JP3496044B2

JP3496044B2 - 電気刺激装置

Info

Publication number: JP3496044B2
Application number: JP2003115619A
Authority: JP
Inventors: 慶裕村岡
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2004-02-09
Anticipated expiration: 2022-04-18
Also published as: JP2003310770A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、下垂足患者の運動
機能補助又は運動機能回復などのために好適な電気刺激
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】脳血管障害による片麻痺の後遺症に、下
垂足と呼ばれるものがある。下垂足患者においては、足
関節の背屈筋群の弛緩、底屈筋群の亢進により、足関節
の背屈が困難になっている。そのため歩行遊脚時に、健
常者では背屈筋群の収縮により足関節が背屈しスムーズ
に脚が振り出されているのに対し、下垂足患者では、足
関節が背屈せず爪先が接地してしまう。この「引きずり
歩行」のために患者の歩行は困難なものになっている。

【０００３】図８は、従来検討されている電気刺激装置
の構成を示す図である。電極Ｅ２１，Ｅ２２は筋活動を
拾いたい筋肉の筋腹に、電極Ｅ２３は、任意の位置に配
置される。患者でも筋肉を動かそうとすると微小な随意
筋電が出るので、電極Ｅ２１，Ｅ２２はその随意筋電を
検出するためのものである。電極Ｅ２３をグランド電極
として、電極Ｅ２１，Ｅ２２で検出された目的となる筋
肉の随意筋電信号は、入力保護抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を介
して計測増幅器６１に入力される。また、計測増幅器６
１が飽和しないようにダイオードＤ１１，Ｄ１２により
約±０.５Vにリミットされる。その後、帯域３００−４
５０Hzを有する数段の多段増幅器６２によりマイコン６
３により認識できる程度の大きさまで増幅され、マイコ
ン６３のＡ／Ｄ変換入力ＰＩＮから、サンプリング周波
数１KHzにより取り込まれる。マイコン６３は、随意筋
電の振幅に比例した幅のパルスを出力して刺激手段６４
を制御する。刺激パルスは、双極性パルスで、陽極パル
スと陰極パルスは、パルス幅、振幅は同一である。刺激
パルス振幅は約１００Vであり、パルス幅は５０μs−１
msの間で調整され、その幅が大きくなるほど、強い刺激
となる。刺激パルス周期は５０msであり、パルスが印加
されるタイミングでフォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ２は
オンとなり、刺激パルスを電極Ｅ２１，Ｅ２２に導通す
る。刺激パルスが印加されていない時はフォトモスリレ
ーＳＷ１，ＳＷ２はオフとなり、刺激手段６４側からの
ノイズの混入を防ぐと同時に、電極Ｅ２１，Ｅ２２の電
極間の短絡を防ぐ役目を果たしている。また、フォトモ
スリレーＳＷ１，ＳＷ２はマイコン６３によりオンーオ
フのタイミングを制御される。振幅１００Vと、アイソ
レーションを同時に実現する手段として刺激手段６４と
してはトランスが適する。しかし、チャージポンプ昇圧
回路によるＨブリッジ回路などとすることも可能であ
る。その際には、トランジスタの部分にフォトトランジ
スタやフォトモスリレーを用いるとアイソレーションさ
れて良い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来技
術では、以下の問題点があった。 (1).随意筋電を検出するためには１対の電極両方を筋腹
上に配置することが望ましいが、電極の片方は電気刺激
の効率を考え神経上に配置しなければならない。このた
め、本来数cm以上は離してはいけないはずの随意筋電を
検出する電極間の距離が離れてしまい、目的とする筋肉
だけでなく不随意活動の大きい他の筋肉からの随意筋電
を検出してしまう。 (2).フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ２の存在、それらを
制御するための配線及び制御回路の存在のために装置が
大型になってしまい、日常的に装着するには適さない。 (3).刺激手段６４による刺激に起因するＭ波（ある運動
神経に対し電気刺激を加えると、神経上にインパルスが
発生し、それが神経を下降して筋肉に達し、筋肉を収縮
させる時に誘発される筋電位）とアーチファクトが発生
し、これらを検出してさらに刺激手段６４が刺激を加え
ることが繰り返されるために、運動を止めて本来の随意
筋電が検出されなくなった後に刺激が速やかに減衰せ
ず、刺激手段６４からの刺激が完全に止まるまでに数秒
かかってしまう。

【０００５】本発明は、上記問題点に鑑み、電気刺激に
適する電極配置を可能にして、小型で、人の意思に忠実
に従って作動する電気刺激装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【０００７】

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の電気刺激装置
は、皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、同
じ刺激信号を２回続けて出力し、該２回の前記第１及び
第２電極間の信号の差分に基づいて新たな刺激信号を制
御する制御手段と、該制御手段により制御される信号を
出力する刺激手段と、該刺激手段の出力端子に接続され
皮膚表面に配置される第３電極及び第４電極とを備え
る。

