JP5569890B2 - 刺激信号生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、歩行運動や手指運動を補助の補助に利用する刺激信号を生成する刺激信号生成装置に関する。

脳神経の麻痺や感覚運動系の疾患による麻痺は、人の基本的生活手段を奪い、日常生活の利便性を大きく減退させる。このような肢体不自由者は年々増加している。近年では、このような肢体不自由者の歩行等の身体運動を補助する様々な技術が研究されている。

身体運動の補助には、実際に運動する際に補助するものや、運動を容易にするためのトレーニングに利用されるものがある（例えば、特許文献１参照）。例えば、（１）機械的外力を利用する方法、（２）侵襲的電気刺激を利用する方法、（３）非侵襲的電気刺激方法があり、現在は、機械的外力を利用する方法が主流である。

電気刺激を利用する方法も有用ではあるが、（ｉ）慣れにより長時間の効果は得られない、（ｉｉ）痛みを伴うことがある、（ｉｉｉ）外側から筋肉に直接刺激を与える逆リクルーメントであるため、筋肉の疲労により長時間の効果は得られない、（ｉｖ）刺激により、痙攣が発生しやすい等の問題があるため、多用されていない。

特開２００８−６７９１７号公報

Ａｌｅｊａｎｄｒｏ Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ Ａｒｉｅｔａ，Ｒｙｕ Ｋａｔｏ，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｙｏｋｏｉ，Ｔａｋａｓｈｉ Ｏｈｎｉｓｈｉ，Ｔａｍｉｏ Ａｒａｉ：Ａｎ ｆＭＲＩ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｓ Ｂｉｏｆｅｅｄｂａｃｋ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００６ ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＲＯＳ２００６），ｐｐ４３３６−４３４２，２００６

上記課題に鑑み、本発明は、運動補助の効果が長期間持続し、痛みや痙攣を伴うことのない刺激信号を生成する刺激信号生成装置を提供する。

本発明の特徴に係る刺激信号生成装置は、人体の脳の賦活に関するデータを取得する脳賦活データ取得部と、予め定められた刺激パラメータ、又は前記脳賦活データ取得部が取得したデータから求められた刺激パラメータに基づいて、人体の関節を動作させるために賦活する脳の特定部位と対応する神経に当該特定部位を賦活させるために与える刺激信号を生成する生成部と、前記生成部で生成された刺激信号を出力する出力部とを備える。

本発明によれば、運動補助の効果が長時間持続し、痛みや痙攣を伴うことのない刺激信号を生成することができる。

第１実施形態に係る刺激信号生成装置の構成を説明するブロック図である。 図１の刺激信号生成装置で利用する前処理用データの一例を説明する図である。 図１の刺激信号生成装置における信号の重畳について説明する図である。 図１の刺激信号生成装置における信号の出力について説明する図である。 図１の刺激信号生成装置で利用する画像データの一例を説明する図である。 図１の刺激信号生成装置における前処理を説明するフローチャートである。 図１の刺激信号生成装置における補助処理を説明するフローチャートである。 変形例に係る刺激信号生成装置の構成を説明するブロック図である。 図８の刺激信号生成装置で利用する賦活データの一例を説明する図である。 図８の刺激信号生成装置における前処理を説明するフローチャートである。 図８の刺激信号生成装置における補助処理を説明するフローチャートである。 第２実施形態に係る刺激信号生成装置の構成を説明するブロック図である。 図１２の刺激信号生成装置で利用する前処理用データの一例である。 図１２の刺激信号生成装置における信号の出力について説明する図である。 図１２の刺激信号生成装置で利用する画像データの一例を説明する図である。 図１２の刺激信号生成装置における前処理を説明するフローチャートである。 図１２の刺激信号生成装置における補助処理を説明するフローチャートである。 第３実施形態に係る刺激信号生成装置の構成を説明するブロック図である。 図１８の刺激信号生成装置で利用する前処理用データ及び賦活データの一例である。 図１８の刺激信号生成装置における前処理を説明するフローチャートである。 図１８の刺激信号生成装置における補助処理を説明するフローチャートである。

以下に、図面を用いて本発明の実施形態に係る刺激信号生成装置について説明する。本発明の実施形態に係る刺激信号生成装置は、ユーザの運動の補助に利用する刺激信号を生成する装置である。例えば、ユーザが脳神経の麻痺や感覚運動系の疾患による麻痺等、中枢神経系の損傷による上位運動ニューロン障害があり、日常生活で必要な動作が困難であるとき、この刺激信号生成装置で生成した刺激信号をユーザに与える。ユーザは、刺激信号生成装置によって生成された信号により、神経から脳、脳から筋肉が刺激されて運動が補助される。以下の説明において、同一の構成又は同一の処理については同一の符号を付して説明を省略する。

〈第１実施形態〉
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る刺激信号生成装置１ａは、人体の関節を動作させるために賦活する脳の特定部位（体性感覚野、体性感覚野の周辺の頭頂連合野又は前頭前野）と対応する神経（求心性神経及び遠心性神経）に、当該特定部位を賦活させるために与える刺激信号のパラメータを生成し、このパラメータに従った刺激信号を生成する生成部１０１と、生成部１０１で生成された刺激信号を出力する出力部１０２と、人体の神経に刺激信号が与えられた際の脳の賦活に関するデータを取得する脳賦活データ取得部１０３とを備えている。

この刺激信号生成装置１ａは、中央処理装置（ＣＰＵ）１０や記憶装置１１を備える情報処理装置に、刺激信号生成プログラムＰ１をインストールすることで、図１に示すようにＣＰＵ１０に生成部１０１、出力部１０２及び脳賦活データ取得部１０３が実装される。記憶装置１１では、刺激信号生成プログラムＰ１の他、最適な刺激パラメータの決定に利用する前処理用データ１１１ａとを記憶している。

ユーザによって神経系の損傷の状態や麻痺の状態が異なる。またユーザによって皮下脂肪の量が異なり、皮下脂肪の厚さによっても感じやすい刺激（周波数）が異なる。そのため、刺激信号生成装置１ａは、ユーザの運動を補助する場合にはユーザに応じた刺激信号を与える必要がある。したがって、刺激信号生成装置１ａは、前処理においてさまざまな条件で刺激信号を与えてユーザの脳の賦活状態を測定し、得られた測定結果から最適な条件を選択する。最適な条件とは、脳の賦活が抑制されず、活性化する条件である。また、刺激信号生成装置１ａは、この最適な条件を利用して刺激信号を生成してユーザの運動を補助する。

刺激信号生成装置１ａには、前処理の際又はユーザの運動を補助する際に刺激信号生成装置１ａで生成された刺激信号をユーザに与える刺激パッド部２と、ユーザの脳の賦活の状態を測定する測定装置３とが接続されて運動補助システムとして利用される。

刺激パッド部２は、刺激信号生成装置１ａによって運動を補助する人体の皮膚に貼付され、皮膚を介して刺激信号を与える装置である。この刺激パッド部２は、ユーザの状態及び補助する動作に応じて定められた関節近傍に設置され、関節近傍の神経に刺激を与える。例えば、歩行動作を補助する際には腰、膝又は足首等の関節付近に貼付され、手の動作を補助する際には肩、肘又は手首等の関節付近に貼付される。刺激パッド部２は、例えば、導電性ジェルに電極が接続されて構成されており、刺激信号生成装置１ａから入力する面分布型の信号に拡張して、皮膚を介してユーザの神経に刺激として与えることができる。ただし、刺激パッド部２は、導電性ジェルに電極が接続された構成に限らず、電磁誘導や振動により刺激信号生成装置１ａから入力する信号をユーザの神経に刺激として与えるものであってもよい。

