JP2018023640A - 筋トレーニング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筋の活動状態評価する為の別の装置を用意することなく、筋の活動状態に応じて最適な方法で筋を電気刺激する筋トレーニング装置を提供する。
【解決手段】筋の体表面に密着する内面に複数の電極が露出して設けられる絶縁シートと、複数の電極の少なくともいずれかの電極を刺激電極として、刺激電極に電気刺激信号を出力する刺激信号出力手段と、電気刺激信号の出力を停止している間に、複数の電極の少なくともいずれかの電極を筋電検出電極として、筋電検出電極に表れる筋活動電位を検出する筋電信号検出手段と、筋電検出電極の筋活動電位から筋の活動状態を判別する筋状態判別手段とを備え、筋状態判別手段が判別した筋の活動状態から電気刺激信号を出力する刺激電極や電気刺激信号の出力方法を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、筋肉の体表面に電気刺激信号を加えて、筋を伸縮させる電気的筋肉刺激ＥＭＳ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｓｃｌｅ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を利用した筋トレーニング装置に関し、更に詳しくは、筋の状態から最適な電気刺激信号を加え、効果的に筋をトレーニングする筋トレーニング装置に関する。

筋力アップやダイエットを目的として、筋に電気刺激信号を加え、筋を伸縮させることによりトレーニングする筋トレーニング装置が従来から知られている（特許文献１）。図８と図９は、特許文献１に記載された筋トレーニング装置１００を示し、腹筋をトレーニングするために、腹部の体表面に４個の刺激電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄを密着させている。

電気刺激出力部１０２は、制御部１０３の指示に基づいて４個の刺激電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄに出力する電気刺激信号を生成する。例えば、電気刺激出力部１０２は、４個の刺激電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄのうち、対角線に配置される刺激電極１０１ａと刺激電極１０１ｃ間に１０００Ｈｚの電気刺激信号を出力するとともに、残る対角線に配置される刺激電極１０１ｂと刺激電極１０１ｄ間に９００Ｈｚの電気刺激信号を出力し、これにより隣り合う刺激電極１０１間に１０Ｈｚの干渉波が発生し、その部位の腹筋が伸縮して鍛えられる。

制御部１０３に接続する記憶部１０４には、電気刺激信号の周波数と電流値との相関データが記憶され、制御部１０３は、この記憶部１０４に記憶された相関データによる電気刺激信号を電気刺激出力部１０２で生成するように指示する。また、表示部１０５は、刺激電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄに出力されている電気刺激信号による刺激の大きさを表示し、使用者は、この表示を見ながら、電気刺激により痛みを感じる場合に、操作部１０６を操作して制御部１０３を介して電気刺激出力部１０２で生成される電気刺激信号の電流値などの出力レベルを低下させる。

また、筋に電気刺激信号を加えてトレーニングするとともに、その筋の組成を客観的に取得する筋トレーニング装置１１０も知られている（特許文献２）。この筋トレーニング装置１１０は、図１０に示すように、トレーニングする筋の体表面に、一対の刺激電極１１１ａ、１１１ｂと、その間に光電センサー１１２を密着して配置している。光電センサー１１２は、密着する体表面内の筋肉の酸素濃度を測定することが可能で、筋肉の酸素濃度は、一対の刺激電極１１１ａ、１１１ｂから筋肉に加えられる電気刺激に反応して変化するので、電気刺激の強度と測定される酸素濃度との関係から筋肉の組成（遅筋と速筋の比率など）に関する情報が得られる。

そこで、この筋トレーニング装置１１０は、一対の刺激電極１１１ａ、１１１ｂ間に装置本体１１３から電気刺激信号を出力し、体表面内の筋肉に電気刺激による負荷を与えてトレーニングするトレーニングモードと、一対の刺激電極１１１ａ、１１１ｂから筋肉を電気刺激する強度を変化させながら、光電センサー１１２で筋肉の酸素濃度を測定し、装置本体１１３において筋肉の組成に関する情報を得る測定モードとの二通りのモードで動作可能となっていて、例えば、測定モードで得る筋肉の速筋と遅筋の比率に応じて、トレーニングモードでその筋肉に与える電気刺激の強度を調整する。

特開２００５−３４８８５９号公報 特開２０１６−４９２４１号公報

電気的筋肉刺激ＥＭＳを利用した従来の筋トレーニング装置１００においては、トレーニングする筋の体表面に刺激電極１０１を密着させるが、体表面に覆われた筋の位置を正確に判別できないので、筋と電気刺激位置に位置ずれが生じて効果的に筋に電気刺激を加えることができなかった。特に、陽極と陰極からなる一組の刺激電極間に電気刺激信号を出力して筋を効果的に伸縮させるには、筋の長手方向に沿った体表面に陽極と陰極を密着させる必要があり、その密着位置は装置を扱う熟練者の経験に頼らざるを得なかった。

また、トレーニングする筋の疲労度などの活動状態を客観的に判別することができないので、電気刺激の強度や刺激時間を筋の活動状態に応じて最適に調整することができなかった。

筋トレーニング装置１１０によれば、トレーニングする筋の組成に応じて、筋を電気刺激する強度を最適に設定できるが、筋の組成を評価するために、光電センサー１２を別に用意して体表面に密着させる必要があるとともに、光電センサー１２と一対の刺激電極１１１ａ、１１１ｂの体表面への密着位置が異なるので、光電センサー１２から得る筋の組成に関する情報は、実際に電気刺激する筋の組成の情報と異なり、最適な強度で電気刺激を加えることができない恐れがあった。

更に、光電センサー１２では、電気刺激強度と筋の酸素濃度との関係から筋の組成に関する情報を得るだけなので、電気刺激による筋の疲労度や、刺激電極による電気刺激位置と筋の位置ずれなどを判別できず、これらを考慮した最適な方法で筋に電気刺激を加えることができない。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、光電センサーを別に筋の体表面に密着させることなく、筋の活動状態に応じて最適な方法で筋を電気刺激する筋トレーニング装置を提供することを目的とする。

