JP4399626B2 - Sensory stimulator - Google Patents

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Description

本発明は感覚刺激装置に関し、例えば人体の感覚神経組織を刺激する場合に適用して好適なものである。 The present invention relates to a sensory stimulation device, and more particularly, is suitably applied to a case that stimulate human sensory nerve tissue.

従来、生体の感覚神経組織を刺激する感覚刺激手法は、基本的には加圧や振動などの機械的刺激を手などに間接的に加えて擬似的な触覚などを刺激する。このため機械的な分解能や精度に問題があり、更には装置の大型化などの問題があった。   Conventionally, a sensory stimulation method for stimulating a sensory nerve tissue of a living body basically stimulates a pseudo tactile sensation by indirectly applying mechanical stimulation such as pressurization or vibration to a hand. For this reason, there are problems in mechanical resolution and accuracy, and further problems such as an increase in the size of the apparatus.

一方、医学分野では、主として高次脳神経活動などの研究やパーキンソン症候群の治療等の目的で直接に脳内の神経組織に対して電気刺激を行なう侵襲的な手法が古くから行なわれている。この手法では、上述の機械式に比べて感覚を直接的に刺激することができるが、頭開手術や脳内への電極挿入して目的の組織に直接接触させる必要である。またこの手法を情報機器などの感覚刺激用として一般に利用することは考えられない。   On the other hand, in the medical field, an invasive technique for directly performing electrical stimulation on nerve tissue in the brain has been practiced for a long time, mainly for the purpose of research such as higher cranial nerve activity and treatment of Parkinson's syndrome. Although this method can directly stimulate the sensation as compared with the above-described mechanical type, it is necessary to make a direct contact with a target tissue by performing a craniotomy or inserting an electrode into the brain. Moreover, it is not considered that this method is generally used for sensory stimulation such as information equipment.

近年、脳などの神経刺激の非侵襲的な手法として経頭蓋的磁気刺激法(Transcranial Magnetic Stimulation)が利用され始めるようになってきている(以下、当該刺激法をTMSと呼ぶ)。   In recent years, transcranial magnetic stimulation (Transcranial Magnetic Stimulation) has begun to be used as a non-invasive technique for nerve stimulation of the brain or the like (hereinafter, the stimulation method is referred to as TMS).

TMSは、頭蓋骨の外に設けた8の字型コイルから人体の中枢神経を刺激する手法である。この手法では、頭蓋骨は電気抵抗が高いため、頭蓋骨外からその内方の脳に電流を与えて刺激できないことから、当該頭蓋骨によって減衰しない磁場を使用する。この場合、頭皮上に設けた8の字型コイルにパルス状の大電流を流すことでコイルに変動磁場を発生させると、当該磁場は減衰することなく頭蓋骨下の脳組織に到達する。そして人体内方の変動磁場の周囲には渦電流が生じ、この渦電流により脳が電気刺激されることとなる(例えば非特許文献1〜6参照)。   TMS is a technique for stimulating the central nervous system of a human body from an 8-shaped coil provided outside the skull. In this method, since the skull has high electrical resistance, it cannot be stimulated by applying an electric current to the inner brain from the outside of the skull. Therefore, a magnetic field that is not attenuated by the skull is used. In this case, when a fluctuating magnetic field is generated in the coil by applying a pulsed large current to an 8-shaped coil provided on the scalp, the magnetic field reaches the brain tissue below the skull without being attenuated. An eddy current is generated around the fluctuating magnetic field inside the human body, and the brain is electrically stimulated by the eddy current (see, for example, Non-Patent Documents 1 to 6).

TMSの特色は上述したように脳を非侵襲的に刺激できるものであり、特にパルス状の刺激を生成するため時間分解能がミリ秒単位で計測できることから、このTMSとMRI(Magnetic Resonance Imaging)やPET(Positron Emission Computed Tomography)など空間分解能に優れた画像診断技術と組み合わせれば、人体の脳のどの部位がどのタイミングで働いているかを刺激による反応から推測できる。このため研究分野以外にも、最近では錐体路病変の評価、およびその病変部位の同定などに実用されている。
Barker AJ,Jalinous R,Freeston IL:Noninvasive stimulation of human motor cortex.Lancet ii:1106-1107,1985. Post RM,Kimbrell TA,McCann UD,Dunn RT,Osuch EA,Speer AM,Weiss SRB:Repetitive transcranial magnetic stimulation as a neuropsychiatric tool:Present status and future potential.J ECT 15;39-59,1999. Wassermann EM:Risk and safety of repetitive magnetic stimulation:report and suggested guidelines from the international workshop on the safety of repetitive transcranial magnetic stimulation,June 5-7,1996.Electroenceph clin Neurophysiol 108:1-16,1998. Chen R,Gerloff C,Classen J,Wassermann EM,Hallett M,Cohen LG:Safety of different inter-train intervals for repetitive transcranial magnetic stimulation and recommendations for safe range of stimulation parameters.Electroenceph clin Neurophysiol 105:415-421,1997. 木村淳、真野行生、宇川義一、梶龍兒、加藤元博、河村弘庸、玉置哲也、辻貞俊、坪川孝志、町田正文:磁気刺激のスタンダードな方法。脳波と筋電図 22:218-219,1994. 木村淳、真野行生、宇川義一、梶龍兒、加藤元博、玉置哲也、辻貞俊、町田正文:「経頭蓋的高頻度磁気刺激法の安全性と臨床応用」に関する提言。脳波と筋電図 27:306,1999.
The feature of TMS is that it can stimulate the brain non-invasively as described above. In particular, since TMP can be measured in units of milliseconds to generate pulsed stimulation, this TMS and MRI (Magnetic Resonance Imaging) When combined with diagnostic imaging technology with excellent spatial resolution, such as PET (Positron Emission Computed Tomography), it is possible to infer which part of the human brain is working at what timing from the reaction by the stimulus. For this reason, in addition to the research field, it has recently been put to practical use in the evaluation of pyramidal lesions and the identification of the lesion site.
Barker AJ, Jalinous R, Freeston IL: Noninvasive stimulation of human motor cortex. Lancet ii: 1106-1107, 1985. Post RM, Kimbrell TA, McCann UD, Dunn RT, Osuch EA, Speer AM, Weiss SRB: Repetitive transcranial magnetic stimulation as a neuropsychiatric tool: Present status and future potential.J ECT 15; 39-59,1999. Wassermann EM: Risk and safety of repetitive magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the international workshop on the safety of repetitive transcranial magnetic stimulation, June 5-7, 1996. Electroenceph clin Neurophysiol 108: 1-16, 1998. Chen R, Gerloff C, Classen J, Wassermann EM, Hallett M, Cohen LG: Safety of different inter-train intervals for repetitive transcranial magnetic stimulation and recommendations for safe range of stimulation parameters. Electroenceph clin Neurophysiol 105: 415-421, 1997. Satoshi Kimura, Yukio Mano, Yoshikazu Ukawa, Ryu Rin, Motohiro Kato, Hiroshi Kawamura, Tetsuya Tamaki, Sadatoshi Tsuji, Takashi Tsubokawa, Masafumi Machida: Standard methods of magnetic stimulation. EEG and EMG 22: 218-219, 1994. Satoshi Kimura, Yukio Mano, Yoshikazu Ukawa, Siryu Rin, Motohiro Kato, Tetsuya Tamaki, Sadatoshi Sakaki, Masafumi Machida: Recommendations on “Safety and Clinical Application of Transcranial High Frequency Magnetic Stimulation”. EEG and EMG 27: 306, 1999.

ところでかかるTMSにおいては、8の字型コイルを被験者となる人体の頭の周囲に正確に固定しなければならないため操作が煩雑であり、かつ、神経の電気パルスを生じさせるために変動磁場を利用していることから、当該8の字型コイルへの大電流発生手段の接続を避け得ないため装置が大規模となるのみならず、当該装置に被験者を拘束するなどの制約があった。またこのTMSにおいては、変動磁場は骨などの組織の影響を受けにくく脳に到達できる利点がある反面、コイルや変動磁場から渦電流により刺するという手法であるため、皮膚や皮下組織など浅い組織に散在する神経への刺激には適していない。   By the way, in such TMS, since the figure-shaped coil must be accurately fixed around the head of the human body to be a subject, the operation is complicated, and a fluctuating magnetic field is used to generate an electrical pulse of nerve. For this reason, it is inevitable to connect the large current generating means to the 8-shaped coil, so that not only the apparatus becomes large but also there is a restriction such as restraining the subject to the apparatus. In addition, in this TMS, the fluctuation magnetic field has the advantage that it can reach the brain without being affected by tissues such as bones, but on the other hand, since it is a technique of puncture by eddy current from a coil or fluctuation magnetic field, it is a shallow tissue such as skin or subcutaneous tissue It is not suitable for stimulation of nerves scattered around.

特に感覚神経の終端組織は、TMSのように神経の途中からでも強制的に渦電流により物理的に強い電気刺激を起こさせるのに適しているが、8の字型コイルという物理的な制約のため、ある種の感覚受容器のように比較的浅い場合、局所的には刺激することができなくなる。さらに8の字型コイル自体が制約となって、微小レベルにまで小型化することは不可能であるという問題がある。   In particular, the sensory nerve terminal tissue is suitable for causing a physically strong electrical stimulation by eddy currents forcibly even from the middle of the nerve as in TMS. Therefore, when it is relatively shallow like a certain sensory receptor, it cannot be stimulated locally. Furthermore, there is a problem that it is impossible to reduce the size to a minute level because the figure-shaped coil itself becomes a restriction.

さらにまたTMSにおいては、強制的に体内に極めて強力な電流を発生させて神経を発火させるため視覚や聴覚に対する刺激も可能であるものの、当該その感覚に対する刺激を目的とするならば、当該神経の終端に対する刺激であればよく、それらの途中に強制的に渦電流で神経刺激しても感覚は生ずるものの効率的ではない上に、映像や音楽など十分な情報も与えることはできなくなる。このことは、個々の神経ではなくその集合に対して並列で刺激が与えられていることを意味しており、個別の神経に対して並列で刺激を加えた場合、変動磁場の体内透過性が高いという利点が逆に制約となり、刺激の分解能は小さくなってしまう。   Furthermore, in TMS, a very strong current is forcedly generated in the body to ignite the nerve, so that stimulation for vision and hearing is possible. However, if the purpose is to stimulate the sense, It is sufficient if it is a stimulus for the terminal end, and forcibly stimulating nerves with eddy currents in the middle will cause a sensation, but it is not efficient, and sufficient information such as video and music cannot be given. This means that the stimulation is given in parallel to the set, not individual nerves. When stimulation is applied to individual nerves in parallel, the permeability of the varying magnetic field in the body is reduced. On the contrary, the advantage of high becomes a restriction, and the resolution of the stimulus is reduced.

このようにTMSでは、8の字型コイルを被験者となる人体の頭の周囲に正確に固定しなければならないため操作が煩雑となると共に被験者を拘束する、当該8の字型コイルへの大電流発生手段の接続を避け得ないため消費電力が大きくなるのみならず装置自体が大規模となる、骨を経由しない感覚神経の終端組織のように表在性の感覚神経組織末端から感覚を生じさせることが不向きとなる、個々の神経ではなくその集合に対して並列で刺激を加えているため、変動磁界の体内透過性が高いという利点が逆に制約となり、刺激の分解能は小さくなるといった各種問題があった。   As described above, in TMS, since the figure 8 coil must be accurately fixed around the head of the human body to be the subject, the operation becomes complicated and the large current to the figure 8 coil restrains the subject. Since it is unavoidable to connect the generating means, not only the power consumption is increased, but the device itself is large-scale, and the sensory nerve endings such as the sensory nerve ending tissues that do not go through the bones generate sensations. Various problems, such as the fact that stimulating in parallel to a set of individual nerves rather than individual nerves, is constrained by the advantage of high permeability of the varying magnetic field in the body, reducing the resolution of the stimulus was there.

このような問題を1つでも解決することができれば、簡易に感覚を刺激することができるため、各種分野で応用できるような有用性の高い手法となるものと考えられる。またこの手法をバーチャルリアリティ分野に適用すれば、リアリティ性を高くすることができるものと考えられる。   If even one of these problems can be solved, the sense can be stimulated easily, and it is considered to be a highly useful technique that can be applied in various fields. If this method is applied to the virtual reality field, it is considered that the reality can be enhanced.

