表面筋電図 (バイオメカニズム・ライブラリー)

バイオメカニズム ・ライブラリ―

表面筋電図

パ イオ メカ 二ズム学会 編

木塚朝博＋増田 正＋木竜 徹＋佐渡山亜兵―【共著】 Biamechanism

Library

Practical Usage of Surface Electrqlnyogram Kizuka Tomohiro Masuda

Tadashi

Kiryu Tohru Sadoyama

Tsugte

東京電機大学出版局

本 書の 全 部 また は一 部 を 無 断 で複 写 複製(コ ピー)す る こ とは,著 作 権 法上 で の 例外 を除 き,禁 じ られて い ます。 小 局 は ， 著者 か ら複写 に係 る 権利 の 管理 につ き 委 託 を受 けて い ます の で,本 書 か らの 複 写を 希 望 され る場 合 は,必ず小 局(03‐5280‐3422)宛 ご連 絡くだ さい。

バ イオメ力ニズム ・ ライブラリー 発 刊 の 趣 旨

  バ イ オ メ カ ニ ズ ム と は,人 間 を含 む生 物 の 形 態 ・運 動 ・情 報 お よ び機 能 と の 関 係 を,工 学 や 医 学 ・生 物 学 な ど の さ ま ざ ま な方 法 論 で 解 析 し,そ の 応 用 を図 る 学 問 分 野 で す.同

様 の研 究 領 域 を持 つ バ イ オ メ カ ニ クス と対 比 させ れ ば,単

な る力

学 的 解 析 で は な く,生 物 が 本 質 的 に 内 在 して い る 「機 構 」 が キ ー ワー ドに な っ て い る とい え ま す.こ

の こ だ わ りが,そ

の 後,ロ

ボ ッ ト工 学 や リハ ビ リテ ー シ ョ ン

工 学 に大 き く発 展 す る こ と に な りま した.   バ イ オ メ カニ ズ ム学 会 の 創 立 は1966年

で,こ

の 種 の 境 界 領 域 を扱 う学 会 と し

て は も っ と も古 く,隔 年 で 出 版 さ れ る 「バ イ オ メ カ ニ ズ ム」 は,こ の 分 野 を 先 導 す る と と も に,そ の と き ど きの 興 味 と学 問水 準 を表 す 貴 重 な 資 料 に も な っ て い ま す.   バ イ オ メ カ ニ ズ ム ・ライ ブ ラ リー は 多 岐 に わ た る バ イ オ メ カ ニ ズ ム の 方 法 論 や 応 用 例 を わ か りや す く解 説 し,こ れ まで に蓄 積 さ れ た さ まざ ま な成 果 を社 会 に還 元 して さ ら に新 た な挑 戦 者 を養 成 す る た め に 企 画 さ れ ま した.こ

れか らの高齢化

社 会 で 必 要 と さ れ る 身近 な 介 護 一 つ を と っ て も,バ イ オ メ カ ニ ズ ム の 方 法 が 負 担 の軽 減 や 新 た な 商 品 開発 に 多 くの 示 唆 を も た ら します.生 ラ イ ブ ラ リー が,こ

物 の 仕 組 み を学 ぶ この

れ か らの 社 会 に求 め られ る よ り柔 軟 な発 想 の 源 泉 に な れ ば 幸

い で す.

バ イ オ メ カ ニ ズ ム学 会 ラ イ ブ ラ リー 編 集 委 員 会

は じめ に

  ヒ トが 歩 い た り走 っ た り とい う運 動 を行 っ て い る と き,そ の も と に な っ て い る 駆 動 力 は 筋 の 収 縮 に よっ て 生 み 出 さ れ る.こ して,筋

電 図 法(Electromyography:EMG)が

の よ う な 筋 の 活 動 状 態 を 知 る方 法 と あ る.動 作 解 析 で 主 に用 い られ

る の は,皮 膚 上 に電 極 を貼 り付 け る 表 面 筋 電 図 で あ る.電 極 を通 して 筋 電 位 を導 出 し,そ れ を 筋 電 図 と して視 覚 化 す る こ と に よ り,動 作 に対 応 して どの 筋 が どの 時 点 で,ど の 程 度 活 動 して い るか を知 る こ とが で きる.   筋 電 位 で は な く,ビ デ オ カ メ ラや 関節 角 度 計 を用 い た 動 作 解 析 か ら 関節 トル ク を算 出 し,さ ら に筋 張 力 を推 定 す る こ と も で き るが,こ

れ に は,筋 張 力 が 何 らか

の 基 準 の も とで 最 適 に調 整 さ れ て い る と い う条 件 が 必 要 で あ る.た 筋 が 同 時 に働 い て い る場 合 や 等 尺 性 収 縮 の場 合 に は,外 は生 じな い が,筋

と え ば,拮 抗

部 か らみ え る よ う な運 動

は 活 発 に活 動 して い る.こ の よ う な違 い は,筋

電位 を計測 すれ

ば識 別 で きる.   近 年,筋

電 位 計 測 装 置 が 高 性 能 化,低

勝 手 も 向 上 した た め,筋

コス ト化 し,ソ

フ トウ ェ ア も含 め た 使 い

電 位 の 計 測 自体 は 容 易 に な っ て き た.ま

た,汎 用 の 信 号

処 理 ソ フ トを 用 い る こ とに よ り,パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ(Personal

Computer

: PC)を 用 い て さ ま ざ まな 信 号 処 理 も簡 単 に 実 行 で き る よ う に な っ て き た.そ の 結 果,従

来 か ら用 い られ て きた ス ポ ー ツ 動 作 解 析 や リハ ビ リテ ー シ ョ ン分 野 で の

応 用 に 加 え て,工

業 製 品 の 人 間 工 学 的 評 価 に お い て も利 用 で きる よ う に な っ た.

しか し なが ら,こ の 副 作 用 と して,日

頃 筋 電 図 に馴 染 み の な い 利 用 者 が,不

適切

な条 件 で 計 測 を行 っ た り,不 適 切 な処 理 を行 っ た り,あ る い は不 適 切 な結 果 の解 釈 を行 っ た り とい う事 例 も多 くな っ て きた.

  そ こ で,本 書 は,そ

の よ う な筋 電 図 の利 用 者 に対 して,的 確 な計 測 が で きる よ

う に,基 礎 か ら種 々 の ノ ウハ ウ まで を と りま とめ て,バ

イオメ カニズム学会誌 に

4回 に わ た っ て 連 載 した解 説 記 事 を も とに,大 幅 に加 筆 修 正 を 加 え て 作 成 した も の で あ る.こ の な か で,著

者 らが 研 究 を行 っ て き た,電 極 と神 経 支 配 帯(神 経 筋

接 合 部 が 集 中 して い る筋 内 の 領 域)と

の 関係 に つ い て は,こ

れ まで 十 分 に注 意 が

払 わ れ て い なか っ た の で,重 点 を お い て 説 明 した.   国 際 電 気 生 理 学 的 動 作 学 会(International Kinesiology:ISEK)の Electromyography

機 関 誌 で,筋

Society of Electrophysiological

電 図 関 係 の 論 文 が 掲 載 され るJournal

and Kinesiology(JEK)に

計 測 法(Standards

for Reporting

め て あ る.こ の な か に は,フ

EMG

of

は,毎 号 巻 末 に筋 電 位 の 標 準 的 な Data:以

ィル タの 選 択 や,ス

下EMG

Standards)が

まと

ペ ク トル 解 析 に お け る 窓 関 数 の

適 用 な ど,こ れ ま で の 筋 電 図 の 利 用 者 に と っ て は見 慣 れ ない 事 項 も含 ま れ て い る. 本 書 で は,こ のEMG

Standardsの

この 内 容 を理 解 で き れ ば,論

内容 が 十 分 に理 解 で き る よ うに 説 明 を行 っ た.

文 と して も批 判 を 受 け な い よ う な 的確 な筋 電 位 計 測

を実 践 す る こ とが で きる よ う に な る と期 待 さ れ る.ま

た,筋 電 位 の 計 測 手 法 を さ

ら に発 展 させ た い 方 々 の た め に,最 近 の研 究 動 向 や 計 測 装 置 の 開発 につ い て も述 べ た.   神 経 筋 疾 患 の 臨 床 診 断 に 用 い られ る針 筋 電 図 につ い て は,教 科 書 と呼 べ る 本 が 多 数 出版 され て い る が,表

面 筋 電 図 につ い て は,心 電 図 や 脳 波 を含 め た 生 理 計 測

関 係,あ

る い は動 作 分 析 な ど の本 で 一 部 取 り上 げ られ て い る の み で,内 容 的 に 上

記EMG 

Standardsが

理 解 で きる程 度 に掘 り下 げ た もの は み られ な か っ た.日 常

の研 究 や 開発 に 筋 電 図 を用 い て い る方,特

に 体 育 ・ス ポ ー ツ分 野 に お け る運 動 の

仕 組 み,リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン分 野 に お け る 動作 の 改 善,人

間工 学 や 感性 工 学 分 野

に お け る筋 負 担 の 評 価 に 関 係 す る 方 々 に はぜ ひ活 用 して い た だ き た い.ま 間 を 対 象 と した種 々 の 計 測 手 法 の1つ

た,人

と して 筋 電 図 を用 い る必 要 が あ る 場 合,と

りあ え ず 筋 電 図 が 利 用 可 能 か ど う か を知 りた い 場 合 な どに も本 書 を活 用 し て い た だ け れ ば幸 い で あ る.   本 書 の 執 筆 に あ た っ て は,以 下 の 方 々,研 究 機 関,企 業 か ら快 く資 料 や 写 真 を

提 供 し て い た だ い た:C.J.De Luca(NeuroMuscular Boston

University,USA),R.Merletti(Laboratory

Neuromuscular Torino,

Research 

System

Italy),Delsys 

and

Motor

学 理 工 学 部),白

田 守 彦(帝 石 恵(元

of the

Rehabilitation(LISiN),Politecnico

田 正 樹(大

京 工 業 大 学 精 密 工 学 研 究 所),真

ィ ア 研 究 所),岡

for Engineering

di

Inc.(Boston,Massachusetts,USA),Noraxon

Inc.(Scottsdale,Arizona,USA),吉 小 池 康 晴(東

Center,

USA

阪 電 気 通 信 大 学 医 療 福 祉 工 学 部), 鍋 宏 幸(NTT 

DoCoMoマ

京 平 成 大 学 ヒ ュ ー マ ン ケ ア 学 部),斎

筑 波 大 学 体 育 科 学 系),熊

ま た,本

書 の 出 版 に あ た っ て は,東

い た.深

く感 謝 し た い.

井 敏 文(松

ルチ メデ

藤 健 治(佐

賀大

本 歯 科 大 学 大 学 院).

京 電 機 大 学 出版 局 石 沢 岳 彦 氏 に ご尽 力 い た だ

平 成18年2月 著者一 同

目 次

第1章  表面筋電図 とは

 1

1.1  筋 収 縮 の メ カ ニ ズ ム

 2

1.2  筋 電 位 の 発 生 メ カニ ズ ム

 5

1.3  筋 活 動 を と ら え る

 5

1.4  表 面 電極 の し くみ

 6

1.5  ダ イ ナ ミッ ク な運 動 時 で の 計 測

 8

1.6  な に が 計 測 で きる の か

 10

1.7 

ま とめ

 11

第2章  計測 とその準備

 13

2.1  電 極 を貼 る前 に

 13

1 動作 に対応 する被験筋 を選ぶ 2  正 規 化 の 方 法 を考 え て お く

 14  15

3  同 期 させ る力 学 的 信 号 を考 えて お く 4  筋 電 図 活 用 の 方 向性 に つ い て 2.2  記 録 方 法 の 選 定 と設 定 1  電 極

3 周 波数特性

  23   24

4  入 力 イ ンピ ー ダ ンス 5

 同相除去比

 19   20

  21

2 増 幅器の感度

 17

  25

  25

6  記録器

 26

2.3  電 極 の貼 付

  28

1 神 経支配帯 を探 す

  28

2 筋腹 と筋線維 方向 を確 認す る 3  皮膚抵 抗 を低減す る 4  電極 を固定す る

 30  31

5  ア ー ス 電極 を貼 る

 32

2.4  諸 問 題 対 策

 33

1  振 幅 が 小 さ い

 33

2  交 流 雑 音 を除 く 3

 33

接 地 コ ネ ク タ を疑 う

4  基線 が揺 れ る

 34

  35

第3章  処理 と解析 3.1 

 39

フ ィ ル タの 種 類

  40

3.2  平 均 振 幅

  43

1 平 均振 幅の特徴量

  43

2  平 滑 化 区 間 の 長 さ と 配 置

3 集 合平均

  46

  47

4  ク ロ ス トー ク 

47

5  ア ー チ フ ァ ク ト 

48

6  収 縮 力 との 比 較

  48

7  関節角 度の変化

  49

3.3  パ ワ ー ス ペ ク トル

 50

1  パ ワ ー ス ペ ク トル の 計 算

2  ゼ ロ詰 め 3  窓 関 数

  29

  50

  51   53

4  ス ペ ク トル の特 徴 量

  55

5  ス ペ ク トル の 形 を決 め る要 因 6  デ ィ ップ 関 数

 55

  56   58

3.4  筋 線 維 伝 導 速 度

1 筋線維伝 導速度 とは

  58

2  筋電位信 号 間の時 間差 の計算 方法

 58   59

3.5  筋 疲 労

1 筋疲労 に伴 う振幅 の増大 と周 波数 の徐 波化 2  多点 表面電極 と筋線 維伝導 速度

  60

  62

3.6  ま と め

第4章  応 用の事例

  63

 65

4.1  感 じ られ な い筋 活 動 の 認 識

  65

4.2  過 剰 な 筋 活 動 の 定 量 化

  67

4.3  筋 線 維 組 成 と筋 線 維 伝 導 速 度

 70

4.4  各 種 ス ポ ー ツ競 技 選 手 の 筋 線 維 伝 導 速 度

 73

4.5  操 作 に 対 す る上 肢 上 方 作 業 域

 74

4.6  厨 房 作 業 に お け る 最 適 作 業 面 高

  78

4.7  感 性 工 学 分 野 に お け る筋 電 図 の 利 用

  81

4.8  自転 車 エ ル ゴ メ ー タの 負 荷 制 御

  84

4.9  ス キ ー 運 動 に み られ る運 動 形 態 の 違 い

  87

第5章  適用 とその限界

  93

5.1  運 動 時 の 筋 活 動

  93

5.2  動 作 を識 別 す る

  95

5.3  運 動 単 位 の 分 離

  96

5.4  ス ペ ク トル解 析 の 限界

  98

5.5  筋 張 力 の減 少 と筋 疲 労 との 区別

 101

5.6  表 面 筋 電 図 は 万 能 で は な い

 103

5.7 

 104

ま とめ

第6章  開発 の動向 6.1 

 107

プ ロ ジ ェ ク ト研 究 1  SENIAMプ 2  NEWプ

 108

ロジ ェク ト ロ ジェク ト

 108   110

3  ボ ス トン大 学神 経 筋 研 究 セ ン タ ー

4  人間感覚計 測応用技術 6.2

  112

 115

 計測 装置

 116

1  計 測 の マ ル チ チ ャ ンネ ル化 2  計 測 の ウ ェ ア ラ ブ ル化

 116  118

6.3 最近 の信 号処 理法

 123

6.4  新 た な応 用

 125

1 動作 情報 を使 う

 126

2

 無発 声音声 認識

 127

3  さ ま ざ ま な 時 間ス ケ ー ル か ら運 動 を探 る

第7章  役立つ情報 7.1 ISEKのEMG

 128

 133

Standards

7.2 神 経支 配帯 の実際の位置

 133  145

参考文献

 159

索引

 165

第1章 

表面筋 電 図 とは

  著 名 な 数 学 者 で あ っ た ノバー ト ・ウ ィナ ーが「 サ イ バ ネ テ ィ ッ ク ス,動 物 と機 械 に お け る 制 御 と通 信 」 を著 した の は,今 か ら約60年 前 の1948年

の こ とで あ る.

彼 は,「 筋 電 流 を 利 用 して 動 く義 手 」 の研 究 を医 学 者 と共 同 で 行 っ た.そ で,筋

の なか

の 活 動 を シ ス テ マ テ ィ ッ ク に と ら え,人 工 の筋 運 動 知 覚 の 考 え か ら新 しい

概 念,サ

イ バ ネ テ ィ ック ス を登 場 させ た の で あ る.筋 電 流 を利 用 して動 く義 手 は,

後 に ボ ス トン ア ー ム と して 具 体 化 す る1,2).ノ バー ト ・ウ ィ ナ ー が 注 目 した筋 運 動 知 覚 で の 中枢 制 御 系 に か か わ る情 報 が,筋 電 流 あ る い は 筋 電 位(Myo‐Electric potential:ME

potential)で

(ElectroMyoGram:EMG)で   筋 電 位 の 導 出 法 は,用

あ り,こ

れ を 記 録 ・表 示 し た も の が 筋 電 図

あ る. い る 電 極 に よ っ て 大 き く2つ に 分 か れ る.1つ

表 面 に 取 り付 け る表 面 電 極(surface

electrode)を

記 録 ・表 示 さ れ た もの を表 面 筋 電 図(surface

用 い る も の で,こ

EMG)と

呼 ぶ.表

は,皮 膚 れ に よ って

面 筋 電 図 法 は,

侵 襲 性 が な い の で,体 育 ・ス ポ ー ツ,リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン,人 間 工 学 な どの 分 野 にお い て 主 に 用 い られ る.も 針 筋 電 図(needle の の,筋

EMG)と

う1つ は,筋 呼 ぶ.針

内 に刺 入 す る針 電 極 を用 い る もの で,

筋 電 図 法 は,人 体 に 対 して 侵 襲 性 が あ る も

内 の 電 位 変 化 を高 い空 間 分 解 能 で 識 別 で き る の で,神

経筋疾患 の診 断な

どの 臨 床 分 野 で 用 い られ る.   表 面 筋 電 図 に 関 して は,1970年 や 動 作 識 別 を 目的 と して,パ

代 後 半 頃 か ら1980年

代 に か け て,義 手 の 制 御

ラ メ トリ ッ ク な ス ペ ク トル 解 析 や,多

チ ャンネルの

筋 電 位 信 号 に よ る多 変 量 解 析 を用 い た 研 究 が 盛 ん に 行 わ れ た.1990年

頃 になる

と,人 工 ニ ュ ー ラ ル ネ ッ トワー ク を 利 用 す る研 究 が盛 ん に な り,バ ー チ ャ ル リア リ テ ィ や 手 話 な どで,指

の 動 作 をPCに

取 り込 む 際 に も表 面 筋 電 図 が 使 わ れ る よ

う に な っ た.   こ の よ う に現 在,表 面 筋 電 図 は電 気 生 理 学 的 な基 礎 研 究 や 臨床 医 学 だ け で な く, 体 育 ・ス ポ ー ツ や リハ ビ リ テ ー シ ョ ン,さ

らにバ ー チ ャ ル リ ア リテ ィ の 分 野 へ と

応 用 範 囲 を広 げ て き て い る.

1.1  筋 収 縮 の メ カ ニ ズ ム   筋 収 縮 の メ カ ニ ズ ムや 筋 電 位 の 発 生 メ カ ニ ズ ム に つ い て は,す で,詳 細 に 述 べ られ て い るの で3),こ

こ で は,い

で に 多 くの書 物

くつ か の キ ー ポ イ ン トだ け を お

さ え て お く.筋 活 動 は,脊 髄 の なか に あ る α運 動 ニ ュ ー ロ ン(α‐MotoNeuron: α‐MN)の

興 奮 か ら始 ま る(図1.1).α

運 動 ニ ュ ー ロ ンが,脳

か らの 指 令 や 脊 髄

を経 由 す る種 々 の 反 射 に よ っ て 興 奮 す る と,そ の 興 奮 イ ンパ ル ス が 神 経 軸 索 を経 由 して 目指 す 筋 に伝 え られ る.

図1.1  運 動 単 位 の構 成

  1つ の 運 動 ニ ュ ー ロ ン か ら 生 じ る 神 経 軸 索 は 筋 の な か で 枝 分 か れ し,多 線 維(muscle fiber)に

神 経 筋 接 合 部(neuromuscular 

筋 接 合 部 は 神 経 終 板(endplate)と

も呼 ば れ る.神

junction)を 経 筋 接 合 部 は,筋

数 の筋

作 る.神

経

に よ っ て,

ま た個 人 に よ っ て さ ま ざ まな 分 布 を して い る.上 腕 二 頭 筋 や 僧 帽 筋 な どの よ う に, 神 経 筋 接 合 部 が 狭 い 範 囲 に 集 中 して い る場 合 が あ る.こ の 集 中 し て い る 部 位 を神 経 支 配帯(innervation   筋 線 維 は,筋

zone)と

を構 成 す る細 長 い細 胞 で,1つ

経 筋 接 合 部 が 存 在 す る.す る.1つ

呼 ぶ.

な わ ち,運 動 ニ ュ ー ロ ン と筋 線 維 は1対 多 の 関 係 に あ

の 運 動 ニ ュ ー ロ ンに 支 配 され た 筋 線 維 群 の活 動 は1つ の 単 位 と し て機 能

す る.1つ (Motor

の 運 動 ニ ュ ー ロ ン と,そ れ に支 配 され る 筋 線 維 群 を ま と め て 運 動 単 位

Unit:MU)と

呼 ぶ.た

と え ば上 腕 二 頭 筋 は,約700個

成 さ れ,そ れ ぞ れ の 運 動 単 位 に は 平 均700本 一方

の 筋 線 維 上 に は,通 常1カ 所 の 神

の 運 動 単 位 か ら構

の筋 線 維 が 含 ま れ る と され て い る4).

,顔 面 の 筋 な どは 支 配 比 が小 さい の で,細 か な活 動 が 可 能 とな る.

  運 動 神 経 の 興 奮 は,神 経 イ ンパ ル ス列 と して,神 経 筋 接 合 部 に 到 達 す る.神 経 筋 接 合 部 で は,神 経 終 末 か ら化 学 伝 達 物 質 で あ る アセ チ ル コ リ ンが 放 出 され,そ れ に よ っ て 筋 線 維 側 の 電 気 的 な興 奮,す が 生 じる(図1.2).筋

な わ ち筋 線 維 膜 上 の 脱 分 極(depolarization)

線 維 膜 上 の興 奮 は筋 小 胞 体 か ら の カ ル シ ウム 放 出 を

引 き起 こ し,そ れ に よ っ て筋 線 維 内 に 存 在 す る ミオ シ ン分 子 とア ク チ ン分 子 の 相 互 作 用 が 可 能 に な り,ミ オ シ ン線 維 と ア ク チ ン線 維 の 滑 り運 動 が 生 じ,筋 張 力 が 発 生 す る.   筋 張 力 は,個

々 の 運 動 単 位 が 発 生 す る張 力 の 総 和 で あ る.運 動 単 位 は興 奮 す る

か しな い か(全

か 無 か の 法 則:all‐or‐none law)の

デ ジ タ ル 的 な ふ る ま い をす る

の で,筋 張 力 を変 化 させ る場 合 に は,運 動 単 位 の 発 射 頻 度(firing る か,活

rate)を

変え

動 す る 運 動 単 位 の 数 を 変 化 させ る.筋 張 力 を上 昇 させ て い っ た と き に,

新 た な運 動 単 位 が 活 動 を始 め る こ と を活 動 参 加(recruitment)と   筋 張 力 を 漸 増 させ て い く と,通 常 は,決

い う.

まった順序で運 動単位 の活動参 加が起

こ る.初 期 に活 動 を始 め る の は,運 動 ニ ュー ロ ンの サ イ ズ が 小 さ く筋 線 維 数 の少 な い 運 動 単 位 で あ る.こ れ とは 逆 に,後 期 に活 動 を始 め る の は,サ 筋 線 維 数 の多 い 運 動 単 位 で あ る.こ れ を サ イ ズ の 原 理(size   発 射 頻 度 と活 動 参 加 の ど ち らの 制 御 を使 うか,あ

イズが大 きく

principle)と

い う.

る い は優 勢 に な る か は筋 に よ

っ て,ま た 収 縮 レベ ル に よ っ て 異 な る.手 先 な どの 小 さ な筋 で は,精

密 な制 御 が

図1.2  筋 電位 の 発 生 メ カニ ズ ム

必 要 と な る の で,発

射 頻 度 に よ る張 力 制 御 が 優 勢 で あ る こ とが多 い.一

方,姿 勢

の 保 持 や 抗 重 力 筋 は,活 動 に参 加 す る 運 動 単 位 の 数 を増 す こ とに よ っ て 制 御 を行 っ て い る.   筋 張 力 の 発 生 は筋 内 に あ る 固 有 の セ ンサ ー(筋

紡 錘 や 腱 器 官)で

反 射 や 中 枢 神 経 系 を 介 した 筋 張 力 の 調 節 が 行 わ れ る.身 体 運 動 は,さ もの 筋 の 協 調 的 な活 動 に よ っ て 実 現 す る.こ れ が,筋 あ る.

と ら え られ, らに い くつ

活 動 の大 まか な シ ナ リ オ で

1.2  筋 電 位 の 発 生 メ カ ニ ズ ム   筋 電 位 は,筋 が 収 縮 した 結 果 と して 発 生 す る もの で は な く,筋 を 収 縮 させ る原 因 で あ る.し た が っ て,弛 緩 して い る 筋 を押 して も,圧 電 素 子 の よ う に電 位 が 発 生 す るわ け で は な い.筋 電 位 は 筋 を収 縮 させ る 電 気 信 号 が 筋 に到 達 して初 め て観 測 さ れ る もの で あ る.筋 線 維 の 活 動 は,運 動 神 経 細 胞 か らの 神 経 パ ル ス列 が こ な い と電 気 的 に は み えな い こ とに な る.   神 経 筋 接 合 部 は通 常,筋

線 維 の 長 さ方 向 の ほ ぼ 中 間 に 存 在 す る.神 経 筋 接 合 部

か ら 開 始 した 電 気 的 興 奮 は,筋 線 維 の 両 端 に 向 か っ て3∼6m/sの

速 さ で伝 播 し

て い き,筋 線 維 の 末端 に到 達 した 時 点 で消 滅 す る.筋 線 維 上 の 脱 分 極 は,細 を 通 る膜 電 流 を引 き起 こ し,膜 電 流 は 周 囲 の 容 積 導 体(volume

conductor)を

れ て 電 位 変 化 を生 じ る.こ の 電 位 変 化 を導 出 した もの が 筋 電 位 で あ る.ま 位 変 化 を 時 系 列 信 号 と して と ら え た 場 合 に は 筋 電 位 信 号(myoelectric と呼 ぶ.こ

れ に対 し て,個

運 動 単 位 活 動 電 位(Motor

流

た,電 signal)

々 の 運 動 単 位 が 発 生 す る 電 位 を強 調 し た い 場 合 に は, Unit Action Potential:MUAP)と

  個 々 の 運 動 単位 活 動 電 位 は,一 定 の 波 形 で,ほ 動 単 位 活 動 電 位 列(MUAP

胞膜

train)と

呼 ぶ.

ぼ 一 定 の 時 間 間 隔 で 発 生 す る運

し て観 察 され る.運 動 単 位 活 動 電 位 列 は,

通 常 は,針 電 極 で 導 出 す る.し か し,表 面 電 極 を用 い て も,ご

く弱 い 随 意 収 縮 時

にお い て は,導 出す る こ とが で き る.   運 動 単 位 は,通 常 は,互

い に 独 立 に 興 奮 す る の で,表

面電極 で筋電位 を導 出す

る と,多 数 の 運 動 単 位 活 動 電 位 が 時 間 的 ・空 間 的 に重 畳 し た干 渉 波 形 とな る.筋 張 力 が 上 昇 し干 渉 の程 度 が 強 くな る と,筋 電 位 信 号 は 不 規 則 波 形 と な り,個 々 の 運 動 単位 活 動 電位 を識 別 す る こ と は で きな くな る.

1.3  筋 活 動 を と らえ る  さ て,こ の よ うな発 生 メ カ ニ ズ ム を頭 に 入 れ な が ら,筋 電位 の計 測 法 を 考 え て

み よ う.先 に 述 べ た よ うに,筋 電 位 の計 測 法 とい っ て も,大 法 と表 面 筋 電 図 法 が あ る.針 筋 電 図 法 は,ま

き く分 け て針 筋 電 図

さ に運 動 神 経 細 胞 か ら筋 線 維 へ 至 る

経 路 で 観 測 され る神 経 パ ル ス列 か ら情 報 を取 り出 そ う とす る計 測 法 で あ る.実 際 に は,筋

に針 を刺 入 して筋 線 維 に伝 わ っ て きた信 号 を観 測 す る.一 方,表

面筋電

図 法 は,皮 膚 表 面 か ら電 気 信 号 を と らえ る計 測 法 で あ る.対 象 とす る筋 を 覆 う皮 膚 上 に 表 面 電 極 を 配 置 して筋 電 位 を計 測 す る.な お,誘 に 近 い位 置 に あ る 部 位(モ

ー タ ー ポ イ ン ト,motor

発 筋 電 位 は,神 経 が皮 膚

point)で

計 測 す る.

  以 上 の よ う に,筋 電 位 は種 々の 電 極 を 通 して 計 測 す る こ と が で き る.身 体 運 動 の 解 析 な ど の 目的 で 広 範 囲 な情 報 を薄 く広 く集 め る際 に は 表 面 電 極 で 比 較 的容 易 に 計 測 で き る 表 面 筋 電 図 法 が 適 して い る.特 定 の 筋 線 維 や 運 動 単 位 の 活 動 を探 る よ う な,よ り狭 い 範 囲 で 限定 した 情 報 を集 め る 場 合 に は,針 筋 電 図 法 が よい.電 極 は,筋

で起 き て い る電 気 的 変 化 を と らえ る ア ンテ ナ の よ う な もの で あ る(図1.3).

ア ン テ ナ に 電 気 的 特 性 が あ る よ う に,電 極 に も特 性 が あ り,計 測 の 際 に は 大 い に 注 意 が 必 要 と な る.

図1.3  表 面 筋 電図 の 計 測 モ デ ル

1.4  表 面 電 極 の しくみ   ア ンテ ナ の 役 割 をす る 表 面 電 極 は,ど の よ う に 設 計 した ら よ い の か?  表 面 筋 電 図 の ほ とん ど は,双 極(bipolar)の

現 在,

電 極 構 成 を用 い た 差 動 増 幅 器 で 計 測

さ れ て い る.さ

ら に,皮 膚 を通 じて 筋 電 位 を計 測 す る た め,電 極 と皮 膚 表 面 間 で

の 高 イ ン ピ ー ダ ンス(電 気 的 信 号 を 通 し に くい状 態)対   表 面 電 極 に は,受 動(passive)電

策が 必 要 と な る.

極 と能 動(active)電

極 とが あ る.受 動 電極

は最 も一 般 的 に使 わ れ て い る も の で,電 極 と皮 膚 表 面 間 の接 触 イ ン ピー ダ ンス を 下 げ る た め は,使 用 に あ た って 貼 付 部 位 の 準 備 や 電 極 ペ ー ス トを必 要 とす る.こ れ は,高

イ ン ピー ダ ンス の ま ま で は 温 度,湿

度,動

き の 影 響 を受 け て 分 極 電 圧 が

変 化 し,ダ イ ナ ミ ック な 運 動 時 に 電 極 と皮 膚 表 面 との 間 を 密 接 に接 触 で きな い た め に ア ー チ フ ァ ク ト(artifact,人

工 的 に発 生 す る雑 音)が 発 生 す るか らで あ る.

  こ れ に対 し て,電 極 側 で皮 膚 に 近 い 高 イ ン ピ ー ダ ンス を電 気 的 に作 り出 し て, ア ー チ フ ァ ク トの 発 生 を防 い で い るの が 能 動 電 極 で あ る.能 動 電 極 は 電 極 端 子 ご とに バ ッ フ ァア ン プ を 内 蔵 し,皮 膚 表 面 で の 高 イ ン ピ ー ダ ンス や 電極 リ ー ド線 の 揺 れ に起 因 す る 問 題 を解 決 す る.能 動 電極 の 場 合 に は,皮 膚 表 面 をか る くア ル コ ー ル で ふ き取 る だ け で ,ダ イ ナ ミ ッ ク な 運 動 時 で あ っ て も電 極 コー ドの 揺 れ に よ る ア ー チ フ ァ ク トが 発 生 しに くい 計 測 が 可 能 と な る.こ の よ う に,能 動 電 極 は表 面 筋 電 図 の 利 用 を フ ィー ル ド実 験 へ と広 げ て い く際 に 欠 か せ な い技 術 で あ る.な お,時

間 につ れ て 表 面 電 極 と活 動 す る 筋 線 維 との 相 対 的 位 置 関係 が 変 化 す る.こ

の 場 合,多

チ ャ ンネ ル 能 動 ア レイ 電 極 を利 用 す る と よい.

  図1.4は,表

面 電 極 を双 極 差 動 導 出 す る際 の 接 続 方 式 を示 した もの で あ る5).

電 源 雑 音 な ど電 極 端 子 に 同相 で 混 入 す る雑 音 を 取 り除 くた め,表 面 筋 電 図 計 測 で は 差 動(Single

Differential:SD)接

の 活 動 を探 る に は ダ ブ ル 差 動(Double

続 が 用 い られ て い る.一 方,小 Differential:DD)接

図1.4  表 面 電極 で 双 極差 動 導 出 す る際 の 接 続 方式

さ な筋 だ け

続 が 好 ま し い.

DD接

続 は,隣 接 す る筋 か ら の活 動 電 位 の 漏 れ(ク

ロ ス トー ク, crosstalk)を

抑

えた 計 測 を 可 能 にす る.   こ の よ う に便 利 な双 極 差 動 導 出 で あ る が,利 用 す る際 に 注 意 す べ き い くつ か の 周 波 数 特 性 が あ る.な

お,筋

電 図 が い くつ もの 周 波 数 成 分 の 和 で 表 され る こ と を

ご存 じの 方 も多 い と思 うが,フ

ィル タ を用 い る こ とに よ り特 定 の 周 波 数 の信 号 を

通 過 させ た り,遮 断 した りで きる.こ れ をそ の フ ィル タの 周 波 数 特 性 と呼 ぶ.   さて,皮 膚 か らの 深 さ 方 向 の フ ィル タ特 性 は ロ ーパ ス フ ィル タ で あ り,深 い位 置 に あ る筋 線 維 の 活 動 ほ ど低 域 周 波 数 成 分 が 強調 さ れ る6).こ タ は活 動 す る筋 線 維 の 解 剖 学 的 位 置 が 関 与 す る た め,手 れ 以 外 は 周 波 数 特 性 の 設 計 が 可 能 で あ る.特 の パ ワ ー ス ペ ク トルP(ω)は,電

  ま た,P(ω)に

の 下 し よ うが な い が ,こ

に,双 極 差 動 導 出 に よ る 表 面 筋 電 図

極 間 隔 とMUAPの

意 が 必 要 で あ る6).す な わ ち,P(ω)は

の皮膚効 果 フィル

伝 導 速 度 の 関 数 で あ る点 に注

電 極 間 隔 に よ っ て 変 わ る.

は 一 定 周 波 数 間 隔 で デ ィ ッ プ(利 得 が 急 峻 に 減 少 す る こ と)が

存 在 し,電 極 間 隔 が 狭 い ほ ど最 初 の 周 波 数 デ ィ ップ は 高 い周 波 数 へ 移 行 す る(図 3.8参 照).こ の と きの 周 波 数 デ ィ ッ プか ら伝 播 速 度 を逆 に 推 定 す る こ とが で きる. した が っ て,電 極 間 隔 を狭 くす る こ と で,高 周 波 数 成 分 ま で 計 測 で き る よ うに な り,MUAP波

形 の分 離 に は好 都 合 と な る.た だ し,狭 い 電 極 間 隔 は比 較 的 浅 い 部

分 の筋 線 維 の 活 動 しか と らえ て い な い 点 に注 意 が 必 要 で あ る.ア

レイ 電 極 や マ ト

リ ック ス 電極 は,こ の よ うな 目的 に使 わ れ るの で あ る.

1.5  ダ イ ナ ミ ックな 運 動 時 で の計 測   表 面 筋 電 図 に 関 して 行 わ れ た 数 多 くの 研 究 の 結 果,静 的 な運 動 時(等 尺 性 収 縮) で は,筋 電 図 解 析 か ら得 られ る種 々の 評 価 指 標 が どの よ うな 生 理 学 的 要 因 と関 係 が あ るの か が,か で は,ま

な り明 らか に な って きた.し か し,実 際 に ダ イ ナ ミ ック な運 動

だ十 分 に 生 理 的 な 要 因 との 関 連 性 が 解 明 さ れ て い な い.ダ

運 動 時 の 表 面 筋 電 図 計 測 で は,ア

イナ ミックな

ー チ フ ァ ク トの 混 入 と,活 動 して い る筋 線 維 に

対 す る 表 面 電 極 の 位 置 に注 意 を払 わ な け れ ば な ら な い.そ

こ で,多

チ ャ ンネ ル 能

動 ア レイ 表 面 電 極 を計 測 や 解 析 に 利 用 す る7).   さ ら に,双 極 差 動 導 出 に 与 え る神 経 支 配 帯 の 影 響8)も 無 視 で き な い.神 経 支 配 帯 を避 け て 電 極 を貼 付 す る こ とが 理 想 的 で あ る が,ど

の 時 点 で どの 神 経 支 配 帯 が

影 響 を与 え て い る か は 計 測 して み ない とわ か らな い の が 現 状 で あ る.こ こ で,神 経 支 配 帯 とい っ て い る の は解 剖 学 的 な意 味 もあ る が,活 動 して 表 面 筋 電 位 に 影 響 を 与 え る神 経 支 配 帯 と理 解 す る の が 正 しい.し

た が っ て,ダ

イ ナ ミ ッ ク な運 動 時

で は,筋 の サ イズ や 解 剖 学 的 な理 由 で 神 経 支 配 帯 の 影 響 を ど う して も避 け られ な い 場 面 が あ る(図1.5)9).

図1.5  ダイ ナ ミッ クな 運動 時 で の神 経 支配 帯 分 布 のa'か らaへ の 移動 (詳細 は文 献8)を 参 照)

  そ こ で,多

チ ャ ン ネ ル ア レ イ電 極 を使 い,神 経 支 配 帯 の 影 響 を 受 けて い な い い

ず れ か の双 極 差 動 導 出 ペ ア を選 択 す る方 法 が提 案 さ れ て い る10).す な わ ち,電 極 と 神 経 支 配 帯 との 相 対 的 位 置 関 係 が,チ EMG:IEMGi(t))や

ャ ン ネ ルiの 積 分 筋 電 図(Integrated

表 面 筋 電 図 の平 均 周 波数(MeatN

に 与 え る 影 響 を調 べ た 実 験 結 果 に よ れ ば,各 IEMGi(t),MNFi(t)に

Power

Frequency:MNFi(t))

双 極 差 動 導 出 ペ ア か ら推 定 さ れ た

対 して

(1.1) (1.2) の よ う に 比 較 す る こ と で,神 経 支 配 帯 の 影 響 を抑 え たIEMGc(t)とMNFc(t)が

得

ら れ る.

1.6  な にが 計 測 で き る の か   等 尺 性 随 意 収 縮 時 と ダ イ ナ ミ ッ ク な運 動 時 とで,表 面 筋 電 図 か ら評 価 で きる も の が 変 化 す る.表 面 筋 電 図 は,い

くつ も のMUAPが

時 空 間 的 に重 畳 した もの で

あ る か ら,筋 張 力 の 変 化 に よ る活 動 運 動 単 位 数 の 増 減,筋 変 化,お

疲 労 に よる 伝 播 速 度 の

よび そ の 原 因 と な る もの を評 価 で きる こ と に な る(図1.6)11).

図1.6  表 面 筋電 図 に関係 す る もの(文 献4),10)を

  さて,ト

参照)

レー ニ ン グや リハ ビ リ テ ー シ ョ ンの場 面 で は,筋 張力 が 低 下 した 際 に,

意 図 的 に力 を弱 め た の か,筋

疲 労 に よ る もの なの か の 違 い を評 価 す る こ と が 必 要

と思 わ れ る.こ の 違 い を表 面 筋 電 図 か ら評 価 で き る で あ ろ う か?  実 際 に は,と て もむ ず か しい が,表

面 筋 電 図 か らそ の 情 報 は手 に 入 れ られ そ う で あ る.筋 張 力

や パ ル ス オ キ シ メ ー タ に よる 血 液 中酸 素 飽 和 度 で は計 測 で きな い 神 経 筋 活 動 の 情 報 を筋 電 図 は 与 え て くれ る.

1.7 

ま とめ

  表 面 筋 電 図 に 関 して,何

が 計 測 で き て い るの か の 問 い に対 し て は,計 測 上 の 注

意 点 を よ く理 解 して お く こ と が肝 要 で あ る.ま

た,何 が 計 測 で きる の か で は,図

1.6の 特 徴 を よ く理解 す る こ とが 必 要 とな る.   表 面 筋 電 図解 析 は個 々 のMUの ロ な展 開,ま

た,一

発 射 時刻 を調 べ る 方 法 に代 表 さ れ る よ う な ミク

方 で は 人 工 ニ ュ ー ラ ル ネ ッ トワ ー ク に よ る 動 作 識 別 に代 表 さ

れ る よ う に複 数 の 筋 活 動 を統 合 した マ ク ロ な展 開 が あ る.さ

らに,フ

ィー ル ドで

の 計 測 を よ り簡 単 に か つ 信 頼 性 の 高 い もの とす るた め の技 術 と して,無

線通信技

術 や 装 置 の小 型 化 に よ る新 た な ウ ェ ア ラ ブ ル 計 測 法 が 登 場 しつ つ あ る.

参 考文献 1) 鈴 木 良 次:生

物 情 報 シ ス テ ム 論,1‐12,朝

2)  高 井 信 勝(監

訳):フ

3)  Basmajian

JV,De Luca

Electromyography(5th 4) 中 村 隆 一,齋 5)  De

Luca

藤 宏:基

CJ,Knaflitz

倉 書 店(1991)

ォ ン ・ノ イ マ ン と ウ ィ ー ナ ー,227‐229,工 CJ:Muscles

Alive:Their

学 社(1985)

Functions 

Revealed

by

ed.),Williams&Wilkins(1985) 礎 運 動 学(第

五 版),医

M:Surface

歯 薬 出 版(2001)

electromyography:What's

New?

,CLUT

(1992) 6)  Lindstrom

L,Magnusson

model

and

R:Interpretation

its applications,Proc

7) 木 竜 徹:表

IEEE

of

myociectric

power

spectra:A

65,653‐662(1977)

面 筋 電 図 の 多 チ ャ ン ネ ル 計 測 と筋 活 動 機 能 の 解 釈,BME,10,38‐46

(1997) 8)  Masuda

brachii,J

T,

Sadoyama

Electromyogr

T:Distribution

of

innervation

zones

in

the

human

biceps

Kinesiol,1,107‐115(1991)

9) 金子 秀和,木 竜徹,齊 藤 義 明:動 的運 動時 表面筋 電 図か らの神 経 支配帯 位置 の推 定, 電 子 情 報 通 信 学 会 論 文 誌DⅡ,J75‐DⅡ,808‐815(1992)

10) 金子 秀和,木 竜 徹,齊 藤 義 明:双 極 導 出表 面筋 電図測 定 にお け る神 経支 配帯 の妨 害

お よ び そ の 一 低 減 法,電 11)  De

Luca

CJ:The

use

Biomechanics,13,135‐163(1997)

子 情 報 通 信 学 会 論 文 誌DⅡ,J74‐DⅡ,426‐433(1991) of

surface

electromyography

in

biomechanics,J

Appl

第2章 

計測 とその準備

  最 近 は 計 測 機 器 の 改 良 や 進 歩 に よ り,昔 に 比 べ る と格段 簡 便 に筋 電 図 が 利 用 で き る よ う に な っ た.さ

ら に,筋 電 図 解 析 ソ フ トの 普 及 に よ っ て デ ー タ処 理 時 の負

担 が 軽 減 し,動 作 特 性 な どの 計 測 ・評 価 に も手 間が か か らな く な り,体 育 ・ス ポ ー ツ科 学 ,人 間 工 学,心

理 学,リ

ハ ビ リ テ ー シ ョ ン医 学 な どの 分 野 に お い て も,

気 軽 に筋 電 図 が用 い られ る 環 境 が 整 っ て き た.   しか しな が ら,表 面 電 極 を筋 の 直 上 の皮 膚 に貼 る場 面 は依 然 と して 手 作 業 で あ り,大 変 重 要 な プ ロ セ ス で あ る.電 極 を貼 る 所 作 は基 本 中 の基 本 な の で,こ

れま

で の 筋 電 図 マ ニ ュ ア ル な どに は書 か れ て い な い こ とが 多 く,導 出 して し ま っ た解 析 に 耐 え ない 筋 電 図 を前 に 時 間 を 費 や す こ と も よ く見 受 け られ る.だ か ら とい っ て,必 要 以 上 に むず か し い と思 い 込 ま な くて も よ い環 境 が 整 い つ つ あ る こ とを 強 調 して お きた い.

2.1  電極 を貼 る 前 に   や み く も に た くさ ん の 電 極 を貼 っ て,PCの

性 能 を活 か し,力 ず くで 解 析 して

し ま う こ とが 現 代 で は 可 能 で は あ る.し か しな が ら,膨 大 な デ ー タ を前 に す る と, い ろ い ろ な現 象 が 目 に入 っ て く る の で,逆

に焦 点 を見 失 っ て し ま う こ と もあ る.

ま た,関 係 が あ りそ うな 筋 群 の す べ て か ら筋 電 位 を導 出 して お く と安 心 か も しれ な い が,導

出 チ ャ ンネ ル 数 が 増 え れ ば 高 額 な 筋 電 図計 測 機 器 が 必 要 に な り,計 測

準 備 に要 す る時 間 も延 び て し ま う.し

たが っ て,筋 電 図 を検 討 す る 目的 や 現 実 の

実 験 環 境 を考 慮 しな が ら,予 備 的 な計 測 を繰 り返 し,筋 電 位 を 導 出す る 筋,部 位 を 十 分 に 吟 味 しな け れ ば な らな い.   さ らに,電 極 を貼 る 前 に考 え て お か な け れ ば な らな い こ とは,筋 電 位 の解 析 区 間 を決 め られ る よ う に,動 作 局 面 が 理 解 で き る信 号 も同 期 させ て お くこ と,被 験 者 間,被 験 筋 間 で 比 較 す る た め に 正 規 化 の 方 法 を 考 え て お くこ と,な ど い くつ も あ る.以 下 に 順 次 述 べ る こ とに す る.

