JP7097126B1

JP7097126B1 - 電気刺激装置及びその動作方法

Info

Publication number: JP7097126B1
Application number: JP2021212675A
Authority: JP
Inventors: 敏一吉川; 滋平野; 庸一郎杉山; 裕章杉野; 正樹照岡
Original assignee: Pharyntec
Current assignee: Pharyntec
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: JP2023096733A

Abstract

【課題】効率の良い電気刺激装置を提供する。【解決手段】対象の体表に取り付けられる、一対の第１の電極１２１，１２７と、一対の第２の電極１２３，１２５と、一対の第３の電極１１９，１２９と、を備え、一対の第１の電極は、第１の周波数を有する正弦波の第１の電流波を発生し、一対の第２の電極は、第２の周波数を有する正弦波の第２の電流波を発生し、第１の電流波と第２の電流波は、前記対象の体内の所定の位置で第１の干渉波を発生し、一対の第３の電極は、第１の干渉波を奇数乗した奇数乗正弦波の第３の電流波を発生し、第３の電流波は、第１の干渉波と同期して所定の位置で第２の干渉波を発生し所定の位置に電気刺激を与える、電気刺激装置が提供される。【選択図】図２９

Description

本発明は、生体の筋肉や神経への電気刺激装置及びその動作方法に関する。

生体の筋肉や神経への経皮的または直接の電気刺激について、近年研究がなされている。筋肉には、廃用性衰退という「使わないと弱る」性質があり、長期間無重力状態が続く宇宙飛行士はもちろん、人工呼吸器装着終了後の嚥下障害や老人が大腿骨折し、骨折は完治したものの立てなくなってしまうようなことが頻繁に起きており、その治療（リハビリテーション）の一環として、電気刺激を用いることは有効である。

この場合、筋肉を直接電気刺激するよりも、「その筋肉を動かすための神経」を電気刺激する方が効果的であり、そのため神経筋接合部を狙って電気刺激を行う場合が多い。また、癲癇の発作抑制のための迷走神経刺激のように、「神経そのものを電気刺激」する場合もある。さらに、手術により脳の深部に電極を留置し、脳深部に直接電気刺激を行うという方法も、海外では盛んに行われている。

ところで、神経に対して表皮から刺激を行う場合、通常、神経は体の深い部分を走っており、留置電極でなければ、その神経を狙い撃ちにすることは困難である。また表面から強大な電流を流せば、その神経や一帯の神経を興奮させることはできるが、周囲の痛覚などの神経も同時に興奮し、強い痛みを感じてしまうことになる。

従来、経皮的に上喉頭神経を刺激し、この上喉頭神経を経由した求心性信号を増強することにより嚥下動作を促進する嚥下障害治療装置が開発された（特許文献１）。これは、２以上の周波数の電気刺激を表皮から加えて、深部に生じる差分の周波数を用いて刺激する手法である。しかしながら、それらの電気刺激の周波数や強度などについては、人体あるいは動物実験による「経験則」であり、偶然に実験して上手くいった周波数を選んでいるだけであり、最適な電気刺激条件であるとは言えない。

特表２００７－１５１７３６号公報

そこで本発明は神経刺激モデルとして非常に有力な「Ｈｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデル」（ＨＨＭ）を用いて、最適な電気刺激発生条件を設定し、効率の良く電気刺激を与える電気刺激装置を提供することを目的とする。また、嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法を提供することを目的とする。

本発明の電気刺激装置は、
対象の体表に取り付けられる、一対の第１の電極と、一対の第２の電極と、一対の第３の電極と、を備え、
前記一対の第１の電極は、第１の周波数を有する正弦波の第１の電流波を発生し、
前記一対の第２の電極は、第２の周波数を有する正弦波の第２の電流波を発生し、
前記第１の電流波と前記第２の電流波は、前記対象の体内の所定の位置で第１の干渉波を発生し、
前記一対の第３の電極は、前記第１の干渉波を奇数乗した奇数乗正弦波の第３の電流波を発生し、
前記第３の電流波は、前記第１の干渉波と同期して前記所定の位置で第２の干渉波を発生し前記所定の位置に電気刺激を与える、電気刺激装置である。

本発明により、効率よく電気刺激を与える電気刺激装置を提供することができる。

また、本発明の電気刺激装置の動作方法は、
前記一対の第１の電極、前記一対の第２の電極及び前記一対の第３の電極を首の表皮に取り付け、
前記第２の干渉波により、前記所定の位置に電気刺激を与え、嚥下動作を補助する、上記電気刺激装置で、
前記第１の電流波と前記第２の電流波を常時流して前記第１の干渉波を常時発生し、
外耳道を経由して到達する前記嚥下動作の開始の音が耳に付けられた音センサにより感知されたとき、前記第３の電流波を発生して前記第２の干渉波を発生し、前記所定の位置に電気刺激を与え、前記嚥下動作を補助する、ことを特徴とする。

