JPH02206476A - 骨の成長を促進するための生体刺激装置 - Google Patents

骨の成長を促進するための生体刺激装置

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JPH02206476A
JPH02206476A JP2712789A JP2712789A JPH02206476A JP H02206476 A JPH02206476 A JP H02206476A JP 2712789 A JP2712789 A JP 2712789A JP 2712789 A JP2712789 A JP 2712789A JP H02206476 A JPH02206476 A JP H02206476A
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stimulation voltage
stimulation
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の利用分野] 本発明は生体刺激装置、殊に、生体に低周波電流を通電
して骨の成長を促進するための生体刺激装置に関する。
[従来の技術] 骨組織が生物電気特性を有し、圧力を加えて刺激すると
一時的に形状を変え、骨の成長の要因である直流電位を
発生することが知られている。
この直流電位の発生並びにその直流電位が骨の成長を促
進する機作については現在でもよく解明が為されていな
い。しかし、骨に於ける成長乃至回復部分が電気的に陰
性になる傾向があることから、電気的方法により骨に負
電圧を印加してその成長を促進したり損傷部分を治療し
ようとする試みが従来より故多く為されている。
このような電気的方法は二種類に大別することができ、
一つは、例えば、ジェー・ニー・スパダo (J、A、
5padaro )、「クリニカル・オルトビーデイク
ス・アンド・リサーチ(C1inical 0rtho
paedics and Re5earcl+) J 
、第122号、第325〜332頁(1977年)など
に記載されているように、白金或は金などの貴金属によ
る一対の電極を骨の周囲の生体内に埋設乃至刺入すると
ともに、その一対の電極にパルス電圧を印加することに
より、骨の成長を促進しようというものである。
他の一つは、例えば、ニー・エル・バセット等(A、L
、Ba5sett et al)、「サイエンス(5c
ience)」、第184巻、第575〜580頁(1
974年)などに記載されているように、骨を取り巻く
生体外の適所にコイル手段を当接するとともに、そのコ
イル手段にパルス電圧を印加して骨内にパルス波形の誘
導電流を印加することにより。
骨の成長を促進しようというものである。
このうち前者の方法は、その実施の前後に出血を伴う外
科術により電極を生体内に埋設したり抜き取ったりしな
ければならず、患者に多大の肉体的苦痛を与えたり、外
科術自体が生体の活力を低下させ、却って骨の成長を遅
らせかねないという重大な欠点がある。また、この方法
により、例えば、骨折の治療を行う場合、患者は1乃至
2力月間にも互って1日に10時間前後にも及ぶ通電を
受けなければならない、この全期間に互って患者の不自
由な身体に直接刺激装置を取りつけて生活させることは
患者は言うに及ばず、治療者や看護者にとっても多大の
負担となる。さらに、電極の埋設や抜取の際に患部が細
菌感染したり、電極中の重金属が酸化され、生体に有害
な重金属イオンが体内に放出されかねないという危険も
ある。
一方、後者の方法は実施に際して外科的処置を必要とし
ないという利点はあるものの、生体内に有効量の誘導電
流を発生させること自体が困難なことから、簡単な装置
では全く治効がないか却って治療期間が長引き、必然的
に大型のコイル手段と発振器が必要とされ一角Ω的でな
いという欠点がある。
[発明により解決すべき課題1 斯かる状況に鑑み、本発明者は通電治療に於ける刺激電
圧の正電圧成分と負電圧成分との比に着目して組織培養
実験、動物実験、臨床実験を繰り返し、生体内に電極を
埋設することなく骨の成長を効果的に促進することので
