計測自動制御学会東北支部 第 203 回研究集会(2002.7.23)
資料番号 203-10

福祉機器利用のための筋ジストロフィー患者の指の微小動作計測
A Measurement on the Small Finger Motion of
the Muscular Dystrophy Patient for Welfare Device○沼 とう子*，井上 浩*，小林 顕**，猪又 八郎***○Tohko Numa*，Hiroshi Inoue*，Akira Kobayashi**，Hachirou Inomata****秋田大学，**国療道川病院，***国療秋田病院*Akita University，**National Sanatorium Michikawa Hospital，***National Akita Hospital
キーワード：筋ジストロフィー(musculardystrophy)，デュシェンヌ型筋ジストロフィー（Duchenne
キーワード，筋電図(electromyograｍ；EMG)，福祉機器(welfare device)，muscular dystrophy）
連絡先：〒010-8502
連絡先
秋田市手形学園 1-1 秋田大学 工学資源学部 電気電子工学科 井上研究室
沼 とう子，℡：018-889-2492，E-mail；tohko@venus.ee.akita-u.ac.jp

１．はじめに意思の疎通や外出が困難な障害者や高齢者でも，まぶたの不随意運動があるため誤作動を起こしてしまう．音声認識による入力装置は人工呼吸器な情報通信機器を利用することで社会参加が進み，どを使用している人は声が出ないので操作が出来自立した生活を送ることが可能となってきているない．

[1]．しかし，一般的に使用される入力装置では操多くの筋ジストロフィーは近位筋優位の筋障害作が困難な人が多い．筋ジストロフィー患者は筋分布を示すため，病状が進行しても指先は微小な萎縮が進行するにつれ筋力が低下し，力が入らな動作が可能である．本研究では筋ジストロフィー

くなり手を動かす範囲も徐々に狭くなる．車椅子患者が指先の小さな動作で操作できる入力装置をを操作するのに用いられるジョイスティックなど考えるため，母指の動作と表面筋電図の測定を行の入力装置は手だけでなく体の全体重で動かしてった．

いるのが現状である．このため，パソコン入力装置はたくさん開発されているが筋ジストロフィー

２．測定対象および方法患者にとって使いやすいとは限らない．例えば，

2-1 筋ジストロフィーの特徴[2][3]

マウスやトラックボールなどは病状にもよるが手筋ジストロフィーは，骨格筋の変性・壊死を主の動作範囲が狭くなり，筋力低下のため操作する病変とし，臨床的には進行性の筋力低下をみる遺のが困難である．目線による入力装置は体が安定伝性の疾患と定義される．筋肉が萎縮し，筋力低しないため頭が固定されないということ，および下を起こす原因としては筋肉そのものに原因がある場合（筋原性）のほか，筋肉に異常はないが筋す場合，対立以外の 4 つが基本の動作であると考肉に脳からの命令を伝える運動神経系に異常があえる．このため，表面筋電図を測定するときの動り，筋肉が働かず，筋萎縮を起こす場合（神経原作の基本をこの 4 つにする．

性筋萎縮症）がある．このうち筋ジストロフィー
は筋原性疾患の代表である．

B) 表面筋電図

今回の測定で協力してもらったのはデュシェン筋電図（Electromyogrm；EMG）は筋繊維がヌ型（Duchenne muscular dystrophy；DMD 型）興奮する際に発生する活動電位を記録するもので，の患者で筋ジストロフィーの中でもっとも頻度が針筋電図と表面筋電図がある[4]．針筋電図は筋肉高く，病因は筋細胞の構造を維持するのに必要な内に針入した針電極により筋繊維の膜電位の変化ジストロフィンという蛋白質が欠損している．進を記録し，神経筋単位の異常の有無を知る．表面

行とともに四肢関節拘縮，脊柱変形をきたす．10

筋電図は筋全体の活動を多数の筋を同時に連続記〜12 歳頃には歩行困難で車椅子を使用して生活録することにより不随意運動や筋緊張異常の性質する．胸郭変形，心筋の障害等に伴って，呼吸機や分布を検討し，客観的に記録として残す．

