Usefulness of the Continuous Wavelet Transform for Evaluating Muscle Fatigue during Dynamic Contractions* Toshio HIGASHI,** Toshiya TSURUSAKI,*** Hlsa

42-4, 230/235(2004)

研究 速報

動的運 動時の筋疲 労評価 にお ける

連続 ウ ェー ブ レッ ト変換の有用性*

東 登 志 夫**・ 鶴 崎 俊 哉***・ 徳 島 尚 生 † ・野 口 義 夫 †

Usefulness of the Continuous Wavelet Transform for Evaluating Muscle Fatigue during Dynamic Contractions*

Toshio HIGASHI,** Toshiya TSURUSAKI,*** Hlsao TOKUSHIMA,•õ Yoshio NOGUCHI•õ

Abstract Surface electromyography(SEMG)during an arm curl task was analyzed using the time-frequency technique of continuous wavelet transform(CWT)in order to evaluate muscle fatigue. Eleven healthy male vol-unteers performed arm curls with a 5kg dumbbell until exhaustion. SEMG was recorded from the biceps brachii muscle. Instantaneous mean frequency(IMF), median frequency(IMDF), and proportion of high-frequency com-ponents were calculated from coefficients of CWT, which was applied to six SEMG recordings of 1-s duration ac-quired at 5,10,15, 20, 25 and 30 trials of the task. The results showed that IMF and IMDF significantly shifted towards the lower frequency, and that the proportion of high-frequency components was significantly decreased. We were thus able to demonstrate a fluctuation in SEMG as a sign of muscle fatigue during dynamic contraction such as arm curls. The time-frequency analysis of SEMG using CWT is a useful method for evaluating muscle fa-tigue during dynamic contractions.

Keywords:continuous wavelet transform, SEMG, muscle fatigue.

1. は じ め に リハ ビ リ テ ー シ ョン 医療 や ス ポ ー ツ 分 野 で の 運 動 訓 練 に お い て, 運 動 量 が 多 す ぎ る と過 用 症 候 群 を引 き起 こ し, 筋 痛 や 腱 断 裂 な どに よ り, そ の 後 の 訓 練 に 悪 影 響 を 及 ぼ す こ とが あ る1). 適 切 な運 動 処 方 を行 う た め に は, 運 動 時 の 筋 疲 労 の 状 態 を, 十 分 に 把 握 す る こ とが 重 要 で あ る. 筋 疲 労 を定 量 的 に 評価 す る 方 法 と して, 血 中乳 酸 値, 局 所 酸 素 動 態, 表 面 筋 電 図(surface electromyography;SEMG), 主 観 的 疲 労 感 な ど を用 い る 報 告 が あ る2). な か で もSEMG は, 簡 便 か つ 非 侵 襲 な の で 被 験 者 へ の 負 担 が少 な く, また 個 別 の 筋 が 評 価 可 能 で あ る こ と か ら, 広 く用 い ら れ て い る. こ れ ま で のSEMG周 波 数 解 析 の 研 究 に よ っ て, 筋 疲 労 時 に は, 周 波 数 中 央 値(median frequency;MDF)や 平 均 周 波 数(mean frequency;MF)が, 低 周 波 側 ヘ シ フ トす る こ と な ど が 報 告 さ れ て い る3∼5). 但 し, SEMGの 周 波 数 解 析 で, こ れ ま で よ く 用 い ら れ て き た 高 速 フ ー リ エ 変 換 (fast Fourier transform;FFT)で は, 信 号 の 定 常 性 が 前 提 と な る. し か し, SEMGの 変 化 が 比 較 的 に 一 定 し て い る 等 尺 性 収 縮(isometric contraction)の 場 合 で あ っ て も, 最 大 随 意 収 縮(maximum voluntary contraction;MVC)の 20∼30%以 下 で は, 定 常 性 が あ る と 見 な す こ と が で き て も, MVCの50%以 上 で の 筋 収 縮 で は, SEMGの 変 化 が 激 し く非 定 常 信 号 と 見 な す べ き と の 報 告 も あ り6), 動 的 運 動 時 のSEMGへ の 適 応 も 含 め, FFT適 応 の 限 界 が 指 摘 さ れ て い る7∼10). し た が っ て, リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン や ス ポ ー ツ に お け る 様 々 な 動 的 運 動 時 の 筋 疲 労 の 動 態 を, SEMGの 解 析 値 に よ っ て 評 価 す る た め に は, 非 定 常 波 形 の 分 解 能 に 優 れ た 方 法 を 採 用 す る 必 要 が あ る. こ の よ う な 非 定 常 波 形 の 解 析 手 法 と し て, 近 年, ウ ェ ー ブ レ ッ ト変 換 が 開 発 さ れ, 様 々 な 分 野 で 応 用 さ れ 成 果 を あ げ て い る11∼13). さ ら に, SEMGの 解 析 に 応 用 し た 報 告7∼10, 14, 15)も近 年 で は 散 見 さ れ る よ う に な っ て き た. た と え ば, Karlssonら7)は, 膝 関 節 伸 筋 の 異 *2004年6月1日 受 付 , 2004年9月8日 改 訂 Received June 1, 2004;revised September 8, 2004. **神 奈 川 県 立 保 健 福 祉 大 学 リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 学 科