具体的には、刺激パッド部２を、求心性神経及び遠心性神経の双方に刺激を与える位置に貼付する。このように、求心性神経及び遠心性神経の双方に刺激を与える位置に刺激パッド部２が貼付されることで、刺激信号生成装置１ａで生成されてユーザに与えられた刺激は、神経を介して脳に伝達される。例えば、手指の運動補助の場合には、ユーザの長母指伸筋、示指伸筋、長曉側手根伸筋、尺側手根伸筋、総指伸筋等に刺激パッド部２を貼付する。また例えば、歩行補助の場合には、ユーザの大腿四頭筋、前脛骨筋、長趾伸筋、腓骨筋、長母趾伸筋、大腿二頭筋、半膜様筋、半腱様筋、ヒラメ筋等に刺激パッド部２を貼付する。

このとき、刺激パッド部２が与える刺激信号は、直接筋肉に伝達されるのではなく、皮膚から神経に伝達され、神経から脳に伝達され、脳から筋肉に伝達されて筋肉を運動させるものである。すなわち、従来から利用されていた運動を補助する装置のように筋肉に直接刺激を与えて逆リクルーメントで筋肉を運動させるのではなく、刺激信号生成装置１ａでは、神経から脳、脳から筋肉のような順リクルーメントで筋肉を運動させることができる。このとき、高電圧（例えば、５０〜２００Ｖ程度）を利用して刺激を与えた場合には筋肉に直接刺激が与えられるが、比較的低い電圧（例えば、９〜１００Ｖ程度の痛みを感じさせにくい電圧）を利用して刺激を与えることで、皮膚及び筋肉を介して神経に刺激を与えることができる。中枢神経系の損傷による上位運動ニューロン障害においては、末梢神経系や筋肉は機能しているため、刺激信号生成装置１ａによって脊髄や脳からの指令の代替となる刺激信号を与えることで、筋肉を運動させることができる。

測定装置３は、脳の賦活を測定する装置であって、例えば、ＭＲＩ（magnetic resonance imaging）装置、脳波計又は近赤外光脳計測装置等を利用することができるが、ここでは、測定装置３がＭＲＩ装置であるものとして説明する。ＭＲＩ装置では、ユーザが寝台に固定されている状態で脳の賦活を特定するための画像データを取得することができる。したがって、測定装置３としてＭＲＩ装置を利用する場合には、前処理の際にのみ脳の賦活を測定するものとし、前処理の際にのみ刺激信号生成装置１ａと測定装置３とが接続されているものとして説明する。

記憶装置１１で記憶される前処理用データ１１１ａは、ユーザに最適な刺激信号の条件を選択する前処理で、ユーザに与える刺激信号の条件である前処理用刺激パラメータのリストである。例えば、前処理用刺激パラメータとしては、図２に示すように、バースト信号の周波数の値、キャリア信号の周波数の値、刺激信号の出力タイミングに関するデューティー比が含まれる。

生成部１０１は、操作ボタン等の入力装置（図示せず）を介して前処理または動作の補助処理の開始を要求する操作信号を入力すると、操作に応じた値を利用して刺激信号を生成する。例えば、生成部１０１は、前処理の際には記憶装置１１で記憶している前処理用データ１１１ａから対象の値を読み出して利用する。また、生成部１０１は、動作の補助処理の際には記憶装置１１で記憶している刺激信号生成プログラムＰ１で規定される値を利用する。これらの処理を実行するため、生成部１０１は、例えばバースト信号生成手段１０１ａ、キャリア信号生成手段１０１ｂ及び重畳手段１０１ｃを有している。さらに生成部１０１は、刺激信号を生成する最適な値（パラメータ）を決定する決定部１０４を有している。

バースト信号生成手段１０１ａは、前処理の際には、記憶装置１１から前処理用データ１１１ａを読み出して、前処理用刺激パラメータの値を抽出し、バースト信号を生成する。また、バースト信号生成手段１０１ａは、動作の補助の際には、刺激信号生成プログラムＰ１で規定されるパラメータの値を利用して、バースト信号を生成する。

バースト信号生成手段１０１ａが生成するバースト信号は、例えば図３（ａ）に示すような信号であり、周波数（例えば、１５〜２００Ｈｚ）をパラメータとする信号である。このバースト信号は、刺激信号生成装置１ａが補助する特定の運動（動作）に利用される脳の部位を賦活させる信号である。具体的には、運動に利用される脳の部位は、体性感覚野、体性感覚野の周辺の頭頂連合野又は前頭前野の一部である。

キャリア信号生成手段１０１ｂは、前処理の際には、記憶装置１１から前処理用データ１１１ａを読み出して、前処理用刺激パラメータの値を抽出し、キャリア信号を生成する。また、キャリア信号生成手段１０１ｂは、動作の補助処理の際には、刺激信号生成プログラムＰ１で規定されるパラメータの値を利用して、キャリア信号を生成する。このキャリア信号は、いわゆるキャリア信号であって、データのない搬送波のみの信号である。具体的には、図３（ｂ）に一例を示すように、キャリア信号はバースト信号の周波数よりも高い周波数（例えば、数ｋ〜２０ｋＨｚ）の矩形波で形成されている。

重畳手段１０１ｃは、バースト信号生成手段１０１ａで生成されたバースト信号にキャリア信号生成手段１０１ｂで生成されたキャリア信号を重畳して図３（ｃ）に示すように刺激信号を生成する。また、重畳手段１０１ｃは、生成した刺激信号を該当する前処理用刺激パラメータ又は刺激パラメータに含まれるデューティー比（Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２））とともに刺激データとして出力する。

なお、ここでは、刺激信号生成装置１ａがバースト信号とキャリア信号とを利用し、バースト信号にキャリア信号を重畳して得られた刺激信号を出力するものとして説明したが、キャリア信号は使用せず、バースト信号を刺激信号として使用する場合でもユーザには、運動の補助に必要な刺激を与えることができる。

重畳手段１０１ｃによってバースト信号にバースト信号よりも高い周波数のキャリア信号を重畳させた場合には、バースト信号で直接ユーザに刺激が与えられる場合と比較して、皮膚表面での電圧降下を減少し、痛みを減少させることができる。また、皮膚表面での電圧降下の減少に伴い、ユーザの筋肉での電圧降下量を増加させることとなる。結果として、筋肉を収縮させる神経への突入電流量を増加させ、運動の補助に十分な電気刺激を与えることができる。

出力部１０２は、生成部１０１から出力された刺激データに含まれる刺激信号を、刺激データに含まれるデューティー比に従って刺激パッド部２に出力する。刺激パッド部２は、出力部１０２から入力する刺激信号を出力し、ユーザに刺激を与える。このとき、出力部１０２は、前処理又は運動の補助処理毎に予め定められたタイミングで刺激信号を出力する。出力部１０２が出力した信号が求心性神経及び遠心性神経の双方に刺激を与えられると、この刺激を脳の体性感覚野、体性感覚野の周辺の頭頂連合野又は前頭前野の一部に伝達させて、筋肉を動かすことができる。

図４は、出力部１０２により所定の間隔（例えば、５秒毎）で５回に渡ってユーザに刺激を与える例である。このとき、刺激を出力する時間Ｔ１と刺激の出力を中止する時間Ｔ２とは予め定められている。測定装置３は、刺激信号の出力に合わせて画像を撮影する。刺激信号生成装置１ａは、賦活データ１１２ａを生成するために、より多くの画像データを利用することが好ましいため、同一の処理を複数回繰り返す。例えば、刺激信号生成装置１ａは、１回に５枚の画像を撮影するセッションを８回繰り返すことで、４０枚分の画像データを得ることができる。

また、運動の補助処理の場合には、継続して運動を補助できるようにユーザに刺激を与える必要がある。したがって、出力部１０２は、継続的に刺激が与えられるように補助処理の開始の操作信号を入力してから補助処理の終了の操作信号を入力するまで定期的（例えば、５秒毎）等の所定のタイミングで刺激信号を出力する。

脳賦活データ取得部１０３は、前処理の際に出力部１０２が刺激信号を出力して刺激パッド部２によってユーザに刺激が与えられると、刺激が与えられたユーザの脳の賦活に関するデータを取得する。例えば、脳賦活データ取得部１０３は取得手段１０３ａと、有意差検定手段１０３ｂとを有している。

