JP2022030123A - 電気刺激装置 - Google Patents

Abstract

【課題】足の各部位の筋肉の性質に応じた電気刺激を与えることを目的とする。【解決手段】電気刺激装置（１０）は、足置部（１００）を有する筐体と、前記足置部において、足裏の各部位に対応する位置に設けられた複数の電極（１３０、ＡＲ、ＡＬ、ＢＲ、ＢＬ、ＣＲ１、ＣＲ２、ＣＬ１、ＣＬ２，ＤＲ１、ＤＲ２、ＤＬ１、ＤＬ２、ＧＲ、ＧＬ）と、前記複数の電極から少なくとも２つの電極を選択する選択手段（１４０）と、選択された少なくとも２つの電極に、該選択された少なくとも２つの電極に応じて定められる周波数の電圧を印加する印加手段（１５０）とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、足裏から電気刺激を与える技術に関する。

マッサージ効果やトレーニング効果を得ることを目的として、足裏から電気刺激（ＥＭＳ）を与える技術がある。例えば特許文献１には、足裏を複数のゾーンに区分し、各ゾーンに対応する位置に設けられた電極（通電ポイント）を適宜選択してパルス電圧を印加することが開示されている。

特開２０１１-４５５６２号公報

足裏といっても、その部位によって筋肉の種類は様々である。一般に、筋肉の性質に応じて適切な電気刺激の与え方も異なる。効率よく動く周波数は筋肉の種類によっても異なるし、周波数帯によっては、筋肉を動かすことができたとしてもしびれといった不快感をユーザが感じる可能性もある。
この点に関し、例えば文献１の技術においては、各ゾーンに印加するパルス波形は固定的であり、各ゾーンの筋肉に適した電気刺激を与えるといったことはできない。
本発明は、足の各部位の筋肉の性質に応じた電気刺激を与えることを目的とする。

本発明は、一の態様において、足置部を有する筐体と、前記足置部において、足裏の各部位に対応する位置に設けられた複数の電極と、前記複数の電極から少なくとも２つの電極を選択する選択手段と、選択された少なくとも２つの電極に、該選択された少なくとも２つの電極に応じて定められる周波数の電圧を印加する印加手段とを有する電気刺激装置を提供する

本発明によれば、足の各部位の筋肉の性質に応じた電気刺激を与えることができる。

足裏刺激装置１０の外観図。 足裏刺激装置１０の機能図。 左右の足への電圧の印加タイミングを説明する図。 各足について１サイクルの間に印加される交流周波数の変化を示す。 足裏の各部位へ印加する電圧波形プロファイルを示す。 左右のそれぞれの足について、１サイクルの電気刺激において、選択される電極と印加電圧のプロファイルとを示す表。 左右のそれぞれの足について、踵部から電気刺激を与える際の電圧波形の違いを説明するための図。 左右の足への電圧の印加タイミングの他の例を説明する図。 各足について１サイクルの間に印加される交流周波数の変化の他の例を示す。

＜実施例＞
図１は足裏刺激装置１０の外観図を示す。足裏刺激装置１０は、略平面である足置部１００を有する筐体を有し、ユーザによって床面等に設置される。なお、足置部１００は、例えば土踏まずなど足裏の凹凸形状にあわせて曲面形状に成形されていてもよい。好ましくは、ユーザは、椅子等に腰かけた状態で足置部１００に足を乗せて使用する。使用方法はこれに限らず、例えばユーザが直立した状態で足を乗せて使用してもよい。なお、床面等と接地する部分（筐体の底面部）に可動部を設け、体重のかけ方に応じて足置部１００の姿勢変化（傾きの方向や角度）を許容する機構（図示せず）をさらに備えていてもよい。足置部１００には、前記足置部において、足裏の各部位に対応する位置に複数の突起状の電極１３０が設けられる。なお、各電極の形状やサイズ（突起の高さや太さなど）は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