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、有用性を高め得る感覚刺激装置を提案しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above, it is intended to propose a resulting Ru sense sensory stimulator enhance usability.

かかる課題を解決するため本発明は電界発生源とされ、生体に非接触で近接される電極と、生体に生じさせるべき感覚に割り当てられる複数の周波数のうち、指定された周波数の信号を選択する選択手段と、選択手段により選択された信号を電極に印加し、生体における感覚神経末端に対して、放射電界及び誘導電磁界に比して大きい強度の準静電界を印加する電界印加手段とを有する。 This onset bright order to solve such problems, is an electric field source, an electrode is close in a non-contact to the living body, among the plurality of frequencies allocated to sense to cause the living body, a signal of specified frequency Selection means for selecting, and an electric field applying means for applying a signal selected by the selection means to the electrode and applying a quasi-electrostatic field having a strength larger than that of the radiation electric field and the induction electromagnetic field to the sensory nerve terminal in the living body And have.

本発明によれば、生体に所定の感覚を生じさせるための電界を感覚神経組織末端に対して印加するようにしたことにより、表在性の感覚神経組織末端が共振する周波数を印加しているため、磁場に比して効率よく感覚を提示させることができ、かくして有用性を高めることができる。   According to the present invention, an electric field for generating a predetermined sensation in the living body is applied to the sensory nerve tissue terminal, thereby applying a frequency at which the superficial sensory nerve tissue terminal resonates. Therefore, it is possible to present a sense more efficiently than the magnetic field, and thus the usefulness can be increased.

また本発明によれば、生体に所定の感覚を生じさせるための電界として準静電界を感覚神経組織末端に対して印加するようにしたことにより、感覚神経組織末端に対して極めて小電流で、かつ、磁場発生用のコイルを要することなく電界を感覚神経組織末端に印加することができるため、低消費電力化及び小型化を実現することができ、かくして有用性を高めることができる。   Further, according to the present invention, by applying a quasi-electrostatic field to the sensory nerve tissue terminal as an electric field for generating a predetermined sense in the living body, an extremely small current is applied to the sensory nerve tissue terminal, In addition, since an electric field can be applied to the sensory nerve tissue end without requiring a coil for generating a magnetic field, low power consumption and miniaturization can be realized, and thus usefulness can be increased.

以下図面について本発明を詳述する。   The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

本発明は、日常我々が静電気を体感するという経験的事実からも示唆されるように人体が静電的導体であること、生体の感覚神経組織の終端が特定の電界感受性を有していること、準静電界が距離に対して高い分解能を有することを利用して、当該感覚神経組織に応じた周波数、あるいは、感覚神経組織に応じた周波数及び波形を有する準静電界を印加するようにして非接触にかつ非侵襲的に触覚や温覚などの感覚を刺激し提示させるものである。   The present invention suggests that the human body is an electrostatic conductor, and that the terminal of sensory nerve tissue in the living body has a specific electric field sensitivity, as suggested by empirical facts that we experience static electricity everyday. By utilizing the fact that the quasi-electrostatic field has high resolution with respect to the distance, a quasi-electrostatic field having a frequency corresponding to the sensory nerve tissue or a frequency and waveform corresponding to the sensory nerve tissue is applied. It is a non-contact and non-invasive method for stimulating and presenting sensations such as touch and temperature.

(1)感覚神経と準静電界
本出願人は、準静電界によって温覚や触覚など様々な感覚が生ずることを発見した。この発見で重要なことは単純な静電界ではなく準静電界、即ち変動する電界という点であり、その周波数によって生成される感覚が異なることを見出し、周波数や波形の立ち上がり方などの異なる信号により、感覚神経組織末端が反応したものと考えられる。
(1) Sensory nerves and quasi-electrostatic field The present applicant has discovered that quasi-electrostatic fields produce various sensations such as warm and tactile sensations. What is important in this discovery is not a simple electrostatic field, but a quasi-electrostatic field, that is, a fluctuating electric field. We find that the generated sensation differs depending on the frequency, and it depends on different signals such as how the frequency and waveform rise. It is thought that the sensory nerve tissue terminal reacted.

感覚神経組織末端での電気化学的機序については視覚、聴覚や痛覚などを除くと十分に解明されているとはいえないものの、ロレンチニ瓶と呼ばれる感覚受容器(レセプター)にその鍵があると考えられる。このロレンチニ瓶は例えばサメの頭部に散在する感覚受容器でありゼラチン状の内包物を有する瓶のような形状の器官であり、この器官は餌となる生体の生成する電界を検出し、砂の中に身を潜めているヒラメなどを捕食する際に用いられる。同時にロレンチニ瓶は海水温を感知する機能を有していることが見出されている。このことからロレンチニ瓶が反応する電気化学的な機序として、ロレンチ機能性タンパク質(圧電体に類似する電気化学的性質)が考えられている。すなわち電界に対しては当該物質内部で電歪が、また温度に対しても当該内包高分子の少なくとも一部が速やかに変形し、これにより物質の電位変化が神経発火を誘発するといったように、圧電に近い微小な分子レベルの反応がロレンチニ瓶において発生していると考えられる。   The electrochemical mechanism at the sensory nerve tissue terminal is not fully understood except for visual, auditory, and painful sensations, but there is a key to the sensory receptor (receptor) called the Rolentini bottle Conceivable. This Lorentini bottle is a sensory receptor scattered on the head of a shark, for example, a bottle-like organ with gelatinous inclusions. This organ detects the electric field generated by the living organism serving as food, and sand. Used to prey on flounder and the like lurking inside. At the same time, it has been found that Lorentini bottles have the function of sensing seawater temperature. From this, as an electrochemical mechanism in which the Rolentini bottle reacts, a Lorenti functional protein (an electrochemical property similar to a piezoelectric body) is considered. That is, electrostriction occurs within the substance with respect to the electric field, and at least a part of the inclusion polymer rapidly deforms with respect to the temperature, so that a change in the potential of the substance induces nerve firing. It is considered that a minute molecular level reaction close to piezoelectric occurs in the Lorentini bottle.

また生体の尻尾が進化の過程を経て人体の仙骨として残されていることと同様に、ロレンチニ瓶の機能を司るものが人体に表在する感覚神経組織末端にあると考えられ、当該感覚神経組織末端に有する圧電体に類似する電気化学的性質により、触覚等の圧覚又は温覚が人体の「感覚」として提示されると考えられる。さらに、実際にはない感覚を感じるといったことがよく知られていると共に、本出願人は、電界発生源から発生される準静電界に手をかざすと、実際には無い温覚が提示されるといった実験結果を得ている。   Similarly to the fact that the tail of the living body is left as the sacrum of the human body through the process of evolution, it is thought that what controls the function of the Lorentini bottle is at the end of the sensory nerve tissue that appears in the human body. It is considered that pressure sensation such as tactile sensation or warm sensation is presented as a “sensation” of the human body due to electrochemical properties similar to the piezoelectric body at the end. Furthermore, it is well known that a sense that does not actually exist is felt, and when the applicant holds his hand over a quasi-electrostatic field generated from an electric field generation source, a warm sensation that is not actually present is presented. The experimental results are obtained.

(1−1)感覚神経
(1−1−1)感覚伝導路
ここで、四肢や体幹部の皮膚の温度感覚についてその伝達経路と、感覚神経組織末端の感覚受容器の物理的な区分について詳しく説明する。
(1-1) Sensory Nerve (1-1-1) Sensory Conduction Path Here, regarding the temperature sensation of the skin of the extremities and trunks, the transmission path and the physical division of sensory receptors at the sensory nerve tissue terminal are detailed. explain.

温痛覚や、当該温痛覚よりも粗大な触圧覚は脊髄視床路系(spinothalamic system)(脊髄毛帯系(spinal lemniscus)ともいう)を経由する。温痛覚の脊髄・脳への伝達経路としては、後角の感覚性ニュ−ロン(第2次ニュ−ロン)の軸索が、白(前)交連を通って反対側の前側索(前索と側索の境界)を外側脊髄視床路として上行し、視床の後外側腹側核(VPL)に終わる。次いで脳視床のVPL核ニュ−ロン(第3次ニュ−ロン)の軸索が大脳皮質第1次体性感覚野(中心後回;ブロードマンの3-1-2 野)に終わる。そして、かかる大脳皮質の体性感覚野に投射されることにより、初めて感覚として認識されることとなる。この脊髄視床路系は、原始的で生命基本的な感覚を伝える性質があり、この感覚には情緒的な要素(快・不快)が随伴することが知られている。   The thermal sensation and the tactile sensation that is coarser than the thermal sensation pass through the spinothalamic system (also called the spinal lemniscus). As a pathway for transmission of warm pain to the spinal cord and brain, the sensory neuron (second neuron) axon in the dorsal horn passes through the white (front) commissure and the anterior lateral cord (frontal cord) on the opposite side And the lateral cord) ascending as the lateral spinal thalamic tract, ending in the posterior lateral ventral nucleus (VPL) of the thalamus. Next, the axons of the VPL nucleus neurons (tertiary neurons) in the brain thalamus end up in the primary somatosensory cortex of the cerebral cortex (center retroversion; 3-1-2 areas of Broadman). And by projecting on the somatosensory area of the cerebral cortex, it will be recognized as a sensation for the first time. This spinal thalamic tract system has a nature of transmitting primitive and basic life sensations, and it is known that emotional elements (pleasure and discomfort) are associated with these sensations.

(1−1−2)感覚受容器の区分
一方、末端となる感覚受容器は刺激特異性に応じて以下の4つに分類することができる。
a)化学受容器(chemoreceptors):嗅覚(嗅細胞)、味覚(味蕾)。
b)機械受容器(mechanoreceptors):固有知覚(筋紡錘、ゴルジ腱器官)、触圧覚(マイスナー小体、ファーター・パチニ小体など)、前庭感覚(三半規管の膨大部稜や平衡斑の有毛細胞)、聴覚(コルチ器の有毛細胞)、痛覚(自由神経終末)。
c)温度受容器(thermoreceptors):温覚(ルフィニ小体)、冷覚(クラウゼ終棍)、自由神経終末。
d)光受容器(photoreceptors):視覚(網膜の杆状体と錐状体)。
(1-1-2) Classification of sensory receptors On the other hand, sensory receptors as terminals can be classified into the following four types according to stimulus specificity.
a) chemoreceptors: olfaction (olfactory cells), taste (miso).
b) Mechanoreceptors: proper perception (muscle spindles, Golgi tendon organs), tactile sensation (Meissner body, Pharter pachini body, etc.), vestibular sensation (hairy cells of the vast part of the semicircular canal and equilibrium plaques) ), Hearing (cortisian hair cells), pain (free nerve endings).
c) Thermoreceptors: warm sensation (Ruffini body), cold sensation (Clauze termination), free nerve endings.
d) Photoreceptors: vision (retina rods and cones).

このうち上記c)の温度受容器や機械受容器に関するメカニズムについては未だ十分に解明されていない。基本的に受容器は「カプセル状の形状」のものと、神経終末が枝分かれした「自由神経終末構造」の2つに別れていて、この違いは、刺激を脳へどのくらいの早さで伝えるか、1つの刺激を受け取るか、あるいは、複数の刺激を受け取るか(「ポリモーダルレセプター」という)の違いに絡んでいる。   Among these, the mechanism relating to the temperature receptor and the mechanoreceptor of c) has not been sufficiently elucidated. Basically, receptors are divided into two types: “capsule-shaped” and “free nerve ending structure” with branched nerve endings. This difference is how fast a stimulus is transmitted to the brain. It is related to the difference between receiving one stimulus or receiving multiple stimuli (referred to as “polymodal receptor”).

