JP2009142624A

JP2009142624A - 電気刺激装置

Info

Publication number: JP2009142624A
Application number: JP2008008118A
Authority: JP
Inventors: Toshio Moriya; 敏夫森谷; Shohei Kamiya; 章平神谷; Ryuji Akimoto; 龍二秋本; Tsutomu Hosoki; 力細木
Original assignee: HOOMAA ION KENKYUSHO KK
Current assignee: HOOMAA ION KENKYUSHO KK
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】血流促進、筋肉の肥大及び代謝促進のうち少なくとも一つの効果を得ることができる電気刺激装置を提供することを目的とする。
【解決手段】出力回路から出力された電気信号を電極を介して人体に伝達する電気刺激装置であって、前記出力回路は、４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を１秒間連続的に出力する刺激ステップと、前記電気信号を１秒間出力しない刺激停止ステップとを交互に繰り返す第１の出力モードと、４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を５秒間連続的に出力する刺激ステップと、前記電気信号を２秒間出力しない刺激停止ステップとを交互に繰り返す第２の出力モードと、４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を連続的に出力する刺激ステップのみを備えた第３の出力モードとのうち、少なくとも一つの出力モードを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、出力回路から出力された電気信号を電極を介して人体に伝達する電気刺激装置に関する。

糖尿病、肥満病、高血圧症など生活習慣病を改善及び予防する方法として、適度な運動を日常生活に取り入れることによる生活習慣改善が提案されている。

運動の中でも、特に有酸素運動は、エネルギ消費による抗糖尿病効果をはじめ、糖代謝や血清脂質の改善、インスリン感受性の向上、降圧効果、呼吸循環機能改善など様々な生理学的変化を惹起することから、生活習慣病の予防・改善に加え、中高齢者の健康増進運動プログラムの中核をなしている。

しかしながら、慢性的な運動不足、過度の肥満、整形外科的疾患などのために、有酸素運動を十分に行えない人々が多数存在する。さらに、糖尿病性合併症、心血管系合併症などの臓器障害により、運動制限されている患者も多く認められる。

医学、スポーツなどの業界では、筋肉増強、失禁の管理、脊椎奇形の管理、痙縮の管理などのために、骨格筋収縮を誘発する電気筋肉刺激（以下、EMSという）が知られており、具体的には、粘着パットを介して通電される電気信号に基づき筋肉を緊張及び弛緩させる筋肉刺激方法が従来技術として提案されている。
特開２００５−２０５２２３号公報特開２０００−２３７３３１号公報特開２０００−２３７３３２号公報特開２００２−２００１７８号公報

しかしながら、従来の電気刺激装置では、単に筋肉運動を行わせる（単に筋肉の収縮を行わせる）電気刺激が目的とされてきた。ある程度の低周波領域で、ある程度の出力強度を備えた電気刺激装置であれば、容易に筋肉運動を誘発することができる。

しかしながら、単に筋肉運動を行うのみでは、血流促進、筋肉の肥大及び代謝促進などの目的に応じて最適な刺激を行うことができない。

そこで、本願発明は、血流促進、筋肉の肥大及び代謝促進のうち少なくとも一つの効果を得ることができる電気刺激装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明の電気刺激装置は、出力回路から出力された電気信号を電極を介して人体に伝達する電気刺激装置であって、前記出力回路は、４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を１秒間連続的に出力する刺激ステップと、前記電気信号を１秒間出力しない刺激停止ステップとを交互に繰り返す第１の出力モードと、４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を５秒間連続的に出力する刺激ステップと、前記電気信号を２秒間出力しない刺激停止ステップとを交互に繰り返す第２の出力モードと、４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を連続的に出力する刺激ステップのみを備えた第３の出力モードとのうち、少なくとも一つの出力モードを有している。

第１の出力モードによれば血流を促進することができる。また、第２の出力モードによれば筋肥大を促進することができる。第３の出力モードによれば代謝を促進することができる。

前記第１〜第３の出力モードのうちいずれか一つの出力モードを選択するための選択部を設けるとよい。

上記電極は、下記の位置に配置することができる。
すなわち、第１の配置として、前記電極を、人体の前側に配置される前側電極ユニット、人体の背面側に配置される背側電極ユニットとから構成し、前記前側電極ユニットは、大腿四頭筋の起始部及び停止部間の対応した位置に配置される互いに極性が異なる第１及び第２の前側電極を有し、前記背側電極ユニットは、人体の前後方向視における大殿筋及びハムストリングの境界部分に対応した位置に配置される第１の背側電極と、ハムストリングのうち大殿筋よりも下方に位置する部分に対応した位置に配置され、前記第１の背側電極とは極性が異なる第２の背側電極と、大殿筋の起始部に対応した位置に配置され、前記第１の背側電極とは極性が異なる第３の背側電極とを有している。

