複雑かつ瞬間的動作に対応可能な
筋疲労評価システム

岩手大学 理工学部 システム創成工学科
准教授 佐々木誠
2024年3月14日

1筋疲労評価の従来技術
筋疲労により，表面筋電位（sEMG）信号の振幅が増大，低周波成分が増加
0.025

疲労前
中央周波数：120Hz

0.015

0.010.005

00100

200

300

400

500

600

周波数 [Hz]

700

疲労後

0.02

パワースペクトル

0.02

パワースペクトル

FFT

0.025

800

中央周波数：100Hz

0.015

0.010.005

900

1000

00

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

周波数 [Hz]

筋疲労による低周波成分の増加：徐波化
いらすとやの図を一部改変

2従来技術の課題
sEMG信号の利用は，非侵襲的に筋疲労評価を行える一方で，対象動作は，等尺性随意収縮のような静的な動作が中心嚥下のようなわずか1秒程度の瞬間的かつ動的な動作に十分対応できない3嚥下と疲労の関係性解剖学的・生理学的な観点から，老化した器官系は動きが鈍くなり，安定性，協調性，持久力が低下する
高齢者は食事に時間がかかる傾向があり，嚥下関連筋群の運動効率が低下→ 疲労しやすい状態と考えられる1) 舌骨上筋群
舌骨上筋群・下筋群の疲労は
誤嚥リスクを高めるひとつの要因

舌骨下筋群

1) T. Hiramatsu et al., Effect of aging on oral and swallowing function after meal consumption, 2015.

4嚥下と疲労の関係性
嚥下における疲労の影響に関する検討は不十分
米国における言語聴覚士を対象としたアンケート調査2)
88%

41%

97%

疲労への対応を行っている患者の申告により疲労を判断する標準化された評価法に興味がある

247/281名

127/311名

271/281名

患者の自己申告のような主観的な評価に頼らない客観的な評価方法が求められている
2) Daniel Brates et al., Survey of Clinician Perspectives and Practices Regarding Swallowing-Related Fatigue, 2021.

5嚥下時sEMG信号から筋疲労検出が難しい理由
 1秒程度の瞬間的な動作であること
 随意運動と嚥下反射が混在する複雑な運動制御により実現されていること

6

筋疲労評価の新技術
筋シナジー解析と画像類似度評価を組み合わせた筋疲労評価技術（特願2023-135155）
筋シナジー解析

画像類似度評価sEMG信号を随意運動と嚥下反射に分離する技術

嚥下条件の違いによる筋活動変化を検出する技術（特開2021-142087）（特許第7428383号）

7

筋シナジー解析による信号分離
舌骨上筋群用22 チャンネル電極 観測信号

舌骨下筋群用22 チャンネル電極
8

筋シナジー解析による信号分離
RMS信号

𝑴𝑴

≅

空間パターン𝑾𝑾

時間パターン𝑪𝑪

随意運動

舌骨挙上喉頭挙上9筋シナジーから見た加齢変化の特徴

シナジー
A

随意運動シナジー
B

舌骨挙上シナジーC

喉頭挙上

A to BA to CB to CA to BA to CB to C

Murakami, Sasaki et al., Quantification of the swallowing mechanism through muscle synergy analysis, Dysphagia, doi: 10.1007/s00455-022-10523-4, 2023

10

筋疲労評価の新技術
筋シナジー解析と画像類似度評価を組み合わせた筋疲労評価技術（特願2023-135155）
筋シナジー解析

画像類似度評価sEMG信号を随意運動と嚥下反射に分離する技術

嚥下条件の違いによる筋活動変化を検出する技術（特開2021-142087）（特許第7428383号）

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画像類似度を用いた嚥下機能評価 一回嚥下量の変化に対応しうる嚥下予備能 飲み込み強さを変えうる嚥下予備能
Input

Conv1

fc6

Conv5
...

舌骨上筋群

4,096次元

3次元特徴ベクトル

畳み込みニューラルネットワーク...

8,192次元
4,096次元

舌骨下筋群

KPCAによる次元削減

嚥下機能の定量化

Suzuki, Sasaki et al., Swallowing pattern classification method using multichannel surface EMG signals of suprahyoid and infrahyoid muscles, doi:10.14326/abe.9.10, 202012

ユークリッド距離NED(p, q)

嚥下機能の加齢変化
3.5
3.0

若年者群

*p < 0.05, **p < 0.01

1.5

ES1 : 1mL の努力嚥下

NS6 : 6mL の通常嚥下

ES6 : 6mL の努力嚥下

***

2.5
2.0

高齢者群

NS1 : 1mL の通常嚥下*1.00.50

NED 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵, 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵 NED 𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬, 𝑬𝑬𝑺𝑺𝟔𝟔 NED 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵, 𝑬𝑬𝑺𝑺𝟏𝟏 NED 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵, 𝑬𝑬𝑺𝑺𝟔𝟔

・有意水準5% : NED 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵, 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵 【一回嚥下量を変化させた通常嚥下】NED 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵, 𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬 【嚥下強さを変化させた6mL嚥下】・有意水準1% : NED 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵, 𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬 【嚥下強さを変化させた1mL嚥下】

鎌田，佐々木ほか，嚥下パターン画像を用いた嚥下機能評価法に関する基礎的検討，日本機械学会論文集, DOI:10.1299/transjsme.21-00166，202113筋疲労評価の新技術
筋シナジー解析と画像類似度評価を組み合わせた筋疲労評価技術（特願2023-135155）
筋シナジー解析

