMGデータから推定した手先剛性行列とする。
手先の運動は、リーチング運動(被験者が本来行おうとした運動)と、摂動による変位量の2つが混在した状態で計測された。リーチング運動からマニピュレータ3による摂動の方向、摂動を与えるタイミング、および摂動の有無の影響を取り除くため、全データで平均を取った関節角度ベクトルθ(t)=(θ1(t),θ2(t))Tをリーチング運動とした。
関節粘性行列D=[[Dss,Dse]T,[Des,Dee]T]、
および関節剛性行列Kθ ptb=[[Kss,Kse]T,[Kes,Kee]T]を動力学方程式により算出した(Hiroaki Gomi, Mitsuo Kawato,“Human arm stiffness and equilibrium-point trajectory during multijointmovement,” Biological Cybernetics, vol.76,no.3, pp.163-171, 1997.参照)。なお、手先剛性行列、
Kx ptb(θ)は、関節剛性行列Kθ ptbとヤコビ行列Jx(θ)および前記動力学方程式より算出される物理パラメータから推定した腕が手先に発生する力Finとを用いて、式(18)により求めた。
xeq ptbを、式(19)に従って算出した。
(2.1)筋拮抗比と筋拮抗和、および筋シナジー抽出
被験者Aの実験から得られた筋拮抗和siと筋拮抗比riの推移を、図9に示す。図9(A)は筋拮抗和siを示し、図9(B)は筋拮抗比riを示す。これらの筋拮抗和siと筋拮抗比riをもとに得られた動径、偏角、Null方向のシナジーベクトルuρ(s),uφ(s),uρ×φ(s)と、それぞれのシナジースコアuρ(s)・(r−r−),uφ(s)・(r−r−),|uρ×φ(s)・(r−r−)|を、図10に示す。図10(A)は被験者Aのデータであり、図10(B)は被験者Bのデータである。なお、図中、左側の各シナジーベクトルを示す棒グラフは、左側から、
r1、r2、r3に対応する。被験者A,B共に類似した結果が見られる。
摂動法により算出された関節剛性を、図11に示す。図11(A)は被験者Aのデータであり、図11(B)は被験者Bのデータである。次に、摂動法より求めた関節剛性を手先剛性に変換したものと、筋拮抗和およびNull方向のシナジースコアから推定した手先剛性を、図12に示す。図12(A)は摂動法より求めた特性データであり、図12(B)は今回の推定法から求めた特性データである。また、比較のため、Null方向のシナジースコアを足し合わせずに求めた手先剛性(数16の式(20)に示す)
関節剛性行列Kθ ptb等を用いて算出された手先の平衡点軌道xeq ptbと、筋シナジースコアから推定した手先の平衡点軌道xeq emg、およびそれらの接線速度の大きさ|x・ eq ptb|、|x・ eq emg|を、図13に示す。図13(A)は摂動法より求めた特性データであり、図13(B)は今回の推定法から求めた特性データである。
(3.1)抽出された筋シナジーについて
本解析法で抽出された筋シナジーベクトルは、図10の左側の図に示す通り、2名の被験者間でそれぞれ高い一致を示した(内積0.94±0.02)。これにより、この筋シナジー抽出法には被験者間の個人差がほとんど反映されないと考えられ、換言すれば一般性が高いことがわかった。
摂動法により求めた手先剛性は、図12(A)に示すように、運動の開始直後と終了直前に大きさが増加し、運動の中盤では大きさが減少した。
実際の速度分布がベル型であるのに対し、関節剛性を用いて求めた手先の平衡点速度は、図13に示すように多峰性を示した。また、この多峰性は、動径方向と偏角方向のシナジースコアから推定した手先平衡速度にも表れた。したがって、本手法で抽出した筋シナジーから求めた平衡点軌道は、手先剛性から求めた平衡点軌道と類似した特徴を持つことがわかった。これにより、動径方向のシナジーベクトルuρ(s)および偏角方向のシナジーベクトルuφ(s)は、手先平衡点の調節に寄与していると考えることができる。
103 筋拮抗和算出部(第1の演算手段)
104 筋拮抗比算出部(第1の演算手段)
105 ヤコビ行列算出部(第2の演算手段)
106 筋シナジー算出部(演算手段)
107 平衡点算出部(演算手段)
108 剛性楕円算出部(演算手段)
20 筋電位測定部(測定部)
30 運動測定部(測定部)
40 カメラ(撮像部)
15 表示部(出力部)
50 駆動装置(出力部)
Claims (7)
- 中枢神経系からの運動指令に従った所定の運動中における運動者の筋活動及び身体運動を周期的に測定する測定部と、
前記測定部で得られた測定情報から、動作点における剛性楕円、平衡点、及び平衡点を記述する基底ベクトルである筋シナジーの各特徴量を筋骨格モデルに基づき算出する演算手段とを備え、
前記測定部は、前記筋活動として筋電位を測定する筋電位検出部と、前記身体運動として関節の動きを測定する運動検出部とを備え、
前記演算手段は、筋拮抗比及び筋拮抗和を算出する第1の算出手段と、前記筋骨格モデルに基づいて身体運動の測定部位を前記動作点に写像するヤコビ行列を算出する第2の算出手段とを備え、算出された筋拮抗比、筋拮抗和及びヤコビ行列を用いて前記特徴量を算出することを特徴とする運動解析装置。 - 前記特徴量の算出結果を出力する出力部を備えた請求項1に記載の運動解析装置。
- 前記身体運動を観察する撮像部を備え、
前記出力部は、画像を表示する表示部を備え、前記表示部に、前記特徴量のうち、少なくとも前記平衡点及び前記剛性楕円の表示と、前記撮像部で撮像された身体運動の画像とを表示することを特徴とする請求項2に記載の運動解析装置。 - 前記出力部は、前記平衡点を前記身体運動の画像に対応させて表示することを特徴とする請求項3に記載の運動解析装置。
- 前記出力部は、前記剛性楕円を前記身体運動の画像の動作点に対応させて表示することを特徴とする請求項3又は4に記載の運動解析装置。
- 前記出力部は、前記特徴量に基づき支援対象に物理的支援を施す駆動部であることを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載の運動解析装置。
- 測定部で周期的に測定された、中枢神経系からの運動指令に従った所定の運動中における運動者の筋活動及び身体運動の情報を取り込む測定処理手段、
前記測定処理手段で取得された情報から、動作点における剛性楕円、平衡点、及び平衡点を記述する基底ベクトルである筋シナジーの各特徴量を筋骨格モデルに基づき算出する演算手段、としてコンピュータを機能させ、
前記測定処理手段は、前記筋活動として筋電位を測定すると共に、前記身体運動として関節の動きを測定し、
前記演算手段は、筋拮抗比及び筋拮抗和を算出し、前記筋骨格モデルに基づいて身体運動の測定部位を前記動作点に写像するヤコビ行列を算出し、算出された筋拮抗比、筋拮抗和及びヤコビ行列を用いて前記特徴量を算出することを特徴とする運動解析プログラム。
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