JP2004313555A - Functional electrostimulation walking assisting device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方の下肢が麻痺した患者に装着するに適した歩行補助装置に関し、特に、機能的電気刺激( Functionai Electrical Stimulation )を用いた歩行補助装置及び治療器に関する。
【0002】
【従来の技術】
脳卒中や脊髄損傷その他の障害により、一方の下肢、特に足が麻痺した患者が歩行しようとすると患脚の足が底屈してしまい(下垂足及び内反尖足)、患脚が遊脚期の時に患脚の足のつま先が地面と干渉してうまく歩行できない。このため従来は、図7に示すような、装具を患者に取り付け、患脚の足関節を固定することが一般的に行われていた。しかしながら装具を取り付けることは、患者にとって必ずしも快適なものではなく、また、装具により足を固定することは、足の屈伸運動が全く行われなくなり、足を屈伸する筋肉の萎縮を招くことになる。そのため、麻痺した足の治療、リハビリには何の効果も期待できないものであった。そこで、機能的電気刺激を用いることが考えられる。
【0003】
機能的電気刺激を用いた介助装置には多くの発明が提案されている。たとえば、特表2002−510224号公報には、その図1Bに示すように、ホストコンピュータ(12)により一連の機能的電気刺激パターンをデータファイルに保存し、適宜これを読み出して携帯用刺激装置(14)を経由して下肢に装着した電極(18)を刺激パターンに従って励起するものが提案されている。また、特開2002−200104号公報では、その図2に示すように、足関節装具(1)を併用し、足関節装具(1)の上部に膝関節下の総腓骨神経を刺激する表面電極(2)を配置している。その足関節装具(1)に取り付けられた踵接地センサー(15)及び踏切り検知センサー(16)により患脚の立脚時と遊脚時とを識別するようにしている。そして、遊脚時の間ずっと総腓骨神経に機能的電気刺激を与え、足を背屈させ、つま先が床などに引っ掛かってつまずかないようにしている。さらに、特開平9−38216号公報には、その図1に示すように、機能的電気刺激を適用した装置において、指令部であるマイク(6)と制御部であるコンピュータ(9)とが無線(7a)によって接続され、コンピュータ(9)と機能的電気刺激回路(16)とが無線(12、13)により接続されたものが提案されている。すなわち、無線回路を使用することにより患者に装着する部分を軽くし負担を小さくすることは公知である。
【0004】
【特許文献1】特表2002−510224号公報、 図1B、請求項10、「好ましい実施の形態の説明」の欄の最初の段落で図1A,1Bについての説明。
【特許文献2】特開2002−200104号公報、 図2、図4、段落番号0022、段落番号0023。
【特許文献3】特開平9−38216号公報、 図1、段落番号0013、段落番号0018。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1に記載のものは、ホストコンピュータにより複雑で精緻な機能的電気刺激信号を発生させ、上肢及び下肢を運動させようとするものであり、装置が複雑で高価なものになるという問題点がある。複雑な運動を要求される上肢に比べ下肢は比較的規則的な運動をするものであり、特に、下肢の一方が健脚で片方の脚のみが麻痺している患者の歩行補助にのみ用いようとするのであれば、もっと軽量で安価な歩行補助装置が期待できるはずである。上記特許文献2に記載のものは、足関節装具を用い、補助的に機能的電気刺激を用いるものである。このため、足関節装具を装着するという煩わしさからは開放されないという問題点がある。また、患脚の遊脚期における機能的電気刺激の与え方も、患脚の動きで検出した患脚の遊脚期の全期間にわたって刺激するという単純なものであるため、患脚の運動が患者の意志に反することがあり機能的電気刺激が患者に不快感を与えることがある。上記特許文献3に記載のものは、無線回線を用いることが公知であることを示すためにのみ記載した。
【0006】
そこで、本発明は、適用対象を片方の脚が健脚で一方の足のみ麻痺している患者に限定して考えた。通常歩行では、まず一方の踵が接地した後、他方の踵が離地し遊脚期に入る。そのため、患脚の遊脚期に機能的電気刺激を加えるためには、患脚の離地を検出するか、健脚の接地を検出すれば良いことになる。
そこで、健脚の運動から患脚の運動タイミングを予測し的確な機能的電気刺激を患脚に与えることにより、装具を患脚に装着することなく軽量な部品を脚に取り付けるだけで順調な歩行を可能とする、患者にとって使い心地の良い、安価で軽量な使い易い機能的電気刺激歩行補助装置を提供することを目的とした。また、機能的電気刺激によって麻痺している足の筋肉を運動させることにより、麻痺している足の機能回復を目指す歩行治療器、リハビリ装置としての側面も期待される。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のうち第1の実施態様の発明は、図1及び図2を例示として参照し、患者の一方の足に装着されその脚が接地され立脚期にあることを検出する立脚期センサー10と、前記立脚期センサー10からの信号に基づき患者の歩行周期を測定し記憶する歩行周期記憶手段23と、機能的電気刺激信号の基本包絡線パターンを予め記憶する基本包絡線パターン記憶手段24と、前記記憶された基本包絡線パターンを前記記憶された歩行周期により変形し前記立脚期センサー10からの信号に同期して出力包絡線パターンを出力する出力包絡線パターン出力手段25と、前記出力包絡線パターンに従って機能的電気刺激パルスを出力する機能的電気刺激パルス発生回路30と、前記機能的電気刺激パルス電圧を麻痺した患脚の伸筋の神経に与える機能的電気刺激電極33、34と、を備えることを特徴とする。
