JP2566930B2

JP2566930B2 - 電気刺激器

Info

Publication number: JP2566930B2
Application number: JP61239454A
Authority: JP
Inventors: バンデンホナートクリストフアー
Original assignee: KOTSUKURIAA CORP
Current assignee: KOTSUKURIAA CORP
Priority date: 1985-10-10
Filing date: 1986-10-09
Publication date: 1996-12-25
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: EP0229449A1; EP0229449B1; US4856525A; DE3680196D1; JPS62101249A; CA1279101C

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は人体組織を刺激するようにされた電気刺激
器、より詳細には人体組織を刺激するようにされた複数
個の刺激チヤネルを有する電気刺激器に関する。

［従来の技術］人体組織を刺激するようにされた電気刺激器はよく知
られている。このような電気刺激器の例としては、蝸牛
移植や経皮電気神経刺激器が含まれる。蝸牛移植は耳の
聞えない人の聴力を刺激するために、電流を供給して聴
覚神経を電気的に刺激する。痛み制御もしくは筋肉活性
化のために経皮電気神経刺激器（TENS）が使用される。
蝸牛移植の場合もTENS刺激器の場合も、一対の電極が人
体の被刺激組織へ取りつけられる。次にこの電極対に電
流を供給して電極間に刺激電流を通しそれは人体の被刺
激組織へ通される。人体組織内のこの電流が適切な神
経、すなわち蝸牛移植の場合には聴覚神経、TENSの場合
は耐痛神経を刺激して所望の機能、すなわち聴覚刺激や
痛み緩和を達成する。

ある場合には、複数チヤネルを有する電気刺激器を有
することが望ましい。複数チヤネルは１種以上の情報を
人体の被刺激組織へ供給するように設計することができ
る。蝸牛移植の場合には、複数チヤネルにより異種の情
報を供給することができる。例えば、一つのチヤネルが
特定周波数範囲に関する情報を供給し、第２のチヤネル
が異なる周波数範囲に関する情報を供給することができ
る。この種の蝸牛移植は蝸牛内の位置に関する周波数位
置値の利点が得られるように設計される。例えば、TENS
刺激器は異なるチヤネルにより異なる神経従つて異なる
筋肉を制御することができる。

通常、このような多チヤネル電気刺激器の動作原理
は、刺激器の各チヤネルが完全に他と独立していること
である。実際には、こうはならない。電気刺激器の多チ
ヤネル動作の有効性は一つの電極対の電極間に通す電流
がもう一対の電極の一方もしくは両方の電極へ分流する
ことにより妨げられる。一つの電極対間を通過させるつ
もりの電流は人体組織を導通することによりもう一つの
電極対に分流することがある。一般的に、電極対間の相
互作用を制御する試みは電極対の物理的配置によつて行
われる。しかしながら、電極対間の間隔は必ずしも制御
できない。例えば、蝸牛移植の場合、電極対はむしろ近
接配置して、蝸牛内に一対以上の電極対を配置できるよ
うにしなければならない。

その結果、本質的に電気刺激器内の複数の刺激チヤネ
ルは互いに完全い分離されることがない。すなわち、一
つの電極対の刺激がもう一対の電極の刺激に影響を及ぼ
す。そのため、理想的な多チヤネル動作は達成されな
い。多チヤネル刺激の理論的成果は著しく弱められる。

多チヤネル刺激器内の多チヤネルを分離するために使
用されているもう一つの機構は、刺激器の出力段を電気
的に絶縁することである。しかしながら、これは複雑な
回路を必要として、コストが上昇して信頼度が低下し、
また代表的な蝸牛移植がそうであるように、外部の送信
器から移植電極対へ電流が誘導結合される場合には複数
の受信コイルを必要とする。