取得手段１０３ａは、出力部１０２からの刺激信号の出力タイミングに合わせて測定装置３で撮影された複数の画像データを取得する。この複数の画像データは、所定の間隔で連続して撮影された画像である。測定装置３から取得する画像は図５に一例を示すような画像である。図５に示す画像（MRI画像）の例では、脱酸素化ヘモグロビン量を利用して脳の中で活性化した位置を色調で特定することができ、マークされた箇所Ｘが活性化したと特定された位置である。

有意差検定手段１０３ｂは、有意差検定（例えば、ｔ検定）を利用して、取得した複数の画像データから脳の賦活に関するデータとしてｔ値とユーザの脳において賦活が最も高くなる位置を求める。脳の感覚野（体性感覚野）では、頭頂部から順に脚、体幹、手、顔に対応している。例えば、脚の動作を補助する際には、ユーザに刺激を与えた際に取得手段１０３ａで取得した画像で色調によって活性化したと特定された位置が脚に対応する位置のみであることが最も好ましく、複数の画像から求められるｔ値が最も大きくなる。仮に、画像で脚に対応する位置に加えて体幹に対応する位置も色調で特定された場合には体幹にも刺激を与えられることとなり、好ましくなく、ｔ値も小さくなる。

なお、ここでは、有意差検定としてｔ検定を利用して有意差検定値としてｔ値を求める例で説明するが、有意差検定としてｚ検定を利用して有意差検定値としてｚ値を求める有意差検定手段を利用してもよい。また、図５に示す例は脳の２次元のデータであるが、実際には測定装置３から取得する画像データを利用して脳の３次元での位置を特定することもできる。

決定部１０４は、有意差検定手段１０３ｂで得られた複数の値（例えばｔ値）を比較して、最適な値を抽出し、この最適な値を得る際の条件（パラメータ）を動作の補助処理で使用する条件として決定する。また、決定部１０４は、決定した条件を、記憶装置１１に記憶されている刺激信号生成プログラムＰ１に書き込む。

このように決定部１０４によって複数の条件の中から選択された条件を動作の補助処理で利用するパラメータとすることで、刺激信号生成装置１ａでは、ユーザに応じた刺激信号を生成しユーザの運動を補助することができる。

《前処理》
まず、図６に示すフローチャートを用いて第１実施形態に係る刺激信号生成装置１ａで運動を補助する前に行われる前処理について説明する。刺激信号生成装置１ａがユーザの運動を補助する場合、補助対象となるユーザに最適な刺激を与えるため、前処理において予めこのユーザに関する刺激信号の条件（パラメータ）を決定する。この前処理では、ユーザは、皮膚に刺激パッド部２が貼付されて刺激が与えられる状態であるとともに、刺激が与えられた際の脳の画像データを測定装置３によって撮影可能な状態になっている。

刺激信号生成装置１ａのバースト信号生成手段１０１ａは、前処理の開始の操作信号を入力すると、前処理用データ１１１ａからバースト信号の値を抽出し、抽出した値によってバースト信号を生成する（Ｓ００１）。また、キャリア信号生成手段１０１ｂは、前処理用データ１１１ａからキャリア信号の値を抽出し、抽出した値によってキャリア信号を生成する（Ｓ００２）。重畳手段１０１ｃは、ステップＳ００１で生成されたバースト信号にステップＳ００２で生成されたキャリア信号を重畳させて刺激信号を生成し、デューティー比とともに刺激データとする（Ｓ００３）。

その後、出力部１０２は、ステップＳ００３で生成された刺激信号を、刺激データに含まれるデューティー比に従って刺激パッド部２に出力する（Ｓ００４）。これにより、刺激パッド部２によって、刺激信号に応じた刺激がユーザの神経に与えられる。

出力部１０２から刺激信号が出力されることで刺激パッド部２によってユーザに刺激が与えられると、脳賦活データ取得部１０３は、測定装置３で撮影された画像データを取得する（Ｓ００５）。有意差検定に必要な枚数の画像データが取得できると（Ｓ００６でＹＥＳ）、有意差検定手段１０３ｂは、有意差検定により検定結果を求める（Ｓ００７）。一方、必要な枚数の画像データが取得できていないときには（Ｓ００６でＮＯ）、刺激信号生成装置１ａは、ステップＳ００４及びＳ００５の処理を繰り返す。

求められた検定結果は、一時的に記憶装置１１やメモリ（図示せず）で記憶される。前処理で規定される全ての条件についてステップＳ００１からＳ００７の処理が行なわれると（Ｓ００８でＹＥＳ）、決定部１０４は、有意差検定手段１０３ｂで得られた全ての値から、最も高いｔ値を得た条件を最適なパラメータとして決定する（Ｓ００９）。また、決定部１０４は、最適なパラメータとして決定した値を、動作の補助処理に利用するパラメータとして記憶装置１１に記憶される刺激信号生成プログラムＰ１に書き込む（Ｓ０１０）。

一方、処理が終了されていない条件があるとき（Ｓ００８でＮＯ）、刺激信号生成装置１ａは、全ての条件について検定結果を得るまでステップＳ００１からＳ００７の処理を繰り返す。

また、前処理で利用される前処理用データは、一般的な刺激パラメータを用いて予め定めておく。このときの前処理用刺激パラメータは、性別や年代毎に異なっていてもよい。

《補助処理》
続いて、図７に示すフローチャートを用いて、第１実施形態に係る刺激信号生成装置１ａにおいて前処理で最適な条件（パラメータ）が刺激信号生成プログラムＰ１に書き込まれた後に、このユーザの運動を補助する補助処理について説明する。

刺激信号生成装置１ａでは、運動補助の開始の操作信号が入力されると、バースト信号生成手段１０１ａは、刺激信号生成プログラムＰ１で規定されるバースト信号の値によってバースト信号を生成する（Ｓ１０１）。また、キャリア信号生成手段１０１ｂは、刺激信号生成プログラムＰ１で規定されるキャリア信号の値によってキャリア信号を生成する（Ｓ１０２）。

続いて、重畳手段１０１ｃは、ステップＳ１０１で生成されたバースト信号にステップＳ１０２で生成されたキャリア信号を重畳させて刺激信号を生成し、デューティー比とともに刺激データとする（Ｓ１０３）。

その後、出力部１０２は、ステップＳ１０３で生成された刺激信号を、刺激データに含まれるデューティー比に従って刺激パッド部２に出力する（Ｓ１０４）。これにより、刺激パッド部２によって、刺激信号に応じた刺激がユーザの神経に与えられる。また、出力部１０２は、終了の操作信号が入力されるまで、ステップＳ１０４の処理を繰り返す（Ｓ１０５）。

上述したように、刺激信号生成装置１ａでは、皮膚及び筋肉を透過して神経に伝達する刺激信号を利用してユーザの運動を補助している。また、この刺激信号生成装置１ａは、ユーザに応じて最適な刺激信号を生成している。したがって、この刺激信号生成装置１ａを運動の補助に利用する場合、ユーザは痛みや痙攣を伴うことがなく、運動補助の効果も長期間持続させることができる。

また、刺激信号生成装置１ａによって刺激を与えてユーザの体性感覚野、体性感覚野の周辺の連合野又は前頭前野をトレーニングすることで、体性感覚野、体性感覚野の周辺の連合野又は前頭前野の動きが活性化し、刺激を与えない場合であってもユーザは運動しやすくなる。また、刺激信号生成装置１ａによって刺激を与えることで、患側だけでなく、健側も再強化させることができる。

なお、刺激信号生成装置１ａでは、ユーザ毎に前処理を行って最適なパラメータを決定して利用することが最適であるが、あるユーザに対して前処理で得られたパラメータを、別のユーザ（第三者）に利用して補助処理を行なってもよい。この際、条件（症状、体型、年齢、性別等）が類似するユーザの前処理で得られたパラメータを別のユーザに利用して補助処理を行なうことが好ましい。

〈変形例〉
図８に示すように、第１実施形態の変形例に係る刺激信号生成装置１ｂは、図１を用いて上述した刺激信号生成装置１ａと比較して、生成部１０１に記憶処理部１０５及び最適化処理部１０６を備えるとともに、記憶装置１１で賦活データ１１２ａを記憶している点で異なる。

