JP7386710B2 - 筋肉電気刺激装置 - Google Patents
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Description
図1は、実施の形態に係る運動器具制御システム100を示す模式図である。運動器具制御システム100は、運動器具としての筋肉電気刺激装置10a~gと、運動器具制御装置12としての情報端末と、情報を管理する情報管理サーバ14と、を備える。筋肉電気刺激装置10は、ユーザの腹筋、脇腹、腕、脚などの各身体部位に装着されるタイプ(筋肉電気刺激装置10a~f)と、ユーザが両足を載せるタイプ(筋肉電気刺激装置10g)とがある。筋肉電気刺激装置10は、ユーザの筋肉に微弱な電流による電気刺激を与える。筋肉電気刺激装置10a~gは、それぞれBluetooth(登録商標)などの近距離無線通信により運動器具制御装置12と通信して情報を送受信する。運動器具制御装置12において実行される運動器具制御プログラムが、筋肉電気刺激装置10a~gと通信して筋肉電気刺激装置10a~gのそれぞれの設定および動作を制御する。運動器具制御装置12は無線LANなどの無線通信や携帯電話通信を介してネットワーク15に接続し、情報管理サーバ14との間で情報を送受信する。情報管理サーバ14は、運動器具制御装置12で実行される運動器具制御プログラムのアップデートを管理するとともに、運動器具制御装置12から運動の設定情報や結果情報を受信して管理する。変形例として、各筋肉電気刺激装置は、運動器具制御装置12を介さずにネットワーク15に接続して情報管理サーバ14等と通信してもよい。
図3は、運動器具の一例である筋肉電気刺激装置10の外観例を示す。図3(a)は筋肉電気刺激装置10aの平面図であり、図3(b)は筐体部分を拡大した拡大平面図であり、図3(c)は筋肉電気刺激装置10aを背面側から見た中間部材の外観図であり、図2(d)は筋肉電気刺激装置10aの背面図である。筋肉電気刺激装置10aは、筐体20、カバー24、第1基材26、第2基材27、第1電極群31、第2電極群32、第3電極群33、第4電極群34を備える。主にカバー24と第1基材26と第2基材27で構成される筋肉電気刺激装置10aの本体は、人間の腹筋に装着される部分である腹筋部21aと、右脇腹に装着される部分である右脇腹部21bと、左脇腹に装着される部分である左脇腹部21cと、を含む。
図5は、運動器具制御装置12の機能的構成を示す機能ブロック図である。運動器具制御装置12は、制御部70、通信部71、表示部72を含む。制御部70は、通信処理部60、種別決定部61、対応決定部62、設定処理部63、器具制御部64、表示制御部65、情報管理部66を含む。
上述の通り、筐体20、第1基材26、第2基材27、第1電極群31、第2電極群32、第3電極群33、第4電極群34のいずれかに、ユーザの身体に関する情報を検出するセンサ40が設けられる。筋肉電気刺激装置10に何らかのセンサを設けることにより、ユーザの生体情報を取得したり、ユーザによる操作状態や動作状態を検出したりすることができる。これら取得または検出した情報は、ユーザによる使用履歴として記録したり、筋肉電気刺激装置10の制御にフィードバックしたりする。以下、筋肉電気刺激装置10に設けるセンサの例を列挙する。
ドップラセンサは、電波(マイクロ波)を発射し、対象物からの反射波の周波数と発射波の周波数を比較することにより対象物の動きを検出する。ドップラセンサは、対象物であるユーザの身体に接触しない離れた位置に設ける必要がある。ユーザの身体が動いている場合にはドップラ効果により反射波の周波数が変化し、これにより身体が動いているか、静止しているかを判定できる。例えば心拍や呼吸による体動を検出することによって心拍数や呼吸数などのバイタルサインを得ることができる。
超音波センサは、超音波を発射し、対象物から反射波が返る時間により距離を検出するセンサである。超音波センサが検出する距離の情報をもとに、ユーザの身体の断面を可視化した断面画像を運動器具制御装置12の表示制御部65が表示部72に表示する。ユーザの身体の断面が可視化されることにより、脂肪や筋肉の厚みを測定することができる。また、情報管理部66や情報管理部86に記憶させる脂肪の厚みや筋肉の厚みの履歴に基づいて筋肉電気刺激装置10による効果を測定することができる。超音波センサは、ドップラセンサと異なり、対象物であるユーザの身体に接触する位置に設ける必要がある。例えば、腹直筋上で筋肉の大きさや収縮の様子を測定できる位置に設ける。また、超音波センサを図2の運動器具制御装置12に接続するような超音波プローブの形で設けてもよい。