1  動作に対応する被験筋を選ぶ   ま ず 吟 味 しな け れ ば な ら な い こ と は,ど の 筋 に 電 極 を貼 るか で あ る.基 本 的 に 表 面 筋 電 位 は,皮

下 に あ る表 層 筋 か らの み 導 出 可 能 で あ る.ま ず,検

討 した い動

作,動 作 場 面 とそ れ に か か わ る筋 群 の 関 係 を明 確 に す る た め に は,解 剖 学 の 成 書 1∼3)と 睨 め っ こす る こ とが 「始 め の 一 歩 」 で あ る .解 剖 学 の 成 書 に つ い て は,巻 末 に 参 考 文 献 を挙 げ コ メ ン トを付 した の で,参

照 して い た だ き た い.そ れ らをみ

な が ら,自 分 の 体 で そ の 動 作 を繰 り返 し,ど の 筋 群 が 使 わ れ て い るか を 「感 じ る」 こ と も重 要 で あ る.ど

の 筋 が 使 わ れ て い る の か 数 回 の 動 作 で 判 断 で きな けれ ば,

軽 く筋 疲 労 を起 こす ま で動 作 を繰 り返 して み る こ と も一 計 で あ る.   そ の 際 に,動

きの 大 き い 関 節 周 りの 筋 に 目を 奪 わ れ て し ま う こ とや,筋 負 担 に

お け る 先 入 観 に対 して 注 意 し な け れ ば な ら な い.た 棚 に入 れ る際 の 筋 負 担 を と ら えた い場 合,腰

と え ば,床 の 物 体(負 荷)を

部 だ け の 筋 電 図 か ら評 価 す る こ と は

危 険 で あ る.負 荷 を担 う た め に 膝 関節 を 中 心 と し た 下 肢 の 筋 群 も,上 肢 や肩 の 筋 群 もか か わ る か らで あ る.も

し,膝 の伸 筋 群 を 効 果 的 に 使 っ て い れ ば,あ る い は

上 肢 や 肩 の 筋 力 が 強 け れ ば,負 荷 が 重 くな っ て も,棚 の 位 置 が 高 くな っ て も,腰 部 の 筋 活 動 量 は変 わ ら な い こ と もあ り得 る.   一 方,筋

電 位 は 導 出 チ ャ ンネ ル 数 が 少 な い 方 が 計 測 も解 釈 も楽 だ が,導

出す る

被 験 筋 を 絞 りす ぎ る と,一 見 して 同 じ動 作 で も筋 の 使 い 方 に個 人 差 が あ る場 合 に は対 処 で き な くな る.た

と え ば,椅 子 か らの 立 ち 上 が り動 作 に お け る膝 関節 伸 筋

群 の 筋 負 担 を と ら え た い 場 合,外

股 ぎみ で 立 ち上 が る場 合 と,内 股 ぎみ で立 ち 上

が る 場 合 で は,大 腿 四 頭 筋 の 使 わ れ 方 が 微 妙 に 異 な る.図2.1は,あ

る被験 者が

外 股 ぎ み(つ

ま先 が 外 を 向 い た 姿 勢)で

(つ ま先 が 内 を 向 い た 姿 勢)で

立 ち 上 が る場 合(右

図 か ら一 見 して わ か る よ う に,つ (振 幅)が

立 ち 上 が る場 合(左 側)の

側)と,内

股 ぎみ

筋 活 動 パ タ ー ンで あ る.

ま先 が 外 を 向 い て い る 場 合 は 内 側 広 筋 の 活 動

大 き く,つ ま先 が 内 を 向 い て い る場 合 は外 側 広 筋 の 活 動 が 大 き い傾 向

に あ る.も

し,1つ

の 筋 だ け か ら筋 電 位 を 導 出 して い た と した ら,こ の 相 違 は 観

察 で きな い の で あ る.

図2.1  椅 子 か らの立 ち 上 が り動 作 時 に お け る筋 活動 パ ター ン

2 正 規化 の方 法 を考 えて お く   筋 電 図 か ら筋 活 動 の オ ン ・オ フや 活 動 パ ター ン を検 討 す る だ け な ら,原 波 形 そ の ま ま を 用 い て も構 わ な い.し 測 し た場 合,筋 す る.な

か し,異

な る 被 験 者,異

活 動 量 の 計 算 値 を個 人 間,筋

ぜ な ら,個 人 間,筋

な る 筋,異

なる電極 で計

間 で 直接 比 較 す る と きに は 注 意 を 要

間 で 皮 下 脂 肪 の 厚 さ,皮 膚 イ ン ピー ダ ンス な ど が 異

な る と,筋 線 維 レベ ル で 発 生 して い る 電 位 は 同 じだ と して も,電 極 レベ ル で 記 録 さ れ る 電 位 は異 な る か ら で あ る.し

た が っ て,あ

る 筋 活 動 量 を,基 準 と な る筋 活

動 量 に対 す る 割 合 で 示 す 正 規 化(規

格 化,基

準 化,標

準 化,相

対 値 化 と も い う)

とい う作 業 が 必 要 に な る.正 規 化 の 方 法 に は そ れ ぞ れ 長 所 短 所 が あ り,ど の 正 規 化 法 を用 い る の か,筋

電 図 を 検 討 す る 目的 に よ っ て あ らか じめ 決 め てお か な け れ

ば な らな い.   代 表 的 な正 規 化 法 は,あ (Maximal

Voluntary

100%MVC法

る 動作 局 面 の筋 活 動 量 を 対 象 と な る筋 の 最 大 随意 収 縮

Contraction:MVC)時

で あ る.図2.2に,100%MVC時

よび15%MVCに

の 筋 活 動 量 に対 す る割 合 で 示 す の 筋 活 動 量,そ

相 当す る筋 活 動 量 の イ メ ー ジ を示 した.た

の50%MVCお

だ し,MVCの

発揮

は,不 慣 れ な 被 験 者 に は む ず か しい の で,休 憩 を入 れ な が ら練 習 を行 い,さ 実 際 の 計 測 も2,3回 随 意 収 縮 は,ま

繰 り返 し,バ

ラ ツ キ が 小 さい こ と を確 認 す る.ま

らに

た,最 大

さ に 随 意 的 な 最 大 努 力 の も とに 出 力 さ れ る もの なの で,生 理 的 に

は も っ と 出力 で き る の に知 らず 知 らず の う ち に抑 制 し て し ま う,つ ま り最 大 筋 力 を 出 し切 れ て い な い とい う心 理 的 限界 の 問 題 が つ き ま と う.ま た,高 齢 者 を対 象 とす る場 合 な ど,最 大 値 を求 め る こ と に危 険 を伴 う場 合 に は 適 さ な い .   筋 出 力 と筋 活 動 量 の 関係 は,ほ ぼ 線 形 性(直 が10%以

下 の よ う に低 い 場 合 と90%以

線 性)が

保 た れ て い るが,筋

出力

上 の よ うに 高 い 場 合 で は,線 形 性 が 崩 れ

図2.2  筋 出 力 と筋 活 動量 の 相対 的 イ メー ジ

図2.3  筋 出力 と筋活 動 量 の 関係(一 般 的 概 念 図)

る 局 面 が あ る(図2.3).ま

た,こ

のS字 状 の カ ー ブ の 形 は,小 筋 群 と大 筋 群 で は

異 な る 場 合 も あ る.い ず れ に し ろ,100%MVC時 打 ち)を 起 こ して い る の で,よ 量 を2倍

の筋 活 動 量 は レベ ル オ フ(頭

り正確 に正 規 化 す る た め,50%MVC時

した値 を基 準 値 とす る50%MVC法

の筋 活 動

も あ る.た だ し この 方 法 も,心 理 的

限 界 の 問 題 は拭 え な い.   心 理 的 限 界 の 問 題 を 払 拭 す る た め に,最 大M波

法 もあ る.こ れ は,最 大 上 の 電

気 刺 激 を対 象 と な る 筋 を 支 配 す る神 経 束 に与 え,そ れ に よ って 現 れ る誘 発 筋 電 位 反 応(こ

れ を 最 大M波

と呼 ぶ)の

振 幅 を基 準 値 とす る 方 法 で あ る.た だ,神 経 束

を 最 大 上 で 電 気 刺 激 で きる 環 境 とテ ク ニ ッ クが 必 要 と な る の で,一

般 的 とは い え

な い.   正 規 化 法 の も う1つ の代 表 例 は,動 作Aの

と きの 筋 活 動 量 を動 作Bの

活 動 量 に対 す る 割 合 で 示 す とい う課 題 間 比 較 法 で あ る.た に 示 した 筋 電 図 か ら,つ

と え ば,前

と きの 筋 述 の 図2.1

ま先 が 外 の と きの 筋 活 動 量 をつ ま先 が 内 の と きの筋 活 動

量 に対 す る割 合 で 示 せ ば よい の で あ る.た だ しこ の 方 法 で は,筋 力 な どの個 人 の 能 力 差 な ど に言 及 す る こ と は むず か し くな る.

3  同期させる力学的信号を考えておく   動 作 時 の 筋 負 担 や 動 作 特 性 な どの 計 測 ・評 価 の た め に筋 電 位 を 記 録 す る 際 に は,動 作 と の 整 合 性 を保 つ た め,力 学 的 信 号(動 作 の 情 報)を て お く こ とが 必 要 で あ る4).た

同 期 させ て 記 録 し

と え ば,ビ デ オ な どに よ る 画 像,関

節角 度計 な ど

に よ る屈 曲 ・伸 展 な どの 動 作 方 向,力

量 計 や フ ォー ス プ レ ー トな ど に よる 出力,

反 応 の 開 始 時 点 や 歩 行 動 作 の 離 着 床 時 点 に お け る ス イ ッチ 信 号 な どの な か か ら, 必 要 な力 学 的信 号 を筋 電 位 と合 わ せ て記 録 して お け ば よ い.各 筋 の 活 動 が 動作 の どの 局 面 にか か わ る もの な の か を同 定 で き る よ うに し な け れ ば,被 験 者 間,被 験 筋 間,動 作 間 な ど の条 件 で 比 較 す る こ とが む ず か し く な る の で あ る.図2.1で

は,

膝 関 節 に 取 り付 け た 角 度 計 の 出力 も示 し,立 ち上 り開 始 時 と立 ち上 が り完 了 時 が 判 別 で き る よ うに な って い る.   一 方,ビ

デ オ 画 像 の信 号 の サ ンプ リ ン グ レー ト(サ ン プ リ ング 周 波 数)は一

的 に30∼60Hz,高 1000Hz以 じる.こ

速 度 カ メ ラ で200Hzな

般

どで あ り,筋 電 位 の サ ン プ リ ン グ は

上 が 望 ま し く(詳 し くは 後 述),両

者 を合 わ せ て 記録 す る に は 問 題 が 生

の よ う な場 合 に は,ビ デ オ画 像 と筋 電 図 の 両 者 に 同 期 信 号 を記 録 して お

き,解 析 時 に デ ー タ の補 間 な どに よ っ て 時 間軸 を 合 わせ る よ う に す る こ とが 現 実 的 で あ ろ う.   ま た,筋 電 図 と力 学 的 信 号 を 同 期 させ て み る と き,筋 放 電 開 始 か ら力 学 的信 号 の 変 化 開 始 ま で の 時 間 遅 れ で あ る 電 気 力 学 的 遅 延(ElectroMechanical EMD)が

あ る こ と を知 っ て お くべ きで あ る.つ

Delay:

ま り,筋 収 縮 が 開 始 され,筋 張 力

が 生 じ,自 重 や 初 期 張 力 に勝 って 張 力 信 号 や 角 度 信 号 が 変 化 し出 す ま で,あ

るい

は 筋 放 電 が 停 止 して 張 力 信 号 や 角 度 信 号 の 変 化 も収 束 す る まで に は,約30∼ 100msのEMDが

存 在 す る の で あ る.こ

下 肢 な ど の大 筋 群 で は 長 い.ま

た,筋

のEMDは

手 指 な ど の 小 筋 群 で は 短 く,

収 縮 速 度,運

動 制御 能 力 な ど の個 人 差 に よ

  反 応 時 間課 題 に お け る筋 電 図 と力 量 計 の 信 号,さ

らに ス イ ッチ信 号 の 時系 列 パ

って も異 な る.

タ ー ン を 図2.4に 示 し た.筋 Time:EMG‐RT)はPreMotor れ る こ と も あ る.機 EMG‐RTとEMDの が み られ,EMDが

電 図 反 応 時 間(ElectroMyoGraphical Time(PMT),EMDはMotor

械 的 反 応 時 間(Mechanical 合 計 値 と な る.つ

Reaction

Time(MT)と

Reaction

呼ば

Time:M‐RT)は,

ま り,反 応 刺 激 に対 して 筋 電 図 上 に筋 活 動

あ っ て か ら力 量 計 の信 号 が 立 ち上 が る.さ

力 が発 揮 さ れ て か らス イ ッチ ン グが 開 始 さ れ るが,こ

らに,あ

る程 度 の

の 時 間差 は計 測 に 用 い る ス

図2.4  反応 時 間 課 題 の筋 電 図

イ ッ チ の 応 答 特 性 に よ る.た 用 い る と,当

と え ば,バ

ネ の 強 い,ス

トロー ク の 長 い ス イ ッチ を

然 こ の 時 間 差 は 延 長 す る の で あ る.

4  筋電図活用の方向性について   筋 電 図 は 通 常,ど

の よ う に 活 動 が み られ る か,ど

期 待 して用 い られ る こ とが 多 い.し

れ く らい 活 動 が み られ る か を

か し なが ら,ど れ く らい 活 動 が み ら れ な い か

とい う こ と に焦 点 を あ て て 筋 電 図 を利 用 す る こ と も あ る.た や 光 に 変換 し て,過

緊 張 状 態 を認 識 させ,音

頼 りに リラ ッ ク ス状 態 へ 誘 導 す る方 法(バ

が しな い,あ

と え ば,筋 電 位 を音

る い は光 ら な い こ と を

イ オ フ ィー ドバ ッ ク法)が

あ る.ま た,

動 作 学 習場 面 に お い て,円 滑 な動 作 遂 行 を 阻害 す る無 駄 な力 を認 識 させ る た め に, 無 駄 な 筋 活 動 を 筋 電 図 に して み せ,そ

の 無 駄 な力 を抜 くよ うに ア ドバ イ ス す る こ

と も有 効 で あ る場 合 が あ る.   図2.5に,肩 板 筋 群(棘

の 外 旋 動 作 にお い て,イ

上 筋,棘

し た(右 側).こ

下 筋,小

円筋)を

ン ナ ー マ ッス ル と呼 ば れ る深 層 に あ る腱 選 択 的 に活 動 させ て い る場 面 の 筋 電 図 を示

の 図 の 筋 電 位 波 形 は全 波 整 流 した もの で あ る.五

十肩 やス ポー

ツ障 害 な ど リハ ビ リ トレ ー ニ ン グ初 期 で は,三 角 筋 な ど の ア ウ タ ーマ ッス ル を活 動 さ せ な い で,イ

ンナ ー マ ッス ル を 選 択 的 に 活 動 させ る レベ ル の 低 負 荷 ト レー ニ

ン グ が 必 要 と さ れ て い る5).た だ,図2.5に

示 した イ ンナ ー マ ッス ル の 筋 電 位 は,

筋 内 に埋 入 させ る ワ イ ヤ ー 電 極 を 用 い な い と導 出 で きず,当 然,侵 襲 的 な計 測 とな る.し か し,ア ウ ター マ ッス ル だ け か ら筋 電 位 を導 出 して,筋

活 動 が み られ な い

の に 筋 出力 が み られ る低 い負 荷 レベ ル で トレー ニ ン グ を行 え ば,結 果 と して そ れ は イ ンナ ー マ ッ ス ル の 選 択 的 トレー ニ ン グ に な っ て い る の で あ る6).

図2.5  肩 の低 負 荷 トレー ニ ングに お け る筋 活動 パ ター ン

  こ の よ う に,筋 活 動 が み られ な い こ と に焦 点 を あ て て 筋 電 図 を 利 用 す る 際 に重 要 な こ と は,微 妙 な筋 活 動 量 を取 り扱 うの で,よ

りノ イ ズ レ ス な 筋 電 図 を得 る こ

とに 労 を 惜 し ま な い よ う に しな け れ ば な ら な い.い ず れ に して も,計 測 を 始 め る 前 に,な

ぜ 筋 電 位 を 計 測 す る の か,ど

の よ うに 筋 電 図 を活 用 す る の か,ど

のよう

に解 析 お よ び評 価 す る の か を十 分 に 吟 味 して お くべ きな の で あ る.

2.2  記録方法 の選定 と設定   電 極,増

幅 器 お よ び記 録 器 の選 定 や 設 定 を行 う前 に,筋 電 図 を どの よ うに 役 立

て る の か を よ く考 え て お か な け れ ば な ら な い.た

と え ば,①

筋 放 電 開 始,持

続,

停 止 をみ て,動 作 に 関 与 す る 筋 が 活 動 して い るか 否 か(オ 動 順 序 な どの 筋 放 電 パ タ ー ン を検 討 す る,②

ン ・オ フ)や 各 筋 の 活

どの 程 度 使 われ て い るか な ど の 定 量

的 解 析 をす る,③ あ る い は筋 電 図 の周 波 数 解 析 も行 う,な どの 目的 が 考 え られ る. こ れ は,筋 電 図 解 析 の 目 的 に よ っ て 用 い る 電 極 の 種 類 が 異 な る だ け で な く,増 幅 器 の 設 定 もい ろ い ろ で あ る か ら で あ る.具 体 的 に は 後 述 す る が,要 す る に,手 持 ち の 機 器 に よ っ て研 究 の 目的 と 内 容 が 制 限 され る場 合 も あ り,逆 に,研 究 の 目的 と 内 容 に よ っ て は 高 機 能 の機 器 で な くて も用 が足 りるの で あ る.

1  電極   電 極 や 増 幅 器(生 か に よ っ て,用

体 ア ン プ)に は,多

くの 種 類 が あ る.筋 電 図 を ど う解 析 す る

い る機 種 を 選 ぶ こ とが で き る.で

密 に筋 電 位 を導 出 す る に こ した こ と は ない が,そ

きれ ば 高精 度 の 機 種 を用 い,精 の 環 境 に 恵 まれ て い な くて も,

限 界 を わ き ま え れ ば 筋 電 位 の 導 出 をあ き ら め る必 要 は な い.ま

た,PCに

搭載 さ

れ た波 形 解 析 ソ フ トに フ ィ ル タな ど の機 能 が 充 実 して い れ ば,高 機 能 の生 体 ア ン プ で な くて も解 析 に耐 え る筋 電 図 を得 る こ とが 可 能 で あ る.   電 極 の 種 類,電

極 間距 離,フ

ィ ル タ設 定 な どに よ る波 形 へ の 影 響 の 詳 細 は,論

文 や 成 書4,7,8)にあ る の で 割 愛 す る が,第7章 Electromyography for Reporting

and EMG

Kinesiologyの

Data」

で 詳 し く述 べ る よ うに,Journal

of

巻 末 に 記 載 され て い る記 述 「Standards

に は 一 度 目を 通 して お く こ と を勧 め る.こ

こ で は,

基 本 の 設 定 の み を簡 単 に 記 して お く.   一 般 に,電 極 直 径 や 電 極 間 距 離 が 長 くな る と,高 い周 波 数 帯 域 の 筋 電 図 を記 録 しづ ら くな り筋 電 位 波 形 が 平 坦 化 す る,あ が 混 入 す る危 険 性 が 高 くな る.た

る い は隣 接 す る筋 か らの ク ロ ス トー ク

だ し,あ る 程 度 長 い 方 が,対

象 と な る 筋 の 全体

的 な 筋 活 動 を導 出 で き,筋 線 維 方 向 に 対 す る 電 極 の わ ず か な ズ レの 影 響 を抑 え ら れ る.逆

に,電 極 直 径 が 小 さす ぎる と皮 膚 と電 極 との接 触 イ ン ピー ダ ンス(接

抵 抗)が

増 え,ノ

触

イ ズ を多 く含 ん だ 波 形 に な っ た り,電 極 間 距 離 が 短 す ぎる と発

汗 に よ っ て2極 が 短 絡 して し ま う こ と もあ る.そ 動 電 極(図2.6(a),(b))を

用 い る 際 は,露

こ で現 在 の と こ ろ,一 般 的 な受

出 金 属 部 の 直 径5∼10mmの

電極を

図2.6  電 極 の種 類

用 い,電

極 中 心 間 距 離 を10∼20mmと

す る の が 標 準 で あ る.下 肢 な どの 大 筋 群

か ら筋 電 位 を導 出 す る 際 は,直 径,間

隔 と も に大 き い電 極 を用 い て 構 わ な い.し

か し,手 指 な どの 小 筋 群 か ら導 出 す る際 は小 さな 電 極 を用 い る こ と を勧 め る.   市 販 され て い る デ ィス ポ ー ザ ブ ル 電 極 で は,皮 小 さい も の で20mm,導

膚 と の 接 着 部 を 含 め た 直 径 が,

通 部 も小 さい もの で 直 径12mmで

あ る(図2.6(c)).こ

の 種 の 電 極 は 着 脱 が 便 利 で あ り,接 触 面 積 が 大 き く抵 抗 が 小 さ くな るの で,ノ イ ズ 成 分 が 少 な い波 形 を得 る こ とが で き る.し か しな が ら,必 然 的 に 電 極 間距 離 が 大 き くな る こ とに よ る 問 題 や,ク

ロス トー クの 問 題 が 生 じや す い の で,前 腕 や 手

指 な どの 小 筋 群 に は避 け た 方 が よい.   能 動 電 極 は 金 属 バ ー が10mm間

隔 で 並 ん で い る も の が 多 い(図2.6(d),(e)).

実 際 に 使 っ て み る と非 常 に便 利 な 電 極 で あ る.能 動 電 極 は ア ンプ 部 分 を 含 め 商 品 化 が 進 み,小

型 軽 量 化 を 中 心 に ま だ ま だ進 化 中 で あ る.ま た,多

イ 電 極(図2.6(f))で る.

は,筋 電 位 の伝 播 パ ター ン(図3.4参

照)を

チ ャンネルア レ 探 る こ とが で き

2 増幅器の感度  多 用 途 筋 電 計 は,以

前 は大 型 冷 蔵 庫 の よ う な 大 き さ で あ っ たが,小

な され て きた(図2.7).今

型軽量 化が

後 は 電 極 と一 体 化 され た り,身 体 に装 着 す る ウ ェ ア ラ

ブ ル タ イ プ や,無 線 タ イ プ の普 及 が 期 待 さ れ る.

図2.7  生 体 信 号計 測 装 置 の 変遷

  増 幅 器 の感 度(ゲ

イ ン),時

定 数 お よ び フ ィル タ は,表

面 筋 電 位 の特 性 を 考 慮

して 設 定 し な け れ ば な ら な い,筋 内 で 発 生 した 電 位 は,皮 下 の 組 織 を伝 導 して 体 表 に 到 達 す る ま で に1/1000以 き さ は 数 十 μV∼ 数mVほ

下 に 減 衰 す る とい わ れ,体

どで あ る.こ

れ を100∼10000倍

シ ロ ス コ ー プ や ペ ン レ コー ダ な ど の 記 録 器 上 で1mV/cm程 を調 節 す る.ま

表 で得 ら れ る 電 位 の 大 に 増 幅 し,通 常,オ 度 に な る よ う に,感 度

た,計 測 を始 め る 前 に,校 正(Calibration:CAL)ス

イ ッチ を

操 作 して,校 正 値 を記 録 し てお く.校 正 値 が な い と,筋 電 位 振 幅 の 絶 対 値 を 計 算 した り比 較 し た りす る こ とが で きな くな る.増 お け ば,計

幅 器 や 記 録 器 の ゲ イ ン を記 録 して

算 に よ っ て絶 対 振 幅 値 を求 め る こ と も原 理 的 に は可 能 で あ るが,往

々

に して こ の よ う な 記 録 を 紛 失 した り,記 録 が あ い まい に な っ た りす る の で,校 正 値 の 記 録 は習 慣 と して 身 につ け るべ きで あ る.

3 周波数特性   周 波 数 特 性 の う ち,帯

域 通 過 の 下 限 周 波 数 は時 定 数 で 表 現 さ れ る こ とが 多 い.

時 定 数 τ〔s〕 か ら遮 断 周 波 数fc〔Hz〕へ の 変 換 式 はfc=1/(2π τ)であ る.時 定 数 の 設 定 で は,表

面 筋 電 図 の周 波 数 成 分 は5∼500Hzに

標 準 的 に は0.03sを 用 い る.0.03sで

分 布 す る と い わ れ て い る の で,

は,5.3Hz以

下 が カ ッ トさ れ る こ と に な る.

時 定 数 の 設 定 機 能 が な く,ハ イ パ ス フ ィル タ(低 域 遮 断 フ ィ ル タ,ロ

ー カ ッ トと

表 示 さ れ る こ と もあ る)機 能 を もつ 機 種 で も,表 面筋 電 図 の 周 波 数 帯 域 を参 考 に 設 定 す れ ば よい.   ロ ーパ ス フ ィル タ(高 域 遮 断 フ ィ ル タ,ハ 1kHz以

上 が 望 ま し い.一

方,ア

ナ イ キ ス トの 定 理 に よ り,サ

イ カ ッ ト)に つ い て は,標 準 的 に は

ナ ロ グ ／ デ ジ タル(AD)変

換 す る 場 合 に は,

ンプ リ ン グす る観 測 信 号 の 最 高 周 波 数 成 分 が,サ

プ リ ン グ周 波 数 の 半 分 以 下 で な け れ ば な らな い.そ

ン

うで な い と,元 の信 号 の 周 波

数 成 分 と異 な る 周 波 数 の パ ワ ー が 現 れ る こ とに な る.こ れ は エ イ リア ス と呼 ば れ る.エ

イ リア ス と は,「 別 名,偽

名 」 の 意 味 で あ る.こ

こ で は,ア

ナ ロ グ 的 な連

続 信 号 を デ ジ タル 的 な 離 散 値 に 不 十 分 に サ ン プ リ ン グ した 場 合 に 現 れ る,も

との

デ ー タ に は含 まれ て い な い周 波 数 パ ワ ー の虚 像 成 分 の こ とで あ る.   そ れ で は,サ は,フ

ン プ リ ン グ周 波 数 を どの程 度 に設 定 す れ ば よい か で あ る が,こ れ

ィル タ の 減 衰 の 傾 き(dB/Octave)と,そ

ワー が あ るか に 依 存 す る.高 域 遮 断1kHzで,サ まっ た く問題 は な い が,そ

も そ も元 の信 号 に どれ だ け の パ ン プ リ ン グ 周 波 数5kHzな

れ で は デ ー タ の 量 が 多 くな るの で,も

らば

っ と低 いサ ンプ

リ ン グ周 波 数 で も よ い.実 際 に 表 面 筋 電 図 の場 合 は,そ の 周 波 数 成 分 は5Hzか 500Hzま

で とい わ れ て い る の で,高

域 遮 断1kHz,サ

ンプ リ ン グ周 波 数2kHzが

よ く用 い られ て い る.た だ し,こ こ で 遮 断 周 波 数1kHzと ィ ル タに よ り減 衰 が 始 ま る周 波 数 で あ って,入

ら

い う の は,あ

力 信 号 に よ っ て は,そ

くま で フ

れ 以 上 の周

波 数 に お い て もだ ん だ ん 弱 くな りなが ら も信 号 の パ ワ ー が 残 っ て い る可 能 性 が あ

る.そ

の 場 合 に は,単 純 にサ ン プ リ ン グ周 波 数 を倍 の2kHzと

が 生 じる.い

ず れ に して も,一 度,サ

す る とエ イ リ ア ス

ン プ リ ング した筋 電 位 信 号 を周 波 数 変 換 し

て,ど の よ う な周 波 数 成 分 を 含 ん で い るか を確 認 して お くこ とが 望 まれ る.

4  入 力イ ン ピーダ ンス   増 幅 器 の 選 定 に あ た っ て は,入 力 イ ン ピー ダ ン ス が 重 要 で あ る.増 幅 器 の 入 力 側 に 電圧 を加 え た と きに,ど で あ る.イ

れ だ け 電 流 が 流 れ る か の 比 率 が 入 力 イ ン ピー ダ ンス

ン ピー ダ ンス は 電 気 抵 抗 を一 般 化 した もの で,電 圧 と電 流 が 比 例 す る

抵 抗 要 素 に加 えて,コ

ンデ ンサ や コイ ル な どの 位 相 変 化 を含 ん で い る.増 幅 器 の

場 合 に は,抵 抗 成 分 と コ ンデ ンサ に よ る電 気 容 量 が 並 列 に結 合 され た もの とみ な して よ い の で,何

メ ガ オ ー ム(MΩ),何

  オ ー ム の 法 則 に よ っ て,体

ピ コ フ ァラ ド(pF)の

よ う に表 示 され る.

内 で 発 生 した 電 位 変 化 は 直 列 に接 続 さ れ た皮 膚 抵 抗

と増 幅 器 の 入 力 抵 抗 に 分 配 され る.ま た,交 流 成 分 につ い て は 電 気 容 量 の 大 き さ が 影 響 す る.入 力 抵 抗 が 皮 膚 抵 抗 に比 べ て 小 さ く,入 力 容 量 が 大 き い と,体 内 で 発 生 した 電 位 変 化 の 多 くが 皮 膚 側 に加 わ り,増 幅 器 で 検 出 され る 電 圧 は小 さ くな る.こ

こ で,皮 膚 イ ン ピー ダ ン ス は状 況 に よ っ て 変 化 す る こ と に も注 意 が 必 要 で

あ る.以 上 の こ とか ら,筋 活 動 を 正 し く取 り出 す に は 増 幅 器 の 入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス は で き るだ け大 き い 方 が よ い.   一 般 的 な生 体 増 幅 器 の 場 合 に は,入 力 イ ン ピー ダ ンス の 抵 抗 成 分 は10∼100 MΩ 程 度 の も の が 多 い.装

置 に よ っ て はマ ニ ュ ア ル をみ て も,入 力 イ ン ピー ダ ン

ス が 明 記 され て い な い こ と もあ る.増 幅 器 入 力 イ ン ピ ー ダ ンス は簡 単 な テ ス タ ー で 計 測 で き る よ う な もの で は ない の で,そ の よ う な場 合 に は メ ー カ ー に確 認 す る 必 要 が あ る.

5  同相除去比   増 幅 器 の 特 性 を表 す 指 標 の1つ Ratio:CMRR)が

と して 同 相 除 去 比(Common

あ る.理 想 的 な差 動 増 幅 器 の場 合,2つ

Mode

Rejection

の 入 力 端 子 間 に発 生

す る電 位 差 だ け を 増 幅 し,ア ー ス に対 して2つ の 入 力 端 子 に 同 じ振 幅 で 入 力 され

た 電 位 は 増 幅 され ない.し

か しな が ら,実 際 に は,こ

の 同相 成 分 の 電 圧 も出 力 に

幾 分 か の影 響 を及 ぼす.   た と え ば,2つ

の 入 力 端 子 間 の 電位 差 が1mVで

の 信 号 が 出 力 さ れ た とす る.こ に1Vの

これ を1000倍

れ と 同 時 に,同 相 成 分 と して ア ー ス と入 力 端 子 間

電 位 差 が あ り,そ の 成 分 が 出力 端 で0.1Vと

相 除 去 比 は,出

力 端 で の 値 を 同 じ1Vと

差 動 成 分1mVな

の で,10/0.001=10000と

と,20log104dB=80dBと

に増 幅 して,1V

して,入

して 出 力 さ れ た とす る と,同 力 端 に換 算 して 同 相 成 分10V,

な る.こ

れ を デ シベ ル 〔dB〕 で 表 す

な る.

  同 相 除 去 比 は,増 幅 器 に 固有 の 特 性 で,装 置 を購 入 して し ま っ た ら変 更 し た り 設 定 で き る も の で は な い の で,あ

くま で購 入 す る 前 の 目安 で あ る.ま

た,同 相 除

去 比 だ け で 装 置 の性 能 が 規 定 さ れ るわ け で は な い の で,数 値 そ の もの よ り も,自 分 が 普 段 使 用 す る 環 境 下 で,筋

電位 が 正 常 に計 測 で き れ ば,さ

ほ ど気 に す る必 要

も な い で あ ろ う.た だ し,重 要 な特 性 の1つ な の で,値 が 不 明 な場 合 に は メ ー カ ー に 問 い 合 わ せ て確 認 して お くの が よ い .特 に,メ

ー カ ー に よ っ て は カ タ ロ グや

マ ニ ュ ア ル に,こ の よ うな 数 値 が 記 載 さ れ て い ない こ とが あ る.

6  記録器   ひ と昔 前 は,記 録 方 法 とい う とオ シ ロ ス コ ー プ に表 示 され た 筋 電 位 波 形 を写 真 に撮 り,振 幅 を ノ ギ ス な どで 直 接 計 測 し,評 価 して い た.あ

る い は,ペ

ンレコー

ダ を用 い て 記 録 紙 に 画 か れ た 筋 電 位 波 形 を計 測 ・評 価 して い た.最 近 は 筋 電 位 信 号 をす ぐ にAD変

換 してPCに

取 り込 み,解

析 ソ フ トに よ りほ ぼ リ ア ル タイ ム で

計 測 ・評 価 で きる よ う に な っ た.電 極 が 正 確 に貼 付 さ れ,増 幅 器 の 設 定 も適 切 で あ れ ば,こ

の 方 法 で な ん ら問 題 は な い が,AD変

リー ズ)す

る こ と も皆 無 で は な い.何

学 習 効 果 を検 討 す る場 合 な ど1回1回

換 中 にPCが

ハ ン グ ア ップ(ブ

度 も試 技 を 繰 り返 せ る場 合 は 必 要 な い が, の 試技 に 重 要 性 が 高 い と き は,一

度デ ー タ

レ コー ダ に精 度 よ く記 録 して お く こ と を勧 め る.   AD変

換 の 際 の サ ン プ リ ン グ 周 波 数 に 関 して は,も

し 「3.2平 均 振 幅 」 で 詳 述

す る よ う な振 幅 情 報 の 定 量 的 評 価 を した い の な ら ば,で

きれ ば2kHz以

上,少

な

く と も1kHz以

上 で 行 う必 要 が あ る.周

波 数 解 析 を した い の な らば,前

位 信 号 の周 波 数 特 性 や 増 幅 器 の 設 定 を考 慮 し,で き れ ば5∼10kHz,少 2kHzで

記 録 で きる 環 境 が 必 要 で あ る.逆

て い るか 否 か)だ

述 の筋電 な くとも

に,関 与 す る 筋 の オ ン ・オ フ(活 動 し

け を モ ニ ター し,力 学 的 信 号 の 検 討 を 主 に行 う場 合 に は,あ

り勧 め られ な い が,力 学 的 信 号 を記 録 す る 際 の500Hz以

ま

下 で 筋 電位 信 号 もAD変

換 して し ま う前 例 もあ る.   ペ ン レ コー ダや オ シ ロ ス コ ー プ は も う必 要 な い と思 い 込 む こ と は 早 計 で あ る. 筋 電 位 記 録 中 は,ど の よ う な ア ー チ フ ァ ク トが,ど る か 予 測 で き な い.常

の よ うな タ イ ミ ン グ で 混 入 す

に,原 波 形 をモ ニ ター し,導 出 さ れ て い る筋 電 位 波 形 が 解

析 に耐 え られ る もの か,シ

グ ナ ル対 ノ イ ズ 比(Signal

to Noise

は 十 分 か,高 い 筋 電 位 が 出 現 した と き に振 り切 れ な い か(オ

ratio:S/N比)

ー バ ー しな い か)な

ど を,目 を 光 らせ て チ ェ ッ ク して お くべ きで あ る.そ の 手 段 と して,こ れ まで は ペ ン レ コ ー ダあ る い は 周 波 数 応 答 特 性 の 優 れ た サ ー マ ル ア レイ レ コ ー ダ な ど を活 用 す るの が 一般 的 で あ っ た.こ

れ か ら は デ ジ タル オ シ ロ ス コ ー プ や 波 形 解 析 ソ フ

トの オ シ ロス コー プ機 能 を用 い る方 法 が 一 般 的 に な る で あ ろ う(図2.8).   最 後 にペ ン レ コー ダ や オ シ ロス コ ー プ の 設 定 で あ るが,増

図2.8  記 録機 器 の 変遷

幅 器 の 設 定 と は別 で

あ る.筋

電 位 波 形 の 表 示 速 度(ペ ー パ ー ス ピー ド)は,5∼25mm/s程

度 が標 準

的 で あ る.こ れ らの 感 度 は,表 示 す る チ ャ ンネ ル 数 な ど を考 慮 して み や す い よ う に 設 定 して 構 わ な い.

2.3  電 極 の 貼 付   よ う や く電 極 を貼 付 す る段 で あ る.た

だ し,実 際 に計 測 を始 め る前 に,ま だ ま

だ 下 準 備 が 必 要 で あ る.ま ず,電 極 貼 付 の 位 置 を 決 め る た め に,神 経 筋 接 合 部 の 位 置 と筋 線 維 の 走 行 方 向 を確 認 しな けれ ば な らな い.次

に,ノ

イ ズ を 少 しで も低

減 させ る た め に,皮 膚 抵 抗 を低 減 させ る た め の処 理 を しな け れ ば な らな い.さ に ア ー ス 電 極 を 貼 付 す る 位 置 を決 め,そ

ら

の位 置 の 皮 膚 抵 抗 も低 減 させ な け れ ば な

らな い.

1  神経支配帯を探す   まず,筋

電 位 を 導 出 した い 筋 の ど こ に 電 極 を 貼 付 す る か で あ る.こ れ ま で は,

電 極 の 貼 付 位 置 は 筋 腹,あ

る い は運 動 点(モ

ー タ ー ポ イ ン ト:一 定 強 度 の 経 皮 的

電 気 刺 激 に よ っ て 最 大 の 筋 収 縮 が 得 られ る 点)と

して い る 場 合 が 多 い.し か し,

運 動 点 は神 経 終 末(神 経 筋 接 合 部)が 筋 に付 着 して い る部 分,つ に あ た り,筋 腹 付 近 に 分 布 して い る.仮 の 電 極 を貼 付 して し ま う と,図2.9に 位)へ

ま り神 経 支 配 帯

に,神 経 筋 接 合 部 を挟 ん で等 距 離 に2つ

示 し た よ う に,接 合 部 か ら両 側(近

筋 内 を伝 播 す る電 位 が お 互 い を相 殺 して 記 録 され,振

位 と遠

幅 が 小 さ い,あ

図2.9  神 経 筋接 合 部 と電 極 との位 置 関 係 に よ る筋 電位 波 形 の違 い

るい

は 平 坦 な 波 形 に な っ て し ま う9).し た が っ て,筋 腹 付 近 で,2つ

の電 極 で 神 経 筋

接 合 部 を挟 ま な い よ う に貼 付 す る よ うに 注 意 を払 うべ きで あ る.   とは い っ て も,神 経 支 配 帯 が 視 認 で き る わ け で は な い.厳 密 に い え ば,多 チ ャ ン ネ ル ア レイ 電 極(図2.6(f))を

用 い て 神 経 筋 接 合 部 を 同 定 した り,電 気 刺 激 に

よ り運 動 点 を 同 定 した り,あ る い は神 経 筋 接 合 部 は皮 膚 抵 抗 値 が 低 い の で皮 膚 抵 抗 を 調 べ て最 も低 い部 位 を 同定 し な け れ ば な ら ない.し ャ ンネ ル ア レ イ電 極,電

気 刺 激 装 置,皮

か しなが ら,通 常 は 多 チ

膚 抵 抗 計 が な い 場 合 の 方 が 多 く,実 際 に

行 う に は テ ク ニ ック も要 す る の で あ る.   そ の よ う な と き に は,筋 腹 付 近 を や や 外 して 思 い き っ て 電 極 を貼 っ て し ま う. た だ し,そ の ま ま 計 測 を始 めず,図2.10に

示 した よ う に安 静 レベ ル の 振 幅 と最 大

筋 出力 時 の 振 幅 の 差 が 十 分 に あ り,筋 出 力 の増 大 と と もに 筋 電 位 振 幅 も増 大 して い る か ど うか を確 か め て お く こ とが 大 切 で あ る.2極 (図2.6(d))を

が 一体 化 され た能 動電 極

用 い る場 合 で も,上 記 の作 業 は 同 様 で あ る.

  さ ま ざ ま な 筋 に お け る神 経 支 配 帯 の 位 置 を,第7章

に 示 した.神 経 支 配 帯 の 位

置 や 分 布 に は個 人 差 が あ る が,実 例 と して参 考 に な る はず で あ る.

図2.10  良好 な筋電 図の 例(筋 出力 の 増大 に伴 う筋 電 位 振 幅 の増 大)

2  筋腹と筋線維方向を確認する   さて,で

は ど の よ う に して 筋 腹 や 筋 線 維 方 向 を み つ け て い くの か.対 象 者 が 筋

肉 質 で あ る 場 合 は わ か りや す い が,形 な い こ とが 多 い.ま

態 的特 徴 に よ っ て は,み

ず は そ の 筋 の 起 始 と停 止(筋

るだ け で は わ か ら

と骨 の 付 着 部),紡

錘筋 で ある

か 羽 状 筋 で あ る か な ど の筋 の 形 状 を解 剖 学 の成 書1∼3)で 調 べ て お く.筋 線 維 の 長

軸 ラ イ ン と2つ の 電 極 の ラ イ ンが ず れ る(角 度 が つ く)と 筋 電 位 波 形 も歪 ん で し ま うか らで あ る.次 に,被 験 者 に筋 を 収 縮 した り弛 緩 した りを繰 り返 して も らい, そ の 筋 の 幅(端)を

手 で 触 りなが ら中 央 部 を確 認 す る.そ

の 筋 幅 の 中 央 部 で,収

縮 させ た 際 に筋 が 最 も盛 り上 が る付 近 に 目印 を つ け,筋 線 維 方 向 に沿 っ て,そ 目印 を挟 ん だ と こ ろ に電 極 を置 く.こ の よ う に,目

の

と手 と知 識 を駆 使 し なが ら電

極 貼 付 位 置 を探 っ て い くの で あ る(図2.11).

図2.11  上 腕 二 頭 筋 に お ける筋 線 維 走行 お よび神 経 筋 接 合 部 の分 布 例 と電極 貼付 例

  さ らに,関 節 角 度 の 変 化 を 伴 う動 的 収 縮 の 際 に は,筋 収 縮 に よ り皮 膚 上 の 電 極 位 置 と神 経 支 配 帯 の 位 置 とが 相 対 的 に ず れ る こ とに よ っ て 影 響 が 出 る10).周 波 数 解 析 をす る場 合 に は 特 に考 慮 しな けれ ば な らな い が,対

処 法 に つ い て は,「1.5ダ

イ ナ ミ ッ ク な 運 動 時 で の 計 測 」 を読 み 返 して ほ しい.

3  皮膚抵抗を低減する  モ ー シ ョ ン ・ア ー チ フ ァ ク トに よ る基 線 揺 れ や 交 流 雑 音 な どの ノ イ ズ 成 分 を抑 え,S/N比

を 高 く保 つ た め に,電 極 貼 付 部 の 皮 膚 抵 抗 を低 減 させ,電 極 と皮 膚 の

接 触 イ ン ピ ー ダ ンス をで き る か ぎ り低 く しな け れ ば な ら な い.皮 膚 抵 抗 の 低 減 に は,昔

は 紙 ヤ ス リな どで 擦 っ て い たが,皮

膚 へ の ダ メ ー ジ もあ る の で,現 在 で は

ほ と ん ど行 わ な い.   受 動 電 極 を用 い る 際 は,コ

ンパ ウ ン ドを混 ぜ た ペ ー ス トが あ る の で,そ れ を脱

脂 綿 な ど につ け て擦 り,ア ル コー ル で よ く拭 く.さ

ら に乾 い た 脱 脂 綿 な どで 乾 か

す な ど,十 分 に 仕 上 げ て か ら電 極 を貼 付 す る.最 近 は 機 器 の 進 歩 に よ り,こ こ ま で で 十 分 に ノ イ ズ レス な波 形 を得 る こ とが で き る.そ れ で も基 線 の揺 れ や ノ イ ズ 成 分 が 残 る場 合 は,プ

リパ レー シ ョン を行 う と よ い.プ

の 先 で,電 極 中 央 部 に あ た る皮 膚 の 表 組 織1枚 程 度 で あ る か ら 当然 なが ら出 血 は しな い.能

リパ レー シ ョ ン と は,針

を 剥 が す 作 業 で あ る.表 組 織1枚

動 電 極 を用 い る 場 合 は,ア ル コ ー ル

で 拭 くだ け で も十 分 で あ る が,念 の た め 皮 膚 処 理 用 の ペ ー ス トな どで擦 る こ とを 勧 め る.

4  電極を固定する   デ ィ ス ポ ー ザ ブ ル タ イ プ 以 外 の 受 動 電 極 で は,カ (高 い 導 電 性 を もつ 糊 状 の もの)を

注 入 す る タ イ プ が 多 い.ペ

な か に 過 不 足 な く注 入 しな け れ ば な ら な い.カ りで も,カ

ップの な かに電極 ペ ー ス ト ー ス トは カ ッ プ の

ップ にす り き り一 杯 注 入 した つ も

ップ の 隅 にペ ー ス トが 詰 ま っ て い な い 隙 間 が あ っ た り,皮 膚 に吸 収 さ

れ た り して,貼

付 後 カ ップ 内 にペ ー ス トが 満 た さ れ て い な い 状 態 に な る と接 触 イ

ン ピ ー ダ ン ス が 大 き くな っ て し ま う.表 面 張 力 が 効 い て い る 状 態 の よ う に,カ

ッ

プ か らペ ー ス トが微 妙 に盛 り上 っ て い る 程 度 が ち ょ う ど よい.   次 に,電 極 を貼 付 位 置 に 置 き,テ ー プ な どで 皮 膚 に 固 定 す る.テ ー プ は サ ー ジ カル テ ー プ な ど,粘 着 力 が 強 くて 薄 い も の を用 い る こ とを勧 め る.各 電 極 に専 用 の 両 面 固 定 シ ー ル を用 い る の も便 利 で あ る.   こ れ で と りあ えず 完 了 で あ る.し か しな が ら,ペ ー ス トが 皮 膚 に な じむ前,つ ま り接 触 イ ン ピ ー ダ ン ス が 落 ち着 く前 に計 測 を始 め て し ま う と最 初 の 筋 電 図 は ノ イ ズ 成 分 が 残 り,基 線 が 太 く な る場 合 が あ る(図2.12).そ 貼 付 後10∼15分

経 て か ら計 測 を 開 始 した 方 が よ い.ま

の よ う な と きに は,

た,確 認 作 業 と して,電

図2.12  受動 電 極 貼付 直 後 の 筋電 図の例(基 線 が比 較 的 太 い)

極 間 抵 抗(電

極 間 イ ン ピー ダ ンス)を

測 定 して お く.一 般 に20kΩ 以 下 で,で

き

れ ば5kΩ 以 下 で あ る こ とが 望 ま しい.機 器 の種 類 に よ っ て は 抵 抗 計 測 機 能 が 付 属 さ れ て い る もの もあ る.

5  アース電極 を貼 る   筋 電 位 を 導 出す る筋 の 直 上 に貼 付 す る電 極 は 導 出 電 極(記 探 査 電 極 と も呼 ば れ る)と ス 電 極(接

録 電 極,信

号 電 極,

い い,そ

の筋 と は無 関係 の 部 位 に 貼 付 す る電 極 をア ー

地 電 極 と も呼 ば れ る)と

い う.ア ー ス 電 極 に も,導 出 電 極 と 同様 に電

極 ペ ー ス トを用 い る タ イ プ,円 板 状 の金 属 板 を 固定 す る タイ プ,板 状 の 導 電 ゴム を 固 定 す る タ イ プ,帯 状 の 金 属 板 や 水 を含 ませ た布 を巻 きつ け る タイ プ な ど さ ま ざ ま な種 類 が あ る.い ず れ に しろ,導 出 電 極 を貼 付 す る 場 合 と 同 じ く,ア ー ス 電極 貼 付 部 位 の 皮 膚 抵 抗 を低 減 す る処 置 を し っか り と施 して お か な け れ ば な らな い.   ア ー ス電 極 貼 付 位 置 は,一 般 に は手 首,足 首,肘 な ど,皮 膚 直 下 に 筋 が な い,あ

部,膝

蓋 骨 上,第7頸

椎付 近

る い は 筋 か ら遠 い 部 位 に貼 付 す る の が 望 ま しい.

ア ー ス 電 極 を1つ 貼 付 し て も ノ イ ズ 成 分 が 十 分 に 除 去 で きな い と き は,面 積 の大 き い ア ー ス 電 極 を用 い た り,複 数 個 を貼 付 す る.皮 膚 と電 極 との 接 触 面積 が 大 き くな れ ば,当 然 接 触 抵 抗 も小 さ くな り,ノ イ ズ 成 分 も小 さ くな る.裸 足 に な っ て 接 地 コ ネ ク タ に接続 さ れ た 大 き な導 電 板 の 上 で動 作 す る こ と も一 案 で あ る.た だ し,ア ー ス 電極 を複 数 個 用 い る 際 は,機 器 側 の 同 一 ア ー ス 端 子 に接 続 す る.

