JP5643436B2 - 電気刺激信号生成装置及び筋運動代謝促進装置 - Google Patents

Description

本発明は、人体に付与される電気刺激信号を生成する電気刺激信号生成装置等に関する。

糖尿病、肥満病、高血圧症など生活習慣病を改善及び予防する方法として、適度な運動を日常生活に取り入れることによる生活習慣改善が提案されている。

運動の中でも、特に有酸素運動は、エネルギ消費による抗糖尿病効果をはじめ、糖代謝や血清脂質の改善、インスリン感受性の向上、降圧効果、呼吸循環機能改善など様々な生理学的変化を惹起することから、生活習慣病の予防・改善に加え、中高齢者の健康増進運動プログラムの中核をなしている。

しかしながら、慢性的な運動不足、過度の肥満、整形外科的疾患などのために、有酸素運動を十分に行えない人々が多数存在する。さらに、糖尿病性合併症、心血管系合併症などの臓器障害により、運動制限されている患者も多く認められる。

医学、スポーツなどの業界では、筋肉増強、失禁の管理、脊椎奇形の管理、痙縮の管理などのために、骨格筋収縮を誘発する電気筋肉刺激（以下、EMSという）が知られている。
特許文献１は、電気信号出力装置から出力される電気信号を人体に伝達して電気刺激を付与する電極群と、前記電極群が装着され、人体の下半身に着用される衣類形状の電極装着部材と、を有する代謝促進電気刺激用装着具であって、前記電極装着部材の着用状態において、前記電極群は、人体の正面側に配置される前側電極ユニットと、人体の背面側に配置される背側電極ユニットとからなり、前記前側電極ユニットは、大腿四頭筋の起始部に対応した位置に配置される第１の前側電極と、大腿四頭筋の停止部に対応した位置に配置され、前記第１の前側電極とは極性が異なる第２の前側電極とからなり、前記背側電極ユニットは、人体の前後方向視における大殿筋及びハムストリングの境界部分に対応した位置に配置される第１の背側電極と、ハムストリングのうち大殿筋よりも下方に位置する部分に対応した位置に配置され、前記第１の背側電極とは極性が異なる第２の背側電極と、大殿筋の起始部に対応した位置に配置され、前記第１の背側電極とは極性が異なる第３の背側電極を含むことを特徴とする代謝促進電気刺激用装着具を開示する。

使用者の健康状態に応じた適切な効果を得るためには、特許文献１に開示するように複数の刺激部位に対して電気刺激を付与する必要があり、刺激部位の数に応じて電極パットを備える必要がある。
特許第４４８０７９７号明細書 特開２０００−２３７３３１号公報

ここで、電極パット（電極体）に対して電気信号を出力する電気刺激信号生成装置には、パルス信号を出力するトランスが設けられており、このトランスは個々の電極パットに対応して備え付けられている。

しかしながら、トランス毎にコンデンサを設けると、トランスの個数に応じたコンデンサが必要となるため、電気刺激信号生成装置のサイズが大きくなり、コストが増大する。また、コンデンサがトランスの二次側に配置されることにより、昇圧後の電圧がコンデンサに加わるため、耐圧性を持たせるためにコンデンサを大きくする必要がある。そのため、電気刺激信号生成装置のサイズがさらに大きくなる。

その一方で、電気刺激信号生成装置のサイズが小さくなることにより、十分な強度の電気刺激を付与できなくなるおそれがある。

本願発明は、複数の電極体に対して個々の電気刺激信号を出力可能な回路を備えた電気刺激信号生成装置を小型化しながら、電気刺激の強度低下を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明に係る電気刺激信号生成装置は、（１）電源と、前記電源の電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路を介して供給される電力により蓄電されるコンデンサと、コントローラと、それぞれが前記コントローラから出力される信号に基づき、電圧値の大きさに関する第１の信号を出力する複数の電圧生成回路と、前記コントローラから出力される信号に基づき、各前記電圧生成回路から出力される第１の信号をパルス信号に変換するための第２の信号を出力するパルス生成回路と、それぞれが各前記電圧生成回路に対応して設けられ、前記パルス生成回路から出力された第２の信号に基づき、前記電圧生成回路から出力された第１の信号をパルス信号に変換するとともに、このパルス信号をベース電流として、前記電源から前記昇圧回路を介して出力される電流をトランジスタの増幅作用で増幅して出力する複数のパルス合成回路と、それぞれが各前記パルス合成回路に対応して設けられ、前記パルス合成回路から出力された信号を増幅して、電気刺激信号として出力する複数のトランスと、を有し、前記コンデンサは、前記複数のパルス合成回路に対して作動電力を供給することを特徴とする。