このように、超音波センサによる検出結果を用いて可視化した脂肪や筋肉の断面画像を画面表示することができる。また、脂肪や筋肉の厚みを測定し、これを履歴として記録することにより、脂肪減少や筋肉増大の変化を測定できる。脂肪や筋肉の厚みに基づいて、または、脂肪減少や筋肉増大の変化に応じて、筋肉電気刺激装置10によるトレーニングの内容として、設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。また、トレーニングの推奨頻度などを決定してもよい。なお、超音波センサを第1基材26または第2基材27において電極と同じような層に設ける仕様としてもよい。その場合、電極に貼付するゲル状の粘着パッドを音響整合層のゲル状部材としても用いることができる。
生体インピーダンス測定器は、ユーザの身体に微弱な電流を流し、ユーザの身体の電気抵抗を測定する。測定した電気抵抗値と、あらかじめ記憶するユーザの身長、体重、年齢、性別といった身体情報との関係で、脂肪量、筋肉量、水分量などの体組成の値を推定することができる。生体インピーダンス測定器は、身体に微弱な電流を流すためにユーザの身体に接触する位置に設ける必要があるが、独立したセンサとして設ける代わりに第1電極群31、第2電極群32、第3電極群33、第4電極群34で代用し、これらの電極を通じて微弱な電流を流し、電気抵抗を測定する仕様としてもよい。生体インピーダンス測定器が測定した電気抵抗値に基づいて、電気刺激制御部54または設定処理部63が筋肉電気刺激装置10の設定電圧値を調整したり、電極位置が適正であるかを分析してフィードバックしたりすることができる。また、体組成分析の結果に基づいて、筋肉電気刺激装置10によるトレーニングの内容として、設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。また、トレーニングの推奨頻度などを決定してもよい。
近赤外線センサは、可視光に近い電磁波である近赤外線を対象物であるユーザの身体に照射したときの反射、吸収、透過の量の違いによって、例えばユーザの身体の水分量や血流量を検出する。これにより、トレーニングの効果やユーザの心拍数ないし脈拍などのバイタルサインを測定できる。例えば、水分量や血流量の変化に応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。例えば、むくみの有無等を判定し、その判定結果に応じて15Hz未満程度の電気刺激による筋運動(単収縮)によって血流促進を図ってもよい。
遠赤外線センサは、物体から放射される遠赤外線を検知して微少な温度差を検出する。例えば、ユーザの体温の変化や体温分布を検出してこれを運動器具制御装置12の表示制御部65が表示部72に表示する。また、電気刺激を加える複数の身体部位のそれぞれから体温を検出するように複数箇所にセンサを設け、身体部位ごとの運動効果の違いや運動のバランスを推定してもよい。例えば、これらの推定結果に応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。
筋電位センサは、筋収縮によって生じる筋電位を測定し、筋肉の動作時の電位変化を検出する。電気刺激を加える複数の身体部位のそれぞれから筋電位を検出するように複数箇所にセンサを設け、身体部位ごとの筋運動の違いや筋疲労の違い、筋運動のバランスを推定してもよい。例えば、これらの推定結果に応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。
皮膚ガスセンサは、皮膚表面から放出されるガスを検出するセンサであり、例えばアンモニア(NH3)、アセトン、二酸化窒素(NO2)、酢酸などの皮膚ガスを検出し得る。例えば、皮膚ガスセンサによってアンモニアを検出する場合、ユーザの疲労を測定できる。皮膚ガスセンサによってアセトンを検出する場合、ユーザの脂肪燃焼量を測定できる。皮膚ガスセンサによって二酸化窒素を検出する場合、ユーザの血流量を測定できる。皮膚ガスセンサによって酢酸を検出する場合、ユーザの疲労を測定できる。これらの測定値やその変化に応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。
圧力センサは、圧力による変形で生じる静電容量の変化や歪みゲージの電気抵抗値の変化を検出する。例えば心拍や呼吸による体動を検出することによって心拍数や呼吸数などのバイタルサインを得ることができる。また例えば、筋肉電気刺激装置10を身体に巻き付けるときのベルトの圧力を圧力センサによって検知し、ベルトの締めすぎを検出してもよい。圧力センサによって、ユーザの着座時の圧力を検出してもよい。ユーザが両足を載せるタイプ(筋肉電気刺激装置10g)の底面に圧力センサを設けることにより、後述する筋肉電気刺激装置10gの揺動を検出してもよい。これらの測定値やその変化に応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。