The School of Rehabilitation, Kanagawa University of Hu-man Services

***長 崎 大 学 医 学 部 保 健 学 科

The School of Health Sciences, Nagasaki University †佐 賀 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科

Graduate School of Science and Engineering, Saga Univer-sity

-30-な る3つ の 収 縮 様 式(最 大 随 意 収 縮, ramp収 縮, 動 的 反 復 収 縮)のSEMGの 時 間 ・周 波 数 解 析 にお い て, 推 定 精 度 の 見 地 か ら, 連 続 ウ ェ ー ブ レ ッ ト 変 換(continuous wavelet transform;CWT)と そ の他3種 の 時 間 ・周 波 数 解 析(STFT, Wigner-Ville distribution, Choi-Williams distri-bution)と の 比 較 検 討 を試 み, CWTが 最 も正 確 で あ っ た こ とを報 告 し て い る. ま た, 下 肢 エ ル ゴ メー タ ー 訓 練 時 の疲 労 過 程 にお け る 下 肢 筋 群 のSEMG変 化 を, CWTを 用 い た 時 間 ・周 波 数解 析 で検 討 し た報 告 もあ る14). しか しな が ら, 本 法 の 実 用 化 の た め に は, さ ら に様 々 な運 動 や 筋 を対 象 と して, そ の 有 用 性 の 検 討 を 行 う こ とが 必 要 と思 わ れ る. そ こで, 本 研 究 で は, 上肢 の 筋 力 増 強 訓 練 と して 良 く用 い られ る ダ ンベ ル 負 荷 で のarm curl課 題 時 に, 上 腕 二 頭 筋 か ら導 出 した 表 面 筋 電 図 に 対 して, CWTに よ る 時 間 ・周 波 数 解 析 を試 み, そ の 動 的筋 活 動 時 の 筋 疲 労 評 価 法 と して の 有 用 性 につ い て の 確 認 を行 っ た. 第1図 実 験 模 式 図 Fig. 1 Experimental setup.

