JP2018528046A - 触覚刺激装置 - Google Patents

Abstract

患者に刺激を付与するためのトランスデューサは、ペルチェデバイス（８）、空気圧式の膨張空気袋（４）、およびＬＲＡまたはＥＲＭ（６）を備え、そしてコントローラに接続されている。パッシブモードでは、刺激は、患者からのフィードバックなく提供され得る。アクティブモードでは、動きの検出の追加は、追加の視覚的画像を可能にして、患者からの応答を促し、患者に提供される範囲またはリハビリテーションを増大する。

Description

本発明は、治療法（特に、脳卒中患者の治療のため）における触覚刺激、ならびにその装置および使用方法に関する。この装置はまた、シミュレーション（例えば、訓練）およびゲーム産業において用いられ得る。

脳に対する損傷（例えば、脳卒中または外傷の結果として）は、全体または部分的な麻痺および手足および手の感覚障害を生じ得る。このような患者は、広範なリハビリテーションを受ける必要に迫られ、運動および／または感覚を回復または改善することができる場合がある。

リハビリテーションは、典型的には理学療法を伴い、これが可能であるところの運動の反復の使用を含む。

患者の手足（典型的には患者の手）に種々の刺激を付与することもまた知られる。身体の患部への感覚刺激の付与により、虚血または出血性傷害からの神経学的転帰の顕著な改善が生じると考えられる。

ＵＳ２０１３／００１８２８９（Nussbaun名義）は、衣服（特に、手袋）を備えた脳卒中後の刺激デバイスを記載しており、これは、脳卒中患者の皮膚に刺激を付与するための別個のデバイスを含む。付与される刺激は、圧力、振動または温度であり得る。

ＥＰ２８１０６３５（Apolet名義）もまた、脳損傷を有する患者のための感覚刺激デバイスを記載する。このデバイスは、携帯式デバイスであり、指を置くためのゾーンを備え、このゾーンに刺激が付与される。刺激は旋回偏心カムによって付与され、ゾーンの温度がまた変動し得る。

ＵＳ２０１３／００４１２９６（Forschungszentrum Juelich GmbH名義）は、振動、触知または熱の刺激を用いて患者を治療するための別のデバイスを記載する。この明細書は、刺激が付与されるべき周波数（一般に、１〜６０Ｈｚ）および刺激の期間を記載する。

ＪＰ２０１１／１８８９２１（パナソニック電工株式会社名義）は、振動またはマッサージを提供するための装置を記載する。波のタイプおよびそれらの周波数も記載される。典型的には、このデバイスは、２５〜４０Ｈｚおよび２００〜２５０Ｈｚのサイン波を用い、これは、達成されるべきマッサージ効果に依存する。これが脳卒中患者のための刺激に用いられることができるとの指摘はなく、フィードバック（feedback）も記載されていない。

ＷＯ２０１４／１６３７４０（Passy-Muir Inc.名義）は、嚥下を刺激するためのシステムおよび方法を記載する。このデバイスは、３０Ｈｚと６０Ｈｚとの間での振動刺激を提供する。

したがって、リハビリテーションを補助する刺激を提供するために、患者の手または身体の他の部分に適用され得る代替的または改善されたデバイスの必要が存在する。

本発明は、使用者に刺激を提供するための装置を提供する。この刺激は、ランダムまたは予めプログラムされたパターンにしたがって提供され得る。この刺激は、あるいは（例えば、スクリーン上の）視覚刺激と協調して提供され得る。視覚刺激は、使用者（患者）からのいくつかの動きに反応して提供され得る。

したがって、本発明は、使用者に刺激を付与するためのトランスデューサであって、
加熱および／または冷却を提供するためのペルチェデバイス、
使用者に圧力を付与するためのダイアフラムを有する膨張チャンバであって、エアポケットが空気圧式の吸気かつ排気口を有する、チャンバ、ならびに
振動エネルギー源、
を保持するハウジング、
を備える、トランスデューサを提供する。

使用において、本発明は、１つかつコンパクトなデバイスの中に、これら３つの異なるタイプの刺激（温度、圧力および振動）の源を提供し、これらは治療において使用者（患者）の１つの局所化された領域にすべて付与され得る。その使用の例では、脳卒中患者がリハビリテーションにおいて、これらの刺激性入力の組み合わせを１本またはそれ以上の指に付与することによって治療される。この刺激は、トランスデューサからの温度、圧力および／または振動に対応する視覚刺激に適切に付随して生じ、この組み合わせによって、長期にわたる患者のリハビリテーションの改善された治療を提供することが見出される。

膨張チャンバは、任意の気密式デバイス、例えば、エアポケットであり得る。ダイアフラムは、膨張チャンバから使用者に圧力を移動させるために提供され、そしてチャンバの膨張から圧力を移動させるように適合された任意の構成要素を備える。

リニア共振アクチュエータ（ＬＲＡ）または偏心回転質量（ＥＲＭ）は振動を提供するために適切に使用される。これらは、煩わしさなく指に付けられるのに十分に小さいフォーマットで提供され得る。

以下のより詳細に記載される実施形態において、振動源（例えば、ＬＲＡまたはＥＲＭ）は、エアポケット内に保持される。これは、全体的なデバイスのサイズを低減する助けとなる。

トランスデューサは、一般に、種々のコンポーネントが１つのデバイス内に配置され、かつ一緒に保持されている硬い支持構造体を備える。下記の実施形態においても示されるように、振動源は、好ましくはこの構造体の硬い部分に取り付けられており、振動源が、トランスデューサが付与される使用者の身体部分（代表的には、指）から必要に応じて離れているにも関わらず、振動が構造体を通じて使用者に伝達可能である。次いで、ストラップが、振動が身体に感じられるように十分な力でトランスデューサを身体に固定し得る。

