筋肉の負担・疲労の新しい評価方法に基づいた機械・道具のデザイン 神 戸 芸 術 工 科 大 学 紀 要「 芸 術 工 学 2 0 1 6 」 （ 共 同 研 究 ）
筋肉の負担・疲労の新しい評価方法に基づいた機械・道具のデザイン
MACHINE AND TOOL DESIGN BASED ON NEW EVALUATION METHOD OF
MUSCULAR LOADS AND FATIGUE
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古賀 俊策 芸術工学部プロダクト・インテリアデザイン学科 教授 大田 尚作 芸術工学部プロダクト・インテリアデザイン学科 教授 相良 二朗 芸術工学部プロダクト・インテリアデザイン学科 教授 大内 克哉 基礎教育センター 准教授
Shunsaku KOGA Department of Product and Interior Design, School of Arts and Design, Professor Syosaku OTA Department of Product and Interior Design, School of Arts and Design, Professor Jiro SAGARA Department of Product and Interior Design, School of Arts and Design, Professor Katsuya OUCHI Center for Liberal Arts, Associate Professor
………. 要旨 機械・道具の使いやすさを評価する場合、筋肉負担・疲労 の軽減効果について検証を実施する必要がある。そこで、人 間工学的な評価方法として、活動する筋肉の酸素動態を計測 する装置を開発し、使いやすい機械・道具を研究した。近年、 重量物の運搬、あるいは、高齢者や身体障がい者の介護作業 現場で、筋肉の負担・疲労が軽減する機械・道具などの開発・ デザインが始まっている。しかし、アシストスーツによる筋 肉の負担・疲労の軽減効果について十分な検証がなされてい ない。そこで、本研究では、活動する筋肉における酸素動態 を計測する近赤外分光装置(NIRS)を用いて、アシストスーツ による筋肉負担・疲労の軽減効果を検証した。従来の NIRS による計測は筋肉の表層部に限られてきたので、今回は深層 筋の酸素動態も計測した。結果として、アシストスーツ着用 の有無にかかわらず、全身にかかる負担を示す酸素摂取量と 心拍数は差がなかった。一方、アシストスーツを装着した場 合、脊柱起立筋の負担が減少することが確認された。さらに、 肩・上肢の負担と疲労を減らす提案として、ゴムバンドを肩 と上肢に付けて、重量物持ち上げ時の筋力を補助することが 挙げられた。今回の基礎的な資料がユニバーサルデザイン・ 福祉用具・スポーツウエア・作業服などのデザインにおいて も、活用されることが望まれる。 Summary
Objective evaluation of machine- and tools design is crucial to reduce muscular loads and fatigue. In the present study, as an ergonomic testing method, measurement system for oxygen dynamics of active muscle tissues was developed to design comfortable products for human use. Development and universal design activities for machine- and tools have been promoted to minimize the muscular loads and fatigue during care operation work for aged- and handicapped people. However, there exists a lack of objective evaluation on assisted gear for care operation work. Using near infra-red spectroscopy measurement for oxygen dynamics of active muscle tissues, the physiological strain of assisted gear were evaluated. In particular, both the superficial- and deep region muscles oxygen dynamics were measured continuously. As a result, there are no significant difference of whole-body oxygen uptake and heart rate between the conditions of wearing the gear and the control. However, the assisted gear reduced deoxygenation of muscle of erector spinae of the back. To minimize the muscular stress and increase the power of the upper extremities, attachment of rubber band on them are recommended.