より具体的には、電極１３０は、左右の足をそれぞれ乗せる足型をかたどった領域の内側に設けられる。この領域は、左右の足のそれぞれについて、７つに区分されている。区分された各領域に設けられた電極群を、つま先から踵側へ、そして内側から外側に向かって、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ１、ＣＲ２、ＤＲ１、ＤＲ２、ＧＲ（以上、右足用の領域）、ＡＬ、ＢＬ、ＣＬ１、ＣＬ２、ＤＬ１、ＤＬ２、ＧＬ（以上、左足用の領域）と称する。
換言すると、左右それぞれの足について、つま先側から踵側に向かって、足趾部、足裏前部、足裏中部、足裏後部、踵部と規定すると、電極１３０は、それぞれの足について、足趾部に対応する位置に設けられた第１電極（ＡＲ、ＡＬ）と、足趾部に対応する位置に設けられた第２電極（ＢＲ、ＢＬ）と、足裏中部に対応する位置に設けられた第３電極（ＣＲ１、ＣＲ２、ＣＬ１、ＣＬ２）と、足裏後部に対応する位置に設けられた第４電極（ＤＲ１、ＤＲ２、ＤＬ１、ＤＬ２）と、踵部に対応する位置に設けられた第５電極（ＧＲ、ＧＬ）とを有する。

一の区分に属する複数の電極１３０は、すべて等電位の電極として機能する。よって、以下、「１の電極を選択する」といった場合、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ１、ＣＲ２、ＤＲ１、ＤＲ２、ＧＲ、ＡＬ、ＢＬ、ＣＬ１、ＣＬ２、ＤＬ１、ＤＬ２、ＧＬの計１４に区分された電極群から、１の電極群を選択することを意味する。

表示部１１０は、液晶画面等であって、現在の動作モードやその他の情報を表示する。スイッチ１２０はユーザによって操作されるスイッチであって、電源のオン・オフ、動作内容の指定、その他の指示を入力する。

図２は足裏刺激装置１０の機能図である。足裏刺激装置１０は、表示部１１０と制御部１５０とモード設定部１６０と１９１と切替部１４０と波形生成部１７０と電源１９０とを有する。
モード設定部１６０は、プロセッサやメモリ等によって実現され、スイッチ１２０にて受け付けたユーザからの指示に基づき、制御部１５０における制御の内容を決定する。
電源１９０は、足裏刺激装置１０の筐体内に収納されたバッテリあるいは外部電源から電源供給を受ける端子であって、各部を動作させるための電力を供給するとともに、電極１３０へ印加するための電圧波形を生成するために波形生成部１７０に電源を供給する。
波形生成部１７０は、整流回路や任意の電圧波形を生成する回路等によって実現され、波形決定部１５１から供給された制御信号に基づいて所定の電圧波形を生成し、切替部１４０に供給する。
切替部１４０はスイッチ素子や選択回路によって実現され、タイミング決定部１５２から供給される制御信号に基づくタイミングで、電極１３０のうち少なくとも２つの電極を選択し、選択された少なくとも２つの電極へ、波形生成部１７０から供給された波形の電圧を印加する。

制御部１５０は、プロセッサや動作モードの内容を記憶したメモリによって実現され、選択された少なくとも２つの電極に、該選択された少なくとも２つの電極に応じて定められる周波数の電圧を印加する。制御部１５０は、波形決定部１５１とタイミング決定部１５２とを含む。
タイミング決定部１５２は、各電極を選択するタイミングを決定し、各電極を選択するタイミングを示す制御信号を切替部１４０に供給する。
波形決定部１５１は、選択された電極に対して印加する電圧波形（プロファイル）を示す制御信号を生成して波形生成部１７０に供給する。

一の態様において、制御部１５０は、選択された少なくとも２つの電極に対応して、３ｋＨｚ～５ｋＨｚの第１周波数帯、足裏刺激装置１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚの第２周波数帯、および２０ｋＨｚ～５０ｋＨｚ第３周波数帯から選択された一の周波数帯の交流電圧が印加されるように、制御信号を生成する。

