JP2018050879A - Electric stimulation device - Google Patents

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哲雄 高橋
Tetsuo Takahashi
哲雄 高橋
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FINGGAL LINK CO Ltd
Nishimura Hiroya
OSHIMA SEISAKUSHO KK
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FINGGAL LINK CO Ltd
Nishimura Hiroya
OSHIMA SEISAKUSHO KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric stimulation device capable of preventing excessive stimulation caused by inrush current.SOLUTION: An electric stimulation device 1 comprises: electrode pads 2 and 3 which are brought into contact with the skin of a living body; and a stimulation current generation part 4 which generates a current IS1 for stimulating the living body via the electrode pads 2 and 3. The stimulation current generation part 4 comprises a differential amplifier 44 and a resistor 45 which prohibit the absolute value of the current IS1 from exceeding a predetermined value without regard to the impedance of the living body.SELECTED DRAWING: Figure 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。   The present invention relates to an electrical stimulation apparatus capable of efficiently performing electrical stimulation in the prevention and treatment of muscle atrophy due to muscle training and disuse syndrome, and the treatment of muscle pain.

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（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｕｓｃｌｅ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：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。   Electrical Muscle Stimulation (EMS), which improves the motor function by applying an electrical signal to the nerve tissue or muscle tissue from the outside and contracts the muscle, or strengthens the motor function, is an athlete's muscle training In addition, it has a certain effect in rehabilitation of patients with disuse syndrome and muscular atrophy disease. Electrical stimulation by the EMS method causes muscle contraction, which is voluntarily performed by nature, irrespective of central innervation. Therefore, even when the body is stationary, it is possible to apply the same load to the muscles as when performing a certain exercise. As a result, muscle fibers are thickened and strengthened without violently exercising, and there is no effect even in muscle tissues in which stimulation from motor neurons is interrupted due to spinal cord injury or amyotrophic lateral sclerosis. It can prevent atrophy of muscle tissue due to action.

ＥＭＳ法における筋肉に対する電気的刺激は大きく分けて、正弦波（Sign波）刺激とパルス波刺激の２通りがある。正弦波刺激では、ラッシュカレント（突入電流）が無く、刺激電流が粗一定になることから、筋肉に対する刺激度合いがソフトである。   The electrical stimulation for muscles in the EMS method is roughly divided into two types, that is, a sine wave (Sign wave) stimulation and a pulse wave stimulation. In the sine wave stimulation, there is no rush current (inrush current) and the stimulation current is roughly constant, so the degree of stimulation to the muscle is soft.

一方、パルス波刺激では、パルスの立ち上がりエッジ部分で突入電流が流れることがある。以下、図８および図９に基づいて説明する。   On the other hand, in the pulse wave stimulation, an inrush current may flow at the rising edge portion of the pulse. Hereinafter, a description will be given based on FIGS. 8 and 9.

図８は、パルス波刺激を用いた従来の電気的刺激装置１０１の一例を示している。電気的刺激装置１０１は、２つの電極パッド１０２，１０３と、刺激電流発生部１０４とを備えている。電極パッド１０２，１０３は、被施行者の皮膚に当接される。   FIG. 8 shows an example of a conventional electrical stimulation apparatus 101 using pulse wave stimulation. The electrical stimulation apparatus 101 includes two electrode pads 102 and 103 and a stimulation current generation unit 104. The electrode pads 102 and 103 are brought into contact with the skin of the subject.

刺激電流発生部１０４は、電極パッド１０２，１０３に接続されており、電極パッド１０２，１０３を介して被施行者の生体に刺激電流ＩＳ０を付与する。刺激電流発生部１０４は、出力トランス４１、ＮＰＮバイポーラトランジスタ４２およびパルス発生器４３を備えている。出力トランス４１の一次巻線４１Ａの一端は電源電位ＶＢに接続されており、一次巻線４１Ａの他端はトランジスタ４２のコレクタ端子に接続されている。また、出力トランス４１の二次巻線４１Ｂの一端は電極パッド１０２に接続されており、二次巻線４１Ｂの他端は電極パッド１０３に接続されている。トランジスタ４２のベース端子はパルス発生器４３に接続されており、トランジスタ４２のエミッタ端子は接地されている。   The stimulation current generation unit 104 is connected to the electrode pads 102 and 103, and applies the stimulation current IS0 to the living body of the subject through the electrode pads 102 and 103. The stimulation current generator 104 includes an output transformer 41, an NPN bipolar transistor 42, and a pulse generator 43. One end of the primary winding 41A of the output transformer 41 is connected to the power supply potential VB, and the other end of the primary winding 41A is connected to the collector terminal of the transistor 42. One end of the secondary winding 41B of the output transformer 41 is connected to the electrode pad 102, and the other end of the secondary winding 41B is connected to the electrode pad 103. The base terminal of the transistor 42 is connected to the pulse generator 43, and the emitter terminal of the transistor 42 is grounded.

パルス発生器４３は、矩形のパルスＰ１をトランジスタ４２のベース端子に入力する。これにより、トランジスタ４２は導通状態になり、トランジスタ４２のコレクタ電流が、出力トランス４１を介して電極パッド１０２に印加され、刺激電流ＩＳ０が生体に流れる。   The pulse generator 43 inputs a rectangular pulse P1 to the base terminal of the transistor 42. Thereby, the transistor 42 becomes conductive, the collector current of the transistor 42 is applied to the electrode pad 102 via the output transformer 41, and the stimulation current IS0 flows through the living body.

