JP6234669B2

JP6234669B2 - 電気刺激装置

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Publication number: JP6234669B2
Application number: JP2012260689A
Authority: JP
Inventors: 絵美玉城; 健一郎岩▲崎▼
Original assignee: H2L Inc
Current assignee: H2L Inc
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: JP2014104241A

Description

この発明は，電気刺激信号発生回路から出力される電気刺激信号を複数の電極に選択的に与える電気刺激装置に関する。

従来技術

この種の電気刺激装置による電気刺激は，電気的筋肉刺激（Electrical Muscle Stimulation（EMS）），機能的電気刺激（Functional Electrical Stimulation ）などと呼ばれて，さまざまな応用が考えられている。たとえば，人の前腕に複数の電極を装着し，これらの間に電気刺激信号（パルス）を与え，所望の指を動かそうとする試みがある。これは手指のリハビリテーション，トレーニング，動き補助，積極的な指の運動（つかむ，挟むなど），指と筋肉との関係の研究等に有用である。

特開平７−２０９７８号公報

Tamaki et al. "PossessedHand : Techniques for controlling human hands using electrical muscles stimuli"CHI 2011, May 7-12, 2011, Vancouver, BC, Canada.

特許文献１に記載の仮想体感装置においては，複数の個別電極と１つの共通電極が用いられ，これらの間に電気刺激信号が加えられる。複数の個別電極は選択可能であるにしても，共通電極は１つしか設けられていないので，電気経路の精密な制御ができない。

非特許文献１では，前腕に巻付けられる２つのバンドにそれぞれ複数の電極が設けられている。しかしながら，２つのバンドのうちの一方のバンドの複数の電極は選択可能であるが，他方のバンドの複数の電極はすべて共通にグラウンド（アース）に接続されるので，結果的には特許文献１と同じである。

この発明は，複数の電極のうちの少なくとも２つの電極を任意に選択して，これらの選択された少なくとも２つの電極の間に電気刺激信号を与えることが可能な電気刺激装置を提供するものである。

この発明による電気刺激装置は，電気刺激信号発生回路から出力される電気刺激信号を複数の電極に選択的に与えるものであり，個別的電極選択装置を含む。この個別的電極選択装置は，上記複数の電極のそれぞれについて設けられた複数の中立有単極双投型のスイッチング回路を備えている。上記の各スイッチング回路は，対応する電極を上記電気刺激信号発生回路の２つの出力端のいずれかに接続するか，中立に維持するかの３つの状態のうちのいずれか一つに切換えるものである。

特定の少なくとも２つの電極を選択し，これらの選択された電極間に電気刺激信号発生回路から出力される電気刺激信号を与えることができる。すなわち，上記スイッチング回路は次のように制御される。選択された少なくとも２つの電極のうちの一の電極に接続されたスイッチング回路を上記電気刺激信号発生回路の一方の出力端に，他の電極に接続されたスイッチング回路を上記電気刺激信号発生回路の他方の出力端にそれぞれ接続するよう切換える。残りのすべての電極に接続されたスイッチング回路を中立に維持する。好ましくは個別的電極選択装置を上記のように制御する制御装置を備える。

この発明によると，複数の電極のうちの任意の少なくとも２つの電極を選択し，これらの選択された電極の間に電気刺激信号を与えることができる。

特許文献１や非特許文献１に記載の電気刺激装置では，個別電極（一般に陽極，正の電圧が加わる）を選択することはできるが，共通電極またはアース側の電極は，非特許文献１に記載のようにそれが多数設けられていても，選択することはできず常に一定電極（一般にはグラウンド・レベル）が加えられている。しかも，これらの共通電極またはアース電極は広い範囲にわたって設けられ（分布し）ている。したがって，多数ある筋肉のうちでどの筋肉に電気刺激を与えているのかを特定するのが困難であった。この発明の電気刺激装置を用いると，上述のように多数の電極のうちの任意の２つ（またはそれ以上）を別個に選択して電気刺激を与えることができるので，電極間の電気通路を想定して電気刺激信号を印加することができるために，電気刺激を与える筋肉を特定することが可能となる。

この発明の電気刺激装置はリハビリテーション，トレーニング，動きの補助，積極的な指等の運動，人体部位とそれを動かす筋肉との関係の研究，その他の研究に応用することができる。

上記電極を装着しやすくするために複数の電極を１つの絶縁性ベルトに，または２群に分けて，２つの絶縁性ベルトに設けることが好ましい。

一実施態様では，上記中立有単極双投型のスイッチング回路が２つの半導体スイッチング回路を備える。各半導体スイッチング回路の一方の接続端は対応する電極に接続され，他方の接続端は上記電気刺激信号発生回路の２つの出力端にそれぞれ接続される。上記半導体スイッチング回路は好ましくはフォトカプラである。

