JP6424402B2 - 生体電気刺激装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気刺激信号により生体に刺激を与える生体電気刺激装置に関するものである。

筋肉増強、筋肉の引き締め、疲労回復を目的として、電気的筋肉刺激法（ＥＭＳ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｕｓｃｌｅ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を用いた生体電気刺激装置が実用化されている。

生体電気刺激装置は、皮膚に覆われた電気の良導体である人体に、電気刺激信号である電流を直接流して筋を刺激すると、運動神経が興奮して筋収縮が起こることを利用している。矩形波パルスなどで単発の電気刺激を与えた場合、単縮といわれる瞬間的な収縮が起こる。一方で、同じ電気刺激を複数回与えた場合、加重が生じてより大きな収縮力が得られるが、ＥＭＳではこれを利用している。

ところで、電気刺激信号の周波数が低周波の場合は表層筋に作用し、高周波の場合は深層筋に作用するため、周波数の値は電気刺激において重要な因子の一つである。生体電気刺激装置に用いられる周波数帯として、１キロヘルツ以下は低周波、１キロヘルツ〜１０キロヘルツは中周波、１０キロヘルツ以上は高周波と称される。

その他、電気刺激信号の波形、パルス幅、振幅、その他の条件により、刺激の強弱や筋収縮の仕方が異なることがわかっており、種々の波形が用いられている。

特許文献１には、所定の繰り返し周波数で出力される矩形波パルスをパルス幅変調し、この矩形波パルスよりも高い周波数成分を複数含む矩形波パルス群の繰り返しを刺激信号とする生体刺激装置が記載されている。この場合、矩形波パルス群が立ち上がりから所定時間幅の半分が経過するまでは、個々のオンパルスの時間幅が徐々に拡がり、その後立ち下がりに近づくに従って個々のオンパルスの時間幅が徐々に狭まる。

特許文献２には、同一群内で同一の周期を有する複数の矩形波パルスによって構成される矩形波パルス群の繰り返しを刺激信号として出力し、さらに矩形波パルス群を正負交互に周期的に繰り返し出力し、複数の矩形波パルス群からなる所定の時間幅において、この時間幅の半分が経過するまでは、正負一組の矩形波パルス群を出力する毎に矩形波パルスのデューティを徐々に大きくし、その後この時間幅が終わりに近づくに従って、正負一組の矩形波パルス群が出力する毎に矩形波パルスのデューティを小さくする生体刺激装置が記載されている。

特許文献３には、低周波パルス信号波と高周波信号波とを重畳させた合成波を刺激信号とし、低周波パルス信号波のオン状態時に高周波信号波が低周波パルス信号波に重畳され、合成波はそのレベルが重畳開始時点から徐々に上昇するように構成された合成波であり、合成波のオン・オフ周期を連続して組み合わせた電気的生体刺激用波形発生装置が記載されている。

特許第３５０３１３５号公報 特許第４１７４８３１号公報 国際特許出願第ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０６３５７９号

しかし、上記従来の生体電気刺激装置を使用した場合、低周波信号に高周波信号を重畳させた合成波を電気刺激信号として用いているため深層筋に刺激を付与できるが、生体の深さ方向における刺激位置は限定され、深さ方向全体にわたって刺激されなかった。また、電気刺激信号が規則的で単調であるため、長期間にわたって継続して使用する意欲を消失させることがあった。かかる事情に鑑み、本発明は、生体に付与する刺激パターンを変化することができる生体電気刺激装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成し得た本発明の生体電気刺激装置は、第１信号と第２信号とを含む電気刺激信号を生成する刺激発生手段を備えた生体電気刺激装置であって、前記第１信号は、低周波信号に高周波信号を重畳させた合成波であり、前記第２信号は、低周波信号に周波数が前記高周波信号よりも低い中周波信号を重畳させた合成波であり、前記電気刺激信号は、前記第１信号と前記第２信号が交互に出力されることを特徴とするものである。このような本発明の生体電気刺激装置は、従来から用いられている低周波信号に高周波信号を重畳させた合成波に加えて、低周波信号に中周波信号を重畳させた合成波を電気刺激信号として用いているため、深層筋及び表層筋だけではなく、深層筋のうち、比較的浅い部位に位置する筋に対しても刺激を付与することができる。また、第１信号と第２信号を交互に出力することにより、刺激パターンを複雑に変化させることができる。

