JPH04503462A - Control of FNS fluctuation of response EMG - Google Patents

Control of FNS fluctuation of response EMG

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JPH04503462A
JPH04503462A JP2-500774A JP50077490A JPH04503462A JP H04503462 A JPH04503462 A JP H04503462A JP 50077490 A JP50077490 A JP 50077490A JP H04503462 A JPH04503462 A JP H04503462A
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Inventor
グラウプ ダニエル
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シグメディクス インコーポレイテッド
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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。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 レスポンスEMGのFNS変動の制御 技術分野 本発明は機能的神経筋刺激(FNS)に関し、詳細には改良されたFNSの制御 に関する。[Detailed description of the invention] Control of FNS fluctuation of response EMG Technical field The present invention relates to functional neuromuscular stimulation (FNS), and in particular to improved control of FNS. Regarding.

背景技術 上部運動単位のを髄損傷を受けてFNS (機能的神経筋刺激)を受ける対麻酔 患者やその他の麻痺患者は普通より短い成る時間以内に筋肉疲労を体験するが、 麻痺しているため疲労の感覚がない。更に、FNSは機能的に用いられるとき、 その目的に応じて、起立や歩行をするために患者は歩行器、ステッキ、松葉杖等 の支持体を必要とし、疲労を補償するために手動でFNSレベルやパルス幅を調 節することはできない。というのは、かかる調節を必要とするときというのは正 に患者が注意を転じて手を他に持っていくことができないときであるからである 。Background technology Upper motor unit undergoes spinal cord injury and undergoes FNS (functional neuromuscular stimulation) anesthesia Patients with paralysis and other paralyzed patients usually experience muscle fatigue within a shorter period of time; I have no feeling of fatigue because I am paralyzed. Furthermore, when FNS is used functionally, Depending on the purpose, patients may use a walker, cane, crutches, etc. to help them stand and walk. manual adjustment of FNS level and pulse width to compensate for fatigue. It cannot be reduced. This is because the times when such adjustments are necessary are This is because the patient is unable to turn his attention to anything else and move his hand elsewhere. .

本発明者等はこれまで対麻酔患者への電気的刺激の仕事を行ってきた。The present inventors have previously worked on electrical stimulation of anesthetized patients.

参考文献には下記のものがある。References include the following:

〔l〕クラlハエイ、(Kralj、 A、)、を髄損傷の下肢の電気刺激、ブ ロク、ナト アドバンス スタディズ インスト。[l] Kralj, A., Electrical stimulation of the lower limbs of spinal cord injury, B. Roku, Nato Advanced Studies Instrument.

オン スピナル コード インジュリズ(Proc、 Nat。On Spinal Chord Injury (Proc, Nat.

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〔2〕クラ1ハエイ、その他、対麻酔患者の筋肉の機能的使用を与える電気的刺 激、メト、プログ、チク、 (Med、 Prog。[2] Electric stimulation that gives functional use of the muscles of anesthesia patients Intense, meth, prog, tingle, (Med, Prog.

Tech、 )、7巻、pp3−9.1989;〔3〕 リベルソン、ダブリュ 、ティ、(Liberson、 W、T、)その他、半身不随患者の歩調の揺動 段階に同期した人間神経の機能的電気刺激、アーク、ワイズ。メト、(Arch 、 Phys、 Med、 ) 、92巻pp101−105.1961;〔4 〕グロペ デー、(Graupe D、 )その他、対麻酔患者に基本的歩行機 能を与えるためのEMGサイン識別による患者制御される電気刺激、ジャーナル  バイオムド、二二。Tech, ), vol. 7, pp3-9.1989; [3] Liberson, W. , T., (Liberson, W., T.) and other fluctuations in the gait of hemiplegic patients. Phase-synchronized functional electrical stimulation of human nerves, arc, and width. Metho, (Arch , Phys, Med, ), Volume 92, pp101-105.1961; [4 [Graupe D,] Other basic walking machines for anesthesia patients Patient-Controlled Electrical Stimulation with EMG Signature Identification for Improving Functionality, Journal Biomdo, 22.

(Journal Biomed、 Eny、) 、5巻、pp220−226 .1983゜〔5〕グロペ デー、及び コーン、ケイ、エッチ、 (Grau pe。(Journal Biomed, Any,), Volume 5, pp220-226 .. 1983゜[5] Grope Day, and Cohn, K. H. (Grau pe.

D、 and Kohn、 K、H,)対麻酔患者のEMG−制御された電気的 刺激の臨界的検査、CRCCr1t、 Rev、 in Biomed。D, and Kohn, K, H,) vs. EMG-controlled electrical Critical Test of Stimulus, CRCCrlt, Rev, in Biomed.

Eng、、15巻、pp187−210 、March 1987;〔6〕グロ ペ デー、(Graupe、 D、) システムの同定、第2版クリーグズ パ ブリッシイング コンパニー、(Kr ieges Publishing C O,)?ラバー、エフエル、(Malabar、 FL、 )1976゜ 更に、本発明者は係属中の米国特許出願第014.389号をもつ。Eng, vol. 15, pp187-210, March 1987; [6] Glo Graupe, D., System Identification, 2nd Edition Kriegs Pa. Publishing Company, (Kr ieges Publishing C O,)? Malabar, FL, 1976゜ Additionally, the inventor has a pending US patent application Ser. No. 014.389.