2. 実 験 方 法 2・1 被 験 者 被 験 者 は, 過 去 に重 篤 な神 経 学 的疾 患 の 既 往 の ない, 健 常 成 人 男 性11名(平 均 年 齢24.5±5.3)の 志 願 者 で あ る. 全 被 験 者 に対 して は, 事 前 に 実 験 の趣 旨, 内 容 に つ い て の十 分 な 説 明 を行 い, 被 験 者 と して 実 験 に 参 加 す る こ との 同意 を得 た. 2・2 疲 労 課 題 疲 労 を引 き起 こ させ る動 的 運 動 課 題 は, 筋 力 増 強 訓 練 と して 良 く用 い られ て い るarm curl課 題 を用 い た. 実 験 は, 被 験 者 に椅 座 位 で, 5kgの ダ ンベ ル を 把 持 さ せ, メ トロ ノ ー ム の リズ ム に合 わせ2秒 で1動 作 のarm curl(肘 屈 曲 ・ 伸 展)課 題 を, 実 行 困 難 に な る まで 行 わ せ た(第1図). 被 験 者 の 肩 関節 は 屈 曲約10度, 前 腕 は 回外 位 と し た. この5 kgの ダ ンベ ル負 荷 は, 等 尺 性 収 縮 で は ない た め, 最 大 随 意 収 縮 に対 す る 割 合 で 規 定 す る こ とは 困 難 で あ る が, 全 て の 被 験 者 に対 して, 概 ね 同 等 の 負 荷 量 で あ っ た と思 わ れ る. 2・3 SEMGの 計 測 肘 関 節 の屈 曲 に は, 上 腕 二 頭 筋, 上 腕 筋, 腕 橈 骨 筋 が作 用 す るが, 筋 の 起 始 と停 止 の 関係 か ら, 前 腕 回 外 位 で は 上 腕 二 頭 筋 が 主 動 作 筋 とな る. そ こでSEMGは, 十 分 な皮 膚 処 理 後, 右 の 上 腕 二 頭 筋 長 頭 筋 腹 上 に貼 っ た 小 型 生 体 電 極 か ら, シ グ ナ ル プ ロセ ッサ ー(7S12, San-ei)を 用 い て 導 出 し, デ ー タ レ コー ダ ー(RD-120TE, TEAC)に 記 録 した. ま た, 肘 関 節 の 角 度 変 化 を 肘 関 節 に 装 着 し た 電 子 角 度 計 (TM-511G, 日本 光 電)で 同時 に記 録 した. 記 録 したSEMG 及 び角 度 変 化 は, sampling rate 1 kHzでA/D変 換 して コ ン ピ ュ ー ター に取 り込 ん だ.

