JP2019024987A - 磁気刺激装置 - Google Patents

Abstract

【課題】手軽に使用でき、電気刺激時の疼痛がなく、体毛などによる使用部位の制限も受けない小型の磁気刺激装置を提供する。【解決手段】磁気刺激装置は、磁気発生部６と励磁電流供給部２０とで構成される。磁気発生部６は、Ｕ字形コア６ａ、及び前記Ｕ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃに巻着された導体６ｐ・６ｑとで構成される。導体６ｐ・６ｑは通電電流が互いに反対方向に流れるように巻着されている。励磁電流供給部２０は、導体６ｐ・６ｑに励磁電流１３を供給する。Ｕ字形コア６ａは、その側面６ｉに対して交差する、互いに反対側に位置する前面６ｇと背面６ｈ間の外寸Ｓが６４ｍｍ以下に構成されている。磁気発生部６の磁力線発生面３ｍには、患部の設置位置を示す目印３ｎが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、局所に対する磁気刺激、特に、嚥下障害を有する患者に対して用いられる磁気刺激装置に関し、更に詳しくは、嚥下動作を司る患者の舌骨上筋群に磁気刺激を与え、正しい嚥下訓練による治療を行うことのできる新たな磁気刺激装置に係る。

日本では年間約４０万人の脳卒中が発生し、そのうち約５％の患者が嚥下を制御する神経機構にダメージを受け、口にしたものが食道ではなく気管に入る「誤嚥」という嚥下障害に苦しんでいる。また、脳卒中後遺症以外にも嚥下障害を引き起こす疾患としては、外傷性脳損傷、脳性麻痺、痴呆、パーキンソン病、ハンチントン病、ウィルソン病、筋萎縮性側索硬化症（ＡＬＳ）、多発性硬化症、脳腫瘍、重傷筋無力症など多数が存在する。上記疾患以外でも高齢化による嚥下障害もあり、嚥下障害患者は今後、増大化することが予想される。

嚥下障害とは、嚥下に関する筋の制御ができず、食物や飲料の経口摂取が困難な状態をいう。高齢者の死亡原因の第１位を占める肺炎は、その多くが嚥下障害による誤嚥性肺炎といわれる。その他、嚥下障害は窒息などの原因にもなる。
嚥下障害は、上記のように高齢者のみならず多くの脳血管障害者、その他の患者が悩まされており、年間２万人を超える新たな嚥下障害患者が発生している。従って、この嚥下障害を改善することは高齢者や脳血管障害者の健康を良好に保つ上で非常に重要である。そこで下記のような嚥下障害治療器が提案された（特許文献１、及び非特許文献１）

特開２０１２-２００５５８号公報

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健常者の場合、食物や液体を取り込むと食物や液体が咽頭を機械的に刺激することで嚥下を誘発する。動物実験より嚥下中枢は咽頭粘膜に分布する上咽頭神経または舌咽神経咽頭枝を直接的に電気刺激するか、咽頭粘膜を電気刺激することで賦活できることが実証されている。
また、解剖学的には咽頭側壁により多くの神経分布が認められている。これをヒントに食物や液体の代わりにこの部分を電気刺激して嚥下を誘発することで、嚥下患者に対して効果的な嚥下訓練や治療を行うのが特許文献１に記載の発明である。

特許文献１に記載の発明は、鼻腔を経由して刺激電極を咽頭の粘膜に密着させ、この刺激電極に適切な値の電流を供給して当該部分に電気刺激を与え、これにより嚥下の訓練や治療を行おうとするものであるが、鼻腔を経由しての刺激電極の咽頭粘膜への密着は患者に重い負担を強いることになり、手軽に治療することができない。

一方、非特許文献１に記載の発明は、頸部表皮に刺激電極を貼り付け、刺激電極に通電して内部の咽頭粘膜を電気刺激しようとするものであるが、電気刺激時に感電による疼痛を患者に与える点や、顎鬚など体毛がある場合は刺激電極を求める部位（喉）に取り付けることができないという問題がある。

本発明は、特許文献１に比べて遥かに手軽に使用でき、非特許文献１のような電気刺激時の疼痛がなく、体毛などによる使用部位の制限も受けず、例えば、顎の舌骨上筋群のような局部的な磁気刺激を効果的に行える新たな磁気刺激装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、四肢の大きな筋肉の末梢神経を連発磁気パルスで刺激することにより、これら大きな筋肉に持続する大きな収縮を起こさせるための連続磁気パルス発生装置（特開平２０１５−１０７１７６）の研究を進めてきた。
この装置を嚥下障害の磁気刺激装置に応用して、例えば、患者の嚥下に関連する小さな筋である舌骨上筋群に磁気的な刺激を与え、患者に嚥下の訓練や治療を行うことのできる装置を完成させた。

請求項１に記載の発明は、
Ｕ字形コア６ａと、
前記Ｕ字形コア６ａの、隣接して並置された一対の先端部分６ｂ・６ｃのそれぞれに通電電流が互いに反対方向に流れるように巻着された導体６ｐ・６ｑと、
前記Ｕ字形コア及び導体を収納するケース３より構成された磁気発生部６と、
前記導体６ｐ・６ｑに励磁電流１３を供給する励磁電流供給部２０とで構成されたことを特徴とする磁気刺激装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気刺激装置において、
Ｕ字形コア６ａがＵ形に見える面を側面６ｉとした場合に、前記Ｕ字形コア６ａの両先端部分６ｂ・６ｃの前記側面６ｉに対して交差する、互いに反対側に位置する前面６ｇと背面６ｈ間の外寸Ｓが６４ｍｍ以下に構成されたことを特徴とする磁気刺激装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気刺激装置において、
磁気発生部６の磁力線発生面３ｍに患部の設置位置を示す目印３ｎを設けたことを特徴とする磁気刺激装置である。

