JP5893367B2 - 磁気刺激リハビリテーション装置 - Google Patents

Description

本発明は脳・神経の可塑性に着目し、脳の機能障害によって麻痺した筋肉・関節を磁気刺激法によって動かすことで、効率的なリハビリテーションを行う装置の開発に関する。

現在、脳卒中による片麻痺や脊髄損傷による四肢麻痺を有する患者数は２００万人に達しており、日本の年齢構成の推移によって、その数はさらに増加している。脳損傷によって四肢の麻痺が長期間継続すると、廃用症候群によって筋肉の機能が著しく低下し、回復が困難な状態になる。片麻痺や四肢麻痺による廃用症候群を防止し、筋肉の機能を積極的に回復するために、運動療法によるリハビリテーションは最も重要な治療法である。

最近、脳波を検出することによって、麻痺した四肢を動かす「ブレインマシンインターフェース（ＢＭＩ）」技術が注目を集めており、リハビリテーションへの応用が試みられている。しかしながら、ＢＭＩ法は大脳運動野に機能障害がある場合には目的とする脳波を検出できないので、適用が困難という技術的な制約がある。
このような場合も、神経や筋肉に異常がなければ外部刺激によって筋肉を動かすことが可能である。

従来、成人の運動野は神経回路が固定しており、神経の再生やシナプス結合の変化は生じないと考えられてきた。しかし、１９８０年代に行われた、記憶学習とシナプス伝達効率に関連する研究から、運動野においてもシナプス結合の可塑的な変化が起こることが判明した。この過程は「脳の可塑性」と称される。

リハビリテーションによって、損傷した脳機能を回復させるために、脳の可塑性の積極的な活用が試みられている。新しいシナプス結合を脳の可塑性によって生じさせるには、他動的な運動よりも、自発的な運動を試みてその達成を実感することの効果が大きいとされている（非特許文献１）。しかしながら、麻痺した四肢を自発的に運動させることは容易な作業ではない。そこで介助や機器による運動補助に加えて、脳や神経を電気的に刺激して運動を誘発する方法が開発されている。

筋収縮を電気的に起こす方法として、経皮電気的神経刺激ＴＥＮＳが広く用いられている。
この原理は外部から電気的に運動神経を刺激することで、手や足を動かすことにより、運動機能を回復するものである。
電気刺激法によって大きな筋収縮を得るためには、強い電気刺激を必要とする。この現象は感電と同じなので電気ショックによる不快感や痛みを伴う。ショックを少なくするために周波数や波形を改良するなど様々な研究が行われてきたが、電気的な刺激によって大きな筋収縮を実現することは困難な状況にある。

神経を電気的に刺激する他の方法として磁気刺激法がある。これは、神経の近くに置いたコイルにパルス電流を流した時に生じる誘導電流で、神経を刺激する方法である。この磁気刺激法は電極を貼り付ける、埋め込むなどの工程が不要であり、加えて感電のようなビリビリする電気ショックや痛みがほとんどない。この理由で、前記電気刺激法に比べて強い刺激が可能であり、大きな筋収縮が得られる利点がある。

磁気刺激法がリハビリテーションに有効なことは公知である。一例として、磁気刺激による誘発筋運動によって中枢神経系が再構築されることが知られている（非特許文献２参照）。また、脳血管障害によって生じた片麻痺の治療に効果があることが知られている（非特許文献３参照）。さらに、磁気刺激は、活動が弱った筋肉のリハビリテーションに広く応用されている（特許文献１〜４参照）

筋肉の自発運動に連動して磁気刺激を行う方法として、本出願の発明者らは、運動機能改善を目的とする部位に、筋電位計の電極を取り付け、運動によって生じる筋電位をトリガ信号として用いる方法を開発した（特許文献５参照）。目的とする部位の筋肉が自発的にわずかに動くと、発生する筋電位をトリガとするパルス磁気刺激が生じて、この刺激により筋肉の動きが増強される。この過程を繰り返すことにより、新たな神経ネットワークを構築させて、運動機能を回復させることができる。しかし筋電位によって筋肉が運動する部位、方向、大きさを特定することは困難であった。

