筋活動量決定装置、筋活動量決定方法、及びプログラム

本開示は、運動時の筋活動量を決定する技術に関する。

運動のパフォーマンスを改善、評価するための指標として、筋活動の測定は重要である。筋活動を測定する代表的な方法として、表面筋電(対象筋の近傍の体表で計測される筋電信号)を用いる方法がある。例えば特許文献1は、表面筋電を用いた次のような筋活動の測定方法を開示している。すなわち、ユーザの対象筋の表面に電極を貼り付け、当該ユーザに最大強度の運動をさせたときに当該電極によって検知された最大活動筋電位を基準測定データとする。そして、当該ユーザの運動中に逐次検知される筋電位信号の当該基準測定データに対する大きさの割合を、当該ユーザの筋活動として評価する。

特開2000−316827号公報

しかしながら、表面筋電を用いて筋活動を測定する方法では、運動により電極がずれたり、外れたりすることで発生するノイズのために、正しく筋活動が測定できない場合がある。例えば、導電性の布を電極として組み込んで、ユーザが着れば筋電信号を計測可能なウェアがあるが、そのようなウェアを用いる場合には、着用が容易な反面、電極を皮膚に固定しないため電極ずれや電極外れが多発する。つまり、表面筋電を用いる方法では、正しい測定を行うために、ユーザは、電極を、皮膚と電気的に確実に接続された状態が常に維持されるように装着する必要があるが、そのような電極の装着は必ずしも容易ではない。この問題は、動きが激しい運動において、特に顕著である。

本開示の非限定的で例示的な一態様は、計測具の着用が容易で、かつ動きが激しい運動においても筋肉の活動量を高精度に決定できる筋活動量決定装置である。

本開示の一態様に係る筋活動量決定装置は、ユーザが所定の運動をしている時の前記ユーザの筋肉の形状を取得する形状取得部と、前記ユーザが前記運動をしている時の前記ユーザの筋肉の位置を特定する位置特定部と、筋肉の位置及び筋肉の形状と筋肉の活動量との対応を示す決定基準を参照し、前記位置特定部で特定された前記筋肉の前記位置及び前記形状取得部で取得された前記筋肉の前記形状を用いて、前記筋肉の活動量を決定する決定回路と、前記決定回路で決定された前記筋肉の活動量を出力する出力部と、を備える。

また、本開示の一態様に係る筋活動量決定方法は、形状取得部により、ユーザが所定の運動をしている時の前記ユーザの筋肉の形状を取得し、位置特定部により、前記ユーザが前記運動をしている時の前記ユーザの筋肉の位置を特定し、決定回路により、筋肉の位置及び筋肉の形状と筋肉の活動量との対応を示す決定基準を参照し、前記位置特定部で特定された前記筋肉の前記位置及び前記形状取得部により取得された前記筋肉の前記形状を用いて、前記筋肉の活動量を決定し、出力部により、前記決定回路で決定された前記筋肉の活動量を出力するものである。

なお、この包括的または具体的な態様は、システム、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録媒体で実現されてもよく、装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばCD−ROM(Compact Disc−Read Only Memory)などの不揮発性の記録媒体を含む。

本開示によれば、計測具の着用が容易で、かつ動きが激しい運動においても筋肉の活動量を高精度に決定できる。本開示の一態様の付加的な恩恵及び有利な点は本明細書及び図面から明らかとなる。この恩恵及び/又は有利な点は、本明細書及び図面に開示した様々な態様及び特徴により個別に提供され得るものであり、その1以上を得るために全てが必要ではない。