従来の電気的刺激装置１０１では、刺激電流発生部１０４の電源電位ＶＢは一定であるため、生体のインピーダンス（以下、生体インピーダンス）に応じて刺激電流ＩＳ０は変化する。   In the conventional electrical stimulation apparatus 101, since the power supply potential VB of the stimulation current generator 104 is constant, the stimulation current IS0 changes according to the impedance of the living body (hereinafter referred to as biological impedance).

図９は、生体インピーダンスが低い場合の、パルスＰ１および刺激電流ＩＳ０の波形を示している。同図に示すように、パルスＰ１の立ち上がりエッジ部分で、刺激電流ＩＳ０が急峻に上昇するため、突入電流が大きくなる。   FIG. 9 shows waveforms of the pulse P1 and the stimulation current IS0 when the bioelectrical impedance is low. As shown in the figure, since the stimulation current IS0 rises sharply at the rising edge portion of the pulse P1, the inrush current increases.

このような大きな突入電流は、正弦波の刺激に比べ、刺激度合いが数倍に達するため、アスリート等の筋肉強化の用途には最適であると言われている。また、生体に付与されるエネルギーの密度が同一である場合、パルス波刺激のほうが筋肉に対する注入エネルギー効率が高いと言われている。   Such a large inrush current is said to be optimal for muscle strengthening applications such as athletes because the degree of stimulation reaches several times that of a sinusoidal stimulation. In addition, when the density of energy applied to the living body is the same, it is said that pulse wave stimulation has higher injection energy efficiency for muscles.

そのため、従来の電気的刺激装置１０１は、健常者の筋肉強化等には効果が高いものの、廃用性症候群や筋萎縮性疾患患者のリハビリ等では、突入電流によって過度な刺激が付与され、リハビリの効果を損ねるおそれがある。   For this reason, the conventional electrical stimulation device 101 is highly effective in strengthening muscles of healthy subjects, but in rehabilitation of patients with disuse syndrome or muscular atrophy disease, excessive stimulation is applied due to inrush current, and rehabilitation is performed. There is a risk of damaging the effect.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、突入電流による過度の刺激を防止することが可能な電気的刺激装置の提供を目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object thereof is to provide an electrical stimulation device capable of preventing excessive stimulation due to inrush current.

出願人は、鋭意研究を重ねた結果、生体のインピーダンスにかかわらず、生体に流れる電流の絶対値が所定値を超えないようにすることで、突入電流を防止することができることを見出した。   As a result of extensive research, the applicant has found that an inrush current can be prevented by preventing the absolute value of the current flowing through the living body from exceeding a predetermined value regardless of the impedance of the living body.

すなわち、本発明は、以下の態様に関する。
項１．
生体の皮膚に当接される電極パッドと、前記電極パッドを介して前記生体に刺激を与えるための電流を発生する刺激電流発生部と、を備えた電気的刺激装置であって、
前記刺激電流発生部は、前記生体のインピーダンスに関わらず、前記電流の絶対値が所定値を超えることを制限する電流制限手段を備えた、電気的刺激装置。
項２．
前記刺激電流発生部は、
前記電流を発生するトランジスタと、
矩形のパルスを発生するパルス発生器と、
を備え、さらに前記電流制限手段として、
前記トランジスタのエミッタ端子と固定電位との間に設けられた抵抗と、
前記トランジスタのエミッタ電圧と前記パルスの電圧との差分に応じた電流を前記トランジスタのベース端子に出力する差動増幅器と、
を備えた、項１に記載の電気的刺激装置。 That is, the present invention relates to the following aspects.
Item 1.
An electrical stimulation device comprising: an electrode pad that is brought into contact with the skin of a living body; and a stimulation current generator that generates a current for stimulating the living body via the electrode pad,
The stimulation current generator includes an electric stimulation device including a current limiting unit that limits the absolute value of the current from exceeding a predetermined value regardless of the impedance of the living body.
Item 2.
The stimulation current generator is
A transistor for generating the current;
A pulse generator for generating rectangular pulses;
Further, as the current limiting means,
A resistor provided between the emitter terminal of the transistor and a fixed potential;
A differential amplifier that outputs a current according to a difference between the emitter voltage of the transistor and the voltage of the pulse to the base terminal of the transistor;
Item 2. The electrical stimulation device according to Item 1, comprising:

本発明によれば、突入電流のみを抑制し過度の刺激を防止することが可能な電気的刺激装置を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrical stimulation apparatus which can suppress only an inrush current and can prevent an excessive stimulation can be provided.