【0008】
ここで、立脚期センサー10は、たとえば患者が履く靴の中敷き16や靴底に設けた圧力スイッチ11を用いたものでも良く、歪みゲージ等の圧力センサーを用いたものでも良い。また、傾斜センサーにより一方の脚に履く靴の傾斜を検出することにより立脚期を検出するようにしても良い。また、歩行周期記憶手段23、基本包絡線パターン記憶手段24、出力包絡線パターン出力手段25はメモリを含むマイクロコンピュータ22を用いたソフトウエアの手段として実現可能である。従って極く軽量のものとして実現できる。また、これらをハードウエアの電子回路として実現することも可能である。図2に示す様に、各手段23〜25と機能的電気刺激(FES)パルス発生回路30はやりとりする情報量が多いので、一体として患脚に装着されることが好ましい。健脚に装着されることが望ましい圧力スイッチ11、送信機12、アンテナ13等からなる検出器(立脚期センサー)10と、患脚に装着される受信機21、CPU22、各手段23〜26、機能的電気刺激パルス発生回路30等からなる歩行補助装置本体(治療器本体)20とは無線回線(アンテナ13、41)にて接続されることが好ましい。しかし、有線回線で接続することも可能であり、いずれも本発明の範囲に含まれるものである。機能的電気刺激電極33、34は下腿の伸筋群を刺激するように下腿前面の上部の皮膚に密着固定される。
【0009】
このように形成すると、本発明装置を装着した患者が歩行を開始すると、健脚側の下肢が立脚期になる(接地する)たびに立脚期センサー10から信号が送出される。その信号の立ち上がりの間隔時間を測定し歩行周期記憶手段23に記憶する。したがって、歩行周期記憶手段23には患者の一方の脚の実際の歩行周期が記憶されることになる。一方、基本包絡線パターン記憶手段24には予め機能的電気刺激パルスの基本包絡線パターンを予め記憶してしておく。この基本包絡線パターンは、出力包絡線パターン出力手段25によって歩行周期に従って変形され患者にもっとも適した出力包絡線パターンとして出力される。
【0010】
ここで、「歩行周期に従って変形され」とは、基本包絡線パターンを歩行周期時間に従って時間軸のみを伸縮させたり、歩行周期時間に従ってパターン波形を相似形に伸縮し最高電圧のみ飽和するように変形させたりすることをいう。そして、出力包絡線パターン出力手段25から出力包絡線パターンが、立脚期センサー11からの信号の立ち上がりに同期して、機能的電気刺激パルス発生回路30に出力される。そして、機能的電気刺激パルス発生回路30により、その包絡線パターンに従った機能的電気刺激パルスが出力され、機能的電気刺激電極33、34を経由して患者の患脚に機能的電気刺激パルスが印加される。
【0011】
このため、立脚期センサー10を装着した脚の歩行パターンから予測される最も適したタイミングに、最も適した出力包絡線パターンの機能的電気刺激パルスが患脚に与えられる。そして、患脚が遊脚になろうとするとき、その予測された遊脚期の所定のタイミングに、機能的電気刺激パルスにより下腿の伸筋が収縮し足が背屈する。このため、患者の歩行時に患脚のつま先が床面に干渉し歩行の妨げとなることがない。
【0012】
上記のように、本発明は、一方の脚の動きから患脚のあるべき動作を予測し患脚に機能的電気刺激パルスを与えるものであるから、時には患脚が動き出す前から機能的電気刺激パルスを患脚に与えることも可能であり、最適のタイミングで必要な時間だけ患脚に機能的電気刺激パルスを与え足を背屈させることができるという効果がある。このため患者に不快感を与えるおそれが少ない。また、足を固定する装具を必要としないので患者の負担が軽いという効果がある。さらに、機能的電気刺激パルスにより下腿の筋肉を収縮させるのでリハビリ作用が見込まれ治療効果が期待できるという効果がある。
【0013】
ここで、第2の実施態様の発明のように、前記立脚期センサー10が装着される足が、患者の健康な方の脚(健脚)とされていることを特徴とすることができる。このように構成すると、患脚の動きにより患脚に機能的電気刺激パルスを与えるのではなく、健脚の動きにより患脚の動きを予測して患脚に機能的電気刺激パルスを与えることができる。健脚は患脚に比べてより正確な周期性を持った運動をすることから、機能的電気刺激パルスを患脚に与えるタイミングをより適正なものにできるという効果がある。
【0014】
ここで、第3の実施態様の発明のように、前記歩行周期記憶手段23が、歩行周期が所定上限時間より長い場合または所定下限時間より短い場合はその歩行周期を記憶しない機能を備えていることを特徴とすることができる。このように構成すると、患者が立ち止まって休憩した場合など見かけ上の歩行周期が所定上限時間より長くなった時に、その誤った歩行周期を記憶しないので、その誤った歩行周期で作動してしまわない。また、患者が健脚を貧乏揺すり等をして、あるいは立脚期センサー10のチャタリングにより、極端に短い周期の歩行周期が観測され、見かけ上の歩行周期が所定下限時間より短くなった時に、その誤った歩行周期を記憶しないので、その誤った歩行周期で作動してしまわない。このように、そのような歩行に直接関係しないノイズ情報をキャンセルして、患者の実際の歩行運動に即した歩行周期に基づき機能的電気刺激パルスを与えることができるという効果がある。