開示の基礎となる実験の環境を示す模式図である。

被験者の左脚の太腿回りでの断面の一例を示す断面図である。

マーカ角度の一例を示す図である。

ペダル位置を表す概念図である。

マーカ角度の弛緩平均及び収縮平均の一例を示すグラフである。

マーカ角度の弛緩平均及び収縮平均の一例を示すグラフである。

マーカ角度の弛緩平均及び収縮平均の一例を示すグラフである。

マーカ角度の弛緩平均及び収縮平均の一例を示すグラフである。

マーカ角度の弛緩平均及び収縮平均の一例を示すグラフである。

マーカ角度の弛緩平均及び収縮平均の一例を示すグラフである。

マーカ角度の弛緩平均及び収縮平均の一例を示すグラフである。

実施の形態1に係る筋活動量決定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。

実施の形態1に係る筋活動量決定装置の外観の一例を示す模式図である。

実施の形態1に係る大腿部の傾き角度をペダル位置に変換するための変換テーブルの一例を示す図である。

実施の形態1に係る決定基準の一例を示す図である。

実施の形態1に係る筋活動量決定装置の動作の一例を示すフローチャートである。

実施の形態1に係る筋活動量決定装置の動作結果の一例を示す図である。

実施の形態1に係る筋活動量の出力例を示す図である。

電極付きパンツの電極位置を示す図である。

実験で計測された筋電信号の一例を示すグラフである。

筋電センサと筋形状計測装置の組み合わせ例を示す図である。

実施の形態2に係る筋活動量決定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。

実施の形態2に係る筋活動量決定装置の動作の一例を示すフローチャートである。

(本開示の基礎となった知見) 本願発明者らは、背景技術の欄において記載した筋活動の測定に関し、表面筋電を用いる方法では、電極の装着が容易でないことを指摘した。この問題に対し、本発明者らは、筋肉を収縮させると筋形状が変化することに着目し、表面筋電に比べて装着が容易な計測具を用いて測定できる筋形状から筋活動量を決定することを検討する。

当該検討において、本願発明者らは、筋形状に基づく筋活動量の決定基準を見出すための実験を実施した。本実験について、図面を参照しながら詳述する。

図1Aは、実験環境を説明する模式図である。本実験では、図1Aに示す環境において、カメラ102を用いて、自転車103に乗る被験者100を撮影した。被験者は、成人男性1名である。

被験者100の左脚の太腿回りに、8個のマーカ104を貼り付けた。

カメラ102には、7台の赤外カメラ(VENUS3D、ノビテック製)を用いた。サンプリング周波数は240Hzとした。カメラ102により、8個のマーカ104の動きをキャプチャした。

自転車103には、サイクルトレーナを用いて、直立するようにフレームを固定した。被験者100は、ペダルとロックできる専用シューズを着用した。

図1Bは、被験者100の左脚の前記太腿回りでの断面101の一例を示す断面図である。図1Bに示すように、被験者100の前記太腿回りには、前述の8個のマーカ104として、マーカ104a〜104hが略等間隔に貼り付けられている。断面101には、外側広筋111、大腿直筋112、内側広筋113、ハムストリングス114が含まれる。

断面101における外側広筋111及び大腿直筋112の形状が、マーカ104a、104b、104cの位置に反映される。断面101における内側広筋113の形状が、マーカ104d、104eの位置に反映される。断面101におけるハムストリングス114の形状が、マーカ104f、104g、104hの位置に反映される。本実験では、実用的な便宜のため、隣接する3つのマーカを結ぶ折れ線がなす角度によって筋肉の形状を表す。以下では、当該角度を、短く、マーカの角度と言うことがある。なお、マーカの角度は、筋肉の形状を表現するための一例であり、この例には限定されない。

図1Cは、マーカの角度の一例を示す図である。例えば、マーカ104a並びにマーカ104aの隣にあるマーカ104h及び104bについて、マーカ104aとマーカ104hとを結ぶ第1の直線L1と、マーカ104aとマーカ104bとを結ぶ第2の直線L2とがなす角度が、マーカ104aの角度θaである。マーカ104b〜104hのそれぞれの角度も、同様に定義される。

本実験での被験者100のタスクは、次のとおりである。自転車103のペダルは、アナログ時計の6時、3時、12時、9時の各位置に固定した。被験者100は、前記各位置に固定されているペダルに足を乗せ、自転車103を漕ぐ姿勢を取り、大腿部の筋肉を最大筋力で5秒間収縮させ、全く力を入れずに5秒間弛緩させる動作を2セット行った。

図2は、ペダル位置を表す模式図であり、被験者100の左脚を外側から見た側面図に対応する。図2の(a)〜(d)は、6時、3時、12時、9時のペダル位置をそれぞれ表している。各ペダル位置で、被験者100の大腿部は水平面から角度φ傾いている。ペダル位置は、被験者100が所定の運動(本実験では自転車のペダルを漕ぐ運動、ペダリングとも言う)をしているときの前記ユーザの筋肉の位置に対応する。