2.4  諸 問題 対 策  よ く直 面 す る 具 体 的 な 問 題 と,そ の 解 決 方 法 を い くつ か挙 げ て み た い.

1 振幅が小 さい   増 幅 器 や 記 録 器 の ゲ イ ン を上 げ て も,筋 電 位 の 振 幅 が 小 さ い と 感 じる と き は, 電 極 の 位 置 を 変 え て み る と解 決 す る場 合 が 多 い.前 述 の よ う に 電 極 間 距 離 が 広 す ぎ る こ と,2つ

の 電 極 の ラ イ ンが 筋 線 維 方 向 とず れ て い る こ と,た

また ま神 経 筋

接 合 部 の 直 上 付 近 に電 極 を貼 っ て し ま っ た こ と,な どが 原 因 とな っ て い る場 合 が 多 い か らで あ る.

2  交流雑音を除 く   交 流 雑 音(ハ

ム)が 混 入 した 筋 電 図 の 例 を 図2.13に 示 した.交 流 雑 音 の 除去 に

はハ ム ・フ ィル タ も有 効 で あ るが,で き る だ け用 いず 最 後 の 手段 と した 方 が よい. ハ ム ・フ ィル タ は,50Hzあ

る い は60Hz付

近 を選 択 的 に 減 衰 させ る の で,筋 電 位

成 分 に も影 響 を与 え て し ま うか らで あ る.特 に 周 波 数 解 析 を 行 い た い場 合 は,ハ ム ・フ ィル タ を用 い な い で 記 録 で きる よ う に工 夫 しな け れ ば な ら な い.   交 流 雑 音 が み られ る場 合 は,最 初 に ア ー ス 電 極 の 接 続 を再 確 認 す る.ア ー ス 電 極 の リー ド線 は,通 常,計

測 機 器 の ア ー ス ・コ ネ ク タ につ な が り,最 終 的 に は 実

図2.13  交 流 雑音 の入 っ た筋 電 図 の例

験 室 の 壁 な ど に あ る接 地 コ ネ ク タ に接 続 さ れ る.こ れ らの 各 接 続 部 が,確

実 に固

定 さ れ て い る か 確 認 す る の で あ る.バ ネ の 緩 い ワ ニ グ チ ・ク リ ッ プ な どで 接 続 し て い る と,ア ー ス 機 能 を果 た して い な い場 合 も あ る.   そ れ で も ノイ ズ成 分 が 残 る場 合 は,以 下 を参 考 に あ り と あ らゆ る方 策 を 実 行 す る.① 皮 膚 に 添 付 す る ア ー ス 電極 の接 触 面 積 を増 や す.②

電 極 か らの リー ド線 お

の お の が シ ー ル ド され て い る タ イ プ の もの を用 い る.③ 計 測 時 に使 用 す る椅 子, 机,ベ

ッ ドな どの 金 属 部 分 を接 地 コ ネ ク タ に つ な ぐ.④ 周 辺 に あ る計 測 に は 関 係

の な い す べ て の 電 気 機 器 をOFFに

す る.⑤

関係の ない電 気機 器の電 源 コー ドも

抜 い て お く.⑥ 磁 界 が 生 ず る可 能 性 が あ る の で 電 源 コ ー ドを グ ル グ ル ま る め た り し な い.⑦

蛍 光 灯 もOFFに

(分 岐 器 な ど)か

して み る.⑧

電 源 コー ドをつ な い だ 同 じ コ ン セ ン ト

ら,他 の機 器 類 が 発 生 す る ノ イ ズ を拾 っ て い る場 合 もあ る の で,

筋 電 位 計 測 関 係 の 機 器 と他 の 機 器 の コ ンセ ン トを別 系 統 に して み る.⑨ 運 動 負 荷 装 置 の モ ー タ ー な どが ノ イズ 源 で,OFFで ざ け る,あ

きず に 困 る場 合 は,少

る い は そ れ を小 型 シ ー ル ド箱 へ 入 れ て し ま う,な

しで もそ れ を遠

ど で あ る.た

電 極 自体 の 不 良,機 器 自体 の メ カニ カ ル な異 常 の 場 合 もあ る の で,日

だ し,

頃のメ ンテ

ナ ン ス も大 切 で あ る.

3  接地 コネ クタを疑 う   壁 や床 に埋 め 込 ま れ て い る接 地 コ ネ ク タが,隣 用(同

系 統)で

あ る場 合,他

っ て し ま う こ と も あ る.こ

りや 上 下 階 な ど他 の 実 験 室 と共

の 実 験 室 に あ る機 器 か ら発 生 す る ノ イ ズ を逆 に も ら の よ う な場 合 は,別 系 統 の接 地 コ ネ ク タ を利 用 す る.

実 験 室 の 接 地 コ ネ ク タの 数,あ

るい は性 能 が 十 分 で な い と き は,市 販 の ア ー ス 棒

を購 入 し,実 験 室 近 くの 地 面 に穴 を掘 っ て 埋 め,そ れ を用 い る と効 果 が あ る と き もあ る.た

だ し,可 能 な か ぎ り筋 電 位 の 導 出 に 関 係 す る アー ス は1つ に統 合 した

方 が よ い.な ぜ な ら,複 数 の 機 器 や 身 体 に接 触 す る装 置 の ア ー ス 電 位 を 同 じに 揃 え る こ と に よ り,そ れ らの 間 を行 き交 う交 流 電 流 を低 減 させ,ノ

イズ を小 さ くで

き るか らで あ る.   さ らに,別 系 統 の 接 地 コネ ク タ を複 数 同 時 に使 用 す る こ と は,ノ

イズ 源 を特 定

で き な く な る の とい う 意 味 で も避 け た 方 が よ い の で あ る.ノ 用 い る と効 果 が あ る と き も あ る が,最

イ ズ 除 去 に水 道 管 を

近 は 本 管 が 非 金 属 だ った り,危 険 な 場 合 も

あ る の で,安 易 に利 用 し な い方 が よ い.

4  基線が揺れる   電 極 リ ー ド線 が 動 作 に伴 っ て 揺 れ る,あ

る い は引 っ 張 ら れ る こ と に よ り,モ ー

シ ョ ン ・ア ー チ フ ァク トが 混 入 し,筋 電 位 の 基 線 が 揺 れ る場 合 が あ る(図2.14). ま ず は 関節 可 動 域 を 妨 げ な い よ う に 注 意 し なが ら,サ ー ジ カ ル テ ー プ な ど で リー ド線 を皮 膚 上 に とめ る と よい.ま た,こ の種 の ノ イ ズ の周 波 数 は比 較 的低 い の で, フ ィ ル タ を用 い10∼20Hz以

下 を カ ッ トす れ ば,主

く基 線 揺 れ を除 くこ とが で き る(図2.14下

図2.14 

な筋 電 位 成 分 を 損 な う こ と な

段).

モ ー シ ョ ン ・ア ー チ フ ァ ク ト入 りの 筋 電 図 の 例(基

  す ば や く 大 き な 動 作 中 に お け る 筋 電 図 に は,20Hz以 ー シ ョ ン ・ア ー チ フ ァ ク トが 残 る こ と が あ る .こ る か,時

定 数 を0.03sか

ら0.003sに

線 揺 れ)

下 で は カ ッ トで き な い モ

の 場 合,フ

変 え る 方 法 が あ る.多

ィル タ の 設 定 を 変 え く の 製 品 は,0.3,

0.03,0.003sな 時 定 数0.003sを

どの 間隔 で 時 定 数 が 設 定 で き る よ うに な っ て い る.し か しな が ら, 用 い る と53.1Hz以

下 が カ ッ トさ れ る こ とに な る の で,筋 電 位 の

低 周 波 成 分 の 一 部 も損 な わ れ る 問 題 が あ り,マ イ ナ ス 面 をわ き まえ て 用 い な け れ ば な ら な い.そ

の ほ か に も,前 述 し た プ リパ レ ー シ ョ ンに よ っ て皮 膚 抵 抗 を下 げ

た り,能 動 電 極 を用 い る と基 線 揺 れ を抑 え る こ とが で きる.   大 胸 筋 や 僧 帽 筋 な ど体 幹 の 筋 か ら筋 電 位 を導 出 す る と,規 則 的 に基 線 が 揺 れ る 場 合 が あ る.だ

い た い0.8秒 か ら1秒 に1回 の ペ ー ス で 現 れ て い るの な ら,そ れ

は心 電 位 で あ る.導

出 電極 と ア ー ス 電 極 で心 臓 を挟 ま な い よ う に,ア ー ス 電 極 の

位 置 を 変 え れ ば 消 え る場 合 が 多 い.   表 面 筋 電 図 に 混 入 した ア ー チ フ ァ ク トの特 殊 な 除 去 法 に つ い て さ ら に詳 し く知 りた い 場合 は,参 考 文 献 に載 せ た 論 文 や 著 書 を照 会 さ れ た い11∼13).   筋 電 図 中 の 波 形 が ノ イ ズ か 信 号 か,現 判 読 に 自信 を もつ た め に は,ノ

れ た ア ー チ フ ァ ク トの原 因 は何 か な どの

イ ズ を嫌 わ ず,む

し ろ数 多 く体 験 し,ノ イズ 源 を

推 理 し てみ る こ とで あ る.故 意 に さ ま ざ ま な アー チ フ ァ ク トを起 こ して 体 験 して お く こ と も良 策 で あ る.そ

うす れ ば,本 番 の 計 測 の 際,慌

て ず 騒 が ず,す

ばや く

ノ イ ズ 成 分 を 除 去 で きる よ う に な る は ず で あ る.

参考 文献 1) 栗 山 節 郎(監

修):身

2) 河 上 敬 介,小

林 邦 彦:骨

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(1995) 5) 木塚朝 博,八 十 島崇,埜 口博 司,金 子文 成,白 木  仁,宮 永  豊:肩 外旋 動作 に伴 う 表 層 筋 群 と腱 板 の 筋 活 動 様 相,バ 6) 木 塚 朝 博,山

口 晴 信,高

動 作 角 度 範 囲 の 検 討,バ 7)  熊 本 水頼:筋 8)  Basmajian

松   薫:肩

の 低 負 荷 トレ ー ニ ン グ と して 有 効 な負 荷 範 囲 と

イ オ メ カ ニ ズ ム,15,213‐223(2000)

電 図 の 基 礎 と展 開,Jpn JV,DeLuca

イ オ メ カ ニ ズ ム,16,117‐128(2002)

CJ:Muscles

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(5th ed),Williams&Wilkins(1985) 9)  Masuda

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10) 斎 藤健 治,岡 田守 彦,佐 渡 山亜 兵,増 田正:筋 長 増加 に と もな う表面 筋 電図 の徐 波 化 と そ の 機 構,脳 11) 南 茂 夫:科

波 と筋 電 図,24,317‐324(1996)

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12) 金 子 秀 和,木

竜 徹,牧

野 秀 夫,斉

藤 義 明:表

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面 筋 電 図 に 混 入 す る ア ー チ フ ァ ク トの

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電 図 計 測 で の 注 意 点,Jpn

J Sports

Sci,11,545‐549

(1992)

第3章 

処理 と解析

  前 章 で は,き

れ い な 表 面 筋 電 図 を得 る 方 法 を述 べ た.検

ャ ー トに 書 き 出 し て,原

波 形(raw

EMG)を

出 した 筋 電 位 信 号 をチ

眺 め る こ と の 重 要 性 も指 摘 し た.

原 波 形 を眺 め る だ け で も,動 作 の どの タイ ミン グ で,ど

の 筋 が 活 動 した か は,十

分 に確 認 で き る1).こ

ム も アー チ フ ァ ク トも原

れ は 定 性 的 分 析 法 と呼 ば れ る.ハ

波 形 をみ れ ば わ か る こ とが 多 い た め,あ 性 的 分 析 の 方 が 確 実 な こ と もあ る.も

れ これ 処 理 した 波 形 を 眺 め る よ りも,定 し,原 波 形 を じっ く り眺 め て 問 題 が解 決 す

れ ば,そ れ が 一 番 よ い.   しか しな が ら,多

くの 場 合 に は,そ

の 波 形 を処 理 し,振 幅 や,発 射 の タ イ ミ ン

グ,周 波 数 な どの 特 徴 量 を 計 算 して 抽 出す る こ とに な る2).さ 徴 量 を,種

々の 条 件 下 や さ ま ざ ま な被 験 者 間 で 比 較 して,何

らに,そ

れ らの 特

らか の 結 論 を導 くこ

と に な る.「 こ の 動 作 で は 筋 活 動 が多 い 」 とか,「 熟 練 者 群 に比 べ て 初 心 者 群 で は こ の タ イ ミ ン グ の 筋 活 動 が み られ る」 とい っ た結 論 を 導 き 出 す た め に は,統 計 的 な処 理 が 必 要 に な る.そ の よ う な場 合 に は,統 計 的 な比 較 の対 象 に で き る よ う な 特 徴 量 を,筋 電 位 信 号 か ら抽 出 す る必 要 が 出 て くる.   筋 電 位 信 号 の 特 徴 量 と して,最 も重 要 な もの が 放 電 量 す な わ ち平 均 振 幅 で あ る. 次 に は,や

や 専 門 的 に な る が,筋

電 位 信 号 の パ ワ ー ス ペ ク トルが あ る.さ

らに,

ス ペ ク トル の 変 化 を理 解 す る う えで 重 要 に な る筋 線 維 伝 導 速 度 が あ る.こ れ らに つ い て 説 明 した 後,最 後 に,こ れ ら を総 合 した 筋 疲 労 の解 析 につ い て も紹 介 す る.

3.1  フ ィル タ の 種 類   計 測 装 置 の フ ィル タの 設 定 につ い て は2.2節 の 「3周 波 数 特 性 」 で説 明 した.こ こ で は,筋 電 図 信 号 処 理 の最 初 の 段 階 と して の フ ィル タに つ い て 説 明 す る .増 幅 さ れ た 信 号 か ら,解 析 の 対 象 外 と な る 周 波 数 成 分 を取 り除 くた め に,フ

ィル タ を

か け る.増 幅 器 に付 属 の フ ィ ル タ です で に 目的 とす る周 波 数 範 囲 の 信 号 だ け が 増 幅 され て い る の で,そ しか し,AD変

れ で 問 題 な け れ ば,さ

ら に フ ィ ル タ を か け る 必 要 は な い.

換 した 信 号 にお い て,基 線 が 揺 らい で い る とか,高

が 重 畳 し て い る場 合 に は,こ

れ ら をPC内

周波 の ノイズ

で フ ィ ル タ処 理 して,目

的 とす る信 号

成 分 だ け を抽 出 す る.   フ ィ ル タ に は多 くの 種 類 が あ る.増 幅 器 に付 属 の フ ィル タ を使 う場 合 に は,フ ィル タ の 種 類 は 固定 され る.こ

れ に 対 して,信

号 をAD変

換 して か らPCを

使っ

て信 号処 理 す る場 合 に は,目 的 に あ っ た フ ィル タを 適用 す る こ と が で き る.   通 常 用 い られ る フ ィ ル タ は,バ

タ ー ワ ー ス(Butterworth)フ

ィル タ で あ る.

増 幅 器 に 付 属 の フ ィ ル タ も多 くの 場 合 は バ タ ー ワー ス フ ィル タ で あ る.バ

ター ワ

ー ス フ ィ ル タ は抵 抗 とコ ンデ ンサ を使 っ て 回路 的 に も容 易 に構 成 す る こ とが で き る.バ

ター ワ ー ス フ ィ ル タは,信

化 が 単 調 で あ る.バ

号 の 周 波 数 を 変化 させ た と き に振 幅 や 位 相 の 変

タ ー ワー ス フ ィ ル タに は次 数 が あ り,次 数 が 大 きい ほ ど,フ

ィル タ の特 性 は急 峻 に な る.た

とえ ば,ロ

ー パ ス(ハ イ カ ッ ト)フ ィル タ の場 合

に は,遮 断周 波 数 よ り も信 号 の 周 波 数 が 大 き くな る と,急 激 に振 幅 が 小 さ くな る. こ の よ う な特 性 は,増 幅 器 な どで はdB/Octaveで 周 波 数 が2倍

に な っ た と き に,フ

表 され る.オ

ィル タ を 通 した信 号 の 振 幅 あ る い はパ ワー が ど

れ だ け 小 さ く な る か を 対 数 値 で 示 し て い る.振 20dB低

下 に な る.パ

幅 の 場 合 に は1/10に

ワ ー の 場 合 に は1/100で20dB低

ー ス フ ィ ル タ で は ,6dB/Octaveの Octaveに

な る.図3.1に

は,2次

クターブす なわち

割 合 で 低 下 す る.2次

下 で あ る.1次

な る と,

の バ ター ワ

の フ ィル タ で は,12dB/

と4次 の バ ン ドパ ス フ ィル タの 特 性 を示 した.

   他 に は チ ェ ビ シ ェフ(Chebyshev)フ

ィル タが あ る.図3.1に4次

のチ ェ ビシ

図3.1 

ェ フ フ ィ ル タの 特 性 も示 し た.同 て,チ

フ ィ ル タの 特 性

じ次 数 で あ れ ば,バ

タ ー ワー ス フ ィル タに 比 べ

ェ ビシ ェ フ フ ィ ル タの 方 が 周 波 数 の低 下 が 急 峻 に な る.そ の 代 わ りに,振

幅 特 性 の 信 号 通 過 部 分 にお い て 凹 凸(リ   一 般 に,フ

ッ プ ル)が 生 じる.

ィル タを 通 す と位 相 の ず れが 生 じる.そ の 結 果,元

の 信 号 の ピー ク

の 位 置 が ず れ る こ とが あ る.こ れ を 避 け る た め に は,フ ィ ル タ を一 度 か け て か ら, そ の 出 力 信 号 の 時 間 を 反 転 して,同

じ特 性 の フ ィ ル タを 再 度 通 して,最

後 に時間

を も う一 度 反 転 させ る 方 法 が あ る.こ の よ うに す る と,最 初 に フ ィ ル タ をか け た 際 に 生 じた位 相 ず れ が,2回 相 ず れ が な くな る.こ phase

目の 時 間軸 を反 転 した フ ィ ル タで 元 に戻 る の で,位

の 方 法 で 構 成 し た フ ィル タ を ゼ ロ 位 相 ず れ フ ィル タ(zero

shift filter)と 呼 ぶ.

  図3.2に ゼ ロ 位 相 ず れ フ ィ ル タの 例 を示 す.元 イ ンパ ル ス 波 形 で あ る.こ

れ を帯 域10∼100Hzの2次

の 信 号 は 時 刻0だ

け で 振 幅1の

の バ ター ワ ー ス フ ィ ル タ

に 通 す と,中 段 に示 す よ う に,ピ ー ク が な ま り,ピ ー ク の後 ろ に 裾 を ひ い た 波 形 に な る.こ の と き,ピ

ー ク の 位 置 も わず か で は あ る が 後 方 に ず れ て い る.こ の 信

号 を時 間反 転 して,ま

っ た く同 じ フ ィ ル タ に通 して か ら再 度 時 間 反 転 した もの が

下 段 の 波 形 で あ る.波 形 が 時 間軸 に 対 して対 称 に な り,ピ ー ク位 置 も中 央 に戻 る. た だ し,周 波 数 帯 域 に よ っ て は必 ず し も,対 称 な波 形 に な る と は か ぎ ら な い.こ こ で 注 意 し な け れ ば な ら な い の は,フ

ィ ル タ を2回 通 して い る の で,1回

が2次

の フ ィル タで あ れ ば,全 体 で は4次 の フ ィル タ に な る こ とで あ る.   筋 電 図 信 号 処 理 に お い て は,特 別 な 目的 が な い か ぎ り,バ ター ワ ー ス フ ィル タ

図3.2  ゼ ロ位 相 ず れ フ ィル タの原 理

を用 い れ ば よ い.た

だ し,フ ィ ル タの 次 数 に よっ て 信 号 の 減 衰 が異 な る の で,次

数 を 明 記 す る必 要 が あ る.増 幅 器 に付 属 の フ ィル タ を使 用 した 場 合 に は,増 幅 器 の 型 番 を 明 記 す れ ば,特 性 は 明 らか に な るが,日 特 性 が 記 載 し て い ない マ ニ ュ ア ル も多 い.そ

本 製 品 の 場 合 に は,フ

の よ う な場 合 には,メ

ィル タ の

ー カーに問 い

合 わ せ た うえ で,自 分 で 正 弦 波 信 号 を入 力 し て周 波 数 特 性 を確 認 して お け ば 間 違 い が な い.

3.2  平 均 振 幅   動 作 分 析 な どの 手段 の1つ 平 均 振 幅 が 対 象 と な る.筋 の 時 点 で,ど

と して 表 面 筋 電 図 を用 い る場 合 に は,筋 電 位 信 号 の

の放 電 量 お よ び放 電 の タ イ ミ ン グ か ら,ど の 筋 が,ど

の 程 度 活 動 し た か を知 る こ と が で き る.筋 が 活 動 す る状 況 に は,ス

ポ ー ツ な どの ダイ ナ ミ ッ ク な動 き の場 合 も あ る し,身 体 は 動 か ず 姿 勢 を 維 持 す る た め に 筋 が 緊 張 を続 け て い る場 合 もあ る.あ

る い は精 神 的 な緊 張 に 伴 っ て 額 や肩

の 筋 に持 続 的 な緊 張 が 生 じて い る よ う な場 合 も考 え られ る.   平 均 振 幅 の 特 徴 量 と して は,自

乗 平 均 平 方 根(Root

効 値 と もい う)と 整 流 平 滑 化(Average た,ARVに

Mean

Square:RMS,実

Rectified Value:ARV)の2つ

関 連 して,積 分 筋 電 図(Integrated  EMG:IEMG)と

が あ る.ま い う量 も あ る.

1  平均振幅の特徴量 (1)

RMS

  RMSは,一

定 の 時 間 範 囲 の 筋 電位 信 号 を二 乗 して,範

囲 内 の平 均 を 求 め た 後,

平 方 根 を と っ た量 で あ る.式 で 書 く と,以 下 の よ うに な る.

  こ こ で,e(t)は は0,す

筋 電 位 信 号 で,(−T,T)が

な わ ち 平 均 値 が0で

計 算 区 間 に な る.筋 電 位 信 号 の基 線

あ る か ら,信 号 の 標 準 偏 差 で もあ る3).よ

に,積 分 を 計 算 す る 際 に 重 みh(τ)〓0を

掛 け て,

り一 般 的

と 書 く こ と も で き る.こ

こ で,∫-∞∞h(τ)dτ=1に

(τ)の取 り方 に よ っ て,積

分 区 間 を(−T,0)と

  対 象 と す る 区 間 を,少

しず つ 時 間 的 に ず ら し な が らRMSを

り,RMSの

時 間 変 化 が 得 ら れ る.RMSは,ア

倒 な の で,通

常 はAD変

な る よ う にh(τ)を

設 定 す る. h

す る こ と も で き る. 計 算す る ことによ

換 し て か らPCで

ナ ロ グ 回 路 で 処 理 す る の は 少 し面 処 理 し て 求 め る.

(2)ARV   振 幅 の 絶 対 値 を 求 め る こ と を 整 流 化(rectification),整 (rectified

wave)と

い う4).整

流 波 を,一

フ ィ ル タ を か け て 平 滑 化 し た も の が,ARVで

流 化 した 波 形 を整 流 波

定 の 時 間 範 囲 で 積 分 す る か,ロ あ る.対

時 間 的 に ず ら し な が らARVを

計 算 す る こ と に よ り,ARVの

ARVは,rectified&filtered

EMGと

書 く と,以

ーパス

象 とす る 区 間 を少 しず つ 時 間 変 化 が 得 ら れ る.

呼 ば れ る こ と も あ る5).RMSと

同 様 な式 を

下 の よ う に な る.

  ポ リ グ ラ フ(多

用 途 生 体 計 測 器)に

み 込 む と,ア ナ ロ グ 的 にARV信

は積 分 器 ユ ニ ッ トが あ り,こ れ を 本体 に組

号 が 得 られ る.ユ

ニ ッ トの 切 替 ス イ ッ チ で,原

波 形 を 絶 対 値 に変 換 して か ら平 滑 化 す る全 波 整 流 と,正 極 性 あ る い は負 極 性 の 部 分 だ け を用 い て 平 滑 化 す る 半 波 整 流 を 選 べ る.ど

ち らで も大 差 は な いが,情

報量

か らい え ば 全 波 整 流 の 方 が 有 利 で あ ろ う.   図3.3に,断

続 的 に 肘 関節 を屈 曲 さ せ て,上 腕 二 頭 筋 か ら計 測 した 筋 電 図 と,

そ れ と同 時 に記 録 し た収 縮 力 の 波 形 を示 す.図3.3(b)は 波 整 流 で,平

滑 化 の 時 定 数 は0.1sと

積 分 器 の 出 力 で あ る.全

し た.収 縮 力 に応 じ てARVも

収 縮 力 の ピー ク値 が 一 定 で あ る の に対 して,ARVの

変 化 す るが,

ピー ク は 変 動 が 大 きか っ た.

力 は 同 じで も,筋 へ の 力 の 入 れ 方 の 微 妙 な差 で 筋 電 図 に 変 化 が 出 る.   RMSとARVの

性 質 は 似 て い て,ど

な 意 味 づ け か らはRMSは

ち ら を使 っ て も大 差 は な い.信 号 の 物 理 的

パ ワ ー に な る の で,ス ペ ク トル との 対 応 はつ け や す い.

(a)表 面筋 電 図 の 原波 形

(b)整 流 平 滑 化 波形

(c)収縮 力 図3.3  表 面 筋電 図 の整 流 平 滑化 と収縮 力

(3)IEMG   あ る時 間範 囲 に わ た っ て の 整 流 波 の 積 分 値,す 呼 ば れ る.こ の 場 合,単

位 は 電 圧 ×時 間 〔V・s〕 に な る3).一 方,ARVの

分 筋 電 図 と表 現 す る 例 も あ る.ARVは,積 等 し い の で,単

なわち総放電量 は積分 筋電図 と こ と を積

分 筋 電 図 を積 分 時 間 で 割 っ た もの に

位 は 電 圧 〔V〕に な る3).論

文 な どで は,混

乱 を招 か な い よ う に,

用 語 を定 義 して 使 う必 要 が あ る.い ず れ の 意 味 の 場 合 で も,IEMGやiEMGと

書

く場 合 が多 い.

2  平滑化区間の長さと配置   RMSに

して もARVに

して も,平 滑 化 す る 区 間の 長 さ,あ る い は ロ ー バ ス フ ィ

ル タ の時 定 数 に よ っ て,得 数 は,通 常0.03∼0.3sが

ら れ る 信 号 が 異 な っ て くる.ロ

用 い られ る.平 滑 化 の 区 間 を 短 くす る と,発 射 の パ タ

ー ン は 的確 に と らえ ら れ る が 形 に は な らな い.逆

ー パ ス フ ィル タの 時 定

,原 波 形 に あ る波 形 の 不 規 則 さ が 残 り,滑

らか な波

に,平 滑 化 の 区 間 を長 くす る と,収 縮 の 変化 に追 い つ か な い

緩 や か な波 形 に な る.ど

の 程 度 の平 滑 化 の 長 さ にす る か は,解 析 し た い 運 動 の種

類 に合 わ せ て 決 め る こ とに な る.い ず れ に し て も,論 文 な どで 報 告 す る場 合 に は, 平 滑 化 の 区 間の 長 さや,ロ

ー パ ス フ ィル タの 時 定 数 を 明 記 す る必 要 が あ る.

  平 滑 化 に 関す る も う1つ の 問 題 は,平 滑 化 の 区 間 を,(−T,T)の

よ うに基 準 と

す る 時 間 の 前 後 に 取 る か,(−T,0)の

ナログ回路で

ARVな

よ うに 前 に取 る か で あ る.ア

ど を求 め る と,対 象 とす る時 点 よ り も未 来 の 信 号 ま で 取 り込 ん で 平 滑 化

す る こ と はで きな い か ら,平 滑 化 さ れ た 信 号 は,過 去 の 変 化 だ け を 反 映 す る.そ の 場 合 に は,平 滑 化 後 の ピ ー ク が,原 波 形 の ピ ー ク よ り も遅 れ て現 れ る可 能性 が あ る.ピ ー ク の 遅 れ は,ロ ー パ ス フ ィ ル タ の 時 定 数 に よ っ て異 な る.   こ れ に対 し て,AD変

換 した 後 にPCで

過 去 と未 来 の 区 間 の 信 号 か らRMSやARVを

処 理 す れ ば,あ

る 時 点 か ら み て,そ

計 算 す る こ とが で きる.こ

す れ ば,原 波 形 と平 均 振 幅 波 形 の 間 の ず れ は な くな る.た

の

の よ うに

だ し,活 動 の 開始 時 点

を,平 均 振 幅 波 形 の 立 ち上 が りか ら推 定 した い 場 合 に は,原

波 形 の活 動 開始 時 点

よ りも,平 滑 化 後 の 方 が 早 く変 化 が現 れ る よ うに み え るの で,注 意 が 必 要 で あ る.

す な わ ち,平 均 振 幅 の 波 形 に お い て,ピ ー ク をみ た い の か,立 の か に合 わ せ て,平

滑 化 の 区 間 を設 定 す る必 要 が あ る.な

ち上 が りを み た い

お,筋

電位 信 号 の ピー

ク に ず れ が 生 じ な い よ う に 配 慮 して も,力 の 発 生 が 電 気 力 学 的 遅 延 に よ っ て ず れ て い る の で(2.3節

「3同 期 させ る力 学 的 信 号 を考 え て お く」 を参 照),す

動作 を対 象 とす る 場 合 に は,タ

ばやい

イ ミ ング の 解 釈 に は注 意 す る 必 要 が あ る.

3  集合平均   も し,対 象 とす る動 作 が,歩 行 や,サ 繰 り返 し動 作 な らば,動

イ ク リ ング,水

泳 な どの 一 定 した 周 期 の

作 に合 わ せ て整 流 化 さ れ た 筋 電 位 信 号 を加 算 平 均 す る こ

とが で き る.こ れ を集 合(集

団)平 均(ensemble

average)あ

るいは同期加算 と

い う.こ の よ う に す れ ば,積 分 区 間 を 短 く して,か つ 滑 らか な 振 幅 波 形 を得 る こ とが で きる.ま

た,平

均 せ ず に 単 に重 ね 合 わせ て 波 形 を 描 画 す る だ け で も,ア ー

チ フ ァ ク トの検 出 に 用 い る こ とが で きる.

4 ク ロ ス トー ク   筋 電 位 を検 出 し て い る筋 か ら放 電 が み られ て も,本 当 に そ の 筋 の 活 動 を と ら え て い る の か ど うか,不

安 に な る こ と も多 い.他 の 筋 か ら の信 号 を 検 出す る こ と を

図3.4  多 点 表面 電 極 列 に よ って計 測 した 筋 電位 伝 播 パ ター ン

ク ロ ス トー ク とい う.肘 の 屈 曲 動 作 を 考 え て み て も,1つ 立 っ て い る の で は な い し,関 与 す る筋 は,同

の筋 の 収 縮 だ け で 成 り

じよ うな タイ ミン グ で放 電 す る の で,

得 られ た 筋 放 電 が ク ロス トー ク に よる もの か ど うか は,簡 単 に は見 分 け が つ か な い.   こ れ に対 す る1つ の方 法 は,近

くの 筋 か ら同 時 に筋 電 位 を 導 出 し,特 定 の筋 だ

け に力 を入 れ る よ う に努 力 させ て信 号 を み る こ とで あ る.他 の 方 法 と し て,筋 電 位 の 伝 播 パ ター ン を計 測 す る こ と も考 え られ る(図3.4).伝

播 パ ター ンが 検 出 で

きれ ば,確

だ し,ど の 筋 で も伝

か に 目的 とす る 筋 の活 動 で あ る こ と が わ か る.た

播 パ タ ー ンが み られ る わ け で は な い の で,適 用 は か ぎ られ る.

5  ア ー チ フ ァ ク ト   筋 電 位 信 号 に ア ー チ フ ァ ク トが の る と,RMSやARVが

大 き くな る.ア

ーチ フ

ァ ク トが 入 っ た こ とは,原 波 形 をみ れ ば あ る程 度 は わか る が,平 滑 化 処 理 した信 号 か ら は,も は や確 認 す る こ と はで きな い.原 波 形 が大 切 で あ る1つ の理 由 で あ る.   ア ー チ フ ァク トが 小 さい 場 合 に は,原

波 形 を み て も筋 電 位 自体 の変 動 に 隠 れ て

識 別 で きな くな る.こ の よ う な場 合 に も有 効 な の が,伝 播 パ タ ー ンの検 出 で あ る. ア ー チ フ ァク トが な い状 態 で 明 確 な伝 播 パ ター ンが 検 出 で きて い れ ば,ア ー チ フ ァ ク トが 混 入 す る と,伝 播 パ ター ンに 乱 れ が 生 じて,容 易 に検 出す る こ とが で き る.

6  収縮力との比較   筋 電 位 信 号 は,振 幅 や 周 波 数 成 分 が 収 縮 力 に応 じて 変 化 す るの で,収 縮 力 や ト ル ク を規 定 す る必 要 が あ る.こ た め に,収

の と き,異 な っ た被 験 者 間 で の 比 較 を 可 能 に す る

縮 力 を 最 大 随 意 収 縮 力(MVC)で

正 規 化(normalize)す

る.MVC

の 計 測 手 法 につ い て は2.1節 の 「2正 規 化 の 方 法 を 考 え て お く」 を読 み 返 して ほ しい.   動 作 解 析 で 筋 電 図 を利 用 す る 目的 と して,筋 電 図 か ら筋 収 縮 力 を推 定 した い と い う こ と も多 い.こ

の よ う な場 合 に は,MVC時

目 的 動 作 の 平 均 振 幅 波 形 を 正 規 化 す る.た た め に 目的 動 作 時 のRMSをMVC時

に 得 られ たRMSやARVの

と え ばRMSを

のRMSで

用 い る 場 合,正

除 し,こ の 値 を％RMSと

値 で, 規化 の して 表

す.ARVを

用 い る 場 合 に も 同様 に,正 規 化 した値 を％ARVと

  ダ イ ナ ミ ッ ク な動 き で は,動 で あ ろ うか ら,MVC計

作 時 とMVC計

測 時 で,関

して 表 す.

節角 度が異 なってい る

測 時 の 関節 角 度 や 筋 長 を記 録 す る.ま

た,MVCを

非等尺

性 で 記 録 す る場 合 に は,関 節 角 度 や 筋 長 の範 囲,変 化 速 度 を 記 録 して 明 記 す る.

7  関節角度の変化   関 節 角 度 が 変 わ る と,皮 膚 に貼 り付 け た 電 極 と,筋 の 相 対 的 な位 置 関係 が 変 化 す る.神 経 支 配 帯 が ち ょう ど2つ の 電極 の 中 間 点 に 来 る と,両 側 に伝 播 す る 筋 電 位 が 同相 に な り,互 い に 打 ち消 し合 っ て 振 幅 が急 に 小 さ くな る可 能 性 が あ る(図 3.5).も

ち ろ ん,こ

の よ う な 状 況 が 起 こ る の は,神 経 支 配 帯 が 狭 い 範 囲 に 集 中 し

て い る特 定 の 筋,特

定 の 被 験 者 に か ぎ られ る.し か し,こ の よ う な 可 能 性 を頭 の

隅 に入 れ て お か な い と,動

き の 途 中 で急 に筋 力 が 低 下 した とい う 誤 っ た解 釈 に な

りか ね な い.

(a)神 経 支 配 帯 が電 極 の 中 間 点 にあ る と,電 位 が打 ち消 し合 って 出力 が小 さ くな る

(b)神 経 支 配帯 が 中間 よ り少 しず れ て い る と,等 価 的 に 電極 間隔 が小 さ くなる 図3.5  神 経 支 配 帯 と電 極 の 位 置 関係 に よって 変 化す る筋 電位 振 幅

  関 節 角 度 の 変 化 に 伴 って 神 経 支 配 帯 か ら電 極 が 離 れ る と,神 経 支 配 帯 か ら開 始 した 興 奮 が 検 出 さ れ る ま で の 時 間 が 延 長 す る.反

射 の研 究 な ど で,関 節 を 伸 展,

屈 曲 す る と,反 射 潜 時 が 短 くな る,あ る い は長 くな る とい う,こ れ ま た誤 っ た 解 釈 が 生 じか ね な い の で 注 意 が 必 要 で あ る.

3.3 

パ ワ ー ス ペ ク トル

  持 続 的 な 収 縮 を続 け て い る と,筋 電 位 が だ ん だ ん 緩 や か な波 形 を示 す よ うに な る2).こ

れ は筋 疲 労 の影 響 とい わ れ て い る.表 面 筋 電 図 は 多 数 の 運動 単 位 活 動 電

位 の 和 を 時 空 間 的 に計 測 した もの で あ り,そ の重 畳 波 形 は ラ ンダ ム な 変 化 を示 す の で,波 形 を眺 め る だ け で は,緩 や か に な っ た 変 化 を定 量 化 す る こ とは で き ない. こ の よ う な場 合 に は,ス ペ ク トル解 析 を行 う.   ハ ムの 混 入 が ない こ と を確 認 す る た め に も,ス ペ ク トル をみ て お くこ と は有 用 で あ る.逆 に,入 れ た つ も りが な い ハ ム除 去 フ ィ ル タが オ ンに な っ て い る こ と も, ス ペ ク トル をみ れ ば す ぐ にわ か る.   な お,ス

ペ ク トル(spectre)は

は ス ペ ク トラ ム(spectrum)で

フ ラ ン ス 語 で あ っ て,英 あ る.パ

が 混 在 して い る.英 語 で 統 一 す れ ば,パ は,周

波 数1Hzあ

Density

ワ ー ス ペ ク トル は,英

語 と フ ラ ン ス語

ワ ー スペ ク トラ ム に な る.さ

た りの パ ワ ー な の で,パ

Spectrum:PDS)と

語 で は な い.英 語 で

ら に厳 密 に

ワ ー ス ペ ク トル 密 度 関 数(Power

呼 ぶ.

1  パ ワー スペ ク トルの計 算   ス ペ ク トル の 計 算 に は,フ

ー リエ 変 換 を用 い る.ま

た,線 形 予 測 法 で 計 算 す る

方 法 もあ る.ス ペ ク トル の 計 算 は,生 体 信 号 処 理 用 の専 用 シ グ ナ ル プ ロ セ ッサ や, PC用

の 信 号 処 理 ソ フ トで 行 え る.フ

ー リエ 変 換 した ス ペ ク トル は,強

度 と位 相

に 分 か れ るが,問 題 に な るの は強 度 の 方 で あ る.そ の た め 強 度 を パ ワー で 表 した, パ ワ ー ス ペ ク トルが 用 い られ る.

2

 ゼロ詰め

  パ ワ ー ス ペ ク トル に お い て,横

軸 の 最 大 値,す

し た と き の サ ンプ リ ン グ周 波 数 に な る.一 た 信 号 の 長 さで 決 ま る.た

と え ば,AD変

な わ ち最 大 周 波 数 は,AD変

方,周 波 数 の 刻 み は,フ 換 を4096Hzで

ー リエ 変 換 し

行 い,2048点,す

ち0.5秒 間 の信 号 を フ ー リエ 変 換 す る と,最 大 周 波 数 は4096Hzで,周 み は2Hzに

換

なわ 波数 の刻

な る.周 波 数 の刻 み を細 か くし た け れ ば,信 号 を長 くす る 必 要 が あ る.

誘 発 筋 電 位 の スペ ク トル を 求 め る場 合 な どで は,元 の 信 号 の 持 続 時 間 が 短 い.こ れ をそ の ま ま フ ー リエ 変 換 す る と,周 波 数 の 刻 み が 粗 くな る.そ こ で,対 象 とす る信 号 の 後 に0を つ な げ て 長 くす る と,周 波 数 の 見 か け 上 の 分 解 能 が 上 が る.こ れ をゼ ロ詰 め(zero

padding)と

い う.

  図3.6に 合 成 波 形 を基 に した 例 を示 す.図(a)は 波 形 で あ る.信 号 は1ms刻

み で,100msの

長 さ と した.図(b)は

の を,横 軸 を 延 長 して 示 した も の で あ る.こ っ て,信

号 の 長 さ を400msと

単一MUAPに

れ に対 して,図(a)に

し た もの が 図(c),こ

似 せて合 成 した 図(a)と 同 じ も ゼ ロ詰 め を行

れ らを フー リエ 変 換 して パ ワ

ー ス ペ ク トル を 求 め た もの が 図(d) ,(e)で

あ る.サ

の で,そ

れ で は 細 か い 部 分 が よ くわ か ら な い の

で,さ

の 半 分 の500Hzま ら に は じめ の100Hzの

は 周 波 数 の刻 み が10Hzで

で を示 した.こ

ン プ リ ン グ周 波 数 が1kHzな

範 囲 を 拡 大 した もの が 図(f),(g)で

あ る.図(f)で

ピー ク付 近 の 変 化 が 滑 らか で は な い の に 対 して,ゼ

詰 め して 信 号 の 長 さ を4倍 に した 図(g)で は,周

波 数 の 刻 み が2.5Hzに

ロ

な り,ピ

ー ク付 近 も滑 らか に な って い る .   ゼ ロ詰 め の 場 合 に は,こ る が,元

の よ う にパ ワー ス ペ ク トル の 見 か け の 細 か さ は 向 上 す

の 信 号 に0を 付 け 加 え た だ け な の で,情 報 量 が 増 え て い る わ け で は な い.

ゼ ロ 詰 め す る 前 の ス ペ ク トル の 波 形 を,滑 す る必 要 が あ る.

らか に補 間 した だ け で あ る こ と に 注 意

(a)

(c)

(d)

(e)

(f)

図3.6

(b)

(g)

 パ ワ ース ペ ク トル 計算 にお け るゼ ロ詰 め の効 果

3  窓関数   時 系 列 信 号 をス ペ ク トル 解 析 す る 場 合 に は,そ い.一

の 前 に窓 関 数 を か け る場 合 が 多

般 に フ ー リ エ 変 換 に よ っ て信 号 の パ ワー ス ペ ク トル を計 算 す る場 合 に,元

の 信 号 か ら,た

と え ば1秒 間 の信 号 を取 り出 して,フ

ー リ エ 変 換 す る.フ

ー リエ

変 換 す る側 か らみ る と,こ れ は1秒 間 の 信 号 を変 換 して い る の で は な くて,1秒 間 の 信 号 が 無 限 に 繰 り返 して い る無 限信 号 を変 換 して い る こ と に な る.こ の た め, 取 り出 し た信 号 の 両 端 で不 連 続 に な る な ど して,信

号 の 周 期 性 が完 全 に満 足 され

て い な い と,元 の 信 号 が 本 来 もっ て い な か っ た周 波 数 にパ ワー が 生 じ る.   こ の よ う な 不 都 合 を解 消 す る た め に,窓 関 数 を用 い る.窓

関 数 は,切

り出 し た

信 号 の 中央 部 分 を 残 し,両 端 に い くに従 っ て 徐 々 に 振 幅 を小 さ くす る よ う な効 果 を もつ.代 表 的 な 窓 関 数 と して,ハ チ ュ ー キ ー(Tukey)な

ニ ン グ(Hanning),ハ

どが あ る.図3.7に,こ

ミ ン グ(Hamming),

れ らの 窓 関 数 を適 用 した 効 果 を

示 した.   元 の 信 号 は10.5Hzの

正 弦 波 と,そ れ の1/100の

わ せ た もの で あ る.窓

関 数 を用 い な い と,10.5Hzの

波 数 に 広 が る た め に,20Hzの

振 幅 の20Hzの

正 弦 波 の パ ワ ー が,他

正 弦 波 の ピ ー クが み え な くな る.こ

関 数 を 用 い る と,周 波 数 の広 が りが 小 さ くな っ て,20Hzの られ る よ う に な る.こ

正 弦 波 を足 し合 の周

れ に対 して 窓

正 弦 波 の ピ ー クが み

の よ うに,近 接 した ピ ー ク を識 別 した い と きに は 窓 関 数 が

必 要 に な る.   筋 電 位 信 号 の 場 合 に こ の よ う な特 徴 的 な ピー ク が 現 れ る の は,MUAPの 同期 した 成 分 で あ る の で,発

発射 に

射 の 頻 度 を検 出 した い よ う な場 合 を 除 い て,特

に窓

関 数 を気 に す る 必 要 は な い が,窓

関数 の 使 用 の 有 無 や種 類 を明 確 に して お く必 要

は あ る.元 の 信 号 が 長 け れ ば,窓

関 数 の 影 響 は あ ま りな い.自 分 で い ろ い ろ 試 し

て,ど

の よ う な結 果 に な る の か を調 べ て お くと よい.

  以 上 の よ う な 処 理 方 法 は ス ペ ク トル に大 な り小 な り影 響 を与 え る の で,論

文な

ど を書 く と きに は,計 算 に 使 っ た デ ー タ 区 間 の 長 さ,ゼ ロ 詰 め の 長 さ,窓 関 数 の 種 類 を 明記 す る.

(a)  ハ ニ ング

(b)  ハ ミ ン グ

(c)  チ ュ ー キ ー

図3.7  窓 関 数 と周 波 数特 性

4  スペク トルの特徴量   パ ワ ー ス ペ ク ト ル は 波 形 な の で,そ ク トル の,こ で,ス

れ だ け を み て い て も,た

と え ば2つ

の スペ

ち ら の 方 の 低 周 波 成 分 が 多 い な ど の 定 量 的 な 比 較 は で き な い.そ

ペ ク ト ル を 処 理 し て,特

平 均 周 波 数(MeatN Frequency:MDF)が

power

徴 的 な 数 値 を 計 算 す る.こ

Frequency:MNF)6)や

あ る.平

中 央 周 波 数 の 頭 文 字 もMPFに

の よ う な 特 徴 量 に は,

中 央 周 波 数(MeDian

均 周 波 数 だ け な ら ばMPFと

な っ て し ま う の で,両

こ

power

書 く の が 素 直 だ が,

方 使 う 場 合 に はMNF,MDF

と 表 記 す る.

(1)  

MNF

MNFは,以

下 の 式 で表 され る.

  こ こ で,P(f)は

パ ワ ー ス ペ ク トル,fは

周 波 数 を 表 す.MNFは,ス

分 布 の 重 心 に な る.ス ペ ク トル全 体 が低 周 波 に変 化 す る とMNFは

(2)  

ペ ク トル 小 さ くな る.

MDF

MDFは,以

  MNFと つ は,MDFが

下 の 式 で 表 され る.

い う数 学 的 に 素 直 な 量 が あ る の に,な ぜMDFを

使 うか とい う理 由 の1

高 周 波 成 分 に 含 ま れ る ノ イ ズ の 影 響 を 受 け に くい こ とで あ る.本

来 筋 電 位 信 号 が な い 周 波 数 に,ア ー チ フ ァ ク トや 計 測 器 や信 号 線 か ら高 周 波 の 雑 音 が 乗 る と,MNFは る が,MNFよ

高 周 波 側 に 引 きず られ や す い. MDFも

もち ろ ん影 響 を受 け

りは受 け に くい と され て い る.

5  スペ ク トルの形を 決め る要因  ス ペ ク トル の 形 を 決 め る の は,1つ1つ

の 運 動 単 位 活 動 電 位(MUAP)の

波形

と,そ れ らの 発 射 パ ター ンで あ る.ス ペ ク トル の40Hz以 で 決 ま り,40Hz以

上 の 部 分 はMUAPの

形

下 の 部 分 に発 射 頻 度 な どの 発 射 パ ター ンの 影 響 が 表 れ る とい

わ れ て い る2).   双 極 電極 が 神 経 支 配帯 を挟 む よ う な位 置 に あ る と,検 出 さ れ る 電位 が 打 ち消 し 合 っ て 振 幅 が 小 さ くな る.こ の こ と は,等 価 的 に 電 極 間 隔 が 小 さ くな って い る た め と考 え られ る の で,ス

ペ ク トル に も影 響 が 出 て,通 常 は,周

波 数 が 高 くな る .

