レーザー 変 位 計 を 用 いた 皮 膚 表 面 振 動 測 定 による 力 調 節 能 力 評 価 研 究 責 任 者 大 分 県 立 看 護 科 学 大 学 人 間 科 学 講 座 助 教 ( 申 請 時 ) 鹿 屋 体 育 大 学 スポーツパフォーマンス 系 講 師 ( 現 在 ) 吉 武 康 栄 共 同 研 究 者 ジョージア 工 科 大 学 応 用 生 理 学 部 准 教 授 篠 原 稔 1.はじめに ヒトの 日 常 生 活 においては 箸 でモノを 掴 む 歩 行 中 に 段 差 で 躓 かないように 爪 先 を 上 げる 本 のページを 捲 る など 四 肢 を 詳 細 にかつ 精 確 に 動 かすことを 要 求 される 場 面 が 多 い しかし 超 高 齢 者 やパーキンソン 病 などの 神 経 系 疾 患 者 で は 意 志 通 りに 四 肢 を 動 かし 力 を 発 揮 することが 困 難 であり それは 自 立 した 生 活 活 動 に 支 障 をき たすことを 意 味 している つまり ヒトが 意 図 し た 力 を 精 確 に 調 節 する 能 力 ( 力 調 節 能 力 )の 低 下 の 要 因 を 解 明 することや その 予 防 法 を 開 発 する ことは 高 齢 社 会 の 我 が 国 において 社 会 的 要 請 で あろう 神 経 生 理 学 分 野 において 力 調 節 能 力 は 目 標 値 に 一 致 するように 力 を 調 節 する 課 題 中 におい て 目 標 値 に 対 する 実 際 の 力 の 誤 差 もしくは 変 動 (force fluctuations)の 大 小 ( 標 準 偏 差 もしくは 変 動 係 数 )によって 評 価 されている 健 康 成 人 にお いては 力 変 動 は 疲 労 加 齢 不 活 動 により 増 加 する 1) ~3) 逆 に 筋 力 トレーニングや 学 習 により これらの 力 変 動 の 増 加 は 抑 制 される 4) つまり 力 調 節 能 力 は 可 塑 性 があり 日 常 生 活 活 動 量 に 依 存 されるといえる 現 在 の 所 力 調 節 能 力 の 評 価 値 は 力 変 動 の 大 小 のみで 決 定 されている 1) しかし たとえば 膝 伸 展 運 動 や 足 関 節 底 屈 など 多 くの 身 体 動 作 は 複 数 の 筋 ( 協 働 筋 )が 収 縮 しそれらの 力 が 合 力 とな って 発 現 しており 最 終 的 な 外 部 出 力 である 力 の 変 動 のみで 力 調 節 能 力 を 評 価 することは 各 々の 筋 の 力 発 揮 動 態 を 見 過 ごしていることになる こ のことは 将 来 的 に 力 調 節 能 力 の 低 下 防 止 プログ ラムを 作 成 する 場 合 どの 筋 が 要 因 となって 力 調 節 能 力 に 不 具 合 が 生 じさせているのか そしてど の 筋 を 対 象 に 主 に 処 方 を 施 せば 良 いのか という 情 報 が 得 られず 結 果 的 にプログラム 立 案 が 困 難 であろう 現 実 的 には 各 筋 から 出 力 された 力 を 別 々に 測 定 するのは 方 法 論 上 不 可 能 であるため 新 しい 力 調 節 能 力 の 評 価 法 の 開 発 が 望 まれる そもそも 力 というものは 活 動 している 運 動 単 位 の 単 収 縮 が 加 算 されたものである 運 動 単 位 の 収 縮 時 には 筋 線 維 の 短 縮 および 腱 の 伸 張 がとも なうため 筋 形 状 変 化 が 起 こる その 筋 形 状 変 化 は 皮 膚 表 面 上 にて 変 位 センサを 用 いて 測 定 する ことができる 筋 内 に 直 接 ワイヤ 電 極 を 挿 入 し 電 気 刺 激 によって 誘 発 した 筋 ( 線 維 ) 収 縮 時 におい ては マイクロフォンで 取 得 した 筋 表 面 の 変 位 ( 振 動 )は 力 の 加 重 ( 強 縮 ) 状 況 (= 力 変 動 )に 非 常 に 類 似 していた ) 複 数 の 筋 線 維 が 非 同 期 的