本発明の生体電気刺激装置においては、前記第１信号の出力開始から前記第２信号の出力開始までの時間幅は、前記第２信号の出力開始から前記第１信号の次の出力開始までの時間幅の整数倍であることが好ましい。第１信号と第２信号の出力時間幅に一定の差を設けることで、生体に付与する刺激パターンのリズムを変化させることができる。

本発明の生体電気刺激装置においては、前記低周波信号は、正負交互に出力される矩形波または三角波であることが好ましい。矩形波は、立ち上がり及び立ち下がりが速く、強縮が速やかに進むことから、刺激感を強くすることができる。三角波は立ち上がり及び立ち下がりが矩形波に比べて緩やかであるため、強縮がゆっくり進むことから、刺激感を柔らかくすることができる。

本発明の生体電気刺激装置においては、前記低周波信号は、第１所定時間毎に第１所定時間に対するオン状態での出力時間の割合（デューティ比）が変化することが好ましい。デューティ比が大きい場合は刺激が連続的になるため、刺激感が強くなる。一方、デューティ比が小さい場合は、刺激は間欠的になるため、刺激感は弱くなる。デューティ比が変化することで、刺激を与える時間間隔を変化させることができ、刺激感に強弱をつけることができる。

本発明の生体電気刺激装置においては、前記低周波信号の振幅は、手動で調節できることが好ましい。使用目的、使用者の体調、好みなどに合わせて、生体に加える刺激の強弱を調節することができる。

本発明の生体電気刺激装置においては、前記低周波信号の振幅は、複数の第１所定時間からなる第２所定時間の途中から終わりにかけて徐々に減少することが好ましい。この態様によれば、電気刺激信号が付与されたときの刺激に強弱が生じ、刺激のリズムに変化を加えることができる。

本発明の生体電気刺激装置においては、前記デューティ比は、前記第１信号の出力開始から前記第２信号の出力開始までの間に増加及び減少が二回なされ、前記第２信号の出力開始から前記第１信号の次の出力開始までの間に増加及び減少が一回なされることが好ましい。この態様によれば、刺激を与える時間間隔を変化させることができ、刺激感に強弱をつけることができる。

本発明の生体電気刺激装置においては、前記デューティ比が、０．５以上０．９以下であることが好ましい。使用者の安全を確保しつつ、必要な刺激を付与することができる。

本発明の生体電気刺激装置は、第１信号と第２信号とを含む電気刺激信号を生成する刺激発生手段を備え、第１信号は、低周波信号に高周波信号を重畳させた合成波であり、第２信号は、低周波信号に周波数が前記高周波信号よりも低い中周波信号を重畳させた合成波であり、第１信号と第２信号が交互に出力されることを特徴とする。本発明の生体電気刺激装置は、低周波信号及び高周波信号の合成波だけではなく、低周波信号及び中周波信号の合成波を電気刺激信号として用いているため、深層筋及び表層筋だけではなく、深層筋のうち、比較的浅い部位に位置する筋に対しても刺激を付与することができる。また、従来の規則的な刺激の単調さを回避することができ、長期間にわたって継続して使用することができる。

図１は本発明の生体電気刺激装置の外形を示す図である。 図２は本発明の生体電気刺激装置の刺激発生手段のブロック図である。 図３は本発明の生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号の説明図である。 図４は本発明の実施の形態１に係る生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号の説明図である。 図５は本発明の実施の形態２に係る生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号の説明図である。 図６は本発明の実施の形態３に係る生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号の説明図である。 図７は本発明の実施の形態４に係る生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号の説明図である。