関節 角 度 が 変 化 す る よ う な動 的 な運 動 で は,電 極 が た ま た ま 神 経 支 配 帯 を挟 ん だ 位 置 に な る 関節 角 度 で,急

にMNF,MDFが

高 くな っ た よ うに み え る こ とが あ る.

この 点 も解 釈 を誤 ら ない よ うに 注 意 す る必 要 が あ る.

6  デ ィップ周波 数   双 極 導 出 に 用 い る2つ の 電 極 の 下 を 筋 電 位 が 一 方 向 に 伝 播 す る 場 合 を考 え る (図3.8).伝

播 す る波 を空 間周 波 数 に 分 解 して,1つ

の 周 波 数 の 正 弦 波 を み る と,

電 極 間 隔 と波 の ピー ク 間 隔 が 一 致 す る よ う な 空 間周 波 数 の場 合,検

出 され る波 が

同 相 に な り,互 い に 打 ち 消 し合 っ て 出力 は0に な る.こ れ が パ ワ ー ス ペ ク トル の デ ィ ップ(dip,窪 と,f=n・v/dに (1,2,3,…),vは

み)で

あ る2).こ の 周 波 数 をデ ィ ップ 周 波 数 と呼 ぶ.式

デ ィ ップ 周 波 数 が 生 じる.こ

こで,fは

で書 く

周 波 数 〔Hz〕,nは 自然 数

筋 線 維 伝 導 速 度 〔m/s〕,dは 電 極 間距 離 〔m〕 で あ る.

  等 尺 性 の 一 定 随 意 収 縮 条件 下 で 記 録 した 筋 電 図 を 図3.9に,そ

れ のパ ワー ス ペ

図3.8  デ ィ ップ周 波 数 の発 生  伝 播 す る活 動 電位 の空 間 的 な波 長 と電極 間隔 が 一 致 す る と筋 電位 信 号 の 出力 が0に な る.こ れ が,パ ワー スペ ク トル で はデ ィ ップ(窪 み)と して現 れ る

ク トル を 図3.10に

示 す.パ

ワ ー ス ペ ク トル は,4096Hzで

長 の 信 号 に ハ ニ ン グ 窓 を か け て フ ー リ エ 変 換 し,そ 図3.10(b)に の 例 で は,デ

示 す よ う に,Logス

サ ン プ リ ン グ し た1s

れ を10回

分 平 均 し て 求 め た.

ケ ー ル に す る と デ ィ ッ プ 周 波 数 が 明 瞭 に な る.こ

ィ ッ プ 周 波 数 が100Hzで

あ っ た の で,伝

  デ ィ ッ プ 周 波 数 が 前 述 の 式 で 計 算 で き る の は,双

導 速 度4m/sと

極 電 極 が 神 経 支 配 帯 か ら み て,

図3.9  パ ワー ス ペ ク トル の計 算 に用 い た 表面 筋 電 図(一 部)

(a) 最 大 値 で 正規 化

(b) さ らに デ シベ ル 表示 に変換 図3.10 

推 定 さ れ る.

図3.9の 表 面 筋 電 図 か ら 計 算 し た パ ワ ー ス ペ ク トル

ど ち らか 一 方 の 側 に あ り,電 極 の 間 に神 経 支 配 帯 が な い 場 合 で あ る.図3.5の

よ

う に,神 経 支 配 帯 を 挟 ん で 電 極 を 配 置 す る と,振 幅 が 小 さ くな る だ け で な く,デ ィ ップ も別 の 周 波 数 に移 る.

3.4  筋線維伝導速度 1  筋線維伝導速度とは   神 経 筋 接 合 部 か ら 開始 した 筋 線 維 上 の 電 気 的 な興 奮 が,筋 速 度 を,筋 線 維 伝 導 速 度(Muscle 筋 線 維 伝 導 速 度 は,3∼6m/sの 的 な 筋 収 縮 時 に,筋

Fiber Conduction

線 維 に沿 っ て 伝 わ る

Velocity:MFCV)と

い う.

速 さ で,神 経 伝 導 速 度 に 比 べ る と1桁 遅 い.持 続

電 位 信 号 の パ ワ ー ス ペ ク トル が 低 周 波 化 す る原 因 の1つ は,

筋 線 維 伝 導 速 度 の低 下 とい わ れ て い る.表 面 筋 電 図法 にお い て も,多 点 電 極 を用 い れ ば,筋

電 位 の伝 播 が 検 出 で き,こ れ か ら筋 線 維 伝 導 速 度 を算 出す る こ とが で

き る.筋 線 維 伝 導 速 度 を 求 め る た め に は,通 常,神

経 支 配 帯 か ら離 れ,神 経 支 配

帯 か らみ て 同 じ側 に位 置 す る2カ 所 で 計 測 した 筋 電 位 信 号 の 間 の 時 間差 を求 め, 伝 播 距 離 を こ の 時 間 差 で 割 っ て 求 め る.   図3.4に 示 し た,上 腕 二 頭 筋 か ら導 出 し た筋 電 位 伝 播 パ タ ー ンの 記 録 で は,近 位 寄 り に 電 極 を 配 置 した た め,伝 播 の 開 始 点 が チ ャ ンネ ル3∼4の が,実

際 に は,こ

た の で,近

間 に み られ る

の 伝 播 の 開 始 点 が 筋 腹 の 中 央 に あ た る.電 極 間 隔 を5mmと

位 側 に11チ

ャ ン ネ ル分,約55mmの

し

距 離 に わ た っ て,活 動 電 位 が 一

定 速 度 で伝 播 して い る こ とが わ か る.

2  筋 電位信号 間の時間差 の計算方法   2つ の信 号 間 の 時 間差 は,相 な る の は,時

互 相 関 関 数 の ピー ク か ら求 め る.こ の と き 問題 に

間 差 の 分 解 能 で あ る.筋 線 維 伝 導 速 度 の 推 定 に お い て,記 録 点 間 の

距 離 を20mm,伝

導 速 度 を4m/sと

号 の サ ン プ リ ン グ周 波 数 を5kHzと 点 に す ぎ な い.し

た が っ て,相

仮 定 す る と,時

間差 は5msに

な る.筋 電 位 信

高 め に 設 定 して も,時 間差 は サ ンプ ル 数 で25

関 関 数 の ピー ク位 置 が1点 ず れ る と4%の

変化 に

な る.筋 線 維 伝 導 速 度 を推 定 す る場 合 は,疲 労 度 の推 定 な ど,微 妙 な変 化 を対 象 とす るの で,こ

た が っ て,1%以

下 の刻 み で 伝 導 速 度 を求 め

ン プ リ ング 周 波 数 を さ らに 上 げ る か,あ

る い は,相 関 関 数 の ピー ク を

る に は,サ

の 変 動 は 大 きい.し

求 め る 際 に,何

らか の 補 間 を す る必 要 が あ る.

  サ ン プ リ ン グ 周 波 数 を上 げ る とデ ー タが 大 き く な る.ま

た,表

面 筋 電 図 に は,

そ も そ も5kHzで

サ ン プ リ ン グ す る ま で も な く,よ

れ て い る の で,こ

れ 以 上 サ ン プ リ ン グ周 波 数 を 上 げ て も,実 質 的 な 情 報 は増 え な

い.一

方,相

関 関 数 を 補 間 す る に は,ピ

ー ク付 近 を何 らか の 関 数 に あ て は め る こ

と が 考 え られ る が,数 学 的 な根 拠 が 薄 い.時 ら相 関 関数 を 求 め る こ と もで き るが,相

り低 い周 波 数 成 分 か ら構 成 さ

間軸 上 で 筋 電位 原 波 形 を補 間 して か

関 の 計算 が 大 変 に な る.こ れ らに対 し て,

フ ー リエ 変 換 した 後 の周 波 数 軸 上 で の 補 間 方 法 がMcGillとDorfmanに 案 され て い る の で,こ 波 形 に対 して,チ

れ を使 うの が 適 当 で あ る7).こ

ャ ン ネ ル5∼10の

よ っ て提

の 方 法 を 用 い て,図3.4の

間 で 計 算 した 筋 線 維 伝 導 速 度 は3.7m/s,相

関 係 数 は0.89で あ っ た.   筋 線 維 伝 導 速 度 を求 め る た め に は,2つ と を述 べ た.と

こ ろがAD変

の 筋 電 位 信 号 の 時 間差 が 重 要 に な る こ

換 器 に よっ て は,そ

チ ャ ン ネ ル 間 に ず れ を 生 じる もの が あ る.こ ャ ンネ ル 数 だ け 並 べ る か,サ AD変

もそ もサ ン プ リ ン グ した と きに

れ に 対 処 す る に は,AD変

ン プ ル ・ホ ー ル ド回 路 をAD変

換 器 をチ

換 器 の 前 に置 い て,

換 器 が チ ャ ン ネ ル を 走 査 し て い る 間 ア ナ ロ グ電 圧 を保 持 す る必 要 が あ る.

確 認 の た め に は,デ ー タ レ コ ー ダ に記 録 した 波 形 を再 生 して,AD変 す る チ ャ ン ネ ル を 入 れ 替 え て,同

換 器 に接 続

じ時 間 遅 れ が 得 られ る か ど う か を 試 し て み る と

よ い.

3.5 

筋 疲労

  筋 を 長 く使 っ て い る と疲 れ を感 じる.こ

れ が 筋 疲 労 で あ る.筋 疲 労 に は,大

く分 け て,中

労 が あ る.中 枢 性 疲 労 は,脳 や 脊 髄 レ

枢 性 疲 労 と末 梢 性(局

所)疲

き

ベ ル で の 神 経 イ ンパ ル ス 列 に み られ る 疲 労 の 現 象 で あ る.こ れ に対 して,局 所 疲

労 は,効 果 器 で あ る筋 そ の もの の疲 労 で あ る.   中枢 性 疲 労 の 状 態 で は,筋

は疲 れ て い な い状 態 も想 定 さ れ る.神 経 イ ンパ ル ス

列 に 代 わ っ て 電 気 刺 激 を加 えれ ば筋 は 収 縮 し,疲 労 して い な い 状 態 と同 様 な表 面 筋 電 図 を得 る こ とが で き る.一 方,局

所 疲 労 の 状 態 で は 筋 線 維 の 疲 労 で あ り,運

動 神 経 細 胞 か ら筋 線 維 へ 至 る 経 路 で 観 測 さ れ る 神 経 パ ル ス 列 に 対 して筋 線 維 が 十 分 に 反 応 しな い.ま

た,筋

線 維 上 を電 気 的 興 奮 が 伝 播 す る際 の 伝 導 速 度 も代 謝 産

物 の 蓄 積 に よ っ て低 下 す る.な お,代

謝 産 物 は血 液 の 流 れ に よ っ て も変 化 す る.

こ の よ う に,筋 疲 労 を計 測 す る場 合 に は,中 枢 性 か 末梢 性 か に よ っ て,観 測 部 位 が 異 な る.こ

こで は,表 面 筋 電 図 を基 に,末 梢 性 筋 疲 労 に 伴 う変 化 を検 出す る方

法 に つ い て 説 明す る.   末梢 性 筋 疲 労 と 表 面 筋 電 図 の 関係 は,随 意 的 な等 尺 性 筋 収 縮 を持 続 す る こ とに よ っ て,表 面 筋 電 図 の 振 幅 や 周 波 数 成 分 が 変 化 す る こ とが 見 出 され た こ と に始 ま る.こ

れ ら に 関 して は,Lippold8)に

Sato10)に

よ る振 幅 の増 大, KogiとHakamada9)や

よ る徐 波 化 や 低 周 波 数 側 へ の シ フ トと い っ た現 象 が 報 告 され,そ

の後

も数多 くの 報 告 が あ る.

1  筋疲 労 に伴 う振 幅の増 大 と周 波数の徐 波化11)  肘 関 節 を直 角 に 保 ち,上 腕 二 頭 筋 の等 尺 性 収 縮 を 最 大 筋 力 の70%で

疲 れ切 る

ま で い っ た と きの 上 腕 二 頭 筋 にお け る 筋 電 位 信 号 の ス ペ ク トル 変 化 を 経 時 的 に示 した もの が 図3.11で

あ る.定 性 的 にみ て,70Hz付

近 に ピー ク を もつ ス ペ ク トルが

図3.11  最大 筋 力 の70%を 等 尺性 に保 持 した と きの上 腕 二頭 筋 の正 規 化 した スペ ク トル の時 間的 変化

時 間 経 過 に 伴 っ て,周 波 数 ピー クが50Hzに

シ フ ト して い る こ とが うか が わ れ る.

 こ の周 波 数 ス ペ ク トル か ら筋 電 位 信 号 の 積 分 値 に相 当 す る トー タ ルパ ワー と平 均 周 波 数 を算 出 し,時 間軸 を最 大 耐 久 時 間 で基 準 化 して 疲 労 性 変 化 を み た もの が 図3.12で た.ま 50%で

あ る.ト

た,平

ー タ ル パ ワー は初 期 値 に比 べ,お

均 周 波 数 は お よそ100Hzか

ら70Hzへ

も ほ ぼ 同 様 の傾 向 で あ っ た.ま た,膝

よ そ5倍 直 線 的 に増 加 して い と漸 減 して い た.最 大 収 縮 の

関 節 を伸 展 す る等 尺 性 収 縮 に お け る

大 腿 直筋 の 疲 労 性 変 化 につ い て も,上 腕 二 頭 筋 と 同様 に 筋 電 位 信 号 の トー タ ルパ ワー は筋 疲 労 と と も に漸 増 し,平 均 周 波 数 は漸 減 した.し

か しそ の 変化 は 上 腕 二

頭 筋 ほ ど著 し くは なか っ た(図3.13).

図3.12  最 大 筋 力 の50%(●)お よび70%(○)の 収 縮 レベ ル を保 持 した ときの 上腕 二 頭 筋 の 筋電 図パ ラ メー タ(ス ペ ク トルパ ワー,平 均 周 波 数)変 化

図3.13  最大 筋 力 の50%(●)お

よび70%(○)の

筋 電 図 パ ラ メ ー タ(ス

収縮 レベ ル を保 持 した と きの大 腿 直 筋 の

ペ ク ト ル パ ワ ー,平

均 周 波 数)変

化11)

  筋 疲 労 に伴 っ て 生 じる筋 電 位 の振 幅 増 大 と,周 波 数 の低 周 波 数 側 へ の シ フ トが, どの よ う な メ カ ニ ズ ム に よ っ て 起 こ るか に つ い て は,十 分 に 明 らか に され て い る と は い え な い.振 幅 の 増 大 に つ い て は,活 の 増 加,さ

動 に 参 加 す る運 動 単 位 の 数 や 発 射 頻 度

ら に は発 射 活 動 の 同 期 化 が 主 な 原 因 とさ れ て い る.他 方,周

波 数 の徐

波 化 に つ い て は活 動 電 位 の 持 続 時 間 の 延 長 や伝 導 速 度 の 遅 延 が 主 な原 因 と さ れ て い る.ま

た,持 続 時 間 の 短 い 活 動 電 位 が 衰 退 し,持 続 時 間 の 長 い 活 動 電 位 に交 代

し た た め だ と い う解 釈 もあ る.

2  多点表面電極 と筋線維伝導速度   局 所 的 な筋 疲 労 に伴 っ て 筋 線 維 伝 導 速 度 が 低 下 す る.図3.14は4,8,12kgの 3種 類 の 重 りを1,2,4分 度 で あ る.12kgの

間 そ れ ぞ れ 保 持 し た と き の上 腕 二 頭 筋 の筋 線 維 伝 導 速

重 りの と き は 伝 導 速 度 が20%低

Arendt‐NielsenとMills13)が

下 し て い た.同

大 腿 四 頭 筋 で 行 っ て お り,60%MVCで

で 収縮 を保 持 した と き,伝 導 速 度 が20%低

様 な実験 を 疲労 す るま

下 した こ と を報 告 して い る.

図3.14  3種 類 の 異 な っ た重 りを保 持 した ときの 上腕 二 頭 筋 の筋 線 維伝 導 速 度 変 化

  こ う した筋 疲 労 に伴 う筋 線 維 伝 導 速 度 の低 下 は,乳 酸 な どの 代 謝 産 物 が 蓄積 し, 筋 の細 胞 外pHが

変 化 し た こ と に よ り,筋 線 維 を伝 播 す る活 動 電 位 の 伝 導 速 度 を

低 下 させ る と い う も の で あ る14).も

う1つ の 考 え方 は,筋 線 維 タ イ プ あ る い は 運

動 単 位 タ イ プ の 疲 労 特 性 に 関 連 した もの で あ る.す な わ ち,耐

久 性 に 劣 る速 筋 線

維 が 疲 労 に よ っ て 収 縮 力 を 失 う と同 時 に活 動 を停 止 す る.一 方,耐

久 性 に優 れ た

遅 筋 線 維 は活 動 を続 け る.筋 疲 労 に よ っ て速 筋 線 維 が 活 動 を停 止 して も遅 筋 線 維 が 活 動 を持 続 して い るた め に,筋

全 体 と して は伝 導 速 度 が 低 下 し た よ う に観 測 さ

れ る とい う もの で あ る.こ の 考 え 方 の 背 景 に は,速 筋 線 維 の伝 導 速 度 は遅 筋 線 維 の そ れ よ り速 い とい う こ とが 前 提 に あ る.   これ らを 考 え あ わ せ る と,筋 疲 労 に伴 う活 動 電 位 の 伝 導 速 度 の 低 下 は,乳 酸 な どの 代 謝 産 物 の 蓄 積 に よ り細 胞 外pHが

変 化 し,そ れ に よ り活 動 電 位 の伝 導 速 度 が

低 下 した こ と と,速 筋 線 維 が 疲 労 しや す い性 質 の た め に活 動 を停 止 し,遅 い 伝 導 速 度 の 遅 筋 線 維 が 活 動 し続 け る とい う こ とが 同 時 に 起 こ っ た た め だ と考 え ら れ る.

3.6

ま とめ

  筋 電 位 信 号 を処 理 す る とい う こ と は,時 系 列 と して の 波 形 デ ー タ を,振 幅 値 や, 平 均 周 波 数 な ど の 数 値 に 変 換 す る こ と で あ る.こ れ は,1次

元の 波形 デー タを数

値 デ ー タに 縮 約 す る 過 程 と い え る.数 値 デ ー タ と な っ て は じめ て,さ

まざまな収

縮 条 件 や 被 験 者 間 で の 比 較 が 可 能 に な る.そ

して,こ

の よ う な 比 較 を通 して,筋

の 活 動 パ タ ー ンや,疲 労 な どの 内 部 変 化 を調 べ る こ とが で き る よ うに な る.

参考 文献 1) 吉 澤 正尹:筋

電 図− 表 面 筋 電 図 の 記 録 ・分 析 入 門−,Jap

J Sports

Sci,14,89‐98

(1995) 2) Basmajian

JV, De Luca

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CJ:Muscles

ed.),Williams & Wilkins

面 筋 電 図 の 測 定,処

4) 深 代 千 之,桜

Alive:Their

井 伸 二,他:ス

理,分

析,Jap

Functions

Revealed

by

(1985)

J Sports

Sci,2,671‐685(1983)

ポ ー ツ バ イ オ メ カ ニ ク ス,115‐119,朝

倉書店

( 2000) 5) 三 田 勝 己:筋

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6) 加 藤 象 二 郎,大

久 保堯 夫(編):初

学 者 の た め の 生 体 機 能 の 測 り方,159‐163,日

本

出 版 サ ー ビ ス (1999) 7) McGill

KC,Dorfman LJ:High‐resolution

IEEE

Trans

8)  Lippold

Biomed

OCJ,Ledfean

in 10) 

Sato

11) 

H:Some

Sadoyama

factors

conduction

T,Masuda

the

L,Mills

frequency,mean

of

fatigue,

spectra

of

analysis

of

(1977)

electromyo‐grams

in

surface

EMG 

to

evaluation

of

between

of surface

EMG

muscle

during

fibre

sustained

(1983) fibre

characteristic

strength

(1981)

parameters

and

muscle

(1976)

H:Relationships

quadriceps,Eur P:Signal

surface

Nippon,84,137‐145

KR:Muscle

voltage

and

(1962)

Physiol,51,247‐256

EMG of human

electromyogram

power Soc

T,Miyano

13)  Arendt‐Nielsen

Physiol,37,111‐121

electromyography

Physiol,47,239‐246

velocity and frequency

J,Komi

surface

H:Frequency

J Appl

J Appl

contractions

J:The

Labour,60,270‐41

Anthrop

contraction,Eur

14)  Viitasalo

Sci

affecting

T,Miyano

fatigue,Eur

Sadoyama

of

Inst

contractions,J

muscle 12) 

T:Slowing

fatigue,Rep

isometric

wave‐forms,

(1960)

K,Hakamada muscle

of sampled

(1984)

JWT,Vuco

Ergonomics,3,121‐131 9)  Kogi

alignment

Eng,BME‐31,462‐468

conduction

force J Appl

during

velocity,mean

submaximal

Physiol,58,20‐25 of

EMG

during

power

fatiguing (1988)

fatigue,Eur

J

Appl

第4章 

応用の事例

  体 育 ・ス ポ ー ツ や リハ ビ リテ ー シ ョ ン な どの伝 統 的 な 表 面 筋 電 図 の 応 用 分 野 に 加 え て,人

間 工 学 や労 働 科 学 さ ら に は 最 近 の 感 性 工 学 の 領 域 で,表 面 筋 電 図 を使

っ て 作 業 負 担 の 評 価 や 製 品 の使 い 勝 手 を評 価 す る研 究 が 報 告 さ れ,応 用 面 で 利 用 価 値 が 高 い とい う こ とが 明 らか に さ れ て きた.本 章 で は,そ

れ らの研 究 報 告 例 を

紹 介 しなが ら,ど の よ う に筋 電 図 を利 用 す れ ば よ い か を解 説 す る.た の な か に は デ ー タ処 理 の 仕 方 に 古 い もの が 含 まれ て い る.そ

だ し,事 例

れ らは 最 新 の デ ジ タ

ル 処 理 の 手 法 に 読 み 替 えて,筋 電 図利 用 の 方 法 や 考 え方 を理 解 して い た だ きた い.

4.1  感 じられ な い 筋 活 動 の認 識   剣 道 で の 小 さ くす ば や い 正 面 打 突 を 行 うた め に竹 刀 を 振 上 げ る 局 面(図4.1) に お い て,大 4.2に 示 す.小

胸 筋,三

角 筋 前 部,僧

帽 筋 中 部 か ら導 出 した 筋 活 動 パ タ ー ン を 図

さ くす ば や い 正 面 打 突 と い う の は,素 振 りの よ う に竹 刀 を 頭 上 ま

で 振 りか ぶ っ て 面 を打 つ の で は な く,試 合 の と きの よ う に振 り幅 を小 さ く,い わ ゆ る「 刺 す 」 よ う に打 つ 面 の こ と で あ る.一 見 す る と,あ ま り振 り上 げ な い の で 肩 周 囲 の筋 を 使 っ て い ない よ う に み え るが,剣

道 の熟 練 者 は肩 周 囲 筋 を よ り効 果

的 に使 って い る.   図4.2左 側 は あ る 大 学 の レギ ュ ラ ー 選 手 で 全 国 レベ ル の大 会 で 優 勝 す る よ うな 者,右 側 は剣 道 三 段 以 上 の猛 者 で は あ るが レギ ュ ラー に は1歩 届 か な い 者 で あ る.  筋 電 位 の 導 出 に は,小 型 筋 電 図計 測 シ ス テ ム(Bagnoli‐4,Delsys)を

用 い,電

図4.1  剣 道 にお け る小 さ くす ばや い 正 面打 突

図4.2  小 さ くす ばや い正 面 打 突時 の 筋 活 動パ ター ン

極 に は 能 動 型 を用 い た.感 度 は1000倍,高

域 遮 断 周 波 数 は1kHzで

あ っ た.電

極 は,筋 出 力 と振 幅 が 対 応 関 係 に あ る こ と を確 認 し なが ら,筋 腹 付 近 に貼 付 した. 各 信 号 を サ ンプ リ ング周 波 数2kHzでAD変 Ⅱ ,GW

Instruments)で

換 し,波 形 解 析 ソ フ ト (Super Scope 

解 析 ・表 示 し た.

  筋 活 動 パ タ ー ン を比 較 す る とい くつ か の 特 徴 が み られ る.そ の な か で 最 も明確 な差 異 は,「 構 え」 か ら打 ち 出 そ う と竹 刀 を振 り上 げ る 瞬 間(図 帽 筋 中 部 の活 動 で あ る.レ ギ ュ ラ ー群 で は こ の筋 活 動 が10名 非 レギ ュ ラー 群 で は10名

中4名 に しか み られ ず,み

中 の 円 内)の 僧

中9名 で み られ るが,

られ て も筋 活 動 時 間 が 短 い.

振 り上 げ るた め に は三 角 筋 前 部 が 中 心 的 な 働 きを す るが,そ

の 瞬 間 に僧 帽 筋 中 部

も活 動 させ て 肩 甲骨 を内 転 させ て い れ ば,上 腕 を挙 上 しや す くな る.し た が っ て, レギ ュ ラ ー 群 は 三 角 筋 前 部 の 筋 活 動 を よ り有 効 に 上 腕 の挙 上 動 作 へ と結 び つ け ら れ る の で あ る.   と こ ろ が,こ

の 僧 帽 筋 中部 の筋 活 動 を 認 識 して い る か ど うか レギ ュ ラ ー 選 手 に

聞 い て み た と こ ろ,誰 一 人 と して 認 識 で き て い な か っ た.筋 電 図 で 筋 活 動 をみ せ な が ら動 作 を さ せ て み て も,「 や は り僧 帽 筋 を使 っ て い る と は 感 じ られ な い 」 と 答 えが 返 って きた の で あ る.   こ の こ とは,正 面 打 ち の指 導 をす る 際,以 け な い こ とを 示 唆 して い る.す の 筋 を使 う こ と は 重 要 で,特

な わ ち,小

下 の よ う な こ とに 注 意 しな け れ ば い

さ くす ば や い 面 を打 つ と きで も肩 周 囲

に僧 帽 筋 中 部 に よ り肩 甲 骨 を 内転 させ る こ とが 大 切

だ とい う こ と を知 識 と して 伝 え る.実 際 の 動 き を指 導 す る 際 は,「 僧 帽 筋 中 部 を 使 え!」

とい っ て も結 局 は わ か らな い し,感

じ られ な い.そ

こ で,僧 帽 筋 中部 を

結 果 的 に 使 え る よ う な 誘 導 的 指 導 を工夫 す べ きな の で あ る.

4.2  過剰 な筋活動の定量化   サ ッ カ ー の ク ッ シ ョ ン コ ン ト ロ ー ル 時(図4.3)に 内 側,内

側 広 筋,大

腿 直 筋 の 合 計4カ

示 す.ク

ッ シ ョ ン コ ン ト ロ ー ル と は,空

お い て,前

脛 骨 筋,腓

腹 筋

所 か ら 導 出 し た 筋 活 動 パ タ ー ン を 図4.4に 中 を飛 ん で きた ボ ー ル に 対 して片 足 を上

図4.3 

図4.4 

げ て 迎 え,そ

サ ッ カ ー の ク ッ シ ョ ン コ ン トロ ー ル

ク ッ シ ョ ン コ ン トロ ー ル 時 の 筋 活 動 パ タ ー ン

の足 の 甲 の 部 分 に ボ ー ル を上 手 に乗 せ て体 に 引 き寄 せ,そ

の乗 せ た

ボ ー ル を思 い どお りの所 へ そ っ と置 く よ う に落 とす技 術 で あ る.特 に この 図 で は, ボ ー ル が足 の 甲 の 部 分 に乗 っ て い る局 面 に 注 目 して 話 を進 め た い(図4.4の

網か

け部).  筋 電 位 の 導 出 方 法 は,前 節4.1と

同 様 で あ る.図4.4左

側 は サ ッカ ー で は 有 名

な 大 学 の レ ギ ュ ラ ー 選 手 の 筋 活 動 パ ター ン,右 側 は体 育 学 部 の 大 学 生 の 筋 活 動 パ ター ンで,比 較 す る と い くつ か の特 徴 が み られ る.ま ず 足 関節 の 角 度 変 化 をみ る と,サ

ッ カ ー 選 手 は 一 度 底 屈 して ボ ー ル を迎 え,背 屈 し た とこ ろで ボ ー ル を足 の

甲 の 部 分 に乗 せ,そ

の 足 関 節 角 度 を 一 定 に保 っ て い る.前 脛 骨 筋,腓 腹 筋 内 側 の

筋 活 動 パ タ ー ン も動 作 イ メ ー ジ に よ く対 応 して い る.一 方,体

育学 部の学生 はサ

ッ カ ー 選 手 で は な い と は い え,そ れ な りに運 動 能 力 は 高 い の で ボ ー ル を足 の 甲 に な ん とか 乗 せ る こ とは で き るが,足 腓 腹 筋 の 筋 活 動 を比 較 す る と,サ で あ るが,体

関 節 角 度 を一 定 に 保 て て い な い.こ の 局 面 の ッ カー 選 手 で は わ ず か に筋 活 動 が み られ る の み

育 学 部 の 学 生 で は 断 続 的 な筋 活 動 が み られ る(図4.4の

円 内).こ

れ

は足 関 節 角 度 を 一 定 に保 て な い こ と につ なが る過 剰 な筋 活 動 と考 え られ る.   この 局 面 の 腓 腹 筋 の 筋 活 動 量 を 最 大 筋 収 縮 時 の筋 活 動 量 で 基 準 化 す る と,サ ッ カ ー 選 手 群 で は 平 均 約4%RMS,体 た.そ

の 差 は わ ず か3%で,動

育 学 部 の 学 生 群 で は 平 均 約7%RMSで

あっ

作 中 に 感 じ とる に は非 常 に小 さ な違 い で あ る.さ

ら に,こ の 局 面 に お い て 膝 関節 の 伸 展 や 固 定 に 関 与 す る 内 側 広 筋,大 活 動 量 も,体 育 学 部 の 学 生 群 で は サ ッ カ ー選 手 群 よ り約3∼5%RMSほ

腿 直筋の筋 ど高 か っ

た.こ

れ らの こ と は,こ の 動 作 に 関与 す る 筋 群 で の 過 剰 な 筋 活 動 が 無 駄 な 力 を生

み,そ

れ が ボ ー ル を上 手 に コ ン トロ ー ル す る こ と を妨 げ,そ

れ で も な ん とか コ ン

トロ ー ル し よ う とす る と さ らに 過 剰 な筋 活 動 が み ら れ て し ま う とい っ た 悪 循 環 に 陥 る こ と を 示 唆 して い る.   た だ し,指 導 現 場 で は過 剰 な筋 活 動 に よ る無 駄 な力 を抜 くた め に 「も っ と リラ ッ ク ス せ よ」 とか 「も っ と力 を抜 い て 」 と ア ドバ イ ス す る こ とが よ くあ るが,抜 か な け れ ば な ら な い筋 活 動 量 は わず か 数 ％ な の で,そ

れ を しっ か り認 識 し,実 際

に抜 くこ とは と て も む ず か しい こ と な の で あ る1).し

た が っ て,無 駄 な 力 を抜 く

た め に は,身 体 の 他 の 部 分 に 意 識 を 置 い た り,逆 に 力 を入 れ させ た り,結 果 的 に 抜 け る よ う誘 導 す る こ と が 大 切 で,優 れ て い る と い わ れ る指 導 者 は い ろ い ろ な 誘 導 方 法 を も っ て い るの で あ る.

4.3  筋 線 維 組 成 と筋 線 維 伝 導 速 度2)   筋 は多 数 の 筋 線 維 が 束 に な っ て 構 成 さ れ て い る.運 動 単 位 を機 能 的 に 分 類 す る と FF

(Fast twitch,Fatigable),FR

(Slow

Twitch)に

(Fast twitch,fatigable

分 け られ る.こ

のFTタ

Resistant),ST

イ プ (FFとFR)やSTタ

イ プの運動

神 経 に つ なが る 筋 線 維 は,原 則 と し て速 筋 線 維 と遅 筋 線 維 で あ り,収 縮 張 力 や 収 縮 速 度,疲

労 特 性 と 関連 す る.特

にFTタ

イ プ の 運 動 単 位 は 筋 線 維 自体 が 太 く,

収 縮 力 が 大 きい が す ぐに 疲 労 し て し ま う タ イ プ で あ る.他 方,STタ

イプの運動

単 位 は,そ れ につ な が る筋 線 維 も細 く,収 縮 張 力 は小 さい が 疲 労 しに くい タ イ プ で あ る.   FTタ

イ プ とSTタ

を表4.1に 示 す3).こ の 融 合 頻 度 や,軸

イ プ に分 け て 単 収 縮 の 速 さ とそ の 他 の 諸 特 性 を ま とめ た もの の 特 性 の な か で,筋

索 の 伝 導 速 度,後

電 位 の波 形 に 関 係 す る 項 目は 反 復 収 縮

過 分 極 持 続 時 間 で あ る.す

な わ ち ,反 復 収 縮

の 融 合 頻 度 は筋 電 位 の スパ イ ク波 形 の 発 射 頻 度 と関 係 し,軸 索 の伝 導 速 度 は筋 線 維 伝 導 速 度 と 関係 す る.ま た,後

過 分 極 持 続 時 間 は 単 一 運 動 単 位 の筋 電 位 の周 波

数 に 関 係 が あ る と考 え られ る. 表4.1

運動 単 位 に おけ る単収 縮 の 速 さ と他 の 諸 特性 との 関係 (ネ コ,下 腿 三頭 筋)3)

  速 筋 線 維 の比 率 が 高 い と力 強 く収 縮 す るが 疲 労 しやす い.逆 が 低 い と ゆ っ く り収 縮 す る か わ りに 疲 労 し に くい4).同

に速筋線維 の比率

じ筋 で あ っ て も,収 縮 特

性 や 疲 労 特 性 は 人 に よ っ て も異 な る.筋 線 維 の 組 成 を 知 る こ とは 個 人 の 運 動 適性 の 一 側 面 を評 価 す る こ とが で き る とい う点 で 非 常 に 重 要 な こ とで あ る.   これ ま で,筋 線 維 組 成 は バ イ オ プ シ(生 検)に きた.し

よ っ て 組 織 化 学 的 に 調 べ られ て

か し,バ イ オ プ シ 法 は 生体 組 織 の 一 部 を切 り取 る とい う外 科 的 な手 術 を

必 要 とす る.そ

の た め に そ う した 侵 襲 的 な 方 法 に よ ら な い で,筋 線 維 組 成 を推 定

す る方 法 の 開発 が 望 ま れ て い る.   筋 線 維 を伝 播 す る 筋 電 位 の 伝 導 速 度 は,収 縮 力 や 筋 疲 労 と関 係 す る こ とが 明 ら か に さ れ て い る.こ れ ら は,運 動 単 位 の活 動 参 加 や 発 射 頻 度 と密 接 な 関 係 に あ り, 筋 線 維 組 成 との 関 連 も高 い と考 え られ る.そ こ で,筋 線 維 伝 導 速 度 と筋 線 維 組 成 と の 関係 につ い て 調 べ た.で き る だ け 筋 線 維 組 成 の バ ラ ツ キ の 幅 が 大 きい と考 え ら れ る 陸上 競 技 の 短 距 離 と長 距 離 の 選 手 を 選 び,大 腿 部 の 外 側 広 筋 を 対 象 に調 べ た. 筋 線 維 組 成 の 計 測 は ニ ー ドル ・バ イ オ プ シ 法 で 採 取 し,組 織 化 学 的 に染 色 した. 染 色 の 結 果 に基 づ い て,線

維 をFTとSTの

タ イ プ に分 類 した.FTとST線

維の

平 均 面 積 を デ ジ タ イザ で 測 り,筋 線 維 の 断 面 を 円 形 と仮 定 し て面 積 か ら線 維 の直 径 を計 算 した.筋 線 維 組 成 はFT線

維 の 面 積 比 で 表 した.

  筋 線 維 伝 導 速 度 は膝 関 節 伸 展 中 に,外 側 広 筋 の 筋 電 位 信 号 か ら計 測 した.筋 電 位 信 号 の 誘 導 は13本 は,太 5mm間

の ス テ ン レ ス 線 で で き た ア レ イ 電 極 を 用 い て 行 っ た.電 極

さ1mm,幅10mmの

ス テ ン レス 線 を厚 さ2mmの

隔 で 配 列 した もの で あ る.筋

導 した.こ

電 位 信 号 は 隣 り合 っ た 電 極 か ら双 極 性 に 誘

の ア レ イ電 極 を筋 の 長 軸 に 沿 っ て,バ

幹 側 に貼 り付 け た.電

塩化 ビ ニ ー ル の シ ー トに

イ オ プ シ を行 っ た 位 置 の や や体

極 は 皮 膚 を ア ル コ ー ル で きれ い に した後,電

極 ペ ー ス トを

付 け な い で皮 膚 表 面 に 貼 り,粘 着 テ ー プ で 動 か な い よ う 固定 した.ア

ー ス電 極 は

当該 脚 の 膝 蓋 骨 に つ け た.   増 幅 器 の 周 波 数 帯 域 は53∼1000Hzで,さ 50Hzの

フ ィル タ を使 用 した.12ビ

ら に 交 流 信 号 を徐 去 す る た め に

ッ ト分 解 能 を もつAD変

プ リ ング 周 波 数 で デ ジ タ ル 化 し た.サ

換 器 で5kHzの

ン プ ル 数 は チ ャ ン ネ ル あ た り4096点

お よ そ0.8秒 間 に相 当 す る.二 つ の 筋 電 位 信 号 の相 関 関 数 を計 算 し た.伝 は 電 極 間 距 離5mmと

サン

筋 電 位 信 号 の 時 間 差 か ら計 算 した.時

で,

導速度

間差 は2チ ャ ン ネ ル

の筋 電 位 信 号 の相 互 相 関 関 数 の最 大値 か ら算 出 した.   FT線

維 の 面 積 比 は被 験 者 に よ っ て か な りバ ラ ツ キ が あ り,22.6∼93.6%の

囲 に わ た っ て い た.短 距 離 走 者 のFT線 93.6%)と

維 の 面 積 比 は 平 均70.1%(範

高 く,他 方 長 距 離 走 者 の そ れ は 平 均36.4%(範

囲47.1∼

囲22.6∼61.3%)と

低 か っ た.こ

の違 い は統 計 的 に も有 意 で あ っ た(p＜0.01).平

∼5 .20m/sの

範 囲 に わ た っ て い た.短 距 離 走 者 の 伝 導 速 度 は4.84±0.24m/sで

距 離 走 者 の そ れ(4.31±0.10m/s)よ   伝 導 速 度 とFT線

り有 意 に(p＜0.01)速

維 の 面 積 比 の 関 係 を 図4.5に

(r=0.84,p＜0.01)が

認 め られ た.す な わ ち,FT線

速 度 も速 く,反 対 にFT線

示 す.両

範

均 伝 導 速 度 は4.13 長

か っ た. 者 の 間 には正 の 相 関

維 面 積 の比 率 の高 い 人 は 伝 導

維 面 積 の 比 率 の 低 い 人 は伝 導 速 度 が 遅 か っ た.伝 導 速 度

と線 維 組 成 との 相 関 はFTやST線

維 の膜 の 興 奮 性 の 違 い に よる もの と思 わ れ る.

図4.5  筋 線 維伝 導 速 度 と速 筋 線 維 の比 率 との 関係2) ●短距 離 走 者,○ 長 距 離 走 者

  非 侵 襲 的 に 計 測 可 能 な,筋 線 維 組 成 と相 関 の 高 い 筋 線 維 伝 導 速 度 と い う生 理 学 的 な 指 標 を見 出 した.す

な わ ち,こ の 伝 導 速 度 に よ っ て 筋 線 維 組 成 を評 価 で き る

可 能 性 が 示 唆 され た.筋 線 維 構 成 とス ポ ー ツ種 目 との 関 連 性 が 適性 や トレー ニ ン グ に 強 く影 響 され る こ と は疑 い な い.そ

こで 短 距 離 や 長 距 離 の 選 手 の適 性 を 早 期

に 見 出 す た め に は 筋 線 維 組 成 を知 る こ とが 重 要 で あ る.非 侵 襲 計 測 で あ るた め, こ の 手 法 は ス ポ ー ツ科 学 の 分 野 や神 経 筋 疾 患 な どの 臨 床 診 断 に も応 用 可 能 で あ ろ う.

4.4  各 種 ス ポー ツ競 技 選 手 の筋 線 維 伝導 速 度5)   ス ポ ー ツ選 手 を対 象 と した 筋 バ イ オ プ シ に よ っ て 筋 線 維 の 組 成 が 調 べ ら れ て お り,短 時 間 に高 い 運 動 強度 が 要 求 され る ス ポ ー ツ種 目の 選 手 は 速 筋 線維 を含 む 割 合 が 多 く,持 久 性 の 高 い ス ポ ー ツ種 目 の選 手 は遅 筋 線 維 の 割合 が 多 い と報 告 され て い る.こ う した 研 究 の 主 なね らい は,筋 線 維 組 成 の 偏 りを 調 べ る こ とに よ っ て, そ れ ぞ れ の種 目に 属 す る選 手 の 適 性 を 知 る こ とに あ る.   ス ポ ー ツ種 目に よ っ て筋 線 維 組 成 に 偏 りが あ る の で あ れ ば,筋 が 活 動 す る と き の 筋 電 位 の伝 導 速 度 に もそ う した 違 い が 存 在 す る こ とが 予 想 され る.ま た,筋 線 維 組 成 を調 べ る方 法 は バ イ オ プ シ に よ る侵 襲 的 な方 法 で あ る.筋 線 維 組 成 と伝 導 速 度 の 関 係 が 明 らか に なれ ば,線 維 組 成 を推 定 す る非 侵 襲 的 な 方 法 が 開発 で き る 可 能 性 も出 て くる.   そ こ で,各 種 の ス ポ ー ツ種 目の 外 側 広 筋 にお け る筋 電 位 の伝 導速 度 を計 測 した. 大 学 に 在 学 す る 男 子 ス ポ ー ツ競 技 者57名 い 一 般 男 子 学 生7名 (Spr‐12名),長

(Bod‐7名)と

を 計 測 対 象 に 選 ん だ.各

距 離(Dis‐8名),投

ボ ー ル(Han‐8名),サ

と,特 別 な ス ポ ー ツ活 動 を行 っ て い な

て き(Thr‐8名).ボ

ッ カー(Soc‐7名).そ

水 泳(Swi‐7名)で

種 競技 種 目は陸 上競 技 の短 距 離

あ っ た.こ

ー ル ゲ ー ム で はハ ン ド

の 他 の種 目 と して,ボ

デ ィ ー ビル

う し た種 目の 競 技 選 手 の ほ と ん どは

レギ ュ ラ ー ク ラス で あ っ た.   下 肢 外 側 広 筋 に お け る筋 線 維 伝 導 速 度 の 計 測 は前 節 で 述 べ た 方 法 と 同 じ で あ る.   図4.6は ス ポ ー ツ種 目別 に み た外 側 広 筋 の 筋 線 維 伝 導 速 度 で あ る.陸 上 競 技 の 短 距 離 走 者 が 平 均4.84m/sと

最 も速 く,や や 離 れ て投 て き選 手,サ

これ に つ づ き,そ れ ぞ れ4.59,4.56m/sで

あ っ た.ハ

ン ドボ ー ル 選 手,ボ

ビ ル ダ ー,非 鍛 練 者 が 中 間 に位 置 して お り,そ れ ぞ れ4.47,4 っ た.ま

た,伝

ッカ ー 選 手 が デ ィー

.44,4.42m/sで

あ

導 速 度 の 遅 い グ ル ー プ は 陸 上 競 技 の 長 距 離 選 手 と水 泳 選 手 で,そ

れ ぞ れ4.32,4.10m/sで

あ っ た.

図4.6  競 技 種 目別 にみ た 最大 筋 力発 揮 時 の外 側 広 筋 に お け る平 均伝 導 速 度 と 範 囲(最 大,最

小 値)5)

  水 泳 に も短 距 離 と長 距 離 の 種 目が あ るが,陸

上 競 技 の よ う に 瞬発 的 な ス ポ ー ツ

適 性 で は な くて,水 泳 の 短 距 離 は 持 久 的 な種 目 に属 す る もの と考 え られ る.こ した伝 導 速 度 の種 目特 性 はあ く まで も平 均 値 に基 づ く もの で,同

う

じ種 目 の選 手 の

な か に も個 人 差 が あ る.陸 上 競 技 の 短 距 離 選 手 の なか で も4.5m/sか

ら5.2m/sま

で か な り幅 が あ っ た.   FoxとMathews6)に

よ っ て ま とめ られ た 各種 ス ポ ー ツ にお け る筋 線 維 組 成 と比

較 して み る と,競 技 ご と に特 徴 的 な 傾 向が あ り,陸 上 競 技 の 短 距 離 や 投 て きの 選 手 は 速 筋 線 維 の 比 率 が 高 い.ま

た,持 久 的 な 能 力 を 要 求 さ れ るマ ラ ソ ンや 長 距 離

の 選 手 は遅 筋 線 維 の 比 率 が 高 い.こ の よ うに,伝 導 速 度 の傾 向 と比 較 して,非 常 に類 似 性 が 高 い と い え る.

4.5  操 作 に対 す る上 肢 上 方 作 業 域7)   人 間 工 学 の領 域 で,作

業 域 の 設 定 は お もに2つ の 面 か ら検 討 さ れ て い る.1つ

は作 業 の 上 限 と して の 到 達 可 能 な 範 囲 か らみ て い く方 法 で あ り,も う1つ は 最 適 動 作 範 囲 を求 め る もの で あ る.し か し,作 業 域 の 上 限 を考 え る場 合 に,生 体 寸 法 の 計 測 か ら行 わ れ る 到 達 域 の 内 側 に,機

能 や 筋 疲 労 か らみ た 許 容 域 が 存 在 す る.