本発明により電気刺激器の一つのチヤネルによるもう
一つのチヤネルとの有害な相互作用が著しく低減され
る。

従来の電気刺激器では、各チヤネルが一つの電極と多
チヤネルの電極に共通の接地との間に電流を駆動する電
流源を有している。しかしながら、各チヤネルに対して
１個の電流源は電極及び接地を含むループ内の電流が電
流源の値に等しければよく、大地に流れる電流が必ずし
も接地された電極の特定の一つを通過する必要はない。
電気刺激器のチヤネルの電力供給が電気的に絶縁されて
いない場合、すなわち２個以上の電極が同じ接地に接続
されている場合には、（各チヤネルに対する）１個の電
流源のループ電流条件を維持しながら一つの電極対から
もう一つの電極対への交差電流が生じる。

本発明は電気的に絶縁された給電源を必要とせずに改
良されたチヤネル絶縁を提供するものである。電気刺激
器の各チヤネルは一対の電極を有している。電気刺激器
の各チヤネルは互いに調和して作動する一対の電流源を
有している（一実施例では、一つのチヤネルが１個の電
流源を有することができる）。電極対の各電極に一つの
電流源が接続されている。電流源は調和して作動する。
すなわち一つの電流源が（所与の時刻に）ある電流をソ
ーシング（もしくはシンキング）していると、その相補
的電流源が実質的に同じ大きさの電流をシンキング（も
しくはソーシング）している。その場合、電極対間を通
過する電流は実質的に所望量の電流に等しい。電極対間
の電流漏洩が最少限となつて、チヤネル絶縁が著しく改
善される。

一実施例について、一つの電極は独立した電流源なし
のままとすることができる。他の全ての電極が適量の電
流をシンク／ソースする場合、最終電極に残される唯一
の電流は適量となつて一つの電流源を省くことができ
る。２チヤネル電気刺激器の本実施例では、４個の電極
（２対の電極）に対して３個の電流源が必要とされる。
同様に、３チヤネル電気刺激器の場合、６個の電極（３
対の電極）に対して５個の電流源が必要とされる。

要約すれば、本発明により電気的共通線を有する複数
のチヤネルを有する電気刺激器が提供される。刺激器は
複数チヤネルの各々の電流により人体組織を刺激するよ
うにされている。複数チヤネルの各々について、第１の
電極及び第２の電極が設けられている。第１及び第２の
電極は人体組織に接続され、第１及び第２の電極間で組
織に電流を通すようにされている。複数チヤネルの各々
に第１及び第２の電流源が設けられている。第１の電流
源は電気的共通線と第１の電極間に接続されている。第
２の電流源は第２の電極と電気的共通との間に接続され
ている。第１の電流源は大きさが実質的に第２の電流源
に等しく、所与の時点において複数チヤネルの各々につ
いて反対方向とされている。このように構成された第１
及び第２の電極は実質的に同じ電流をソース及び／もし
くはシンクして、複数チヤネル間の刺激の絶縁を著しく
改善する。

本発明の一実施例において、電気刺激器は電気的共通
線のある複数チヤネルを有している。刺激器は複数の各
チヤネル上の電流により組織を刺激する。複数チヤネル
の各々に対して第１及び第２の電極が設けられている。
第１及び第２の電極は組織に接続され、第１及び第２の
電極間で組織に電流を通すようにされている。複数チヤ
ネルの一つを除く全チヤネルに第１及び第２の電流源が
設けられている。第１の電流源は電気的共通線と第１の
電極間に接続され、第２の電流源は第２の電極と電気的
共通線に接続されている。所与の時点において、一つを
除く複数チヤネルの全てについて、第１の電流源の大き
さは第２の電流源に実質的に等しく反対方向である。電
気刺激器はまた電気的共通線と第１の電極間に接続され
た複数チヤネルの残りの１チヤネルに対して電流源を提
供し、第２の電極は電気的共通線に直結されている。こ
のように構成された第１及び第２の電極は実質的に同じ
電流をシンク及び／もしくはソースして、複数チヤネル
間の刺激の絶縁性を著しく改善する。

