(57)【要約】【課題】本発明では、断端袋等を皮膚とセンサとの間に設けても、安定した筋電計測が可能で、且つ外乱ノイズを効果的に除去できる筋電計測装置を提供することを目的とする。【解決手段】検体者の皮膚表面から筋電位を測定する筋電計測装置１であって、該筋電計測装置１は、該皮膚表面からの筋電位を測定する２つの検出電極部と該皮膚表面の基準電位を検出する基準電極部を備える差電検出手段２と、該差電検出手段２から出力される信号を処理する信号処理回路３０を備え、該検出電極部が、該皮膚表面と絶縁物を介して静電容量性結合される導電性電極からなり、該信号処理回路３０が、該差電検出手段２からの信号を受けて、高周波成分を除去するローパスフィルタ３１および低周波成分を除去するハイパスフィルタ３２，３３を備え、更に該ローパスフィルタ３１と該ハイパスフィルタ３２，３３を通過した信号を増幅する増幅部３４を備える。【選択図】図３
2007301157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体者の皮膚表面から筋電位を測定する筋電計測装置であって、
該筋電計測装置は、該皮膚表面からの筋電位を測定する２つの検出電極部と該皮膚表面の基準電位を検出する基準電極部を備える差電検出手段と、
該差電検出手段から出力される信号を処理する信号処理回路を備え、
該検出電極部が、該皮膚表面と絶縁物を介して静電容量性結合される導電性電極からなり、
該信号処理回路が、該差電検出部からの信号を受けて、高周波成分を除去するローパスフィルタおよび低周波成分を除去するハイパスフィルタを備え、
更に該ローパスフィルタと該ハイパスフィルタを通過した信号を増幅する増幅部を備え、
該ハイパスフィルタの遮断周波数は、商用電源周波数領域よりも高いことを特徴とする筋電計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の筋電計測装置において、上記ハイパスフィルタは、遮断周波数が１００Ｈｚよりも高いことを特徴とする筋電計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筋電を計測するための筋電計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筋電とは筋収縮時に発生する活動電位であり、筋疲労などの人間工学的評価に加え、制御やユーザインタフェース用の信号源として用いられる。筋電インタフェースの最大のメリットは、運動機能障害によって本来の目的を達することが困難な筋活動であっても、その残存能力を有効に活用することができる点である。代表的な応用例としては筋電義手が挙げられる。そこでは、切断端部に残る筋活動を有効活用することにより、失われた手の機能の一部を機械的な義手によって代替することが研究されている。近年では、重度の運動機能障害を持つ人の残存する筋活動を利用して、電動車椅子等の機器を操作する研究も行われている。
【０００３】
これらの研究では、筋電を識別して機器を操作する制御系の研究が活発に行われている（特許文献１）。
【０００４】
しかし、筋電を測定する入力系の研究はほとんど行われていない。筋電の測定方法としては、針電極や埋め込み電極を用いて測定する侵襲的な方式と、皮膚の上に表面電極を接触して測定する被侵襲的な方式に分類される。侵襲的な方式は個々の筋の細かい活動を観察するのに適し、被侵襲的な方式は、より大きな筋活動に適しており、目的に応じて使い分けられている。
【０００５】
本発明では、筋電のユーザインタフェースを目的として、被侵襲的な方式での研究を行った。この方式では、検体者の皮膚表面で観測される筋電信号は数μVから数mV程度の弱い信号であるため、商用電源などから誘導される外乱ノイズなどの様々な外乱ノイズの影響を受けやすい欠点を持つ。
【０００６】
この外乱ノイズは皮膚と電極との接触抵抗が一因であり、従来は、導電性のペーストを用いる等の前処理によって接触抵抗を小さくすることにより、外乱ノイズの影響を小さくする方式が用いられてきた。しかし、導電ペーストを用いる方式では、長時間、連続して測定する場合に、導電性ペーストの経時変化が問題となり、また、導電性ペーストの皮膚への塗布、剥がし、測定後の皮膚の洗浄等、脱着時の負担が大きく、実用性の妨げとなっていた。
【０００７】
また、例えば、筋電義手として、義肢ソケットの内側に筋電センサを取り付け、義肢ソケットの内側に人体の手の断端部を挿入して、断端部の皮膚の上から直接筋電を測定することが知られている。（特許文献２）