特 に,産 業 場 面 に お い て は,操 作 に か か わ る姿 勢 の 保 持 や 手 指 ・足 先 の 細 か い調 整 の た め に,上 下 肢 の 保 持 を必 要 と され る こ とが 多 い.作 業 現 場 に お け る 人 間 工

学 的 な 配 慮 は 反 応 時 間や 操 作 力,操 作 時 間,操 作 誤 差 な ど の 要 因 の ほ か,局 所 疲 労 も考 え に 入 れ て お く必 要 が あ る.   た とえ ば,つ

ま み や レバ ー を持 続 的 に操 作 す る よ うな 場 合,上

肢 をある特定 の

位 置 に保 持 す る努 力 が 必 要 で あ り,保 持 に対 す る 筋 収 縮 の 活 動 の 度 合 は,操 作 位 置 に よっ て 異 な り,ま た 時 々 刻 々 と変 化 す る もの で あ る.上 肢 の 上 方 作 業 域 は そ の 最 も端 的 な例 で あ る.天 井 作 業 な どが,た

とえ 到 達 可 能 域 内 で あ っ て も,特 別

の 苦 痛 を伴 う こ と を体 験 す る.こ の よ うに 手 肢 の保 持 に よ る筋 疲 労 との 関連 で 作 業 域 を考 え て い く場 合 に は,単 に 到 達 域 や 動 作 域 か ら の検 討 の み で は不 十 分 で あ り,操 作 の 位 置 ご と に 静 的 な筋 負 荷 を計 測 し,操 作 の 持 続 時 間 に対 応 して過 労 現 象 の 出 現 しな い 範 囲 を 実 験 的 に 求 め て い く必 要 が あ る.   筋 疲 労 に伴 っ て,表

面 筋 電 図 の 振 幅 が 増 加 し,同 時 に徐 波 成 分 の 増 大 が 起 こ る

こ とが 知 られ て い る.筋 電 位 変 化 を筋 疲 労 の 量 的 な 判 定 に 応 用 す る こ とが で きれ ば,過

労 現 象 の 出 現 に着 目 した作 業域 の 設 定 に 役 立 て る こ とが で きる.そ の た め

に 筋 電 図 の 積 分 値 を 容 易 に記 録 す る 方 法 を 考 案 し,筋 の 過 労 現 象 を ど う把 握 し, そ れ に 対 応 した作 業 域 を どの よ う に 設 定 す るか につ い て 検 討 した.   筋 電 位 を量 的 に 表 現 す る た め に,積 分 装 置 を 製 作 した.皮 膚 表 面 よ り導 出 した 筋 電 位 を整 流 積 分 し,積 分 値 が 一 定 に 達 した と き放 電 させ,そ ス を発 生 させ,そ

の パ ル ス を1秒 ご と に カ ウ ン トして 印 字 させ る もの で あ る.こ

の パ ル ス 数 が 筋 活 動 の 量 的 な 表 示 に あ た る.図4.7は 40,70,100%で

れ に 同期 した パ ル

最 大 収 縮 に対 す る 筋 力 比10,

等 尺 性 に 収 縮 した と きの 三 角 筋 の 筋 電 図 と積 分 パ ル ス の例 で あ

る.収 縮 力 の 上 昇 に伴 って 三 角 筋 の 筋 電 図 の 振 幅 が 増 大 し,積 分 パ ルス 数 も増 え て い る こ とが わ か る.   この 積 分 パ ル ス を用 い て,三

角 筋 の 収 縮 力 と筋 電 位 の 関 係 を 調 べ る と図4.8の

よ う に,ほ ぼ 線 形 な 関係 が 成 立 した.こ

う した 関係 が 成 立 して い れ ば,外 部 へ の

筋 出力 測 定 が で き な い場 合 に も,筋 電 位 の積 分 値 や積 分 パ ル ス に よ って 筋 活 動 度 を 有 効 に表 現 で き る.最 近 で は,信 号 の デ ジ タ ル処 理 技 術 が 進 み,整 ど は筋 電 位 を デ ジ タル 信 号 に変 換 して お け ば,ソ 積 分 して,瞬

流,積

分な

フ トウ ェ ア で 絶 対 値 変 換 した後

時 に 結 果 を 出 力 で き,筋 活 動 の量 的 比 較 が 高 精 度 に で きる よ う に な

図4.7 

最 大 収 縮 比10,40,70,100%で

(a)右 三角 筋

収 縮 し た と き の 三 角 筋 筋 電 位 の 例7)

 (b)左 三 角筋

図4.8  筋力 と積 分筋 電 図 の 関係7)

っ て い る.   上 肢 前 方 挙 上 時 に肩 峰 点 を中 心 と し て,作 業 点 か らの 距 離,角 角 筋 の 活 動 を計 測 した.図4.9は

そ の 記 録 例 で あ る.こ

度 別に左右 の三

の 測 定 に あ た っ て は測 定

時 間 の 短 縮 と,筋 疲 労 の 影 響 を 除 くた め に,各 角 度 別 に肩 峰 点 に近 い と こ ろ か ら 毎 秒2.5cmの

ゆ っ く り した 一 様 な 速 度 で 第Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ

指 の 指先 位 置 を移 動 させ た.

こ の と き の 積 分 筋 電 図 は,そ れ ぞ れ の 位 置 で 純 粋 に 静 的 保 持 を させ た と きの積 分 値 と差 が な か っ た の で,各 保 持 位 置 を通 過 す る と きの 積 分 筋 電 図 を計 測 値 と した. 各 計 測 値 を被 験 者 各 人 の 最 大 収 縮 時 積 分 値 に 対 す る 比 率 に換 算 した う え で,被 験 者5人

に つ い て 平 均 した もの が 表4.2で あ る.肩 峰 点 近 位 の 下 方 で は三 角 筋 の 収

縮 は ほ とん どみ られ な い が,遠

位 の 水 平 方 向 お よ び 直 上 方 で は,か

な り強 い 収 縮

図4.9  上 肢前 方 挙 上 に おけ る 三角 筋 の筋 電 位7)

表4.2  上肢 前 方 挙 上 に おけ る 各位 置 で の三 角 筋 活動 度7)

を示 した.水 30%を

平 方 向 で も遠 位 で は,最 大 収 縮 時 の10%を

超 え,直

上 方 で は平 均

超 え て い た.

  こ れ を等 活 動 度 線 と して 表 示 し た もの が 図4.10で

あ る.10%の

等活動 度線 は

ほ ぼ 頭 頂 と水 平 前 方 の 手 を 伸 ば した 位 置 を結 ぶ 線 に あ た る.こ

れ と平行 して約

20cm上

方 に20%等

超 え て い た.こ

活 動 度 線 が あ り,直 上 方 に 手 を 伸 ば し た と こ ろ で は30%を

の 図 は 上 肢 保 持 の 筋 負 担 か らみ た上 肢 上 方 作 業 域 を示 して い る.

  作 業域 を筋 負 担 か ら検 討 す る場 合,ま

ず 筋 負担 を保 持 姿 勢 の 状 態 の ま ま わ か り

や す く,有 効 に 表 示 す る こ と.次 に 筋 負 担 の 大 き さが 作 業 域 の 限 界 づ け を必 要 と す る大 き さで あ るか ど う か の 評 価 を す る こ とが 必 要 で あ る.筋 電 図 の 利 用 は筋 の 負 担 の大 き さや 限界 づ け を有 効 に表 現 で き る指 標 で あ る.

図4.10  上肢 前 方 挙上 にお け る 三角 筋 活 動度 の 等 高線 図7)

  上 肢 の 前 方 挙 上 にお け る 三 角 筋 の 活 動 に つ い て,三 30%を

角筋 の活動 が最 大筋 力 の

超 え る 天 井 作 業 域 は,操 作 時 間 を考 え た場 合1∼2分

域 で あ る とい え る.ま た 肩 か ら20∼30cm近

で 筋 痛 が 発 生 す る領

位 で も上 方 で は 筋 負 荷 が10%を

超

え,筋 痛 出 現 を 目安 に す れ ば,許 容 持 続 時 間 は数 分 とみ られ る.   上 肢 の 上 方 作 業 域 と して,数

分 程 度 の 上 肢 保 持 を要 す る場 合 に は,頭 頂 と上 肢

の 水 平 到 達 域 と を結 ぶ 線 よ り下 に作 業 点 が あ るべ き で あ る.ま た作 業 時 間 との 関 係 で 作 業 域 を考 え る場 合,従

来 は あ ま り考 え て い な か っ た作 業 に伴 う疲 労 感 や筋

痛 を 考 慮 に入 れ る必 要 が あ る.

4.6  厨 房 作 業 にお ける 最 適 作 業 面 高8)   立 位 の 作 業 姿 勢 に 関 す る最 適 作 業 面 高 を筋 電 図 に よ っ て 人 間 工 学 的 に 検 討 し た.す

な わ ち 高 さの 異 な っ た作 業 台 で手 作 業 を す る 際 の 作 業 姿 勢 に対 す る 姿 勢 保

持 の 筋 が どの よ う に使 わ れ て い る か を 計 測 し,定 量 的 に表 現 す る こ と に よ っ て,

立 位 姿 勢 の保 持 に か か わ る筋 負 担 の 大 き さか ら,最 適 な作 業 台 の 高 さ を導 き出 そ う とす る もの で あ る.   被 験 筋 は,作 下,広

業 姿 勢 に 関 す る8つ の 筋(三

背 筋,大 腿 二 頭 筋,腓

腹 筋)を

47,50,53,56,59%の7段

角 筋,上

腕 二 頭 筋,僧

帽 筋 上,中,

選 ん だ.作 業 面 の 高 さ は,身 長 の41,44,

階 と し た.作 業 負 荷 は す べ て の 被 験 者 に 一 定 の 負

荷 を与 え る た め に,直 径25cmの

円 盤 状 エ ル ゴ メ ー タ を 製 作 し,使 用 し た.作 業

は 皿 洗 い に似 せ た 回 転 作 業 を負 荷 と した.筋 電 位 の 計 測 は そ れ ぞ れ の 筋 の ほ ぼ 中 央 部 に 直 径10mmの

銀 板 電 極 を貼 付 し,双 極 誘 導 法 に よ り記 録 した.筋 電 位 を積

分 装 置 に 入 力 し,パ ル ス 変 換 した.作 収 縮 時 の積 分 筋 電 図(IEMG)に

業 中の 活 動 度(％IEMG)は,各

筋 の最大

対 す る比 で 表 した もの で あ る.

  作 業 面 高 を 変 えて 筋 の 活 動 を対 応 させ て み る と,作 業 面 が 高 くな る に した が っ て 筋 電 位 が 増 加 す る筋 の グ ル ー プ と筋 電 位 が 減 少 す る グル ー プ に 分 類 で き た.す な わ ち,作 業 面 が 高 くな る に し た が っ て 筋 電 位 が 増 加 す る筋 グ ル ー プ は,僧 帽 筋 上,上

腕 二 頭 筋,三

角筋 で あ っ た.一 方,作

業 面 の上 昇 に伴 っ て 筋 電 位 が 減 少 す

る グ ル ー プ は僧 帽 筋 下,僧 帽 筋 中,広 背 筋,大 腿 二 頭 筋,腓 腹 筋 で あ っ た.図4.11 (a),(b)は

そ れ ぞ れ の 筋 グ ル ー プ別 に 作 業 面 高 と各 筋 の 活 動 度 を 示 して い る.

  調 理 の よ う な立 位 姿 勢 に よ る作 業 は,作 業 面 が 低 い 場 合 に は,姿 勢 が 中腰 姿 勢

(a) 図4.11  作 業 面 高 と各 筋 の活 動 度(％IEMG)8)

 (b)

や前 屈 み と な り,重 力 に抗 して腰 や 下 肢 の 筋 活 動 が 増 大 す る.こ に か か わ る筋 は 作 業 面 高 が 身長 の50%を   一 方,作

う し た直 立 姿 勢

超 え る と活 動 が 増 加 し ない.

面 高 が50%を

業 面 が 高 くな る に した が っ て筋 電 位 が 増 大 す る こ とに つ い て は,作 業 超 え る と上 肢 を持 ち 上 げ て 作 業 す る こ と に な り,そ の 分 上 肢 の 筋

や 上 肢 を保 持 す る 三 角 筋 や 僧 帽 筋 上 部 の 活 動 が 漸 増 す る こ と に な る.特

に僧 帽 筋

上 部 の 活 動 が 顕 著 で あ っ た.   以 上 の よ う に,調 理 作 業 の よ うな 立 位 姿 勢 にお け る最 適 作 業 面 を筋 負 担 と い う 側 面 か ら検 討 す る 場 合,特

定 の筋 に 負 担 が 偏 ら な い こ と が 好 ま しい.作 業 面 高 を

身長 に 対 す る比 率 で 表 し,作 業 面 が 高 くな る に した が っ て筋 電 位 が増 加 す る グ ル ー プ と減 少 す る グ ル ー プ に分 け て 活 動 量 を平 均 し,プ

ロ ッ ト した もの が 図4.12で

あ る.

図4.12  作 業面 高 と筋活 動 度(％IEMG)8)

  厨 房 作 業 の よ うな 持 続 的作 業 に お い て は,特 定 の筋 の み に 活 動 が偏 る こ と は筋 疲 労 や筋 痛 な ど の結 果 を 引 き起 こ しや す い.し

た が っ て,最

も筋 負 担 の 少 な い作

業 姿 勢 は 筋 活 動 が 少 な く,か つ 一 部 の 筋 に偏 る こ と な く平 均 的 に筋 が 参 加 す る こ とが 合 理 的 な作 業 姿 勢 で あ る とい え る.こ の 点 か ら,作 業 面 が 高 くな る に した が っ て,筋

電 位 が 増 加 す る グ ル ー プAと 減 少 す る グ ル ー プBが

筋 電 位 が 平 均 的 で か つ 少 な い 最 適 作 業 面 高 は 身 長 の50%前 きる.こ

交 わ る 点,す

なわち

後 と み なす こ とが で

の 高 さ の 比 率 は 主観 的 な使 いや す さ と も一 致 して い た.

4.7  感 性 工 学 分 野 にお け る筋 電 図 の 利 用9)   咀嚼 活 動 は食 べ 物 の 噛 みご た え とい っ た 嗜 好 に 関 す る課 題 で あ り,感 性 工 学 の 分 野 に応 用 で き る.咀嚼

運 動 に 関 す る 筋 電 図学 的 な研 究 は,関 連 す る筋 活 動 を振

幅 や 周 波 数 に よ っ て解 析 す る とい う方 法 が 行 わ れ て きた.こ

れ らの 解 析 的 方 法 は

咀嚼 運 動 の 動 的 側 面 を直 感 的 に 把 握 で き な い とい う傾 向 が あ っ た.こ

れ に 対 し咀

嚼運 動 に 伴 う 下 顎 の 変 位 を セ ンサ ー に よ っ て機 械 的 に ト レー ス す る方 法 が 考 案 さ れ た.セ

ンサ ー の 軌 跡 に よ っ て 下 顎 運 動 を動 的 に 表 現 す る こ とが で き る.し か し,

こ の 方 法 は計 測 装 置 の 調 整 が複 雑 で,自

然 な 咀嚼 運 動 が 妨 げ られ,等 尺 性 に収 縮

した 場 合 に は筋 電 位 が 計 測 で き な い とい う 問 題 が あ っ た.そ

こで 左 右 の 咬 筋 の積

分 筋 電 図 をベ ク トル 表 示 し,そ の リサ ー ジ ュ 図 形 か ら顎 運 動 を観 察 す る とい う方 法 が 考 案 され た.   正 常 な 歯 列 を有 す る 被 験 者 に 各 種 の 食 品 を 咀嚼 させ た.左 右 の 咬 筋 の 中 央 部 に 直 径10mmの

表 面 電 極 を,電 極 間距 離40mmで

貼 付 し,双 極 誘 導 した.筋

信 号 を整 流 し,時 定 数0.5sで 平 滑 化 し た.12msの 換 を し,21秒

間 記 録 した.導

間 隔 で1800ポ

電位

イ ン トのAD変

出電 極 の 貼 付 位 置 や 増 幅 器 の 感 度 は左 右 の チ ャ ンネ

ル に差 が 生 じ な い よ う細 心 の 注 意 を払 っ た.左 右 の 平 滑 筋 電 位 はXYプ

ロ ッ タの

X軸 とY軸 に そ れ ぞ れ プ ロ ッ トす る こ と に よ り リサ ー ジ ュ図 形 と して 表 現 した.   用 い た 食 品 はチ ョ コ レー ト(4.7g),ビ せ ん べ い(2.5g),キ た.一

ャ ンデ ィー(4.3g),チ

部 の 例 外 を 除 い て,咀嚼

ス ケ ッ ト(3.5g),ア

ュ ー イ ン ガ ム(3.1g)の6種

過 程 は 一 般 に 裁 断,粉

る.筋 電 位 の 計 測 は,裁 断 過 程 を省 略 し,粉 砕,臼   図4.13(a)は

ー モ ン ド(1.3g),

砕,臼

類 とし

磨 の 三 相 に分 類 され

磨 の 相 で 行 っ た.

せ ん べ い を 咀嚼 した と き の左 右 の 咬 筋 の 積 分 筋 電 図 の 例 で あ る.

咀嚼 運 動 の リズ ム性 や 筋 活 動 の 大 き さ を よ く表 現 して い る.し か し この 記 録 か ら は左 右 の 筋 活 動 の 相 互 関連 性 につ い て は理 解 しに くい.そ

こで,左

ベ ク トル 合 成 し,リ サ ー ジ ュ 図形 と して 表 現 した の が 図4.13(b)で

右 の 筋 電位 を あ る.咀嚼

ス

トロー ク が 多 数 集 ま っ た もの で,全 体 と して 遠 心 領 域 の膨 らん だ扇 形 を示 して お

(a) 積 分 筋電 図

(b)  リ サ ー ジ ュ 筋 電 図

(c) リサー ジュ筋 電 位 の10個 の副 分割 図

図4.13  せ んべ い を咀嚼 した際 の左 右 咬 筋 筋電 位 の3種 類 の表 現 方 法9)

り,ほ ぼ45度

の 線 対 称 と な っ て い る.大

ま か に は45度

の 比 較 的 線 形 な 軌 跡 と,

そ の 両側 にあ る先 端 の 広 が っ た 軌 跡 とに 分 け る こ とが で き る.45度

の 直 線 的 な軌

跡 は左 右 の 咬 筋 が 同 時 に 均 等 に 活 動 して い る こ と を意 味 し,下 顎 の 上 下 運動 に 関 係 して,咀嚼

前 期 の粉 砕 相 に 出 現 す る パ タ ー ンで あ る.ま た,弧

を描 くよ うな 軌

跡 は左 右 の 筋 力 バ ラ ンス が 連 続 的 に変 化 し て い る こ と を意 味 し,下 顎 の 側 方 運 動 に関 係 して い る.こ れ は 咀嚼 が 臼 磨 運 動 に な った と きに 出 現 す るパ ター ン で あ る.   こ う した リサ ー ジ ュ 図 形 を時 分 割 し,個 々の 咀嚼 ス トロ ー ク を観 察 で きる よ う に す る と,さ

ら に は っ き り した 咀嚼 の 特 徴 が 把 握 で きる.図4.13(c)は

パ ター ン を時 間 経 過 に し た が っ て10等 分 した もの で あ る.図 の1か

図(b)の ら3の 直 線 的

な 軌 跡 は か み 砕 く運 動 で あ り,図 の4か ら10の 先 端 が 扇 形 に広 が っ た軌 跡 は す り つ ぶ す 動作 に相 当 す る.   種 々の 食 品 に対 す る咀嚼 の リサ ー ジ ュ筋 電 図 を 図4.14に に よ っ て 咀嚼 パ タ ー ンが 異 な っ て い た.柔

示 す10).食

らか い も の は リサ ー ジ ュパ ター ンが 描

く面 積 が 小 さ く,咬 筋 の 活 動 が 少 な い こ とが うか が わ れ る.チ 典 型 で あ っ た.一

品の種類

方 ア ー モ ン ドや せ んべ い はや や硬 い が,か

ョコ レー トは そ の

み 砕 い て し ま う とす

図4.14  6種 類 の食 品 に お ける左 右 咬 筋 の リサ ー ジュ筋 電 図9)

りつ ぶ す 動 作 に 変 わ り,広 が っ た複 雑 なパ ター ン とな っ た.他 方,咀嚼 状 が 変 化 しに くい 食 品 はパ ター ンが左 右 二 つ の 部 分 に 分 離 した.こ

して も形

れは特 にチュ

ー イ ンガ ム の パ ター ン で顕 著 に み られ た .   ビス ケ ッ ト,せ ん べ い,ア

ー モ ン ドな どの 食 品 は粉 砕 パ ター ン と臼 磨 パ ター ン

が 時 間 経 過 を 追 っ て は っ き り変 化 した.咀嚼 パ ター ン とな るが,後

の 初 期 は 食 品 を か み 砕 くと い う粉 砕

半 は す りつ ぶ す とい う臼 磨 パ ター ンへ と変 化 して い く様 子

を 区分 で き る.   この よ う に 咀嚼 を左 右 の 咬 筋 活 動 に よっ て 表 現 で き る こ とが 明 らか に な り,咀 嚼の 相 を認 識 で き る こ とか ら食 品 の 特 徴 を 把 握 す る こ と に よ っ て,噛 み こ た え な ど の 感 性 工 学 的 な 利 用 が 期 待 で きる.

4.8  自転 車エ ル ゴメ ー タ の負 荷 制 御   健 康 の 維 持,増 場 合,加

進 の た め の 運 動 を支 援 す る機 器 が 普 及 して き た.中 高 年 齢 者 の

齢 や トレー ニ ン グ に よ っ て 体 力 が 徐 々 に 変 化 して い くた め,体 力 に応 じ

た 適 度 な 負 荷 を 実 現 す る に は,定 で は,運

期 的 な 負荷 制 御 情 報 の更 新 が 必 要 で あ る .こ こ

動 時 の 表 面 筋 電 図 と心 拍 数 をモ ニ タ リ ング す る こ とで,個 人 差 の 大 きい

中 高 年 齢 者 で も効 果 的 に健 康 増 進 が 図 ら れ る よ う に研 究 を進 め て い る 自転 車 エ ル ゴ メ ー タの フ ァ ジー 負 荷 制 御 プ ロ セ ス11)に つ い て解 説 す る.   自転 車 エ ル ゴ メ ー タの フ ァ ジー 負 荷 制 御 プ ロセ ス で は,最 初 に,漸 増 負 荷 テス トを行 い,無

酸 素 性 作 業 閾 値 を 求 め る.ま

た,心 拍 数 と筋 疲 労 関 連 の 指 標 か ら な

る 散 布 図 を作 り,こ の 分 布 を3つ の領 域 に 分 割 す る.そ ンバ ー シ ッ プ 関数 を 設 計 す る.さ の Ratings

of Perceived

の う え で,領 域 ご とに メ

らに,主 観 的 指 標 で あ る 自覚 的 運 動 強 度(Borg

Exertion:RPE12))と

ル ー ル を設 定 す る.こ の 状 態 で,5サ

の 関 係 か ら,好 ま しい フ ァジ ー

イ ク ル ご とに 求 め た 心 拍 数 と筋 疲 労 関連 の

指 標 か ら次 の5サ イ ク ル で の 負 荷 を決 定 す る.実 際 に は,体 力 に あ っ た 基 本 的 な 負 荷 制 御 パ ター ン(図4.15)を

決 め て お き,約30分

の 運 動 の 間 に 生 体 情 報 に基

づ く負 荷 制 御 区 間 を 設 け る.基 本 的 な 負 荷 制御 パ タ ー ンで の負 荷 レベ ル の 最 大 ・ 最 小 値 は,漸 増 負 荷 テ ス トで 求 め た無 酸 素 性 作 業 閾 値 で の 数 値 を用 い る.個 人 ご と に最 適 な負 荷 を提 供 す る に は,こ

の負 荷 制 御 パ タ ー ンの 負 荷 の 大 き さ や 生 体 情

報 に 基 づ く負 荷 制 御 区 間 長 を調 整 す る.

図4.15  基 本 的 な負 荷 制御 パ ター ン(漸 増 負 荷 区 間 と負 荷 制御 区間 を交 互 に設 け る)

  さて,自 転 車 エ ル ゴ メ ー タ負 荷 制 御 で は心 拍 数 を利 用 す る こ とが 多 い.こ は,さ

こで

らに,過 度 な疲 労 や 関 節 障 害 を引 き起 こ さ な い よ う筋 疲 労 を う ま く調 整 す

る こ と を 目的 とす る.つ

ま り,適 度 な疲 労 感 は 達 成 感 が 得 られ 運 動 意 欲 の 維 持 に

と っ て重 要 で あ る が,過

度 な筋 疲 労 で 膝 を 痛 め て し ま う と運 動 に対 す る 恐 れ が 生

まれ,逆 効 果 と な る.そ

こで,中

高 年 齢 者 向 け の負 荷 制 御 で は,表

面筋電 図で筋

活 動 状 態 もモ ニ タ ー しな が ら,心 拍 数 と合 わ せ て 負 荷 を制 御 し よ う と し て い る. これ は,そ の基 礎 研 究 の 紹 介 で あ る.   最 初 に,電 極 の 貼 付 につ い て 説 明 す る.図4.16は 電 位 を電 極 間 隔1cmと

した4本 線 の バ ー 電 極(直

に よ り計 測 し た例 で あ る.こ

の3チ

運動時の外側 広筋 での表面筋 径1mmの

白 金 線)で

ャ ンネ ル の 表 面 筋 電 図 か らARVを

双極 導 出 求 め,漸

図4.16  4バ ー 電極 で運 動 時 の外 側 広 筋 で の表 面 筋電 図 を計 測 した場 合 の,チ ャ ンネル ご と のARVの

時 間 変 化(1つ

図4.17 

電 極 間 隔1cm,15チ

の フ レ ー ム は5s)

ャ ン ネ ル の フ レ キ シ ブ ルア レ イ 電 極 を

外側広筋に貼付 した例

増 負 荷 時 の 変 化 を調 べ る と,第1チ か で あ る の に対 し て,第3チ

ャ ン ネ ル で はARVの

ャ ン ネ ル で は,そ

増 加 が強 い負荷 で明 ら

れ ほ ど増 加 し て い な い.第3チ

ャ

ン ネ ル の 特 徴 は神 経 支 配 帯 の 影 響 と考 え られ る.そ の 対 策 と して は,「1.5  ダイ ナ ミ ッ ク な 運 動 時 で の 計 測 」 で 述 べ た神 経 支 配 帯 の 影 響 を抑 え る方 法 で,筋

活動

評 価 指 標 を 推 定 す れ ば よ い.あ

る い は,多

経 支 配 帯 の 位 置 を推 定 して,そ

の 影 響 を 避 け る よ うに 電 極 貼 付 位 置 を決 定 して お

く.図4.17は

電極 間 隔1cmで15チ

チ ャ ンネ ル ア レ イ 電極 で あ らか じめ神

ャ ン ネ ル の 差 動 導 出 が 可 能 な フ レキ シ ブ ル ア

レ イ電 極 を外 側 広 筋 に 装 着 した 例 で あ る.こ

の 状 態 で 自転 車 エ ル ゴ メー タ運 動 時

で の 表 面 筋 電 位 を計 測 し,神 経 支 配 帯 の 影 響 を 受 け て い な い最 適 なチ ャ ンネ ル位 置 を求 め る こ とが で き る.こ の 計 測 は 一 度 だ け 行 え ば よ く,そ の 後 の 表 面 筋 電 図 計 測 に は最 適 な位 置 で,実 用 的 な2本 線 の バ ー電 極 を用 い る こ とが で き る.な お, こ れ らの 電 極 に つ い て は 「6.2 計 測 装 置 」 で 詳 し く紹 介 す る.   図4.18は,漸

増 負 荷 テ ス トで の 心 拍 数 と筋 疲 労 評 価 指 標 の経 時 変 化 の 例 で あ る.

筋 疲 労 評 価 指 標 は,一 定 の時 間 区 間 ご と に求 め たARVとMNFの

相 関係 数 で あ る.

筋 疲 労 評 価 指 標 の 経 時 変 化 の 特 徴 か ら,だ い た い3つ の グ ル ー プ に分 割 した13,14). こ こ で,負

荷 の 増 加 に 対 して,心

拍 数 の 増 加 が み られ な い 例 が あ る.Subj.MS

図4.18  漸 増負 荷 テス トでの 心拍 数 と筋疲 労 評 価 指標 の経 時 変 化 Subj.MSは 心 拍 数 に 変 化 が み られ な いが,筋 疲 労 評 価 指 標 か ら は筋 疲 労 に伴 う 特 徴 が み え る.筋 疲 労 評 価 指 標 の 経 時 変 化 か ら,3つ の タイ プ に分 け る(タ イ プA:Subj.TH,MS,YY;タ

イ プB:Subj.EH;タ

イ プC:Subj.KY)

は 高 血 圧 を抑 え る薬 を服 用 して い た た め,心 拍 数 で負 荷 を制 御 す る こ とが で きず, 筋 疲 労 の進 み 具 合 か ら負 荷 を制 御 す る必 要 が あ る.   負 荷 制 御 に筋 活 動 を加 え た 例 を 述 べ た が,重 な 生 体 信 号 が 好 ま しい か で あ る.ま

要 な こ とは,負 荷 制 御 に どの よ う

だ まだ 筋 電 位 を負 荷 制 御 に用 い る こ とは 計 測

法 か ら して ハ ー ドル が 高 い 印 象 が 強 い し,計 測 技 術 や 評 価 法 が 進 展 し な け れ ばそ の とお りで あ ろ う.し か し,た

と え ば,ク

ラ ン ク トル ク で はペ ダ ル に加 え られ た

力 しか 表 し て い な い.筋 電 図 は筋 が 加 え て い る 力 だ け で な く,筋 の 疲 労 情 報 を含 む 点 で 有 利 で あ る.さ が 必 要 と な る.そ

らに,継 続 的 な運 動 を維 持 す る に はエ ネ ル ギ ー 代 謝 の 情 報

して,運 動 意 欲 の 継 続 が 運 動 に は欠 か せ な い.こ の よ う にみ て

く る と,個 人 向 け の 運 動 負 荷 制 御 を十 分 に提 供 し よ う とす る と,よ 情 報 が 必 要 に な る.し

か し,実 用 的 な場 面 で利 用 す る に は,ど の 生 体 情 報 を制 御

に 結 び つ け る か の 判 断 が 重 要 とな る.ま た,こ 桁 違 い で あ る た め,な

り多 くの 生 体

れ らの 生 体 情 報 は 時 間ス ケ ー ルが

か な か 総 合 的 に活 用 し き れ て い な い の が 現 状 で あ る(図

6.15参 照).

4.9  ス キ ー 運 動 にみ られ る運 動 形 態 の 違 い   ス ポ ー ツ な どの 運 動 を繰 り返 し長 時 間 行 う と疲 労 が 蓄 積 し,ケ ガ な ど を引 き起 こす 可 能 性 が 高 くな る.特 は,多

くの 場 合,リ

に 高 齢 者 の レ ジ ャー と して 復 活 しつ つ あ る ス キ ー 運 動

フ ト搭 乗 と主 運 動 で あ る 滑 走 が 一 日 中交 互 に繰 り返 され,一

度 リ フ トで 山 に 上 っ て し ま う と必 ず 滑 り降 りな くて は な らな い た め,自 る 以 上 に危 険 度 が 高 い.こ

の よ う に,繰

覚 して い

り返 し運 動 で は運 動 の 継 続 か休 息 か を判

断 す る こ と が 重 要 で あ り,心 拍 変 動 か らみ られ る 自律 神 経 系 の 情 報 や筋 疲 労 か ら 適 切 な 判 断 が で き る よ う にす る 必 要 が あ る.こ

こ で は,ゲ

レ ンデ ス キ ー に お け る

自律 神 経 系 活 動 と筋 活 動 か ら運 動 機 能 の 変 化 を探 る研 究 を紹 介 す る.   筋 は 姿 勢 の維 持 と滑 走 や ター ン の 運 動 を作 り出 して い る.自 転 車 運 動 よ り も さ ら に ダ イ ナ ミ ッ ク な 運 動 で あ る.さ

ら に,ボ ー ゲ ン に代 表 され る受 動 的 な運 動 と

ウ ェ ー デ ル ン に代 表 され る 能 動 的 な 運 動 に 分 け る こ とが で き る.受 動 的 な運 動 ほ

ど姿 勢 を維 持 し よ う とす る 筋 活 動 が 強 く,収 縮 の 連 続 に よ っ て 筋 疲 労 が 現 れ や す い で あ ろ う.一 方,能 動 的 な運 動 で は,筋

は 姿 勢 を維 持 す る と と もに収 縮 と弛 緩

を繰 り返 し,こ の タ イ ミ ン グで 十 分 な 血 流 が維 持 さ れ て い れ ば 筋 疲 労 が 現 れ に く い と思 わ れ る.   フ ィー ル ド実 験 を 行 っ た ゲ レ ンデ は,妙 1364m,前

高 高 原 池 ノ平 ス キ ー 場 で あ る.全 長

半 部 分 が 中斜 度(最 大 傾 斜 約20度),後

で あ っ た.こ

こ で,約20分

半 部 分 が 緩 斜 面(傾 斜 約7度)

間 隔 で リ フ ト搭 乗 とス キ ー滑 走 を 繰 り返 した 際 の 下

肢 の 筋 活 動 と心 電 位 を計 測 した.な

お,ス

キ ー 運 動 で は,表

面電極 をつけていて

もウ ェ ア に 隠 され る の で,周 囲 の 目が 気 に な ら な い.   図4.19は パ ラ レル ター ン を繰 り返 した 際 の外 側 広 筋 と前 脛 骨 筋 で の筋 疲 労 評 価 指 標 の 経 時 変 化 の例 で あ る.ゲ

レ ンデ の ス ロ ー プ に対 して,ほ

ぼ 同 じ場 所 で 筋 疲

労 評 価 指 標 が 負 の値 へ と変 化 して い る こ とが わ か る.こ の よ う な筋 疲 労 チ ェ ッ ク ポ イ ン トが あ れ ば,筋 疲 労 の 評 価 も しやす くな るで あ ろ う.

図4.19  パ ラ レル ター ンを繰 り返 した 際 の外 側 広 筋 と前 脛 骨筋 で の筋 疲 労評 価 指標 の経 時変 化 ARVとMPFの

  心 電 図 のR波

相 関 係 数 を10s間

ご と に 求 め,0.25sず

つ シ フ トさ せ た

の 時 間 間 隔 は 自律 神 経 系 の 支 配 を受 け て 変 動 す る た め,RR間

隔

時 系 列 に 対 して ス ペ ク トル解 析 を施 し,そ の 高 周 波 数(High  Frequency:HF) 成 分 と低 周 波 数(Low 

Frequency:LF)成

動 を推 定 す る こ とが で き る.図4.20は1日,14ト た と きのLF/HFの 半,さ

らに,リ

経 時 変 化 を,1つ

分 と か ら交 感 神 経 や 副 交 感 神 経 の 活 ラ イ ア ル の ス キ ー 滑 走 を行 っ

の トラ イ ア ル ご と に ス キ ー 滑 走 の 前 半 と後

フ ト搭 乗 時 で の 前 半 と後 半 で 分 けて 求 め た も の で あ る15).

図4.20 

1日 1つ

の ス キ ー 運 動 ト ラ イ ア ル で のLF/HFの の ト ラ イ ア ル ご と に ス キ ー 滑 走(■)の

経 時 変化 前 半 と 後 半,さ

ら に,リ

フ ト搭 乗

時(□)で の前 半 と後 半 で わけ て 求め た もの

  明 らか に,昼 食 時 の 前 後 でLF/HFは

増 加 し,夕 方 に か け てLF/HFは

減少 し

て い る.   図4.21は

こ の 結 果 を筋 疲 労 評価 指 標 と比 較 した 散 布 図 で あ る.す

の ス キ ー 滑 走 を10秒 ご との セ グ メ ン トに分 割 して,1日 走 ご とでLF/HFと

な わ ち,1つ

に わ た る各 々 の ス キ ー滑

筋 疲 労 評 価 指 標 との 関 係 を 図 示 した もの で あ る.筋 疲 労 評 価 指

標 は トラ イ ア ル数 の 増 加 に つ れ て減 少 した.特

に,13回

ンプ ルが 負 の 値 を 示 した.ま た,昼 食 前 後 で のLF/HFの

め 以 降 で は ほ とん どの サ 増加 や筋疲労評価 指標の

値 に よ っ て トラ イ ア ル ご と に散 布 図 が 特 徴 的 な 変 化 を示 して い る こ とが わ か る.

図4.21  1日 に わ た るス キ ー滑 走 ご とで のLF/HFと 筋疲 労 度 との 関係 1つ の ス キー 滑 走 を10sご との セ グ メ ン トに分 割 して サ ンプル を求 めた もの

  さ て,必

ず し もLF/HFが

この よ う なパ タ ー ン を 常 に 示 す わ け で は な く,天 候

や フ ィ ー ル ド実 験 の コー ス 設 定 の 曖 昧 さが 影 響 を与 え て くる こ と を考 慮 して お く 必 要 が あ る.し

か し,フ ィ ー ル ドで の運 動 で は,み ず か ら疲 労 状 態 を客 観 的 に知

る 手 段 は な く,情 報 通 信 技 術 を用 い た 何 らか の 支 援 シス テ ム が ほ し く な る.こ

こ

で は,ス キ ー 運 動 時 で の 生 体 情 報 の フ ィー ドバ ック を 目的 と し た計 測 支 援 シ ス テ ム(図4.22)の

例 を紹 介 す る16).計 測 装 置 は被 験 者 に 余 分 な ス トレス を 与 え ず い

つ で も ど こで も計 測 で きる よ うに,被 験 者 が 身 につ け る も の と し,さ ら に,計 測 開 始 の制 御 や 計 測 デ ー タ,解 析 結 果 の や りと りを無 線 で 行 え る もの と し た.計 測 装 置 は生 体 信 号 増 幅 器,AD変

換PCカ

ー ド,無 線LANつ

き ノ ー トブ ッ クPC,

トラ ンシ ー バ か らな る.記 録 ・表 示 した生 体 信 号 は左 右 外 側 広 筋,前

脛骨筋 の筋

電 図 と心 電 図 で あ る.ま た,外 気 温 と被 験 筋 の 皮 膚 温 をサ ー モ レ コー ダ で計 測 し た.計 測 デ ー タ の信 頼 性 を高 め る こ と と,解 析 結 果 の オ ンサ イ トで の フ ィ ー ドバ ッ ク を 目的 に,無 線LANに ラ イ ア ル 終 了 時 に(次

よ る計 測 支 援 シ ス テ ム を構 築 した.こ

の リ フ ト搭 乗 前 に),計

テ ム の ア クセ ス ポ イ ン トで 受信 し,さ

測 デ ー タ を約80m離

こで,1つ

のト

れ た 支 援 シス

らに,無 線 接 続 され た解 析 用PCへ

と送 る.

解 析 用PCで

は 一 連 の 解 析 を 実 行 し,そ の解 析 結 果 を 図 表 に して サ ー バ のサ イ ト

へ 送 る.こ

の よ う に し て 得 ら れ た 解 析 結 果 は,再

び,フ

ィ ー ル ドでPDA

図4.22  ス キー 運 動 時 で の生 体 情報 の フ ィー ドバ ック を 目的 と した 計 測 支援 シス テ ム

(Personal

Digital

Assistant)な

ど の 情 報 端 末 で 閲 覧 す る こ と が で き る.

  計 測 シ ス テ ム が さ ら に小 型 化 さ れ,疲 労 の状 態 を う ま く表 現 で き る評 価 指 標 が 決 ま り,デ ー タ通 信 の 容 量 が携 帯 端 末 で も利 用 で き る環 境 に な れ ば,ス が み ず か ら体 調 を 判 断 して,安 だ ろ う.ま た,計 す れ ば,過

キー ヤー

全 に ス キ ー 運 動 を 楽 し む こ とが で き る よ う に な る

測 デ ー タ や解 析 結 果 を個 人 個 人 の 履 歴 デ ー タベ ー ス と して 蓄 積

去 の デ ー タ を参 照 しな が ら,現 在 の 状 況 や そ の 後 の 変 化 を判 断 で き る

よ う に な る だ ろ う.も

ち ろ ん,こ の 計 測 支 援 シ ス テ ム は そ の 他 の フ ィー ル ド運 動

へ も展 開 す る こ とが 可 能 で あ る17).

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生 体 ・生 理 工 学 シ ンポ ジ ウ ム 論 文 集,291‐292

(2004)

第5章 

適 用 とその限界

  前 章 まで 読 み進 ん だ 読 者 の 方 々 に は,表 面 筋 電 図 が わ り と身 近 な存 在 に感 じ ら れ て きた だ ろ うか.し 信 号(ア

か し なが ら,表 面 筋 電 図 に は,期 待 して い る筋 活 動 以外 の

ー チ フ ァク トや ク ロ ス トー ク)も 含 まれ て い る.そ

活 動 を 手 に入 れ る た め の解 析 法,評 測,動

こ で,"本

物"の

筋

価 法 が 必 要 とな る.こ

こ で は,運 動 時 で の 計

作 識 別,運 動 単 位 の 分 離 を 例 に解 説 す る.ま た,さ

まざまな方法が提 案 さ

れ て い る ス ペ ク トル解 析 法 で 表 面 筋 電 図 の 周 波 数成 分 が ど の よ う に 表 現 さ れ て く る の か を示 す.最

後 に,筋 張 力 の 減 少 と筋 疲 労 との 区 別 につ い て 考 え て み る.

  読 者 は,表 面 筋 電 図 か ら検 討 した い もの が 何 で あ る の か 意 識 しな が ら読 ん で み て ほ しい.そ

れ に は,表

面 筋 電 図 が 含 ん で い る情 報 が,ど

う に現 れ て くるの か を よ く理 解 して お く必 要 が あ る.つ

の よ う な場 面 で どの よ

ま り,計 測 に よ っ て 得 ら

れ た 情 報 が"本 物"か ど うか,解 析 結 果 の 評価 が行 え る 力 を養 って お く必 要 が あ る.

5.1  運動 時 の 筋 活 動   解 析 や 評価 を行 う前 に,何 が 計 測 さ れ た か を押 さえ て お く必 要 が あ る.表 面 筋 電 図 を利 用 す る場 面 で,研

究 や 医 学 的 な側 面 が 強 い 場 合 に は,等 尺 性 の 一 定 随 意

収 縮 が 多 く用 い られ る.一 方,フ

ィー ル ドや 工 学 的 な 側 面 が 強 い 場 合 に は,動 的

運 動 が 対 象 と な る こ とが 多 い.運

動 に伴 う さ ま ざ まな 変 化 は,ア ー チ フ ァ ク トも

含 め,そ

れ 自体,情

報 と な る か も しれ な い.し か し,"本 物"の

表 面筋 電 図をね

ら う な らば,収 縮 の 程 度 を変 え た 一 定 随 意収 縮 運 動 時 の表 面筋 電 図 を よ く観 察 し,

どん な 波 形 が 観 測 され て くる の か よ くみ て お こ う.こ れ が,動

的運動時 の表面筋

電 図 を検 討 す る うえ で 役 立 つ.   表 面 筋 電 図 は,神 経 イ ンパ ル ス が 表 面 電 極 に到 達 す る まで の 間 に,さ

ま ざ まな

情 報 が 加 わ っ た り,減 衰 させ られ た り して 観 察 さ れ た もの で あ る.こ の 経 路 で 関 与 す る 情 報 に は,役 立 つ 情 報 もあ れ ば,雑 音 と な る 情 報 もあ る.た い て い の 場 合, 表 面 筋 電 位 と そ れ 以 外 の 雑 音 と は周 波 数 成 分 が 異 な る の で,判 別 が つ く こ とが 多 い.問

題 は,動

的 運 動 時 に,こ れ らの 情 報 が,い

つ どの よ うに して 関与 す るか で

あ る.   静 的 な 運 動,す

な わ ち等 尺 性 の 一 定 随 意 収 縮 で は,比 較 的,こ れ まで の章 で 述

べ ら れ て きた 方 法 を 実 現 しや す い .つ が つ く.し か し,最 近,さ

ま り,"本 物"が

どれ か は た い て い 見 分 け

ま ざ ま な分 野 で 利 用 さ れ て い る 関 節 角 度 が 変 化 す る よ

う な 動 的 運 動 時 の 表 面 筋 電 図 計 測 で は,計 測 の 条 件 を厳 密 に満 足 させ る こ とが む ず か しい.特

に,こ れ ま で の 章 で 幾 度 と な く登 場 した よ うに,ア

ー チ フ ァ ク トの

混 入 と,活 動 して い る筋 線 維 や 神 経 支 配 帯 に対 す る 表 面 電 極 の 位 置 に注 意 を払 わ な け れ ば な らな い.   アー チ フ ァ ク トを取 り除 くに は,通 常 の ハ イパ ス フ ィ ル タで 十 分 な場 面 も多 い. こ の 場 合,対

象 とす る 表 面 筋 電 位 の 周 波 数 成 分 が ど れ くら い の 周 波 数 範 囲 で存 在

して い る の か を,事 前 に探 っ て お く必 要 が あ る.な お,激

しい 運 動 で は,フ

ィル

タ係 数 を信 号 の 局 所 的性 質 に よ っ て 制 御 す る 非 線 形 フ ィル タ1)の 導 入 を検 討 して ほ しい.   一 方,双

極 表 面 筋 電 図へ の 神 経 支 配 帯 の 影 響 を避 け る に は,筋 活 動 を 広 い 範 囲

で と ら え る 多 チ ャ ン ネ ル ア レ イ電 極 が役 立 つ.す 帯 と の 相 対 的 位 置 関 係 が,表 と を利 用 す る.つ

な わ ち,ア

レ イ電 極 と神 経 支 配

面 筋 電 図 の 評 価 指 標 に与 え る影 響 が わ か っ て い る こ

ま り,多 チ ャ ン ネ ル ア レ イ電 極 を構 成 す る チ ャ ン ネ ル ご との 評

価 指 標 を 比 較 す る こ とで,神 経 支 配 帯 の 影 響 を 受 け な い"本 物"の に入 れ る こ とが で き る.こ

の際,神

評 価 指 標 を手

経 支 配 帯 が 評 価 指 標 に ど の よ う な影 響 を 与 え

る か,事 前 に調 べ て お こ う.な お,動 的 運 動 時 に,厳 密 に 神 経 支 配 帯 の 影 響 を補 正 す る に は,時 間 につ れ て 変 化 す る神 経 支 配 帯 の位 置 を知 る 必 要 が あ る2).

5.2  動 作 を 識 別 す る   現 在,表

面 筋 電 図 の 応 用 の 多 くは,対 象 と した 単 一 の 筋 の 筋 張 力 や 運 動 に伴 う

複 数 の 筋 の 活 動 を探 る も の で あ る.こ れ らの 研 究 は,基 本 的 に はバ イ オ メ カ ニ ク ス の 範 疇 で あ り,表 面 筋 電 図 は 筋 張 力 や トル ク を推 定 す る た め に使 わ れ る.ま た, 伸 張 反 射 の よ う な 筋 運 動 制 御 系 の 解 析 で は,α 運 動 ニ ュ ー ロ ンや 筋 紡 錘 の 働 き を 議 論 す る.こ

の よ うな ス ト レー トな研 究 とは 別 に,実 用 的 な側 面 か らの ア プ ロ ー

チ も多 い.   1970年 代 後 半 か ら1980年

代 に か け て の 義 手 制 御 で は,表 面 筋 電 図 に よ る動 作

識 別 が 話 題 とな り,表 面 筋 電 図 の パ ラ メ トリ ッ ク な ス ペ ク トル解 析3)あ るい は 多 変 量 解 析4)が 成 果 を上 げ た.パ

ラ メ トリ ック な ス ペ ク トル解 析 と は,音 声 信 号 処

理 な ど で 発 達 した 線 形 予 測 法 で あ る.線 形 予 測 モ デ ル に よ っ て,表 面 筋 電 図 が も つ 周 波 数 成 分 の特 徴 を,数 個 か ら数 十 個 程 度 の パ ラ メ ー タで 表 現 で き る点 は 魅 力 的 で あ る.ま

た,こ

れ らの パ ラ メ ー タ と生 理 的 要 因 との 関 係 を示 唆 す る研 究 も あ

る.し か し,線 形 予 測 モ デ ル は工 学 的 に は 有 効 で あ っ て も,厳 密 な 表 面 筋 電 図 の 生 成 モ デ ル と して は 適 当 で は な い で あ ろ う.い ず れ に して も,複 数 の 筋 の 表 面 筋 電 図 か ら得 られ る情 報 を整 理 し て,動 作 識 別 に利 用 す る に は,主

成分分析 や判別

分 析 な ど の多 変 量 解 析 が 必 要 と な る.   1990年

頃 に な る と,人 工 ニ ュ ー ラ ル ネ ッ トワ ー ク(Artificial

work :ANN)を と え ば,表

Net

利 用 し た運 動 制 御 機 構 の 非 線 形 シ ス テ ム の研 究 が 登 場 す る.た

面 筋 電 図 と関 節 トル ク間 の複 雑 な 非 線 形 シス テ ム をANNで

す る 方 法 で あ る.ま る5).こ

Neural

た,動 作 と複 数 の筋 活 動 と をANNで

れ に よ っ て,ど

モ デル化

関 係 づ け る こ と もで き

の 時 点 で ど の 筋 が 主 に 活 動 して い る の か を推 定 で き る.