発生したパターンの多くが、周波数が４ｋＨｚと３０ｋＨｚとの間の標準的な矩形波のバースト(burst)を、各バースト間の小休止を伴って提供する周辺に基づいている。好ましくは、このバーストは、１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ、より好ましくは１５ｋＨｚと２０ｋＨとの間の周波数を有する。最も好ましい周波数は約２０ｋＨｚである。バーストの周波数は、必要とされる刺激に依存して０．１Ｈｚ〜３５０Ｈｚまで変化し得る。より好ましくは、バーストの周波数は、８０〜３５０Ｈｚまで変化し得る。例えば、滑らかな表面をまねるためには、高周波数が使用され、この値が高いほど、表面はより滑らかに見える。１００Ｈｚを超える周波数の使用は、この滑らかな感覚を提供する。例えば、１００〜３５０Ｈｚ、好ましくは１５０〜３００Ｈｚ、最も好ましくは２００〜３００Ｈｚの範囲の周波数が使用される。粗い表面に対応する感覚を提供するためには、１００Ｈｚ周辺までの周波数が、例えば、１〜１００Ｈｚ、好ましくは５０〜１００Ｈｚ、そして最も好ましくは８０〜１００Ｈｚの範囲内で使用される。用いる周波数がより低いほど、より顕著な起伏(undulation)が患者によって知覚され得る。周波数の変化は、適切な段階で機械受容器の刺激を提供する。

ペルチェデバイスは、ダイアフラムの略中央に配置され得る。これはまた、全体の大きさを減らすことを助ける。ダイアフラムがペルチェデバイスを搭載するだけに充分な領域を有している必要があり、ペルチェデバイスの上面は使用者と接触するように設計され、底面はダイアフラム上に配置される。したがって、ペルチェデバイスは使用者の近位にあり、ダイアフラムは遠位にあり得る。それゆえ、圧力を付与するためのダイアフラムの動きは、使用者に対してペルチェデバイスの上面を圧迫させるこの圧力によって伝達される。温度変化は、ペルチェデバイス表面が使用者に対して直接的に保持されるにつれて伝達される。

典型的には、サーミスタがペルチェデバイスと関連する。サーミスタを使用して、周囲温度がモニターされ得る。温度刺激は、加熱のとき約１０℃上昇し、かつ冷却のため約１０℃低下する参照としてこれを使用する。これの理由は、温度の正確な値を付与する代わりに、指先に相対的な温度変化の感覚を提供するためである。

安全性の理由から、最大温度範囲は一般に２℃〜４５℃である。この温度範囲の外では、皮膚に損傷を引き起こすリスクがある。

エアポケットおよびダイアフラムのリザーバ圧は、通常約３ｐｓｉと９ｐｓｉとの間（約２０ｋＰａと６２ｋＰａとの間）である。エアポケットは、常に関連圧力回路で等しくされる最大限に到達するのみである。これは、エアポケットへの配管が、バルブの使用を介して（例えば、ソレノイドを介して）この回路に切り替えられる際に、本発明の装置内で起こる。エアの体積は、同じに略保たれ、したがって、圧力は回路を横切って低下し；実施形態では、この低下は、元のリザーバ圧力よりもおよそ２ｐｓｉ（１３．８ｋＰａ）低くなるものであった。

作製かつ試験された特定のデバイスにおいて、ソレノイドは、エアポケットが１秒未満で膨張するように１秒間開放に切り替わる。２秒にわたる制御された膨張を提供するために、ソレノイドは、１００ミリ秒ごとに１０ミリ秒間、頻繁に焼付きが行われる。これは、圧力に多段階の変化があるが、早い速度で実行されて、緩やかな圧力変化を使用者に知覚させる。

好ましい実施形態では、温度変化は、圧力上昇と組み合わせて使用される。これは、温度変化が圧力の増加に伴って行われる際に、患者によってより知覚されることを見出したためである。

好ましい実施形態では、１つまたは複数のトランスデューサは、使用者の指の指腹への固定のための大きさを有する。調節可能なストラップが、指の大きさの変化に応じ得る。

本明細書において、トランスデューサはまた、モーショントラッキングセンサを備え得る。これは、必要に応じて加速度計、磁力計、ジャイロスコープおよびコンパスのうちの１つまたはそれ以上である。

本明細書において、トランスデューサ（例えば、曲げセンサ）はまた、曲がるにつれて抵抗を変化させる材料を含み得る。

トランスデューサの治療用途がさらに提供される。このため本発明はまた、患者のための刺激デバイスを提供し：
複数の本発明のトランスデューサであって、必要に応じて他の場所に記載されているような１つまたは複数の、あるいは全ての任意かつ好適な特徴を備え、各トランスデューサがハウジングに搭載され、かつ患者への固定のための手段を有する、トランスデューサ；
対応する複数の、膨張チャンバの吸気かつ排気口に接続するための気送管およびペルチェデバイスのための配線と
振動源（例えば、ＬＲＡ／ＥＲＭ）；ならびに
複数のトランスデューサに接続可能なコントローラであって、
トランスデューサに気送管を接続するための複数のポート；
トランスデューサに電源配線を接続するための複数のポート；
電源；および
トランスデューサの操作を制御するためのマイクロコントローラ；
を備えるコントローラ；
を備える。

デバイス内の複数のトランスデューサは、通常、使用者の指への固定のための大きさを有する少なくとも２つのトランスデューサを備える。このようなデバイスは、刺激が協調された視覚刺激と組み合わせて手の指に付与される脳卒中患者の治療のために使用されるものである。