［実施例］第１図に従来技術の電気刺激器10を示す。本電気刺激
器10は独立した２つの刺激チヤネル12及び14を有して示
されている。刺激チヤネル12は電極18及び20に接続され
た電流源16を有している。電極18及び20は刺激チヤネル
12の電極対として働く。電極対18,20は電気刺激器10に
より刺激される人体組織22に接続されるようにされてい
る。電流源16は所望量の刺激電流を刺激チヤネル12へ供
給し、それは電極対18,20を介して人体組織22へ加えら
れる。同様に、刺激チヤネル14は刺激チヤネル14の電極
対として働く電極26及び28に接続された電流源24を有し
ている。電極対26,28はまた人体組織22にも接続される
ようにされている。電流源16,24は共通接地を有してい
る。電流源24は所望量の刺激電流を刺激チヤネル14に加
え、それは電極対26,28を介して人体組織22に加えられ
る。第１図に便宜的に線図で示す電流源16は電流源16か
ら供給される瞬時電流が上向きの方向であることを示す
矢符を含んでいる。同様に、電流源24も同じ方向の瞬時
電流が刺激チヤネル14を流れていることを示す上向きの
矢符を含んでいる。しかしながら、電流源16及び24の矢
符は便宜的なものであり、電流源16及び24は定常交番も
しくは他の瞬時給電波形を供給することができ、それは
所与の時刻において同じであつても同じでなくてもよい
ことを認識且つ御理解願いたい。すなわち、電流源16は
電流源24から完全に独立している。電流源16は電極18へ
電流を供給する。この電流は人体組織22を理論的に通過
して電極20から電流源16へ戻るように設計されている。
同様に、刺激チヤネル14については、電流源24が電極26
へ電流を供給する。動作理論上、この電流は人体組織22
内を通過して電極28から電流源24へ戻らなければならな
い。

実際上、電気刺激器10のチヤネル12の電流源16からの
電流の一部は、理論設計どおり電極18から電極20へ通過
することが判つた。この電流を矢符30で示す。しかしな
がら、電極20及び28は同じ接地に接続されているため、
電極18から通過する電流の一部は電極28へ分流すること
ができる。この電流を矢符31で示す。電気刺激器10のチ
ヤネル14に対して、電流源24からの電流は電極26から人
体組織22へ通過する。しかしながら、この電流が流れる
潜在径路が２つある。電流の一部は設計どおり直接電極
28へ流れて電流源24へ戻る。この電流を矢符32で示す。
しかしながら、実際上、電極20は電極26から供給される
電流を取り合う。このようにして電極26から供給される
電流の幾分かは電極28に通過せずに、矢符34に示すよう
に電極20へ分流される。その結果、電気刺激器10のチヤ
ネル12,14間の絶縁が失われる。電極20は所望するより
も多量の電流を人体組織22から受信し、電極28は少量の
電流を受信する。矢符30で示す電流は設計値よりも大き
く、矢符32で示す電流は設計値よりも小さい。このよう
にして、電気刺激器10のチヤネル14は電気刺激器10のチ
ヤネル12に影響を及ぼす。その結果、理論設計とは異な
る電流が人体組織22へ加えられ、従つて理論設計値より
も小さい結果となり著しく損われた結果となる。

第２図に、本発明の電気刺激器36の一実施例を示す。
電気刺激器36は２つの刺激チヤネル38,40を有してい
る。刺激チヤネル38は電気的共通線46の両側に接続され
た電流源42及び44を有している。電流源42はまた電極48
にも接続され電流源44は電極50に接続されている。電極
48,50は刺激チヤネル38の電極対として働く。電極48,50
は電気刺激器36により被刺激人体組織22に接続するよう
にされている。同様に、刺激チヤネル40は電気的共通56
の両側に接続された電流源52,54を有している。電流源5
2は電極58にも接続されており、電流源54は電極60にも
接続されている。電極58,60は刺激チヤネル40の電極対
として働く。電極58,60は電気刺激器36の刺激チヤネル4
0により被刺激人体組織22に接続するようにされてい
る。