（２）上記（１）の構成において、前記コントローラから出力される信号に基づき、前記コンデンサに蓄電された電荷を放電させる放電回路を設けることができる。（２）の構成によれば、電気刺激信号生成装置の電源をオフした後に、コンデンサから複数のパルス合成回路に対して作動電力が付与されることを防止できる。

（３）上記（１）又は（２）の構成において、前記コンデンサは、前記昇圧回路と前記複数のパルス合成回路とを接続する接続回路に設けることができる。

（４）上記（１）〜（３）の構成において、前記コントローラは、前記各電圧生成回路に対して異なる信号を出力可能であり、前記各電圧生成回路は、前記コントローラから出力された信号に応じた電圧値の大きさに関する第１の信号を出力可能である。

（５）上記（１）〜（４）のうちいずれか一つに記載の電気刺激信号生成装置と、それぞれが各前記トランスに対応して設けられ、互いに人体の異なる刺激部位に配置されることにより電気刺激を付与する複数の電極体と、を有する筋運動代謝促進装置。

本願発明によれば、複数の電極体に対して個々の電気刺激信号を出力可能な回路を備えた電気刺激信号生成装置を小型化しながら、電気刺激の強度低下を抑制することができる。

電気刺激発生装置のブロック図である。 電気刺激発生装置の一部におけるブロック図である。 電圧生成回路から出力される信号を模式的に示している。 パルス生成回路ら出力される信号を模式的に示している。 パルス合成回路ら出力される信号を模式的に示している。 放電回路の動作説明図である。

図１は、電気刺激信号生成装置のブロック図である。同図を参照して、電気刺激信号生成装置１００は、電源１と、昇圧回路２と、コントローラ３と、第１〜第３の電圧生成回路４a〜４ｃと、第１〜第３のパルス生成回路５ａ〜５ｃと、第１〜第３のパルス合成回路６a〜６ｃと、第１〜第３のトランス７a〜７ｃと、コンデンサ８と、放電回路９とを有する。以下、各部の構成について詳細に説明する。

電源１は、一次電池、二次電池、キャパシタ、燃料電池であってもよい。二次電池は、電気刺激信号生成装置１００の外部に設けられた充電器によって充電できるようにしてもよい。電源１が二次電池である場合、電気刺激信号生成装置１００は、充電器と、充電器に接続されるインレットとを有し、前記インレットに外部電源から延びる充電ケーブルのコネクタを連結することにより充電できるようにしてもよい。この場合、外部電源は、DC5Vの商用電源であってもよい。二次電池は、充電ケーブルのコネクタを不要とするいわゆる非接触充電により充電できるようにしてもよい。電源の形状は、円筒型形状、角型形状、コイン型形状であってもよい。また、電源１は、複数の電源要素を直列又は並列に接続することにより構成してもよい。電気刺激信号生成装置１００には、図示しないスイッチが設けられており、このスイッチを操作することにより、電気刺激信号生成装置１００は起動する。

昇圧回路２は、電源１の電圧を目的の電圧値に昇圧する。ここで、目的の電圧値とは、第１〜第３のパルス合成回路６a〜６ｃの出力電圧に応じた電圧値のことである。コントローラ３は、電気刺激信号生成装置１００から出力される出力信号の強度などを制御する。ここで、コントローラ３は、ＣＰＵ、或いはＭＰＵであってもよいし、これらのＣＰＵ、ＭＰＵにおいて行われる処理の少なくとも一部を回路的に実行するＡＳＩＣ回路を含んでいてもよい。