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図である。It is a figure which shows the structure of the electrical stimulation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 生体インピーダンスが低い場合における、パルスの波形、従来の刺激電流発生部による刺激電流の波形、および、本実施形態に係る刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。It is an example of the waveform of a pulse, the waveform of the stimulation current by the conventional stimulation current generation unit, and the waveform of the stimulation current by the stimulation current generation unit according to the present embodiment when the bioelectrical impedance is low. 生体インピーダンスが高い場合における、パルスの波形、および、本実施形態に係る刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。It is an example of the waveform of the pulse when the bioimpedance is high, and the waveform of the stimulation current by the stimulation current generator according to the present embodiment. 本発明の一実施形態の変形例１に係る電気的刺激装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrical stimulation apparatus which concerns on the modification 1 of one Embodiment of this invention. 生体インピーダンスが低い場合における、パルスの波形、従来の刺激電流発生部による刺激電流の波形、および、変形例１に係る刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。It is an example of the waveform of the pulse, the waveform of the stimulation current by the conventional stimulation current generation unit, and the waveform of the stimulation current by the stimulation current generation unit according to Modification 1 when the bioelectrical impedance is low. 本発明の一実施形態の変形例２に係る電気的刺激装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrical stimulation apparatus which concerns on the modification 2 of one Embodiment of this invention. 生体インピーダンスが低い場合における、パルスの波形、従来の刺激電流発生部による刺激電流の波形、および、本実施形態に係る刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。It is an example of the waveform of a pulse, the waveform of the stimulation current by the conventional stimulation current generation unit, and the waveform of the stimulation current by the stimulation current generation unit according to the present embodiment when the bioelectrical impedance is low. 従来の電気的刺激装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional electrical stimulation apparatus. 生体インピーダンスが低い場合における、パルスの波形、従来の刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。It is an example of the waveform of a pulse in the case where bioimpedance is low, and the waveform of the stimulation current by the conventional stimulation current generation part.

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。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

（装置の概要）
図１は、本発明の一実施形態に係る電気的刺激装置１の構成を示している。電気的刺激装置１は、２つの電極パッド２，３と、刺激電流発生部４とを備えている。電極パッド２，３は、図８に示す電極パッド１０２，１０３と同様の構成であり、被施行者の皮膚に当接される。 (Outline of the device)
FIG. 1 shows a configuration of an electrical stimulation device 1 according to an embodiment of the present invention. The electrical stimulation device 1 includes two electrode pads 2 and 3 and a stimulation current generator 4. The electrode pads 2 and 3 have the same configuration as the electrode pads 102 and 103 shown in FIG. 8 and are in contact with the skin of the subject.

刺激電流発生部４は、電極パッド２，３に接続されており、電極パッド２，３を介して被施行者の生体に刺激電流ＩＳ１を付与する。刺激電流発生部４は、出力トランス４１、トランジスタ４２、パルス発生器４３、差動増幅器４４および抵抗４５を備えている。すなわち、刺激電流発生部４は、図８に示す刺激電流発生部１０４において、差動増幅器４４、および抵抗４５をさらに備えた構成である。   The stimulation current generator 4 is connected to the electrode pads 2 and 3 and applies the stimulation current IS1 to the living body of the subject via the electrode pads 2 and 3. The stimulation current generator 4 includes an output transformer 41, a transistor 42, a pulse generator 43, a differential amplifier 44, and a resistor 45. That is, the stimulation current generation unit 4 is configured to further include a differential amplifier 44 and a resistor 45 in the stimulation current generation unit 104 shown in FIG.

（刺激電流発生部）
具体的には、出力トランス４１の一次巻線４１Ａの一端は電源電位ＶＢ（例えば２４Ｖ）に接続されており、一次巻線４１Ａの他端はトランジスタ４２のコレクタ端子に接続されている。また、出力トランス４１の二次巻線４１Ｂの一端は電極パッド２に接続されており、二次巻線４１Ｂの他端は電極パッド３に接続されている。トランジスタ４２は、刺激電流を発生させる駆動用のトランジスタであり、刺激電流発生部４では、ＮＰＮバイポーラトランジスタで構成されている。トランジスタ４２のベース端子は差動増幅器４４の出力端子に接続されており、トランジスタ４２のエミッタ端子は、抵抗４５の一端および差動増幅器４４の負極入力端子に接続されている。抵抗４５の他端は接地されている。すなわち、抵抗４５は、トランジスタ４２のエミッタ端子と接地電位（固定電位）との間に設けられている。差動増幅器４４の正極入力端子はパルス発生器４３に接続されている。パルス発生器４３は、例えば発振回路で構成されており、デューティ比５０％の矩形のパルスＰ１を差動増幅器４４の正極入力端子に入力する。これにより、差動増幅器４４は、トランジスタ４２のエミッタ電圧とパルスＰ１の電圧との差分に応じた電流をトランジスタ４２のベース端子に出力する。トランジスタ４２は、差動増幅器４４から入力される電流に応じて刺激電流を発生し、当該刺激電流は、出力トランス４１によって所定の電圧に変圧されて、電極パッド２に印加される。 (Stimulation current generator)
Specifically, one end of the primary winding 41A of the output transformer 41 is connected to a power supply potential VB (for example, 24V), and the other end of the primary winding 41A is connected to the collector terminal of the transistor 42. One end of the secondary winding 41B of the output transformer 41 is connected to the electrode pad 2, and the other end of the secondary winding 41B is connected to the electrode pad 3. The transistor 42 is a driving transistor that generates a stimulation current, and the stimulation current generation unit 4 is configured by an NPN bipolar transistor. The base terminal of the transistor 42 is connected to the output terminal of the differential amplifier 44, and the emitter terminal of the transistor 42 is connected to one end of the resistor 45 and the negative input terminal of the differential amplifier 44. The other end of the resistor 45 is grounded. That is, the resistor 45 is provided between the emitter terminal of the transistor 42 and the ground potential (fixed potential). The positive input terminal of the differential amplifier 44 is connected to the pulse generator 43. The pulse generator 43 is configured by, for example, an oscillation circuit, and inputs a rectangular pulse P1 having a duty ratio of 50% to the positive input terminal of the differential amplifier 44. As a result, the differential amplifier 44 outputs a current corresponding to the difference between the emitter voltage of the transistor 42 and the voltage of the pulse P1 to the base terminal of the transistor 42. The transistor 42 generates a stimulation current according to the current input from the differential amplifier 44, and the stimulation current is transformed to a predetermined voltage by the output transformer 41 and applied to the electrode pad 2.