賦活データ１１２ａは、ユーザに刺激が与えられた際の賦活の状態の履歴のリストである。具体的には、賦活データ１１２ａでは、図９に一例を示すように、ユーザに与える刺激信号の条件である刺激パラメータと、ユーザに刺激パッド部２が貼付された位置を特定する貼付位置と、刺激パラメータで特定される刺激信号が与えられたユーザの脳の賦活した賦活位置と賦活を評価した値である評価結果とが関連付けられている。

記憶処理部１０５は、脳賦活データ取得部１０３で得られた有意差検定の結果を刺激信号の出力に関する条件とともに賦活データ１１２ａとして記憶装置１１に記憶する。具体的には、刺激信号出力の条件として刺激パラメータである「バースト信号」、「キャリア信号」および「デューティー比」の値と、刺激パッド部２が添付された「添付位置」と、有意差検定の結果として評価結果である「賦活位置」および「ｔ値」の値を関連付けて賦活データ１１２ａを生成する。

《前処理》
図１０に示すフローチャートを用いて、変形例に係る刺激信号生成装置１ｂで動作を補助する前に行われる前処理について説明する。図１０に示すように、ステップＳ００１からＳ０１０までの処理は、図６を用いて上述した処理と同一である。

刺激信号生成装置１ｂでは、ステップＳ０１０で刺激信号生成プログラムＰ１に最適なパラメータが書き込まれると、記憶処理部１０５は、ステップＳ００７の有意差検定で求めた複数の値と各値を得た際のパラメータとを関連付けて賦活データ１１２ａを生成し、記憶装置１１に記憶させる（Ｓ０１１）。

《補助処理》
続いて、図１１に示すフローチャートを用いて、変形例に係る刺激信号生成装置１ｂで動作を刺激信号生成プログラムＰ１で利用するパラメータを更新しながら動作を補助する処理について説明する。ここで、変形例に係る刺激信号生成装置１ｂに接続される測定装置３は、ＭＲＩ装置ではなく、能波計や近赤外光脳計測装置等のように、ユーザが運動しながら脳の賦活を測定することのできる装置であるものとして説明する。

図１１に示すように、ステップＳ１０１からＳ１０４までの処理は、図７を用いて上述した処理と同一である。刺激信号生成装置１ｂでは、ステップＳ１０４で刺激信号が出力されると、取得手段１０３ａが測定装置３から画像データを取得する（Ｓ１０５）。その後、有意差検定手段１０３ｂが有意差検定を実行する（Ｓ１０６）。

記憶処理部１０５は、新たに得られた有意差検定の結果とこの値を得た際のパラメータを追加して記憶装置１１で記憶されている賦活データ１１２ａを更新する（Ｓ１０７）。

また、最適化処理部１０６は、刺激信号生成プログラムＰ１で使用しているパラメータのｔ値と有意差検定で新たに得られたｔ値とを比較する（Ｓ１０８）。ステップＳ１０８で比較の結果、新たに得られたｔ値のほうが現在、刺激信号生成プログラムＰ１で使用しているパラメータのｔ値よりも小さいとき（Ｓ１０９でＮＯ）、補助の処理を終了しない場合にはステップＳ１０４に戻る（Ｓ１１０でＮＯ）。

一方、ステップＳ１０８で比較の結果、新たに得られたｔ値のほうが現在、刺激信号生成プログラムＰ１で使用しているパラメータのｔ値よりも大きいとき（Ｓ１０９でＹＥＳ）、新たに得られたｔ値とこのｔ値を得た際のパラメータの値で刺激信号生成プログラムＰ１の値を書き換える（Ｓ１１１）。その後、補助の処理を終了しない場合にはステップＳ１０１の処理に戻る（Ｓ１１２）。

なお、ここでは、ステップＳ１１１で記憶処理部１０５によって刺激信号生成プログラムＰ１のパラメータを新たに得られた値で更新して刺激信号の生成に使用しているが、刺激信号の出力と同時に脳の賦活の測定を行うことができる場合、刺激信号生成プログラムＰ１に書き替えることなく、直接バースト信号及びキャリア信号を生成するようにしてもよい。

上述したように、刺激信号生成装置１ｂでは、皮膚及び筋肉を透過して神経に伝達する刺激信号を利用してユーザの運動を補助している。また、この刺激信号生成装置１ｂは、ユーザに応じて最適な刺激信号を生成している。したがって、この刺激信号生成装置１ｂを運動の補助に利用する場合、ユーザは痛みや痙攣を伴うことがなく、運動補助の効果も長期間持続させることができる。

また、刺激信号生成装置１ｂによって刺激を与えてユーザの体性感覚野、体性感覚野の周辺の連合野又は前頭前野をトレーニングすることで、体性感覚野、体性感覚野の周辺の連合野又は前頭前野の動きが活性化し、刺激を与えない場合であってもユーザは運動しやすくなる。また、刺激信号生成装置１ｂによって刺激を与えることで、患側だけでなく、健側も再強化させることができる。

なお、刺激信号生成装置１ｂでも、ユーザ毎に前処理を行って最適なパラメータを決定して利用することが最適であるが、あるユーザに対して前処理で得られたパラメータを、別のユーザ（第三者）に利用して補助処理を行なってもよい。この際、条件（症状、体型、年齢、性別等）が類似するユーザの前処理で得られたパラメータを別のユーザに利用して補助処理を行なうことが好ましい。

〈第２実施形態〉
図１２に示すように、本発明の第２実施形態に係る刺激信号生成装置１ｃは、図１を用いて上述した刺激信号生成装置１ａと比較して合成部１０７を備えている点で異なる。この刺激信号生成装置１ｃは、中央処理装置（ＣＰＵ）１０や記憶装置１１を備える情報処理装置に、刺激信号生成プログラムＰ２をインストールすることで、図１２に示すようにＣＰＵ１０に生成部１０１、出力部１０２、脳賦活データ取得部１０３、決定部１０４及び合成部１０７が実装される。

刺激信号生成装置１ｃは、互いに異なる複数の周波数の刺激生成し、異なる周波数の刺激を順番に与える。異なる周波数の刺激が与えられることで、単一の周波数の刺激が長時間与えられる場合と比較して、ユーザは刺激に慣れにくくなり、持続効果が高まる。

この刺激信号生成装置１ｃでは、複数の周波数の刺激をユーザに与えるため、例えば図１３に示すように、前処理用刺激パラメータとして第１バースト信号の周波数の値、第２バースト信号の周波数の値、キャリア信号の周波数の値、第１刺激信号と第２刺激信号の合成の割合である刺激信号比率、刺激信号の出力タイミングに関するデューティー比を関連付ける前処理用データ１１１ｃを利用する。

なお、ここで、刺激信号生成装置１ｃに接続される測定装置３は、ＭＲＩ装置の他、能波計や近赤外光脳計測装置等のように、ユーザが運動しながら脳の賦活を測定することのできる装置であってもよい。

バースト信号生成手段１０１ａは、前処理用データ１１１ｃ又は刺激信号生成プログラムＰ２から複数のバースト信号の周波数の値を読み出し、複数の周波数のバースト信号を生成する。また、重畳手段１０１ｃは、バースト信号生成手段１０１ａで生成された各バースト信号にキャリア信号を重畳させて刺激信号を生成する。したがって、バースト信号生成手段１０１ａで異なる周波数の第１バースト信号と第２バースト信号とが生成されたときには、重畳手段１０１ｃは、第１バースト信号にキャリア信号を重畳した第１刺激信号と、第２バースト信号にキャリア信号を重畳した第２刺激信号とを生成する。

合成部１０７は、生成部１０１で生成された複数の刺激信号を合成する。このとき、合成部１０７は、前処理用データ１１１ｃ又は刺激信号生成プログラムＰ２で規定されている比率で第１刺激信号と第２刺激信号とを合成する。例えば、刺激信号比率が７：３のときには、第１刺激信号の割合を７とし、第２刺激信号の割合を３とした合成信号を生成する。出力部１０２は、前処理用データ１１１ｃからデューティー比の値を抽出し、抽出した値に応じて刺激パッド部２に出力する。

