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JP5574333B2 - Viscoelastic property measurement method and viscoelastic property measurement device - Google Patents
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JP5574333B2 - Viscoelastic property measurement method and viscoelastic property measurement device - Google Patents

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JP5574333B2 JP2010133456A JP2010133456A JP5574333B2 JP 5574333 B2 JP5574333 B2 JP 5574333B2 JP 2010133456 A JP2010133456 A JP 2010133456A JP 2010133456 A JP2010133456 A JP 2010133456A JP 5574333 B2 JP5574333 B2 JP 5574333B2
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Description

本発明は、新規な粘弾性特性計測方法に関する。また、本発明は、前記粘弾性特性計測方法を実現する新規な粘弾性特性計測装置に関する。   The present invention relates to a novel viscoelastic property measurement method. The present invention also relates to a novel viscoelastic property measuring apparatus that realizes the viscoelastic property measuring method.

筋の変形の力学的特性を定量的に調べることは、これがヒトの運動機能を直接的に担う器官であることから、医療や福祉、スポーツ工学の分野などでの科学的な評価において非常に重要である。変形の力学的な特性評価方法は、工学分野の材料試験法では引張試験が標準的であるが、ヒトへの適用を考える場合には低侵襲性が要求される。これに関して発明者は、球圧子押込試験という低侵襲な材料試験法を基礎とすることによって、ヤング率(Young率)や粘性係数など弾性や粘弾性を同定する手法を確立してきた(例えば、非特許文献1参照)。   Quantitative examination of the mechanical properties of muscle deformation is very important for scientific evaluation in the fields of medicine, welfare, sports engineering, etc., because it is an organ directly responsible for human motor function It is. As a method for evaluating the mechanical properties of deformation, a tensile test is standard in a material testing method in the engineering field, but minimal invasiveness is required when considering application to humans. In this regard, the inventor has established a method for identifying elasticity and viscoelasticity such as Young's modulus (Young's modulus) and viscosity coefficient based on a minimally invasive material test method called a ball indenter indentation test (for example, Patent Document 1).

谷充博、佐久間淳、小笠原誠、触診を模擬した球圧子押込試験によるヒト軟組織のin situ 粘弾性計測、日本機械学会第22回バイオエンジニアリング講演論文集、No.09-55、(2010-1)、p.127。Mitsuhiro Tani, Satoshi Sakuma, Makoto Ogasawara, Measurement of in situ viscoelasticity of human soft tissue by ball indenter indentation test simulating palpation, Proceedings of the 22th Bioengineering Lecture Meeting of the Japan Society of Mechanical Engineers, No.09-55, (2010-1) , P.127.

上述したように、発明者は、球圧子押込試験という低侵襲な材料試験法を基礎とすることによって、Young率や粘性係数など弾性や粘弾性を同定する手法を確立してきた。さらに、ヒトの運動における筋の機能的役割を評価する場合には、外力への応答のような作用力に対する受動的な変形特性に加えて、自ら収縮する過程での能動的な変形特性を調べることが重要である。
しかしながら、外力への応答のような作用力に対する受動的な変形特性に加えて、自ら収縮する過程での能動的な変形特性を検討する試みは、まだなされていない。
As described above, the inventor has established a method for identifying elasticity and viscoelasticity such as Young's modulus and viscosity coefficient based on a minimally invasive material test method called a ball indenter indentation test. Furthermore, when evaluating the functional role of muscles in human movement, in addition to passive deformation characteristics for acting force such as response to external force, we investigate active deformation characteristics during self-contraction process. This is very important.
However, in addition to passive deformation characteristics for acting force such as response to external force, no attempt has been made to investigate active deformation characteristics in the process of contracting itself.

そのため、このような課題を解決する、新規な粘弾性特性計測方法および粘弾性特性計測装置の開発が望まれている。   Therefore, the development of a novel viscoelastic property measurement method and viscoelastic property measurement device that solves such problems is desired.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な粘弾性特性計測方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記粘弾性特性計測方法を実現する新規な粘弾性特性計測装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a novel viscoelastic property measurement method.
Another object of the present invention is to provide a novel viscoelastic property measuring apparatus that realizes the viscoelastic property measuring method.

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の粘弾性特性計測方法は、筋の粘弾性特性を計測する方法であって、筋力および駆動入力刺激を用いて前記粘弾性特性を算出する方法である。   In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a viscoelastic property measurement method of the present invention is a method for measuring viscoelastic properties of muscles, and uses the muscle force and driving input stimulus to measure the viscoelastic properties. Is a method of calculating

ここで、限定されるわけではないが、筋は、ヒト、サル、ウマ、マグロなど動物の筋であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、粘弾性特性は、ケルビンモデルにおける、ヤング率および粘性コンプライアンスであることが好ましい。また、限定されるわけではないが、粘弾性特性は、3要素固体モデルにおける、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、筋力は、等尺性収縮における筋力であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、駆動入力刺激の信号は、表面筋電、針筋電、または神経筋刺激であることが好ましい。   Here, the muscles are preferably animal muscles such as humans, monkeys, horses, and tuna, although not limited thereto. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a viscoelastic property is a Young's modulus and viscous compliance in a Kelvin model. Although not limited, it is preferable that the viscoelastic property is the Young's modulus of the elastic part, the viscosity compliance of the viscoelastic part, and the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part in the three-element solid model. . Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a muscular strength is a muscular strength in isometric contraction. Although not limited, it is preferable that the signal of the driving input stimulus is surface myoelectric, needle myoelectric, or neuromuscular stimulation.

本発明の粘弾性特性計測装置は、筋の粘弾性特性を計測する装置であって、筋力および駆動入力刺激を用いて前記粘弾性特性を算出する、演算部を有する。   The viscoelastic property measuring apparatus of the present invention is a device that measures the viscoelastic property of a muscle, and includes a calculation unit that calculates the viscoelastic property using muscle force and driving input stimulus.

ここで、限定されるわけではないが、筋は、ヒト、サル、ウマ、マグロなど動物の筋であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、粘弾性特性は、ケルビンモデルにおける、ヤング率および粘性コンプライアンスであることが好ましい。また、限定されるわけではないが、粘弾性特性は、3要素固体モデルにおける、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、筋力は、等尺性収縮における筋力であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、駆動入力刺激の信号は、表面筋電、針筋電、または神経筋刺激であることが好ましい。   Here, the muscles are preferably animal muscles such as humans, monkeys, horses, and tuna, although not limited thereto. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a viscoelastic property is a Young's modulus and viscous compliance in a Kelvin model. Although not limited, it is preferable that the viscoelastic property is the Young's modulus of the elastic part, the viscosity compliance of the viscoelastic part, and the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part in the three-element solid model. . Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a muscular strength is a muscular strength in isometric contraction. Although not limited, it is preferable that the signal of the driving input stimulus is surface myoelectric, needle myoelectric, or neuromuscular stimulation.

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。   The present invention has the following effects.

本発明の粘弾性特性計測方法は、筋の粘弾性特性を計測する方法であって、筋力および駆動入力刺激を用いて前記粘弾性特性を算出するので、新規な粘弾性特性計測方法を提供することができる。   The viscoelastic property measurement method of the present invention is a method for measuring the viscoelastic property of a muscle, and calculates the viscoelastic property using muscle force and driving input stimulus, and thus provides a novel viscoelastic property measurement method. be able to.

