Muscle Strength and Electromyography. Teiji KIMURA, BS, RPT1J 1)Rehabilitation Room, Tokyo Kosei-Nenkin Hospital:5-1 Tsukudo Shinjuku-ku Tokyo 162 Jap
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(2) I II. J.. Exerc.. Physiol.. Vol.7. No.3,. August. 1992.. 電 位 と し て 観 測 さ れ る2)。. この集 合 電位 は一. 般 に 干 渉 波 と し て 呼 ば れ、 観 測 点 に 波 及 す る 筋 力 、 す な わ ち、 筋 の 収 縮 に よ っ て 発 生 す. 単 一 運動 単 位活 動 を時 間的 な 過程 と して. る 張 力 の 時 間 的 ・空 間 的 な 特 性 は 、 要 求 さ れ. S1(t);i=1，. ・ ・ 。，N. る 運動 の強度 、 速 度、 時 間、 協 調性 な どに よ. と書 く 時 、 そ の 重 ね で あ る. っ て 異 な る。 そ し て 、 こ の よ う な 筋 収 縮 特 性 の 変 化 は 、 表 面 筋 電 図 を 用 い た 定 量 的 ・定 性 的 な解 析 によ って あ る程 度観 測 す る こ とが 可 能 で あ る。 し か し、 表 面 筋 電 信 号 の 電 気 的 お よび統 計 学 的 な特 性 は非 常 に変 動 しや すい た め 、 測 定 方 法 や 信 号 処 理 に 関 す る具 体 的 な 方 法 論 が 不 適 切 な 場 合 は、 抽 出 さ れ た デ ー タ の 情 報 価 値 は 極 め て 低 く、 実 際 的 な モ デ ル や シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 構 築 は 困 難 で あ る 。 した が っ て 、 筋 の 収 縮 特 性 を表 面 筋 電 図 学 的 に解 析 す る た め に は 、 そ の 解 析 の 目的 や 意 義 、 そ し て、 測 定 方法 、 信 号処 理 方法 、 統 計 学的解 析 方 法、 モ デ ル化、 シ ミュ レー シ ョン な どに 関 す る 方 法 論 を具 体 的 か っ 系 統 的 に 吟 味 す る こ と が 重 要 で あ る。 本 稿 で は 、 表 面・ 筋電 図 学 的解 析 の基 礎 的 事 項 に っ いて整 理 した上 で、 筋 力 を随意 収縮 力、 筋 疲 労 、 筋 力 ト レー ニ ン グ と い う広 義 の 筋 収 縮 特 性 と し て と ら え 、 こ れ らの 要 素 と 表 面 筋 電 図 と の 関 連 性 に 関 して 概 説 す る。 図1，. 筋 電 図 の 発 生 の模 式 図(堀. に よ る 竃}). こ こ で は、 表 面 筋 電 図 の 基 本 原 理 、 筋 電 計 の 基本 的 シス テム、 表 面 筋電 図 の基 本 的 測 定 方 法 お よ び 信 号 処 理 方 法 に っ い て 述 べ る。 1． 表 面 筋 電 図 の 原 理 表 面 筋 電 図 は 、図1のA、B、Cに に 、 筋 細 胞(筋. 線 維)の. 示 したよ う. 興 奮 に よる膜 電 位 の. 変 化 を皮 膚 表 面 に 貼 付 した 表 面 電 極 か ら導 出 し た も の で あ るP。. そ し て 、 実 際 に は 、 図2. の ご と く、 表 面 電 極 の 下 に あ る 個 々 の 運 動 単 位 の 活 動 電 位 が 繰 り返 し現 わ れ る反 復 過 程 と して の単 一 運動 単 位活 動 を多数 重 畳 した集 合. 図2． 表 面 筋 電 図 の構 成 的 モ デ ル(八. 名 ら2)に よ る).
(3) 運動生理 に よ っ て 表 現 さ れ る 。 こ こ でNは. 第7巻. 、活 動 状 態. 第3号1992年8月 筋 電 計 の基 本 的 な構成 は、 増 幅部 、 モ ニ タ. に あ る 運 動 単 位 の 個 数 を 表 わ し 、S1(t)の. ー 部、 ス ピ ー カ ー 、 記 録 部 な ど よ り構 成 さ れ 、. サ フ ィ ッ ク スiは. 誘 発 筋 電 図 の 場 合 は、 さ ら に、 電 気 刺 激 装 置. 、 そ れ がi番. 目の運 動 単. 位 活 動 で あ るこ と を示 す。 また、 観 測点 を固 定 し て 時 間 的 な 過 程 と して と らえ た 単 一 運 動 単 位 活 動S1(t)は 動 波 形h1(t)が. 、観 測 点 に 波 及 す る 単 一 運. (図2)で. 繰 り返 し 現 わ れ る 反 復 過 程. や加 算 平均 装 置 が付 加 され る。 