考 察

図2.9 HSVが反映する(脱力中の)粗大振動と5% MVC筋収縮中の粗大振動の類似性．(A) 振幅分布の類似性評価．(B)位相関係の類似性評価．r_{RM S}およびr_phaseの意味と計算方法に ついては2.2.4節(4)参照．.

ン プ 状 筋 収 縮 中 に も 観 測 さ れ た ．

(2)粗大振動の特徴比較(rRM Sおよびrphase)

図2.10(A)に 相 関 係 数rRM Sを 周 波 数(横 軸)と 筋 力(縦 軸)に 応 じ て 計 算 し た 結 果 を 示 す ．ま た ，図2.10(B)に 相 関 係 数rphaseを 同 様 に 計 算 し た 結 果 を 示 す ．図 中 の 黒 い 領 域 は ，有 意 振 幅 を 得 ら れ な か っ た た め にrRM S とrphaseの 計 算 結 果 が な い か ，無 相 関 の 帰 無 仮 説 が 棄 却 さ れ な い 周 波 数 帯・筋 力 条 件 で あ る ．30 Hz以 下 の 低 周 波 領 域 で は ，筋 力 に よ ら ずrRM Sとrphaseが 共 に 有 意 に な っ た ．こ の こ と は ，低 周 波 数 帯 MSVは 筋 力 レ ベ ル に よ ら ずHSVと 同 じ 傾 向 の 粗 大 振 動 を 支 配 的 に 含 ん で い る こ と を 意 味 す る(2.4.2節 で 考 察)．

(3)有意振幅を有する周波数帯域

図2.11に ，(2.7)式 に 基 づ い て 有 意 振 幅 が 得 ら れ た 件 数 を 周 波 数(横 軸)と 筋 力 区 (縦 軸)に 応 じ て カ ウ ン ト し た 結 果 を 示 す ．数 値 は ，母 数 50(周 波 数 区 分 数5 × 被 験 者 数10)に 対 す る パ ー セ ン テ ー ジ で 示 し て い る ．有 意 振 幅 を 有 す る 周 波 数 帯 域 は ， 10% MVC以 下 の 低 筋 力 条 件 で は 主 に30 Hz以 下 に あ り ，筋 出 力 の 増 加 と 共 に 広 域 に シ フ ト し た ．

図2.10 周波数と筋力に応じた，脱力中-筋収縮中間の粗大振動の類似度．(A)相関係数rRM S． (B)相関係数r_phase．r_{RM S}とr_phaseの意味と計算方法似ついては，2.2.4節(4)参照．相関係 数の検定によって有意と確認されなかった条件は黒く塗りつぶされていてる．

図2.11 周波数区分ごと，筋力ごとに区分けしたMSVが有意振幅(2.2.4節(4)参照)を有し た件数．代表して，上腕二頭筋筋腹部についての解析結果を示している．図中の件数は，母数 50(周波数区分数5×^被験者数10)に対するパーセンテージで示している．

• ^{上 腕 周 囲}5点 か ら 得 ら れ たHSVの 振 幅 分 布 と 位 相 関 係 は ，被 験 者 間 で は 必 ず し も 一 致 し な か っ た ．す な わ ち ，動 脈 拍 動 は 被 験 者 毎 に 異 な っ た 仕 方 で 軟 部 組 織 を 変 形 ，振 動 さ せ る ．

• 被 験 者 毎 の 粗 大 振 動 の 傾 向 は ，脱 力 中 と5% MVC筋 収 縮 中 で よ く 一 致 し た ． 30 Hz以 下 の 低 周 波 領 域 で は ，筋 力 が80% MVCに 達 し て も な お 脱 力 中 と 同 じ パ タ ー ン の 粗 大 振 動 が 観 測 さ れ た ．

• 低 筋 出 条 件 で 有 意 振 幅 を 生 じ る 周 波 数 帯 は ，主 にrRM Sとrphaseが 共 に 有 意 に な る30 Hz以 下 の 低 周 波 領 域 で あ っ た ．

本 節 で は ，こ れ ら の 結 果 に つ い て 考 察 す る ．

2.4.1 上腕部HSVの振動源と検出メカニズム

上 腕 部 を 走 行 す る 最 大 血 管 で あ る 上 腕 動 脈 が ，HSVの 主 な 発 生 源 と 考 え ら れ る ．図2.7お よ び 図2.8に 示 し た よ う に ，動 脈 拍 動 は 上 腕 動 脈 が 通 る 上 腕 内 側 部(図 2.1(B)参 照)だ け で は な く ，上 腕 外 側 部 や 上 腕 三 頭 筋 上 に も 生 じ た ．こ れ に は ，以 下 の 理 由 が 考 え ら れ る ．