このシステムの複数のトランスデューサはさらに、ペルチェデバイスと、ＬＲＡまたはＥＲＭとを含む追加のトランスデューサを備え得る。圧力を発生する構成要素はなくてもよい。この追加のトランスデューサが指または身体の一部に接続されて、それが確実に固定されることができず、圧力を付与する構成要素が信頼性をもって使用され得ない結果となることがあるからである。

身体または使用者に管および配線を固定するためのストラップは適切に含まれている。さらに必要に応じて、バッグ（例えば、コントローラを保持するためのショルダーバッグ）およびさらに、マイクロコントローラに接続可能なｖｄｕを備える。

上述したように、視覚効果と組み合わせて１つまたは複数のトランスデューサを使用する治療は、本発明の１つの局面である。デバイスはさらに、１つまたは複数のトランスデューサおよびｖｄｕからの組み合わされた刺激を協調するマイクロコントローラを備え得る。例えば、コントローラは、ｖｄｕを制御し得、画像を表示しかつトランスデューサを独立して作動させる。

特定の実施形態では、マイクロコントローラは、動きを検出しかつ検出した動きに関連してｖｄｕに画像を表示するように適合されている。このため、協調された刺激が提供される。

本発明の患者刺激方法は：
本発明の複数のトランスデューサまたは本発明の刺激デバイスを患者に取り付ける工程；および
トランスデューサを通じて患者に刺激を提供する工程；
を包含する。

刺激は、好ましくは所定のパターンで提供される。この方法は、提供される刺激のパターンに対応して、ｖｄｕに画像を提供する工程を包含することができる。

患者からのフィードバックがさらに熟慮される。したがって、この方法が患者による動きを検出する工程、および次いで必要に応じてデバイスの出力を適合させる工程（例えば、検出された動きに対応して、ｖｄｕに画像を提供する工程）を包含することが本発明の実施形態の特徴である。治療における使用の１つの例では、表示された画像は、検出された動きを強調する。これは、デバイスに対する患者の反応を助け、そして治療の長期間にわたって刺激に対してより大きな反応を促進することが見出される。

本発明の理解を助けるために、その特定の実施形態がまさに例示としてかつ添付の図面を参照して記載される。

図１は、本発明のトランスデューサおよび患者の指の模式断面図を示す。 図２は、本発明の第２の実施形態のトランスデューサおよび患者の指の模式断面図を示す。 図３は、本発明の第３の実施形態のトランスデューサおよび患者の指の模式断面図を示す。 図４は、本発明の第４の実施形態のトランスデューサおよび患者の指の模式断面図を示す。 図５は、使用者の手の上の図１〜４に示されるような複数のデバイスを示す。 図６は、図４のトランスデューサが取り付けられた使用者の手を示す。 図７は、本発明の複数のトランスデューサを制御するための模式的なコントロールシステムを示す。

デバイスは、身体の様々な部分（特に手）で使用者に取り付けられる、一式のトランスデューサを使用する。各トランスデューサは、圧力、振動および温度変化の全ての形式で刺激を提供し得る。

図１は、使用者の指の領域に刺激を付与するためのトランスデューサ１を示す。トランスデューサは、圧力の付与のための入口５を有するエアポケット４、振動を提供するためのリニア共振アクチュエータ（ＬＲＡ）または偏心回転質量（ＥＲＭ）６、および温度の変化を作り出すためのペルチェデバイス８を保持するハウジング２を備える。

図１に示す実施形態において、エアポケット４は、ダイアフラム１０が伸縮するハウジング内に領域を含む。ＬＲＡまたはＥＲＭ６は、エアポケット４内およびハウジング２に対して保持される。これは省スペースのためであり、そしてエアポケットはまたＬＲＡまたはＥＲＭ６を保護するために作用する。加えて、この配置は、使用者によって知覚され得るハウジングの硬い構造的構成要素を介して、６から遠位の振動シグナルの伝達を容易にする。

ペルチェデバイス８は、エアポケット４上のダイアフラム１０に取り付けられ、エアポケットが膨張すると、ペルチェデバイスが使用者に対して、特に指の指腹に対して圧迫される。これにより、エアポケットが膨張する際に使用者に対して圧迫する硬い表面が提供され、使用者に圧力のより強い感覚を作り出す。サーミスタ９はペルチェデバイス上に提供され、温度を検出し、かつペルチェデバイスから生じる温度の増減が皮膚の安全範囲、すなわち２℃〜４５℃を超えないことを確実にする。

図１に示すように、本実施形態では、ペルチェデバイス８およびその関連するサーミスタ９は、ペルチェデバイスよりも僅かに深いハウジング２内のスロット１２内に保持される。このため、ペルチェデバイス８の垂直方向の動きは、スロットの深さによって制限される。この配置は、ペルチェデバイスの動きによって圧力が皮膚に付与されることを可能にし、圧力の堅固な源、すなわち、ペルチェデバイスの硬い表面を皮膚に提供する。スロット１２内のペルチェデバイス８の制限された動きは、過剰な圧力を提供しかつ患者を傷つけることの可能性なく、使用者に圧力の適切な知覚を提供する。

典型的な使用では、このようなデバイス１の複数が使用者の皮膚に対して異なる位置に保持される。

この使用が脳卒中患者または感覚障害を有する他の患者の治療のためである場合、個々のデバイス１は、例えば、ベルクロまたは弾性のアタッチメントを用いて、例えば指に取り付けられ得る。次いで、個々のデバイスは（後述するような）中央コントローラに接続され得る。ベルクロストラップが、それらが指の大きさにしたがって変化する滑り嵌めを確実にするために調節され得るので、特に適切である。

この使用がゲームまたはトレーニング／シミュレーションである場合、複数のデバイス１が、衣服（例えば手袋）のアイテム内に、またはアイテム上に接続され得る。感覚障害に罹る患者は、典型的には手袋を着けることができない故、上記モジュールシステムの提供はこれができないことについて示される。しかし、彼らが手袋を着けることができる特定の環境下で、これはまたこのような患者の治療に使用され得る。