本発明により、嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法を提供することができる。

本発明は、効率よく電気刺激を与える電気刺激装置が提供される。また本発明は、嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法が提供される。

時間と共に増加する直流電流を示す図である。図１の電流をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。５０Ｈｚの正弦波で変化する電流を示す図である。図３の電流をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図３とピーク電流値を同じにして周波数を２０００Ｈｚにした正弦波で変化する電流を示す図である。図５の電流をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図５の電流値を２０倍にして周波数を２０００Ｈｚにした正弦波で変化する電流を示す図である。図７の電流をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。同じ振幅電流値で２つの異なる周波数の電流波を変調／混合した電流波を示す図である。図９の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。２つの異なる振幅電流値及び異なる周波数の電流波を変調／混合した電流波を示す図である。図１１の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。直流電流と徐々に振幅電流値が増加する電流波の混合を示す図である。図１３の直流電流と電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。振幅電流値が合計３２０μＡ／ｃｍ^２の干渉波の図である。図１５の干渉波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。振幅電流値が合計３４０μＡ／ｃｍ^２の干渉波の図である。図１７の干渉波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。干渉波と干渉波の５乗の電流波を変調／混合した電流波を示す図である。図１９の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。干渉波を３乗した電流波を示す図である。図２１の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。干渉波を５乗した電流波を示す図である。図２３の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。干渉波を７乗した電流波を示す図である。図２５の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図１５の干渉波のみの電流波を示す図である。図２７の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。本発明の１つの実施形態に係る電気刺激装置のブロック図である。本発明の１つの実施形態に係る電気刺激装置を首に付けたａ）正面図ｂ）側面図である。本発明の１つの実施形態に係る嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法を示す図である。

以下、本発明を実施するための様々な実施の形態を、図面を参照して説明する。なお以下に説明する電気刺激装置は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。

（Ｈｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデル（ＨＨＭ））
Ｈｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙの方程式は、全膜電流Ｉ_ｍ、膜電位Ｖ、時間ｔ、Ｎａコンダクタンスの活性化パラメータｍ、及び不活性化パラメータｈ、Ｋコンダクタンスの活性化パラメータｎの６つの変数の振る舞いを４つの微分方程式と６つの関係式で表したもので、

ここで、Ｈｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙが用いた定数は、Ｅ’_Ｎａ＝１１５．０，Ｅ’_Ｋ＝－１２．０，Ｅ’_ｌ＝１０．６１３，

Ｃ_ｍ＝１．０である。

このモデルは、神経への電流入力に対する、神経からの電圧出力のモデルを非線形常微分方程式で記したものである。ＨＨＭは、入力電流が徐々に増加していき、あるしきい値を超えると発火（パルス的な出力電位が生じる）し、入力の値がさらに大きくなると、「パルスの振幅ではなくパルスの頻度が増える」という振る舞いを生じ、これが神経細胞の振る舞いの良い近似となっている（神経細胞でもほぼ同様の反応を示す）。

ここで入力については、一定（漸増を含む）の直流電流だけでなく、周期を持つ刺激でも反応し、宇佐見哲平ら、「Ｈｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙ方程式とその周期刺激に対する応答」、「計測と制御」第３４巻第１０号１９９５年１０月７６９、「特集数理生物学における最近の話題－神経コーディングを中心に－解説」にその記載がされている。

上記論文は、周期電流にバイアスを加え、神経が反応する正方向のみの周期刺激となっている。本発明の１つの実施形態では、この式への電流入力を「正負（交流）」または「複数の周波数の混合」に拡張し、オイラー法によるコンピュータシミュレーションを行い、最適な電気刺激を設定する。

（ＨＨＭを用いた電気刺激の原理の説明）
図１は、時間と共に増加する直流電流を示す図である。図２は、図１の電流をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図３は、５０Ｈｚの正弦波で変化する電流を示す図である。図４は、図３の電流をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図５は、図３とピーク電流値を同じにして周波数を２０００Ｈｚにした正弦波で変化する電流を示す図である。図６は、図５の電流をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図７は、図５の電流値を２０倍にして周波数を２０００Ｈｚにした正弦波で変化する電流を示す図である。図８は、図７の電流をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図９は、同じ振幅電流値で２つの異なる周波数の電流波を変調／混合した電流波を示す図である。図１０は、図９の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図１１は、２つの異なる振幅電流値及び異なる周波数の電流波を変調／混合した電流波を示す図である。図１２は、図１１の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図１３は、直流電流と徐々に振幅電流値が増加する電流波の混合を示すグラフである。図１４は、図１３の直流電流と電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図１乃至１４を参照して、本発明のＨＨＭを用いた電気刺激の原理を説明する。