(1) 上 腕 周 囲 を 通 る そ の 他 の 動 脈 や 静 脈 か ら の 振 動 が ，そ の 付 近 の 計 測 点 に 現 れ た ．

(2) 上 腕 動 脈 に よ っ て 生 じ た 振 動 が 体 表 面 上 を 伝 播 す る こ と に よ り ，複 数 の 計 測 点 に 影 響 し た ．

(3) 上 腕 動 脈 か ら の 拍 動 が 上 腕 部 全 体 に 粗 大 振 動 を 生 じ た ．

上 腕 部 に は ，上 腕 動 脈 の 他 に 上 腕 深 動 脈 と 上 尺 側 側 副 動 脈 の2つ の 動 脈 が 存 在 す る(McMinn et al., 1990)．上 腕 深 動 脈 は ，上 腕 筋 と 上 腕 三 頭 筋 の 間 に 位 置 し ，上 腕 動 脈 の 近 傍 以 外 で 大 き な 拍 動 が 生 じ たBB外 側 部 やTB長 頭 部 か ら 離 れ て い る(図 2.1(B) 参 照)．こ の た め ，こ れ ら の 点 で 観 測 さ れ た 拍 動 の 振 動 源 で あ る 可 能 性 は 低 い ．上 尺 側 側 副 動 脈 は 上 腕 動 脈 と 併 走 し て い る た め に ，上 腕 動 脈 と 大 き く 異 な る 仕 方 で 体 表 面 に 振 動 を 生 じ る と は 考 え に く く ，や は りBB外 側 部 やTB外 側 部 に 生 じ た 拍 動 の 原 因 で は な い と 言 え る ．静 脈 の 影 響 な ら ば ，前 腕 部 を 循 環 す る だ け の 時 間 遅 れ がHSV内 に 生 じ る と 推 測 で き る が ，そ う し た 傾 向 も み ら れ な か っ た ．こ れ ら か ら ，(1)の 可 能 性 を 排 除 で き る ．ま た ，拍 動 に よ っ て 生 じ た 振 動 が 体 表 面 を

伝 播 し た な ら ば ，減 衰 の 影 響 に よ っ て そ の 振 幅 が 伝 播 距 離 と 共 に 小 さ く な る は ず で あ る(Cescon et al., 2008)．し か し ，図2.7，図2.8共 に ，伝 播 の 特 徴 は み ら れ な か っ た ．こ の た め ，(2)も 除 か れ る ．一 方 ，上 腕 周 囲 の 離 れ た 計 測 点 に 逆 位 相 の 振 動 が 生 じ る の は ，粗 大 振 動 の 特 徴 で あ る(Ouamer et al., 1999) こ と か ら ，(3) 上 腕 動 脈 に よ っ て 生 じ る 粗 大 振 動 が ，上 腕 周 囲 全 体 に 拍 動 を 波 及 さ せ た 原 因 と 考 え ら れ る ．

被 験 者Cの 脱 力 中 に は ，TB長 頭 部 とBB筋 腹 部 に 互 い に 逆 相 と な る 振 動 が 生 じ た ．こ れ は ，上 腕 部 が 前 後 方 向 に 揺 れ て い た こ と を 意 味 し て い る ．一 方 ，被 験 者B で は ，BB内 側 部 とTB外 側 部 が 逆 相 に 揺 れ て い た ．こ れ は ，上 腕 部 が 体 側 方 向 に 揺 れ て い た こ と を 示 唆 し て い る ．被 験 者 間 に 生 じ る こ う し た 粗 大 振 動 パ タ ー ン の ば ら つ き は ，筋 質 量 ，身 体 寸 法 ，皮 脂 厚(Jask´olska et al., 2004)な ど の 体 組 成 と い っ た 被 験 者 間 の 身 体 特 性 の 違 い に 依 る と 考 え ら れ る ．な お ，被 験 者 の 身 体 特 性 と 粗 大 振 動 パ タ ー ン の 関 係 は ，4章 で も 詳 細 に 考 察 す る ．