に 活 動 する 随 意 的 筋 収 縮 時 においても 筋 表 面 振 動 が 力 変 動 と 類 似 しているかは 未 だ 定 かではな いものの 力 が 増 大 すると 筋 表 面 は 拡 大 逆 に 力 が 減 少 すると 筋 表 面 は 縮 小 することから 力 と 筋 表 面 振 動 の 波 形 には 密 接 な 関 係 性 があることが 示 唆 される ここで 単 一 の 筋 のみが 収 縮 する 場 合 筋 音 図 の 波 形 と 力 の 波 形 の 間 に 時 間 空 間 的 に 類 似 性 がある と 仮 定 すると 複 数 の 筋 ( 協 働 筋 ) 収 縮 においても 各 筋 から 筋 表 面 振 動 測 定 を 行 えば 各 筋 の 力 の 変 動 動 態 が 推 定 可 能 となり 力 調 節 能 力 の 生 理 学 的 規 定 因 子 の 解 明 に 応 用 でき ると 考 えられる これまで 筋 表 面 振 動 測 定 は 筋 腹 の 皮 膚 表 面 に 接 触 型 の 加 速 度 計 や 変 位 計 を 直 接 貼 り 付 けて 測 定 されてきたが 皮 膚 表 面 の 動 きが 縦 方 向 だけで はないため S/N 比 が 低 いなど 精 度 に 問 題 があっ た そこで 我 々は 高 精 度 レーザー 方 式 の 変 位 計 を 用 いて 非 接 触 的 に 筋 表 面 の 振 動 を 測 定 する ことによって 精 度 の 向 上 を 計 るとともに 汎 用 性 を 図 ることを 試 みることにした 本 研 究 の 目 的 は これらの 実 験 機 器 設 置 により 骨 格 筋 収 縮 の 際 に 生 じる 筋 表 面 振 動 と 力 変 動 の 波 形 類 似 性 を 明 らかにすることとした 2. 方 法 対 象 者 は 8 名 の 健 康 な 成 人 ( 男 名 女 性 3 名 平 均 ± 標 準 偏 差 : 23.9 ±.4 歳 ; 範 囲 : 2-33 歳 ) であった 全 ての 対 象 者 は 過 去 および 現 在 におい て 神 経 筋 関 連 の 疾 患 の 経 験 がなく 利 き 腕 は 右 であった 実 験 の 概 要 を 説 明 した 後 大 分 県 立 看 護 科 学 大 学 倫 理 委 員 会 の 指 針 に 沿 い 全 被 検 者 か ら 実 験 参 加 への 同 意 文 書 を 得 た 2.1 実 験 設 定 ( 図 1A) 実 験 は 右 手 の 第 一 背 側 骨 間 筋 を 対 象 に 行 われ た 対 象 者 の 1m 前 方 には 21 インチのモニタを 設 置 した 右 肩 はおおよそ 4 度 屈 曲 し 肘 関 節 は 約 1 度 手 首 は 完 全 回 内 位 とした 不 必 要 な 四 肢 の 動 きを 防 ぐため 腕 は 吸 引 式 の 固 定 用 パッド を 用 いて 厳 重 に 固 定 した 人 差 し 指 は 第 一 および 第 二 関 節 を 完 全 伸 展 位 にてテーピングで 固 定 を 行 った 親 指 は 伸 展 位 で プレートにて 固 定 した 残 りの 3 指 については 半 円 柱 様 のグリップを 握 らせ その 形 状 のままス トラップを 用 いて 固 定 した 人 差 し 指 においては 第 2 関 節 の 側 位 部 が 力 測 定 用 トランスデューサの 測 定 部 に 接 触 するよう 位 置 を 調 節 した 2.2 最 大 随 意 収 縮 (MVC) 課 題 まず 各 対 象 者 の 第 一 背 側 骨 間 筋 の 屈 曲 動 作 にお ける MVC 課 題 をおこなった 対 象 者 には 力 を 直 線 的 に 増 加 させ 3~4 秒 後 に 最 大 の 力 発 揮 に 達 し その 後 2 秒 間 程 度 維 持 するよう 指 示 した 検 者 は 1 秒 ごとに 秒 数 をカウントし 力 発 揮 が 最 大 に 近 づいた 頃 から 対 象 者 を 励 ました 各 対 象 者 は 3 回 MVC 課 題 を 行 い そのうちの 最 大 値 を MVC とし た 2.3 力 調 節 課 題 力 調 節 の 目 標 値 は MVC の 2. 