全てのペダル位置、つまり被験者100のペダリングにおける筋肉の異なる複数の位置で、前記タスクを実行中の被験者100から、マーカ104a〜104hの動きをキャプチャし、角度θa〜θhの時間変化を求めた。そして、角度θa〜θhのそれぞれについて、被験者100が最大筋力を発揮している筋収縮状態での合計10秒間の平均値(収縮平均)と、全く力を入れない筋弛緩状態での合計10秒間の平均値(弛緩平均)とを算出した。

図3A〜図3Dは、それぞれ6時、3時、12時、9時のペダル位置で実行されたタスクにおいて、角度θa及び角度θeについて算出された弛緩平均及び収縮平均の一例を示すグラフである。図3A〜図3Dにおいて、横軸は角度θa、θeを区別し、縦軸は角度θa、θeを表す。

図3A〜図3Dに見られるように、角度θa、θeが筋肉の収縮に伴って増加するか減少するかは、ペダル位置によって異なる。例えば、ペダル位置が6時及び3時の場合(図3A、図3B)、角度θa及び角度θeの何れについても、収縮平均が弛緩平均よりも小さくなる。つまり、角度θa、θeが筋肉の収縮に伴って減少する。また、ペダル位置が12時及び9時の場合(図3C、図3D)、角度θa及び角度θeの何れについても、収縮平均が弛緩平均よりも大きくなる。つまり、角度θa、θeが筋肉の収縮に伴って増加する。

図4A、図4Bは、図3A〜3Dに示した角度θa及び角度θeのそれぞれの弛緩平均及び収縮平均を、ペダル位置ごとに比較したグラフである。図4A、図4Bにおいて、横軸は角度θa、θeを区別し、縦軸は角度θa、θeを表す。

図4A、図4Bに見られるように、同じ角度θa又は同じ角度θeの弛緩平均又は収縮平均であっても、ペダル位置によって大きさが異なる。例えば、図4Aでは、大腿部に力を入れていないにも関わらず、ペダル位置によって、角度θa及び角度θeの何れの弛緩平均の大きさも変化している。さらに、図4Aと図4Bとの比較から、角度θa及び角度θeの何れについても、ペダル位置に応じた弛緩平均の変動パターンと収縮平均の変動パターンとが異なっていることが分かる。

このような傾向は角度θa及び角度θeについて成り立つが、例えば、角度θbについては、さらに異なる傾向が見られる。

図5は、上述の実験で角度θbについて算出された弛緩平均及び収縮平均の一例を表すグラフである。図5において、横軸はペダル位置を表し、縦軸は角度θbを表す。

図5に見られるように、角度θbは、角度θa、θeとは異なり、ペダル位置によらず、筋肉の収縮に伴って減少する。

本願発明者らは、本実験の結果から、筋形状は、筋収縮のみでなく、被験者100が行う所定の運動における筋肉の位置(一例として、ペダリングにおけるペダル位置)によっても変化するという、新たな知見を得た。そこで、本願発明者らは、(a)被験者100の筋肉の位置及び当該筋肉の形状と(b)当該筋肉の活動量との対応を示す決定基準に従って、当該筋肉の活動量(活動量が単に多いか少ないかの程度又は傾向による表示を含む)を決定することを提案する。

一例として、図3A〜図3Dに示した結果から、次のような決定基準が得られる。すなわち、ペダル位置が6時又は3時を含む範囲にある場合には、角度θa及び角度θeが弛緩平均と収縮平均との間に定められる閾値よりも小さい場合に、マーカ104a及びマーカ104eにそれぞれ反映される筋肉の活動量が多いと決定する。また、ペダル位置が12時及び9時の近傍にある場合、角度θa及び角度θeが弛緩平均と収縮平均との間に定められる閾値以上のときに、マーカ104a及びマーカ104eにそれぞれ反映される筋肉の活動量が多いと決定する。

また、他の一例として、図5に示した結果から、次のような決定基準が得られる。すなわち、ペダル位置が6時、3時、12時、及び9時の何れを含む範囲にある場合も、角度θbが弛緩平均と収縮平均との間に定められる閾値よりも小さい場合に、マーカ104bに反映される筋肉の活動量が多いと決定する。