参考文献〔5〕で、本発明者は電気刺激場所の付近で、その場所に印加された刺 激に応答して取られた表面(経皮的)レスポンスEMGは電気的刺激の印加中に 刺激された筋肉の疲労の進行と共に変化することを示した。更に、参考文献〔5 〕では、対麻酔患者は彼の膝が伸長(起立)位置から折り曲げられるまで、疲労 とその進行についての感覚がなく、従って倒れることになるということも説明し た。患者が倒れ始めると、患者は刺激レベルを増すためにまた疲労を克服するた めに刺激パルス幅の場所を増すために手又は指を使う時間がなく、また使うこと もできない。彼ができることはせいぜい腕で歩行器に身体を保持させ、倒れるの を防ぐこと位である。従って筋肉疲労を自動的にモニタし、その疲労を克服する ために刺激を自動的に(手動でなく)調節することは必須である。この調節の提 案が本発明者の米国特許出願第014.389号の主題である。前記米国特許出 願ではこの調節はレスポンスEMGの連続したピークを測定し、記憶し、比較す ること及び、所定の刺激の開始と、対応するレスポンスEMG信号のピーク発生 からの時間間隔を記憶し、比較することに基づいている。多(の場合ピークは刺 激レベル調節の直後よりは、かなり大きな筋肉疲労が生じた後の方が高くなる。In Reference [5], the present inventor describes how, in the vicinity of an electrical stimulation location, the stimulation applied to that location Surface (transcutaneous) response EMG taken in response to electrical stimulation during the application of electrical stimulation. It was shown that the fatigue of stimulated muscles changes with the progression of fatigue. Furthermore, references [5 ], the anesthetized patient is fatigued until his knee is bent from the extended (standing) position. It also explains that there is no sense of its progress and therefore the person collapses. Ta. When the patient begins to collapse, the patient must again try to overcome fatigue in order to increase the stimulation level. Do not have time or ability to use your hands or fingers to increase the location of the stimulation pulse width I can't do it either. The best he can do is use his arms to hold himself in the walker and fall. The best thing to do is to prevent this. Thus automatically monitor muscle fatigue and overcome it Therefore, it is essential to adjust the stimulation automatically (rather than manually). This adjustment proposal The proposal is the subject of the inventor's US patent application Ser. No. 014.389. The above US patent In this application, this adjustment involves measuring, storing, and comparing successive peaks of the response EMG. and the onset of a given stimulus and the occurrence of a corresponding peak in the response EMG signal. It is based on remembering and comparing time intervals from If the peak is It is higher after considerable muscle fatigue occurs than immediately after a severe level adjustment.

他の場合には、ピークは疲労の開始前には全く形成されない。それ故、本発明は ピークが考えられない状態、又は最高のピークが必ずしも疲労の開始前に起こら ない状態即ち低いピークは筋肉疲労の進行を表わさない状態を包含する。In other cases, no peak forms at all before the onset of fatigue. Therefore, the present invention A condition in which no peak is considered or the highest peak does not necessarily occur before the onset of fatigue. A state without or a low peak includes a state that does not represent the progression of muscle fatigue.

発明の開示 FNSにより刺激された筋肉はその刺激に応答してEMG(電気的筋運動)信号 を刺激された場所に、身体の麻痺した部分であっても生じる。このレスポンス− EMGは筋肉疲労の進行と共にパターン変化を生じる。本発明はレスポンス−E MGのパターン認識を利用する。その場合パターンのパラメータは同定され、時 間と共に起こるその変動は筋肉疲労進行の関数となる。この時間的変動を利用し て、FNSパルス幅及び/又はパルスレベルを自動的に調節して患者の注意を必 要としない自動的な手法で疲労を補償させる。本発明の他の実施例はこのパルス 認識を診断に用いる手段や、起立又は歩行とは異なった筋肉収縮に対して用いる 手段を提供する。Disclosure of invention Muscles stimulated by FNS emit EMG (electrical muscle movement) signals in response to the stimulation. It occurs in areas that are stimulated, even in paralyzed parts of the body. This response- EMG patterns change as muscle fatigue progresses. The present invention is a response-E Utilizes MG pattern recognition. In that case the parameters of the pattern are identified and the time Its fluctuations over time are a function of muscle fatigue progression. Taking advantage of this temporal variation, automatically adjust the FNS pulse width and/or pulse level to require patient attention. To compensate for fatigue using an automatic method that does not require any physical effort. Another embodiment of the invention is this pulse Recognition is used as a diagnostic tool and for muscle contractions that are different from standing or walking. provide the means.

本発明は上部運動神経単位の対麻酔患者、成る一定のクアドラプレギクス(qu adraplegics)、ストーク(stake)患者及び脳性麻痺患者に特 に有効である。The present invention relates to an upper motor neuron unit paired with anesthesia, consisting of certain quadraplegics (qu). adraplegics), especially for stake patients and cerebral palsy patients. It is effective for

本発明によれば、改良された機能的神経筋刺激(FNS)の自動制御システム及 び方法は、FNSに応答して筋肉により生じるレスポンス−EMG (電気的筋 運動)信号のパターン変動に応答する作用を使用する。According to the present invention, an improved functional neuromuscular stimulation (FNS) automatic control system and The method is based on the response produced by muscles in response to FNS - EMG (electrical muscle). motion) uses an action that responds to pattern variations in the signal.

図面の簡単な説明 本発明を図示の実施例につき説明する。Brief description of the drawing The invention will now be described with reference to illustrated embodiments.

第1図は患者に結合されるレスポンス−EMG制御されるEFNSシステムを示 す図である。Figure 1 shows a response-EMG controlled EFNS system coupled to a patient. This is a diagram.

第2(a)図と第2(b)図は夫々FNS−刺激される大腿回頭筋の代表的レス ポンス−EMG信号の2つのパターンを示す図である。Figures 2(a) and 2(b) are representative responses of the FNS-stimulated rotator femoral muscle, respectively. FIG. 2 is a diagram showing two patterns of PONSE-EMG signals.

第3(a)図と第3(b)図は夫々疲労前と後のレスポンス−EMG波形を示す 図である。Figures 3(a) and 3(b) show the response-EMG waveforms before and after fatigue, respectively. It is a diagram.