増 幅 部 は 、 基 本 的 に は 差 動 増 幅 器 で あ る が、 筋 電 図 の 電 圧 範 囲 は10μV〜10mVと 周 波 数 領 域 も2Hz〜2KHzと. 低 電 圧 で、. 低 周 波領 域 で あ る. と と も に、 電 極 と 生 体 と の 接 触 イ ン ピ ー ダ ン. あ り、 こ れ は 、. ス が. 数 十 〜 百kΩ. 程 度 ま で の 大 き さ を示 す. 場 合 が あ る た め、 ひ ず み の 少 な い安 定 した 筋 と 表 現 さ れ る 。 こ こ で 、 τijはi番 動 単 位活 動 にお け る 」. 目の運. 番 目の イ ンパ ル ス生. 、 一・定 収 縮 時 に お け る 正 常 筋 に お. い て は 、 異 な る2っ. 特 性 が 必 要 に な る7〕 。 ①2Hz〜2KHzの. 起 時刻 を表わ す。 斎 藤3)は. 電 信号 を導 出 する た め には、 次 の よ うな 増 幅. の 運動 単 位活 動 間 の実 時. 周 波 数 を 一 様 に 増 幅 す る。. ② 高 い 入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス と低 い入 力 キ ャ パ シタ ンス をもっ。. 間 イ ンパ ル ス相互 相 関 関数 には統 計 的 に有 意. ③ 高 い弁 別 比 があ る。. な 相 関 は み られ ず 、 単 一 運 動 単 位 イ ン パ ル ス. ④ 低域 お よび高 域 周波 数 の 遮 断 フ ィル タ を有. 列 は 変 動 率 の さ ほ ど大 き く な い 正 規 型 の イ ン パ ル ス 間 隔 分 布 を も ち、 系 列 相 関 関 数 に は 有 意 な 相 関 が 認 め ら れ な い と述 べ て い る 。. す る。 ⑤ 広 い 範 囲 で 増 幅 度 調 節(変. 動 比10，000倍). が 可能 で あ る。. し か し、 臨 床 場 面 に お け る 動 的 な 表 面 筋 電. この よ うな増 幅 条 件 を滴 た す ため に、 筋 電. 図測 定 に お いて は、 筋 収縮 が時 間 的 に変動 す. 計 は 次 の よ う な 一 般 的 な 特 性 を有 す る 必 要 が. る た め、 観 測 さ れ た 表 面 筋 電 信 号 の 確 率 過 程. あ る7)。. の 定 常 性 す な わ ち エ ル ゴ ー ド性 の 仮 定 の 可 能. ① 入 カ イ ン ピ ー ダ ン ス=180MΩ. 性 な ど筋 電 信 号 の 統 計 学 的 な 変 動 特 性 に つ い. ② 弁 別 比:80dB以. て 十 分 に 吟 味 す る 必 要 が あ る4)。. ③ 低 域 フ ィ ル タ;遮. 上. の電 極 に よ る表 面双 極 誘導 法 が 用. ④ 高 域 フ ィ ル タ=遮. い ら れ る 。 こ の 場 合 、 通 常 直 径 数 皿皿か ら10mm 位 のAg/AgCl皿. 型電 極 が 用 い られ る こ とが. 断 周 波 数2，5，10，50Hz (一3dB). 次 に表 面 筋電 図 の導 出方 法 であ る が、 一般 的 に は2個. 以 上. 断 周 波 数O．5，2，10KHz (一3dB). ⑤ ハ ム フ ィ ル タ=商. 用 周 波 数(50あ. る い は60. 多 い が 、 こ の 場 合 、 電 位 の 広 が りに 対 して 電. Hz)成. 分 の 除 去 が可 能. 極 の 大 き さが小 さ けれ ば電 圧分 布 の 歪 み は大. ま た、 筋 電 計 の 基 本 的 な 仕 様 と して 、 針 電. し た こ と な い が 、 電 極 が 大 き くな る と電 圧 分. 極 を用 い た 診 断 的 な 筋 電 図 検 査 や 誘 発 筋 電 図. 布 の 形 が歪 ん で しま うこ とに注 意 す る必 要 が. に お い て はon‑line式. あ る5)。. が 、 理 学 療 法 の 分 野 で 動 作 学 的 に 筋 活 動 を分. ま た、 電 極 の 種 類 に よ る 筋 電 信 号 の 日 間 変 動 に 関 し て 、Girouxら6)は. 、 表面 電 極 は筋 内. に 挿 入 し た ワ イ ヤ ー 電 極 よ り も統 計 学 的 な 信 頼性 が 高 い こ とを指 摘 して いる。 2．. 筋 電 計 の基 本 的 システ ム. の筋 電 計 が用 い られ る. 析 す る に は 、 テ レメ ト リ ー 式 の 表 面 筋 電 計 が 有 用 であ る。 3． 表 面 筋 電 図 の 測 定 方 法 表 面 筋 電 図 は、 機 器 、 測 定 者 、 被 測 定 者 、 測 定 環 境 な ど種 々 の 測 定 条 件 に よ っ て 測 定 デ.