図２に示す代替の実施形態では、ＥＲＭ１０６はエアポケット１０４内に保持されていないが、ハウジング１０２内のエアポケット１０４の下に保持される。エアポケット１０４には、空気口１０５が提供される。先に記載したように、ペルチェデバイス１０８および関連するサーミスタ１０９は、使用者に対して圧力を付与するためのエアポケット１０４の上面を形成するダイアフラム１１０に取り付けられている。示されるように、ペルチェデバイスはスロット内に保持されていないが、それが拡張してエアポケットとともに自由に動くことができる。

なお、このデバイス１０１は、ベルクロストラップを使用するかまたは衣服に入れることにより、使用者に取り付けられ得る。

指のみの使用のための図３に示すさらなる実施形態２０１では、ハウジングは、使用者が指の端部を置くことのできる、閉鎖端部（例えば、シンブル２０２）を有するキャップの形態を有する。シンブル２０２は、指の先端（指の爪の先端を含む）が突き出ることができるように端部２１２にて小さな開口を有していてもよい。

このデバイス２０１において、ＥＲＭ／ＬＲＡ２０６は、空気圧吸気口２０５を有するエアポケット２０４、ならびにペルチェデバイス２０８およびサーミスタ２０９に対してデバイスの正反対の側に提供される。ＥＭＲ／ＬＲＡは使用者の指の爪に対して作用するように配置される。その一方で、ペルチェデバイス２０８およびサーミスタ２０９がその上に搭載されるエアポケットは、指の指腹２１８に対して作用するように配置される。シンブルは、硬質プラスチックオーバーカバー２０２およびシリコン２０３、または他の柔軟性のあるプラスチック材料のライニングを有し、その中にエアポケットおよびペルチェデバイスが設けられている。

振動、圧力および温度の組み合わせが使用者に対するある範囲の刺激を提供するために使用され得る間、圧力を提供することができないデバイスがさらに提供される。このようなデバイス３０１は、圧力の増加が感じられるように身体に充分にきつく保持することができない位置において有用である（例えば手の掌で使用される場合）。このようなデバイスは図４に示されており、そして先のデバイスのように、温度を変化させるためのペルチェデバイス３０８、温度を測定するためのサーミスタ３０９、および振動の付与のためのＬＲＡ／ＥＲＭ３０６を備え、両方がハウジング３０２内に提供されている。先のように、デバイスは図示しないベルクロストラップを用いて、または衣服に取り込んで適切に保持され得る。

脳卒中患者の使用のために、図５に示すように、複数のこれらのデバイス１，１０１，２０１，３０１がモジュール配置において使用者への固定のために一緒に接続される。

手に刺激を付与する使用のために、典型的には、上記のように５つのデバイス１，１０１，２０１が親指を含む指に適用される。加えて、さらなるデバイス１，１０１，２０１または３０１が掌への取り付けのために提供される。デバイスは、親指近くの筋肉に対して提供される。典型的には、このデバイスは圧力の付与のオプションを除外している。

各々のデバイスは電源３４への接続のため、および空気圧システム３６のため、適切な場合、電力接続部３０および空気接続部３２を有する。空気圧システムは、各デバイスへの空気圧システムからの空気の流動がソレノイド３８によって制御される、閉鎖ループにより加圧されたリザーバシステムであってもよい。これらは順番にマイクロコントローラ４０に接続されて、トランスデューサ１，１０１，２０１，３０１における刺激の活性化を制御する。

デバイス１，１０１，２０１，３０１からの配線３０および管３２は、それらを一緒に保持しかつ損傷から保護するための織り込まれたシース内に提供され得る。あるいは、ベルクロストラップを用いて使用者に保持されてもよく、または緩やかな状態であってもよい。

図６に示すように、配置は、快適性を増し、絡まりを防止し、かつそれらが断線する可能性を減らすために、使用者の手首に対して全ての配線と管を保持するために使用され得る手首ストラップを備えていてもよい。

代替例において、トランスデューサが衣服のアイテム（典型的には手袋）内に配置され得、すべての配線および管が当該衣服のアイテムに固定される。

電源３４、空気圧システム３６、ソレノイド３８およびマイクロコントローラ４０は、使用の容易さのためにバッグ（図示せず）内に提供され得る。バッグは、使用者によって装着するためのショルダーバッグまたはバックパックであってもよく、またはこれらの構成要素を一緒に含むためのハンドバッグであってもよい。別の実施形態では、図示しないが、これらの構成要素は、ストラップを用いて患者の前腕に取り付けられる。

脳卒中患者の治療のために、刺激は、例えば、患者が通常の日常所作を行っている場合、または彼らがテレビを見ている場合に、任意の他の活動から独立して付与され得る。上述のように、治療は、圧力、温度の上昇および／または低下、および振動の組み合わせの付与によって行われる。

圧力は、エアポケット４，１０４，２０４の膨張によって付与される。上記のように、ペルチェデバイス８，１０８，２０８は、エアポケットの上部のダイアフラム１０，１１０，２１０に取り付けられ、そしてエアポケットを膨張させることにより、ペルチェデバイスは、デバイス１，１０１，２０１を装着する患者の手足に対して圧迫される。

図７に示すように、コントロールシステムの配置は、マイクロコントローラ４０が、空気圧システム３６からエアポケットにソレノイド３８を用いて所定量の空気の放出を制御するものである。少なくとも１つのソレノイドは、各デバイス１，１０１，２０１と関連し、各デバイスが別々に制御され得る。空気圧システムは、閉鎖ループの加圧リザーバシステムであり得る。

