JP2010115385A - 身体運動機能増強装置、ボディースーツ、および身体運動機能増強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、生体の運動機能を向上できなかった。
【解決手段】２以上の電極と、当該電極に電流を印加し、前記電極を介して生体に電気刺激を与える低周波電気刺激装置を具備する身体運動機能増強装置であって、前記低周波電気刺激装置は、筋収縮を引き起こさない範囲の強さの電流である非筋収縮電流を発生する電流発生手段と、所定時間のインターバルで、２回以上、前記電流発生手段に前記非筋収縮電流を発生させる制御手段と、前記制御手段が行う制御により、前記電流発生手段が発生した非筋収縮電流を前記電極に出力する電流出力手段とを具備する身体運動機能増強装置により、生体の運動機能を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、身体の運動機能を増強する身体運動機能増強装置等に関するものである。

従来、電気刺激を生体に与える機器として、低周波治療器があった（例えば、非特許文献１、２参照）。かかる低周波治療器は、運動により疲労した筋肉を運動後にマッサージすることが目的である。また、かかる低周波治療器において、５分から１５分程度の長時間の刺激を生体に施すことが一般的である。この長時間刺激は、刺激した筋肉の興奮性を減弱させる効果を奏する。

また、従来の低周波治療器は、通常、５０μ秒から２５０μ秒の短い刺激パルス幅に設定されている。
"低周波治療器 SUN MASSEUR"、［online］、［平成２０年１１月８日検索］、インターネット<URL：//www.marubishi.com/product-info/sun-masseur/hot22bl/> "オムロン低周波治療器 エレパルス"、［online］、［平成２０年１１月８日検索］、インターネット<URL：//www.healthcare.omron.co.jp/product/hvf128_1.html>

しかしながら、従来の低周波治療器においては、運動機能を効果的に向上させることができなかった。

また、従来の低周波治療器では、運動に先立った中枢神経のウォーミングアップを行う目的で、利用されていなかった。

本第一の発明の身体運動機能増強装置は、２以上の電極と、当該電極に電流を印加し、前記電極を介して生体に電気刺激を与える低周波電気刺激装置を具備する身体運動機能増強装置であって、前記低周波電気刺激装置は、筋収縮を引き起こさない範囲の強さの電流である非筋収縮電流を発生する電流発生手段と、所定時間のインターバルで、２回以上、前記電流発生手段に前記非筋収縮電流を発生させる制御手段と、前記制御手段が行う制御により、前記電流発生手段が発生した非筋収縮電流を前記電極に出力する電流出力手段とを具備する身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、生体の運動機能を向上できる。

また、本第二の発明の身体運動機能増強装置は、第一の発明に対して、前記制御手段は、予め決められた総刺激時間、または予め決められた回数で、前記非筋収縮電流を前記電極に出力することを停止するように制御する停止機構を具備する身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、より確実に、かつ容易に生体の運動機能を向上できる。

また、本第三の発明の身体運動機能増強装置は、第二の発明に対して、前記停止機構は、前記総刺激時間が３分以下となるように、前記非筋収縮電流を前記電極に出力することを停止するように制御する身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、より確実に、かつ容易に生体の運動機能を向上できる。

また、本第四の発明の身体運動機能増強装置は、第三の発明に対して、前記停止機構は、前記総刺激時間が３０秒以上であり、かつ１分以下となるように、前記非筋収縮電流を前記電極に出力することを停止するように制御する身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、より確実に、かつ短時間で生体の運動機能を向上できる。

また、本第五の発明の身体運動機能増強装置は、第一から第四いずれかの発明に対して、前記非筋収縮電流は、０．５ｍＡから４ｍＡの間の電流の強さである身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、生体の運動機能を向上できる。

また、本第六の発明の身体運動機能増強装置は、第一から第五いずれかの発明に対して、前記電流発生手段は、周波数が略５０Ｈｚから略１００Ｈｚの非筋収縮電流を発生する身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、より効果的に生体の運動機能を向上できる。

また、本第七の発明の身体運動機能増強装置は、第一から第六いずれかの発明に対して、前記制御手段は、所定時間のインターバルで、略３秒から略１１秒の時間、連続的に２回以上、前記電流発生手段に前記非筋収縮電流を発生させる身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、より効果的に生体の運動機能を向上できる。

また、本第八の発明の身体運動機能増強装置は、第一から第七いずれかの発明に対して、前記所定時間のインターバルは、略３秒である身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、より効果的に生体の運動機能を向上できる。

また、本第九の発明の身体運動機能増強装置は、第一から第八いずれかの発明に対して、前記電流発生手段は、１パルス幅２５０μ秒以上の非筋収縮電流を発生する身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、生体の運動機能を向上できる。

