JP2004504922A - Ｆｅｓ制御システムへのインターフェイス - Google Patents

Abstract

被験者の脚を始めとする被験者（１２）の身体の一部分の動きを制御する機能的電気刺激システム（３０）。システム（３０）は、ある構成では、脚以外の被験者の身体の一部分（例えば胴）（１４）に装着可能なセンサ（６０）を備える。別の構成では、センサ（６０）は、松葉杖（２０）を始めとする歩行補助具に装着可能である。センサ（６０）は胴（１４）または歩行補助具（２０）の位置または動きの少なくとも一方を示す信号を出力する。システム（３０）は、センサ（６０）によって出力された信号を受信および処理し、センサ（６０）により決定された胴（１４）または歩行補助具（２０）の位置または動きの少なくとも一方に応じて電極（５３）で脚に電気刺激を与えるように適合された刺激装置（３５）に制御信号を出力する制御手段（３２）もさらに備える。

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、機能的電気刺激（ＦＥＳ）システムとそのようなシステムの使用方法に関する。より詳細には、本発明は、機能的電気刺激を使用している人に四肢に与えられた電気刺激を制御する手段を提供する装置および方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
医療技術の分野では、以前になんらかの意味で不具者であるとみなされた人が、そのような不具に拘わらず比較的普通の生活を送れるように支援するために、多くの進歩がなされている。そのような進歩としては、少し例を挙げると、聴覚障害者への補聴器および蝸牛インプラントの提供や、心臓に問題のある人のためのペースメーカーなどが挙げられる。しかしながら、脊髄損傷を患っている人や四肢の機能を喪失している人に対しては、その人に所望の機能を戻す１または複数の装置を提供することは、今のところ実現が困難であることがわかっている。脊髄損傷や対麻痺のような欠失を患っている人に、彼らの機能障害の脚を動きを制御する能力を提供することに関し、様々なタイプの機能的電気刺激（ＦＥＳ）システムが特定の用途を有するように思われる。
【０００３】
機能的電気刺激システムは、電気インパルスを生成するためにエレクトロニクスを使用する。その後、そのようなインパルスは、機能障害の筋肉の動きを刺激する電極により、被験者の神経か筋肉に送られる。四肢の有用で制御された動きを達成するためには、通常、いくつかの筋肉が協同して作動しなければならない。通常これは、刺激インパルスのパターンかシーケンスを伝えるようＦＥＳシステムの制御下で実行されるアルゴリズムにより達成される。
【０００４】
そのようなＦＥＳシステムの首尾良い実施の例の重要な態様は、四肢が所望の軌跡を辿るように患者の四肢を制御する制御技術の提供である。しかしながら、起立のような機能的な仕事を行なうように四肢の軌道を選択することは非常に困難である。１つの提案では、起立、着座、および歩行のようないくつかの制御型の動きについては、被験者の指で始動できるタッチパッドインターフェイスによる制御が提供される。
【０００５】
当該技術分野で周知のそのようなタッチパッドインターフェイスは、ＦＥＳシステムに被験者が直観的に得られるインターフェイスを提供せず、そのような装置の使用を可能にするのに被験者が完全に手の制御を行えることを想定している。従って、既存のＦＥＳシステムは、使用法を習得するのが比較的難しく、被験者を望ましくない様式に移動させる可能性のある一定量の機敏さを要求する。
【０００６】
本明細書に含まれる文書、動作、材料、装置、物品などについてのいかなる考察も、本発明の文脈を提供するためのものにすぎない。それらの事項のうちの任意のまたは全てのものが先行技術の基礎の一部を形成するとか、それらが本願の各請求項の優先日前の、本発明の関連分野における共通の一般知識であったとかいうことを認めるものとみなされるべきではない。
【０００７】
（発明の概要）
この明細書全体にわたって、「含む、備む、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」や、その三単現形（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ ）や現在分子形（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）のようなその変化形は、記述した要素、整数、またはステップ、もしくは複数の要素、複数の整数、または複数のステップのグループを含むものとして理解すべきであり、任意の他の要素、整数、またはステップ、もしくは複数の要素、複数の整数または複数のステップのグループを排除するものと理解すべきではない。
【０００８】
第１態様によれば、本発明は、被験者の身体の一部分の動きを制御する機能的電気刺激システムであって、
前記身体の一部分以外の被験者の身体の一部分に装着可能な、被験者の前記身体の他の一部分の位置または動きの少なくとも一方を示す信号を出力する少なくとも１つのセンサを有する測定手段と；
測定手段により出力された信号を受信および処理し、測定手段により決定された前記他の身体の一部分の位置または動きの少なくとも一方に応じて前記身体の一部分に電気刺激を与えるように適合された刺激手段に制御信号を出力する制御手段と；を備えた機能的電気刺激システムである。
【０００９】
この態様の１実施形態では、前記他の身体の一部分が被験者の胴、頭もしくは片腕または両腕から成るグループから選択される。
さらなる実施形態では、前記身体の一部分は被験者の片脚または両脚である。
本発明は、ある配置では、それぞれの腿と対麻痺の下脚との間の１または複数の所望の角度を生成するように比較的容易に使用でき、腿と下脚の実際の測定角度が所望の角度に一致するように筋肉の電気刺激により該下脚が制御される、システムを提供する。
【００１０】