能，心機能の低下が次第に強くなり，20 歳前後で針電極は被験者に痛みを伴うばかりでなく，医肺炎，呼吸不全，心不全等で死亡するとされる．

師の指導のもと行わなければならないため，表面近年では人工呼吸器の使用，全身管理の技術向上

電極による筋電図を測定する．

により延命が図られるようになり，確実に寿命は延びている．

測定する筋は母指を動かすための筋で，表面電極で記録できる皮膚に近い部分にある短母指外転筋と第１背側骨間筋を対象にする．短母指外転筋

2-2 指の動きと表面筋電図
指の動きから入力装置の信号を検出するため動は母指の外転および屈曲，第１背側骨間筋は内転および屈伸の動きをする[5]．

作測定を行う．また，指の動作は微小でも筋肉はどの程度動こうとしているかを知るため，動作測定と同時に表面筋電図の測定も行う．

2-3 母指の動きと筋電図の同時計測法
測定系の構成を図 1 に示す．

A) 指の動き
パソコンのポインタの動作には画面上で上下左PC(GP6-400)

右の４方向が必要であると考え，これを指の動きで動作させる．指がどれくらいの範囲で動き，どのような動作ができるかを調べるため，ビデオカ

PC-Based
Measurement
Instruments(WE7000)

Video Camera(NV-MX3000)

メラで指を撮影し，動きを読み取る．母指は他の指よりも動きが良いこと，被験者に一番動かしやすい指と指定したとき母指が多く挙げられていたことから，これを測定対象とする．
母指の動作は基本に屈曲（曲げる）・伸展(伸ばす)，外転（広げる）・内転(寄せる)，対立(母指を他の指とつける)があるが，前後左右に母指を動かElectrodeJunction Box(JB-620)

図１測定の構成

Sensitive
Amplifier(AB-610)

動作の測定は母指の動きをビデオカメラで撮影ＡＤ変換（サンプリング周波数 10ｋHz）し，パし，パソコンに取り込む．図２のように固定したソコンに取り込む．
図 3 のように電極を配置する．

ビデオカメラの下で指を動かしてもらう．指先に母指を動作させる基本の動きは図 3 のように指を印をつけておき，ビデオカメラからパソコンにフまっすぐ伸ばした状態から行うべきであるが，筋レームサイズ 640×480[pixel]，フレームレートジストロフィー患者の手ではそれは困難であるた

30[fps]の動画でパソコンに取り込む．取り込んだめ，被験者にとって苦にならない手の形から基本

動画をフレームサイズは変えずにフレームレートの動作を行ってもらう．

6[fps]の BMP 形式の静止画で出力する．一番初めの母指の位置を原点とし，指先につけた印を３．結果[pixel]で読み取る．指の下に敷いた方眼紙から母指の下に印をつけた方眼紙をおき，印に沿っ10[mm]を[pixel]単位で読み取っておき，こ[pixel]て動かしてもらう．母指の動いた位置を図４に示で読み取った母指の動きを[mm]に変換していく．

す．健常者と DMD 型患者の母指の動いた位置から，x 軸，ｙ軸の最大と最小の差を表１に示す．
被験者ａ
被験者ｂ
被験者ｃ

y-axis [mm]-20被験者ｄ020
図２ ビデオの固定装置-40-20020x-axis [mm]40(a) 健常者

図３被験者ｅ
被験者ｆ
被験者ｇ
被験者ｈ(b) 手のひら

電極の配置

表面筋電図は双極誘導法による導出法を用いる．
この方法は，電極で検出された筋電図信号に重畳しているノイズを効果的に抑制できる．電極で検-20y-axis [mm](a) 手の甲020

出した筋電図は非常に低い電位の信号なので，これを記録できるように差動増幅器を用いる．筋電-40-20020
x-axis [mm]図の信号を生体電気用増幅器（日本光電；増幅率(b) DMD 患者

10000 倍，低域遮断周波数 0.08Hz，高域遮断周波

図 4 母指の動いた位置数；off，HUM フィルタ；on）で検出した．検出されたアナログ信号をＷＥ7000（横河電機製）で40表 1 指の動きの最大と最小の差[単位;ｍｍ]
短母指外転筋

2

被験者

ｘ軸ｙ軸

被験者

ｘ軸ｙ軸

ａ47.8

27.0

ｅ29.8

6.7

ｂ52.2

47.3

ｆ50.2

39.1

ｃ61.1

47.3

ｇ57.1

41.6

ｄ66.9

43.1

ｈ54.3

37.8

検出電位 [mV]DMD 患者

健常者

第1背側骨間筋

10-1-202

図４より DMD 患者のほうが健常者よりも正確

46time [sec]出来ないかの違いで，このような結果になると思われる．

短母指外転筋2
検出電位 [mV]