中央法規出版（株）「回復する身体と脳」、出江著、磁気刺激により麻痺が改善した例、Ｐ．１８３ 医歯薬出版（株）「磁気刺激法の基礎と応用」、真野著、中枢神経の再構築、Ｐ．１２７ 医歯薬出版（株）「磁気刺激法の基礎と応用」、出江著、脳血管障害、Ｐ．１９８

特開平９−２７６４１８号公報 特開平１０−２３４８７０号公報 特開平１１−３３３００３号公報 特公表２００１−５２６９４７号公報 特願２００９−０１０２１２

脳卒中による片麻痺や脊髄損傷による四肢麻痺のために自発運動が困難になった筋肉あるいは関節を、本人の意思と努力によってわずかでも動かし、その際に生じる動きの、部位、方向および強さに対応する信号をセンサで検出する。センサ信号のレベル応じて強度、繰り返し回数の異なるパルス磁場を発生して、磁気刺激による大きな筋収縮を生じさせ、筋肉の動きを増強する。この過程を繰り返して、脳の可塑性を積極的に利用することにより新たな神経ネットワークを構築し、リハビリテーションを効果的に行う。

以上の課題に鑑み、本発明は、以下の技術を用いて上記の課題を解決した。即ち、
（１）本発明の磁気刺激リハビリテーション装置は、
患者の手２の各指につける反射器３と、
前記反射器３を介して指の変位を検出するセンサ１と、
患者の手首２に密着させて設置され、磁気パルスによって手首を動かす筋肉或いは指を動かす筋肉の少なくともいずれか一方の末梢神経を刺激する磁気刺激コイル７と、
磁気刺激コイル７に磁気パルスを発生させるパルス電流を供給するパルス電源６と、
パルス電源６を作動させるトリガ信号を出力するトリガ回路５と、
センサ１で検出した信号を分析して反射器３の位置を三次元座標として検出し、いずれかの指に設置された反射器３の動きが設定値を超えるとトリガ回路５にトリガ信号を発生させ、前記トリガ信号にてパルス電源６を作動させるパーソナルコンピュータ４とで構成されたことを特徴とする。
（２）請求項１記載の磁気刺激リハビリテーション装置において、
パーソナルコンピュータ４は、患者自身の意思と努力により、反射器３の「部位」で表されるいずれかの指を動かす筋肉に発生したわずかな自発運動の「方向」および「強さ」を反射器３の動きから演算し、自発運動の「部位」で表される（指）と当該指の関節運動の方向及び当該指の関節運動の強さに対応する１乃至複数のトリガ信号をトリガ回路５に発生させる機能を有することを特徴とする。
（３）請求項１又は２に記載の磁気刺激リハビリテーション装置は、自発運動検出手段として、光学センサを用いる。
（４）請求項１〜３のいずれかに記載の磁気刺激リハビリテーション装置のパーソナルコンピュータ４は、指毎に異なるトリガー信号の種類に応じて、磁気刺激パルスの強度、反復回数を変えて、筋肉の運動或いは神経の刺激を制御するようにトリガ回路５を制御する機能を有することを特徴とする。
（５）請求項１〜４のいずれかに記載の磁気刺激リハビリテーション装置のパーソナルコンピュータ４は、磁気刺激の反復時間が１ミリ秒から１００ミリ秒の範囲で設定可能な機能を有することを特徴とする。