発明の実施態様 第1図を参照すれば、対麻痺患者IOは電極21.22.23.24と、センサ ー31,32.33.34をもち、これらは例えば電極ゲルにより彼の(又は彼 女の)脚12に取付けられる。電極21.22.23.24は夫々電気リード線 41.42.43.44によりFNS刺激器40に結合される。センサー3I、 32.33.34は例えば電極ゲルにより患者の脚I2に取付けられ、夫々電気 リード線61.62.63.64を介してEMGパターン認識サブシステム60 に結合される。Embodiment of the invention Referring to Figure 1, a paraplegic patient IO has electrodes 21, 22, 23, 24 and a sensor. -31, 32, 33, 34, and these are (female) leg 12. Electrodes 21, 22, 23, 24 are electrical leads, respectively. 41.42.43.44 to the FNS stimulator 40. sensor 3I, 32, 33, 34 are attached to the patient's leg I2, for example by electrode gel, and each EMG pattern recognition subsystem 60 via leads 61.62.63.64 is combined with

センサー31〜34はEMGパターン認識サブシステム60に結合するためのレ スポンス−EMG信号を与える。EMGパターン認識サブシステム60は後述す る如く、レスポンス−EMG信号を分析し、FNSレベル/パルス幅制御器50 に結合される第1制御信号66を出力する。前記FNSレベル/パルス幅制御器 50はそれに応答してFNS刺激器サブシステム40に結合される第2制御信号 55を出力する。FNS刺激器サブシステム40はFNS制御器50からの出力 としての第2制御信号55に応答して自動的にFNS信号出力41.42.43 .44のレベル及び/又はパルス幅を調節する。Sensors 31-34 are connected to the EMG pattern recognition subsystem 60. Sponsor - Provides an EMG signal. The EMG pattern recognition subsystem 60 will be described later. Analyzes the response-EMG signal as shown in FIG. outputting a first control signal 66 coupled to the first control signal 66; The FNS level/pulse width controller 50 is a second control signal coupled to the FNS stimulator subsystem 40 in response. Outputs 55. FNS stimulator subsystem 40 outputs from FNS controller 50. FNS signal output automatically in response to second control signal 55 as 41.42.43 .. 44 level and/or pulse width.

第1図は機能的神経筋刺激システムを示す。FNS電極21〜24は刺激すべき 筋肉の近くの皮膚に結合する。FNS刺激サブシステムはFNS電極21〜24 にリード線41〜44を経て結合された出力FNS刺激信号41〜44を選択的 に出力する。EMG電極31〜34はFNS刺激サブシステムに応答するレスポ ンス−EMG信号を感知するために、刺激すべき筋肉の近くに結合される。EM Gパターン認識サブシステムは多重レスポンス−EMG信号を全期間にわたって 選択的に分析し、レスポンス−EMG信号のパターンの変化の予め規定されたス レッショルドレベルを越えた認識されたふれに応答してFNS制御信号61〜6 4を電気リード線61〜64を経て選択的に供給する。この場合全期間にわたる パターンの変化はFNS刺激の初期の印加後及びFNS刺激の連続的再調節の各 々の後の指定された小さい時間間隔内のEMGパターンに対する変化である。FIG. 1 shows a functional neuromuscular stimulation system. FNS electrodes 21-24 should be stimulated Attach to the skin near the muscles. FNS stimulation subsystem includes FNS electrodes 21 to 24 selectively output FNS stimulation signals 41-44 coupled via leads 41-44 to Output to. EMG electrodes 31-34 are responsive to the FNS stimulation subsystem. - coupled near the muscle to be stimulated to sense EMG signals. E.M. The G-pattern recognition subsystem recognizes multiple responses - EMG signals over the entire period. Selectively analyze and respond to predefined steps of changes in the pattern of the EMG signal FNS control signals 61-6 in response to recognized deflection exceeding a threshold level. 4 is selectively supplied via electrical leads 61-64. In this case, for the entire period The pattern changes after the initial application of FNS stimulation and with each successive readjustment of FNS stimulation. change to the EMG pattern within a specified small time interval after each change.

FNS調節サブシステムは、疲労を防止するように、例えば前記EMGパターン 認識手段により認識されたEMGパターンの全期間にわたる変化に応答してFN S刺激信号を調節する。The FNS regulatory subsystem may, for example, adjust the EMG pattern to prevent fatigue. FN in response to changes over time in the EMG pattern recognized by the recognition means. Adjust the S stimulation signal.

FNS及びEMG電極は好適には皮膚の表面に例えば電極ゲルを用いて取付ける 。しかし、FNS及びEMG電極は別法として皮膚面の下に移植することもでき る。パターン認識は、刺激レベル対疲労が効果を現し始めたときの任意時間後の それに対応する値の調節直後の不連続の時点にそれらの電圧値間のレスポンス− EMG電極に得られるレスポンス−EMG電圧対時間信号の所定数の点上にわた る場所的差を測定することにより行うことができる。時間尺度はすべて、一連の FNS刺激中の各刺激の開始の時間の瞬間t。に関連し、この場合比較される2 つのパターン中に考えられる各点は各パターンの開始点の時間の瞬間から同じ距 離にある。上記の別法として、場所的な差でな(むしろ面積差はEMGパターン 間と同様に分析すべき選択されたパターンと考えられる。FNS and EMG electrodes are preferably attached to the surface of the skin using, for example, an electrode gel. . However, FNS and EMG electrodes can alternatively be implanted below the skin surface. Ru. Pattern recognition shows stimulation levels versus arbitrary times after fatigue begins to take effect. The response between those voltage values at the discontinuous time immediately after the adjustment of the corresponding value − The response obtained at the EMG electrode - over a predetermined number of points of the EMG voltage vs. time signal. This can be done by measuring the spatial differences in All time scales are a series of The time instant t of the onset of each stimulus during the FNS stimulation. 2 compared in this case Each possible point in a pattern is the same distance from the time instant of the starting point of each pattern. It's in a remote area. As an alternative method to the above, it is possible to consider the difference in location (rather, the difference in area is the EMG pattern). It can be considered as a selected pattern to be analyzed as well.