(4) J.. Exerc.. Physiol.. Vol.7. No.3,. August. 1992.. 一 タ が 変 動 す る た め、 デ ー タ の 信 頼 性 、 再 現. cut・Hum、. 性 を 高 め る た め に、 こ れ ら の 変 動 を 最 小 化 し. モ ニ タ ー 感 度(monitorsensitivity)な. て い くこ とが 重要 で あ る。. の 測 定 条 件 を 設 定 す る。 ま た、 筋 電 信 号 を 筋. 以 下 に、 表 面筋 電 図 の基 本 的 な測定 方法 を. 掃 引 速 度(sweepvelocity)、 ど. 電 計 の ア ナ ロ グ端 子 か ら導 出 し、 デ ー タ レ コ. 列 挙 す る。. ー ダ に 記 録 す る 場 合 は、 デ ー タ レ コ ー ダ の 入. (1)患 者 へ の オ リ エ ン テ ー シ ョ ン. 力 条 件 を設 定 す る と と も に 、 筋 電 計 と デ ー タ. 非 常 に基 本 的な 事 で ある が、 表 面筋 電 図 を 用 い た 測 定 の 目的 や 方 法 、 そ して 、 抽 出 さ れ る筋電 図 情 報 の活 用意 義 な どに関 して十 分 に. レ コ ー ダ と の バ ラ ン ス を調 節 す る 必 要 が あ る。. (8)測 定 の 実 施 実 際 の 測 定 を実 施 す る 。 他 の 信 号 と 同 期 さ. オ リ エ ン テ ー シ ョ ン を 実 施 し、 患 者 の 納 得 ・. せ て、 デ ー タ レ コ ー ダ に 記 録 す る 場 合 は 、 で. 了 解 を 得 た 上 で 測 定 を実 施 す る こ と が 重 要 で. き るだ け具 体 的 な測 定 状況 を音声 に て録 音 し. あ る。. て お く と再 生 処 理 の 段 階 で 便 利 で あ る 。. (2)皮 膚 に 対 す る 前 処 理. (9)表 面 筋 電 図 の 記 録. 皮fA'と 表 面 電 極 と の 間 の 接 触 イ ン ピ ー ダ ン ス(impedance)を. 減 少 さ せ る た め に 、前 処 理. 測 定 結 果 を記 録 す る 。 日 常 的 な 測 定 や 訓 練 で 使 用 す る 場 合 は、 記 録 紙 で の 記 録 で も 十 分. 剤 な ど を 用 い て 十 分 に 前 処 置 を 実 施 す る。. で あ る が、 定 量 的 な信 号 処 理 を実 施 す る た め. (3)表 面 電 極 の 貼 付. に は、 ア ナ ロ グ 信 号 と して デ ー タ レ コ ー ダ な. 筋 腹 中 央 で 筋 線 維 の 走 行 と平 行 に 、 中心 電 極 間 距 離2〜3cmで. 表 面 電 極 を 貼 付 す る8)。. どに 記録 して お く必要 があ る。 4． 表 面 筋 電 図 の 信 号 処 理 以 上の よ うな過 程 で導 出 された 筋電 信 号 を. (4)接 触 抵 抗 の 測 定 電 極 と生体 との 間 の接触 イ ン ピー ダ ンス を. 解 析 す るた め には、 信 号 処理 専 用 の解 析 機 器. 測 定 す る。 安 定 した筋 電 図 を導 出 す るた め に. か 、 パ ー ソ ナ ル ・コ ン ピ ュ ー タ で 操 作 で き る. は 、10Hz〜2KHzの. 信 号 処 理 ソ フ トを 用 い る。 こ こ で は 、 後 者 の. 周 波 数 領 域 に お い て 、2KΩ. 以 下 ま で 接 触 イ ン ピ ー ダ ン ス を低 下 さ せ る こ. シス テム を用 いた 場合 の 基本 的な 筋電 信 号処. と が 望 ま し い。 接 触 イ ン ピ ー ダ ン ス の 測 定 は、 機 器 に 内 蔵 さ れ て い る イ ン ピ ー ダ ン ス ・イ ン ジ ケ ータ か、 専用 の 測 定器 を用 い る。 (5)導 出 ラ イ ン の 接 続 ・確 認 表 面 電 極 か ら本 体 ま で の ラ イ ン を 接 続 し、 確 実 に 接続 され て い るか を確認 す る。 リー ド 線 の 振 れ な ど は 、 ア ー チ フ ァ ク トの 原 因 に な る ので動 作 に影響 を与 え な いよ うに 適切 な 位 置 にテ ー プで 固定 す る。 (6)ア ー ス の 設 置 1点 集 中 式 で 、 ア ー ス を 設 置 す る 。 ま た 、 静 的 な測 定 条 件の 場 合 は、 患者 の下 に シー ル ド シ ー ツ を引 く こ と が 望 ま し い 。 (7)測 定 条 件 の 設 定 増 幅 感 度(sensitivity)、 constant)、. 時 定 数(time. ブ イ ル タ ー …loacut・high. Fig. 3. Block Diagram of Signal. Processing.
