[論文レビュー] Wearable Embroidered Muscle Activity Sensing Device for the Human Upper Leg

R.B. Ribas Manero, Jessie Grewal+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

Muscle activation and electromyography studies参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ランニング用レギンスに埋め込まれたステッチ加工された電極を備えた、衣服に統合された表面筋電図（sEMG）センシングデバイスを提案する。このデバイスは、実際のランニング環境において筋活動をリアルタイムでモニタリング可能であり、長期間にわたりユーザーフレンドリーなsEMGデータ収集を可能にする。結果から、アスファルトや運動場のトラックと比較して、砂地のような柔らかい表面を走ると、筋疲労が顕著に高まり、ランニング関連障害（RRI）のリスクが上昇することが示された。

ABSTRACT

Within the last decade, running has become one of the most popular physical activities in the world. Although the benefits of running are numerous, there is a risk of Running Related Injuries (RRI) of the lower extremities. Electromyography (EMG) techniques have previously been used to study causes of RRIs, but the complexity of this technology limits its use to a laboratory setting. As running is primarily an outdoors activity, this lack of technology acts as a barrier to the study of RRIs in natural environments. This study presents a minimally invasive wearable muscle sensing device consisting of jogging leggings with embroidered surface EMG (sEMG) electrodes capable of recording muscle activity data of the quadriceps group. To test the use of the device, a proof of concept study consisting of $N=2$ runners performing a set of $5km$ running trials is presented in which the effect of running surfaces on muscle fatigue, a potential cause of RRIs, is evaluated. Results show that muscle fatigue can be analysed from the sEMG data obtained through the wearable device, and that running on soft surfaces (such as sand) may increase the likelihood of suffering from RRIs.

研究の動機と目的

• 研究室外の環境で継続的な筋活動モニタリングが可能な、最小限の侵襲性を持つウェアラブルsEMGデバイスの開発。
• 従来のEMGが屋外環境で制限を受ける問題を解決するため、sEMG電極を機能性衣料に直接統合する。
• アスファルト、砂地、運動場トラックの異なる走行表面が筋疲労に与える影響を、実世界のsEMGデータを用いて評価すること。
• 低コストのウェアラブルsEMG技術を用いた、持久走における長期間にわたる非侵襲的筋疲労モニタリングの実現可能性を示すこと。

提案手法

• デバイスは、筋電図電極を導電性糸でステッチ加工したランニング用レギンスを採用し、筋膜（内側広筋、外側広筋、大腿直筋）に位置付け、正確な配置のためSENIAM基準に従う。
• 筋電図信号は、衣類に統合された独自のPCBベースの信号取得システムによりキャプチャされ、増幅および全波整流を含む信号処理が施される。
• sEMG信号の振幅トレンドを分析することで、時間経過に伴う筋疲労を定量化するための新規指標、統合振幅比値（iARV）が用いられる。
• プロトタイプの有効性を検証するため、2名の被験者がアスファルト、砂地、運動場トラックの各走行表面で5 kmの走行を3回ずつ実施した。
• 屋外走行中に継続的に信号データを収集し、iARVを計算して異なる走行表面における筋疲労の変化を評価した。
• デバイスは使用が簡単で、特別な解剖学的知識を必要とせず、実用的導入を想定した低コストで再利用可能な部品で構築された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェアラブルで衣類に統合されたsEMGシステムは、実世界の屋外ランニング環境で、筋活動データを信頼性高く捉えることができるか？
• RQ2 アスファルト、砂地、運動場トラックといった異なる走行表面での走行が、sEMGで測定された大腿四頭筋の筋疲労レベルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 第二の風効果や発汗といった混在要因が、屋外環境におけるsEMGベースの疲労推定にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 提案されたウェアラブルsEMGデバイスは、異なる表面の剛性および減衰特性に対応して、疲労レベルを検出および区別できるか？

主な発見

• 砂地走行では、最高のiARV値が示され、柔らかく変形しやすい表面では、ランニング関連障害（RRI）のリスクが高まることを示唆した。
• 運動場トラックは、低減衰性で剛性の高い表面であり、予想通り最も低い筋疲労レベルを示した。
• アスファルト走行は、iARV値の観点で、砂地と運動場トラックの間の中程度の疲労レベルを示した。
• 第二の風効果により、各走行の初期には一時的にiARVが低下したが、その後疲労に伴い徐々に上昇した。
• 発汗により皮膚の導電性が上昇し、信号のオフセットが変化したが、特に運動場トラックの最終走行で顕著であった。しかし、疲労への表面効果の順位付けに影響はなかった。
• 環境的要因にかかわらず、デバイスは表面間での疲労レベルを明確に区別でき、長期間にわたる実世界におけるsEMGモニタリングの実現可能性を確認した。