本発明の粘弾性特性計測装置は、筋の粘弾性特性を計測する装置であって、筋力および駆動入力刺激を用いて前記粘弾性特性を算出する、演算部を有するので、新規な粘弾性特性計測装置を提供することができる。   The viscoelastic property measuring apparatus of the present invention is a device that measures the viscoelastic property of a muscle, and has a calculation unit that calculates the viscoelastic property using muscle force and driving input stimulus, and thus has a novel viscoelastic property. A measuring device can be provided.

筋について、作用した力に応じて形状が変化する受動変形と、運動するために自ら形状を変化させる能動変形を、力学的な直列モデルで表した図である。It is the figure which represented the passive deformation | transformation which changes a shape according to the force which acted about the muscle, and the active deformation which changes a shape itself in order to move with a dynamic serial model. 受動部の変形特性を表す構成モデルとしての、Kelvinモデルを示す図である。It is a figure which shows the Kelvin model as a structural model showing the deformation | transformation characteristic of a passive part. 受動部の変形特性を表す構成モデルとしての、3要素固体モデルを示す図である。It is a figure which shows the 3 element solid model as a structural model showing the deformation | transformation characteristic of a passive part. ヒト上腕の筋を等尺性収縮させるために肘関節を中心に屈曲させるハンドルと、そのときの荷重値や表面筋電位を計測するための計測機器からなる試験装置を示す図である。It is a figure which shows the test apparatus which consists of a handle which bends around an elbow joint in order to make isometric contraction of the muscle of a human upper arm, and a measuring device for measuring the load value and surface myoelectric potential at that time. 前腕の筋の代表Young率を計測するための、押込試験機の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the indentation test machine for measuring the representative Young's rate of the muscle of a forearm. 各速度において計測した、発生筋力−時間グラフと表面筋電位比−時間グラフを示す図である。It is a figure which shows the muscular strength-time graph and surface myoelectric potential ratio-time graph which were measured in each speed. 各速度において計測した、発生筋力と表面筋電位比の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the generated muscular strength and surface myoelectric potential ratio measured in each speed. Kelvinモデルと3要素固体モデルにおける各物性値を示す図である。It is a figure which shows each physical-property value in a Kelvin model and a 3 element solid model.

以下、粘弾性特性計測方法および粘弾性特性計測装置にかかる発明を実施するための形態について説明する。   Hereinafter, the form for implementing invention concerning a viscoelastic property measuring method and a viscoelastic property measuring device is explained.

粘弾性特性計測方法は、筋の粘弾性特性を計測する方法であって、筋力および駆動入力刺激を用いて前記粘弾性特性を算出する方法である。
粘弾性特性計測装置は、筋の粘弾性特性を計測する装置であって、筋力および駆動入力刺激を用いて前記粘弾性特性を算出する演算部を有するものである。
The viscoelastic characteristic measurement method is a method for measuring the viscoelastic characteristic of a muscle, and is a method for calculating the viscoelastic characteristic by using a muscle force and a driving input stimulus.
The viscoelastic property measuring apparatus is a device that measures the viscoelastic property of a muscle, and has a calculation unit that calculates the viscoelastic property using muscle force and driving input stimulus.

粘弾性特性としては、ケルビンモデル(Kelvinモデル)における、ヤング率および粘性コンプライアンスを採用することができる。または、粘弾性特性としては、3要素固体モデルにおける、弾性部のヤング率、粘弾性部の粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率を採用することができる。   As the viscoelastic property, Young's modulus and viscous compliance in the Kelvin model (Kelvin model) can be adopted. Alternatively, as the viscoelastic characteristics, the Young's modulus of the elastic part, the viscosity compliance of the viscoelastic part, and the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part in the three-element solid model can be adopted.

なお、本明細書の文章において、英文字記号にオーバードットを付すものを「(英文字記号)オーバードット」と記載し、英文字記号にオーバー波線を付すものを「(英文字記号)オーバー波線」と記載し,英文字記号にオーバーバーを付すものを「(英文字記号)オーバーバー」と記載する。   In addition, in the text of this specification, an English character symbol with an over dot is described as “(English character symbol) over dot”, and an English character symbol with an over wavy line is represented by “(English character symbol) an over wavy line. "And an English character symbol with an overbar as" (English character symbol) overbar ".

本発明では、ヒトの多様な運動機能のメカニクスを解析するために不可欠な筋の力学的特性を明らかにする目的で、特に自ら収縮する運動過程での筋の粘弾性特性をin situ計測した筋力および表面筋電位(surface electromyography, sEMG)から同定する方法を提示する。この粘弾性特性に関しては、特に弾性要素と粘性要素が並列な Kelvinモデルおよび 3要素固体モデルによって同定する方法をここでは示す。   In the present invention, in order to clarify the mechanical characteristics of muscles that are indispensable for analyzing the mechanics of various motor functions of humans, the muscle strength is measured in situ by measuring the viscoelastic characteristics of the muscles during the contracting movement process. And a method to identify from surface electromyography (sEMG) is presented. Regarding this viscoelastic property, we show here how to identify the elastic element and the viscous element in parallel by the Kelvin model and the three-element solid model.

筋の変形モデルについて説明する。
最初に、運動と筋の変形について説明する。筋は、その形状が作用した力に応じて変化する受動変形と、運動するために自ら形状を変化させる能動変形とをする力学的な2つの機能を有している。本発明では、これらの変形を表すモデルとして、作用力に応じて変形する受動部と自ら変形する能動部の2つの機能の直列モデルを考える。例えば図1(a)の上腕モデルにおいては、肘の回転角θEに応じて上腕の筋の長さlHが変化する。この長さlHの変化に伴って生じるひずみについて、図1(b)に示すような受動部9と能動部8の直列モデルに置き換えて考えると、このモデルにおける全ひずみ速度εオーバードットは、図1(c)に示すように、受動部9のひずみ速度εPオーバードットと能動部8のひずみ速度εaオーバードットの和として次式によって表すことができる。
A muscle deformation model will be described.
First, exercise and muscle deformation will be described. Muscles have two dynamic functions: passive deformation that changes according to the force on which the shape acts, and active deformation that changes the shape itself to move. In the present invention, as a model representing these deformations, a series model of two functions of a passive part that deforms according to an acting force and an active part that deforms itself is considered. For example, in the upper arm model of FIG. 1 (a), the length l H of the muscle of the upper arm changes according to the rotation angle theta E elbow. When considering the strain that accompanies this change in length l H by replacing it with a series model of passive part 9 and active part 8 as shown in FIG. 1 (b), the total strain rate ε overdot in this model is As shown in FIG. 1 (c), the sum of the strain rate ε P overdot of the passive portion 9 and the strain rate ε a overdot of the active portion 8 can be expressed by the following equation.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

つぎに、構成モデルについて説明する。この式(1)に示す全ひずみ速度εオーバードットに関して、受動部のひずみ速度εPオーバードットと作用する応力速度σオーバードットとの一般的な関係を、本発明では変形抵抗率Dを用いた次式で表す。 Next, the configuration model will be described. Regarding the total strain rate ε overdot shown in this equation (1), the general relationship between the strain rate ε P overdot of the passive portion and the stress rate σ overdot acting on the passive portion, the deformation resistivity D was used in the present invention. It is expressed by the following formula.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

また能動部のひずみ速度εaオーバードットに関しては、この能動変形の大きさを表す信号μと比例定数Λを用いて次式によって表現する。 Further, the strain rate ε a overdot of the active portion is expressed by the following equation using the signal μ indicating the magnitude of the active deformation and the proportionality constant Λ.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

Figure 0005574333
Figure 0005574333

この比例定数Λを本発明では筋収縮係数と呼ぶこととする。
つぎに、粘弾性特性の同定について説明する。本発明では、まず能動部の変形特性を同定した上で、この情報から受動部の変形特性を同定する手法を検討する。
This proportionality constant Λ is referred to as a muscle contraction coefficient in the present invention.
Next, identification of viscoelastic properties will be described. In the present invention, first, after identifying the deformation characteristics of the active part, a method for identifying the deformation characteristics of the passive part from this information is examined.

