JP7094528B2 - 電気的刺激装置 - Google Patents

Description

本発明は、筋肉トレーニング及び廃用性症候群等による筋萎縮の予防並び治療、筋肉の疼痛の治療において電気刺激を効率よく行うことができる電気的刺激装置に関するものであり、特に、痩身効果の高い電気的刺激装置に関する。

電気信号を外部より神経組織や筋組織に与え、筋肉を収縮させることにより、運動機能を改善させたり、運動機能を強化する電気的筋肉刺激（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｕｓｃｌｅ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ＥＭＳ）法は、アスリートの筋肉トレーニングや、廃用性症候群や筋萎縮性疾患患者のリハビリテーションなどで、一定の効果を上げている。ＥＭＳ法による電気刺激は、本来ならば随意的に行われる筋肉の収縮を、中枢神経支配とは関係なく起こさせる。従って、体が静止状態であっても、筋肉に対して、一定の運動を行っているのと同じ負荷をかけることができる。その結果、体を激しく動かす運動を行うことなく筋繊維を太く強化させ、また、脊髄損傷や、筋萎縮性側索硬化症などにより、運動ニューロンからの刺激が断絶された筋組織においても、無作為による筋組織の萎縮を防ぐことができる。

また、ＥＭＳ装置を用いた筋肉トレーニングによって筋肉量が増大することにより、基礎代謝が上がり、その結果として、脂肪を減少させることができる。そのため、電気的刺激装置の中には、販売戦略として美容痩身効果があることを謳っている商品も存在する。

しかし、電気刺激自体には、脂肪を燃焼させる効果は殆どないため、装置の使用開始から脂肪減少の効果が実感できるまでに相当な時間がかかってしまう。そのため、使用者が装置の使用を途中で諦めてしまい、期待通りの痩身効果を得られないケースが多い。また殆ど全ての美容痩身用機器では、複数の器具の併用が禁止されている為、併設利用はできない。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、短期間で痩身効果を得られる電気的刺激装置の提供を目的とする。

出願人は、鋭意研究を重ねた結果、生体へ電気的刺激を付与すると同時に、熱作用を生じさせる電磁波を付与することにより、脂肪燃焼が相乗的に促進されて、短期間に痩身効果が得られることを見出した。
項１．
生体の皮膚に当接される電極パッドと、
前記電極パッドを介して前記生体に刺激を与えるための電流を発生する電流発生部と、
前記電極パッドを介して前記生体に熱作用を生じさせるための電磁波を発生する電磁波発生部と、
を備えた電気的刺激装置。
項２．
前記電磁波は超短波である、項１に記載の電気的刺激装置。
項３．
前記電磁波は超短波、マイクロ波または赤外線である、項１に記載の電気的刺激装置。
項４．
前記電磁波発生部は、出力端にハイパスフィルタを備えている、項１～３のいずれかに記載の電気的刺激装置。
項５．
前記電流は、周波数が１ｋＨｚ～１００ｋＨｚのパルス電流である、項１～４のいずれかに記載の電気的刺激装置。
項６．
前記電流発生部は、出力端にローパスフィルタを備えている、項１～５のいずれかに記載の電気的刺激装置。
項７．
前記電流発生部によって前記生体を流れる電流に基づいて前記生体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
前記インピーダンス測定部によって測定された前記インピーダンスに基づいて、前記電流による刺激の強度を調整する刺激強度調整部と、
をさらに備えた、項１～６のいずれかに記載の電気的刺激装置。
項８．
前記電流はパルス電流であり、
前記刺激強度調整部は、前記パルス電流のデューティ比を変化させることにより、前記刺激の強度を調整する、項７に記載の電気的刺激装置。

本発明によれば、短期間で痩身効果を得られる電気的刺激装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電気的刺激装置の概略図である。 図１に示す電気的刺激装置の刺激発生部の具体的な回路構成例である。 電極パッドから出力される電流および超短波の周波数帯を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る電気的刺激装置の概略図である。 図４に示す電気的刺激装置の電流発生部の具体的な回路構成例である。 図４に示す電気的刺激装置における、ＥＭＳ発振器からのパルスの波形、および刺激電流の波形の一例である。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態について、図１～図３を参照して説明する。

（装置の概要）
図１は、本実施形態に係る電気的刺激装置１の概略構成を示す図である。電気的刺激装置１は、一対の電極パッド２，３と、刺激発生部４と、制御部５とを備えている。