きる生体刺激装置について鋭意検討した。
[課題を解決するための手段] その結果、正電圧成分と負電圧成分との比が約Ol:1
乃至0.5:1.望ましくは、約0.2:1乃至0.3
:1の範囲にある刺激電圧は、生体に通電して顕著な骨
成長促進作用を発揮することが判明した。
また、斯かる刺激電圧は低通電量でも極めて効果的であ
ることから、電極を生体内に埋設することなく、骨を取
り巻く皮膚に当接した状態で通電することにより所期の
目的を達成し得ることを見出した。
すなわち、本発明は、正電圧成分と負電圧成分との比が
約0.1:1乃至05.lの範囲にある刺激電圧を発生
する刺激電圧発生手段と、その刺激電圧を生体に通電す
るための通電手段からなる骨の成長を促進するための生
体刺激装置の構造を要旨とするものである。
[発明の作用] 本発明でいう刺激電圧発生手段とは、例えば、第2図に
示すように、正負に交番する刺激電圧の一波に於ける正
電圧成分e、と負電圧成分e0との比が約0.1:1乃
至05 l、望ましくは、約0.2+1乃至O3:1の
範囲にある刺激電圧、通常、パルス波形の刺fli電圧
を発生する電気的手段を意味する。
とりわけ、刺激電圧がパルス波形の刺激電圧であって、
そのパルスの一波に於ける負電圧成分e、、の持続時間
?:l、が約o、ooi乃至0.1秒、望ましくは約0
.002乃至0.05秒に、また正電圧成分epの持続
時間℃2が持続時間unの約1,1乃至2.0倍、望ま
しくは、約1.4乃至1.6倍の二相性活動電位波形を
有するときには、生体に通電して極めて高い骨成長促進
効果が達成されることが判明した。
二相性活動電位とは、通常、刺を数を受けた神経に観察
され、第2図に示すように一波が一対の正電圧成分と負
電圧成分とからなり、両電圧成分とも急峻なスパイク部
分を有するパルス性の電圧波形である。本発明者が、例
久ば、特願昭62−213653号明細書に記載した低
周波治療器は本発明の刺激電圧発生手段として好適であ
る。
ところで、一般に、神経に刺激を与え興奮させると、そ
れらから一定時間(不応期)は次の刺激に対してll1
lJ′rxを示さない、従って、生体に通電してやり激
となり得る刺激電圧の周波数はこの不応期に左右され、
通常の通電治療の場合、生体に通電して刺激となり得る
周波数は約400乃至1,000ヘルツを上限とすると
言われている。また、斯かる周波数範囲の刺激電圧であ
っても、通電開始から短時間は良好な応答が示されるも
のの、次第に生体が順応して刺激に対する応答が滅弱し
、所期の骨成長促進効果が達成され稚くなる。斯かる順
応は一種の麻酔作用を発揮し、筋肉のこりゃ神経痛など
に基づく疼痛の軽減には効果があっても、骨組織は一定
’fil+激に対しては成長を示さない、これらの知見
に基づき、正電圧成分と負電圧成分との比が約0.1:
1乃至o 5:1の範囲にあるさまざまな周波数の刺激
電圧を生体に通電して骨の成長に及ぼす影響について検
討したところ、通常、約1/400乃至10秒、望まし
くは、約1/100乃至1秒の範囲に於て極めて顕著な
骨成長促進が認められ、また、上記範囲内で刺激電圧の
周波数を周期的若しくはランダムに、より好ましくは、
周期的に変化させるときにはより顕著な骨成長促進効果
が認められた。また、周波数と同様に、刺激電圧の大き
さ及び/又は発生頻度も周期的若しくはランダムに変化
させるのが望ましいことも判明した。
刺激電圧の周波数を周期的に変化させるには、刺激電圧
を発振するための発振回路として、例えば、ブロッキン
グ発振回路のように発振周波数がベースバイアス電圧に
依って変化する発振回路を用いるとともに、例えば、マ
ルチバイブレータなどの適宜発振回路に、必要に応じて
、例えば、時定数回路、濾波回路、変調回路、クランプ
回路などを組み合わせて矩形波、正弦波、漸増波、半月
波などの電圧が周期的に変化する電圧を発生させ、この
電圧を前記発振回路のベースバイアス電圧或は電源電圧
として供給することにより、パルス間隔及び/又は刺激
電圧の大きさが一定周期で段階乃至連続的に増減するパ
ルス列を得ることができる。
また、例えば、品用止音等、「佐世保工業高等専門学校
