座圧軽減クッションが生体情報に及ぼす影響の調査

宇都宮大学 工学部 生体計測・福祉工学研究室 4 年

菊地洪祐（きくちこうすけ）【概要】近年、日本全体として少子高齢化社会が進み、特に都市部よりも地方の方が顕著である。それに伴って健康寿命の低下が問題となっている。そこで、普段あまり運動をしない人や筋力が低下している人が元気になることで栃木県が生き生きとした魅力のある場所になるのではないかと考え、研究に臨んだ。
本実験では、座圧の低減、ながら運動、腰痛の矯正に焦点を当てて製作された座圧軽減クッション「座・布団」の評価を行った。実験は、被験者 20 人に座圧軽減クッションを使用した場合としなかった場合でそれぞれ 30 分間着座してもらい、大腿直筋と脊柱起立筋の筋電図と筋音図、心電図、足背動脈の血流を計測して、座圧軽減クッションの効果を検証した。その結果、座圧軽減クッションは脊柱起立筋の筋疲労を減少させる効果がある可能性が示された。
1. 緒言
腰痛は国民病と言われ、国民生活基礎調査では常に腰痛は有訴者率の首位を保ち続けている。そんな腰痛を解消するためには仙腸関節を鍛えること、脊柱起立筋のバランスを矯正することの２つが挙げられる。そして、これらを促進するためには適度な運動、座圧の軽減が必要であることがわかっている。
座圧を軽減するクッションは色々なメーカから販売されている。それらは、衝撃吸収性の素材でできており、着座部に設置すると、使用者と椅子との間にフィットする。また、小池経編染工所から、クッション部が接続された複数の空気袋で構成された座圧軽減クッション「座・布団」が販売されている。付属のバルブを用いて空気を入れて違和感を生じないように調整し、車椅子や椅子に設置して使用することができる。さらに、体重の重心位置を変更することで、空気袋間で空気を移動させることができる。これにより、腰部を軽く運動させることで、生体へ良い影響を与えられると考えられる。
本研究では、座圧軽減クッション「座・布団」を用いた際に生じる筋疲労とクッションの空気の移動によって行われる運動を筋電図、筋音図、心電図、血流速度の４つの測定で調査する。
2. 方法
2.1 被験者
被験者は、20 代前半の健康な成人男性 20 名とした。本実験は宇都宮大学ヒトを対象とした研究倫理審査委員会により承諾を受けており(登録番号: H20-0011)、実験に先立ち本研究の目的及び内容を充分に説明し、被験者から文書による同意を得た。
2.2 計測姿勢および計測
被験者には、背もたれに背中を押し付けない状態の楽な姿勢
で、座圧軽減クッションを使用した場合と使用しない場合でそれぞれ３０分間着座してもらった（図１）。股関節約 90°屈曲位、膝関節約 90°屈曲位とした。

図１．横から見た計測姿勢

着座中に４つの生体信号（筋電図、筋音図、心電図、血流速度）を計測した。大腿直筋と脊柱起立筋を筋電図(EMG) (1)と筋音図(MMG) (2)の計測筋とした（図２）。大腿直筋は股関節の屈曲、膝関節の伸展の作用し、下肢が固定されている状態で骨盤を前傾させる。脊柱起立筋は体を伸ばす、曲げるなどの運動や骨盤の安定化させる。筋音の計測では、加速度
図３．表面電極貼付位置
図２．筋電図および筋音図セン
センサを使用した。心電図の計測
サの貼付位置では、両鎖骨下と左腹部の 3 点に表面電極を貼付した（図３）。血流速度は超音波双方向血流計 SD-50EX(Hadeco 社製)を用いた。測定部位は，足の甲にある足背動脈周辺とした。
2.3 データ解析
2.3.1 筋電図(EMG)
実験で得られた筋電図波形に対し、全整流波処理を行い、測定開始から 5 分間と測定終了直前の 5 分間における積分を行うことで積分筋電図（iEMG）を求めた(図４)。計測開始直後の iEMG に対する計測直後の iEMG の比を求めて、⊿iEMG とした。筋疲労が生じた場合、iEMG は増加することが知られているので、⊿iEMG は 100%より大きくなる。
測定開始から 5 分間と測定終了直前の 5 分間における筋電図波形に対し、FFT（高速フーリエ変換）にてパワースペクトル密度を算出する。10 から 400Hz におけるデータについて、平均パワー周波数（MPF）を算出した。その際に、5 秒間ごとに上記の手順を行い、それを合わせた５分間分のデータの平均を結果とした。(図５)。計測開始直後の MPF に対する計測直後の MPF の比を求めて、⊿MPF(EMG)とした。筋疲労が生じた場合、MPF は減少することが知られているので、⊿MPF(EMG)は 100%より低くなる。