2・4 デ ー タ解 析

第2図 に, arm curl課 題 時 の上 腕 二 頭 筋SEMGと 電 子 角

第2図 解 析 に 用 い た 求 心 性 収 縮 時 のSEMG

度 計 に よ る 肘 関 節 の 角 度 変 化 を示 す. 肘 関 節 伸 展 の ピー ク か ら屈 曲位 を経 て, 再 び 伸 展 位 の ピ ー ク を と る ま で の 区 間 (2秒 間)が1動 作 で あ る. 今 回被 検 筋 と した 肘 関 節 屈 筋 で あ る 上 腕 二 頭 筋 に お い て は, 肘 関節 伸 展 の ピー クか ら屈 曲 の ピー ク ま で の1秒 間が, 筋 が 収 縮 し なが ら張 力 を発 生 す る求 心 性 収 縮 に あ た り, 残 りの1秒 間(屈 曲位 か ら伸 展 位 まで)は, 筋 が 伸 張 し なが ら張 力 を発 揮 す る遠 心 性 収 縮 に あ た る. 本研 究 で は, 重 力 に逆 ら っ て肘 関 節 を屈 曲 させ る た め に, SEMGの 変 化 が 急 峻 で筋 放 電 量 が 著 しい 求 心 性 収 縮 時 の1秒 間 を解 析 区 間 と した. また, 全 被 験 者 が, メ ト ロ ノ ー ム の リズ ム に 合 わ せ て 実 施 可 能 で あ っ た 動 作 回 数 は, 概 ね30∼40回 の 間 で あ った. そ こで, デ ー タ解 析 は, 全 被 験 者 に共 通 して 測 定 で きた30動 作 を対 象 と し, 各 被 験 者 に お け る動 作 開 始 か ら5動 作 ご との デ ー タ(5,10,15,20, 25,30動 作 目)に 対 して, 一 次 元 複 素CWTに よ る 時 間 ・ 周 波 数 解 析 を行 っ た. ウ ェ ー ブ レ ッ ト変 換 は, マ ザ ー ウ ェ ー ブ レ ッ トと呼 ば れ る 関 数 と, そ れ を拡 大 ・縮 小(ス ケ ー リ ン グ)し, また 時 間 軸 方 向 に移 動(シ フ ト)し た ウ ェー ブ レ ッ トを 関 数系 と して, 解 析 信 号 に こ れ らの 関数 系 成 分 が どれ だ け含 まれ て い る か を調 べ る 方 法 で あ る. ス ケ ー ル と時 間 軸 を両 軸 とす る平 面 上 で, 成 分 の 大 き さ(ウ ェ ー ブ レ ッ ト係 数)を 示 す. 計 算 に は, 数 値 解 析 ソ フ トMATLAB6.5(Math Works 社 製)を 用 い, マ ザ ー ウ ェ ー ブ レ ッ トに は, 先 行 研 究 に お い て採 用 さ れ て い るMorletを 採 用 し た7∼9). Morletの 関 数 は, 次 式 の よ うに 定 義 さ れ る. (1) こ こ で, aは ス ケ ー ル ・パ ラ メ ー タ, bは シ フ ト ・パ ラ メ ー タ で, w0は, マ ザ ー ウ ェ ー ブ レ ッ ト を フ ー リ エ 変 換 し た 関 数 の 中 央 値(中 心 周 波 数)を 表 す. 本 研 究 で は, 従 来 の 報 告 と 比 較 す る た め, 各 動 作 に お け る 時 間 情 報 を 犠 牲 に し て, 解 析 区 間(1,000サ ン プ ル 点)に お け る ウ ェ ー ブ レ ッ ト係 数 の ス カ ロ グ ラ ム よ り, 筋 疲 労 の 指 標 と し て よ く用 い ら れ て い るMDF及 びMFに 相 当 す る instantanuous mean frequency(IMF)及 びinstantanuous median frequency(IMDF)を 推 定 し た. そ れ ぞ れ の 推 定 方 法 は, ま ず, ス ケ ー ル ・パ ラ メ ー タa をM個, シ フ ト ・パ ラ メ ー タbをL個 に 区 分 し, aj, bi区 間 で の ウ ェ ー ブ レ ッ ト係 数 の 絶 対 値 をlwijlで 表 記 す る. ￨wij￨2が ス カ ロ グ ラ ム で あ る. さ ら に ス ケ ー ル ー時 間 全 平 面 で の ス カ ロ グ ラ ム の 和 をTwで 表 記 す る. 