筋線維伝導速度推定における運動時の実用的電極貼 …bsp.eng.niigata-u.ac.jp/personal/kiryu/AnsSite/time...筋線維伝導速度推定における運動時の実用的電極貼付位置決定

筋線維伝導速度推定における運動時の実用的電極貼付位置決定

青木航太，木竜　徹

新潟大学大学院自然科学研究科

筋線維伝導速度推定における運動時の実用的電極貼付位置決定，MEとバイオサイバネティックス研究会，青木　航太

はじめに

・筋肉の活動・筋肉間の協調性・相反性・筋疲労

表面筋電図 (surface ElectroMyoGram:sEMG)に対して

の情報を期待する．

筋線維伝導速度（Muscle Fiber Conduction Velocity : MFCV）MFCVの特徴　･運動時の筋活動を評価するための一つの指標　･20％~60％MVC，随意収縮下：約3~6 m/sec [1]，[2]　･持続的な筋収縮によって時間につれて低下する性質は老若男女に差は　　無く，この性質を利用して，筋肉の疲労度を推定することができる．　・計測上の問題点として解剖学的要因による影響が大きい．

[1] Masuda T, Sadoyama T : Distribution of innervation zones in the human biceps brachii, J. Electromyography　 and Kinesiology 1: 107-115, 1991[2] 内山靖他編，“計測法入門 –計り方,計る意味-”,協同医書出版社, pp.94-100


MFCVの推定方法

　隣接したチャネル間のsEMGの時間差 : T [sec]　電極間距離 : D [m]

]m/sec[TDMFCV 　=

0

1

-1

T

相関係数

時間差≈

双極差動導出で計測された1対のsEMGからMFCVを推定


・zero-crossing法　・微小収縮法　・spectral dip法　・相互相関法

sEMG計測時における問題点

電極と神経支配帯との位置関係　他の筋からの混入（クロストーク）筋線維走行方向と電極配置の関係脂肪や血管などの異組織の影響　　　

表面電極と筋線維との位置関係　⇒　人によって千差万別

解剖学的要因問題点

筋線維

運動神経

神経筋接合部

α-運動ニューロン V

表面電極皮膚表面

MFCV推定値の誤差を大きくする要因

↓MFCVの推定する際には避けるべきポイント


生理学的に意味のあるsEMGの計測・解析するには，問題点を避けた位置に表面電極を貼付することが重要

目的

実用的な場合で使用される小型電極の最適貼付位置を決定し，動的運動時での正確なMFCVを推定する

①16-barマルチアレイ電極にて解剖学的要因を避けた位置を求める．

16-barマルチアレイ電極　・解剖学的要因の有無が確認しやすい．　・ダイナミックな運動時での筋活動の計測に向いている．　・MFCVの計測に適している．

動的運動時に求めたMFCVの標本標準偏差最小

②実用的な小型電極貼付位置にて動的運動時での正確なMFCVを推定する．

アプローチ


↓

ベストポジション

具体的なアプローチ

MFCVの推定⇒標本平均値・標本標準偏差の算出ベストポジションを決定

MFCVの推定⇒標本平均値・標本標準偏差・導出率の算出マルチアレイ電極から実用的な小型電極へ移行できるか検証

20分間の自転車エルゴメータ運動

30分間の自転車エルゴメータ運動 MFCVを推定するためには最低3-bar電極が必要

マルチアレイ電極⇒実用的な小型電極

　・負荷制御実験　・平均回転数 60 [rpm]1：16-barマルチアレイ電極を用い外側広筋からsEMGを計測

2：実用的な場面で使用される電極を用いベストポジションでsEMGを計測


16-barマルチアレイ電極計測

・計測条件　　-対象　　　・年齢77.3±1.7歳の男女3名　　　・右脚外側広筋　　-筋電図計測　　　・EMG16（Prima社製）　　　・増幅率：66 [dB]　　　・時定数：0.03 [sec]　　　・電極：16-barマルチアレイ電極　　　・チャネル数：15　　-A/D変換　　　・サンプリング周波数：2048 [Hz]　　-計測時間　　　・1200 [sec]

16-barマルチアレイ電極（Prima社製，AA16/10）

10mm 13th triplet12th 11th 10th 9th 8th 7th 6th 5th 4th 3th 2nd 1st triplet

1mm

15ch1413121110987654321ch

5mm amplifiers

0 　 600 900 120050

100

150

[w]

time[sec]

work load

Subj.A

Subj.B,C120％ work load AT[3]

triplet


[3]　木竜徹，芝井桂介，林容一，田中喜代治，”個人適合をめざした自転車エルゴメータ負荷制御法”,第17回生体･生理工学シンポジウム論文集，pp.139-142.