図 4iEMG,iMMG 計算手順

図 5MPF 計算手順

2.3.2 筋音図(MMG)
筋電図と同様に、積分筋音図(iMMG)と平均パワー周波数(MPF)を算出した。同様に、⊿iMMG と⊿MPF(MMG)を算出した。筋疲労が生じた場合、iMMG は増加することが知られているので、⊿iMMG は100%より大きくなる。また、筋疲労が生じた場合、MPF は減少することが知られているので、⊿MPF(MMG)は 100%より低くなる。
2.3.3 心電図
心電図から心拍変動（RR 間隔）のグラフを作成し、そのパワースペクトル密度を算出した。交感神経機能を反映する 0.04〜0.15Hz の低周波帯域のパワー積分値、および副交感神経機能を反映する 0.15〜0.40Hz の高周波帯域のパワー積分値をそれぞれ LF と HF とする。LF と HF の比である LF/HF はストレス指標（交感神経の活性度）である。測定開始から 5 分間と測定終了直前の 5 分間における心電図波形に対し、それぞれ LF/HF を算出した。計測開始直後の LF/HF に対する計測直後の LF/HF の比を求めて、⊿
LF/HF とした。リラックスしている場合（副交感神経優位）、LF/HF は減少することが知られているので、⊿LF/HF は 100%より低くなる。
2.3.4 血流速度着座して実験開始から 30 秒間と着座 15 分後からの 30 秒間に血流速度を計測し、平均血流速度 BV を算出した。着座直後の BV に対する着座 15 分直後の BV の比を求めて、⊿BV とした。血流が停滞している場合、BV は低くなるので、⊿BV は 100%よりも低くなる。
2.3.5 有意差検定
全てのパラメータにおける平均値について、座圧軽減クッションの使用有無による比較は一対の標本による t 検定を用いて実施された。有意水準α=0.05 とした。
3. 結果

3.1 筋電図
図 6 より、脊柱起立筋および大腿筋ともに座圧軽減クッションの使用による⊿iEMG の有意な影響は生じなかった(脊柱起立筋:p=0.5、大腿筋: p=0.88)。図 7 より、脊柱起立筋および大腿筋ともに座圧軽減クッションの使用による⊿MPF(EMG)に有意な影響は生じなかった(脊柱起立筋: p=0.24、大腿筋:p=0.7)。よって、筋電図において、座圧軽減クッションの使用は、脊柱起立筋および大腿筋の筋疲労へ影響を与えないことがわかった。
3.2 筋音図
図 8 より、脊柱起立筋および大腿筋ともに座圧軽減クッションの使用による⊿iMMG の有意な影響は生じなかった(脊柱起立筋:p=0.93、大腿筋: p=0.32)。図 9 より、脊柱起立筋において、座圧軽減クッションを使用した際の⊿MPF(MMG)は使用しなかった際のそれより減少する傾向(p=0.09)を示した。大腿筋において、座圧軽減クッションの使用による⊿MPF(MMG)に有意な影響は生じなかった(p=0.11)。

図 6．器具の使用有無における⊿EMG の比較

図 7.器具の使用有無における⊿MPF[EMG]の比較

図 8．器具の使用有無におけ

図 9．器具の使用有無にる⊿iMMG の比較

おける⊿MPF[MMG]の比較

3.3 心電図
図 10 より、座圧軽減クッションの使用による LF/HF の有意な影響は生じなかった(p=0.17)。よって、座圧軽減クッションの使用は、交感神経の活性度へ影響を与えないことがわかった。
3.4 血流速度
図 11 より、座圧軽減クッションの使用による足背動脈近傍の血流速度変化(⊿BV)の有意な影響は
図 10．器具の使用有無に生じなかった(p=0.13)。よって、おける⊿LF/HF の比
座圧軽減クッションの使用は、下較
肢血流速度へ影響を与えないことがわかった。

図 11．器具の使用有無における⊿BV の比較

4. 考察
本研究では、座圧軽減クッション「座・布団」を用いた際に生じる筋疲労と運動を筋電図、筋音図、心電図、血流速度の４つの測定で調査した。その結果、座圧軽減クッションを使用することにより、３０分間の着座で全てのパラメータにおいて有意な影響は見られなかった。３０分の計測時間は座圧軽減クッシ
ョンの影響を計測するには短すぎた可能性がある(3)。また、大腿直筋に関して深い位置にあることや下肢筋であることから有意な影響が見られなかったと考えられる(4)。
有意差は無かったが、脊柱起立筋における筋音図(MMG)の平均パワー周波数(MPF)は、座圧軽減クッションを使用することにより減少する傾向を示した(p=0.09)。この結果は、座圧軽減クッションは脊柱起立筋の筋疲労を減少させる効果がある可能性が示唆された(5)。
5. 結言
健康な成人男性２０名（２０歳代）に対し、座圧軽減クッションを使用した場合としなかった場合でそれぞれ 30 分間着座してもらい、大腿直筋と脊柱起立筋の筋電図と筋音図、心電図、足背動脈の血流を計測して、座圧軽減クッションの効果を検証した。その結果、座圧軽減クッションを使用したことによる有意な影響は示されなかったが、脊柱起立筋における筋音図(MMG)の平均パワー周波数(MPF)は、座圧軽減クッションを使用することにより減少する傾向を示した(p=0.09)。
参考文献(1) 佐藤寿晃，森直樹，千葉登，随意収縮および電気刺激における筋疲労後の筋電図学的解析，山形保健医療研究，Vol.9，(2006)，p11-17.
(2) 三田勝己，筋音図の概要，バイオメカニズム学会誌，vol.37，No.1 (2013),p3-7.
(3) 一戸弘己，杉正夫，表面筋電図および筋音図を用いた筋疲労の推定，2012 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，(2012)，p641-642.
(4) 正門由久,野田幸男，長谷公隆，木村彰男，千野直一，表面筋電図周波数分析による筋疲労の検討，リハビリテーション医学，vol.31，No.6 (1994)，p409-414.
(5) 加藤浩,藤野英次郎,上島隆秀，城石晴子,随意収縮強度別（％MVC）による表面筋電図周波数特性，理学療法学，vol.25，No.7，p425-431