電流源42,44は互いに調和して作動するように構成さ
れている。刺激チヤネル38の所与の時点において、電流
源42を流れる電流は電流源44を流れる電流に実質的に等
しくなければならない。同様に、刺激チヤネル40につい
て、電流源52と54は調和して作動する。刺激チヤネル40
の所与の時点において、電流源52を流れる電流は電流源
54を流れる電流に実質的に等しい。すなわち、電流源52
がある量の電流を電極58にソースしていると、電流源54
は同量の電流を電極60からシンクするようにされてい
る。電流源42,44は実質的に同じ電流で作動するように
されている。同様に、電流源52,52は実質的に同じ電流
で作動するようにされている。しかしながら、電子回路
が全く同じであることはほとんどであり得ないことをお
判り願いたい。従つて、実質的に同じ電流とは、同じに
なるよう設計され、適切な回路設計条件及び実用的な素
子値変動範囲内で等しい電流のことである。

電流源が各電極を付随しているため、第２図の電気刺
激器36は動作上人体組織22に関して遥かに優れたチヤネ
ル絶縁を達成することできる。電流源42は所与量の電流
を電極48にソース（もしくはシンク）する。同量の電流
が電流源44により電極50へシンク（もしくはソース）さ
れる。従つて矢符62で示す電流は電流源42からソース
（もしくはシンク）される電流及び電流源44からシンク
（もしくはソース）される電流を表わしている。同様
に、刺激チヤネル40について、電極58は電流源52から供
給される正確な量の電流をソース（もしくはシンク）す
る。電極60は電流源54が決定する正確な量の電流をシン
ク（もしくはソース）する。従つて、矢符64で示す電極
58,60間を流れる電流は実質的に電流源52及び54が決定
する電流である。その結果、電気刺激器36は刺激チヤネ
ル38,40間の絶縁が著しく向上する。電極対49,50が物理
的に近接しているため、電極対58,60間の人体組織22中
を流れる電流の汚染は著しく低下する。

第３図に電気刺激器36のもう一つの実施例を示す。実
施例において、刺激チヤネル38は第２図の電気刺激器36
の刺激チヤネル38と同じである。ここでも、電流源42,4
4は電気的共通線46の両側に接続されている。電流源42
は電極48に接続され、電流源44は電極50に接続されてい
る。電極48,50は人体組織22に接続され矢符62に示す電
流を人体組織22内に生じる。第３図の電気刺激器36内の
刺激チヤネル40は第２図の電気刺激器36の刺激チヤネル
40と同じである。ここでも、電流源52は電気的共通56の
一方側に接続され且つ電極58に接続されている。電極5
8,60は人体組織22に接続されて矢符64で示す刺激電流を
人体組織22へ供給するようにされている。第３図の刺激
チヤネル40と第２図の刺激チヤネル40の違いは、第３図
の実施例で電流源54が省かれている点である。電極48に
よりソース（もしくはシンク）される電流は電流源42に
より決定され、電極50によりシンク（もしくはソース）
される電流は電流源44により決定され且つ電極58により
ソース（もしくはシンク）される電流は電流源52により
決定されるため、電極60によりシンク（もしくはソー
ス）される電流は残存電流のみとなる。電流源42,44は
平衡しているため、電極48によりソース（もしくはシン
ク）される電流は電極50によりシンク（もしくはソー
ス）される電流に等しい。電極60がシンク（もしくはソ
ース）することのできる残存電流は電流源52により決定
される電極58がソース（もしくはシンク）する電流であ
る。このようにして、一つの電流源、すなわち電流源54
を図から省くことができ、しかもチヤネル38,40間の絶
縁を達成することができる。

