肩外転保持スーツによる上肢機能向上の計測
宇都宮大学 地域創成科学研究科・工農総合科学専攻・生体計測福祉工学研究室 修士２年
弓野広貴（ゆみのひろき）【概要】若者の流出が起こる地方において高齢社会化へ向けて医療の拡充は急務である．そこで，医師の負担を軽減することで，元気な医師による医療行為が栃木を元気にしていくと考え，研究に臨んだ．本実験では手術中の執刀医の負担軽減を目的として開発された Surgical Assist Suit :SAS の性能評価を行なった．実験は被験者 18 人に対して，両腕先端に 0．5kg の荷重を与え，SAS を装着した状態で最大外転姿勢が保持困難となるまで実施された．アシストの有無による三角筋と僧帽筋の筋電図と筋音図を比較した．評価指標として筋電図，筋音図を積分した iEMG，iMMG と周波数解析にて算出した．その結果，三角筋と僧帽筋への SAS による筋疲労軽減効果は有意なものであった．
1．緒言
近年の外科手術では，内視鏡外科手術が普及している．内視鏡外科手術とは，患者の体腔内に炭酸ガスを注入し膨張させ，体壁に開けた小さな穴にトロッカーを留置し鉗子などの手術器具を挿入し手技を行う術式である．従来の開腹手術と比較すると低侵襲で手術を行うことができ，早期回復や術後疼痛の軽減などの患者に対するメリットが特徴的である．その一方で内視鏡外科手術を行う医師は，トロッカーにより動きを制限された鉗子やデバイスで手技を行う．
このことによる手術難度の上昇に伴い手術時間が増加し，医師の身体的負担が増加することが問題となっている．直接手術を行う執刀医以外も， 同じ姿勢を長時間維持しなければならない場合も多い．そこ
で上腕を外的に支持することによる負担軽減を目的として外骨格型肩外転保持スーツ（Surgical Assist
Suit : SAS 図 1）の開発（Nakajima et al.，2017）がされた．また，SAS の力の支持方向を図 2 に示す．
SAS は腕を上部シャフトによって吊り上げ，下部シャフトによって下から持ち上げるように支える．本研究ではこの SAS の性能を評価することを目的とした．

図１ SAS 外観

図２ SAS 支持方向

2．実験
2．1 被験者情報20 歳代男性を被験者とした．測定人数は 18 人，平均年齢は 22．8±1．6 歳，平均身長は 170．5±1．
7ｃｍ，平均体重は 66．3±15．9kg であった．
2．2 測定位置
三角筋と僧帽筋を測定筋とした．各筋の電極貼り付け位置は，図 3（a）より三角筋は前頭面より 30mm（a）三角筋（b）僧帽筋
図 3 電極貼り付け位置

程度前側とした．これは，SAS を着用して外転保持運動を行った際，最も大きく筋電図波形が検出されたためである．僧帽筋の貼り付け位置は図 3（b）のように首の付け根と肩先端の中心部とした．また，三角筋，僧帽筋ともに，筋電図電極の中心間距離は 30mm，筋音計測用の加図 4 測定姿勢
速度センサは筋電図電極の間に配置した．
2．3 方法
実験は，被験者 18 人に対して両腕先端に 0．5kg の荷重を与え，図 4 のような SAS を装着した状態で最大外転 姿 勢 が 保 持 困 難 と な る ま で 実 施 さ れ た ． そ の 際 ， SAS に よ る ア シ ス ト の 有 無 に よ る 筋 電 図（Electromyography:EMG），筋音図（Mechanomyography: MMG）を比較した．
3．解析方法EMG，MMG ともに，積分を用いて算出する 積分筋電図（Integral Electromyography: iEMG） ， 積分筋音図（Integral Mechanomyography:iMMG）と周波数解析を用いて算出する平均パワー周波数（Mean PowerFrequency:MPF）を評価指標とした．アシストの有無における評価指標の比較は，一対の標本による t 検定を用いて実施された．

（a）筋電図波形（b）整流化された筋電図波形
図５ iEMG の算出手順（a）筋電図波形（b）5sec 毎のパワースペクトル
図 6 MPF の算出手順（c）積分筋電図 iEMG の時間変化（c） MPF の時間変化

3．1 iEMG，iMMG
以下の式のように，得られた筋電図波形（図 5a）の絶対値を取る整流化処理（図 5b）を行う．その後，積分を行い，5 秒ごとの積分値（図 5c）を求める．
5（𝑛+1）𝑖𝐸𝑀𝐺 = ∫5𝑛|𝐸𝑀𝐺| 𝑑𝑡（n=0，1，2，…）（1）

その後，定量化処理として，終了直前（計測時間の 80-100％time）と開始直後（計測時間の 0-20%time）のiEMG 平均値の比を算出した．
3．2MPF
得られた生波形（図６a）に 5 秒ごとに FFT（Fast Fourie Transform : 高速フーリエ変換）処理（図６b）を行い，以下の式より 5 秒ごとの MPF（図６c）を求める．ここで，積分区間[a，b]は EMG ならば[10，400]，MMG ならば[2，100]とし，f を周波数，p（f）をパワースペクトルとする．
𝑏∫ 𝑓∙𝑝(𝑓)𝑑𝑓（2）MPF = 𝑎 𝑏∫𝑎 𝑝(𝑓)𝑑𝑓