狭い．母指の指節間間接を曲げることが出来るか

第1背側骨間筋

10-1-2

表面筋電図は被験者が一番自然な手の形をとってもらい，その形状を基準に 4 つの動きをしても02

らう．10 秒間に 1 つの動きをゆっくりと 1 回して

46time [sec](b) 外転してもらう．図 5，図 6 に屈曲，外転の動作をし動くと共に電極も動き，それによるアーチファ

検出電位 [mV]

図 2 の電極の配置から見られるように，母指が10短母指外転筋

2表面筋電図として測定した検出電位波形には，

8

図５ 健常者の筋電図

もらい，動作が終わったら元の位置まで母指を戻たときの表面筋電図を示す．

10(a) 屈曲に印をなぞることが出来ないことがわかる．また，
表 1 より被験者ｅの y 軸方向の動く範囲が極端に8クトが見られる．しかしアーチファクトも含め第1背側骨間筋

10-1-20て，母指の動作に伴った電位が検出されている2のでこれを表面筋電図として測定する．

46time [sec](a) 屈曲810

図 5，図 6 から筋肉が縮む時，電位は正に，伸るのか調べるため，ビデオでの母指の動作と，表面筋電図を同時に測定した．母指の動かし方は，方眼紙につけた印に沿って前後左右に動かしても検出電位 [mV]

母指が動くとき，筋電位がどれくらい検出され短母指外転筋

2びるときは負に電位が現れる．

第1背側骨間筋

10-1-2らう．母指の動作に伴う表面筋電図を見るため，母指の動いた位置は左右、前後の時間軸変化として表す（図 7 参照）．このときの動作の変化と表面筋電図の波形を図８，図９に示す．

0246time [sec](b) 外転8

図６ DMD 患者の筋電図

10短母指外転筋

検出電位 [mV]2

第1背側骨間筋

10-1-2010203040
time [sec]5060(a) 表面筋電図x-axis

position [mm]40y-axis20

図７ 母指の位置と時間の関係

0-20-400４．検討

10203040time [sec]5060

動作検出より病気の進行により母指の屈伸が(b) 時間と位置の関係徐々に出来なくなることが見られる．近位筋優位

図７ 健常者の表面筋電図と位置の病状を示すため，肘までの長い筋で動く屈伸が徐々に出来なくなるためだと考えられる．このこ外転，内転の運動を基本とした x 軸方向の動きのみで検出すれば病気がある程度進行した人でも入力装置として使えるのではないかと考えられる．

短母指外転筋2
検出電位 [mV]とから母指の動きによるポインタの信号検出は，第1背側骨間筋

10-1-2

表面筋電図では母指を動かす前にバースト的な0電位が検出される．また，動きによるアーチファ

10203040time [sec]50(a) 表面筋電図

クトは被験者に関係なく動きによって，同じ方向に出ている．このことから指の動作検出に表面筋チファクトを含めるか，アーチファクトを取り除
き表面筋電図のみ入力信号として利用出来るかどうか検討していく．

x-axis50position [mm]電図の利用が可能と考えられる．動作によるアー60

y-axis0-50

５．終わりに010203040time [sec]5060

筋ジストロフィー患者が指先の小さな動作で操(b) 時間と位置の関係（DMD 患者）作できる入力装置を考えるため，母指の動作と表図 8 DMD 患者の表面筋電図と位置面筋電図の測定を行った．今後，母指の動作と表面筋電図として測定した電圧波形の定量化を進め，ポインタの信号として利用できるか検討していく．

謝辞 測定にご協力いただいた道川病院関係の方々，および，本学医学部生理学第 1 講座技術専門職員佐藤紳一氏に感謝します．

参考文献[1] 伊藤英一：福祉機器の研究開発，第 17 回日

本ロボット学会講演会特別セッション別冊資料，
p.27, 1999[2]内科学[3]在宅患者さんや介護する人々のための筋ジス
トロフィー在宅医療の手引き 改訂版：http://www.bekkoame.ne.jp/~y.mineo/toneyam
mokuji.htm[4]藤原哲司著，筋電図･誘発電位マニュアル，金芳堂，1999 年[5]中井準之助/[他]編集，解剖学辞典，朝倉書店，
1984 年