なお、運動における筋肉の位置が筋形状に影響する原因は、当該筋肉の水平面に対する傾き角度(図2のφ)や、当該筋肉と接続する関節の角度に応じて、当該筋肉にかかる重力の成分や外力が変化するためであり、ペダリングに特有の現象ではない。したがって、筋肉の位置及び筋肉の形状で表された決定基準に従って筋肉の活動量を決定する考え方は、ペダリングに限らず、例えば歩行やウェイトトレーニングなど、種々の運動に適用できる。

以下、本開示の一態様に係る筋活動量決定装置及び筋活動量決定方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

(実施の形態1) 図6は、実施の形態1に係る筋活動量決定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図6に示される筋活動量決定装置200は、所定の運動における筋肉の位置及び当該筋肉の形状を用いて当該筋肉の活動量を決定する装置であり、形状取得部201と、位置特定部202と、決定回路203と、出力部204とを備える。

図7は、筋活動量決定装置200の外観の一例を示す模式図である。図7では、自転車910を漕ぐユーザ900の大腿部の筋活動量を決定する筋活動量決定装置200の例を示している。筋活動量決定装置200は、一例として、情報端末920(例えば、サイクルコンピュータ、スマートフォン等)、ユーザ900が大腿部に着用するセンサユニット930、及び自転車910に取り付けられるセンサユニット940で構成される。

形状取得部201は、ユーザ900の筋肉の形状を取得し、取得された形状を表す情報を決定回路203に通知する。形状取得部201は、所定の周期毎に、ユーザ900の筋肉の形状を取得する。

ユーザ900の筋肉の形状の例は、ユーザ900の肢体の筋肉を含む断面における当該筋肉の形状である。

当該筋肉の形状は、前述の実験に倣って、前記肢体の断面の外周上(例えば、胴回り、腕回り、脚回りなど)に定められた3点(前述の実験における隣接する3つのマーカ)を結ぶ折れ線がなす角度で表されてもよい。

形状取得部201のハードウェアには、例えば、モーションキャプチャ、またはユーザ900が着用するひずみセンサを用いてもよい。

モーションキャプチャを用いる場合、前述の実験と同様、ユーザ900の脚に配置された第1のマーカ、第2のマーカ、および第3のマーカ(具体的には、筋肉の上に配置された第1のマーカ並びに第1のマーカの隣にある第2のマーカおよび第3のマーカ)のそれぞれの3次元座標から、第1のマーカと第2のマーカとを結ぶ第1の直線と、第1のマーカと第3のマーカとを結ぶ第2の直線とがなす角度を、マーカの角度(すなわち、前記筋肉の形状)として求める。この場合、マーカが、形状取得部201を構成するセンサの一例である。なお、第1のマーカ、第2のマーカ、及び第3のマーカが位置する平面は、脚の長軸方向に対して垂直な面であってもよい。

ひずみセンサを用いる場合、筋肉の形状が反映された体表の曲率を、当該ひずみセンサが受けるひずみの大きさによって検出する。体表の曲率は、前記マーカの角度に対応し、前記筋肉の形状を表す。図7のセンサユニット930は、ひずみセンサを用いた形状取得部201の一例である。

形状取得部201は、モーションキャプチャ又はひずみセンサなどを用いて取得した筋肉の形状を表す情報を、例えば無線で、決定回路203に送信する。

位置特定部202は、ユーザ900の所定の運動における筋肉の位置を周期的に特定し、特定された位置を表す情報を決定回路203に通知する。

ユーザ900の所定の運動の例は、自転車のペダルを漕ぐ運動である。この運動を自転車のペダリングとも呼ぶ。自転車は、サイクルトレーナを含む。ユーザ900の筋肉の位置の例は、ペダル位置(前述の実験における6時、3時、12時、9時の位置)である。

位置特定部202には、例えば、モーションキャプチャ、自転車910のチェーンホイールの回転角度を検出する回転角度センサ、またはユーザ900の大腿部の水平面からの傾き角度φ(図2を参照)を検出する傾きセンサを用いてもよい。傾きセンサは、例えば、ユーザ900の大腿部に固定された地磁気センサ又は加速度センサ、若しくはそれらの組み合わせで構成されてもよい。