(5) 運動坐理. 第7巻. 第3号1992年8月. 理 につ い て 述 べ る(図3)。. a．低 域 通 過 フ ィ ル タ(low. (1)信 号 処 理 ソ フ ト へ の 筋 電 信 号 の 入 カ. b． 高 域 通 過 フ ィ ル タ(high. pass. filter). デ ー タ レ コ ー ダ か ら、 筋 電 信 号 や 他 の ア ナ. c．帯 域 通 過 フ ィ ル タ(band. pass. filter). ロ グ デ ー タ を 再 生 し 、A/Dコ ン バ ー タ を 介 し て. d． 帯 域 阻 止 フ ィ ル タ(band. stop. filter). デ ィ ジ タ ル 信 号 に 変 換 し、 パ ー ソ ナ ル ・コ ン. pass. filter). ② 整 流(Rectification). ピ ュ ー タ 内 の 信 号 処 理 ソ フ トに デ ー タ を取 り. 整流 には、 筋 電 位 の負 の部 分 を除 去す る 半. 込 む 。 こ の 際 、fm[Hz]以. 波 整 流(half‑wave. 上 の周 波 数成 分 を. 含 ま な い 信 号 は 、 ∠tを1/2f皿[秒]以 選 べ ば 、 離 散 信 号x(k∠t)か 号xa(t)を. 下 に らアナ ロ グ信. 完全 に復 元す るこ とが で き る と. い う 標 本 化 定 理(SamplingTheory)に. 基 づ. rectification)と. 、負. の 部 分 を反 転 さ せ 正 の 電 位 に 整 流 す る 全 波 整 流(full‑wave. rectification)が. あ. る13)(図5)。 ③ 積 分(Integration). い て 、 サ ン プ リ ン グ ・タ イ ム を設 定 す る 必 要. 時系 列 デ ー タ と時 間軸 に 囲 まれ た部 分 の 面. が あ る9)(図4)。. 積 を 求 め る 方 法12J(図5)。. (2)表 面 筋 電 図 の 基 本 的 な 信 号 処 理 項 目. 積 分 と 振 幅 積 分 の2種. これ に は、 面 積. 類 があ る。. 表 面 筋 電 図 を信 号 処 理 す る場 合 、 前 述 の ご と く筋電 信 号 の統 計 学 的 な特性 を十 分 に吟 味 す る と と も に筋 電 信 号 の 特 性 を最 も 的 確 に 表. ④ RMS(Root. Mean. Square). 現 で き る処 理項 目を選 定 す る ことが 重 要 であ. 指定 した 区 間毎 のデ ー タの変 動分 の振 幅 と. る。. し て、 デ ー タ の 値 か ら 平 均 値 を 引 い た 値 の. 以 下 に、 表面 篇 電 図 の一 般 的 な信 号 処理 項. こ 乗 の 平 均 の 根 を 計 算 す る 方 法13)。. 目 に つ い て 列 挙 す る9)。 ① デ ィ ジ タ ル ・フ ィ ル タ(DigitalFilter) 時 系列 デ ータ の任 意 の周 波 数帯 域 の信 号 成. ⑤ 周波 数 分析. 分 を抽 出 し、 他 の 周 波 数 成 分 を 除 去 す る 方. 高 速 フ ー リ エ 変 換(Fast. 法。. form，FFT)を. デ ィ ジ タ ル ・フ ィ ル タ に は 次 の4種. 類 があ. る10)11)。. Fourier. Traps. 用 い る こ と に よ っ て 、時 間 の. 経 過 と と も に 変 化 して い る 波 形 の 特 徴 を、 時 間 軸 に お け る 振 幅 の 変 化 と い う 見 方 か ら、 周 波 数 軸 に お け る 周 波 数 成 分 の 大 き さ と い う 見 方 に 変 換 す る 方 法(図5)．. 具 体 的 な パ ラ. メ ー タ と し て は、 ビ ー ク パ ワ ー周 波 数 (peak. power. 波 数(me‑an. frequency)、 power. 間 パ ワ ー 周 波 数(median MdPF)な. 図4．. ア ナ ロ グ信 号 とデ ィジ タ ル信 号(伊. 藤 ら9)に よ る). 平 均 パ ワ ー 周. frequency，McPF)、. ど が あ る13)。. power. frequency，. 中.
(6) J.. Exerc.. Physiol.. Vol.7. No.3,. August. 定 常 な2っ. 1992 . の 信 号x(t)お. 互 相 関 関 数Cxy(τ. よ びy(t)の. 相. ・)は 十 分 長 い 時 間Tに. 対 して、 Stulenら14)は. 、こ れ ら の 周 波 数 特 性 は 筋 線. 維 の 伝 導速 度 と直線 的 な 関連性 が あ るこ と を報 告 し て い る 。 ⑥. と表 わ さ れ る 。. ⑧ 同期 加 算. 自 己 相 関(Auto‑correlation). 1つ の 時 系 列 ヂ ー タ と そ れ を 任 意 の 時 間 間 隔(τ)ず. ら し た 場 合 と の 相 関 関 係 を解 析. 同 一 条 件 下 で 繰 り返 し測 定 さ れ た い く っ か の 時系 列 デ ー タ を同一 測 定位 置 で単 純 に 平 均化 す る 方法。. す る 方 法13)。 定 常 な 信 号x(t)の. 自 己 相 関 関 数Cxx(τ). は 、 十 分 長 い 時 間Tに. ⑨ 移動 平均. 対 し て、. 任意 の デ ー タ毎 に平 均化 す るこ とに よ って 波 形 を平 滑 化 す る 方 法 。 filterの. と表わ され る。. 一 種 のlow. pass. 役 目 を果 た す 。. ⑩ 正規 化. ⑦ 相 互 相 関(Cross‑correlation). 測 定 時 間 の 異 な っ た 時 系 列 デ ー タ 同 士 を比. 任 意 の 時 間 差 τ だ け 離 れ た2つ. の 時系 列 デ. ー タ の 相 関 関 係 を 解 析 す る 方 法13). Fig.. 5. 較 す る た め に 、 各 々 の デ ー タ を任 意 の デ ー. 。. Fundamental. Parameters. of S-EMG (M. V. C. ).