なお、第１バースト信号と第２バースト信号を合成部１０７で合成した後で、重畳手段１０１ｃで合成されたバースト信号にキャリア信号を重畳してもよい。または、刺激信号生成装置１ｃでも、第１バースト信号を第１刺激信号として使用し、第２バースト信号を第２刺激信号として利用し、キャリア信号は使用しなくてもよい。

出力部１０２は、図１４に一例を示すような、第１刺激信号Ｂ１と第２刺激信号Ｂ２とが合成された刺激信号とデューティー比を含む刺激データを入力し、この刺激信号をデューティー比に従って出力する。図１４も図４の場合と同様に、所定のタイミングで５回に渡ってユーザに刺激を与えて５枚の画像を撮影するセッションの一例であり、このセッションを８回繰り返すことで、４０枚分の画像データを取得することができる。

刺激信号生成装置１ｃでは、前処理において、異なる刺激周波数の組合せや異なる比率等、複数の条件で画像データが取得されて最適な条件が決定される。例えば、図１５に第１刺激信号Ｂ１の周波数が１００Ｈｚ，第２刺激信号Ｂ２の周波数が５０Ｈｚである場合に得られた画像の一例を示している。図１５では、第１刺激信号Ｂ１と第２刺激信号Ｂ２の割合がそれぞれ５：５（図１５（ａ））、７：３（図１５（ｂ））、８：２（図１５（ｃ））、９：１（図１５（ｄ））の割合で得られた一例である。

有意差検定手段１０３ｂで、図１５の画像データから得られた活性化した位置Ｘ１〜Ｘ４のｔ値を求め、比較すると、図１５（ｂ）のＢ１：Ｂ２が７：３の場合が最も高い値となった。したがって、４つの条件の中では、Ｂ１：Ｂ２が７：３の割合が最適な条件と決定される。

《前処理》
図１６に示すフローチャートを用いて第２実施形態に係る刺激信号生成装置１ｃで運動を補助する前に行われる前処理について説明する。

まず、刺激信号生成装置１ｃのバースト信号生成手段１０１ａは、前処理の開始の操作信号を入力すると、第１バースト信号の周波数の値と第２バースト信号の周波数の値を前処理用データ１１１ｃから抽出し、抽出した値によって第１バースト信号と第２バースト信号とを生成する（Ｓ３０１）。また、キャリア信号生成手段１０１ｂは、キャリア信号の周波数の値を前処理用データ１１１ｃから抽出し、抽出した値によってキャリア信号を生成する（Ｓ３０２）。

重畳手段１０１ｃは、ステップＳ３０１で生成された第１バースト信号にステップＳ３０２で生成されたキャリア信号を重畳させて第１刺激信号を生成し、ステップＳ３０１で生成された第２バースト信号にステップＳ３０２で生成されたキャリア信号を重畳させて第２刺激信号を生成する（Ｓ３０３）。

その後、合成部１０７は、前処理用データ１１１ｃに含まれる刺激信号比率で規定される割合で、ステップＳ３０３で生成された第１刺激信号と第２刺激信号を合成して新たに刺激信号を生成し、デューティー比とともに刺激データとする（Ｓ３０４）。

続いて、出力部１０２は、ステップＳ３０３で合成されて新たに生成された刺激信号を、刺激データに含まれるデューティー比に従って刺激パッド部２に出力する（Ｓ３０５）。これにより、刺激パッド部２によって、刺激信号に応じた刺激がユーザの神経に与えられる。

出力部１０２から刺激信号が出力されることで刺激パッド部２によってユーザに刺激が与えられると、脳賦活データ取得部１０３は、測定装置３で撮影された画像データを取得する（Ｓ３０６）。有意差検定に必要な枚数の画像データが取得できると（Ｓ３０７でＹＥＳ）、有意差検定手段１０３ｂは、有意差検定により検定結果を求める（Ｓ３０８）。また、必要な枚数の画像データが取得できていないときには（Ｓ３０７でＮＯ）、刺激信号生成装置１ｃは、ステップＳ３０５及びＳ３０６の処理を繰り返す。

求められた検定結果は、一時的に記憶装置１１やメモリ（図示せず）で記憶される。前処理で規定される全ての条件についてステップＳ３０１からＳ３０８の処理が行なわれると（Ｓ３０９でＹＥＳ）、決定部１０４は、有意差検定手段１０３ｂで得られた全ての値から、最も高いｔ値を得た条件を最適なパラメータとして決定する（Ｓ３１０）。また、決定部１０４は、最適なパラメータとして決定した値を動作の補助処理に利用するパラメータとして記憶装置１１に記憶される刺激信号生成プログラムＰ２に書き込む（Ｓ３１１）。このパラメータには、第１バースト信号の値、第２バースト信号の値、キャリア信号の値、刺激信号比率及びデューティー比を含んでいる。

一方、処理が終了されていない条件があるとき（Ｓ３０９でＮＯ）、刺激信号生成装置１ｃは、全ての条件について検定結果を得るまでステップＳ３０１からＳ３０８の処理を繰り返す。

《補助処理》
続いて、図１７に示すフローチャートを用いて、第２実施形態に係る刺激信号生成装置１ｃにおいて前処理で最適な条件（パラメータ）が刺激信号生成プログラムＰ２に書き込まれた後に、このユーザの運動を補助する補助処理について説明する。

刺激信号生成装置１ｃでは、運動補助の開始の操作信号が入力されると、バースト信号生成手段１０１ａは、刺激信号生成プログラムＰ２で規定される値によって第１バースト信号を生成するとともに、第２バースト信号を生成する（Ｓ４０１）。また、キャリア信号生成手段１０１ｂは、刺激信号生成プログラムＰ２で規定される値によってキャリア信号を生成する（Ｓ４０２）。

続いて、重畳手段１０１ｃは、ステップＳ４０１で生成された第１バースト信号にステップＳ４０２で生成されたキャリア信号を重畳させて第１刺激信号を生成し、ステップＳ４０１で生成された第２バースト信号にステップＳ４０２で生成されたキャリア信号を重畳させて第２刺激信号を生成する（Ｓ４０３）。

その後、合成部１０７は、ステップＳ４０３で生成された第１刺激信号と第２刺激信号を、刺激信号生成プログラムＰ２に含まれる合成比率に従って合成して新たに刺激信号を生成し、デューティー比とともに刺激データとする（Ｓ４０４）。

出力部１０２は、ステップＳ４０４で合成されて新たに生成された刺激信号を、刺激データに含まれるデューティー比に従って刺激パッド部２に出力する（Ｓ４０５）。これにより、刺激パッド部２によって、刺激信号に応じた刺激がユーザの神経に与えられる。また、出力部１０２は、終了の操作信号が入力されるまで、ステップＳ４０５の処理を繰り返す（Ｓ４０６）。

上述したように、刺激信号生成装置１ｃでは、皮膚及び筋肉を透過して神経に伝達する刺激信号を利用してユーザの運動を補助している。また、この刺激信号生成装置１ｃは、刺激信号を生成する際、ユーザに適した周波数を利用するとともに、複数の周波数の刺激信号を合成して利用している。したがって、この刺激信号生成装置１ｃを運動の補助に利用する場合、ユーザは痛みや痙攣を伴うことがなく、刺激を識別しやすいとともに、運動補助の効果も長期間持続させることができる。

また、刺激信号生成装置１ｃによって刺激を与えてユーザの体性感覚野、体性感覚野の周辺の頭頂連合野又は前頭前野をトレーニングすることで、体性感覚野、体性感覚野の周辺の頭頂連合野又は前頭前野の動きが活性化し、刺激を与えない場合であってもユーザは運動しやすくなる。また、刺激信号生成装置１ｃによって刺激を与えることで、患側だけでなく、健側も再強化させることができる。

