熟練サイクリストが好ましいとするサドル高さの筋活動分析に基づく評価 Evaluation of favorable saddle height of a skilled cyclist based on analysis of muscular activity form （キーワード：表面筋電位，自転車運動，身体動作感覚，統計学解析） （KEYWORDS: Surface electromyography, Cycling exercise, Physical motion sensitive, Statistic analysis） ○徳安達士（福岡工業大学），松本慎平（広島工業大学） １．はじめに を考える必要が生じた． 近年，我が国では運動効率の高さから自転車の利用価値が見 そこで本稿では，自転車運動中の上半身の状態が下肢筋群活 直されており，一般的な利用普及率が増加傾向にある．さらに 動形態にどのように影響するかについて調査する．そして，熟 情報通信技術の普及や健康ブームを追い風に，自転車の競技人 練サイクリストが好ましいとするサドル高さと下肢筋群活動 口は増加傾向にある．競技自転車におけるペダリング運動にお 形態の関連性について，統計学的なデータ分析手法に基づく評 いては，シューズとペダルを固定化するビンディングペダルの 価を行う． 利用が一般的である．選手達は，一般的なフラットペダル利用 ２．方法 時とは異なり，クランクを滑らかに回転させるイメージでペダ ２．１実験装置 リング運動を行っている．ビンディングペダルの利用により， 図1に本研究が用いる実験装置の外観図を示す．本実験装置 サドル高さは自転車の基本乗車姿勢を決定する第一の要因と は，市販の自転車エルゴメータシステム（竹井機器工業製， なり，特に下肢筋群の活動水準を決定する重要な機材設定とな Active 10 II）に著者らが独自に開発したサドル高さ自動調整装 る．現在，サドル高は選手独自の走行感覚に基づく調整やコー 置を搭載したものと，表面筋電図として高感度増幅器（日本光 チや熟練競技者の助言に基づいて行われているが，このように 電社製，MEG-6108）とで構成されている．本研究では，両者 決定されたサドル高さが選手にとって最適な値を示すものか をコンピュータで接続しており，実時間計測制御システムとし どうかを判断することは難しい．それ故に，選手は自身に最適 て構築した． なサドル高を見つるべく多くの時間を費やしており，またシー ２．２実験方法 ズン中の筋力向上や機材変更のたびにサドル高の最適値を探 まず，競技経験に実績があり，かつ十分なサイクリングキ 索しなければならない状況にある．こうした状況の中，選手の ャリアを有するサイクリストを熟練サイクリストと定義し， 身体条件に適した自転車機材決定に関する研究が最近になっ 本研究においてはこれを被験者として 1 名採用する．本研究 て行われてきており，ビンディングペダル利用条件下における においては，自転車競技力の本質はペダリング技術にあると 自転車運動とサドル設定の関係について，下肢筋群の活動形態 想定し，単純な競技力よりも長年のキャリアで培われた確か に基づく調査が進められている[1]．しかしながら，選手の運動 なペダリング技術を有する被験者を優先する方針である． 情報に基づいて，選手固有のサドル設定最適値を提供する研究 については報告がなされていない． そこで著者らは，ペダリング運動条件下にある下肢筋群の活 実験条件として，100[watt]の負荷設定において被験者は 70[rpm]の一定ペースでペダリング運動を継続，その間，サド ル高を 680mm から 3mm/min のペースで動的に下降させる． 動形態に着目し，これよりサドル高さの評価基準を定義するこ とについて議論を重ねてきた．まずペダリング動作中に動的に サドル高を自動制御できる実験装置を開発した．そして，自転 車運動に関連部会下肢筋群の表面筋電位から筋活動量を推定 し，それらの主成分分析結果から評価基準を見いだした．さら に，この評価基準と熟練サイクリストの主観的な乗り心地の評 価を統合し，ファジィ推論の概念を用いてこれを表現し，実験 装置に組み込んだ．実験の結果，サドル高は被験者の競技経験 に関わらず下降する結果となり，方法の見直しを余儀なくされ た[2]． 過去に行った予備実験では，被験者には前傾姿勢でハンドル を握るように指示していた．著者らは，このことがサドル高の 違いによる上肢筋群の使い方に変化を生じさせていたファク 図 1 実験装置 ターであることを疑い，予備実験の段階でこれに配慮した方法 連絡先（〒811-0295, 福岡県福岡市東区和白東 3-30-1, TEL&FAX 092-606-5908, [email protected] 表 1 サドル高と被験者の乗り心地評価 (a) ハンドル把持 (b) ハンドフリー 図 2 運動時の被験者姿勢 計測時間を 10 分間とし， サドル高さは 680mm から 650mm ま で下降する実験装置上で連続的にペダリング運動を継続する． 