【０００９】また、前記第１乃至第４電極のいずれかが
互いに兼用されていることで、電極数を減少させて小型
軽量化させることができる。

【００１０】

【００１１】

【００１２】また、本発明の電気刺激装置は、皮膚表面
に配置される３以上の電極と、出力の一方の端子と前記
電極の１つとが接続されており筋肉を刺激する信号を出
力する刺激手段と、該刺激手段の出力の他方の端子と前
記電極の残りの２以上とをそれぞれ順次接続する複数の
リレーとを備える。

【００１３】

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

【００１５】図１は、本発明の第１実施の形態による電
気刺激装置の構成を示す図である。本実施の形態の電気
刺激装置は、主に電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３、入力保護抵抗
Ｒ１，Ｒ２、計測増幅器１１、多段増幅器１２、マイコ
ン１３、刺激手段１４、ダイアックＤ１，Ｄ２から成
る。電極Ｅ１，Ｅ２により検出された微弱な随意筋電は
入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して計測増幅器１１に入力
されて増幅され、更に、多段増幅器１２によりマイコン
１３が認識できる程度まで増幅され、Ａ／Ｄ変換入力Ｐ
ＩＮからマイコン１３に取り込まれる。マイコン１３で
は、信号処理を行って随意筋電量を算出し、その大きさ
に応じた幅のパルスを出力して刺激手段１４を制御す
る。刺激手段１４はダイアックＤ１，Ｄ２を介して電極
Ｅ１，Ｅ２に対して刺激を加え、更に、直接電極Ｅ３に
対して刺激を加える。

【００１６】電極Ｅ１，Ｅ２は、筋活動を取得すべき筋
肉の筋腹の皮膚表面に配置され、患者が筋肉を動かそう
とした時に発生する微弱な随意筋電を検出すると共に、
刺激信号を皮膚から筋肉に与えるための電極として機能
する。

【００１７】電極Ｅ３は、刺激したい筋肉の筋腹又は神
経上の皮膚表面に配置され、グランド電極として、及
び、刺激信号を皮膚から筋肉又は神経に与えるための電
極として機能する。

【００１８】入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２は、刺激信号を電
極Ｅ１，Ｅ２に印加する際に計測増幅器１１を保護す
る。

【００１９】計測増幅器１１は、電極Ｅ１，Ｅ２が取得
した随意筋電を入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して受けて
その微弱な随意筋電を増幅する。

【００２０】多段増幅器１２は、計測増幅器１１が増幅
した随意筋電を受けてマイコン１３が認識できる程度ま
で増幅する。

【００２１】図２は、マイコンの信号処理を説明する波
形図である。初段が刺激パルス信号であり、６０ms毎に
印加される刺激パルス波形２つをもって１組とし、２つ
の刺激波形は、同一である。したがって、刺激波形は１
２０ms毎に更新される。マイコン１３の入力ではＡ／Ｄ
変換入力ＰＩＮから随意筋電が取り込まれサンプリング
周期１msでサンプリングされてデジタル変換される。そ
の波形は、２段目に示すように、刺激信号及びアーチフ
ァクトにＭ波を含む筋電が重畳した信号となっている。
刺激信号は６０ms周期の初めに入力され、その振幅は随
意筋電と比べて極めて大きく、かつ、その後の信号処理
には必要ない信号であるのでるので、振幅が所定値以上
に大きくならないように２つのダイアックによりリミッ
トされる。６０ms毎の２つの刺激波形が同一であるの
で、対応する６０ms毎の２つのアーチファクト及びＭ波
も同一になり、それらの差分をとることでアーチファク
ト及びＭ波を相殺して随意筋電による成分だけを抽出す
ることができる。ただし、６０ms周期の初めからしばら
く（およそ２０ms）は不安定であるので、周期の終わり
近く（下記例では１５msとしたが、より広くすることも
できる）を選択して差分をとることで安定的に随意筋電
による成分を抽出することができる。その際に周期を６
０ms、すなわち、２０msの整数倍としているので２０ms
（５０Hz）のハムノイズを除去することができる。サン
プリング周期を１ms、この信号の刺激波形が更新される
時点を１として、１周期目の信号をa(1),a(2)・・・a(6
0)、２周期目の信号をa(61),a(62)・・・a(120)とする
と、 b(n)=a(n)-a(n-60); 104≦n≦119 b(n)=0; 1≦n≦103,n=120 としたものが３段目の信号処理後の波形となる。ｎ＝１
２０のデータを使わないのは、マイコン１４が次の刺激
強度の演算を行っており、演算処理には値として反映で
きないためである。この信号処理により、随意筋電以外
の刺激及び刺激起因のアーチファクト、周期２０msのハ
ムノイズ、Ｍ波が除去される。その後、マイコン１３は
b(n)の最大値−最小値を算出し、その大きさに応じた幅
のパルスを出力して刺激手段１４を制御する。これによ
り次の刺激の強度を決定する。刺激周期は、信号処理手
法が同様であれば、６０msに限定されない。