さらに、刺激電流発生部４は、生体のインピーダンスにかかわらず、電極パッド２，３を介して生体に流れる電流の絶対値が所定値を超えることを制限することができる。本実施形態では、刺激電流発生部４の差動増幅器４４および抵抗４５が、前記電流の絶対値が所定値を超えることを制限する電流制限手段として機能する。   Further, the stimulation current generator 4 can limit the absolute value of the current flowing through the living body via the electrode pads 2 and 3 from exceeding a predetermined value regardless of the impedance of the living body. In the present embodiment, the differential amplifier 44 and the resistor 45 of the stimulation current generator 4 function as current limiting means for limiting the absolute value of the current from exceeding a predetermined value.

具体的には、差動増幅器４４の増幅率をα、トランジスタ４２の増幅率をβ、トランジスタ４２のコレクタ電流、エミッタ電流、ベース電流をそれぞれＩＣ、ＩＥ、ＩＢ、パルス発生器４３が発生するパルスＰ１の最大電圧をＶmax、抵抗４５の抵抗値をＲとすると、以下の等式が成り立つ。
ＩＥ＝ＩＢ＋ＩＣ
ＩＢ＝α（Ｖmax−ＩＥＲ）
ＩＣ＝βＩＢ
これらの式から、ＩＣ＝αβＶmax／（αＲ＋αβＲ＋１） ・・・式（１）
となる。 Specifically, the amplification factor of the differential amplifier 44 is α, the amplification factor of the transistor 42 is β, the collector current, emitter current, and base current of the transistor 42 are I C , I E , I B , and the pulse generator 43, respectively. When the maximum voltage of the generated pulse P1 is Vmax and the resistance value of the resistor 45 is R, the following equation holds.
I E = I B + I C
I B = α (Vmax−I E R)
I C = βI B
From these equations, I C = αβVmax / (αR + αβR + 1) (1)
It becomes.

コレクタ電流ＩＣは、出力トランス４１によって変圧され、刺激電流ＩＳ１として生体を流れる。通常、刺激電流ＩＳ１は生体インピーダンスに反比例するため、生体インピーダンスが低いほど、刺激電流ＩＳ１すなわちコレクタ電流ＩＣは高くなる。しかし、本実施形態において、式（１）の右辺には、生体インピーダンスの変数が含まれておらず、また、α、β、ＲおよびＶmaxは一定値であるため、コレクタ電流ＩＣは生体インピーダンスがどれだけ低い値であっても式（１）の値を超えることはない。よって、生体に流れる刺激電流ＩＳ１は、生体インピーダンスに関わらず、式（１）で決定されるＩlimを超えることはない。 Collector current I C is transformed by the output transformer 41, through the living body as a stimulation current IS1. Usually, since the stimulation current IS1 is inversely proportional to the bioelectrical impedance, the stimulation current IS1, that is, the collector current I C increases as the bioelectrical impedance decreases. However, in the present embodiment, the right side of the equation (1), does not include the bioimpedance variables, also, alpha, beta, since R and Vmax is a constant value, the collector current I C is bioimpedance No matter how low the value is, it does not exceed the value of equation (1). Therefore, the stimulation current IS1 flowing through the living body does not exceed Ilim determined by the equation (1) regardless of the biological impedance.

図２は、生体インピーダンスが低い場合における、パルス発生器４３が発生するパルスＰ１、図８に示す従来の刺激電流発生部１０４による刺激電流ＩＳ０、および、本実施形態に係る刺激電流発生部４による刺激電流ＩＳ１の波形の一例である。従来の刺激電流発生部１０４は電流制限手段を有していないため、生体インピーダンスが低い場合、刺激電流ＩＳ０のピーク値が非常に大きくなる。一方、本実施形態では、刺激電流発生部４の電流制限手段により、生体インピーダンスが低い場合であっても、刺激電流ＩＳ１の最大値がＩlimに制限される。よって、値Ｉlimを、例えば、廃用性症候群や筋萎縮性疾患患者のリハビリ効果を阻害しない程度の値に設定することにより、突入電流による過度の刺激を防止することができる。   FIG. 2 shows the pulse P1 generated by the pulse generator 43 when the bioelectrical impedance is low, the stimulation current IS0 by the conventional stimulation current generation unit 104 shown in FIG. 8, and the stimulation current generation unit 4 according to the present embodiment. It is an example of the waveform of the stimulation current IS1. Since the conventional stimulation current generator 104 does not have a current limiting means, the peak value of the stimulation current IS0 becomes very large when the bioelectrical impedance is low. On the other hand, in the present embodiment, the maximum value of the stimulation current IS1 is limited to Ilim by the current limiting means of the stimulation current generator 4 even when the bioelectrical impedance is low. Therefore, by setting the value Ilim to a value that does not inhibit the rehabilitation effect of patients with disuse syndrome or muscular atrophy disease, for example, excessive stimulation due to inrush current can be prevented.