画像類似度評価sEMG信号を随意運動と嚥下反射に分離する技術

嚥下条件の違いによる筋活動変化を検出する技術（特開2021-142087）（特許第7428383号）

14

筋疲労評価の新技術
Step １：疲労前後の嚥下時sEMG信号を測定する

舌骨上筋群

舌骨下筋群

疲労前のsEMG信号

疲労舌骨上筋群

舌骨下筋群

疲労後のsEMG信号

Yokohama, Sasaki, Method for evaluating muscle fatigue from the multichannel surface electromyography signals of suprahyoid and infrahyoid muscles
during swallowing (in press)

15

筋疲労評価の新技術
Step 2：筋シナジーの時間パターンを用いて，筋疲労評価を行う区間を設定（これ以降は，随意運動が主たる成分となるタ
イミングindexAを用いて解析例を示す）
indexA
0.06

随意運動(食物の送り込み)

0.3
0.2
0.1

NMF

活動度 [a.u.]

0.06

活性度 [a.u.]

RMS信号

シナジーA
0.05

0.04
0.04

0.03

0.02
0.02

0.01

000018220404060

40608080

10080100120120140160180120140160180

フレーム数160

シナジーB
0.06

筋活動0.30.2
0.1

活動度 [a.u.]

嚥下反射

活性度 [a.u.]

0.06

0.05

0.04
0.04

0.03

0.02
0.02

0.01

00

空間パターン

00182

204080

フレーム数

120

160

時間パターン

Yokohama, Sasaki, Method for evaluating muscle fatigue from the multichannel surface electromyography signals of suprahyoid and infrahyoid muscles
during swallowing (in press)

16筋疲労評価の新技術
Step ３：sEMG信号をindexAを基準に分割し，各区間のsEMG信号を画像化
シナジーAの時間パターン

indexA

1.5 sec

1.5 secsEMG信号

Pre-indexA

Post-indexA

随意運動のピーク以前
随意運動が支配的随意運動のピーク以降
嚥下反射が支配的Yokohama, Sasaki, Method for evaluating muscle fatigue from the multichannel surface electromyography signals of suprahyoid and infrahyoid muscles
during swallowing (in press)

17筋疲労評価の新技術
Step ４：画像をミラーリングコピーし，同一サイズの画像作成
Pre-indexA

Pre-indexA
舌骨上筋群

疲労

舌骨上筋群

Pre-indexA

Pre-indexA
舌骨下筋群

疲労前の嚥下画像

舌骨下筋群

疲労後の嚥下画像

Yokohama, Sasaki, Method for evaluating muscle fatigue from the multichannel surface electromyography signals of suprahyoid and infrahyoid muscles
during swallowing (in press)18

筋疲労評価の新技術Step ５：画像類似度評価により，筋疲労の加齢変化を検出
若年者

高齢者

(*p < 0.05)

評価指標NED*(𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬, 𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭)

疲労タスクに，舌圧維持タスク（最大舌圧の 60% の負荷を30秒間維持）
した場合の筋疲労検出の例
Yokohama, Sasaki, Method for evaluating muscle fatigue from the multichannel surface electromyography signals of suprahyoid and infrahyoid muscles
during swallowing (in press)

19新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術では困難であった瞬間的かつ複雑な運動時の筋疲労検出が可能となった（特願2023-135155）• 筋シナジー解析により，嚥下時sEMG信号から，随意運動と嚥下反射の筋活動を分離できるようになった（特開2021-142087）• 画像類似度評価により，嚥下条件によって異なるわずかな筋活動の変化を検出できるようになった（特許第7428383号）
20

想定される用途• 高齢者や嚥下障害者を対象とした嚥下機能評価システム• 介護現場等での食事中の窒息・誤嚥リスク
評価システム• 個々人の疲労特性に基づく食形態，食事量，食事時間の判定システム• 疲労特性を考慮した食品開発とその評価
21

実用化における課題• 嚥下障害者を対象とした筋疲労データの収集とその解析• 嚥下関連筋以外での筋疲労検出精度の検証• 等尺性随意収縮のような静的動作に対する筋疲労検出精度の検証• 本アルゴリズムを実装した筋疲労評価システ
ムの実現
22企業への期待• スポーツ分野やリハビリテーション分野におけるトレーニング機器を開発中の企業には，訓練効果を定量評価しうる本技術が有効と考えられる．
• 特に，口腔関連の訓練機器や，嚥下困難者用食品等を開発中の企業には，嚥下機能ならびに筋疲労特性を評価しうる本技術との親和性が高く，共同研究を希望したい．
23

本技術に関する知的財産権••••

発明の名称：運動解析システム
出願番号：特願2023-135155
出願人：岩手大学
発明者：佐々木誠, 横浜裕太

• 発明の名称：摂食嚥下機能評価方法及び摂食嚥下機能評価システム• 出願番号：特開2021-142087• 出願人：岩手大学• 発明者：佐々木誠, 村上 千晃• 発明の名称：嚥下パターン画像の類似度を用いた嚥下機能評価方法及びそのシステム• 出願番号：特許第7428383号• 出願人：岩手大学• 発明者：佐々木誠, 鈴木雅大

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産学連携の経歴• 令和3年度JST A-STEPトライアウト• 令和3年度公益財団法人JKA機械振興補助事
業開発研究• 令和4年度JST A-STEPトライアウト• 令和4年度岩手県 産学官連携による科学・情報技術活用DX推進事業• 令和5年度JRA 日本中央競馬会畜産振興事業
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お問い合わせ先
岩手大学
研究支援・産学連携センター
知的財産ユニット
ＴＥＬ 019－621－6689
e-mail iptt＠iwate-u.ac.jp
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