本発明は麻痺により自発運動が困難な筋肉を、本人の意思と努力によってわずかでも動かし、動きの生じる部位や方向を光学センサ、あるいは超音波センサ、あるいは磁界センサによって検出し、その出力信号をパルス電源のトリガに用いる。動きを生じた部位または方向に応じ、筋肉近傍に設置したいずれかの磁気刺激コイルにパルス電流が流れてパルス磁場が発生し、神経に誘導される微小電流によって大きな筋収縮が生じる。この過程を繰り返すと、脳、神経の可塑性によって新しい神経回路形成が促進されて、リハビリテーションを効果的に行うことができる。本方法は電気刺激のようなショックや痛みを伴うことがないので、電気刺激よりも大きな筋収縮を繰り返して起こすことが可能である。また、目的とする筋肉に特定した集中的な訓練を行うことができる、新規なリハビリテーション技術である。本発明によれば、被険者の意欲に応じて生じた運動が、脳、神経の可塑性によって効率的に新しい神経回路を再生するのでリハビリテーション効果を画期的に高める、優れた特徴を有する。

ＣＣＤ高速度カメラを用いる光学センサによって指の運動を検出し、その信号をトリガとする磁気刺激によって指の動きを増幅する装置の説明図 磁気刺激による第３指先端の屈曲距離の測定装置の説明図 パルス間隔２０ｍｓにて、単発〜８連発の磁気刺激を行った場合の第３指先端の屈曲距離グラフ パルス間隔を５、１０、２０、３０ｍｓとして、８連発の磁気刺激を行った場合の第３指先端の屈曲距離グラフ

本発明の磁気刺激によるリハビリテーション法は、まず筋肉の自発運動により発生する筋肉若しくは関節の動きを光学センサ、あるいは超音波センサ、あるいは磁気センサにより検出し、これを電気信号に変換する。麻痺した筋肉や関節の自発運動から発生するセンサ出力は、運動機能が低下しているので微弱でありノイズも多い。本願発明では、センサ出力を任意に増幅し、信号処理によってノイズを除去することにより運動野部位、方向、大きさを検出することができる。

次に、センサが検出した運動部位、方向、大きさに関する信号をトリガとして、目的とする部位を目指す方向に運動させるように、磁気刺激コイルに目的強度あるいは繰り返し数の磁気パルスを発生させる。この結果、筋肉の動きは想定の通りに増強される。これを繰り返し、磁気刺激で筋肉や関節を動かすことにより、既存の神経回路の強化又は新たな神経ネットワークを構築させて、機能を回復させる。

この場合、新たな神経ネットワークを構築するということは、神経細胞の新生を意味するものではなく、損傷を受けていない神経を利用して神経相互の連絡を良くし、新たなネットワークを形成することを意味する。

本願発明においては、短時間に複数回の磁気刺激を反復することが有効である。そして、この磁気刺激の反復時間が１ミリ秒から１００ミリ秒であるのが望ましい。反復時間が１ミリ秒以下では筋収縮が追従できない。また１００ミリ秒以上では、屈曲が複数回に分かれるので磁気刺激効果の増大はない。

次に、本願発明の詳細を実施例に基づいて説明する。なお、この実施例は当業者の理解を容易にするためのものである。すなわち、本願発明は明細書の全体に記載される技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例によってのみ限定されるものでないことは理解されるべきことである。

指先の変位を、図１の１に示す６個のＣＣＤ高速度カメラを用いる光学センサで検出した。手２の各指につけた反射器３の位置を４のパーソナルコンピュータによって３次元座標として検出する。目的とする指の動きが設定値を超えると５のトリガ回路が信号を発生する。トリガ数は、目的部位の数、運動の大きさに応じて１個または複数個を選択できる。一個のトリガによってパルス電源６を放電させると、手首に密着させた一個の磁気刺激コイル７に単発あるいは連続磁気パルスが発生した。磁気パルスによって手首の末梢神経が磁気刺激されて、手首は大きく曲がった。

次に、親指と小指の動きに対応する個別のトリガ信号によって、親指側の抹消神経と小指側の抹消神経を個別のコイルによって磁気刺激すると、親指と小指それぞれの動きに応じた磁気刺激によって大きく動き、各々の指の運動を増幅することができた。

５ＭＨｚの広帯域超音波センサを手首に当てて反射波を検出した。各指の動きに応じて、手首の異なる箇所から反射超音波波形が観察された。超音波信号に複数のゲートをかけて複数のトリガ信号を得た。これらの信号によって実施例１と同様に磁気刺激を行うと、任意の指の小さな運動を、磁気刺激によって増幅することができた。