研究報告」、第19巻、第37〜4o頁(1982年)
などに記載されているようなパルスの出現頻度を区分毎
に変化させ、その頻度の系列及び同一頻度の持続時間の
系列が近似的に所謂「1/fゆらぎ則」に従うようにす
るときには、刺激電圧に対する生体の応答低下を著しく
小さくすることができる。この場合、頻度系列、持続系
列ともに、例えば、古今の名曲の長期的周波数変動から
採取した1/fゆらぎを持つ系列をもとにして一定の頻
度幅及び持続時間幅を適当段階に等比的に分割してそれ
ぞれ頻度系列記憶部及び保持時間記憶部に記憶させ、マ
イクロプロセッサに両者の記憶を参照させ、クロック発
振器よりの信号を制御して正負の電圧成分を有する交番
パルスを逐次発生させればよい、そして、この交番パル
スをインターフェイス、出力調整器を経て電圧電流変換
器に印加し、高圧電源の出力を制御して、対の電極間に
パルス電流が供給されるようにすればよい。
なお、二相性活動電位を始め、矩形波、半月波、三角波
、指敬関数波、漸増波、刺状波などのパルス電圧につき
、その−波に於ける正電圧成分と負電圧成分の比とその
骨成長促進作用について検討したところ、比が約0,1
・1に満たない場合や約0.5:lを越える場合には、
生体に通電しても所期の骨成長促進効果が達成されない
ばかりか、疼痛や皮膚の乾燥といった好ましくない副作
用をもたらすことが判明した。
斯くして得られる刺激電圧は通常の通電手段により生体
に通電すればよく、斯かる通電手段としては低周波治療
一般に用いられる電極導子を用いることができる。
1°なわち、前記の刺激電圧発生手段の出力端に、必要
に応じて、出カドランス、カップリングコンデンサ、ク
ランプ回路、増幅回路、低電圧回路、定電流回路、緩衝
回路、過電流防止回路などを介して一対の電極導子を接
続し、これら導子のうち通電に際して関連子として機能
するII+を生体に於ける所定の部位に、また1通電に
際して不関導子として機能する側をそれ以外の適所に当
接した状態で両導子間に刺激電圧を印加すればよい。
本発明の生体刺激装置は低通電量でも極めて顕著な骨成
長促進効果を発揮して、従来公知の生体刺激装置のよう
に電極を骨周囲の生体内に埋設する必要がないことから
、当接すべき部位の形状、面積、状態などに応じた、例
えば、帯状、パッド状、ローラ状、平板状、棒状、球状
、刷毛状、針状のN、極導子を生体に於ける皮膚に対し
て、必要に応じて、ベルト、バンド、紐、吸盤、吸引ス
ポイトなどの取り付は手段を設けて着脱自在に形成する
ことができるので極めて好都合である。
通電の仕方は通電の目的、成長を促進すべき骨の状態、
生体の個体差に依るけれども、通常、約0.00001
乃至10ミリアンペア、望ましくは、約0.0001乃
至5ミリアンペアの刺激電流を連続若しくは間欠的に通
電すればよい0例えば′、成長期の生体に通電して四肢
の発育を促進する場合には、一部位につき毎日的0.1
乃至5時間、望ましくは、約10分間乃至2時間程度と
し、骨折、骨萎縮症、骨疾患、偽関節のトラブルを治療
する場合には、毎日約1乃至15時間、望ましくけ、約
8乃至12時間に亙って連続若しくは間欠的に通電すれ
ばよい。
しかして、本発明の生体刺激装置を使用することにより
、骨折に加えて、打撲、捻挫、老人性骨萎縮症、廃用性
骨萎縮症、神経性骨萎縮症などの骨萎縮症、くる病、骨
化不全症、関節炎、骨髄炎、骨結核、骨梅毒、線維性骨
炎、骨腫瘍などの骨疾患、歯槽Pamなどの歯周病、偽
関節のトラブルなどに基づく骨の1員傷、疼痛、炎症の
修復及び/又は軽減に著効が達成される。
さらには、本発明の生体刺激装置は、成長期の動物や人
体に通電して四肢の発育を促進することができる0例え
ば、柔道、空手、相撲、レスリング、ラグビーなどの競
技選手の場合、筋肉の発達が骨組織の成長を妨げ、身長
が思うように伸びないという事例が認められる。斯かる
事例に於ては、成長期の生体に本発明の生体刺激装置を
常用することにより、バランスのとれた四肢の発育を促
すことができる。また、本発明の生体刺激装置を乳幼児
に常用するときには、骨の発育不全を予防することがで
きる。
上記の何れの場合にも、本発明の生体刺激装置による通
