JP2015058209A - 電気刺激装置及び電気信号による運動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気刺激用電極の配置及び強度の適正化を図ることで、照準を定めた領域に対して増幅された電気刺激を付与することができる、電気刺激装置及び電気信号による運動制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の電気刺激装置は、電気刺激用電流を発振する発振器と、該発振器が発振した電気刺激用電流を生体の特定領域に伝える電極とを備え、前記電極は、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対からなり、それぞれの電極対において、一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることで、前記電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域の電気刺激を増幅させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気刺激装置及び電気信号による運動制御方法、特に、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対を備える電気刺激装置及び前記電極対を用いた電気信号による運動制御方法に関する。

生体の表面から電気刺激を与え、生体内の神経や筋肉を刺激する種々の電気刺激装置が知られている。このような電気刺激装置は、例えば、脳血管障害や、脳性麻痺等の脳性疾患、又は、脊髄損傷等の脊髄性疾患などによって身体機能に障害をもつ患者に対する治療を目的として用いられている。
また、患者に対する治療等の目的に限られず、このような電気刺激装置は、特定の遠心性神経線維（運動神経）に対して刺激（ＦＥＳ）を行うことで、動かしたい筋肉の運動を誘起することが可能である。

また、近年では、障害部位に対する感覚閾値前後の微弱な電気刺激による感覚神経刺激（ＰＮＳ）が機能障害部位に関連する大脳皮質運動の活性化を促すことで機能回復を促進させることが明らかとなり、リハビリテーションへの応用も行われている。

上述の電気刺激装置を用いた技術として、例えば特許文献１には、２つの電極を有するチャンネルを２組備え、各チャンネルから、波形が正弦波で、周波数が互いに異なる電流を発信する装置が開示されており、この電気刺激装置によれば、各チャンネルを構成している電極同士を結ぶ仮想線が交差するように各チャンネルの電極を配置することで、各チャンネルから発信された電流を生体の深部で干渉させることができ、形成された干渉波により生体の深部の広範囲な領域に電気刺激を与えることができるとされている。

特開２００２−２６３２００号公報

ところで、電気刺激装置が発信する電気刺激用の電流による治療等が、十分な効果を奏するためには、当該装置による電気刺激が、身体機能の治療等の対象となる部位に正確に与えられることが重要である。
しかしながら、電気刺激を与えることが必要な部位に増幅された高強度の電気刺激を与えること、つまり、電気刺激の強度及び位置の制御については、十分に行われていなかった。

そのため、本発明は、電気刺激用電極の配置及び強度の適正化を図ることで、照準を定めた領域に対して増幅された電気刺激を付与することができる、電気刺激装置及び電気信号による運動制御方法を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を解決するべく検討を行った結果、電極について、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対から構成することで、電気刺激を与えた際に各電極からの電気刺激が干渉し合い、特定部位における刺激の大きさに変化が生じることに着目した。
そして、さらなる鋭意研究を行った結果、それぞれの電極対において、一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることによって、前記電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域の電気刺激を増幅させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の通りである。
本発明の電気刺激装置は、電気刺激用電流を発振する発振器と、該発振器が発振した電気刺激用電流を生体の特定領域に伝える電極とを備え、前記電極は、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対からなり、それぞれの電極対において、一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることで、前記電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域の電気刺激を増幅させることを特徴とする。

また、前記電気刺激装置は、前記発振器へと信号を送るスイッチをさらに備え、該スイッチからの信号を契機に、前記一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることが好ましい。

さらに、前記電極は、第一電極対及び第二電極対からなり、前記第一電極対及び第二電極対は、それぞれ、顎下部又は前頸部に配置される下部電極と、頬部に配置される上部電極とから構成されることが好ましく、
前記電気刺激用電流の強度を高める電極は、第一電極対及び第二電極対の下部電極であり、該電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域が、喉頭挙上筋群であることがより好ましい。

本発明の電気信号による運動制御方法は、電流を発振する発振器と、発振器が発振した電流を特定領域に伝える電極とを用い、前記電極は、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対から構成し、前記発振器へと信号を送るためのスイッチから発した信号を契機に、それぞれの電極対における一方の電極の電流強度を高めることで、前記電流強度が高められた電極同士に囲まれた領域の運動強度を増幅させることを特徴とする。

本発明の電気刺激装置及び電気信号による運動制御方法によれば、電気刺激の強度及び位置の制御が可能となり、照準を定めた領域に対して増幅された電気刺激を付与することができる。