ここで、まず同定する能動部の変形特性に関しては、筋の全長を変化させずに筋力を発揮させる等尺性収縮を考える。この場合には、筋の長さが変化しない関係から、全ひずみ速度εオーバードットに関して次式が成立する。   Here, first, regarding the deformation characteristics of the active part to be identified, isometric contraction that exerts muscle strength without changing the total length of the muscle is considered. In this case, since the length of the streak does not change, the following equation holds for the total strain rate ε overdot.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

したがって、この式(5)と(4)の関係から、能動部のひずみ速度εaオーバードットは次式によって表すことができる。 Therefore, from the relationship between the equations (5) and (4), the strain rate ε a overdot of the active part can be expressed by the following equation.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

この条件において、受動部の変形特性が代表的なYoung率Eのみで表されるものとして   Under this condition, it is assumed that the deformation characteristics of the passive part are represented only by a typical Young's modulus E.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

なる関係を考えると、ここでの発揮筋力速度をFオーバードット、筋の断面積をAとした場合に次式を導出できる。 Given this relationship, the following equation can be derived when the muscular strength speed here is F overdot and the cross-sectional area of the muscle is A.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

したがって、筋収縮係数Λは、筋の代表Young率Eと断面積Aが既知である場合には、発揮筋力速度Fオーバードットと信号速度μオーバードットから次式によって同定することができる。   Therefore, the muscle contraction coefficient Λ can be identified by the following equation from the muscular strength velocity F overdot and the signal velocity μ overdot when the typical Young rate E and the cross-sectional area A of the muscle are known.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

ここでは、受動部の変形特性を表す構成モデルとして図 2に示すKelvinモデルを考える場合に、このモデルの物性値を発揮筋力速度Fオーバードットと信号速度μオーバードットから同定する方法を示す。   Here, when the Kelvin model shown in FIG. 2 is considered as a constitutive model representing the deformation characteristics of the passive part, a method of identifying the physical property value of this model from the muscular strength speed F overdot and the signal speed μ overdot is shown.

まず、受動部にKelvinモデルを考える場合の筋収縮係数Λの同定方法を示す。ここでは、粘性の影響を無視できる理想的な極低速のひずみ速度εオーバードットの条件を   First, a method for identifying the muscle contraction coefficient Λ when the Kelvin model is considered for the passive part will be described. Here, the ideal very low strain rate ε overdot condition that can ignore the influence of viscosity

Figure 0005574333
Figure 0005574333

の様に添え字γを用いて表すものとすると、この場合に図2のKelvinモデルで表される粘弾性体の受動部では次の関係が成立する。 In this case, the following relationship is established in the passive part of the viscoelastic body represented by the Kelvin model in FIG.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

さらに、このときの発揮筋力速度Fγオーバードットと信号速度μγオーバードットから、筋収縮係数Λが次式によって同定できる。 Further, the muscle contraction coefficient Λ can be identified by the following equation from the muscular strength velocity overdot and the signal velocity μγ overdot at this time.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

次に受動部の変形特性の同定であるが、まず粘性が影響するひずみ速度をεオーバードットと添え字αを用いて表すと、このとき図2に示すKelvinモデルの特性から次式が成立する。 Next, identification of the deformation characteristics of the passive part. First, the strain rate affected by the viscosity is expressed using the ε Pα overdot and the subscript α, then the following equation is established from the characteristics of the Kelvin model shown in Fig. 2. To do.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

Figure 0005574333
Figure 0005574333

また、等尺性収縮の条件から次式   From the condition of isometric shrinkage,

Figure 0005574333
Figure 0005574333

を考える。なお、このとき能動部ひずみεaが信号μの大きさのみに依存する条件の下でおなじ大きさの信号μαγでの比較を行う場合には、εすなわちεも成立することから、次の関係を考えることができる。 think of. At this time, when the comparison is made with the same signal μ α = μ γ under the condition that the active portion distortion ε a depends only on the signal μ, ε a α = ε a γ, that is, ε Since = ε holds, the following relationship can be considered.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

この式(13)、(14)からは、粘性コンプライアンスCが次式によって表すことができる。   From these formulas (13) and (14), the viscous compliance C can be expressed by the following formula.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

また、このときの発揮筋力Fαと筋の断面積Aから応力σαIn addition, the stress σ α from the muscle strength F α and the cross-sectional area A of the muscle is

Figure 0005574333
Figure 0005574333

であり、また式(16)より応力σveαについては From the equation (16), the stress σ veα is

Figure 0005574333
Figure 0005574333

と表すことができるので、式(17)の粘性コンプライアンスCは次式となる。 Therefore, the viscosity compliance C in the equation (17) becomes the following equation.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

図1の受動部の変形を評価する構成モデルとして、ここでは3要素固体モデルを適用してその特性を同定する方法を示す。   Here, as a constitutive model for evaluating the deformation of the passive part in FIG.

まず構成式に関しては、図3に示すモデルを直列な関係にある弾性部と粘弾性部へ分けて考え、この関係から受動部のひずみ速度εPオーバードットを弾性部と粘弾性部のひずみ速度εeオーバードットとεvオーバードットの和として次式によって表す。 First, regarding the constitutive equation, the model shown in Fig. 3 is divided into an elastic part and a viscoelastic part that are in series, and from this relation, the strain rate ε P overdot of the passive part is the strain rate of the elastic part and the viscoelastic part as the sum of epsilon e over dots and epsilon v over dots represented by the following equation.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

ここで、各部では応力とひずみについては次の関係がある。   Here, each part has the following relationship with respect to stress and strain.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

Figure 0005574333
Figure 0005574333

Figure 0005574333
Figure 0005574333

これら式(22),(23),(24)で表される構成式に関して、その物性値Ee,Eve,Cが一定である場合の同定法を考える。このとき、筋の断面積をAとする場合の発揮筋力Fは、これら式(22),(23),(24)の関係から次式によって表すことができる。 Regarding the constitutive expressions represented by these equations (22), (23), and (24), an identification method when the physical property values E e , E ve , and C are constant will be considered. At this time, the muscular strength F when the cross-sectional area of the muscle is A can be expressed by the following equation from the relationship of these equations (22), (23), and (24).