図１に示すように、電極パッド２，３は、使用者の生体Ｌの皮膚に当接される。一方の電極パッド２は、例えば胴体周りの腹側の皮膚に当接され、他方の電極パッド３は、胴体周りの背側の皮膚に当接される。なお、電極パッド２，３の位置はこれに限定されず、例えば、電極パッド２，３を胴体周りの腹側の左右に当接させてもよい。

刺激発生部４は、電極パッド２，３に接続されており、電極パッド２，３を介して生体Ｌに電気的な刺激を与える。刺激発生部４は、電流発生部４１と電磁波発生部４２とを備えている。

電流発生部４１は、電極パッド２，３を介して生体Ｌに刺激を与えるための電流ＩＳを発生する。電流発生部４１が発生した電流ＩＳは、電極パッド２に印加され、使用者の腹部を貫通して電極パッド３に流れる。電流ＩＳによって筋肉７を収縮させることにより、筋力向上効果を得ることができる。

電磁波発生部４２は、電極パッド２，３を介して生体Ｌに熱作用を生じさせるための電磁波を発生する。本実施形態では、電磁波発生部４２が発生する電磁波は、周波数が３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚの超短波ＶＨＦである。電極パッド２から照射された超短波ＶＨＦは、生体組織の質量の違いより、特に、筋肉よりも軽い脂肪の細胞同士を振動させる。その結果、脂肪組織に熱が発生し、脂肪燃焼効果が生じる。

制御部５は、刺激発生部４を制御する装置であり、例えば、使用者の操作に応じて刺激発生部４の駆動のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。制御部５は、図示しない入出力手段、記憶手段および演算処理手段などを内蔵したＣＰＵで構成されている。制御部５の機能は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現してもよいし、論理回路等によってハードウェア的に実現してもよい。

本実施形態に係る電気的刺激装置１では、一対の電極パッド２，３を介して、生体Ｌに電流ＩＳおよび電磁波（超短波ＶＨＦ）を同時に印加している。これにより、ＥＭＳ装置としての筋肉刺激効果と、温熱効果による脂肪燃焼促進効果とを同時に得ることができる。これに対し、現在公知のＥＭＳ機器と超短波温熱療法機器とは、全く別の機器として販売されているため、これらの機器を同時に使用することは不可能である。

また、本実施形態に係る電気的刺激装置１では、単に、現在公知のＥＭＳ機器と超短波温熱療法機器とを両方使用することによって得られる効果を超えた相乗効果を得ることができる。具体的には、電流発生部４１からの電流ＩＳによる筋肉７の収縮に伴い、周囲の腹部内臓脂肪６が筋肉７の動きに連動して揺さぶられる。この状態で、電磁波発生部４２によって電磁波を照射することにより、脂肪細胞の振動が相乗的に大きくなり、電流ＩＳを印加せずに電磁波を照射する場合よりも、脂肪燃焼を促進することができる。よって、短期間で痩身効果を得ることができる。また、筋肉刺激による筋力増大によって、リバウンドしにくい体質となり、痩身効果が持続しやすくなる。

また、本実施形態では、ＥＭＳ機器および超短波温熱療法機器の２つの機器を使い分ける煩わしさがなく、また、２つの機器を別々に使用する場合に比べ、機器の使用時間も短縮することができる。よって、使用者の負担も軽減することができる。

（回路構成）
図２は、刺激発生部４の具体的な回路構成例を示している。刺激発生部４の電流発生部４１は、ＥＭＳ発振器４１１、ドライバ４１２、出力トランス４１３およびローパスフィルタ４１４を備えている。ＥＭＳ発振器４１１は、周波数が１ｋＨｚ～１００ｋＨｚのパルスを発生する。ドライバ４１２は、ＥＭＳ発振器４１１からのパルスを増幅する。出力トランス４１３は、一次巻線４１３Ａがドライバ４１２に接続されており、二次巻線４１３Ｂがローパスフィルタ４１４に接続されている。ドライバ４１２によって増幅されたパルス電流は、出力トランス４１３によって所定の電圧に変圧される。ローパスフィルタ４１４は、電流発生部４１の出力端に設けられており、電圧変換されたパルス電流の低周波成分（１００ｋＨｚ以下）のみを通過させる。