好ましい態様において、制御部１５０は、左足に対応する第５電極と右足に対応する第５電極とを用いて、第１周波数帯の交流電圧を印加する第１期間と、第１期間の後に、いずれか片方の足に対応する２つの第４電極を用いて、第２周波数帯の交流電圧を印加する第２期間、第２期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する２つの第３電極を用いて、第３周波数帯の交流電圧を印加する第３期間、第３期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する第２電極と第５電極とを用いて、第２周波数帯の交流電圧を印加する第４期間、第４期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する第１電極と第２電極とを用いて、第３周波数帯の交流電圧を印加する第５期間を一サイクルとして、左右それぞれの足に対応する電極を用いた印加が交互に実行されるように、制御信号を生成する。

好ましい態様において、制御部１５０は、左足に対応する電極を用いて印加を行う際の第１期間において印加される交流電圧の位相と、右足に対応する電極を用いて印加を行う際の第１期間において印加される交流電圧の位相とが１８０°ずれた電圧波形を生成する旨の制御信号を生成する。

以下、制御部１５０が、歩行時に足（の筋肉）に加わる刺激を模擬した電気刺激を付与することをモード設定部１６０から指示された場合の動作例について、図３～６を用いて詳細に説明する。なお、グラフの各軸の縮尺は適宜調整している。
なお、以下において、足（の筋肉）へ加わる刺激とは、電極１３０と接触する足裏にある筋肉に直接作用する刺激だけでなく、足裏から加えられた刺激が、下腿部など歩行時に関係する筋肉や他の組織へ到達した刺激を含む。すなわち、模擬したい刺激は、少なくとも理想的には、足部にある筋肉を含む、歩行に関連するあらゆる筋肉に加えられると考えられる刺激である。

図３は、左右それぞれの足へ電気刺激を与えるための電圧の印加タイミングを示す図である。同図において、「ＯＮ」は選択された電極に電圧印加される時間、ＯＦＦが当該選択された電極に電圧が印加される時間を意味する。この例では、時点ｔｌｓにおいて左足への電圧印加が開始され、電圧印加はｔｌｆで終了する。印加期間ＴＬ（＝ｔｌｒ－ｔｌｓ）は、例えば０．４～１．５秒であり、歩行時に左足が地面に着地してから離れるまでの期間に対応している。一方、右足への電圧印加については、左足への電圧印加が終了するよりも前の時点ｔｒｓで開始し、時点ｔｒｒで終了する。印加期間ＴＲ（＝ｔｒｒ―ｔｒｓ）は、ＴＬと同様、例えば０．４～１．５秒である。そして、当該印加期間ＴＲが終了する前に、次の左足への刺激が開始される。以下同様に、左足への刺激と右足への刺激を所定のタイミングで交互に繰り返す。上述した電気刺激のタイミングは、片足が地面から離れるよりも前に他の足が着地するという典型的な歩行時の左右の足の着地タイミングを模したものとなっている。

続いて、図３における各印加期間ＴＬおよびＴＲにおいて印加される交流電圧の周波数特性について、図４を用いて説明する。図４は、横軸が時間を、縦軸が印加する交流電圧の周波数を示す。同図に示すように、各印加期間（ＴＬ、ＴＲ）は、Ｔ０で開始しＴ５で終了する。そして、各印加期間（ＴＬ、ＴＲ）において、第１期間（Ｔ０～Ｔ１）、第２期間（Ｔ１～Ｔ２）、第３期間（Ｔ２～Ｔ３）、第４期間（Ｔ３～Ｔ４）、第５期間（Ｔ４～Ｔ５）の５つに区分される。また、第１周波数帯ｆａ１（３ｋＨｚ～１０ｋＨｚ）、第２周波数帯ｆａ２（１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚ）、ｆａ３第３周波数帯（２０ｋＨｚ～５０ｋＨｚ）に区分される。換言すると、第１期間～第５期間を１サイクルとして、片足の電気刺激付与が行われる。
同図に示すように、区分された期間ごとに印加される交流周波数が異なっている。具体的には、第１期間においては第１周波数帯ｆａ１の周波数が用いられ、第２期間においては第２周波数帯ｆａ２の周波数が設定され、第３期間においては第３周波数帯ｆａ３の周波数が用いられ、第４期間においては第２周波数帯ｆａ２の周波数が用いられ、第５期間においては第３周波数帯ｆａ３の周波数が用いられる。