第jス ケ ー ル 帯 で の ス カ ロ グ ラ ム のTwに 対 す る 比 率 をP(j)で 表 記 す る. (2) こ の 時, (3 ) を満 足 す る 整 数mで 定 ま るス ケ ー ル の 中 央 値amに 対 応 す る 周 波 数(擬 似 周 波 数)をIMDFと 定 義 す る. 次 に (4) で 定 ま るス ケ ー ル の 平 均 値 μ に 対 応 す る周 波 数 をIMFと 定 義 す る. 尚, ス ケ ー ル に対 応 す る周 波 数 は, サ ンプ リ ン グ周 期 を 考 慮 し た 上 で, ω0を ス ケ ー ル で 除 す こ とで 求 め た. ま た, 同 様 に ス カ ロ グ ラ ム を 用 い て, 便 宜 的 に70Hz 以 上 を高 周 波 成 分 とみ な して, 各 動 作 回数 ご と に, 全 体 に 占 め る 高 周 波 成 分 の 割 合 を 算 出 し た. 但 し, ω0=1, 解 析 周 波 数 帯 域 は, 23.44∼250Hzと した. さ ら に, そ れ ぞ れ の 値 が, 動 作 回 数 の 進 行 に伴 っ て 変 化 して い るか ど うか を統 計 学 的 に検 討 す る た め, 反復 測 定 に よ る 一 元 配 置 分 散 分 析 を 行 っ た. 尚, 本 研 究 で は, arm curl課 題 の 筋 放 電 量 の 変 化 が 急 峻 で あ り, 定 常 性 と見 なせ な い の で, FFTは 実 施 しな か っ た. 3. 結 果 第3図 は, 各 動 作 回 数 の解 析 区 間 に お け るCWTの ス カ ロ グ ラ ム を濃 淡 で 表 した 図 の 一 例 で あ る. 図 の横 軸 は 時 間 (0か ら1,000msec), 縦 軸 は ス ケ ー ル を表 し て い る. 周 波 数 に換 算 す る と, 各 図 の上 部 が 低 周 波 域, 下 部 が 高 周 波 域 を示 して い る. した が っ て, 各 動 作 回 数 にお け る 図 を比 較 す る と, 動 作 回 数 の 進 行 に伴 い, 高 周 波 成 分 の減 少 が 認 め られ, 逆 に 低 周 波 成 分 の 増 大 が 観 察 さ れ た. ま た, 第4図 に動 作 回 数 の 進 行 に伴 うIMDFとIMFの 変 化(全 被 験 者 の 平 均 値)を 示 す. IMDFとIMFは, い ず れ も動 作 回 数 の 進 行 に 伴 っ て 減 少, す な わ ち 低 周 波 側 ヘ シ フ トし, 有 意 差 が 認 め られ た. ま た, Dunnetの 多 重 比 較 に よ り, 解 析 に 用 い た最 初 の 動 作 で あ る5動 作 目 に比 べ て 有 意 差 が 示 さ れ るの は何 動 作 目 か を検 討 した結 果, どち ら に お い て も5動 作 目 に比 べ て20動 作 目以 降 で 有 意 な減 少 が 認 め られ た. さ らに, 第5図 に動 作 回 数 の進 行 に 伴 う, 高 周 波 成 分 の 割 合 の 変 化(全 被 験 者 の 平 均 値)を 示 す. 高 周 波 成 分 の 割 合 は, 動 作 回 数 の 進 行 に伴 い, 第4図 に お け るIMD耳 と IMFと 同 様 に, 有 意 な減 少 を示 した. 4. 考 察 今 回, 動 的 筋 収 縮 時 の 筋 疲 労 評 価 に お け る, CWTに よ るSEMG解 析 の 有 用 性 を検 討 す る 目的 で, 筋 力 増 強 訓 練 な ど に よ く用 い られ て い るarm curl課 題 時 の 上 腕 二 頭 筋 の SEMGをCWTに よ り解 析 した. 主 に低 収 縮 強 度 の 静 的筋 収 縮 を対 象 と した これ ま で の 報 告 に よ り, SEMGの 筋 疲 労 時 の 特 徴 と して, MDFやMF