多くの別のシステムを本発明の技術により構成することができる。本発明の実施 方法は下記の通りである。Many other systems can be constructed with the techniques of the present invention. Implementation of the invention The method is as follows.

FNS電極を患者の脚に取付け、FNS刺激器サブシステムに結合する。上記サ ブシステムは周期的に電気的刺激を出力する。EMG電極を患者の脚に取付け、 EMGパターン認識サブシステムに結合する。このサブシステムはレスポンス− EMG信号を分析し、それに応答して選択的にFNS適用制御信号を出力する。FNS electrodes are attached to the patient's legs and coupled to the FNS stimulator subsystem. The above service The system periodically outputs electrical stimulation. Attach the EMG electrode to the patient's leg, Coupled to EMG pattern recognition subsystem. This subsystem responds to − Analyzing the EMG signal and selectively outputting FNS application control signals in response.

FNS刺激器サブシステムは刺激信号をFNS電極に出力する。このFNS電極 は患者の疲労を防止するように、制御信号に応答して変更される。The FNS stimulator subsystem outputs stimulation signals to the FNS electrodes. This FNS electrode is altered in response to the control signal to prevent patient fatigue.

EMG信号はレスポンス−EMG信号として刺激された筋肉から感知される。レ スポンス−EMG信号の動的パターンは全期間にわたり繰り返してモニタされ、 分析される。パターンに関連しかつ疲労の性質を示すことができる有限の一組の パラメータが分析される。前記パラメータの少なくとも1つが疲労を表す予定の 最小の値を越える大きな変化をもつとき、制御信号がFNS刺激器サブシステム に送られ、疲労を防止するようにFNS電極に結合されたFNS刺激を変更する ようになす。有限の一組のパラメータはレスポンス−EMG信号に適合する最小 二乗多項式に従って決定することができる。この式は本発明の背景の項目で述べ た参考文献〔6〕の5章に規定されている。The EMG signal is sensed from the stimulated muscle as a response-EMG signal. Re Sponsor - the dynamic pattern of the EMG signal is monitored repeatedly over the entire period; be analyzed. A finite set of patterns that can be related to patterns and exhibit fatigue properties. Parameters are analyzed. at least one of said parameters is expected to represent fatigue. When the control signal has a large change above the minimum value, the FNS stimulator subsystem Modify the FNS stimulation coupled to the FNS electrodes to prevent fatigue. Do it like this. A finite set of parameters is the minimum that matches the response-EMG signal. It can be determined according to a squared polynomial. This formula is described in the background section of the invention. It is stipulated in Chapter 5 of Reference [6].

有限の一組のパラメータはレスポンス−EMGに適合する伝達関数によって決定 される。この場合、レスポンス−EMGはインパルスレスポンスと考えられる。A finite set of parameters is determined by a transfer function that fits response-EMG. be done. In this case, the response-EMG is considered an impulse response.

伝達関数はインパルスレスポンスについて計算された逆ラプラス変換になる。前 記インパルスレスポンスはEMG電圧対時間のレスポンス−EMGパターンであ り、これは刺激インパルスが刺激器によって印加される時間の瞬間に開始する。The transfer function becomes the inverse Laplace transform calculated for the impulse response. Before The impulse response is the EMG voltage vs. time response - EMG pattern. This starts at the moment of time when the stimulation impulse is applied by the stimulator.

他の実施例として、有限の一組のパラメータは全期間にわたるレスポンス−EM Gパターンのその平均からのふれを分析することによって決定することができる 。別法として、有限の一組のパラメータは全期間にわたり前記パターンの連続す る両端間の差を分析することにより前記レスポンス−EMG信号を分析すること によって決定することができる。As another example, a finite set of parameters may be used to determine the response over the entire period - EM can be determined by analyzing the deviation of the G pattern from its average . Alternatively, a finite set of parameters may analyzing the response-EMG signal by analyzing the difference between the two ends; It can be determined by

本発明によれば、改良されたシステムと方法はステッキ、歩行器又は肘松葉杖支 持体を用いて起立又は歩行する対麻酔患者のFNSのレスポンス−EMG制御を 行うことによって筋肉疲労の進行に伴うバランス喪失を克服することができる。In accordance with the present invention, an improved system and method provides a cane, walker or elbow crutch support. FNS response of anesthetized patients standing up or walking with support - EMG control By doing this, you can overcome the loss of balance that accompanies muscle fatigue.

対麻痺患者のかかる制御の重要性は明らかである。というのは、対麻痺患者は筋 肉疲労の感覚が無いからである。筋肉疲労が既に原曲げについてのバランスを喪 失しているときに、刺激を強化するためにFNSレベル又はパルス幅を調節する のは患者にとっては遅すぎる。更に、バランスを喪失しているときには、患者は FNSレベル又はパルス幅を調節するために手を歩行器又は松葉杖から離すこと はできず、またかかる調節を行うために彼の注意を逸らすこともできない。The importance of such control in paraplegic patients is clear. This is because paraplegic patients have muscular This is because there is no feeling of physical fatigue. Muscle fatigue has already caused loss of balance regarding original bending. Adjust FNS level or pulse width to enhance stimulation when lost It is too late for the patient. Furthermore, during loss of balance, the patient Removing hands from walker or crutches to adjust FNS level or pulse width and cannot divert his attention to make such adjustments.