Figure 0005574333
Figure 0005574333

ここで、添え字γで表す0に近い粘性を無視できる理想的な極低速の能動部のひずみ速度εオーバードットに対して、添え字αおよびβで表す高速な2つの能動部のひずみ速度εオーバードットおよびεオーバードットを次式のように考える。 Here, the ideal very low-speed active part strain rate ignoring the viscosity near zero represented by the subscript γ ε over-dot, the two high-speed active unit strain rates represented by the subscripts α and β ε overdot and ε aβ overdot are considered as follows.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

このときに筋の等尺性収縮 (εオーバードット=0)を考えると、受動部のひずみ速度εPオーバードットに関しては次の関係が成立する。 Considering the isometric contraction of the muscle (ε overdot = 0) at this time, the following relationship holds for the strain rate ε P overdot of the passive portion.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

このように各速度に差が生じるとき、この速度に対応する発揮筋力Fα,Fβ,Fγには差が生じる。粘性を無視できる速度での発揮筋力Fγを基準に考えると、この差は式(25)から次の関係で表すことができる。 Thus when the difference in the speed occurs, exerts strength F alpha corresponding to the speed, F beta, difference occurs in the F gamma. Given the demonstrated strength F gamma at speeds negligible viscosity criteria, this difference can be expressed by the following relation from Eq. (25).

Figure 0005574333
Figure 0005574333

Figure 0005574333
Figure 0005574333

また、能動部ひずみεaが信号μの大きさのみに依存する条件の下でおなじ大きさの信号μαβγでの比較を行う場合には、εが成り立つので、式(28),(29)は式(6)と(21)の関係を利用して次式のように整理することが出来る。 If the comparison is made with the same signal μ α = μ β = μ γ under the condition that the active part distortion ε a depends only on the signal μ, then ε a α = ε a β = ε Since aγ holds, equations (28) and (29) can be rearranged as follows using the relationship between equations (6) and (21).

Figure 0005574333
Figure 0005574333

Figure 0005574333
Figure 0005574333

さらに式(8),(22)から、式(30),(31)は次式のようになる。   Furthermore, from Equations (8) and (22), Equations (30) and (31) are as follows:

Figure 0005574333
Figure 0005574333

Figure 0005574333
Figure 0005574333

ここで、粘性を無視できる極低速のひずみ速度εオーバードットにおいては,代表Young率Eと弾性部Young率Ee、粘弾性部Young率Eveの間で次の関係が成立する。 Here, in the extremely low strain rate ε aγ overdot where the viscosity can be ignored, the following relationship is established between the representative Young's modulus E, the elastic Young's modulus E e , and the viscoelastic Young's modulus E ve .

Figure 0005574333
Figure 0005574333

この関係は、これらのYoung率が一定である場合にはひずみ速度に関係なく成立する。
この式(34)を用いて式(32),(33)とCについて整理すると、次の関係が得られる。
This relationship holds regardless of the strain rate when these Young's moduli are constant.
When this equation (34) is used to rearrange equations (32), (33) and C, the following relationship is obtained.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

さらにこの式 (35)を弾性部Young率Eeについて整理すると、次の関係となる。 Further, when this equation (35) is arranged with respect to the elastic portion Young's modulus E e , the following relationship is obtained.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

ここで、変数Bは次の関係を表す。   Here, the variable B represents the following relationship.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

ここで得られた弾性部Young率Eeを式(35)へ代入することにより、粘性コンプライアンスCが次式によって求められる。 By substituting the elastic part Young's modulus E e obtained here into the equation (35), the viscosity compliance C is obtained by the following equation.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

また、粘弾性部Young率Eveは式(34)より、次式によって求められる。 Further, the viscoelastic portion Young's modulus E ve can be obtained from the following equation from the equation (34).

Figure 0005574333
Figure 0005574333

ヒト上腕の筋の粘弾性計測について説明する。
最初に、試験装置について説明する。上腕屈曲における上腕部内側の筋の特性を調べる目的で、駆動入力刺激μに表面筋電位を用い、肘関節の回転運動に関する等尺性収縮試験を行う。図4に、ヒト上腕の筋を等尺性収縮させるために肘関節を中心に屈曲させるハンドル16と、そのときの荷重値や表面筋電位を計測するための計測機器からなる試験装置を示す。ハンドル16はリール15と直結しており、ワイヤー端は滑車を介してひずみゲージ17とつながっている 。表面筋電位計12は通過帯域4.7Hz〜3.3×103Hzで増幅倍率を任意の値に変更可能な差動増幅回路を有した自作のものを使用し、直径10mm、中心距離20mmの双電極11を上腕二頭筋の肘側3分の1付近に貼り付けて表面筋電位を計測する。各電圧出力は(株)共和電業製センサーインターフェースPCD320Aを使用して、サンプリング周波数500Hzで計測を行った。PC20は演算部を有しており、この演算部は荷重値および表面筋電位を用いて筋の粘弾性特性を算出する。
The viscoelasticity measurement of the human upper arm muscle will be described.
First, the test apparatus will be described. For the purpose of investigating the characteristics of the muscles inside the upper arm during flexion of the upper arm, a surface myoelectric potential is used as the drive input stimulus μ, and an isometric contraction test regarding the rotational motion of the elbow joint is performed. FIG. 4 shows a test apparatus including a handle 16 that bends around the elbow joint in order to cause isometric contraction of the human upper arm muscle, and a measuring device for measuring the load value and surface myoelectric potential at that time. The handle 16 is directly connected to the reel 15, and the wire end is connected to the strain gauge 17 via a pulley. The surface electromyograph 12 uses a self-made one with a differential amplification circuit that can change the amplification magnification to an arbitrary value with a pass band of 4.7 Hz to 3.3 × 10 3 Hz, and has a diameter of 10 mm and a center distance of 20 mm. 11 is affixed to the elbow side of the biceps, and the surface myoelectric potential is measured. Each voltage output was measured at a sampling frequency of 500 Hz using a sensor interface PCD320A manufactured by Kyowa Denki Co., Ltd. The PC 20 has a calculation unit, and the calculation unit calculates the viscoelastic characteristics of the muscle using the load value and the surface myoelectric potential.

つぎに、試験条件について説明する。表1に等尺性収縮試験の条件を示す。肘角度とは、前腕骨と上腕骨が同一線上あるときを基準とし、この基準の状態から前腕骨を曲げた角度と定義する。試験は肘角度0度において、意識的に最速で筋を最大随意収縮させる速度α、0.75秒で筋を最大随意収縮させる速度β、10秒で筋を最大随意収縮させる速度γで、それぞれの速度について5回ずつ等尺性収縮を行った。この時、最大随意収縮は3秒間維持し、各試験後は60秒の休息を取った。この試験で荷重値と表面筋電位を計測し、荷重値からそれぞれの速度における上腕部の筋の発生筋力を求める。なお、最大随意収縮を繰り返すことで生じた疲労が、荷重に影響することが考えられるため、試験における速度の順番は、β→α→γ→α→γ→β→γ→β→α→β→γ→α→γ→α→βで行った。   Next, test conditions will be described. Table 1 shows the conditions of the isometric shrinkage test. The elbow angle is defined as the angle at which the forearm bone is bent from this reference state with the forearm bone and the humerus being collinear. In the test, at an elbow angle of 0 degrees, the speed α is the maximum speed at which the muscle is maximally voluntarily contracted at the highest speed, the speed β is the maximum voluntary contraction of the muscle at 0.75 seconds, and the speed γ is the maximum voluntary contraction of the muscle at 10 seconds. Isometric contraction was performed 5 times each. At this time, the maximum voluntary contraction was maintained for 3 seconds and a 60-second rest was taken after each test. In this test, the load value and surface myoelectric potential are measured, and the generated muscle strength of the upper arm muscle at each speed is obtained from the load value. In addition, since it is thought that fatigue caused by repeating the maximum voluntary contraction affects the load, the order of speed in the test is β → α → γ → α → γ → β → γ → β → α → β → γ → α → γ → α → β.