しかし、特許文献２に示すものでは、柔軟な基板に検出センサを設けることで、皮膚表面に沿って自在に変形し得る基板が、皮膚表面に対して、弾性変形可能な支持部材を介して相対的に押付けられるようになっており、皮膚と検出センサとの接触不良を防止するようにしている。
【特許文献１】特開２００５−０００３８９号公報
【特許文献２】特開平１１−１１３８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献２に示すものでは基板構造を工夫して接触不良を低減するようにしているが、接触抵抗に起因する問題を解決するものではない。このため、皮膚の接触抵抗に関わらず高感度に検出可能な筋電計測装置の開発が強く望まれている。
【０００９】
更に、断端部の皮膚保護、汗の吸収による衛生管理などのために、断端部には布製のサポータのような断端袋を被せることが多い。このように、断端部に断端袋等を被せたものであっても、高感度で且つノイズ成分を効果的に除去して高精度で検出できるようにしたものの開発が強く望まれている。
【００１０】
そのために、本発明は、上記問題点の考察から、断端袋、シリコンライナ、布等を皮膚と検出電極部との間に設けても安定して計測できるタイプについて、研究を重ねていった。具体的には、皮膚の接触抵抗に関わらず高感度に検出可能な筋電計測装置で、且つ断端袋等を皮膚と検出電極部との間に設けても、安定した筋電計測が可能で、且つ外乱ノイズを効果的に除去できる筋電計測装置について研究を重ね、外乱を除去する周波数フィルタに着目して、開発を進めた。その結果、従来の常識に反して信号の増幅前に、事前に大幅な周波数領域を除去することが有効な手段であることを見いだし、本発明に至った。即ち、本発明は、断端袋等を皮膚と検出電極部との間に設けても、より安定した筋電計測が可能で、且つ外乱ノイズを効果的に除去できる筋電計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
具体的には、請求項１の発明は、検体者の皮膚表面から筋電位を測定する筋電計測装置であって、
該筋電計測装置は、該皮膚表面からの筋電位を測定する２つの検出電極部と該皮膚表面の基準電位を検出する基準電極部を備える差電検出手段と、
該差電検出手段から出力される信号を処理する信号処理回路を備え、
該検出電極部が、該皮膚表面と絶縁物を介して静電容量性結合される導電性電極からなり、該信号処理回路が、該差電検出部からの信号を受けて、高周波成分を除去するローパスフィルタおよび低周波成分を除去するハイパスフィルタを備え、
更に該ローパスフィルタと該ハイパスフィルタを通過した信号を増幅する増幅部を備え、該ハイパスフィルタの遮断周波数は、商用電源周波数領域よりも高いことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の筋電計測装置において、上記ハイパスフィルタは、遮断周波数が１００Ｈｚよりも高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、微細な電位である筋電を高精度に検出でき、皮膚の乾燥具合によらず同レベルの筋電信号を計測可能であることに加え、断端袋等を設けても筋電を測定できるメリットを有し、大きな外乱である商用電源周波数領域を確実に除去して増幅するので、外乱の少ない信号を安定して得ることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、大きな外乱領域を確実に除去できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて説明する。
【００１６】
実施形態1では、図１、図２、図３に示すように、筋電計測装置１の検出電極部２１を、検出体Kの段端部Dの皮膚表面Hに被せた断端袋Fの上から接触させる。検出体Ｋの動作意思を筋電計測装置1で検出される信号によって検出し、義手Ｇを動作させる手助けとするように利用する。具体的な検出は、筋電計測装置１の検出電極部２１を検出体Kの皮膚表面Hに断端袋Fの上から接触させ、基準電極部２３を、検出体Kの皮膚表面Hのどこか適切なところに直接接触させる。その結果、基準電極部２３と検出電極部２１aとで検出電位ｓ１が検出され、その検出電位ｓ１に外乱n１との合算値ｓ１＋ｎ１が差動増幅部２４に入力される。基準電極部２３と検出電極部２１ｂで検出電位ｓ２が検出され、その検出電位ｓ２に外乱n２との合算値ｓ２＋ｎ２が差動増幅部２４に入力される。差動増幅部２４では、（ｓ１＋ｎ１）−（ｓ２＋ｎ２）が演算されて、その信号が増幅されて、出力される。差動増幅部２４は、差電検出部２４aとプリ増幅部２４ｂとを備える。