第４図に本発明の電気刺激器36のもう一つの実施例を
示す。第４図の電気刺激器36では、両刺激チヤネル38,4
0の出力が各電極対48,50及び58,60に容量接続されてい
る。刺激チヤネル38の場合、分路抵抗器66,68が正確に
一致しない電流源42,44間の電流差を運ぶように働く。
電流源42と電極48間に接続されたコンデンサ70及び電流
源44と電極50間に接続されたコンデンサ72は刺激チヤネ
ル38を電極対48,50に容量接続するように働く。抵抗器6
6が電流源42の両端間に接続され、抵抗器68が電流源44
の両端間に接続されている。同様に、刺激チヤネル40に
ついては、抵抗器74が電流源52の両端間に接続され且つ
抵抗器76が電流源44の両端間に接続されている。ここで
も、抵抗器74,76は電流源52,54間の不一致を取り上げる
ように働く。電流源52と電極58間に接続されたコンデン
サ78及び電流源54と電極60間に接続されたコンデンサ80
が刺激チヤネル40を電極対58,60に容量接続するように
働く。

第５図に電気刺激器36の実施例の詳細回路図を示す。
ここでも、電気刺激器36は刺激チヤネル38,40からなつ
ている。刺激チヤネル38は電極48,50を介して人体組織2
2に接続され、刺激チヤネル40は電極58,60を介して人体
組織22に接続するようにされている。刺激チヤネル38は
点82において電圧源に接続されている。演算増幅器84が
抵抗器86,88,90及び92と共に電流源42として働く。抵抗
器86は電圧源点82と演算増幅器84の負入力間に接続され
ている。抵抗器88は演算増幅器84の負入力と出力間に接
続されている。抵抗器92は演算増幅器84の正入力と出力
間に接続されている。抵抗器90は演算増幅器84の正入力
と電気的共通46間に接続されている。演算増幅器84の正
入力は電極48にも接続されている。抵抗器86,88,90及び
92の抵抗値は抵抗器90の抵抗値で除した抵抗器92の抵抗
値を抵抗器88の値で除した抵抗器86の抵抗値に等しくす
ることにより決定することができる。この電流源により
供給される電流の大きさは抵抗器90の抵抗値で除した電
圧点82からの電圧源の値にほぼ等しい。本図の電流源44
は演算増幅器94、演算増幅器96、抵抗器98,100,102,10
4,106,108からなつている。抵抗器106は電圧源点82と演
算増幅器96の負入力間に接続されている。演算増幅器96
は電圧点82に生じる電圧を反転して演算増幅器84から発
生する電流と同じ大きさで反対方向の電流を演算増幅器
94が発生できるようにする。演算増幅器96の正入力は電
気的共通46に接続されている。抵抗器108は演算増幅器9
6の負入力と出力間に接続されている。抵抗器98は演算
増幅器96の出力と演算増幅器94の負入力間に接続されて
いる。抵抗器100は演算増幅器94の負入力と出力間に接
続されている。抵抗器104は演算増幅器94の正入力と出
力間に接続されている。抵抗器102は演算増幅器104の正
入力と電気的共通間に接続されている。演算増幅器94の
正入力は電極50にも接続されている。

抵抗器102の抵抗値で除した抵抗器104の抵抗値は抵抗
器100の抵抗値で除した抵抗器98の抵抗値に等しくなけ
ればならない。この電流源から供給される電流の大きさ
は抵抗器102の抵抗値で除した電圧点82からの供給電圧
値にほぼ等しい。抵抗器106及び108の抵抗値も等しくな
ければならない。演算増幅器96及び抵抗器106,108は電
圧点82に生じる電圧を反転するように働く。抵抗器86の
抵抗値と抵抗器98の抵抗値は、抵抗器88と100の抵抗
値、抵抗器90と102の抵抗値、抵抗器92と104の抵抗値と
同様に一致しなければならない。同様に、演算増幅器8
4,94も一致しなければならない。一実施例において、演
算増幅器84,94はテキサスインスツルメンツ社やナシヨ
ナルセミコンダクタ社製モデルNo.741演算増幅器であ
る。実施例において、電圧点82に生じる電圧は−10^vと
＋10^v間で変動することができ、抵抗器86,88,90,92,98,
100,102,104,106及び108の抵抗値は2KΩとすることがで
きる。