加速度センサは、対象物の加速度を検知することにより、ユーザの筋肉の動きの速さを検出する。また、対象物の運動量に基づいて筋収縮の大きさを測定してもよい。ユーザが両足を載せるタイプ(筋肉電気刺激装置10g)に加速度センサを設けることにより、後述する筋肉電気刺激装置10gの揺動を検出してもよい。これらの測定値やその変化、または身体部位ごとの動きの速さの違いに応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。
温度計は、対象物の温度を検知する。例えば、ユーザの体温や環境の温度を検出する。また、湿度計も設けて環境の湿度をさらに検出してもよい。ユーザの体温や環境の温度の変化に応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。
画像センサは、被写体の画像を取得する撮像素子である。画像センサにより、ユーザの体型や動作を検出することにより、ユーザの身体の歪みや動作を特定する。画像センサとしては、運動器具制御装置12に内蔵されるカメラを用いてもよい。ユーザの身体の歪みや動作に応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。
生体磁気センサは、ユーザの生体磁気を検知することにより、例えば心拍数などのバイタルサインを得ることができる。これらの測定値やその変化に応じて設定処理部63は動作時間や周期、波形などを調整する。
図3に示すような腹囲に巻くタイプの筋肉電気刺激装置10の場合に、腹囲測定用のベルトを設けて腹囲を測定する。また、腹部以外に腕や脚等の身体部位に巻くタイプの筋肉電気刺激装置10において、腕や脚等の周囲長測定用のベルトを設けてその周囲長を測定してもよい。それらの測定値および他の測定値に基づいてユーザの体型や身体バランスを推定し、その推定結果に応じて設定処理部63が動作時間や周期、波形などを調整する。
(1)筋肉のバランス
設定処理部63は、超音波センサや生体インピーダンス測定器などのセンサを用いて測定した各身体部位の筋肉量のバランスや、筋電位センサまたは赤外線センサなどの各種センサを用いて測定した各身体部位の筋運動や筋疲労のバランス、に応じて、動作時間や周期、波形を調整する。すなわち、設定処理部63は、左右の筋肉や上下の筋肉の不均衡を解消する方向のトレーニングとなるように調整する。設定処理部63は、左右の腹直筋や腹斜筋の筋肉量が不均衡であることが測定された場合に、その左右差に応じた設定電圧値として、筋肉量が少ない方の腹直筋や腹斜筋に対してより大きな電圧値を設定してもよい。設定処理部63は、左右の腕の筋肉量が不均衡であることが測定された場合に、その左右差に応じた設定電圧値として、筋肉量が少ない方の腕に対してより大きな電圧値を設定してもよい。設定処理部63は、左右の脚の筋肉量が不均衡であることが測定された場合に、その左右差に応じた設定電圧値として、筋肉量が少ない方の脚に対してより大きな電圧値を設定してもよい。設定処理部63は、上半身と下半身の筋肉量、上下の筋肉量、前後の筋肉量などが不均衡であることが測定された場合に、その差に応じた設定電圧値として、筋肉量が少ない方の筋肉に対してより大きな電圧値を設定してもよい。設定処理部63は、脂肪量と筋肉量、それらの比率、あらかじめ記憶するユーザの身長、体重、年齢、性別といった身体情報、ユーザの希望する体型や運動量との関係で、ユーザに適した電気刺激および運動量となるよう電圧値を設定してもよい。以上により、ユーザによって異なる体型や筋肉量に合わせた、より適切な電気刺激を加えることができる。
ドップラセンサや近赤外線センサ、圧力センサ、生体磁気センサなどのセンサによりユーザの心拍数などのバイタルサインを得る場合、その心拍数に応じて設定処理部63は、筋肉電気刺激装置10の設定電圧値を調整する。設定処理部63は、これらのセンサによってユーザの心拍を監視する場合、心拍に合わせたタイミングの波形で電気刺激を加えることで、単収縮における血流を促進してもよい。設定処理部63は、心拍数が所定値を超えて上昇しすぎた場合、設定電圧値を下げるなどをしてトレーニングを抑え、逆に心拍数が所定値を下回るほど低い場合は、設定電圧値を上げて強度を高める。以上により、筋肉電気刺激装置10をより効果的に使用できる。
