JP2004000698A

JP2004000698A - 電気刺激装置

Info

Publication number: JP2004000698A
Application number: JP2003208419A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Muraoka; 村岡　慶裕
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-04-18
Also published as: JP3600862B2

Abstract

【課題】電気刺激に適する電極配置を可能にして、小型で、人の意思に忠実に従って作動する電気刺激装置を提供する。
【解決手段】電極Ｅ１，Ｅ２により検出された微弱な随意筋電は入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して計測増幅器１１に入力されて増幅され、更に、多段増幅器１２によりマイコン１３が認識できる程度まで増幅され、Ａ／Ｄ変換入力ＰＩＮからマイコン１３に取り込まれる。マイコン１３では、信号処理を行って随意筋電量を算出し、その大きさに応じた幅のパルスを出力して刺激手段１４を制御する。刺激手段１４はダイアックＤ１，Ｄ２を介して電極Ｅ１，Ｅ２に対して刺激を加え、更に、直接電極Ｅ３に対して刺激を加える。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下垂足患者の運動機能補助又は運動機能回復などのために好適な電気刺激装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脳血管障害による片麻痺の後遺症に、下垂足と呼ばれるものがある。下垂足患者においては、足関節の背屈筋群の弛緩、底屈筋群の亢進により、足関節の背屈が困難になっている。そのため歩行遊脚時に、健常者では背屈筋群の収縮により足関節が背屈しスムーズに脚が振り出されているのに対し、下垂足患者では、足関節が背屈せず爪先が接地してしまう。この「引きずり歩行」のために患者の歩行は困難なものになっている。
【０００３】
図８は、従来検討されている電気刺激装置の構成を示す図である。電極Ｅ２１，Ｅ２２は筋活動を拾いたい筋肉の筋腹に、電極Ｅ２３は、任意の位置に配置される。患者でも筋肉を動かそうとすると微小な随意筋電が出るので、電極Ｅ２１，Ｅ２２はその随意筋電を検出するためのものである。電極Ｅ２３をグランド電極として、電極Ｅ２１，Ｅ２２で検出された目的となる筋肉の随意筋電信号は、入力保護抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を介して計測増幅器６１に入力される。また、計測増幅器６１が飽和しないようにダイオードＤ１１，Ｄ１２により約±０．５Ｖにリミットされる。その後、帯域３００−４５０Ｈｚを有する数段の多段増幅器６２によりマイコン６３により認識できる程度の大きさまで増幅され、マイコン６３のＡ／Ｄ変換入力ＰＩＮから、サンプリング周波数１ＫＨｚにより取り込まれる。マイコン６３は、随意筋電の振幅に比例した幅のパルスを出力して刺激手段６４を制御する。刺激パルスは、双極性パルスで、陽極パルスと陰極パルスは、パルス幅、振幅は同一である。刺激パルス振幅は約１００Ｖであり、パルス幅は５０μｓ−１ｍｓの間で調整され、その幅が大きくなるほど、強い刺激となる。刺激パルス周期は５０ｍｓであり、パルスが印加されるタイミングでフォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ２はオンとなり、刺激パルスを電極Ｅ２１，Ｅ２２に導通する。刺激パルスが印加されていない時はフォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ２はオフとなり、刺激手段６４側からのノイズの混入を防ぐと同時に、電極Ｅ２１，Ｅ２２の電極間の短絡を防ぐ役目を果たしている。また、フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ２はマイコン６３によりオンーオフのタイミングを制御される。振幅１００Ｖと、アイソレーションを同時に実現する手段として刺激手段６４としてはトランスが適する。しかし、チャージポンプ昇圧回路によるＨブリッジ回路などとすることも可能である。その際には、トランジスタの部分にフォトトランジスタやフォトモスリレーを用いるとアイソレーションされて良い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来技術では、以下の問題点があった。
（１）．随意筋電を検出するためには１対の電極両方を筋腹上に配置することが望ましいが、電極の片方は電気刺激の効率を考え神経上に配置しなければならない。このため、本来数ｃｍ以上は離してはいけないはずの随意筋電を検出する電極間の距離が離れてしまい、目的とする筋肉だけでなく不随意活動の大きい他の筋肉からの随意筋電を検出してしまう。