好ましい実施形態では、測定手段は、所定平面に対する被験者の胴の角度を測定する。所定平面は、矢状面、前額面または水平面であり得る。１実施形態では、胴が粗体動（ｇｒｏｓｓ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を停止した時にのみ、測定手段は角度を測定する。別の実施形態では、測定手段は、胴の動きの全範囲にわたって角度を測定する。
【００１１】
別の実施形態では、測定手段は、被験者が眠っている時のような被験者が水平位にある時に被験者が回転したいことを示すものとして制御手段により決定される胴の動きを検知する。そのような胴の動きは、典型的には、胴のねじれる動きを含むだろう。
【００１２】
さらに別の実施形態では、測定手段は、被験者の下肢の一方または両方の位置に対する胴の角度を測定する。
１実施形態では、測定手段は被験者により携帯されることができる。測定手段は被験者が着用しているハーネスまたは衣類に付けて携帯され得る。別の実施形態では、測定手段は被験者の胴の回りにひもで結ばれる。別の実施形態では、測定手段またはその構成要素を被験者に埋め込むことできる。
【００１３】
好ましい実施形態では、測定手段は、制御手段に対するトランスデューサの位置または動きの少なくとも一方を示す信号を出力する１または複数のトランスデューサを備える。測定手段が下肢に対する胴の角度を測定しているところでは、トランスデューサは胴かまたは下肢の一方または両方かに装着することができる。胴または下肢の少なくとも一方に装着される２以上のトランスデューサが想定される。その場合、各トランスデューサが制御手段へ信号を出力するであろう。
【００１４】
制御手段は、１または複数のトランスデューサの出力信号を処理し、次に被験者の筋肉に電気刺激を与えるために刺激手段に信号を出力することが好ましい。制御手段は、被験者または所定プログラムにより命令された適切な強度で適切な筋肉に電気刺激を与えるアルゴリズムを実行することができる。１または複数のトランスデューサの出力信号と、刺激手段への制御手段の出力信号は、電気信号または光学信号から成り得る。
【００１５】
さらなる実施形態では、制御手段は、少なくとも１つの所定動作シーケンスを記憶可能に有する記憶装置を備え得る。測定手段から信号を受け取ると、前記少なくとも１つの所定動作シーケンスは刺激手段に供給される。所定動作シーケンスにより、被験者は立位から座位に移動したり、座位から立位に移動したり、歩行したり、またはペダルを踏む動作に脚を移動させたりすることができる。他の適切な所定動作シーケンスも想定することができる。
【００１６】
１実施形態では、制御手段は、被験者の胴が仮想水平面のようなある平面や下肢に対して特定の所定角度にあるという信号を１または複数のトランスデューサから受け取ると、信号の所定シーケンスを刺激手段に出力するように適合される。例えば、被験者が自身の胴を前方に腰から折り曲げたとき、これは、制御手段に供給される適切な信号でトランスデューサにより測定することができる。
【００１７】
１実施形態では、胴が約１０°〜約６０°の間、より好ましくは約２５°〜５０°の間、さらに好ましくは約２５°〜４５°の間の角度だけ前に曲がった時に、刺激手段への信号の所定シーケンスが制御手段によって出力され得る。
【００１８】
別の実施形態では、制御手段は、被験者の胴の位置を示す一連の所定信号を出力するように適合される。特定の一連の胴の様々な位置は、制御手段に、刺激手段への特定の一連の信号を出力させ、これが被験者の筋肉に特定の一連の刺激をひき起こす。これにより被験者は、被験者の刺激された四肢の動きの特定の望ましい一連の複数の動きに結びつく特定の一連の複数の動きを習得することができる。例えば、胴の１つの動きまたは一連の複数の動きは、片脚による１つの踏み出しまたは被験者の両脚による一連の複数の踏み出しを開始し得る。代わりに、胴の１つの動きまたは一連の複数の動きは起立動作または着座動作を開始してもよい。
【００１９】
制御手段からの信号の検知に応じて、刺激手段は電気インパルスを出力するように適合される。これらのインパルスは、刺激電極に電気接続している導線を通じて刺激装置から被験者の神経または筋肉に送られる。電極は、被験者の皮膚の表面に装着される電極、針挿入処置による侵襲が最小となるよう埋込された経皮筋内電極、または完全埋込電極であり得る。刺激手段は、特定の被験者用にどの電極が選択されても動くように適合された回路を有することが好ましい。
【００２０】
１実施形態では、刺激装置は被験者により携帯されることができる。刺激装置は被験者が着用しているハーネスまたは衣類に付けて携帯され得る。別の実施形態では、刺激装置は被験者にひもで結ばれてもよい。別の実施形態では、刺激装置またはその構成要素を被験者に埋め込むことができる。刺激装置から電極まで延びる導線は、被験者の中に完全に埋め込んでもよいし、被験者の身体の上で外部にて携帯してもよい。
【００２１】
好ましい実施形態では、被験者の下肢に電極を装着することができる。電極を上肢に装着できることや、電極を被験者の上肢と下肢の両方に装着できることも想定される。
電極を下肢に装着する場合、制御手段によって生成された信号の所定シーケンスが下肢に送られる。
【００２２】
水平面に対する所定角度に胴を曲げる実施形態では、制御手段は、そのような胴の位置の変化を検知した時に生成した信号の所定シーケンスが、患者を座位から立位に、または逆に、移動させるように、プログラムすることができる。
【００２３】