1 2 4 6%とした 目 標 値 と 実 際 に 発 揮 した 力 はモニタ 上 に 水 平 な 線 表 示 するよう 設 定 した 対 象 者 は 目 標 値 とされた 線 に 対 して 実 際 に 発 揮 した 力 を 示 す 線 ができるだけ 一 致 するよう 力 発 揮 を 行 っ た ここで 力 変 動 そのものの 周 波 数 帯 域 は 非 常 に 低 周 波 数 (< 2Hz)である 6) 7) よって 波 形 の 類 似 性 を 統 計 学 的 に 検 証 するためには データ 長 にある 程 度 の 長 さが 必 要 となる しかしながら 目 標 値 が 高 強 度 の 場 合 は 長 時 間 の 課 題 では 疲 労 が 生 じ 本 研 究 の 目 的 とは 逸 脱 してしまう そこで 本 研 究 においては 1% MVC 以 下 の 目 標 値 の 場 合 は 2 秒 間 一 方 2% MVC 以 上 の 目 標 値 の 場 合 は 1 秒 間 課 題 動 作 を 行 うことにした つまり 本 研 究 で 6% MVC より 大 きい 強 度 での 課 題 を 行 わなかったのは 先 の 予 備 実 験 において 疲 労 など の 要 因 により 対 象 者 が 1 秒 間 の 力 調 節 課 題 を 遂 行 できなかったからである 各 目 標 値 における 力 調 節 課 題 の 前 には 必 ず 練 習 課 題 を 数 回 行 った
また 課 題 動 作 間 には 最 低 1 分 の 休 息 をはさんだ なお 各 目 標 値 となる 課 題 の 順 番 はランダムとし た なお 実 験 プロトコルは 我 々の 先 行 研 究 を 参 照 している 8) 9) 2.4 測 定 ( 図 1A) 人 差 し 指 による 屈 曲 力 は 人 差 し 指 の 第 2 関 節 の 側 面 に 設 置 したストレンジゲージトランスデュ ーサ(LUR-A-1NSA1 共 和 電 業 社 製 ;.19V / N) を 用 いて 測 定 した 屈 曲 力 は DC 増 幅 器 (DPM 7 共 和 電 業 社 製 )を 用 いて 増 幅 およびローパスフィ ルタリング(< 1 Hz)を 行 った 人 差 し 指 屈 曲 動 作 の 主 働 筋 は 第 一 背 側 骨 間 筋 である その 第 一 背 側 骨 間 筋 の 筋 表 面 振 動 は 非 接 触 型 の 高 精 度 レーザー 変 位 計 (LK-G1 キー エンス 社 製 ; 周 波 数 応 答 = DC - khz; 変 位 の 分 解 能 :. µm)とそのコントロールユニット (LK-G3V キーエンス 社 製 )を 用 いて 測 定 し た 力 および 筋 表 面 振 動 は 16 ビットのアナログ デジタル 変 換 器 (Power 141 Cambridge Electronic Design 社 製 )を 用 いて 1 khz にてサンプリングを 行 い パーソナルコンピュータに 保 存 した 2. 解 析 力 調 節 課 題 においては 1% MVC 以 下 の 課 題 では 中 央 16.384 秒 を 2% MVC 以 上 の 課 題 では 中 央 8.192 秒 を 解 析 区 間 とした まず 力 および 筋 表 面 振 動 の 平 均 値 および 標 準 偏 差 を 算 出 した 次 に 双 方 の 周 波 数 特 性 を 明 らかにするために 高 速 フーリエ 変 換 によるパワースペクトル 密 度 を 算 出 した その 際 の 周 波 数 分 解 能 は 1% MVC 以 下 の 課 題 で 61 Hz 2% MVC 以 上 の 課 題 で.122 Hz であった パワースペクトル 密 度 は 各 々 のデータにおける 最 大 値 を 基 準 に 正 規 化 を 行 っ た 次 に 力 および 筋 表 面 振 動 の 波 形 類 似 性 の 有 無 を 検 証 した まず 時 間 空 間 的 波 形 類 似 性 の 検 証 として 相 互 相 関 係 数 (CCF)の 算 出 を 以 下 のよ うに 行 った まず データは 時 間 ずれ 無 し(a zero phase lag)の 1 次 バターワースフィルタ(< Hz)を 施 した 1) 時 間 分 解 能 はすべての 負 荷 での 課 題 において 1 秒 であった 相 互 相 関 係 数 (CCF)においては 時 間 ずれが に 近 い 明 らか なピークの 値 を 算 出 し その 値 が 得 られた 時 間 ず れも 導 出 した なお 時 間 ずれはフェイズスペク トルからも 算 出 した 周 波 数 空 間 的 な 波 形 類 似 性 を 検 証 するために コヒーレンスとフェイズスペクトル 解 析 を 用 い た 11) ここで 力 信 号 の 行 列 を x 筋 表 面 振 動 の 行 列 を y と 定 