Figure 0005574333
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つぎに、発生筋力と表面筋電位比の導出について説明する。各速度において計測した荷重値をfI、ハンドルの負荷荷重をFI Hiオーバー波線、ワイヤー巻取り部の直径をφ1、肘関節から前腕骨粗面への筋の接続位置までの距離をφE/2、肘関節から荷重点までの距離をlOとする。添字Iはα、βあるいはγを表す。この時、肘関節トルクTEは、計測した荷重値fIとワイヤー巻取り部の直径φ1およびハンドルの負荷荷重FI Hiオーバー波線と肘関節から荷重点までの距離lRUから以下の式のようになる。 Next, the derivation of the generated muscle force and the surface myoelectric potential ratio will be described. The load value measured at each speed is f I , the handle load is F I Hi over wavy line, the diameter of the wire winding part is φ 1 , and the distance from the elbow joint to the forearm rough surface is φ E / 2, the distance from the elbow joint to the loading point and l O. The subscript I represents α, β or γ. In this case, the elbow joint torque T E, the following equation from the distance l RU from the applied load F I Hi over wavy and elbow joint diameters phi 1 and the handle load value f I and the wire take-up unit of measurement to the loading point become that way.

Figure 0005574333
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Figure 0005574333
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よって、式(40)と式(41)から、ハンドルの負荷荷重FI Hiオーバー波線は次のように表すことができる。 Therefore, from equation (40) and equation (41), the handle load F I Hi over wavy line can be expressed as follows.

Figure 0005574333
Figure 0005574333

ここで、図1(b)より次式が成り立つ。   Here, the following equation is established from FIG.

Figure 0005574333
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よって式(43)から、発生筋力FI Hiは、ハンドルの負荷荷重FI Hiオーバー波線と,肘関節から荷重点までの距離lRUと肘関節から筋の接続位置までの距離φE/2とから求めることが出来る。
今回、発生筋力FI Hiは、ワイヤー巻取り部の直径φ1を102mm、肘関節から荷重点までの距離lOを 300mm、lRUとφE/2の比は 5として[2]、求めた。また、表面筋電位比は、まず速度αでの収縮開始最大随意収縮から2秒までの表面筋電位の平均値μオーバーバーを求め、この値からの比μI/μオーバーバーとして定義する。
Therefore, from formula (43), the generated muscle force F I Hi is calculated from the handle load load F I Hi over wavy line, the distance l RU from the elbow joint to the load point, and the distance φ E / 2 from the elbow joint to the muscle connection position. It can be obtained from
This time, the muscular strength F I Hi is calculated as [2], assuming that the diameter φ 1 of the wire winding part is 102 mm, the distance l O from the elbow joint to the load point is 300 mm, and the ratio of l RU to φ E / 2 is 5. It was. The surface myoelectric potential ratio is defined as a ratio μ I / μ overbar obtained from the average value μ overbar of the surface myoelectric potential from the maximum voluntary contraction at the start of contraction at the speed α to 2 seconds.

つぎに、シグモイト関数による傾きの導出について説明する。筋収縮過程において、筋が最大駆動をしているのは最大発生筋力の半分の筋力を発揮しているときであると考える。ここで、筋が最大駆動をする時、負荷荷重速度FI Hiオーバードットと入力刺激比速度μIオーバードット/μオーバーバーは最大である。よって各速度のグラフにおいて最も大きい傾きを求めることができれば、筋が最大駆動する状態においての傾きを求めることが可能となる。これより、試験結果から得られた発生筋力FI Hi−時間tグラフと表面筋電位比μI/μオーバーバー−時間tグラフに対して、式(44)で表されるシグモイド関数を近似関数とし、各グラフの傾きを求めることを検討した。 Next, the derivation of the slope by the sigmoit function will be described. In the muscle contraction process, it is considered that the muscle is maximally driven when it exerts half the maximum muscular strength. Here, when the muscle is driven to the maximum, the load load speed F I Hi overdot and the input stimulus specific speed μ I overdot / μoverbar are maximum. Therefore, if the largest inclination can be obtained in each speed graph, the inclination in a state where the muscle is driven to the maximum can be obtained. From this, the sigmoid function represented by Equation (44) is approximated to the generated muscle force F I Hi -time t graph and surface myoelectric potential ratio μ I / μ overbar-time t graph obtained from the test results. Then, we studied to find the slope of each graph.

Figure 0005574333
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これは式(44)で表されるシグモイド関数の最大傾きが、最大値f(x)maxの半分の値の時に求めることが出来るためである。よって、負荷荷重速度FI Hiオーバードットと入力刺激比速度μIオーバードット/μオーバーバーは、試験結果を近似したシグモイド関数f(x)の最大傾きから求める。 This is because the maximum slope of the sigmoid function expressed by the equation (44) can be obtained when it is half the maximum value f (x) max . Therefore, the load load speed F I Hi overdot and the input stimulus specific speed μ I overdot / μoverbar are obtained from the maximum slope of the sigmoid function f (x) approximating the test result.

つぎに、代表Young率の計測について説明する。谷の押込試験[1]によって、前腕の筋の代表Young率を、図5に示す試験装置を用いて計測する。試験装置は最大1.2m/sの日本精工(株)製メカトロアクチュエータXY-HRS400-RH202に取り付けられた荷重軸25をPCで制御する仕組みとなっている。荷重は荷重軸25に取り付けた(株)共和電業製ロードセルLUR-A100NSA1から取得し、変位量は球圧子26を取り付けたアクチュエータのステージ24の移動量として、これをアルプス電気(株)製スライドボリュームRSA0N11S9002によって計測する。押込試験は成人男性1名の前腕の筋に対して1回行った。この時に用いる球圧子26にはアクリル製の直径=2.0×10-2 mの形状のものを利用し、球圧子26と前腕の接触面には油を塗布することで摩擦の低減を行う。また、速度条件は筋の粘性の影響を可能な限り低減するため、速度0.1mm/sで行う。この条件で、変位量と荷重を計測することで、代表Young率を12.7kPaと求めることが出来た。今回は、前腕で求めた代表Young率を、上腕の筋の代表Young率EHiとして用いる。 Next, measurement of the representative young rate will be described. Using the indentation test [1] of the valley, the representative Young's rate of the forearm muscle is measured using the test apparatus shown in FIG. The test equipment has a mechanism to control the load shaft 25 attached to the Mechatronic Actuator XY-HRS400-RH202 made by NSK Ltd. with a maximum of 1.2m / s by PC. The load is obtained from the load cell LUR-A100NSA1 manufactured by Kyowa Denki Co., Ltd. attached to the load shaft 25, and the displacement is the amount of movement of the stage 24 of the actuator to which the ball indenter 26 is attached. Measured with volume RSA0N11S9002. The indentation test was performed once on the muscles of the forearm of one adult male. The ball indenter 26 used at this time is made of acrylic and has a diameter of 2.0 × 10 −2 m. The friction is reduced by applying oil to the contact surface between the ball indenter 26 and the forearm. The speed condition is 0.1 mm / s to reduce the effect of muscle viscosity as much as possible. By measuring the amount of displacement and load under these conditions, the representative Young's rate could be obtained as 12.7 kPa. This time, the representative Young rate obtained with the forearm is used as the representative Young rate E Hi of the upper arm muscle.