【0015】
ここで、第4の実施態様の発明のように、前記基本包絡線パターン記憶手段24が、記憶すべき基本包絡線パターンを着脱可能な外部のコンピュータ50から設定変更することができる基本包絡線パターン設定手段を備えることを特徴とすることができる。このように構成すると、基本包絡線パターンを個々の患者の個性、歩行習癖に良く合致したものに設定できるという効果がある。また、実際に装置を試用した後、患者が感じた不具合箇所を補正することも容易であるという効果がある。
【0016】
ここで、第5の実施態様の発明のように、前記出力包絡線パターン出力手段25が、予め記憶された基本包絡線パターンを前記歩行周期記憶手段23に記憶された歩行周期に従って時間的に伸縮して出力包絡線パターンとする手段であることを特徴とすることができる。このように構成すると、容易に患者の歩行状態に応じた出力包絡線パターンを得ることができる。また、出力包絡線パターン出力手段25の中の基本包絡線パターンを変形する手段が時間軸を伸縮するのみであるから処理が簡易であり装置のコストが安価になるという効果がある。
【0017】
ここで、第6の実施態様の発明のように、前記立脚期センサー10が、一体にモジュール化されて靴15の中敷き16の中に埋設されて組み込まれており、その信号を無線により出力するものであることを特徴とすることができる。このように構成すると、圧力スイッチ11、送信機12等からなる検出器(立脚期センサー)10が靴15の中敷き16に完全に埋め込まれる。この中敷き16は、無線13でワイヤレスのためコード等の付属物一切なく中敷き16の外観は普通のものと何ら変わらない。このため、機能的電気刺激をつける脚の反対脚(健脚)に着けても何ら不都合がない。また、靴15からの脱着も自由であり、検出器(立脚期センサー)10の脱着、靴15の交換が極めて容易であるという効果がある。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施の形態について図面を参照し説明する。
図1は、本発明に係る機能的電気刺激歩行補助装置の概要を示すブロック図である。装置は、健脚に装着される検出器(立脚期センサー)10と、患脚に装着する歩行補助装置本体(治療器本体)20と、患者の歩行時には取り外すコンピュータ(PC)50とを主な要素とする。検出器(立脚期センサー)10は、所定圧で作動する圧力スイッチ11と、その信号を無線信号として送信する送信機12と、アンテナ13と電池14とからなる。この無線信号の到達距離は高々1mも有れば充分なので極く微弱な電波でよく、検出器(立脚期センサー)10を構成する部材11、12、13、14は幅10mm長さ20mm厚さ3mmほどの薄板状の検出器(立脚期センサー)10としてモジュール化される。
【0019】
モジュール化された検出器(立脚期センサー)10は、靴15の中敷き16内に埋め込まれる。この中敷き16は、無線でワイヤレスのためコード等の付属物一切なく中敷き16の外観は普通のものと何ら変わらない。このため、靴からの脱着も自由であり、靴15の交換が容易である。また、検出器(立脚期センサー)10は、圧力スイッチ11に荷重が掛かった時に1パルス出力するように、あるいは圧力スイッチ11への荷重がなくなった時に1パルス出力するように設計されており、その選択は付属のスライドスイッチで行う。従って、健脚側の踵接地を検出するときは圧力スイッチ11に荷重が掛かった時にパルス出力するようにして用いれば良く、患脚の離床を検出するときは圧力スイッチ11の荷重がなくなった時にパルス出力するようにして用いればよい(この場合は患脚の遊脚期センサーとして働く)。つまり、本歩行補助装置は検出器10を健脚側、患脚側どちらに装着しても制御可能である。
【0020】
このように、本発明は検出器(立脚期センサー)10を健脚側の足に装着するものと、患脚側の足に装着するものとの両者を含むものであるが、実際には健脚側の足に装着するのが望ましい。健脚の方がよりリズミカルに運動し、検出器(立脚期センサー)10が示す患者の歩行周期もより正確な周期性を持った信号を得られるからである。
【0021】
図2は、機能的電気刺激歩行補助装置の機能を示すブロック図である。歩行補助装置本体(治療器本体)20は、検出器(立脚期センサー)10からの無線信号を受信するアンテナ41、復調する受信機21、CPU22及びメモリ(ROM、RAM)等からなる周知のマイクロコンピュータ、機能的電気刺激(FES)パルス発生回路30、から構成される。前に述べた各手段、つまり、歩行周期記憶手段23、基本包絡線パターン記憶手段24、出力包絡線パターン出力手段25、周波数可変手段26、はマイクロコンピュータ(CPU22等)での処理手順として実現される。歩行補助装置本体(治療器本体)20は30mm×50mm×20mm程度の患者の下腿の形状に合わせたプラスチック筐体に収容される。また、筐体には機能的電気刺激パルスの電圧調整ボリューム31が取り付けられ、機能的電気刺激パルスのパルス電圧を外部から調整できるようになっている。電圧調整ボリューム31は歩行補助装置本体(治療器本体)20の電源スイッチを併用している。さらに、筐体にはテストボタン32が取り付けられ、テストボタン32を押している間は機能的電気刺激パルス発生回路30から機能的電気刺激パルスが機能的電気刺激電極33、34に出力されるようになっている。この2つの機能的電気刺激電極33、34は、筐体つまり歩行補助装置(治療器本体)20の裏面に露出するように設けられ、機能的電気刺激電極33、34が直接患者の皮膚に貼り付けられた粘着ゲルパッド付き皮膚表面電極81、82に直接接触できるようになっている。
