平成２６年度 新産業創出研究会「研究成果報告書」 「筋収縮機能評価のための筋音・筋電同時計測ハイブリッドセンサの開発」 研究代表者 ：［ 岡山大学，教授 ］ ［ 岡 久雄 ］ 共同提案者（ｺｰﾃﾞｨﾈｰﾀｰ） ：［ 岡山大学 ］ ［ 桐田泰三 ］ ：［メディカルテクノおかやま］ ［ 佐藤寿昭 ］ １．はじめに 我が国の高齢化率，また医療・福祉経費の増加を考えると，高齢者が安全で元気に社会生活を営む ための環境整備は急務である。例えば転倒などで寝たきりにならぬよう，高齢者の健康，特に筋力確保 等に着目すべきである。現在，筋トレなどの体力増進やリハビリテーションプログラムが実施されているが， プログラムの成果すなわち筋収縮機能の向上を定性・定量的に評価する指標は十分に確立されていな い。また高齢者のスポーツへの関心も高いが，トレーニング効果の評価においても同様である。 臨床医学や福祉分野，スポーツ科学などで，従来行われている骨格筋収縮機能の評価としては，（ⅰ） 随意収縮や誘発による表面筋電図，針電極を使った針筋電図の測定，（ⅱ）握力計やエアロバイク，サイ ベックスなどによる（最大）筋力の測定等がある。また（ⅲ）MRI 等の画像を用いた形態的な検査によって 筋断面積を求めたり，速筋や遅筋の割合を求める方法も報告されている。さらに，侵襲的な方法であるが， （ⅳ）バイオプシーによる生化学的な筋生理学的検査もある。し 電気的活動 機械的活動 かし，いろいろな現場で簡便に用いることができるのは最大筋 力測定や，筋電図（EMG：ElectroMyoGram）測定である。 MMG EMG 一方，図１に示すように，EMG は筋を収縮させるための入力 muscle MUAP 信号である。また，筋が収縮して筋内圧力が上昇し，筋音図 spinal dorsal horn pressure 筋収縮 （MMG：MechanoMyoGram）と呼ばれる，骨格筋収縮に起因す る微細な振動(出力信号)が測定できる。本来，筋収縮機能を正 フィードバック しく評価するためには，入力信号である EMG と出力信号である MMG を同時に計測・評価する必要があるが，これまでは筋収縮 機能評価法として，筋電図 EMG のみを測定することがほとんど 図 1 筋電と筋音信号の関係 であった。 ２.概要 国内外で市販されている筋音センサは，唯一，筋音計（MPS110，㈱メディセンス）がある。しかし，圧電 式加速度計を使用しているため，体動や動作を伴うフィールドなどでは測定することができない（この筋音 計を使用する場合は，体幹および対象筋を堅固に拘束して測定しなければならない）。その他，研究論 文で筋音測定に用いられているのは，ピエゾ接触型センサ，コンデンサマイクロフォン，工業用加速度セ ンサ，レーザー変位計等がある。 著者らはこれまでに筋音と筋電信号を同時に測定可能なハイブリッドセンサ（プロトタイプ）を試作し，そ の有効性を確認した。すなわち，「筋収縮機能評価のための筋音・筋電同時計測ハイブリッドセンサ」 （「MMG/EMG ハイブリッドセンサ」と呼ぶ）は，フォトリフレクタ（発光ダイオードとフォトダイオードの一体 型）を用いて，皮膚表面の微細な振動変位（変位筋音信号：dMMG）を測定し，また EMG 電極 2 個を付加 して筋電信号を同時計測するものである。さらに，運動中でも測定できるよう，このハイブリッドセンサをワ イヤレス化したシステムを開発し，また MMG と EMG の同時計測により得られる電気機械結合効率 （MMG/EMG）に基づく筋収縮機能評価指標を提案した。 図２に示すように，既開発のワイヤレス型 MMG/EMG ハイブリッドセンサシステムは，❶MMG/EMG が 同時計測できるハイブリッドセンサ部，❷EMG プリアンプ部，❸送信機部，❹受信機部から構成される。 市販されている MMG センサは圧電式加速度計のみであるが，著者らが開発したフォトリフレクタを用いた MMG センサは，体動や不随意な動き（アーチファクト）に影響を受けにくく，運動中でも MMG の測定が可 能である。