その後，定量化処理として，終了直前（計測時間の 80-100％time）と開始直後（計測時間の 0-20%time）の MPF平均値の比を算出した．
4．実験結果4．1 iEMG
iEMG は本実験のような等尺性収縮を行う際，図7（a）のように疲労によって増加することが一般的に知られている．これは疲労によって筋線維一本が発揮できる力が減少し，それを補うために多くの筋線維が運動に動員されることに起因する現象だとされる．しかし，図７（b）のように三角筋にて計測中に被験者が痛みなどの負担を感じているにも関わらず，上記とは違う減少傾向が 8 名見られた．これは，疲労によって無意識に三角筋を休め，それを補うための僧帽筋の筋活動の活発化が原因だと考えられる．そこで被験者を，図７（a）のような三角筋筋電位増加傾向 10 名を三角筋主使用者，図７（b）のような三角筋筋電位減少傾向 8 名を僧帽筋主使用者と分けて評価することとした．図 8 に iEMG の計測終了直前（全計測時間の 80-100%time）と計測開始直後（全計測時間の 0-20%time）の比，すなわち時間経過による変化量を示す．図 8（a）より三角筋主使用者の三角筋にてアシストによる有意（p<0．0１）な
iEMG 減 少 が 認 め ら れ ， 僧 帽 筋 で は 減 少 傾 向（p=0．07）が見られた．また，僧帽筋主使用者は僧帽筋にてアシストによる有意（p<0．05）な iEMG 減少が認められた．
4．2 iMMG
iMMG も iEMG と同様に疲労によって増加することが知られている．これは，疲労時により多くの筋線維が運動に動員されることに起因する（伊東他，
2003）．ここで図 9 に iMMG の計測終了直前（全計測時間の 80-100%time）と計測開始直後（全計測時間の 0-20%time）の比，すなわち時間経過による変化量を示す．図 9（a）より三角筋主使用者の三角筋において，iMMG のアシストによる減少傾向（p=0．
08）が見られた．図９（b）より僧帽筋主使用者の僧帽筋において，iMMG のアシストによる減少傾向（p=0．054）が見られた．

（a）iEMG 増加傾向（b）iEMG 減少傾向
図７ アシスト無三角筋 iEMG 結果（a）三角筋主使用者（b）僧帽筋主使用者
図８ iEMG 時間変化量．赤:アシスト無，青:アシスト有．*p<0．05，**p<0．01(a)三角筋主使用者(b)僧帽筋主使用者
図 9 iMMG 時間変化量．赤:アシスト無，青:アシスト有4．3 MPF（EMG）
EMG の MPF は疲労により低周波域への移行することが知られている（正門他，1994）．これは，疲労時に使用する筋の種類が高周波帯の速筋から低周波帯の遅筋は切り替わることと，疲労による老廃物の分泌が筋の神経伝達速度を低下させることに起因する．ここで図 10 に EMG の MPF の計測終了直前（全計測時間の 80-100%time）と計測開始直後（全計測時間の 0-20%time）の比，すなわち時間経過による変化量を示す．図 10（a）より三角筋主使用者の三角筋において，アシストによる有意（p<0．
0１）な MPF の低周波化軽減が認められた．また図１０（b）より僧帽筋主使用者の三角筋において，アシストによる有意（p<0．01）な MPF の低周波化軽減が認められた．
4．４ MPF（MMG）
図 11 に MMG の MPF の計測終了直前（全計測時間の 80-100%time）と計測開始直後（全計測時間の 0-20%time）の比，すなわち時間経過による変化量を示す．図 11（a）より三角筋主使用者の三角筋において，アシストによる有意（p<0．01）な低周波化軽減が認められた．また僧帽筋も同様に有意（p<0．01）な低周波化軽減が認められた．図１１（ｂ）より僧帽筋主使用者の僧帽筋において，アシストによる有意（p<0．05）な低周波化軽減が認められた．

（a）三角筋主使用者（b）僧帽筋主使用者
図 10 MPF（EMG）時間変化量．赤:アシスト無，青:アシスト有．*p<0．05，**p<0．01（a）三角筋主使用者（b）僧帽筋主使用者
図 11 MPF（MMG）時間変化量．赤:アシスト無，青:アシスト有．*p<0．05，**p<0．01

5．考察
EMG，MMG ともに三角筋主使用者ならば三角筋，僧帽筋主使用者ならば僧帽筋に SAS のアシストによる疲労軽減が見られたが，EMG の周波数解析のみ上記の傾向が見られなかった．これは，EMG の MPF 低周波化
要因が筋種類の切り替わりだけでなく，老廃物の影響も受けることから，実験の際アシストなしの計測を行い，その 30 分後アシストありの計測を行ったため，被験者の筋中に乳酸などの老廃物が残留してしまったことに起因すると考えられる．
6．結論
実験結果より，SAS は外転運動の際使用する主要な筋肉への疲労軽減効果あることが認められた．今後の実験では，より実際の手術現場に近い条件で計測を行う必要がある．
７．参考文献
Nakajima， R．， Kawahira，H．， Shimomura， Y．， Aoki， K．， Gunji， H．， Hayashi， H．， andMatsubara ， H ． ， The surgical assist suit ， a newly developed wearable device that does notinterfere with surgeons performing laparoscopic surgery， Chiba Medical Journal Vol93 No．3 (2017)，
pp．31－37
伊東保志，赤滝久美， 伊藤晋彦，三田勝己，渡壁誠，筋疲労を伴う持続収縮の筋音図（Mechanomyogram）の時間―周波数解析，電子情報通信学会論文誌 D―Ⅱ，Vol．J86-D-Ⅱ No．1 （2003），pp．130-139
正門由久，木村彰男，千野直一，野田幸男，長谷公隆，表面筋電図周波数分析による筋疲労の検討―同一筋内での topographical analysis―，リハビリテーション医学 31（6）（1994），pp．409-414