また、筋に対して効果的に電気刺激を加える体表面の位置に正確に刺激電極を密着させることができる筋トレーニング装置を提供することを目的とする。

また、筋の疲労度に応じて、最適な強度と時間で筋を電気刺激する筋トレーニング装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１に記載の筋トレーニング装置は、筋の体表面にトレーニング用の第１電気刺激信号を加え、第１電気刺激信号により筋を伸縮させる筋トレーニング装置であって、筋の体表面に密着する内面に複数の電極が露出して設けられる絶縁シートと、複数の電極の少なくともいずれかの電極を刺激電極として、刺激電極に第１電気刺激信号を出力する第１刺激信号出力手段と、第１電気刺激信号の出力を停止している間に、複数の電極の少なくともいずれかの電極を筋電検出電極として、筋電検出電極に表れる筋活動電位を検出する筋電信号検出手段と、筋電検出電極の筋活動電位から筋の活動状態を判別する筋状態判別手段とを備えたことを特徴とする。

絶縁シートに設けられる複数の電極を、トレーニング用の刺激電極と筋活動状態を判別する筋電検出電極に併用可能とする。

請求項２に記載の筋トレーニング装置は、筋状態判別手段が判別した筋の活動状態から第１電気刺激信号を出力する刺激電極及び／又は第１電気刺激信号の出力方法を調整することを特徴とする。

トレーニング用の刺激電極の他に別に筋電検出電極を設けることなく、筋の活動状態から第１電気刺激信号を出力する刺激電極及び／又は第１電気刺激信号の出力方法を調整する。

請求項３に記載の筋トレーニング装置は、絶縁シートの内面に沿った二次元平面に分散して露出する複数の電極を筋電検出電極として、複数の筋電検出電極のうち、相対的に高い筋活動電位を検出した筋電検出電極から第１電気刺激信号を出力する刺激電極を選択することを特徴とする。

筋電検出電極は、絶縁シートの内面に沿った二次元平面に分散して露出するので、いずれかの筋電検出電極は、筋の近傍の体表面に密着する。筋は、その伸縮動作に伴って筋活動電位を発生させるので、筋の近傍の体表面に密着する筋電検出電極から相対的に高い筋活動電位が検出され、その筋電検出電極を刺激電極とすることにより、絶縁シートの体表面への貼り付け位置にかかわらず、筋の近傍の体表面に第１電気刺激信号が出力される。

筋活動電位は、複数の筋線維に生じる活動電位を重ねた電位であり、複数の筋線維からなる筋の長手方向に沿って３乃至５ｍ／ｓｅｃで伝搬し、その伝搬速度は筋が疲労する程遅くなる。相対的に高い筋活動電位が検出された複数の筋電検出電極は、いずれも筋に沿った体表面に密着し、各筋電検出電極が筋活動電位を検出した時間差と既知であるその筋電検出電極間の距離から筋活動電位の伝搬速度が得られ、筋状態判別手段は、筋の疲労度を定量的に判別する。

請求項４に記載の筋トレーニング装置は、絶縁シートの内面の格子状に分散する各位置にそれぞれ露出する複数の電極を筋電検出電極としたことを特徴とする。

複数の筋電検出電極が格子状に分散する各位置に臨むので、いずれかの筋電検出電極が確実に筋の長手方向に沿った体表面に密着し、相対的に高い筋活動電位を検出する筋電検出電極となる。

請求項５に記載の筋トレーニング装置は、絶縁シートの内面の同心円状に分散する各位置にそれぞれ露出する複数の電極を筋電検出電極としたことを特徴とする。

トレーニングする筋の近傍の体表面が湾曲していても、底面の二次元平面に複数の電極が分散して露出しているので、筋の近傍の体表面に少なくともいずれかの電極が密着する。

請求項６に記載の筋トレーニング装置は、絶縁シートが密着する体表面の近傍の筋に沿った体表面に、少なくとも一つの電極からなるサブ刺激電極を密着し、第１電気刺激信号出力手段は、絶縁シートの刺激電極とサブ刺激電極の一方を陽電極と他方を陰電極として、陽電極と陰電極間に第１電気刺激信号を出力することを特徴とする。

絶縁シートの刺激電極とサブ刺激電極を、筋に沿った体表面の互いに離れた位置に密着させることができ、刺激電極とサブ刺激電極の間で筋の筋線維の方向に沿って第１電気刺激信号が流れる。

請求項７に記載の筋トレーニング装置は、一組の絶縁シートを筋に沿った２カ所の体表面の部位に密着し、一組の一方の絶縁シートの内面に露出する複数の電極のいずれかの電極をサブ刺激電極とすることを特徴とする。

一組の各絶縁シートの内面に露出する電極を、筋電検出電極として、絶縁シートを密着させた体表面の各位置での筋の活動状態を判別できる。

一組の一方の絶縁シートの内面に露出する複数の電極のいずれかの電極をサブ刺激電極とすることにより、筋に沿った体表面の互いに離れた刺激電極とサブ電極の間で筋の筋線維の方向に沿って第１電気刺激信号が流れる。

請求項８に記載の筋トレーニング装置は、第１電気刺激信号の出力を停止している間に、絶縁シートが密着する体表面の近傍の筋に沿った体表面に、筋に誘発筋活動電位を発生させる第２電気刺激信号を加える第２刺激信号出力手段を備え、筋電信号検出手段は、第２電気刺激信号を加えることにより、筋電検出電極に表れる誘発筋活動電位を検出することを特徴とする。

第２電気刺激信号により誘発される誘発筋活動電位のＭ波は、第２電気刺激信号を加えた体表面から筋の筋線維の方向に沿って伝搬し、筋に沿った体表面の異なる位置に密着する複数の筋電検出電極でそれぞれ検出される。