つぎに、各モデルにおける物性値の同定について説明する。図6に各速度において計測した発生筋力の5回の平均値−時間グラフと表面筋電位比の5回の平均値−時間グラフを示す。この時の各速度における試験結果をシグモイド関数で近似し、その最大傾きから負荷荷重速度FI Hiオーバードットと入力刺激比速度μIオーバードット/μオーバーバーを求める。また、筋の断面積AHiは一定として、直径40mmの円形と仮定し[3]およそ13cm2を用いる。 Next, identification of physical property values in each model will be described. FIG. 6 shows a five-time average value-time graph of the generated muscle force measured at each speed and a five-time average value-time graph of the surface myoelectric potential ratio. The test results at each speed at this time are approximated by a sigmoid function, and the load load speed F I Hi overdot and the input stimulus specific speed μ I overdot / μoverbar are obtained from the maximum slope. Further, assuming that the cross-sectional area A Hi of the muscle is constant, a circular shape having a diameter of 40 mm is assumed, and [3] approximately 13 cm 2 is used.

Kelvinモデル・3要素固体モデルにおける各物性値を図8に示す。ここで、粘性コンプライアンスCは、式(20)におけるμαオーバードット/(Fα Hiオーバードット−Fγ Hiオーバードット)を図7におけるμIオーバードット/μオーバーバーとFI Hiオーバードットの比として求めた。ここでは、Kelvinモデルと3要素個体モデルにおける、粘性コンプライアンスCHiと粘弾性部のYoung率Eve Hiが、近い値となっている。また、3要素固体モデルにおいては、弾性部のYoung率Ee Hiが粘弾性部のYoung率Eve Hiより大きい。 Fig. 8 shows the physical properties of the Kelvin model and the three-element solid model. Here, the viscosity compliance C is expressed as μ α over dot / (F α Hi over dot−F γ Hi over dot) in the equation (20) between μ I over dot / μ over bar and F I Hi over dot in FIG. As a ratio. Here, the viscosity compliance C Hi and the Young's modulus E ve Hi of the viscoelastic part in the Kelvin model and the three-element individual model are close to each other. In the three-element solid model, the Young's modulus E e Hi of the elastic part is larger than the Young's modulus E ve Hi of the viscoelastic part.

以上のように、筋の粘弾性特性同定を行うために、ヒトの上腕の筋に対して等尺性収縮試験を行った。また、得られた発生筋力FI Hi−時間tグラフと表面筋電位比μI/μオーバーバー−時間tグラフに対してシグモイド関数による近似を行い、Kelvinモデルと3要素固体モデルにおける筋の粘弾性特性同定に必要な値を求めた。この時、また、求めた傾きから筋の粘弾性特性同定を行うことが可能であることを示した。 As described above, an isometric contraction test was performed on human upper arm muscles in order to identify viscoelastic characteristics of muscles. In addition, the obtained muscle strength F I Hi -time t graph and the surface myoelectric potential ratio μ I / μ overbar -time t graph are approximated by a sigmoid function, and the muscle viscosity in the Kelvin model and three-element solid model is calculated. The values required for elastic property identification were obtained. At this time, it was also shown that the viscoelastic characteristics of the muscle can be identified from the obtained inclination.

なお、筋としては、ヒト、サル、ウマ、マグロなど動物の筋を採用することができる。   In addition, as muscle, animal muscles such as humans, monkeys, horses, and tuna can be employed.

筋の種類としては、横紋筋、平滑筋、および心筋を採用することができる。これは、筋電位と筋の活動の相関性が同様であるためである。   As the type of muscle, striated muscle, smooth muscle, and myocardium can be employed. This is because the correlation between myoelectric potential and muscle activity is the same.

等尺性収縮試験は、意識的に最速で筋を最大随意収縮させる速度α、中速で筋を最大随意収縮させる速度β、および低速で筋を最大随意収縮させる速度γで行うことが好ましい。ここで、速度αより速度βは小さく、また速度βより速度γははるかに小さい。   The isometric contraction test is preferably performed at a speed α at which the muscle is maximally voluntarily contracted at the highest speed, a speed β at which the muscle is maximally voluntarily contracted at a medium speed, and a speed γ at which the muscle is maximally voluntarily contracted at a low speed. Here, the speed β is smaller than the speed α, and the speed γ is much smaller than the speed β.

速度αにおいて、筋を最大随意収縮させる時間は0.05〜5秒の範囲内にあることが好ましい。最大随意収縮させる時間が0.05秒以上であると、信号計測が容易という利点がある。最大随意収縮させる時間が5秒以下であると、粘弾性の評価が容易という利点がある。   At speed α, the time for maximum voluntary contraction of the muscle is preferably in the range of 0.05 to 5 seconds. When the maximum voluntary contraction time is 0.05 seconds or more, there is an advantage that signal measurement is easy. When the maximum voluntary contraction time is 5 seconds or less, there is an advantage that evaluation of viscoelasticity is easy.

速度βにおいて、筋を最大随意収縮させる時間は0.1〜10秒の範囲内にあることが好ましい。最大随意収縮させる時間が0.1秒以上であると、速度αにおける筋を最大随意収縮と有意な差を生じさせることができるという利点がある。最大随意収縮させる時間が10秒以下であると、速度γにおける筋を最大随意収縮と有意な差を生じさせることができるという利点がある。   At speed β, the time for maximum voluntary contraction of the muscle is preferably in the range of 0.1 to 10 seconds. When the maximum voluntary contraction time is 0.1 seconds or more, there is an advantage that the muscle at the speed α can cause a significant difference from the maximum voluntary contraction. When the maximum voluntary contraction time is 10 seconds or less, there is an advantage that the muscle at the speed γ can make a significant difference from the maximum voluntary contraction.

速度γにおいて、筋を最大随意収縮させる時間は5〜50秒の範囲内にあることが好ましい。最大随意収縮させる時間が5秒以上であると、粘性の影響を低減できるという利点がある。最大随意収縮させる時間が50秒以下であると、時間経過による筋の疲労の影響を低減できるという利点がある。   At speed γ, the time for maximum voluntary contraction of the muscle is preferably in the range of 5-50 seconds. When the maximum voluntary contraction time is 5 seconds or more, there is an advantage that the influence of viscosity can be reduced. When the maximum voluntary contraction time is 50 seconds or less, there is an advantage that the influence of muscle fatigue due to the passage of time can be reduced.

上腕部内側の筋の特性を調べる目的で等尺性収縮試験を行う場合、肘角度は0〜150度の範囲内にあることが好ましい。肘角度が0度以上であると、関節の最大角を基準にできるという利点がある。肘角度が150度以下であると、最も筋が縮んだ状態を上限にできるという利点がある。   When an isometric contraction test is performed for the purpose of examining the characteristics of muscles inside the upper arm, the elbow angle is preferably in the range of 0 to 150 degrees. If the elbow angle is 0 degree or more, there is an advantage that the maximum angle of the joint can be used as a reference. When the elbow angle is 150 degrees or less, there is an advantage that the upper limit can be set in a state where the muscles are most contracted.