こ こ で 注 意 しな け れ ば な らな い の は,正 確 に 表 面 筋 電 位 を 計 測 しな くて も,あ 程 度,表

面 筋 電 図 を処 理 して か らANNで

運 動 時 の 人 工 的 な雑 音(ア

動 作 を識 別 で き る こ とで あ る.つ

る

ま り,

ー チ フ ァク ト)な どの 筋 活 動 以 外 の さ ま ざ ま な情 報 を

含 ん で い て も,そ の 情 報 が 動 作 の 識 別 に役 立 っ て い れ ば,ANNは

動作 を識別 し

て くれ る.た だ し,こ れ は 目的 と して い る もの が 神 経 筋 系 の 情 報 で は な い か ら許 さ れ る 話 で あ る.   実 際 に,動 作 識 別 に 必 要 な"本 物"の 情 報 が 何 で あ る か を意 識 した 対 応 が 必 要 で あ る."本 物"の 情 報 は,こ の場 合,有 効 で 再 現 性 の あ る 情 報 と読 み 替 え られ る .

5.3  運 動 単 位 の 分 離   運 動 の 指 令 は脳 や 脊 髄(反

射 の場 合)か

らや っ て くる.つ

動 野 か ら発 す る 錐 体 路 ニ ュ ー ロ ン の活 動(ス

パ イ ク数)は

ま り,大 脳 皮 質 の 運 筋 張 力 と関 係 が あ る .

したが っ て,表 面 筋 電 図 の 本 質 は神 経 筋 制 御 系 の ふ る ま い に 関 す る情 報 で あ る.   た と え ば,ほ

ぼ一 定 の筋 張 力 が 観 察 され て い て も,運 動 単 位(MU)レ

ベ ルで

の 活 動 が 一 定 で あ る保 証 は な い.さ らに複 数 の 筋 が 関 係 す る関 節 トル ク と な る と, 関 節 トル ク一 定 に対 して さ ま ざ まな 運 動 単 位 発 射 テ ー ブル(MU バ リエ ー シ ョ ン が存 在 す る.し 力 が 減 少 した 場合 に,こ

firing table)の

た が って ,漠 然 と筋 力 をみ て い る か ぎ りで は,筋

れ が 筋 疲 労 に よ る もの なの か,随 意 的 に筋 張 力 を減 少 さ

せ た こ とに よ る もの な の か を判 断 す る こ とは で き な い.   こ の よ う な場 合,運

動 単 位 の 発 射 テ ー ブ ル を手 に 入 れ た くな る.筋

が収 縮 す る

と きに は2つ の 生 理 的 要 因 が 主 に 関係 す る.神 経 イ ンパ ル ス 発 射 頻 度 の 増 加 と運 動 単 位 リク ル ー トメ ン トで あ る.個 々 の 運 動 単 位 活 動 電 位(MUAP)波

形 は,支

配 され る筋 線 維 の 数 や 電 極 か らの 相 対 的 距 離 に よ っ て 波 形 が 異 な る.表 面 筋 電 図 は,こ

の よ う な 数 多 くのMUAP波

形 を時 空 間 的 に 重 畳 して観 察 した もの で あ る

こ とを 思 い 出 そ う.   さて,筋

の 収 縮 に つ れ て,い

くつ か の 種 類 の 筋 線 維 が 順 番 に 活 動 す る こ とが 知

ら れ て お り,新 た に 参 加 す るMUAP波 複 合 筋 電 位 を複 数 のMUAP波

形 を順 に ラ イ ブ ラ リ化 す る こ と に よ っ て,

形 へ と分 解 す る こ とが で き る.そ の 結 果,運

位 ご と に 神 経 イ ンパ ル ス の発 射 テ ー ブ ル が 求 ま る.こ

れ に よ っ て,さ

動単

ま ざ ま な条

件 下 で の複 数 の 運 動 単 位 の ふ る まい を調 べ る こ とが で きる.  LeFeverとDe

Luca6)は,計

測 法 の 工 夫 と統 計 的 手 法 で,針 筋 電 図 で観 測 し た

(a) 表面 筋 電 図

(b) 運 動単 位 ご との発 射 テ ー ブ ル

(c) 運 動単 位 ご とのMUAP波 図5.1 

複 合 筋 電 位 を複 数 のMUAP波 こ の 方 法 で は,1本

運動 単 位 デ コ ンポ ジ シ ョ ン

形 へ と分 解(MU

decomposition)し

縮 時 に 出 現 す るMUAP波

は,そ

た(図5.1).

の 注 射 針 に4本 の ワ イ ヤ ー 電 極 を通 し て異 な る3方 向 か ら複

合 筋 電 位 を計 測 し,そ の 観 測 位 置 に よ るMUAP波

MUAP波

形

形 か ら 順 に リ ス トア ッ プ す る.こ

形 の 発 射 時 刻 を調 べ て い く.2つ れ ま で に リス トア ッ プ したMUAP波

音 に な る よ う に す る.こ

形 の 違 い を み な が ら,弱 い 収

の 際,す

以 上 のMUAP波

の 際,類

形 が 重 畳 した 部 分 で

形 を順 に 差 し引 い て,誤

で に 出現 し たMUAP波

似 する

差 が 白色 雑

形 の イ ンパ ル ス 時 間間

隔 を 参 考 に 差 し引 く候 補 を決 め る.ま 異 な るMUAP波

形 が 出現 した 場 合,こ

よ う に して,"本

物"のMUAP波

る.こ

た,こ

れ まで のMUAP波

形 とは まった く

れ を新 た に ラ イ ブ ラ リに 加 え る.以 上 の

形 の種 類 を識 別 し な が ら,複 合 筋 電 位 を分 解 す

れ に よっ て分 離 で き る運 動 単 位 数 は 十 数 個 程 度,収

で 可 能 で あ る.こ の よ う に,複 合 筋 電 位 をMUAP波

縮 力 は100%MVCま

形 と神 経 イ ンパ ル ス 列 の ラ

イ ブ ラ リへ と分解 す る に は,生 体 信 号 計 測 の経 験 や 生 理 的 な 知 識 が 必 要 と な る.   さ て,運 動 単 位 発 射 テ ー ブ ル へ の 分 離 で は針 電 極 を使 う こ とが 一 般 的 で あ る. しか し,針 電 極 は一 般 に は 簡 単 で は な い.実

は,電 極 間隔 を狭 く した 双 極 差 動 導

出 に よ る表 面 筋 電 図 で も,あ る 程 度 は針 電 極 と 同 じよ う な 波 形 を 計 測 で き る7). た だ し,皮 膚 か ら比 較 的 浅 い 部 分 の 運 動 単 位 の 活 動 が 対 象 で あ る.こ れ が 可 能 と な る の は,双 極 差 動 導 出 の 電 極 間 隔 が 空 間 フ ィル タ の 役 割 を して い る か らで あ る. つ ま り,電 極 間 隔 を狭 くす る こ とでMUAP波 周 波 成 分 を 強 調 で き る.こ られ る の で,あ

の場 合,針

形 同 士 が 重 な り合 わ な い よ う に 高

電 極 で計 測 した 波 形 と似 た よ う な信 号 が 得

る 程 度,同 様 な方 法 で 分 解 で きそ う で あ る.De

た4本 の ワ イ ヤ ー を入 れ た 針 電 極 と同 様 な 計 測 が で きれ ば,さ

Lucaら

が使用 し

らに 分 解 能 力 を高

め る こ とが で き る で あ ろ う.

5.4  スペ ク トル 解 析 の 限 界   表 面 筋 電 図 の ス ペ ク トル解 析 の 目的 は何 だ ろ う?  実 際 は,神 経 生 理 学 的 な 意 味 の 探 求 や,動

作 識 別 の た め の パ ラ メ ー タ抽 出 な どが 目的 で あ ろ う.そ

目 的 が 決 まっ た と して,さ い の か? 

れ で は,

ま ざ ま な解 析 方 法 の ど れ を ど ん な基 準 で 選 択 した ら よ

つ ま り,ス ペ ク トル 解 析 に は さ ま ざ ま な 方 法 が 開 発 され て き て お り,

選 択 す る方 法 に よ っ て は,十

分 な情 報 が 得 られ な か っ た り,間 違 っ た 結 果 が 得 ら

れ る こ と に注 意 が 必 要 と な る.   1960年

頃 に始 ま っ た 表 面 筋 電 図 の パ ワ ー ス ペ ク トル 推 定 法 と して,生

理学 的

な 研 究 で は フ ー リエ 変 換 が 用 い ら れ,義 手 制 御 で の 表 面 筋 電 図解 析 で は モ デ ルパ ラ メ ー タか らのパ ワー ス ペ ク トル 推 定 が 行 わ れ て きた.フ

ー リエ 変 換 が 支 持 さ れ

る の は,他 の 方 法 に比 べ そ の理 論 の わ か りや す さに あ る.一 方,モ

デ ルパ ラ メ ー

タ を用 い る最 大 の 理 由 は,時 間 につ れ て 変 化 す る場 面 で の 推 定 が 可 能 で あ る こ と, つ ま り,短 時 間 で 周 波 数 成 分 を推 定 で き る こ と,モ デ ル パ ラ メ ー タ を動 作 識 別 や 制 御 に使 え る こ と な どで あ る.   そ の よ うな な か,1990年

前 後 に,時

推 定 す る た め の さ ま ざ ま な 方 法(時

間 につ れ て 変 化 す る パ ワー ス ペ ク トル を

間 周 波 数 表 現)が 提 案 さ れ,表 面 筋 電 図 の動

的 運 動 時 で の 解 析 に も試 み られ る よ う に な っ て きた.す 変 換(Short‐Term

Fourier Transform:STFT),ウ

Ville :WV),ウ Matching

エ ー ブ レ ッ ト変 換(Wavelet

Pursuit(MP)法

な わ ち,短

時 間 フー リエ

イ グ ナ ー ・ビ レ分 布(Wigner Transform:WT),さ

らに

な ど の さ ま ざ まな 方 法 が登 場 した8).こ れ らの うち ど

れ を使 うか の 選 択 基 準 は,表 面 筋 電 図 を利 用 し よ う とす る 目的 に か な う結 果 を わ か りや す く示 して くれ る か ど う か とい う点 で あ る.   注 目す べ きは,こ

の よ うに い ろ い ろ な方 法 がMathematica(http://www.wolfram

.com)やMATLAB(http://www.mathworks.com)な ェ ア,さ

どの 市 販 の ソ フ トウ

らに 方 法 を提 案 して い る研 究 者 の ウ ェ ブサ イ トか ら入 手 で き る こ とで あ

る.手 軽 で あ るが ゆ え に,利 用 した 解 析 法 が 目的 とす る対 象 を う ま く表 現 して い る の か 否 か,常

に 注 意 し な け れ ば な ら な い.

  図5.2は ス キ ー 運 動 時 の ター ンを 行 っ て い る と きの 表 面 筋 電 図(前 STFT,WT,MPで

脛 骨 筋)を

解 析 した もの で あ る.す べ て,横 軸 を時 間,縦 軸 を周 波 数 と し

た 時 間周 波 数 表 現 で あ る.な

お,こ

の タ ー ンは 滑 走 開 始 後 約60秒

もの で,大 体 こ の あ た りで 筋 疲 労 に よ る きつ さが 自覚 され,転

後 で 計 測 した

倒 し やす くな る.

時 間 周 波 数 表 現 に よ れ ば,紡 錘 状 の筋 活 動 の前 半 と後 半 と で周 波 数 成 分 に違 い が み ら れ,STFT法

に比 べ てMP法

して い る の で あ ろ うか?"本   た とえ ば,Boxtelら9)は,表 ー ス ペ ク トル の概 形 はMUAP波

で は この 特 徴 が 顕 著 で あ る.こ 物"の

れ は,何

を意 味

運動 単 位 の活 動 と関 係 は あ る の だ ろ うか?

面 筋 電 図 の フ ー リエ 変 換 に よ っ て 推 定 され るパ ワ 形 に よっ て 決 ま り,イ

ンパ ル ス頻 度 は 低 い周 波

数 帯 域 で わ ず か に ピ ー クが み え る程 度 で あ る と記 述 して い る.し ペ ク トル か らイ ンパ ル ス 頻 度 を推 定 す る方 式 は,あ

か し,パ

ワー ス

ま り期 待 し な い 方 が よい.そ

図5.2  ス キー 運動 時 で の 表面 筋 電 図(前 脛 骨 筋)の スペ ク トル解析 上段 か ら表 面 筋 電 図,STFT,WT,MPで の解 析 結 果.MPに よる結 果 は,STFT とWTに

よ る 結 果 の 双 方 の 特 徴 を も っ て い る よ う に み え る.な

お,こ

の ター ンは

滑 走 開 始 後 約60秒 後 で,急 斜 面 の 終 わ りに相 当す る場 所 で あ る.転 倒 は この あ た りで起 きる こ とが 多 い

の 理 由 は,実 際 に は,数 多 くの 筋 線 維 が リ クル ー トメ ン トの順 序 に した が っ て活 動 し(時

間 につ れ て 変 化 して い る),MUAP波

ま た,MUAP波

形 も1種 類 で は な い か らで あ る.

形 の 形 状 に 大 き く影 響 を与 え る伝 導 速 度 も1種 類 で は な い.こ の

よ う に 神 経 生 理 学 的 な 仕 組 み と計 測 され る 表 面 筋 電 図 との 関係 は,細 か い 点 で複 雑 で あ る.そ

こ で,こ れ らの 制 約 を取 り除 く方 法 と して,解 剖 学 的 知 識 と電 磁 界

の 電 気 生 理 学 的 知 識 と を加 え て,よ

り精 密 な 表 面 筋 電 図 シ ミ ュ レー シ ョンモ デ ル

で 解 析 を進 め よ う とす る研 究 が あ る10).

  現 在,高

性 能 なPCの

登 場 に よ っ て,表

面 筋 電 図 シ ミュ レ ー シ ョ ンの 流 れ は加

速 し そ うな 気 配 が あ る.そ の 根 底 に は,表 面 筋 電 位 に影 響 を 与 え る 要 因が 出 そ ろ っ て き て お り,そ れ らの 要 因 が 評 価 指 標 に どの程 度 影 響 を 与 えて い る の か を,シ ミュ レ ー シ ョンで す ば や く予 測 した い 願 望 が あ る の だ ろ う.た 月 に札 幌 で 開 催 され た 電 気 生 理 運 動 学 の 国 際 会 議ISEK2000の た SENIAM

ProjectのCD‐ROMに

は,ヨ

とえ ば,2000年6 会 場 で配布 され

ー ロ ッパ 各 国 の研 究 者 が 持 ち寄 っ た 表

面 筋 電 図 シ ミュ レー シ ョ ン プ ロ グ ラ ムが 収 め られ て い た.た だ し,表 面 筋 電 図 シ ミュ レ ー シ ョン は あ くま で も神 経 イ ンパ ル ス か ら表 面 筋 電 位 まで の観 測 プ ロ セ ス を真 似 て い る だ け で あ っ て,た

とえ ば,運 動 単 位 の 数 や 発 射 テ ー ブ ル な ど実 際 の

運 動 時 の 生 理 デ ー タ を入 れ な い と"本 物"に 近 づ け な い.

5.5  筋張力 の減 少 と筋疲 労 との区別   表 面 筋 電 図 に,研 究 者 が 最 初 に期 待 した もの は,筋 張 力 の推 定 で あ る.す で に 1950年 代,IEMG(あ そ の 後,い

る い はiEMG)を

評 価 指 標 とす る 筋 張 力 の 推 定 が 始 ま り,

くつ か の 評 価 指 標 と筋 張 力 と の 関 係 が 調 べ られ た.そ の 結 果,筋 張 力

の 発 現 か,主 張 力 とRMSと

に 運 動 単位 リク ル ー トメ ン トで 行 わ れ る サ イ ズ の 大 きな筋 ほ ど,筋 の 間 の 線 形 性 が くず れ る こ とが わ か っ た11).一 方,筋

筋 電 図 か ら探 ろ う とす る 試 み は,1960年

代 に 始 ま る.幸

疲 労 を表 面

い な こ と に,表

面筋 電

位 の パ ワー ス ペ ク トル は 筋 疲 労 につ れ て 低 域 周 波 数 に そ の 成 分 が 集 中 す る特 徴 が あ り,多

くの研 究 者 が そ の こ と を報 告 し て きた.し

か も,筋 疲 労 しや す い 筋 線 維

は 浅 層 に あ り,表 面 電 極 で と ら え る こ とが 容 易 で あ っ た.筋 疲 労 時 で は,活 動 し て い るMUAP波

形 の 形 状(振

影 響 を受 け て 変 化 す る(図1.6参

幅 や 持 続 時 間 な ど)は,時 照).特

間 につれ て さま ざまな

に 等 尺 性 の 一 定 随 意 収 縮 で は,MUAP

波 形 の持 続 時 間 が 長 くな る現 象 が 簡 単 に計 測 で き る.持 続 時 間が 長 くな る こ とが, 表 面 筋 電 図 の パ ワ ー ス ペ ク トル を 低 域 周 波 数 に シ フ トさせ る と い わ れ て い る.し か し,筋 疲 労 に よる 周 波 数 の 低 下 は,活 動 す る 運 動 単 位 数 の 減 少 で も あ る.こ で,個

々 のMUAP波

形 に は 違 い が あ る た め,運

こ

動 単 位 数 の 減 少 もパ ワー ス ペ ク

(a) 故 意 に 筋張 力 を減少 させ る場 合

(b) 筋 疲労 に よる 場合 図5.3  筋 張 力 の 低 下 を もた らす要 因 の識 別 上段 よ り,最 大 随 意収 縮 の 割 合で 表 示 した筋 張 力,MNF,ARV.筋 点 以 後 のMNF,ARVの 変 化 の様 子 は よ く似 て い る

張 力 変化 時

トル に 影 響 を 与 え る こ とに な る.こ れ らの こ と を 考 え る と,筋 疲 労 時 で は,パ

ワ

ー ス ペ ク トル が低 域 に集 中 す る と記 述 して お い た 方 が よ さそ うで あ る.   と こ ろ で,活 動 す る運 動 単 位 数 の 減 少 は,筋 疲 労 で は な くて も意 図 的 に力 を減 少 さ せ た場 合 で も同 じで あ る.故 意 に 筋 張 力 を 減 少 させ る 場 合 と,筋 疲 労 に よ る 筋 張 力 の低 下 で は,評 価 指 標 に違 い は み られ る の で あ ろ うか?  実 際 に は,表 面 筋 電 図 の 振 幅 値 情 報(ARV, 

RMSな

ど)や 周 波 数 情 報(MDF,MNF)に

立 っ た 違 い が み られ な い(図5.3).こ

の識 別 に,2チ

ャ ンネ ル の 表 面 筋 電 図 を主

成 分 分 析 す る 方 法 が 有 効 で あ る と報 告 さ れ て い る12).す な わ ち,表 ARVとMNFを

求 め,2チ

分 析 を行 っ て,固

は際

面 筋電 図 の

ャ ン ネ ル2種 類 の 時 系 列 か ら一 定 区 間長 ご と に 主 成 分

有 値 時系 列 を 比 較 す る 方 法 で あ る.主 成 分 が 筋 活 動 に か か わ る

生 理 的 変化 を 直接 的 に 表 す わ け で は な い だ ろ うが,多

次 元 評 価 指 標 に含 まれ て い

る 相 関性 の 強 い 情 報 を 整 理 し,単 独 の 評価 指 標 で は見 出 せ な い特 徴 の違 い を探 る 方 法 と して,今

後 も検 討 して い く必 要 が あ ろ う.さ

独 立 成 分 分 析 も注 目 され て い る.こ

ら に,主 成 分 分 析 を 拡 張 した

れ ら は,周 波 数 分析 と は異 な る ア プ ロー チ で

観 測 信 号 をそ の構 成 要 素 で あ る 主 要 成 分 へ と分 解 す る方 法 と して 魅 力 的 で あ る.

5.6  表面筋 電図 は万能 ではな い   最 後 に,表 面 筋 電 図 が 万 能 で は な い,す

な わ ち,い

くつ か の もの は 他 の方 法 で

も推 定 で きる こ と を示 す こ と に よ っ て,表

面 筋 電 図 の 得 意 とす る対 象 を 明 らか に

し て お きた い.   運 動 単 位 発 射 テ ー ブ ル に 関 し て は,1980年

頃 か ら報 告 が 多 くな っ て き て い る

筋 音13)が対 抗 馬 で あ る.筋 電 図 とは 異 な り,筋 線 維 の 収 縮 に伴 う振 動 を マ イ ク ロ フ ォ ンや 加 速 度 セ ンサ ー で と らえ た も の が 筋 音 図 で あ る.振 動 の伝 わ り方 は,筋 電 位 の 電 磁 界 の 伝 わ り方 と異 な る.ま

た,速 筋 線 維 や 遅筋 線 維 とい っ た筋 線 維 の

種 類 に よ っ て 振 動 の 仕 方 が 異 な る.こ

の特 性 が,運

動 単位 の リ クル ー トメ ン トや

筋 疲 労 と 関係 が あ る の で は ない か とい わ れ て い る.   他 の 筋 疲 労 評 価 法14)につ い て は,近

赤 外 光 が よ く知 られ て い る.近 赤 外 光 オ キ

シ メー タは,非

観 血 的 に 動 脈 血 中 の酸 素飽 和 度 を 計 測 す る.な

的 な変 化 で は な く,バ イ オ メ カ ニ クス 的 な 変 化 と して,筋

お,筋

の生 理 機 能

そ の もの の 振 え や筋 の

機 械 イ ン ピー ダ ンス を計 る方 法 もあ る.こ れ ら は,手 軽 さ の 点 で は 筋 電 図 と同様 で あ ろ う.   以 上,2つ

の 例 を挙 げ た が,ま

方 法 は 実 用 性,有

効 性,精

だ ま だ ほ か に もあ る.筋 疲 労 を 調 べ よ う とす る

度 な ど の観 点 か ら,対 象 と す る 課 題 へ どれ が 適 用 で き

るか を調 べ て お く必 要 が あ る.   表 面 筋 電 図 は 万 能 で は な い が,最 だ 生 体 信 号 で あ る.特 に 関 連 した 情 報,動 (筋張 力,筋

5.7 

に,筋

も手 軽 に計 測 で き て,さ

ま ざ ま な情 報 を含 ん

を特 定 す る 場 合 は神 経 イ ンパ ル ス,筋

張 力 ,筋 疲 労

作 時 の 複 数 の 筋 を 対 象 とす る場 合 は 動 作 へ の 筋 ご との 寄 与

疲 労 に 関 連 した情 報)を

明 らか に す る こ とを 得 意 とす る.

ま と め

  ダ イ ナ ミ ック な運 動 時 の 複 雑 な生 体 機 能 の変 化 を表 面 筋 電 図 か ら検 討 す る こ と は,バ

イ オ メ カ ニ ズ ム,生 理 学,生

ポ ー ツ科 学,さ

体 工 学,リ

ハ ビ リ テ ー シ ョ ン工 学,体

ら にバ ー チ ャ ル リ ア リテ ィ な ど 幅広 い 分 野 に役 立 つ.発

ズ ム は異 な る が,表

育 ・ス

生 メ カニ

面 筋 電 位 は 音 声 や 脳 波 と似 て い る.そ の た め,音 声 や脳 波解

析 で 導 入 さ れ た い ろ い ろ な 生 体 信 号 処 理 技 術 が 応 用 され て きた.当 然 で はあ るが, 表 面 筋 電 図 の 信 号 処 理 で は,神 経 筋 活 動 で あ る こ と を し っ か り とわ き ま え た解 析 ・解 釈 が 必 要 で あ る.生 体 信 号 処 理 に よ る解 析 結 果 を議 論 す る際 に は,生 理 的要 因 が 結 果 に 影 響 を 与 え て い る 証 拠 を,利 用 した 解 析 法 とは 別 に押 さ え て お く必 要 が あ る.た と え ば,第1章

の 図1.6な

ど を場 面 場 面 に 応 じて 作 成 し なが ら,結 果 を

検 討 して い く こ と を勧 め る.   こ こ ま で 読 み 終 えた 読 者 に と って,表

面 筋 電 図 は 心 電 図 同 様 に 生 体 機 能 を探 る

ツ ー ル と して 使 え そ う に 思 われ た こ と で あ ろ う.こ の ツ ー ル を活 か して次 の ス テ ップへ と考 え を め ぐ ら して ほ しい.た

とえ ば,運 動 そ の もの につ い て は筋 活 動 だ

け に こだ わ るべ き で は な く,脳 を意 識 した解 析 が 今 後 は 必 要 で あ ろ う.脳 は 運 動

指 令 を 出 す だ け で な く,運 動 に対 す る 生 体 機 能 の 調 節(自 け まで)に

律 神 経 活 動 か ら動 機 づ

さ ま ざ ま な レベ ル で 関 与 して い る.

参考 文献 1) 金 子 秀 和,木 法,電 2)  Kaneko EMG

竜 徹,牧

野 秀 夫 ほ か:表

面 筋 電 図 に 混 入 す る ア ー チ フ ァ ク トの 一 除 去

子 情 報 通 信 学 会 論 文 誌,J71‐D(8),1832‐1838 H,Kiryu signals

T,Saitoh caused

by

Y:Compensation innervation

(1989)

for

zone

the

distortion

movement,IEICE

of bipolar Trans

surface

Inf

Syst,E79‐D

(4),373‐381(1996) 3)  Graupe

G,Cline

identification

W:Functional

methods

separation

for prosthesis

of

EMG

signals

control purposes,IEEE

via

Trans

ARMA

Syst

Man

Cybern,SMC‐5,252‐259(1975)

4) 山田雅 史,丹 羽 信 善,内 山 明彦:筋 電 の周 波数 成 分 と振 幅成 分 を用 い た義 手制御, 医 用 電 子 と生 体 工 学,18(2),133‐138(1980) 5) 小 池 康 晴,川

人 光 男:表

面 筋電信 号 を入 力 とす る ダイナ ミクスモ デ ルを用 いた ヒュ

ーマ ン ・ イ ン タ ー フ ェ ー ス,電 6)  LeFever its

R,De

Luca

constituent

IEEE

Part

action

Trans

7)  Reucher

CJ:A 

Biomed

H,Rau

Eng,

8) 木 竜 徹:生

G,Silny

(1996)

myoelectric

signal

into

implementation,

(1982)

filtering

measuring

BME‐34,98‐105

the

I:Technique,theory,and

J:Spatial to

of noninvasive

technique

and

multielectrode

EMG:

applications,IEEE

Trans

(1987)

生 体 ・生 理 工 学 シ ン ポ ジ ウ ム 論 文 集,

(1999)

AV,Schomaker

indicated

part

decomposing

体 信 号 のDecomposition,第14回

神 戸,3‐7 9)  Boｘtel

potentials 

for

Eng,BME‐29,149‐157

I‐Introduction

Biomed

子 情 報 通 信 学 会 論 文 誌,J79‐A(2),363‐370

procedure

by

,601‐609 10)  Nandedkar

the

S,Stalberg

unit

power

E,Sanders

Trans

JV,De

Biomed

Luca

Electromyography(5th 12)  中村 享 弥,金

EMG

firing

rate

spectrum,IEEE

during

static

Trans

Biomed

contraction

Eng,BME‐30

(1983)

,IEEE 11)  Basmajian

LRB:Motor

surface

子 秀 和,木

D:Simulation

Eng,BME‐32,775‐785

CJ:Muscles

Alive:Their

ed.),Williams&Wilkins,Chapter 竜 徹,鈴

た筋 活 動 状 態 評 価 法 へ のMotor

木 慎 也,斉 Unit発

techniques

in

electromyography,

(1985) Functions

Revealed

by

7 (1985)

藤 義 明:Karhunen‐Loeve展

火 パ タ ー ンの 影 響,電

開 を用 い

子 情 報通信 学 会論 文

誌,J85‐D‐Ⅱ,523‐532

13) 赤 滝 久 美,三 (11),30‐38

田 勝 己:筋

(2002)

音 に よ る 筋 収 縮 過 程 の推 定,日

本ME学

会 雑 誌,BME

(1994)

14) 浜 岡隆 文,岩 根久 夫:近 赤 外 光 を用 い た運 動 中の 筋組織 の 酸素動 態,日 本ME学 雑 誌,特

8

集   運 動 時 の 代 謝 量 の 測 定,BME8(11),22‐29

(1994)

会

第6章 

開発の動 向

  表 面 筋 電 図 の 応 用 が 広 が りを み せ て き て い る.2002年 たISEK(International 議 で は,プ

Society of Electrophysiology

レ シ ンポ ジ ウ ム と して ヨ ー ロ ッパ で 約10年

発 プ ロ ジ ェ ク ト(SENIAM

Project)の

に ウ ィ ー ン で 開 催 され

and Kinesiology)1)国

際会

を か け て 実 施 した研 究 開

成 果 が 紹 介 さ れ た.そ

の 場 で 感 じた こ と

は,表 面 筋 電 図 を よ り多 くの 研 究 者 が 活 用 で きる よ う に底 上 げ を図 る活 動 で あ り, ま た,実 SENIAMプ

際 の 製 品 化 に 向 け た 積 極 的 な 取 り組 み で あ っ た.後 ロ ジ ェ ク トは,そ

の 後2000年

述 す る よ う に,

か ら開 始 さ れ たNEWプ

ロ ジ ェ ク トと

して 引 き継 が れ て 発 展 して い る.   ISEK国 れ る.こ パ,ア

際 会 議 は2004年

に ボ ス トンで 開 催 され,2006年

に は トリ ノ で 開 催 さ

こで は,表 面 筋 電 図 を巡 っ て どの よ う な流 れ が 起 きて い る か,ヨ

メ リ カ,日 本 に お け る最 近 の状 況 に つ い て説 明 す る.ア

ーロッ

メ リ カか らは ,表

面 筋 電 図 を応 用 した さ ま ざ ま な研 究 を進 め て い る ボ ス トン大 学 の 神 経 筋 研 究 セ ン ター で 取 り組 ん で い る研 究 を紹 介 す る.日 本 につ い て は,表 もの で は な い が,経

面 筋 電 図 に 限定 した

済 産 業 省 が 主 導 して実 施 し た人 間 感 覚 計 測 応 用 技 術 プ ロ ジ ェ

ク トに つ い て 説 明 す る.こ れ らは 手 に入 れ る こ とが で き た範 囲 の 情 報 で は あ るが, 筋 電 図 を巡 っ て どの よ う な 流 れ が 起 きて い るか を感 じ取 る こ とが で き る と思 う.

6.1  プ ロ ジ ェク ト研 究 1  SENIAMプ

ロジ ェク ト

  SENIAM(Surface

EMG

エ ク ト2)は,ECに

for

Non‐Invasive

して 行 わ れ た.そ

お け るBIOMED Ⅱ

Assessment

of

Muscles)プ

ロ ジ

プ ロ グ ラ ム の な か で の大 きな 活 動 の1つ

と

の 目的 は,ヨ ー ロ ッパ の 基 準 と して 表 面 筋 電 図 に 関 す る基 礎 研

究 と実 用 化 研 究 を統 合 し,ヨ ー ロ ッパ で の 共 同研 究 を確 立 す る た め に,デ ー タや 臨 床 経 験 を交 換 す る 際 に妨 げ とな っ て い る 問 題 点 を解 決 す る こ とに あ っ た.ト ッ ク は,以 下 の3項

ピ

目か ら な る.

  ① 電極 と電極 位置決 めの手順   ② 表面筋 電図の信号処 理   ③ 表面筋 電図のモ デ リング   表6.1は

プ ロ ジ ェ ク トに 参 加 し た16の

研 究 グ ル ー プ で あ る.

  プ ロ ジ ェ ク ト成 果 と し て,

 ① 電極 と電極 位置決 めの手順 に対す る勧 告  ② 表面筋 電図の計測 と処 理に対す る勧 告  ③4種

類 の 表 面 筋 電 図 の モ デ リ ング

 ④17種

類 の 表 面 筋 電 位 テ ス ト信 号

 ⑤8つ

の 表 面 筋 電 図 関 連 の 配 布 物 あ るい は本,そ

してCD‐ROM

を世 に 送 り出 した.   こ の プ ロ ジ ェ ク トが 成 功 した 理 由 は,参 加 グ ル ー プの 問題 意 識 の 高 さ,合 意 事 項 作 りへ の 徹 底 した プ ロ セ ス に あ る.た

と え ば,電

極 と電 極 位 置 決 め の 手 順 に対

す る勧 告 の 作 成 で は,最 初 に ヨー ロ ッパ 諸 国 の 研 究 室 で 実 際 に 使 わ れ て い る電 極 や 電 極 配 置 を 調 査 す る た め にSENIAMパ の 研 究 者 に よ る140も

ー トナ ー へ 質 問状 を送 り,ヨ ー ロ ッパ

の 出版 物 を調 べ る こ とか ら始 まっ た.

  調 査 結 果 は トリ ノ で の ワー ク シ ョ ップ の 間 に発 表 さ れ,SENIAM  し て ワー ク シ ョ ップ の 論 文 集 に 掲 載 さ れ た.調

1(1996)と

査 に よれ ば,非 常 に広 範 囲 の 表 面

筋 電 図 の 応 用,装

置,計

測 や 処 理 の 方 法 が み られ,多

くの 場 合,著

電 図 の 記 録 結 果 を 報 告 す る 方 法 が あ い まい で あ っ た.そ ラ ン ダ)の

ワ ー ク シ ョ ップ で,表

者 らが 表 面 筋

の 翌 年,Enschede(オ

面 筋 電 位 の 特 性 に 関連 す る電 極 や 電 極 配 置 に 関

す る議 論 を ま と め る こ と に成 功 し,成 果 はSENIAM5(1997)と

して 出版 され た.

 この ワ ー ク シ ョ ップ で は,電 極 や 電 極 配 置 と表 面 筋 電 位 の 特 性 に 関 連 す る 関係 が2次 元 の 表 で ま と め られ た.な お,電 勧 告 は 論 文 集8(表 とSENIAM

極 と電 極 配 置 手 順 に 関 す る ヨー ロ ッパ の

面 筋 電 図 に 関 す る ヨー ロ ッパ で の勧 告:SENIAM

CD‐ROM(SENIAM

9(1999))に

表 面 筋 電 位 の導 出 に用 い る電 極 へ の 勧 告,個 関す る勧 告,さ

含 まれ て い る.2つ

8(1999))3) の論 文 集 に は

々の筋へ の表面筋 電図電極 の配置 に

らに 表 面 電 極 の 配 置 手 順 へ の勧 告 を含 ん で い る.

  表 面 筋 電 図 の 信 号 処 理,表 面 筋 電 図 の モ デ リ ン グ に 関 し て も同 じよ う な 手 順 で 合 意 が 形 成 さ れ,最 い る.特

に,SENIAM 

終 的 な 成 果 はSENIAM  CD‐ROMに 表6.1 

8とSENIAM 

CD‐ROMに

含 まれ て

は勧 告 だ け で な くモ デ ル プ ロ グ ラ ム や テ ス ト

SENIAMの

参加 研 究 グル ー プ

信 号 が 掲 載 さ れ て お り,実 際 に デ ー タ を処 理 す る こ とで研 究 者 が 内 容 を理 解 で き る よ う に な っ て い る.モ て の モ デ ル(そ 資 料(モ

デ ル プ ロ グ ラム に 関 して は,評 価 と検 定 の た め に,す べ

し てユ ー ザ ー マ ニ ュ ア ル も)を 収 集 し,精 度,使

デ ル に 関 す る 記 述 とユ ー ザ ー マ ニ ュ ア ル)に

合 意 の 得 られ た4つ の モ デ ル がSENIAM  の 配 布 物 はSENIAMパ

CD‐ROMに

ー トナ ー やSENIAMク

用 勝 手,バ

関 して 調 べ た 後,開 掲 載 さ れ た.な

グ,

発者 の

お,こ れ ら

ラ ブ メ ンバ ー に配 布 さ れ て お り,

プ ロ ジ ェ ク トの 事 務 局 で 入 手 で きる.

2  NEWプ  

ロジ ェク ト

NEW(Neuromuscular

2001年

assessment

in the

に 開 始 さ れ た プ ロ ジ ェ ク トで,表6.2の

Elderly

Worker)プ

ロ ジ ェ ク ト4)は

研 究 グ ル ー プ か らな る.取

り組 ん

で い る 課 題 は,高 齢 者 にお け る就 労 に関 連 した 神 経 筋 の 障 害 を 特 定 した り,モ ニ ター す る こ とで,  ① 最 も傷 つ きや す い 人 々 に最 大 限 の 保 護 を与 え る こ と で影 響 を抑 え る

 ② 神 経筋の加齢 と就労 条件 との関係 を特定す る  ③ 神 経 筋 系 の状 態 を評 価 し た り,休 息 が 十 分 で な か っ た り,慢 性 疲 労 に陥 ろ う とす る 際 に警 告 を与 え る 方 法 を 開発 す る こ と にあ る.   そ こ で,NEWプ な く,注

ロ ジ ェ ク トで は,就 労 関 連 の 神 経 筋 障 害 の 診 断 の た め だ け で

目 して い る メ カ ニ ズ ム を よ りよ く理 解 す る た め,就

労環境 で高齢 者の機

能 評 価 を無 侵 襲 に行 え る 道 具 と して,表 面 筋 電 図 の 開 発 に重 点 を置 い て い る.   人 間工 学 と産 業 医 学 に応 用 す る に は,信 頼 性 が 高 く,ウ ェ ア ラ ブ ル で 心 地 よ く, す な わ ち就 労 環 境 で も使 え る 装 置 や 電 極 を用 い て,表 を手 に 入 れ る こ とが 必 要 で あ る.NEWプ

面 筋 電 図 か ら最 大 限 の情 報

ロ ジ ェ ク トで は,こ れ らの 点 に 大 きな

努 力 を 注 い で お り,開 発 さ れ た技 術 の 実 際 的 な活 用 は 国 際 的 に評 価 さ れ て い る. そ の 結 果,得

られ た 知 識 の 最 初 の 応 用 例 と して,バ

ア プ ロー チが,就

イ オ フ ィ ー ドバ ック の 新 た な

労 環 境 に依 存 した 障 害 を もつ 人 々の 治 療 の た め に 開 発 さ れ た.

表6.2 

NEWプ

ロ ジ ェ ク トの 参 加 研 究 グ ル ー プ

 プ ロ ジ ェ ク トは 以 下 の パ ッ ケー ジ で構 成 され て い る.  ① 仕 事 や 評 価 指 標 の 選 択 の 定 義,ア

ンケ ー トや プ ロ トコ ル の 定 義,研

究に適 し

た筋の 選択 と被験 者の選択  ② 筋 電 図 や 筋 音 図 の た め の セ ンサ ー の 開発  ③ 計 測 装 置 と ソ フ トウ ェ ア の 開発,計

量,最 適 化,そ

して既 存 の シ ス テ ム の ア

ツプ グ レー ド

 ④ 研 究 室 内 や フ ィー ル ドで の 計 測,デ

ー タ収 集

 ⑤ デ ー タ処 理

 ⑥ 筋 電図や筋音 図 におけ る新 たな信号処理 に基づ く情報抽 出システムの開発  ⑦ 信 号 の 解 釈,エ

ル ゴ ノ ミス トや 作 業 に よる 健 康 指 導 専 門 家 に 対 す る教 育,さ

らに 普 及 と報 告 の た め の ツ ー ル の 開発

 ⑧ 家 庭や作 業環境 での既存 の遠隔医療 と遠 隔診断 システ ム との融合   技 術 的 な 成 果 はMedical&Biological (July Applied

2004)5)に

掲 載 さ れ て い る.ま

Physiologyの

的 な 成 果 は,表

Engineering&Computingの た,臨

特 集号

床 上 の 成 果 はEuropean

特 集 号 に 掲 載 さ れ る と の こ と で あ る.プ

Journal

of

ロ ジ ェ ク トの 工 学

面 筋 電 図 か ら重 要 な 生 理 学 的 情 報 を 抽 出 で き る 可 能 性 を 示 し,身

体 に 障 害 を 引 き起 こす 可 能 性 の あ る筋 活 動 パ タ ー ン を無 侵 襲 な 方 法 で み つ け 出 す 手 助 け と な っ て い る.こ

れ ら は,SENIAMな

ど で 初 め て 開 発 さ れ た も の で あ る.

NEWプ

ロ ジ ェ ク トは 同 時 に無 侵 襲 で 筋 の 特 性 を さ ぐる 新 た な 道 具 を 臨 床 研 究 者

に使 え る よ う に して い る.こ れ は,産 業 衛 生 分 野 を超 え た 幅広 い 分 野,た 神 経 学,リ

ハ ビ リテ ー シ ョ ン,体 育 ・ス ポ ー ツ科 学,そ

とえ ば,

して 注 目す る神 経 筋 機 構

の 無 侵 襲 研 究 を必 要 とす る分 野 を含 ん で い る.プ ロ ジ ェ ク トで 開 発 され たハ ー ド ウ ェ ア や ソ フ トウ ェ ア は神 経 筋 の パ フ ォー マ ンス の 定 量 的 指 標 を提 供 し,さ ら に, ヨ ー ロ ッパ 宇 宙 機 構 の 支 援 の も とで 進 め られ て い るMESMプ

ロ ジ ェ ク トの な か

で 無 重 力 が 骨 格 筋 に与 え る影 響 に関 す る 研 究 に 応 用 され て い る.特 定 の応 用 に合 う よ う に 調 整 す れ ば,こ れ らの 装 置 や 技 術 は フ ィー ル ドだ け で な く研 究 室 で も使 え る と考 え られ,エ ル ゴ ノ ミ ク ス や 産 業 衛 生 の 分 野 で 潜 在 的 な ヨー ロ ッパ の 市 場 が あ る こ と を 示 して きた.フ

ィー ル ド試 験 は 引 き続 き実 施 さ れ て い る が,臨

運 動 生 理 学 者,理 学 療 法 士,労

床,

働 環 境 に お け る作 業 と神 経 筋 系 の 条 件 の 関係 ,運

動 リハ ビ リテ ー シ ョ ンで の 治 療 と神 経 筋 の 回 復 との 関 係,ス

ポー ツ医学や運動学

に お け る訓 練 と筋 のパ フ ォ ー マ ンス や 制 御 との 関 係 をモ ニ タ ー す る た め に,こ れ らの ル ー チ ンの 正 しい使 い 方 を教 え る必 要 が ま だ あ る と され て い る.

3  ボ ス トン大学神 経筋 研究 セ ンター   ボ ス トン 大 学 神 経 筋 研 究 セ ン タ ー(NeuroMuscular は 表 面 筋 電 図 の 研 究 で は 世 界 的 な セ ン タ ー の1つ の 発 射 パ タ ー ン を 求 め る 手 法(Precision   back

pain)を

評 価 す る 装 置 を 開 発 し て い る.そ

代 のPrecision

で あ る.こ

Decomposition

電 図 関 係 の 研 究 開 発 事 例 と し て,NMRCに   最 初 に,第2世

Research 

れ ま で に も ,筋 System)や

こ で,ア

Systemが

あ る.計

ッ プPCか

ス テ ム は パ ネ ルPC(図6

ら構 成 さ れ て い る.パ

ネ ルPCは

測 した 筋 電 位

々 の 運 動 単 位 の 発 射 に 相 当 す る)に

は 過 去 の シ ス テ ム の 制 約 を 乗 り越 え る も の で あ り,臨

つ も の と し て い る.シ

腰 痛(low

メ リカにお ける表面筋

分 解 す る新 し い 自 動 シ ス テ ム を 開 発 し て い る7,8).新 た なPrecision System Ⅱ

活 動

お け る最 近 の 研 究 を紹 介 す る.

Decomposition

信 号 を そ の 成 分 と す る 運 動 単 位 活 動 電 位(個

Center:NMRC)6)

.1)と

Decomposition 床 の 場 面 で役 立

そ れ に接 続 され た ラ ップ ト

デ ー タ 収 集 装 置 と ソ フ トウ ェ ア か ら

な る.ラ

ッ プ トッ プPCは

活 動 電 位 分 解 の た め の ア ルゴ リ ズ ム を含 む.筋

電位信

号 は,小 型 の 前 処 理 ユ ニ ッ トを 通 じて,接 続 さ れ た針 電 極 で 計 測 さ れ る.こ の 際, シ ー ム レス な デ ー タ収 集 や 信 号 処 理,そ

して 表 示 の た め の ユ ー ザ ー イ ン タ フ ェ ー

ス を もつ.活 動 電 位 分 解 ア ル ゴ リズ ム は,IPUSと

呼ば れる最近 開発 され た知識

ベ ー ス の 人 工 知 能 言 語 を使 っ て完 全 に書 き直 さ れ た.新 た な シ ス テ ム の 仕 様 は 以 下 の とお りで あ る.  ① 活 動 電 位 分 解 作 業 に必 要 とす る時 間 が 大 幅 に 短 縮 さ れ た.6∼8個 位 の 系 列 を含 む20秒 間 の筋 電 位 信 号 を2∼4分  ② 活 動 電 位 を 自動 的 に 分 解 す る 際 の精 度 が65%か よ る編 集 を行 え ば,100%に

図6.1 

の運 動単

で処 理 す る ら97%に

向 上 した.人

手に

達す る

ボ ス トン 大 学 神 経 筋 研 究 セ ン タ ー で 開 発 さ れ たPrecision

Decomposition

System Ⅱ

 ③ 静 的 運 動 状 態 だ け で な く,動 的 運動 状 態 か ら も信 号 を 分 離 で き る   NMRCで

は,こ

の 手 法 を 使 っ て,さ

ま ざ ま な 運 動 障 害 を もつ 患 者 の デ ー タの

解 析 を進 め て い る.   次 に,微 少 重 力 に よ る運 動 機 能 の 低 下 を神 経 筋 の レベ ルで 理 解 す る研 究 が あ る. こ れ は,微

少 重 力 の 影 響 に 対 す る 運 動 プ ロ グ ラ ム を設 計 す る こ とが 目的 で あ る.