上述したように、別の実施形態では、特定の一連の胴の様々な位置は、制御手段に、刺激手段への特定の一連の信号を出力させ、これが被験者の筋肉に特定の一連の刺激をひき起こす。例えば、被験者が特定の所定姿勢にある場合、水平面に対する胴の角度は被験者の腿と各脚の下脚との間の角度を決定することができる。好ましくは、制御手段は、四肢角度の変化が被験者にとって適当であるか安全である姿勢に被験者がある場合にのみ、四肢角度を制御する胴の動きを許容する。胴が直立である場合、胴と水平面の間の角度は約９０°である。腿と下脚の間の角度が約９０°でない場合、刺激手段はその角度が達成されるまで脚の筋肉を刺激する。椅子に直立して座っている時には人の腿は通常下脚に対してほぼ直角であるため、これは被験者にとって比較的快適であるはずである。被験者が自身の胴を相対的に前方に曲げる場合、胴と水平面の間の角度は減少する。角度のこの減少により、制御手段は、下脚を好ましくは所定の程度に屈曲させる信号を出力し、被験者を起立させるように準備する位置に足を移動させる。一旦足が定位置にくると、被験者は例えば、水平面に対して自身の胴を後方に移動させることができる。この動きは、先の前方への動きに続いて制御手段により検知されれば、制御手段に、被験者が脚を十分伸ばし、被験者を座位から立位に移動させるようにすることができる。
【００２４】
胴の他の動きの検知は、制御手段に、信号の他のあらかじめプログラムされたシーケンスを出力させることができる。例えば、一旦足が所定の程度に移動されて、被験者が自分は立てる姿勢にないと思った場合に、胴をさらに前方に動かしたり他に動かしたりすることにより、制御手段に、腿に対して約９０°の位置に下脚を戻すよう下脚を刺激させ、被験者を座位のままにすることができる。
【００２５】
被験者が立位にある場合、胴の制御された動きにより被験者は座位に移動することができる。例えば、水平面に対して胴を前方に曲げると（したがって仮想水平面に対する胴の角度を減少させると）、制御手段は被験者の脚を刺激して、腿と下脚の間の角度を約１８０°から約９０°へと徐々に減少させる。９０°の位置では、脚は被験者がいすに快適に座れる姿勢にある。
【００２６】
別の実施形態では、被験者が特定の所定姿勢にある時に、下肢に対する胴または頭の少なくとも一方もしくはその両方を組み合わせた角度の変化により、被験者は１つのステップまたは複数のステップのシーケンスの制御開始を制御することができる。下肢に対する胴の位置の連続的変化は、被験者の脚による一連の交互のステップを制御することができる。好ましくは、被験者は、胴または頭の少なくとも一方の角度におけるこの連続的な変化の実行を習得することができ、したがって、それらのステップの動きを制御することができる。ここでも、好ましくは、制御手段は、ステップの開始が被験者にとって適当であるか安全である姿勢に被験者がある場合にのみ、ステップの開始を制御する胴の動きを許容する。
【００２７】
胴または頭の少なくとも一方の角度を使用するシステムは、被験者が自身の好ましい四肢角度を定義することを可能にする。これは、ＦＥＳシステムを使用して起立および着座プロセスまたは歩行を制御するよう被験者を訓練することを可能にする。これは被験者に、システムが被験者の動きを完全に制御していると感じる姿勢にあるのではなく、四肢に与えられる刺激を制御しているというより重要な意味を被験者を与える。これは機能的電気刺激システムを用いる自信という、より重要な意味（その結果、システムのより頻繁な使用につながる）を被験者に与えるものと想定される。
【００２８】
上述したように、制御手段は、被験者が回転したいことを示す様式で自身の胴をねじっているという信号をトランスデューサから受け取ると、刺激手段に信号の所定シーケンスを出力するように適合されている。この場合、刺激手段は、被験者が回転のを支援するように脚を刺激するよう適合させることができる。１実施形態では、システムは、被験者が眠っている時の回転を支援するだろう。この場合、脚への刺激が、被験者の睡眠を著しく妨害する大きさではなく回転を支援するのに十分な大きさであることが好ましい。
【００２９】
好ましい実施形態では、患者が実質的に水平面に横たわっている場合にのみ、回転を支援するための脚の刺激が制御手段により作動される。例えば、トランスデューサは、被験者の向きを決定し、その向きを示す信号を制御手段に供給することができる。そのような例として、被験者が実質的に水平ではないことを示す信号をトランスデューサが出力している場合は常に、制御手段は、回転を支援するために使用される信号シーケンスを出力しないようロックされる。
【００３０】
別の実施形態では、制御手段を、所定の回数または所定の割合で被験者の回転を引き起こす信号を刺激手段に出力するようにプログラムすることができる。例えば、制御手段を、被験者の回転を８時間の間に少なくとも２回引き起こす信号を出力するようにプログラムすることができる。これらの回転は、被験者が回転したいことを示す胴のねじりまたは動きの検知に応じて生じる回転に対する付加的なものとなり得る。１実施形態では、制御手段は、胴の動きまたはねじりに応じて行なわれる支援された回転の数をモニタし、被験者が所定の最小の期間の間に回転していない場合にのみ非自発的回転を起こし得る。例えば、制御手段は、少なくとも４時間の間回転が生じていない場合に、非自発的回転を起こすように適合される。
【００３１】
本願のシステムによって提供される回転の支援は、回転により睡眠中の圧力を軽減できない脊髄損傷した人の床擦れと睡眠障害の発生を低下させるはずである。
【００３２】
好ましい実施形態では、システムは、刺激手段によって刺激されている身体の一部分の位置または動きの少なくとも一方を測定し、その測定値を示す出力信号を制御手段に提供する、フィードバック手段を備えている。フィードバック手段は、刺激されている四肢に装着される１または複数のトランスデューサを含み得る。被験者の脚を刺激しているところでは、被験者の腿または下脚の少なくとも一方に１または複数のトランスデューサが装着され得る。別の実施形態では、トランスデューサは、脚に完全に埋め込まれ得る。
【００３３】