複数の電極と電極間における電流経路を示す。複数の電極と電極間における電流経路を示す。一実施例の電気刺激装置の電気的構成を示すブロック図である。電気刺激信号発生回路の一例を示す回路図である。中立有単極双投型スイッチング回路の一例を示す回路図である。電気刺激装置の他の実施例を示すブロック図である。電極の装着例を示す斜視図である。電極の装着例を示す斜視図である。

図１は複数の電極と電極間における電流経路を示している。Ｅ１〜Ｅ24までの24個の電極を想定する。

電極Ｅ１に着目すると，電極Ｅ１からＥ２，Ｅ３，Ｅ４，‥‥またはＥ24への23の電流経路がありうる。この発明では，これらのすべての電流経路のうちの１つまたは複数を独立に選択することができる。すなわち，任意の２つ以上の電極間に電流経路を形成することができる。電極Ｅ１とＥ２の組を選択し，これらの電極Ｅ１，Ｅ２間に電気刺激信号を印加すれば，電極Ｅ１からＥ２に向って（または極性に応じて，この逆方向の）刺激電流が流れる。電極Ｅ１とＥ２の組，電極Ｅ１とＥ３の組を同時に選択することも，情況によっては，可能である。この場合には刺激電流は電極Ｅ１からＥ２に向って流れるとともに，電極Ｅ１からＥ３に向って流れる。

図２は電極Ｅｎ（Ｅ17）に着目し，他の１または複数の電極からこの電極Ｅｎ（Ｅ17）に刺激電流が流れる様子を示している。

このように，この発明においては，複数の電極のうちの少なくとも２つの電極を任意に（別個に，または独立に）選択して，これらの電極間に電気刺激信号を与えることができる。もちろん，電極の数も24に限定されず，用途に応じて定めればよい。

図３はこの発明の実施例による電気刺激装置の電気的構成の概要を示すブロック図である。

電気刺激装置10は，複数の電極Ｅ１〜Ｅ24を含む電極装置20，これらの複数の電極のいずれかを選択するための個別的電極選択装置30，電気刺激信号発生回路40および制御装置50を含む。

一例として電極装置20は人の前腕に巻いて使用するもので（図７参照），絶縁体製のバンド（またはベルト）21を備え，このバンドの一面上に多数の電極Ｅ１〜Ｅ12とＥ13〜Ｅ24が間隔をあけて２列に配置されかつ固定されている。電極列間の間隔は，好ましくは，前腕の筋肉に，１つの指を独立に，または複数の指を同時に動かすことができる程度の電気刺激が与えられるように設定されている。各列内における電極間の間隔は，好ましくは，分解能に依存し，すなわち動かすべき指または電気刺激を与えるべき筋肉の選択と識別ができるように設定される。もちろん，これらの電極間隔は設計的事項であり，任意に定めることができる。また，図示のように，２列の電極を二直線状に配列する必要は必ずしもなく，使用部位形状，筋肉構造，等に応じて定めればよい。

バンド21はたとえば布製，ゴム製または合成樹脂製である。バンド21の両端部にはバンド21を固定するための（バンド21の両端部を互いに結合させるための）互いに着脱自在の面ファスナー22，23が設けられている。

電極は皮膚に密着して通電できるものであればよい。円形，方形，その他の任意の形状にすることができる。たとえば，パッドの中心に電極（通電部）を設け，その周囲の表面に粘着材を塗布し，電極（通電部）の表面には導電性ジェルを塗ったものでもよい。電極は金属でもよいし，可撓性をもつものでもよい。

個別的電極選択装置30は，複数の電極Ｅ１〜Ｅ24のそれぞれに設けられた中立有単極双投型のスイッチング回路Ｓ１〜Ｓ24を備えている。

中立有単極双投型スイッチング回路は，電極に接続される接続端ｔ３と，電気刺激信号発生回路40の２つの出力端Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ接続される２つの接続端ｔ１，ｔ２と，中立位置Ｎとを有しており，接続端ｔ３を接続端ｔ１，ｔ２または中立位置（中立接続端）Ｎのいずれかに切換え，かつその状態に保持するものである。