刺激信号生成装置１ｃでも、ユーザ毎に前処理を行って最適なパラメータを決定して利用することが最適であるが、あるユーザに対して前処理で得られたパラメータを、別のユーザ（第三者）に利用して補助処理を行なってもよい。この際、条件（症状、体型、年齢、性別等）が類似するユーザの前処理で得られたパラメータを別のユーザに利用して補助処理を行なうことが好ましい。

なお、刺激信号生成装置１ｃでも、刺激信号の出力と同時に脳の賦活の測定を行うことができる場合、新たに得られた値を刺激信号生成プログラムＰ２に書き替えることなく、直接バースト信号及びキャリア信号を生成するようにしてもよい。

〈第３実施形態〉
図１８に示すように、本発明の第３実施形態に係る刺激信号生成装置１ｄは、図１２を用いて上述した刺激信号生成装置１ｃと比較して生成部１０１に記憶処理部１０５及び最適化処理部１０６を備えるとともに、関節角度データ取得部１０８及び筋活動データ取得部１０９を備え、記憶装置２０で賦活データ１１２ｄを記憶している点で異なる。この刺激信号生成装置１ｄは、中央処理装置（ＣＰＵ）１０や記憶装置１１を備える情報処理装置に、刺激信号生成プログラムＰ３をインストールすることで、図１８に示すようにＣＰＵ１０に生成部１０１、出力部１０２、脳賦活データ取得部１０３、決定部１０４、記憶処理部１０５、最適化処理部１０６、合成部１０７、関節角度データ取得部１０８及び筋活動データ取得部１０９が実装される。

この刺激信号生成装置１ｄには、刺激パッド部２及び測定装置３の他、角度センサ４及び筋電位センサ５が接続されている。角度センサ４は、刺激信号生成装置１ｄで動作を補助するユーザの肩関節や股関節等の関節に取り付けられており、この関節の動作である屈曲角度や伸展角度等の角度と角速度を測定する。また、筋電位センサ５は、ユーザの動作する筋肉付近の皮膚に取り付けられており、皮膚表面の動きから筋肉の筋電位を測定する。

刺激信号生成装置１ｄは、刺激が与えられたユーザから、脳賦活データ取得部１０３で得られた脳賦活データに加え、関節角度データ取得部１０８で得られた関節角度データと、筋活動データ取得部１０９で得られた筋活動データを利用して生成された賦活データ１１２ｄを利用する。

関節角度データ取得部１０８は、例えば、取得手段１０８ａと関節角度推定手段１０８ｂとを備えている。取得手段１０８ａは、角度センサ４と接続されており、出力部１０２からの刺激信号の出力に合わせて角度センサ４の測定結果を取得する。関節角度推定手段１０８ｂは、取得手段１０８ａが取得した測定結果から、ユーザの関節の角度及び角速度を推定し、角度データとして出力する。

筋活動データ取得部１０９は、例えば、取得手段１０９ａと筋活動推定手段１０９ｂとを備えている。取得手段１０９ａは、筋電位センサ５と接続されており、出力部１０２からの刺激信号の出力に合わせて筋電位センサ５の測定結果を取得する。筋活動推定手段１０９ｂは、取得手段１０９ａが取得した測定結果から、ユーザの筋活動を推定し、筋活動データとして出力する。

刺激信号生成装置１ｄの決定部１０４は、前処理で得られた最適なｔ値を刺激信号生成プログラムＰ３に書き込む際には、有意差検定の結果に加え、推定された角度データや筋活動データもともに書き込む。

記憶処理部１０５は、刺激信号生成装置１ｄによる刺激信号の出力と、これによるユーザの賦活等の履歴のリストを記憶させる。具体的には、脳賦活データ取得部１０３の処理結果、関節角度データ取得部１０８の処理結果、筋活動データ取得部１０９の処理結果を入力し、賦活データ１１２ｄを生成して記憶装置１１に記憶させる。ここで、記憶装置１１に既に賦活データ１１２ｄが記憶されている場合には、新たな値を追加してこの賦活データ１１２ｄを更新する。

最適化処理部１０６は、新たに有意差検定手段１０３ｂの検定結果、関節角度推定手段１０８ｂから出力される角度データ、筋活動推定手段１０９ｂから出力される筋活動データを入力すると、現在の刺激信号生成プログラムＰ３で規定されている有意差検定結果（ｔ値）を比較する。また、最適化処理部１０６は、新たに入力したｔ値が大きい場合には、現在の条件及び値で刺激信号生成プログラムＰ３を更新する。

賦活データ１１２ｄは、例えば、図１９（ｂ）に示すように、刺激パラメータとして、第１バースト信号の周波数、第２バースト信号の周波数、キャリア信号の周波数、刺激信号比率及びデューティー比を含んでいる。また、測定結果には、位置及びｔ値に加え、角度データ及び筋活動データを含んでいる。

《前処理》
図２０に示すフローチャートを用いて第３実施形態に係る刺激信号生成装置１ｄで運動を補助する前に行われる前処理について説明する。

まず、刺激信号生成装置１ｄのバースト信号生成手段１０１ａは、前処理の開始の操作信号を入力すると、第１バースト信号の周波数の値と第２バースト信号の周波数の値を図１９（ａ）に示すような前処理用データ１１１ｄから抽出し、抽出した値によって第１バースト信号と第２バースト信号とを生成する（Ｓ５０１）。また、キャリア信号生成手段１０１ｂは、キャリア信号の周波数の値を前処理用データ１１１ｄから抽出し、抽出した値によってキャリア信号を生成する（Ｓ５０２）。

重畳手段１０１ｃは、ステップＳ５０１で生成された第１バースト信号にステップＳ５０２で生成されたキャリア信号を重畳させて第１刺激信号を生成し、ステップＳ５０１で生成された第２バースト信号にステップＳ５０２で生成されたキャリア信号を重畳させて第２刺激信号を生成する（Ｓ５０３）。

その後、合成部１０７は、前処理用データ１１１ｃに含まれる刺激信号比率で規定される割合で、ステップＳ５０３で生成された第１刺激信号及び第２刺激信号を合成して新たに刺激信号を生成し、デューティー比とともに刺激データとする（Ｓ５０４）。

続いて、出力部１０２は、ステップＳ５０４で合成されて新たに生成された刺激信号を、刺激データに含まれるデューティー比に従って刺激パッド部２に出力する（Ｓ５０５）。これにより、刺激パッド部２によって、刺激信号に応じた刺激がユーザの神経に与えられる。

出力部１０２から刺激信号が出力されることで刺激パッド部２によってユーザに刺激が与えられると、脳賦活データ取得部１０３が測定装置３で撮影された画像データを取得し、取得手段１０８ａが角度センサ４で測定された関節角度データを取得し、取得手段１０９ａが筋電位センサ５で測定された筋活動データを取得する（Ｓ５０６）。有意差検定に必要な枚数の画像データが取得できると（Ｓ５０７でＹＥＳ）、有意差検定手段１０３ｂで有意差検定により検定結果を求め、関節角度推定手段１０８ｂで角度データを推定し、筋活動推定手段１０９ｂで筋活動データを推定する（Ｓ５０８）。また、必要な枚数の画像データが取得できていないときには（Ｓ５０７でＮＯ）、刺激信号生成装置１ｄは、ステップＳ５０５及びＳ５０６の処理を繰り返す。

ステップＳ５０８で求められた検定結果及び推定結果は、一時的に記憶装置１１やメモリ（図示せず）で記憶されている。前処理で規定される全ての条件についてステップＳ５０１からＳ５０８の処理が行なわれると（Ｓ５０９でＹＥＳ）、決定部１０４は、有意差検定手段１０３ｂで得られた全ての検定結果、関節角度推定手段１０８ｂで推定された角度データ及び筋活動推定手段１０９ｂで推定された筋活動データを利用して、最適な刺激パラメータの値を決定する（Ｓ５１０）。その後、決定部１０４は、最適な刺激パラメータとして決定された値を刺激信号生成プログラムＰ３に書き込む（Ｓ５１１）。