他方、「微小神経電図法」により皮膚の上から微小部分に電気を流して、神経1本1本の応答を取得した結果から、感覚受容器は刺激の動的成分により以下の4つに分類することもできる。
1)マイスナー小体:速順応I型単位(FAI)……刺激の速度成分
2)パチニ小体:速順応II型単位(FAII)……加速度成分
3)メルケル触盤:遅順応I型単位(SAI)……速度と変位
4)ルフィン終末:遅順応I型単位(SAII)……変位のみ
On the other hand, the sensory receptors are classified into the following four types according to the dynamic component of the stimulus based on the result of acquiring the response of each nerve by sending electricity from the top of the skin to the minute part by the `` microneurography '' You can also
1) Meissner body: Fast adaptation type I unit (FAI) …… Stimulus velocity component
2) Pacini body: Fast adaptation type II unit (FAII) …… Acceleration component
3) Merkel touch panel: slow adapting type I unit (SAI) ... speed and displacement
4) Ruffin terminal: Late adaptation type I unit (SAII) …… Displacement only

この場合、受容分解能としては1)と3)の感覚受容器は数ミリであり、2)と4)は1)と3)に比してぼやけた受容野境界となっている。但し、感覚受容器で起こる末梢性の順応は持続的刺激に対する受容器膜のエネルギー変換過程、イオン透過機構、受容細胞と感覚線維間のシナプス伝達特性などによって影響されているため一概には分類できない。「順応」とは、同じ強さの刺激を感覚器に持続的に与えていると主観的感覚の強さがしだいに減少して、一定値に近づくことをいう。この順応の速い感覚神経では刺激の立ち上がりにのみ反応が見られ、逆に順応の遅いものでは刺激を受けている間中インパルスを生じることが分かっている。   In this case, the receptive resolution of sensory receptors 1) and 3) is several millimeters, and 2) and 4) are blurred receptive field boundaries compared to 1) and 3). However, peripheral adaptation that occurs in sensory receptors cannot be categorized because it is influenced by the energy conversion process of the receptor membrane, ion permeation mechanism, and synaptic transmission characteristics between receptor cells and sensory fibers. . “Adaptation” means that if a stimulus of the same strength is continuously applied to the sensory organ, the strength of the subjective sensation gradually decreases and approaches a certain value. It has been found that the sensory nerve with fast adaptation shows a response only at the rise of the stimulus, and the one with slow adaptation produces an impulse during the stimulus.

これらの感覚受容器を組み合わせることによって、刺激の時間的性質を識別することができ、下記の表   By combining these sensory receptors, the temporal nature of the stimulus can be identified and is shown in the table below.

Figure 0004399626
Figure 0004399626

のようにまとめることができる。因みに、上記表における感覚受容器と存在部位との関係については、パチニ小体は真皮下層よりも上層に存在し、マイスネル小体は真皮下層と真皮乳頭との間に介在し、メルケル小体は真皮乳頭と表皮との間に介在し、ルフィニ小体は表皮と真皮下層との間に介在し、自由神経終末は真皮下層よりも下層に存在していることを意味するものである。 It can be summarized as follows. By the way, regarding the relationship between sensory receptors and existing sites in the above table, the Patini body exists in the upper layer than the dermis layer, the Mysnel body is interposed between the dermis layer and the dermal papilla, and the Merkel body is It means that it is interposed between the dermal papilla and the epidermis, the Ruffini body is interposed between the epidermis and the dermis layer, and the free nerve endings are present below the dermis layer.

(1−1−3)感覚の分子機構
次に、機械受容器(mechanoreceptors)や温度受容器(thermoreceptors)などの感覚受容器が物理的にどのような分子機構により感覚情報が生ずるかについて具体的に説明する。
(1-1-3) Sensory molecular mechanisms Next, we will examine the physical mechanism by which sensory receptors such as mechanoreceptors and thermoreceptors produce sensory information. Explained.

近年、ほ乳類において触覚に関係があると思われる分子が同定されている。Brain sodium cannel1(BNC1)というナトリウムチャンネル蛋白(イオンチャンネル)は毛根周囲に分布する自由神経終末に発現しているが、この蛋白の発現をブロックした動物と正常の動物を比べると軽度の機械的刺激に対する反応がブロックした動物において低下する。生体内では機械的刺激によってイオンチャンネルがオープンし、レセプターポテンシャルが発生し、それが神経細胞膜の脱分極を起こし、神経のアクションポテンシャルが発生することによって、中枢へ感覚刺激が伝わる。これ以外にも神経終末やメルケル触板に発現している別のイオンチャンネル蛋白も同定されている。これらの蛋白にホモロジーが高い同等の機能を持った蛋白分子が線虫にも発現しており、生物進化の過程でこの機序がよく保存されている。   In recent years, molecules have been identified that appear to be related to tactile sensation in mammals. Brain sodium cannel1 (BNC1), a sodium channel protein (ion channel), is expressed in the free nerve endings distributed around the hair root, but it is mildly mechanically stimulated compared to animals that blocked this protein expression and normal animals. Response to is reduced in blocked animals. In the living body, ion channels are opened by mechanical stimulation, and a receptor potential is generated. This causes depolarization of the nerve cell membrane, and a nerve action potential is generated, whereby sensory stimulation is transmitted to the center. In addition, other ion channel proteins expressed on nerve endings and Merkel touch plates have been identified. Protein molecules with similar functions that have high homology to these proteins are also expressed in nematodes, and this mechanism is well preserved in the process of biological evolution.

温覚においても同様に自由神経終末がレセプターであることが知られており、ナトリウムチャンネル蛋白が存在しているものと考えられ、当該蛋白が、先に上述したロレンチニ瓶の機能を司るもの、即ちロレンチ機能性タンパク質(圧電体に類似する電気化学的性質)と考えられる。   Similarly, in the sense of warmth, it is known that the free nerve ending is a receptor, and it is considered that a sodium channel protein exists, and this protein controls the function of the aforementioned Lorentini bottle, that is, It is considered to be a Lorenti functional protein (an electrochemical property similar to a piezoelectric material).

(1−1−4)電界の印加による感覚提示のメカニズム
次に、かかるナトリウムチャンネル蛋白に対して、電界が印加された際に感覚発現のメカニズムについて説明する。
(1-1-4) Mechanism of sensory presentation by application of electric field Next, a mechanism of sensory expression when an electric field is applied to the sodium channel protein will be described.

生体に対して外部から印加される電界の振動とともに、生体を構成する物質もそれぞれに電気的に振動する。この各物質の各々の電気的振動が誘電率に関与してくる。ここで振動周波数を上げていくと、周波数に追随できないことが生じてくる。するとその周波数(以下、これを追随境界周波数と呼ぶ)以上の周波数では誘電率への寄与は脱落するために誘電率はその部分の量に比例して下がる。   Along with the vibration of the electric field applied to the living body from the outside, the substances constituting the living body also vibrate electrically. Each electrical vibration of each material is involved in the dielectric constant. If the vibration frequency is increased here, it may be impossible to follow the frequency. Then, at a frequency equal to or higher than that frequency (hereinafter referred to as the following boundary frequency), the contribution to the dielectric constant drops off, and the dielectric constant decreases in proportion to the amount of the portion.

つまり、誘電率は追随境界周波数を越えると段階的にΔだけ下がる。この現象を誘電分散(dispersion)という。これに対して、誘電損率は周波数が特性周波数のところで誘電吸収(absorption)してピークを示す(引用文献:谷田尚子,他,”誘電率と生体”,御茶ノ水女子大学 生活工学研究,3(2),p.p.256-259)。   That is, when the dielectric constant exceeds the following boundary frequency, it gradually decreases by Δ. This phenomenon is called dielectric dispersion. On the other hand, the dielectric loss factor shows a peak due to dielectric absorption when the frequency is at the characteristic frequency (cited by Naoko Tanida, et al., “Dielectric constant and biological body”, Ochanomizu University, Life Engineering Research, 3 ( 2), pp256-259).

ここで、生体組織における誘電分散には周波数により3つの種類があることが知られている。第1としては、蛋白質等の粒子のイオン雰囲気に依存するα分散と呼ばれるものであり、第2としては、細胞膜の電気容量に依存するβ分散と呼ばれるものであり、第3としては、生体組織の結合水に依存するγ分散と呼ばれるものである。ここで気づくことはα分散が蛋白に対するものであり、またβ分散が細胞膜に対するものであり、どちらもイオンチャンネルに直接に関係してくることである。   Here, it is known that there are three types of dielectric dispersion in living tissue depending on the frequency. The first is called α dispersion depending on the ion atmosphere of particles such as proteins, the second is called β dispersion depending on the electric capacity of the cell membrane, and the third is biological tissue. This is called γ dispersion, which depends on the bound water. What is noticed here is that α dispersion is for proteins and β dispersion is for cell membranes, both of which are directly related to ion channels.

以下に感覚神経組織末端に対して選択的に刺激を生起する機序としてα及びβ分散を具体的に説明する。   Hereinafter, α and β dispersion will be specifically described as a mechanism for selectively causing stimulation to sensory nerve tissue terminals.

(1−1−4−1)α分散(Schwarz-Grosse)
蛋白質などの粒子は負の電荷を持っている。その周囲には対イオンによるイオン雰囲気(厚さおよそ1[nm])が取り巻いている。このイオン雰囲気が加えた電界によって分極することによって誘電分散(α分散)が生ずる(引用文献1:G.Schwarz,“A theory of the low frequency dielectric dispersion of colloidal particles inelectrolyte solution”,J.Phys.Chem.,66,2636(1962)、引用文献2:C.Grosse,K.R.Foster,“Permittivity of a suspension of charged spherical particles inelectrolyte solution”,J.Phys.Chem.,91,3073(1987))。
(1-1-4-1) α dispersion (Schwarz-Grosse)
Particles such as proteins have a negative charge. Surrounding it is an ion atmosphere (thickness of about 1 [nm]) by counter ions. Dielectric dispersion (α dispersion) occurs when this ion atmosphere is polarized by an applied electric field (reference document 1: G. Schwarz, “A theory of the low frequency dielectric dispersion of colloidal particles in electrolyte solution”, J. Phys. Chem. , 66, 2636 (1962), cited reference 2: C. Grosse, KRFoster, “Permittivity of a suspension of charged spherical particles in electrolyte solution”, J. Phys. Chem., 91, 3073 (1987)).

このα分散の追随境界周波数はおよそ100[Hz]である。また、α分散の大きさαΔε、及び、当該α分散の緩和時間ατは、蛋白質などの粒子の半径をaとし、イオンの拡散定数をDとし、粒子の体積分率をγとし、波長をλとすると、次式 The following boundary frequency of this α dispersion is approximately 100 [Hz]. The α dispersion magnitude α Δε and the α dispersion relaxation time α τ are defined as follows: a radius of a particle such as a protein is a, an ion diffusion constant is D, a particle volume fraction is γ, a wavelength Where λ is

Figure 0004399626
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に従って求めることができる。 Can be asked according to.

かかるα分散の具体的メカニズムとしては、神経終端組織のナトリウムチャンネル蛋白を取り巻くイオン雰囲気が印加された準静電界によって分極し、またイオン雰囲気が分極することで感覚神経組織末端の蛋白質自体に分極圧が加わり、これによりイオンチャンネルがオープンしてレセプターポテンシャルが発生し、それが神経細胞膜の脱分極を起こし、神経のアクションポテンシャルが発生することによって、中枢へ感覚刺激が伝わるものと考えられる。   As a specific mechanism of such α dispersion, the ionic atmosphere surrounding the sodium channel protein of the nerve terminal tissue is polarized by the applied quasi-electrostatic field, and the ionic atmosphere is polarized to polarize the protein itself at the sensory nerve tissue terminal. Thus, the ion channel is opened and a receptor potential is generated, which causes depolarization of the nerve cell membrane, and the action potential of the nerve is generated, so that sensory stimulation is transmitted to the center.

(1−1−4−2)β分散(Pauly-Schwan)
α分散の追随境界周波数(約100[Hz])を超えて引き続き周波数を上げていくと、β分散が生ずる(引用文献1:H.Pauly,H.P.Schwan,“Uber die Impedanzeiner Suspension von kugelformigen Teilchenmit einer Schale”,Z.Naturforsch.,14B,125,(1959)、引用文献2:H.P.Schwan,G.Schwarz,JMaczuk,H.Pauly,”On the low frequency dielectricdispersion of colloidal particles in electrolyte solution”,J.Phys.Chem.,66,2626-2636(1962))。
(1-1-4-2) β dispersion (Pauly-Schwan)
When the frequency is continuously increased beyond the following boundary frequency of α dispersion (about 100 [Hz]), β dispersion occurs (reference document 1: H. Pauly, HPSchwan, “Uber die Impedanzeiner Suspension von kugelformigen Teilchenmit einer Schale” , Z. Naturforsch., 14B, 125, (1959), Citation 2: HP Schwan, G. Schwarz, JMaczuk, H. Pauly, “On the low frequency dielectric dispersion of colloidal particles in electrolyte solution”, J. Phys. Chem. 66,2626-2636 (1962)).