本発明の生体電気刺激装置は、低周波信号に高周波信号を重畳させた合成波である第１信号と、低周波信号に周波数が前記高周波信号よりも低い中周波信号を重畳させた合成波である第２信号とを含む電気刺激信号を生成する刺激発生手段を備え、第１信号と第２信号が交互に出力されるものである。本発明において、低周波信号、高周波信号、中周波信号は電圧が周期的に変動する信号であり、それぞれ周波数が低い信号、高い信号、高周波信号より低い信号を指す。低周波信号に高周波信号が重畳された合成波である第１信号は、低周波成分と高周波成分を含んでいるため、生体に付与すると表層筋及び深層筋に作用する。一方、低周波信号に中周波信号が重畳された合成波である第２信号は、高周波よりも低い周波数成分を含んでいるため、生体に付与すると、表層筋と深層筋のうち比較的浅い部位に位置する筋に作用する。さらに、第１信号と第２信号を交互に出力、つまり生体に電気刺激信号として付与すると、常に表層筋が刺激され、かつ深層筋と深層筋のうち比較的浅い部位に位置する筋肉とが交互に刺激される。これにより、生体の深さ方向が全体にわたって刺激されることになり、また、刺激パターンを複雑にさせることができるため、長期間にわたって継続して使用するのが容易になる。

生体電気刺激装置の全体構成を図１に基づき説明する。以下、本発明の理解を容易にするため、図面で用いた符号を適宜付して説明するが、本発明は図示例に限定されるものではなく、符号により発明特定事項が限定されるものでもない。

図１は、本発明に係る生体電気刺激装置の外形を示す図である。本発明の生体電気刺激装置は、電気刺激信号の入力操作を行うための入力部と、電気刺激信号を生成する刺激発生手段と、生体に電気刺激信号を付与するための出力部から構成されている。

（１）入力部
生体電気刺激装置１の正面には、図１に示されるように、入力部である操作パネルが設けられている。電源の入切を操作するための電源ボタン２、低周波信号の出力レベルを手動で調整するための振幅調整つまみ４、動作継続時間の設定を行うためのタイマー設定つまみ６、動作モードを選択するためのモード切替ボタン８が設けられている。

また、生体電気刺激装置１の正面には、図１に示されるように、電源の入切状態を表示するための電源表示ランプ３、低周波信号の出力レベルを表示するための出力表示ランプ５、動作継続時間の残り時間を表示するためのタイマー表示ランプ７、動作モードを表示するためのモード表示部９がそれぞれ配設されている。

本発明に係る生体電気刺激装置１の使用にあたっては、電源を入にし、モード切替ボタン８により特定の動作モードを選択し、スタートボタンを操作する。選択した動作モードに沿った電気刺激信号が刺激発生手段（図示しない）によって生成され、出力部である導子（図示しない）から出力される。

（２）刺激発生手段
図２に刺激発生手段のブロック図を示す。刺激発生手段は、信号発生器、波形合成回路、波形調整回路、ＣＰＵを備えている。信号発生器では、入力部で操作された入力信号に基づき、図３上段に示すように、所定の周波数、振幅の高周波信号、中周波信号及び低周波信号が生成される。図３の縦軸は電圧、横軸は時間を示している。波形合成回路では、第１信号、第２信号及び電気刺激信号の生成を行う。第１信号は、低周波信号に高周波信号を加算または減算して重畳された合成波である。また、第２信号は、低周波信号に中周波信号を加算または減算して重畳された合成波である。そして、第１信号と第２信号が所定の時間毎に交互に出力されるように結合されたのが、図３下段に示す電気刺激信号である。波形調整回路では、波形合成回路で生成された電気刺激信号の周波数や振幅の調整、各波形の同期がなされ、出力信号が生成される。ＣＰＵには、記憶装置、演算処理装置が内蔵され、記憶装置にあらかじめ記憶されたデータに基づき、回路及び機器の制御やデータの計算及び処理を行う。

ここで、低周波信号は、電圧が周期的に変動する信号である。低周波信号は、アナログ信号でもよいし、デジタル信号でもよい。正の信号のみ、負の信号のみ、またはこれらの組み合わせでもよいが、正負の信号を組み合わせることが好ましい。低周波信号の波形としては、例えば、矩形波、パルス波、正弦波、半月波、三角波、またはこれらの合成波を用いることができる。特に、本発明においては、矩形波または三角波を用いるのが好ましい。矩形波は、立ち上がり及び立ち下がりが速いため、強縮が速やかに進むことから、人体に対する刺激感を強くすることができる。一方、三角波は立ち上がり及び立ち下がりが矩形波に比べて緩やかであるため、強縮はゆっくり進むことから、人体に対する刺激感を柔らかくすることができる。いずれの波形も、目的に応じて選択することができる。図３では、正負交互に出力される矩形波を低周波信号として用いた。