[ch]

0 500time [msec]

100 200 300 400

sEMG伝播パターン151413121110987654321

神経支配帯

1st triplet

13th tripletSubj. A, VL(right)

knee


各々のtripletに対するMFCV推定結果6th triplet

5th triplet

4th triplet

3rd triplet

2nd triplet

1st triplet

13th triplet

12th triplet

11th triplet

10th triplet

9th triplet

8th triplet

7th triplet

knee

神経支配帯の影響を受けている

安定して推定

安定して推定

徐々に推定が不安定になっていく


MFCVの標本平均値・標本標準偏差

相互相関値0.7以下値が3m/sec未満7m/sec以上 MFCV推定サンプルから除外した．

MFCVの標本平均値　　，標本標準偏差Sを求める


250msec 250msec 250msec

5sec 5sec

MFCV1 MFCV2 MFCV20

標本平均値　標本標準偏差S

解析区間長250 msecシフト長250 msec

x

x 1

s 1

x 2

s 2

x 240

s 240

x

time [sec]0 5 10 1200

ベストポジション


MFCVの標本平均値標本標準偏差

13th triplet 5.08 [m/sec] 0.61 [m/sec]12th triplet 5.36 [m/sec] 0.61 [m/sec]11th triplet 4.40 [m/sec] 0.38 [m/sec]10th triplet 4.45 [m/sec] 0.41 [m/sec]9th triplet 4.41 [m/sec] 0.50 [m/sec]8th triplet 4.30 [m/sec] 0.28 [m/sec]7th triplet 4.41 [m/sec] 0.26 [m/sec]6th triplet 4.45 [m/sec] 0.56 [m/sec]5th triplet 4.32 [m/sec] 0.36 [m/sec]4th triplet 4.35 [m/sec] 0.37 [m/sec]3rd triplet 4.89 [m/sec] 0.80 [m/sec]2nd triplet 4.31 [m/sec] 0.61 [m/sec]1st tripｌet 4.17 [m/sec] 0.51 [m/sec]

6th triplet

3rd triplet

7th triplet

ベストポジションは7th tripletに決定

4-bar電極による計測

・計測条件　　-対象　　　・年齢77.3±1.7歳の男女3名　　　・右脚外側広筋　　-筋電図計測　　　・増幅率：66 [dB]　　　・時定数：0.03 [sec]　　　・電極：4-bar電極　　　・チャネル数：3　　-A/D変換　　　・サンプリング周波数：5000 [Hz]　　-計測時間　　　・1800 [sec]

4-bar電極（DEM社製）

1ch2ch

10mm

10mm

1mm3ch

0 1800time [sec]

150

100

50

[w]3rd

1st

2nd

work load

600 1200

Subj.A (2003　1st～3rd)

120％ work load AT


MFCVの導出率100

MFCVMFCV7m/sec3m/sec

×=サンプル数すべての

サンプル数未満の以上～λ

自転車エルゴメータのペダル1回転：1 [sec]ペダル1回転でsEMGが計測できる時間：500 [msec]解析区間[frame]：250 [msec]シフト長： 250 [msec]

ペダル1回転でsEMGが観察できるのは2~3 [frame]

↓λは最大で70~80 [%]


4-bar電極16-barマルチアレイ電極（真値）

ベストポジション（7th triplet）における比較

：4.41 [m/sec]S ：0.26 [m/sec]λ :62.62 [%]

：4.37 [m/sec]S ：0.36 [m/sec]λ :71.08 [%]

x x4-bar電極による計測は真値に近い値を示した．

マルチアレイ電極から実用的な小型電極に移行できる

実用的電極貼付法

手順②：最低限3方向から撮影

手順③：2回目以降は写真を参照し貼付

手順①：ベストポジションに実用的な小型電極を貼付

Subj.A

⇒今回は4-bar電極を用いた


従来法：筋長の約3分の1の位置に貼付（SENIAM project）

自転車エルゴメータ運動時でのデータベースとの比較

4-bar電極を使用

データ（2003年）電極貼付方法‥16-barマルチアレイ電極を用いてベストポジション(7th triplet)に　　　　　　　　　　電極貼付する方法（2回目以降は写真を参照して貼付）．Subject　A：3回　　 B：4回　　C：4回

電極貼付方法の違いによるMFCV導出率λを比較

データベース（2000年~2002年）電極貼付方法‥オシロスコープを用い観測信号にある程度の基本的知識を持った　　　　　　　　　　人が観察し電極貼付位置を決定する方法．Subject　A：18回　　B：13回　　C：16回


4-bar電極によるMFCVの推定結果従来のデータベースよりベストポジションで計測されたsEMGより


電極貼付位置は実験ごとに変化する電極貼付位置は7th triplet

従来の貼付方法実用的電極貼付法

実験2回目にはλは低下するが高い精度を得ている3m/sec~7m/secの範囲内で推定が不安定

導出率（年毎のλ平均値）　2000年　1ch: 5.98 [%] 2ch:15.32 [%]　2001年　1ch:20.86 [%] 2ch:11.65 [%]　2002年　1ch:計測不可 2ch:25.97 [%]