回転角度センサを用いる場合、回転角度センサによって得られた回転角度を、ペダル位置(言い換えれば、ペダリングの1回転における角度)とする。図7のセンサユニット940は、回転角度センサを用いた位置特定部202の一例である。

傾きセンサを用いる場合、位置特定部202は、傾きセンサにより検出された大腿部の傾き角度φからペダル位置を算出する。位置特定部202は、例えば、あらかじめ用意された変換テーブルを参照することにより、傾き角度φをペダル位置に変換する。

図8は、傾き角度φをペダル位置に変換するための変換テーブル211の一例を示す図である。変換テーブル211には、あらかじめ、6時、3時、12時、及び9時の各ペダル位置でユーザ900の大腿部の水平面からの傾き角度φを測定した結果が、記録されている。

位置特定部202は、例えば、変換テーブル211に示される各傾き角度φと略同一(例えば、±10%の範囲内)の角度が傾きセンサによって検出されたとき、変換テーブル211の対応するペダル位置を、自転車910の現在のペダル位置として特定する。なお、3時及び9時のペダル位置に対応する傾き角度φは、それぞれ9時を含む半周及び3時を含む半周においても検出される。そのため、ペダル位置を必ず6時、3時、12時、9時の順に特定する制約を設けることで、3時及び9時のペダル位置を誤って特定する不具合を回避してもよい。

傾きセンサを用いる場合、図7のセンサユニット930に傾きセンサを追加し、情報端末920で上述の変換処理を行ってもよい。つまり、位置特定部202は、センサユニット930と情報端末920とに分離して設けられてもよい。また、センサユニット930に、変換テーブル211を記憶し上述の変換処理を行うための小規模な回路を設けて、位置特定部202をセンサユニット930に集約してもよい。

位置特定部202は、回転角度センサ又は傾きセンサなどを用いて特定した筋肉の位置を表す情報を、例えば無線で、決定回路203に送信する。

決定回路203は、筋肉の位置及び筋肉の形状と筋肉の活動量との対応を示す決定基準を参照して、位置特定部202で特定された筋肉の位置及び形状取得部201で取得された前記筋肉の形状を用いて、前記筋肉の活動量を決定する回路である。前記活動量は、数値で表示される他、活動が単に多いか少ないかの程度又は傾向で表示されてもよい。

決定回路203には、例えば、図7の情報端末920に含まれるプロセッサ、メモリ、及び通信回路が用いられる。当該通信回路は、形状取得部201及び位置特定部202から送信された筋肉の形状及び位置を表す情報を受信する。前記メモリは、前記決定基準を記憶している。そして、前記メモリに記憶されているプログラムを前記プロセッサで実行することによって、筋活動量が決定される。

図9は、決定回路203に記憶されている決定基準212の一例を示す図である。図9の決定基準212は、前述の実験で6時、3時、12時、9時の4つのペダル位置のそれぞれについて求められた角度θaの収縮平均及び弛緩平均を示している。ここで、1つのペダル位置に対応する収縮平均及び弛緩平均が、筋肉の位置(ペダル位置)及び筋肉の形状(角度θa)と筋肉の活動量(収縮平均又は弛緩平均)とを対応付けて示す決定基準の例である。つまり、図9の決定基準212は、筋肉の異なる位置に対応する4つの決定基準を示している。

なお、図9の決定基準212は、角度θaに形状が反映される外側広筋111(図1B、図1Cを参照)の活動量を決定するために適しているが、このような決定基準の適用は外側広筋111には限られない。例えば、内側広筋113やハムストリングス114の活動量を決定するために、それぞれ角度θeや角度θgに適した決定基準を設定し、角度θaについて行う後述の処理と同様の処理を適用してもよい。

決定回路203は、形状取得部201から筋肉の形状(角度θa)を受信し、位置特定部202から筋肉の位置(ペダル位置)を受信し、受信した筋肉の位置(ペダル位置)に対応する決定基準を選択する。決定回路203は、受信した筋肉の形状(角度θa)が、選択した決定基準の収縮平均及び弛緩平均を両端とする角度範囲を参照して、筋活動量を決定する。