各筋電検出電極に到達するＭ波の到達時刻から、筋の疲労度を定量評価可能な誘発筋活動電位の伝搬速度が得られる。

請求項１の発明によれば、光電センサーなどの別の装置を体表面に貼り付けることなく、トレーニングする筋の活動状態を判別できる。

請求項２の発明によれば、筋状態判別手段が判別した筋の活動状態に応じて、最適な方法で筋をトレーニングするように、第１電気刺激信号による刺激強度や刺激時間を調整できる。

請求項３の発明によれば、刺激電極を筋に沿った体表面に密着させる手間がなく、筋の体表面に第１電気刺激信号を加えることができる。

また、相対的な高い筋活動電位を検出した筋電検出電極は、筋の近傍に密着しているので、そ筋電検出電極が筋活動電位を検出した時間差から筋の疲労度を表す筋活動電位の相対的な伝搬速度が得られ、筋状態判別手段が判別した筋の疲労度に応じて第１電気刺激信号の強度や出力時間を調整できる。

請求項４の発明によれば、体表面に貼り付けられる絶縁シートの方向にかかわらず、確実に筋の近傍の体表面に密着する刺激電極へ第１電気刺激信号を出力できる。

請求項５の発明によれば、トレーニングする筋の近傍の体表面が湾曲していても、筋の近傍の体表面に少なくともいずれかの電極が密着するので、密着する電極から相対的に高い筋活動電位を検出することができ、また、効果的に筋へトレーニング刺激信号を加えることができる。

請求項６の発明によれば、絶縁シートで覆われない大きさの筋であっても、筋の筋線維方向に第１電気刺激信号を流して伸縮させることができる。

請求項７の発明によれば、一組の絶縁シートを密着させた各位置での筋の活動状態を判別できるとともに、一枚の絶縁シートで覆われない大きさの筋に対して、筋の筋線維方向に第１電気刺激信号を流して伸縮させることができる。

請求項８の発明によれば、第２電気刺激信号により筋に誘発筋活動電位を発生させるので、脳からの指令による電気信号や運動負荷時の筋肉が発生する電気信号のノイズと識別して、筋電検出電極で正確に筋活動電位を検出できる。

また、第２電気刺激により誘発される誘発筋活動電位の伝搬速度は、抹消性の状態変化のみを反映し、筋の疲労によって遅延するので、正確に定量評価可能な筋の疲労に応じて、最適な方法で第１電気刺激信号を出力し、筋をトレーニングできる。

本願発明の第１実施の形態に係る筋トレーニング装置１の使用状態参考図である。 筋トレーニング装置１のブロック図である。 第２実施の形態に係る筋トレーニング装置２０の使用状態参考図である。 第３実施の形態に係る筋トレーニング装置３０の使用状態参考図である。 第４実施の形態に係る筋トレーニング装置４０のブロック図である。 筋トレーニング装置４０の使用状態参考図である。 絶縁シート５の底面図である。 従来の筋トレーニング装置１００のブロック図である。 筋トレーニング装置１００の使用状態図である。 従来の筋トレーニング装置１１０の構成図である。

以下、本発明の第１実施の形態に係る筋トレーニング装置１を図１と図２を用いて説明する。図１に示すように、筋トレーニング装置１は、筋５０に電気刺激信号を加えて筋５０を伸縮させ、筋５０をトレーニングする装置である。本明細書において、筋５０のトレーニングとは、その目的を問わず、筋５０の体表面に電気刺激信号である後述するトレーニング刺激信号を加えて筋５０を伸縮させる電気的筋肉刺激ＥＭＳ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｓｃｌｅ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）をいい、従って、筋トレーニング装置１は、
筋５０を伸縮させて付近の脂肪を燃焼させるダイエット目的の筋トレーニング装置、筋力アップを目的とする筋トレーニング装置、損傷した筋５０を再生させる医療用の筋トレーニング装置など各種目的で筋５０を伸縮させるいずれの筋トレーニング装置であってもよい。

トレーニング装置１は、体表面下の筋５０へ電気刺激を加えるための４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが互いに絶縁して取り付けられた絶縁シート４と、４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのいずれかに、接続ケーブル７を介してトレーニング用の電気刺激信号であるトレーニング刺激信号を出力するトレーニング装置本体１０とから構成されている。

絶縁シート４は、トレーニングする筋５０の筋線維方向に沿った体表面に位置決めされるように、外形が細長帯状のフレキシブル印刷配線板（ＦＰＣ）で形成され、ＰＥＴ等からなる可撓性の絶縁シート４に、４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが互いに絶縁して一体に形成されている。４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、絶縁シート４の体表面に対向する内面となる底面に一定の間隔で露出し、それぞれＦＰＣの引き出しパターンと接続ケーブル７を介して後述する切替器１３の対応するコモン端子に接続している。４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが露出する部分を除いた絶縁シート４の底面のほぼ全面には図示しない両面テープが貼り付けられ、両面テープの剥離紙を剥離して表れる粘着層を、トレーニングする筋５０上の体表面に粘着し、絶縁シート４を位置決めしている。これにより４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが対向する体表面に密着する。

トレーニング装置本体１０は、図２に示すように、４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに接続する各コモン端子を、制御部３から出力されるモード切替信号によってそれぞれ電気刺激出力部１４の出力に接続する第１選択端子１３ａとマルチプレクサ１５の入力に接続する第２選択端子１３ｂとの間で切り替える切替器１３を備えている。切替器１３は、特定の電極２を指定してトレーニングモードとするモード切替信号を受けると、その電極２に接続するコモン端子を第１選択端子１３ａに切り替え接続し、指定された電極２を電気刺激出力部１４からトレーニング刺激信号が出力される刺激電極とする。例えば、トレーニングモードとするモード切替信号で電極２ａ、２ｂが指定されたとすると、電極２ａ、２ｂにそれぞれ接続するコモン端子が第１選択端子１３ａ側に切り替えられ、電極２ａ、２ｂにトレーニング刺激信号が出力される。また、制御部３から特定の電極２を指定して筋状態判別モードとするモード切替信号が切替器１３に出力されると、指定された電極２に接続するコモン端子が第２選択端子１３ｂ側に切り替えられ、その電極２を、筋活動電位を検出する筋電検出電極とする。