また，筋音と筋電信号を同時に測定できるセンサは，国 内外に皆無である。 EMG は筋を収縮させるための入力信号であって，出力信号で ある MMG をも同時計測し，システム伝達関数として評価するので なければ，筋の収縮機能を正しく評価するという観点からは不十 分である。例えば，図３に示すように，進行性筋ジストロフィ症の患 者では，たとえ健常者と同じ EMG の大きさが検出できたとしても， MMG すなわち筋出力が低下してしまっていることがわかる（三田 勝己：臨床脳波，44(2)，795-804）。これは EMG だけを測定してい てはわからないことで，EMG と MMG の同時計測の意義，さらに電 気機械結合効率（MMG/EMG）の有用性が明白である。本研究で はこの結合効率に基づく筋収縮機能評価指標を用いて，筋収縮 機能を評価した。 ❶ ❸ ❷ ❹ 図２ ワイヤレス型 MMG/EMG ハイ ブリッドセンサシステム 患者 EMG ３.研究成果および今後の課題 ①研究開発の課題 既開発のワイヤレス型 MMG/EMG ハイブリッドセンサシステムに おける，回路の基本設計および試作品での課題は，以下のようで あった。 健常者 (1) 皮膚の曲面形状に沿ってセンサを貼付することが難しい (2) フォトリフレクタ LED 部の消費電力が大きい MMG (3) センサ～送信機までのケーブルの耐久性に欠ける (4) データ取得時に MMG/EMG 信号のリアルタイムモニタができ ない ②研究会における解決 図３ 筋ジストロフィ患者と 本センサを広く汎用とするためには，上記課題を克服し，誰でも 健常者の MMG および EMG（臨 使用しやすく，堅牢かつ長時間使用可能なセンサにブラッシュアッ 床脳波，44(2)，2002 より著 者改変） プする必要があった。その解決策として， ㋐センサを支える脚部構造の再設計・試作 ㋑低消費電力化のための回路の再設計・試作（フォトリフレクタの再選定および LED 間歇点灯方式の 検討，試作回路の検証） ㋒ケーブル等の再選定 を行った。すなわち，回路変更と脚部との組み合わせを考慮した基板を製作し，その後，３D プリンタを使 って，センサ外形を最適化した（図４）。 図４ 改良された MMG/EMG ハイブリッドセンサとその計測システム ㋐センサの脚部構造 同図に示すように，センサ脚部は従来の両脚構造から，新たな構造に変更した（特許申請準備中）。ま た従来別途貼付けていた EMG のアース電極も，変更することで，非常に操作性もよくなった。さらにセン サを貼付ける場合，筋（あるいは皮膚）表面の凸形状に合わせて微妙に設置方法を調整していたが，フォ トリフレクタの取り付け方法を変えることによって，いろいろな部位の筋に貼付けることが可能になった。 ㋑低消費電力化 設計回路の見直しを行うことによって，フォトリフレクタ回路の駆動電流，ならびに回路全体の消費電流 を低減させ，さらに従来の外付け EMG プリアンプを，センサ部と一体化させることにより，これまでのセン サよりも駆動時間が２倍になった。 ㋒ケーブル等の再選定 EMG プリアンプをセンサに内蔵させたことに より，中間ケーブルを省略することができ，ケー ブルの堅牢性が向上した。 図５は従来のセンサと，今回製作した６個の センサの距離-出力電圧特性である。従来のセ ンサに比べて，電圧のダイナミックレンジが大き く，また傾きも大きくなっていることから，分解能 が向上したことがわかる。 本センサを用いて，足こぎ車椅子で運動した ときの様子が図６である。測定筋は左右の大腿 図５ ハイブリッドセンサの距離-出力電圧特性 直筋，右外側広筋で，両脚で漕いだ場合と，他 人に押してもらって自らの脚は全く使用しなか った場合の結果が，図７（外側広筋）である。上 段より，変位 MMGDC，EMGARV，dMMGacc であ る。dMMGacc は dMMGDC の２階微分で，いわ ゆる加速度 MMG と同じものである。