低周波信号として用いる周波数は１キロヘルツ以下が一般的であり、なかでも５０ヘルツ程度が最も筋の収縮を強く起こすが、２０キロヘルツまでは刺激反応が起こる。したがって、低周波信号の周波数は、１０ヘルツ以上１０キロヘルツ以下が好ましく、５０ヘルツ以上６キロヘルツ以下がより好ましく、５００ヘルツ以上４キロヘルツ以下がさらに好ましい。

高周波信号は、電圧が周期的に変動する信号であって、その周波数が低周波信号よりも高いものをいう。高周波信号のアナログ／デジタル、正負、波形については低周波信号の場合と同様に適宜設定することができる。高周波信号の周波数は、低周波信号及び中周波信号の周波数よりも大きければ特に限定されないが、低周波信号の周波数の１０倍以上が好ましく、３０倍以上がより好ましく、５０倍以上がさらに好ましい。１００キロヘルツ以上１０メガヘルツ以下が好ましく、３００キロヘルツ以上８００キロヘルツ以下がより好ましく、５５０キロヘルツ以上６５０キロヘルツ以下がさらに好ましい。

中周波信号は、電圧が周期的に変動する信号であって、その周波数が高周波信号の周波数よりも小さいものをいう。中周波信号のアナログ／デジタル、正負、波形については低周波信号の場合と同様に適宜設定することができる。中周波信号の周波数は、高周波信号の周波数よりも小さければ特に限定されないが、高周波信号よりも２０キロヘルツ以上小さいことが好ましく、２００キロヘルツ以上小さいことがより好ましく、４５０キロヘルツ以上小さいことがさらに好ましい。特に、中周波信号の周波数は２０キロヘルツ以上８０キロヘルツ以下であることが好ましく、３０キロヘルツ以上７０キロヘルツ以下であることがより好ましく、４０キロヘルツ以上６０キロヘルツ以下であることがさらに好ましい。これにより、刺激部位や刺激パターンに変化を加えることができる。

（３）出力部
出力部である導子は、生体に電気刺激信号を付与するものであり、大きさ、材質などは特に限定されない。刺激部位に密着するような、粘着剤が塗布された電極、衣類に装着された電極など、市販のものを用いることができる。

（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号を示すものである。図４では、第１信号の出力開始から第２信号の出力開始までの時間幅Ｔ_１２を、第２信号の出力開始から第１信号の次の出力開始までの時間幅Ｔ_２１の２倍に設定しているが、Ｔ_１２及びＴ_２１の値は適宜設定することができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号を示すものである。図５では、低周波信号として、正負交互に出力される矩形波を用いており、第１所定時間Ｔ_１に対する、低周波信号がオン状態である出力時間Ｔ_ＯＮの割合を示すデューティ比ｄ（＝Ｔ_ＯＮ／Ｔ_１）は第１所定時間Ｔ_１毎に０．５、０．７、０．９、０．７、０．５と変化するのを繰り返している。これにより、刺激感の強弱を所定のリズムで変化させることができる。図５では、第１所定時間Ｔ_１を５０ミリ秒としたが、この値は適宜設定することができる。また、第２所定時間Ｔ_２は、連続する複数の第１所定時間の時間幅である。図５では、第２所定時間Ｔ_２は５Ｔ_１、つまり２５０ミリ秒としたが、その値は適宜設定することができる。

デューティ比ｄは、一般に０．５が用いられるが、筋肉に対してより大きい負荷をかけたいときはデューティ比の値をさらに大きくすることも可能である。しかしながら、デューティ比の値が大きすぎる、つまり刺激時間が長すぎると疲労をきたしてしまうため、使用者の安全確保の観点からデューティ比の値は適切に設定されることが望ましい。低周波信号のデューティ比ｄは、０．４以上０．９５以下が好ましく、０．５以上０．９以下がより好ましく、０．６以上０．８以下がさらに好ましい。これにより、使用者の安全を確保しつつ、必要な刺激を付与することができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号を示すものである。図６において、低周波信号の振幅は、複数の第１所定時間Ｔ_１からなる第２所定時間Ｔ_２の途中から終わりにかけて徐々に減少している。つまり、第２所定時間Ｔ_２の開始時点が最も振幅が大きいため、生体に与える刺激も強いものになっているが、時間の経過に従って、生体に与える刺激は弱くなっている。これにより、電気刺激信号が付与されたときの刺激に強弱が生じ、刺激のリズムに変化を加えることができる。