義 した 場 合 この 2 行 列 のコヒーレ ンススペクトル Coh 2 (f) は 以 下 のように 算 出 さ れる 2 S ( ) 2 xy f Coh ( f ) = S ( f) S ( f) x ここで f は 周 波 数 のことである S xy (f) は x と y のクロスパワースペクトル S x (f) と S y (f) はそれ ぞれ x と y の 自 己 パワースペクトルである フェイズスペクトルθ xy (f) は 次 のように 定 義 され る cos S ( ) 1 xy f θxy ( f ) = tan sin S ( f ) 2 信 号 間 の 時 間 ずれはコヒーレンスが 有 意 な 周 波 数 帯 域 におけるフェイズスペクトルの 傾 きで 算 出 した 以 上 の 解 析 は すべて MATLAB(The Mathworks 社 製 ) 上 にて 行 われた 2.6 統 計 処 理 CCF のピーク 値 における 力 調 節 の 目 標 値 によ る 違 いに 関 しては 繰 り 返 しのある 1 元 配 置 の 分 散 分 析 を 行 った CCF のピークが 発 現 する 時 間 ず れに 関 しては 繰 り 返 しのある 2 元 配 置 の 分 散 分 析 ( 解 析 方 法 力 調 節 の 目 標 値 )を 行 った 必 要 の 際 には ボンフェローニ 検 定 によりその 後 の 検 定 を 行 った これらの 検 定 においては 有 意 水 y xy
準は %とした 一方 コヒーレンス解析におけ る有意検定は 99%信頼区間にて評価を行った 13) ３ １ 12) 力変動および筋表面振動の振幅値変化 人差し指の屈曲動作における最大随意筋力 文中は平均値 ± 標準偏差 図中は平均値 ± MVC は 34.1 ± 1.3 N であった 図 1B およ び図 1C からも明らかであるように 力調節課題 標準誤差で表記した において力は必ず変動し 同時に筋表面も振動し ３ 結果 ていた それらの変動 振動 の振幅値は収縮 目 標値 強度の増加にともない増加していた 図 2 A) C) B) 2. 1.4 1.8 1.2 1.6 1. 1.4.8 1.2 1.. 1 1 2 2 力 N 筋表面振動 mm 2. 1. 1. 筋表面振動 mm 力 N 1.. 1 1 2.6 2 1. 1 12 14 16 18 時間 秒 時間 秒 図 1 A 実験設定状況 B % MVC 力調節課題中の力および筋表面振動の例 C B の拡大図 8 秒間.6.4.2 m ３ ２ 筋表面振動の標準偏差 µm 力の標準偏差 N.8 8 1 2 3 4 6 収縮強度 % MVC 1 2 3 4 6 1 2 3 4 6 8 6 4 2 収縮強度 % MVC 図 2 収縮強度ごとの力変動および筋表面振動の振幅値 標準偏差 データは平均値 ± 標準誤差を示している 力変動と筋表面振動波形の時間空間的波 形類似性 のピークが発現するのは 2 信号が-.6-3.9 ms の時間ずれが生じた時であった その時間ずれは 力変動と筋表面振動が波形的に類似している 有意に負の値を示したが P < これは筋表 ことは 図 1B および図 1C より明白である 相互 面振動が力変動よりも時間的に先行して波形が 相関係数 CCF は すべての力調節の目標値に 生じていることを意味している なお CCF のピ おいて 明白な正のピークが認められた 図 3 ーク値および時間ずれは 力調節課題の目標値の そのピーク値は.49.9 であった また そ 大きさには影響を受けていなかった P >
1. 2.% 1. % 1. 1% 相 互 相 関 係 数... -. -. -. -2-1 1 2-2 -1 1 2-2 -1 1 2 時 間 ずれ( 秒 ) 時 間 ずれ( 秒 ) 時 間 ずれ( 秒 ) 1. 2% 1. 4% 1. 