JP2014064735A

JP2014064735A - 電気的筋肉刺激装置

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Publication number: JP2014064735A
Application number: JP2012211804A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Nagone; 正昭名郷根; Tetsuo Takahashi; 哲雄高橋
Original assignee: FINGGAL LINK CO Ltd
Current assignee: FINGGAL LINK CO Ltd
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: JP6188300B2

Abstract

【課題】筋組織に対して、筋肉トレーニング及び廃用性症候群等による筋萎縮の予防並びに治療、および筋肉の疼痛の治療において、刺激に対する慣れを引き起こすことなく、また電気刺激をより効率よく様々な筋線維に同時に行うことができる電気的刺激装置を提供する。
【解決手段】皮膚に当接される電極１１，１２を備え、第１電気信号生成手段６で生成された低周波の第１の電気信号ＬＦに第２電気信号生成手段７で生成された高周波の第２の電気信号ＨＦを重畳して電極１１，１２から出力することで、皮膚に電気刺激を与える電気的刺激装置であり、第１の電気信号ＬＦは、所定時間ごとに階段状に振幅電圧が増減する階段状波形Ｓが正負両方向に交互に連続して繰り返される階段波であり、第２の電気信号ＨＦは、第１の電気信号ＬＦよりも短い周期の矩形波を複数含むパルスＳが断続的に繰り返されるパルス波である。
【選択図】図１

Description

本発明は、筋肉トレーニング及び廃用性症候群等による筋萎縮の予防並び治療、筋肉の疼痛の治療において電気刺激を効率よく行うことができる電気的刺激装置に関する。

電気信号を外部より神経組織や筋組織に与え、筋肉を収縮させることにより、運動機能を改善させたり、運動機能を強化する電気的筋肉刺激（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｕｓｃｌｅＳｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ: ＥＭＳ）法は、アスリートの筋肉トレーニングや、廃用性症候群や筋萎縮性疾患患者のリハビリテーションなどで、一定の効果を上げている。ＥＭＳ法による電気刺激は、本来ならば随意的に行われる筋肉の収縮を、中枢神経支配とは関係なく起こさせる。従って、体が静止状態であっても、筋肉に対して、一定の運動を行っているのと同じ負荷をかけることができる。その結果、体を激しく動かす運動を行うことなく筋繊維を太く強化させ、また、脊髄損傷や、筋萎縮性側索硬化症などにより、運動ニューロンからの刺激が断絶された筋組織においても、無作為による筋組織の萎縮を防ぐことができる。

電気刺激により誘導される筋肉の収縮の仕方は、刺激として用いる電気の出力（強さ）、周波数、波形、パルス幅、刺激時間の長さ等によって、異なることが知られている。

一般に、筋肉トレーニングに用いられている電気刺激方法は、中周波と呼ばれる１，０００Ｈｚ以上（具体的には２，５００Ｈｚ）の交流正弦波を断続して発振させるバースト波を用いている。

この中周波によれば、筋肉に電流が流れ筋肉の最大収縮が得られるとともに、筋組織周辺に存在する神経線維の細胞膜の脱分極を引き起こすため、被施行者が痛みを感じにくいというメリットがある。また、中周波による電気刺激は、皮膚に電極を貼付し、経皮的に深部の筋組織に刺激を与えその効果を発揮することが知られている。

これに対して、廃用性症候群等による筋萎縮の予防並びに治療に用いられるＥＭＳ法は、治療的電気刺激法 (ＴｈｅｒａｐｅｕｔｉｃＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ:ＴＡＳ法)と呼ばれる。ＴＡＳ法としては、現在主に二つの刺激方法が行われている。一つの方法は、４，０００Ｈｚ前後の周波数がわずかに異なる２以上の電流を同時に流し、生体内で生じる干渉電流で刺激を行う干渉電流型低周波による刺激である。もう一つの方法は、１，０００Ｈｚ以下で、単極性又は双極性の低周波のパルス電流を用いる刺激方法である。これらもまた、皮膚に電極を貼付し、経皮的に深部の筋肉の刺激を与える。

さらに、筋肉トレーニング等の負荷運動においては、筋肉に軽度の負荷をかけた状態で、さらに強い負荷をかけることがより効率的で好ましいとされている（特許文献１）。

特開２００９−２１３６８７号公報

しかしながら、単一周波数による刺激は、繰り返し行われることにより、筋線維の適応、つまり、刺激に対する慣れを引き起こし、トレーニング効果が得られにくくなるという課題も残されている。