請求項４に記載の発明（図５）は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気刺激装置において、
Ｕ字形コア６ａの側面６ｉに対して直角方向から前記Ｕ字形コア６ａを見た時に、前記Ｕ字形コア６ａの先端面６ｓ・６ｔの中央が最も低く、前記先端面６ｓ・６ｔの両側に向かって次第に高くなる凹半円弧面状に形成されていることを特徴とする磁気刺激装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の磁気刺激装置において、
前記ケースには、冷却空気を前記ケース内部に送り込むための送風管３ｒが設けられていることを特徴とする磁気刺激装置である。

本発明によれば、Ｕ字形コア６ａを採用し、その先端部分６ｂ・６ｃへの導体６ｐ・６ｑの巻き方向を反対方向にして導体６ｐ・６ｑを流れる通電電流が互いに反対方向に流れるようにしたので、通電時に患部に生じた渦電流ＵはＵ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃの間を集中的に流れて当該部分の筋の末梢神経を磁気刺激することができた。
そして、Ｕ字形コア６ａの前・背面６ｇ・６ｈ間の外寸Ｓを６４ｍｍ以下としたので、例えば、成人の顎に沿わせて磁気発生部６の磁力線発生面６ｍをセットすることができ、舌骨上筋群３０のような小さな筋の末梢神経を効果的に刺激できるようになった。
更に磁力線発生面３ｍに患者の顎の設置位置を示す目印３ｎを設けたので、例えば、嚥下治療にあっては、該目印３ｎに合わせて患者の顎を磁力線発生面３ｍに載せれば常に正しい位置に患者の顎を載せることができ、治療時にＵ字形コア６ａから出た磁力線Ｇが患者の下歯槽神経４０を刺激することなく舌骨上筋群３０だけを刺激して疼痛を伴わない安全な嚥下訓練を実施できるようになった。
加えて、Ｕ字形コア６ａの先端面６ｓ・６ｔを凹面状に形成することで、嚥下治療において、磁気刺激装置を顎に沿わせることができる。

本発明の磁気刺激装置を患者の顎に当てた状態を示す断面図である。 本発明の磁気刺激装置の縦断面図である。 図２において蓋部を取った状態の平面図である。 本発明の磁気刺激装置の実施例の斜視図である。 本発明の磁気刺激装置の他の実施例の斜視図である。 本発明の磁気刺激装置による治療時に顎に発生した渦電流の模式図である。 図６を顎の下から見た渦電流の模式図である。 本発明の磁気刺激装置の回路の第１実施例である。 図８の第１変形例の部分図面である。 図８の第２変形例の部分図面である。 図８の第３変形例の部分図面である。 本発明の磁気刺激装置の回路の第２実施例である。 図１２の更なる変形例の部分図面である。 本発明のモノフェーズ放電時の充電波形と放電波形の図である。 本発明のバイフェーズ放電時の充電波形と放電波形の図である。 本発明における全波整流回路を通過する分流電流用の抵抗の抵抗値がゼロの場合の全波整流回路に流れる電流波形である。 本発明における全波整流回路を通過する分流電流用の抵抗の抵抗値が０．５３Ωの場合の全波整流回路に流れる電流波形である。 本発明における全波整流回路を通過する分流電流用のインダクタのインダクタンス値が１１１μＨの場合の全波整流回路に流れる電流波形である。 本発明におけるインダクタの全波整流回路を通過する分流電流に対する抑制効果を示す図である。 本発明における抵抗の全波整流回路を通過する分流電流に対する抑制効果を示す図である。 本発明におけるＬＣＲ共振型回路のコンデンサに流入する電流が最大になる時間と、リアクタンス及びキャパシタの関係を示す図である。

以下、本発明を図示実施例に従って説明するが、その前に本発明に係る磁気刺激の１つの対症例となる嚥下障害を理解するうえで必要な通常の嚥下動作に付いて説明する（図１参照）。
咽頭５０の上部入口には鼻腔６０と口腔７０が繋がっており、咽頭５０の下部出口は喉頭８０と食道９０に繋がっている。
呼吸時には鼻腔６０から入った空気は、咽頭５０を経て喉頭８０に送られ、気管８８を通って肺に送られる。

これに対して嚥下時には、口腔７０内で咀嚼された食物や水或いは液状栄養物などの食塊は咽頭５０に送られ、後述するように食道９０を経由して胃に送られる。
咽頭５０ではこのように空気と食塊が通過するため、呼吸と嚥下とを仕分ける筋の制御ができなくなると、気管８８に食塊が誤進入して誤嚥を生じる。この点を更に詳述する。

食物を咀嚼し、その食塊を嚥下すると上記のように該食塊が咽頭５０を機械的に刺激することで嚥下作用を誘発する。そして、該食塊は口腔７０から喉頭蓋谷８１に入り、誘発された該嚥下作用により、直下の喉頭蓋軟骨８２に接続している筋８３が反転して喉頭蓋８４が気管８８の入口を塞ぎ、同時に口腔７０から咽頭５０を経て食道９０に至るように通路が切り替わり、これにより食塊が口腔７０から食道９０へスムーズに流れ落ちる。