フィードバック手段によって提供される信号は、刺激するには不適当な位置に四肢があることを制御手段が検知した場合には、胴などの他の身体の一部分を曲げることにより被験者によって提供される命令を無効にするために使用することができる。例えば被験者を起立させるために、一旦刺激が始まると、制御手段はさらに、被験者の四肢が応答しているかを決定し、必要ならば刺激のパターンおよび位置を調節するように、フィードバック手段の出力信号を使用することもできる。このようなフィードバック手段は、システムに、被験者が直面している状況に基づいてその性能を調節する柔軟性を提供する。例えば、低いソファでの座位から立位に被験者をうまく移動させるには、直立椅子での座位から同じ結果を達成するのに必要とされるのと比較して、異なる刺激パターンが要求される可能性がある。
【００３４】
フィードバック手段によって提供される信号は、制御手段により、被験者が実質的に水平位にあるかどうかを決定する手段としても使用することができる。被験者が実質的に水平でないという信号をフィードバック手段が制御手段に出力した場合には、制御信号は、被験者が回転したいことを通常示す胴の動きを検知して回転を支援するよう刺激手段に通常出力される信号のシーケンスを出力しないよう好ましくはロックされる。
【００３５】
好ましい実施形態では、制御手段は作動手段を有する。作動手段は好ましくは、作動開始手段と作動停止手段を有する。作動開始手段と作動停止手段は、好ましくは、所望の場合に被験者が制御手段およびＦＥＳシステムをオンおよびオフにするのを可能にする。ＦＥＳシステムが完全に埋め込まれている場合に、作動開始手段と作動停止手段は身体の外から制御可能であることが好ましい。１実施形態では、作動開始手段と作動停止手段はスイッチを備え得る。制御手段が埋め込まれている場合、システムは依然として被験者の皮膚を通じて操作できることが好ましい。作動手段は、不注意な作動開始または作動停止を防止するロック手段を組み込んでいることが好ましい。
【００３６】
外部コントローラは、埋め込まれている場合には、高周波（ＲＦ）伝動装置を使用して埋め込まれたユニットと連絡することができる。
さらなる態様によれば、本発明は、被験者の身体の一部分の動きを制御する機能的電気刺激システムであって、
歩行補助具に装着可能な、システムの被験者によって操作された時の前記歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方を示す信号を出力する少なくとも１つのセンサを有する測定手段と；
測定手段によって出力された信号を受信および処理し、測定手段により決定された前記歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方に応じて前記身体の一部分へ電気刺激を提供するよう適合された刺激手段に制御信号を出力する制御手段と；を備える。
【００３７】
この態様では、被験者は、予めプログラムされた制御信号または該信号のシーケンスを刺激手段に供給する歩行補助具の一連の位置または動きの少なくとも一方を習得することができる。
【００３８】
１実施形態では、歩行補助具は松葉杖かステッキを含む。垂直に対する特定の角度での松葉杖かスティックの配置もしくは特定の様式での松葉杖かステッキの動きを、被験者が歩行できるような様式に脚の刺激を引き起こすように予めプログラムできる。好ましい実施形態では、システムは、被験者を支持するそれぞれの松葉杖に装着された少なくとも１つの測定手段に基づく。左の松葉杖の特定の動きまたは位置を、右脚の刺激を引き起こすように適合することができる。続く右の松葉杖の特定の動きまたは位置を、左脚の刺激を引き起こすように適合することができる。このように、被験者は、被験者を支持するために使用されている松葉杖の位置を交互に動かすか調節することにより、ＦＥＳシステムを使用して歩行できるようになる。代替の構成では、被験者が１つの松葉杖またはステッキに基づくことが想定される。この場合、歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方の変化により、反対側の脚が刺激される。その時、隣りの脚は、反対側の脚から１８０°位相が外れたストライドをとるように刺激される。
【００３９】
この態様では、モニタ手段、制御手段および刺激手段は、本明細書にすでに定義した等価なシステムの特徴を有し得る。
さらなる態様によれば、本発明は、歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方を示す信号を出力する少なくとも１つのセンサが装着された、機能的電気刺激システムを使用して歩行するよう支援されている被験者のための歩行補助具である。
【００４０】
この態様では、機能的電気刺激システムは、上記に定義したＦＥＳシステムの特徴を有し得る。
この態様では、歩行補助具は松葉杖を含み得る。松葉杖には、二本の直立材と、二本の直立材の間に延びる小さい水平ハンドバーとを備えた、腋下のくぼみの下にフィットする丈高松葉杖と、前腕の周囲に適合する金属カフに囲まれた１本のアルミニウム管から成り、アルミニウム管に近接配置されたハンドバーを有するロフトランド（Ｌｏｆｓｔｒａｎｄ ）松葉杖と、ロフトランド松葉杖の変形であるカナダのカナダ式肘用松葉杖が含まれる。さらに歩行補助具はステッキを含み得る。
【００４１】
歩行補助具は、センサに電力を供給する充電式電池のような内蔵電源を有してもよい。別の実施形態では、制御手段や刺激装置のようなＦＥＳシステムの構成要素を歩行補助具上にまたは歩行補助具内に装着することができる。ケーブルが、歩行補助具上にまたは歩行補助具内に装着された構成要素から１または複数のトランスデューサまたは刺激電極の少なくとも一方まで延びるように、電気コネクタを歩行補助具に組み込むこともできる。
【００４２】
さらなる態様によれば、本発明は、被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法であって、
前記身体の一部分以外の被験者の身体の一部分の位置または動きの少なくとも一方を測定するステップと；
前記信号を処理し、前記他の身体の一部分の測定された位置または動きの少なくとも一方に応じて前記身体の一部分に電気刺激を出力するステップと；から成る方法である。
【００４３】