電に、例えば、温水浴或はスチームサウナなどによる温
浴や、例えば、骨成長促進因子、成長ホルモン、カルシ
トニン、ビタミンなどのリンホカイン剤、ホルモン剤、
化学療法剤を併用することにより、著しく高い骨成長促
進効果が達成されることが判明した。
本発明の装置を使用することにより、従来公知の通電生
体刺激装置のように電極を骨周囲の生体内に埋設するこ
となく顕著な骨成長促進効果を達成することができるの
は、当該刺激電圧が骨の成長を極めて効果的に促進する
からであると推定される。
また、斯界の技術水準にあっては、本発明のような生体
刺激装置は極めてコンパクトに作ることができるもので
あり、生体内に誘導電流を誘起して骨の成長を促進する
従来生体刺激装置のように装置自体が高張ることがない
以下、本発明を図示実施例により説明する。
[実施例] 第1図は本発明で用いる刺激電圧発生手段の一例の回路
図を示す。
図中のトランジスタT r +及びトランスTなどから
なるブロッキング発振回路は第2図に示すような二相性
活動電位波形のパルス性電圧を発生するためのものであ
る。一対の導子P、Hに直列接続されたダイオードD1
及び抵抗R5は、このブロッキング発振回路の発振する
刺激電圧に於ける正電圧成分e、の大きさを調節して、
正電圧成分e、と負電圧成分e。どの比が約0.1:1
乃至0.5:1.望ましくは、約0.2:l乃至0.3
:1の範囲とするためのものである。
トランジスタT r s及びトランジスタT r aな
どからなり、前記刺激電圧より周波数の低い第3図に示
すような矩形波を発振するマルチバイブレータの出力端
は、トランジスタT r 4などからなり時定数を有す
るエミッタ・フォロワーの入力端に接続され、また、エ
ミッタ・フォロワーの出力端は前記ブロッキング発振回
路に於けるトランジスタT r +のベースに接続され
ていることから、トランジスタT r +には第3図に
示すような正電圧領域と零電圧領域とが時間間隔Z +
 t て2を置いて出現する矩形波がベースバイアス電
圧として供給される。一般に、ブロッキング発振回路の
発1辰周波数はベースバイアス電圧に依存し、ベースバ
イアス電圧が高くなると発振周波数も高くなることから
、ベースに第3図に示すような矩形波を印加すると、一
対の導子P、E間には第4図に示すようなパルス間隔の
相違する二相性活動電位波形のパルス列が時間間隔て1
、て、を置いて交互に供給されることになる。
第5図、第6図及び第7図に示すのは、第1図に示す刺
激電圧発生手段と組み合わせて用いる一対の導子を示す
第5図及び第6図に示すのはバッド導子(1)であって
、通常、通電に際しては関導子として機能する0本パッ
ド導子(1)は、その上部に手を入れて操作するための
ベルト部材(2)、ベルト部材(2)と反対側に湾曲形
成したプラスチックなどの非電導性材料によるカバ一部
材(3)、カバ一部材(3)に於けるベルト部材(2)
と反対面に取り付けられたステンレスなどの導電性材料
を板状に形成してなる電極(4)、及び電極(4)を覆
ってカバ一部材(3)に着脱自在に取りつけられた、通
常、含水布或はスポンジなどの含水性材料によるスポン
ジ部材(5)からなる6スポンジ部材(5)には、パッ
ド導子(1)を浴槽などに浸して使用する際、水又は電
解質溶液などの電導性液体が電極(4)部分に自由に侵
入できるように、例えば、円形成は短冊型などの適宜形
状の透孔を設けてもよい、(6)は導子を刺激電圧発生
手段に接続するためのリードであり、電極(4)に電気
的に接続されている。
第 7 図に示すのは握り導子(7)であり。
通常、通電に際しては不関導子として機能する。
図中、(4)はステンレスなどの電導性材料を中空円柱
状に形成した電極であり、リード(6)を取り付けたそ
の先端の一部を残して袋状に形成されたスポンジ部材(
5)内に嵌入されている。
本例の生体刺激装置の使用方法について第8図を参照し
ながら説明すると、まず、バッド導子(1)と握り導子
(7)を刺激電圧発生手段を内装した装置本体(8)に
於ける出力端子P、Hにそれぞれ接続し、次いで、バッ
ド導子(1)及びtiり導子(7)に於けるスポンジ部
材(5)に水或は電解質溶液などの電導性液体を含浸せ