典型的には、ソレノイドは、ラッチングソレノイド３８であってもよく、そしてＨ−ブリッジドライバＩＣ４２を介してマイクロコントローラ４０によって制御されてもよい。このようなシステムを用いる利点は、ラッチングソレノイドへの電力の短いパルスが「ラッチ・オン(latch on)」モードにそれを切り替えることであり、このモードによって、放出または漏出の失敗でない限りは、電力の一定の付与を必要とすることなく、エアポケット内に圧力を保持する。これは電力消費を減じ、バッテリーの寿命を伸ばす。典型的には、ソレノイドを「ラッチ・オン」に切り替える電力パルスは１０〜１５ｍ秒である。

デバイスからの圧力の開放のために、ソレノイドは、「ラッチ・オフ」モードに切り替えられ得るが、さらなる電力のパルスは、再びおよそ１０〜１５ｍ秒の持続期間である。ソレノイドを「ラッチ・オフ」モードに切り替えるために、負荷される電源の極性は、「ラッチ・オン」モードを達成するために負荷されるものと反対である。「ラッチ・オフ」モードへの切り替えは、ソレノイド排気出口を通じてエアポケットを排気する。

このシステムを用いる場合、各デバイス１，１０１，２０１における圧力は別々に制御され得、同一または異なる圧力を達成し、そして同一または異なる期間において、圧力を保持する。

温度刺激は、ペルチェデバイス８，１０８，２０８，３０８を用いて付与される。ペルチェデバイスは、２つの異なるコンダクタの帯電接合にて加熱または冷却の存在を発生させる熱電デバイスである。したがって、ペルチェデバイスが一方向に駆動する場合、一方の表面に加熱プロセスを生じ、他方の表面に冷却プロセスを生じる。同様に、ペルチェデバイスが反対方向に駆動する場合、（すでに加熱された）第１の表面で冷却効果、および他方の表面の加熱効果を生じる。デバイスに電流が流れない場合、周囲温度に戻る。このため、このようなデバイスが患者の皮膚に対して配置される際、上側表面は加熱または冷却され得、あるいはデバイスを介して電流に依存して周囲温度にて保持することが可能である。これは、マイクロコントローラによって制御されるＨ−ブリッジおよびドライバＩＣ４４を用いて再び達成される。

振動は、ＬＲＡまたはＥＲＭを用いて、異なる日常の感覚（例えば、タイピングや猫）をシミュレートするために異なる波形を作り出すことによって発生する。

ＬＲＡは、小さな質量体を含む小さなディスク、ワイヤコイル、スプリングおよび永久磁石を備える。電流がコイルを通過する場合、磁場を発生させ、質量体を動かして振動を発生させる。

ＥＲＭは、シャフトに接続された偏心質量体を有する小さなモータを備える。これが回転すると、振動が発生する。

パルス幅モジュール化を用いて、異なる方法でＬＲＡまたはＥＲＭを駆動することによって作り出された異なる振動波形は、異なる感覚をシミュレートするために使用され得る。異なる感覚は、これらのＬＲＡおよびＥＲＭデバイスに対して異なる波形を駆動させることによりシミュレートされ得る。ＬＲＡ／ＥＲＭはドライブＩＣ４６によって制御され、１００を超える異なる波形を発生させるためにそれらを制御するようにプログラムされ得る。マイクロコントローラ４０とＩＣ４６との間の伝達には、Ｉ^２Ｃスイッチ４８が介される。すべてのドライバＩＣは、同様のＩ^２Ｃアドレスを有し、それらはすべてＩ^２Ｃスイッチ４８を介して接続される。

マイクロコントローラ４０は、順番にコンピュータ（図示せず）から制御され得る。これは、通信のためにＢｌｕｅｔｏｏｔｈ ５０を用いる、スマートフォンまたはタブレットの形態であり得る。

いくつかの実施形態では、モーションセンシングがまたトランスデューサに提供され得る。これらは、加速度計および磁力計、ジャイロスコープおよび位置と方向の情報を提供することができるコンパスの組み合わせの形態であり得る。このようなデバイスは、トランスデューサ１，１０１に提供され得るか、あるいはトランスデューサを適切な位置に保持するために使用されるストラップ上に提供され得る。他の実施形態では、モーションセンシングデバイスは、衣服のアイテム（これは使用者の身体に対してトランスデューサを保持するために使用される）に組み込まれていてもよい。さらに、曲げられたときに抵抗を変化させる材料片が、指の屈曲を検出するために、使用者の指に固定して提供されてもよい。

代替的には、モーショントラッキングシステム（例えば、Leap MotionまたはWiiモーション）が用いられてもよい。

使用者に刺激を提供するために、異なる効果を作出するように、圧力、振動および温度の異なるレベルおよび組み合わせが用いられる。これらは、装置が脳卒中患者の治療に使用中であるか、使用者にとって訓練用またはゲーム用であるかに関わらず、使用され得る。

皮膚は、４種の機械受容器を備える。これらは、異なる方法で接触を検出するために用いられ、そしてデバイス１，１０１，２０１でその３種の刺激を用いることにより、４種の機械受容器が全て活性化され得る。２つは迅速型の受容器であり、２つは遅延型の受容器である。それらの詳細は以下のとおりである：

皮膚はまた、温度受容器を備え、これは、温度変化に対して反応する。

上述のように、圧力は、ソレノイドを介してエアポケットの膨張によって付与され、エアポケットは１秒未満に膨張する。このことにより、エアポケットの急速な膨張が可能になる。

あるいは、ソレノイドは、各「オン」のフェーズの間に、エアポケットを膨張させるのに必要な分だけの気体を流すように、迅速な速度でパルスのオン・オフを切り替えることができる。この結果、エアポケットがゆっくりと充填され得るか、またはエアポケットの部分的な充填のみが達成され得、付与圧力がより低いものとなる。