図１は、０から５０μＡ／ｃｍ^２の増加する直流電流である。図２に示すように、図１の直流電流をＨＨＭ方程式に代入すると、パルス的な挙動（興奮）が生じる。また図２に示すように、増加する電流に対し、パルス的な挙動の数が増える。

図３は、振幅電流値が±２０μＡ／ｃｍ^２、周波数が５０Ｈｚの正弦波の電流波を示す。図４に示すように、図３の電流波をＨＨＭ方程式に代入すると、パルス的な挙動が生じる。ＨＨＭは、入力が正弦波でも神経の興奮が生じる。また、図３及び図４に示すように、神経の興奮を示すパルス的な出力は、必ずしも正弦波のピークで生じるものではないことに留意する。これから、電流値が閾値を超えれば神経の興奮が起こることがわかる。また、図３及び図４から負の電流値では神経が反応していないことに留意する。これから、「検波作用」により「振幅変調波を復調する」ことができることがわかる。

図５は、振幅電流値が±２０μＡ／ｃｍ^２で、周波数が２０００Ｈｚの正弦波の電流波を示す。図６に示すように、図５の電流波をＨＨＭ方程式に代入すると、パルス的な挙動は生じない。これは、振幅電流値は閾値を超えているはずであるが、周波数が高いため膜の応答が追いつかず正負が打ち消し合うためである。

図７は、振幅電流値が±４００μＡ／ｃｍ^２と図５の２０倍に上げられ、周波数が２０００Ｈｚの正弦波の電流波を示す。図８に示すように、図７の電流波をＨＨＭ方程式に代入すると、パルス的な挙動は生じない。すなわち、このような比較的強い電流波を発生する電極を体に当てても高い周波数であれば体表の痛覚神経が興奮しないので痛みを感じない。

図９は、振幅電流値が±４００μＡ／ｃｍ^２で２つの異なる周波数１９７５Ｈｚと２０２５Ｈｚの正弦波の電流波を変調／混合した電流波を示す。図１０に示すように、図９の電流波をＨＨＭ方程式に代入すると、パルス的な挙動を生じる。図９及び１０は、２０００Ｈｚを２５Ｈｚで振幅変調することになるが、図中の包絡線のようにゼロ点で折り返し、周波数が逓倍されるため５０Ｈｚの刺激発生、すなわち図３及び４で示した５０Ｈｚの電気刺激と略等価になる。図１０に示すように、電流値を５０Ｈｚのみのものと比べかなり上げなくてはならないが５０Ｈｚのパルス的な挙動が生じ、神経が興奮することがわかる。すなわち、電流波を混合して振幅変調と同様の干渉波が発生した場合、その混合点で電気刺激を生じる。

体表に一対の電極を２つ付けた場合、混合点は、２つの一対の電極の交点である。交点は体内にあるため、表皮では電気刺激が生じないが体内で電気刺激が生じるようになる。また、電流値を大きくしなければならないため、少ない電気刺激で神経を興奮させるには、電極を平行ではなく対向配置とした方がより効果があると考えられる。これは、電極間の最短距離の電流密度が一番大きくなるためである。

このＨＨＭを用いることで、各入力周波数の発火閾値（それぞれの周波数と振幅電流値）を算出できるため、何Ｈｚと何Ｈｚを加えた場合に、より少ない振幅電流値で刺激が起こるかという、最適な電気刺激を設定することができる。ここでは２つの電流波について例示したが、３つ以上の電流波についても同様にＨＨＭ方程式に入力することで最適な電気刺激を設定できる。

このようにＨＨＭは、表皮から電気刺激を与えて深部の神経に刺激を与えるときの条件を定めるシステムに用いることができる。ＨＨＭは、全膜電流Ｉ_ｍに交流の異なる周波数を有する複数の電流波（混合波、振幅変調波）を代入して、神経細胞の膜電位がパルス的に上昇するしきい値となる複数の電流波の周波数及び振幅電流値を定めることができる。

また、この複数の周波数及び振幅電流値を有する電流波を体外から与えて、体内の深部にこの複数の電流波の周波数の差分の周波数を有する電気刺激を発生させる電気刺激装置に応用できる。具体的には、低周波治療装置のように、表皮に電極を設置し、１０００Ｈｚ以上の高周波の電気刺激により表皮には刺激を与えないが、体内の深部で当該高周波の差分の低周波の電気刺激を発生させる装置である。