さ らに,微 少 重 力 環 境 に対 す る 地 上 で の モ デ ル を同 定 し,検 証 す る こ と に も役 立 つ.そ

の 結 果,宇

よ う に な る.こ

宙 空 間 で 試 み る 前 に可 能 な対 策 を地 上 で研 究 す る こ とが で きる

の プ ロ ジ ェ ク トの 最 終 目標 は微 少 重 力 が 筋 活 動 制 御 へ 与 え る 影 響

を 理 解 す る こ と に あ る.そ

の方 法 と して,運 動 単 位 の発 射 活 動 の 調 整 や 関節 周 り

の 制 御 に 関 与 す る複 数 の 異 な る筋 の 関 係 を研 究 し よ う と して い る.   この 研 究 で は 針 筋 電 位 を 第一 背 側 骨 間筋 と 内側 広 筋 か ら,ま た,関 節 ま わ りの 筋 群 か ら表 面 筋 電 位 を 計 測 す る.被 験 者 に は,PCス を 追 っ て 筋 を 収 縮 す る よ う に 指 示 す る.針 Systemで

解 析 す る.特

ク リー ンに 表 示 され る軌 跡

筋 電 位 はPrecision

に 注 目 して い る の は,運

Decomposition

動単位 の発射 頻度 や リクルー ト

メ ン トの ふ る ま い の 制 御 に 変 化 が 現 れ な い か ど う か で あ る.表 面 筋 電 図 か らは, 微 少 重 力 が 関節 ま わ りの 筋 の制 御 に 与 え る 影 響 を調 べ る.こ

れ に よ っ て,加 齢 に

よ る 筋 へ の 影 響 と 同 じ こ とが 微 少 重 力 下 で も起 きて い る の か ど うか を探 ろ う と し て い る.   第3に,患

者 の 機 能 的 能 力 を,簡 単 に,そ

して 自動 的 に 家 庭 で もモ ニ ター で き

る よ う に す る 手 法 の 開 発 を 行 っ て い る9).機 能 的 能 力 の 評 価 は,支 援 サ ー ビ ス や 長 期 に わ た る ケ アで 必 要 な もの を決 定 す る こ と に 使 え る.運 動 能 力 の 定 量 的 か つ 客 観 的 数 値 は,現 在,リ

ハ ビ リテ ー シ ョ ンで 主 流 の 自 己 申 告 に た よ る機 能 的 な 器

具 を検 証 す る こ と に も役 立 つ.い ろ い ろ な種 類 の 活 動 モ ニ タ ー が市 場 に はあ るが, ほ とん ど は 一 般 的 な筋 活 動 に 限 定 され て い る.そ

こで,筋

電 図 と加 速 度 計 を 基 礎

とす る 機 能 的 活 動 モ ニ ター を 開発 中 で あ る.こ

の シ ス テ ムで 対 象 と して い る の は

脳 血 管 障 害 の あ る 患 者 で あ る.解

層 人工 ニ ュー ラル ネ ッ トワー ク

(ANN)に 行 う.こ

析 で は,多

よ る 特 徴 抽 出 と適 応 ニ ュ ー ロ ・フ ァ ジ ー推 論 ネ ッ トワ ー ク を結 合 して こ で は,ア

ル ゴ リズ ム を11種 類 の機 能 的 筋 活 動(食

事,歩

行 な ど)に

適 用 し,そ の 検 証 を 機 能 的 に は 異 な るが 同 様 な11種 て の8チ 98%の

ャ ン ネ ル の 節 電 図 デ ー タ で11種

類 の も の と比 較 した.す

べ

類 の 機 能 的 筋 活 動 を 定 義 した 場 合 は,

デ ー タ を識 別 で きた.予 備 実 験 で は あ るが,節

電 図 だ けで な く加 速 度 デ ー

タ を 加 え た こ と に よ り,判 別 率 は 有 意 に増 加 した.   第4に 腰 痛 の研 究 が あ る10).背 筋 の 表 面 筋 電 図 解 析(図6.2)は,等

尺性 収縮

時 で の背 筋 の 筋 疲 労 の 考 え方 を基 礎 と して い る.収 縮 時 の 表 面 筋 電 図 の 初 期 で の MDFの

ふ る ま いやMDFの

減 少 率 は筋 の 機 能 と関 係 が あ る.し か し,患 者 で は最

大 随 意 収 縮 時 の 数 値 は信 頼 性 に 欠 け る.そ

こ で,背 筋 を 最 大 下 随 意 収 縮 で も評 価

で き る よ う に す る 新 た な パ ラ メ ー タ を提 案 して い る.こ れ らのパ ラ メー タ は 背 筋 間 で 分 散 す る筋 へ の 負 担 を反 映 す る も の で,背 筋 の 障 害 に 関 す る重 要 な情 報 を 医 師 に 提 供 す る.こ の 情 報 は,直 接,患

者 の 治 療 法 を カ ス タマ イ ズ す る こ とや,リ

ハ ビ リテ ー シ ョ ンプ ロ セ ス の 異 な る フ ェ ー ズ で生 じる変 化 を詳 細 に モ ニ タ ー す る こ と に役 立 つ.

図6.2  表 面筋 電 図 を用 い た腰 痛 の解 析 (Oddson

LI,De

Luca

CJ:J

Appl

Physiol,200310)よ

り転 載)

4  人間感覚計測応用技術   日 本 で はSENIAMに

相 当す る よ うな 筋 電 図専 門 の研 究 プ ロ ジ ェ ク トは ない が,

筋 電 図 を含 め た 生 体 計 測 の プ ロ ジ ェ ク トと し て,経 済 産 業 省 が 主 導 して1990年

か ら1998年 トが あ る.こ

の8年 間 に わ た っ て 実 施 した 「人 間 感 覚 計 測 応 用 技 術 」 プ ロ ジ ェ ク れ は,人

間 の 感 性 に訴 え る よ う な製 品 開 発 を促 進 す る た め に,温

熱 ・光 ・音 な どの 環 境 条 件 や 生 活 関連 製 品 が 人 間 の 心 身 状 態 に 及 ぼす 生 理 的 影 響 (ス ト レス や 疲 労)を

評 価 す る生 理 指 標 化 技 術,環

境 や 製 品 と人 間 との 適 合 性 を

生 理 量 や 心 理 量 に 基 づ い て評 価 す る環 境 ・製 品 適 合 性 指 標 化 技 術 の 開 発 を 目指 し た もの で あ る.家 電 や 住 宅 関係 の 企 業 と産 業 技 術 総 合 研 究 所(当 究 所)が

参 加 し て,社

時 は 製 品科 学 研

団法 人 人 間生 活 工 学 研 究 セ ン タ ー(HQL)11)が

と り ま とめ

機 関 とな って 実施 し た.   具 体 的 に は,脳 波 の 計 測 に よ っ て快 適 度 や 覚 醒 度 を 定 量 化 した り,近 赤 外 線 分 光 に よ っ て 疲 労 度 を 定 量 化 す る技 術 の 開 発 を行 っ た.筋 電 図 に つ い て は,筋 線 維 伝 導 速 度 の 変 化 か ら筋 の 局 所 的 な疲 労 度 を推 定 す る こ と を試 み た.し

か し,筋 線

維 伝 導 速 度 は体 温 や 筋 収 縮 力 の 影 響 を大 き く受 け る こ とが 明 らか に な り,疲 労 度 の影 響 を抽 出 す る た め に は,こ れ らの 要 因 を一 定 に す る な どの 措 置 が 必 要 で あ る こ とが わ か っ た.   こ の プ ロ ジ ェ ク トは,終 と して 受 け継 が れ,感

了 後 に 「人 間 行 動 適 合 型 生 活 環 境 創 出 シ ス テ ム技 術 」

覚 レベ ルか ら よ り複 合 した 行 動 レベ ルへ の 研 究 開 発 と して

展 開 され た.

6.2  計測 装 置 1  計測 の マル チチ ャンネル化   表 面 筋 電 位 をマ ル チ チ ャ ンネ ル で 計 測 す る技 術 は,1980年

代 か ら報 告 が あ る.

マ ル チ チ ャ ン ネ ル の 最 近 の 展 開 は フ レキ シ ブ ル ア レ イ 電 極 に 代 表 され る .図6.3 は トリ ノ 工 科 大 学(イ

タ リ ア)が

開発 した 双 極15チ

の フ レキ シ ブ ル ア レ イ 電 極 で あ る12).直 径1mmの

ャ ン ネ ル(電

極 間 隔1cm)

穴 が あ い て お り,穴 の 脇 に銀

塩 化 銀 の コ ン タ ク ト部 分 と リー ド線 が プ リ ン ト基 板 の 技 術 で 作 られ て い る.使 用 す る に は,両 面 テ ー プ状 の ウ レ タ ン フ ォー ム で フ レキ シ ブ ル 電 極 を対 象 とす る筋 の皮 膚 表 面 に貼 付 し,こ の 穴 か ら電 極 ペ ー ス トを注 入 す る.配

置 し た フ レキ シ ブ

図6.3 

フ レキ シブ ルア レイ電 極

さ ま ざま なサ イ ズ,チ ャ ン ネル数,電 極 間 隔の 電 極 が あ る

ル 電 極 を 増 幅 器 か ら の リー ド線 と ア ダ プ ター を介 して 結 ぶ こ と に よ って,差 チ ャ ンネ ル ま で の 表 面 筋 電 位 の 計 測 が 可 能 と な る.し

動15

た が っ て,皮 膚 表 面 を伝 播

す る表 面 筋 電 位 の 広 が りを計 測 す る こ と を 目 的 と し た 電極 で あ る.な お,ウ ン フ ォー ム は,そ

の つ ど交 換 が 必 要 で あ る が,フ

レタ

レ キ シ ブ ル ア レ イ電 極 は 約10

回使 用 で きる.   フ レ キ シ ブ ル ア レ イ 電 極 とウ レ タ ンフ ォー ム を 用 い た こ とで,さ ズ,チ

まざまなサ イ

ャ ン ネ ル 数,電 極 間隔 の 電 極 を簡 単 に 作 り出 す こ とが で きる.こ れ に よ っ

て,対 象 とす る筋 ご と に最 も適 した 形 状 の 電 極 選 択 が 可 能 とな っ て い る.な お, 電 極 そ の もの に は 増 幅 器 は 埋 め 込 ま れ て い な い.生 ル ま で の 同 時 計 測 が 可 能 で あ る.実 際 に は,生 AD変

換 器 でPCへ

取 り込 み,計

体 信 号 増 幅 器 は15チ

ャ ンネ

体信 号 増幅器 か らの出力信 号 を

測 条 件 の コ ン トロ ー ル,計

測 信 号 の モ ニ タ ー,

そ して さ ま ざ ま な信 号 処 理 を行 う.用 意 さ れ て い る信 号 処 理 プ ロ グ ラ ム に は,表 面 筋 電 図 評 価 指 標 と してRMS,ARV,MNF,MDF,伝

導 速 度 を推 定 す る機 能 が あ

り,表 示 方 法 と して チ ャ ン ネ ル ご との 時 間軸 プ ロ ッ トと,指 定 した時 間 に お け る チ ャ ン ネ ル ご と の特 性 値 の プ ロ ッ トが あ る.ト

リ ノ工 科 大 学 で は,さ

らに,表

面

電 極 の プ ロ ー ブ に加 速 度 セ ンサ ー を埋 め 込 む な ど して,筋 音 図 も 同時 計 測 で きる よ う な タ イ プ を 開 発 して い る.   産 業 技 術 総 合 研 究 所(当

時 は製 品科 学研 究 所)で

開 発 した 格 子 状 電 極(図6.4)

は,神 経 支 配 帯 の 重 要 性 を最 初 に 明 らか に した こ とで有 名 で あ る13).電 極 間隔 は 5.12mmと

狭 く,1つ

の プ ロ ー ブ に30×24ピ

ン の 電 極 が 並 ん で い る.こ

れ と同

図6.4  神 経 支 配帯 の推 定 に 用い られ た格 子 状電 極13)

様 な格 子 状 電 極 はHelmholtz‐Institute

Aachen(ド

イ ツ)14)も 開 発 して い る.し

か し,そ の 目的 は 異 な り,格 子 状 電 極 に よ っ て 表 面 筋 電 位 の 伝 播 を空 間差 分 す る こ とで,針 電 極 と同 じ よ う な情 報 を得 よ う とす る もの で あ る.日 本 で は,大 阪 電 気 通 信 大 学 の グ ル ー プ が よ り小 型 な マ ル チ ア レ イ能 動 電 極 の 開 発 を 進 め て い る.   以 上 の よ うに マ ル チ チ ャ ンネ ル 計 測 の 目的 は,表 面 筋 電位 の 伝 播 パ タ ー ン を探 る こ とに あ る.さ

ら に,計 測 ユ ニ ッ トが マ ル チ チ ャ ンネ ル化 した こ と か ら,容 易

に よ り多 くの 部 位 か ら よ り多 くの 情 報 を 同 時 に計 測 で き る よ う に な っ た.今 後, 表 面 筋 電位 にか ぎっ た もの で は な く,さ ま ざ ま な 生 体 情 報 を 同時 に 計 測 す る セ ン サ ー が 常 識 とな るで あ ろ う.

2  計測 の ウェアラ ブル 化   ウ ェア ラ ブル 計 測 へ の 流 れ は1990年 用 語 は ウ ェ ア ラ ブ ルPCの

代 の 後 半 か らみ られ る.ウ

デ モ ン ス トレ ー シ ョ ン に よ っ て 広 まっ た が,こ

な概 念 を 最 も必 要 と し て い るの が 生 体 計 測 の 分 野 で あ る.た 工 科 大 学(ア 呼 吸,体

メ リ カ)で

はSmart

Shirtを 開発 し,ウ

と え ば,ジ

の よう ョー ジ ア

ェ ア ラ ブ ル状 態 で 心 電 図,

温 な ど が 計 測 で き る シ ャ ツ を 開 発 した.な お,日

に よ るNPO法

ェ ア ラ ブ ルの

本 で も通 信 系 グル ー プ

人 が こ の 分 野 の 活 動 を行 っ て い る.こ の よ う に,ウ

ェ ア ラ ブ ル計

測 をデ ー タ ロ ガ ー と し て と ら え る な らば,生 体 信 号 で は心 電 図 を 中 心 に 多 くの 計 測 装 置 が 開 発 さ れ て き た.こ

こ で は,表 面 筋 電 図 計 測 に お い て,腰

につ け る ポ ー

チ 程 度 の サ イ ズ で 開 発 が 進 む シ ス テ ム の 開発 事 例 を紹 介 す る.   ウ ェ ア ラ ブ ル 計 測 を 意 識 した 表 面 筋 電 位 の 計 測 装 置 と し てDelsys(ア

メ リ カ)

図6.5 

DelsyのMyoMonitor(8チ

ャ ン ネ ル の 例)

表 面 筋電 図 のほ か に 関節 ゴニ オ メー ター な どの セ ンサ ー をつ け られ る

のMyoMonitorシ

ス テ ム が あ る(図6.5)15).こ

の シス テ ム の 特 徴 は,使 い 勝 手 の

よ い バ ー 状 の 能 動 電 極 と小 型 ユ ニ ッ トで あ る.1cm間 (2バ ー)あ

る い は ダ ブ ル 差 動 接 続(3バ

隔 の バ ー 状 電 極 で差 動接 続

ー)の 計 測 を 行 う.電 極 を皮 膚 表 面 に 固

定 す る に は両 面 接 着 シ ー トを使 う.し た が っ て,電 極 本 体 は使 い 捨 て で は な い. さ ら に,電 極 は能 動 電 極 で あ り,電 極 か ら小 型 ユ ニ ッ トまで の リー ド線 は 柔 軟 性 が あ る.ア ナ ロ グ 計 測 の 部 分 は 生 体 側 で 閉 じて お り,ウ ェ ア ラ ブ ル 状 態 に 近 づ い て い る.計 測 の 際 に は,PCカ タル 化 に 対 応 し て い る.し ポ ケ ッ トPCか

ー ドのAD変

換 器 とポ ケ ッ トPCを

使 う こ とで デ ジ

か し,信 号 処 理 に は メ モ リ ー カ ー ド(CFカ

ー ド)を

ら取 り外 す 必 要 が あ る.な お,電 極 間 隔 が 固 定 さ れ た1チ ャ ンネ

ル 差 動 接 続 に よ る 計 測 が 基 本 で あ り,事 前 に,マ ル チ ア レ イ電 極 な どで 皮 膚 上 の 最 適 な貼 付 位 置 を決 定 し て か らバ ー電 極 を使 用 す る と よい.   一 方,ト

リ ノ工 科 大 学 の別 の グ ル ー プ で は,さ

き る小 型 ユ ニ ッ ト(STEP32)を 底 圧,加

ま ざ ま な生 体 信 号 を同 時 計 測 で

開 発 した16).こ れ は,歩 行 の 際 の 関 節 角 度,足

速 度 な ど と 同 時 に表 面 筋 電 図 を得 る こ とが で き る 小 型 ユ ニ ッ トで あ る.

プ ロ ー ブ は コ ネ ク タ に セ ンサ ー を差 し込 む 形 式 とな っ て い て,1つ

のプ ローブで

さ ま ざ ま なセ ンサ ー を交 換 で き る.た だ し,表 面 筋 電 位 に か ぎ っ て い え ば 基 本 は 皿 型 電 極(直

径5mm)に

よ る1チ ャ ンネ ル の 差 動 接 続 で あ り,表 面 筋 電 位 の マ

ル チ チ ャ ン ネ ル 計 測 を1つ の 電 極 で 実 現 す る形 式 で は な い.な 1000∼50000倍

お,プ

ローブ には

の 増 幅 器 が 内 蔵 さ れ て い る.プ ロ ー ブ と小 型 ユ ニ ッ トはLANケ

ー ブ ル と同 じ仕 様 で 接 続 さ れ て お り

,小 型 ユ ニ ッ トは ま さ に 生 体 信 号 の ハ ブ とい

っ た 感 じで あ る.た だ し,ア ナ ロ グ 計 測 の 部 分 は生 体 側 だ け で 閉 じて い な い.こ の小 型 ユ ニ ッ トに 集 約 さ れ た 生 体 信 号 はAD変 サ ン プ リ ン グ周 波 数1000∼5000Hz)さ

れ,さ

換(16チ

ャ ン ネ ル,12,14ビ

ッ ト,

らに,光 ケ ー ブ ル でPCへ

と送 ら

れ て い く.し た が っ て,計 測 中 も表 面 筋 電 図 をモ ニ ター で き る よ う に デ ジ タ ル化 へ の 対 応 が な さ れ て い る が,PCと

ユ ニ ッ ト間 は ケ ー ブ ル で接 続 さ れ た ま まで あ

る.用 意 さ れ て い る信 号 処 理 に は,さ

ま ざ ま な 計 測 デ ー タ の時 間 軸 表 示,周

波数

解 析 が あ る.   ま た,大

阪 電 気 通 信 大 学 は独 自 に 開 発 した 能 動 電 極 とUSB接

続 ユ ニ ッ トを組

み 合 わ せ た表 面筋 電 位 の 計 測 装 置 の 開発 を 進 め て い る(図6.6).

(a)  (b)

図6.6  能動 電 極 とUSB接 続 ユ ニ ッ トを組 み合 わせ た 表面 筋 電 位 の計 測 装置

  ICカ ー ドに 蓄 積 す る方 式 は 以 前 か ら あ る.  TEACは8チ ャ ン ネ ル 計 測 の小 型 デ ー タ ロ ガー(DR‐C2)を プ リア ンプ を外 部 接 続 し,PCメ

ャンネルのマ ルチチ

市 販 して い る.生 体 信 号 計 測 用 の

モ リ カ ー ドに 計 測 デ ー タ を蓄 積 す る こ と で,ア

ナ ロ グ 計 測 か ら計 測 デ ー タ の デ ジ タ ル 化 ま で を1つ の ユ ニ ッ トで ま か な う.し か し,ICカ

ー ドを 小 型 デ ー タ ロ ガ ー か ら取 り外 し,PCに

挿 入 して か ら計 測 デ ー タ

を確 認 す る方 式 で あ る た め,計 測 中 は デ ー タ の 欠 落 が な い よ うに 十 分 に注 意 す る 必 要 が あ る.

  こ こ ま で 紹 介 し た ウ ェ ア ラ ブ ル 化 で は,計

測 ユ ニ ッ ト と解 析 用PCと

測 デ ー タ の 取 り扱 い が ネ ッ ク と な っ て い る.さ に 関 す る"Ware 2003)17)に

it well"の

よ れ ば,ウ

生 体 情 報 を 無 線ITシ い る.つ

特 集 号(IEEE

て,生 EMBS

体情 報の ウェア ラブル計測 Magazine,Vol.22,No.3,

ェ ア ラ ブ ル 計 測 ユ ニ ッ ト とPDAな ス テ ム で 管 理 す るPersonal

ま り,計 測 デ ー タ をPCへ

ど の 情 報 端 末 を 用 い て,

Area

Networkの

転 送 す る 部 分 を リ ー ド線 やICカ

無 線 通 信 を 利 用 す る 方 式 で あ る.デ

を モ ニ タ ー で き る よ う に な る.表

い て い る た め,MyoMonitorⅢ 数 は8な

い し16で

ゲー ジ,加

速 度,足

この

は無 線 通 信 に よ

る い は 計 測 済 み デ ー タ の 転 送 を 行 え る.PC お,計

測 ユ ニ ッ トに は カ ラ ー 液 晶 パ ネ ル が つ

単 体 で も 計 測 状 態 を モ ニ タ ー で き る.チ

あ る た め 筋 電 位 以 外 の さ ま ざ ま な 補 助 入 力(ゴ ス イ ッ チ,心

測 中 の信 号

面 筋 電 図 計 測 で は,DelsysやNoraxonが

っ て 計 測 中 の 信 号 の モ ニ タ ー か,あ ー ドを 使 う.な

ー ド と せ ず に,

面 筋 電 位 だ け で な く計 測 時 の トラ ブ ル

方 式 の 開 発 を 行 っ て い る.DelsysのMyoMonitorⅢ(図6.7)で

側 に は 無 線LANカ

研 究が進 んで

ー タ 通 信 を 無 線 化 す る こ と で,計

を 離 れ た 場 所 で 観 察 で き る こ と に な り,表

の 間の計

拍 数)に

も 対 応 し,運

ャンネル

ニ オ メ ー タ,力

動 時 で の さ ま ざ ま な生 体

信 号 と 筋 電 位 と の 同 時 計 測 が 十 分 に 可 能 で あ る.

図6.7 

 

NoraxonのTELEMYO

Delsysの

無 線 式MyoMonitorⅢ

2400T(図6.8)で

は,計

測 中 の8チ

ャ ンネルの信 号

(筋 電 位 だ け で な く,同 様 に 他 の 信 号 も計 測 で き る セ ンサ ー が 用 意 され て い る) を 無 線 通 信 で モ ニ ター す る18).表 面 電 極 は,ア

ク テ ィブ リ ー ドと称 す る500倍

の

 

プ リ ア ン プ を 内 蔵 した ケ ー ブ ル で 小 型 送 信 ユ ニ ッ トに 接 続 され る.計 測 デ ー タは, 無 線LANカ

ー ドに よ っ てPCに

直接 受 信 で き る.し

た が って,計

測 状 態 はPCで

モ ニ ター す る こ と と な る.

図6.8 

  な お,LabVIEWのPDAモ

Noraxonの

換 器 が 利 用 で き る た め,PDAの

無 線 式TELEMYO2400T

ジ ュ ー ル を使 う こ とで,PDAでPCカ 無 線LAN機

ー ドのAD変

能 と併 せ て,既 存 のユ ニ ッ ト と組 み

合 わ せ た ウ ェ ア ラ ブ ル 計 測 ユ ニ ッ トを 組 み 上 げ る こ と もで き る(図6.9).

(a) (b)

図6.9  ユ ニ ッ トとPDAを 組 み合 わ せ た表 面 筋 電 図 の ウ ェ ア ラブ ル計 測装 置

6.3  最 近 の 信 号 処 理 法   個 々の 運 動 単 位 の 発 射 パ ター ン を と らえ る 運 動 単位 の 分 離 で は,ダ イ ナ ミ ッ ク な運 動 時 で の 計 測 が むず か しか っ た.し ス の 処 理 法 を導 入 して,50%MVCを の 解 析 が 可 能 に な っ た(「6.1プ

か し最 近 で は,パ

ター ン認 識 に 知 識 ベ ー

超 える高い等尺 性の一 定随意収縮 の場面 で ロ ジ ェ ク ト研 究 」 参 照).こ

の よ う に,計 測 技 術

の 進 展 とあ い ま っ て 信 号 処 理 の恩 恵 を受 け る場 面 が 広 が っ て き て い る.こ れ は, 多 くの シ ス テ ム で,計 測 デ ー タがExcelな

どで 取 り扱 え る 形 式 で保 存 で き る よ う

に な っ た こ と と,計 測 装 置 に付 属 す る ソ フ トウ ェ ア以 外 にMATLAB19),Mathe matica20),LabVIEW21)な

どの 汎 用 の ソ フ トウェ アが 一 般 的 と なっ た お か げ であ る.

 さ て,最 近 の信 号 処 理技 術 の 高 度 化,特

に 時 間 につ れ て 変 化 す る パ ワ ー ス ペ ク

トル を推 定 す る た め の さ ま ざ ま な 方 法(「5.4ス ペ ク トル解 析 の 限界 」 参 照)に っ て,統

よ

計 的 に 定 常 で は な い 信 号 の 取 り扱 い が で き る よ う に な っ た.運 動 時 の 表

面 筋 電 図 は,筋 活 動 様 式 の 変 化 や 筋 疲 労 に 至 る 変化 が 現 れ,ま で は な い信 号 の 例 で あ る.こ 運 動 が あ る.ジ

こで,ダ

さ に統 計 的 に 定 常

イ ナ ミ ック な 運 動 とい っ て も,さ ま ざ ま な

ャ ン プ の よ う に 強 い収 縮 が1回 だ け現 れ る もの もあ れ ば,自 転 車

の よ う に筋 収 縮 と弛 緩 を繰 り返 す もの もあ る.こ

れ を 生 理 学 的 な神 経 筋 活 動 レベ

ル で 解 析 しよ う とす る と,時 間 につ れ て さ ま ざ ま な運 動 単 位 が どの よ うに 活 動 し, ま た,MUAPが

どの よ う な影 響 を 受 け て変 化 す る か の情 報 が 必 要 とな る(表 面 筋

電 図 に 影響 を与 え る 要 因 に 関 して は 図1.6を 参 照).   一 方,実

用 的 な評 価 指標 レベ ル で 解 析 す る場 合 は,筋 活 動 様 式 の 変 化 や 筋 疲 労

に 至 る 変 化 を 的確 に表 現 して くれ るパ ラ メ ー タ を推 定 す る こ とに な る.こ の パ ラ メ ー タ推 定 に ダ イ ナ ミ ッ ク な運 動 時 で の 時 間 周 波 数 表 現 が 利 用 さ れ て い る.   通 常,時

間 周 波 数 表 現 は,周 波 数 成 分 の パ ワ ー の 時 間 軸 上 で の分 布 で あ る.こ

の 時 間 周 波 数 表 現 で,あ 方 式 が,短

く まで も表 面 筋 電 図 を周 期 的 な信 号 で 分 解 し よ う とす る

時 間 フ ー リエ 解 析(STFT)で

あ る.フ ー リエ 変 換 が 意 味 を もつ の は

観 測 信 号 が 定 常 な と き で あ る か ら,ダ イ ナ ミ ック な 運 動 時 で の 解 析 で は,解 析 に 必 要 とす る 時 間 帯 を制 限す る 時 間 窓 を観 測 信 号 に施 し,こ の 時 間 窓 の な か で は 定

図6.10  窓 関 数 を か け た解析 区 間(局 所 定 常性 を仮 定)を時 間軸 上 に シ フ トしなが ら解析 す る STFTや 時変 性 パ ラメ ー タ推 定 な どで利 用 され る

常 と仮 定 す る(局 所 定 常).そ

の う え で,時

間 窓 を 時 間 軸 上 で 移 動 して,時

信 号 の ス ペ ク トル構 造 を 推 定 す る(図6.10).な

お,表

変性

面筋 電 図の計測 モデル を

シ ス テ ム 関 数 で 表 現 す る 方 法 で も,時 間 窓 を 時 間 軸 上 で 移 動 して時 変性 信 号 の ス ペ ク トル構 造 を推 定 で きる.こ

の 方 法 で は,さ

ー タ を逐 次 推 定 す る 方 法 もあ る .1980年

らにシス テム関数 の時変性パ ラメ

代 頃 か らの 義 手 の 制 御 に か か わ る表 面

筋 電 図 を用 い た研 究 で は,シ ス テ ム 関 数 の 時 変 パ ラ メー タ推 定 が 盛 ん に行 わ れ た. こ れ に対 して,エ

ネ ル ギ ー 分 布 を 直接 変 換 す る こ とで 時 間周 波 数 表 現 を得 よ う と

す る 方 法 が あ る.す

な わ ち ウ ィ グ ナ ー ・ビ レ(WV)分

布 で は,時

間関数であ る

自己 相 関 関 数 を フ ー リエ 変 換 し て エ ネ ル ギ ー 分 布 の 時 間 周 波 数 表 現 を 得 る(図 6.11).

図6.11 

WV分

布 に よ る ス ペ ク トル 推 定

特 殊 な 自己 相 関 関数 を フ ー リエ変 換 してエ ネル ギ ー分 布 の 時 間周 波 数 表現 を得 る

  一 方,運

動 単 位 の 分 離 の よ う に基 本 と な るMUAP波

形 を用 意 し,基 本 波 形 を

時 間 伸 縮 した 波 形 の ク ラ ス を時 間 軸 上 に シ フ ト して 観 測 信 号 に 似 た 波 形 を探 し, 基 本 波 形 の 周 波 数 構 造 の 時 間分 布 か ら時 間 周 波 数 表 現 を得 よ う とす る方 法 が 連 続 ウ ェ ー ブ レ ッ ト変 換(CWT)で

あ る(図6.12).さ

基 本 波 形 の ク ラ ス を拡 張 した もの がMatching は,よ

らに,ウ

ェ ー ブ レ ッ ト変 換 の

Pursuit(MP)法

で あ る.MP法

り生 理 的 な 意 図 を組 み 入 れ る こ との で きる展 開 とな っ て い る が,時

間周 波

数 表 現 の 推 定 に か な りの 時 間 を要 す る.こ れ らの 時 間 周 波 数 表 現 の 比 較 は図5.2 を参 照 の こ と.

図6.12 

CWTに

よ る ス ペ ク トル 推 定

MUAPの

よ うな基 本 波 形 を使 って 時 間周 波 数 表現 を得 る. MP法

で は さ らに多 彩 な 波

形 を用 意 す る

6.4  新 た な 応 用   最 近,Rehabilitation

EngineeringやNeuroengineeringの

新 た な流 れ に よ っ て,筋

の 動 き を神 経 筋 制 御 系 の 情 報 源 と し て利 用 しよ う とす る

動 きが 出 て き た.も れ て き た の で,そ

用 語 で 代 表 され る

と も と,筋 電 図 は電 動 義 手 の コ ン トロー ル信 号 と して利 用 さ

れ ほ ど驚 くこ とで は な い が,み

ず か らの 動 作 を伝 え る直 接 的 な

表 現 方 法 と して 注 目 さ れ て きて い る.身 体 の 動 き を変 換 す る とは,そ れ ほ どむ ず か しい 話 で は な く,ピ ア ノ演 奏 で は 指 の動 作 で ピア ノ の鍵 盤 を通 じて 脳 で 描 い た 音 楽 の イ メ ー ジ を実 際 の 演 奏 へ と変 換 して い る.ま た,自

転 車 の ギ アチ ェ ン ジで

は筋 張力 の感 じ方 に応 じて ギ ア を手 で 変 化 させ る.つ ボ タ ンが 存 在 して い る.こ れ に対 して,レ 令 を筋 電 図 で と ら え る こ とで,直

ま り動 作 を伝 え る レバ ー や

バ ー や ボ タ ン を介 せ ず に,脳 か らの 司

接,身 振 りか ら音 楽 を演 奏 した り,ギ ア を 変 え

た り しよ う とす る試 み が 進 ん で い る.

1  動作情報を使 う   表 面 筋 電 図 に よる 動 作 識 別 は,1970年

代 か ら見 受 け られ る.動 作 識 別 は,線

形 処 理 の 範 囲 で さ ま ざ ま な 方 法 が 義 手 制 御 の研 究 を 中 心 に 開 発 さ れ た.1990年 頃 に な る と,ANNを

利 用 した 運 動 制 御 機 構 の 非 線 形 シ ス テ ム の研 究 が 登 場 し,

表 面 筋 電 図 か ら取 り出 した 動 作 情 報 で,さ

ま ざ ま な ロ ボ ッ トを操 作 した り,音 楽

を 演 奏 した りとい っ た こ とが 行 わ れ る よ う に な って きた.た 学 で は ロ ボ ッ ト(AIBO)の

とえ ば,東 京 工 業 大

動 きを 身 体 に つ け た 表 面 電 極 で 遠 隔 操 作 し た り,身

振 り手 振 りで 音 楽 を演 奏 した りす る 試 み を 行 っ て い る(図6.13)22,23).こ 関 節 角 度 を推 定 す る に は非 線 形 処 理 が 必 要 と な り,ANNが お,ボ

ス トンで のISEK国

こ で,

利 用 され て い る.な

際 会 議 の 際 に も腕 の 筋 活 動 で 音 楽 を演 奏 す る デ モ ンス

トレー シ ョンが 行 わ れ た.

図6.13  表 面 筋 電 図 に よる ロ ボ ッ トの遠 隔操 作

  表 面 筋 電 図 か ら取 り出 した 動 作 情 報 は,こ れ まで カ メ ラ な どで 関 節 部 位 につ け た標 点 の動 き と して光 学 的 に 計 測 され て い た 身 体 の 動 きの 情 報 で あ る.カ

メラか

ら得 る情 報 が外 見 の情 報 とす る な らば,表 面 筋 電 図 か ら得 られ る 情 報 は 力 の 情 報

で あ り,さ ら に,内 部,す

な わ ち脳 か らの 指 令 で あ る.そ の 意 味 で,表

に よっ て光 学 式 に よ らな い 方 法 で 脳 か らの 指 令 を取 り出 し,何

面筋電 図

らか の対 象 を 身体

の動 きで 操 作 で きる 方 法 と して 注 目 さ れ る.

2

 無発声音声認識

  表 面 筋 電 図 を 音 声 認 識 に 応 用 す る 研 究 は,1980年

代 か ら行 わ れ て きて い る.

主 に発 話 障 害 者 向 け に 行 わ れ て きた が,最 近 に な っ て 幅 広 い 応 用 を視 野 に入 れ た 研 究 が な さ れ て き て い る.こ れ ま で に,い

くつ か の 研 究 機 関 が こ の 方 法 を発 表 し

て い る が,基 本 的 に は 筋 電 図 か ら得 られ る情 報 を音 声 に 対 応 づ け る た め に,こ で もANNに 音 声 認 識(無

よ る 非 線 形 処 理 が 使 わ れ る. NTT DoCoMoで 発 声 音 声 認 識)を

を 出す こ とな く

行 うた め に,指 輪 型 表 面 電 極 を使 い,顔

の 筋 へ 指 を あ て る こ と で(図6.14)計 の 発 話 動 作 を90%以

は,声

こ

面 の3つ

測 した 表 面 筋 電 図 を 用 い て,日 本 語5母 音

上 の 精 度 で 認 識 で きる と報 告 し て い る24,25).し か し,認 識

精 度 も,通 常 の 音声 認 識 が 達 成 して い る レベ ル に は ま だ到 達 して い な い.

(b)

(a) 図6.14  表 面筋 電 図 に よ る無声 音 声 認 識

  表 面 筋 電 図 を用 い た音 声 認 識 技 術 は発 話 障 害 者 向 け の コ ミュ ニ ケ ー シ ョ ン ツー ル だ け で な く,雑 音 環 境 下 で の 音 声 認 識 率 の 向 上 に も役 立 つ .た

とえ ば,音 声 信

号 と筋 電 位 信 号 を 用 い る こ と に よ り,雑 音 環境 下 に お け る 認 識 精 度 の劣 化 を大 幅 に抑 え られ る こ とが 報 告 さ れ て い る.さ

らに,発 話 内 容 の 秘 匿 性 を高 め る こ と な

どへ の 期 待 が あ る.

3  さまざまな時間スケールから運動を探る   マ ル チ チ ャ ンネ ル計 測 で,表

面 筋 電 位 を含 め た さ ま ざ ま な生 体 信 号 の 計 測 が 可

能 に な る と,運 動 を多 角 的 に探 る こ とが で き る よ う に な る.こ に は,バ

れ ま で 運 動 を探 る

イ オ メ カ ニ ク ス 的 に 関 節 を中 心 と した 動 きや トル ク に よ る動 作 の 表 現,

表 面 筋 電 図 に よ る脳 か らの神 経 筋 制 御 系 の 時 間 情 報 や 周 波 数 情 報,そ 神 経 系,循

環 器 系,エ

して,自 律

ネ ル ギ ー 代 謝 な どの 情 報 が 対 象 と な っ て い た.し

れ らは 別 々 の 計 測 や解 析 が 行 わ れ,統

か し,こ

合 した解 析 は 十 分 で は な か っ た.そ の 理 由

の1つ が 時 間 ス ケ ー ル の 違 い とマ ル チ 計 測 が 十 分 で な か っ た こ と に よ る.   長 時 間 の マ ル チ チ ャ ンネ ル計 測 が 可 能 と な る と,運 動 機 能 の変 化 を解 釈 す る た め の 手 段 と して 筋 電 図 だ け で は な く,心 電 図,関 総 合 的 な 判 断が で き る よ う に な る.こ

節 角,加

速 度 な どの 情 報 に よ る

れ ら を総 合 的 に取 り扱 う に は,さ

まざ まな

時 間 ス ケ ー ル を設 定 して,階 層 的 に 解 析 す る 必 要 が あ る(図6.15).第1に

表面

筋 電 位 の 数100msオ な どで あ る.一 あ る.た

ー ダ ー の 変 化 と対 比 で き る の は,関

方,エ

ネ ル ギ ー 代 謝 の 場 合,数10sに

と え ば,60rpmの

続 時 間 は 約500msで く と も数10msの

節 角,ト

ル ク,加 速 度

わ た る 変 化 を調 べ る 必 要 が

サ イ ク リ ン グ の 場 合,1つ

の ス トロ ー クで 筋 活 動 の持

あ り,こ の 間 の ダ イ ナ ミ ッ ク な 神 経 筋 活 動 を探 る に は 少 な

時 間変 化 を識 別 で きな け れ ば な らな い.一

方,筋

る場 合,エ

ネ ル ギ ー 代 謝 が 変 化 す る時 間 ス ケ ー ル を考 慮 して,表

数100ms∼

数10sの

疲労 を評価す

面筋電 図か らも

区 間 内 で 数 秒 ご と の 変 化 で 十 分 意 味 の あ る 評 価 指 標 を 使 う必

要 が あ る.   表 面 筋 電 図 は,神 経 筋 系 の 制 御 情 報 とMUAPに

影 響 を与 え る エ ネ ル ギ ー代 謝

の 情 報 で あ るた め,運 動 を統 合 的 に解 釈 す る に は 十 分 で は な い .今 後,計

測 や処

図6.15  運動 に関 与す る要 因 脳 か らの 運 動指 令 は筋へ 向 か い,表 面筋 電 図 と して計 測 さ れ る.運 動 の 維 持 に は循 環 器 系 を制 御 す る 自律 神 経系 が 関与 す る.神 経 筋活 動 と 自律 神 経 活動 とで は時 間 ス ケー ル が1000倍 も違 う.さ らに,運 動 の動 機 づ け が その外 側 にあ る

理 シ ス テ ムの 高性 能 化 に よ っ て,さ

ら に心 電 図 か ら得 られ る 自律 神 経 情 報 や エ ネ

ル ギ ー 代 謝 そ の もの との 統 合 的 な 解 析 が 容 易 に で き る 時 代 に 入 ろ う と し て い る. そ こ で 求 め られ る こ と は,基 本 的 な計 測 と解 析 法 の導 入 は も ち ろ ん の こ と,神 経 科 学 や運 動 生 理 を考 慮 した 解 釈 が 可 能 な 計 測 と解 析 法 の 開 発 で あ る.

参 考文献 1)  ISEK(http://www.isek‐online.org) 2)  SENIAMプ 3) Hermens

ロ ジ ェ ク ト(http://www.seniam.org/) HJ,Freriks

C,Hagg

SENLAM

B,Merletti

G:European

R,Stegenman

Recommendations

8,Roessingh Research and Development

D,Blok

J,Rau

for Surface

b.v.(1999)

G, DisselhorstKlug

ElectroMyoGraphy,

4)  NEWプ

ロ ジ ェ ク ト(http://www.lisin.polito.it)

5)  Special

section:Neuromuscular

Comput,42,429‐508

assessment

in the

elderly

worker,Med

Biol

Eng

(2004)

6)  ボ ス ト ン 大 学 神 経 筋 研 究 セ ン タ ー(http://nmrc.bu.edu/) 7)  Nawab

SH,Wotiz R,Hochstein

multi‐channel

TX,October 8)  Nawab

signals,Proc

R,De

a knowledge‐based

9)  De

EMBS,San

Luca

Int

Conf

Luca

system

for

P,Roy

functional

Austria,June

CJ:Improved

decomposition

IEEE

of

EMBS,36‐37,Houston,

EMG

resolution

SH,Moore

motor

of pulse

decomposition,Proc

Francisco,CA,September

CJ,Bonato

identifying

superpositions

26th

Ann

Int

in

Conf

(2004) J,Vadnais

activities,Proc 

A:EMG‐based XIVth

Congress

approach

to

ISEK,Vienna,

(2002)

10)  Oddsson LI,De Luca

presence

CJ:Next‐generation

Ann

(2002)

SH,Wotiz

IEEE

L,De Luca

EMG

CJ:Activation

of chronic

low

back

imbalances

pain,J  Appl

in

lumbar

spine

muscles

in

the

Physiol94,1410‐1420(2003)

11)  人 間 生 活 工 学 研 究 セ ン タ ー(http:www.//hql.or.jp/gpd/jpn/www/) 12)  Pozzo

M,Bottin

A,Ferrabone

acquisition

system

electrode

arrays,Med

13)  Masuda

T,Sadoyama

motor

units measured

for

R,Merletti

long‐term

Biol Eng

surface

channel

electromyogram

wearable

recording

with

Comput,42,455‐466(2004)

T:Topographical

with

R:Sixty‐four

map

a grid surface

of

innervation

electrode,IEEE

zones

within

Trans

Biomed

single

Eng,

BME‐35,623‐628(1988) 14)  Helmholtz‐Institute

Aachen,Biophysical

Measurement

Techniques

(http://www.ame.hia.rwth‐aachen.de/research/bpmt/indexE.html) 15)  Delsys

Inc.(http://www.delsys.com)

16)  DemItalia 17)  Ware

s.r.l.(http://www.demitalia.com/demitalia/index.htm)

it well,Ed.Bonato

18)  Noraxon

P,IEEE

19)  MATLAB(Mathworks 20)  Mathematica

Med

Biol

Mag,22,18‐132(2003)

Inc.:http://www.mathworks.com/) (Wolfram

21)  LabVIEW(National

Research Instruments 

22)  辛 徳,嶋 田 修,佐 藤 誠,小 池 康 晴:筋 の 推 定,電

Eng

Inc.(http://www.noraxon.com/)

Inc.:http://www.wolfram.com/) Corporation:http://www.ni.com/)

肉 骨 格 系 の 数 式 モ デ ル に よ る腕 の ス テ ィ フ ネス

子 情 報 通 信 学 会 論 文 誌,J87‐D‐(9),1860‐1869(2004)

23) 小 池康 晴,広 瀬秀 顕,飯 島敏夫:筋 電 信号 を用 い た腕 の運動 制御,日 本神 経 回路 学

会誌

10(1),2‐10(2003)

24)  Manabe Mime

H,Hiraiwa Speech

25)  Manabe 26th

A,Sugimura

Recognition,CHI2003,794‐795

H:Evaluations Ann

T:Unvoiced

Int Conf

of the IEEE

ring

speech

recognition

using

EMG:

(2003) shaped

EMBS:2188‐2191(2004)

EMG

measurement

system,Proc

第7章 

役立 つ情 報

 筋 電 図 を利 用 した り,筋 電 図 の 研 究 をす る た め に有 用 と思 わ れ る情 報 を本 章 に ま とめ た.ま ず,本

書 を執 筆 す る動 機 の1つ で あ っ たISEKの

を転 載 して翻 訳 した.次

筋 電位計測 の標準

に,筆 者 らが 関 係 して 明 らか に した 神 経 支 配 帯 の 分 布 図

を掲 載 し た.

7.1 ISEKのEMG

Standards

  ISEKの

学 術 論 文 誌 で あ るJournal

(JEK)に

は,毎

of Electromyography

面 筋 電 図 関 係 の 論 文 が 掲 載 さ れ る 主 要 な 学 術 雑 誌 の1

つ で あ り,他 の 雑 誌 へ 投 稿 す る場 合 も含 め て,こ して 論 文 を作 成 す る 必 要 が あ る.ま

  EMG

Standardsを

Standardsに

のEMG

Standardsを

よ く理 解

た,論 文 作 成 な ど研 究 を 目的 と しな い 場 合 で

参 考 に して 計 測 を 行 う こ とが 重 要 で あ る.

記 載 して あ る 事 項 は,あ

波 数 帯 域 な ど,特 別 な理 由 が あ れ ばEMG い.し

Kinesiology

号 の 巻 末 に 筋 電 位 の 計 測 結 果 を報 告 す る う え で 考 慮 す べ き点 が

ま と め て あ る.JEKは,表

も,こ のEMG

and

か し,そ の 場 合 で も,EMG

く まで 標 準 的 な もの で あ っ て,周

Standardsと

Standardsを

異 な って い て も問 題 は な

押 さ え た う え で,改

善や修正 を

行 うべ きで あ ろ う.   EMG

Standardsの

含 ま れ て い て,医

な か に は,フ

ィ ル タの 種 類 や 窓 関 数 な ど,工 学 的 な 内 容 も

学 や 体 育 ・ス ポ ー ツ科 学,人

間工 学 な どの 分 野 の 方 に は馴 染 み

の な い 項 目が あ る と考 え られ る.こ れ らの 点 は,本 書 の な か で解 説 し た の で,参 照 して い た だ きた い.

International

Society

Standards

of Electrophysiology

for Reporting

EMG

and

Kinesiology

Data

Electrodes:

Reports on surface recording of EMG ‐ electrode

material(e.g.,Ag/AgCl)

‐ electrode

geometry(discs,bars,rectangular)

‐ size(e.g.,diameter,radius,width × ‐

use

of

gel

or

should include:

length)

paste,alcohol

applied

to

cleanse

skin,skin

abrasion

,shaving

of

hair,etc. ‐interelectrode ‐ electrode

distance location,orientation

point

Intramuscular ‐

wire

wire

‐insulation ‐length

to

tendons

,motor

should

be described

by:

steel)

tip needle)

of insertion or bipolar

‐location

of insertion

‐interelectrode

Needle

respect

material

‐if single

‐ type

electrodes

of insertion(e.g.,hypodermic

‐ depth

with

multi‐strand

of exposed

method

muscle

fibers direction.

materials(e.g,,stainless

‐if single‐or

‐

and

over

in the

muscle

distance

of ground

electrode

electrodes

material,size

wire

and

used,location.

their

of conductive

application contact

points

should

be

described

at the tip ,depth

and

include

of insertion

and

accurate

location

in the muscle.

Amplification:

Amplifiers should be described by the following: ‐if single,differential,double ‐input ‐

impedance

Common

Mode

Rejection

‐signal‐to‐noise ‐ actual

gain

Filtering ‐low

Since

Ratio(CMRR)

ratio

range

used.

of the raw

and/or

‐ filter ‐low

differential,etc.

high

EMG pass

should

be specified

by:

filters

types(e.g.,Butterworth,Chebyshev,etc.) and/or

the

pass

power

frequency in

of

which

350Hz

as

as

at

EMG

band

of the

should

be

be

made

EMG

contains

most

extremes,the filtered

of

above

10Hz

kept

in

only

in

power mind

as

or

50‐350Hz,for

above

150Hz

when

rare

will a low

that

accept

cut‐off,and for

surface

example,is and

designing

cases

in the

not

is preferred

10‐150Hz

signal's

of its power

journal

cut‐off;e.g.,10‐350Hz

the

portions

the

was

high in

will

of the

5‐500Hz

the

eliminated.This Exceptions

spectra

surface

recording.Filtering acceptable

cut‐off frequencies.

density

range

reports below

high

a

below

50Hz

study's

carry

full

not are

protocol. scientific

justification.

Intramuscular high

recordings

frequency

therefore

required.

cut‐off

should to

a minimum

be

made

with

450Hz.A

the

appropriate

bandpass

filter

increase of

of the

10‐450Hz

is

Needle

recording

should

Rectification:A

carried

EMG the

note

should

Processing:There signal

with

a low

described

Absolute

pass

filter

filter used.