刺激発生部４の電磁波発生部４２は、ＶＨＦ発振器４２１、ドライバ４２２、出力トランス４２３およびハイパスフィルタ４２４を備えている。ＶＨＦ発振器４２１は、周波数が３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚの超短波帯のパルスを発生する。ドライバ４２２は、ＶＨＦ発振器４２１からのパルスを増幅する。出力トランス４２３は、一次巻線４２３Ａがドライバ４２２に接続されており、二次巻線４２３Ｂがハイパスフィルタ４２４に接続されている。ドライバ４２２によって増幅されたパルス電流は、出力トランス４２３によって所定の電圧に変圧される。ハイパスフィルタ４２４は、電磁波発生部４２の出力端に設けられており、電圧変換されたパルス電流の高周波成分（３０ＭＨｚ以上）のみを通過させる。

電流発生部４１および電磁波発生部４２の各出力は、電流発生部４１および電磁波発生部４２と電極パッド２，３とを接続する配線で重畳される。これにより、電極パッド２から電流ＩＳと超短波ＶＨＦとが同時に出力される。

図３は、電極パッド２から出力される電流ＩＳおよび超短波ＶＨＦの周波数帯を示している。同図に示すように、電流ＩＳの周波数帯は１ｋＨｚ～１００ｋＨｚであり、超短波ＶＨＦの周波数帯は３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚである。これらの周波数帯には桁違いの差があり、両者の間の周波数帯域の成分をローパスフィルタ４１４およびハイパスフィルタ４２４によって遮断することにより、電流ＩＳおよび超短波ＶＨＦの出力効率を高めることができる。

なお、本実施形態では、電磁波発生部４２は電磁波として超短波を発生していたが、本発明はこれに限らず、電磁波発生部４２が電磁波として、例えばマイクロ波や赤外線を発生してもよい。例えば、マイクロ波を電極パッド２から照射することにより、主に皮下脂肪の燃焼を促進することができる。

〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態について、図４～図６を参照して説明する。本実施形態では、使用者の体脂肪に応じて電流による刺激強度を調整する機能をさらに備えた電気的刺激装置について説明する。なお、上述の第１の実施形態におけるものと同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

（装置の概要）
図４は、本実施形態に係る電気的刺激装置１ａの概略構成を示す図である。電気的刺激装置１ａは、一対の電極パッド２，３と、刺激発生部４ａと、制御部５ａとを備えている。すなわち、電気的刺激装置１ａは、図１に示す電気的刺激装置１において、刺激発生部４および制御部５をそれぞれ刺激発生部４ａおよび制御部５ａに置き換えた構成である。

刺激発生部４ａは、電流発生部４１ａと電磁波発生部４２とを備えている。電磁波発生部４２の具体的な構成例は、図２に示すものと同一である。電流発生部４１ａは、第１の実施形態における電流発生部４１と同様、電極パッド２，３を介して生体Ｌに刺激を与えるための電流ＩＳを発生する。その具体的な構成例については、図５を参照して後述する。

電極パッド２から出力された電流ＩＳは、腹部内臓脂肪６や筋肉（腹筋）７等の生体組織を通って電極パッド３に流れる。電極パッド２と電極パッド３との間の生体Ｌのインピーダンス（以下、生体インピーダンス）は、腹部内臓脂肪６の厚みによっても変化するが、筋肉７の活性状態や皮膚からの発汗量によっても変化する。一般に、筋肉７が活性化状態となると、生体インピーダンスは低くなる傾向にある。また、発汗量が増加するほど、生体インピーダンスは低くなる傾向にある。

そこで、制御部５ａは、刺激発生部４の駆動をＯＮ／ＯＦＦ制御する機能の他、生体インピーダンスに応じて電流発生部４１ａが発生する電流ＩＳによる刺激の強度を調整する機能を有している。当該機能を実現するため、制御部５ａは、インピーダンス測定部５１と刺激強度調整部５２とを備えている。これらの機能ブロックは、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現してもよいし、論理回路等によってハードウェア的に実現してもよい。

インピーダンス測定部５１は、電流発生部４１ａによって生体Ｌを流れる電流に基づいて生体インピーダンスを測定する機能を有している。本実施形態では、電極パッド２からパルス状の電流が出力され、電極パッド３に印加された電流の電流値がインピーダンス測定部５１に入力される。生体インピーダンスが高いほど、生体Ｌ内における電流ＩＳの減衰率が大きくなるため、インピーダンス測定部５１は、電流ＩＳの減衰率に基づき生体インピーダンスを測定することができる。

刺激強度調整部５２は、インピーダンス測定部５１によって測定されたインピーダンスに基づいて、電流発生部４１ａが発生する電流による刺激の強度を調整する機能を有している。電極パッド２から生体Ｌに出力される電流の強度（電気的刺激）が一定である場合、生体インピーダンスが高いほど、筋肉７に達する刺激は小さくなる。そこで、刺激強度調整部５２は、筋肉７に達する刺激が常に所望の値となるように、生体インピーダンスに応じて、電極パッド２からの電気的刺激の強度を調整する。