この態様の好ましい実施形態では、方法は、被験者の脚に供給される刺激を制御するために、胴、頭、片腕または両腕、もしくはそれらの組み合せの位置または動きの少なくとも一方を使用するように適合される。特定の好ましい実施形態では、胴または頭の少なくとも一方の位置または動きの少なくとも一方が、被験者の起立動作または着座動作を開始および制御するために使用される。別の実施形態では胴または頭の少なくとも一方の動きが、被験者が実質的に水平位にある時に被験者が回転するのを許容する脚の刺激を開始するために使用される。
【００４４】
さらなる態様によれば、本発明は、被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法であって、
被験者によって操作される歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方を測定するステップと；
前記信号を処理し、前記歩行補助具の測定された位置または動きの少なくとも一方に応じて前記身体の一部分に電気刺激を出力するステップと；から成る方法である。
【００４５】
この態様の好ましい実施形態では、被験者を歩行させるべく被験者の脚に電気刺激が供給される。
以上の後者の態様の好ましい実施形態では、方法は、脚の位置または動きの少なくとも一方を測定し、被験者の胴または歩行補助具の動きに応じて生成される電気刺激を修正するために該測定値を使用するステップを含む。
【００４６】
あくまで例として、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
（発明を実施する好ましい態様）
本発明のＦＥＳシステムは、図５に符号３０として全体的に描かれている。
システムは、制御手段３２と刺激装置３５を収容するハウジング３１を有している。ハウジング３１内には、充電式電池４３の形をした電源も設けられている。図示された制御手段３２は、第１のトランスデューサ６０からハウジング３１上の電気コネクタ３３ａまで延びるケーブル４０により提供される第１の信号パス３３を通して第１のセットの信号を受け取る。トランスデューサ６０とケーブル４０は図５では概略的に描かれており、正しい縮尺ではない。トランスデューサ６０は、被験者の制御下にある被験者の身体の一部分に装着されるように適合される。例えば、対麻痺を患っている被験者の場合には、トランスデューサを被験者の胴の上部に装着することができる。
【００４７】
トランスデューサ６０により出力され、信号パス３３を介して提供される信号は、被験者によってなされた胴の動きの大きさと種類を示す。
制御手段３２はトランスデューサ６０からの入力のみに基づくこともできるが、図示した制御手段３２は、トランスデューサ６１から延びるケーブル５０によって提供される第２の信号パス３４を通じた第２のセットの出力信号も受け取る。トランスデューサ６１も、被験者の胴や、または被験者の身体の別の位置に装着することができる。図５に概略的に描いたが、ケーブル４０，５０はハウジング３１のそれぞれのトランスデューサ６０，６１およびコネクタ３３ａ，３４ａの間に延びる可撓性ケーブルであると想定され得る。トランスデューサ６１により出力され、信号パス３４を介して提供される信号も、トランスデューサ６１が装着された被験者の身体の一部分によってなされた動きの大きさと種類を示すことができる。
【００４８】
ある構成では、制御手段３２は、被験者の胴に装着されたトランスデューサ６０から第１の信号パス１３を通じて第１セットの出力信号を受け取り、被験者の脚の一方に装着されたトランスデューサ６１から第２の信号パス３４を通じて第２セットの出力信号を受け取る。図５は信号パス３３，３４の各々を通じて信号を提供する１つのトランスデューサのみを描いているが、各信号パスを通じて信号を提供するために２つ以上のトランスデューサを使用することは可能である。
【００４９】
被験者１２の胴に装着されたトランスデューサ６０は、水平面に対する胴の角度と胴の動きとを示す信号出力を提供する。被験者の脚の一方に装着されたトランスデューサ６１は、水平面に対する脚の腿の角度と脚の動きとを示す信号出力を提供する。一方の脚のみをモニタする場合、運動用自転車のペダルを回転させるように被験者が反復する様式で歩いたり自身の脚を動かしたりする機能的電気刺激を被験者が受け取っているときには、他方の脚がモニタされている脚から１８０°位相が外れた位置をとるように、制御手段３２を作動することができる。
【００５０】
図１は、図５に描かれたＦＥＳシステム３０の１実施形態の１つの使用方法を描いている。図１では、機能的電気刺激を受け取っている被験者１２の略図が描かれている。図１ａでは、被験者１２が椅子１３に座った状態で示されている。図１ｂに示されるように、被験者１２は、自身の胴１４を前方に、水平面に対して特定の角度をなす位置へと移動させることができる。胴１４に装着されたトランスデューサ６０はこの動きを検知し、これを示す信号を制御手段３２に出力する。制御手段３２は、これらの信号を受け取ると、次に刺激装置３５に適切な制御信号を出力する。刺激装置３５は被験者１２の脚１５に装着された電極５３に電気インパルスを出力する。明瞭さのために、図１にはシステム３０と電極５３は描いていない。
【００５１】
図１ｂに見ることができるように、被験者１２が自身の胴１４を前方に進めると、被験者１２の下脚は後方に移動する。胴１４の角度は、被験者１２の膝の周囲の下脚の動きの角度を制御する。
【００５２】
一旦被験者１２の足が正しい位置にくれば、被験者１２は、図１ｃに描かれるような直立の位置に自身の胴１４を戻すことができる。この動きにより、信号がさらに制御手段３２に出力される。一旦胴１４が直立位置に戻ると、制御手段３２は刺激装置３５に、刺激信号３５が脚１５に刺激インパルスのシーケンスを出力し、これにより被験者１２が立位に移動するような制御信号を出力することができる。（図１ｄと１ｅ参照）。
【００５３】