図５は、図４に示した第１期間～第５期間の各々において、電圧波形プロファイルの詳細を概念的に示したものである。なお、図５では第１期間（Ｔ０～Ｔ１）を例に説明しているが、第２～第５期間においても同様の特徴を有する（ただし周波数は異なる）。すなわち、各期間は、交流電圧（この例では第一周波数ｆａ１）を印加する期間Ｔｏｎと、電圧を印加しない期間Ｔｏｆｆが交互に設けられる。同図では繰返し周波数はｆｂ１となっている。
なお、筋肉をより多く刺激するという目的であれば交流電圧を印加し続けたほうがよいとも考えられるが、電圧を印加しない期間を周期的に設けている。これは、交流電圧を印加し続けると「しびれ」といった好ましくない体感をユーザに与える可能性を考慮したためである。

図６は、図３～図５にて示した、左右のそれぞれの足への１サイクル（印加期間ＴＬ、ＴＲ）の電気刺激を付与する際に、１サイクル内の区分された各期間において選択される電極と印加電圧のプロファイル（交流周波数と繰返し周波数）を示す表である。

同図に示すように、第１期間（Ｔ０～Ｔ１）においては、ＧＬおよびＧＲを用いて、両足の踵部から刺激を与えることで、主に片足側の踵から脛やふくらはぎにかけての筋肉を刺激することを目的とする。この筋肉は比較的太く、この性質を加味して３～５ｋＨｚのいわゆる低周波電圧が用いられる。繰返し周波数は、体感的に良いとされる５～１００Ｈｚが用いられる。なお、第１期間だけは左の足に対応する電極と右の足に対応する電極とを用いているが、刺激対象を左右いずれの足に選択するのかについては、後述する。

第２期間（Ｔ１～Ｔ２）においては、足裏後部の筋肉が刺激付与の対象である。この筋肉に適した周波数であるｆａ２が、この部位に対応するＤＬ１およびＤＬ２（左足を刺激する場合）またはＤＲ１およびＤＲ２（右足を刺激する場合）を用いて印加される。なお、ＤＬ１とＤＬ２のいずれかを陽極とするのかについて（換言すると位相）については任意である。繰返し周波数は、第１期間と同様、体感的に良いとされる５～１００Ｈｚが用いられる。

第３期間（Ｔ２～Ｔ３）においては、主に足底前部の筋肉が刺激不要の対象である。よって、この筋肉に適した周波数として第３周波数帯ｆａ３が用いられる。５～１００Ｈｚ体感重視で心地よい感覚を与えることができる。

第４期間（Ｔ３～Ｔ４）においては、主に足底筋膜郡が刺激付与の対象である。よって、この筋肉の性質に適した周波数である第２周波数帯ｆａ２が用いられる。また、繰返し周波数は、筋膜の炎症に効果的とされる１４３Ｈｚを含む繰返し周波数帯が設定される。

第５期間（Ｔ４～Ｔ５）においては、足指の腱を刺激付与の対象とする。ここで、指先は電気刺激に敏感であり、低周波を印加すると体感に与える悪影響が大きい可能性があるため、２０ｋＨｚ以下のいわゆる低周波を用いずに、２０ｋＨｚ以上の第３周波数帯ｆａ３の周波数で腱を動かす。また、繰返し周波数は５０Ｈｚ以下とすることで体感への悪影響を低減させることが期待される。

このように、１サイクルの期間において、刺激を付与する順序は、踵→足裏後部→足裏中部→足裏前部→足趾部となっている。これは、歩行時にまず踵が着地し、足裏後部→足裏中部→足裏前部の順で地面に接し、最後に足指で地面から離れるという動作に対応している。
そして、足裏の各部に応じて、その部位の筋肉の適した交流周波数および繰返し周波数が用いられる。

図６に示すように、左足への刺激を与える場合と右足への刺激を与える場合とで、印加する順序、交流周波数、繰返し周波数は同一であるが、唯一異なるのは、第１期間において印加する交流電圧の位相である。これを図７を用いて詳細に説明する。