また、本第十の発明の身体運動機能増強装置は、第九の発明に対して、前記電流発生手段は、１パルス幅５００μ秒以上の非筋収縮電流を発生する身体運動機能増強装置である。

かかる構成により、より効果的に生体の運動機能を向上できる。

本発明による身体運動機能増強装置によれば、生体の運動機能を向上できる。

以下、身体運動機能増強装置等の実施形態について図面を参照して説明する。なお、実施の形態において同じ符号を付した構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明を省略する場合がある。

（実施の形態）
本実施の形態において、生体の運動機能を向上できる身体運動機能増強装置について説明する。脳損傷や加齢は、人間の運動機能の低下を引き起こす。運動機能の向上を図るために、現在、様々なリハビリテーション法が開発されているが、多くは病院などの専門施設でのみ可能な大掛かりな方法が多い。

本実施の形態における身体運動機能増強装置１は、簡便かつ効果的に身体運動機能を増強できる装置である。身体運動機能増強装置１は、例えば、自宅で、テレビを見ながら自分で利用できる身体運動機能増強装置である。

図１は、身体運動機能増強装置１の概念図である。身体運動機能増強装置１は、低周波電気刺激装置１１、および２以上の電極１２を具備する。低周波電気刺激装置１１は、２以上の電極１２に電流を印加し、当該電極１２を介して生体に電気刺激を与える装置である。

次に、本実施の形態における身体運動機能増強装置１の動作例、利用方法例の概要について説明する。まず、人間の身体運動の直前にその制御に関連する筋肉に対して、皮膚の上から、極めて微弱な電気刺激を施す。この電気刺激は、筋収縮を引き起こさない電流である非筋収縮電流（好適には、０．５ｍＡから４ｍＡの電流）を用いた刺激である。さらに、非筋収縮電流では、通常、痛みを伴わない。

また、身体運動機能増強装置１は、運動機能の向上を所望する箇所に直接制御する筋肉に対して、電気刺激を与える。

また、この電気刺激は、１パルス幅２５０μ秒以上であり、周波数５０Ｈｚ〜５００Ｈｚ（さらに好適には、５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ）の刺激である。また、周波数は、さらに好ましくは、８０Ｈｚ程度である。

また、身体運動機能増強装置１は、この電気刺激を、略３秒程度の間隔で、略３秒から１１秒程度、連続的にリラックスした筋肉に与える。

そして、身体運動機能増強装置１が与える電気刺激の総刺激時間は、略３秒の間隔を含み、概ね３０秒から略３分程度以下（さらに好適には、略３０秒から略１分程度）である。

身体運動機能増強装置１を用いて、上記のような電気刺激を筋肉に与えると、当該電気刺激を与えた直後には、刺激した筋肉を制御する脳運動皮質−脊髄路の興奮性が飛躍的に増大する。そして、その結果として、短時間の刺激後に、身体の効率的運動制御が可能となる。

さらに、例えば、毎日、電気刺激と運動とを組み合わせたトレーニングを繰り返すと、この効率的な運動制御様式が脳に獲得され、電気刺激前には頭打ちになっていた運動技能のレベルを、さらに向上させることができる。

以下、身体運動機能増強装置１の構造例について説明する。図２は、本実施の形態における身体運動機能増強装置１のブロック図である。

身体運動機能増強装置１は、低周波電気刺激装置１１、および２以上の電極１２を具備する。

低周波電気刺激装置１１は、電流発生手段１１１、制御手段１１２、電流出力手段１１３を具備する。

制御手段１１２は、停止機構１１２１を具備する。

電流発生手段１１１は、非筋収縮電流を発生する。非筋収縮電流とは、筋収縮を引き起こさない程度の強さの電流である。非筋収縮電流は、０．５ｍＡから４ｍＡの間の電流の強さであることは好適である。ただし、０．５ｍＡから４ｍＡは、非筋収縮電流の好適な例であり、他の範囲の電流でも良い。電流発生手段１１１は、後述する制御手段１１２の制御に従って、電流を発生する。また、電流発生手段１１１は、周波数が略５０Ｈｚから略１００Ｈｚの非筋収縮電流を発生することは好適である。また、電流発生手段１１１は、１パルス幅２５０μ秒以上の非筋収縮電流を発生することは好適である。さらに、電流発生手段１１１は、１パルス幅５００μ秒以上の非筋収縮電流を発生することは、さらに好適である。電流発生手段１１１は、電源や周波数発振器などから実現され得る。