このβ分散は生体組織中の細胞の細胞膜の電気容量によるもので、当該追随境界周波数についてはおよそ500[kHz]である。また、β分散の大きさβΔε、及び、当該β分散の緩和時間βτは、生体組織中の細胞の半径をb(およそ10ミクロン)とし、当該細胞における単位面積当りの電気容量をc(およそ1μF/cm2)とすると、次式 This β dispersion is due to the electric capacity of the cell membrane of the cells in the living tissue, and the following boundary frequency is about 500 [kHz]. In addition, the β dispersion magnitude β Δε and the β dispersion relaxation time β τ are defined such that the radius of the cell in the living tissue is b (approximately 10 microns), and the electric capacity per unit area in the cell is cm. (Approx. 1μF / cm 2 )

Figure 0004399626
Figure 0004399626

に従って求めることができる。なお、この(2)式は細胞内液と細胞外液の導電率の平均に関して求めたものであり、粒子の体積分率γは、細胞の組織全体に対する体積分率である。緩和時間βτが細胞内液の抵抗と細胞膜の容量とから決まっているところに特徴がある。 Can be asked according to. This equation (2) is obtained with respect to the average of the electrical conductivity of the intracellular fluid and the extracellular fluid, and the volume fraction γ of the particles is the volume fraction of the whole cell tissue. The relaxation time βτ is characterized in that it is determined from the resistance of the intracellular fluid and the volume of the cell membrane.

かかるβ分散の具体的メカニズムとしては、2つの仮説が考えられ、感覚神経組織末端組織の細胞膜に対する分極作用であり、これによりイオンチャンネルが開くといったもの、あるいは、α分散で特徴付けられるイオンチャンネル蛋白に富む神経終端ではなく、むしろ感覚神経組織末端の近くのイオンチャンネル変化を増幅する機構に細胞膜に対する効果を与えることで作用するといったものである。   As a specific mechanism of such β dispersion, two hypotheses can be considered, which is a polarization action on the cell membrane of the sensory nerve tissue terminal tissue, which opens an ion channel, or an ion channel protein characterized by α dispersion. Rather than the rich nerve endings, rather, it acts on the mechanism that amplifies ion channel changes near the sensory nerve tissue endings by acting on the cell membrane.

(1−1−5)温度感覚の準静電的生起の実験
一般に、温度感覚の特性としては、i)温と冷という独立の2つの受容器系で伝えられている。ii)温度を感じる部位は皮膚に点在。ある点は温のみ(温点warm spot)、他は冷のみ(冷点cold spot)のみを感じる。冷点の数は温点の数よりも多い。iii)電気生理学的に温度の高いときに発火するユニット、及び、温度が低いときに発火するユニットが見いだされる。iv)皮膚に温度刺激を加えたとき、イ)冷線維、ロ)温線維、ハ)痛覚線維の3つの神経線維(ユニット)が働くといったことが知られている。
(1-1-5) Experiment of quasi-electrostatic occurrence of temperature sensation In general, the characteristics of temperature sensation are conveyed by two independent receptor systems, i) temperature and cold. ii) The area where the temperature is felt is scattered on the skin. Some spots feel warm only (hot spot warm spot), others feel cold only (cold spot cold spot). There are more cold spots than hot spots. iii) Units that ignite when electrophysiologically hot and those that ignite when cold are found. iv) It is known that when a temperature stimulus is applied to the skin, three nerve fibers (units) of a) cold fiber, b) warm fiber, and c) pain sensory fiber work.

すなわち図1に示すように、非常に冷たいと痛覚線維(pain fiber)のみ発火し、15℃程で痛覚線維(pain fiber)のインパルスが減り、冷線維(cold fiber)が働き出す。更に25℃以上で冷線維の受容器(cold receptor)が刺激されにくくなり、温線維(warm fiber)が発火する。次に、33℃(32.5〜33.5℃)で冷線維(cold fiber)と温線維(warm fiber)とが同程度発火する特異的な現象が見られる。この場合、温度刺激が皮膚に加えられても、冷覚も温覚が提示されず、このときの温度は無感温度(indifferent temperature)と呼ばれる。   That is, as shown in FIG. 1, when it is very cold, only the pain fiber is ignited, and the impulse of the pain fiber is reduced at about 15 ° C., and the cold fiber is activated. Furthermore, at 25 ° C. or higher, cold fiber receptors are hardly stimulated, and warm fibers are ignited. Next, a specific phenomenon is observed in which cold fibers and warm fibers ignite to the same extent at 33 ° C. (32.5 to 33.5 ° C.). In this case, even if a temperature stimulus is applied to the skin, neither the cold sense nor the warm sense is presented, and the temperature at this time is called an indifferent temperature.

また45℃付近で温線維の受容器(warm receptor)がだんだん刺激されなくなる。同時に冷線維(cold fiber)が再び発火する。45℃以上の高温刺激で冷覚が引き起こされるこの現象は矛盾冷覚(paradoxical cold sensation)と呼ばれる。この際、同時に痛覚線維(pain fiber)も発火するようになる。   In addition, warm fiber receptors are gradually not stimulated at around 45 ° C. At the same time, the cold fiber ignites again. This phenomenon in which cold sensation is caused by a high temperature stimulus of 45 ° C. or higher is called paradoxical cold sensation. At the same time, pain fibers also ignite.

このことをふまえ、電極から数ヘルツから数十ヘルツの準静電界を発生させ、当該電界内に存在する人体に提示される温度感覚の特性について検証した結果を図2に示す。この図2において、数十ヘルツでは温覚は発生しないが5[Hz]を切ると体温に近い温覚が発生し始め、3[Hz]〜4[Hz]付近でピークとなる検証結果が得られた。準静電界の周波数と温線維(warm fiber)のピークインパルス数とがほぼ一致していることが分かる(図中円で示した部分)。   Based on this, a quasi-electrostatic field of several hertz to several tens of hertz is generated from the electrode, and the result of verifying the characteristics of the temperature sensation presented to the human body existing in the electric field is shown in FIG. In FIG. 2, the temperature sensation does not occur at several tens of hertz, but when the frequency falls below 5 [Hz], a temperature sensation close to the body temperature starts to appear, and a verification result is obtained that peaks at around 3 [Hz] to 4 [Hz]. It was. It can be seen that the frequency of the quasi-electrostatic field and the number of peak impulses of the warm fiber are almost the same (the part indicated by a circle in the figure).

これは、先に述べてきたように、印加された低周波の準静電界により、ナトリウムイオンチャンネル蛋白(ロレンチ機能性的なタンパク質(圧電体に類似する電気化学的性質))においてα分散によりイオン雰囲気が分極することで、イオンチャンネルがオープンしてレセプターポテンシャルが発生し、それが神経細胞膜の脱分極を起こして神経のアクションポテンシャルが発生し、この結果、中枢へ感覚刺激が伝わって温度感覚(温覚)が提示されているものと考えられる。   As described above, this is due to the α-dispersion in the sodium ion channel protein (a lentil functional protein (an electrochemical property similar to a piezoelectric material)) due to the applied low-frequency quasi-electrostatic field. When the atmosphere is polarized, an ion channel opens and a receptor potential is generated, which causes a depolarization of the nerve cell membrane and generates a nerve action potential. As a result, a sensory stimulus is transmitted to the center, and a temperature sensation ( It is thought that (warm sense) is presented.

また、感覚神経組織末端が3[Hz]〜4[Hz]の準静電界に共振(順応)して温覚が提示されたことから、図1及び図2に示したことからも分かるように、温覚以外の冷覚や痛覚などについても特定の周波数(冷覚については9[Hz]〜10[Hz]、痛覚については6[Hz]〜7[Hz])の準静電界に共振して同様の機序で提示されるものと考えられ、少なくとも、感覚神経組織末端ではα分散の追随境界周波数(100[Hz])以下の周波数の準静電界に共振して当該周波数に応じた感覚が提示されるものと考えられることが分かる。   In addition, as shown in FIGS. 1 and 2, the sensory nerve tissue ends were resonated (adapted) to a quasi-electrostatic field of 3 [Hz] to 4 [Hz], so that the warm sense was presented. Resonance with a quasi-electrostatic field of a specific frequency (9 [Hz] to 10 [Hz] for cold sensation, 6 [Hz] to 7 [Hz] for pain sensation), etc. It is thought that it is presented by the same mechanism, and at least at the sensory nerve tissue terminal, it resonates with a quasi-electrostatic field having a frequency less than the following boundary frequency (100 [Hz]) of α dispersion and senses corresponding to the frequency. It is understood that is considered to be presented.

以上の考察及び事実を根拠として、生体の感覚神経組織末端が特定の電界感受性を有していることを利用する。すなわち感覚に対応する周波数の準静電界(例えば、温度感覚であれば3〜4[Hz]の準静電界)を感覚神経組織末端に印加すれば、当該印加される準静電界により、実際には無い特定の感覚を提示させることができることとなる。   Based on the above considerations and facts, it is utilized that the sensory nerve tissue terminal of the living body has a specific electric field sensitivity. That is, if a quasi-electrostatic field having a frequency corresponding to the sensation (for example, a quasi-electrostatic field of 3 to 4 [Hz] in the case of temperature sensation) is applied to the sensory nerve tissue end, the applied quasi-electrostatic field actually It will be possible to present a specific feeling that is not.

(1−2)準静電界
かかる準静電界の強度は、電界発生源からの距離の3乗に反比例する。このことは、準静電界が距離に対して高い分解能を有することを意味する。この準静電界の性質を利用して、電界発生源を介して人体の内方に印加される準静電界の到達距離(即ち人体の内方に介在する感覚神経組織末端やその他の神経組織までの深度)を制御することができれば、当該神経組織を対象として選択的に準静電界を印加することができることとなる。ここで、この準静電界における到達距離の制御手法(以下、これを準静電界距離制御手法と呼ぶ)について説明する前に、まず準静電界の性質を説明する。
(1-2) Quasi-electrostatic field The intensity of the quasi-electrostatic field is inversely proportional to the cube of the distance from the electric field generation source. This means that the quasi-electrostatic field has a high resolution with respect to distance. By using this property of the quasi-electrostatic field, the reach distance of the quasi-electrostatic field applied to the inside of the human body via the electric field generation source (that is, to the sensory nerve tissue end and other nerve tissues intervening inside the human body) Can be selectively applied to the neural tissue as a target. Here, before explaining the reach distance control method in the quasi-electrostatic field (hereinafter referred to as quasi-electrostatic field distance control method), the properties of the quasi-electrostatic field will be described first.

(1−2−1)準静電界の性質
電界は、ダイポールアンテナ等の電界発生源からの距離に線形に反比例する放射電界と、電界発生源からの距離の2乗に反比例する誘導電磁界と、電界発生源からの距離の3乗に反比例する準静電界との合成電界として発生している。
(1-2-1) Properties of quasi-electrostatic field An electric field includes a radiated electric field linearly inversely proportional to a distance from an electric field generating source such as a dipole antenna, and an induced electromagnetic field inversely proportional to the square of the distance from the electric field generating source. It is generated as a combined electric field with a quasi-electrostatic field that is inversely proportional to the cube of the distance from the electric field generating source.

これら放射電界、誘導電磁界及び準静電界それぞれの相対的な強度と、距離との関係をグラフ化すると図3に示すような結果となる。但し、図3では、1[MHz]における各電界それぞれの相対的な強度と距離との関係を対数尺度により示している。   When the relationship between the relative intensity of each of the radiation electric field, the induction electromagnetic field, and the quasi-electrostatic field and the distance is graphed, the result shown in FIG. However, in FIG. 3, the relationship between the relative intensity and distance of each electric field at 1 [MHz] is shown on a logarithmic scale.

図3からも明らかなように、放射電界、誘導電磁界及び準静電界それぞれの相対的な強度が等しくなる距離(以下、これを強度境界点と呼ぶ)が存在する。この場合、強度境界点よりも遠方では放射電界が優位(誘導電磁界や準静電界の強度よりも大きい状態)となり、これに対して強度境界点よりも近傍では準静電界が優位(放射電界や誘導電磁界の強度よりも大きい状態)となる。   As is clear from FIG. 3, there is a distance (hereinafter referred to as an intensity boundary point) where the relative strengths of the radiated electric field, the induction electromagnetic field, and the quasi-electrostatic field are equal. In this case, the radiated electric field dominates farther than the intensity boundary point (a state larger than the intensity of the induction electromagnetic field and quasi-electrostatic field), whereas the quasi-electrostatic field dominates near the intensity boundary point (radiated electric field). Or a state where the intensity is greater than the intensity of the induction electromagnetic field.