2.4.2 HSVとMSVに含まれる粗大振動

(1)粗大振動の類似性評価指標としてのrRM Sおよびrphaseの妥当性

本 章 で は ，粗 大 振 動 の 特 徴 を 上 腕 周 囲5点 の 計 測 点 に 生 じ るM(H)SVの 振 幅 分 布 と 位 相 関 係 で 表 し た ．さ ら に ，脱 力 状 態(HSV)と 筋 収 縮 状 態(MSV)の 粗 大 振 動 の 類 似 性 を ，両 条 件 間 の 振 幅 分 布 と 位 相 関 係 の 相 関 関 係 を 表 すrRM Sお よ びrphaseに よ っ て 評 価 し た ．rRM Sとrphaseは 粗 大 振 動 が 類 似 す る 程1に 近 づ く が ，以 下 の 原 因 に よ っ て も ま た ，上 腕 周 囲 の 離 れ た 計 測 点 に 類 似 し た 振 動 が 生 じ ，結 果 ，rRM Sと rphaseが 高 く な る 可 能 性 が あ る ．

(A) 上 腕 二 頭 筋 と 上 腕 三 頭 筋 の 協 調 的 筋 収 縮 ．

(B) (上 腕 二 頭)筋 内 に 分 布 す る 運 動 単 位 構 成 線 維 が 行 う 同 期 的 収 縮 ． (C) 筋 収 縮 活 動 の 皮 膚 表 面 伝 播 ．

脱 力 中 に つ い て は 前 節 で 論 じ た た め ，こ こ で は 筋 収 縮 に 関 係 す る 要 因 の み を 挙 げ て い る ．(A)(B)は 筋 収 縮 活 動 そ の も の の 類 似 で あ る た め ，そ の 影 響 は 筋 線 維 の 活 動 周 波 数 周 辺 で 顕 著 に な る と 予 想 で き る ．筋 線 維 の 活 動 周 波 数 は 最 大 筋 力 付 近 で20-35 Hz程 度 で あ る(Freund, 1983)こ と か ら ，ラ ン プ 状 筋 収 縮 の 後 半 で は こ れ に 近 い 周 波 数 で 筋 線 維 活 動 が 生 じ て い た と 考 え ら れ る ．し か し ，図2.10に お い て ， rphase は 筋 出 力 に よ ら ず ，筋 線 維 活 動 周 波 数 と 比 較 し て 明 ら か に 低 い 周 波 数 領 域

(5 Hz付 近)で 高 か っ た ．皮 下 組 織 の ロ ー パ ス 効 果(Jask´olska et al., 2004)に よ っ て ，筋 線 維 収 縮 は 皮 膚 表 面 で は 実 際 よ り も 低 い 周 波 数 で 観 測 さ れ る が ，一 般 的 なMSV周 波 数 帯 域 と 比 較 し て も5 Hzは 十 分 に 小 さ い ．こ れ ら か ら ，(A)筋 線 維 間 お よ び(B) 筋 間 の 協 調・同 期 的 収 縮 の 影 響 は 小 さ い と 考 え ら れ る ．ま た ，筋 収 縮 活 動 が 皮 膚 表 面 を 伝 播 す る 場 合 ，(前 節 で 拍 動 由 来 に つ い て 考 察 し た の と 同 様 に)伝 播 距 離 と 共 に 振 幅 が 減 少 す る は ず で あ る が ，本 研 究 に お い て そ う し た 傾 向 は み ら れ な か っ た ．こ の た め ，(C)の 可 能 性 も 低 い ．こ れ ら か ら ，rRM Sお よ びrphaseの 値 は 粗 大 振 動 の 類 似 性 の み を 表 す と 考 え ら れ る ．

図2.9(B)お よ び 図2.10(B)に お い て ，相 関 係 数rphaseの 値 は 最 大0.6程 度 と 必 ず し も 高 く は な い. し か し ，以 下 の 理 由 か ら ，rphaseの 値 は 実 際 よ り も 控 え め に(安 全 側 に)算 出 さ れ て い る ．図2.12(A)は ，図2.9に つ い て2.2.4節(3)に 示 し た 絶 対 位 相 差 推 定 の エ ラ ー 除 去 を 行 う 前 の 段 階 を 示 し て い る ．灰 色 の デ ー タ が こ の 後 の 処 理 で 除 去 さ れ た デ ー タ ，黒 い デ ー タ が 有 効 と 判 断 さ れ て 解 析 に 使 用 さ れ た(図2.9の)デ ー タ で あ る ．除 去 さ れ た デ ー タ の ほ と ん ど が ，(π, π)，(−π, π)，(π,−π)，(−π,−π)付 近 に あ る こ と が わ か る ．ア ー ク タ ン ジ ェ ン ト 処 理 で 推 定 さ れ る 位 相 差 に お い て はπと