【００１７】
差電検出部２４aにより、高精度に皮膚からの筋電を検出できる。プリ増幅部２４ｂを設けたことにより、皮膚表面からの微細な筋電位をプリ増幅部で増幅することで、必要な信号を確実に検出できる。また、高インピーダンスのため、最もノイズの乗り易い電極―増幅部間の配線を最短距離にて接続することでノイズの影響を最小限に抑えることができる。
【００１８】
差動増幅部２４からの信号Ｓ１１は、信号処理部３０に送られる。信号処理部３０では、例えば、遮断周波数が１．６Ｈｚの第１ハイパスフィルタ３２を設けて、１．６Ｈｚ以下の周波数成分を低減し、更に遮断周波数が１３２７Ｈｚのローパスフィルタ３１を設けて、この値以上の周波数成分を低減し、通常の外乱周波数領域である領域の周波数帯を除去するようにしている。この実施形態１では、その上、通常では除去しない周波数領域を含む周波数領域の除去フィルタとして、遮断周波数が３００Ｈｚである第２ハイパスフィルタ３３を設け、３００Ｈｚ以下の周波数成分を低減している。この第２ハイパスフィルタ３３によって、大きな外乱の１つである商用周波数領域を除去し、この周波数領域近辺の周波数成分も外乱要因として除去するようにした。その上、本実施形態１では、断端袋Fを介して検出体Ｋの皮膚表面Ｈの信号を検出するようにしているが、断端袋８（Ｆ）と検出電極部２１ａ、２１ｂ接触圧が変化した場合等に発生する基線変動が大きいため、第２ハイパスフィルタによってこの影響を増幅前に除去するようにした。
【００１９】
このように、所定周波数以下の周波数領域を大胆に除去した後の信号Ｓ１２を増幅部３４に送り、増幅器３４で増幅する。増幅した後で、ノッチフィルタ３５で、商用周波数である５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚを再度除去し、商用周波数の影響を確実に排除して、信号Ｓ１３として出力する。その結果、筋電計測装置１として必要な筋電位を効果的に検出できる。
【００２０】
検出電極部で静電容量性結合に用いる電気絶縁体としては、陽極酸化アルミニウム、酸化珪素、チタン酸バリウム、二酸化シリコン、窒化珪素などが用いられる。
【００２１】
（実施例１）
遮断周波数が３００Ｈｚのハイパスフィルタ３３を設けた場合（上段）と、このハイパスフィルタ３３を設けなかった場合（下段）のパワースペクトルを図４に示す。図４では、パワースペクトルは、信号処理部３０の出力を1000HzでAD変換(RatocSystems社；REX-5054B使用)してパーソナルコンピュータ(PC)に取り込み，PC上の解析ツールを用いて求めた。この図4から明らかなように、第２ハイパスフィルタ３３を設けたことによって、特に100Hz以下の低周波領域が大幅に減衰している。
【００２２】
更に、断端袋Fの素材として、前腕義手用として市販される布製断端袋を用いて、筋電を計測した。断端袋Fとは，義手の装着時に断端部の皮膚の保護や汗の吸収などに用いられるため，筋電義手以外のほとんどの義手で適用されている。図5に本実施形態1の筋電センサ１を用いて計測した筋電の波形を示す。図５において、紙面上で上側が検出電位で、下側がその検出値の積分値を示す。これらの測定は、すべて健常者の前腕部の屈筋群の筋腹付近に断端袋Fを介して検出電極部２１ａ、２１ｂを接触して行った。また基準電極部２３は、肘骨付近の皮膚に湿式電極にて張り付けた。各計測では、1秒間おきに脱力と最大収縮を繰り返しながら10秒間測定した。これらのグラフから、筋収縮時と脱力時を明確に分離可能であることがわかる。特に、検出電位が測定機器をオーバーして測定不能になることが無く、有効に測定できた。特に、筋電義手を操作する場合、手先の開閉に要する時間は長くても１〜２秒程度であり、１秒毎に筋収縮時と脱力時とを明確に区別して計測できることが重要であるが、上記図５に示すように、本発明ではこの計測が可能であることが解った。
【００２３】
（実施例２）
実施例1の断端袋Fの代わりに、義肢の分野で近年広く用いられるシリコンライナを介した筋電計測を行った。図６は、前腕用として市販されるシリコンライナ1枚の上から測った筋電の波形を示す。図６において、紙面上で上側が検出電位で、下側がその積分値を示す。このグラフから、実施例1の布の場合と同様に、筋収縮と脱力状態を明確に分離して検出可能であることがわかる。