マルチプレクサ１５は、制御部３から入力される制御信号を受けて、４種類の第２選択端子１３ｂから筋状態判別モードとするモード切替信号で指定された電極（筋電検出電極）２に接続する第２選択端子１３ｂを交互にその後段に接続する増幅部１１へ接続し、筋電検出電極２において検出した筋電信号の筋活動電位を増幅部１１とＡ／Ｄ変換部１６を通して筋状態判別部１２へ出力する。すなわち、体表面に密着する筋電検出電極２から検出される筋電信号の筋活動電位は微小値であるため、増幅部１１で増幅した後、Ａ／Ｄ変換部１６でデジタル値に変換し、筋状態判別部１２で判別可能な値とする。

筋状態判別部１２は、各筋電検出電極２が検出した筋電信号のレベル（筋活動電位）や振幅から、トレーニングする筋５０の体表面内の位置やトレーニングすることによる筋５０の疲労状態を判別する。

トレーニングする筋５０の位置は、相対的に高い筋活動電位を検出した筋電検出電極２が密着する体表面の位置から推定する。すなわち、筋のうち、脳髄神経の支配を受けて随意的に活動することができる骨格筋は、運動神経からの刺激を受けて筋を構成する複数の筋線維に筋活動電位を発生し、収縮して張力を発生する。従って、トレーニングする筋５０が骨格筋である場合には、筋５０の近傍の体表面に密着する筋電検出電極２から高い筋活動電位が検出され、筋状態判別部１２は多数の筋電検出電極２から相対的に高い筋活動電位を検出した筋電検出電極２の近傍に筋５０が存在していると推定する。

また、筋５０をトレーニングしてその疲労が亢進すると、筋５０の収縮性を補うための運動単位の動員数及び発火頻度が増加し、筋電信号の振幅が大きくなるので、上述の方法で筋５０の近傍に密着していると推定する筋電検出電極２から検出される筋電信号の振幅の変化を監視し、その振幅が拡大することから筋５０の疲労度を判別する。

筋５０の長手方向（筋線維の方向）に沿って伝搬する筋活動電位の伝搬速度は、筋５０が疲労する程遅くなるので、筋５０の近傍に密着する複数の筋電検出電極２が同一波形の筋電信号を検出する時間差から筋５０に沿った伝搬速度を検出して、筋５０の疲労度の判別してもよい。

筋状態判別部１２は、制御部３に接続し、筋状態板別部１２による筋５０の判別結果を制御部３へ出力すると共に、筋状態判別部１２が筋５０の疲労度を判別する為の筋５０の近傍に密着する筋電検出電極２の位置情報が制御部３から入力される。

制御部３は、トレーニングモードと筋状態判別モードのいずれかで動作し、筋状態判別部１６の判別結果や制御部３の一連の動作プログラムが記憶される記憶部１７と、使用者が筋トレーニング装置１の起動や動作停止を入力操作する操作部１８と、トレーニングの進行状況や筋状態判別部１６が判別した筋疲労度等を表示する表示部１９と、電気刺激出力部１４が接続されている。制御部３は、操作部１８から起動命令を受けると、筋状態判別モードからトレーニングモードの一連の動作を筋トレーニング装置１が実行するように、筋トレーニング装置１の各部をシーケンス制御する。

電気刺激出力部１４は、トレーニングモードでの制御部３からの制御を受けて、トレーニング刺激信号を生成し、切替器１３の各第１選択端子１３ａへ生成したトレーニング刺激信号を出力する。トレーニング刺激信号は、例えば、使用者が電気刺激を感じない１０乃至８０ｍＡ程度の電流値で、１０乃至３０Ｈｚの周波数の交流信号波形である。トレーニング刺激信号の波形や周波数は、最適なトレーニング効果が得られるように、トレーニングモードの進行状況に応じて種々変化させもよい。

以下、この筋トレーニング装置１を用いて骨格筋５０をトレーニングする方法を筋トレーニング装置１の作用とともに説明する。使用者が骨格筋５０をトレーニングする場合には、絶縁シート４の底面の剥離紙を剥離して表れる粘着層を、トレーニングしようとする筋５０付近の体表面に粘着し、４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを体表面に密着させ、その後、操作部１８へ筋トレーニング装置１を起動させる入力操作を行う。

筋トレーニング装置１が起動すると、始めに制御部３は筋状態判別モードで動作し、切替器１３へ、４個の全ての電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを指定して筋状態判別モードとするモード切替信号を出力する。切替器１３は、このモード切替信号が入力されると、指定された４個の電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにそれぞれ接続するコモン端子を、第２選択端子１３ｂ側に切り替え接続し、各電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを、筋活動電位を検出する筋電検出電極とする。