-32-第3図 CWTに よ るscalogramの 一 例 Fig. 3 Typical example of the CWT scalogram.

第4図 IMDF及 びIMFの 変 化

Fig. 4 Changes in IMDF (left) and IMF (right).

が 低 周 波 域 ヘ シ フ トす る こ と(除 波 化)が よ く知 られ て い る. こ の メ カ ニ ズ ム に 関 して は, い ま だ 不 明 な 点 が 多 い が, 主 に 筋紡 錘 の 機 能低 下 に よっ て 運 動 単 位 活 動 の 同 期 化 また は群 化 が 生 じる こ と16), 筋 収 縮 に伴 う代 謝 性 副 産 物 の 蓄 積 に よっ て 筋 活 動 電 位 の伝 導 速 度 が 低 下 す る こ とな どが そ の 要 因 と し て 考 え ら れ て い る17). 本 研 究 に お い て も CWTの ス カ ロ グ ラ ム か ら算 出 したIMDFとIMFは, FFT の パ ワ ー ス ペ ク トル に よ るMDFやMFを 用 い た従 来 の 報

第5図 高周 波 成分 の割合 の変化

Fig. 5 Changes in proportion of high-frequency components.

告 と同 様 に, 動 作 回数 の 進 行 に伴 い 有 意 な 減 少, つ ま り低 周 波 域 へ の シ フ トを示 した. 一 方 , SEMGの 周 波 数 解 析 に お い て, 低 周 波 成 分 は遅 筋 線 維(type I線 維)の 活 動 を反 映 し, 高 周 波 成 分 は速 筋 線 維(type II線維)活 動 を反 映 す る と も言 わ れ てお り18), 筋 疲 労 時 に お け るMFの 低 周 波 域 へ の シ フ トに は, 速 筋 線 維 が 関与 して い る との 報 告 もあ る19). 今 回 の 結 果 を見 る と, 70Hz以 上 の 高 周 波 成 分 は, 動 作 回 数 の 進 行 に 伴 っ て, IMDFやIMFと 同 様 に減 少 して い た. し たが っ て, これ ら の 指 標 の変 化 は, 主 に 筋 線 維 の 中 で も疲 労 しや す い 速 筋 線 維 が 疲 労 に よ っ て活 動 に参 加 で き な くな り, 遅 筋 線 維 を 中 心 と した収 縮 に移 行 した と も解 釈 で きる. い ず れ に し ろ, 今 回 の 結 果 か らCWTに よ るSEMG解 析 で は, 動 的筋 収 縮 時 の 筋 疲 労 に伴 うSEMGの 特 徴 的 な 変 化 を検 出 で き る こ とが確 認 で きた. と こ ろ で, 非 定 常 性 信 号 が 解 析 で き る 他 の 手 法 と して は, 窓 関 数 に よ っ て 短 区 間 の 定 常 性 を仮 定 してFFTを 行 うshort-time Fourie transform(STFT)が あ る. し か し こ の 方 法 で は, 窓 関 数 が 固 定 され て い る た め, 不 確 定 性 原 理 が 働 き, 周 波 数 分 解 能 を 高 く しよ う とす る と, 時 間分 解 能 が さが り, 逆 に 時 間 分 解 能 をあ げ よ う とす る と, 周 波 数 分 解 能 が 下 が る. そ の 点CWTは, 関 数 を伸 張 させ る こ と で 高 周 波 の 信 号 に対 して は, 短 い 時 間 窓 を, ま た低 周 波 に 対 して は長 い 時 間 窓 を あ て は め て 計 算 す る た め, 周 波 数 成 分 が 広 帯 域 に分 布 し, しか もそ の 周 波 数 成 分 が 激 し く変 化 す る信 号 の解 析 に は, CWTが 有 利 で あ る. また, CWTの 基 本 波 形 で あ るマ ザ ー ウ ェー ブ レ ッ トは, 数 多 くの種 類 が 用 意 さ れ て お り, 目的 に 応 じて マ ザ ー ウ ェ ー ブ レ ッ トを使 い 分 け る こ とで そ の応 用 範 囲 が 広 くな る. マ ザ ー ウ ェ ー ブ レ ッ トの 選 択 問 題 につ い て は, さ ら に詳 細 な検 討 が 必 要 と 思 わ れ る. 今 後, リハ ビ リテ ー シ ョ ンや ス ポ ー ツ等 に お け る様 々 な 運 動 時 の筋 疲 労 の解 析 にCWTが 応 用 さ れ, 新 た な知 見 が 得 られ る こ と を期 待 す る. 5. 結 論 本 研 究 で は, 動 的 運 動 時 に お け る 筋 疲 労 評 価 法 に お い て, CWTに よ る表 面 筋 電 図 の 時 間 ・周 波 数 解 析 が 有 効 か 否 か に つ い て の 確 認 を行 っ た. そ の 結 果, CWTに よ っ て, 筋 疲 労 に と も な うIMDFやIMFの 低 周 波 域 へ の シ フ トや 高 周 波 成 分 の 減 少 とい っ た 筋 疲 労 時 の 特 徴 的 な 変 化 を得 る こ とが で きた. これ らの 結 果 か ら, 上 腕 二 頭 筋 の 動 的 運 動 時 に お け る筋 疲 労 評 価 の 方 法 と して 表 面 筋 電 図 のCWTに よ る 時 間 周 波 数解 析 が 有 用 で あ る こ とが 示 唆 さ れ た. 文 献 1) 眞野 行生:筋 疲労 につ い て, リハ ビ リテー シ ョン医学, 31-9, 622/626 (1994) 2) 吉 田 敬 義, 森 谷 敏 夫:筋 疲 労:最 新 運動 生 理 学-身 体 パ フ ォーマ ンスの科 学 的基礎-, 39/55, 真興 交易, 東 京(1996) 3) 佐 渡 山亜兵, 菅 原 徹:筋 疲 労 と運 動単 位, 臨床 神 経 生理 学, 30-6, 417/424 (2002)

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