本願発明によれば、電気刺激装置使用者の状態（症状）に応じて適切な刺激パターンにより電気刺激を行うことができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、電気刺激装置の回路構成を図示したブロック図である。

電気信号出力装置８０は、電気信号出力装置８０全体の制御を司る制御回路８３と、電源としての電源回路８２と、制御回路８３の制御信号に基づいて低周波のパルス信号を出力する低周波出力ドライバ８８と、所定周波数のクロック信号を制御回路８３に供給する発振子８５と、動作モード選択スイッチ８４と、リセット信号を制御回路８３に供給するリセット回路８６とを備えている。

低周波出力用ドライバ８８から出力された信号は、出力調整用メインボリューム８９において無段階調整され、増幅回路８７に出力される。増幅回路８７は、右脚に装着される電極１１、１２に接続された第１の増幅回路８７Ａ、右脚に装着される電極２１、２２に接続された第２の増幅回路８７Ｂ、右脚に装着される電極２１、２３に接続された第３の増幅回路８７Ｃ、左脚に装着される電極１１、１２に接続された第４の増幅回路８７Ｄ、左脚に装着される電極２１、２２に接続された第５の増幅回路８７Ｅ及び左脚に装着される電極２１、２３に接続された第６の増幅回路８７Ｆから構成され、低周波出力用ドライバ８８から出力された信号を増幅する。

第１〜第６の出力調整サブボリューム８９Ａ〜Ｆを操作することにより、第１〜第６の増幅回路８７Ａ〜Ｆから出力された増幅信号を４〜２０Ｈｚの間で無段階調整することができる。

制御回路８３は、電源回路８２によるＤＣ５Ｖの電源及び発振子８５で励起される例えば８ＭＨｚのクロック信号に基づいて駆動され、低周波出力用ドライバ８８に対して制御信号を出力する。

低周波出力用ドライバ８８は、電源回路８２から供給される電圧及び制御回路８３からの制御信号に基づいて、低周波のパルス信号を出力する。

動作モード選択スイッチ（選択部）８４を操作することにより、血流促進モード（第１の出力モード）、筋肥大モード（第２の出力モード）及び代謝促進モード（第３の出力モード）を選択することができる。

図２Ａは血流促進モードの出力パターンを示しており、周波数が４〜２０Ｈｚの方形信号を連続的に１秒間出力した後に、１秒間出力を禁止する刺激パターンを繰り返す。

図２Ｂは、筋肥大モードの出力パターンを示しており、周波数が４〜２０Hzの方形信号を連続的に５秒間出力した後に、２秒間出力を禁止する刺激パターンを繰り返す。

図２Ｃは代謝促進モードの出力パターンを示しており、周波数が４〜２０Ｈｚの方形信号を連続的に出力する（つまり、出力を禁止する時間がない）。

図２A〜Cの出力パターンにおける周波数を４〜２０Hｚと説明したが、好ましくは４〜８Hｚ、より好ましくは５〜７Hzである。

４〜８Hzは人間の脳波のシータ波の周波数に対応しており、人間の緊張感や不安感を解消することができると考えられており、５〜７Hzは人間の脳波のFmシータ波に対応しており、人間の緊張感や不安感をより一層効果的に解消することができると考えられている。

本発明の電気刺激装置は、リハビリを行う患者などを対象としているため、電気刺激に伴う精神的な負荷をできる限り軽減する必要がある。したがって、出力周波数をシータ波又はFmシータ波に対応させることにより、精神的な負荷を軽減しながらリハビリ活動を支援することができる。

（実施形態１）
本実施形態では、電気刺激装置８０の電極１１、１２、２１、２２及び２３を、図３に図示する位置に配置している。ここで、図３は電極の貼り付け位置を示す電極配置図であり、（Ａ）が人体の正面側、（Ｂ）が人体の背面側を図示している。

電極１１は、正極であり、人体の大腿四頭筋の起始部（大腿骨の付け根部分）に対応した位置に配置されている。ここで、「対応した位置」とは、図３に図示するように、人体の前後方向視において、電極１１と大腿四頭筋の起始部とがオーバーラップしていることを意味する。なお、電極１１は、請求項３に記載の第１の前側電極に相当する。