食塊が気管８８に入らないようにするために、嚥下反射により瞬時に気管８８に繋がる喉頭８０の入口がタイミングよく喉頭蓋８４で蓋される必要がある。このような嚥下作用は、上記舌骨上筋群３０や図示していない上咽頭収縮筋その他さまざまな筋が非常に短い時間でタイミングよく作動することで行われる。これは脳の延髄にある嚥下中枢によって制御される。それ故、脳卒中の後遺症、高齢化、神経疾患、口腔や咽頭の形態異常など様々な疾患により咽頭枝或いは咽頭枝から嚥下中枢に至る神経系統、嚥下中枢から嚥下を司る筋群（特に、頤舌骨筋、顎二腹筋（前腹）及び顎舌骨筋などを含む舌骨上筋群３０）に至る神経系統に障害が発生した場合、嚥下障害を発生する。

そこで、本発明に係る磁気刺激装置を用い、例えば嚥下障害においては、嚥下作用を司る上記舌骨上筋群３０に連続して刺激を与え、これを間欠的に収縮させることで障害の起きている神経系統やこれらが繋がっている咽頭相に刺激を与え、嚥下機能を賦活させようとするものである。

次に、本発明に係る嚥下障害治療のような局所磁気刺激用の磁気刺激装置を図示実施例に従って説明する。以下は本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明するものであるが、これら実施例は説明のための単なる例示であって、本発明はこれら実施例に何等制限されるものではない。

本発明の磁気刺激装置は、磁気発生部６と、磁気発生部６に励磁電流１３（順方向電流１１や反転電流１２）を供給する励磁電流供給部２０とで構成されている。
嚥下障害治療に当たっては磁気発生部６を図1に示すように顎の下に沿わせ、下歯槽神経４０などを刺激することなく嚥下動作を司る舌骨上筋群３０だけを刺激できるようにする。そのためには磁気発生部６を顎のような局所的患部に合わせて小型化する必要がある。
加えて、励磁電流供給部２０も従来は大型であって持ち運びできなかったが、治療の利便性を考えると、磁気発生部６の小型化と並行して励磁電流供給部２０の小型化も必要である。まず、磁気発生部６に付いて説明する。

磁気発生部６の主要部分は、ケイ素鋼板やアモルファス箔体等の磁性体を材料としたＵ字形コア６ａと、銅やアルミ等の非磁性金属を材料とした導体６ｐ・６ｑであり、樹脂やセラミック等の非金属を材料としたケース３に収納されている。Ｕ字形コア６ａは図２及び図３に示すように薄い絶縁被膜付きのＵ形の圧延ケイ素鋼板を多数枚積層したもの、或いはＵ形に曲げた圧延ケイ素鋼板を多数枚積層したものである。本実施例で使用した圧延ケイ素鋼板は、厚さが０．３５ｍｍのものである。Ｕ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃは平行に設けられ、その先端面６ｓ・６ｔは平坦、或いはＵ字形コア６ａがＵ形に見える面を側面６ｉとした場合に、Ｕ字形コア６ａの側面６ｉに対して直角方向から前記Ｕ字形コア６ａを見た時に、前記Ｕ字形コア６ａの先端面６ｓ・６ｔの中央が最も低く、前記先端面６ｓ・６ｔの両側に向かって次第に高くなる凹半円弧面状に形成されている。

磁気発生部６は、嚥下障害治療用では、下歯槽神経４０を刺激せず、下顎４１と舌骨４２との間にある舌骨上筋群３０のみを刺激する必要があるため、上記のように患者の顎の長さに合わせる必要がある。本実施例では２種類のものが用意され、顎の長さの大きい人用には、Ｕ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃの前・背面６ｇ・６ｈ間の幅Ｓが６４ｍｍ、小さい人用としては５３．５ｍｍとした。勿論、左記数値は限定されるものでなく、更に小さいものでは５０ｍｍ或いは子供用では２５ｍｍのものが用意される。本実施例では最大６４ｍｍとした。Ｕ字形コア６ａの大きい方が小さい方に比べて舌骨上筋群３０により大きな収縮を生起させることができる。
なお、Ｕ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃの前面６ｇから背面６ｈの幅Ｓとは、図２、図３から分かるように、Ｕ字形コア６ａの側面６ｉに交差（直交）し、互いに反対側に位置する外側の面の間の距離をいう。

導体６ｐ・６ｑは、１本の長尺の銅板をＵ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃにコイル状にて反対方向に巻き付けたもので、その表面には絶縁被膜が形成されている。導体６ｐ・６ｑの厚みは０．４〜１．５ｍｍ、幅５．０〜１５．０ｍｍ、巻き数はそれぞれ５〜１５巻きとし、互いに接触しないように導体冷却用間隙６ｋを設けて長尺の銅板をコイル状に巻回した。本実施例では先端部分６ｂ・６ｃへの巻着導体６ｐ・６ｑは、０．７ｍｍ×９．０ｍｍでそれぞれ１０巻とした。導体冷却用間隙６ｋは本実施例では０．１〜０．３ｍｍとした。絶縁被膜はウレタン樹脂を用い、導体６ｐ・６ｑ表面の放熱を妨げないように薄くした。本実施例では絶縁被膜の厚みは２０μｍとした。なお、本実施例では、導体６ｐ・６ｑは、長尺の銅板をコイル状に巻き付けたものとしたが、これに限られず導体冷却用間隙６ｋが設けられるようなものであれば足り、例えば、図示していないが、導体冷却用間隙を設けて銅線をコイル状に巻いたものでもよい。（なお、昇温の心配はない小型の場合には導体冷却用間隙６ｋをなくし、密捲きにしてもよい。）