筋力は、等尺性収縮における筋力に限定されるものではない。このほか筋力としては、等張性収縮などを採用することができる。等張性収縮を採用した場合、肘角度が変わる運動過程の筋の特性を評価できるという利点がある。   Muscle strength is not limited to muscle strength in isometric contraction. In addition, isotonic contraction can be employed as the muscle strength. Employing isotonic contraction has the advantage of being able to evaluate the characteristics of the muscles in the movement process where the elbow angle changes.

筋の粘弾性特性をケルビンモデルで表す場合、ヤング率は10kPa〜100MPaの範囲内にあることが好ましい。筋のヤング率が10kPa以上であると、押し込みにより代表ヤング率を計測できるという利点がある。筋のヤング率が100MPa以下であると、従来は計測が困難であった特性を評価できるという利点がある。   When the viscoelastic properties of muscle are expressed by the Kelvin model, the Young's modulus is preferably in the range of 10 kPa to 100 MPa. If the Young's modulus of the muscle is 10 kPa or more, there is an advantage that the representative Young's modulus can be measured by pressing. When the Young's modulus of the muscle is 100 MPa or less, there is an advantage that it is possible to evaluate characteristics that have been difficult to measure in the past.

筋の粘弾性特性をケルビンモデルで表す場合、粘性コンプライアンスは10-14〜103(PaS)-1の範囲内にあることが好ましい。筋の粘性コンプライアンスが10-14(PaS)-1以上であると、粘性挙動を同定できるという利点がある。筋の粘性コンプライアンスが103(PaS)-1以下であると、低侵襲で計測できるという利点がある。 When the viscoelastic property of muscle is expressed by the Kelvin model, the viscosity compliance is preferably in the range of 10 −14 to 10 3 (PaS) −1 . If the viscosity compliance of the muscle is 10 −14 (PaS) −1 or more, there is an advantage that the viscous behavior can be identified. When the muscle viscosity compliance is 10 3 (PaS) −1 or less, there is an advantage that measurement can be performed with minimal invasiveness.

筋の粘弾性特性を3要素固体モデルで表す場合、弾性部のヤング率は100Pa〜100MPaの範囲内にあることが好ましい。弾性部のヤング率が100Pa以上であると、低侵襲で計測できるという利点がある。弾性部のヤング率が100MPa以下であると、軟らかい圧子による押込試験もできるという利点がある。   When the viscoelastic characteristics of muscles are represented by a three-element solid model, the Young's modulus of the elastic part is preferably in the range of 100 Pa to 100 MPa. When the Young's modulus of the elastic part is 100 Pa or more, there is an advantage that measurement can be performed with minimal invasiveness. If the Young's modulus of the elastic part is 100 MPa or less, there is an advantage that an indentation test can be performed with a soft indenter.

筋の粘弾性特性を3要素固体モデルで表す場合、粘弾性部の粘性コンプライアンスは10-14〜103(PaS)-1の範囲内にあることが好ましい。粘弾性部の粘性コンプライアンスが10-14(PaS)-1以上であると、粘性挙動を同定できるという利点がある。粘弾性部の粘性コンプライアンスが103(PaS)-1以下であると、低侵襲で計測できるという利点がある。 When the viscoelastic properties of muscles are represented by a three-element solid model, it is preferable that the viscosity compliance of the viscoelastic part is in the range of 10 −14 to 10 3 (PaS) −1 . If the viscosity compliance of the viscoelastic part is 10 −14 (PaS) −1 or more, there is an advantage that the viscous behavior can be identified. When the viscosity compliance of the viscoelastic part is 10 3 (PaS) −1 or less, there is an advantage that measurement can be performed with minimal invasiveness.

筋の粘弾性特性を3要素固体モデルで表す場合、粘弾性部中の弾性部のヤング率は100Pa〜100MPaの範囲内にあることが好ましい。粘弾性部中の弾性部のヤング率が100Pa以上であると、低侵襲で計測できるという利点がある。粘弾性部中の弾性部のヤング率が100MPa以下であると、軟らかい圧子による押込試験もできるという利点がある。   When the viscoelastic properties of muscles are represented by a three-element solid model, the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part is preferably in the range of 100 Pa to 100 MPa. When the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part is 100 Pa or more, there is an advantage that measurement can be performed with minimal invasiveness. If the Young's modulus of the elastic part in the viscoelastic part is 100 MPa or less, there is an advantage that an indentation test with a soft indenter can be performed.

駆動入力刺激の信号としては、表面筋電、針筋電、神経筋刺激などを採用することができる。   As the driving input stimulus signal, surface myoelectric, needle myoelectric, neuromuscular stimulation or the like can be employed.

本実施の形態では、構成モデルとしてケルビンモデルと3要素固体モデルの双方を採用し、この同定法の汎用性を示した。   In this embodiment, both the Kelvin model and the three-element solid model are adopted as the constituent models, and the versatility of this identification method is shown.

構成モデルとして、ケルビンモデルは要素数が少なく物性値を同定しやすい利点がある。3要素固体モデルは、より複雑な粘弾性特性を表現できる利点がある。   As a constitutive model, the Kelvin model has an advantage that the number of elements is small and physical property values can be easily identified. The three-element solid model has the advantage of expressing more complex viscoelastic properties.

本実施の形態によれば、運動中の筋の変形特性について同定できれば、スポーツのトレーニングにおける筋の強化法について指針を示す、医療における筋のリハビリテーション法を評価する、心筋の状態をin situで検査する、なども可能となる。   According to the present embodiment, if the deformation characteristics of muscles during exercise can be identified, guidelines for muscle strengthening in sports training will be provided, muscle rehabilitation methods in medicine will be evaluated, and myocardial status examined in situ And so on.

本発明の用途としては、筋の活動状態の差異が大きく影響する医療・福祉、スポーツ科学、さらには競走馬のトレーニングなどがある。   Applications of the present invention include medical / welfare, sports science, and racehorse training that are greatly affected by differences in muscle activity.

なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。   It is to be noted that the present invention is not limited to the embodiment for carrying out the above-described invention, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

[参考文献]
[1]谷充博・佐久間淳・小笠原誠・篠宮将光、軟組織に対する低侵襲計測のための押込特性評価、第21回バイオエンジニアリング講演会,No.08-53,(2009),pp.183-184.
[2]船渡和男,http://www.jiss.naash.go.jp/column /saizensen 10.html,2010年1月22日閲覧
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[References]
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[2] Kazuo Funato, http://www.jiss.naash.go.jp/column/saizensen 10.html, viewed on January 22, 2010
[3] Akagi, Toka, Ota, Takada, Kawakami, Fukunaga, Effectiveness of muscle shape index by combination of muscle thickness and morphometrics, IEICE Tech., MBE2005-18, (2005).