別の表現をすれば，中立有単極双投型スイッチング回路は，対応する電極を，電気刺激信号発生回路40の２つの出力端Ｔ１，Ｔ２のいずれかに接続するか，中立に維持するか（いずれの出力端Ｔ１，Ｔ２にも接続しない。電気的に浮いている，または出力端Ｔ１，Ｔ２から絶縁されている。）の３つの状態のうちのいずれか一つに切換えるものである。

電気刺激信号発生回路40はたとえば電気刺激パルス（または方形波）を発生するものである。パルス幅は電気刺激を与える時間に関係し，任意に設定することができる。電気刺激信号は一方向性（たとえば正，または負）のパルスでも，両極性（たとえば正のパルスと負のパルスと交互に繰返すもの）のパルスでもよく，パルス形状も矩形に限らず任意のパルス波形を採用しうる。また，電気刺激信号は三角波，鋸歯状波等，任意の波形の信号を採用しうる。さらに，電気刺激信号発生回路は後述するように，直流電圧（電流）を電気刺激信号として出力するものであってもよい。この場合には，中立有単極双投型スイッチング回路が直流からパルス（方形波）を生成する。

個別的電極選択装置30の動作の一例を挙げると，たとえばスイッチング回路Ｓ３が接続端ｔ１を選択し，スイッチング回路Ｓ13が接続端ｔ２を選択しているものとする（図３に図示の状態）。他のすべてのスイッチング回路は中立位置Ｎにある。

この状態では，電気刺激信号発生回路40の出力端Ｔ１はスイッチング回路Ｓ３を通して電極Ｅ３に接続され，出力端Ｔ２はスイッチング回路Ｓ13を通して電極Ｅ13に接続される。電気刺激信号発生回路40の出力端Ｔ１から正方向の刺激パルスが出力されると，この刺激パルスはスイッチング回路Ｓ３，電極Ｅ３を経て，前腕内の電流経路Ｐ１を通り，電極Ｅ13，スイッチング回路Ｓ13を経て出力端Ｔ２に戻る。負方向のパルスは上記とは逆方向に流れることになる。

このようにして，電極装置20が装着された人体の部位において，スイッチング回路による接続を切換えることにより，任意の２つ（またはそれ以上）の電極を選択して，これらの電極が設けられた箇所の間において人体内に電流経路を形成することができる。一方の列の電極Ｅ１〜Ｅ12と他方の列の電極Ｅ13〜Ｅ24との間の電流経路のみならず，一方の列の電極間，たとえば電極Ｅ１とＥ３との間に電流経路を形成することもできる。

図４は電気刺激信号発生回路40の一例を示すものである。この回路40は正の電気刺激パルスを発生するもので，整流平滑回路または電源回路41と，その正端子に接続されたスイッチング回路42とから構成され，スイッチング回路42の出力側が出力端Ｔ１に，回路41の負出力側（接地側）が出力端Ｔ２にそれぞれ接続されている。スイッチング回路42は制御装置50から出力される制御パルスにより制御される。すなわち，スイッチング回路42がオンとされたときのみ正の電気刺激パルスが出力端Ｔ１（出力端Ｔ１とＴ２の間）から出力される。

スイッチング回路42としては，フォトカプラやフォト（光）MOSFETなどの電気的絶縁性をもつものが好ましい。これにより，電極（人体）を電源から電気的に絶縁することができる。

２つの電源回路を設けて，その出力側を交互に切換えてスイッチング回路42に接続するようにすれば，または，図４に示す回路を２系統設けてその出力を交互に切換えて出力端Ｔ１，Ｔ２に出力するようにすれば，正，負方向に交互に反転する二方向性の刺激パルス信号を得ることができる。電源回路は定電流機能を持つことが好ましい。

制御装置50は外部からの設定，または予め組込まれたプログラムに応じて，個別的電極選択装置30におけるスイッチング回路の切換えを制御するとともに，電気刺激信号発生回路40に制御パルスを与えるものである。制御装置50は，選択される少なくとも一の電極に接続されたスイッチング回路を電気刺激信号発生回路40の一方の出力端Ｔ１に，選択される他の電極に接続されたスイッチング回路を電気刺激信号発生回路40の他方の出力端Ｔ２にそれぞれ接続するように切換え，残りのすべての電極に接続されたスイッチング回路を中立位置Ｎに維持するように制御するものである。

図５は中立有単極双投型スイッチング回路の一例を示すものである。この図は代表的に２つのスイッチング回路Ｓ１，Ｓ２のみを示すが，他のスイッチング回路も同じように構成できる。

中立有単極双投型スイッチング回路Ｓ１は２つの半導体スイッチング回路（フォトカプラ）51Ａと51Ｂとから構成されている。半導体スイッチング回路51Ａ，51Ｂの一例としてはPhotoMOSリレーAQV221である。