本発明の課題は、筋組織に対して、筋肉トレーニング及び廃用性症候群等による筋萎縮の予防並びに治療、および筋肉の疼痛の治療において、刺激に対する慣れを引き起こすことなく、また電気刺激をより効率よく様々な筋線維に同時に行うことができる電気的刺激装置を提供することにある。

出願人は、鋭意研究を重ねた結果、低周波の第１の電気信号に、第１の電気信号よりも高周波の第２の電気信号を重畳して電気刺激を与える際に、第１の電気信号を、所定時間ごとに階段状に振幅電圧が増減する階段状波形が正負両方向に交互に連続して繰り返される階段波とし、第２の電気信号を、第１の電気信号よりも短い周期の矩形波を複数含むパルスが断続的に繰り返されるパルス波とすることにより、刺激に対する慣れを引き起こすことなく、また従来の電気的刺激法の利点を損なうことなく、より効率的に様々な筋線維に同時に電気刺激を与えることができ、筋肉トレーニング及び廃用性症候群等による筋萎縮の予防並びに治療、および筋肉の疼痛の治療の効果を高める電気的刺激装置を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の態様に関する。

項１．皮膚に当接される電極を備え、第１電気信号生成手段で生成された低周波の第１の電気信号に第２電気信号生成手段で生成された高周波の第２の電気信号を重畳して前記電極から出力することで、皮膚に電気刺激を与える電気的刺激装置において、
前記第１の電気信号は、所定時間ごとに階段状に振幅電圧が増減する階段状波形が正負両方向に交互に連続して繰り返される階段波であり、
前記第２の電気信号は、前記第１の電気信号よりも短い周期の矩形波を複数含むパルスが断続的に繰り返されるパルス波である電気的刺激装置。
項２．前記第１の電気信号の周期の一部に、前記第２の電気信号の前記パルスを重畳させる項１に記載の電気的刺激装置。
項３．少なくとも前記第１の電気信号の振幅電圧が最大となる水平領域に、前記第２の電気信号の前記パルスを重畳させる項２に記載の電気的刺激装置。

低周波の第１の電気信号による第１電気刺激と高周波の第２の電気信号による第２電気刺激とを組み合わせた電気的刺激装置を用いることにより、刺激に対する慣れを引き起こすことなく、また従来の電気的刺激法の利点を損なうことなく、より効率的に様々な筋線維に同時に多様な電気刺激を与えることができ、筋肉トレーニング及び廃用性症候群等による筋萎縮の予防並びに治療の効率を高めることができる。

さらに、第１電気刺激として、階段波（第１の電気信号）による刺激を与えることにより、筋組織近傍の神経線維の細胞膜が暫定的な脱分極を起こすため、強い高周波パルス波（第２の電気信号）による第２電気刺激を与えても痛みを感じず、被施行者の負担を軽減することができる。

より具体的な効果としては、
（１）筋肉トレーニングにおいては、階段波（第１の電気信号）による第１電気刺激により、筋肉に軽度の刺激をかけつつ、高周波パルス波（第２の電気信号）による第２電気刺激により、より強い刺激を与えることで、電気刺激に対する筋肉の適応を引き起こすことなく、効率的に筋肉を強化する効果、
（２）廃用性症候群等による筋萎縮の予防及び治療においては、運動ニューロンからの刺激が断絶された筋肉に対して、高周波パルス波（第２の電気信号）による第２電気刺激により、規則的又は不規則に電気刺激を与えることにより、随意運動に近い筋肉の動きを引き起こすとともに、階段波（第１の電気信号）による第１電気刺激により、筋肉に軽度の刺激をかけ続けるため、筋線維が細く萎縮することを防ぐ効果、
（３）上記筋肉の収縮効果により、感覚神経線維であるＧＩａ、及びＧＩｂ線維を刺激し痙性を改善する、又は末梢循環を改善させ、浮腫、疼痛を改善する等の二次的効果、
が挙げられる。

さらに、本発明は、骨格筋（横紋筋）の他、靱帯、腱の強化にも有効である。

本発明の一実施形態に係る電気的刺激装置のブロック図である。第２の電気信号の出力波形図である。第１の電気信号の出力波形図である。図１の電気的刺激装置により出力される電気信号の出力波形図である。図１の電気的刺激装置により出力される電気信号の他の実施形態を表す出力波形図である。図１の電気的刺激装置により出力される電気信号の他の実施形態を表す出力波形図である。図１の電気的刺激装置により出力される電気信号の他の実施形態を表す出力波形図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電気的刺激装置の構成を示すブロック図である。図１において、符号１は制御手段としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）である。このＣＰＵ１は周知のように、入出力手段、記憶手段および演算処理手段などを内蔵しており、記憶手段に記憶された制御シーケンスに従って所定のパターンの電気信号を人体（図示せず）に与えて電気刺激を与えるようになっている。