FNSのEMG制御の使用は従来のも提案されてきた。その方法では刺激された 筋肉からでるEMG信号(即ち“レスポンス−EMG”)を使用する。この場合 、EMG信号の第1又は第2のピークが使われる。しかし、このピークの値は広 く変化し、EMGの形状が患者毎に異なる。しかし、本発明ではあらゆる場合レ スポンス−EMGの動的パターンは変化する。それ故、本発明ではこのEMGの パターンの同定は有限の一組のパターン、Pl・・・Pn、により行われ、疲労 の進行は全期間にわたってこれらのパラメータを繰り返しモータすることによっ て決定される。少なくとも1つの重要なパラメータが予定の最小のパーセンテー ジ値を越えて変化しときには、疲労はFNSレベル及び/又はパルス幅の自動的 増大を必要とする程度にあると考えられる。The use of EMG control of FNS has also been previously proposed. stimulated in that way The EMG signals emanating from the muscles (or "response-EMG") are used. in this case , the first or second peak of the EMG signal is used. However, the value of this peak is The shape of EMG varies from patient to patient. However, in the present invention, in all cases Sponsor - EMG dynamic patterns change. Therefore, in the present invention, this EMG Pattern identification is performed using a finite set of patterns, Pl...Pn, and fatigue The progression is made by repeatedly motoring these parameters over the entire period. Determined by At least one important parameter is the minimum percentage of the appointment. When FNS levels and/or pulse widths change beyond the This is considered to be at a level that requires an increase.

例えばパターン認識はEMGパターンに適合する最小二乗多項式のパラメータに より又は適合する伝達関数により行うことができる。認識はパターン間(即ち筋 肉疲労の前又はその間中のパターン間)の差についてなされ、差の認識は、比較 のための時間基準を与えるために各刺激の印加時に開始する連続した点について 筋肉疲労の前と間中に得られた第2(a)又は2(b)図に示す如きレスポンス −EMGの曲線の前とその間中の間の場所的な差を測定することにより直接行う ことができる。For example, pattern recognition is based on the parameters of a least squares polynomial that fits the EMG pattern. or by an adapted transfer function. Recognition is between patterns (i.e. (between patterns before or during muscle fatigue), and the recognition of differences is based on comparison. For consecutive points starting at the time of each stimulus application to give a time reference for Responses as shown in Figures 2(a) or 2(b) obtained before and during muscle fatigue. - Directly by measuring the local differences between the front and middle of the EMG curve be able to.

■実施例では、これはパターンのその平均からのふれに関連する。■ In the example, this relates to the deviation of the pattern from its average.

最も簡単な場合、疲労の前とその間中のレスポンス−EMGのパターン下の面積 間の差をそのように考えることができる。In the simplest case, the response before and during fatigue - the area under the EMG pattern. You can think of the difference between them in this way.

本発明によれば、ピークよりもむしろレスポンスEMG面積の特定のパラメータ は使用される。According to the invention, specific parameters of the response EMG area rather than the peak is used.

レスポンスEMG面積を使用すれば、全期間にわたるその積分値はすべての状態 の進行と共に明らかに変化する(それは常に減少し、従ってその変化は一方向的 である)。これらの結果は第2図に示す例で、数年間にわたって実験的に測定さ れてきた。If we use the response EMG area, its integral value over the entire period will be (it always decreases, so the change is unidirectional) ). These results are shown in the example shown in Figure 2 and have been experimentally measured over several years. It's been coming.

それ故、EMG信号のピークが疲労に関して完全に誤った結論をもたらす場合が 多くあるが、レスポンス〜EMGの面積(全期間にわたる積分)は常に正しい結 論を生じる。Therefore, peaks in the EMG signal may lead to completely incorrect conclusions regarding fatigue. Although there are many cases, the response ~ EMG area (integral over the entire period) is always the correct conclusion. give rise to an argument.

レスポンス−EMGの面積とピークの両者は1=0とt=t0の間であるので、 時間1=0からではなく、t ”’ t oから測定されることは注目すべきこ とである。我々は刺激の人為的構成をもつに過ぎず、レスポンス−EMGをもつ ものではない。Response-Since both the EMG area and peak are between 1=0 and t=t0, It is worth noting that the measurement is not from time 1 = 0, but from t”’t o. That is. We have nothing more than an artificial configuration of stimuli and a response - EMG. It's not a thing.

第3(a)図ではE =t o後のレスポンス−EMGの最高値は全くピークで はなく、第3(a)図の局部的最大値(局部的ピーク)は第3 (b)図のピー クより下にある。In Figure 3(a), the highest value of response-EMG after E = t is no peak at all. The local maximum value (local peak) in Figure 3(a) is not the same as the peak in Figure 3(b). It is below the ku.

本発明は最大値又はピークではなく、パターン認識パラメータの変化を利用する ものである。本発明の場合、特定のパターン認識パラメータの変化又は面積の変 化は疲労を決定したファクターである。本発明では面積又はパターン認識パラメ ータは非疲労のレスポンスEMGのピーク(最大に達する)を必要としない。し かし、面積について考えると、それらは常に非疲労の状態では最大になる(しか しその必要はない)。他のパターン認識パラメータは非疲労の状態は必ずしも最 大にならないが、本発明に利用することができる。The present invention utilizes changes in pattern recognition parameters rather than maxima or peaks. It is something. In the case of the present invention, changes in specific pattern recognition parameters or changes in area is the factor that determined fatigue. In the present invention, the area or pattern recognition parameter data does not require a non-fatiguing response EMG peak (reaching a maximum). death However, when considering areas, they are always at their maximum in the non-fatigued state (only There is no need to do so). Other pattern recognition parameters are not necessarily optimal in the non-fatigue state. Although it is not very large, it can be used in the present invention.