典型的には、リザーバ圧は、３ｐｓｉと９ｐｓｉとの間となる。これにより、顕著な量の圧力を使用者に対し提供することができ、または所望される任意のレベルの圧力を可能とする。

ペルチェデバイスが、周囲温度から１０℃を上回って皮膚の温度を上昇または低下させることを防ぐために、サーミスタが用いられる。サーミスタは、手の甲の周囲皮膚温度をモニターする安全性回路を制御するハードウエアの一部を形成する。サーミスタは、ペルチェデバイスと、刺激温度をモニターする指の先端との間に配置される。周囲温度が２５℃であると仮定すると、これは、皮膚に損傷を生じないことを確実とする。

一般に、ペルチェデバイスは、皮膚の温度を２秒未満に上下いずれも３℃以内で、そして５秒未満に１０℃以内で変化させるために用いられ得る。同時に圧力が付与される場合、温度変化の認知がより良好となることが分かった。

振動刺激は、皮膚において最大数の異なる効果を作出するように用いられ得る。

ＬＲＡは、パルス幅調整（ＰＷＭ）パルス、自己定義波形（self-defined waveforms）または事前定義波形（pre-defined waveforms）で振動され得、これはドライブＩＣによって決定され得、そしてこの形は、異なる効果を作出するように選択され得る。

未較正システムは、デューティサイクルが２０〜５０％で４ｋＨｚ〜２０Ｈｚの間にて標準の矩形波で駆動され得る。例えば、１回の「クリック（click）」の感覚は、矩形波を含む１０〜１００ｍ秒の短いバーストを用いて作出され得る。同様に、「ダブルクリック（double click）」の感覚は、約２０〜１００ｍ秒の間の２つのバーストをそれらの間に約７５〜５００ｍ秒の間隔をおいて作出することにより達成され得る。「ハム」は、矩形波の長いバーストを用いて作出され得る。

ＬＲＡの性能および効率は、波形のわずかな変化によって改善され得る。これはまた、作出された感覚にわずかな変化を与え得る。波形は、今では、（２０ｋＨｚ矩形波の）周期的バーストからなる。これらのバーストの周波数は、８０〜３５０Ｈｚの間の速度であり得る。各バーストは、約３．４ｍ秒の長さである。

各バーストの長さおよびそれらの間の間隔を変動させることによって、振動の感覚もまた傾斜（速さ）を増減させることができる。

患者と共に使用するために、装置は、パッシブモードまたはアクティブモードのいずれかで用いることができる。

パッシブモードでは、この装置が使用者の手に取り付けられ、使用者によりなされる反応に関わらず刺激が付与される。事前にプログラムした刺激パターンが使用者に付与され得、これは、医師、理学療法士もしくは他の実践者、または使用者自身によって選択され得る。一般にこのモードでは、感覚神経経路のみが刺激され、運動神経経路は刺激されない。特に、刺激はパチーニ小体（これは、皮膚内の深部に位置する）に向けられる。治療が進むにつれて、軽い接触、圧力、伸びおよび温度の変化をシミュレートするようにデバイスを用いることにより、他の感覚受容器も標的となり得る。このモードは、重度の知覚および／または運動障害を受けた患者において用いられ得る。

アクティブモードでは、装置は、スクリーン（例えば、ＴＶ、ＰＣまたはタブレット）に提供される情報に対する能動的なフィードバックを提供する。このモードでは、マイクロコントローラ４０がコンピュータ（例えば、ＰＣＴまたはタブレット）に接続される。これは、有線または無線であり得る。上述したように、これは、Bluetoothモジュール５０を介するものであってもよい。コンピュータは、次いで上述のようなスクリーンに接続され、そしてこれもまた有線または無線であり得る。このモードは、患者からの能動的な関与を必要とし、それによりスクリーンに示された活動に適した感覚フィードバックが患者に提供される。使用者は、適合されたバーチャル環境を受けることになり、それにより、使用者が現実世界で可能となる物理的運動が、バーチャル世界の誇張された視覚表示を生じるように強調され得、そして没入型の現実的な環境を提供するように、トランスデューサを介して適切な感覚フィードバックを全て含むようになる。このモードは、中程度から軽度の知覚および運動障害を伴う患者に有用である。

「ゴール設定」のシステムが、バーチャル環境に組み込まれ得る。それにより、使用者が自分のために設定したゴールに着実に到達することができたときに、難度が増大する。この環境のパラメータを操作する能力は、バーチャル環境に特有であり、そして患者のリハビリテーションに非常に有用である。さらに、患者に興味をそそる適応環境を提供し、リハビリテーションを「ゲーム化すること（gamifying）」で、一見反復的な治療を楽しめて意欲が高まる経験とし、これにより、回復に必要な感覚運動ニューロパシーを促進する強度を提供する。

デバイスは、上述したアクティブモードに非常に類似した方法で、訓練のために用いられ得る。

（評価研究）
上記のようなデバイスを用いて、多くの健常者の参加者に対して評価研究を行い、親指、指および掌に感覚を提供した。全ての参加者は右利きであり、デバイスを右手に取り付けた。参加者の年齢範囲は２６〜５８歳であり、男性：女性比は１：３であった。

（触覚デバイス評価）
触覚デバイスを参加者の右手に取り付け、掌の掌面、親指、人差し指、中指、および小指の末節骨に感覚を提供した。

評価の間に、４つの異なるフェーズを遂行した。

フェーズ１：
何かを感じたか？そして何を感じたか？
このフェーズは、参加者が触覚デバイスによって付与された感覚のタイプを感じることができたどうかをテストするために設計した。以下の表１は、テストの並びを示す。