続いて使用者が骨格筋５０を随意的に伸縮させると、筋５０を構成する複数の筋線維に筋活動電位が発生し、その近傍に密着する筋電検出電極２から相対的に高い筋活動電位が検出される。制御部３は、切替器１３へ上述の筋状態判別モードとするモード切替信号を出力すると共にそのモード切替信号で指定した各電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに接続する第２選択端子１３ｂを順次増幅部１１へ接続する。従って、各電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄから検出される筋活動電位は、それぞれ増幅部１１において増幅された後、Ａ／Ｄ変換部１６でデジタル値に変換され、筋状態判別部１２に出力され、相対比較される。ここでは、筋電検出電極２ａ、２ｂ、２ｃが筋５０の近傍に密着し、筋電検出電極２ｄが筋５０から外れた体表面に密着しているものとすると、各筋電検出電極２ａ、２ｂ、２ｃから検出される筋活動電位が、筋電検出電極２ｄより相対的に高い筋活動電位となるので、筋状態判別部１２は、その比較結果から筋５０が電極２ａ、２ｂ、２ｃに沿って体表面内にあると推定し、各筋電検出電極２ａ、２ｂ、２ｃから検出される筋電信号の振幅を含む判別結果を制御部３へ出力する。各筋電検出電極２から検出する筋活動電位の比較は、複数回検出した筋活動電位から異常値を除いた値を比較してもよく、また、所定の電位以上の筋活動電位が検出された筋電検出電極２を、相対的に高い筋活動電位が検出された筋電検出電極２としてもよい。

制御部３は、切替器１３へ筋状態判別モードとするモード切替信号を出力した後、筋状態判別部１２から上記筋５０の位置に関する判別結果が入力されると、その判別結果を記憶部１７へ一次記憶すると共に、判別結果から筋５０の近傍に密着していると推定された電極２ａ、２ｂ、２ｃを刺激電極として選択し、選択した刺激電極２ａ、２ｂ、２ｃを指定してトレーニングモードとするモード切替信号を切替器１３へ出力する。また、これに前後して電気刺激出力部１４に対してトレーニング刺激信号を生成し、出力するように制御する。

上記モード切替信号を受けた切替器１３は、指定された電極２ａ、２ｂ、２ｃに接続するコモン端子を第１選択端子１３ａ側へ切り替え接続し、電極２ａ、２ｂ、２ｃを電気刺激出力部１４からトレーニング刺激信号を出力する刺激電極２ａ、２ｂ、２ｃとする。従って、各電極２がトレーニングする筋５０の近傍に密着するように絶縁シート４の粘着位置や方向を考慮することなく、筋５０の近傍に密着する電極２にトレーニング刺激信号を出力して、効果的に筋５０に電気刺激を加えることができる。

尚、筋状態判別モードで相対的に高い筋活動電位が検出された筋電検出電極２の全てを、トレーニング刺激信号を出力する刺激電極２とする必要はなく、例えば、高い筋活動電位が検出された筋電検出電極２ａ、２ｂ、２ｃのうち互いに離れた位置に密着する一組の筋電検出電極２ａ、２ｃの一方を陽極、他方を陰極としてその間にトレーニング刺激信号を出力してもよい。

制御部３は、所定のトレーニング時間が経過した後、トレーニングモードを終了させてよいが、本実施の形態では、トレーニングモードの進行中に、一時的にトレーニングモードから筋状態判別モードに切り替えて、トレーニングによる筋５０の疲労状態を確認する。このモード切替は、表示部１９へ筋状態判別モードに移行することを表示するとともに、記憶部１７に記憶された判別結果から筋５０の近傍に密着していると推定された電極２ａ、２ｂ、２ｃの情報を読み出し、その電極２ａ、２ｂ、２ｃを指定して筋状態判別モードとするモード切替信号を切替器１３へ出力して行う。

表示部１９の表示を確認した使用者が、筋５０を随意的に伸縮させると、その近傍の角筋電検出電極２ａ、２ｂ、２ｃから筋活動電位が検出され、その値は、それぞれ増幅部１１において増幅された後、Ａ／Ｄ変換部１６でデジタル値に変換され、筋状態判別部１２に入力される。筋状態判別部１２は、いずれか若しくは複数の筋電検出電極２ａ、２ｂ、２ｃから検出する筋活動電位が連続する筋電信号の振幅を、トレーニングモード前に検出した筋電信号の振幅と比較し、その振幅の拡大状況から筋５０の疲労度を判別し、その判別結果を制御部３へ出力する。尚、筋５０の近傍に密着する筋電検出電極２ａ、２ｂ、２ｃの相対位置は既知であるので、これらの相対位置と各筋電検出電極２ａ、２ｂ、２ｃに表れる筋電信号の振幅の変化から筋５０の各部の疲労度をより正確に判別できる。

制御部３は、筋５０の疲労度を表す判別結果を表示部１９へ表示して使用者へ伝えるとともに、判別結果から筋５０がトレーニングの目標に達するまで疲労していない場合には、更に、筋状態判別モードからトレーニングモードに切り替えて、上述の筋５０への電気刺激を繰り返し、筋５０の疲労度がトレーニングの目標に達した場合には、表示部１９にその旨を表示し、筋トレーニング装置１の動作を終了させる。

本発明の第２の実施の形態に係る筋トレーニング装置２０は、複数の電極２１を絶縁シート２２の底面の二次元平面上に分散させて露出したもので、以下、この筋トレーニング装置２０を図３を用いて説明する。筋トレーニング装置２０の各部について、上述の筋トレーニング装置１と同一若しくは同様に作用する構成には、同一の番号を用いてその詳細な説明を省略する。

筋トレーニング装置２０に用いる絶縁シート２２は、図中横長長方形の輪郭で、複数の電極２１（ｍ，ｎ）がその底面の４行６列の行列で分散する各位置に露出するように絶縁シート２２に取り付けられている。トレーニング装置本体１０側の切替器１３には、絶縁シート２２に取り付けられた電極２１（ｍ，ｎ）と同数の２４組のコモン端子とコモン端子に切り替え接続する第１選択端子１３ａ及び第２選択端子１３ｂが配置され、各組のコモン端子は、接続ケーブル７を介して対応する電極２１（ｍ，ｎ）に接続している。