具体的には、例えば、 筋活動量=(角度θa−弛緩平均)/(収縮平均−弛緩平均)×100 (式1) なる数式に従って、筋活動量をパーセント表示で決定してもよい。計算結果が0より小さくなる場合は0に補正し、100より大きくなる場合は100に補正してもよい。

また、活動量が単に多いか少ないかの程度又は傾向での表示が必要であれば、収縮平均と弛緩平均との間(例えば中点)に閾値を設定し、当該閾値と当該収縮平均との差分よりも角度θaと当該収縮平均との差分が小さい場合に、筋活動量が多いと決定してもよい。つまり、収縮平均が弛緩平均よりも小さい決定基準(ペダル位置が6時又は3時を含む範囲にある場合)では、角度θaが前記閾値よりも小さい場合に、筋活動量が多いと決定する。また、収縮平均が弛緩平均よりも大きい決定基準(ペダル位置が12時又は9時を含む範囲にある場合)では、角度θaが前記閾値よりも大きい場合に、筋活動量が多いと決定する。

決定回路203は、形状取得部201及び位置特定部202から周期的に受信される筋肉の形状及び位置に従って筋活動量を決定し、筋活動量の決定結果を、出力部204に通知する。

出力部204は、決定回路203から通知された筋活動量の決定結果を出力する。

出力部204には、例えば、図7の情報端末920に含まれるディスプレイを用いてもよい。出力部204は、決定回路203から通知された筋活動量を、ディスプレイを介して、ユーザ900に視覚的にフィードバックする。

出力部204は、その他の例として、スピーカを用いても良い。出力部204は、スピーカを介して、ユーザ900に聴覚的にフィードバックする。または、出力部204は、情報端末に活動量を出力し、情報端末を振動させることにより、ユーザ900に触覚的にフィードバックする。例えば、筋活動量が所定以上の場合に、情報端末が振動する。

または、出力部204は、メモリへの保存、外部装置(図示せず)に送信を含む機械的に読み取り可能なデータを出力してもよい。

次いで、実施の形態1に係る筋活動量決定方法の例として、筋活動量決定装置200の動作を説明する。

図10は、筋活動量決定装置200の動作の一例を示すフローチャートである。

形状取得部201によりユーザ900の筋肉の形状が取得される(S11)。

位置特定部202によりユーザ900が行う所定の運動における前記筋肉の位置が特定される(S12)。説明の簡明のため、前記形状の取得と前記位置の特定とは同期しており、略同一時刻における前記筋肉の前記形状と前記位置とが、決定回路203に通知されるとする。

決定回路203により、筋肉の位置及び筋肉の形状と筋肉の活動量との対応を示す決定基準が参照され、位置特定部202で特定された前記位置及び形状取得部201で取得された前記形状を用いて前記筋肉の活動量が決定される(S13)。

出力部204により、決定回路203で決定された活動量が出力される(S14)。

上述のステップS11〜S14を繰り返すことにより、ペダリングの1回転ごとに、6時、3時、12時、9時のペダル位置での筋活動量が決定される。

図11は、筋活動量決定装置200の動作結果の一例を示す図であり、図10のフローチャートの実行結果213を示している。図11の実行結果213では、時刻t1において、ペダル位置が6時と特定され、角度θaとして129度が取得される。図9の6時のペダル位置に対応する決定基準が選択され、126度の収縮平均と138度の弛緩平均とが参照され、前述の(式1)に従って(129−138)/(126−138)×100を計算して、筋活動量が75%と決定される。時刻t2、t3、t4においても同様にして、筋活動量がそれぞれ33%、67%、100%と決定される。

図12は、筋活動量の出力例を示す図である。図12では、情報端末920の液晶表示器である出力部204に、図11の実行結果213を表示した例を示している。図12における左脚の筋活動量として、図11の6時、3時、12時、9時のペダル位置での筋活動量の平均値である69%が表示されている。図12における右脚の筋活動量も、左脚と同様にして決定された右脚の筋活動量の、ペダリングの1回転における平均値が表示されたものである。