Also

acceptable

should

Integrated

can

if full

or

EMG

accumulated

information

the

half‐wave

period

rectification

EMG as

Density

‐type

of window

it as

which

time

or voltage

it was

reset.

for

presentation each

used

to

of the EMG

taking

Mean

and

order

Square"or

constant

allows

should

.Authors

integrated

the

presented integrator

‐ number

padding

applied

with and

segment the

Fast

Fourier

Transform(FFT)(e.g.

algorithm(e.g.,FFT)

of zero

of

include:

Hamming,Hanning,Tukey,etc.) the

.

observation

be

reset

low‐

calculated

is actually

should to

of the

was

of

Mean

RMS

RMS

signal

used

a time

ms)

envelope"or"the

procedure

was

50‐250

with

type

time,and

calculation

prior

a"linear

the

smoothed. Such

to whether

used

filter

the average

reported,but

over

Spectra

epoch

a low‐pass

activity

threshold

‐time

‐taking

was

processing.Smoothing

constant(normally

time  constant

over

just

of EMG

time

of the"Root

is sometimes than

methods

describe

giving

the time

time,rather

Power

made

with

is determination

include

at what

of 10‐1,500Hz.

of a given

as"smoothing

Value",while

pass

the

be

are several

ms".Alternatively,one

over

a bandwidth

out.

is best x

have

in the

epoch

and

the

resultant

resolution

,

‐ equation

used

to

calculate

the

Median

Frequency(MDF),Mean

Frequency

(MNF),etc. ‐the

muscle

Other

length

or

processing

accompanied

Computer

processing

important

into

is advisable

sampling

of recording.

techniques,are

is encouraged

rate

(350×2),and

encouraged

if authors

a

employed

twice

smoothing

sampling drastically

the

is also

the

if

observe

these

amplification

and

to

in

least

store

the

the future.In

this

the of

the

the

50‐100Hz

computer

should

not

performed

are

minimal

cut‐off

used,the

case

of the

minimal be

700Hz

and  resolution.Sampling

will

computer,

in

case,the

was

accuracy

was

analysis

frequency

10‐350Hz

cut‐off

filter

in

highest

in

to improve

a low‐pass

of

further

signal

frequency

data

before

twice filter

higher

storing

differential

computer

bandpass

reduced.Rates the

in

highest

with

and

EMG(e.g.,after

is at

preferably

below

raw

is required

rate

sampling

be

accepted.

with

the

hardware

sampling

sufficient

to

recording

the

prior

rate

could

introduce

to be

smoothed

computer.

advisable

bandpass

filtering)in

or

could

bandpass

the

protocol

filter,e.g.,if

above

novel

EMG

stored

bandpass

into

time

Computer:

of the

that

of the

acceptable

3.It

the

filtering)be

modification

EMG

at the

factors:

bandpass

2.If

angle

by full scientific description.

EMG

rates

joint

techniques,especially

Sampling

1.It

fixed

be

that the

authors computer;in

used.Yet,to

filtering(written

consider

in

such avoid

software)in

cases

aliasing the

range

a of

raw

sampling

EMG(prior rate

of 2500Hz

high‐frequency prescribed

to

noise, above

should

be

performed

allows

prior

authors

to any

to perform

maximal flexibility.Yet,it and

may

recording be

of the with

at the expense

of bits,model,manufacturer

the computer

should

Normalization:In EMG,it

relative be

EMG

processing

signal.

This

approach

minimal

hardware

of computer

memory

and space

speed.

4.Number

the

further

is common

obtained reports

true

MVC

used

to sample

could

training.The

subjects

were

not

properly

force/torque

force/torque

from

MVC

appropriate

in which

the

the

voluntary

training,the

after

Normalizing

at maximal

obtaining

training.Without

where

to normalize

values

that

card

data

into

be given.

investigations

to the

aware

of A/D

and

with MVC

as 100%

expressed

as the appropriate

associated with 100% MVC

correlated

its respective

contraction(MVC).Authors subjects be

as

requires much

some

as

trained

EMG,

20‐40%

preliminary less

of that

not

accept

to elicit true MVC.

of force/torque,and percentage

to

should

journal,therefore,will

the force/torque with respect to its MVC

performed

was

value is commonly other force levels are

of MVC.Similarly,the

is designated as 100%.Both

EMG

force/torqueand EMG

normalization should include other relevant information such as joint angle(s) and/or muscle length(s)in isometric contractions,and range of joint angle, muscle length,velocity of shortening/elongation,and

load applied for non

isometric contractions.

Normalization of data collectedfrom one experimental condition with respect to other contractileconditions can be performed for comparative purposes and will be accepted by the journal only if full descriptionis given.

In

sum,the

‐ how

following

subjects

‐ joint

were

angle

‐ angles

of rise

‐ velocity

provided

when

normalizing

data:

MVC

shoulder

joints

studies

on

should

be

elbow flexion,the

position

of the

provided

of force

in

muscle

applied

EMG

obtain

joint,e.g.,for

and

ofjoint

‐load

to

be

of shortening/elongation

‐ changes ‐ ranges

should

muscle

of adjoining

‐ rate

length

angle/muscle

length

in non‐isometric

in non‐isometric

contraction

contractions.

Crosstalk:

Authors

should EMG

the

interelectrode carefully

demonstrate

crosstalk

contaminate

that

from

recorded

tightly

s uperfcial/thin Fuglevand

and

employed

when as

al.1)

should

recording

it is known

that

of

when

gathered

effort the

Selecting

location

was

muscle

the

recordings

working

on

trapezius).The be

consulted

surface

EMG

adipose

tissue

from

areas

enhances

of

over

the

area

where

did

muscle

not size,

should

many

be

narrow

working

with

et al.3)and also

subcutaneous

crosstalk2).

determine

electrode

of Winter

exist.Care with

to

interest

when work

if doubts

made

appropriate

(e.g.,forearm),or 

muscles(e.g., et

near

signal.

distance

are

significant

muscles

planned,especially

muscle

tissue

trained

and/or

wrist

that

information

should adipose

be

筋電図データを報告するための標準 電 極:

表面筋 電図 の報 告 には以下の点 を記す こ と: 電 極 素 材(例,銀

／塩 化 銀)

電極 形 状(円 型,棒 型,四 大 き さ(例,直

径,半

角 型)

径,幅

電 極 ペ ー ス トの 使 用,皮

×長 さ)

膚 清 浄 用 ア ル コー ル,角

質 除 去,体

毛除去 など

電極 間隔 腱,運

動 点,筋 線 維 走 行 に対 す る 電極 の 位 置 お よび 方 向

筋 内 ワ イヤ ー 電 極 に 関 して は以 下 の点 を 記 す こ と: ワ イ ヤ ー 素 材(例,ス

テ ン レス)

単 一 撚 りあ るい は多 重 撚 り

絶縁素材 先端露 出部の長 さ 挿 入 方 法(例,皮

下 注 射 針)

挿入深 さ 単 極,双 極 の 別

筋への 挿入位置 電極 間距離 不 関電 極 の 種 類,位

置

  針 電 極 とそ の適 用 に つ い て は,材 質,先 端 接 触 部 の 大 き さ,挿 入 深 さ,筋 内 の 正 確 な位 置 に つ い て記 載 す る こ と.

増幅: 増 幅 器 につ い て は 以 下 の 点 を記 す こ と: 単極,差

動,二

重 差 動 な どの 別

入 力 イ ン ピ ー ダ ンス

同 相 除去 比(CMRR)

信 号雑音 比 増幅率 の範 囲

原 波 形 の フ ィ ル タ処 理 に つ い て は 以 下 の 点 を記 す こ と: 低 域,高

域 通 過 フ ィル タ

フ ィ ル タ の 種 類(例,バ

タ ー ワ ー ス,チ

ェ ビ シ ェ フ な ど)

低 域,高 域遮 断周 波数

  筋 電 位 信 号 の パ ワ ー ス ペ ク トル密 度 は,両 端 が5∼500Hzの ほ とん ど のパ ワー を 有 す る の で,低 域 遮 断 周 波 数 が10Hz以 が350Hz以

周 波数範 囲にその 上 や,高 域 遮 断周 波 数

下 の 報 告 は 受 理 しな い.表 面 筋 電 位 につ い て は,た とえ ば10∼350Hz

の 範 囲 が 望 ま しい.た

と え ば,10∼150Hzや50∼350Hzと

フ ィル タ は信 号 に含 ま れ る150Hz以

上 や50Hz以

い った 周 波 数 範 囲 の

下 の成 分 が 除去 され て い る の で

受 け 入 れ られ な い.実 験 計 画 を 策 定 す る場 合 に は,以 上 の 点 を念 頭 に置 くべ きで あ る.こ の 対 象 外 と な る の は科 学 的 な 正 当 化 が な され た まれ な場 合 の み で あ る.

  筋 内 記 録 を行 う場 合 に は 高 域 遮 断 周 波 数 は最 低 で も450Hzに な い.し た が っ て,帯 域 通 過 フ ィル タ と して は10∼450Hzが

 針 電 極 に よ る 記 録 で は10∼1500Hzの

上げ なければ な ら 要 求 され る.

周 波 数 帯 域 を含 むべ きで あ る.

整流化: 整 流 化 を行 う場 合 に は,全 波 整 流 か 半 波 整 流 か を記 す こ と.

筋電 図の処理:   筋 電 図 の 処 理 に は い くつ か の 方 法 が あ る.一 定 の 時 定 数(50∼250ms)の

低域

通 過 フ ィル タ で信 号 を 平 滑 化 す る こ と は,「 時 定 数x〔ms〕 の 低 域 通 過 フ ィル タ で 平 滑 化 した」と記 述 す る の が よ い.別 な 言 い 方 と して,低 域 通 過 フィル タの 時 定 数 の タ イ プ や 次 数 を記 し た う え で,「 線 形 包 絡 線 検 出 」あ る い は 「平 均 絶 対 値 」と記 述 す る こ と もあ る.

 他 に可 能 な量 的 表 現 と して,RMSが

あ る.こ

れ につ い て も平 均RMSを

計算

し た際 の 時 間 範 囲 を記 す 必 要 が あ る.

  積 分 筋 電 図が 時 々 報 告 され る.こ

の場 合 に は,信 号 は一 定 の 時 間 範 囲 に わ た っ

て(フ ィル タ され た の で は な く)積 分 され た もの で あ る.つ

ま り,あ る時 間 範 囲 に

わ た っ て 累 積 した筋 活 動 を 観 察 す る もの で あ り,積 分 器 を リセ ッ トす る際 に 時 間 を 基 準 と した の か,電 圧 を 基 準 と し た の か,さ

らに は リ セ ッ トの 閾値 につ い て の

情 報 を示 さ な け れ ば な ら ない.

 パ ワー 密 度 ス ペ ク トル に つ い て は 以 下 の 点 を記 す こ と: ス ペ ク トル計 算 に用 い た 時 間範 囲 高 速 フ ー リエ 変 換(FFT)を ニ ン グ,チ

行 う前 に用 い た 窓 関 数 の種 類(例,ハ

ミ ング,ハ

ュ ー キ ー な ど)

ア ル ゴ リ ズ ム(例,FFT)

ゼ ロ詰 め の長 さ と そ の 結 果 と して の 分 解 能 中 央 周 波 数(MDF),平

均 周 波 数(MNF)な

どを計 算 した 際 の 数 式

計 測 時 の 筋 の 長 さ あ る い は 関節 の 固 定 角   他 の 処 理 手 法,特 で の み推 奨 され る.

に新 規 な 手 法 につ い て は,十 分 に科 学 的 な記 載 を行 っ た うえ

筋 電 図 の コ ン ピ ュ ー タ へ の 取 り込 み:  筋 電 図 の コ ン ピ ュ ー タ処 理 に お い て は,以 下 の 重 要 な点 を考 慮 す べ きで あ る.

1. 将 来 的 に 実 験 手 順 が 修 正 さ れ る可 能性 が あ る 場 合 に は,信 号 処 理 を進 め る前 に(た と え ば,増

幅 な らび に帯 域 通 過 フ ィル タ後 の),原

存 す る こ と を推 奨 す る.こ

の場 合 に は,サ

過 フ ィ ル タ の 最 高 周 波 数 の2倍 して10∼350Hzを

ン グ周 波 数 は700Hz(350×2)に

ン プ リ ン グ周 波 数 は,最 低 で も帯 域 通

とす べ き で あ る.た

用 い た 場 合 に は,コ

波 形 を コ ン ピ ュ ー タ に保

と え ば,帯 域 通 過 フ ィル タ と

ン ピ ュ ー タへ 取 り込 む 際 の 最 低 サ ン プ リ

な る.さ

らに 精 度 と解 像 度 を改 善 す る に は,こ

れ 以 上 の 周 波 数 とす る こ とが 望 ま しい.最 高 遮 断周 波 数 の2倍 以 下 の サ ンプ リ ン グ周 波 数 を 用 い る こ と は,受 け 入 れ られ な い.

2.  コ ン ピ ュ ー タ に デ ー タ を 取 り込 む 前 に ハ ー ド ウ ェ ア の 低 域 通 過 フ ィ ル タ に よ

る平 滑 化 を 行 っ た場 合 に は,サ ンプ リ ン グ周 波 数 を 大 幅 に低 減 す る こ とが で き る. 平 滑 化 され た筋 電 図 を コ ン ピ ュ ー タに取 り込 む に は50∼100Hzで

十分 で あ る.

3. ま た,(帯 域 通 過 フ ィル タ を か け る 前 に)原 波 形 を コ ン ピ ュ ー タ に記 録 す る こ と も推 奨 さ れ る.こ しか し なが ら,さ

の 場合 に は,2500Hz以

上 の サ ン プ リ ン グ 周 波 数 を用 い る.

ら に信 号 処 理 を進 め る 前 に,高 周 波 数 ノ イ ズ の エ イ リ ア ス を避

け る た め に,上 記 の周 波 数 範 囲 につ い て(ソ フ トウ ェ ア で 記 述 した)帯 域 通 過 フ ィ ル タ をか け る必 要 が あ る.こ

の 方 法 を用 い れ ば,最 小 限 の ハ ー ドウ ェ ア と最 大 限

の 柔 軟 性 で 筋 電 位 の 記 録 を行 う こ と が で き る.し か しな が ら,コ ン ピ ュ ー タ の メ モ リー 空 間 と処 理 速 度 が 必 要 に な る.

4.  コ ン ピ ュ ー タ へ の 取 り 込 み に 使 用 し たAD変

製 造 者 も記 す こ と.

換 カ ー ド の ビ ッ ト数,モ

デ ル,

正規化:   力 ／ トル ク と筋 電 位 を 関 係 づ け る研 究 に お い て は,最 大 随 意 収 縮(MVC)時 を基 準 と して,力

の値

／ トル ク とそ れ に 対 応 す る筋 電 図 を正 規 化 す る こ とが 普 通 で あ

る.被 験 者 に本 来 の最 大 随 意 収 縮 を行 わ せ る に は 予 備 的 な練 習 が 必 要 で あ る こ と に 注 意 す べ きで あ る.練 習 な し で は,適 切 な練 習 後 に比 較 して20∼40%低

い収

縮 力 しか 得 られ な い 場 合 もあ る.本 雑 誌 で は,被 験 者 が 本 来 の 最 大 随 意 収 縮 力 を 発 揮 す る よ う に訓 練 さ れ な か っ た報 告 は 受 けつ け ない.

  最 大 随 意 収 縮 力 を基 準 に して 力 ／トル ク を 正 規 化 す る 場 合 に は,最 力 を100%と

大随 意収縮

して 用 い るの が 通 常 で あ り,発 揮 され た 力 の レベ ル は ％MVCで

示 され る.同 様 に,筋

電 位 に つ い て も100%MVC時

の 筋 電 位 を100%と

表

し て示

す.力 ／ トル ク に して も筋 電 位 に して も,等 尺 性 収 縮 の 場 合 に は 関 節 角 度 や 筋 長, 非 等 尺 性 収 縮 の 場 合 に は 関 節 角 度 や 筋 長 の 範 囲,短 縮 伸 張 速 度,負

荷 荷 重 な どの

関 連 情 報 を記 す べ きで あ る.比 較 の た め に,あ る 実 験 条 件 で 得 られ た デ ー タ を別 の 収 縮 条 件 に 関 して 正 規 化 す る こ と は可 能 で あ る が,そ

の場合 には詳細 を記載す

る必 要 が あ る.

 ま とめ る と,デ ー タを正 規 化 す る場 合 に は以 下 の 情 報 を 記 す べ きで あ る: 最 大 随 意 収縮 力 を得 る た め に被 験 者 を どの よ う に訓 練 した か 関 節 角 度,筋

長

隣 接 す る 関 節 の 角 度 な ど,た

とえ ば,肘 の 屈 曲 を研 究 す る 場 合 に は 手 首 や

肩 関 節 の 状 態 も記 す べ きで あ る

力 の上昇率 短縮伸 張速度 筋 長の変化 非等尺 性収縮 の場合 の関節角 度や筋長 の範囲 非等尺性 収縮 の場合 の負荷 荷重

ク ロ ス トー ク(混 信):

  記 録 され た 信 号 が 対 象 筋 の 近 傍 の 筋 か らの ク ロ ス トー ク で 汚 染 さ れ て い な い こ と を確 認 す る た め に 努 力 を払 っ た こ と を示 す べ きで あ る.適 切 な電 極 サ イ ズ,電 極 間 距 離,筋

上 の 計 測 位 置 の 選 択 につ い て 注 意 深 く検 討 す る 必 要 が あ る.特 に 小

さ な筋 が 密 集 して い る場 所(例,前

腕)や,表 層 の 薄 い筋(例,僧

帽 筋)に つ い て は

注 意 が 必 要 で あ る.疑 念 が あ る場 合 に はWinterら3)やFuglevandら1)の

仕事を

参 照 す る.皮 下 脂 肪 組 織 の 多 い領 域 か ら表 面 筋 電位 を導 出 す る 場 合 に も注 意 が 必 要 で あ る2).

7.2  神経支配帯 の実際の位置   筋 電 図 の 本 の なか に は,電 極 位 置 を写 真 や 図 で 示 した もの も多 い.こ れ らで は, これ まで の 表 面 筋 電 図 計 測 の 常 識 に基 づ い て筋 腹 に電 極 を 配 置 す る よ う に 指 示 さ れ て い る.し か し なが ら,本 書 で 強 調 して い る よ う に,筋 腹 に は神 経 支 配 帯 が 位 置 して い る場 合 が あ り,神 経 支 配 帯 を 挟 ん で双 極 電 極 を 配 置 す る と,振 幅 や 周 波 数 成 分 に 歪 み を も た らす 可 能 性 が あ る.   そ こで,こ

れ まで 筆 者 らが 関係 して 発 表 して きた,四 肢4)な ら び に 体 幹5)の 筋

の 神 経 支 配 帯 の 分 布 図 を 掲 載 した.こ

れ らの 図 は,本 書 で も解 説 し た よ う に,多

点 表 面 電 極 で筋 電 位 を 導 出 し,筋 線 維 に沿 っ て伝 播 す る筋 電 位 信 号 の 起 始 点 か ら 神 経 支 配 帯 位 置 を推 定 して 描 い た もの で あ る.   通 常 の 表 面 筋 電 図 計 測 で は,筋 腹 に 電 極 を 配 置 す る とい う原 則 に 従 っ て 問 題 は な い が,関 節 角 度 が 変 化 す る場 合 や,ス ペ ク トル 解 析 を行 う場 合 な ど で,計 測 結 果 に 予 期 しな い 変 化 が 現 れ た場 合 に は,こ

こ に 掲 載 した神 経 支 配 帯 の分 布 図 を参

照 して,電 極 配 置 に 問 題 が な い か を検 討 して い た だ きた い.

図7.1  三 角筋 の 神 経 支 配帯4)

図7.2  上 腕 二頭 筋 の神 経 支 配 帯4)

図7.3  上 腕 三 頭 筋 の神 経 支 配帯4)

図7.4  前 腕屈 筋 群 の 神経 支 配 帯4)

図7.5  尺 側 手根 屈 筋 の神 経 支 配帯4)

図7.6  腕橈 骨 筋 の 神経 支 配 帯4)

図7.7  前 腕伸 筋 群 の 神経 支 配 帯4)

(a)

 (b)

図7.8  手の 筋(母 指球 筋,小 指 球 筋,第 一 背側 骨 間筋)の神 経 支 配 帯4)

図7.9  外 側広 筋,大 腿 直筋,内 側 広 筋 の神 経 支 配帯4)

図7.10  縫 工筋 の神 経支 配 帯4)

図7.11  大 腿 筋 膜 張筋 の 神 経支 配 帯4)

図7.12  半腱 様 筋,大 腿 二 頭 筋 の神 経 支 配 帯4)

(a)

  (b) 図7.13 

前 脛 骨 筋,ヒ

ラ メ 筋(SOL),長

腓 骨 筋(PL),短

腓 骨 筋(PB)の

神 経 支 配 帯4)

図7.14  ヒラメ筋,腓 腹 筋 内側 の 神 経 支 配帯4)

図7.15  腓 腹 筋 の 神 経 支配 帯4)

(a)

(b)

(c) 図7.16 

足 の 筋 の 神 経 支 配 帯4)

図7.17  僧 帽筋 の 神 経支 配 帯5)

図7.18  広 背 筋 の神 経 支 配 帯5)

参考文献 1)  Fuglevand

AJ,Winter

action

potentials

DA,Patala with

spacing,Biological 2)  Solomonow

and

surface

D:Detection

electrodes−influence

of

of

electrode

motor

units' size

and

Cybernetics,67,143‐153(1992) M,Baratta

wire

AE,Stashuk

R,Bernardi

EMG,crosstalk

M,Zhou

in neighbouring

B,Lu

Y,Zhu

muscles,J

M,Acierno

Electromyography

S:Surface

Kinesiol,

4,131‐142(1994) 3)  Winter

DA,Fuglevand

theoretical

and

AJ,Archer practical

SE:Crosstalk

estimates,J

in

surface

Electromyography

electromyography: Kinesiol,4,15‐26

(1994) 4)  Saitou

the EMG,

K,Masuda

upper

and

J Human

T,Michikami

lower

limb

D,Kojima

muscles

R,Okada

estimated

by

M:Innervation

using

multichannel

zones

of

surface

Ergol,29,35‐52(2000)

5) 白石恵,岡 田守 彦,増 田正,佐 渡 山亜 兵:筋 電 位多 点計 測 に よる体幹 背 部 の神 経支 配 帯 の 分 布,バ

イ オ メ カ ニ ズ ム,17,193‐203(1992)

参考文献

  筋 電 位 の 計 測 と信 号 処 理 に 関 す る 参 考 資料 を以 下 に 挙 げ る.一 般 的 に,筋 電 図 と題 した 本 に は,内 容 の 大 部 分 が針 筋 電 図 を中 心 と した 医学 的 な もの が 多 い.そ の よ う な場 合,一

部 で 表 面 筋 電 図 につ い て 記 載 さ れ て い る こ とが あ るが,ペ

ージ

数 が 少 な く,掘 り下 げ た 記 述 や 実 際 に知 りた い ノ ウハ ウ まで は触 れ られ て い な い. た だ し,筋 電 位 の 発 生 機 序 な どは,針 筋 電 図 も表 面 筋 電 図 も変 わ ら な い の で 参 考 に な る.   一 方,医

用 計 測 や 体 育 ・ス ポ ー ツ,人 間 工 学 関 係 の 本 で は,心 電 図 や脳 波 な ど

の 電 気 生 理 学 的 計 測 の 一 部 と して 筋 電 図 が 取 り上 げ られ て い る こ とが 多 い.た

だ

し,電 気 生 理 学 的 計 測 も,そ の他 の 計 測 法 の な か の1つ にす ぎ ない の で,筋 電 図, 特 に 表 面 筋 電 図 に 関 す る 記 述 は,か

ぎ られ た もの に な る.

  周 波 数 分 析 な どの 信 号 処 理 に 関 して は,一 般 的 な 時 系 列 信 号 処 理 の本 が あ るが, 筋 電 位 を対 象 と した も の は ほ と ん どな い.し 周 波 数 帯 域,計

た が っ て,サ

ン プ リ ング 周 波 数 や,

測 時 間 の 長 さ な どを,筋 電 図 の 例 に あ て は め て 各 自で 適 切 な解 釈

を加 え る 必 要 が あ る.

●表面筋 電図関係 [1]  Basmajian

JV,De

Luca CJ:Muscles

Electromyography(5th   ISEKの

Alive:Their

Revealed

by

ed.),Williams&Wilkins(1985)

創 始 者 で あ るJ.V.Basmajianと,そ

た 筋 電 図 の 名 著.表

Functions

の 弟 子 のC.J.De

面 筋 電 位 の 計 測 法 や ス ペ ク トル 解 析 を 始 め,針

運 動 単 位 発 射 パ タ ー ン の 分 離(Decomposition)な 筋 電 図 を 使 い た い 人 向 け で は な く,じ

Lucaが

執筆 し

筋電 位 に よる

ど が 解 説 さ れ て い る.す

っ く り と読 み た い 人 向 け.第5版

ぐに

以 後,新

版 が 発 行 さ れ て い な い の で,内 [2]  De

Luca

CJ,Knaflitz

容 は 少 し古 く な っ て い る.

M:Surface

Electromyography:What's

New?

,CLUT,

(1992)   表 面 筋 電 位 の モ デ ル,計 事 項 を ま とめ た もの.小 は,ISEK

1990で

[3]  Merletti

測 法,解

析 法 に つ い て1990年

冊 子 な の で 読 み や す い が,ほ

容

の ワ ー ク シ ョ ッ プ で 配 布 され た 資 料 が 基 に な っ て い る .

R,Parker

P:Electromyography:Physiology,Engineering

Applications,IEEE

Press,Series

and

on Biomedical

  ヨ ー ロ ッパ に お け る 中 心 的 な研 究 者 の 一 人 で あ る,イ のR.Merlettiら

頃 ま で に 明 らか に な っ た と ん ど 手 に 入 ら な い.内

が ま とめ た 表 面 筋 電 図 の 本.計

NonInvasive

Engineering(2004) タ リ ア ・ トリ ノ工 科 大 学

測 法 の 基 礎 か ら応 用 ま で ,多 数 の

執 筆 者 が そ れ ぞ れ の 専 門 分 野 を 担 当 して い る. [4] 内 山 靖,小

林 武,間

瀬 教 史:計

測 法 入 門 計 り 方 ・計 る 意 味,協

同医書出版社

(2001)  理 学療 法 士 ・作 業療 法 士 向 けの 計測 法 の解 説 書.表 面筋 電 図 を 中心 として,図 や写 真 を用 い概 要 的 に記 述 されて い る.機 器 の特 性,動 作 筋 電図 ,筋 電 図反 応 時 間,疲 労筋 電 図,誘 発 筋 電 図,筋 線 維 伝導 速度 な どに も言及 され てい る. [5]  Kumar

S,Mital

A:Electromyogram

in Ergonomics,Taylor&Francis(1996)

  人 間工 学 的評 価 の道 具 と して の表 面 筋 電図 を,基 礎 か ら応 用 まで を幅広 く解説 して い る.特 に上肢 や肩 の作 業負 担,筋 疲 労 や腰 痛 の評 価 は参 考 に な る.豊 富 な 参考 文献 は研 究者 に はあ りが たい. [6] 米 国 保 健 福 祉 省 ・公 衆 衛 生 局 ・疾 病 予 防 セ ン タ ー ・国 立 産 業 安 全 保 健 研 究 所(著),

瀬 尾 明彦,小 木 和 孝(監 訳),井

谷徹,城

憲 秀,武 山 秀 麿,鶴 見 邦 夫,川 上 剛

(訳):表 面筋電 図の 人 間工学応 用,財 団法 人労 働科 学研 究所 出版 部(2004)   ア メ リカ,カ ナ ダ,ス ウェ ーデ ンの筋 電 図 関係 者 に よって 執筆 され た本 を 日本 の労働 科 学研 究 者 が翻 訳 した もの で あ る.筋 電位 の波形 に関係 す る神 経 支配 帯 に つ い て の記 述 に欠 け るが,表 面 筋電 図の ため の解 剖 学 と生 理学 の 基礎 ,お よ び人 間工 学 的 な応 用 につ いて は参考 にな る.

●筋電 図関係(針筋電図 を含 む) [7] 千 野 直 一(編):臨

床 筋 電 図 ・電 気 診 断 学 入 門(第3版),医

学 書 院(1997)

  ほ とん どが針筋 電 図 に関す る記 述 で,実 例 も医学 的内容 で あ る.解 剖 図,用 語, 図書 に 関す る付 録が あ り,参 考 に なる. [8] 廣 瀬 和 彦:筋

電 図 判 読 テ キ ス ト,文 光 堂(1992)

  表 面 筋 電 図 に 関 し て は 簡 単 に 触 れ られ て い る だ け で,ほ あ る が,図

と説 明 が 対 に な っ て い て わ か りや す い.ま

とん どは 医学 的 内容 で

た,生

理 学 的基 礎 もわか り

や す く解 説 され て い る. [9] 堀 浩,他:脳

波 ・筋 電 図 用 語 辞 典,永

  日本 臨床 神 経 生理 学 会(旧:日

井 書 店(1999)

本 脳 波筋 電 図学 会)の 関係 者 が まとめ た,脳 波

と筋電 図 に 関す る用 語 の 解 説.特 に 日本語 で 論文 を まとめ る場 合 に は,標 準 的 な 用語 に合 わせ る うえで参 考 にす る とよい.

●解 剖学 [10] 栗 山 節 郎(監

修):身

体 運 動 の 機 能 解 剖,医

道 の 日本 社(1997)

  各筋 の機 能,神 経 支 配,触 診 の説 明に加 え,起 始停 止 部位 が イ ラス トで わか り や す く説 明 され て い る.ま た,ど の よ うな動作 を行 え ば対象 の筋 を収 縮 させ るこ とがで きるか,エ クサ サイ ズ方法 を例 に解 説 されて い る. [11] 河 上 敬 介,小

林 邦 彦： 骨 格 筋 の 形 と触 診 法,大

  各 筋 の 起 始,停

止,作

用,神

い て 詳 し く解 説 さ れ て い る.ま

峰 閣(1998)

経 支 配 の 説 明 に 加 え,各 た,豊

筋 の形 お よび触 診法 につ

富 な 献 体 の 解 剖 写 真 お よ び イ ラ ス トは,各

筋 の 線 維 方 向 を 理 解 す る の に 役 立 つ. [12] 足 立 和 隆(訳):よ

くわ か る 筋 の 機 能解 剖,メ

デ ィ カ ル ・サ イ エ ン ス ・イ ン タ ー ナ

シ ョ ナ ル(2000)   各 筋 の 付 着,神

経 支 配,機

能 の 説 明 に加 え,起 始 停 止 部 位 が イ ラ ス トで 示 さ れ,

そ れ を 基 に 筋 形 を 書 き込 む よ う に な っ て い る ワ ー ク ブ ッ ク.ま

た,対

象 の 筋 の働

きを 確 か め る た め の 方 法 が 簡 単 に 説 明 さ れ て い る. [13] 栢 森 良 二(訳):筋

電 図 の た め の 解 剖 ガ イ ド第3版,西

  各 筋 の 神 経 支 配,起

始,停

止,検

て も イ ラ ス トで 説 明 され て い る.針 で あ る が,表

村 書 店(1997)

査 肢 位 の 説 明 に 加 え,電

極 の 挿 入位 置 につ い

電 極 で 筋 電 位 を 導 出 す る た め の ガ イ ドブ ッ ク

面 電 極 を用 い る 場 合 に も参 考 に な る.

●生体計測全般 [14] 桜 井 靖 久(監

修):ME早

分 か りQ&A,南

山 堂(1993)

  針筋 電図,表 面 筋電 図,誘 発 電位 の 導出 法がQ&A方

式 で記 述 され てい る.導 出

法 に 関 して は針 筋 電位 が 中心 で あ るが,針 筋 電位 と表面 筋 電位 の 波 形 の比 較 に も 触 れ られて い る. [15] 加 藤象 二郎,大 久 保発 夫(編)： 初 学者 のた めの生 体機 能 の計 り方,日 本 出版 サー

ビ ス(1999)   筋 電 図 に か ぎ らず,電

気 生 理 学 的 計 測 の 基 礎 が 記 述 さ れ て い る.ま

活 動 度 を測 る 」 と して,表

面 筋 電 図,針

た,「 筋 肉 の

筋 電 図 に 関 す る解 説 が あ り,ま

さ に初 学

者 に わ か りや す い 内 容 に な っ て い る.

[16] 産 業技 術 総合 研 究所 人間福 祉 医工 学研 究 部門(編):人

間計測 ハ ン ドブ ック,朝 倉

書 店(2003)   経 済産 業 省 が主 導 した 「人 間感 覚計 測応 用 技術 」 プ ロジ ェ ク トの 関係研 究 者 が 中 心 とな って まとめ た総 合的 な解 説.こ の プ ロ ジェ ク トで は,使 い やす さな どの 主観 的 な感 覚量 を定量 化 した り客 観 的 な生 理 量 で代 替 す る こ とに よ り,感 性 を産 業 に取 り入 れ よ う と した もの.こ の本 で は,こ れ らの手 法 の基 礎 か ら研 究 成 果 ま で を,多 数 の専 門家 が執 筆 した.こ れ らの手 法 をユ ーザ ー と して使 う方 では な く, 手法 自体 を研 究対 象 にす る研 究 者向 け. [17]  深 代 千 之,平

野 裕 一,桜

井 伸 二,阿

江 通 良:ス

ポ ー ツ バ イ オ メ カ ニ ク ス,朝

倉書

店(2000)   ス ポ ー ツ 関 係 で 筋 電 図 を取 り扱 っ た 書 籍.ス 容 な の で 量 的 に は そ れ ほ ど多 くは な い が,表

ポ ー ツバ イ オ メ カニ クス中心 の 内

面 筋 電 位 の 計 測 お よ び処 理 に 関 して

コ ンパ ク トに ま と め られ た 記 述 が あ る.

[18] 臨床歩 行 分析 懇談 会(編)：  臨床 歩 行分析 入 門,医 歯 薬 出版(1989)   整 形 外 科 や リハ ビ リテ ー シ ョ ン の 臨 床 家,研 の 手 法 の1つ

究 者 を対 象 に し た 本 で,歩

と して 筋 電 図 が 取 り上 げ られ て い る.筋

行 分析

電 図 一 般 で は な く,歩 行 分

析 との 関 連 で 筋 電 図 の 使 い 方 を 知 る に は 適 して い る.

●信 号処理 [19] 佐 藤 俊 輔,木

竜 徹,吉

川 昭：   生 体 信 号 処 理 の 基 礎(ME教

科 書 シ リ ー ズ),コ

ロナ

社(2003)   日本 語 で 書 か れ た,生 [20]  Semmlow,JL:Biological

Applications(Signal

体 信 号 処 理 の 教 科 書. and

Biomedical

Image

Processing:Matlab‐Based

Processing and Communications,22),

Marcel

Dekker

Inc.(2004)  例 題 を通 じて生体 信 号 や医 用 画像 にお け る信号 処 理 の さ ま ざま な方 法 を比 較 す るこ とで,理 解 を深 める こ とが で き る.ス ペ ク トル解析 や フ ィル タ設 計 の基 礎 か ら時 間周 波 数解 析,適 応 信 号 処理,多 変量 解析,画 像変 換 や再 構 成 につ い て述べ られ て い る.CD‐ROMに

は掲 載 されて い る図 をす べ てMATLABで

再 現 で きるプ

ロ グ ラ ム が 入 っ て い る た め,容

易 に,他

の生 体信 号 や画像 に対 して も解析 を適 用

す る こ とが で き る. [21]  Northrop,RB:Signals

Press

and

Systems

Analysis

in Biomedical

Engineering,CRC

(2003)

  内 容 は,ス

ペ ク トル 解 析 の 基 礎 か ら時 間 周 波 数 解 析 ま で を含 み,信

解 析 や 生 理 学 的 シ ス テ ム の 特 徴 が 解 説 さ れ て い る.CD‐ROMこ い が 図 が 豊 富 で 理 解 しや す く,特 やMATLABに

に,LabVIEWに

号 と雑 音 の

そ添付 され て い な

よ る時 間周 波 数解 析 の ツー ル

つ い て 解 説 が あ る.

[22]  Devasahayam,SR:Signals

and

Processing

and

Publishers

(2000)

Physiological

Systems

Systems

in Biomedical

Engineering:Signal

Modeling,Kluwer

Academic/Plenum

  解 析 法 は 基 礎 か ら時 間 周 波 数 解 析 まで 網 羅 して い る 一 般 的 な も の で あ る が,生 体 信 号 の モ デ ル 化 や シ ス テ ム 論 的 な ア プ ロ ー チ が 解 説 さ れ て い る.生 の 本 で は 珍 し く,筋 他,神

経 活 動 電 位,感

あ る.基 ROMに

体 信 号処 理

収 縮 や 筋 電 位 の モ デ ル の 解 説 に2つ の 章 を さ い て い る.そ 覚 系,瞳

孔 調 整,循

環 器 系,免

の

疫系 な どのモ デ ルの 解 説が

礎 を 理 解 す る た め の 実 行 形 式(Windows OS上)の

プ ロ グ ラ ム がCD‐

入 っ て い る.

[23]  Bruce,EN:Biomedical

Signal

Processing

and

Signal

Modeling,WileyInterscience

(2000)   生 体 信 号 処 理 の 基 礎 に 加 え て,特

に,雑

音 と は 何 か,生

体 信号 の確 率過 程 と し

て の 取 り扱 い や 非 線 形 モ デ ル に つ い て 解 説 が あ る.

●関 連 ウ ェ ブペ ー ジ [24] 国際電 気生 理運動 学 会 http://www.isek‐online.org/   表 面 筋 電 図 や 動 作 解 析の 研 究 が 発 表 さ れ る 国 際 電 気 生 理 運 動 学 会(International Society

of Electrophysiological

Kinesiology:ISEK)の

サ イ ト.本

書 で も取 り上

げ た 筋 電 位 計 測 の 標 準 が 掲 載 さ れ て い る. [25]  ボ ス ト ン 大 学 神 経 筋 研 究 セ ン タ ー(NeuroMuscular

Research

Center:NMRC)

http://nmrc.bu.edu/   "Muscles

Alive"の

の 研 究 所 で,こ られ な い.針

共 著 者 で も あ るC.J.De

Luca教

授 が 率 い る研 究 所.工

学系

れ ほ ど 大 規 模 に 筋 電 図 関 係 の研 究 を して い る と こ ろ は ほ か で は み

筋 電 位 の 運 動 単 位 発 射 へ の 分 解(Decomposition)の

解 説 も あ る.

[26]  SENIAM

Project(Surface

Electromyography

for the

Non‐Invasive

Assessment

of Muscles) http://www.seniam.org/   ヨ ー ロ ッパ に お け る表 面 筋 電 図 研 究 の プ ロ ジ ェ ク トの サ イ ト.電 極 の 選 定 や 設 置 位 置 に 関 す る 推 奨 事 項 が ま と め られ て い る. [27]  LISiN‐Centro

di biongegneria

del Politecnico

http://www.lisin.polito.it   ヨー ロ ッパ の 中 心 的 な 研 究 者 で あ るR.Merletti教 図 の 活 用 を 目指 し て,さ [28]  新 潟 大 学   EMGウ

授 が 率 い る 研 究 所.表

面 筋電

ま ざ ま な解 析 法 や 装 置 の 開 発 を行 っ て い る.

ェブサ イ ト

http://earc.bsp.bc.niigata‐u.ac.jp/emg.html   本 書 の 執 筆 者 の 一 人 で あ る 木 竜 徹 が 解 説 し た 表 面 筋 電 図 の サ イ ト.表 関 係 の 情 報 源 ポ ー タ ル を 目 指 し て い る.

面筋 電 図

索

引

■ あ

■ 英 数字 100%MVC法  ANN(人

ア ース 電極  

16

50%MVC法 

工 ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク  ) 95,114,126,127

ARV(整

流 平 滑 化) 

CAL(校

正) 

CMRR(同

電 図) 

19

入 力― 

18

25

皮 膚―

133

25

 

25

1

電 図 反 応 時 間) 

ウェ ア ラ ブル 計測  

18

118

I EMG 

43,46

運 動単 位(MU) 

I SEK 

107

運 動単 位 活 動 電位(MUAP)  運 動 単位 活 動 電位 列   5

LF/HF  MDF(中 MFCV(筋 MNF(平 M‐RT(機 MU(運 MUAP(運 MVC(最

88 央 周 波 数) 

均 周 波 数) 

運 動 点 

58

96

28

エ イ リア ス 

18

24

3

動 単 位 活 動 電 位)  大 随 意 収 縮) 

ワ ー ス ペ ク ト ル 密 度 関 数)

乗 平 均平 方 根)  覚 的運 動 強 度) 

43 84

127

運 動 ニ ュ ー ロ ン) 

  50

■ か 課 題 間 比較 法 

  27

グ ナ ル対 ノイ ズ比)

α運 動 ニ ュ ー ロ ン(α‐MN) 

音 声 認識  

5

16

RMS(自 RPE(自 MN(α

5

55

械 的 反 応 時 間)  動 単 位) 

3

運 動 単位 発 射 テ ー ブ ル 

55

線 維 伝 導 速 度) 

PDS(パ

S/N比(シ α‐

116

イ ン ピ ー ダ ン ス 

気 力 学 的 遅 延) 

EMG‐RT(筋

20

7,9,22,29,71,86,94

イ ン ナ ー マ ッ ス ル 

25

97,112

Standards 

EMG(筋

ア レイ電極  

フ レ キ シ ブ ル―  

43

相 除 去 比) 

EMG

7,27,30,35,48,55,94

ア ウ ター マ ッスル  

23

decomposition  EMD(電

32

ア ー チ フ ァ ク ト 

17

2

活 動 参加   感 度   23

17

3

2

機 械 的 反応 時 間(M‐RT)  義手  1 義手制御 

95

18

基 線 

35

記 録 電 極 

32

主観 的 指標

 84

受動電極 

7,21,31

筋 音 図 

103

自律 神経 系 活 動 

筋 線 維 

2

神経筋接合部  2

筋 線 維 組 成 

71

神 経 軸索 

筋 線 維 伝 導 速 度(MFCV)   筋 張 力 

39,58,62,70,71,73,116 3,10,18,101

筋 電 位 

1

信 号電 極 

32

5

95,114

筋 電 図(EMG) 

1

スペ ク トル解 析 

9,43,46

50

1 1

―反 応 時 間(EMG‐RT)  筋 疲 労 

2

神経支配帯  3,9,28,49,56,58,86,94,117 神経終板  2 人 工 ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク(ANN) 

筋 電 位 信 号 

積 分― 針― 表面―

87

18

10,39,59,71,74,85,87,101,115

筋 疲 労 評 価 指 標 

86

正 規 化  15,48 生 検  71 整 流 化 

44

整 流積 分 

75

空 間 フ ィ ル タ 

98

整 流 波  44 整 流 平滑 化(ARV) 

ク ロ ス トー ク 

8,21,48

積 分 筋 電 図(IEMG) 

43 9,43,46

接続 ゲ イ ン 

23

差 動― 

原 波 形 

39

ダ ブ ル差動― 

格 子状 電 極 

7

接地 電 極  32 ゼ ロ位 相 ず れ フ ィル タ  ゼ ロ詰 め  51

117

校 正(CAL)  交 流雑 音  33

7

23

全 か 無 か の法 則 

3

線 形 予 測モ デ ル 

95

41

■ さ サ イズ の 原理 

双 極  6 速 筋 線維 

3

最 大M波 法  17 最 大 随 意収 縮(MVC)  最 大 随 意収 縮 力  差 動 接続  7 ダブ ル― 

16

■た

48 脱分 極  3 ダブ ル差 動接 続 

7

サ ンプ リン グ周 波 数 

26

多用 途 生 体計 測 器  探査 電 極 

自覚 的運 動 強度(RPE)  84 時 間周 波 数 表現  99,123 シグ ナ ル対 ノ イズ 比(S/N比)  自乗 平 均 平 方根(RMS)  実効 値 

43

時定数  24,46 集合平均  47

70

43

7 44

32

チ ェ ビ シ ェ フ フ ィ ル タ 

27

遅筋 線維 

40

70

中央 周波 数(MDF)  チ ュ ー キ ー 

53

中枢性 疲 労 

59

55

表 面電 極  

電 極 

21

格 子状―   117 受 動―   7 能 動―    7 表 面―   1 ―ペ ー ス ト 

 127 127   59

 59中枢性 ― 59 末梢性

31

フ ィル タ ゼ ロ位 相 ず れ

指 輪型 表 面―   127 電 気 力学 的遅 延(EMD) 

18,47

― 41

チ ェ ビ シ ェ フ― ハ イ パ ス―  

  40 24

バ ター ワー ス

同 期 化  62 動 作 識 別  95,126 導 出電極  

1

指輪 型― 指輪型  

︱ 59

疲労 疲労筋︱

定 性 的分 析 法   39 デ ィ ップ   8,56

― 40

ハ ム ・―  

33

ロ ー パ ス―  

32

同 相 除 去比(CMRR)  特 徴 量  39

24

フー リエ変 換  

25

負荷 制御  

50

84

プ リパ レ ー シ ョ ン  

■ な ニ ー ドル ・バ イ オ プ シ 法  71

平 均周 波 数(MNF) 

入 力 イ ン ピー ダ ンス 

平 均振 幅  

能 動 電極  

25

 116

9,55

39,43

ポ リグ ラ フ 

7,22,29,31,36,119

■ は

44

■ ま

バ イオ プ シ  

71

ハ イパ ス フ ィ ル タ 

末 梢性 疲 労   窓 関 数   53

24

バ タ ー ワ ー ス フ ィ ル タ 

59

40

発射頻度  ハ ニ ング  

3 53

モ ー ター ポ イ ン ト

ハ ミング  

53

■や

ハ ム 

31

フ レキ シ ブル ア レイ電 極

  6,28

33

ハ ム ・フ ィ ル タ  

33

針筋電図  1 パ ワー ス ペ ク トラ ム 

指輪型表面電極  127 容積導体   5

50

パ ワ ー ス ペ ク トル

■ ら

  8,39,50,56,57,58,101,123 パ ワー ス ペ ク トル推 定 法  

98

パ ワ ー ス ペ ク トル 密 度 関 数(PDS) 

皮 膚 イ ン ピー ダ ンス  表 面 筋 電 図 

1

50

力 学 的信 号   17 リサ ー ジ ュ図 形  

81

25 ロー パ ス フ ィ ル タ 

24,44

<著者紹介>

木 塚 朝 博 学 歴  筑波 大学大 学院体 育科 学研究科博士課程修 了(1995年)  博士(体 育科学) 現 職  筑波大学大学 院人間総合科学研究科助教授  独立行政法人産業技術総合研 究所人間福祉医工学部 門協力研究員 著 書  「運 動 と高 次 神 経機 能」(杏 林 書 院)ほ か 増 田  正 学 歴   東京大学工学系研究科情報工学修士課程修了(1978年)  工学博士 現 職  東京医科歯科大学大学院疾患生命科学研究部生命 システムモデリング分野教授 著 書   「筋運 動 制 御 系」(昭 晃 堂)ほ か

木 竜  徹 学 歴 

新潟大学大学院工学研究科修士課程修了(1977年)  工学博士 現 職  新潟大学大学院自然科学研究科教授 著 書   「 生 体 信 号 処理 の 基礎 」(コ ロナ社)ほ か

佐 渡 山 亜兵 学 歴 

東京教 育大 学体育学部健 康学科 卒業(1966年)  学術博士 現 職  信州大学繊維学部感性工学科教授 著 書   「 感 性 工学 へ の 招待 」(森 北 出版)ほ か

バ イ オ メ カ ニ ズ ム ・ラ イ ブ ラ リ ー

表面筋電 図 2006年3月10日

 第1版1刷

発行

編 著

著  バ イ オ メ カニ ズム 学 会 者  木 塚 朝 博  増 田 正  木 竜 徹  佐 渡 山亜 兵 学校法人  東京電機大学

発 行 所  東 京 電 機 大 学 出 版 局 代 表 者 加藤康 太郎 〒101‐8457 東 京都 千代 田区神 田錦 町2‐2 振 替 口座   00160‐5‐71715 電 話 (03)5280‐3433(営 業) (03)5280‐3422(編集)

印刷 三立工芸（株） 製本 渡辺製本（株） 装丁 右澤康之

〓 Society

of Biomechanisms

Printed in Japan

*無 断 で転 載 す るこ とを禁 じます 。 *落 丁 ・乱 丁 本 は お取 替 えい た します。 ISBN

4‐501‐32510‐0

C3047

Japan

2006