筋肉の負担・疲労の新しい評価方法に基づいた機械・道具のデザイン 神 戸 芸 術 工 科 大 学 紀 要「 芸 術 工 学 2 0 1 6 」（ 共 同 研 究 ） 研究の目的 機械・道具の使いやすさを評価する場合、筋肉負担・ 疲労の軽減効果について検証を実施する必要がある。そこ で、人間工学的な評価方法として、活動する筋肉の酸素動 態を計測する装置を開発し、使いやすい機械・道具を研究 した。 研究の背景 製品の使いやすさやユニバーサルデザインの評価を実 施する場合、身体にかかる生理・心理的なストレス・負担、 および疲労を測ることは重要である。これまでに、日常生 活の現場やフィールドでも測定可能な計測法が開発され てきた(例、脳波、筋電図、エネルギー代謝などの無線計 測)。最近では近赤外分光を用いて、脳・筋肉の細胞と血 液中における酸素濃度を皮膚の表面からモニターし、内部 の代謝活動を測る光計測技術が開発されている 1）。この 方法により、脳機能ストレスや筋肉の負担を推定し、動き やすい衣服などのデザインへ応用することが可能である 2）。 近年、重量物の運搬、あるいは、高齢者や身体障がい者 の介護作業現場で、筋肉の負担・疲労が軽減する機械・道 具・作業服などの開発・デザインが始まっている。しかし、 アシストスーツによる筋肉の負担・疲労の軽減効果につい て十分な検証がなされていない。従来の近赤外分光装置 (NIRS)による計測は筋肉の表層部に限られてきた。そこ で、本研究では、活動する筋肉の深層部における酸素動態 を計測する装置（高出力の時間分解 NIRS）3）を用いて、 アシストスーツによる筋肉負担・疲労の軽減効果を検証し た。 方法 研 究 倫 理審 査 委 員 会 の承 認 を 得 て 、調 査 実 験 を 実施 し た 。 1）アシストスーツ（腰部サポートウエア「ラクニエ」、 モ リ タ ホ ー ル デ ィ ン グ ス ） 着 用 有 無 の 条 件 を 設 定 し 、 重 量 物 の 持 ち 上 げ 動 作 に お け る 全 身 、 お よ び 筋 肉 の 負 担 ・ 疲 労 の 測 定 を 実 施 し た （ 図1）。本研究で検証した ア シ ス ト ス ー ツ は ゴ ム バ ン ド の 張 力 を 利 用 し て 、 中 腰 姿 勢 時 の 筋 力 補 助 と 体 幹 を 安 定 、 背 部 に か か る 負 担 と 疲 労 を 軽 減 す る 。 と く に 、 動 作 中 の 筋 活 動 に 最 適 な 効 果 を 発 揮 す る 技 術 を 応 用 し て デ ザ イ ン さ れ た 製 品 で あ り 、 安 価で 優 れ た 着 心地 が 特 徴 で ある 。 最 初 に 、 全 身 に か か る 負 担 を 示 す 酸 素 摂 取 量 と 心 拍 数 の 計 測 を 実 施 し た （ ミ ナ ト 医 科 学 、AE-300S）。さ ら に 、新 し く 開 発 し た時 間 分 解NIRS（浜松ホトニクス、 TRS-20SD）を用いて、筋 肉組織の酸素 動態（脱酸素 化 ヘ モ グロ ビ ン 、総 ヘ モ グ ロ ビ ン 量）を 複 数 部 位で（ 僧 帽 筋 、 脊 柱 起 立 筋 、 大 腿 直 筋 の 表 層 部 と 深 層 部 ） モ ニ タ ー し た 。 さ ら に 、 平 均 光 路 長 、 散 乱 係 数 、 お よ び 吸 収 係 数 を 連 続 的 に 測 定 し た 。 ま た 、 超 音 波 ド ッ プ ラ ー 装 置 を 用 い て 筋 肉 表 面 の 皮 下 脂 肪 厚 を 測 り 、 酸 素 動 態 の 値 を 補正 し た4）。そ し て 、活 動 時 に お け る 脱 酸素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン 量 が 増 加 す る （ 酸 素 不 足 を 反 映 す る ） 部 位 を 特 定 し、 負 担 ・ 疲 労が 少 な い 筋 肉を 検 討 し た 。 2） 数 値 解 析 と 統 計 処 理 ソ フ ト を 用 い て 上 記 の 生 体 反 応 を 解 析し 、 全 身 、 およ び 筋 肉 の 負担 ・ 疲 労 の 軽減 効 果 を 検 証し た 。 図 1 全 身、 および筋肉の 負担の測定 結果 アシストスーツ着用の有無にかかわらず、全身にかかる 負担を示す酸素摂取量と心拍数は差がなかった（図 2）。 上体にかかる負担については、アシストスーツを着用した 場合、着用なしの条件よりも脊柱起立筋の脱酸素化ヘモグ ロビン量が減少し、酸素不足の低下が示唆された（図3）。