すべての場合、制御器は疲労前のパターンはは刺激の最初の切り換え直後に又は 刺激レベルの増加の直後に得られたレスポンス−EMGパターン(第2 (a)  、2 (b)図の実線)と考えられるが、疲労の進行中のEMGパターン(第 2 (a) 、2(b)図の破線)は任意の時間後の同じ電極場所での任意のレ スポンス−EMGパターンであると考えられる。すべてのパターンはEMG電圧 対時間のパターンとして比較される。ここで時間は、刺激器により刺激パルスが 開始され、又は再開されるj ” t oから開始して測定される。。これらの 刺激は20乃至50ミリセカシドから変化する連続した時間間隔で印加され、再 開される。In all cases, the controller detects that the pre-fatigue pattern is either immediately after the first switch of stimulation or Response-EMG pattern obtained immediately after increase in stimulation level (Second (a) , 2 (solid line in Figure 2(b)), but the EMG pattern during fatigue (the solid line in Figure 2(b)) 2 (a), 2 (b) (dashed line) is the arbitrary record at the same electrode location after an arbitrary time. It is considered to be a sponse-EMG pattern. All patterns are EMG voltage It is compared as a pattern over time. Here the time is the stimulation pulse produced by the stimulator. Measured starting from j''t o which is started or restarted.These Stimuli were applied at consecutive time intervals varying from 20 to 50 msec It will be opened.

第2 (a) 、2 (b)図は、FNS刺激された大腿回頭筋でセンサー31 〜34により感知された2つの典型的なレスポンス−EMG信号波形を示す。多 くの他の波形も生じ得る。各波形の第1のピークはFNS刺激の人為的構成を表 す。実線波形は非疲労の状態下でのレスポンス−EMGパターンを表す。破線波 形は後の時間に測定した筋肉疲労状態の進行過程を表す。Figures 2(a) and 2(b) show the sensor 31 in the rotator femoral muscle stimulated by FNS. Two typical response-EMG signal waveforms sensed by ~34 are shown. Many Many other waveforms may also occur. The first peak of each waveform represents the artifactual configuration of the FNS stimulus. vinegar. The solid waveform represents the response-EMG pattern under non-fatigue conditions. dashed wave The shape represents the progression of muscle fatigue state measured at later times.

これらは前述の如くして本発明により感知され、利用される。These are sensed and utilized by the present invention as described above.

種々の実施例につき説明したが、本発明は上述した処に限定されることなく9本 発明の範囲内で種々の変更を加えることができる。Although various embodiments have been described, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications can be made within the scope of the invention.

補正書の写しく翻訳文)提出書(特許法第184条の7第1項)平成3年5月2 8日Copy and translation of written amendment) Submission (Article 184-7, Paragraph 1 of the Patent Act) May 2, 1991 8th day