ケース３は、Ｕ字形コア６ａとコイル状の導体６ｐ・６ｑとを収納する樹脂製（ここではＡＢＳ製）のもので、上面が開口した本体３ａと、その開口を覆う蓋部３ｂとで形成されており、図示しないボルトで固定され、前記上面開口が閉塞されている。
本体３ａの上面開口凹部３ｃには、Ｕ字形コア６ａの本体部分が収納されており、その先端部分６ｂ・６ｃが導体６ｐ・６ｑと共に上方に飛び出している。

患者の患部に接触する蓋部３ｂには２個の長方形の凸部３ｄが平行に突設されており、上記上方に飛び出している前記先端部分６ｂ・６ｃが長方形の凸部３ｄに一致して設けられ下面側に開口した下面開口凹部３ｅに嵌め込まれる。同様に該先端部分６ｂ・６ｃの周囲にそれぞれ巻設された導体６ｐ・６ｑも蓋部３ｂ内に嵌め込まれて保持される。保持方法は図示しない固定部材（或いは接着）による。
該先端面６ｓ・６ｔは、上記のように平坦面、又は凹半円弧面状に形成されているので、蓋部３ｂの下面開口凹部３ｅの先端面６ｓ・６ｔが当接する当接面、及び凸部３ｄの表面も前記先端面６ｓ・６ｔに合わせて平坦面、又は凹半円弧面状に形成されている。

なお、ケース３内にはサーモスタット３ｓが設置されており、内部温度が設定温度以上になると通電を停止するようになっている。また、磁気発生部６の温度上昇を防ぐため、ケース３に設けた送風管３ｒを通じて冷却空気をケース３内に送り込むようにしてもよい。その場合、導体６ｐ・６ｑの間に設けた導体冷却用間隙６ｋが導体６ｐ・６ｑの冷却に寄与する。ケース３に送り込まれた空気はケース３の側面その他の面に設けた孔（図示せず）から流出する。

次に、励磁電流供給部２０に付いて説明する。従来の励磁電流供給部は、後述する全波整流回路を通過する分流電流により、非常に大きく重い電源トランスや高圧用素子を必要としており、小型軽量化することは困難であった。本発明に使用される励磁電流供給部２０の回路（第１実施例 図８）は、放電回路部Ｋと充電回路部Ｊ１とで構成される。

図８の充電回路部Ｊ１は、昇圧トランス１の２次側コイル１ｂと、全波整流回路５と、分流電流抑制用のインダクタ９（又は、該インダクタ９に替えて用いられる分流電流抑制用の抵抗１０）及び充放電用コンデンサ４とで構成されている。前記全波整流回路５はダイオードＤ１〜Ｄ４にて構成される。

昇圧トランス１は、その１次側コイル１ａが交流電源２に接続され、２次側コイル１ｂが全波整流回路５の入力端子５ａに接続されている。全波整流回路５は、その両出力端子５ｂ、５ｂが充放電用コンデンサ４の両端子Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ接続されている。そして、全波整流回路５のいずれかの出力端子５ｂ，５ｂと充放電用コンデンサ４のいずれかの端子Ｐ１，Ｐ２或いは両端子５ｂ，Ｐ１（５ｂ，Ｐ２）との間に分流電流用インダクタ９又は分流電流用抵抗１０の少なくともいずれか一方が接続されている。即ち、充電電流が出力される一方の出力端子５ｂと端子Ｐ１、又は他方の出力端子５ｂと端子Ｐ２との間のいずれか一方に、分流電流抑制用のインダクタ９だけを、又は分流電流抑制用の抵抗１０だけを直列接続する場合、或いは、一方の出力端子５ｂと端子Ｐ１に該インダクタ９が設けられ、他方の出力端子５ｂと端子Ｐ２との間に該抵抗１０をそれぞれ接続する場合、或いはその逆、及び両出力端子５ｂと両端子Ｐ１、Ｐ２の間に該インダクタ９同士又は該抵抗１０同士がそれぞれ接続されている場合がある。

放電回路部Ｋは、充放電用コンデンサ４と、充放電用コンデンサ４からの放電電流（順方向電流）１１を磁気発生部６の導体６ｐ・６ｑに供給するスイッチング半導体素子７とを環状に直列接続して構成されている。この実施例では、スイッチング半導体素子７は、全波整流回路５の、充電電流が出力される一方の出力端子５ｂから導体６ｐ・６ｑに向かう順方向のサイリスタ７ａと該サイリスタ７ａに逆並列接続された反転電流用ダイオード７ｂとで構成されている。
そして、図８では前記分流電流抑制用のインダクタ９は前記一方の出力端子５ｂとスイッチング半導体素子７の端子Ｐ１との間で直列接続されている。制御部８はスイッチング半導体素子７の導通タイミング（＝連続磁気パルスの繰り返し時間間隔Ｔ：図１４、図１５）を制御するもので、スイッチング半導体素子７のサイリスタ７ａに接続されている。

図９は分流電流抑制用のインダクタ９に替えて抵抗１０を用いた例を示す。インダクタ９、抵抗１０の配置位置は、前述のように全波整流回路５の一方の出力端子５ｂ又は反対側の他方の出力端子５ｂのいずれの側に直列接続してもよい。

同様に本発明を用いた磁気刺激装置６の回路図の他例を「図１２」に示す。該回路においては、充放電コンデンサ４と、スイッチング半導体素子７の位置が交代しているだけで、その余は図８と同じである。なお、この場合、サイリスタ７ａの入力側端子Ｐ１は、全波整流回路５の充電電流が出力される側の出力端子５ｂ側に接続されている。図１２では充電回路をＪ２で示す。