【0022】
歩行補助装置本体(治療器本体)20には、電源40から電圧電流が供給される。電源40としては充電可能なNiH電池が使用され、単4型の電池が4本ホルダーに収容されて電源40を構成している。また、歩行補助装置本体(治療器本体)20の内部には、外部のコンピュータ(PC)50と接続するための通信インターフェース回路42が内蔵されている。外部コンピュータ50と歩行補助装置本体(治療器本体)20とは、通信用信号レベル変換器51及び接続ケーブル52を介して接続される。外部コンピュータ50は歩行補助装置本体(治療器本体)20のマイクロコンピュータ(CPU22等)とデータをやりとりし、各種の設定をしたり、その設定の変更をしたりする。患者が実際に歩行する際には、外部コンピュータ50、通信用信号レベル変換器51及び接続ケーブル52は歩行補助装置本体(治療器本体)20から取り外される。
【0023】
図3は、下腿を前面観で示し、下腿伸筋群および腓骨筋群を示した透視図である。大腿骨61は膝関節62を介して脛骨63に連結する。脛骨63と腓骨64は下腿骨間膜65でつながれている。脛骨63遠位端は腓骨64遠位端とともに足根骨66と足関節67を構成する。前脛骨筋71は脛骨63外側から起始し、足底部72に停止する。長腓骨筋73および短腓骨筋74は腓骨64外側から起始し、足底部72に停止する。これらの伸筋群71、73、74は深腓骨神経と浅腓骨神経とに支配される。深腓骨神経と浅腓骨神経は膝関節62近傍の前面において総腓骨神経として一体になる。各伸筋群71、73、74の足関節67近傍は下腓骨筋支帯75、下伸筋支帯76、上伸筋支帯77により支持される。したがって、深腓骨神経、浅腓骨神経、または総腓骨神経を機能的電気刺激パルスで刺激することにより前脛骨筋71、長腓骨筋73、短腓骨筋74等の各伸筋群を収縮させ、足を背屈させることができる。
【0024】
以上の構成に基づき、本発明に係る機能的電気刺激歩行補助装置の作動及び使用方法について説明する。
図4は、粘着ゲルパッド付き皮膚表面電極81、82を患脚に付着させた状態を示す斜視図である。患脚はたとえば右脚とする。右脚の下腿上部前面外側の総腓骨神経が走る付近の皮膚に、2つの粘着ゲルパッド付き皮膚表面電極81、82が付着させられる。患者の患脚にも健脚とのバランスをとるため、普通の右靴17が履かされる。
【0025】
図5は、歩行補助装置本体(治療器本体)20を患脚に装着した状態を示す斜視図である。健脚用の左靴15及び左中敷き16も描いている。布またはゴムでできた帯80に歩行補助装置本体(治療器本体)20が固定されている。歩行補助装置本体(治療器本体)20を患脚の下腿に当接させ、歩行補助装置本体(治療器本体)20裏面の金属あるいは導電性ゴムでできた機能的電気刺激電極33、34が、患脚に付着させた粘着ゲルパッド付き皮膚表面電極81、82に密着するようにする。そして、この帯80を患脚に巻き、マジックテープ(商標名)でほどけないように固定装着する。患脚に装着される歩行補助装置本体(治療器本体)20、帯80等は軽量で患者の負担にはならない。一方、健脚である左足に履く左靴15の左中敷き16には、所定圧で作動する圧力スイッチ11、送信機12、アンテナ13及び電池14からなる検出器(立脚期センサー)10が埋め込まれている。検出器(立脚期センサー)10は左足(健脚)の踵に圧力が掛かったときに無線信号を歩行補助装置本体(治療器本体)20に送出する。
【0026】
図5の状態で、電圧調整ボリューム31を少し回すと歩行補助装置本体(治療器本体)20の電源が入り、機能的電気刺激パルス電圧が出力できる状態になる。そして、テストボタン32を押すと、テストボタン32を押している間だけ機能的電気刺激パルス電圧が出力され、下腿の伸筋群が刺激される。したがって、その間に電圧調整ボリューム31を患者が自ら調整し、適切な機能的電気刺激パルス電圧とする。
【0027】
図6は、コンピュータ(PC)50のデスプレイ表示画面を示す画面図である。図6(A)は、歩行周期の検出限界を設定する画面である。ここで設定された範囲以外の歩行周期が検出されても、それは実際の歩行によるものでは無いとして排除し歩行周期として記憶しないものとしている。検出限界として、所定下限時間91及び所定上限時間92を設定する。所定下限時間91を設定するテキストボックスでは0.3秒〜3.0秒の範囲が設定可能である。設定しようとするテキストボックスをダブルクリックし、数値をキーボードから入力し、エンターキーを押すことにより数値が設定又は更新される。図の例では1秒に設定している。所定上限時間92を設定するテキストボックスでは0.8秒〜6.0秒の範囲が設定可能である。図の例では2.5秒に設定している。従って、この設定では、健脚の検出器(立脚期センサー)10で検出された歩行周期が1秒から2.5秒の間にあるものだけが歩行補助装置本体20内で健脚の歩行周期として認識される。