(7) III. 運動生理. 第7巻. タ点 数 に基 準 化 す る方法 。 5． 表 面 筋 電 図 の 制 御 工 学 的 解 析 表 面 筋 電 信 号 な ど の 生 体 信 号 を制 御 工 学 的. 第3号1992年8月 位 発 火 頻 度 と の 活 動 比 率 に 関 して 一般 的に、 随意 的 筋収 縮 力 が増 加 す る に し た が い 表 面 筋 電 図 の 生 波 形(rawEMG)は. 、干. な 側 面 か ら解 析 す る こ と は 、 生 体 を シ ス テ ム. 渉 性 が 密 に な り、 振 幅 も 増 大 し て い く。 こ の. と し て と ら え る 上 で 非 常 に 有 用 な 方 法 の 一つ. よ うな 現 象 は、 運 動 単 位 の 発 火頻 度 の 増 加. で あ る。 制 御 工 学 的 な 解 析 項 目 に は 、 次 の よ うな項 目が あ るが、 具 体 的 な解 析 内容 に関 し. (以 下 、ratecoding)と. 運 動 単 位 の 参 画 数. (以 下 、recuruitment)の. 増 加 の両 者 の相 互. て は 、 成 書 を 参 照 し て 頂 き た い4》9)15)16)。. 作 用 の 総 和 と し て 惹 起 さ れ る と考 え ら れ て い. (1)線 形 解 析. る が 、 こ の2っ. 1)線 形 シ ス テ ム の 入 出 力 表 現 ① 伝達 関 数. の要 素 の活 動 比率 は、 発揮 筋. 力 や 実 験 方 法 論 な ど に よ っ て 異 な る こ とが 報 告 さ れ て い る。 Basmajian13)は. ② イ ンパ ル ス応 答. 、 運 動 単 位 に お け るrate. codingとrecuruitmentの. ③ ステ ップ応 答 2)線 形 シ ス テ ム の 内 部 表 現. ①ratecodingは. 状態 方程 式. 活 動 比 率 に 関 し て、. つ ぎ の よ う に 報 告 し て い る0 、 筋 に よ っ て 異 な り、手 部. の よ うな小 さい筋 に お け る発 火頻 度 は、 相. 3)周 波 数 伝 達 関 数 ① ベ ク ト ル 軌 跡(ナ. イ キ ス ト線 図). ② ボ ー ド線 図. 対 的 に 低 頻 度 か ら 始 ま り、 大 き な 筋 の 運 動 単 位 よ リ相 対 的 に 高 い 頻 度 に 到 達 す る 。 ま た 、 大 き な 筋 に お け る 発 火 頻 度 は 、20〜25. (2)非 線 形 解 析 1)位 相 面 解 析:定. 性 的手 法. Hzで プ ラ ト ー に 達 す る 傾 向 を 示 す が 、 小 さ. 2)記 述 関 数 法=近. 似 手法. い 筋 に お い て は60Hzに. 3)汎 関 数 級 数 モ デ ル. ②recuruitmentは. 達 す る。. 、 筋 に よっ て異 な る。 手. ① ボ ル テ ラ級 数. 部 の よ う な 小 さ い 筋 に お い て は 、 殆 どの 運. ② ウ イナ ー 理 論. 動 単 位 が50%MVC以. 下で 動 員 され るが 、. 大 き な 筋 に お い て は 、 少 な く と も90%MVC か ら100%MVCま. でrecuruitmentが. 持. 続 す るO ③ 小 さ な 筋 は ま ずratecodingに. こ こで は、 筋 力 を随意収 縮 力、 筋 疲 労、 筋 力 ト レー ニ ン グ と い う3つ. の広 義 の筋 収縮 特. よ って、. そ し て 、 大 き な 筋 はrecuruitmentに. よ っ. て 出 力 を 調 節 さ れ る。 神 経 系 は 、 筋 出 力 の. 性 と して と らえ 、 こ れ ら の 要 素 と表 面 筋 電 図. 円 滑 さ を 調 節 す る た め に 、ratecodingと. との 関連 性 に関 して整 理 す る。. recuruitmentと. 1． 随 意 収 縮 力 と 表 面 筋 電 図. して い る と 考 え ら れ る 。. 随 意 収 縮 力 と 表 面 筋 電 図 との 関 連 性 に 関 し. の 配 分 の バ ラ ン ス を制 御. ま た 、 吉 田 ら17)は. 、 張力 発 生 に おけ る. て は、 発 揮筋 力 別 の運 動 単位 参 画頻 度 と運動. ratecodingとrecuruitmentの. 単 位発 火 頻度 との 活動 比率 に関 す る研 究 や、. 上 腕 筋 と 総 指 伸 筋 に分 け て 解 析 し た 結 果 、. 貢 献度 を. 発 揮 筋 力 と筋 放 電 特 性 と の 関 連 性 に 関 す る 研. 上 腕 筋 で はrecuruitmentが. 究 な ど を 中心 に 非 常 に 多 く の 報 告 が な さ れ て. はratecodingが. 、 総 指 伸筋 で. 、張 力 増 加 に 大 き く 貢 献. き て い る。. す る と報 告 し て い る。. (1)発 揮 筋 力 別 の 運 動 単 位 参 画 頻 度 と運 動 単. recuruitmentで. また、 彼 らは、. は張 力 が離 散 的 に増 加 す る.