6% 相 互 相 関 係 数... -. -. -. -2-1 1 2-2 -1 1 2-2 -1 1 2 時 間 ずれ( 秒 ) 時 間 ずれ( 秒 ) 時 間 ずれ( 秒 ) 図 3 第 一 背 側 骨 間 筋 収 縮 における 収 縮 強 度 ごとの 力 変 動 と 筋 表 面 振 動 の 相 互 相 関 係 数 太 線 は 全 被 検 者 の 平 均 値 細 線 はその 標 準 誤 差 を 示 している 3.3 力 変 動 および 筋 表 面 振 動 波 形 の 周 波 数 特 性 力 変 動 および 筋 表 面 振 動 の 周 波 数 特 性 を 検 証 するために それぞれの 信 号 に 対 し 高 速 フーリエ 変 換 によるパワースペクトル 密 度 を 算 出 した 両 信 号 ともに 主 なパワー 値 は Hz 以 下 であり( 力 変 動 ;88.1 ± 7.7% 筋 表 面 振 動 ;89. ± 8.2%) 両 信 号 とも 類 似 した 周 波 数 帯 域 を 呈 した( 図 4) 力 変 動 の 平 均 周 波 数 は 収 縮 強 度 ( 目 標 値 )の 増 加 とともに 低 下 した(.14 ± 3 Hz @ 2.% MVC ~7 ± 1 Hz @ 6% MVC;P < ) 同 様 に 第 一 背 側 骨 間 筋 の 筋 表 面 振 動 も 収 縮 強 度 ( 目 標 値 )の 増 加 とともに 低 下 した(94 ± Hz @ 2.% MVC~62 ± 33 Hz @ 6% MVC;P < ) 2.% % 1% 1.1 1.1 1.1 パワー (% of total) パワー (% of total) 1 1 1 1 2 3 4 1 2 3 4.1 1 2 3 4 1 2 3 4 1 1 2 3 4 1 2 3 4.1 1 2 3 4 1 1 2 3 4 1 2 3 4 2% 4% 6% 1 1 1 2 3 4 1 1.1 1 2 3 4 1 2 3 4 筋 表 面 振 動 力 図 4 第 一 背 側 骨 間 筋 収 縮 における 収 縮 強 度 ごとの 力 変 動 ( 細 線 )および 筋 表 面 振 動 ( 太 線 )のパワー スペクトルの 全 被 検 者 の 平 均 値 パワー 値 ( 縦 軸 )は 全 パワー 値 のパーセンテージで 算 出 した
3.4 力 変 動 および 筋 表 面 振 動 波 形 の 周 波 数 空 間 的 波 形 類 似 性 力 変 動 と 筋 表 面 振 動 の 周 波 数 空 間 的 波 形 類 似 性 を 検 証 するために コヒーレンスおよびフェイ ズスペクトルを 算 出 した 力 変 動 と 筋 表 面 振 動 の コヒーレンスはどの 力 調 節 の 目 標 値 においても 低 周 波 数 帯 域 において 有 意 な 値 を 呈 した( 図 A) 加 えて 全 目 標 値 において 有 意 なコヒーレンス を 示 した 割 合 を 周 波 数 軸 でプロットしたところ やはり 低 周 波 数 帯 域 において 高 い 割 合 を 示 した ( 図 B) スペクトル 解 析 により 明 らかとなった ( 図 4) 両 信 号 の 主 な 成 分 である Hz より 低 い 周 波 数 帯 域 では 9% 以 上 のデータが 有 意 なコヒー レンスを 示 した 加 えて 1Hz までは おおよそ 8%のデータが 有 意 なコヒーレンスを 示 した フェイズスペクトル 解 析 から 算 出 した 力 変 動 と 筋 表 面 振 動 の 時 間 ずれは 有 意 に 負 の 値 を 呈 し た(P < ) 先 に 記 述 したように 相 互 相 関 係 数 のピーク 値 が 有 意 に 負 の 値 を 示 した 結 果 と 併 せ て 考 慮 すると 筋 表 面 振 動 が 力 変 動 よりも 先 行 し ていることは 間 違 いない また 相 互 相 関 係 数 と フェイズスペクトル 解 析 それぞれの 方 法 から 算 出 した 時 間 ずれの 値 には ばらつきが 認 められた が 有 意 な 違 いは 生 じていなかった A コヒーレンス コヒーレンス 1..8.6.4.2 1 2 3 4 1..8.6.4.2 2.% 1. % 1. 1% 1 2 3 4.8.6.4.2 1 2 3 4.8.6.4.2 1 2 3 4 2% 1. 4% 1. 6%.8.6.4.2 1 2 3 4.8.6.4.2 1 2 3 4 B 有 意 なコヒーレンスを 示 した データの 割 合 (%) 1 8 6 4 2 1 2 3 4 図 A) 一 背 側 骨 間 筋 収 縮 における 収 縮 強 度 ごとの 力 変 動 と 筋 表 面 振 動 のコヒーレンススペクトル データは 全 被 検 者 の 平 均 値 を 示 し 点 線 は 99% 信 頼 区 間 を 表 している B) 被 検 者 および 収 縮 強 度 を 含 めた 全 データのうち 各 周 波 数 において 有 意 なコヒーレンスを 示 したデータの 割 合 4. 