【0028】
図6(B)は、基本包絡線パターン及び機能的電気刺激パルスの周波数を設定する画面である。機能的電気刺激パルスの周波数93は20Hz〜80Hzの範囲が設定可能である。図の例では40Hzに設定している。基本包絡線パターンは、健脚の検出器(立脚期センサー)10からの信号の立ち上がりエッジからの時間で設定する。時間は一つ前の歩行周期時間の%で設定する。検出器(立脚期センサー)10信号の立ち上がりエッジから機能的電気刺激パルスが出始める迄の遅れ時間94は図の例では5%に設定している。機能的電気刺激パルス電圧が最大値になる迄の立ち上がり時間95は図の例では10%に設定している。パルス電圧が最大値で持続する刺激幅時間96は図の例では35%に設定している。機能的電気刺激パルス電圧が0Vに落ちるまでの立ち下がり時間97は図の例では10%に設定している。設定が終われば、外部コンピュータ50、通信用信号レベル変換器51及び接続ケーブル52は外部コンピュータ50、通信用信号レベル変換器51及び接続ケーブル52は歩行補助装置本体(治療器本体)20から取り外され、歩行補助装置本体(治療器本体)20のみが患脚に残される。
【0029】
このようにして、コンピュータ50から設定したパルス周波数と基本包絡線パターンに従い、健脚に取り付けた検出器10からの健脚立脚期の信号に基づき、一つ前の健脚の歩行周期に合わせて適当なタイミングに一山の機能的電気刺激パルス電圧が患脚の伸筋を支配する神経に与えられる。これにより、患脚の足は遊脚期に一度背屈する。以上述べた実施の形態では、患脚の遊脚期に合わせて一度だけ足を背屈させるようにしたが、基本包絡線パターンを2山あるものとし、患脚の遊脚期に2度背屈するように機能的電気刺激を与えるものとしても良いことは、当業者に明らかなことである。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、一方の脚の運動から患脚の運動タイミングを予測し的確な機能的電気刺激を患脚に与えることにより、装具を患脚に装着することなく軽量な部品を脚に取り付けるだけで順調な歩行を可能とする、患者にとって使い心地の良い、安価で軽量な使い易い機能的電気刺激歩行補助装置を提供することができるという優れた効果がある。また、機能的電気刺激によって麻痺している足の筋肉を運動させることにより、麻痺している足の機能回復を目指すことができるという治療の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る機能的電気刺激歩行補助装置の概要を示すブロック図である。
【図2】本発明に係る機能的電気刺激歩行補助装置の機能を示すブロック図である。
【図3】下腿を前面観で示し、下腿伸筋群および腓骨筋群を示した透視図である。
【図4】粘着ゲルパッド付き皮膚表面電極を患脚に付着させた状態を示す斜視図である。
【図5】歩行補助装置本体(治療器本体)を患脚に装着した状態を示す斜視図である。
【図6】コンピュータ(PC)のデスプレイ表示画面を示す画面図である。
【図7】従来の下腿装具を示す斜視図である。
【符号の説明】
10 検出器(立脚期センサー)
11 圧力スイッチ
12 送信機
20 歩行補助装置本体(治療器本体)
21 受信機
22 CPU
23 歩行周期記憶手段
24 基本包絡線パターン記憶手段
25 出力包絡線パターン出力手段
26 パルス周波数可変手段
30 機能的電気刺激パルス発生回路
31 電圧調整ボリューム
32 テストボタン
33 機能的電気刺激電極
34 機能的電気刺激電極
50 コンピュータ(PC)
81 粘着ゲルパッド付き皮膚表面電極
82 粘着ゲルパッド付き皮膚表面電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a walking assist device suitable for being worn on a patient with one lower limb paralyzed, and more particularly, to a walking assist device and a therapeutic device using functional electrical stimulation (Functional Electric Stimulation).
[0002]
[Prior art]
Strokes, spinal cord injuries, and other disorders cause one leg, especially a patient with paralyzed legs, to bend down when trying to walk (drops and varus varus), causing the affected leg to move during the swing phase. Sometimes the toes of the affected legs interfere with the ground and cannot walk well. For this reason, conventionally, as shown in FIG. 7, it has been common practice to