なお、生体インピーダンスが高い部位（一般には、筋肉疲労が高い部位、内臓脂肪が厚い部位等）では、電流が流れ難くなるため、図３に示すように、刺激電流ＩＳ１のピーク値は上述のＩlimに満たない。そのため、電流制限手段の有無にかかわらず、突入電流は発生しない。   It should be noted that current does not flow easily at a site with high bioimpedance (generally, a site with high muscle fatigue, a site with thick visceral fat, etc.), and therefore, as shown in FIG. Less than. Therefore, no inrush current occurs regardless of the presence or absence of current limiting means.

また、刺激電流ＩＳ１の強度は、図示しない制御部によって、電極パッド２への印加電圧や、刺激パルスのデューティ比を調整することによって制御することができる。   The intensity of the stimulation current IS1 can be controlled by adjusting the voltage applied to the electrode pad 2 and the duty ratio of the stimulation pulse by a control unit (not shown).

（変形例１）
図１に示す刺激電流発生部４は、＋極性の電流を発生させる回路であったが、本実施形態はこれに限定されず、＋−両極性の電流を発生させる回路であってもよい。本変形例では、＋−両極性の電流を発生させる回路構成について説明する。 (Modification 1)
The stimulation current generator 4 shown in FIG. 1 is a circuit that generates a positive polarity current, but the present embodiment is not limited to this, and may be a circuit that generates a positive and negative current. In the present modification, a circuit configuration that generates + -bipolar current will be described.

図４は、本実施形態の変形例１に係る電気的刺激装置１ａの構成を示している。電気的刺激装置１ａは、図１に示す電気的刺激装置１において、刺激電流発生部４を刺激電流発生部４ａに置き換えた構成である。   FIG. 4 shows a configuration of an electrical stimulation device 1a according to the first modification of the present embodiment. The electrical stimulation device 1a has a configuration in which the stimulation current generation unit 4 is replaced with the stimulation current generation unit 4a in the electrical stimulation device 1 illustrated in FIG.

刺激電流発生部４ａは、図１に示す刺激電流発生部４において、ＮＰＮバイポーラトランジスタ４２ａ、パルス発生器４３、差動増幅器４４ａ、抵抗４５ａ、Ｔフリップフロップ４６および２つのＡＮＤゲート４７，４８をさらに備えた構成である。トランジスタ４２ａ、パルス発生器４３、差動増幅器４４ａおよび抵抗４５ａの各構成は、図１に示すトランジスタ４２、パルス発生器４３、差動増幅器４４および抵抗４５とそれぞれ同一である。   The stimulation current generation unit 4a further includes an NPN bipolar transistor 42a, a pulse generator 43, a differential amplifier 44a, a resistor 45a, a T flip-flop 46, and two AND gates 47 and 48 in the stimulation current generation unit 4 shown in FIG. This is a configuration provided. The configurations of the transistor 42a, the pulse generator 43, the differential amplifier 44a, and the resistor 45a are the same as those of the transistor 42, the pulse generator 43, the differential amplifier 44, and the resistor 45 shown in FIG.

出力トランス４１の一次巻線４１Ａの一端はトランジスタ４２ａのコレクタ端子に接続されており、一次巻線４１Ａの他端はトランジスタ４２のコレクタ端子に接続されており、一次巻線４１Ａのセンタータップは電源電位ＶＢに接続されている。トランジスタ４２ａのベース端子は差動増幅器４４ａの出力端子に接続されており、トランジスタ４２ａのエミッタ端子は、抵抗４５ａの一端および差動増幅器４４ａの負極入力端子に接続されている。抵抗４５ａの他端は接地されている。   One end of the primary winding 41A of the output transformer 41 is connected to the collector terminal of the transistor 42a, the other end of the primary winding 41A is connected to the collector terminal of the transistor 42, and the center tap of the primary winding 41A is a power source. Connected to the potential VB. The base terminal of the transistor 42a is connected to the output terminal of the differential amplifier 44a, and the emitter terminal of the transistor 42a is connected to one end of the resistor 45a and the negative input terminal of the differential amplifier 44a. The other end of the resistor 45a is grounded.

差動増幅器４４の正極入力端子は、ＡＮＤゲート４７の出力端子に接続され、差動増幅器４４ａの正極入力端子は、ＡＮＤゲート４８の出力端子に接続されている。ＡＮＤゲート４７の一方の入力端子は、Ｔフリップフロップ４６の反転出力端子に接続され、ＡＮＤゲート４７の他方の入力端子は、パルス発生器４３に接続されている。ＡＮＤゲート４８の一方の入力端子は、Ｔフリップフロップ４６の非反転出力端子に接続され、ＡＮＤゲート４８の他方の入力端子は、パルス発生器４３に接続されている。Ｔフリップフロップ４６の入力端子は、パルス発生器４３に接続されている。   The positive input terminal of the differential amplifier 44 is connected to the output terminal of the AND gate 47, and the positive input terminal of the differential amplifier 44 a is connected to the output terminal of the AND gate 48. One input terminal of the AND gate 47 is connected to the inverting output terminal of the T flip-flop 46, and the other input terminal of the AND gate 47 is connected to the pulse generator 43. One input terminal of the AND gate 48 is connected to the non-inverting output terminal of the T flip-flop 46, and the other input terminal of the AND gate 48 is connected to the pulse generator 43. The input terminal of the T flip-flop 46 is connected to the pulse generator 43.