次にハンドル把持状態の下肢筋群の活動状況に関する影響に ついて調査するために，(i) ハンドル把持，(ii) 実験装置上で 背中を伸ばし，脇を締めて脱力，の 2 つのパターンで計測す る．また下肢筋群の活動分析を行うために自転車運動に関連 部会と考えられる大腿直筋(RF: Rectus Femoris），大腿二頭筋 (BF: Biceps Femoris)，前脛骨筋(AT: Anterior Tibialis)，下腿三頭 筋(TS: Tericeps Surae)の 4 か所を測定対象とし，ディスポーサ ル表面電極を添付して各々の表面筋電位を測定する． (a) ハンドフリー ２．３データ分析手法 実験においては，計 4ch の表面筋電データが 1000Hz のサン プリングで測定される．本研究では，各筋群の活動量を推定 するためにペダル 1 回転の時間毎に表面筋電データの二乗平 均平方根を取る．すると，1 分間で 70 個の活動量データが得 られることになる．これらの情報にサドル高さを記憶させ， 相関行列に基づく主成分分析を実施する． ３．結果 実験は，ハンドフリーのあとでハンドル把持の順で行われた． 実験終了後，各サドル高に対する主観的な評価を確認したとこ ろ，表1のような結果であった．被験者がちょうど良いとした サドル高は，ハンドフリーとハンドル把持の状態とで3mm強の 違いがあった． 次に，図3にサドル高さ毎の主成分分析の結果を示す．本研 (b) ハンドル把持 図 3 サドル高さによる各主成分得点の変化 により，関節可動域に制限が生じ，特に前傾姿勢により骨盤が 究が同一被験者に対して実験を繰り返した結果，各主成分の寄 前倒しになることで下肢筋群の活動水準に影響を及ぼしたも 与率が第一主成分：約34%，第二主成分：約26%，第三主成分： のと考えられる．また，100[watt]の負荷設定は，被験者にとっ 約24，そして第四主成分：約14%となった．したがって，累積 ては運動による疲労を感じにくい程度であるが，上半身がハン 寄与率が75%を超える第一，第二，第三主成分得点をサドル高 ドルに固定されていれば安定した下肢筋群の動作継続は容易 さ毎にプロットすることとした． であることが想像できる． ４．考察 主成分分析においては，各主成分の累積寄与率が毎回同程度 まず表1において，上半身の姿勢により被験者が適当と評価 にあることは確認済みである．しかし，主成分得点算出の根拠 するサドル高さに違いが生じる理由としては，前傾姿勢の有無 となる固有ベクトルについては，実験のたびに不規則で変化す 連絡先（〒811-0295, 福岡県福岡市東区和白東 3-30-1, TEL&FAX 092-606-5908, [email protected] ることがわかっている．その理由として，毎回の計測で正確に 同じ場所で電極を添付することが困難であることや，サドル上 の腰位置がわずかに異なるだけで筋活動に影響することなど が考えられる．ただし，興味深い結果としては，3つの主成分 得点が交わるサドル高さがあり，その高さは表1に示されるサ ドル高さに対する主観的評価と同様に，ハンドフリーでのサド ル高の方が高いことである．現時点では，各主成分がペダリン グ運動においてどのような動作を評価対象としている，もしく はどのような筋活動の変化を評価しているのかを明確に述べ る根拠はない．しかしながら，被験者の身体機能に適したサド ル高を探し出すためには，少なくともハンドル高さを同時に調 整していく必要があることが示されたと考えられる．今後は， 熟練サイクリストの主観的な乗り心地評価と主成分得点の交 点との関係について議論を深め，主成分分析における固有ベク トルなど主要変数の運動生理学的意味について考察を深めて いく． ５．まとめ 本稿では，これまでの本研究の結果を分析し，競技自転車の 基本乗車姿勢における上半身の姿勢の影響について調査した． 自転車運動時の上半身姿勢として，ハンドフリーとハンドル把 持の状態について，下肢筋群活動の主成分得点があるサドル高 さにおいて交わるという結果が得られた． 今後，この交点と 被験者の主観的なサドル高さ評価の違いについて，運動生理学 およびバイオメカニクスの観点から検討していく． 謝辞 本研究の一部は競輪の補助(24-78)を受けて実施したもので ある． 参考文献 [1] F. Hug and S. Dorel, Electromyographic analysis of pedaling: A review, Journal of Electromyography and Kinesiology 19, pp. 182-198. [2] 徳安達士，松本慎平，平木場浩二，章忠，主観性と筋群活 動パターンの複合評価に基づく競技自転車のサドル高さ決定 システムの開発，第10回情報科学技術フォーラム講演論文集, pp. 55-60. 連絡先（〒811-0295, 福岡県福岡市東区和白東 3-30-1, TEL&FAX 092-606-5908, [email protected]
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