(8) J.. Exerc.. Physiol.. Vol.7. No.3,. August. 図8．. 1992.. 筋 力 と筋 電 図(RMS)と N:各. の 関 係(筋. 別). 筋 の収 縮 回数(Lawrenceら30)に. よ る). との 直線 性 に関 す る議 論 が積 極 的 にな され て fig.. 6. Relative. contribution. recruitment. and. rate. い る の が 実 情 で あ る。. of coding. (吉 田 ら17)に よ る). 以 下 に 、 相 対 的 な 発 揮 筋 力 と筋 収 縮 特 性 と の関 連性 に関 して列 挙 す る。 ま ず 、 筋 力 と表 面 筋 電 図 の 積 分 値 と の 関 連 性 に 関 して で あ る が、 これ に は 、 随 意 収 縮 力 が増 加 す る に した が って筋 電 積分 値 も直線 的 に 増 加 す る と い う 報 告21)一23)と 増 加 す る と い う 報 告24)一26)、. 、非 直 線 的 に そ して、 状 況. に よ っ て 両 方 が 認 め ら れ る と い う 報 告27)2ω の3種. 類 の 立 場 が ある。. deVries29)は 図7。. 上 腕 二 頭 筋 に お け る 発 揮 筋 力 と積 分 筋 電 図 と の関 係 (de Vriesら29)に が 、ratecod‑ingで. よ る). 、肘 関 節 の 屈 筋 の 発 揮 張 力 と. 筋 電 積 分 値 と の 関 係 を 厳 密 に 観 測 し、 筋 収 縮 力 を増 加 さ せ て い っ て も 、 逆 に減 少 さ せ て い. は連続 的 増 加 が可 能. で あ る ため、 指 の よ う に張 力の 微 細 な制 御 を 必 要 と す る 筋 に お い て は 、ratecoding が よ リ 重 要 と な る と 述 べ て い る(図6)。 (2)発 揮 筋 力 と 筋 放 電 特 性 と の 関 連 性 につ い て. っ て も、 両 者 の 関 係 は 直 線 的 な 相 関 関 係 を示 す と 報 告 し て い る(図7)。 こ れ に 対 し、Lawrenceら30)は ま ずratecodingに. 、小 さ い 筋 は 、. 依 存 し 、 大 き な 筋 は 、ま. ずrecuruitmentに. 依 存 す る こ とに よっ て 出. 相 対 的 な 発 揮 筋 力 と表 面 筋 電 図 に お け る 筋. 力 が 調 節 さ れ る た め、 相 対 的 な 発 揮 筋 力 と筋. 放 電量 や 筋 放電 周 波 数 な どの筋 放 電 特性 との. 電 図積 分値 との 関連 性 は、 筋 の種 類 や トレー. 関 連 性 に 関 し て は 、Lippold18)やInman19)の. ニ ン グ ・レ ベ ル な どの 条 件 に よ っ て 異 な る と. 報 告以 来 、 非 常 に多 くの報 告 が な され て きて. 報 告 し て い る(図8)。. い る 。 し か し 、Perryら20)やBasmajianら13). 同 様 に 、Solomonowら31)も. 、 筋 力 と筋電 図. が 指 摘 し て い る よ う に 、 筋 力 と筋 電 図 デ ー タ. と の 関 連 性 は 、 筋 ご と のrecuruitmentと. と の 関 連 性 に 関 し て は200以. ratecodingと. 上 の 報 告が な. の 比率 によ って 影響 を受 け、. され て い るに も かか わ らず依 然 と して単 純 な. 直 線 的 な モ デ ル は 、 最 大 随 意 収 縮(maximal. 等 尺 性 収 縮 に お け る 筋 収 縮 力 と筋 電 図 デ ー タ. voluntary. contraction、. 以 下 、MVC)の0〜.
(9) 運動生理 50%ま. で をrecuruitmentに. 50〜100%ま. 第7巻. よっ て、 そ して、. で をratecodingに. よ って発 揮. 第3号1992年8月 は、 こ の 他 に 、 筋 力 と筋 電 位 伝 導 速 度 との 比 例 関 係 に 関 す る 報 告43)44)や. 自転 車 駆 動 に お. さ れ た 時 に 得 ら れ る が 、recuruitmentが. け る 脚 伸 展 発 揮 パ ワ ー(カ. MVCの0〜60%以. と の 間 の ほ ぼ 直 線 的 な 関 係45)46)に. 上 の範 囲 で遂 行 され た場. × 速 度)と1‑ENG 関 す る報. 合 は 徐 々 に 非 線 形 に 変 化 す る と報 告 し て い る。. 告 な どが な されて き て いる が、 上 述 のパ ラメ. また、 彼 らは、 発 揮筋 力 と筋電 積 分値 との. ー タと同 様、 報 告 者 に よ リ見解 の ば らっ きが. 関 連 性 に関 す る研 究 者 間の 不 一致 の 要 因 と し. 認 め られ る た め、 今 後 は よ り 臨 床 的 な 活 用 意. て、 ① 信 号 処理 方 法 の 内容、 ② 電 極 の種 類、. 義 も 考 慮 し た 上 で 検 討 して い く必 要 が あ る も. ③ 筋 の種 類、 ④ 発 揮筋 力 の レベル な どの方 法. の と思 わ れ る 。. 論 的 な 相 違 を挙 げ て い る 。. 2．. 同 様 に 、Bouisset32)、Sieglerら33)も. 、研. 筋 疲労 と表 面筋 電 図. 筋 疲 労 と表 面 筋 電 図 と の 関 連 性 に 関 して は 、. 究結 果 の 不 一致 の 要 因 と して、 信 号処 理 に お. 