抹消神経の磁気刺激に及ぼす単発〜８連発の磁気刺激の効果を図２の装置を用いて調べた。実験開始肢位を第３指ＭＰ関節屈曲３０°に設定し，総指伸筋を標的として上腕部を連発磁気刺激した。これによる第３指先端挙上距離を高速度カメラによって計測した。放電間隔を２０ミリ秒としてパルスを連発すると、第３指先端の屈曲は単発の場合よりも大きくなった。屈曲の程度は、パルス数の増加とともに直線的に増大した。図３にパルス間隔を２０ｍｓとした場合の、パルス数と第３指先端の屈曲距離の関係を示す。

連続パルスによる磁気刺激効果はパルス数だけでなくパルス間隔にも依存した。パルス数を８連発に固定して、パルス間隔を５、１０、２０、３０ｍｓとした場合のパルス間隔と第３指先端の屈曲距離の関係を図４に示す。このようにパルス間隔は２０ｍｓの場合に第３指先端の屈曲距離は最大になった。

脊髄損傷による四肢麻痺や脳卒中による片麻痺のリハビリテーションにおいて、本人の意思によってわずかでも手足を動かすことによって生じる筋肉や関節の運動を、光学センサ、あるいは超音波センサ、あるいは磁気センサで検出する。これを解析して運動野部位、方向、強度に関する信号を分離してトリガ信号とする。このトリガ信号を介し自発運動を補強する磁気刺激を起こして、手足の大きな動きを発現する。この過程を繰り返すことによって脳及び神経の可塑性に由来する神経ネットワークが新たに構築され、機能回復に要する時間を著しく短縮する。このように本発明は脳及び神経の損傷により運動機能に障害を有する患者のリハビリテーションに大な効果を有する。

１：ＣＣＤ高速度カメラ
２：手首
３：反射器
４：パーソナルコンピュータ（座標計算）
５：トリガ回路
６：パルス電源
７．磁気刺激コイル

Claims (5)

1. 患者の手の各指につける反射器と、
   前記反射器を介して指の変位を検出するセンサと、
   患者の手首に密着させて設置され、磁気パルスによって手首を動かす筋肉或いは指を動かす筋肉の少なくともいずれか一方の末梢神経を刺激する磁気刺激コイルと、
   磁気刺激コイルに磁気パルスを発生させるパルス電流を供給するパルス電源と、
   パルス電源を作動させるトリガ信号を出力するトリガ回路と、
   センサで検出した信号を分析して反射器の位置を三次元座標として検出し、いずれかの指に設置された反射器の動きが設定値を超えるとトリガ回路にトリガ信号を発生させ、前記トリガ信号にてパルス電源を作動させるパーソナルコンピュータとで構成されたことを特徴とする磁気刺激リハビリテーション装置。
2. パーソナルコンピュータは、患者自身の意思と努力により、反射器の部位で表されるいずれかの指を動かす筋肉に発生したわずかな自発運動の方向および強さを反射器の動きから演算し、自発運動の部位で表される指と当該指の関節運動の方向及び当該指の関節運動の強さに対応する１乃至複数のトリガ信号をトリガ回路に発生させる機能を有することを特徴とした請求項１記載の磁気刺激リハビリテーション装置。
3. 自発運動検出手段として、光学センサを用いる請求項１又は２に記載の磁気刺激リハビリテーション装置。
4. パーソナルコンピュータは、指毎に異なるトリガ信号の種類に応じて、磁気刺激パルスの強度、反復回数を変えて、筋肉の運動或いは神経の刺激を制御するようにトリガ回路を制御する機能を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気刺激リハビリテーション装置。
5. パーソナルコンピュータは、磁気刺激の反復時間が１ミリ秒から１００ミリ秒の範囲で設定可能な機能を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気刺激リハビリテーション装置。