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.刺激すべき筋肉の近くで皮膚に結合するためのFNS電極(21、22、2 3、24)と、前記FNS電極に結合されるFNS刺激信号を選択的に出力する FNS刺激手段(40)と、前記FNS刺激手段に応答してレスポンス−EMG 信号を感知ために、刺激すべき前記筋肉の近くに結合するための刺激−レスポン ス−EMG電極(31、32、33、34)と、多重レスポンス−EMG信号を 分析するためにかつ前記レスポンス−EMG信号のパターンの変化の予め規定さ れたスレッショルドレベルを越えた認識されたふれに応答してFNS制御信号を 選択的に供給するために、疲労パターンを認識するためのEMGパターン認識手 段(60)を備え、全期間にわたる前記パターンの前記変化はEMG基準パター ンに対して変化し、前記EMG基準パターンはFNS刺激の初期の印加後及びF NS刺激の連続した再調節の各々の後の指定された小さい時間間隔内のEMGパ ターンであり、更に、疲労を防止するように前記EMGパターン認識手段により 認識されたEMGパターンの全期間にわたる変化に応答する前記パターン認識手 段に応答してFNS刺激信号を自動的に調節するためのFNS調節手段(10) を備えたことを特徴とするシステム。1. FNS electrodes (21, 22, 2) for coupling to the skin near the muscles to be stimulated 3, 24) and selectively outputting an FNS stimulation signal coupled to the FNS electrode. an FNS stimulation means (40) and a response-EMG in response to said FNS stimulation means; a stimulus-response for coupling near said muscle to be stimulated in order to sense the signal; S-EMG electrodes (31, 32, 33, 34) and multiple response EMG signals. In order to analyze and the response - predefined changes in the pattern of the EMG signal. the FNS control signal in response to a recognized deflection that exceeds a set threshold level. EMG pattern recognition hand to recognize fatigue patterns for selective delivery step (60), said variation of said pattern over a period of time being an EMG reference pattern. The EMG reference pattern changes after the initial application of FNS stimulation and after the FNS stimulation. EMG patterns within a specified small time interval after each successive readjustment of NS stimulation. and further by said EMG pattern recognition means to prevent fatigue. said pattern recognition hand responsive to changes in the recognized EMG pattern over time; FNS adjustment means (10) for automatically adjusting the FNS stimulation signal in response to a step; A system characterized by: 2.前記FNS電極は皮膚の表面に結合するためのものとする、請求項1に記載 のシステム。2. 2. The FNS electrode according to claim 1, wherein the FNS electrode is for coupling to the surface of the skin. system. 3.前記FNS及びEMG電極は皮膚の表面の下に移植するためのものとする、 請求項1に記載のシステム。3. the FNS and EMG electrodes are for implantation below the surface of the skin; The system of claim 1. 4.前記EMG電極は皮膚の表面に結合するためのものとする、請求項1に記載 のシステム。4. 2. The EMG electrode according to claim 1, wherein the EMG electrode is for coupling to the surface of the skin. system. 5.前記EMG電極は皮膚の表面の下に移植するためのものとする、請求項1に 記載のシステム。5. 2. The EMG electrode according to claim 1, wherein the EMG electrode is for implantation below the surface of the skin. The system described. 6.前記調節手段はFNS刺激パルス幅を調節することによりFNS信号を調節 するために備えた、請求項1に記載のシステム。6. The adjusting means adjusts the FNS signal by adjusting the FNS stimulation pulse width. 2. The system of claim 1, wherein the system is configured to: 7.前記調節手段はFNS刺激振幅を調節することによってFNS信号を調節す るために備えた、請求項1に記載のシステム。7. The adjusting means adjusts the FNS signal by adjusting the FNS stimulation amplitude. 2. The system of claim 1, wherein the system is configured to: 8.パターン認識は、刺激レベル対疲労が効果を生じ始めた任意の時間後のそれ に対応する値の調節の直後の不連続時点にそれらの電圧値間のレスポンス−EM G電極で得られたレスポンス−EMG電圧対時間信号の所定の数の点における場 所的差を測定することにより行い、時間尺度はすべて、一連のFNS刺激内の各 刺激の開始の時間の瞬間に間遠し、また、比較される2つのパターン中に考えら れる各点は各パターンの開始点の時間の瞬間から同じ距離にある、請求項1に記 載のシステム。8. Pattern recognition measures stimulation level vs. that after any time fatigue begins to take effect. The response between those voltage values at discrete points in time immediately after the adjustment of the value corresponding to −EM Response obtained at the G electrode - field at a given number of points of the EMG voltage versus time signal This is done by measuring local differences, all on a time scale, for each individual within a series of FNS stimuli. At the moment of stimulus onset time, there is also no thought during the two patterns being compared. 2. Each point in the pattern is at the same distance from the instant in time of the starting point of each pattern. system. 9.パターン認識は、刺激レベル対疲労が効果を生じ始めた任意時間後のそれに 対応する値の調節の直後の不連続時点にそれらの電圧値間のレスポンス−EMG 電極で得られたレスポンス−EMG電圧対時間信号の所定数の点における面積差 を測定することにより行い、時間尺度はすべて、一連のFNS刺激内の各刺激の 開始の時間の瞬間に関連し、また、比較される2つのパターン中に考えられる各 点は各パターンの開始点の時間の瞬間から同じ距離にある、請求項1に記載のシ ステム。9. Pattern recognition measures stimulation level vs. that at any time after fatigue begins to take effect. The response between those voltage values at discrete points in time immediately after the adjustment of the corresponding values - EMG Response obtained at the electrode - area difference at a given number of points of the EMG voltage versus time signal All time scales are for each stimulus within a series of FNS stimuli. associated with the moment of time of onset and each possible during the two patterns being compared. A system according to claim 1, wherein the points are at the same distance from the instant in time of the starting point of each pattern. stem. 10.選択された筋肉を電気的に刺激し、前記刺激された筋肉からレスポンス− EMG信号を感知し、レスポンス−EMG信号の動的パターンを全期間にわたり 繰り返しモニタすると共に分析し、前記パターンに関連する有限の一組のパラメ ータを確認し、少なくとも1つの前記パラメータが予定の最小値を越える大きな 変化をもつときを検出し、前記検出に応答して前記電気的刺激を調節することを 特徴とする機能的神経筋刺激方法。10. Electrically stimulates the selected muscle and produces a response from the stimulated muscle. Senses EMG signals and responds - dynamic patterns of EMG signals over the entire period Iteratively monitors and analyzes a finite set of parameters associated with the pattern. If at least one of the above parameters exceeds the expected minimum value, detecting when there is a change and adjusting the electrical stimulation in response to the detection. Features a functional neuromuscular stimulation method. 11.前記パラメータの有限の一組はレスポンス−EMG信号に適合する最小二 乗多項式に従って決定される、請求項10に記載の方法。11. The finite set of parameters is the minimum two that fit the response-EMG signal. 11. The method according to claim 10, wherein the method is determined according to a multiplicative polynomial. 12.前記有限の一組のパラメータはレスポンス−EMGに適合する伝達関数に より決定され、この場合レスポンス−EMGはパルスレスポンスと見做され、前 記伝達関数は刺激インパルスが刺激器により印加される時間の瞬間に開始する、 EMG電圧対時間のレスポンス−EMGパターンであるインパルスレスポンスの ために計算された逆ラプラス変換になる、請求項10に記載の方法。