制御手段１１２は、所定時間のインターバルで、２回以上、電流発生手段１１１に非筋収縮電流を発生させる。ここで、所定時間のインターバルは、略３秒程度であることは好適である。所定時間のインターバルは、２秒から４秒程度でも良い。また、制御手段１１２は、所定時間のインターバルで、連続的に２回以上、電流発生手段１１１に非筋収縮電流を発生させる。電流発生手段１１１が電流を連続的に発生させている時間は、略３秒から略１１秒であることは好適である。また、電気刺激の総刺激時間は、略３秒の間隔（インターバル）を含み、概ね３０秒から略３分程度以下（さらに好適には、略３０秒から略１分程度）になるように、電流発生手段１１１が電気を発生させることは好適である。

制御手段１１２は、通常、ＭＰＵやメモリ等から実現され得る。制御手段１１２の処理手順は、通常、ソフトウェアで実現され、当該ソフトウェアはＲＯＭ等の記録媒体に記録されている。但し、ハードウェア（専用回路）で実現しても良い。

停止機構１１２１は、予め決められた総刺激時間または予め決められた回数で、非筋収縮電流を電極１２に出力することを停止するように制御する。停止機構１１２１は、総刺激時間が３分以下となるように、非筋収縮電流を電極１２に出力することを停止するように制御することは好適である。停止機構１１２１は、総刺激時間が３０秒以上であり、かつ１分以下となるように、非筋収縮電流を電極１２に出力することを停止するように制御することは、さらに好適である。停止機構１１２１は、電流発生手段１１１に働きかけても良いし、電流出力手段１１３に働きかけても良い。つまり、結果として、電流が電極１２に出力されないような状態になれば良い。停止機構１１２１は、通常、ＭＰＵやメモリ等から実現され得る。停止機構１１２１の処理手順は、通常、ソフトウェアで実現され、当該ソフトウェアはＲＯＭ等の記録媒体に記録されている。但し、ハードウェア（専用回路）で実現しても良い。

なお、停止機構１１２１は、被験者の停止指示（例えば、停止ボタンの押下）を受け付け、２以上の電極１２に非筋収縮電流を出力することを停止するように制御しても良い。

電流出力手段１１３は、制御手段１１２が行う制御により、電流発生手段１１１が発生した非筋収縮電流を電極１２に出力する。

以下、本実施の形態における身体運動機能増強装置１の実験結果について説明する。身体運動機能増強装置１の概念図は図１である。
（実験１）

図３に示すような２つの金属製の玉を、被験者の手のひらに置いて、二人の被験者（被験者Ａ、および被験者Ｂ）が指を使って、できるだけ多く、２つの玉を回転させ、回転数を測定する実験を行った。本実験では、１試行１５秒で行った。つまり、被験者ごとに、１５秒間における、２つの金属製の玉を回転させる回数を測定した。二人の被験者に、試行を１４回行わせた。また、本実験において、被験者Ａには、身体運動機能増強装置１を用いた電気刺激を、全く与えなかった。被験者Ｂに対しては、最初の５回の試行では、被験者Ａと同様に、身体運動機能増強装置１を用いた電気刺激を与えなかったが、５回の試行後であり、６回目以降の各試行直前に身体運動機能増強装置１を用いた電気刺激を与え、６回目以降の試行を行った。電気刺激は、親指筋に与えた（電極１２を親指に付与した）。なお、図３において、親指と薬指の変位量を測定するために、親指と薬指にセンサーを貼付している。また、親指筋とは、短母指屈筋のことである。

その測定結果を示す図が、図４である。図４において、横軸は、試行（Ｔｒｉａｌｓ）の進行を示す。縦軸は、１秒あたりの回転数（回転周波数［Ｈｚ］）を示す。図４の４１は、被験者Ａが実験を行った場合のグラフであり、身体運動機能増強装置１を用いた電気刺激を与えなかった場合のグラフである。図４の４２は、被験者Ｂが実験を行った場合のグラフであり、６回目以降の試行では、身体運動機能増強装置１を用いた電気刺激を与えた場合のグラフである。

図４の４１によれば、試行回数が増えても、回転周波数の増大は見られなかった。１４回のすべての試行において、回転周波数は、２．１５程度（２．１以上、かつ２．２未満）であった。

図４の４２によれば、電気刺激を与えた直後以降の試行において、電気刺激を与える前と比較して、明らかに回転周波数の増大が見られた。
（実験２）

実験１と同様に、図３に示すような２つの金属製の玉を、被験者の手のひらに置いて、被験者が指を使って、できるだけ多く、２つの玉を回転させ、回転数を測定する実験を行った。実験２において、総刺激時間が３０秒の場合と、９０秒の場合とを測定した。