図２は、第１の電圧生成回路４ａ、第１のパルス生成回路５ａ及び第１のパルス合成回路６ａを含む電気刺激信号生成装置１００の一部におけるブロック図である。なお、図面を簡略化するために、第２〜第３の電圧生成回路４ｂ〜４ｃ、第２〜第３のパルス生成回路５ｂ〜５ｃ及び第２〜第３のパルス合成回路６ｂ〜６ｃは、省略している。

同図を参照して、第１の電圧生成回路４ａは、抵抗４１ａ及び回路内コンデンサ４２ａを含む。図３に図示するように、第１の電圧生成回路４ａは、コントローラ３から出力されるＰＷＭ信号をパルス幅に応じた電圧信号（電圧値の大小に関する第１の信号）に変換する。図示例では、コントローラ３から出力されるＰＷＭ信号のパルス幅が出力途中で大きくなるのに応じて、電圧信号のレベルが略ステップ状に上昇している。第２の電圧生成回路４ｂ及び第３の電圧生成回路４ｃの回路構成は、第１の電圧生成回路４ａの回路構成と同じであるため、説明を省略する。コントローラ３から第１〜第３の電圧生成回路４ａ〜４ｃに出力されるＰＷＭ信号はそれぞれ独立している。したがって、各第１〜第３の電圧生成回路４ａ〜４ｃにおいて生成される各電圧信号の値は、コントローラ３により独立して制御することができる。なお、コントローラ３から出力される信号は、ＰＷＭ信号ではなく、電圧信号を直接出力するＤ／Ａ変換信号であってもよい。この場合、回路内抵抗４１ａを省略することもできる。

再び図２を参照して、第１のパルス生成回路５ａは、コントローラ３から出力されるパルス信号を増幅し、コントローラ３と第１のパルス合成回路６ａとを分離するＮＰＮトランジスタから構成される。ＮＰＮトランジスタは、ベース、コレクタ、エミッタの３つの異なる端子を有する。第１のパルス生成回路５ａは、図４に図示するように、コントローラ３から出力されるパルス信号を第１のパルス合成回路６ａ用のパルス波形に変換して出力する。なお、この出力信号が第２の信号に相当する。第１のパルス生成回路５ａは、コントローラ３から出力されるパルス信号に基づき、図４に図示する出力信号のパルス幅及び周波数を決定する。第２のパルス生成回路５ｂ及び第３のパルス生成回路５ｃの回路構成は、第１のパルス生成回路５ａの回路構成と同じであるため、説明を省略する。図１に図示するように、第１〜第３のパルス生成回路５ａ〜５ｃには、同一のパルス信号が出力される。

ただし、コントローラ３は、第１〜第３のパルス生成回路５ａ〜５ｃに対して異なるパルス信号を出力してもよい。この場合、各第１〜第３のパルス生成回路５ａ〜５ｃから異なるパルス幅及び周波数のパルス信号が出力される。また、第１〜第３のパルス生成回路５ａ〜５ｃは、一つのトランジスタから構成されていてもよい。

第１の電圧生成回路４ａ及び第１のパルス生成回路５ａの出力信号は、電気刺激信号生成装置１００に設けられた図示しない操作部を操作することにより、コントローラ３を介して制御することができる。当該操作部は、刺激モード（例えば、「もむ」、「ほぐす」など）を選択する選択部及び刺激の強さを調整する調整部であってもよい。選択部は、スライド式のスイッチであってもよい。調整部は、無段階調整ボリュームであってもよい。

第１のパルス合成回路６ａは、上流側オペアンプ６１ａ、抵抗６２ａ、反転増幅回路６３ａ及びＮＰＮトランジスタ６４ａを含む。上流側オペアンプ６１ａのプラス端子は、第１の電圧生成回路４ａに接続されている。上流側オペアンプ６１ａのマイナス端子には、上流側オペアンプ６１ａの出力電圧がフィードバックされる。

抵抗６２ａは、上流側オペアンプ６１ａ及び反転増幅回路６３ａの間に位置する。反転増幅回路６３ａは、下流側オペアンプ６３１ａ、抵抗６３２ａ及び抵抗６３２ｂを有する。下流側オペアンプ６３１ａのプラス端子は、抵抗６２ａに接続されている。抵抗６３２ａは、反転増幅回路６３ａのフィードバック回路に設けられている。反転増幅回路６３ａは、抵抗６３２ａ及び抵抗６３２ｂの抵抗比に応じた増幅信号を出力する。