また、記憶処理部１０５は、賦活データ１１２ｃを生成して記憶装置１１に記憶し、前処理を終了する（Ｓ５１２）。一方、処理が終了されていない条件があるとき（Ｓ５０９でＮＯ）、刺激信号生成装置１ｄは、全ての条件について検定結果を得るまでステップＳ５０１からＳ５０８の処理を繰り返す。

《補助処理》
続いて、図２１に示すフローチャートを用いて、第３実施形態に係る刺激信号生成装置１ｄにおいて前処理で最適な条件（パラメータ）が刺激信号生成プログラムＰ３に書き込まれた後に、このユーザの運動を補助する補助処理について説明する。なお、前処理の場合には刺激信号生成装置１ｄに接続される測定装置３はＭＲＩ装置であっても良いが、補助処理の場合には測定装置３は、ＭＲＩ装置ではなく、能波計や近赤外光脳計測装置等のように、ユーザが運動しながら脳の賦活を測定することのできる装置であるものとして説明する。

刺激信号生成装置１ｄでは、運動補助の開始の操作信号が入力されると、バースト信号生成手段１０１ａは、刺激信号生成プログラムＰ３で規定される値によって第１バースト信号を生成するとともに、第２バースト信号を生成する（Ｓ６０１）。また、キャリア信号生成手段１０１ｂは、刺激信号生成プログラムＰ３で規定される値によってキャリア信号を生成する（Ｓ６０２）。

続いて、重畳手段１０１ｃは、ステップＳ６０１で生成された第１バースト信号にステップＳ６０２で生成されたキャリア信号を重畳させて第１刺激信号を生成し、ステップＳ６０１で生成された第２バースト信号にステップＳ６０２で生成されたキャリア信号を重畳させて第２刺激信号を生成する（Ｓ６０３）。

その後、合成部１０７は、ステップＳ６０３で生成された第１刺激信号と第２刺激信号を、賦活データ１１２ｄに含まれる合成比率に従って合成して新たに刺激信号を生成し、デューティー比とともに刺激データとする（Ｓ６０４）。

出力部１０２は、ステップＳ６０４で合成されて新たに生成された刺激信号を、刺激データに含まれるデューティー比に従って刺激パッド部２に出力する（Ｓ６０５）。これにより、刺激パッド部２によって、刺激信号に応じた刺激がユーザの神経に与えられる。ユーザに刺激が与えられると、脳賦活データ取得部１０３は測定装置３で撮影された画像データを取得し、関節角度データ取得部１０８は角度センサ４で測定された関節角度データを取得し、筋活動データ取得部１０９は筋電位センサ５で測定された筋活動データを取得する（Ｓ６０６）。また、有意差検定手段１０３ｂで有意差検定を行ない、関節角度推定手段１０８ｂでは関節角度データを推定し、筋活動推定手段１０９ｂは筋活動データを推定する（Ｓ６０７）。

記憶処理部１０５は、新たに得られた有意差検定の結果、関節角度データ、筋活動データとこの値を得た際のパラメータを追加して記憶装置１１で記憶されている賦活データ１１２ｄを更新する（Ｓ６０８）。

また、最適化処理部１０６は、刺激信号生成プログラムＰ３で使用しているパラメータのｔ値と有意差検定で新たに得られたｔ値とを比較する（Ｓ６０９）。ステップＳ６０９で比較の結果、新たに得られたｔ値のほうが、刺激信号生成プログラムＰ３で使用しているパラメータのｔ値よりも小さいとき（Ｓ６１０でＮＯ）、補助の処理を終了しない場合にはステップＳ６０５に戻る（Ｓ６１１でＮＯ）。

一方、ステップＳ６０９で比較の結果、新たに得られたｔ値のほうが現在、刺激信号生成プログラムＰ３で使用しているパラメータのｔ値よりも大きいとき（Ｓ６１０でＹＥＳ）、新たに得られたｔ値とこのｔ値を得た際のパラメータの値で刺激信号生成プログラムＰ３の値を書き換える（Ｓ６１２）。その後、補助の処理を終了しない場合にはステップＳ６０１の処理に戻る（Ｓ６１３でＮＯ）。

なお、刺激信号生成装置１ｄでも、第１バースト信号と第２バースト信号を合成部１０７で合成した後で、重畳手段１０１ｃで合成されたバースト信号にキャリア信号を重畳してもよい。または、刺激信号生成装置１ｄでも、第１バースト信号を第１刺激信号として使用し、第２バースト信号を第２刺激信号として利用し、キャリア信号は使用しなくてもよい。さらに、刺激信号生成装置１ｄでも、刺激信号の出力と同時に脳の賦活の測定を行うことができる場合、新たに得られた値を刺激信号生成プログラムＰ３に書き替えることなく、直接バースト信号及びキャリア信号を生成するようにしてもよい。

上述したように、刺激信号生成装置１ｄでは、皮膚及び筋肉を透過して神経に伝達する刺激信号を利用してユーザの運動を補助している。また、この刺激信号生成装置１ｄは、刺激信号を生成する際、ユーザに適した周波数を利用するとともに、複数の周波数の刺激信号を合成して利用している。したがって、この刺激信号生成装置１ｄを運動の補助に利用する場合、ユーザは痛みや痙攣を伴うこともなく、刺激を識別しやすいとともに、運動補助の効果も長期間持続させることができる。

また、刺激信号生成装置１ｄによって刺激を与えてユーザの体性感覚野、体性感覚野の周辺の頭頂連合野又は前頭前野をトレーニングすることで、体性感覚野、体性感覚野の周辺の頭頂連合野又は前頭前野の動きが活性化し、刺激を与えない場合であってもユーザは運動しやすくなる。また、刺激信号生成装置１ｄによって刺激を与えることで、患側だけでなく、健側も再強化させることができる。

なお、刺激信号生成装置１ｄでも、ユーザ毎に前処理を行って最適なパラメータを決定して利用することが最適であるが、あるユーザに対して前処理で得られたパラメータを、別のユーザ（第三者）に利用して補助処理を行なってもよい。この際、条件（症状、体型、年齢、性別等）が類似するユーザの前処理で得られたパラメータを別のユーザに利用して補助処理を行なうことが好ましい。

〈実施例１：急性期の片麻痺者に対する歩行補助と機能回復の例〉
以下に、実施形態に係る刺激信号生成装置１ｃを利用して歩行補助を行った場合の実施例について説明する。実施例１は、５０Ｈｚの第１バースト信号と１００Ｈｚの第２バースト信号とを７：３の割合で合成して生成した刺激信号を利用した例である。

ユーザは、進行性脳梗塞で、左片麻痺、構音障害が発症した６０代の女性である。ユーザは発症時には、Brunnstrome recovery stage（ＢＲＳ）III、Berg balance scale（ＢＢＳ）６点で、座位保持可能、立位要介助、介助歩行（97.7秒／10m）であった。改善のないまま発症１０日目に刺激信号生成装置１ｂを利用して電気刺激を与え始めると、ユーザは、開始日に歩行速度が２倍で、介助歩行（48.6秒／10m）となった。また、刺激信号生成装置１ｃによる電気刺激を利用したリハビリテーションを継続すると、ユーザは、発症から１９日目にＢＲＳVに改善し、発症から２１日目にはＢＢＳ３５点でＴ字杖歩行（19秒／10m）が可能となった。

〈実施例２：回復期の片麻痺者に対する歩行補助と機能回復の例〉
実施形態に係る刺激信号生成装置１ｃを利用して歩行補助を行った別の実施例について説明する。実施例２も、５０Ｈｚの第１バースト信号と１００Ｈｚの第２バースト信号とを７：３の割合で合成して生成した刺激信号を利用した例である。

ユーザは、脳梗塞で、右片麻痺、構音障害が発症した６０代の男性である。ユーザは、発症３６日目に下肢ＢＲＳIII、関節可動領域制限はなく、Ｔ字杖歩行も軽介助で可能だが、表在覚と位置覚は軽度低下し、筋緊張も低下していた。発症３６日目から通常リハビリテーションを１週間行なったところ、ユーザは、介助歩行（54秒／10m）まで回復した。その後１週間、刺激信号生成装置１ｃを利用して電気刺激を与えたリハビリテーションを行なった結果、ユーザは、脚関節自動背屈角度が−１５度から０度まで改善し、歩行速度は２倍となり、Ｔ字杖歩行（22秒／10m）を達成し、歩容も安定した。