その測定結果を示す図が、図５である。図５において、横軸は、試行（Ｔｒｉａｌｓ）の進行を示す。縦軸は、回転周波数［Ｈｚ］を示す。図５において、５１は、電気刺激前の７回の試行の回転周波数を示すグラフである。また、５２は、総刺激時間３０秒の電気刺激を与えた後の、７回の試行の回転周波数を示すグラフである。

また、図５において、５３は、電気刺激前の７回の試行の回転周波数を示すグラフである。また、５４は、総刺激時間９０秒の電気刺激を与えた後の、７回の試行の回転周波数を示すグラフである。

図５の５２、５４によれば、総刺激時間３０秒の電気刺激を与えた場合の方が、９０秒の電気刺激を与えた場合より、良好な結果が出ているが、総刺激時間３０秒および９０秒の双方、回転周波数が向上していることが分かる。

図６は、電気刺激前後の親指と薬指の変位量を測定した結果を示す図である。図６（Ａ）は電気刺激前の親指の変位量、図６（Ｂ）は電気刺激後の親指の変位量を示す。また、図６（Ｃ）は電気刺激前の薬指の変位量、図６（Ｄ）は電気刺激後の薬指の変位量を示す。図６（Ａ）から（Ｄ）によれば、親指と薬指の両方の指において、電気刺激後の変位量は、電気刺激前の変位量と比較して、小さくなっている。また、図６において、電気刺激を受けていない薬指でも、変位量の改善が見られることが分かる。また、図６において、試行の１回転目から、改善が見られることが分かる。さらに、図６では、１回転あたりの指の変位量の減少によって、回転周波数の増大がもたらされることが分かる。

以上、本実施の形態の身体運動機能増強装置１によれば、生体の運動機能を向上できる。さらに具体的には、本実施の形態の身体運動機能増強装置１によれば、リラックスした手への受動的な求心性感覚情報操作で、直後の能動的運動制御過程の効率化を導ける。また、本実施の形態の身体運動機能増強装置１によれば、手指主要筋のみへの簡便な感覚情報操作が、手指全体の協調運動を要求する運動技能を、再現性高く向上させ得る。

なお、本実施の形態の具体例によれば、皮膚の上に電極を貼り付け、皮膚の上から、電気刺激を与えた。しかし、筋肉（例えば、親指の筋）に微少電極を挿入し、上記と同様の運動閾値以下の電気刺激（非筋収縮電流による刺激）を生体の主要筋に与えても良い。かかる場合も、上記の実験結果等で示したと同様の効果が見られる。かかる効果を図７に示す。図７における実験では、電気刺激を与えた時間は、３０秒または９０秒である。図７の横軸は、試行（Ｔｒｉａｌｓ）の進行を示す。図７の縦軸は回転周波数［Ｈｚ］を示す。図７の７１は、電気刺激を与える前の７回の試行結果、７２は電気刺激を与えた後の７回の試行結果である。電気刺激を与えた後は、明らかに、回転周波数が増大している。図７は、電気による筋深部刺激が、運動能力向上に大きく寄与していることを示す。

また、本実施の形態において、電気刺激を与える筋は問わない。ただし、生体の運動に大きく影響する上肢または下肢の主要筋に対して、電気刺激を与えることは好適である。

また、本実施の形態において、電気刺激を与える電極１２の数も問わない。ただし、電極１２の数は、２以上であることは好適である。

また、本実施の形態において、身体運動機能増強装置１が口輪筋に電気刺激を与えることにより、構音制御（早口言葉の制御）の向上も期待できる。

また、本実施の形態において、電極１２をボディースーツの内部に配置しても良いことは言うまでもない。かかる場合、生体の主要筋に電気刺激を与え得る位置に２以上の電極を配置したボディースーツであることは好適である。かかる位置は自明であるので、詳細な説明を省略する。また、かかる位置は生体の大きさや形状など（人の身長や体型など）によって、若干の差異が生じ得ることも言うまでもない。さらに、ボディースーツは、小型の低周波電気刺激装置１１を含んでいることは好適である。