attach a brace to a patient and fix the ankle joint of the affected leg. However, attaching the orthosis is not always comfortable for the patient, and fixing the foot with the orthosis does not perform any flexion and extension movements of the foot, resulting in atrophy of the muscle that flexes and extends the foot. Therefore, no effect was expected for treatment and rehabilitation of paralyzed feet. Therefore, it is conceivable to use functional electrical stimulation.
[0003]
Many inventions have been proposed for assistive devices using functional electrical stimulation. For example, Japanese Patent Application Publication No. 2002-510224 discloses that, as shown in FIG. 1B, a host computer (12) stores a series of functional electrical stimulation patterns in a data file, reads out the patterns as appropriate, and reads out the data as needed. A method has been proposed in which an electrode (18) attached to the lower limb is excited in accordance with a stimulation pattern via (14). In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200104, as shown in FIG. 2, an ankle joint orthosis (1) is used in combination, and a surface electrode for stimulating the common peroneal nerve below the knee joint is provided above the ankle joint orthosis (1). (2) is arranged. A heel contact sensor (15) and a railroad crossing detection sensor (16) attached to the ankle orthosis (1) distinguish between a standing leg and a free leg of the affected leg. Then, during the swinging leg, functional electrical stimulation is applied to the common peroneal nerve to dorsiflex the legs and prevent the toes from getting stuck on the floor or the like and tripping. Further, as shown in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-38216, in a device to which functional electrical stimulation is applied, a microphone (6) as a command unit and a computer (9) as a control unit are wireless. (7a), in which a computer (9) and a functional electrical stimulation circuit (16) are connected wirelessly (12, 13). That is, it is known that a wireless circuit is used to lighten a part to be worn on a patient and reduce a burden.
[0004]
[Patent Document 1] Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-510224, FIG. 1B,
[Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200104, FIG. 2, FIG. 4, paragraph number 0022, paragraph number 0023.