考 察 4.1 Main findings 本 研 究 では 以 下 のことが 明 らかとなった (1) 力 変 動 および 筋 表 面 振 動 の 振 幅 値 は 収 縮 強 度 の 増 加 に 伴 い 増 加 した (2) 力 変 動 と 筋 表 面 振 動 は 正 の 相 互 相 関 関 係 が 認 められた (3) 両 信 号 の 周 波 数 帯 域 は 同 一 であった (4) 両 信 号 間 には Hz より 低 い 周 波 数 帯 域 で 有 意 なコヒーレンスが 認 められた 4.2 2 信 号 の 周 波 数 特 性 筋 疲 労 のない 場 合 力 変 動 は 1Hz 近 辺 の 低 周 波 数 帯 域 が 主 な 成 分 であるが 本 研 究 においても 同 様 の 周 波 数 帯 域 を 呈 した 7) 14) 1) また 力 変 動 の 平 均 周 波 数 は 収 縮 強 度 の 増 加 によって 低 下 す る 7) 本 研 究 においても 同 様 の 結 果 が 得 られたが ( 図 4) この 傾 向 について 筋 表 面 振 動 について 示 したのは 本 研 究 が 初 である 本 研 究 と 同 様 に 等 尺 性 の 第 一 背 側 骨 間 筋 収 縮 時 における 筋 表 面 振 動 は 加 速 度 計 による 測 定 で は 1~2 Hz という 広 周 波 数 帯 域 を 呈 した 16) 加
えて 加 速 度 計 測 定 では 平 均 周 波 数 は 2~3 Hz と 本 研 究 の 結 果 よりも 非 常 に 高 い 周 波 数 を 示 し ていた 16) このような 違 いは 文 字 通 り 加 速 度 計 測 定 で 得 られる 信 号 は 皮 膚 表 面 振 動 の 加 速 度 であり 一 方 本 研 究 で 用 いた 測 定 機 器 ( 変 位 計 ) は 加 速 度 を 2 階 積 分 した 変 位 であるため であると 考 えるのが 妥 当 であろう 逆 に 言 えば 変 位 を 2 階 微 分 した 加 速 度 においては 変 位 の 比 較 的 高 周 波 数 帯 域 が 強 調 して 増 幅 されたものを 主 に 表 していることになる したがって 力 変 動 と いう 非 常 に 低 周 波 数 (< Hz) 成 分 で 構 成 されて いる 信 号 を 筋 表 面 振 動 から 推 定 する 場 合 には 筋 表 面 振 動 の 測 定 には 加 速 度 計 は 不 向 きかもしれ ない 4.3 波 形 類 似 性 力 変 動 と 筋 表 面 振 動 の 信 号 間 の 強 い 類 似 性 は 時 間 空 間 および 周 波 数 空 間 的 解 析 によって 明 ら かとなる 相 互 相 関 係 数 において 有 意 でかつ 明 確 な 正 のピークが 認 められ( 図 3) またコヒーレン ス 解 析 によって 2 信 号 の 主 成 分 である Hz 以 下 の 周 波 数 帯 域 で 有 意 なコヒーレンスが 認 められ た( 図 ) また 力 調 節 の 全 目 標 値 における 課 題 において 相 互 相 関 係 数 のピークが 発 現 する 負 の 時 間 ずれは 筋 収 縮 の 時 系 列 変 化 と 一 致 する つ まり 筋 の 収 縮 および 腱 の 伸 張 という 筋 形 状 変 化 ( 筋 表 面 振 動 )を 経 て 力 ( 変 動 )が 発 生 するとい うことである このような 筋 形 状 変 化 と 力 の 発 生 の 強 い 関 連 性 については 近 年 単 収 縮 中 における 筋 束 長 や 腱 組 織 の 伸 張 変 化 を 超 音 波 B モード 法 により 定 量 化 した 研 究 からも 示 唆 される 17) 18) たとえば 78 フレーム / 秒 の 画 像 によって 解 析 処 理 された 筋 束 および 腱 の 長 さ 変 化 は 力 波 形 と 類 似 した 特 性 を 示 す 18) つまり 筋 収 縮 にともなう 筋 表 面 の 変 位 は 筋 束 や 腱 の 長 さ 変 化 にともなう 筋 形 状 変 化 を 反 映 しているのであろう 4.4 2 信 号 間 の 時 間 ずれ 筋 表 面 振 動 と 力 変 動 の 時 間 ずれは 本 研 究 で 対 象 とした 第 一 背 側 骨 