筋肉電気刺激装置10の電極に貼付されるゲル状の粘着パッドが消耗するなどして交換すべき状態となったか否かをセンサによって検出する。例えば、ドップラセンサ、生体インピーダンス測定器、近赤外線センサなどのセンサによって粘着パッドの組成(特に水分量)を検出してもよい。粘着パッドの水分量を検出するために粘着パッドの一部をセンサが挟み込む構造となるようにセンサを配置してもよい。また、ユーザの身体との間で電極に通電している間に生体インピーダンス測定器が粘着パッドの電気抵抗値を計測する仕様の他、粘着パッドの電気抵抗値を計測するための専用のインピーダンス測定器を電極付近に設ける仕様としてもよい。粘着パッドの消耗が検出され、交換すべき状態であると設定処理部63が判定した場合、表示制御部65が表示部72に粘着パッドの交換をユーザに促す内容を表示する。また、粘着パッドを交換すべき旨を示す情報を通信部71を介して情報管理サーバ14に送信し、その情報を受け取った情報管理サーバ14の通信処理部85が、粘着パッドの新規購入注文をユーザのために自動で発行してもよい。以上により、粘着パッドの交換に関してユーザの利便性が高まるとともに、ユーザに粘着パッドないし筋肉電気刺激装置10の適切な利用を促進することができる。
脂肪の厚みや脂肪量が多いと通電がしにくいことから、電気刺激の周波数を高めて通電を高めるために脂肪量に応じて設定処理部63は波形を調整する。具体的には、超音波センサや生体インピーダンス測定器を用いて測定した脂肪量に応じて、通電するバースト波を構成するパルスの周波数を、適切な深度、刺激量となるように調整する。例えば、脂肪量が所定値を超える場合に波形の周波数を高める。特に、干渉波型の筋肉電気刺激装置10は、狙った部位に届くように波形調整を可能とする。以上により、より効果的な電気刺激をユーザに提供することができる。
ユーザが両足を載せるタイプ(筋肉電気刺激装置10g)では、足裏からの電気刺激が強くなると、足首が電気刺激により動作するため、筋肉電気刺激装置10gが足首に合わせシーソーのように揺動する。図7は、筋肉電気刺激装置10gの使用状態を示す側面図である。筋肉電気刺激装置10gを用いるとき、ユーザは、腰掛け座位で筋肉電気刺激装置10gの一対の足置き部92L、92Rのそれぞれに両足を置く。腰掛け座位とは、椅子等の腰掛けや床に腰を掛けた状態で、両足FL、FRを下ろす姿勢をいう。両脚には、一対の電極部を通して、電気刺激を付与するための刺激電流が流れる。この刺激電流は、ユーザの左脚、右脚、筋肉電気刺激装置10gを通電経路とする。両脚に刺激電流が流れると、前すね、ふくらはぎ、足裏等の筋肉に電気刺激が付与され、これらの収縮及び弛緩を伴う運動が促される。つまり、ひざ下や足の筋肉の運動が促される。ひざ下や足の筋肉が電気刺激により収縮すると、足関節が屈曲するように足FL、FRが方向Pa1に動く。一方、電気刺激の解除により収縮状態にある筋肉が弛緩すると、その足関節が伸展するように足FL、FRが方向Pa2に動く。ひざ下や足の筋肉に対する電気刺激を繰り返すことで、ユーザの足FL、FRがこれら方向Pa1、Pa2に往復する揺動運動が促される。筋肉電気刺激装置10gの本体16は、その一部が接地した状態で前後両端部の上下動を伴い前後に揺動可能に設けられる。これにより、筋肉電気刺激装置10gに足FL、FRを置いた状態で、電気刺激により足FL、FRの揺動を促したとき、その揺動に追従して筋肉電気刺激装置10gを揺動させられる。これに伴い、足FL、FRが揺動したときでも、筋肉電気刺激装置10gの電極部に足FL、FRが接触した状態を維持でき、筋肉電気刺激装置10gにより継続的に電気刺激を付与できる。この結果、筋肉電気刺激装置10gにより足FL、FRの揺動運動を継続的に促せ、電気刺激により筋肉を鍛えるトレーニング効果を得られる。
Claims (1)
- 電気刺激を筋肉に与える筋肉電気刺激装置であって、
ユーザの身体に関する情報を検出する第1のセンサと、
前記筋肉電気刺激装置の動きに関する情報を検出する第2のセンサと、
前記第1のセンサで検出した情報および前記第2のセンサで検出した情報に基づき、電極間へ印加する電圧の制御を処理する制御部と、
を備え、
前記筋肉電気刺激装置は、載置されたユーザの足の筋肉に電気刺激を与えて収縮させ、その収縮に伴う足首の揺動に追従して揺動し得る装置であり、
前記第2のセンサは、前記筋肉電気刺激装置の揺動を検出する圧力センサおよび加速度センサのうち少なくともいずれかであり、
前記制御部は、前記第2のセンサで検出された情報に基づいて前記筋肉電気刺激装置の揺動量を判定し、その判定結果に応じて前記ユーザへ通知または前記電圧を制御することを特徴とする筋肉電気刺激装置。
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