[Patent Document 3] JP-A-9-38216, FIG. 1, paragraph number 0013, paragraph number 0018.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the device described in Patent Document 1 is intended to generate a complicated and precise functional electrical stimulation signal by a host computer to move the upper limb and the lower limb, and the device becomes complicated and expensive. There is a problem. The lower limbs perform relatively regular exercise compared to the upper limbs that require complex movements, especially when used only for walking aid in patients with one of the lower limbs who is healthy and only one leg is paralyzed. If so, a lighter and cheaper walking assist device could be expected. The device disclosed in Patent Document 2 uses an ankle orthosis and auxiliary functional electrical stimulation. For this reason, there is a problem that the user is not released from the trouble of wearing the ankle joint orthosis. In addition, the method of applying functional electrical stimulation during the swing phase of the affected leg is simple, as stimulation is performed throughout the swing phase of the affected leg detected by the movement of the affected leg, so that the movement of the affected leg is not affected. Functional electrical stimulation can be uncomfortable for the patient, which may be contrary to the patient's will. The one described in Patent Document 3 is described only to show that it is known to use a wireless line.
[0006]
Therefore, the present invention is considered to be applied to a patient in which one leg is healthy and one leg is paralyzed. In normal walking, first, one heel touches the ground, and then the other heel takes off and enters the swing phase. Therefore, in order to apply functional electrical stimulation during the swinging period of the affected leg, it is only necessary to detect the take-off of the affected leg or to detect the grounding of the healthy leg.
Therefore, by predicting the movement timing of the affected leg from the exercise of the healthy leg and giving accurate functional electrical stimulation to the affected leg, a smooth walk can be performed simply by attaching lightweight parts to the affected leg without attaching a brace to the affected leg. It is an object of the present invention to provide a functional electric stimulation walking assist device which enables, is inexpensive, lightweight and easy to use, is comfortable for a patient, and is easy to use. In addition, it is also expected to be used as a walking treatment device or a rehabilitation device that aims to restore the function of a paralyzed foot by exercising the muscles of the paralyzed foot by functional electrical stimulation.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of the first embodiment of the present invention refers to FIGS. 1 and 2 as an example. , A walking
[0008]
Here, the standing-
[0009]
With this configuration, when the patient wearing the device of the present invention starts walking, a signal is sent from the
[0010]
Here, "deformed according to the walking cycle" means that the basic envelope pattern is expanded or contracted only in the time axis according to the walking cycle time, or the pattern waveform is expanded or contracted in a similar manner according to the walking cycle time so that only the highest voltage is saturated. Or letting them do that. Then, the output envelope pattern is output from the output envelope
[0011]
Therefore, at the most suitable timing predicted from the walking pattern of the leg on which the
[0012]
As described above, since the present invention predicts the desired movement of the affected leg from the movement of one leg and gives a functional electrical stimulation pulse to the affected leg, sometimes the functional electrical stimulation is performed before the affected leg starts to move. It is also possible to apply a pulse to the affected leg, and there is an effect that a functional electrical stimulation pulse is applied to the affected leg for the required time at an optimal timing, and the leg can be flexed. Therefore, the patient is less likely to be uncomfortable. In addition, since there is no need for a brace for fixing the foot, there is an effect that the burden on the patient is light. Furthermore, since the muscles of the lower leg are contracted by the functional electrical stimulation pulse, a rehabilitation effect is expected and a therapeutic effect can be expected.
[0013]
Here, as in the invention of the second embodiment, the foot to which the
[0014]
Here, as in the invention of the third embodiment, the walking cycle storage means 23 has a function of not storing the walking cycle when the walking cycle is longer than a predetermined upper limit time or shorter than a predetermined lower limit time. It can be characterized. With this configuration, when the apparent walking cycle becomes longer than the predetermined upper limit time, such as when the patient stops and takes a break, the false walking cycle is not stored, so that the apparatus does not operate with the wrong walking cycle. . In addition, when the patient poorly shakes the healthy leg, or by chattering of the
[0015]
Here, as in the invention of the fourth embodiment, the basic envelope pattern storage means 24 can change the basic envelope pattern to be stored from a detachable
[0016]
Here, as in the invention of the fifth embodiment, the output envelope pattern output means 25 temporally expands and contracts the basic envelope pattern stored in advance in accordance with the walking cycle stored in the walking cycle storage means 23. Then, the output envelope pattern can be obtained. With this configuration, it is possible to easily obtain an output envelope pattern corresponding to the walking state of the patient. Further, since the means for deforming the basic envelope pattern in the output envelope pattern output means 25 merely expands or contracts the time axis, the processing is simple and the cost of the apparatus is low.
[0017]
Here, as in the invention of the sixth embodiment, the
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a functional electric stimulation walking assist device according to the present invention. The main components of the device are a detector (standing phase sensor) 10 mounted on a healthy leg, a walking assist device main body (therapeutic device main body) 20 mounted on an affected leg, and a computer (PC) 50 which is removed when the patient walks. And The detector (a stance phase sensor) 10 includes a
[0019]
The modularized detector (stance sensor) 10 is embedded in an
[0020]
As described above, the present invention includes both the detector attached to the foot on the healthy leg side and the detector attached to the foot on the affected leg side. It is desirable to attach it to This is because the healthy leg exercises more rhythmically, and a signal having a more accurate periodicity can be obtained for the patient's walking cycle indicated by the detector (standing phase sensor) 10.