この半導体スイッチング回路51Ａ，51Ｂの一方の接続端（回路51Ａのピン５と回路51Ｂのピン６）は電極Ｅ１に共通に接続され（端子ｔ３に対応），半導体スイッチング回路51Ａの他方の接続端（ピン６）（端子ｔ１に対応）は電流平滑または電源回路40Ａの一方の出力端子Ｔ１に，半導体スイッチング回路51Ｂの他方の接続端（ピン５）（端子ｔ２に対応）は整流平滑または電源回路40Ａの他方の出力端子Ｔ２にそれぞれ接続されている。電気刺激信号発生回路は直流電圧（電流）を出力する整流平滑または電源回路40Ａにより実現されている。

半導体スイッチング回路51Ａの制御端子には制御装置50からの制御パルスが与えられる。

半導体スイッチング回路51Ａにハイ（High）レベルの制御信号（制御パルス）が与えられ，半導体スイッチング回路51Ｂにロー（Low ）レベルの制御信号が与えられている（制御パルスは与えられない）ときには，整流平滑または電源回路40Ａの正出力端子Ｔ１から半導体スイッチング回路51Ａを経て電極Ｅ１に電流が流入する。半導体スイッチング回路51Ｂは導通せず，中立に維持される。

半導体スイッチング回路51Ｂにハイレベルの制御信号が与えられ，半導体スイッチング回路51Ａにローレベルの制御信号が与えられているときには，電極Ｅ１からの電流が半導体スイッチング回路51Ｂを通り，整流平滑または電源回路40Ａの負出力端子Ｔ２に流入する。半導体スイッチング回路51Ａは導通せず，中立位置に維持される。

半導体スイッチング回路51Ａ，51Ｂの制御信号がいずれもローレベルに保持されているときには（制御パルスが与えられていないときには），いずれの半導体スイッチング回路51Ａ，51Ｂも整流平滑または電源回路40Ａと電極Ｅ１との間の回路を遮断している（中立となる）。

他のスイッチング回路Ｓ２等も同じ構成，動作である。

制御装置50は好適にはコンピュータ（およびその周辺回路）により実現される。

図６は他の実施例の電気刺激装置を示すものである。図３に示すものと同一物には同一符号を付し，重複説明を避ける。

２つのバンド21Ａ，21Ｂが設けられている。電極Ｅ１〜Ｅ24が２群に分けられ，一方の群の電極Ｅ１〜Ｅ12がバンド21Ａに，他方の群の電極Ｅ13〜Ｅ24がバンド21Ｂにそれぞれ設けられている。バンド21Ａ，21Ｂにはそれぞれ面ファスナ22，23が備えられ，前腕に別個に装着することができる（図８参照）。

電気刺激信号発生回路40は，整流平滑または電源回路41の回路部分40Ａと，各スイッチング回路に対応してそれぞれ設けられた複数のスイッチング回路42を含む駆動回路部分40Ｂとから構成される（図５に示すようなスイッチング回路Ｓ１，Ｓ２等を用いれば，スイッチング回路42は不要となる）。

整流平滑または電源回路部分40Ａはすべてのスイッチング回路42に共通である。スイッチング回路42は個別的電極選択回路30内のスイッチング回路の接続端ｔ１に接続されている。

図６においては，スイッチング回路Ｓ３が接続端ｔ２に接続され，スイッチング回路Ｓ16が接続端ｔ１に接続されることにより，電極Ｅ16から電極Ｅ３に向う電流経路が形成されている様子が描かれている。

図７および図８は電極装置の使用例を示すものである。図７において，図３に示す電源装置20が用いられている。バンド21が前腕にしっかりと固定され，すべての電極が前腕の皮膚に接している。個別的電極選択装置のスイッチング回路に接続されるリボンケーブル25内のワイヤ（導線）がそれぞれ電極装置20の各電極Ｅに接続されている。図７，図８において電極は単に符号Ｅで示されている。

図８においては図６に示す電極装置20Ａ，20Ｂが用いられている。２群の電極Ｅはそれぞれバンド21Ａ，21Ｂに設けられているから，バンド21Ａ，21Ｂを固定する間隔を調整することにより，２群の電極Ｅ間の間隔を調整することができる。

上記実施例では複数の電極は１または複数のバンドに設けられ（固定され）ているが，バンド以外の絶縁性保持部材に設けてもよいし，保持部材を用いなくてもよい。保持部材を用いない場合には，各電極はそれ単独で皮膚に貼りつけることになる。電極は前腕や手首のみならず，足その他の筋肉を刺激する必要のある部分に取付けることができる。