図７は左右のそれぞれの足について、第一期間の開始時点の電気刺激の波形を対比した図である。同図に示すように、左足の第１期間と右足の第１期間とで、電圧波形の位相が１８０°異なっている。本件発明者は、ＧＬをプラス側（陽極）、ＧＲをマイナス側（陰極）とすると、同図(ａ)のように正位相の波形は主に左足の筋肉に刺激が与えられているような体感を与え、同図(ｂ)のように逆位相の波形は主に左足の筋肉に刺激が与えられているような体感を与えることを見出した。図７に示した位相制御は、この知見に基づいたものである。

上記実施例によれば、足裏の各部位に応じて、その部位の筋肉の性質を加味した電気刺激が与えられる。さらに、歩行時において足裏の各部位に与えられるタイミングと同様のタイミングで刺激が与えられるように印加タイミングを制御することで、例えば座ったままでも足を足置部１００に乗せるだけで歩行した感覚が味わえる。これとともに、歩行に重要な足裏、前脛およびふくらはぎ等の下肢の筋肉をトレーニングする効果が期待される。

＜変形例＞
左右の足への電圧の印加タイミングは、図３に示す例に限られない。図８は、左右の足への電圧の印加タイミングの他の例を説明する図である。同図に示すように、左足へ刺激を与える印加期間ＴＬと左足へ刺激を与える印加期間ＴＲとが重なる期間が存在しなくてもよい。つまり、どちらの足にも電圧が印加されない瞬間が存在してもよい。ここで、走る際は、どちらの足も地面についていない（つまり地面からの刺激を受けていない）期間が存在するので、図８に示した制御例は歩行ではなく走る場面を模擬しているといえる。この場合において、例えば踵を地面に着地させないような走る動作を模擬したければ、それぞれ、ＤＬ１、ＤＬ２、ＤＲｌ、ＤＲ２、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＲ１、ＣＲ２を使用せず、図６に示した第４期間および第五期間の２つの期間のみ一サイクルの印加期間ＴＬおよびＴＲを構成すればよい。

また、歩行といっても足の動かし方は千差万別である。例えば、つま先から着地し、踵が最後に地面から離れるという足の使い方を普段から行っている人もいる。このようなユーザの場合は、普段の足の使い方を模擬すべく、例えば、図９に示すように、図６と刺激の順序が反対となるような制御を行ってもよい。
すなわち、制御部１５０は、いずれか片方の足に対応する第１電極（ＡＲ、ＡＬ）と第２電極（ＢＲ、ＢＬ）とを用いて、第３周波数帯ｆａ３の交流電圧を印加する第Ｉ期間、第Ｉ期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する第２電極と第５電極（ＧＲ、ＧＬ）とを用いて、第２周波数帯ｆａ２の交流電圧を印加する第ＩＩ期間、第ＩＩ期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する２つの第３電極（ＣＬ１とＣＬ２またはＣＲ１とＣＲ２）を用いて、第３周波数帯の交流電圧を印加する第ＩＩＩ期間、第ＩＩＩ期間の後に、いずれか片方の足に対応する２つの第４電極（ＤＬ１とＤＬ２またはＤＲ１とＤＲ２）を用いて、第２周波数帯の交流電圧を印加する第ＩＶ期間、第ＩＶ期間の後に、左足に対応する第５電極（ＧＬ）と右足に対応する第５電極（ＧＲ）とを用いて、第１周波数帯ｆａ１の交流電圧を印加する第Ｖ期間から構成される期間を一サイクルとして、左右それぞれの足に対応する電極を用いた印加を交互に実行する。