[0021]
FIG. 2 is a block diagram showing functions of the functional electric stimulation walking assist device. The walking assist device main body (the therapeutic device main body) 20 is a well-known micro-compact comprising an
[0022]
A voltage / current is supplied from a
[0023]
FIG. 3 is a perspective view showing the lower leg in a front view, and showing the extensor leg muscle group and the peroneal muscle group. The
[0024]
Based on the above configuration, the operation and use of the functional electric stimulation walking assist device according to the present invention will be described.
FIG. 4 is a perspective view showing a state where the
[0025]
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the walking assist device main body (the therapeutic device main body) 20 is attached to the affected leg. The
[0026]
In the state of FIG. 5, when the
[0027]
FIG. 6 is a screen diagram showing a display screen of the computer (PC) 50. FIG. 6A is a screen for setting the detection limit of the walking cycle. Even if a walking cycle other than the range set here is detected, it is assumed that it is not due to actual walking, and is excluded from storage as a walking cycle. As the detection limit, a predetermined
[0028]
FIG. 6B is a screen for setting the basic envelope pattern and the frequency of the functional electrical stimulation pulse. The
[0029]
In this manner, according to the pulse frequency and the basic envelope pattern set by the
[0030]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a lightweight component without attaching a brace to the affected leg by predicting the movement timing of the affected leg from the exercise of one leg and applying accurate functional electrical stimulation to the affected leg. There is an excellent effect that it is possible to provide an inexpensive, lightweight, and easy-to-use functional electric stimulation walking assist device that is comfortable to use for a patient, that is inexpensive, easy to use, and that enables smooth walking simply by attaching the device to a leg. In addition, by exercising the muscles of the paralyzed leg by the functional electrical stimulation, it is possible to achieve the therapeutic effect that the function of the paralyzed leg can be restored.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a functional electric stimulation walking assist device according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing functions of a functional electric stimulation walking assist device according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing the lower leg in a front view and showing the extensor leg muscle group and the peroneal muscle group.
FIG. 4 is a perspective view showing a state where a skin surface electrode with an adhesive gel pad is attached to an affected leg.
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the main body of the walking assist device (the main body of the treatment device) is attached to the affected leg.
FIG. 6 is a screen diagram showing a display screen of a computer (PC).
FIG. 7 is a perspective view showing a conventional leg orthosis.
[Explanation of symbols]
10 Detector (Standing stage sensor)
11 Pressure switch
12 transmitter
20 Walking assistance device body (therapeutic device body)
21 Receiver
22 CPU
23 Walking cycle storage means
24 Basic envelope pattern storage means
25 Output envelope pattern output means
26 Pulse frequency variable means
30 Functional electrical stimulation pulse generation circuit
31 Voltage adjustment volume
32 test button
33 Functional Electrostimulation Electrode
34 Functional Electrical Stimulation Electrode
50 Computer (PC)
81 Skin surface electrode with adhesive gel pad
82 Skin surface electrode with adhesive gel pad
Claims (6)
前記立脚期センサーからの信号に基づき患者の歩行周期を測定し記憶する歩行周期記憶手段と、
機能的電気刺激信号の基本包絡線パターンを予め記憶する基本包絡線パターン記憶手段と、
前記記憶された基本包絡線パターンを前記記憶された歩行周期により変形し前記立脚期センサーからの信号に同期して出力包絡線パターンを出力する出力包絡線パターン出力手段と、
前記出力包絡線パターンに従って機能的電気刺激パルスを出力する機能的電気刺激パルス発生回路と、
前記機能的電気刺激パルス電圧を麻痺した患脚の伸筋の神経に与える機能的電気刺激電極と、
を備えることを特徴とする機能的電気刺激歩行補助装置。A stance phase sensor that is attached to one of the patient's feet and detects that the leg is grounded and in the stance phase,
Walking cycle storage means for measuring and storing the walking cycle of the patient based on the signal from the stance phase sensor,
Basic envelope pattern storage means for storing in advance a basic envelope pattern of the functional electrical stimulation signal;
Output envelope pattern output means for deforming the stored basic envelope pattern by the stored walking cycle and outputting an output envelope pattern in synchronization with a signal from the stance phase sensor;
A functional electrical stimulation pulse generation circuit that outputs a functional electrical stimulation pulse according to the output envelope pattern;
A functional electrical stimulation electrode for applying the functional electrical stimulation pulse voltage to a nerve of the extensor muscle of a paralyzed affected leg,
A functional electric stimulation walking assist device comprising:
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