JPH09182805A - 筋肉増強用電気刺激装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生体に対し無用な負荷を与えること無く所望
の筋肉を増強させる。 【構成】 生体信号検出手段、前記生体信号から特定の
部位を検出する特定部位検出手段、前記特定部位におい
て電気刺激を出力する電気刺激出力手段より構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、筋肉増強用の電気刺激装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】筋肉増強手段として様々な器具器械があ
るが、これらは主に人体に機械的な負荷を与える為の機
器であり、この負荷に抗する力を発揮させるという訓練
を自発的におこなうことによってはじめて筋肉強化が図
られるものが一般的である。この様に訓練機器は、継続
した使用を行わなければ筋力の低下は避けられないもの
であって、体調を整えた状態で且つ時間と労力を要する
ものであった。

【０００３】

【課題を解決するための手段】上記に鑑み本発明は、脈
波等の生体信号に基づいた電気刺激を、増強しようとす
る筋肉近傍に加えることにより、生体に対し無用な負荷
を与えることなく、効率的且つ効果的な筋肉増強を可能
とし、本発明に到達したものである。本発明において、
生体に対し電気刺激を加える時間は、連続或いは間欠し
て数時間、好ましくは３時間以上で効果的には８時間程
度を示す。又、生体信号としては、脈波、心電図、心音
等が例示される。本発明は、特にトレーニングを行わな
くても単に装着するだけで、筋肉増強ををなし得るもの
であることから、各種スポーツの為の鍛錬、長期寝たき
りの患者の為の筋肉の維持、リハビリ等に有効に利用さ
れる。

【０００４】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す図である。
１は、発光ダイオードであり、例えば可視光、赤外光、
レーザー光を出力する。２は、受光素子であり、生体を
反射又は透過した発光ダイオード１からの光を受光し、
電気信号に変換する為の素子である。３は、信号処理手
段であり、ゲートアレイ等の様なＡＳＩＣ、マイクロコ
ンピュータ等の生体信号に関する電気信号を入力し、そ
の電気信号を処理して、主に拡張期にパルスを出力する
ものである。４は、インダクタであり、コイル、トラン
スで形成されている。５、９、１０、１１、１２は、ス
イッチング素子であり、主にトランジスタよりなるが、
場合によっては、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用
いる場合もある。９、１１は、ＰＮＰ型のトランジスタ
であり、その他はＮＰＮ型のトランジスタである。７
は、補助抵抗であり、８は、コンデンサである。コンデ
ンサ８は、その容量を充分に確保するために４つのコン
デンサを組み合わせている。１３は、刺激緩衝回路であ
り、コンデンサと抵抗の直列接続構成を有し、主な動作
としては刺激パルスの立ち上がりに発生する高い電圧を
除去し且つ直流成分をカットする。このことにより刺激
を柔らかくして、長時間の使用にも耐え得る様にし、刺
激に対する違和感を排除するものである。この部分の構
成は、特に限定されず、電気的フィルタ機能を有するも
のであればよい。又刺激緩衝回路１３の位置は、これに
限らず出力端OAの側にあってもよい。２２は、生体信号
パルス形成手段であり、受光素子２の出力生体電気信号
から生体信号パルスを形成するものであって、例えば、
受光素子で得られる生体信号が脈波電気信号の場合は、
そのピーク近傍をピックアップして収縮期パルスを形成
出力するものである。具体的回路の一例として特開平５
−３３７１９６号公報に記載されている公知技術を示す
ものである。