具体的には、図５に図示するように、第１のパルス合成回路６ａは、第１の電圧生成回路４ａから出力された電圧信号と第１のパルス生成回路５ａから出力されるパルス信号とが合成及び増幅された信号を出力する。第１のパルス合成回路６ａから出力された増幅信号は、第１のトランス７ａの一次側に入力される。第２のパルス合成回路６ｂ及び第３のパルス合成回路６ｃの回路構成は、第１のパルス合成回路６ａの回路構成と同じであるため、説明を省略する。

第１〜第３のパルス合成回路６ａ〜６ｃは、コンデンサ８から電力が供給されることにより動作する。ここで、コンデンサ８を省略した場合、第１〜第３のトランス７ａ〜７ｃから出力される信号の強度が低下し、所望の電気刺激を付与することができない。ここで、第１〜第３のトランス７ａ〜７ｃから出力される信号の強度低下を抑制する方法として、各第１〜第３のトランス７ａ〜７ｃの各二次側にそれぞれコンデンサを配置する方法が考えられる。

しかしながら、この方法では、トランスの数に応じた複数のコンデンサが必要となるため、コストが増大する。また、トランスの二次側は、昇圧動作により高電圧となるため、各コンデンサの容量（つまり、サイズ）を大きくする必要があり、電気刺激信号生成装置１００が大型化する。

そこで、第１〜第３のパルス合成回路６ａ〜６ｃに対して、作動電力を供給するコンデンサ８を設けることにより、上述の問題を解消することができる。すなわち、第１〜第３のパルス合成回路６ａ〜６ｃに対して作動電力を供給するコンデンサ８が一つでよいため、コンデンサの個数の削減による低コスト化を図ることができる。さらに、コンデンサ８は、第１〜第３のトランス７ａ〜７ｃの一次側に配置されるため、二次側に配置する場合よりも、サイズを小さくすることができる。これにより、電気刺激信号生成装置１００を小型化することができる。

第１のトランス７ａの二次側には、プラス端子及びマイナス端子が設けられている。これらのプラス端子及びマイナス端子はそれぞれ図示しない導線を介して正極パット及び負極パットに接続されている。第２のトランス７ｂ及び第３のトランス７ｃは、第１のトランス７ａと同じ構成であるため、説明を省略する。

上述したように、人体に対して所望の効果を付与するためには、複数の刺激部位に対して電気刺激を与える必要がある。刺激部位が増えることにより、刺激部位に貼り付ける電極パットの数が増加し、回路構成も複雑となることから、一般的には、電気刺激信号生成装置１００が大型化する。上述の実施形態によれば、電気刺激信号生成装置１００の大型化を抑制しながら、複数の刺激部位に対して、電気刺激を付与することができる。

また、各第１〜第３のトランス７ａ〜７Ｃから出力される増幅信号の強度を、コントローラ３において個別に制御できるため、各刺激部位に対して固有の電気刺激を付与することができる。

放電回路９は、図６に図示するように、トランジスタにより構成されている。放電回路９は、コントローラ３から出力される信号（Ｈｉｇｈ信号又はＬｏｗ信号）に基づき、放電を開始する。ここで、放電回路９を省略した場合、電気刺激信号生成装置１００の電源をオフしても、コンデンサ８に電荷がチャージされているため、電気刺激を直ちに止めることができない。そこで、コントローラ３は、電気刺激信号生成装置１００の電源がオフされた直後に、コンデンサ８にチャージされた電荷が放電されるように、放電回路９を制御する。なお、放電回路９の代わりに、コンデンサ８及び第１〜第３のパルス合成回路６ａ〜６ｃの間にリレーを設ける構成であってもよい。リレーは、接点式のリレーであってもよい。コントローラ３は、電気刺激信号生成装置１００の電源がオフされると、リレーをオフする。これにより、電気刺激信号生成装置１００がオフされた後に、コンデンサ８から第１〜第３のパルス合成回路６ａ〜６ｃに対して作動電力が供給されることを防止できる。