パルス発生器４３は、図１に示すパルス発生器４３と同様に、デューティ比５０％の矩形のパルスＰ１を発生する。これにより、差動増幅器４４の正極入力端子にパルスＰ２が入力され、差動増幅器４４ａの正極入力端子にパルスＰ３が入力される。   Similar to the pulse generator 43 shown in FIG. 1, the pulse generator 43 generates a rectangular pulse P1 having a duty ratio of 50%. As a result, the pulse P2 is input to the positive input terminal of the differential amplifier 44, and the pulse P3 is input to the positive input terminal of the differential amplifier 44a.

図５に示すように、パルスＰ２およびＰ３は、デューティ比２５％の矩形波であり、互いに位相が１８０°異なっている。パルスＰ２がハイレベルになってトランジスタ４２が導通することにより、＋極性の刺激電流ＩＳ２が生体に流れ、パルスＰ３がハイレベルになってトランジスタ４２ａが導通することにより、−極性の刺激電流ＩＳ２が生体に流れる。   As shown in FIG. 5, the pulses P2 and P3 are rectangular waves with a duty ratio of 25%, and the phases thereof are different from each other by 180 °. When the pulse P2 becomes high level and the transistor 42 becomes conductive, the + polarity stimulation current IS2 flows to the living body, and when the pulse P3 becomes high level and the transistor 42a becomes conductive, the -polarity stimulation current IS2 becomes It flows into the living body.

また、刺激電流発生部４ａでは、図１に示す刺激電流発生部４と同様、差動増幅器４４および抵抗４５は、生体のインピーダンスにかかわらず、＋極性の刺激電流ＩＳ２の絶対値が所定値Ｉlimを超えることを制限する電流制限手段として機能する。さらに、刺激電流発生部４ａでは、トランジスタ４２ａ、差動増幅器４４ａおよび抵抗４５ａからなる回路の構成が、トランジスタ４２、差動増幅器４４および抵抗４５からなる回路と同一である。そのため、図５に示すように、差動増幅器４４ａおよび抵抗４５ａは、生体のインピーダンスが低い場合であっても、−極性の刺激電流ＩＳ２の絶対値が所定値Ｉlimを超えることを制限する。なお、図５における一点鎖線は、刺激電流発生部４ａにおいて電流制限手段を省略した回路、すなわち、パルスＰ２およびＰ３がそれぞれトランジスタ４２および４２ａの各ベース端子に入力される回路による刺激電流の波形である。   In addition, in the stimulation current generator 4a, as in the stimulation current generator 4 shown in FIG. 1, the differential amplifier 44 and the resistor 45 have the absolute value of the + polarity stimulation current IS2 equal to the predetermined value Ilim regardless of the impedance of the living body. It functions as a current limiting means for limiting exceeding. Further, in the stimulation current generator 4a, the configuration of the circuit including the transistor 42a, the differential amplifier 44a, and the resistor 45a is the same as that of the circuit including the transistor 42, the differential amplifier 44, and the resistor 45. Therefore, as shown in FIG. 5, the differential amplifier 44a and the resistor 45a restrict the absolute value of the negative polarity stimulation current IS2 from exceeding a predetermined value Ilim even when the impedance of the living body is low. 5 is a waveform of the stimulation current by a circuit in which the current limiting unit is omitted in the stimulation current generator 4a, that is, a circuit in which the pulses P2 and P3 are input to the base terminals of the transistors 42 and 42a, respectively. is there.

（変形例２）
本変形例では、刺激電流を発生するトランジスタとしてＰＮＰトランジスタを用いた構成について説明する。 (Modification 2)
In this modification, a configuration using a PNP transistor as a transistor that generates a stimulation current will be described.

図６は、本実施形態の変形例２に係る電気的刺激装置１ｂの構成を示している。電気的刺激装置１ｂは、図１に示す電気的刺激装置１において、刺激電流発生部４を刺激電流発生部４ｂに置き換えた構成である。刺激電流発生部４ｂは、電極パッド２，３に接続されており、電極パッド２，３を介して被施行者の生体に刺激電流ＩＳ３を付与する。刺激電流発生部４は、出力トランス４１、トランジスタ４２ｂ、パルス発生器４３、差動増幅器４４ｂおよび抵抗４５ｂを備えている。   FIG. 6 shows a configuration of an electrical stimulation device 1b according to the second modification of the present embodiment. The electrical stimulation device 1b has a configuration in which the stimulation current generation unit 4 is replaced with the stimulation current generation unit 4b in the electrical stimulation device 1 illustrated in FIG. The stimulation current generator 4b is connected to the electrode pads 2 and 3, and applies the stimulation current IS3 to the subject's living body via the electrode pads 2 and 3. The stimulation current generator 4 includes an output transformer 41, a transistor 42b, a pulse generator 43, a differential amplifier 44b, and a resistor 45b.