間 筋 においては 非 常 に 短 い (< 1 ms) 一 方 前 脛 骨 筋 を 対 象 とした 研 究 に おいては 17) 筋 束 の 短 縮 および 腱 の 伸 張 と 力 の 発 生 の 間 には 1~3 ms のずれがあった このよう な 大 きな 時 間 ずれは 筋 のたるみ(slack)の 有 無 によるものであると 考 えられる 19) 2) たとえば 単 収 縮 においては 筋 腱 が 完 全 に 弛 緩 ( 安 静 ) 状 態 から 筋 収 縮 を 誘 発 する そのため 力 が 発 生 するためには 緩 んだ 腱 を 筋 ( 線 維 )が 収 縮 して 引 き 伸 ばす 必 要 性 がある そのため 時 間 ずれが 比 較 的 大 きいと 考 えられる 一 方 で ネコを 対 象 とした 実 験 においては 連 続 した 電 気 刺 激 によっ て 誘 発 された 筋 収 縮 中 の 筋 表 面 振 動 と 力 の 時 間 ずれは わずか 9.6~16.2 ms であった 21) つま り 筋 収 縮 開 始 直 後 と 筋 収 縮 中 においては 筋 の 形 状 そのものが 違 うため 時 間 ずれにも 違 いが 生 じるのであろう 本 研 究 においては 1) 対 象 と なった 第 一 背 側 骨 間 筋 の 腱 の 体 積 自 体 が 非 常 に 小 さいこと 2) 人 差 し 指 と 親 指 の 設 置 位 置 によ り 筋 長 が 予 め 引 き 伸 ばされている 状 態 であるこ と 3) 解 析 区 間 が 筋 収 縮 中 であるため 予 め slack が 少 なかったなどの 理 由 により 時 間 ずれが 非 常 に 短 いものだったと 考 えられる 4. 振 幅 値 筋 表 面 振 動 および 力 変 動 の 振 幅 値 は ともに 収 縮 強 度 の 増 加 にともなって 直 線 的 に 増 加 した( 図 2) 力 変 動 の 振 幅 値 の 直 線 的 な 増 加 は 同 一 の 筋 および 同 一 の 収 縮 強 度 での 測 定 結 果 でも 報 告 さ れている 7) 22) ヒトがある 一 定 の 目 標 値 に 力 をで きるだけ 精 確 に 合 わせようとしても 力 には 変 動 が 必 ずともなう この 力 が 変 動 する 起 源 は 運 動 単 位 プールの 活 動 様 相 特 に 運 動 単 位 の 発 火 頻 度 の 変 動 である 7) 23) よって 筋 表 面 振 動 の 起 源 も 間 接 的 に 運 動 単 位 の 発 火 頻 度 の 変 動 であるこ とが 示 唆 されるが これまで 報 告 されてきた 結 果 はいささか 複 雑 である たとえば 同 様 に 第 一 背 側 骨 間 筋 を 対 象 とした 結 果 では 筋 表 面 振 動 の 振
幅 値 変 化 は 21% MVC までは 緩 やかな 増 加 そし て 41% MVC までは 急 激 な 増 加 を 示 し それ 以 上 の 収 縮 強 度 においては 急 激 な 低 下 を 示 すことが 加 速 度 計 を 使 った 研 究 で 報 告 されている 16) よ って 本 研 究 との 結 果 の 相 違 は 前 述 した 通 り 測 定 機 器 の 違 いによるものであることが 予 測 され るため 更 に 詳 しく 考 察 を 行 ってみた 4.6 加 速 度 計 と 変 位 計 測 定 の 違 い 測 定 機 器 の 違 いによる 筋 表 面 振 動 の 波 形 特 性 は 単 刺 激 および 連 続 刺 激 による 電 気 刺 激 誘 発 筋 収 縮 において 明 らかにされている ) 24~27) たと えば 連 続 電 気 刺 激 による 筋 収 縮 中 において コ ンデンサマイクロフォンによる 測 定 では 筋 表 面 振 動 の 平 均 周 波 数 は 刺 激 頻 度 と 一 致 している ) 28) 29) 一 方 加 速 度 計 による 測 定 では 筋 表 面 振 動 の 平 均 周 波 数 は 刺 激 頻 度 よりも 高 い 傾 向 であった 3) 31) 随 意 筋 収 縮 において 接 触 型 コンデンサマイク ロフォン 接 触 型 ピエゾセンサ そして 非 接 触 型 レーザー 変 位 計 による 皮 膚 表 面 振 動 測 定 では 平 均 周 波 数 は 2 Hz 以 下 である 一 