フェーズ２：
振動触覚アクチュエータを用いて、デバイスの認知閾値を決定するために周波数および振幅を調整した。３つのプロフィール（クリック、バズ、ハム)を３つの振幅（低、中および高）にて事前にプログラムした。

フェーズ３：
静的感覚試験：コップのような円筒体を持っているかのように、手を保持した。種々の物体（ホットマグ、テニスボール、冷えた缶、クレイポット、編み籠、空の錫缶、水のグラス、木製の鉛筆立て）を模倣する目的で選択した組み合わせ感覚の設定感覚プロフィールに従って、触覚デバイスを作動させた。参加者には、まず、自由な言葉を用いて感覚を記載するように依頼した。次いで、参加者に、彼らの記載を絞るのに役立つ記述的な用語のプロンプトシートを渡した。最後に、参加者に、いくつかの物体の写真を参照して感覚を記載するよう依頼した（付属Ａの全研究プロトコルを参照のこと）。参加者には、意図された物体が写真シート上に示されていることを知らせなかった。

全般的に、このフェーズからの結果は、以下を確かめるためであった：
どれだけ多くの参加者が、デバイスを用いたときに実際の物体と触れ合っているかのように感じるか？
その刺激が、描かれている物体のどれかと触れ合っているかのように感じるか、そしてそれはなぜか？

次いで、参加者にこのプロセスを繰り返すよう依頼したが、このときは、指および手の位置を動かした。自由な言葉での記載、用語のプロンプトシート、および視覚のプロンプトシートの正確なプロトコルを再度用いた。

フェーズ４：
物体の表面手触りを複製する動的感覚試験：触覚感覚（振動プロフィール）を付与し、その間、参加者は、テーブルの表面を探るかのように水平に人差し指を動かした。紙やすり、段ボール紙、および籐製品を模倣することを意図した感覚を付与した。また、参加者にはその動きをゆっくりおよび速く繰り返すよう指示し、これが知覚を変化するか否かを評価した。次いで、このプロセスを繰り返し、その間、参加者は、壁の表面を触っているかのように垂直に人差し指を動かした。

（結果の要約）
フェーズ１
個々の間隔について、振動は常に認知されたが、中には、手／指上の発生場所を突き止めるのが困難であった者もいた。圧力はほとんどの場合正確に認知されたが、中には、空気が突進する感覚を感じた者もいた。このフェーズでは、圧力は、はじかれた（flick）またはつねられた（squeeze）としばしば記載された。熱い／冷たいの認知は信頼性がより低いものであったが、それらを圧力と組み合わせることにより助けられた。

フェーズ２
多くの者は、３つの周波数のいずれかで低い振幅を感じることができなかった。このフェーズからの結果は極めて変わりやすかった。人々は、感覚が異なる指から、または指の間の空間または掌の中でさえ発生していると認知した。装着者は、中から高の振幅の間を区別することができ、高い方が強いと感じることができた。

フェーズ３
固定（Stationary）
温度を含むことにより、適切な視覚プロンプトと合わせた場合、装着者に、その感覚を特定の物体（熱いマグ／冷たいコーラ缶）と関連づけさせる。消えていく温度の認知は、一部の装着者によって非現実的な感じであると報告されたが、他の者は、薄い金属に自分が自身の熱を移したかのようであり、表面温度に気づかなくなっていったと考えた。

振動は、最も論議を呼ぶ感覚であり、主に２つの分かれた結果を伴った；その反応が「物体が振動しない」であった装着者と、振動を表面手触りに関連づけた装着者とがいた。一部の参加者は、振動を含めると不快と感じた。

編み籠のプロフィールは、物体が動く液体を含んでいるか、またはその中に動く何かがあるとの動的な触れ合いの認知をしばしば生じた。この物体はしなりやすいとしばしば記載されたが、クレイポットおよび水のグラスの感覚は固い物体としばしば記載された。

動的
装着者は、手および指の動きの追加を、「手の中に何かがある」から「指が通り抜けないので分からない」までその認知を変化させるものと感じた。他のフィードバックは、最初に固いものと認知した物体が、動きを導入することによりしなりやすいに変化したと結論付けた。手を回外から回内に動かすとき、装着者は、持っている物体の重さを感じることができたと指摘した。

フェーズ４
紙やすり−スピードを増減することは、バーチャルな物体の表面手触りを決定するのに重要な要因ではなかった。表面手触りは、小さな起伏またはこぶからなるものと認知された。装着者にとっては最も段ボール紙のようであると報告された。滑り（slip）または摩擦（friction）に対する抵抗もまた報告された。動きの方向は、認知に影響しなかった。

ボール紙−規則的な起伏が認知されたが、ボール紙上の段であると報告したのはあまりにもわずかであった。その代わり、革または毛織であるとしばしば認定された。あら探し（niggles）、窪み（dimples）、点（dots）などが、この感覚を記載するために繰り返し用いられた。スピードは、認知に対しより重要であったようであるが、方向はそうではなかった。

籐製品−［最後の１つの］「段ボール紙」ほど均一性がなかった。この感覚は、１つの表面として認定されるにはやや一貫性がなかったが、手触りは間違いなく存在した。装着者は、垂直に動かす場合に感覚をより確信的なものとし、それを編み籠に相関づけることができた。

全般コメント：
聴覚：装着者の大部分は、デバイスの音が、その感覚が本来物理的なものかまたは聴覚的なものであったかが不確かになる程度に、バーチャル物体の認知に影響するとコメントした。一部の者は、ヘッドホンを装着するか、または音楽を再生してノイズを隠すことを提案した。しかし、聴覚の影響に関わらず、物理的感覚をより現実的なバーチャル環境（すなわち、ゲーム）と結び付けることで、おそらく、物体をつかむように感じられると報告された。