筋トレーニング装置２０により筋５０をトレーニングする場合には、始めに筋５０の近傍の体表面に絶縁シート２２を粘着した後、使用者は、操作部１８を操作して装置２０を起動させるとともに、トレーニングする筋５０を随意的に伸縮させる。筋トレーニング装置２０の起動直後、制御部３は筋状態判別モードで動作し、切替器１３へ全ての電極２１（ｍ，ｎ）を指定して筋状態判別モードとするモード切替信号を出力する。その結果、全ての電極２１（ｍ，ｎ）が筋電検出電極２１となり、筋状態判別部１２に全ての電極２１（ｍ，ｎ）から検出される筋活動電位が順次入力される。

図３おいて×で表示する電極２１（ｍ，ｎ）から検出される筋活動電位が他の電極２１（ｍ，ｎ）に比べて相対的に高い筋活動電位であったとすると、筋状態判別部１２は、×で表示する電極２１（ｍ，ｎ）が筋５０の近傍の体表面に密着していると推定し、図示する筋方向５０Ｃの方向に筋５０が存在していると判別し、その判別結果を制御部３へ出力する。

筋状態判別部１２から筋５０の位置についての判別結果を受けた制御部３は、トレーニングモードに移行し、判別結果に示される筋方向５０Ｃに沿ってトレーニング刺激信号が流れるように、図中２１Ａの破線で囲まれる各電極２１（ｍ，ｎ）（ｍ＝１〜２、ｎ＝４〜６）を陽極の刺激電極と、図中２１Ｂの破線で囲まれる各電極２１（ｍ，ｎ）（ｍ＝３〜４、ｎ＝１〜３）を陰極の刺激電極と指定してトレーニングモードとするモード切替信号を切替器１３へ出力する。これにより、電気刺激出力部１４から図中２１Ａの破線で囲まれる６個の陽極の刺激電極２１（ｍ，ｎ）と２１Ｂの破線で囲まれる６個の陰極の刺激電極２１（ｍ，ｎ）間に筋５０を伸縮させるトレーニング刺激信号が流れる。

第１実施の形態と同様に、トレーニングモードの進行中にトレーニングによる筋５０の疲労状態を確認する場合には、制御部３を一時的に筋状態判別モードに切り替えて、筋電検出電極とした電極２１（ｍ，ｎ）の筋活動電位を検出し、筋状態判別部１２で、筋活動電位が連続する筋電信号の振幅を起動直後の振幅と比較して筋５０の疲労状態を判別する。ここで、切替器１３の接続を第２選択端子１３ｂ側に切り替え接続し、筋電検出電極とする電極２１（ｍ，ｎ）は、図中２１Ａと２１Ｂの破線で囲まれる電極２１（ｍ，ｎ）や×で表示する電極２１（ｍ，ｎ）等、２４個の全ての電極２１（ｍ，ｎ）から任意に選択することができる。

このように、筋電検出電極と刺激電極は共通の電極２１（ｍ，ｎ）である必要はなく、を、それぞれその用途や目的に応じて全ての電極２１（ｍ，ｎ）から任意に選択することができる。

一枚の絶縁シート２２でトレーニングする筋５０の全てを覆うことができない場合には、複数枚の絶縁シートを筋５０の体表面の異なる位置に粘着し、広範囲にトレーニング刺激信号を流して筋５０をトレーニングすることもでき、以下、２枚の絶縁シート３２Ａ、３２Ｂを用いた第３の実施の形態に係る筋トレーニング装置３０を図４を用いて説明する。尚、筋トレーニング装置３０の各部について、上述の筋トレーニング装置１、２０と同一若しくは同様に作用する構成には、同一の番号を用いてその詳細な説明を省略する。

図４に示すよう、筋トレーニング装置３０は、９個の電極３１Ａ（ｍ，ｎ）が底面の３行３列の行列の各位置に分散して露出する絶縁シート３２Ａと、同様に９個の電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）が底面の３行３列の行列の各位置に分散して露出する絶縁シート３２Ｂとの２枚の絶縁シート３２Ａ、３２Ｂを備えている。全ての各電極３１Ａ（ｍ，ｎ）、３１Ｂ（ｍ，ｎ）は、それぞれ接続ケーブル７を介して切替器１３のコモン端子に接続し、第１選択端子１３ａと第２選択端子１３ｂのいずれにも選択的に接続可能で、制御部３から切替器１３へ出力されるモード切替信号により筋電検出電極と刺激電極のいずれとすることもできる。

ここでは、筋トレーニング装置３０を起動後、すぐに制御部３を、トレーニングモードで動作させ、筋５０に広範囲にトレーニング刺激信号が流れるように、絶縁シート３２Ａに露出する全ての電極３１Ａ（ｍ，ｎ）を陽極の刺激電極と、絶縁シート３２Ｂに露出する全ての電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）を陰極の刺激電極と指定してトレーニングモードとするモード切替信号を切替器１３へ出力する。これにより、電気刺激出力部１４から絶縁シート３２Ａに露出する９個の陽極の刺激電極３１Ａ（ｍ，ｎ）と絶縁シート３２Ｂに露出する９個の陰極の刺激電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）の間に筋５０を伸縮させるトレーニング刺激信号が流れ、一枚の絶縁シート３２で覆われない広範囲の筋５０に電気刺激を加えてトレーニングすることができる。

トレーニングモードの進行中に、制御部３を筋状態判別モードとし、刺激電極３１Ａ（ｍ，ｎ）、３１Ｂ（ｍ，ｎ）の一部の電極３１を筋電検出電極として、その筋電検出電極から検出される筋電信号の振幅を監視し、筋電信号の振幅の変化から筋５０の疲労状態を判別してもよい。

上述の各実施の形態は、筋状態判別モードにおいて、使用者が骨格筋５０を随意的に伸縮させ、その筋５０に発生する筋活動電位のレベルや筋活動電位が連続する筋電信号の振幅から、筋５０の位置や筋５０の疲労度を判別しているので、トレーニングする筋５０は、骨格筋に限られ、また、使用者は筋５０の活動状態を評価する毎にその筋５０を随意的に伸縮させる必要がある。そこで、筋電検出電極が密着する体表面の近傍に、トレーニング刺激信号とは異なる誘発筋刺激信号を出力し、誘発筋刺激信号の電気刺激により筋５０に発生する誘発筋活動電位を筋電検出電極で検出し、誘発筋活動電位の波形（Ｍ波）から筋５０の活動状態を評価してもよい。