この強度境界点は、マックスウェルの方程式を電界強度の観点から導いていった場合に、当該距離をr[m]、波数をk[1/m]とすると次式   This intensity boundary point is expressed as follows when Maxwell's equation is derived from the viewpoint of electric field strength and the distance is r [m] and the wave number is k [1 / m].

Figure 0004399626
Figure 0004399626

として表すことができる。 Can be expressed as

そして、(3)式における波数kは、電界の媒質中の伝播速度をv[m/s]とし、周波数をf[Hz]とすると次式   The wave number k in equation (3) is expressed as follows when the propagation velocity of the electric field in the medium is v [m / s] and the frequency is f [Hz].

Figure 0004399626
Figure 0004399626

として表すことができ、また電界の伝播速度vは、光速をc[m/s](c=3×10)とし、媒質の誘電率をεとすると次式 The electric field propagation velocity v can be expressed as follows, where the light velocity is c [m / s] (c = 3 × 10 8 ) and the dielectric constant of the medium is ε.

Figure 0004399626
Figure 0004399626

として表すことができることから、強度境界点は、(3)式に(4)式及び(5)式を代入して整理した次式 Since the intensity boundary point can be expressed as the following equation, the equation (4) and (5) are substituted into equation (3).

Figure 0004399626
Figure 0004399626

として表すことができる。 Can be expressed as

この(6)式からも分かるように、放射電界及び誘導電磁界に比して強度の大きい状態にある準静電界の空間を広くする場合には周波数が密接に関係しており、低い周波数であるほど、放射電界及び誘導電磁界に比して強度の大きい状態にある準静電界の空間が大きくなる(即ち、図3に示した強度境界点までの距離は、周波数が低いほど長くなる(つまり右に移ることになる)。これに対して高い周波数であるほど、放射電界及び誘導電磁界に比して強度の大きい状態にある準静電界の空間が狭くなる(即ち、図3に示した強度境界点までの距離は、周波数が高いほど短くなる(つまり左に移ることになる)。   As can be seen from this equation (6), the frequency is closely related when the space of the quasi-electrostatic field, which has a higher strength than the radiated electric field and the induced electromagnetic field, is closely related. The more the space of the quasi-electrostatic field that is in a stronger state than the radiated electric field and the induction electromagnetic field is larger (that is, the distance to the intensity boundary point shown in FIG. 3 is longer as the frequency is lower ( On the other hand, the higher the frequency, the narrower the space of the quasi-electrostatic field that is stronger than the radiated and induced fields (ie, as shown in FIG. 3). The distance to the intensity boundary point becomes shorter as the frequency becomes higher (that is, it moves to the left).

例えば10[MHz]を選定した場合、人体の比誘電率が一様に50であるものと仮定すると、上述の(6)式により、0.675[m]よりも近傍では準静電界が優位になる。かかる10[MHz]を選定した場合に放射電界、誘導電磁界及び準静電界それぞれの相対的な強度と、距離との関係をグラフ化すると図4に示す結果となる。   For example, when 10 [MHz] is selected, assuming that the relative permittivity of the human body is uniformly 50, the quasi-electrostatic field is dominant near 0.675 [m] according to the above equation (6). become. When such 10 [MHz] is selected, the relationship between the relative intensity of each of the radiated electric field, the induction electromagnetic field, and the quasi-electrostatic field and the distance is graphed, and the result shown in FIG. 4 is obtained.

この図4からも明らかなように、電界発生源からの準静電界の到達距離が0.01[m]であった場合、当該発生源から0.01[m]地点までの準静電界の強度は、誘導電磁界に比しておよそ18.2[dB]大きくなる。従ってこの場合の準静電界は、誘導電磁界及び放射電界の影響がないものとみなすことができる。   As is clear from FIG. 4, when the reach distance of the quasi-electrostatic field from the electric field generation source is 0.01 [m], the quasi-electrostatic field from the generation source to the point of 0.01 [m] The intensity is about 18.2 [dB] larger than the induction electromagnetic field. Therefore, the quasi-electrostatic field in this case can be regarded as having no influence of the induction electromagnetic field and the radiation electric field.

ここで、上述したような準静電界の性質を利用して、例えば図5に示すように、準静電界の到達距離を、0.001[m]間隔で人体の表面から0.01[m]内方にまで制御する準静電界到達距離制御手法について説明する。   Here, using the properties of the quasi-electrostatic field as described above, for example, as shown in FIG. 5, the reach distance of the quasi-electrostatic field is 0.01 [m] from the surface of the human body at intervals of 0.001 [m]. A quasi-electrostatic field reach control method for controlling inward will be described.

(1−2−2)準静電界到達距離制御手法
図5に示したように、人体の表面から最小の到達距離ある0.001[m]に例えば10[MHz]でなる周波数を基準周波数として割り当て、順次0.001[m]ごとに大きい周波数を順次割り当てるようにする。このようにすれば周波数によって準静電界の到達距離を制御することができることとなる。
(1-2-2) Quasi-electrostatic field reach control method As shown in FIG. 5, a frequency of 10 [MHz], for example, is 0.001 [m], which is the minimum reach from the surface of the human body, as a reference frequency. Allocation is performed so that a large frequency is sequentially allocated every 0.001 [m]. In this way, the reach of the quasi-electrostatic field can be controlled by the frequency.

しかしこの場合、高い周波数であるほど準静電界が優位となる空間が狭くなる(即ち、図3に示した強度境界点が左に移ることとなる)ため、高い周波数に対応する到達距離の末端付近では準静電界と誘導電磁界との強度差が18.2[dB]よりも小さくなってしまうことから、人体表面からの深度に応じて強度が不安定となり、ひいては特定の感覚を提示させることができないといった事態が生じることにもなる。   However, in this case, the higher the frequency, the narrower the space in which the quasi-electrostatic field is dominant (that is, the intensity boundary point shown in FIG. 3 moves to the left). In the vicinity, the difference in intensity between the quasi-electrostatic field and the induction electromagnetic field becomes smaller than 18.2 [dB], so that the intensity becomes unstable according to the depth from the human body surface, and thus presents a specific sense. It will also happen that you can't.

この場合に、10[MHz]の周波数に対応する距離(電界発生源から0.001[m])での強度に、10[MHz]以上の各周波数f(r)にそれぞれ対応する強度境界点の強度が一致するように出力を調整すれば、人体に介在する印加対象の深度に応じた強度が一定となり、ひいては特定の感覚を確実に提示させることができることとなる。 In this case, the intensity boundary point corresponding to each frequency f (r) of 10 [MHz] or more to the intensity at a distance (0.001 [m] from the electric field generation source) corresponding to the frequency of 10 [MHz]. If the outputs are adjusted so that they match, the intensity according to the depth of the application target intervening in the human body becomes constant, so that a specific sense can be presented reliably.

すなわち、電界発生源としての電極に正弦波信号を出力し、当該電極から正弦波信号の周波数に応じて振動する準静電界を発生させる場合、かかる出力を調整するための係数(以下、これを出力調整係数と呼ぶ)をA(r)とすると、当該電極から到達距離r[m]での準静電界の強度E(r)は、次式 That is, when a sine wave signal is output to an electrode as an electric field generation source and a quasi-electrostatic field that oscillates according to the frequency of the sine wave signal is generated from the electrode, a coefficient for adjusting the output (hereinafter referred to as this). Assuming that the output adjustment coefficient is A (r) , the quasi-electrostatic field intensity E (r) at the distance r [m] from the electrode is given by

Figure 0004399626
Figure 0004399626

として表すことができる。この(7)式の到達距離rを、強度境界点に関する上述の(6)式に従って変形すると、次式 Can be expressed as When the reach distance r of the equation (7) is transformed in accordance with the above equation (6) regarding the intensity boundary point,

Figure 0004399626
Figure 0004399626

として表すことができる。 Can be expressed as

そして、10[MHz]の周波数に対応する到達距離(電極から0.001[m])での強度に、10[MHz]以上の各周波数f(r)にそれぞれ対応する強度境界点の強度が一致するように、当該周波数f(r)を決めれば良いことから、次式 And the intensity at the reach distance (0.001 [m] from the electrode) corresponding to the frequency of 10 [MHz] is the intensity of the intensity boundary point corresponding to each frequency f (r) of 10 [MHz] or more. Since it is sufficient to determine the frequency f (r) so as to match,

Figure 0004399626
Figure 0004399626

が成り立ち、この(9)式を整理すると、次式 When this equation (9) is rearranged,

Figure 0004399626
Figure 0004399626

となる。この(10)式を用いて、到達距離rに対応する周波数f(r)の正弦波信号を出力する際に調整すべき出力調整係数A(r)を決定することができる。 It becomes. Using this equation (10), it is possible to determine the output adjustment coefficient A (r) to be adjusted when outputting a sine wave signal having a frequency f (r) corresponding to the reach distance r.

また、電界発生用電極から0.001[m]ごとの各到達距離rにそれぞれ対応する各周波数f(r)については、次式 Further, for each frequency f (r) corresponding to each reaching distance r from the electric field generating electrode every 0.001 [m],

Figure 0004399626
Figure 0004399626

と表すことができ、この(11)式の出力係数A(r)を、上述の(10)式に従って変形すると、次式 When the output coefficient A (r) of the equation (11) is modified according to the above equation (10), the following equation is obtained:

Figure 0004399626
Figure 0004399626

となり、この(12)式を整理した次式 Then, the following formula which rearranged this formula (12)

Figure 0004399626
Figure 0004399626

を用いて決定することができる。 Can be determined.

このようして決定された上述の各条件に基づいて発生される準静電界をグラフ化すると図6に示すような結果となる。但し、図6では、見易くするため、0.001[m]ごとの各到達距離すべてではなく所定の到達距離(0.001[m],0.002[m],0.004[m],0.006[m],0.008[m],0.01[m])に対応する準静電界のみを示し、また図6(A)では縦軸(電界強度)を、図6(B)では縦軸(電界強度)及び横軸(距離)を対数尺度により示している。この図6からも明らかなように、準静電界の電界強度を所定の基準である例えば強度境界点に一定にすると、周波数によって、準静電界の強度が優位な状態でその到達距離を選択的に切り換えることができるため、人体に内在する目的の神経組織を適応的に印加対象とすることが可能であることも分かる。   When the quasi-electrostatic field generated based on the above-described conditions determined in this way is graphed, the result shown in FIG. 6 is obtained. However, in FIG. 6, in order to make it easy to see, predetermined reachable distances (0.001 [m], 0.002 [m], 0.004 [m], 0.006 [m], 0.008, not all of the reachable distances every 0.001 [m]). [m], 0.01 [m]) only the quasi-electrostatic field is shown, and in FIG. 6A, the vertical axis (electric field strength) is shown, and in FIG. 6B, the vertical axis (electric field strength) and the horizontal axis ( (Distance) is shown on a logarithmic scale. As is apparent from FIG. 6, when the electric field strength of the quasi-electrostatic field is constant at a predetermined reference, for example, an intensity boundary point, the reach distance is selectively selected depending on the frequency in a state where the strength of the quasi-electrostatic field is dominant. It can also be seen that the target nerve tissue inherent in the human body can be adaptively applied.

なお、電界発生電極から0.001[m]間隔ごとに準静電界を発生する場合(図5)について上述したが、どの程度の間隔ごとに準静電界を発生するか否かについては、実際には人体の表面からいずれの深度に介在する神経組織を対象とするか等を考慮して選定される。この場合、かかる選定結果に基づいて(10)式及び(13)式を導いたうえで、出力調整係数及び周波数がそれぞれ決定される。   Note that the case where the quasi-electrostatic field is generated from the electric field generating electrode at intervals of 0.001 [m] (FIG. 5) has been described above. Is selected in consideration of, for example, the depth of the neural tissue intervening from the surface of the human body. In this case, the output adjustment coefficient and the frequency are determined after deriving the equations (10) and (13) based on the selection result.