方 加 速 度 計 を 用 いた 測 定 時 には 2-4 Hz の 範 囲 の 周 波 数 帯 域 である 32) ~34) このような 周 波 数 特 性 の 違 いは 接 触 型 コンデンサマイクロフォン 接 触 型 ピエゾ センサ そして 非 接 触 型 レーザー 変 位 計 が 皮 膚 表 面 振 動 の 変 位 を 測 定 しているのに 対 し 加 速 度 計 は 文 字 通 り 皮 膚 表 面 振 動 の 加 速 度 を 測 定 してい るためであることに 疑 いはない これまで 加 速 度 計 を 用 いた 皮 膚 表 面 振 動 特 性 については 数 多 くの 研 究 報 告 がなされており 特 に 運 動 単 位 の 活 動 様 相 つまり 運 動 単 位 の 発 火 頻 度 や 動 員 様 式 について 考 察 が 行 われている 16) 3) 36) しかしながら 加 速 度 計 は 皮 膚 表 面 振 動 の 変 位 ( 本 研 究 の 結 果 をもって) 言 い 換 えれば 力 変 動 の 2 階 微 分 値 を 表 している 随 意 収 縮 中 の 力 変 動 は 各 運 動 単 位 固 有 の 単 収 縮 波 形 を 同 期 的 もしくは 非 同 期 的 に 合 計 した 結 果 発 生 する つま り 力 変 動 には 特 に 主 な 周 波 数 帯 域 である 2 Hz 以 下 の 成 分 には 確 実 に 運 動 単 位 の 発 火 頻 度 や 発 火 頻 度 の 変 動 成 分 が 多 く 含 まれていることにな る 7) 37) 一 方 で 現 時 点 において 力 変 動 の 高 周 波 数 成 分 (もしくは 力 変 動 の 2 階 微 分 値 )と 運 動 単 位 活 動 様 相 との 関 連 性 に 関 する 直 接 的 なエビ デンスはない よって 加 速 度 計 測 定 による 皮 膚 表 面 振 動 測 定 の 評 価 および 考 察 は 充 分 に 留 意 す る 必 要 があり 本 研 究 の 結 果 からは 非 接 触 型 の 変 位 計 測 定 がより 筋 表 面 振 動 の 生 理 学 的 機 序 を 理 解 できやすいと 考 えられる 4.7 まとめと 今 後 の 展 望 本 研 究 の 結 果 より 等 尺 性 の 第 一 背 側 骨 間 筋 背 側 収 縮 においては 比 較 的 高 強 度 まで 力 変 動 と 筋 表 面 振 動 は 波 形 類 似 性 があることが 確 認 できた 今 後 咀 嚼 筋 や 脊 柱 起 立 筋 収 縮 など 比 較 的 力 測 定 が 困 難 である 部 位 への 応 用 が 期 待 できる また ヒトの 日 常 生 活 における 動 作 を 考 慮 すると やは り 動 的 な 動 作 での 力 変 動 を 対 象 にする 必 要 性 があり 今 後 は 本 研 究 の 結 果 を 基 にその 技 法 の 開 発 に 着 手 する 謝 辞 本 研 究 は 平 成 18 年 度 ( 財 ) 中 谷 電 子 計 測 技 術 振 興 財 団 の 奨 励 研 究 助 成 を 受 けて 行 われた ここに 記 して 深 謝 いたします また 実 験 に 関 し 品 川 佳 満 氏 平 池 みぎわ 氏 ( 大 分 県 立 看 護 科 学 大 学 )お よびデータ 解 析 に 関 し 政 二 慶 氏 (トロント 大 学 ) の 協 力 を 得 た ここに 記 して 謝 意 を 表 します 参 考 文 献 1) Enoka RM, Christou EA, Hunter SK, Kornatz KW, Semmler JG, Taylor AM and Tracy BL. Mechanisms that contribute to differences in motor performance between young and old adults. J Electromyogr Kinesiol 13: 1-12, 23. 2) Maluf KS and Enoka RM. Task failure during fatiguing contractions performed by humans. In: J Appl Physiol, 2, p. 389-396.
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