以下、この筋状態判別モードで誘発筋刺激信号を出力する本発明の第４実施の形態に係る筋トレーニング装置４０を、図５と図６を用いて説明する。筋トレーニング装置４０の各部について、上述の筋トレーニング装置１、２０、３０と同一若しくは同様に作用する構成には、同一の番号を用いてその詳細な説明を省略する。

筋トレーニング装置４０の電気刺激出力部４１は、トレーニング刺激信号と誘発筋刺激信号の２種類の電気刺激信号を生成し、制御部３がトレーニングモードで動作する際にはトレーニング刺激信号を、筋状態判別モードで動作する際には誘発筋刺激信号を切替器１３の第１選択端子１３ａへ出力する。電気刺激出力部４１で生成されるトレーニング刺激信号は、電気刺激出力部１４から出力されるトレーニング刺激信号と同一の１０乃至８０ｍＡ程度の電流値で、１０乃至３０Ｈｚの周波数の交流信号波形の電気刺激信号である。また、誘発筋活動電位を発生させるために電気刺激出力部４１で生成される誘発筋刺激信号は、例えば、電流値が５ｍＡ以上で電圧が１００Ｖのパルス幅が０．５ｍｓｅｃの矩形波の電気刺激信号電気刺激信号である。

筋トレーニング装置４０は、起動後、始めに制御部３がトレーニングモードで動作し、電気刺激出力部４１からトレーニング刺激信号を出力制御するとともに、筋５０に沿ってそのトレーニング刺激信号が流れるように、絶縁シート３２Ａに露出する全ての電極３１Ａ（ｍ，ｎ）を陽極の刺激電極と、絶縁シート３２Ｂに露出する全ての電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）を陰極の刺激電極と指定してトレーニングモードとするモード切替信号を切替器１３へ出力する。これにより、電気刺激出力部１４から絶縁シート３２Ａに露出する陽極の刺激電極３１Ａ（ｍ，ｎ）と絶縁シート３２Ｂに露出する陰極の刺激電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）の間に筋５０を伸縮させてトレーニングするトレーニング刺激信号が流れる。

続いて、トレーニングモードが進行する一定周期毎に、制御部３を筋状態判別モードとし、電気刺激出力部４１に対してトレーニング刺激信号の出力を停止し、誘発筋刺激信号を生成して出力するように制御する。また、制御部３から、絶縁シート３２Ａの３列の位置に露出する図６の４２Ａの破線で囲まれる３個の電極３１Ａ（ｍ，３）を陽極のサブ刺激電極４２ａと、絶縁シート３２Ａの１列の位置に露出する図中４２Ｂの破線で囲まれる３個の電極３１Ａ（ｍ，１）を陰極のサブ刺激電極４２ｂと、絶縁シート３２Ｂに露出する９個の全ての電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）を筋電検出電極と指定して筋状態判別モードとするモード切替信号が切替器１３に出力される。これにより、４２Ａの破線で囲まれる電極３１Ａ（ｍ，３）に接続するコモン端子は、トレーニング刺激信号（＋）が出力される第１選択端子１３ａに、４２Ｂの破線で囲まれる電極３１Ａ（ｍ，１）に接続するコモン端子は、トレーニング刺激信号（−）が出力される第１選択端子１３ａに、絶縁シート３２Ｂに露出する全ての電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）は、マルチプレクサ１５の入力に接続する第２選択端子１３ｂにそれぞれ切り替え接続される。

一組のサブ刺激電極の陽極４２ａと陰極４２ｂは、細長帯状の絶縁シート３２Ａの左右に分かれて露出し、絶縁シート３２Ｂに露出する筋電検出電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）に対して陽極４２ａが外側に、陰極４２ｂがその内側の体表面に密着している。筋５０の体表面に密着する陽極４２ａと陰極４２ｂ間に誘発筋刺激信号を流すと、誘発筋刺激信号の通電中は、陽極４２ａを内向きに、神経線維を長手方向に、陰極４２ｂを外向きに誘発筋刺激信号が流れ、外向きの電流が興奮を引き起こすため一般に通電開始時は陰極４２ｂ付近で誘発筋活動電位が発生すると考えられる。その後の陽極４２ａ付近でも誘発筋活動電位が発生するが、誘発筋刺激信号は、前述のように０．５ｍｓｅｃの短い刺激であるので、通電開始時の陰極４２ｂのみが刺激効果を持ち、その後、誘発筋活動電位は、陰極４２ｂの密着位置から筋５０の筋線維の方向に沿って絶縁シート３２Ｂに露出する筋電検出電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）へ伝搬すると考えられる。

この誘発筋活動電位の波形は、Ｍ波とよばれ、評価する筋５０の多数の筋線維の電気的な活動の集合波の波形である。筋状態判別部１２は、筋電検出電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）で検出されるＭ波を監視し、一組のサブ刺激電極４２ａ、４２ｂに誘発筋刺激信号を加えてから筋電検出電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）においてＭ波の立ち上がりを検出するまでの時間（潜時）をトレーニングモードの進行中に制御部３が筋状態判別モードに移行する毎に求める。潜時は、いずれかの筋電検出電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）について求めても、複数の筋電検出電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）についての平均から求めてもよい。

電気刺激により誘発される筋活動電位のＭ波の伝搬速度は、トレーニングによって筋５０が疲労するにつれて低下し、一方、Ｍ波の伝搬速度は、電気刺激位置（サブ刺激電極４２ｂ）から筋電検出電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）までの距離が一定であるので上記潜時に反比例し、筋状態判別部１２は、制御部３が筋状態判別モードに移行する毎に求める潜時を比較して筋５０の疲労度を評価することができる。