（２）．フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ２の存在、それらを制御するための配線及び制御回路の存在のために装置が大型になってしまい、日常的に装着するには適さない。
（３）．刺激手段６４による刺激に起因するＭ波（ある運動神経に対し電気刺激を加えると、神経上にインパルスが発生し、それが神経を下降して筋肉に達し、筋肉を収縮させる時に誘発される筋電位）とアーチファクトが発生し、これらを検出してさらに刺激手段６４が刺激を加えることが繰り返されるために、運動を止めて本来の随意筋電が検出されなくなった後に刺激が速やかに減衰せず、刺激手段６４からの刺激が完全に止まるまでに数秒かかってしまう。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑み、電気刺激に適する電極配置を可能にして、小型で、人の意思に忠実に従って作動する電気刺激装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気刺激装置は、皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、該第１及び第２電極間の信号に基づいて刺激信号を制御する制御手段と、該制御手段により制御される信号を出力する刺激手段と、該刺激手段の出力の一方の端子と前記第１電極及び第２電極とをそれぞれ接続する２つのスイッチと、前記刺激手段の出力の他方の端子と接続され皮膚表面に配置される第３電極とを備える。
【０００７】
また、前記スイッチが、ダイアックであることで、小型軽量化され、これにより日常的に体に装着することを現実のものとした。
【０００８】
また、本発明の電気刺激装置は、皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、同じ刺激信号を２回続けて出力し、該２回の前記第１及び第２電極間の信号の差分に基づいて新たな刺激信号を制御する制御手段と、該制御手段により制御される信号を出力する刺激手段と、該刺激手段の出力端子に接続され皮膚表面に配置される第３電極及び第４電極とを備える。
【０００９】
また、前記第１乃至第４電極のいずれかが互いに兼用されていることで、電極数を減少させて小型軽量化させることができる。
【００１０】
また、本発明の電気刺激装置は、皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、同じ刺激信号を２回続けて出力し、該２回の前記第１及び第２電極間の信号の差分に基づいて新たな刺激信号を制御する制御手段と、該制御手段により制御される信号を出力する刺激手段と、該刺激手段の出力の一方の端子と前記第１電極及び第２電極とをそれぞれ接続する２つのスイッチと、前記刺激手段の出力の他方の端子と接続され皮膚表面に配置される第３電極とを備える。
【００１１】
また、前記スイッチが、ダイアックであることで、小型軽量化され、これにより日常的に体に装着することを現実のものとした。
【００１２】
また、本発明の電気刺激装置は、皮膚表面に配置される３以上の電極と、出力の一方の端子と前記電極の１つとが接続されており筋肉を刺激する信号を出力する刺激手段と、該刺激手段の出力の他方の端子と前記電極の残りの２以上とをそれぞれ順次接続する複数のリレーとを備える。
【００１３】
また、１つの前記リレーに対して２つの残りの前記電極をそれぞれ接続する２つのダイアックをさらに備えることで、小型軽量化され、これにより日常的に体に装着することを現実のものとした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。本実施の形態の電気刺激装置は、主に電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３、入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２、計測増幅器１１、多段増幅器１２、マイコン１３、刺激手段１４、ダイアックＤ１，Ｄ２から成る。電極Ｅ１，Ｅ２により検出された微弱な随意筋電は入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して計測増幅器１１に入力されて増幅され、更に、多段増幅器１２によりマイコン１３が認識できる程度まで増幅され、Ａ／Ｄ変換入力ＰＩＮからマイコン１３に取り込まれる。マイコン１３では、信号処理を行って随意筋電量を算出し、その大きさに応じた幅のパルスを出力して刺激手段１４を制御する。刺激手段１４はダイアックＤ１，Ｄ２を介して電極Ｅ１，Ｅ２に対して刺激を加え、更に、直接電極Ｅ３に対して刺激を加える。
【００１６】
電極Ｅ１，Ｅ２は、筋活動を取得すべき筋肉の筋腹の皮膚表面に配置され、患者が筋肉を動かそうとした時に発生する微弱な随意筋電を検出すると共に、刺激信号を皮膚から筋肉に与えるための電極として機能する。