筋肉の負担・疲労の新しい評価方法に基づいた機械・道具のデザイン 神 戸 芸 術 工 科 大 学 紀 要「 芸 術 工 学 2 0 1 6 」（ 共 同 研 究 ） 図 2 全身にかかる負担 図 3 上 肢お よび体幹にか かる負担 図 4 下 肢に かかる負担 図 5 肩 ・上 肢の負担と疲 労を減らす提 案 下肢にかかる負担については、アシストスーツ着用の有 無にかかわらず、大腿直筋の表層部と深層部の脱酸素化ヘ モグロビン量には差がなかった（図4）。疲労しにくい深 層筋がより多く動員されれば、酸素の不足量が減少するの で、筋肉の負担・疲労が軽減することが予想された。しか し、今回の研究では、アシストスーツ着用の有無にかかわ らず、深層筋の脱酸素化ヘモグロビン量には差がなかった。
0
400
800
1200
1600
2000
‐60
0
60
120
酸素
摂取
量（
ml
/mi
n
）
時間（s）
60
80
100
120
140
‐60
0
60
120
心拍
数（
bea
ts/mi
n
）
時間（s）
● サポーター有 ○ サポーター無 空箱の持 ち上げ 重量物の持ち上げ 空箱の 持ち上げ 重量物の持ち上げ ‐20 ‐10 0 10 20 30 ‐30 0 30 60 90 120 Δ 脱酸素化 Hb 濃度 （μ M ） 時間 （s）‐10
0
10
20
30
‐30
0
30
60
90
120
Δ
脱酸
素化
Hb
濃度
（μ
M
）
時間 （s）
● サポーター有 ○ サポーター無僧帽筋
脊柱起立筋
空箱の 持ち上げ 重量物の持ち上げ 空箱の 持ち上げ 重量物の持ち上げ‐40
‐30
‐20
‐10
0
10
20
‐30
0
30
60
90
120
Δ
脱酸
素化
Hb
濃度
（μ
M
）
時間 （s）
‐40
‐30
‐20
‐10
0
10
20
‐30
0
30
60
90
120
Δ
脱酸
素化
Hb
濃度
（μ
M
）
時間 （s）
● サポーター有 ○ サポーター無大腿直筋浅層部
大腿直筋深層部
空箱の 持ち上げ 重量物の持ち上げ 空箱の 持ち上げ 重量物の持ち上げ筋肉の負担・疲労の新しい評価方法に基づいた機械・道具のデザイン 神 戸 芸 術 工 科 大 学 紀 要「 芸 術 工 学 2 0 1 6 」（ 共 同 研 究 ） 今後の展開 今回の報告では、時間分解NIRS 測定装置を用いて活動 筋の酸素代謝を測定した結果を提供した。アシストスーツ 着用による筋肉負担・疲労の軽減効果を検証した後、操作 性の向上、コストダウン、外装のデザインを検討する必要 が指摘された。とくに、肩・上肢の負担と疲労を減らす提 案として、ゴムバンドを肩と上肢に付けて、重量物持ち上 げ時の筋力を補助することが挙げられる（図5）。今回の 基礎的な資料がユニバーサルデザイン・福祉用具・スポー ツウエア・作業服などのデザイン現場においても、活用さ れることが望まれる。 結論 １．筋肉の深層部における酸素動態を計測する装置を開 発した。 ２．アシストスーツを装着した場合、脊柱起立筋の負担 が減少することが確認された。 ３．肩・上肢の負担と疲労を減らす提案として、ゴムバ ンドを肩と上肢に付けて、重量物持ち上げ時の筋力を補 助することが挙げられる。 参考文献
1）Koga S・Rossiter HB・Heinonen I・Musch TI・ Poole DC, 「 Dynamic heterogeneity of exercising muscle blood flow and O2 utilization.」,『Medicine &
Science in Sports & Exercise 』 ,46(5), 2014, pp.860-876
2）古賀俊策・小倉繁太郎・見寺貞子、「光技術による筋 肉の代謝活動の計測」、『神戸芸術工学紀要』、2009 3）Koga S・Barstow TJ・Okushima D・Rossiter HB・Kondo N・Ohmae E・Poole DC,「Validation of a high-power,time-resolved,near-infrared spec troscopy system for measurement of superficial a nd deep muscle deoxygenation during exercise.」, 『Journal of Applied Physiology』, 118(11), 2 015, pp.1435-1442
4）Okushima D・Poole DC・Rossiter HB・Barsto w TJ・Kondo N・Ohmae E・Koga S,「Muscle deo xygenation in the quadriceps during ramp incre
mental cycling:Deep vs. superficial heterogeneit y.」,『Journal of Applied Physiology』, 119(11), 2015, pp.1313-1319.