具体的には、出力トランス４１の一次巻線４１Ａの一端は接地されており、一次巻線４１Ａの他端はトランジスタ４２ｂのコレクタ端子に接続されている。また、出力トランス４１の二次巻線４１Ｂの一端は電極パッド２に接続されており、二次巻線４１Ｂの他端は電極パッド３に接続されている。トランジスタ４２ｂは、刺激電流を発生させる駆動用のトランジスタであり、刺激電流発生部４ｂでは、ＰＮＰバイポーラトランジスタで構成されている。トランジスタ４２ｂのベース端子は差動増幅器４４ｂの出力端子に接続されており、トランジスタ４２ｂのエミッタ端子は、抵抗４５ｂの一端および差動増幅器４４ｂの負極入力端子に接続されている。抵抗４５ｂの他端は電源電位ＶＢに接続されている。すなわち、抵抗４５ｂは、トランジスタ４２ｂのエミッタ端子と電源電位ＶＢ（固定電位）との間に設けられている。差動増幅器４４ｂの正極入力端子はパルス発生器４３に接続されている。パルス発生器４３は、デューティ比５０％の矩形のパルスＰ１を差動増幅器４４ｂの正極入力端子に入力する。これにより、差動増幅器４４ｂは、トランジスタ４２ｂのエミッタ電圧とパルスＰ１の電圧との差分に応じた電流をトランジスタ４２ｂのベース端子に出力する。トランジスタ４２ｂは、差動増幅器４４ｂから入力される電流に応じて刺激電流を発生し、当該刺激電流は、出力トランス４１によって所定の電圧に変圧されて、電極パッド２に印加される。これにより、パルスＰ１がローレベルになってトランジスタ４２ｂが導通することにより、刺激電流ＩＳ３が生体に流れる。   Specifically, one end of the primary winding 41A of the output transformer 41 is grounded, and the other end of the primary winding 41A is connected to the collector terminal of the transistor 42b. One end of the secondary winding 41B of the output transformer 41 is connected to the electrode pad 2, and the other end of the secondary winding 41B is connected to the electrode pad 3. The transistor 42b is a driving transistor that generates a stimulating current, and the stimulating current generating unit 4b includes a PNP bipolar transistor. The base terminal of the transistor 42b is connected to the output terminal of the differential amplifier 44b, and the emitter terminal of the transistor 42b is connected to one end of the resistor 45b and the negative input terminal of the differential amplifier 44b. The other end of the resistor 45b is connected to the power supply potential VB. That is, the resistor 45b is provided between the emitter terminal of the transistor 42b and the power supply potential VB (fixed potential). The positive input terminal of the differential amplifier 44 b is connected to the pulse generator 43. The pulse generator 43 inputs a rectangular pulse P1 having a duty ratio of 50% to the positive input terminal of the differential amplifier 44b. As a result, the differential amplifier 44b outputs a current corresponding to the difference between the emitter voltage of the transistor 42b and the voltage of the pulse P1 to the base terminal of the transistor 42b. The transistor 42b generates a stimulation current according to the current input from the differential amplifier 44b. The stimulation current is transformed to a predetermined voltage by the output transformer 41 and applied to the electrode pad 2. As a result, the pulse P1 becomes low level and the transistor 42b becomes conductive, whereby the stimulation current IS3 flows through the living body.

また、刺激電流発生部４ｂでは、差動増幅器４４ｂおよび抵抗４５ｂは、生体のインピーダンスにかかわらず、刺激電流ＩＳ３の絶対値が所定値Ｉlimを超えることを制限する電流制限手段として機能する。   In the stimulation current generator 4b, the differential amplifier 44b and the resistor 45b function as current limiting means for limiting the absolute value of the stimulation current IS3 from exceeding a predetermined value Ilim regardless of the impedance of the living body.

具体的には、差動増幅器４４ｂの増幅率をα、トランジスタ４２ｂの増幅率をβ、トランジスタ４２ｂのコレクタ電流、エミッタ電流、ベース電流をそれぞれＩＣ、ＩＥ、ＩＢ、パルス発生器４３が発生するパルスＰ１の最小電圧をＶmin、抵抗４５ｂの抵抗値をＲとすると、以下の等式が成り立つ。
ＩＥ＝ＩＢ＋ＩＣ
ＩＢ＝αＶmin
よって、
ＩＣ＝αβＶmin／（αＲ＋αβＲ＋１）・・・式（２）
となる。 Specifically, the amplification factor of the differential amplifier 44b is α, the amplification factor of the transistor 42b is β, the collector current, the emitter current, and the base current of the transistor 42b are I C , I E , I B , and the pulse generator 43, respectively. When the minimum voltage of the generated pulse P1 is Vmin and the resistance value of the resistor 45b is R, the following equation holds.
I E = I B + I C
I B = αVmin
Therefore,
I C = αβVmin / (αR + αβR + 1) Equation (2)
It becomes.