(2)感覚刺激装置の構成
図7は、本実施の形態による感覚刺激装置1を示すものである。この感覚刺激装置1は、例えば人体表面の所定位置に非接触状態で配置された1対の電極2a及び2bと、準静電界発生部3と、感覚別神経刺激辞書部4とによって構成される。
(2) Configuration of Sensory Stimulation Device FIG. 7 shows the sensory stimulation device 1 according to the present embodiment. The sensory stimulation device 1 includes, for example, a pair of electrodes 2a and 2b arranged in a non-contact state at a predetermined position on the human body surface, a quasi-electrostatic field generating unit 3, and a sensory-specific nerve stimulation dictionary unit 4. .

感覚別神経刺激辞書部4には、感覚神経末端に対してα分散又はβ分散を発現させるための複数の周波数と、波形状態のパターン(以下、これを神経刺激波形パターンと呼ぶ)とが記憶されている。そしてこれら周波数は、α分散の追随境界周波数(100[Hz])以下でなり、それぞれ感覚に応じて選定され、各神経刺激波形パターンは、感覚に応じた当該周波数の立ち上がり及び立ち下り速度が規定されている。   The sensory nerve stimulation dictionary unit 4 stores a plurality of frequencies for expressing α dispersion or β dispersion for sensory nerve terminals and a waveform state pattern (hereinafter referred to as a nerve stimulation waveform pattern). Has been. These frequencies are equal to or less than the following boundary frequency (100 [Hz]) of α dispersion, and are selected according to the sensation, and each neural stimulation waveform pattern defines the rising and falling speeds of the frequency according to the sensation. Has been.

すなわち、温覚提示用として、3〜4[Hz]の周波数と、その周波数の立ち上がり及び立ち下りが緩やかな神経刺激波形パターン(図1又は図2において25℃〜45℃に係る波形パターン)とが記憶保持され、また冷覚提示用として、9〜10[Hz]の周波数と、周波数の立ち上がり及び立ち下りが温覚の神経刺激波形パターンよりも急峻でなる神経刺激波形パターン(図1又は図2において15℃〜33℃に係る波形パターン)とが記憶保持され、さらに痛覚提示用として、6〜7[Hz]の周波数と、冷覚の神経刺激波形パターンと立ち上がりが同等でなる神経刺激波形パターン(図1又は図2において0℃〜15℃に係る波形パターン)とが記憶保持され、これに加えて冷覚及び痛覚提示用として、数十〜100[Hz]以下の周波数と、提示用のなかで最も立ち上がりが急峻な神経刺激波形パターン(図1又は図2において45℃以降の波形パターン)とが記憶保持されている。   That is, for the presentation of warm sense, a frequency of 3 to 4 [Hz], and a nerve stimulation waveform pattern (waveform pattern related to 25 ° C. to 45 ° C. in FIG. 1 or FIG. 2) with a gradual rise and fall of the frequency Are stored, and for the presentation of cold sensation, the frequency of 9 to 10 [Hz], and the neural stimulation waveform pattern in which the rising and falling of the frequency are steeper than the neural stimulation waveform pattern of warm sense (FIG. 1 or FIG. 2 is stored in memory, and for the presentation of pain sensation, the frequency of 6-7 [Hz] and the neural stimulation waveform with the same rise as the neural stimulation waveform pattern of cold sensation are stored. A pattern (a waveform pattern related to 0 ° C. to 15 ° C. in FIG. 1 or FIG. 2) is stored and held, and in addition to this, a frequency of tens to 100 [Hz] or less is used for presentation of cold sensation and pain sensation, and for presentation The most up to date Steep nerve stimulation waveform pattern and (waveform pattern of 45 ° C. after 1 or 2) is stored and held.

一方、準静電界発生部3は、図7に示したように、複数の周波数にそれぞれ対応する複数の正弦波信号 (以下、これを交番信号と呼ぶ)を電極2a、2bに出力する出力部(以下、これを交番信号出力部と呼ぶ)10と、当該交番信号出力部10の出力を制御する出力調整部11とによって構成される。   On the other hand, as shown in FIG. 7, the quasi-electrostatic field generating unit 3 outputs a plurality of sine wave signals (hereinafter referred to as alternating signals) respectively corresponding to a plurality of frequencies to the electrodes 2a and 2b. (Hereinafter referred to as an alternating signal output unit) 10 and an output adjusting unit 11 that controls the output of the alternating signal output unit 10.

この場合、交番信号出力部10では、かかる各正弦波信号の周波数が、予め上述の(10)式に従ってそれぞれ設定されており、これら周波数と距離との関係として、先の(1−2)において述べた場合と同様に、最小の到達距離に対応させて最小の基準周波数値が設定され、順次所定間隔ごとに長くなるそれぞれの到達距離に対応させて各周波数値が設定されている。また出力調整部11では、上述の(13)式に従って予め算出された各周波数値に対する出力調整係数がテーブル(以下、これを出力調整係数テーブルと呼ぶ)として記憶保持されている。   In this case, in the alternating signal output unit 10, the frequency of each sine wave signal is set in advance according to the above-described equation (10), and the relationship between these frequencies and distances is as described in (1-2) above. Similar to the case described above, the minimum reference frequency value is set in correspondence with the minimum reach distance, and each frequency value is set in correspondence with the reach distances that are sequentially increased at predetermined intervals. Further, the output adjustment unit 11 stores and holds an output adjustment coefficient for each frequency value calculated in advance according to the above equation (13) as a table (hereinafter referred to as an output adjustment coefficient table).

そして準静電界発生部3においては、交番信号出力部10の交番信号から任意の正弦波信号を選択し、当該選択した正弦波信号を、出力調整係数テーブルに基づいて対応する出力調整係数で調整した後、電極2a、2bに出力するようになされている。   In the quasi-electrostatic field generating unit 3, an arbitrary sine wave signal is selected from the alternating signal of the alternating signal output unit 10, and the selected sine wave signal is adjusted with a corresponding output adjustment coefficient based on the output adjustment coefficient table. After that, it outputs to the electrodes 2a and 2b.

従って、準静電界発生部3は、電極2a、2bから発生する準静電界の強度が常に優位な状態で、当該準静電界の到達距離を選択的に切り換えることができるようになされている。この場合、準静電界発生部3は、距離に対して高い分解能を有する準静電界の到達距離を制御することができるため、表在性の感覚神経組織末端であってもその組織末端部分に対して局所的にかつ非接触で感覚刺激することができるようになされている。   Accordingly, the quasi-electrostatic field generating section 3 can selectively switch the reach distance of the quasi-electrostatic field in a state where the strength of the quasi-electrostatic field generated from the electrodes 2a and 2b is always dominant. In this case, since the quasi-electrostatic field generating unit 3 can control the reach distance of the quasi-electrostatic field having a high resolution with respect to the distance, even if it is a superficial sensory nerve tissue terminal, In contrast, sensory stimulation can be performed locally and without contact.

ここで、準静電界発生部3は、複数の周波数及び神経刺激波形パターンの組み合わせのうち任意の周波数及び神経刺激波形パターンの組み合わせからなる準静電界を感覚神経組織末端に印加するようになされており、この印加手法例としては例えば第1及び第2の印加手法を挙げることができる。   Here, the quasi-electrostatic field generating unit 3 applies a quasi-electrostatic field composed of a combination of an arbitrary frequency and a nerve stimulation waveform pattern among a plurality of combinations of frequencies and nerve stimulation waveform patterns to the sensory nerve tissue terminal. Examples of the application method include first and second application methods.

(2−1)第1の印加手法
まず、第1の手法について説明する。この第1の手法としては、希望する感覚に対応する周波数の準静電界を印加する際に、当該周波数の準静電界に対応する到達距離内に印加対象が含まれるように一方の電極2aのみを配置し、この状態において準静電界発生部3の操作部(図示せず)から希望する周波数及び神経刺激波形パターンを決定する所定の操作を行う。
(2-1) First Application Method First, the first method will be described. In this first method, when a quasi-electrostatic field having a frequency corresponding to a desired sense is applied, only one electrode 2a is included so that the application target is included within the reach distance corresponding to the quasi-electrostatic field having the frequency. In this state, a predetermined operation for determining a desired frequency and nerve stimulation waveform pattern is performed from an operation unit (not shown) of the quasi-electrostatic field generating unit 3.

この場合、準静電界発生部3は、このとき選定された例えば温覚の周波数に対応する到達距離(図中の破線範囲)において、放射電界及び誘導電磁界に比して大きい強度の準静電界を神経刺激波形パターンとなるように印加する。   In this case, the quasi-electrostatic field generating unit 3 has a quasi-electrostatic field having a strength greater than that of the radiated electric field and the induction electromagnetic field at the reach distance corresponding to the frequency of the temperature sense selected at this time (the broken line range in the figure). An electric field is applied so as to have a neural stimulation waveform pattern.

すなわち準静電界発生部3は、温覚の周波数及び神経刺激波形パターンを感覚別神経刺激辞書部4のなかから選択し、これをパターンデータとして交番信号出力部10及び出力調整部11に送出する。   That is, the quasi-electrostatic field generating unit 3 selects the frequency of the sensation and the neural stimulation waveform pattern from the sensory-specific neural stimulation dictionary unit 4 and sends this as pattern data to the alternating signal output unit 10 and the output adjustment unit 11. .

交番信号出力部10は、このパターンデータに基づいて、交番信号から対応する周波数の正弦波信号を選択し、この正弦波信号を神経刺激波形パターンに対応するパターン信号として生成し、これを電極2aに出力する。   The alternating signal output unit 10 selects a sine wave signal having a corresponding frequency from the alternating signal based on the pattern data, generates the sine wave signal as a pattern signal corresponding to the neural stimulation waveform pattern, and generates this as the electrode 2a. Output to.

このとき出力調整部11は、出力調整係数テーブルに基づいて、パターンデータの周波数に対応する出力調整係数でパターン信号の出力を調整するようになされている。   At this time, the output adjustment unit 11 adjusts the output of the pattern signal with the output adjustment coefficient corresponding to the frequency of the pattern data based on the output adjustment coefficient table.

この場合、電極2aからパターン信号の周波数(3〜4[Hz])及び波形パターンに応じて振動する準静電界が、放射電界及び誘導電磁界に比して大きい強度で発生し、当該準静電界にかかる人体の腕に表在する感覚神経組織末端に印加する。この感覚神経組織末端では、脱分極を起こして神経のアクションポテンシャルが発生することとなり、この結果、中枢へ感覚刺激が伝わって温度感覚(温覚)が提示されることとなる。   In this case, a quasi-electrostatic field that vibrates in accordance with the frequency (3 to 4 [Hz]) of the pattern signal and the waveform pattern is generated from the electrode 2a with a greater intensity than the radiated electric field and the induction electromagnetic field, and the quasi-static The sensory nerve tissue is applied to the terminal of the sensory nerve tissue that is exposed on the human arm subjected to the electric field. At the sensory nerve tissue end, depolarization occurs and a nerve action potential is generated. As a result, a sensory stimulus is transmitted to the center and a temperature sensation (warmth) is presented.

(2−2)第2の印加手法
次に、第2の手法について説明する。この第2の手法としては、例えば図9に示すように、2つの電極2a、2bを任意に配置し、この状態において準静電界発生部3の操作部(図示せず)から希望する感覚の周波数及び神経刺激波形パターンを決定するとともに、例えば図9に示すように、電極2aから印加対象Pまでの第1の距離DIS1と、電極2bから印加対象Pまでの第2の距離DIS2とを入力する所定の操作(以下、これを感覚刺激入力操作と呼ぶ)を行う。
(2-2) Second Application Method Next, the second method will be described. As this second method, for example, as shown in FIG. 9, two electrodes 2a and 2b are arbitrarily arranged, and in this state, a desired sensation can be obtained from the operation unit (not shown) of the quasi-electrostatic field generating unit 3. While determining the frequency and the nerve stimulation waveform pattern, for example, as shown in FIG. 9, a first distance DIS1 from the electrode 2a to the application target P and a second distance DIS2 from the electrode 2b to the application target P are input. A predetermined operation (hereinafter referred to as sensory stimulus input operation) is performed.