このような電気刺激装置は、表皮に電極を設置するだけでなく、搬送波をマイクロ波レベルまで上げた電波を体外から照射して、体内で刺激を発生する方式にすることもできる。電波のような高周波であっても差分の周波数が数１０から数１００Ｈｚの低周波であれば体内に電気刺激を発生することができる。体外から電波を照射することで電極を表皮に付ける必要がなく、代わりに変調マイクロ波をパラボラアンテナなどにより集中させることで照射できる。例えばマイクロ波が容易に透過する頭蓋骨を通して深部の脳神経を刺激できる。

図１１は、２つの異なる振幅電流値１００μＡ／ｃｍ^２と７００μＡ／ｃｍ^２及び異なる周波数１９７５Ｈｚと２０２５Ｈｚの電流波を変調／混合した電流波を示す図である。図１２に示すように、図１１の電流波をＨＨＭ方程式に代入すると、パルス的な挙動が生じない。２つの電流波の信号強度比を１：１（合計８００μＡ／ｃｍ^２）から１：７（合計８００μＡ／ｃｍ^２）に変え、ピーク強度には変化がないのにも関わらず、パルス的な挙動が生じない。

このように、異なる第１と第２の周波数を有する電流波を入力する場合、第１の電気刺激の電流波の振幅電流値が第２の電気刺激の電流波の振幅電流値と異なると、第１の電気刺激の振幅電流値と第２の電気刺激の振幅電流値の比が、第１の電気刺激を与える表皮と第２の電気刺激を与える表皮の位置に対する体内で生じる電気刺激の発生位置に等しくなる。すなわち、２点から電流波を加えた場合は、中点（等電流点）近傍の神経しか反応しないことがわかる。

したがって、振幅電流値を互いに対して変更することで、体内で発生する電気刺激の位置を狙い撃つことができる。ここでは２つの電流波の混合波で、振幅変調し電気刺激部位を変更したが、３つまたはそれ以上の電流波の混合波によって振幅変調し電気刺激部位を変更することもできる。

図１３は、直流電流と徐々に振幅電流値が上昇する高周波（２０００Ｈｚ）の混合の電流を示す図である。ここで、直流電流は、通常の痛覚などの神経の興奮を表している。図１４に示すように、図１３の電流をＨＨＭ方程式に代入すると、左からパルス的に現れていた神経の興奮が、右への電流波の振幅電流値の上昇に従って消えていく。このことから、振幅電流値を±６００μＡにしたとき神経の興奮が収まることがわかる。

直流電流を与えることにより神経は興奮していたが、高周波の電気刺激を与えることによりその興奮を抑えることができる。すなわち、通常の電気刺激は、「神経を興奮する方向」にしか刺激できないが、通常神経が応答しない高周波の交流を加えることにより、音響で言うマスキング効果が生じ、結果的に神経信号をブロック（神経の興奮を抑制）することができる。

この電流波の周波数と振幅電流値は、表皮から電気刺激を与えて深部の神経の興奮を抑えるときの条件を定めるシステムであって、ＨＨＭ方程式において、全膜電流Ｉ_ｍに交流の周波数を有する１つの電流波と直流電流を代入して、神経細胞の膜電位のパルス的な上昇がなくなるときの閾値となる電流波の周波数及び振幅電流値を定める電気刺激条件設定システムによって算出可能である。

また、この電気刺激条件設定システムで求めた周波数と振幅電流値を有する電気刺激を体外から与えて、神経の興奮をマスキングする神経興奮抑制装置を作製できる。具体的には、低周波治療装置のように、表皮に電極を設置し、１０００Ｈｚ以上の高周波の電気刺激により表皮には刺激を与えず、体内で神経の興奮を抑制する装置である。

（干渉波に干渉波を奇数乗した奇数乗正弦波の電流波を加えて電気刺激を与える説明）
図１５は、振幅電流値が合計３２０μＡ／ｃｍ^２の干渉波の図である。図１６は、図１５の干渉波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図１７は、振幅電流値が合計３４０μＡ／ｃｍ^２の干渉波の図である。図１８は、図１７の干渉波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図１９は、干渉波と干渉波の５乗の電流波を変調／混合した電流波を示す図である。図２０は、図１９の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図２１は、干渉波を３乗した電流波を示す図である。図２２は、図２１の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図２３は、干渉波を５乗した電流波を示す図である。図２４は、図２３の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図２５は、干渉波を７乗した電流波を示す図である。図２６は、図２５の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図２７は、図１５の干渉波のみの電流波を示す図である。図２８は、図２７の電流波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙモデルに代入して得られた膜電位の挙動を示す図である。図１５乃至２７を参照して、本発明の１つの実施形態に係る干渉波に干渉波を奇数乗した奇数乗正弦波の電流波を加えて電気刺激を与える電気刺激装置を説明する。