【００１７】
電極Ｅ３は、刺激したい筋肉の筋腹又は神経上の皮膚表面に配置され、グランド電極として、及び、刺激信号を皮膚から筋肉又は神経に与えるための電極として機能する。
【００１８】
入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２は、刺激信号を電極Ｅ１，Ｅ２に印加する際に計測増幅器１１を保護する。
【００１９】
計測増幅器１１は、電極Ｅ１，Ｅ２が取得した随意筋電を入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して受けてその微弱な随意筋電を増幅する。
【００２０】
多段増幅器１２は、計測増幅器１１が増幅した随意筋電を受けてマイコン１３が認識できる程度まで増幅する。
【００２１】
図２は、マイコンの信号処理を説明する波形図である。初段が刺激パルス信号であり、６０ｍｓ毎に印加される刺激パルス波形２つをもって１組とし、２つの刺激波形は、同一である。したがって、刺激波形は１２０ｍｓ毎に更新される。マイコン１３の入力ではＡ／Ｄ変換入力ＰＩＮから随意筋電が取り込まれサンプリング周期１ｍｓでサンプリングされてデジタル変換される。その波形は、２段目に示すように、刺激信号及びアーチファクトにＭ波を含む筋電が重畳した信号となっている。刺激信号は６０ｍｓ周期の初めに入力され、その振幅は随意筋電と比べて極めて大きく、かつ、その後の信号処理には必要ない信号であるのでるので、振幅が所定値以上に大きくならないように２つのダイアックによりリミットされる。６０ｍｓ毎の２つの刺激波形が同一であるので、対応する６０ｍｓ毎の２つのアーチファクト及びＭ波も同一になり、それらの差分をとることでアーチファクト及びＭ波を相殺して随意筋電による成分だけを抽出することができる。ただし、６０ｍｓ周期の初めからしばらく（およそ２０ｍｓ）は不安定であるので、周期の終わり近く（下記例では１５ｍｓとしたが、より広くすることもできる）を選択して差分をとることで安定的に随意筋電による成分を抽出することができる。その際に周期を６０ｍｓ、すなわち、２０ｍｓの整数倍としているので２０ｍｓ（５０Ｈｚ）のハムノイズを除去することができる。サンプリング周期を１ｍｓ、この信号の刺激波形が更新される時点を１として、１周期目の信号をａ（１），ａ（２）・・・ａ（６０）、２周期目の信号をａ（６１），ａ（６２）・・・ａ（１２０）とすると、
ｂ（ｎ）＝ａ（ｎ）−ａ（ｎ−６０）；　１０４≦ｎ≦１１９
ｂ（ｎ）＝０；　１≦ｎ≦１０３，ｎ＝１２０
としたものが３段目の信号処理後の波形となる。ｎ＝１２０のデータを使わないのは、マイコン１４が次の刺激強度の演算を行っており、演算処理には値として反映できないためである。この信号処理により、随意筋電以外の刺激及び刺激起因のアーチファクト、周期２０ｍｓのハムノイズ、Ｍ波が除去される。その後、マイコン１３はｂ（ｎ）の最大値−最小値を算出し、その大きさに応じた幅のパルスを出力して刺激手段１４を制御する。これにより次の刺激の強度を決定する。刺激周期は、信号処理手法が同様であれば、６０ｍｓに限定されない。
【００２２】
刺激手段１４は、電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に対して刺激信号を加える。電極Ｅ１，Ｅ２に対してはダイアックＤ１，Ｄ２を介して、電極Ｅ３に対しては直接に刺激信号を加える。負電荷パルスが印加されたタイミングの電極が関電極（筋肉を収縮させるための電極）、もう一方が不関電極となり、刺激パルス振幅は約１００Ｖである。パルス幅は０−１ｍｓの間で調整できるが、実際に筋肉に刺激を加える５０μｓ−１ｍｓの間で調整され、その幅が大きくなるほど、強い刺激となる。
【００２３】
ダイアックＤ１，Ｄ２は、筋電検出時に刺激手段１４から電極Ｅ１，Ｅ２を分離し、刺激手段１４側からのノイズの混入を防ぐと同時に、電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の電極間の短絡を防ぐ役目を果たしている。つまり、ダイアックＤ１，Ｄ２端子間が降下電圧（約０．５Ｖ以上）になると端子間が導通されるが、刺激パルスの印加が終了し、降下電圧以下になると絶縁される。また、計測増幅器１１の差動入力が過大にならないようにダイアックＤ１，Ｄ２は約±１Ｖ（２つの直列のダイアック分＝２×０．５Ｖ）でリミットする。このため従来は必要とされた図８に示すダイオードＤ１１，Ｄ１２を省略することができる。
【００２４】
図９は、従来の多チャンネル型の電気刺激装置の構成を示す図である。今まで説明した回路は、グランド電極を刺激電極として兼用し、刺激出力を得たものであるが、更に、多くの刺激出力を得ることも可能である。従来の技術として、刺激パルス電圧の少ない埋め込み電極の電気刺激では、増幅器などの出力を直接刺激パルスとして使用でき、多チャンネル化が容易であったが、１００Ｖ程度の刺激パルス電圧を必要とする皮膚表面からの電気刺激では、図９に示すように、電極Ｅ３１，Ｅ３２に接続される刺激手段７１、電極Ｅ３３，Ｅ３４に接続される刺激手段７２、電極Ｅ３５，Ｅ３６に接続される刺激手段７３のように、チャンネル毎にトランスによる昇圧回路が必要であり、装置本体の大型化重量化が避けられなかった。