−π は 互 い に 同 意 で あ る た め ，例 え ば ，y座 標 の 符 号 を 入 れ 替 え る こ と に よ っ て 図 2.12 (A)の 第2象 限 に 位 置 し た プ ロ ッ ト を 第3象 限 に ，第4象 限 に 位 置 し た プ ロ ッ ト を 第1象 限 に 移 動 し て 図2.12(B) の よ う に 補 正 し て も デ ー タ の 表 す 意 味 は 変 わ ら な い ．ま た ，こ こ で は 伝 播 波 で は な く 同 一 の 粗 大 振 動 を 異 な る 位 置 で 計 測 し た 際 の 位 相 差 を 解 析 し て い る た め ，粗 大 振 動 の 両 側 を 計 測 し て い る こ と を 表 す と い う 点 で もπ と−π の 意 味 は 同 じ に な る ．こ う し て 得 ら れ る 相 関 係 数 が0.89とrphaseよ り も 高 い こ と か ら ，粗 大 振 動 の 類 似 度 は 図2.9(B)や 図2.10(B)に 示 さ れ た 以 上 に 高 い と 考 え ら れ る ．

(2) HSVに含まれる粗大振動

筋 収 縮 を 伴 わ な いHSVが ，動 脈 拍 動 に よ っ て 生 じ る 粗 大 振 動 を 主 に 反 映 す る こ と は 明 ら か で あ る ．一 方 筋 収 縮 中 に は ，2.3.1節 で 述 べ た よ う に 筋 収 縮 由 来 の 振 動 が 動 脈 拍 動 由 来 の 振 動 よ り も 大 き く な る ．本 実 験 の 範 囲 内 で は 筋 収 縮 活 動 の 影 響 が 動 脈 拍 動 を 上 回 る 具 体 的 な 筋 力 レ ベ ル ま で は 明 ら か で は な い が ，一 定 持 続 筋 収 縮 試 験 で 行 っ た 補 充 実 験(デ ー タ は 示 し て い な い)で は 筋 力 が20% MVCを 越 え る と も は やMSV内 の 動 脈 拍 動 を 判 別 で き な く な っ た ．そ れ に も か か わ ら ず ，30 Hz以 下

図2.12 rphaseの算出に際して除去されたデータ．灰色のプロットが絶対位相差としての信頼 性の低さから除去されたデータ，黒いプロットが有効値と判断されてrphaseの算出に用いられ たデータを示している．(B)は(A)の元データにおいて，第2象限に得られた灰色のプロットを 第3象限に，第4象限に得られた灰色のプロットを第1象限に，y座標の符号を入れ替えること で移動したグラフである．

の 低 周 波 領 域 に お い て は ，最 大 筋 力 付 近 に お い て もrRM S とrphaseが 有 意 値 を 示 し た(図2.10参 照)．こ の こ と は ，以 下 を 意 味 す る ．

(A) 粗 大 振 動 は 軟 部 組 織 に 生 じ る 異 な る2種 類 の 変 形 か ら 成 る ．1つ は ，動 脈 拍 動 に よ っ て 生 じ る 振 動 で あ り ，こ れ は 高 筋 力 時 の 筋 収 縮 活 動 と 比 べ て 微 弱 で あ る た め ，脱 力 時 お よ び5% MVC付 近 の 低 筋 力 条 件 の み で 観 測 さ れ る ．も う 一 つ は ，筋 収 縮 活 動 に よ っ て 生 じ る 共 振 振 動 で あ る ．た だ し ，最 大 筋 力 付 近 で は 生 理 振 戦 が 粗 大 振 動 の 原 因 に な る こ と も あ る よ う で あ る(Ouamer et al., 1999)． (B) こ れ ら の 軟 部 組 織 変 形 は ，共 に ，HSV計 測 点 周 辺 に 構 成 さ れ る 被 験 者 特 有 の

力 学 変 形 特 性 を 強 く 反 映 す る ．力 学 特 性 の 影 響 は ，筋 力 レ ベ ル に よ ら ず30 Hz 以 下 の 低 周 波 数 域 で 強 く 表 れ る ．

2.4.3 HSVによる低筋力持続時の筋疲労検出

(1)低筋力持続時の疲労原因

MSVは ，古 く か ら 筋 の 機 械 的 疲 労 の 評 価 ツ ー ル と し て 期 待 さ れ て き た(Orizio et al., 1999, 2003)．断 続 的 に10% MVCを 発 揮 さ せ た 後 の MSV変 化 を 調 べ た 先 行 研 究 (Søgaard et al., 2003)で は ，筋 に 長 時 間 残 る 筋 疲 労 の 影 響 が 低 筋 力(5% MVC)の 収 縮 テ ス ト で 顕 著 に 表 れ る こ と が 報 告 さ れ て い る ．ま た ，Orizio et al. (1999)のMSV計 測