電極１２は、負極であり、人体の大腿四頭筋の停止部に対応した位置に配置されている。「対応した位置」とは、図３に図示するように、人体の前後方向視において、電極１２と大腿四頭筋の停止部とがオーバーラップしていることを意味する。なお、電極１２は、請求項３に記載の第２の前側電極に相当する。

電極２１は、正極であり、人体の大殿筋及びハムストリングの境界部分に対応した位置に配置されている。「対応した位置」とは、人体の前後方向視において、電極２１と該境界部分とがオーバーラップしていることを意味する。なお、ハムストリングは、大殿筋の下方に位置する大腿二頭筋、半腱様筋及び半膜様筋から構成される。なお、電極２１は、請求項３に記載の第１の背側電極に相当する。

電極２２は、負極であり、人体の大殿筋の起始部に対応した位置に配置されている。「対応した位置」とは、人体の前後方向視において、電極２２と大殿筋の起始部とがオーバーラップしていることを意味する。なお、電極２２は、請求項３に記載の第２の背側電極に相当する。

電極２３は、負極であり、電極２１よりも下方のハムストリングに対応した位置に配置されている。「対応した位置」とは、人体の前後方向視において、電極２３とハムストリングとがオーバーラップしていることを意味する。なお、電極２３は、請求項３に記載の第３の背側電極に相当する。

これらの電極１１〜２３は粘着式であり、対応部位に直接貼り付けて使用することができる。また、湿式電極を固定したベルトを装着してもよい。

電極１１、１２、２１、２２及び２３の極性を、上記構成と反対にすることもできる。

以下、実施例を示して、本発明について具体的に説明する。

発明例１では、図３に図示する位置に電極を配置して、図２Ｃの代謝促進モードで健常者に電気刺激を行った。

比較例１では、大腿四頭筋に正極を配置して、大腿二頭筋に負極を配置して、図２Ｃの代謝促進モードで健常者に電気刺激を行った。

これらの発明例１及び比較例１における酸素摂取量を測定して、代謝促進の指標とした。

比較例１では約２．５倍しか酸素摂取量が増加しなかったが、発明例１では約６．３倍も酸素摂取量が増加した。したがって、筋線維に直交する方向よりも、筋線維に沿った方向に電気刺激を付与したほうが、代謝促進に有効であるということが証明された。

刺激周波数を変化させて、パルス状の連続的な電気信号で健常者に電気刺激を行った。その結果を図４及び図５に示す。図４（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、２Ｈｚ、４Ｈｚ、８Ｈｚの周波数で電気刺激を行った場合の実験結果を示しており、下側のグラフがパルス信号（刺激）の出力タイミングを示しており、上側のグラフがパルス刺激に対する筋肉の張力を示している。

図４（Ａ）では、Ｎ回目（Ｎは１以上の整数（以下同じ））のパルス刺激に対する筋収縮が終了した後に、Ｎ＋１回目のパルス刺激が開始され、その結果、Ｎ回目のパルス刺激とＮ＋１回目のパルス刺激とによる筋収縮が融合しなかった。

これに対して、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）では、Ｎ回目のパルス刺激に対する筋収縮が終了する前（つまり、張力が０に近似する前）に、Ｎ＋１回目のパルス刺激が開始され、その結果、Ｎ回目のパルス刺激とＮ＋１回目のパルス刺激とによる筋収縮が融合した。これらの結果から、電気刺激の周波数の下限値を４Ｈｚに設定することにより、筋収縮の融合により張力（収縮力）が維持されて、代謝が亢進することがわかった。

図５に図示するように、５０Ｈｚ、８０Ｈｚの周波数で電気刺激を行うと、強縮が起こり、血流の低下により筋疲労が促進されるため、代謝亢進への刺激が時間とともに大きく減少して、収縮力が弱くなり持続性がなくなることがわかった。これらの結果から、４〜２０Ｈｚの周波数で電気刺激を行うことにより、代謝を効果的に促進できることが証明された。

次に、図２（Ｂ）の筋肥大モードで人体に電気刺激を行った場合の効果について説明する。図６は電極の貼り付け位置を示す電極配置図であり、（Ａ）が人体の正面図、（Ｂ）が人体の背面図である。

図６（Ａ）において、電極５１は、正極であり、人体の大腿四頭筋の起始部（大腿骨の付け根部分）に対応した位置に配置されている。電極５２は、負極であり、人体の大腿四頭筋の停止部に対応した位置に配置されている。電極５１、５２は一対の電極ユニットを構成している。電極５３、５４は前脛骨筋に対応した位置に配置されており、一対の電極ユニットを構成している。電極５３が正極であり、電極５４が負極である。