両脚で漕 いだ場合は，足を踏み込むごとに EMG が見ら れ，それに対応して dMMGDC が見られ，また筋 の収縮出力を示す dMMGacc も見られる。しか し，他人に押してもらって，両脚の筋活動が全く ないと考えられる 場合は，同図右側 のように波形が全く 見られない。 このように試作し た MMG/EMG ハイ ブリッドセンサによ って，運動している (a)両脚で漕いだ場合 (b)押してもらった場合 筋の収縮活動をと らえることができ 図７ 足こぎ車椅子での dMMGDC，EMG ARV，dMMGacc の測 図６ 足こぎ車椅子 た。 定結果 ４．おわりに 従来のセンサをもとに，脚部構造の改良，低消費電力化，ケーブルの改良によって，分解能や操作性 が向上したハイブリッドセンサを製作することができた。 ５．今後の計画 本ハイブリッドセンサは EMG プリアンプをセンサ内に組み込むことによってかなり簡便にはなったが，測 定データの送受信部分は市販品を流用している。今後は送受信部分も一体化することによって，更に操 作性のよいセンサが製作可能と考える。さらに，本センサを臨床医学はもちろん，スポーツ科学や福祉分 野へ適用したいと考える。 ６．その他 （１）出願特許（タイトル・出願番号・発明者・特許権者など） 特許出願に向けて準備中である。 （２）投稿論文（タイトル・学会名等） ①越智 亮, 2)，中村 雅俊，梅垣 雄心，小林 拓也，西下 智，梅原 潤，田中 浩基，岡 久雄， 市橋則明：スタティックストレッチング後の腓腹筋最大随意収縮時の筋音図変化，第 50 回理学療法 学術大会，2015. ② Hisao Oka, Yuto Konishi, and Tomoki Kitawaki: Simultaneous Measurement of Displacement-MMG/EMG during Exercise, SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration, Vol.7, No.6, pp.332-336, 2014. ③Hisao Oka and Yuto Konishi: Simultaneous measurement of displacement MMG and EMG during isometric muscle contraction, Proceedings of the 2nd Symposium on Life Engineering (BPES2014), 2014. ④岡 久雄，小西 有人：筋音／筋電同時計測による等尺性筋収縮の評価，第 3 回電気生理運動学 研究会(第 15 回日本電気生理運動学会大会)，2014. ⑤Hisao Oka, Junda Shen and Yuto Konishi: Simultaneous Measurement of a Mechanomyogram and Electromyogram Using an MMG/EMG Hybrid Transducer, Proceedings of the International Society of Electrophysiology and Kinesiology, 2014. ⑥Hisao Oka and Yuto Konishi : Muscle contraction evaluation by the simultaneous measurement of MMG and EMG, 第 53 回日本生体医工学会大会, 2014. （３）本研究会の参加企業・団体名 研究代表者： 岡 久雄（岡山大学大学院保健学研究科） 共同提案者： 桐田 泰三（岡山大学研究推進産学官連携機構新医療創造支援本部） 共同提案者： 佐藤 寿昭（特定非営利活動法人メディカルテクノおかやま） 企業・団体： 株式会社イーアールディー（村上 浩茂，熊代 孝一） （オブザーバー）株式会社テクノプロジェクト（長谷川 榮司，深田 倍生）
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