従来、例えば「もむ」という動作を電気刺激信号生成装置１００に実行させる場合、出力波形の電圧を徐々に増幅させていくことによりその刺激感を得ていた。この電圧の増幅は、抵抗とコンデンサとを組み合わせたＣＲ回路の時定数を制御することによって行っていた。このため、出力電圧をリニアに増幅させることしかできなかった。

本実施形態では、コントローラ３において、出力波形を制御できるため、リニアでなく、カーブ特性を持たせた出力波形を得ることもできる。これにより、従来実現できなかった、独特の電気刺激を付与することもできる。

上述の電気刺激信号生成装置１００を電極パットと組み合わせて筋運動代謝促進装置として使用する場合には、例えば、複数の電極パットを下記のように配置することができる。複数の電極パットは、人体の正面側に配置される前側電極ユニットと、人体の背面側に配置される背側電極ユニットとからなり、前側電極ユニットは、大腿四頭筋の起始部に対応した位置に配置される第１の前側電極パットと、大腿四頭筋の停止部に対応した位置に配置され、第１の前側電極とは極性が異なる第２の前側電極パットとからなり、背側電極ユニットは、人体の前後方向視における大殿筋及びハムストリングの境界部分に対応した位置に配置される第１の背側電極パットと、ハムストリングのうち大殿筋よりも下方に位置する部分に対応した位置に配置され、第１の背側電極とは極性が異なる第２の背側電極パットと、大殿筋の起始部に対応した位置に配置され、第１の背側電極とは極性が異なる第３の背側電極パットとを含む。これにより、筋運動による代謝促進が期待できる。

１ 電源 ２ 昇圧回路 ３ コントローラ
４ａ〜４ｃ 第１〜第３の電圧生成回路
５ａ〜５ｃ 第１〜第３のパルス生成回路
６ａ〜６ｃ 第１〜第３のパルス合成回路
７ａ〜７ｃ 第１〜第３のトランジスタ
８ コンデンサ ９ 放電回路 １００ 電気刺激信号生成装置

Claims (5)

1. 電源と、
   前記電源の電圧を昇圧する昇圧回路と、
   この昇圧回路を介して供給される電力により蓄電されるコンデンサと、
   コントローラと、
   それぞれが前記コントローラから出力される信号に基づき、電圧値の大きさに関する第１の信号を出力する複数の電圧生成回路と、
   前記コントローラから出力される信号に基づき、各前記電圧生成回路から出力される第１の信号をパルス信号に変換するための第２の信号を出力するパルス生成回路と、
   それぞれが各前記電圧生成回路に対応して設けられ、前記パルス生成回路から出力された第２の信号に基づき、前記電圧生成回路から出力された第１の信号をパルス信号に変換するとともに、このパルス信号をベース電流として、前記電源から前記昇圧回路を介して出力される電流をトランジスタの増幅作用で増幅して出力する複数のパルス合成回路と、
   それぞれが各前記パルス合成回路に対応して設けられ、前記パルス合成回路から出力された信号を増幅して、電気刺激信号として出力する複数のトランスと、を有し、
   前記コンデンサは、前記複数のパルス合成回路に対して作動電力を供給することを特徴とする電気刺激信号生成装置。
2. 前記コントローラから出力される信号に基づき、前記コンデンサに蓄電された電荷を放電させる放電回路を有することを特徴とする請求項１に記載の電気刺激信号生成装置。
3. 前記コンデンサは、前記昇圧回路と前記複数のパルス合成回路とを接続する接続回路に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気刺激信号生成装置。
4. 前記コントローラは、前記各電圧生成回路に対して異なる信号を出力可能であり、前記各電圧生成回路は、前記コントローラから出力された信号に応じた電圧値の大きさに関する第１の信号を出力可能であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の電気刺激信号生成装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の電気刺激信号生成装置と、
   それぞれが各前記トランスに対応して設けられ、互いに人体の異なる刺激部位に配置されることにより電気刺激を付与する複数の電極体と、を有する筋運動代謝促進装置。