【００２５】
図３は、本発明の第２実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。電極Ｅ７をグランド電極として刺激手段３１にリレーＳＷａ１、ＳＷａ２、ＳＷａ３を介して電極Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６を接続する。刺激手段３１の１つのトランスの出力（２次側）を大電圧スイッチング可能なフォトモスリレーなどのリレーＳＷａ１、ＳＷａ２、ＳＷａ３で順次切り替えることにより、１つのトランスで多チャンネルの刺激出力を得ることができる。
【００２６】
図４は、第２実施の形態のリレーの切り替え方法を説明する波形図である。最初リレーＳＷａ１を３ｍｓＯＮとし、トランスからグランド電極Ｅ７と電極Ｅ４への刺激パルスを導通し、その後、リレーＳＷａ２，ＳＷａ３，・・・を順次１．５ｍｓ毎に切り替え、その間に電極Ｅ５，Ｅ６，・・・へ刺激パルスを導通する。全てのチャンネルに刺激を導通した後、全てのリレーをＯＮとし、全電極Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，・・・間を短絡させ、電極Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，・・・上に残留している電荷を放電する。
【００２７】
図５は、本発明の第３実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。電極Ｅ１５をグランド電極として刺激手段５３にリレーＳＷｂ１を介してダイアックＤ５，Ｄ６を接続し、更に、電極Ｅ１１，Ｅ１２を接続する。その電極Ｅ１１，Ｅ１２と並列に接続される入力保護抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して計測増幅器５１を接続する。同様に、リレーＳＷｂ２、ダイアックＤ７，Ｄ８、電極Ｅ１３，Ｅ１４、入力保護抵抗Ｒ７，Ｒ８、計測増幅器５２を多チャンネルに接続する。このようにまず、１つのリレーＳＷｂ１，ＳＷｂ２，・・・に複数の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，・・・を接続することで、刺激出力チャンネルを増加させることができる。さらに、リレーＳＷｂ１，ＳＷｂ２，・・・とダイアックＤ５，Ｄ６，Ｄ７・・・を併用して刺激チャンネルの出力として、今回開発した検出兼刺激回路を接続すれば、刺激出力チャンネルを増加させると同時に、筋電検出チャンネルも増加させることができる。従来の手法であれば、リレーの数が膨大となり制御が困難になることが考えられたが、ダイアックを採用したため受動的切り替えが可能となり、筋電検出部位の多チャンネル化が容易となる。
【００２８】
図６は、本発明の第４実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。本実施の形態は第２実施の形態の刺激手段としてチャージポンプ昇圧回路を用いたものである。刺激手段８１の陽極に電極Ｅ４４をグランド電極として配置する。刺激手段８１の陰極にリレーＳＷｃ１を配置し、更にそこから、リレーＳＷｃ２，ＳＷｃ３，ＳＷｃ４，ＳＷｃ５・・・を介してグランド電極Ｅ４４、電極Ｅ４１，Ｅ４２，Ｅ４３・・・を接続する。
【００２９】
図７は、第４実施の形態のリレーの切り替え方法を説明する波形図である。刺激印加時は、リレーＳＷｃ１をＯＮ、リレーＳＷｃ２をＯＦＦとした状態で、リレーＳＷｃ３，ＳＷｃ４・・・を順次所望のパルス幅で負電荷を導通する。全てのチャンネルに刺激を与えた後、リレーＳＷｃ１をＯＦＦとした状態で他のすべてのリレーＳＷｃ２，ＳＷｃ３，ＳＷｃ４，ＳＷｃ５・・・をＯＮとし、刺激陰極出力から切り離した状態で全電極Ｅ４１，Ｅ４２，Ｅ４３，Ｅ４４・・・間を短絡させ、全電極Ｅ４１，Ｅ４２，Ｅ４３，Ｅ４４・・・上に残留している電荷を放電する。
【００３０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００３１】
図１に示される第１実施の形態の構成において、ダイアックＤ１，Ｄ２はマイコン１３にそのＯＮ、ＯＦＦが制御されるリレーであっても良い。
【００３２】
本発明は下垂足患者のためのものに限られず、上肢、その他の筋肉運動補助具として用いることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の本発明によれば、少ない電極数によって目的とする筋肉の筋電を検出し、かつ、目的とする筋肉又は神経を刺激するのに適する位置に電極を配置することができる。