【００２２】刺激手段１４は、電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に
対して刺激信号を加える。電極Ｅ１，Ｅ２に対してはダ
イアックＤ１，Ｄ２を介して、電極Ｅ３に対しては直接
に刺激信号を加える。負電荷パルスが印加されたタイミ
ングの電極が関電極（筋肉を収縮させるための電極）、
もう一方が不関電極となり、刺激パルス振幅は約１００
Vである。パルス幅は０−１msの間で調整できるが、実
際に筋肉に刺激を加える５０μs−１msの間で調整さ
れ、その幅が大きくなるほど、強い刺激となる。

【００２３】ダイアックＤ１，Ｄ２は、筋電検出時に刺
激手段１４から電極Ｅ１，Ｅ２を分離し、刺激手段１４
側からのノイズの混入を防ぐと同時に、電極Ｅ１，Ｅ
２，Ｅ３の電極間の短絡を防ぐ役目を果たしている。つ
まり、ダイアックＤ１，Ｄ２端子間が降下電圧（約０.
５V以上）になると端子間が導通されるが、刺激パルス
の印加が終了し、降下電圧以下になると絶縁される。ま
た、計測増幅器１１の差動入力が過大にならないように
ダイアックＤ１，Ｄ２は約±１V（２つの直列のダイア
ック分＝２×０.５V）でリミットする。このため従来は
必要とされた図８に示すダイオードＤ１１，Ｄ１２を省
略することができる。

【００２４】図９は、従来の多チャンネル型の電気刺激
装置の構成を示す図である。今まで説明した回路は、グ
ランド電極を刺激電極として兼用し、刺激出力を得たも
のであるが、更に、多くの刺激出力を得ることも可能で
ある。従来の技術として、刺激パルス電圧の少ない埋め
込み電極の電気刺激では、増幅器などの出力を直接刺激
パルスとして使用でき、多チャンネル化が容易であった
が、１００V程度の刺激パルス電圧を必要とする皮膚表
面からの電気刺激では、図９に示すように、電極Ｅ３
１，Ｅ３２に接続される刺激手段７１、電極Ｅ３３，Ｅ
３４に接続される刺激手段７２、電極Ｅ３５，Ｅ３６に
接続される刺激手段７３のように、チャンネル毎にトラ
ンスによる昇圧回路が必要であり、装置本体の大型化重
量化が避けられなかった。

【００２５】図３は、本発明の第２実施の形態による電
気刺激装置の構成を示す図である。電極Ｅ７をグランド
電極として刺激手段３１にリレーＳＷａ１、ＳＷａ２、
ＳＷａ３を介して電極Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６を接続する。刺
激手段３１の１つのトランスの出力（２次側）を大電圧
スイッチング可能なフォトモスリレーなどのリレーＳＷ
ａ１、ＳＷａ２、ＳＷａ３で順次切り替えることによ
り、１つのトランスで多チャンネルの刺激出力を得るこ
とができる。

【００２６】図４は、第２実施の形態のリレーの切り替
え方法を説明する波形図である。最初リレーＳＷａ１を
３msＯＮとし、トランスからグランド電極Ｅ７と電極Ｅ
４への刺激パルスを導通し、その後、リレーＳＷａ２，
ＳＷａ３，・・・を順次１.５ms毎に切り替え、その間
に電極Ｅ５，Ｅ６，・・・へ刺激パルスを導通する。全
てのチャンネルに刺激を導通した後、全てのリレーをＯ
Ｎとし、全電極Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，・・・間を短絡さ
せ、電極Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，・・・上に残留している電
荷を放電する。

【００２７】図５は、本発明の第３実施の形態による電
気刺激装置の構成を示す図である。電極Ｅ１５をグラン
ド電極として刺激手段５３にリレーＳＷｂ１を介してダ
イアックＤ５，Ｄ６を接続し、更に、電極Ｅ１１，Ｅ１
２を接続する。その電極Ｅ１１，Ｅ１２と並列に接続さ
れる入力保護抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して計測増幅器５１を
接続する。同様に、リレーＳＷｂ２、ダイアックＤ７，
Ｄ８、電極Ｅ１３，Ｅ１４、入力保護抵抗Ｒ７，Ｒ８、
計測増幅器５２を多チャンネルに接続する。このように
まず、１つのリレーＳＷｂ１，ＳＷｂ２，・・・に複数
の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，・・・を接続すること
で、刺激出力チャンネルを増加させることができる。さ
らに、リレーＳＷｂ１，ＳＷｂ２，・・・とダイアック
Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７・・・を併用して刺激チャンネルの出
力として、今回開発した検出兼刺激回路を接続すれば、
刺激出力チャンネルを増加させると同時に、筋電検出チ
ャンネルも増加させることができる。従来の手法であれ
ば、リレーの数が膨大となり制御が困難になることが考
えられたが、ダイアックを採用したため受動的切り替え
が可能となり、筋電検出部位の多チャンネル化が容易と
なる。