【００２４】
このシリコンライナを介した計測では、シリコンゴムの弾性によって筋収縮時に電極が接触している部分の形状変化が起き、これに伴う静電容量の変化によって混入したノイズが測定されるのではないかという疑いがあった。そのために、図７及び図８のグラフに示すように、パワースペクトルを測定した。図７において、実線は筋収縮状態、点線は脱力状態でのパワースペクトラムを示す。外乱ノイズの混入があれば５０or６０Hzとその高調波成分が強く出るものの、図７のグラフではその傾向がないため、ノイズの混入ではなく筋電が測定できていると考えられる。このノイズも、第２ハイパスフィルタ３３を設けたことによって、除去できていることが判明した。
【００２５】
（比較例１）
比較のために、第２ハイパスフィルタ３３（300Hz）を設けないで、図７と同様にパワースペクトラム（筋収縮時）を測定した結果を図８に示す。即ち、図８においては、低周波領域の外乱ノイズを減衰させることができていないのがわかる。
【００２６】
（比較例２）
さらに、比較のために、実施形態１において第２ハイパスフィルタ３３（300Hz）を設けない構成とし、実施例２と同様にシリコンライナを介して筋電を計測したものについて、図９に示す。図９において、紙面上側が計測電圧値、紙面下側がその積分値を示す。この図９のグラフから解るように、基線変動に伴い増幅部３４の出力が飽和しており、実用的な信号は計測できていない。このことから、第２ハイパスフィルタを用いて基線変動を除去することにより、図６に示すようなきれいな信号を得ることができるのが解る。
【００２７】
（実施形態２）
上記実施形態１では、通常のハイパスフィルタを第１ハイパスフィルタ３２として残して、３００Ｈｚのハイパスフィルタを第２ハイパスフィルタ３３として加入しているが、第１ハイパスフィルタ３２を無くして、第２ハイパスフィルタ３３のみとしても良い。
【００２８】
（その他実施形態）
上記実施形態では、第２ハイパスフィルタの遮断周波数を３００Ｈｚとしたが、この値に限られるものではなく、低周波領域の外乱ノイズを減衰できれば、この周波数に限られるものではない。なお、上記第２ハイパスフィルタの設定周波数は可変として、要求に応じて変更できるようにしても良い。或いは、設定周波数の異なる第２ハイパスフィルタを複数設けて、使用状態に応じて必要なハイパスフィルタを機能させ、それ以外を機能させないようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上説明したように、本発明に関わる筋電計測装置は、例えば筋電義手や筋電義足などに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の係わる実施形態１の筋電計測装置の差電検出手段を模式的に示したものである。
【図２】実施形態１に係わる筋電計測装置を筋電義手に使用する状態を示す。
【図３】実施形態１の筋電計測装置の信号処理回路のブロック図を示す。
【図４】実施形態１と従来技術との計測したパワースペクトラムを示すグラフである。
【図５】実施例１に係わる筋電信号の計測グラフを示す。
【図６】実施例２に係わる筋電信号の計測グラフを示す。
【図７】実施例２に係わるパワースペクトラムの計測グラフを示す。
【図８】比較例１に係わるパワースペクトラムの計測グラフを示す。
【図９】比較例２に係わるパワースペクトラムの計測グラフを示す。
【符号の説明】
【００３１】
１        筋電計測装置
２        差電検出手段
２１      検出電極部
２２      差電検出部
２３      基準電極部
２４      差動増幅部
８        断端袋等
３０      信号処理回路
３１      ローパスフィルタ
３２      第１ハイパスフィルタ
３３      第２ハイパスフィルタ
３４      増幅部
３５      ノッチフィルタ
【図１】
2007301157.tif 000003
【図２】
2007301157.tif 000004
【図３】
2007301157.tif 000005
【図４】
2007301157.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007301157.tif 000008
【図７】
2007301157.tif 000009
【図８】
2007301157.tif 000010
【図９】
2007301157.tif 000011