【００３４】
また、請求項３記載の本発明によれば、運動を止めて本来の随意筋電が検出されなくなった後に速やかに刺激を減衰させることができる。
【００３５】
また、請求項５記載の本発明によれば、少ない電極数によって目的とする筋肉の筋電を検出し、かつ、目的とする筋肉又は神経を刺激するのに適する位置に電極を配置することができ、かつ、運動を止めて本来の随意筋電が検出されなくなった後に速やかに刺激を減衰させることができる。
【００３６】
また、請求項７記載の本発明によれば、刺激信号を加えるための１つのトランス等で３以上の電極に独立に刺激信号を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。
【図２】マイコンの信号処理を説明する波形図である。
【図３】本発明の第２実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。
【図４】第２実施の形態のリレーの切り替え方法を説明する波形図である。
【図５】本発明の第３実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の第４実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。
【図７】第４実施の形態のリレーの切り替え方法を説明する波形図である。
【図８】従来検討されている電気刺激装置の構成を示す図である。
【図９】従来の多チャンネル型の電気刺激装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１，５１，５２，６１　計測増幅器
１２，６２　多段増幅器
１３，６３　マイコン
１４，３１，５３，６４，７１，７２，７３，８１　刺激手段
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８　ダイアック
Ｄ１１，Ｄ１２　ダイオード
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ７，Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ３１，Ｅ３２，Ｅ３３，Ｅ３４，Ｅ３５，Ｅ３６，Ｅ４１，Ｅ４２，Ｅ４３，Ｅ４４　電極
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１１，Ｒ１２　入力保護抵抗
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷａ１，ＳＷａ２，ＳＷａ３，ＳＷｂ１，ＳＷｂ２，ＳＷｃ１，ＳＷｃ２，ＳＷｃ３，ＳＷｃ４，ＳＷｃ５　リレー

Claims

皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、
該第１及び第２電極間の信号に基づいて刺激信号を制御する制御手段と、
該制御手段により制御される信号を出力する刺激手段と、
該刺激手段の出力の一方の端子と前記第１電極及び第２電極とをそれぞれ接続する２つのスイッチと、
前記刺激手段の出力の他方の端子と接続され皮膚表面に配置される第３電極とを備えることを特徴とする電気刺激装置。
前記スイッチが、ダイアックであることを特徴とする請求項１記載の電気刺激装置。
皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、
同じ刺激信号を２回続けて出力し、該２回の前記第１及び第２電極間の信号の差分に基づいて新たな刺激信号を制御する制御手段と、
該制御手段により制御される信号を出力する刺激手段と、
該刺激手段の出力端子に接続され皮膚表面に配置される第３電極及び第４電極と
を備えることを特徴とする電気刺激装置。
前記第１乃至第４電極のいずれかが互いに兼用されていることを特徴とする請求項３記載の電気刺激装置。
皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、
同じ刺激信号を２回続けて出力し、該２回の前記第１及び第２電極間の信号の差分に基づいて新たな刺激信号を制御する制御手段と、
該制御手段により制御される信号を出力する刺激手段と、
該刺激手段の出力の一方の端子と前記第１電極及び第２電極とをそれぞれ接続する２つのスイッチと、
前記刺激手段の出力の他方の端子と接続され皮膚表面に配置される第３電極とを備えることを特徴とする電気刺激装置。
前記スイッチが、ダイアックであることを特徴とする請求項５記載の電気刺激装置。
皮膚表面に配置される３以上の電極と、
出力の一方の端子と前記電極の１つとが接続されており筋肉を刺激する信号を出力する刺激手段と、
該刺激手段の出力の他方の端子と前記電極の残りの２以上とをそれぞれ順次接続する複数のリレーと
を備えることを特徴とする電気刺激装置。
１つの前記リレーに対して２つの残りの前記電極をそれぞれ接続する２つのダイアックをさらに備えることを特徴とする請求項７記載の電気刺激装置。