しめた後、片手に握り導子(7)を握って支えつつ、も
う一方の手をバッド導子(1)に於けるベルト部材(2
)に挿入した状態で身体に於ける適宜部位に当接して通
電すればよい0通電中は電源スィッチSWと可変抵抗V
Rに連動するツマミ(9)を回して、バッド導子(1)
に印加される刺激電圧を適宜調節すればよい。
次に、本発明の生体刺激装置の有効性についてn11記
実施例の生体刺激装置を使用して行った臨床実験に基づ
いて説明する。
前腕、肋骨、下髄骨、鎖骨、手、上腕骨、大腿骨、足、
膝蓋骨、胸骨、肩甲骨、を椎、骨盤に完全若しくは不完
全骨折をした患者121人に対して通常の整復、固定を
した後、マツサージ、温浴、自動運動などの後治療を実
施しつつ、第1図及び第5〜7図に示す本発明の生体刺
激装置によって。が約0.0035乃至0.0041秒
、ep/ellが約0.35乃至0.42、パルス間隔
が約3乃至8ヘルツの範囲で二段階に変化する二相性活
動電位波形のパルス性刺激電圧を印加して通電治療を並
行実施し、本発明の生体刺激装置の骨折患者に対する治
療効果を調べた。
通電は、医師又は医師の指導のもとに物理療法士、看護
人若しくは患者本人が行ない、患部の状態に注意しなが
ら毎日約1乃至8時間通電し、治す率(=始値患者数/
全患者数)を求めた。
その結果、本発明の生体刺激装置により通電治療を実施
した場合、全患者数121人に対し。
109人(90,0%)は1回の成形手術後に治価し、
10人(8,3%)は2回の手術後に治価し、2人(l
、7%)は3回の手術後に治帰し、総合的には平均1.
1回の手術によって100%の治痩率が達成された。ま
た、治療中、X線透視術により骨折部分を透視観察した
ところ、骨折からごく短期間で顕著な仮置の形成が見ら
れ、治値後の疹合状態は極めて良好であった。患部切断
した事例は皆無であった。
一方、通電治療を実施しない場合には、全患者数97人
に対して、26人(26,8%)は1回の成形手術後に
治aし、31人(32,0%)は2回の手術後に治値し
、18人(18,5%)は3回の手術後に治値し、この
18人に残りの22人(22,7%)を加えた約41%
が3乃至8回の手術を受けて73.2%が始値、71%
が始値見込みとなった。また、患部切断を要した事例が
約9%あった。
上記結果の単純な比較によっても、本発明の生体刺激装
置による通電治療により顕著な始動が達成されることが
推定される。
また、骨折患者以外に、打撲、捻挫、老人性骨萎縮、廃
用性骨萎縮、神経性付萎縮などの骨萎縮症、くる病、骨
化不全症、関節炎、骨髄炎、骨結核、骨梅毒、線維性骨
炎、骨腫瘍などの骨疾患、偽関節のトラブルに基づく炎
症や疼痛の軽減にも著効を示すことが判明した。
[発明の効果] 上記の通り、本発明の生体刺激装置は、正電圧成分と負
電圧成分との比が約o、i:を乃至0.5:lの範囲の
刺激電圧を用いているので、生体に通電刺激して極めて
効果的に骨成長を促進することができる。
また、当該刺激電圧は生体に通電して極めて効果的に骨
成長を促進することから、従来生体刺激装置のように電
極を骨の周囲の生体内に埋設する必要がない、従って、
本発明の生体刺激装置によるときには、通電するときの
み通電手段を皮膚に当接すれば足り、従来生体刺激装置
のように治療の全期間に亙って刺激装置を取り付けて生
活する煩しさがないばかりか、白金や金などの貴金属に
よる高価な電極を必ずしも使用する必要がない。
加えて、本発明で使用される刺激電圧は生体に通電して
も疼痛、火傷、皮膚の乾燥などの副作用を起し難いので
、比較的長時間の通電でも極めて快適に実施することが
できる。
従って、本発明の装置は成長期にある生体の四肢の発育
の促進、骨の発育不全に基づく骨損傷の予防、さらには
、骨折、打撲、捻挫、老人性骨萎縮、廃用性骨萎縮、神
経性骨萎縮などの骨萎縮症、くる病、骨化不全症、関節
炎、骨髄炎、骨結核、骨梅毒、線維性骨炎、骨腫瘍など
の骨疾患に基づく骨損傷、炎症及び/又は疼痛の修復や
軽減に極めて有利に使用することができる。
本発明はかくも顕著な効果を奏するものであって、斯界