また、本実施の形態の身体運動機能増強装置１によれば、効率的な運動制御様式は、脳内に保存され、プラトー状態（頭打ち）にある運動技能を再向上させることも可能である。かかる効果を示す実験結果を図８に示す。図８の横軸は日の経過（時間軸）を示し、縦軸は回転周波数［Ｈｚ］である。図８の８１、８２は、電気刺激なしの日における試行結果を示す。８１は、試行の１回目から５回目までの平均値である。８２は、試行の６回目から１４回目までの平均値である。日によって若干のばらつきがあるものの、電気刺激なしであるので、１回目から５回目と６回目から１４回目までとでは、回転周波数の差がほとんど無い、と言える。図８の８３、８４に対応する日は、試行の１回目から５回目までは電気刺激なし、である。試行の５回目の後に電気刺激を付与し、試行の６回目から１４回目までは、電気刺激がある場合を示している。電気刺激を付与した１日目の電気刺激を付与する前の試行（１回目から５回目まで）の回転周波数は、概ね２．１５であった（図８の８３１参照）。また、電気刺激を付与した１日目の電気刺激を付与した後の試行（６回目から１４回目まで）の回転周波数は、概ね２．２５であった（図８の８４１参照）。そして、電気刺激を付与した２日目の電気刺激を付与する前の試行（１回目から５回目まで）の回転周波数は、概ね２．２０であった（図８の８３２参照）。また、電気刺激を付与した２日目の電気刺激を付与した後の試行（６回目から１４回目まで）の回転周波数は、概ね２．２８であった（図８の８４２参照）。これは、前の日の電気刺激による向上効果が次の日に持ち越され、電気刺激の無い試行でも、回転周波数の向上が見られたことを示す。

また、上記各実施の形態において、各処理（各機能）は、単一の装置（システム）によって集中処理されることによって実現されてもよく、あるいは、複数の装置によって分散処理されることによって実現されてもよい。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる身体運動機能増強装置は、生体の運動機能を向上できる、という効果を有し、身体運動機能増強装置等として有用である。

実施の形態における身体運動機能増強装置の概念図 同身体運動機能増強装置のブロック図 同身体運動機能増強装置を利用した実験を示す図 同測定結果を示す図 同測定結果を示す図 同電気刺激前後の親指と薬指の変位量を測定した結果を示す図 同身体運動機能増強装置の効果を示す図 同身体運動機能増強装置の効果を示す図

符号の説明

１ 身体運動機能増強装置
１１ 低周波電気刺激装置
１２ 電極
１１１ 電流発生手段
１１２ 制御手段
１１３ 電流出力手段
１１２１ 停止機構

Claims (8)

1. ２以上の電極と、当該電極に電流を印加し、前記電極を介して生体に電気刺激を与える低周波電気刺激装置を具備する身体運動機能増強装置であって、
   前記低周波電気刺激装置は、
   筋収縮を引き起こさない範囲の強さの電流である非筋収縮電流を発生する電流発生手段と、
   所定時間のインターバルで、２回以上、前記電流発生手段に前記非筋収縮電流を発生させる制御手段と、
   前記制御手段が行う制御により、前記電流発生手段が発生した非筋収縮電流を前記電極に出力する電流出力手段とを具備する身体運動機能増強装置。
2. 前記制御手段は、
   予め決められた総刺激時間、または予め決められた回数で、前記非筋収縮電流を前記電極に出力することを停止するように制御する停止機構を具備する請求項１記載の身体運動機能増強装置。
3. 前記停止機構は、
   前記総刺激時間が３分以下となるように、前記非筋収縮電流を前記電極に出力することを停止するように制御する請求項２記載の身体運動機能増強装置。
4. 前記非筋収縮電流は、
   ０．５ｍＡから４ｍＡの間の電流の強さである請求項１から請求項３いずれか記載の身体運動機能増強装置。
5. 前記電流発生手段は、
   周波数が略５０Ｈｚから略１００Ｈｚの非筋収縮電流を発生する請求項１から請求項４いずれか記載の身体運動機能増強装置。
6. 前記電流発生手段は、
   １パルス幅２５０μ秒以上の非筋収縮電流を発生する請求項１から請求項５いずれか記載の身体運動機能増強装置。
7. 請求項１から請求項６いずれか記載の身体運動機能増強装置を具備するボディースーツであり、
   前記２以上の電極をボディースーツの内部に配置し、かつ、生体の主要筋に前記電気刺激を与え得る位置に前記２以上の電極を配置したボディースーツ。
8. 電流発生手段、制御手段、および電流出力手段とを用いて実現される身体運動機能増強方法であって、
   前記電流発生手段により、筋収縮を引き起こさない範囲の強さの電流である非筋収縮電流を発生する電流発生ステップと、
   前記制御手段により、所定時間のインターバルで、２回以上、前記電流発生手段に前記非筋収縮電流を発生させる制御ステップと、
   前記電流出力手段を用いて、前記制御ステップによる制御を行って、前記電流発生ステップで発生した非筋収縮電流を電極に出力する電流出力ステップとを具備する身体運動機能増強方法。