コレクタ電流ＩＣは、出力トランス４１によって変圧され、刺激電流ＩＳ３として生体を流れる。ここで、式（２）の右辺には、生体インピーダンスの変数が含まれておらず、また、α、β、ＲおよびＶminは一定値であるため、コレクタ電流ＩＣは生体インピーダンスがどれだけ低い値であっても式（２）の値を超えることはない。よって、生体に流れる刺激電流ＩＳ３の絶対値は、生体インピーダンスに関わらず、式（２）で決定されるＩlimを超えることはない。 Collector current I C is transformed by the output transformer 41, through the living body as a stimulation current IS3. Here, the right side of the equation (2) does not include a bioelectrical impedance variable, and α, β, R, and Vmin are constant values, so that the collector current I C is low in bioelectrical impedance. Even the value does not exceed the value of equation (2). Therefore, the absolute value of the stimulation current IS3 flowing through the living body does not exceed Ilim determined by the equation (2) regardless of the biological impedance.

図７は、生体インピーダンスが低い場合における、パルスＰ１、図８に示す従来の刺激電流発生部１０４による刺激電流ＩＳ０、および、本変形例に係る刺激電流発生部４ｂによる刺激電流ＩＳ３の波形の一例である。図７において、実線が刺激電流ＩＳ３の波形であり、一点鎖線が、刺激電流ＩＳ０の波形である。本変形例において、刺激電流発生部４ｂの電流制限手段により、生体インピーダンスが低い場合であっても、刺激電流ＩＳ３の絶対値がＩlimを超えないように制限される。よって、突入電流の発生を防止することができる。   FIG. 7 shows an example of the waveform of the pulse P1, the stimulation current IS0 by the conventional stimulation current generation unit 104 shown in FIG. 8, and the stimulation current IS3 by the stimulation current generation unit 4b according to this modification when the bioelectrical impedance is low. It is. In FIG. 7, the solid line is the waveform of the stimulation current IS3, and the alternate long and short dash line is the waveform of the stimulation current IS0. In this modification, the absolute value of the stimulation current IS3 is limited by the current limiting means of the stimulation current generator 4b so that the absolute value of the stimulation current IS3 does not exceed Ilim even when the bioelectrical impedance is low. Therefore, the occurrence of inrush current can be prevented.

（まとめ）
このように、本実施形態では、刺激電流発生部が、生体インピーダンスに関わらず、刺激電流の絶対値が所定値を超えることを制限する機能を備えている。よって、突入電流による過度の刺激を防止することが可能となる。 (Summary)
Thus, in this embodiment, the stimulation current generation unit has a function of limiting the absolute value of the stimulation current from exceeding a predetermined value regardless of the bioelectrical impedance. Therefore, it is possible to prevent excessive stimulation due to inrush current.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

１ 電気的刺激装置
１ａ 電気的刺激装置
１ｂ 電気的刺激装置
２ 電極パッド
３ 電極パッド
４ 刺激電流発生部
４ａ 刺激電流発生部
４ｂ 刺激電流発生部
４１ 出力トランス
４１ａ 出力トランス
４２ 駆動トランジスタ
４２ａ 駆動トランジスタ
４２ｂ 駆動トランジスタ
４３ パルス発生器
４４ 差動増幅器
４４ａ 差動増幅器
４４ｂ 差動増幅器
４５ 抵抗
４５ａ 抵抗
４５ｂ 抵抗
４６ Ｔフリップフロップ
４７ ＡＮＤゲート
４８ ＡＮＤゲート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrical stimulation apparatus 1a Electrical stimulation apparatus 1b Electrical stimulation apparatus 2 Electrode pad 3 Electrode pad 4 Stimulation current generation part 4a Stimulation current generation part 4b Stimulation current generation part 41 Output transformer 41a Output transformer 42 Drive transistor 42a Drive transistor 42b Drive Transistor 43 Pulse generator 44 Differential amplifier 44a Differential amplifier 44b Differential amplifier 45 Resistor 45a Resistor 45b Resistor 46 T flip-flop 47 AND gate 48 AND gate

Claims (2)

生体の皮膚に当接される電極パッドと、前記電極パッドを介して前記生体に刺激を与えるための電流を発生する刺激電流発生部と、を備えた電気的刺激装置であって、
前記刺激電流発生部は、前記生体のインピーダンスに関わらず、前記電流の絶対値が所定値を超えることを制限する電流制限手段を備えた、電気的刺激装置。 An electrical stimulation device comprising: an electrode pad that is brought into contact with the skin of a living body; and a stimulation current generator that generates a current for stimulating the living body via the electrode pad,
The stimulation current generator includes an electric stimulation device including a current limiting unit that limits the absolute value of the current from exceeding a predetermined value regardless of the impedance of the living body. 前記刺激電流発生部は、
前記電流を発生するトランジスタと、
矩形のパルスを発生するパルス発生器と、
を備え、さらに前記電流制限手段として、
前記トランジスタのエミッタ端子と固定電位との間に設けられた抵抗と、
前記トランジスタのエミッタ電圧と前記パルスの電圧との差分に応じた電流を前記トランジスタのベース端子に出力する差動増幅器と、
を備えた、請求項１に記載の電気的刺激装置。 The stimulation current generator is
A transistor for generating the current;
A pulse generator for generating rectangular pulses;
Further, as the current limiting means,
A resistor provided between the emitter terminal of the transistor and a fixed potential;
A differential amplifier that outputs a current according to a difference between the emitter voltage of the transistor and the voltage of the pulse to the base terminal of the transistor;
The electrical stimulation device according to claim 1, comprising:
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