図２は、ＦＥＳシステム３０の実施形態の別の使用方法を描いている。この図では、被験者１２は先ず、椅子１３の前に立った状態で示される。被験者１２が自身の胴１４を前方へ特定の所望角度だけ（例えば３０°よりも大きい角度）移動させ、次に所定の時間の間直立位置に戻ると（図２ａ参照）、トランスデューサ６０はこの動きの組合せを検知し、制御手段３２に適当な表示信号を出力する。制御手段３２は、この信号の組合せを受け取ると、被験者１２の腿が膝に対して後方に曲がり（図２ｂ参照）その結果被験者１２が図２ｃに描かれているように椅子１３の上に戻るように移動させるような出力制御信号を、刺激装置３５に出力する。
【００５４】
図１，２は、被験者の機能障害の脚の動きを制御するために胴を調節する被験者１２により、どのようにＦＥＳシステム３０が使用されるかの例を描いている。
制御手段３２は、被験者１２によってとられた所定の胴の位置を検知すると刺激装置３５に特定の刺激信号シーケンスを出力するようにプログラムされている。このように、被験者１２は、様々な異なる胴の位置をとることにより、刺激装置３５による特定の異なる刺激パターンまたは信号シーケンスを作成することを習得することができる。
【００５５】
図１および図２には起立する動作や着座する動作を開始するための胴の向きの使用方法が描かれているが、胴の向きの変化は歩行シーケンスを開始および維持するためにも使用することができる。別の実施形態では、制御手段３２が、被験者が横たわっている時に被験者が回転したいことを示す胴のねじりの動きを観察するように適合することができる。また制御手段は、被験者１２が特定の期間の間に所定の回数回転することを保証するタイマー手段を備えることも可能である。
【００５６】
被験者１２の脚に装着されたトランスデューサ６１は、刺激装置３５による脚の電気刺激に続く制御手段３２への情報のフィードバック手段としても使用することができる。例えば、トランスデューサ６１は、与えられた刺激による期待された脚への結果を刺激装置３５が達成しているか達成していないかを、制御手段３２に通知することができる。
【００５７】
制御手段３２は、上脚および下脚（膝）の角度に対する胴の角度または向きの比較に基づいて、刺激装置３５により加えられる刺激を制御することができる。上述したように、水平面に対する検知した胴の角度は、所望の膝角度を測定された胴角度の関数とみなすことができるように、所望の膝角度に近似される。その後、制御手段３２は、実際の膝角度が所望の膝角度と胴角度の数式に基づく所望の膝角度に密接に近似することを保証するために、適切な信号を開始することができる。
【００５８】
図示された制御手段３２はマイクロプロセッサを含み、また、トランスデューサ６０によって測定された胴の動きの測定値または脚の少なくとも一方への電気刺激の供給による脚の動きの測定値を記憶するデータ記憶バッファを含んでいる。
【００５９】
図３には、本発明の歩行補助具として使用される松葉杖の１実施形態が、符号２０として全体的に描かれている。描かれた松葉杖２０は標準の丈高松葉杖であるが、本発明は同等にロフトランド松葉杖やカナダ式肘用松葉杖に依拠してもよい。
【００６０】
松葉杖２０は、腋下部分２１と、腋下部分２１から足部２３まで延びる２本の直立材２２とを有している。小さな水平ハンドバー２４が直立材２２の間に延び、被験者１２がそれを使用して松葉杖２０で自身の体を支持することを可能にする。
【００６１】
ハンドバー２４の下の松葉杖２０の部分にはトランスデューサ２５が装着されている。トランスデューサ２５は上述のトランスデューサ６０と同じか異なる特徴を有し得る。トランスデューサからはケーブル２６が延びている。図示された実施形態では、ケーブル２６がＦＥＳシステム３０のコネクタ３３ａに電気接続されるように適合される。被験者１２の胴に装着されたトランスデューサ６０によって提供される信号の代わりか該信号に加えて制御手段３２に信号を提供するために、トランスデューサ２５は使用される。被験者１２により使用されている１つまたは２つの松葉杖の位置を変えることにより、被験者１２は刺激装置３５による刺激パターン出力を制御することができる。１例において、左の松葉杖を前方に動かすと、被験者１２の右脚が前方に踏み出す。そして次に右の松葉杖を前方に動かすと、被験者１２の左脚が前方に踏み出す。さらに、この実施形態の制御手段３２は、被験者の脚と関連する松葉杖との間の距離を決定し、その距離が特定の限界を超える場合に脚を松葉杖の方に持ってくるようにすることができる。支援用の松葉杖を適切に移動させることを習得することにより、被験者１２はＦＥＳシステム３０を使用して歩行のシーケンスを作成することができる。
【００６２】
図３は松葉杖２０に装着されたトランスデューサ２５のみを描いているが、別の実施形態では、松葉杖２０にハウジング３１を装着することも可能である。
【００６３】
図４は、松葉杖２０について記述されたのと類似の様式でＦＥＳシステム３０を制御するためにそれぞれの手でステッキを使用している被験者１２を描いている。　ステッキ２７ａは被験者１２の右手にあり、ステッキ２７ｂは被験者１２の左手にある。明瞭さのために、被験者１２の左脚、左腕、および左側のステッキ２７ｂは図４に細線で描いている。
【００６４】
各ステッキ２７ａ，２７ｂには、被験者１２の胴に装着されたトランスデューサ６０によって提供される信号の代わりにまたはその信号に加えて制御手段３２に信号を提供するために使用されるトランスデューサ２５（非図示）が装着されている。ステッキ２７ａ，２７ｂの位置を変えることにより、被験者１２は、刺激装置３５による刺激パターン出力を制御することができる。
【００６５】
１例において、左側のステッキ２７ｂを前方に進めると、被験者１２の右脚１５ａは前方に踏み出す。そして次に右側のステッキ２７ａを前方に進めると、被験者１２の左脚１５ｂは前方に踏み出す。図４ｂに示すように、被験者１２は左側のステッキ２７ｂを前方に移動することにより、被験者の右脚１５ａを左側のステッキ２７ｂにより移動されたのと類似か同一の距離だけ前方に移動させる。いったんこのステップが完了すると、被験者１２は右側のステッキ２７ａを前方に移動することができ（図４ｃに図示）、これによりＦＥＳシステム３０は左脚１５ｂをステッキ２８ａにより移動されたのと類似か同一の距離だけ前方に移動させる。ステッキ２７ａ，２７ｂを交互のやり方で連続的に前方に移動させることにより、被験者１２は表面を横切って歩行することができる。