図１５は、周波数が１９７５Ｈｚと２０２５Ｈｚで、振幅電流値が合計３２０μＡ／ｃｍ^２の干渉波の図である。図１６に示すように、図１５の干渉波をＨＨＭ方程式に代入してもパルス的な挙動（発火）は生じない。一方、図１７は、周波数が１９７５Ｈｚと２０２５Ｈｚで、振幅電流値が合計３４０μＡ／ｃｍ^２の干渉波の図である。図１８に示すように、図１７の干渉波をＨＨＭ方程式に代入するとパルス的な挙動が生じる。この干渉波が発火をする閾値は、３４０μＡ／ｃｍ^２であると言える。

本発明の１つの実施の形態では、干渉波の電流波にパルス的な電流波を加えることで３つの波が重なり合う深部の神経においてのみ発火閾値（３４０μＡ／ｃｍ^２）を超えて発火させる。干渉波によって、予備的に発火までの振幅電流値を底上げしておき、パルス的な電流波によって、表皮への刺激を少なくすることができる。

発明者が鋭意検討した結果、パルス的な電流波を付加する場合、
ａ．干渉波刺激とパルス刺激の周波数が等しい。
ｂ．干渉波のピークの位置に「滑らかな立ち上がり」のパルス波を追加する。
の両方の条件が必須であることがわかった。特にｂのパルス波については、干渉波の波形に奇数の累乗を施すと滑らかにピークが立ち上がり同時にピークの中央値も一致することがわかった。

図１９は、干渉波（１９７５Ｈｚ、１１０μＡ／ｃｍ^２、２０２５Ｈｚ、１１０μＡ／ｃｍ^２）と干渉波の５乗の電流波（２００μＡ／ｃｍ^２）を変調／混合した電流波を示す図である。図１９乃至２８は、より波形がわかるように時間を延ばしている。図２０に示すように、図１９の電流波をＨＨＭ方程式に代入するとパルス的な挙動が生じる。すなわち、３つの電流波の振幅電流値の合計が発火閾値である３４０μｍ／ｃｍ^２を超えると、電気刺激が生じる。

図２１は、振幅電流値２００μＡ／ｃｍ^２の干渉波を３乗した電流波を示す図である。図２２に示すように、図２１の電流波をＨＨＭ方程式に代入してもパルス的な挙動は生じない。図２３は、振幅電流値２００μＡ／ｃｍ^２の干渉波を５乗した電流波を示す図である。図２４に示すように、図２３の電流波をＨＨＭ方程式に代入してもパルス的な挙動は生じない。図２５は、振幅電流値２００μＡ／ｃｍ^２の干渉波を７乗した電流波を示す図である。図２６に示すように、図２５の電流波をＨＨＭ方程式に代入してもパルス的な挙動は生じない。発火閾値を超えない振幅電流値２００μＡ／ｃｍ^２の累乗波形は、電気刺激が起こらなかった。

図２１に示すように干渉波の３乗のパルス的な電流波の波形は、パルスと言うには緩やかすぎる。一方、図２３に示すように干渉波の５乗のパルス的な電流波の波形が適当である。また、図２５に示すように干渉波の７乗のパルス的な電流波の波形が適当である。パルス的な電流波の波形は、ある程度急峻であることが好ましい。また、パルス的な電流波は、累乗によって信号強度が小さくなりすぎないことが好ましい。このことから干渉波の累乗は５乗乃至１１乗が適当である。

図２７は、図１５の干渉波のみの電流波を示す図である。図２８に示すように、図２７の電流波をＨＨＭ方程式に代入してもパルス的な挙動は生じない。すなわち、発火閾値を超えない干渉波（１９７５Ｈｚ、１１０μＡ／ｃｍ^２と２０２５Ｈｚ、１１０μＡ／ｃｍ^２）のみの電流波は刺激が起こらなかった。

このように電流波は、合計で発火閾値を超えることで電気刺激が発生することがわかる。干渉波を奇数乗する理由は、奇数乗した波を元の干渉波と正負を合わせるためで偶数乗すると全て正になってしまうからである。

（本発明の１つの実施形態に係る電気刺激装置の説明）
図２９は、本発明の１つの実施形態に係る電気刺激装置のブロック図である。図２９を参照しながら、本発明の１つの実施形態に係る電気刺激装置を説明する。

図２９に示すように、電気刺激装置１０１は、一対の第１の電極１２１，１２７と、一対の第２の電極１２３，１２５と、一対の第３の電極１１９，１２９と、を備える。これらは人体または動物の体表、例えば首回り、胴回り、胸回りなど体の周囲の表皮に取り付けられる。

一対の第１の電極１２１，１２７は、第１の周波数、例えば１９７５Ｈｚを有する正弦波である第１の電流波を発生する。また一対の第２の電極１２３，１２５は、第２の周波数、例えば２０２５Ｈｚを有する正弦波である第２の電流波を発生する。この第１の電流波と第２の電流波は、体内の所定の位置で周波数が数十Ｈｚから数百Ｈｚ、振幅電流値が百乃至数百μＡ／ｃｍ^２である第１の干渉波を発生するように選択される。