ＣＰＵ１からは、２系統の出力電圧指示信号と制御信号とが出力されるようになっている。これら２系統の出力電圧指示信号および制御信号のうち、１系統の信号は低周波の第１の電気信号の生成に用いられ、他の１系統の信号は高周波の第２の電気信号の生成に用いられる。

出力電圧制御回路２，３は、ＣＰＵ１から出力される出力電圧指示信号に対応した直流電圧を、第１、第２の電気信号生成手段６，７にそれぞれ出力する。出力電圧制御回路２，３は、図示しない電源から出力される所定の直流電圧により作動し、出力電圧指示信号に対応した所定の電圧レベルを有する可変出力信号を、それぞれ第１、第２の電気信号生成手段６，７に供給する。

第１の電気信号生成手段６および第２の電気信号生成手段７は、出力電圧制御回路２，３からの各出力電圧を、定電流駆動回路４およびパルス電流駆動回路５から供給される駆動信号に基づいて、所定振幅および所定周波数を有する電気信号に変換するものである。

第１の電気信号生成手段６は、一次側と二次側とを絶縁したトランス９を備えており、トランス９の一次巻線９Ａの一端が出力電圧制御回路２の可変出力信号ラインに接続されるとともに、定電流駆動回路４にトランス９の一次巻線９Ａの他端が接続されている。トランス９の二次巻線９Ｂの両端は、それぞれ出力端子たる一対の電極１１，１２に接続されている。

一方、第２の電気信号生成手段７は、一次側と二次側とを絶縁したトランス１０を備えている。トランス１０の一次巻線１０Ａの一端が出力電圧制御回路３の可変出力信号ラインに接続されるとともに、パルス駆動回路５にトランス１０の一次巻線１０Ａの他端が接続されている。トランス１０の二次巻線１０Ｂの両端は、それぞれ出力端子たる一対の電極１１，１２に接続されている。

パルス電流駆動回路５は、ＣＰＵ２からの制御信号に基づき、後述する第１の電気信号よりも短い周期の矩形波（オンパルス）を複数含むパルスを断続的に繰り返し出力する駆動信号を、第２の電気信号生成手段７のトランス１０の一次巻線１０Ａに出力する。これにより、第２の電気信号生成手段７では、パルス電流駆動回路５からの駆動信号と出力電圧制御回路３からの可変出力信号とで、トランス１０の二次巻線１０Ｂに、図２に示すように、所定の時間幅ｔ１および振幅ａを有する矩形波（オンパルス）を複数含むパルスＰが所定の時間間隔ｔ３毎に正負両方向に交互に出力されるパルス波形の電圧が誘起されて、第２の電気信号（高周波パルス）ＨＦが生成される。そして、この第２の電気信号ＨＦは電極１１，１２間に供給される。なお、ここで、振幅ａは、ＣＰＵ２からの指令によって、出力電圧制御回路３からの可変出力信号を可変することで大きさを適宜調整可能である。また、各矩形波の時間幅ｔ１や時間間隔ｔ２、パルスＰの時間間隔ｔ３も、ＣＰＵ２からの指令によって、パルス電流駆動回路５からの駆動信号を可変することで長さを適宜調整可能である。

定電流駆動回路６は、ＣＰＵ２からの制御信号に基づき、所定時間ごとに階段状に振幅電圧が増減する階段波形を正負両方向に交互に連続して出力する駆動信号を、第１の電気信号生成手段６のトランス９の一次巻線９Ａに出力する。これにより、第１の電気信号生成手段６では、定電流駆動回路４からの駆動信号と出力電圧制御回路２からの可変出力信号とで、トランス１０の二次巻線１０Ｂに、図３に示すように、振幅Ａを有し、所定の時間幅Ｔ１および所定の段差Ａ１で振幅電圧が階段状に増減する階段状波形Ｓが正負両方向に交互に連続して出力される階段波形の電圧が誘起されて、第１の電気信号ＬＦが生成される。そして、この第１の電気信号ＬＦは電極１１，１２間に供給される。なお、ここで、振幅Ａは、ＣＰＵ２からの指令によって、出力電圧制御回路３からの可変出力信号を可変することで大きさを適宜調整可能である。また、階段状波形Ｓの各段差Ａ１および各時間幅Ｔ１、また、周期Ｔは、ＣＰＵ２からの指令によって、定電流駆動回路４からの駆動信号を可変すること、例えば、波形中の立上り時点および立下り時点における電流値を変更することで各段差Ａ１の大きさを適宜調整可能であり、立上らせるタイミングおよび立下らせるタイミングを変更することで各時間幅Ｔ１の長さを適宜調整可能である。