導出率（λ平均値）2003年　1ch:56.71 [%] 2ch:41.84 [%]

MFCV MFCVλ=0．77 [%] λ=71．08 [%]

April 26,2003January 27,2000

低い例 1回目

MFCVλ=25．97 [%]

March 1,2002

高い例 MFCVλ=42．34 [%]

May 11,2003

2回目

考察1･実用的電極貼付法では2回目以降の実験でも高いMFCVの導出率を得ることができた．従って，この方法は繰り返し計測を行う場合，再現性があり，正確なMFCVを推定する有効なプロセスであったと考えられる．

･ベストポジションは，生理学的に意味のあるMFCVを得られる確率が高く，解剖学的要因を避けた部位である．しかし，負荷制御実験では筋疲労が顕著に表れている部位を特定しづらいため，20歳代の健常者を対象にした漸増負荷実験の結果と合わせて考察してみる．


sEMG伝搬パターン漸増負荷実験（ 20歳代の健常者）


0 500time [msec]

100 200 300 400

[ch]

151413121110987654321 1st triplet

Subj. D, VL(right)

knee

1st triplet~10th tripletまでを注目

13th triplet

神経支配帯

各々のtripletに対するMFCV推定結果

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

350

350

350

350

350

350

350

350

350

350

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

workload [w] workload [w]

MFC

V [m

/sec

]M

FCV

[m/s

ec]

MFC

V [m

/sec

]M

FCV

[m/s

ec]

MFC

V [m

/sec

]

MFC

V [m

/sec

]M

FCV

[m/s

ec]

MFC

V [m

/sec

]M

FCV

[m/s

ec]

MFC

V [m

/sec

]

10th triplet

9th triplet

8th triplet

7th triplet

6th triplet

5th triplet

4th triplet

3rd triplet

2nd triplet

1st triplet

神経支配帯の影響を受けている

安定して推定


MFCVの低下が顕著に表れている

考察2標本平均値標本標準偏差

10th triplet 5.03 [m/sec] 1.02 [m/sec]9th triplet 5.59 [m/sec] 0.69 [m/sec]8th triplet 4.51 [m/sec] 0.49 [m/sec]7th triplet 4.26 [m/sec] 0.36 [m/sec]6th triplet 4.14 [m/sec] 0.51 [m/sec]5th triplet 4.13 [m/sec] 0.38 [m/sec]4th triplet 4.07 [m/sec] 0.25 [m/sec]3rd triplet 3.91 [m/sec] 0.29 [m/sec]2nd triplet 5.05 [m/sec] 0.72 [m/sec]1st triplet 3.72 [m/sec] 0.31 [m/sec]

・漸増負荷からは筋疲労が顕著に表れている部位が特定できた．筋疲労による自転車エルゴメータの負荷制御を行う場合，ベストポジションから少し離れた位置による計測が有効ではないかと考える．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　神経支配帯近位⇒MFCV推定精度は高いが，時間的な差が見にくいので変化が　　　　　　　　　　　　　　見にくい．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　神経支配帯遠位⇒MFCV推定精度は若干低いが，差が見易いので変化が見易く　　　　　　　　　　　　　　なる．　

knee

8th triplet

4th triplet

2nd triplet


以後，実験回数，人数を増やし検証していく必要がある．

まとめ

･16-barマルチアレイ電極を用いて運動中に外側広筋の皮膚表面上でsEMGの伝搬を計測した．

・13tripletから神経支配帯の位置やその変化，筋線維伝導速度を推定した．

・16-barマルチアレイ電極計測の結果に基づき，実用的で小型な4-bar電極の貼付位置を決定した．

･運動時における計測範囲内での外側広筋の最適電極貼付位置決定プロセスを明らかにした．

・ベストポジションは，生理学的に意味のあるMFCVを得られる確率が高く，解剖学的要因を避けた部位であることを示した．


ご清聴ありがとうございました．


神経支配帯

反転している

両側を伝播していく

神経支配帯：筋に支配神経が付着している部位

筋の電気的興奮が神経支配帯をはさんで腱の方向に伝播していく→差動増幅を行うと表面筋電図を検出できない

筋線維群皮膚

電極

支配神経

神経支配帯


Documents

筋線維伝導速度推定における 運動時の実用的電極貼 …bsp.eng.niigata-u.ac.jp/personal/kiryu/AnsSite/time...筋線維伝導速度推定における 運動時の実用的電極貼付位置決定

筋線維伝導速度推定における運動時の実用的電極貼 …bsp.eng.niigata-u.ac.jp/personal/kiryu/AnsSite/time...筋線維伝導速度推定における運動時の実用的電極貼付位置決定