【００２８】図６は、本発明の第４実施の形態による電
気刺激装置の構成を示す図である。本実施の形態は第２
実施の形態の刺激手段としてチャージポンプ昇圧回路を
用いたものである。刺激手段８１の陽極に電極Ｅ４４を
グランド電極として配置する。刺激手段８１の陰極にリ
レーＳＷｃ１を配置し、更にそこから、リレーＳＷｃ
２，ＳＷｃ３，ＳＷｃ４，ＳＷｃ５・・・を介してグラ
ンド電極Ｅ４４、電極Ｅ４１，Ｅ４２，Ｅ４３・・・を
接続する。

【００２９】図７は、第４実施の形態のリレーの切り替
え方法を説明する波形図である。刺激印加時は、リレー
ＳＷｃ１をＯＮ、リレーＳＷｃ２をＯＦＦとした状態
で、リレーＳＷｃ３，ＳＷｃ４・・・を順次所望のパル
ス幅で負電荷を導通する。全てのチャンネルに刺激を与
えた後、リレーＳＷｃ１をＯＦＦとした状態で他のすべ
てのリレーＳＷｃ２，ＳＷｃ３，ＳＷｃ４，ＳＷｃ５・
・・をＯＮとし、刺激陰極出力から切り離した状態で全
電極Ｅ４１，Ｅ４２，Ｅ４３，Ｅ４４・・・間を短絡さ
せ、全電極Ｅ４１，Ｅ４２，Ｅ４３，Ｅ４４・・・上に
残留している電荷を放電する。

【００３０】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではない。

【００３１】図１に示される第１実施の形態の構成にお
いて、ダイアックＤ１，Ｄ２はマイコン１３にそのＯ
Ｎ、ＯＦＦが制御されるリレーであっても良い。

【００３２】本発明は下垂足患者のためのものに限られ
ず、上肢、その他の筋肉運動補助具として用いることも
できる。

【００３３】

【００３４】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の本発明に
よれば、運動を止めて本来の随意筋電が検出されなくな
った後に速やかに刺激を減衰させることができる。

【００３５】

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態による電気刺激装置の
構成を示す図である。

【図２】マイコンの信号処理を説明する波形図である。

【図３】本発明の第２実施の形態による電気刺激装置の
構成を示す図である。

【図４】第２実施の形態のリレーの切り替え方法を説明
する波形図である。

【図５】本発明の第３実施の形態による電気刺激装置の
構成を示す図である。

【図６】本発明の第４実施の形態による電気刺激装置の
構成を示す図である。

【図７】第４実施の形態のリレーの切り替え方法を説明
する波形図である。

【図８】従来検討されている電気刺激装置の構成を示す
図である。

【図９】従来の多チャンネル型の電気刺激装置の構成を
示す図である。

【符号の説明】

１１，５１，５２，６１計測増幅器１２，６２多段増幅器１３，６３マイコン１４，３１，５３，６４，７１，７２，７３，８１刺
激手段Ｄ１，Ｄ２，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８ダイアックＤ１１，Ｄ１２ダイオードＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ７，Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１
３，Ｅ１４，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ３１，Ｅ３
２，Ｅ３３，Ｅ３４，Ｅ３５，Ｅ３６，Ｅ４１，Ｅ４
２，Ｅ４３，Ｅ４４電極Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１１，Ｒ１２
入力保護抵抗ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷａ１，ＳＷａ２，ＳＷａ３，ＳＷ
ｂ１，ＳＷｂ２，ＳＷｃ１，ＳＷｃ２，ＳＷｃ３，ＳＷ
ｃ４，ＳＷｃ５リレー

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】皮膚表面に配置される第１電極及び第２
電極と、同じ刺激信号を２回続けて出力し、該２回の前記第１及
び第２電極間の信号の差分に基づいて新たな刺激信号を
制御する制御手段と、該制御手段により制御される信号を出力する刺激手段
と、該刺激手段の出力端子に接続され皮膚表面に配置される
第３電極及び第４電極とを備えることを特徴とする電気
刺激装置。
【請求項２】前記第１乃至第４電極のいずれかが互い
に兼用されていることを特徴とする請求項１記載の電気
刺激装置。