インピーダンス測定部５１によるインピーダンスの測定は、電流発生部４１ａが電流を発生している間、連続的に、または一定時間毎（例えば、数秒～数分毎）に行われる。つまり、本実施形態に係る電気的刺激装置１ａは、生体Ｌへの電気的刺激の付与と、生体インピーダンスの測定値に基づく刺激強度の調整とを同時並行で行うことを特徴とする。これにより、電気的刺激を付与している間、筋肉の活性や発汗により生体インピーダンスが変化しても、その変化に応じて電流ＩＳによる刺激強度を調整することにより、筋肉７に達する刺激を一定にすることができる。よって、生体Ｌに常時、適正な電気的刺激を付与し続けることが可能となる。

（回路構成）
図５は、電流発生部４１ａの具体的な回路構成例を示す図である。電流発生部４１ａは、ＥＭＳ発振器４１１、ドライバ４１２、出力トランス４１３およびローパスフィルタ４１４を備えている。

ＥＭＳ発振器４１１は、周波数が１ｋＨｚ～１００ｋＨｚのパルスを発生する回路であり、パルス発生器４１１Ａ、Ｔフリップフロップ４１１Ｂ、および２つのＡＮＤゲート４１１Ｃ，４１１Ｄを備えている。パルス発生器４１１ＡはパルスＰ１を発生する発振回路であり、Ｔフリップフロップ４１１Ｂの入力端子、ＡＮＤゲート４１１Ｃの一方の入力端子、およびＡＮＤゲート４１１Ｄの一方の入力端子に接続されている。Ｔフリップフロップ４１１Ｂの反転出力端子は、ＡＮＤゲート４１１Ｃの他方の入力端子に接続され、Ｔフリップフロップ４１１Ｂの非反転出力端子は、ＡＮＤゲート４１１Ｄの他方の入力端子に接続されている。

ドライバ４１２は、２つのトランジスタ４１２Ａ，４１２Ｂ、および２つの抵抗４１２Ｃ，４１２Ｄを備えている。トランジスタ４１２Ａ，４１２Ｂは、本実施形態では、ＮＰＮバイポーラトランジスタで構成されている。トランジスタ４１２Ａは、ベース端子がＡＮＤゲート４１１Ｃの出力端子に接続され、コレクタ端子が出力トランス４１３の一次巻線４１３Ａの一端に接続され、エミッタ端子が抵抗４１２Ｃの一端に接続されている。抵抗４１２Ｃの他端は接地されている。さらに、トランジスタ４１２Ａのエミッタ端子と抵抗４１２Ｃの一端との接続点は、バッファ４１５および図示しないＡＤＣを介してインピーダンス測定部５１に接続されている。トランジスタ４１２Ｂは、ベース端子がＡＮＤゲート４１１Ｄの出力端子に接続され、コレクタ端子が出力トランス４１３の一次巻線４１３Ａの他端に接続され、エミッタ端子が抵抗４１２Ｄの一端に接続されている。抵抗４１２Ｄの他端は接地されている。出力トランス４１３の二次巻線４１３Ｂの一端はローパスフィルタ４１４を介して電極パッド２に接続されており、二次巻線４１３Ｂの他端はローパスフィルタ４１４を介して電極パッド３に接続されている。

図６に示すように、パルス発生器４１１Ａが発生するパルスＰ１は、デューティ比５０％の矩形パルスである。Ｔフリップフロップ４１１Ｂ、および２つのＡＮＤゲート４１１Ｃ，４１１Ｄにより、パルスＰ２，Ｐ３がトランジスタ４１２Ａ，４１２Ｂの各ベース端子にそれぞれ入力される。パルスＰ２，Ｐ３は、デューティ比２５％の矩形波であり、互いに位相が１８０°異なっている。パルスＰ２がハイレベルになってトランジスタ４１２Ａが導通することにより、＋極性の刺激電流ＩＳが生体Ｌに流れ、パルスＰ３がハイレベルになってトランジスタ４１２Ｂが導通することにより、－極性の刺激電流ＩＳが生体Ｌに流れる。