本発明による電気刺激装置の電極配置を説明するため、患者の頭部付近の正面を模式的に示した図である。 各電極対において電気刺激用電流（パルス電流）の電流の流れた電極と、それによって電気刺激の発生した部位とを示した図である。 各電極対において電気刺激用電流（交流電流）の強度を高めた電極と、それによって電気刺激の増幅された部位とを示した図である。 （ａ）は本発明の電気刺激装置の生体に配置する前の状態を模式的に示した図であり、（ｂ）は電気刺激装置に用いられる電極を模式的に示した図である。 本発明による電気装置に用いられる電極の別の実施形態について模式的に示した図であり、（ａ）は全体を示す図であり、（ｂ）は取付面を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）のａ−ａ線に沿う断面を示す図である。 本発明による電気装置の電極を患者に配置した状態を模式的に示した図である。 本発明による電気信号による運動制御方法を説明するため、電極対の位置と、電気刺激が増幅される領域との位置関係を示した図である。

以下、本発明による電気刺激装置、及び、電気信号による運動制御方法について、必要に応じて図面を参照しつつ具体的に説明する。

＜電気刺激装置＞
まず、本発明の電気刺激装置について説明する。
本発明の電気刺激装置１０は、図４に示すように、電気刺激用電流を発振する発振器（図示せず）と、該発振器が発振した電気刺激用電流を生体の特定領域に伝える電極４０とを備え、前記電極４０は、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対４１、４２からなり、それぞれの電極対４１、４２において、一方の電極（例えば、４１ｂと４２ｂ）の電気刺激用電流の強度を高めることで、特定領域の電気刺激を増幅させる。

以下、本発明の電気刺激装置の各構成要素について説明する。
（電極）
本発明の電気刺激装置に用いられる電極は、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対からなり、それぞれの電極対において、一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることで、前記電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域の電気刺激を増幅させることを特徴とする。

ここで、通電路が互いに交差するように配置された電極対とは、例えば２つの電極対からなる場合には、図１に示すように、第一の電極対をＡ及びＢに配置し、第二の電極対をＣ及びＤに配置した状態で、それぞれの電極対を結ぶ仮想線（図１では破線で示す）同士が交差することとなる。この場合、Ａ及びＢに配置した第１電極対の通電路とＣ及びＤに配置した第２電極対の通電路とは互いに交差することとなる。
前記通電路が互いに交差するように配置する理由としては、各電極対に流れる電気が生体の深部の領域で干渉し合うことで、干渉領域に存在する神経や筋肉に対して電気刺激を与えることが可能となるからである。

また、前記電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域とは、図１に示すように、例えば、第一の電極対のうちＢに配置した電極と、第二の電極対のうちＤに配置した電極の電気刺激用電流の強度を高めた場合に、それらに囲まれた領域（２）のことを示し、また、第一の電極対のうちＢに配置した電極と、第二の電極対のうちＣに配置した電極の電気刺激用電流の強度を高めた場合に、それらに囲まれた領域（３）のことを示す。

本発明は、上記構成を具えることで、それぞれの電極対において、一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることによって、高めた電気刺激用電流を干渉させ、特定領域の電気刺激を増幅させることが可能となる。
ここで、図２は、図１のＡ及びＢに配置した第一の電極対、及び、Ｃ及びＤに配置した第二の電極対において、それぞれ一方の電極について電気刺激用電流を発生させた場合に、どこに電気刺激が与えられるかの実験を行い、その結果を示した図である。図２からもわかるように、第一の電極対のうちＡに配置した電極と、第二の電極対のうちＣに配置した電極の電気刺激用電流の強度を高めた場合には、それらに囲まれた領域（１）：上咽頭、中咽頭に電気刺激が生じ、第一の電極対のうちＢに配置した電極と、第二の電極対のうちＤに配置した電極の電気刺激用電流の強度を高めた場合には、それらに囲まれた領域（２）：喉頭挙上筋群への電気刺激が生じている。

なお、前記電極の配置位置やサイズについては、変更すると電流の干渉する位置が異なってくることから、所望の領域に対して増幅された電気刺激を与えることができるように、各電極の配置位置を正確に位置決めし、サイズの選択を行うことが好ましい。

また、前記電極は、図６に示すように、第一電極対４１及び第二電極対４２からなり、前記第一電極対４１及び第二電極対４２は、それぞれ、顎下部又は前頸部に配置される（図６では顎下部にされている）下部電極４１ｂ、４２ｂと、頬部に配置される上部電極４１ａ、４２ａとから構成されることが好ましい。前記電極配置とすることで、嚥下機能障害をもつ患者の治療又はリハビリテーションを行うことができるからである。