制御部３は、筋状態判別モードに移行する毎に筋状態判別部１２から入力される筋５０の疲労度の評価結果を表示部１９へ表示するとともに、筋５０の疲労度が一定値に達っすると、その後のトレーニングモードでの動作を停止し、筋トレーニング装置４０によるトレーニングを終了させる。

この筋トレーニング装置４０によれば、一組のサブ刺激電極４２ａ、４２ｂからトレーニング中の筋５０へ一定周期で電気刺激を加えることによって、トレーニング中であっても、脳からの神経刺激によって発生する不安定な筋活動電位と識別して、電気刺激で誘発される誘発筋活動電位を検出できる。また、筋５０の活動状態を判別する毎に意識的に筋５０を伸縮させる必要がなく、更に筋５０が骨格筋以外の筋であっても、筋電検出電極３１Ｂ（ｍ，ｎ）に表れる誘発筋活動電位から筋５０の活動状態を判別できる。

上述の各実施の形態では、絶縁シートの底面の直線上の各位置や行列上の各位置に複数の電極を分散して露出させているが、絶縁シートの輪郭や複数の電極の露出位置は任意に設定できる。例えば、複数の電極を、絶縁シートの底面の二次元平面に分散して露出させる場合には、図７に示すように、絶縁シート５を円板状として、複数の電極６、６・・を絶縁シート５の底面で、円板状の中心について同心円となる複数の円上の各位置に同心円状に分散して臨ませてもよい。

上述の絶縁シート５によれば、トレーニングする筋５０の近傍の体表面が湾曲していても、底面の二次元平面に複数の電極６が分散して露出しているので、筋５０の近傍にいずれかの電極６が密着し、その電極６から相対的に高い筋活動電位が検出され、効果的に筋５０へトレーニング刺激信号を加えることができる。

上述の実施の形態では、絶縁シートに取り付けられる電極とトレーニング装置本体１０とを接続ケーブル７で接続しているが、絶縁シート側とトレーニング装置本体１０側にそれぞれ双方向で無線通信可能な通信インターフェースを設けて、複数の電極と切替器１３のコモン端子をワイヤレス接続してもよい。

また、粘着層によって絶縁シートの底面を筋５０の体表面に粘着させているが、体表面の所定位置に位置決めできれば、バンドなどで体表面に巻き付けて位置決めしてもよい。

また、トレーニング装置本体１０の一部若しくは全ての構成も、バンドなどで身体に取り付ける装置内に配置し、身につけるものであってもよい。

本発明は、電気刺激を加えて筋をトレーニングする筋トレーニング装置に適している。

１、２０、３０、４０ 筋トレーニング装置
２ 電極
４、６、２２、３２Ａ、３２Ｂ 絶縁シート
１０ トレーニング装置本体
１４ 電気刺激出力部（第１刺激信号出力手段、第２刺激信号出力手段）
２１ 電極（ｍ、ｎ）
３１Ａ、３１Ｂ 電極（ｍ、ｎ）
５０ 筋
５０Ｃ 筋の筋線維方向

Claims (8)

1. 筋の体表面にトレーニング用の第１電気刺激信号を加え、第１電気刺激信号により前記筋を伸縮させる筋トレーニング装置であって、
   前記筋の体表面に密着する内面に複数の電極が露出して設けられる絶縁シートと、
   前記複数の電極の少なくともいずれかの電極を刺激電極として、刺激電極に第１電気刺激信号を出力する第１刺激信号出力手段と、
   第１電気刺激信号の出力を停止している間に、前記複数の電極の少なくともいずれかの電極を筋電検出電極として、筋電検出電極に表れる筋活動電位を検出する筋電信号検出手段と、
   筋電検出電極の筋活動電位から筋の活動状態を判別する筋状態判別手段とを備えたことを特徴とする筋トレーニング装置。
2. 前記筋状態判別手段が判別した筋の活動状態から第１電気刺激信号を出力する刺激電極及び／又は第１電気刺激信号の出力方法を調整することを特徴とする請求項１に記載の筋トレーニング装置。
3. 前記絶縁シートの内面に沿った二次元平面に分散して露出する複数の電極を筋電検出電極として、
   前記複数の筋電検出電極のうち、相対的に高い筋活動電位を検出した筋電検出電極から第１電気刺激信号を出力する刺激電極を選択することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筋トレーニング装置。
4. 前記絶縁シートの内面の格子状に分散する各位置にそれぞれ露出する複数の電極を筋電検出電極としたことを特徴とする請求項３に記載の筋トレーニング装置。
5. 前記絶縁シートの内面の同心円状に分散する各位置にそれぞれ露出する複数の電極を筋電検出電極としたことを特徴とする請求項３に記載の筋トレーニング装置。
6. 前記絶縁シートが密着する体表面の近傍の前記筋に沿った体表面に、少なくとも一つの電極からなるサブ刺激電極を密着し、
   第１電気刺激信号出力手段は、絶縁シートの刺激電極と前記サブ刺激電極の一方を陽電極と他方を陰電極として、陽電極と陰電極間に第１電気刺激信号を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の筋トレーニング装置。
7. 一組の絶縁シートを筋に沿った２カ所の体表面の部位に密着し、
   一組の一方の絶縁シートの内面に露出する複数の電極のいずれかの電極をサブ刺激電極とすることを特徴とする請求項６に記載の筋トレーニング装置。
8. 第１電気刺激信号の出力を停止している間に、前記絶縁シートが密着する体表面の近傍の前記筋に沿った体表面に、前記筋に誘発筋活動電位を発生させる第２電気刺激信号を加える第２刺激信号出力手段を備え、
   筋電信号検出手段は、第２電気刺激信号を加えることにより、筋電検出電極に表れる誘発筋活動電位を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の筋トレーニング装置。

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