次に、本磁気刺激装置を使用した嚥下障害治療方法について説明する。図１に示すように磁気刺激装置の蓋部３ｂ側を患者の顎に沿わせる。この場合、目印３ｎに患者の顎の先端部分を合わせる。これにより、磁気刺激装置６から発生する磁力線Ｇが患者の下歯槽神経４０から外れ、渦電流Ｕが目的の舌骨上筋群３０のみを主として刺激するようにセットできる。

この状態で励磁電流供給部２０を作動させると、図８、１２の回路では、昇圧トランス１の１次側コイル１ａに商用電流が流れ、２次側コイル１ｂには所定の電圧に昇圧された状態で電流が流れる。２次側の電流は、全波整流回路５によって整流された後、分流電流抑制用のインダクタ９（又は図示していないが、分流電流抑制用の抵抗１０）を介して充放電用コンデンサ４に充電される。サイリスタ７ａに制御部８からトリガ信号を与えて充放電用コンデンサ４に充電された電荷を導体６ｐ・６ｑに流す（順方向放電電流１１）と、導体６ｐが巻かれた一方の先端部分６ｂの先端面６ｓから他方の先端部分６ｃの先端面６ｔに向けて磁力線Ｇが発生する。そして、一方の先端部分６ｂの先端面６ｓから出た磁力線Ｇの周囲に順方向の渦電流Ｕ１が発生し、他方の先端部分６ｃの先端面６ｔから出た磁力線Ｇの周囲に逆方向の渦電流Ｕ２が発生する（図６、図７）。

図７（顎を下から覗いた状態の図）に示すように、Ｕ字形コア６ａの一方の先端部分６ｂの前面６ｇを顔側、他方の先端部分６ｃの背面６ｈを喉側にして磁気発生装置を顎に沿わせて通電すると、渦電流Ｕ１・Ｕ２は互いに反対方向に流れるから、Ｕ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃの間で合流して、患部の筋（この場合では舌骨上筋群３０）に対してほぼ直角に横切り、２倍の強度の磁気刺激を集中して舌骨上筋群３０に与える。他の部分の渦電流Ｕ１、Ｕ２はこれに比べて大幅に弱い。

図６はその状況を示す有限要素法を用いたる数値解析結果に基づく模式図で、矢印は各部の渦電流Ｕ（Ｕ１．Ｕ２）の大きさと方向を示し、患部の筋（この場合では舌骨上筋群３０）に対してほぼ直角に横切る渦電流Ｕが最大値を示している。
なお、上記のようにＵ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃを患部の筋（ここでは舌骨上筋群３０）の前後に配置し、渦電流Ｕが患部の筋に直角に交差して横切るように流す場合と、図示していないが、Ｕ字形コア６ａの先端部分６ｂ・６ｃが患部の筋（ここでは舌骨上筋群３０）を跨ぐように配置し、渦電流Ｕが患部の筋に平行に流れるようにする場合とがあるが、渦電流Ｕが患部の筋に直角に交差して横切るように流れる場合の方が、平行に流れる場合より、より大きく収縮する。

上記では嚥下治療を中心に説明したが、Ｕ字形コア６ａを用いた磁気発生装置は、上記のように互いに逆向きの渦電流Ｕ１、Ｕ２を一か所に合流させることができるので、局所的な磁気刺激が可能であり、四肢の筋肉に比べて小さい指の筋肉のリハビリテーションにも用いることができる。
なお、図１４、図１５から分かるように、励磁電流１３（順方向電流１１と反転電流１２）の放電時間は微小時間で、連続してパルス的に流れるが、その間、患部の筋は連続して収縮している。所定時間が経過すると、放電が制御部８の指令により停止し、患部の筋は弛緩する。そして、再度、所定時間放電がなされ、当該筋が収縮する。この収縮と弛緩とを繰り返すことにより、リハビリ効果を引き出す。

次にこのような図８、１２の回路において、回路構成を小型化できた理由に付いて説明する。
上記順方向電流１１の放電時において、図８の場合、導体６ｐ・６ｑを通過した順方向の放電電流１１の一部は、分流して逆流用ダイオード７ｂ及び全波整流回路５を通って再び充放電用コンデンサ４に戻る。全波整流回路５を通って再び充放電用コンデンサ４に戻るこの分流電流１１ｂは、インダクタ９（又は抵抗１０）の存在によって大幅に抑制され、充放電用コンデンサ４に直接戻る分流電流１１ａより遥かに小さいものとなり、全波整流回路５のダイオードＤ１〜Ｄ４を害することはないし、充放電用コンデンサ４に対する分流電流１１ａによる逆向きの充電を殆ど阻害しない。その結果、充放電用コンデンサ４は分流電流１１ａにより電圧が逆向きに充電された状態となる。

これに対して図１２の場合、前記順方向の放電時において、導体６ｐ・６ｑを通過した放電電流１１がそのまま、充放電用コンデンサ４に戻り、電圧が逆向きに充電された状態となる。そして電圧が逆向きに充電された充放電用コンデンサ４からは逆方向の反転電流１２が放電され、導体６ｐ・６ｑに逆方向の磁場が形成され、前述同様、患部の筋肉に渦電流を発生させ、末梢神経を刺激する。