物理的：一部の者は、装着の間に一定の軽い振動に気付いた。これは、配線からのいくらかのフィードバックを示したものであり得る（しかし、状況によってはノイズの要因もあり得る）。手首の保持もまた、動きを有効なものとすることおよびバーチャル物体との触れ合いの現実性に影響した。手の甲の上の配線もまた、動きを制限すると報告された。一部の装着者は、薬指の感覚がなくなったと報告した。

影響因子：人々は、温冷感覚に特に興味を引き付けられた。温度を圧力感覚と結び付けることが、物体を感じるのに類似する最も現実的な感覚であるようであった。予備結果は、動的フェーズ４の表面手触りがバーチャル世界との触れ合いに有望であることを示唆する。

（結論）
本研究を、以下のように結論付けた。
・デバイスは、振動、圧力および温度の組み合わせに基づいて現実的な感覚を生じ、そしてこれらが少なくとも手触り（すなわち、紙やすり、段ボール紙および籐製品）を作出する操作が有効である。
・温度を含むことが、バーチャル世界内に現実的な触れ合いを生じる最大の可能性を有する。
・動的に探している間、表面手触りが最も確信的であった。

したがって、この評価は、デバイスが、脳卒中患者に現実的な刺激を提供し得、そしてバーチャルシミュレーターに用いられる現実的な感覚を作出し得ることを実証した。

Claims (23)

1. 使用者に刺激を付与するためのトランスデューサであって、
   加熱および／または冷却を提供するためのペルチェデバイス、
   該使用者に圧力を付与するためのダイアフラムを有する膨張チャンバであって、該エアポケットが空気圧式の吸気かつ排気口を有する、チャンバ、ならびに
   振動を提供するためのリニア共振アクチュエータ（ＬＲＡ）または偏心回転質量（ＥＲＭ）、
   を保持するハウジング、
   を備える、トランスデューサ。
2. 前記ＬＲＡまたはＥＲＭが、前記膨張チャンバ内に保持されている、請求項１に記載のトランスデューサ。
3. 前記ペルチェデバイスが前記ダイアフラムの略中心に配置されている、請求項１または２に記載のトランスデューサ。
4. さらに、温度測定のためのトランジスタを備える、請求項１から３のいずれかに記載のトランスデューサ。
5. 前記トランスデューサが、使用者の指の指腹への固定のための大きさである、請求項１から４のいずれかに記載のトランスデューサ。
6. さらに、モーショントラッキングセンサを備える、請求項１から５のいずれかに記載のトランスデューサ。
7. 前記モーショントラッキングセンサが、加速度計、磁力計、ジャイロスコープ、コンパスのうちの１つまたはそれ以上から選択される、請求項６に記載のトランスデューサ。
8. さらに、曲がるにつれて抵抗を変化させる材料を含む、先行する請求項のいずれかに記載のトランスデューサ。
9. 患者のための刺激デバイスであって、
   複数の請求項１から８のいずれかに記載のトランスデューサであって、各トランスデューサがハウジングに搭載され、かつ患者への固定のための手段を有する、トランスデューサ；
   対応する複数の、前記膨張チャンバの前記吸気かつ排気口に接続するための気送管および前記ペルチェデバイスと前記ＬＲＡまたはＥＲＭとのための配線；ならびに
   該複数のトランスデューサに接続可能であり、かつ：
   該トランスデューサに気送管を接続するための複数のポートと、
   該トランスデューサに電源配線を接続するための複数のポートと、
   電源と、
   該トランスデューサの操作を制御するためのマイクロコントローラと
   を備える、コントローラ；
   を備える、刺激デバイス。
10. 前記複数のトランスデューサが、使用者の指への固定のための大きさの少なくとも２つのトランスデューサを備える、請求項９に記載の刺激デバイス。
11. 前記複数のトランスデューサが、さらに、ペルチェデバイスとＬＲＡまたはＥＲＭとを備える、追加のトランスデューサを備える、請求項９または１０に記載の刺激デバイス。
12. さらに、前記身体はまたは前記使用者に前記管および配線を固定するためのストラップを備える、請求項９から１１のいずれかに記載の刺激デバイス。
13. さらに、前記コントローラを保持するショルダーバッグを備える、請求項９から１２のいずれかに記載の刺激デバイス。
14. さらに、使用者の前腕に前記コントローラを取り付けるための手段を備える、請求項９から１２のいずれかに記載の刺激デバイス。
15. さらに、前記マイクロコントローラに接続可能なｖｄｕを備える、請求項９から１４のいずれかに記載の刺激デバイス。
16. 前記マイクロコントローラが、前記ｖｄｕを制御するように適合されており、画像を表示しかつ前記トランスデューサを独立して作動させる、請求項１１に記載の刺激デバイス。
17. 前記マイクロコントローラが、動きを検出しかつ検出された動きに関連して、前記ｖｄｕに画像を表示するように適合されている、請求項１６に記載の刺激デバイス。
18. 患者に刺激を提供する方法であって、該方法が、
    患者に、請求項９から１７のいずれかに記載の刺激デバイスの前記トランスデューサを取り付ける工程；および
    該トランスデューサを介して該患者に刺激を提供する工程；
    を包含する、方法。
19. 前記刺激が所定のパターンで提供される、請求項１８に記載の方法。
20. さらに、前記提供された刺激のパターンに対応して、前記ｖｄｕに画像を提供する工程を包含する、請求項１８に記載の方法。
21. さらに、前記患者による動きを検出する工程を包含する、請求項１８に記載の方法。
22. さらに、前記検出された動きに対応して、前記ｖｄｕに画像を提供する工程を包含する、請求項２１に記載の方法。
23. 前記画像が、前記検出された動きを誇張する、請求項２２に記載の方法。

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