か ら も ，単 収 縮 後 の 疲 労 は 長 時 間(少 な く と も6 min以 上) 残 る が ，強 縮 後(10∼20%

MVC程 度)は 直 ぐ に 回 復 す る こ と が 分 か っ て い る ．こ れ ら と 本 研 究 の 結 果 を 照 ら し 合 わ せ る と ，低 筋 力 持 続 時 の 筋 疲 労 は 筋 の 力 学 的 変 形 特 性 変 化(機 械 的 疲 労)に 依 っ て お り ，低 周 波MSVま た はHSVに よ く 表 れ る と 考 え ら れ る ．

(2) MSVおよびHSVに反映される筋疲労条件

図2.11か ら 明 ら か な よ う に ，5% MVCに お け るMSV成 分 は 主 にrRM S とrphaseが 有 意 に な る30 Hz以 下 の 低 周 波 領 域 に あ る ．有 意 振 幅 を 示 し た 全 デ ー タ 数 の 中 で 30 Hz以 下 が 占 め た 割 合 は ，5% MVCで は39%，80% MVCで は14%で あ っ た ．こ の こ と か ら も ，低 筋 力 条 件 で の 疲 労 評 価 は 従 来 の 筋 線 維 活 動 解 析 よ り も 粗 大 振 動 解 析 の 方 が 適 し て い る こ と が わ か る ．た だ し ，1.3.2節 に し め し た マ イ オ ト ノ メ ト リ の 計 測 原 理 か ら 明 ら か な よ う に ，HSVか ら 筋 の 力 学 特 性 を 検 出 す る た め に は 心 拍 由 来 の 加 振 を 統 一 す る こ と が 必 須 と な る ．ま た ，筋 活 動 の 影 響 を キ ャ ン セ ル し て 拍 動 由 来 の 粗 大 振 動 の み を 抽 出 す る こ と も 必 要 と な る ．

従 来 か ら 知 ら れ るMSVを 用 い た 筋 線 維 活 動 計 測 で は ，被 験 者 間 で 筋 お よ び 周 囲 軟 部 組 織 の 機 械 特 性 が 異 な る こ と が 外 乱 と な っ て い た(Jask´olska et al., 2004)．一 方 ， HSVを 用 い た 粗 大 振 動 計 測 は ，筋 疲 労 前 の 力 学 特 性 を 基 準 と し た 被 験 者 内 で の 相 対 的 変 化 か ら 筋 疲 労 を 検 出 で き る ．

2.4.4 筋音解析分野における生理学的応用

本 研 究 に よ っ て 提 案 し たrRM Sとrphase，す な わ ち ，HSVに 含 ま れ る 粗 大 振 動 の 特 徴 とMSVに 含 ま れ る 粗 大 振 動 の 特 徴 比 較 か ら 得 ら れ る 相 関 係 数 は ，5% MVCか ら 最 大 筋 出 力 付 近 ま で を 通 し て ，MSV内 の 粗 大 振 動 と 筋 線 維 活 動 の 内 訳 を 推 定 す る こ と が で き る ．本 研 究 で 得 ら れ た 周 波 数 分 解 能13 Hzは 筋 生 理 学 研 究 に と っ て 必 ず し も 十 分 で は な い が ，よ り 高 い サ ン プ リ ン グ 周 波 数 で 計 測 を 行 っ て ス ペ ク ト ル 解 析 の 窓 関 数 の 幅 を 広 げ れ ば ，よ り 詳 細 な 解 析 も 可 能 で あ る ．ま た ，本 研 究 で は 実 験 時 間 の 短 縮 の た め に ラ ン プ 状 筋 収 縮 を 採 用 し ，結 果 ，筋 出 力 ご と に 得 ら れ る 情 報 量 を 犠 牲 に し て い る が ，本 研 究 の 結 果 を 基 に ，例 え ば 筋 収 縮 由 来 の 振 幅 が 拍 動 由 来 の 振 幅 を 上 回 り 始 め る20% MVC付 近 な ど の 重 要 な 筋 力 レ ベ ル 周 辺 を 一 定 持 続 筋 収 縮 試 験 で 詳 細 に 調 査 す れ ば ，粗 大 振 動 や 筋 収 縮 活 動 の 特 性 を さ ら に 明 確 に で き る と 期 待 で き る ．