このように、模擬すべき運動の内容（足や下肢の使い方）は、歩く、走るに限らず、スキップなどいかなるものであってもよい。
具体的には、予め運動の内容と、その運動を行った際の筋肉の使われ方（どの部位の筋肉にどのような刺激が与えられるのか）を再現する波形とを対応付けて制御部１５０のメモリに記憶しておき、ユーザが疑似体験したい運動内容をモード設定部１６０を用いて指定すればよい。モード設定部１６０は、指定された運動内容に対応する波形を読み出して制御部１５０へ供給する。
要するに、本発明の電気刺激装置は、足置部を有する筐体と、前記足置部において、足裏の各部位に対応する位置に設けられた複数の電極と、前記複数の電極から少なくとも２つの電極を選択する選択手段と、選択された少なくとも２つの電極に、該選択された少なくとも２つの電極に応じて定められる周波数の電圧を印加する印加手段とを有していればよい。

１０・・・足裏刺激装置、１００・・・足置部、１１０・・・表示部、１２０・・・スイッチ、１３０・・・電極、１６０・・・モード設定部、１９０・・・電源、１７０・・・波形生成部、１４０・・・切替部、１５０・・・制御部、１５１・・・波形決定部、１５２・・・タイミング決定部

Claims (6)

1. 足置部を有する筐体と、
   前記足置部において、足裏の各部位に対応する位置に設けられた複数の電極と、
   前記複数の電極から少なくとも２つの電極を選択する選択手段と、
   選択された少なくとも２つの電極に、該選択された少なくとも２つの電極に応じて定められる周波数の電圧を印加する印加手段と
   を有する電気刺激装置。
2. 左右それぞれの足について、先端から後端に向かって、足趾部、足裏前部、足裏中部、足裏後部、踵部が規定され、
   前記複数の電極は、それぞれの足について、前記足趾部に対応する位置に設けられた第１電極と、前記足趾部に対応する位置に設けられた第２電極と、前記足裏中部に対応する位置に設けられた第３電極と、前記足裏後部に対応する位置に設けられた第４電極と、前記踵部に対応する位置に設けられた第５電極とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気刺激装置。
3. 前記印加手段は、前記選択された少なくとも２つの電極に対応して、３ｋＨｚ～５ｋＨｚの第１周波数帯、１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚの第２周波数帯、および２０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの第３周波数帯から選択された一の周波数帯の交流電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電気刺激装置。
4. 前記印加手段は、
   左足に対応する前記第５電極と右足に対応する前記第５電極とを用いて、前記第１周波数帯の交流電圧を印加する第１期間と、
   前記第１期間の後に、いずれか片方の足に対応する２つの前記第４電極を用いて、前記第２周波数帯の交流電圧を印加する第２期間、
   前記第２期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する２つの前記第３電極を用いて、前記第３周波数帯の交流電圧を印加する第３期間、
   前記第３期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する前記第２電極と前記第５電極とを用いて、前記第２周波数帯の交流電圧を印加する第４期間、
   前記第４期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する前記第１電極と前記第２電極とを用いて、前記第３周波数帯の交流電圧を印加する第５期間
   を一サイクルとして、左右それぞれの足に対応する電極を用いた印加を交互に実行する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電気刺激装置。
5. 前記印加手段は、
   いずれか片方の足に対応する前記第１電極と前記第２電極とを用いて、前記第３周波数帯の交流電圧を印加する第１期間、
   前記第１期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する前記第２電極と前記第５電極とを用いて、前記第２周波数帯の交流電圧を印加する第２期間、
   前記第２期間の後に、当該いずれか片方の足に対応する２つの前記第３電極を用いて、前記第３周波数帯の交流電圧を印加する第３期間、
   前記第３期間の後に、いずれか片方の足に対応する２つの前記第４電極を用いて、前記第２周波数帯の交流電圧を印加する第４期間、
   前記第４期間の後に、左足に対応する前記第５電極と右足に対応する前記第５電極とを用いて、前記第１周波数帯の交流電圧を印加する第５期間
   を一サイクルとして、左右それぞれの足に対応する電極を用いた印加を交互に実行する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電気刺激装置。
6. 前記印加手段は、左足に対応する電極を用いて印加を行う際の前記第１期間において印加される交流電圧の位相と、右足に対応する電極を用いて印加を行う際の前記第１期間において印加される交流電圧の位相は１８０°ずれている
   ことを特徴とする請求項４に記載の電気刺激装置。

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