この場合、準静電界発生部3は、印加対象Pを含む到達距離(図中の破線範囲)であり、かつ、印加対象Pでの干渉結果が、このとき選定された例えば温覚の神経刺激波形パターンよりも立ち上がりの急峻な周波数(9〜10[Hz])でなる冷覚の神経刺激波形パターン(図1又は図2において15℃〜33℃に係る波形パターン)となるように電極2a及び電極2bの双方から準静電界を印加する。   In this case, the quasi-electrostatic field generating unit 3 is the reach distance (the broken line range in the figure) including the application target P, and the interference result at the application target P is selected at this time, for example, the nerve stimulation of warm sense The electrode 2a and the electrode 2a so as to be a cold nerve stimulation waveform pattern (waveform pattern related to 15 ° C. to 33 ° C. in FIG. 1 or FIG. 2) having a steep rising frequency (9 to 10 [Hz]) than the waveform pattern. A quasi-electrostatic field is applied from both electrodes 2b.

すなわち準静電界発生部3は、冷覚の周波数及び神経刺激波形パターンを感覚別神経刺激辞書部4のなかから選択し、これをパターンデータとして交番信号出力部10に送出するとともに、感覚刺激入力操作により入力された第1の距離DIS1及び第2の距離DIS2を距離データとして交番信号出力部10に送出する。   That is, the quasi-electrostatic field generating unit 3 selects a cold sense frequency and neural stimulation waveform pattern from the sensory-specific neural stimulation dictionary unit 4, sends this as pattern data to the alternating signal output unit 10, and inputs sensory stimulation. The first distance DIS1 and the second distance DIS2 input by the operation are sent to the alternating signal output unit 10 as distance data.

交番信号出力部10は、電極2aに与える正弦波信号として、距離データにおける第1の距離DIS1よりも長い到達距離に対応する周波数の正弦波信号を決定する。   The alternating signal output unit 10 determines a sine wave signal having a frequency corresponding to an arrival distance longer than the first distance DIS1 in the distance data as a sine wave signal to be given to the electrode 2a.

そして交番信号出力部10は、このとき決定した正弦波信号の周波数をf1とし、パターンデータにおける周波数(冷覚の周波数)をfbeatとすると、次式 Then, the alternating signal output unit 10 assumes that the frequency of the sine wave signal determined at this time is f 1 and the frequency in the pattern data (cool sense frequency) is f beat ,

Figure 0004399626
Figure 0004399626

に従って、周波数f1と周波数fとの差分が周波数をfbeatとなるような周波数fを算出する。 Accordingly, the frequency f 2 is calculated such that the difference between the frequency f 1 and the frequency f 2 becomes the frequency f beat .

ここで、交番信号出力部10は、このとき算出した周波数fに対応する到達距離が距離データにおける第2の距離DIS2未満であった場合には、先に決定した電極2aに与える周波数fの正弦波信号を再決定した後、再度(14)式に従って周波数fの正弦波信号を再算出する。 Here, the alternating signal output unit 10, when reaching a distance corresponding to a frequency f 2 which is calculated this time was a less than two distance DIS2 at the distance data, the frequency f 1 to be supplied to the electrodes 2a previously determined after re-determine the sine wave signal, to re-calculate a sinusoidal signal of frequency f 2 in accordance with again (14).

これに対して交番信号出力部10は、周波数fに対応する到達距離が距離データの第2の距離DIS2以上であった場合には、このとき算出した周波数fの正弦波信号を電極2bに与える正弦波信号として決定する。 Alternating signal output unit 10 on the other hand, the second when the a distance DIS2 above, the frequency f 2, which is calculated this time sinusoidal signal electrode 2b of the reaching distance is distance data corresponding to the frequency f 2 Is determined as a sine wave signal to be given to

このようにして決定された周波数f1及び周波数fに対応する到達距離は、ともに、電極2a、2bから印加対象Pまでの距離DIS1、DIS2を含む距離となっており、またこれら周波数f1及び周波数fの差分はパターンデータにおける周波数(冷覚の周波数)fbeatとなる関係にある。 The reach distances corresponding to the frequency f 1 and the frequency f 2 determined in this way are both distances including the distances DIS1 and DIS2 from the electrodes 2a and 2b to the application target P, and these frequencies f 1 and the difference between the frequency f 2 are in a relation of frequency (frequency of the cold sensation) f beat in the pattern data.

そして交番信号出力部10は、かかる周波数f1及び周波数fを周波数決定データとして出力調整部11に送出するとともに、当該周波数f1及び周波数fの各正弦波信号を、神経刺激波形パターンの立ち上がりに対応するパターン信号としてそれぞれ生成し、これを対応する電極2a、2bに出力する。 Then, the alternating signal output unit 10 sends the frequency f 1 and the frequency f 2 to the output adjustment unit 11 as frequency determination data, and outputs each sine wave signal of the frequency f 1 and the frequency f 2 to the nerve stimulation waveform pattern. It generates as a pattern signal corresponding to the rising, and outputs it to the corresponding electrodes 2a, 2b.

このとき出力調整部11は、出力調整係数テーブルに基づいて、周波数決定データの周波数に対応する出力調整係数で該当する各正弦波信号の出力を調整するようになされている。   At this time, the output adjustment unit 11 adjusts the output of each corresponding sine wave signal with the output adjustment coefficient corresponding to the frequency of the frequency determination data based on the output adjustment coefficient table.

この場合、例えば図10に示すように、一方の電極2aからは100[Hz]の周波数に応じて振動する準静電界が放射電界及び誘導電磁界に比して優位な状態で印加対象P(図9)を含むようにして発生し、他方の電極2bからは110[Hz]の周波数に応じて振動する準静電界が放射電界及び誘導電磁界に比して優位な状態で印加対象P(図9)を含むようにして発生する。   In this case, for example, as shown in FIG. 10, the quasi-electrostatic field oscillating according to the frequency of 100 [Hz] is applied from one electrode 2a in a state superior to the radiated electric field and the induced electromagnetic field. The quasi-electrostatic field generated from the other electrode 2b and oscillating in accordance with the frequency of 110 [Hz] is superior to the radiated electric field and the induced electromagnetic field. ).

そして印加対象Pでは、100[Hz]の周波数と110[Hz]の周波数とが干渉しており、この干渉結果として、図10(C)に示すように、およそ、10[Hz]の(110[Hz]−100[Hz])の周波数でなる冷覚の神経刺激波形パターンに応じた準静電界が印加されている状態となっているため、当該印加対象P近傍の感覚神経組織末端では、脱分極を起こして神経のアクションポテンシャルが発生することとなり、この結果、中枢へ感覚刺激が伝わって冷覚が提示されることとなる。   In the application target P, the frequency of 100 [Hz] and the frequency of 110 [Hz] interfere with each other. As a result of this interference, as shown in FIG. Since the quasi-electrostatic field corresponding to the neural stimulation waveform pattern of cold sensation having a frequency of [Hz] -100 [Hz]) is applied, at the sensory nerve tissue end near the application target P, As a result, depolarization occurs and a nerve action potential is generated. As a result, a sensory stimulus is transmitted to the center and a cold sensation is presented.

このようにかかる第2の手法では、互いに異なる周波数からなる2種類の信号を、当該周波数に対応する準静電界の到達距離が感覚神経組織末端を含み、かつ、各周波数の差が感覚に対応する周波数となるように生成し、これらを電電極2a、2bに出力することにより、第1の手法に比して消費電力が大きく、また電極2bを用いる分だけ簡易ではないものの、準静電界の到達距離を制御できるため、人体内方の深度にかかわらず感覚神経組織末端を対象として準静電界を印加することができる。よって、第1の手法に比して、印加対象となる感覚神経組織末端に対する電極2a、2bの配置位置を強要しなくとも確実に感覚神経組織末端に準静電界を印加することができるといった利点、人体に準静電界を印加するまでの拘束性を低減してより簡易に感覚を提示させることができるといった利点がある。   As described above, in the second method, two types of signals having different frequencies are used, the reach of the quasi-electrostatic field corresponding to the frequency includes the sensory nerve tissue end, and the difference between the frequencies corresponds to the sense. Are generated so as to have the same frequency, and these are output to the electric electrodes 2a and 2b, so that the power consumption is larger than that of the first method and the quasi-electrostatic field is not as simple as the electrode 2b is used. Therefore, the quasi-electrostatic field can be applied to the sensory nerve tissue end regardless of the depth inside the human body. Therefore, as compared with the first method, an advantage is that the quasi-electrostatic field can be reliably applied to the sensory nerve tissue terminal without forcing the arrangement position of the electrodes 2a and 2b with respect to the sensory nerve tissue terminal to be applied. There is an advantage that a sense can be presented more easily by reducing the restraint until the quasi-electrostatic field is applied to the human body.

このようにして準静電界発生部3は、第1又は第2の手法によって操作部(図示せず)を介して選択された神経刺激波形パターンに応じた準静電界が感覚神経組織末端において印加されるように制御することにより、感覚神経組織末端に対して局所的にかつ非侵襲で電気刺激を与え、この結果、現実にはない感覚を提示させることができるようになされている。   In this way, the quasi-electrostatic field generating unit 3 applies a quasi-electrostatic field corresponding to the nerve stimulation waveform pattern selected by the first or second method via the operation unit (not shown) at the sensory nerve tissue terminal. By controlling as described above, electrical stimulation is applied locally and non-invasively to the sensory nerve tissue end, and as a result, an unrealistic sensation can be presented.

(3)本実施の形態による動作及び効果
以上の構成において、感覚刺激装置1は、生体の感覚神経組織末端に対して100[Hz]以下の電界を印加する。
(3) Operation and effect according to the present embodiment In the above configuration, the sensory stimulation device 1 applies an electric field of 100 [Hz] or less to the terminal of the sensory nerve tissue of the living body.

従って、この感覚刺激装置1では、感覚神経組織末端に対して極めて小電流で、かつ、磁場発生用のコイルを要することなく電界を感覚神経組織末端に印加することができるため、低消費電力化及び小型化を実現することができ、またこの場合、表在性の感覚神経組織末端が共振する周波数を印加しているため、磁場に比して効率よく感覚を提示させることもできる。   Therefore, in this sensory stimulation device 1, since the electric field can be applied to the sensory nerve tissue terminal with an extremely small current with respect to the sensory nerve tissue terminal without requiring a coil for generating a magnetic field, the power consumption can be reduced. In this case, since the frequency at which the superficial sensory nerve tissue ends resonate is applied, the sensation can be presented more efficiently than the magnetic field.

またこの場合、感覚刺激装置1は、感覚に応じた複数の周波数のうちから任意の周波数を選択し、当該選択した周波数に対応する信号をパターン信号として生成する。   In this case, the sensory stimulation device 1 selects an arbitrary frequency from a plurality of frequencies corresponding to the sense, and generates a signal corresponding to the selected frequency as a pattern signal.

従って、この感覚刺激装置1では、ユーザの意図に応じて、準静電界の印加対象となる人体に対して実際には無い特定の感覚を提示させることができる。   Therefore, the sensory stimulation device 1 can present a specific sensation that does not actually exist to the human body to which the quasi-electrostatic field is applied according to the user's intention.

さらにこの場合、感覚刺激装置1は、感覚に応じた周波数のみならず、当該周波数の立ち上がり等までをも考慮してパターン信号を生成することにより、より確実に感覚を提示させることができる。 Furthermore, in this case, the sensory stimulation device 1 can present the sense more reliably by generating the pattern signal in consideration of not only the frequency corresponding to the sense but also the rise of the frequency.

以上の構成によれば、生体表皮から所定の深部に有する神経終端部分だけに非接触で感覚刺激すると共に、8の字型コイルに大電流を流す従来の方式に比して微弱な準静電界成分を用いているため低消費電力化を図ることができるため、従来に比してより簡易に感覚を刺激することができ、かくして有用性の高くすることができる。   According to the above configuration, the quasi-electrostatic field is weaker than that of the conventional method in which a sensory stimulation is performed in a non-contact manner only on the nerve terminal portion at a predetermined depth from the living body epidermis and a large current is passed through the 8-shaped coil. Since the components are used, the power consumption can be reduced, so that the sense can be stimulated more easily than in the past, and thus the usefulness can be increased.