この反転電流１２の一部は端子Ｐ２で分流し、分流した分流電流１２ａは反転電流用ダイオード７ｂを通り、分流電流１２ｂは全波整流回路５を通って再び充放電用コンデンサ４に充電される。全波整流回路５を通って再び充放電用コンデンサ４に戻る分流電流１２ｂは、インダクタ９（又は抵抗１０）の存在によって大幅に抑制され、逆流用ダイオード７ｂを通過して充放電用コンデンサ４に直接戻る分流電流１１ａより遥かに小さいものとなり、全波整流回路５のダイオードＤ１〜Ｄ４を害しない。即ち、図８及び図１２の回路では、いわゆるバイフェーズ波形といわれる磁場波形（磁場は両極方向に一度ずつ飛び出したプラスマイナス双峰型のパルス状磁界）となって放電が終了する。

この再充電により充放電用コンデンサ４は放電前に持っていた電荷のかなりの部分を再度取り戻すことになり、充電回路部Ｊ１，Ｊ２から充放電用コンデンサ４に流し込むエネルギーはハッチングの部分だけとなり、かなり低減される（図１５）。このため、後述するモノフェーズ方式の装置と比較して、装置内で使用する素子を小さくすることが可能となり、装置の大幅な小型軽量化、省電力化が見込める。

次に図８、図１２の変形例に付いて簡単に説明する。図１０は、図８のスイッチング半導体素子７がサイリスタ７ａ単体で構成されている場合で、この場合は、逆流用ダイオード７ｂが存在しないため、反転電流１２が導体６ｐ・６ｑに流れず、導体６ｐ・６ｑから発生する磁場は片極方向にだけ出たパルス状の磁界（図１４参照）となり、いわゆるモノフェーズ波形といわれる磁場波形となって放電が終了する。この場合、充放電用コンデンサ４は０又はマイナス電圧になり、ここからのチャージとなるため、充放電用コンデンサ４への充電回路部Ｊ１からのチャージはバイフェーズ方式の場合に比べて大きな電力が必要となる。これを図１４のハッチングで示す。なお、この場合も順方向放電電流１１の分流電流１１ｂは全波整流回路５を流れることになるが、インダクタ９（又は抵抗１０）により抑制されて全波整流回路５のブリッジダイオードＤ１〜Ｄ４は上記同様保護されることになる。

図１１，図１３は、図８，図１２のスイッチング半導体素子７が双方向導通素子（トライアック）７ｃの場合で、双方向で制御部８のトリガ信号を受けて順方向放電電流１１及び逆方向の反転電流１２を流してバイフェーズ方式で磁気刺激することになる。それ以外は図８、図１２と同じである。

また、上記回路内の素子の特性を下記「数式１」を従って設定すれば、図１４、図１５の充電電流波形で示される充電パルスＰを短時間発生させるだけで、充放電用コンデンサ４への充電を完了させることが可能である。
即ち、図８の本充電回路部Ｊ１では、昇圧トランス１の２次側コイル１ｂと、抵抗１０に代えて／又は抵抗１０と共にインダクタ９が使用された場合には該インダクタ９を含めたインダクタンスの総和である全インダクタンスＬ、昇圧トランス１の２次側コイル１ｂと前述のようにインダクタ９が使用された場合には該インダクタ９の直流抵抗分、或いはインダクタ９に代えて使用された又はインダクタ９と併用された場合には該抵抗１０を含めた直流抵抗の総和である全直流抵抗Ｒ、充放電用コンデンサ４のキャパシタンスＣ、との関係が「数式１」を充たすことにより本回路を共振型充電回路とした。

即ち、本充電回路部Ｊ１の全インダクタンスＬは、（i）２次側コイル１ｂのインダクタンスだけの場合と、(ii)２次側コイル１ｂのインダクタンス＋インダクタ９のインダクタンスの場合があり、本充電回路部Ｊ１の全直流抵抗Ｒは、（a）２次側コイル１ｂの直流抵抗分だけの場合、（b）２次側コイル１ｂの直流抵抗分＋インダクタ９の直流抵抗分の場合、（c）２次側コイル１ｂの直流抵抗分＋抵抗１０の場合、（d）２次側コイル１ｂの直流抵抗分＋インダクタ９の直流抵抗分＋抵抗１０の場合がある。

また、図１２の本充電回路部Ｊ２では、図８の場合に導体６ｐ・６ｑが更に加わることになり、昇圧トランス１の２次側コイル１ｂと、導体６ｐ・６ｑ、抵抗１０に代えて又は抵抗１０と共にインダクタ９が使用された場合には該インダクタ９のインダクタンスを含めた総和である全インダクタンスＬ、昇圧トランス１の２次側コイル１ｂと導体６ｐ・６ｑ、前述のようにインダクタ９が使用された場合にはインダクタ９の直流抵抗分、或いはインダクタ９に代えて使用された又はインダクタ９と併用された場合には該抵抗１０を含めた抵抗１０の直流抵抗の総和である全直流抵抗Ｒとの関係が「数式１」を充たすことにより、本回路を共振型充電回路とした。

これにより従来装置のような徐々に電流が減衰していく減衰型の電流波形ではなく、図１４，図１５のような幅の短いパルス状の充電電流波形で充電されることになり、上記のように充放電用コンデンサ４への充電を短時間で完了させることが出来るようになった。

そして、下記「数式２」を充たすことにより、充放電用コンデンサ４に充電電流が流れ込む充電電流流入時間ｔと連発パルスの繰り返し時間間隔Ｔとを同程度とすることが出来る。換言すれば、充電電流流入時間ｔを連発パルスの繰り返し時間間隔Ｔの半分を越え、２倍未満とすることで、連発パルスの繰り返しを実現できる。この内、充電電流流入時間ｔを０．５Ｔを越え、１Ｔ以下とすることが好ましい。充電電流流入時間ｔを０．５Ｔより短くしようとすれば、充電電流量が大きくなり過ぎて装置の小型化の目的から逸れることになり、２Ｔ以上となると、充電に時間が掛り過ぎて充電電圧が不足する。