8‥‥能動部、9‥‥受動部、11‥‥双電極、12‥‥表面筋電位計、15‥‥リール、16‥‥ハンドル、17‥‥ひずみゲージ、20‥‥PC、24‥‥ステージ、25‥‥荷重軸、26‥‥球圧子 8 ... Active part, 9 ... Passive part, 11 ... Double electrode, 12 ... Surface electromyograph, 15 ... Reel, 16 ... Handle, 17 ... Strain gauge, 20 ... PC, 24 ... Stage, 25 ... Load axis, 26 ... Ball indenter

Claims (12)

筋の粘弾性特性を計測する方法であって、
押し込み試験により前記筋の代表Young率を取得する段階と、
前記筋の全ひずみ速度を能動部のひずみ速度と受動部のひずみ速度の和として表した場合における、前記能動部の前記ひずみ速度が前記筋の駆動入力刺激の速度に対して比例すると仮定したときの比例定数Λの値を、前記筋の代表Young率および前記筋の断面積を用いて同定する段階と、
前記受動部の構成モデルに対し前記比例定数Λの値を用いることにより粘性コンプライアンスの値を同定する段階と
を備える粘弾性特性計測方法。
A method for measuring viscoelastic properties of muscles,
Obtaining a representative Young ratio of the muscle by an indentation test;
When the total strain rate of the muscle is expressed as the sum of the strain rate of the active part and the strain rate of the passive part, assuming that the strain rate of the active part is proportional to the speed of the drive input stimulus of the muscle Identifying a value of the proportionality constant Λ using a representative Young's ratio of the muscle and a cross-sectional area of the muscle;
Identifying a value of viscosity compliance by using the value of the proportionality constant Λ for the constitutive model of the passive part; and
A viscoelastic characteristic measurement method comprising:
前記筋の前記駆動入力刺激に対する筋力を、等尺性収縮試験により取得する段階をさらに備え、Obtaining the muscle strength of the muscle with respect to the drive input stimulus by an isometric contraction test,
前記比例定数Λを同定する段階および前記粘性コンプライアンスを同定する段階において、前記等尺性収縮試験により得られた前記駆動入力刺激および前記筋力が用いられる請求項1記載の粘弾性特性計測方法。The viscoelastic characteristic measurement method according to claim 1, wherein the drive input stimulus and the muscle force obtained by the isometric contraction test are used in the step of identifying the proportionality constant Λ and the step of identifying the viscous compliance.
筋は、ヒト、サル、ウマおよびマグロを含む動物の筋である請求項1または2に記載の粘弾性特性計測方法。 The viscoelastic property measuring method according to claim 1 or 2, wherein the muscle is an animal muscle including human, monkey, horse and tuna. 前記構成モデルはケルビンモデルであって、
前記粘性コンプライアンスを同定する段階において、ケルビンモデルにおける、ヤング率および前記粘性コンプライアンスの値を同定する請求項1から3のいずれか1項に記載の粘弾性特性計測方法。
The configuration model is a Kelvin model,
In the step of identifying the viscous compliance, in Kelvin model, viscoelastic properties measuring method according to any one of claims 1 3 for identifying the values of Young's modulus and the viscous compliance.
前記構成モデルは3要素個体モデルであって、
前記粘性コンプライアンスを同定する段階において、3要素固体モデルにおける、弾性部のヤング率、粘弾性部の前記粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率の値を同定する請求項1から3のいずれか1項に記載の粘弾性特性計測方法。
The constituent model is a three-element individual model,
In the step of identifying the viscous compliance, the three elements solid model, the Young's modulus of the elastic portion, the viscous compliance of the viscoelastic unit, and from the claims 1 to identify the values of Young's modulus of the elastic portion in the viscoelastic unit 3 The viscoelastic property measuring method according to any one of the above.
駆動入力刺激の信号は、表面筋電、針筋電、または神経筋刺激である請求項1から5のいずれか1項に記載の粘弾性特性計測方法。 The viscoelastic characteristic measurement method according to claim 1, wherein the drive input stimulus signal is surface myoelectric, needle myoelectric, or neuromuscular stimulation. 筋の粘弾性特性を計測する装置であって、
押し込み試験により前記筋の代表Young率を取得し、
前記筋の全ひずみ速度を能動部のひずみ速度と受動部のひずみ速度の和として表した場合における、前記能動部の前記ひずみ速度が前記筋の駆動入力刺激の速度に対して比例すると仮定したときの比例定数Λの値を、前記筋の代表Young率および前記筋の断面積を用いて同定し、
前記受動部の構成モデルに対し前記比例定数Λの値を用いることにより粘性コンプライアンスの値を同定する、
演算部を有する粘弾性特性計測装置。
A device for measuring viscoelastic properties of muscles,
Obtain a representative Young ratio of the muscle by an indentation test,
When the total strain rate of the muscle is expressed as the sum of the strain rate of the active part and the strain rate of the passive part, assuming that the strain rate of the active part is proportional to the speed of the drive input stimulus of the muscle Is determined using the representative Young's ratio of the muscle and the cross-sectional area of the muscle,
Identifying the value of the viscous compliance by using the value of the proportionality constant Λ for the constitutive model of the passive part;
A viscoelastic characteristic measuring apparatus having a calculation unit.
前記演算部は、The computing unit is
前記筋の前記駆動入力刺激に対する筋力を、等尺性収縮試験により取得し、The muscle strength of the muscle with respect to the drive input stimulus is acquired by an isometric contraction test,
前記比例定数Λを同定する場合および前記粘性コンプライアンスを同定する場合において、前記等尺性収縮試験により得られた前記駆動入力刺激および前記筋力を用いる請求項7記載の粘弾性特性計測装置。The viscoelastic characteristic measurement device according to claim 7, wherein the drive input stimulus and the muscle force obtained by the isometric contraction test are used when identifying the proportionality constant Λ and identifying the viscous compliance.
筋は、ヒト、サル、ウマおよびマグロを含む動物の筋である請求項7または8に記載の粘弾性特性計測装置。 The viscoelastic property measuring apparatus according to claim 7 or 8, wherein the muscle is a muscle of an animal including humans, monkeys, horses and tuna. 前記構成モデルはケルビンモデルであって、
前記演算部は、前記粘性コンプライアンスを同定する場合において、ケルビンモデルにおける、ヤング率および前記粘性コンプライアンスの値を同定する請求項7から9のいずれか1項に記載の粘弾性特性計測装置。
The configuration model is a Kelvin model,
The arithmetic unit is configured in the case of identifying a viscous compliance, in Kelvin model, viscoelastic properties measuring device according to claim 7 to identify the values of Young's modulus and the viscous compliance in any one of 9.
前記構成モデルは3要素個体モデルであって、
前記演算部は、前記粘性コンプライアンスを同定する場合において、3要素固体モデルにおける、弾性部のヤング率、粘弾性部の前記粘性コンプライアンス、および粘弾性部中の弾性部のヤング率の値を同定する請求項7から9のいずれか1項に記載の粘弾性特性計測装置。
The constituent model is a three-element individual model,
The arithmetic unit, in the case of identifying the viscous compliance, the three elements solid model, identifying the Young's modulus of the elastic portion, the viscous compliance of the viscoelastic unit, and the value of the Young's modulus of the elastic portion in the viscoelastic unit The viscoelastic property measuring apparatus according to any one of claims 7 to 9 .
駆動入力刺激の信号は、表面筋電、針筋電、または神経筋刺激である請求項7から11のいずれか1項に記載の粘弾性特性計測装置。 The viscoelastic characteristic measurement device according to any one of claims 7 to 11, wherein the drive input stimulus signal is surface myoelectric, needle myoelectric, or neuromuscular stimulation.
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