に貢献することに誠に多大な発明である。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の実施例の回路図を示す。 第2図はブロッキング発振回路により発生する二相性活
動電位波の波形図、第3図はマルチバイブレータより発
振されるベースバイアス電圧の波形図、第4図は導子間
に発生する刺激電圧の波形図である。 第5〜7図は本発明で使用する導子を示し、第5図はバ
ッド導子の平面図、第6図はバッド導子の側面図を示し
、第7図は握り導子の一部切欠側面図を示す。 第8図は、本発明の生体刺激装置の使用状態を示す斜視
図である。 図中の符合並びに記号について説明すると、Rはt氏抗
、Cはコンデンサ、Trはトランジスタ、Tはトランス
、Dはダイオード、VRは可変抵抗、SWはスイッチ、
Bは電池、(1)はバッド導子、(2)はベルト部材、
(3)はカバ一部材、(4)は電極、(5)はスポンジ
部材、(6)はリード、(7)は糎り導子、(8)は刺
激電圧発生手段を内装した装置本体、(9)はツマミを
示す。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)正電圧成分と負電圧成分との比が約0.1:1乃
    至0.5:1の範囲にある刺激電圧を発生する刺激電圧
    発生手段と、その刺激電圧を生体に通電するための通電
    手段からなる骨の成長を促進するための生体刺激装置。
  2. (2)負電圧成分の接続時間が約0.001乃至0.1
    秒、正電圧成分の持続時間が負電圧成分の持続時間の約
    1.1乃至2倍であることを特徴とする特許請求の範囲
    第(1)項に記載の骨の成長を促進するための生体刺激
    装置。
  3. (3)刺激電圧が二相性活動電位波形を有することを特
    徴とする特許請求の範囲第(1)項又は第(2)項に記
    載の骨の成長を促進するための生体刺激装置。
  4. (4)刺激電圧がパルス列からなることを特徴とする特
    許請求の範囲第(1)項、第(2)項又は第(3)項に
    記載の骨の成長を促進するための生体刺激装置。
  5. (5)パルス間隔が約1/400乃至10秒の範囲にあ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第(4)項に記載の
    骨の成長を促進するための生体刺激装置。
  6. (6)刺激電圧のパルス間隔が周期的に変化することを
    特徴とする特許請求の範囲第(4)項又は第(5)項に
    記載の骨の成長を促進するための生体刺激装置。
  7. (7)刺激電圧発生手段がパルス列からなる刺激電圧を
    発生する第一の発振回路、該刺激電圧より周波数の低い
    矩形波を発振する第二の発振回路、及び時定数を有する
    エミッタ・フォロワー回路からなり、その第二の発振回
    路の出力端をエミッタ・フォロワー回路を介して第一の
    発振回路の入力端に接続することにより、第二の発振回
    路の出力端に接続された通電手段に印加される刺激電圧
    のパルス間隔が前記矩形波の周波数に応じて周期的に変
    化するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第(
    6)項に記載の骨の成長を促進するための生体刺激装置
  8. (8)第一及び第二の発振回路がそれぞれブロッキング
    発振回路及びマルチバイブレータであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第(7)項に記載の骨の成長を促進す
    るための生体刺激装置。
  9. (9)通電手段が生体の皮膚に対して着脱自在の電極導
    子であることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項、
    第(2)項、第(3)項、第(4)項、第(5)項、第
    (6)項、第(7)項又は第(8)項に記載の骨の成長
    を促進するための生体刺激装置。
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