上記の点を詳述すると、この充電パルスＰの積分値（＝図１４，図１５の充電電流波形のハッチングの部分）は充放電用コンデンサ４の充電電荷量（＝図１４，図１５の放電電流波形のハッチングの部分）に相当している。そして、回路内素子への負担を最小化するためには、充電パルスＰの高さを低くするとともに充電パルスＰの幅を広げることで同程度の積分値を得ることが望ましい。しかし、この幅が広がりすぎると次の放電までにこの充電パルスＰによる充電が間に合わなくなってしまうため、この充電パルスＰの幅、すなわち充放電用コンデンサ４への充電電流の流入時間ｔを連発パルスの繰り返し時間間隔Ｔと同程度とすることが必要である。この充電パルスＰの幅（充電時間ｔ）は、「数式２」の中辺の数式で表すことができ、この値を連発パルスの繰り返し時間間隔Ｔの０．５倍から２．０倍の範囲とすれば、前述のように充電電流を十分に抑えながら、次の充放電用コンデンサ４の放電タイミングまでにほぼ充電を完了することが可能となる。また、用途によって様々な導体６ｐ・６ｑをとりかえながら使用するような装置の場合は、各コイルのインダクタンスの値を用いて計算した結果が「数式２」を充たしていることが望ましい。

上記インダクタ９および抵抗１０は、「数式１」、「数式２」を充たす充電回路部Ｊ１，Ｊ２とするための調整用程度の素子であり、不足しているインダクタンスや抵抗を補う程度の小さな素子であり、従来装置の大容量抵抗と置換すればかなりの小型軽量化が可能となる。また、これらの素子がなくとも「数式１」、「数式２」の式を充たしている場合は素子自体が不要であり、省略することも可能である。ただし、少なくともどちらか一方の素子は再度後述するように分流電流１１ｂ、１２ｂの抑制のための素子として必要となる。

本回路の全直流抵抗Ｒを０．５Ω一定とし、充放電用コンデンサ４の容量を５０、１００、１５０マイクロファラッド（μＦ）とし、全インダクタンスＬを０．５〜４ヘンリー（Ｈ）、の範囲で変化させた場合に、充放電用コンデンサ４への充電電流の流入時間ｔを「数式２」によって計算した結果を図２１に示す。図２１の結果は、抵抗Ｒを０．１〜１Ωの範囲で変えてもほとんど同じであった。この図２１を用いておよその素子の特性を決定することができる。例えば、連発磁気パルス間隔Ｔを２０〜４０ミリ秒として、充放電用コンデンサ４の充電時間ｔを設定するには、充放電用コンデンサ４の容量を１００〜１５０μＦの場合、本回路のインダクタンスが２〜４Ｈとなるように設計することが必要であることがわかる。

なお、本発明方式の回路を用いた場合、前述のように充放電用コンデンサ４の順方向放電電流１１の分流電流１１ｂ（図８）、或いは電圧反転時に分流電流１２ｂ（図１２）が全波整流回路（ブリッジ整流器）５を流れてしまう。この電源回路を流れる電流の向きを図８及び図１２の曲線で示す。１１は正充電時のコンデンサ４の放電時の電流の順方向の流れ（細い実線）であって、一方、１２はコンデンサ電圧反転時に流れる反転電流の流れ（細い破線）を示す。前述のように、図８の場合は、順方向放電電流１１の分流電流１１ｂが全波整流回路５を流れる。図１２の場合、順方向放電電流１１は全波整流回路５を流れないが、逆方向の反転電流１２の分流電流１２ｂが全波整流回路５を通る。図１７〜１８は全波整流回路５に流入する分流電流１１ｂ、１２ｂを測定した結果を示す。

図１６はインダクタ９も抵抗１０も設けない場合であって、０．１５ミリ秒（磁気パルスの幅）の間に約１２０Ａという大電流が流れている。これは分流電流１１ｂ、１２ｂを妨げる素子が全波整流回路５と充放電用コンデンサ４の間にないためにいくらでも電流が流せる状態となっている結果として生じている。この大電流によって、全波整流回路５は短時間で焼損してしまう。

一方、図１７は抵抗１０として０．５３Ωの抵抗を入れた場合であって、全波整流回路５に流入する分流電流１１ｂ，１２ｂは６Ａ程度に減少している。また、図１８は図８又は図１２のインダクタ９として１１１μＨのインダクタ９を入れた場合であって、全波整流回路５に流入する分流電流１１ｂ，１２ｂは７Ａ程度に減少している。このように比較的小さな素子を全波整流回路５と充放電用コンデンサ４の間に挿入するだけで、分流電流１１ｂ，１２ｂを大幅に低減することが可能である。

次に、本発明の詳細を実施例に基づいて説明する。なお、この実施例は当業者の理解を容易にするためのものである。すなわち、本発明は明細書の全体に記載される技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例によってのみ限定されるものでないことは理解されるべきことである。

本発明による図２１の計算結果に基づいて充電回路部Ｊ１、Ｊ２の全インダクタンスＬが４．３Ｈ、全直流抵抗が０．５Ω、充放電用コンデンサ４の容量が１００μＦ、導体６ｐ・６ｑのインダクタンスが１５μＨである連発磁気パルス磁気刺激装置を作製した。回路構成は図９又は図１２の構成とした。全波整流回路５の出力電圧を３５０〜６００Ｖの範囲で変化させ、スイッチング半導体素子７のトリガ信号の周期を２０〜１００ミリ秒の間で変化させて連発磁気パルスを発生させた。「数式２」によれば、この放電回路部Ｋのコンデンサ４に充電電流が流入する時間は３３ミリ秒（３０Ｈｚ）である。実験によれば１０〜３０Ｈｚの連発磁気パルスの場合は、各電圧とも、次回の放電開始前に充電電圧は充電可能な最大電圧に達し、４０Ｈｚ、５０Ｈｚの場合は電源電圧の９５〜９０％まで充電された。