さらに、前記電気刺激用電流の強度を高める電極は、第一電極対及び第二電極対の下部電極（図１のＢ、Ｄに配置される電極）であり、該電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域が、喉頭挙上筋群（図１の（２）の領域）であることがより好ましい。喉頭挙上筋群に対する刺激を増幅することができるため、嚥下機能障害のより効果的な治療又はリハビリテーションを行うことができるからである。

なお、前記電極の上述した構成以外の部分については、特に限定はされず、公知の電気刺激用電極を用いて行うこともできる。
例えば、図４（ｂ）に示すように、発振器（図示せず）と配線５０を介して接続されたケース部分４３及び取付側部分４４とからなる電極４０を用いることができる。
ここで、前記取付側部分４４は、導電部と絶縁部とからなり、この導電部及び絶縁部の少なくとも一方は、前記電極４０を生体の表面に取り付けることができるように、粘着性を有する部材、例えば導電性高分子ゲル、または、電解質もしくは導電性物質を含むハイドロゲルもしくはゾル等で形成されることが好ましい。また、ハイドロゲルおよびゾルは、例えば、ポリ（アミドアミン）、ポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリウレタン、ポリ（エチレングリコール）、ポリ（エチレングリコールモノメタクリレート）、ポリ（メタクリル酸）−コ−ポリ（エチレングリコール）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（ビニル−ピロリドン）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（アミノプロルイメタクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチル−２−アミノエチルメタクリレート）若しくはこれらのコポリマー、ブロックコポリマー、グラフトコポリマー、並びにこれらのヘテロポリマー、又はこれらの組合せから選択される少なくとも１つのポリマーを含むことが好ましい。

また、電極の取付位置の位置決めを容易に行え、電気刺激を与える位置を変更することができる点から、前記電極は、前記生体の表面に対して電気刺激用の電流を通電する面積を変更可能な通電面積変更機構を備えることが好ましい。

前記通電面積変更機構を具える電極としては、例えば図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、円盤状の本体部４５と、その略中央から延びる配線５０とを有している。また、本体部４５は、生体の表面に取り付けられて生体へ電気刺激用の電流を与える部分を含む取付側部分４４と、後述の通電範囲変更部を内部に含むケース部分４３とから形成されている。 また、電気刺激装置用電極４０の底面図を図５（ｂ）に示し、図５（ｂ）のａ−ａ線に沿う断面図を図５（ｃ）に示すように、取付側部分４４は、生体へ取り付けられる取付面Ｐ（図５（ａ）の下方の面）と、取付面Ｐとは逆側に位置する非取付面Ｎを有している。そして、ケース部分４３は、接着や溶着などの既知の手段を用いて、非取付面Ｎ上に固着されている。なお、図示では本体部４５は円盤状であるが、任意の形状にすることができる。

また、図５（ｂ）に示すように、前記電極４０では、導電部４４ａと絶縁部４４ｂとが同心円状に交互に配置されている。
なお、この実施形態では、３つの導電部４４ａ（中心側から外周縁側に向かって、円盤状の導電部４４ｃ、円環状の導電部４４ｄおよび４４ｅ）と、２つの円環状の絶縁部４４ｂとを交互に有しているが、前記電極４０では、導電部４４ａおよび絶縁部４４ｂの個数は任意に増減させることができる。また、前記電極４０では、導電部４４ａおよび絶縁部４４ｂを同心円状以外の形状に配置してもよく、また、導電部４４ａおよび絶縁部４４ｂを例えば直方体状や立方体状などの形状にすることも可能である。さらにこの実施形態では、導電部４４ａ及び絶縁部４４ｂは粘着性を有する部材としているが、前記電極４０では、導電部４４ａおよび絶縁部４４ｂを非粘着性の部材にするとともに、取付側部分４４の外周側に粘着材を設けてもよい。また、絶縁部４４ｂは、絶縁性を有する部材を用いる他、各導電部４４ａを離間させて配置することで形成される空間を利用して空気絶縁するものであってもよい。

配線５０および当該配線５０が接続されたケース部分４３内には、図５（ｃ）に示すように、導電部４４ａの数に対応した数（図示例では３本）の導線５０ａが通っている。そして、導線５０ａは、それぞれ、一端が導電部４４ａの何れかに接続され、他端が、図示しない電気刺激用の電流の供給源（例えば、電気刺激装置の発振部や増幅部）に接続可能に形成されている。そして、各導線５０ａは、配線５０内で互いに接触して導通することが無いように、外周面が絶縁性部材で被覆されている。
なお、導線５０ａの一端と導電部４４ａとの接続は、直接的に導線５０ａの一端を導電部４４ａに接続させてもよく、間接的に、すなわち、導線５０ａの一端と導電部４４ａとを、その間に導電性金属板、金属シート、カーボンシート等の導電伝達部材を介して接続することも可能である。
また、前記電極４０では、１本の配線５０内に３本の導線５０ａを収容し、当該配線５０をケース部分４３に接続したが、本発明の電気刺激装置用電極４０では、１本の導線５０ａを収容した複数本の配線５０をケース部分４３に接続してもよい。