(4)他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、人体内方に有する感覚神経組織末端に印加するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は、電界感受性の感覚神経組織末端を有する魚類、両生類、爬虫類、鳥類又は哺乳類等、この他種々の生体内方に有する感覚神経組織末端に印加するようにしても良い。
(4) Other Embodiments In the above-described embodiment, the case where the sensor is applied to the sensory nerve tissue end in the human body has been described. However, the present invention is not limited to this, and the main point is the electric field. You may make it apply to the sensory nerve tissue terminal which has various other in-vivo insides, such as fish, an amphibian, a reptile, a bird, or a mammal which has a sensitive sensory nerve tissue terminal.

またこの場合、準静電界を感覚神経組織末端に印加するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、放射電界及び誘導電磁界における磁界成分ではなく電界成分を用いることを目的として、当該放射電界及び誘導電磁界を感覚神経組織末端に印加するようにしても良い。この場合、放射電界及び誘導電磁界は、振動に応じて純粋な電界として発生する準静電界に比して、電界と磁界とによる渦電流の2つの異なる効果が個別の組織の誘電率や導電率などに応じて複雑に相互作用してしまうため、的確に感覚を提示させる際の効率は準静電界に比して低減するものの可能である。   In this case, the case where the quasi-electrostatic field is applied to the sensory nerve tissue terminal has been described. However, the present invention is not limited to this, and the object is to use the electric field component instead of the magnetic field component in the radiated electric field and the induction electromagnetic field. The radiation electric field and the induction electromagnetic field may be applied to the sensory nerve tissue terminal. In this case, compared to the quasi-electrostatic field generated as a pure electric field in response to vibration, the radiated electric field and the induction electromagnetic field have two different effects of the eddy current due to the electric field and the magnetic field, and the dielectric constant and conductivity of individual tissues. Since the interaction is complicated depending on the rate or the like, it is possible to reduce the efficiency when accurately presenting the sensation compared to the quasi-electrostatic field.

また上述の実施の形態においては、電界発生手段(電界発生源)として1対の電極2a、2bを適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに加えて、準静電界の指向性を例えば線状に制限する指向性制限シールドを当該電極2a、2bに設けるようにしても良い。このようにすれば、感覚神経組織末端にピンポイントで準静電界を印加することができるため、個々の神経ではなくその集合に対して並列で刺激を加えることを回避できることから、感覚刺激の分解能も高めることもでき、この結果、より効率的に感覚を提示させてより有用性を高めることができる。   Further, in the above-described embodiment, the case where the pair of electrodes 2a and 2b are applied as the electric field generating means (electric field generating source) has been described. For example, a directivity limiting shield that limits the property to a linear shape may be provided on the electrodes 2a and 2b. In this way, since the quasi-electrostatic field can be applied pinpoint to the sensory nerve tissue terminal, it is possible to avoid applying stimuli in parallel to the set rather than to individual nerves. As a result, the sense can be presented more efficiently and the usefulness can be enhanced.

さらに上述の実施の形態においては、生体に所定の感覚を生じさせるための信号を選択手段として、生体に所定の感覚を生じさせるための周波数及び波形パターンからなる信号を選択するようにした場合について述べたが、本発明は必ずしも双方の選択を要せず、少なくとも生体に所定の感覚を生じさせるための周波数からなる信号を選択すれば良い。この場合でも上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。   Furthermore, in the above-described embodiment, a signal for generating a predetermined sensation in the living body is used as a selection means, and a signal having a frequency and a waveform pattern for causing the living body to generate a predetermined sensation is selected. As described above, the present invention does not necessarily require selection of both, and it is sufficient to select a signal having a frequency for causing a living body to have a predetermined sensation. Even in this case, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

さらに上述の実施の形態においては、選択された信号に応じた電界を感覚神経末端に対して印加する電界印加手段として、(11)式に従って予め算出された各周波数値と出力調整係数との関係をテーブルとして記憶保持し、このテーブルに基づいて当該信号の出力を調整する出力調整部11を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、(11)式に従ってその都度算出するようにしても良く、また(11)式以外の算出手法により出力調整係数を算出するようにしても良い。   Furthermore, in the above-described embodiment, as an electric field applying means for applying an electric field corresponding to the selected signal to the sensory nerve terminal, the relationship between each frequency value calculated in advance according to the equation (11) and the output adjustment coefficient Is stored and held as a table, and the output adjustment unit 11 that adjusts the output of the signal based on this table is applied. However, the present invention is not limited to this, and each time according to the equation (11) The output adjustment coefficient may be calculated by a calculation method other than the expression (11).

さらに上述の実施の形態においては、感覚刺激入力操作により電極2aから印加対象Pまでの第1の距離DIS1(図9)及び電極2bから印加対象Pまでの第2の距離DIS2(図9)を予め入力させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、当該距離を入力させずに、印加対象Pを自動的に探索するようにしても良い。   Furthermore, in the above-described embodiment, the first distance DIS1 (FIG. 9) from the electrode 2a to the application target P and the second distance DIS2 (FIG. 9) from the electrode 2b to the application target P are set by the sensory stimulus input operation. Although the case where it was made to input beforehand was described, this invention is not restricted to this, You may make it search the application target P automatically, without inputting the said distance.

具体的には、例えば電界発生用の電極2a、2b近傍に、当該電極2a、2bから発生される準静電界を検出する1対の検出電極を設けるとともに、当該検出電極の検出結果からインピーダンスの変化を計測する計測部を準静電界発生部3に設けるようにする。   Specifically, for example, a pair of detection electrodes for detecting a quasi-electrostatic field generated from the electrodes 2a and 2b are provided in the vicinity of the electrodes 2a and 2b for electric field generation. A measuring unit for measuring the change is provided in the quasi-electrostatic field generating unit 3.

そして準静電界発生部3は、出力調整部10及び出力調整部11により、最小の到達距離に対応する周波数の正弦波信号から、順次大きな到達距離に対応する周波数の正弦波信号を所定周期で生成し、出力調整した後に電極2a、2bに与えるようにして、当該電極2a、2bから発生する準静電界の到達距離を所定周期で順次大きくなるように切り替えていく。その一方で、準静電界発生部3は、かかる計測部により計測されるインピーダンスの変化に基づいて、電極2a、2bから発生される準静電界の干渉状態を検出し、当該検出時点で、準静電界の到達距離の切り替えを停止させるようにする。このようにすれば、感覚刺激入力操作により電極2aから印加対象Pまでの第1の距離DIS1(図9)及び電極2bから印加対象Pまでの第2の距離DIS2(図9)を予め入力させることなく、自動的に印加対象Pに電気刺激を与えて感覚を提示させることができる。   Then, the quasi-electrostatic field generating unit 3 causes the output adjusting unit 10 and the output adjusting unit 11 to sequentially generate a sine wave signal having a frequency corresponding to a minimum reach distance from a sine wave signal corresponding to a minimum reach distance in a predetermined cycle. After generating and adjusting the output, it is applied to the electrodes 2a and 2b, so that the reach distance of the quasi-electrostatic field generated from the electrodes 2a and 2b is sequentially increased in a predetermined cycle. On the other hand, the quasi-electrostatic field generation unit 3 detects the interference state of the quasi-electrostatic fields generated from the electrodes 2a and 2b based on the change in impedance measured by the measurement unit, and at the detection time, Stop the switching of the reach of the electrostatic field. In this way, the first distance DIS1 (FIG. 9) from the electrode 2a to the application target P and the second distance DIS2 (FIG. 9) from the electrode 2b to the application target P are input in advance by a sensory stimulus input operation. Without any problem, it is possible to automatically apply an electrical stimulus to the application target P to present a sense.

さらに上述の実施の形態においては、感覚刺激装置1の内部に準静電界発生部3を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、当該準静電界発生部3を別体(電界発生装置)として設けるようにしても良い。   Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the quasi-electrostatic field generating unit 3 is provided inside the sensory stimulation device 1 has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the quasi-electrostatic field generating unit 3 is separately provided. You may make it provide as a body (electric field generator).

本発明は、例えばバーチャルリアリティ分野や医療分野等、生体の感覚神経組織を刺激する場合に利用可能である。   The present invention can be used when stimulating a sensory nerve tissue of a living body, for example, in the virtual reality field or the medical field.

3つの神経線維の発火頻度と温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the firing frequency of three nerve fibers, and temperature. 実験による検証を示すグラフである。It is a graph which shows verification by experiment. 距離に応じた各電界の相対的な強度変化(1[MHz])を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the relative intensity | strength change (1 [MHz]) of each electric field according to distance. 距離に応じた各電界の相対的な強度変化(10[MHz])を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the relative intensity | strength change (10 [MHz]) of each electric field according to distance. 準静電界到達距離制御手法の説明に供する略線図である。It is a basic diagram with which it uses for description of a quasi-electrostatic field reach distance control method. 準静電界到達距離制御手法により得られる各準静電界を示すグラフである。It is a graph which shows each quasi-electrostatic field obtained by the quasi-electrostatic field reach control method. 感覚刺激装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a sensory stimulation apparatus. 準静電界印加の様子(1)を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the mode (1) of a quasi-electrostatic field application. 準静電界印加の様子(2)を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the mode (2) of a quasi-electrostatic field application. 触感覚の神経刺激波形パターンの生成の説明に供する波形図である。It is a wave form diagram with which the production | generation of the nerve stimulation waveform pattern of a tactile sensation is provided.

符号の説明Explanation of symbols

1……感覚刺激装置、2a、2b……電極、3……準静電界発生部、4……感覚別神経刺激辞書部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensory stimulation apparatus, 2a, 2b ... Electrode, 3 ... Quasi-electrostatic field generation | occurrence | production part, 4 ... Sensory-specific nerve stimulation dictionary part.

Claims (6)

電界発生源とされ、生体に非接触で近接される電極と、
上記生体に生じさせるべき感覚に割り当てられる複数の周波数のうち、指定された周波数の信号を選択する選択手段と、
上記選択手段により選択された信号を上記電極に印加し、上記生体における感覚神経末端に対して、放射電界及び誘導電磁界に比して大きい強度の準静電界を印加する電界印加手段と
を具えることを特徴とする感覚刺激装置。
An electrode that is an electric field generation source and is in close contact with a living body;
Among a plurality of frequencies assigned to sense to cause to the biological, selection means for selecting a signal of a specified frequency,
The signal selected by the selection means is applied to the electrode, with respect to sensory nerve endings in the biological, the electric field applying means for applying the quasi-electrostatic field of high intensity than the radiation field and the induction field A sensory stimulation device characterized by comprising.
上記電界印加手段は、The electric field applying means is
上記複数の周波数のうち、基準とすべき周波数以外の準静電界の強度が、該基準とすべき周波数の準静電界の強度となるよう上記信号の出力を調整するOf the plurality of frequencies, the output of the signal is adjusted so that the quasi-electrostatic field strength other than the reference frequency becomes the quasi-electrostatic field strength of the reference frequency.
請求項1に記載の感覚刺激装置。The sensory stimulation device according to claim 1.
上記信号は、上記周波数が高いほど、ピークまでの立ち上がり速度が速い波形パターンでなるThe signal has a waveform pattern that rises faster to the peak as the frequency is higher.
請求項1に記載の感覚刺激装置。The sensory stimulation device according to claim 1.
上記複数の周波数、100[Hz]以下でなる
求項に記載の感覚刺激装置。
The plurality of frequencies is 100 [Hz] or less .
Sensory stimulation device according to Motomeko 1.
上記選択手段は、
に割り当てられる3[Hz]〜4[Hz]の信号を選択する
求項に記載の感覚刺激装置。
The selection means is:
Select a signal of 3 [Hz] to 4 [Hz] that is assigned to the sense of warmth
Sensory stimulation device according to Motomeko 1.
上記選択手段は、
選択対象とすべき複数の信号における周波数差が上記感覚に割り当てられる周波数となり、かつ、該複数の信号に応じたそれぞれの準静電界の到達距離が所定距離以上となるよう、該複数の信号を選択し、
上記電界印加手段は、
上記選択手段により選択された複数の信号に応じたそれぞれの準静電界を異なる方向から上記感覚神経末端に対して印加する
求項に記載の感覚刺激装置。
The selection means is:
The frequency difference in a plurality of signals to be a selection target is a frequency assigned to the sense and to reach the respective quasi-electrostatic field according to the plurality of signal is a predetermined distance or more, the plurality of Select the signal
The electric field applying means is
Be applied to the sensory nerve endings of each of the quasi-electrostatic field according to a plurality of No. signals selected by said selecting means from different directions
Sensory stimulation device according to Motomeko 1.
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