次に図８又は図１２のインダクタ９のインダクタンスを０．１１〜１．１５０ｍＨの間で変化させて、全波整流回路５に流入する分流電流１１ｂ、１２ｂを測定した。この結果を図１９に示す。試験したインダクタンスの範囲では分流電流１１ｂ、１２ｂは７〜３Ａであって、全波整流回路５の破損防止効果を得られた。しかしながら、インダクタンスを１ｍＨ以上に増すと、４０、５０Ｈｚ連発パルスの充電速度がさらに遅くなった。従って、インダクタ９のインダクタンスは０．１〜１ｍＨが適切であった。また、図８又は図１２の抵抗１０の抵抗値を０．１５〜１．１Ωの間で変化させて、全波整流回路５に流入する分流電流１１ｂ、１２ｂを測定した。この結果を図２０に示す。０．１５Ωの場合、分流電流１１ｂ，１２ｂは１８Ａであって、全波整流回路５の定格電流を越えたが、パルス幅が短いので全波整流回路５は破損しなかった。０．２５〜１．１Ωの範囲では分流電流１１ｂ，１２ｂは１０〜３Ａであって、全波整流回路５の破損防止効果を得られた。しかしながら、抵抗を１Ω以上に増すと、ジュール発熱で抵抗の温度が上がるので、冷却用のファンが必要となった。これらの結果から、抵抗１０の抵抗値は０．２〜１Ωが適切であった。

従来の励磁電流供給部は、非常に大きく重い電源トランスや高圧用素子を必要としており、小型軽量化することは困難であったが、上記のような充電電流の低減方法を採用した回路により構成することにより大幅に小型・軽量化することができた。この小型化により電源の発熱が低減できたので、磁気発生器を小型化したにも拘わらず、小さい筋肉の末梢神経の集中的刺激が可能な強度の磁界パルスを２０分程度連続で発生させることが可能となった。なお、冷却機能を強化すれば、更なる治療時間の延長が可能となる。

１：昇圧トランス、１ａ：１次側コイル、１ｂ：２次側コイル、２：交流電源、３：ケース、３ａ：本体、３ｂ：蓋部、３ｃ：上面開口凹部、３ｄ：凸部、３ｅ：下面開口凹部、３ｍ：磁力線発生面、目印３ｎ、３ｒ：送風管、３ｓ：サーモスタット、４：充放電用コンデンサ、５：全波整流回路、５ａ：入力端子、５ｂ：出力端子、６：磁気発生部、６ａ：Ｕ字形コア、６ｂ・６ｃ：先端部分、６ｇ：前面、６ｈ：背面、６ｉ：側面、６ｋ：導体冷却用間隙、６ｐ・６ｑ：導体、６ｓ・６ｔ：先端面、７：スイッチング半導体素子、７ａ：サイリスタ、７ｂ：逆流（反転電流）用ダイオード、７ｃ：双方向導通素子、８：制御部、９：インダクタ、１０：（分流電流用）抵抗、１１：順方向（放電）電流、１１ａ・１１ｂ：分流電流、１２：反転電流、１２ａ・１２ｂ：分流電流、１３：励磁電流、２０：励磁電流供給部、３０：舌骨上筋群、４０：下歯槽神経、４１：下顎、４２：舌骨、５０：咽頭、６０：鼻腔、７０：口腔、８０：喉頭、８１：喉頭蓋谷、８２：喉頭蓋軟骨、８３：喉頭蓋軟骨に接続している筋、８４：喉頭蓋、８８：気管、９０：食道、
Ｄ１〜Ｄ４：ブリッジダイオード、Ｇ：磁力線、Ｊ１・Ｊ２：充電回路部、Ｋ：放電回路部、Ｌ：全インダクタンス、Ｐ：充電パルス、Ｐ１・Ｐ２：端子、Ｒ：全直流抵抗、Ｓ：外寸（幅）、Ｔ：連続磁気パルスの繰り返し時間間隔、ｔ：充電電流流入（充電）時間、Ｕ・Ｕ１・Ｕ２：渦電流。

Claims (5)

1. Ｕ字形コアと、
   前記Ｕ字形コアの、隣接して並置された一対の先端部分のそれぞれに通電電流が互いに反対方向に流れるように巻着された導体と、
   前記Ｕ字形コア及び導体を収納するケースより構成された磁気発生部と、
   前記導体に励磁電流を供給する励磁電流供給部とで構成されたことを特徴とする磁気刺激装置。
2. Ｕ字形コアがＵ形に見える面を側面とした場合に、前記Ｕ字形コアの両先端部分の前記側面に対して交差する、互いに反対側に位置する前面と背面間の外寸が６４ｍｍ以下に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気刺激装置。
3. 磁気発生部の磁力線発生面に患部の設置位置を示す目印を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気刺激装置。
4. Ｕ字形コアの側面に対して直角方向から前記Ｕ字形コアを見た時に、前記Ｕ字形コアの先端面の中央が最も低く、前記先端面の両側に向かって次第に高くなる凹半円弧面状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気刺激装置。
5. 前記ケースには、冷却空気を前記ケース内部に送り込むための送風管が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気刺激装置。