本発明の実施の形態３では、第２所定時間Ｔ_２は第１所定時間Ｔ_１の５倍に設定したが、これに限らず、動作モードに応じて適宜設定することができる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る生体電気刺激装置から出力される電気刺激信号を示すものである。図７において、低周波信号のデューティ比ｄは、前記第１信号の出力開始から前記第２信号の出力開始までの間に増加及び減少が二回なされ、前記第２信号の出力開始から前記第１信号の次の出力開始までの間に増加及び減少が一回なされている。低周波信号の出力開始からデューティ比ｄが増加するにつれ、生体への刺激感は徐々に強まっていくが、デューティ比ｄが所定の最大値まで到達した後はデューティ比ｄが減少し、生体への刺激感は徐々に弱まっていく。これにより、刺激を与える時間間隔を変化させることができ、刺激感に強弱をつけることができる。

１：生体電気刺激装置
２：電源ボタン
３：電源表示ランプ
４：振幅調整つまみ
５：出力表示ランプ
６：タイマー設定つまみ
７：タイマー表示ランプ
８：モード切替ボタン
９：モード表示部
１０：スイッチ音表示ランプ
１１：スイッチ音調整ボタン
１２：動作音表示ランプ
１３：動作音調整ボタン

Claims (8)

1. 第１信号と第２信号とを含む電気刺激信号を生成する刺激発生手段を備えた生体電気刺
   激装置であって、
   前記第１信号は、正負交互に出力される低周波信号に高周波信号を重畳させた合成波で
   あり、
   前記第２信号は、前記低周波信号に周波数が前記高周波信号よりも低い中周波信号を重
   畳させた合成波であり、
   前記電気刺激信号は、前記第１信号と前記第２信号が交互に出力されるものであり、
   前記第１信号は、正であって連続してオン状態である前記低周波信号に前記高周波信号
   を重畳させた正区間と、負であって連続してオン状態である前記低周波信号に前記高周波
   信号を重畳させた負区間と、が交互に繰り返して複数個出力されるものであり、
   前記第２信号は、正であって連続してオン状態である前記低周波信号に前記中周波信号
   を重畳させた正区間と、負であって連続してオン状態である前記低周波信号に前記中周波
   信号を重畳させた負区間と、が交互に繰り返して複数個出力されるものであり、
   前記電気刺激信号は、前記第１信号の前記正区間と前記負区間の間に、前記第２信号が
   存在しない区間を有することを特徴とする生体電気刺激装置。
2. 前記低周波信号の振幅は、手動で調節できる請求項１に記載の生体電気刺激装置。
3. 前記第１信号の出力開始から前記第２信号の出力開始までの時間幅は、前記第２信号の
   出力開始から前記第１信号の次の出力開始までの時間幅の整数倍である請求項１または２
   に記載の生体電気刺激装置。
4. 前記低周波信号は、正負交互に出力される矩形波または三角波である請求項１〜３のい
   ずれか一項に記載の生体電気刺激装置。
5. 前記低周波信号は、第１所定時間毎に、第１所定時間に対するオン状態での出力時間の
   割合（デューティ比）が変化する請求項１〜４のいずれか一項に記載の生体電気刺激装置
   。
6. 前記デューティ比は、前記第１信号の出力開始から前記第２信号の出力開始までの間に
   増加及び減少が二回なされ、前記第２信号の出力開始から前記第１信号の次の出力開始ま
   での間に増加及び減少が一回なされる請求項５に記載の生体電気刺激装置。
7. 前記デューティ比が、０．５以上０．９以下である請求項５または６に記載の生体電気
   刺激装置。
8. 前記低周波信号の振幅は、複数の第１所定時間からなる第２所定時間の途中から終わり
   にかけて徐々に減少する請求項１〜７のいずれか一項に記載の生体電気刺激装置。