12. The finite set of parameters is a transfer function that fits the response-EMG. In this case the response-EMG is considered as a pulse response and the previous The transfer function starts at the instant of time when the stimulation impulse is applied by the stimulator, EMG voltage vs. time response - EMG pattern impulse response 11. The method of claim 10, resulting in an inverse Laplace transform calculated for . 13.前記有限の一組のパラメータは全期間にわたりレスポンス−EMGパター ンのその平均からのふれを分析することによっ決定される、請求項10に記載の 方法。13. The finite set of parameters determines the response-EMG pattern over the entire period. as claimed in claim 10, wherein the Method. 14.選択された筋肉を選択的にかつ調節可能に電気的に刺激する手段と、前記 刺激された筋肉からレスポンス−EMG信号を感知する手段と、レスポンス−E MG信号の動的パターンを全期間にわたり繰り返しモニタしかつ分析する手段と 、前記パターンに関連する有限の一組のパラメータを同定する手段と、少なくと も1つの前記パラメータが予定の最小値を越えて大きく変化したときを検出する 手段と、前記検出する手段に応答して、前記刺激された筋肉の疲労を防止するよ うに、前記電気刺激を自動的に変更する手段を備えたことを特徴とする機能的神 経筋刺激システム。14. means for selectively and controllably electrically stimulating selected muscles; Means for sensing response-EMG signals from stimulated muscles and response-E means for repeatedly monitoring and analyzing the dynamic pattern of the MG signal over its entire duration; , means for identifying a finite set of parameters associated with said pattern; Detect when one of the parameters changes significantly beyond a predetermined minimum value. means for preventing fatigue of the stimulated muscle in response to the detecting means; uni, a functional device characterized by comprising means for automatically changing the electrical stimulation; Transmuscular stimulation system. 15.前記有限の一組のパラメータはレスポンス−EMG信号に適合する最小二 乗多項式に従って決定される、請求項14に記載のシステム。15. The finite set of parameters is a minimum of two that fit the response-EMG signal. 15. The system of claim 14, wherein the system is determined according to a multiplicative polynomial. 16.前記有限の一組のパラメータはレスポンス−EMGに適合する伝達関数に より決定され、この場合レスポンス−EMGはインパルスレスポンスと見做され 、前記伝達関数は刺激インパルスが刺激器により印加される時間の瞬間に開始す る、EMG電圧対時間のレスポンス−EMGパターンであるインパルスレスポン スのために計算された逆ラプラス変換になる、請求項14に記載の方法。16. The finite set of parameters is a transfer function that fits the response-EMG. In this case, the response-EMG is considered to be an impulse response. , the transfer function starts at the instant of time when the stimulation impulse is applied by the stimulator. EMG voltage vs. time response - Impulse response, which is an EMG pattern 15. The method of claim 14, resulting in an inverse Laplace transform calculated for the 17.前記電気刺激は電圧レベル、持続時間及び時間間隔の限定可能な電気的特 性をもつ複数のパルスからなり、前記変更する手段は更に、前記検出する手段に 応動する少なくとも1つの前記電気的特性を変えるための手段を含む、請求項1 4に記載のシステム。17. The electrical stimulation has a definable electrical characteristic of voltage level, duration and time interval. the means for changing further comprises a plurality of pulses having a Claim 1 comprising means for responsively changing at least one said electrical characteristic. 4. The system described in 4. 18.前記同定する手段は更に、前記レスポンス−EMG信号の選択されたパラ メータとして電圧対時間を変化する信号特性を選択する手段を含み、前記特性は 検出可能な仕方で変化して前記刺激された筋肉の筋肉疲労状態の性質を指示し、 更に、前記検出する手段は前記選択されたパラメータに応答する、請求項14に 記載のシステム。18. The means for identifying further comprises identifying selected parameters of the response-EMG signal. means for selecting a signal characteristic that varies voltage versus time as a meter, said characteristic being change in a detectable manner to indicate the nature of the muscle fatigue state of the stimulated muscle; 15. Further, the means for detecting is responsive to the selected parameter. The system described. 19.筋肉の近くに結合するための、かつ前記筋肉からレスポンス−EMG信号 を感知するためのEMG電極と、多重レスポンス−EMG信号を選択的に分析す るための、かつ前記レスポンス−EMG信号のパターンの変化の予め規定された スレッショルドレベルを越えた認識されたふれに応答して制御信号を選択的に供 給するためのEMGパターン認識手段を備え、全期間にわたる前記パターンの変 化は初期時間後の指定された小さい時間間隔内におけるレスポンス−EMGパタ ーンに対する変化であることを特徴とする診断神経筋システム。19. response-EMG signal for coupling close to and from said muscle; EMG electrodes for sensing and multiple response - selectively analyzing EMG signals. and the response--a predefined pattern of changes in the pattern of the EMG signal. selectively providing a control signal in response to perceived deflection that exceeds a threshold level; EMG pattern recognition means for supplying the is the response-EMG pattern within a specified small time interval after the initial time. Diagnostic neuromuscular system characterized by changes to the tone. 20.パターン認識は、前記初期時間基準対疲労が効果を生じ始めた任意時間後 のそれに対応する値の直後の不連続時点にそれらの電圧値間のレスポンス−EM G電極で得られた、レスポンス−EMG電圧対時間信号の所定数の点における場 所的差を測定することにより行い、時間尺度はすべて開始の時間の瞬間に関連し 、また、比較される2つのパターン中に考えられる各点は各パターンの開始点の 時間の瞬間から同じ距離にある、請求項19に記載のシステム。20. Pattern recognition shows the initial time reference versus an arbitrary time after fatigue begins to take effect. The response between those voltage values at a discontinuous point immediately after the value corresponding to that of The field at a predetermined number of points of the response-EMG voltage vs. time signal obtained at the G electrode. This is done by measuring local differences, where all time scales are relative to the moment of time of onset. , and each possible point in the two patterns being compared is the starting point of each pattern. 20. The system of claim 19, being at the same distance from an instant in time. 21.パターン認識は、前記初期時間基準対疲労が効果を生じ始めた任意時間後 のそれに対応する値の調節の直後の不連続時点にそれらの電圧値間のレスポンス −EMG電極で得られた、レスポンス−EMG電圧対時間信号の所定数の点にお ける面積差を測定することにより行い、時間尺度はすべて開始の時間の瞬間に関 連し、また、比較される2つのパターン中に考えられる各点は各パターンの開始 点の時間の瞬間から同じ距離にある、請求項19に記載のシステム。21. Pattern recognition shows the initial time reference versus an arbitrary time after fatigue begins to take effect. The response between those voltage values at discrete points in time immediately after the adjustment of the corresponding value of - the response obtained at the EMG electrode - at a predetermined number of points of the EMG voltage vs. time signal; This is done by measuring the area difference between the each possible point in the two patterns being compared is the start of each pattern. 20. The system of claim 19, wherein the points are at the same distance from the instant of time.
JP2-500774A 1988-11-29 1989-11-28 Control of FNS fluctuation of response EMG Pending JPH04503462A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013179966A (en) * 2012-02-29 2013-09-12 Univ Of Tsukuba Biological signal measurement system and biological signal measurement method

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