(効果) 以上説明した筋活動量決定装置200及び筋活動量決定方法によれば、筋肉の位置及び形状に基づいて筋活動量を決定することができる。筋肉の位置及び形状を検出するセンサは、例えば、表面筋電を計測するための電極とは異なり、センサとユーザの皮膚とを電気的に確実に接続された状態に維持しなくても、検出結果にノイズを生じにくい。つまり、容易に装着可能な計測具を用いて、筋活動量を正確に決定できる。また、筋肉の形状と運動における筋肉の位置とを用いることで、例えば、重力や外力による筋肉の変形の影響をキャンセルして、筋活動量をより正確に決定できる。

その結果、計測具の着用が容易で、かつ動きが激しい運動においても筋肉の活動量を高精度に決定できる筋活動量決定装置及び筋活動量決定方法が得られる。

(実施の形態2) 実施の形態1では、従来の表面筋電を計測するための電極を全く用いない筋活動量決定装置及び筋活動量決定方法の構成を例示したが、表面筋電の利用を完全に排除する必要はなく、筋肉の形状及び位置と表面筋電とを併用して筋活動量を決定してもよい。

実施の形態2では、筋肉の形状及び位置と表面筋電とを併用する筋活動量決定装置及び筋活動量決定方法について説明する。

まず、実施の形態2の筋活動量決定装置及び筋活動量決定方法を得るに至った実験について説明する。

実施の形態1では、対象部位が水平面となす角度と、筋形状を用いて、ユーザが対象筋肉に力を入れているか否かを判定した。実施の形態2では、表面筋電と筋形状を用いてより高精度に筋収縮力を測定する手法について述べる。

図13に示すように、本願発明者らは、自転車用のパンツの大腿四頭筋に対向する6ヶ所に導電性の布(以降布電極と呼ぶ)を縫い付け、電極ペア105b、105c、105dを構成した。布電極のサイズは、28×28mmで、電極間距離は10mmとした。さらに、筋電センサの電極を繋ぐために、スナップボタンのオス側の平たい面と布電極を糸で縫い付け、パンツを装着した時に外側から筋電センサの電極を6チャンネル繋いだ。筋電信号として、上の列にある電極とその下にある電極との差動電位を計測した。

布電極の素材は、ポリエステルに銅及びニッケルをコーディングされたものであり、表面抵抗値は0.03〜0.05Ω/□である。筋電センサ計として、ポリメイト製の筋電位計測装置を使用した。ハイパスフィルタを10Hz、ローパスフィルタを500Hzとし、サンプリング周波数を1000Hzとした。

実験タスクについて説明する。被験者に汗をかいた状態から、自転車を1分間立ち漕ぎするよう教示した。回転速度を60rpm(1分に60周)とした。

図14は、実験で計測された筋電信号の一例を示すグラフである。図14では、横軸は時間を表し、縦軸は筋電位を表す。ここで、波形106bは電極ペア105bで計測された外側広筋周辺の筋電信号であり、波形106cは電極ペア105cで計測された大腿直筋周辺の筋電信号であり、波形106dは電極ペア105dで計測された内側広筋周辺の筋電信号である。図14に見られるように、波形106dが最も不安定であり、波形106bは最も安定であることが分かる。

筋電信号が不安定になるのは、布電極が伸縮性のあるパンツと一緒に移動し、接触インピーダンスが変化するためと考えられる。例えば、電極ペア105dは、内側広筋の近傍にあって、パンツが最もずれやすい場所にあるため、安定して筋電信号を計測することができない。

このように、本願発明者らが実施した実験により、電極を皮膚に固定できない筋電計測用のウェアを用いると、電極ずれが生じやすい部位と、電極ずれが生じにくい部位があることが明らかになった。

そこで、本願発明者らは、実験から得られた上述の知見に基づき、電極ずれが生じやすい部位と生じにくい部位とで、それぞれ筋形状センサ及び筋電センサを併用する筋活動量決定装置及び筋活動量決定方法を提案する。

具体的には、図15に示すように、大腿部の場合には、内側広筋の周辺は筋電信号が安定に計測できない場所であるため、ずれの影響を受けにくい筋形状センサ(例えば、マーカ104d〜104f)を用いることが有効である。また、筋電信号が安定に計測できる場所(たとえば外側広筋)では筋電センサ(例えば、電極ペア105a〜105c、105g、105h)を用いて表面筋電を計測し、筋形状と表面筋電とを併用することで筋活動量をより高精度に決定することが可能となる。