一対の第３の電極１１９，１２９は、第１の干渉波を奇数乗した奇数乗正弦波の振幅電流値が百乃至数百μＡ／ｃｍ^２である第３の電流波を発生する。上記したように、第１の干渉波は、偶数乗すると全て正になってしまうため、正負が発生するように奇数乗する。

第１の干渉波と第３の電流波は、同期して電流を増幅することが重要である。第１の干渉波と第３の電流波が打ち消しあってしまうと発火閾値を超えることができない。第１の干渉波と第３の電流波を同期することで、第１の干渉波と第３の電流波は、所定の位置で第２の干渉波を発生する。第２の干渉波は、電気刺激の発火閾値を超える。このようにすることで、本発明の１つの実施形態に係る電気刺激装置は、効率よく人体または動物に電気刺激を与えることができる。

上記したように、この第３の電流波は、第１の干渉波を５乗乃至１１乗することが好ましい。これは、第３の電流波のパルスのピークをある程度急峻にするためと、その累乗によって信号強度を減らしすぎないようにするためである。

体内の所定の位置が、一対の第１の電極１２１，１２７を結ぶ直線と、一対の第２の電極１２３，１２５を結ぶ直線と、一対の第３の電極１１９，１２９を結ぶ直線との交点となるように、一対の第１の電極１２１，１２７、一対の第２の電極１２３，１２５及び一対の第３の電極１１９，１２９が対象の体表に配置される。

上記したように、電極間の最短距離の電流密度が一番大きくなるため、少ない電気刺激で神経を興奮させるためには、電極を平行ではなく対向配置とした方がより効果があると考えられるからである。

図２９に示すように、電気刺激装置１０１は、中央演算処理装置１０３と、中央演算処理装置１０３に電気的に接続されたＤ／Ａコンバータ１０５と、Ｄ／Ａコンバータ１０５に電気的に接続された第１乃至第３の電圧電流回路１０７，１０９，１１１と、第１乃至第３の電圧電流回路のそれぞれに接続された第１乃至第３の絶縁回路１１３，１１５，１１７と、によって制御される。

中央演算処理装置１０３は、コンピュータの中でデータの演算処理を行う装置である。中央演算処理装置１０３は、出力波形を演算する。演算する波形は、第１の周波数を有する正弦波、第２の周波数を有する正弦波、第１の周波数を有する正弦波と第２の周波数を有する正弦波の干渉波、及びその干渉波の奇数乗正弦波である。

Ｄ／Ａコンバータ１０５は、中央演算処理装置のデジタル信号の出力波形からアナログ信号の出力波形へ変換する回路である。Ｄ／Ａコンバータ１０５は、第１の周波数を有する正弦波、第２の周波数を有する正弦波、及び奇数乗正弦波の波形を発生する。

Ｄ／Ａコンバータで出力されたアナログ信号は、電圧であり、これを電流に変換する必要がある。そこで本発明の１つの実施形態の電気刺激装置は、電圧電流変換回路を用いる。第１の電圧電流回路１０７は、第１の周波数を有する正弦波の波形から第１の電流波を発生する。第２の電圧電流回路１０９は、第２の周波数を有する正弦波の波形から第２の電流波を発生する。第３の電圧電流回路１１１は、奇数乗正弦波の波形から第３の電流波を発生する。

一対の第１の電極１２１，１２７は、第１の絶縁回路１１３を通して第１の電圧電流回路１０７に接続され、第１の電流波を第１の電極１２１と第１の電極１２７の間に発生する。同様に一対の第２の電極１２３，１２５は、第２の絶縁回路１１５を通して第２の電圧電流回路１０９に接続され、第２の電流波を第２の電極１２３と第２の電極１２５の間に発生する。一対の第３の電極１１９，１２９は、第３の絶縁回路１１７を通して第３の電圧電流回路１１１に接続され、第３の電流波を第３の電極１１９と第３の電極１２９の間に発生する。

絶縁回路は、１次コイルと２次コイルを同じ鉄芯に巻いた状態で、１次コイルに電気が流れるとコイルの働きで磁力が発生するものを用いる。発生した磁力は鉄芯を介して２次コイルに到達する。２次コイルは外部から磁力を受けるとコイルの両端に電圧が発生して電気が流れる。この電磁誘導を用いて、１次コイルと２次コイルは電気的に絶縁されつつ、磁気で結合してエネルギが伝達される。絶縁回路は、フォトダイオードと受光素子を用いて信号を伝達するものもあってもよい。その場合、電圧電流回路１０７，１０９，１１１は、電源を絶縁化した上で絶縁回路１１３，１１５，１１７の後段に配置する。これにより異常電流の侵入を防ぎ、各電極間のインピーダンスが変動した場合であっても安定した電流を提供する。