〈実施例３：慢性期の麻痺者の手指の運動補助と機能回復の例〉
実施形態に係る刺激信号生成装置１ａを利用して、麻痺肢の手指の開閉動作の機能回復を目的として行った別の実施例について説明する。ユーザは、実施の６年前に脳卒中により、視床痛を伴う左片不全麻痺が発症した５０才代男性である。このユーザは、６年間、左側手指の開閉が不可能であり、慢性麻痺の状態であった。このユーザに対し、刺激電圧１４．７Ｖ、キャリア周波数２ｋＨｚ、バースト周波数１００Ｈｚ、デューティ―比５０％の刺激パラメータを用いて、刺激信号生成装置１ａを利用してリハビリテーションを行なった。また、このとき、ユーザの長母指伸筋、長橈側手根伸筋、尺側手根伸筋、総指伸筋の直上に刺激パッド部２を貼付した。

リハビリテーションでは、訓練の後に、随意運動の可否を確かめることにより実施した。訓練は、健側で刺激信号生成装置１ａのスイッチのオン・オフを切り替え、これと同期して、ユーザが麻痺側の手を開閉するようにした。ユーザは、この訓練を１０回、約２分程度行なった。その結果、訓練終了直後に、ユーザは、電気刺激を用いることなく、随意的に手指の開閉を１０回以上連続で行なえることが確認された。また、この効果は、２日間継続することも確かめられた。

〈実施例４：慢性期の麻痺者の足関節の運動補助と機能回復の例〉
実施例３と同じユーザに対して、刺激信号生成装置１ａを利用して、同様の刺激パラメータを用いて、足関節の動作に関するリハビリテーションを行った。リハビリテーションにおいて、ユーザの前脛骨筋の直上に刺激パッド部２を設置し、電気刺激による足関節の背屈を補助する。また、機能回復の様相を定量的に観測するために、ゴニオメータをユーザの足関節に設置し、足関節の回転角度を計測した。リハビリテーション実施前、このユーザの足関節の可動域内最大背屈角度は、理学療法士による他動運動により計測し、４０度であった。

実験は、ａ）からｅ）の５試行を行ない、それぞれ、足関節の回転角を得た。
ａ)電気刺激無＋随意運動の場合、回転角０度
ｂ)電気刺激有＋脱力の場合、回転角３４度、運動補助８５％
ｃ)再び電気刺激無＋随意運動の場合、回転角０度
ｄ)電気刺激有＋随意運動の場合、回転角３０度、運動補助７５％
ｅ)再び電気刺激無＋随意運動の場合、回転角５度、１２％回復

その結果、当初、ユーザが随意運動ａ)およびｃ）では、全く動かすことのできなかった足関節は、電気刺激と随意運動を両方同時に行った１回の訓練ｄ）の直後に、随意運動で足関節を５度背屈することが可能となり、１２％の運動機能の回復が見られることが確かめられた。この効果は、リハビリテーションの後、２日程度の間継続した。

１ａ〜１ｄ…刺激信号生成装置
１０…中央処理装置
１０１…生成部
１０１ａ…バースト信号生成手段
１０１ｂ…キャリア信号生成手段
１０１ｃ…重畳手段
１０２…出力部
１０３…脳賦活データ取得部
１０３ａ…取得手段
１０３ｂ…有意差検定手段
１０４…決定部
１０５…記憶処理部
１０６…最適化処理部
１０７…合成部
１０８…関節角データ度取得部
１０８ａ…取得手段
１０８ｂ…関節角度推定手段
１０９…筋活動データ取得部
１０９ａ…取得手段
１０９ｂ…筋活動推定手段
１１…記憶装置
１１１ａ〜１１１ｃ…賦活データ
２…刺激パッド部
３…測定装置
４…角度センサ
５…筋電位センサ

Claims (8)

1. 人体の運動の補助に利用する刺激信号を発生する刺激信号生成装置であって、前処理時には、前処理用に予め定められる人体の神経に与える刺激信号の条件である前処理用刺激パラメータに基づいて人体の関節を動作させるために賦活する脳の特定部位と対応する求心性神経及び遠心性神経の双方に当該特定部位を賦活するために与える刺激信号を生成し、補助処理時には、入力する補助処理用の刺激パラメータに基づいて特定部位を賦活させるために与える刺激信号を生成する生成部と、
   前記生成部で生成された刺激信号を、人体の関節近傍に貼付されて皮膚を介して求心性神経及び遠心性神経の双方に刺激を与える刺激パッドに出力する出力部と、
   前記出力部が出力した刺激信号によって刺激が与えられた際の脳の賦活に関するデータを取得する脳賦活データ取得部と、
   前記脳賦活データ取得部が取得したデータから最適な刺激パラメータを求め、当該最適な刺激パラメータを補助処理用の刺激パラメータとして決定して前記生成部に出力する決定部と、
   を備えることを特徴とする刺激信号生成装置。
2. 前記脳賦活データ取得部は、有意差検定によって脳の賦活を表わす値を求め、
   前記決定部は、前記脳賦活データ取得部によって求められた値が最も高くなる際の前処理用刺激パラメータを最適な刺激パラメータとする
   ことを特徴とする請求項１に記載の刺激信号生成装置。
3. 前記刺激パラメータは、刺激信号の周波数を含むことを特徴とする請求項１又は３に記載の刺激信号生成装置。
4. 前記刺激パラメータは、複数の周波数と、当該複数の周波数の刺激信号の合成比率を含み、
   前記刺激パラメータに含まれる複数の周波数の刺激信号が前記生成部で生成されると、当該複数の周波数の刺激信号を当該刺激パラメータに含まれる合成比率で合成して刺激信号とする合成部をさらに備え、
   前記出力部は、前記刺激パラメータに複数の周波数が含まれるとき、前記合成部により合成された刺激信号を出力する
   ことを特徴とする請求項４に記載の刺激信号生成装置。
5. 前記刺激パラメータは、複数の周波数と、当該複数の周波数の刺激信号の合成比率を含み、
   前記刺激パラメータに含まれる複数の周波数の刺激信号が前記生成部で生成されると、当該複数の周波数の刺激信号を当該刺激パラメータに含まれる合成比率で合成して刺激信号とする合成部をさらに備え、
   前記出力部は、前記刺激パラメータに複数の周波数が含まれるとき、前記合成部により合成された刺激信号を出力し、
   前記決定部は、前記脳賦活データ取得部により取得される脳の賦活に関するデータから、刺激パラメータの合成比率を決定する
   ことを特徴とする請求項４に記載の刺激信号生成装置。
6. 前記刺激パラメータでは、神経に与えられる刺激信号を特定するバースト信号の周波数値と、当該バースト信号の周波数よりも高く皮膚を透過する周波数の矩形波を特定するキャリア信号の周波数値とが関連付けられ、
   前記生成部は、前記刺激パラメータに含まれる周波数値を利用して生成されたバースト信号とキャリア信号とを重畳して刺激信号とする重畳手段を備える
   ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の刺激信号生成装置。
7. 角度センサで測定された人体の股関節又は肩関節の屈曲角度又は伸展角度と、角速度を含む角度データを取得する関節角度データ取得部をさらに備え、
   前記決定部は、前記関節角度データ取得部で取得された角度データで所定の条件を満たすとともに、前記脳賦活データ取得部で得られた値が最大となる刺激パラメータを最適なパラメータとして決定する
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の刺激信号生成装置。
8. 筋電位センサで測定された人体の関節近傍の筋活動に関する筋活動データを取得する筋活動データ取得部をさらに備え、
   前記決定部は、前記筋活動データ取得部で得られた値が所定の条件を満たすとともに、前記脳賦活データ取得部で得られた値が最大となる刺激パラメータを最適なパラメータとして決定する
   ことを特徴とする請求項１、３又は９のいずか１項に記載の刺激信号生成装置。