このように、低周波の第１の電気信号ＬＦと高周波の第２の電気信号ＨＦとは、別々の電気信号生成手段６，７により生成されるが、両信号ともに共通の電極１１，１２間に出力されるため、電極１１，１２間において両信号は重畳される。したがって、低周波の第１の電気信号ＬＦに高周波の第２の電気信号ＨＦが重畳された電気信号を電極１１，１２間から人体に与えることができる。

低周波の第１の電気信号ＬＦに高周波の第２の電気信号ＨＦを重畳させる方法としては種々の方法が考えられる。例えば、図４に示すように、第１の電気信号（階段波）ＬＦの正負両方向の各階段状波形Ｓに対し、振幅電圧が最大となる水平領域に、第２の電気信号ＨＦのパルス（矩形波群）Ｐをそれぞれ重畳させることができる。この場合、当該水平領域の全時間幅にわたってパルス（矩形波群）Ｐを重畳させてもよいし、一部（中央部、前半部、後半部）の時間幅だけにパルス（矩形波群）Ｐを重畳させてもよい。

また、図５に示すように、第１の電気信号ＬＦの各階段状波形Ｓの各段の水平領域に第２の電気信号ＨＦのパルス（矩形波群）Ｐをそれぞれ重畳させることもできる。また、図６に示すように、第１の電気信号ＬＦの各階段状波形Ｓについて、一段おきにその水平領域に第２の電気信号ＨＦのパルス（矩形波群）Ｐをそれぞれ重畳させることもできる。また、図７に示すように、第１の電気信号ＬＦの正方向の各階段状波形Ｓに対してのみ、振幅電圧が最大となる水平領域に、第２の電気信号ＨＦのパルス（矩形波群）Ｐをそれぞれ重畳させることもできる。なお、図５および図６においても、第１の電気信号ＬＦの正方向の各階段状波形Ｓに対してのみ第２の電気信号ＨＦのパルス（矩形波群）Ｐをそれぞれ重畳させることができる。

このようにして、第１の電気信号ＬＦの周期Ｔ、振幅Ａ、時間幅Ｔ１および段差Ａ１、および、第２の電気信号ＨＦの振幅ａ、時間幅ｔ１、時間間隔ｔ２およびパルスの時間間隔ｔ３をそれぞれ適宜調整することで、色々な電気刺激モードに応じた種々の電気信号を人体に与えることができる。

なお、電気信号が実際に出力される際には、電気刺激モードが装置に表示されるとともに、ＣＰＵ１に内蔵されたタイマ（図示せず）が時間を計測し、その結果を装置に表示されるように構成されるのが好ましい。また、装置には、種々の電気刺激モードの中から特定の電気刺激モードを選択できるスイッチが複数備えられていて、これに対応して、選択された電気刺激モードが装置に表示されるとともに、ＣＰＵ１により、選択された電気刺激モードに対応する電気信号が電極１１，１２間に供給されるように構成されるのが好ましい。

６第１電気信号生成手段
７第２電気信号生成手段
１１，１２電極
Ｐパルス
Ｓ階段状波形
ＬＦ第１の電気信号
ＨＦ第２の電気信号

Claims

皮膚に当接される電極を備え、第１電気信号生成手段で生成された低周波の第１の電気信号に第２電気信号生成手段で生成された高周波の第２の電気信号を重畳して前記電極から出力することで、皮膚に電気刺激を与える電気的刺激装置において、
前記第１の電気信号は、所定時間ごとに階段状に振幅電圧が増減する階段状波形が正負両方向に交互に連続して繰り返される階段波であり、
前記第２の電気信号は、前記第１の電気信号よりも短い周期の矩形波を複数含むパルスが断続的に繰り返されるパルス波である電気的刺激装置。
前記第１の電気信号の周期の一部に、前記第２の電気信号の前記パルスを重畳させる請求項１に記載の電気的刺激装置。
少なくとも前記第１の電気信号の振幅電圧が最大となる水平領域に、前記第２の電気信号の前記パルスを重畳させる請求項２に記載の電気的刺激装置。