このような電気回路によって、本発明の１つの実施形態の電気刺激装置は、一対の第１の電極１２１，１２７、一対の第２の電極１２３，１２５、一対の第３の電極１１９，１２９の交点に第２の干渉波を発生するように制御される。

Ｄ／Ａコンバータ１０５は、発生した第１の周波数を有する正弦波、第２の周波数を有する正弦波、及び奇数乗正弦波の波形をローパスフィルタにより平滑化しても良い。ローパスフィルタは、特定の周波数以外の信号を遮断する機能を持つフィルタのうち、低周波数のみを通過させるフィルタである。ローパスフィルタは、特定の閾値よりも高い周波数信号を減衰させて遮断し、低域周波数のみを信号として通過させる。本発明の１つの実施形態の電気刺激装置は、第１の周波数を有する正弦波、第２の周波数を有する正弦波、及び第１の周波数を有する正弦波と第２の周波数を有する正弦波の干渉波、及びその奇数乗正弦波の高周波成分をカットする。

（本発明の１つの実施形態の嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法の説明）
図３０は、本発明の１つの実施形態に係る電気刺激装置を首に付けたａ）正面図ｂ）側面図である。図３１は、本発明の１つの実施形態に係る嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法を示す図である。図３０及び３１を参照しながら、本発明の１つの実施形態の嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法を説明する。

図３０に示すように、本発明の１つの実施形態に係る電気刺激装置の一対の第１の電極１２１，１２７、一対の第２の電極１２３，１２５、一対の第３の電極１１９，１２９が首の表皮に取り付けられる。一対の第１の電極１２１，１２７は首の左右に取り付けられ、一対の第２の電極１２３，１２５は首の左右に取り付けられ、一対の第３の電極１１９，１２９は、首の前後に取り付けられることが好ましい。また、一対の第１の電極１２１，１２７を結ぶ線と一対の第２の電極１２３，１２５を結ぶ線は体の正中線で交わることが好ましい。このようにすることで、一対の第１の電極１２１，１２７、一対の第２の電極１２３，１２５、一対の第３の電極１１９，１２９の交点である所定の位置は、喉の位置に持ってこられる。これら第１乃至第３の電極１２１，１２３，１２５，１２７，１２９によって発生された第２の干渉波が所定の位置で発火閾値を超えることにより、所定の位置に電気刺激を与え嚥下動作を補助する。第１乃至第３の電流波の振幅電流値は、各人に応じて調節できることが好ましい。

嚥下動作を補助する電気刺激装置１０１は、音センサ１３１を備えることが好ましい。この音センサは、咽頭で生じ、外耳を経由して到達する「ごっくん」の嚥下開始音を感知することができる。図３０で図示しないが、電気刺激装置１０１は、他に電源を備え、接続される。

図３０では図示しないが、音センサと電気刺激装置の制御は、図２９で示したような専用の制御回路を備えた電気的に接続された電子機器でなされる。また音センサと電気刺激装置の制御は、専用の制御回路を備えた電子機器に代えてＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線、または有線で接続したスマートフォンなどのある程度重い処理ができるＣＰＵを備えた電子機器でできる。

図３１に示すように、嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法は、まず第１の電極１２１，１２７の間に第１の電流波と第２の電極１２３，１２５の間に第２の電流波を常時流して電気刺激の発火閾値を超えない第１の干渉波を常時発生する。

次に嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法は、外耳道を経由して到達する嚥下動作の開始の音が耳に付けられた音センサにより感知されたとき、第３の電流波を発生する。最後に嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法は、第１の干渉波と第３の電流波により発火閾値を超えた第２の干渉波を発生し、所定の位置に電気刺激を与え、嚥下動作を補助する。本発明の１つの実施形態の嚥下動作を補助する電気刺激装置の動作方法により、嚥下動作を患者のタイミングで行うことができる。

電子機器の処理を軽くし、動作を容易にするためにテレビが付いているモニタに第３の電流波のタイミングを合わせて画像を変化させて、一定の時間で電気刺激装置の装着者の嚥下動作を補助してもよい。また、ラジオが付いている音声発生器に第３の電流波のタイミングを合わせて警告音を鳴らすなどして、一定の時間で電気刺激装置の装着者の嚥下動作を補助してもよい。