刺激チヤネル40の電気回路は刺激チヤネル38について
前記したものと同じである。電圧点110は刺激チヤネル4
0に給電を行う。演算増幅器112及び抵抗器114,116,118
及び120からなる電流源が電極58に接続されている。演
算増幅器122と抵抗器124,126は電圧点110に生じる電圧
を反転するように働く。演算増幅器128と抵抗器130,13
2,134及び136からなるもう一つの電流源が電極60に接続
されている。刺激チヤネル40の制約や素子の値は刺激チ
ヤネル38と同じである。しかしながら、電気刺激チヤネ
ル38と40の素子の値は同じでなくとも良いことをお判り
願いたい。素子の値は一方の刺激チヤネル38もしくは40
内で一貫性があればよい。もちろん、電気刺激チヤネル
38と40の素子の値が等しくても、電極対48,50,58及び60
から供給される刺激電流はそれぞれ所与の時刻において
同一である必要はないこともお判り願いたい。刺激電流
はそれぞれ電圧点82及び110に現われる電圧源に従つて
変動することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の多チヤネル電気刺激器を示す図、第
２図は本発明の電気刺激器の線図、第３図は本発明の電
気刺激器の別の実施例の線図、第４図は本発明の電気刺
激器の別の実施例の線図、第５図は本発明の電気刺激器
の詳細回路図である。参照符号の説明 10……電気刺激器 12,14,38,40……刺激チヤネル 18,20,26,28,48,50,58,60……電極 16,24,42,44,52,54……電流源 22……人体組織

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気的共通線を有する複数チャネルを有
し、前記複数の各チャネル上の電流により組織を刺激す
るようにされ、前記複数の各チャネルについて第１及び
第２の電極を有し、前記第１及び第２の電極は前記組織
に接続されて前記第１及び第２の電極間で前記組織に前
記電流を通すようにされている電気刺激器において，前記複数のチャネルの全チャネルに第１及び第２の電流
源を有し、前記第１の電流源は前記電気的共通線と前記
第１の電極間に接続され、前記第２の電流源は前記第２
の電極と前記電気的共通線との間に接続されており，前記複数のチャネルの各チャネルの前記第１の電流源か
ら発生する電流は前記第２の電流源から発生する電流と
大きさが同じで反対方向であり，従って、前記第１及び第２の電極は夫々実質的に同じ電
流を供給しシンクし，前記複数チャネル間で刺激が絶縁される電気刺激器。
【請求項２】特許請求の範囲第（１）項において、前記
第１及び第２の電流源は大きさ及び極性が変動し、前記
複数チャネルの個々のチャネルについて前記第１の電流
源は前記第２の電流源と大きさが等しく反対極性である
電気刺激器。
【請求項３】特許請求の範囲第（２）項において、前記
複数チャネルの一方のチャネルの前記第１及び第２の電
流源は前記複数チャネルのもう一方のチャネルの前記第
１及び第２の電流源と大きさ及び極性が異なる電気刺激
器。
【請求項４】電気的共通線を有する複数チャネルを有
し、前記複数の各チャネル上の電流により組織を刺激す
るようにされ、且つ前記複数の各チャネルについて第１
及び第２の電極があり、前記第１及び第２の電極は前記
組織に接続されて前記第１及び第２の電極間で前記組織
に前記電流を通すように接続されている電気刺激器にお
いて、前記複数チャネルの一つを除く全チャネルに第１
及び第２の電流源があり、前記第１の電流源は前記電気
的共通線と前記第１の電極間に接続され前記第２の電流
源は前記第２の電極と電気的共通線との間に接続され、
前記複数チャネルの一つを除く全チャネルについて、前
記第１の電流源が発生する電流は前記第２の電流源が発
生する電流と実質的に大きさが等しく反対方向であり、
前記複数チャネルの前記一つのチャネルの電流源は電気
的共通線と前記第１の電極間に接続されており前記第２
の電極は電気的共通線に接続されており、従って、前記
第１及び第２の電極は夫々実質的に同じ電流を供給しシ
ンクし、前記複数チャネル間で刺激が絶縁される電気刺
激器。