【００６６】
図４では被験者１２の歩行の動きを生じさせるものとしてのステッキ２７ａ，２７ｂの使用方法が描かれているが、片方または両方のステッキの他の動きによって被験者１２の他の動きが生じることが認識されるだろう。例えば、ステッキの一方を持ち上げると、被験者は座るか立つかすることが可能となり得る。
【００６７】
図示されたＦＥＳシステム３０の構成要素を被験者１２内に完全に埋め込むことができるが、制御手段３２や他の構成要素が被験者１２の身体の外になり得ることが理解されるだろう。
【００６８】
示された実施形態では、システム３０を設置した時に所望の動きを達成する刺激を必要とするものとして識別された皮膚に装着されるか筋肉内に埋め込まれるかした電極５３により、筋肉に対する電気刺激が与えられる。図５に示されるように、電極５３は、ハウジング３１上のコネクタ３５ａを介して刺激装置３５の出力へとケーブル５４により電気接続されている。
【００６９】
図５に示されるように、システム３０はさらに、被験者の頭のような被験者の身体の別の部分の位置をモニタするように適合されたトランスデューサ３７から信号を受け取る作動手段３６をさらに備える。トランスデューサ３７はハウジング３１のコネクタ３９に接続されたケーブル３８を通じて出力信号を出力する。トランスデューサ３７とケーブル３８は正しい縮尺で描かれていない。２つ以上のトランスデューサ３７も想定される。トランスデューサ３７から所定の信号を受け取ると、作動手段３６は制御手段３２または刺激装置３５の少なくとも一方を作動開始または作動停止することができる。例えば、トランスデューサ３７を人１２の頭に装着し、トランスデューサ３７を人の胴に対する人の頭の特定の動きの決定に基づく所定の信号を出力するように適合させることができる。これは人１２に、単なる頭の所定の動きによってＦＥＳシステム３０を作動開始または作動停止する準備手段を提供する。被験者の胴１４または人１２によって保持された歩行補助具２０の動きを使用することによっても制御手段３２またはＦＥＳシステム３０の少なくとも一方を作動開始または作動停止できることが想定される。
【００７０】
既知のタッチパッドインターフェイスを使用するボタンプレスに比べると、ＦＥＳシステム３０は被験者１２に、歩行または他の動きを開始するための比較的容易でより自然なインターフェイスを提供する。
【００７１】
当業者には、広く述べられた本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、特定の実施形態で示されたような多くの変形または改変の少なくとも一方を本発明に対してなし得ることが理解される。従って、本願の実施形態はすべての点で、例示的であって限定的ではないものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】機能的電気刺激を使用した、座位から立位への被験者の身体の動きを描いた一連の図。
【図２】機能的電気刺激を使用した、立位から座位への被験者の身体の動きを描いた一連の図。
【図３】本発明による歩行補助具の１実施形態の側面図。
【図４】機能的電気刺激システムと協同して歩行補助具を使用した、人の歩行を描いた一連の図。
【図５】本発明によるＦＥＳシステムの１実施形態を描いた略ブロック図。

Claims (34)

1. 被験者の身体の一部分の動きを制御する機能的電気刺激システムであって、
   前記身体の一部分以外の被験者の身体の一部分に装着可能な、被験者の前記身体の他の一部分のポジションまたは動きの少なくとも一方を示す信号を出力する少なくとも１つのセンサを有する測定手段と；
   測定手段により出力された信号を受信および処理し、測定手段により決定された前記他の身体の一部分の位置または動きの少なくとも一方に応じて前記身体の一部分に電気刺激を与えるように適合された刺激手段に制御信号を出力する制御手段と；を備えた機能的電気刺激システム。
2. 前記他の身体の一部分が胴、頭、片腕または両腕、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択される、請求項１に記載の機能的電気刺激システム。
3. 前記身体の一部分が被験者の片脚または両脚である、請求項２に記載の機能的電気刺激システム。
4. 前記測定手段が、矢状面、前額面または水平面から成るグループから選択された所定平面に対する被験者の胴の角度を測定する、請求項２に記載の機能的電気刺激システム。
5. 胴が粗体動を停止した時にのみ、測定手段が胴の角度を測定する、請求項４に記載の機能的電気刺激システム。
6. 胴のねじれる動きと、被験者が少なくとも実質的に水平であることを検知すると、制御手段は、被験者を回転させる役目をする刺激インパルスのシーケンスを刺激手段に出力させる制御信号を出力する、請求項４に記載の機能的電気刺激システム。
7. 測定手段が少なくとも１つのトランスデューサを含む、請求項１に記載の機能的電気刺激システム。
8. 少なくとも１つのトランスデューサが被験者に埋め込まれる、請求項７に記載の機能的電気刺激システム。
9. 制御手段が少なくとも１つの所定動作シーケンスを記憶可能に有する記憶装置をさらに備え、測定手段から信号を受け取ると、前記少なくとも１つの所定動作シーケンスが刺激手段に供給される、請求項１に記載の機能的電気刺激システム。
10. 前記少なくとも１つの所定動作シーケンスにより、被験者は立位から座位に移動するか、座位から立位に移動するか、歩行するか、またはペダルを踏む動作に脚を移動させるかをすることができる、請求項９に記載の機能的電気刺激システム。