筋 の収 縮 力 が低 下 す るに 従 って、 表 面 筋 電 図. け る フ ィ ル タ特 性 の 相 違 を 挙 げ て い る 。. の 筋 放 電 積 分 値 が 増 加 し、 筋 放 電 周 波 数 成 分. 次 に、 発 揮 筋 力 と筋 放 電 周 波 数 特 性 と の 関 連 性 に関 してで あ るが、 こ れ には、 筋 収縮 力 を 増 加 さ せ る と 平 均 パ ワ ー 周 波 数(McPF)が 低 下 す る と い う 報 告34)一36)と 加 さ せ る とMcPFが. 増 加 す る とい う報 告. 、上 腕 二 頭 筋 に お け る 筋 収 縮 の 関 連 性 を 電 極 間 距 離10，20，. 30mmの3段. 階 で 検 討 し た 結 果 、60%MVCま. はMcPFが. 増 加 す る が 、60%以. る こ とが. 。. のMcPFは. 有 意 に 減 少 し、 こ の よ う な 変 動 は. 箭 の 種類 や、 構成 され て い る筋線 維 の タイ プ. 、 そ して 、 状 況 に よ り両 方 起 こ り得 る 3。)39)と い う 報 告 の3種 類 の立場 があ る 。. 力 とMcPFと. 波 化)す. 永 田 は 、 疲 労 前 後 に お け る 筋 電 ス ペ ク トル. 、筋 収 縮 力 を 増. 37)38). Gerdleら40)は. が 低 周 波 数 帯 域 へ 移 行(徐 一 般 的 に 報 告 さ れ て い る47). に よ っ て 異 な る と 報 告 し て い る4B)。 ま た 、Shochinaら49)は. 、上 腕 二 頭 筋 と 大 腿. 直 筋 の平 均 ス パイ ク持続 時 間、 平 均 ス パイ ク 数、 平 均 ス パ イ ク振 幅値、 平均 スパ イ ク積 分. で. 上 で はMePF. 値 を15〜5，000Hz、200〜5，000Hz、15〜200 Hzと い っ た3種. 類 の 異 な っ た フ ィ ル タ を用 い. の 変 化 は 認 め られ ず 、 ま た、 電 極 間 距 離 に よ. て 解析 した結 果、 疲労 す る に従 って ス パイ ク. るMcPFの. 持続 時間 の持 続 的 な増 加 とスパ イ ク数 の減 少. 有 意 な 変 化 は 認 め られ な か っ た と. 報 告 し て い る(図9)。 も 、McPFは. 同 様 に 、Hagbargら35). を認 め たた め、 低 い周 波 数 帯域 で は 高 い密 度. 高 い収 縮 レベル で は減 少 す る と報. の 遅 い 運 動 単 位 が 関 与 し、 高 い 周 波 数 帯 域 に. 告 し て い る。 こ れ に 対 し 、Moritaniら37}やBromanら38) は 、 上 腕 二 頭 筋 のMcPFは. 、0〜80%MVCま. で. の 間 は直 線 的 に増 加 す る と述べ て い る。 随 意 的 筋 収 縮 力 と筋 放 電 周 波 数 特 性 と の 関 連 性 に 関 す る こ の よ う な 所 見 の 不 一 致 は、 筋 に よ るrecuruitmentとratecodingの 連 性 の 相 違30}39)や. 関. 、 筋 組 成 の 相 違41)42)に. よ っ て 影 響 さ れ て い る と考 え ら れ て い る が 、 他 の 要 因 も考 慮 し た 上 で 今 後 の 系 統 的 な情 報 整 理の 必 要性 が感 じられ る。 発 揮 筋 力 と表面 筋 電 図 との関 連性 に関 して. 図9．. 上腕 二頭筋 における相対 的発揮筋 力と 平 均 パ ワ ー 周波 数(MePF)と (Gerdleら40)に. よ る). の関連 性.
(10) J.. Exerc.. Physiol.. Vol.7. No.3,. August. 1992.. お い て は 数 多 く の 速 い運 動 単 位 が 関 与 す る と 報 告 し て い る。 筋 疲 労 と筋 放 電 周 波 数 特 性 と の 関 連 性 に 関 し て 寺 沢 ら5。〕は ．示 指 伸 筋 に 対 し て 重 錘 を 負 荷 し、 負 荷 開 始 か ら 重 錘 落 下 ま で の 時 間 を10 等分 す る とと もに 各サ ンプ ル ご とに よ びMdPFを. 移 動3点. 麗ePFお. 平 均 処 理 を実 施 し た 結. 果 、 グ ラ フ の 中心 付 近 に 偏 曲 点 を確 認 す る こ と が で き る と し、 筋 疲 労 の 客 観 的 指 標 と し て の 有 用 性 に っ い て 報 告 し て い る(図10)。. 図10． 筋 疲 労 過 程 に お け るMePFとMdPFの (20才 、 男 性)(寺. 筋 疲 労 を単 に 筋 電 図 学 的 に 解 析 す る だ け で. 沢 ら50)に. 偏曲点 よ る). な く、 実 際 的 な 筋 力 ト レ ー ニ ン グ に お け る 使 い す ぎ 症 侯 群(over. use. syndrome)の. 予 防. と いう観 点 か らと らえ る上 で、 寺 沢 らの筋 放 電 周波 数 成 分 の偏 曲点 は有 用 な指 標 の 一っ で あ る と 思 わ れ る。 3． 筋 カ ト レ ー ニ ン グ と 表 面 筋 電 図 筋 カ ト レー ニ ン グ と表 面 筋 電 図 と の 関 連 性 に 関 し て は、 筋 力 ト レー ニ ン グ に よ る 筋 電 積 分 値 の変 化 を中心 に報 告 され て きて い る。 Fukunaga51)は. 、ト レ ー ニ ン グ の 比 較 的 初 期. は 、recuruitmentに. よ っ て最 大筋 力 が増 加. し、 ト レ ー ニ ン グ が 長 期 に な る と、 筋 力 の 増 加 は 筋 断 面 積 の 増 大 に よ り惹 起 さ れ 、 こ の よ う な変 化 に と もな って、 筋 電 積 分値 が 増加 し て い く と 報 告 し て い る(図11)。 