図５に示す電気刺激装置用電極４０によれば、互いに離隔して配置された複数の導電部４４ａと、導電部４４ａ間に位置する絶縁部４４ｂと、各導電部４４ａに個別に接続された導線５０ａとを通電面積変更機構として機能させることにより、電極を取り付けた生体の表面に対して電気刺激用の電流を通電する面積を変更することができる。

（発振器）
本発明の電気刺激装置に用いられる発振器（図示せず）は、電気刺激用電流を発振する。かかる電気刺激用電流の種類としては、パルス電流でも交流電流でも構わない。
また、本発明の電気刺激装置は、通常、前記発振器とともに、制御機構（図示せず）や、増幅機構（図示せず）についても備える。

前記発振器がパルス電流を発振した場合、図２に示すような形で、電流が流れるため、それぞれの前記電極対のうちいずれかの電極における電気刺激用電流の強度を高めることで、所望の領域（図２では（２）喉頭挙上筋群）の電気刺激を増幅させることが可能となる。

また、前記発振器が交流電流を発振した場合も、図３に示すような形で、電流が流れるため、それぞれの前記電極対のうちいずれかの電極（図３ではＢとＤに配設された電極）における電気刺激用電流の強度を、任意のタイミングで高めることによって、所望の領域（図３では（２）喉頭挙上筋群）における電気刺激を増幅させることが可能となる。

なお、電流の刺激周波数としては、低周波の周波数帯は、１Ｈｚ〜９９９Ｈｚ（１０００Ｈｚ未満）、好適には１Ｈｚ〜２００Ｈｚとすることができ、矩形波幅は０．５μｓｅｃ〜５．０ｍｓｅｃであることが好ましい。なお、電流の波形を適宜変調することは可能である。また、図３に示すような交流波を使用する場合においては、搬送波周波数は１０００Ｈｚ〜２００ｋＨｚ、好適には１０００Ｈｚ〜１０ｋＨｚとすることができる。また、周波数の異なる２つの交流波を干渉させることで周波数差にもとづく刺激を発生させることも可能である。ここで選択される周波数差は１Ｈｚ〜９９９Ｈｚ、好適には１Ｈｚ〜２００Ｈｚとすることが出来る。
なお、刺激周波数とは、神経や筋組織に対して与えられる刺激の周波数のことを指す。
（その他）
本発明の電気刺激装置は、図４（ａ）に示すように、操作部３０を備える。そして、該操作部３０は、その内部に、入力部３１、表示部３２、電源部（図示せず）、を有する。
入力部３１は、例えば、電気刺激用の電流をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチを含み、種々の操作を行うためのスイッチや、種々の設定を行うためスイッチが設けられている。そして、電気刺激装置の使用者が入力部３１のスイッチを押すと、当該スイッチに応じた信号が入力部３１から出力され、出力された各信号はそれぞれ制御部（図示せず）に入力される。該制御部は、入力部３１から出力された信号に応じた処理を実行して、前記発振器の動作を制御する。該発振器は、パルス電流を出力する。
また、表示部３２は、例えば入力部３１を介して入力した各種設定値を表示し、電気刺激装置１の使用者が設定内容を確認することができるようにされている。
なお、増幅部は、前記発振器と電極４０との間に位置し、パルス生成部が発振した電気刺激用の電流を増幅する。増幅部での増幅により、適当な電力を有する電流を生体に与えることができる。

また、前記入力部３１のスイッチのうちの一つは、前記発振器へと信号を送るためのスイッチであり、該スイッチからの信号を契機に、前記一方の電極（例えば、４１ｂ、４２ｂ）の電気刺激用電流の強度を高めることが好ましい。スイッチからの信号を契機に電気刺激を増幅させることができるため、使用者の好みのタイミングに従って所望の領域の電気刺激を増幅させることが可能になる。なお、スイッチの代わりに、受療自身の運動を検出する各種センサー、筋電センサーやブレインマシンインターフェースのような脳神経活動のセンシングによって取得される電気信号を前記入力部３１のスイッチにより回路内に信号の代わりとし、受療自身が意図したタイミングで電気刺激強度を高める設計としても良い。