11. 被験者の胴が仮想水平面に対して約１０°〜約６０°の間、より好ましくは約２５°〜５０°の間、さらに好ましくは約２５°〜４５°の間の角度だけ前に曲がった時に、制御手段が刺激手段に制御信号を出力する、請求項４に記載の機能的電気刺激システム。
12. 刺激手段が、刺激装置と、前記身体の一部分に装着可能かつ刺激装置の出力に電気接続される少なくとも１つの電極とを含む、請求項１に記載の機能的電気刺激システム。
13. 前記被験者の姿勢をモニタし、前記被験者の姿勢が刺激が被験者にとって不適当であるかまたは安全でないような姿勢である場合に前記身体の一部分に電気刺激を与えることを防止する無効手段をさらに備える、機能的電気刺激システム。
14. 前記制御手段が、被験者に所定の回数で回転を引き起こす信号を刺激手段に出力するようにプログラムされている、請求項６に記載の機能的電気刺激システム。
15. 制御手段が、被験者の回転を８時間の間に少なくとも２回引き起こす信号を出力するようにプログラムされている、請求項１４に記載の機能的電気刺激システム。
16. 刺激手段によって刺激されている前記身体の一部分の位置または動きの少なくとも一方を測定し、その測定値を示す出力信号を制御手段に提供するフィードバック手段をさらに備える、請求項１に記載の機能的電気刺激システム。
17. 制御手段が、所望の場合に被験者が制御手段またはＦＥＳシステムの少なくとも一方をオンおよびオフにするのを可能にする作動開始手段および作動停止手段を備えた作動手段を有する、請求項１に記載の機能的電気刺激システム。
18. 被験者の身体の一部分の動きを制御する機能的電気刺激システムであって、
    歩行補助具に装着可能な、システムの被験者によって操作された時の前記歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方を示す信号を出力する少なくとも１つのセンサを有する測定手段と；
    測定手段によって出力された信号を受信および処理し、測定手段により決定された前記歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方に応じて前記身体の一部分へ電気刺激を提供するよう適合された刺激手段に制御信号を出力する制御手段と；を備えた機能的電気刺激システム。
19. 歩行補助具が松葉杖または歩行ステッキを含む、請求項１８に記載の機能的電気刺激システム。
20. 松葉杖またはステッキの動きまたは位置の少なくとも一方の変化により、被験者が歩行できるような様式で被験者の脚の刺激が引き起こされる、請求項１９に記載の機能的電気刺激システム。
21. 少なくとも１つの測定手段が、被験者を支持するそれぞれの松葉杖に装着されている、請求項２０に記載の機能的電気刺激システム。
22. 歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方を示す信号を出力する少なくとも１つのセンサが装着された、機能的電気刺激システムを使用して歩行するよう支援されている被験者のための歩行補助具。
23. 機能的電気刺激システムが請求項１８に記載の機能的電気刺激システムである、請求項２２に記載の歩行補助具。
24. 歩行補助具が松葉杖である、請求項２２に記載の歩行補助具。
25. 前記松葉杖が、丈高松葉杖、ロフトランドクラッチおよびカナダ式肘伸長クラッチから成るグループから選択される、請求項２４に記載の歩行補助具。
26. 歩行補助具がステッキである、請求項２２に記載の歩行補助具。
27. 歩行補助具が少なくともセンサに電力を供給する内蔵電源を有する、請求項２２に記載の歩行補助具。
28. 被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法であって、
    前記身体の一部分以外の被験者の身体の一部分の位置または動きの少なくとも一方を測定するステップと；
    前記信号を処理し、前記他の身体の一部分の測定された位置または動きの少なくとも一方に応じて前記身体の一部分に電気刺激を出力するステップと；から成る方法。
29. 前記他の身体の一部分が胴、頭、片腕または両腕、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択される、請求項２８に記載の被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法。
30. 前記身体の一部分が被験者の脚である、請求項２９に記載の被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法。
31. 脚の位置または動きの少なくとも一方を測定し、被験者の他の身体の一部分の動きに応じて生成された電気刺激を修正または制御するために該測定値を使用するステップをさらに含む、請求項３０に記載の被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法。
32. 被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法であって、
    被験者によって操作される歩行補助具の位置または動きの少なくとも一方を測定するステップと；
    前記信号を処理し、前記歩行補助具の測定された位置または動きの少なくとも一方に応じて前記身体の一部分に電気刺激を出力するステップと；から成る方法。
33. 被験者を歩行させるべく被験者の脚に電気刺激が供給される、請求項３２に記載の被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法。
34. 脚の位置または動きの少なくとも一方を測定し、被験者の歩行補助具の動きに応じて生成される電気刺激を修正または制御するために該測定値を使用するステップをさらに含む、請求項３３に記載の被験者の身体の一部分に供給される機能的電気刺激を制御する方法。

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