このような電気刺激装置は、例えば骨盤底筋の強化（尿／便失禁予防、出産時の同筋の断裂の軽癒）、嚥下筋の強化（人工呼吸器装着時の同筋力低下の治療、嚥下性肺炎の予防、美声強化）、呼吸センサと組み合わせた嚥下筋の制御（いびき／睡眠時無呼吸症候群の症状の軽減）に用いることができる。また、電気刺激装置は、横隔膜、肋間筋など肺を動かす筋力の強化に用いることができる。また、電気刺激装置は、現在左頚部の迷走神経に電極を取り付けて刺激している癲癇治療のための迷走神経刺激、花粉症治療、美顔マッサージ、育毛に用いられる可能性がある。また、電気刺激装置は、例えば腰痛、膝痛、神経痛の緩和、過敏性大腸症候群の緩和に用いることができる。また、脳神経の特定部位の興奮あるいは抑制ができる可能性がある。

このような電気刺激装置は、表皮に電極を設置するだけでなく、振幅変調波（複数の混合波）から生じた差分周波数による神経刺激と同様に、電波を体外から照射して、体内に刺激を発生する方式にすることもできる。体外から電波を照射することで電極を表皮に付ける必要がない。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

本発明により効率良く電気刺激を与える電気刺激装置が提供される。

１０１電気刺激装置
１０３中央演算処理装置
１０５Ｄ／Ａコンバータ
１０７第１の電圧電流回路
１０９第２の電圧電流回路
１１１第３の電圧電流回路
１１３第１の絶縁回路
１１５第２の絶縁回路
１１７第３の絶縁回路
１１９第３の電極
１２１第１の電極
１２３第２の電極
１２５第２の電極
１２７第１の電極
１２９第３の電極
１３１音センサ

Claims

対象の体表に取り付けられる、一対の第１の電極と、一対の第２の電極と、一対の第３の電極と、を備え、
前記一対の第１の電極は、第１の周波数を有する正弦波の第１の電流波を発生し、
前記一対の第２の電極は、第２の周波数を有する正弦波の第２の電流波を発生し、
前記第１の電流波と前記第２の電流波とが交わる前記対象の体内深部の所定の位置で第１の干渉波を発生し、
前記一対の第３の電極は、前記第１の干渉波を奇数乗した奇数乗正弦波の第３の電流波を発生し、
前記第３の電流波は、前記第１の電流波及び前記第２の電流波と交わる前記所定の位置で前記第１の干渉波と同期して第２の干渉波を発生し、
干渉波をＨｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙの方程式に代入した際にパルス的な挙動が生じる干渉波の合計振幅電流値を発火閾値とするとき、前記所定の位置においてのみ、前記第１の干渉波と前記第３の電流波とにより前記発火閾値を超えた前記第２の干渉波を発生させて電気刺激を与える、電気刺激装置。
前記第３の電流波は、前記第１の干渉波を５乗乃至１１乗した電流波である、請求項１に記載の電気刺激装置。
前記所定の位置が、前記一対の第１の電極を結ぶ直線と、前記一対の第２の電極を結ぶ直線と、前記一対の第３の電極を結ぶ直線との交点となるように、前記一対の第１の電極、前記一対の第２の電極及び前記一対の第３の電極が前記対象の体表に配置される、請求項１または２に記載の電気刺激装置。
出力波形を演算する、中央演算処理装置と、
前記第１の周波数を有する正弦波、前記第２の周波数を有する正弦波、及び前記奇数乗正弦波の波形を発生する、前記中央演算処理装置に電気的に接続されたＤ／Ａコンバータと、
前記第１の周波数を有する正弦波、前記第２の周波数を有する正弦波、及び前記奇数乗正弦波の波形から前記第１の電流波、前記第２の電流波及び前記第３の電流波を発生させるための前記Ｄ／Ａコンバータに電気的に接続された複数の電圧電流変換回路と、を備え、
前記一対の第１の電極、前記一対の第２の電極、及び前記一対の第３の電極は、それぞれ絶縁回路を通して前記複数の電圧電流変換回路と接続される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気刺激装置。
前記Ｄ／Ａコンバータは、発生した前記前記第１の周波数を有する正弦波、前記第２の周波数を有する正弦波、及び前記奇数乗正弦波の波形をローパスフィルタにより平滑化する、請求項４に記載の電気刺激装置。
前記一対の第１の電極、前記一対の第２の電極及び前記一対の第３の電極を首の表皮に取り付け、
前記第２の干渉波により、前記所定の位置に電気刺激を与え、嚥下動作を補助する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気刺激装置。
耳に付けられ、外耳道を経由して到達する前記嚥下動作の開始の音を検出する音センサを更に備え、
前記第１の電流波と前記第２の電流波を常時流して前記第１の干渉波を常時発生し、
前記音センサが前記嚥下動作を感知したとき、前記第３の電流波を発生して前記第２の干渉波を発生し、前記所定の位置に電気刺激を与え、前記嚥下動作を補助する、請求項６に記載の電気刺激装置。