なお、本発明の電気刺激装置では、特定の電極における電気刺激用電流の強度を高め電気刺激を増幅させることから、機能的電気刺激（ＦＥＳ）を対象としたものであるが、並行して、感覚神経刺激（ＰＮＳ）についても行うことが好ましい。治療の相乗効果を得ることができるからである。

＜電気信号による運動制御方法＞
次に、本発明の電気信号による運動制御方法について説明する。
本発明の電気信号による運動制御方法は、電流を発振する発振器と、発振器が発振した電流を特定領域に伝える電極とを用い、前記電極は、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対から構成し、前記発振器へと信号を送るためのスイッチから発した信号を契機に、それぞれの電極対における一方の電極の電流強度を高めることで、前記電流強度が高められた電極同士に囲まれた領域の運動強度を増幅させることを特徴とする。

図７に示すように、本発明の電気信号による運動制御方法では、例えば、第一の電極対をＡ及びＢに配置し、第二の電極対をＣ及びＤに配置した状態で、それぞれの電極対を結ぶ仮想線（図７では破線で示す）同士が交差することとなる。この場合、Ａ及びＢに配置した第１電極対の通電路とＣ及びＤに配置した第２電極対の通電路とは互いに交差することとなる。
また、前記電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域とは、図７に示すように、例えば、第一の電極対のうちＢに配置した電極と、第二の電極対のうちＤに配置した電極の電気刺激用電流の強度を高めた場合に、それらに囲まれた領域（２）のことを示し、また、第一の電極対のうちＢに配置した電極と、第二の電極対のうちＣに配置した電極の電気刺激用電流の強度を高めた場合に、それらに囲まれた領域（３）のことを示す。

なお、本発明の電気信号による運動制御方法については、人体に関わらず、生体全般に対して運動強度の増幅を行うことが可能である。
また、運動制御の目的も、治療やリハビリテーションに関わらず、各種実験やその他の用途に用いることが可能である。

また、本発明の電気信号による運動制御方法は、生体の治療やリハビリテーションのための電気刺激方法として用いられることが好ましい。照準を定めた領域に対して増幅された電気刺激を付与することができる結果、身体機能等の治療やリハビリテーションに高い効果を奏するためである。

発明の電気刺激装置及び電気信号による運動制御方法によれば、電気刺激の強度及び位置の制御を行うことが可能となり、照準を定めた領域に対して増幅された電気刺激を付与することできる。

１０ 電気刺激装置
３０ 操作部
３１ 入力部
３２ 表示部
４０ 電極
４１、４２ 電極対
４１ａ、４１ｂ 電極
４２ａ、４２ｂ 電極
４３ ケース部分
４４ 取付側部分
４４ａ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ 導電部
４４ｂ 絶縁部
４５ 本体部
５０ 配線
５０ａ 導線
Ｎ 非取付面
Ｐ 取付面

Claims (6)

1. 電気刺激用電流を発振する発振器と、該発振器が発振した電気刺激用電流を生体の特定領域に伝える電極とを備え、
   前記電極は、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対からなり、それぞれの電極対において、一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることで、前記電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域の電気刺激を増幅させることを特徴とする電気刺激装置。
2. 前記電気刺激装置は、前記発振器へと信号を送るセンサーをさらに備え、該センサーからの信号を契機に、前記一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることを特徴とする請求項１に記載の電気刺激装置。
3. 前記電気刺激装置は、前記発振器へと信号を送るスイッチをさらに備え、該スイッチからの信号を契機に、前記一方の電極の電気刺激用電流の強度を高めることを特徴とする請求項１に記載の電気刺激装置。
4. 前記電極は、第一電極対及び第二電極対からなり、
   前記第一電極対及び第二電極対は、それぞれ、顎下部又は前頸部に配置される下部電極と、頬部に配置される上部電極とから構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気刺激装置。
5. 前記電気刺激用電流の強度を高める電極は、第一電極対及び第二電極対の下部電極であり、該電気刺激用電流の強度が高められた電極同士に囲まれた領域が、喉頭挙上筋群であることを特徴とする請求項４に記載の電気刺激装置。
6. 電流を発振する発振器と、発振器が発振した電流を特定領域に伝える電極とを用い、
   前記電極は、通電路が互いに交差するように配置された少なくとも２つの電極対から構成し、前記発振器へと信号を送るためのスイッチから発した信号を契機に、それぞれの電極対における一方の電極の電流強度を高めることで、前記電流強度が高められた電極同士に囲まれた領域の運動強度を増幅させることを特徴とする電気信号による運動制御方法。

Images