本実施形態では、生体インピーダンスの変動に応じて、生体に与える刺激電流ＩＳのパルス幅を変化させることにより、刺激の強度を調整している。トランジスタ４１２Ａ，４１２Ｂのエミッタ電流は刺激電流ＩＳに比例するため、本実施形態では、トランジスタ４１２Ａのエミッタ電流を抵抗４１２Ｃによってエミッタ電圧に変換し、当該エミッタ電圧を、バッファ４１５および図示しないＡＤＣを介してインピーダンス測定部５１に入力する。インピーダンス測定部５１は、刺激電流ＩＳに比例するエミッタ電圧の減衰率に基づき、生体インピーダンスを測定することができる。

刺激強度調整部５２は、インピーダンス測定部５１によって測定された生体インピーダンスに基づいて、電流発生部４１が発生する刺激電流のパルス幅（デューティ比）を調整する。本実施形態では、刺激強度調整部５２は、一次巻線４１３Ａのセンタータップに制御信号を出力することにより、生体インピーダンスが高くなるとデューティ比が大きくなるように調整し、生体インピーダンスが低くなるとデューティ比が小さくなるように調整する。これにより、生体インピーダンスに基づいて、生体Ｌに付与される刺激の強度が調整される。

なお、刺激の強度は、刺激付与の目的や被施行者の体質等に応じて、適宜変更してもよい。また、刺激強度を調整するために変化させる刺激電流ＩＳのパラメータは、デューティ比に限定されない。例えば、刺激強度調整部５２は、刺激電流ＩＳの電圧を変化させることにより、刺激強度を調整してもよい。

このように、本実施形態では、生体への電気的刺激の付与と、インピーダンスの測定値に基づく刺激強度の調整とを、同時並行で行うことで、電気的刺激を付与している間に生体インピーダンスが変化しても、その変化に応じて刺激強度を調整することができる。よって、第１の実施形態に係る電気的刺激装置１による効果に加え、被施行者に常時、適正な電気的刺激を付与し続けることができるという効果を得ることができる。

なお、変形例として、制御部５ａが、インピーダンス測定部５１によって測定された生体インピーダンスに基づいて、電磁波発生部４２が発生する電磁波の強度を調整する機能をさらに有してもよい。具体的には、制御部５ａは、インピーダンス測定部５１によって測定された生体インピーダンスが大きいほど、電磁波発生部４２が発生する電磁波の強度を大きくするように制御する。これにより、使用者の体脂肪の量に応じて、適切な電磁波の強度を設定することができる。

（付記事項）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 電気的刺激装置
１ａ 電気的刺激装置
２ 電極パッド
３ 電極パッド
４ 刺激発生部
４ａ 刺激発生部
４１ 電流発生部
４１ａ 電流発生部
４２ 電磁波発生部
４１１ ＥＭＳ発振器
４１２ ドライバ
４１３ 出力トランス
４１４ ローパスフィルタ
４１５ バッファ
４２１ ＶＨＦ発振器
４２２ ドライバ
４２３ 出力トランス
４２４ ハイパスフィルタ
５ 制御部
５ａ 制御部
５１ インピーダンス測定部
５２ 刺激強度調整部
６ 腹部内臓脂肪
７ 筋肉
ＩＳ 電流
Ｌ 生体
Ｐ パルス
ＶＨＦ 超短波（電磁波）

Claims (6)

1. 生体の皮膚に当接される一対の電極パッドと、
   前記一対の電極パッドに接続され、前記生体に刺激を与えるための電流を発生する電流発生部と、
   前記一対の電極パッドに接続され、前記生体に熱作用を生じさせるための電磁波を発生する電磁波発生部と、
   を備え、
   前記電磁波発生部は、出力端にハイパスフィルタを備え、
   前記電流発生部は、出力端にローパスフィルタを備え、
   前記電流および前記電磁波は、前記電流発生部および前記電磁波発生部と前記電極パッドとを接続する配線で重畳される、電気的刺激装置。
2. 前記電磁波は超短波である、請求項１に記載の電気的刺激装置。
3. 前記電磁波は超短波、マイクロ波または赤外線である、請求項１に記載の電気的刺激装置。
4. 前記電流は、周波数が１ｋＨｚ～１００ｋＨｚのパルス電流である、請求項１～３のいずれかに記載の電気的刺激装置。
5. 前記電流発生部によって前記生体を流れる電流に基づいて前記生体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
   前記インピーダンス測定部によって測定された前記インピーダンスに基づいて、前記電流による刺激の強度を調整する刺激強度調整部と、
   をさらに備えた、請求項１～４のいずれかに記載の電気的刺激装置。
6. 前記電流はパルス電流であり、
   前記刺激強度調整部は、前記パルス電流のデューティ比を変化させることにより、前記刺激の強度を調整する、請求項５に記載の電気的刺激装置。

Images