特許文献１や非特許文献１に記載の電気刺激装置では，個別電極（一般に陽極，正の電圧が加わる）を選択することができるが，共通電極またはアース側の電極は，非特許文献１に記載のようにそれが多数設けられていても，選択することはできず常に一定電位（一般にはグラウンド・レベル）が加えられており，それらが広い範囲にわたって設けられ（分布し）ている。したがって，多数ある筋肉のうちでどの筋肉に電気刺激を与えているのかを特定するのが困難であった。上記実施例の電気刺激装置を用いると，多数の電極のうちの任意の２つ（またはそれ以上）を別個に選択して電気刺激を与えることができるので，電極間の電気通路を想定して電気刺激信号を印加することができるために，電気刺激を与える筋肉を特定することが可能となる。

上述の電気刺激装置はリハビリテーション，トレーニング，動きの補助，積極的な指等の運動，人体部位とそれを動かす筋肉との関係の研究等に応用することができる。さらに次に示すようなサイエンスへの応用例も考えられる。

すなわち，ヒトの脳のどの部位がヒトの手指の動作学習するのに関わっているのかを，推定することである。この電気刺激装置の複数の電極を被験者の前腕に装着し，特定の手指を長期間動作させる。このとき，被験者は自身で上記の手指を動かさない。被験者は，自身の意思と自身の脳の指令信号によって上記の手指を動かさなくなるので，上記の手指を自身の手指だと認識しなくなる。被験者が上記の手指を自身の手指だと認識しなくなった状態で，電気刺激装置を外す。その後，被験者に上記の手指の動作練習をしてもらう。このときの被験者の脳の状態を脳波計やfMRI（functional Magnetic Resonance Imaging ，機能的磁気共鳴画像診断装置）等を用いて計測し，手指の動作学習の際に活性化した脳の部位を推定するのである。

10 電気刺激装置
20 電極装置
21，21Ａ，21Ｂバンド（ベルト）
30 個別的電極選択装置
40，40Ａ電気刺激信号発生回路
50 制御装置
51Ａ，51Ｂ，52Ａ，52Ｂ半導体スイッチング回路（フォトカプラ）
Ｅ１，Ｅ２，‥‥，Ｅ12，Ｅ13，‥‥，Ｅ24，Ｅｎ，Ｅ電極
Ｓ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ12，Ｓ13，‥‥，Ｓ24 中立有単極双投型スイッチング回路
Ｔ１，Ｔ２電気刺激信号発生回路の出力端
ｔ１，ｔ２，Ｎ中立有単極双投型スイッチング回路の接続端

Claims

前腕用絶縁性ベルトと，
電気刺激信号を出力する電気刺激信号発生回路と，
前記絶縁性ベルトの一面上に互いに離れて配置された一方の列の複数の電極と，
前記絶縁性ベルトの一面上に互いに離れて配置され，かつ上記一方の列の複数の電極とも間隔を置いて配置された他方の列の複数の電極と，
上記の各列の複数の電極のそれぞれについて設けられ，対応する電極を上記電気刺激信号発生回路の２つの出力端のいずれかに接続するか，または中立に維持するかの３つの状態のうちのいずれか一つに切換える複数の中立有単極双投型のスイッチング回路を備える個別的電極選択装置と，
上記一方の列の複数の電極から選択された少なくとも１つの電極に接続されたスイッチング回路を上記電気刺激信号発生回路の一方の出力端に接続し，上記他方の列の複数の電極から選択された少なくとも１つの電極に接続されたスイッチング回路を上記電気刺激信号発生回路の他方の出力端に接続するよう切換え，残りのすべての電極に接続されたスイッチング回路を中立に維持するように制御する制御装置とを備える電気刺激装置。
上記一方の列の複数の電極と他方の列の複数の電極が１つの絶縁性ベルトに設けられている，請求項１に記載の電気刺激装置。
上記一方の列の複数の電極と他方の列の複数の電極が各列ごとに別個の２つの絶縁性ベルトのそれぞれに設けられている，請求項１に記載の電気刺激装置。
上記中立有単極双投型のスイッチング回路が２つの半導体スイッチング回路を備え，各半導体スイッチング回路の一方の接続端は対応する電極に接続され，他方の接続端は上記電気刺激信号発生回路の２つの出力端にそれぞれ接続されている，
請求項１から３のいずれか一項に記載の電気刺激装置。
上記半導体スイッチング回路がフォトカプラである，請求項４に記載の電気刺激装置。