図６（Ｂ）において、電極６１、６２はハムストリングに対応した位置に配置されており、一対の電極ユニットを構成している。電極６１が正極であり、電極６２が負極である。電極６３、６４は下腿三頭筋に対応した位置に配置されており、一対の電極ユニットを構成している。電極６３が正極であり、電極６４が負極である。

１０名の前十字靭帯再建術後の患者を対象として、５名の患者に電気刺激を与え、残りの５名の患者には電気刺激を与えなかった。電気刺激は、１日１回２０分間、週５回行った。実施期間は４週間とした。刺激周波数は２０Ｈｚに設定した。大腿直筋（以下ＲＦという）、中間広筋（以下ＶＩという）、外側広筋（以下ＶＬという）、ヒラメ筋（以下ＳＯという）を測定部位として、超音波による筋厚測定を行った。なお、病院で定められたリハビリプログラムにしたがい、全患者に膝可動域トレーニング、下肢筋肉トレーニングを課した。その結果を、表２〜５に示す。各表の縦軸は筋厚測定値、横軸は実施期間を示している。表２はＲＦの筋厚であり、実線が電気刺激を与えた患者、破線が電気刺激を与えなかった患者の筋厚を示している。

表３はＶＩの筋厚であり、実線が電気刺激を与えた患者、破線が電気刺激を与えなかった患者の筋厚を示している。

表４はＶＬの筋厚であり、実線が電気刺激を与えた患者、破線が電気刺激を与えなかった患者の筋厚を示している。

表５はＳＯの筋厚であり、実線が電気刺激を与えた患者、破線が電気刺激を与えなかった患者の筋厚を示している。

これらの結果からわかるように、図２（Ｂ）の筋肥大モードで電気刺激を付与することにより、筋厚を効果的に大きくできるということがわかった。

電気刺激装置の回路構成を図示したブロック図である。電気信号の波形を示すブロック図であり、（Ａ）が血流促進モードであり、（Ｂ）が筋肥大モードであり、（Ｃ）が代謝促進モードである。電極の貼り付け位置を示す電極配置図であり、（Ａ）が人体の正面図であり、（Ｂ）が人体の背面図である。周波数と代謝促進との関係を示す実験データである。周波数と代謝促進との関係を示す実験データである。実施例の電極の貼り付け位置を示す電極配置図であり、（Ａ）が人体の正面図であり、（Ｂ）が人体の背面図である。

符号の説明

１１、１２、２１、２２、２３電極
８０電気刺激装置
８２電源回路
８３制御回路
８４動作モード選択スイッチ
８５発振子
８６リセット回路
８７増幅回路
８８低周波出力用ドライバ
８９出力調整用ボリューム
８９Ａ〜８９Ｆ第１〜第６の出力調整サブボリューム

Claims

出力回路から出力された電気信号を電極を介して人体に伝達する電気刺激装置であって、
前記出力回路は、４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を１秒間連続的に出力する刺激ステップと、前記電気信号を１秒間出力しない刺激停止ステップとを交互に繰り返す第１の出力モードと、
４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を５秒間連続的に出力する刺激ステップと、前記電気信号を２秒間出力しない刺激停止ステップとを交互に繰り返す第２の出力モードと、
４〜２０Hzの周波数域に属するパルス状の電気信号を連続的に出力する刺激ステップのみを備えた第３の出力モードとのうち、少なくとも一つの出力モードを有することを特徴とする電気刺激装置。
前記第１〜第３の出力モードのうちいずれか一つの出力モードを選択するための選択部を有することを特徴とする請求項１に記載の電気刺激装置。
前記電極は、人体の前側に配置される前側電極ユニット、人体の背面側に配置される背側電極ユニットとからなり、
前記前側電極ユニットは、大腿四頭筋の起始部及び停止部間の対応した位置に配置される互いに極性が異なる第１及び第２の前側電極を有し、
前記背側電極ユニットは、人体の前後方向視における大殿筋及びハムストリングの境界部分に対応した位置に配置される第１の背側電極と、ハムストリングのうち大殿筋よりも下方に位置する部分に対応した位置に配置され、前記第１の背側電極とは極性が異なる第２の背側電極と、大殿筋の起始部に対応した位置に配置され、前記第１の背側電極とは極性が異なる第３の背側電極と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気刺激装置。