図16は、実施の形態2に係る筋活動量決定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図16に示される筋活動量決定装置300は、所定の運動における筋肉の位置及び形状と、表面筋電とを併用して、筋肉の活動量を決定する装置であり、図6の筋活動量決定装置200と比べて、筋電計測部301が追加され、決定回路302が変更される。以下、筋活動量決定装置200と相違する構成について主に説明する。

筋電計測部301は、ユーザの対象筋の近傍の体表にて筋電信号を計測するセンサであり、一般的な筋電センサが用いられる。筋電計測部301は、計測された筋電信号を決定回路302に送信する。

決定回路302は、筋電特徴量と筋活動(筋収縮強度)と対応付けて示す筋電基準を保持している。当該筋電基準は、ユーザ毎の基準であってもよく、また、正規化された基準でもよい。当該筋電特徴量は、例えば、筋電信号の自乗平均であってもよく、具体的には、最大筋力で筋収縮させたユーザの表面筋電をあらかじめ計測して得た筋電信号の自乗平均であってもよい。

決定回路302は、筋電計測部301が送信した筋電信号を受信し、受信された筋電信号から、筋電特徴量(例えば、自乗平均)を計算する。さらに、計算された自乗平均の、前記筋電基準によって示される最大筋力における自乗平均に対する割合を、表面筋電に基づく筋活動量(筋収縮強度)として決定する。

また、決定回路302は、表面筋電に基づく筋活動量の決定と並行して、筋肉の位置及び形状に基づく筋活動量を、決定回路203と同様にして決定する。

決定回路302は、決定された表面筋電に基づく筋活動量と、筋肉の位置及び形状に基づく筋活動量とを併用して、筋肉全体での活動量を決定する。併用の例として、決定回路302は、筋肉ごとの筋活動量を、筋電信号に基づく筋活動量及び筋肉の位置及び形状に基づく筋活動量のうち、当該筋肉の近傍あるセンサの種類に応じた一方に決定してもよい。また、筋電信号に基づく筋活動量と筋肉の位置及び形状に基づく筋活動量との平均値を筋肉全体での筋活動量として決定してもよい。

次いで、実施の形態2に係る筋活動量決定方法の例として、筋活動量決定装置300の動作を説明する。以下、筋活動量決定装置200の動作と相違するステップについて主に説明する。

図17は、筋活動量決定装置300の動作の一例を示すフローチャートである。

形状取得部201によりユーザの筋肉の形状が取得され(S11)、位置特定部202によりユーザが行う所定の運動における前記筋肉の位置が特定される(S12)。ステップS11、S12は、前述と同様である。

筋電計測部301により、運動中のユーザの表面筋電(対象筋の筋電信号)が計測され、計測結果が決定回路302に送信される(S21)。

決定回路302により、筋肉の位置及び形状に基づく筋活動量と、表面筋電に基づく筋活動量とが決定され、両方の筋活動量を併用して、筋肉全体での活動量が決定される(S22)。出力部204により、決定回路302で決定された活動量が出力される(S23)。

(効果) 以上説明した筋活動量決定装置300及び筋活動量決定方法によれば、筋活動量決定装置200について説明した効果と同様の効果に加えて、表面筋電を併用することで、より高い精度で筋活動を決定することができる。

以上、本開示の1つまたは複数の態様に係る筋活動量決定装置及び筋活動量決定方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の1つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

本開示に係る筋活動量決定装置及び筋活動量決定方法は、例えば、競技向けのトレーニング、一般エクササイズ、リハビリテーションなど、ユーザの運動中の筋活動量を決定する必要がある、あらゆる場面に利用できる。

100 被験者 101 断面 102 カメラ 103 自転車 104、104a〜104h マーカ 105a〜105c、105d〜105f 電極ペア 106a〜106c 波形 111 外側広筋 112 大腿直筋 113 内側広筋 114 ハムストリングス 200、300 筋活動量決定装置 201 形状取得部 202 位置特定部 203、302 決定回路 204 出力部 211 変換テーブル 212 決定基準 213 実行結果 301 筋電計測部 900 ユーザ 910 自転車 920 情報端末 930、940 センサユニット