ま た 、 永 田12)は. 、筋 カ ト レ ー ニ ン グ を 実 施. 図ti．. 筋力. ト レ ー ニ ン グ 効 果 の 分 析(Fukunaga51)に. よ る). し て い る グル ー プ と実 施 し て い な い グ ル ー プ に お け る 積 分 筋 電 図 を解 析 し た 結 果 、 一 定 負. 的 な側面 も重 要 な要 素 で あ る ため、 今後 は量. 荷 に お い て は ト レー ニ ン グ 群 の 方 が 穣 分 値 が. と質 の 両 面 か ら よ リ系 統 的 に 解 析 して い く こ. 低 く、 ま た、 負 荷 を増 大 さ せ て い く と 非 ト レ. と が 重 要 で あ る と思 わ れ る 。. ー ニ ン グ 群 に 比 べ て ト レー ニ ン グ群 の 方 が 積 分 値 の 増 加 の 勾 配 が 小 さ い た め、 ト レ ー ニ ン グ に よ っ て 肥 大 した 筋 に お い て は、 で き る だ. IV． 表 面 筋 電 図 学 的 研 究 の 今 後 の 課 題. け少 な い筋 放 電量 で で きる だけ大 き な筋 収 縮 力 を 発 生 さ せ る よ う な 機 構 が 働 く と 示 唆 して い る。 こ れ ら の 報 告 は 、 筋 カ ト レー ニ ン グ に よ る. 表面 筋電 図学 的 研究 を基礎 的お よ び臨 床 的 な 分 野 に お い て よ り実 践 的 に 展 開 し て い く た め に は、 以 下 に 列 挙 し た よ う な 基 本 的 な 課 題. 筋 収 縮特 性 の 変化 を量 的 に と らえて いる もの. に 対 して 系 統 的 に 対 応 し て い く こ と が 重 要 で. で あ る が 、 実 際 の ト レー ニ ン グ に お い て は 質. あ る と 思 わ れ る。.
(11) 運 動 生理. 第7巻. 第3号1992年8月. 図12． 生 体信号 解析 の基 本 的方法 論(伊 藤 ら9)に よる). 1． 表 面 筋 電 図 の 測 定 方 法 の 標 準 化 安 定 した表 面筋 電 信 号 を導 出 す るた め に、 V． お わ. 基 本 的 な 測 定 方 法 に 関 し て は標 準 化 し て い く. りに. 必 要 が あ る と 思 わ れ る。 2．. 筋電 信 号 の処 理 方法 の標 準化. 筋 電 信 号 の 統 計 学 的 な 信 頼 性 ・再 現 性 を 高 め る と と も に、 異 な っ た 研 究 者 の デ ー タ ど う. 本稿 で は、 表 面 筋電 図学 的解 析 の 基礎 お よ び 筋収 縮特 性 と表 面筋 電 図 との関 連性 にっ い て 概 説 した 。. し を 比 較 可 能 に す る た め に、 基 本 的 な 信 号 処. 本 文で も 述べ た よ うに表 面筋 電 図 は、 筋 の. 理 方 法 に 関す る標 準 化 が必 要 で あ る と思わ れ. 量 的 ・質 的 な 収 縮 特 性 を い く っ か の 側 面 か ら. る。. 定 量 的 およ び定 性 的 に観 測 す る こ とが で きる. 3．. 生体 シス テ ム と して のモ デ ル化 お よび シ ミ ュ レー シ ョ ン の 展 開. 表 面筋 電 図 学 的研 究 の多 くが、 筋 電信 号 の "定 量 的 な 解 析"の 段 階 に と どま っ て い る が、. 有 用 な測定 方法 で あ る。 し か し、 そ の 反 面 、 統 計 学 的 な 特 性 と し て は 変 動 し や す い 性 質 を有 す る 生 体 情 報 で あ る た め、 基礎 的 お よび 臨床 的 な場 面 に お いて 実. よ り実 践 的 な 過 程 と し て は、 生 体 シ ス テ ム な. 践 的 に活 用 してい くため に は、 測 定 や信 号処. ど の 工 学 的 な 概 念 も 積 極 的 に導 入 す る こ と に. 理 に 関 す る 具 体 的 な 方 法 論 的 吟 味 を実 施 し て. よ っ て モ デ ル 化 や シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ・シ ス テ. い く こ と が 重 要 で あ る と 思 わ れ る。. ム を 構 築 して い く こ と が 重 要 な 課 題 で あ る と. ま た、 臨 床 的 な 表 面 筋 電 図 学 的 解 析 に お い. 思 わ れ る(図12)9)。. て は 、 疾 患 別 の 表 面 筋 電 図 学 的 特 性 を整 理 す. 4．. る と と も に 、 モ デ ル 化 や シ ミ ュ レー シ ョ ン に. 臨床 活 動 への 還 元. 表 面 筋 電 図 を 用 い た 臨抹 的 研 究 に お い て は 、. 基 づ い て 生 体 シ ス テ ム と し て の 特 性 を模 式 化. 断 片 的 な 観 測 に と ど ま る こ と な く、 で き る だ. す る こ とに よって、 それ に対 す る最適 制 御 と. け 臨 床 場 面 に お け る 評 価 的 ・治 療 的 な 意 志 決. して の理 学 療法 プ ログ ラム の意 志 決定 シス テ. 定 に 貢 献 す る よ う な 情 報 と して 患 者 自 身 に 還. ム を構 築 し て い く こ と が よ り重 要 な 課 題 で あ. 元 さ せ て い く こ と が よ り重 要 な 課 題 で あ る と. る と思 わ れ る 。. 思 わ れ る52)。.
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