【０００５】次に、図１の動作について図４〜図５を参
照して詳細に説明する。発光ダイオード１と受光素子２
からなる組み合わせは、耳たぶ、手首、指先等に装着し
て使用される脈波センサを構成し、挟持等して装着され
た生体部位ＭＭから、反射、透過等して得られた脈波光
信号を電気信号に変換して生体信号パルス形成手段２２
に出力する。生体信号パルス形成手段２２は、入力され
た図５（ａ）で示す脈波電気信号から収縮期或いは拡張
期に相当するパルスを成形出力する。尚、この場合収縮
期に相当するパルスを生体信号パルス形成手段２２が出
力する場合は、この収縮期パルスを入力した信号処理手
段３で、この収縮期パルスから、拡張期間を算出等して
抽出する動作をさせるものである。信号処理手段３は、
生体信号パルス形成手段２２からのパルスに基づいて拡
張期間に、スイッチング手段５、１０、１２にパルスを
出力する。信号処理手段３は、スイッチング手段５に対
し図４（ａ）でしめす様なパルスを出力する。図４
（ａ）のパルスは、矩形状をしている。スイッチング手
段５は、入力パルスがハイレベルの時オンする。この時
インダクタ４に励磁電流が流れ、一方でダイオード６
は、オフ状態を形成する。スイッチング手段５は、入力
パルスがローレベルになった時、オフし、この時インダ
クタ４は、昇圧パルスを発生させ、この昇圧パルスは、
ダイオード６を介してコンデンサ８へ蓄積する。この動
作は、間欠的に数ＫＨｚ〜数十ＫＨｚで繰り返され、そ
の昇圧電圧は、例えば、電池電圧約５（Ｖ）程度で最高
３００Ｖ程度まで設定されている。次に、信号処理手段
３は、図４（ｂ）で示す様なスイッチング素子１２をオ
ンさせる為のパルスを出力する。スイッチング素子１２
がオンすると、スイッチング素子９のベースに電流が流
れ、オンする。このオン動作により、コンデンサ８の蓄
積電荷は、スイッチング素子９、出力端ＯＡ、人体等の
負荷Ｒ、刺激緩衝回路１３、出力端ＯＢスイッチング手
段１２の経路で放電し、図４（ｃ）で示す刺激パルスを
出力する。その際、刺激緩衝回路１３は、刺激パルスの
立ち上がりの高周波成分を削除するとともに、直流成分
を除去し、図３（ｂ）で示すようなパルスを形成させ
る。図３（ａ）は、刺激緩衝回路１３が無い場合の刺激
パルス波形である。図３（ａ）の立ち上がりの鋭角部分
が高周波成分である。このスイッチング手段１２をオン
させる為のパルスの周波数は、数Ｈｚ〜数十Ｈｚであ
り、信号処理手段３は、このパルスを群状に且つ間欠的
に行う。本実施例では、図４（ｃ）及び図５（ｂ）で示
すように刺激パルスの振幅を徐々に上げ、徐々に下げる
という振幅変調動作を行っている。

【０００６】この具体的動作について説明する。信号処
理手段３は、図４（ｂ）のパルスを出力すると同時にそ
のパルス間隔下に於いて、図４（ａ）の様な、個数の異
なるパルスをスイッチング手段５へ出力している。コン
デンサ８が放電間で蓄積する昇圧パルスの数は、信号処
理手段３が出力するパルスの数に相当する。コンデンサ
８が昇圧パルスを蓄積する際、コンデンサ８と図示され
ていないが、ダイオード、コンデンサ等に潜在する直流
抵抗成分のＣＲ自定数に影響の範囲の中でその蓄積個数
によって、放電電圧を異ならせることができる。この特
徴に基づき、昇圧パルスの個数を変えて刺激パルスのパ
ルス振幅変調を施すものである。尚、この際、コンデン
サに並列に接続した抵抗７は、つぎの刺激パルス振幅を
安定させるために、コンデンサの放電を促進させるもの
である。次に、信号処理手段３は、図４（ｂ）で示す様
なスイッチング素子１０をオンさせる為のパルスを出力
する。スイッチング素子１０がオンすると、スイッチン
グ素子１１のベースに電流が流れ、オンする。このオン
動作により、コンデンサ８の蓄積電荷は、スイッチング
素子１１、刺激緩衝回路１３、出力端ＯＢ、人体等の負
荷Ｒ、出力端ＯＡ、スイッチング手段１０の経路で放電
し、図４（ｃ）で示す刺激パルスとは、逆極性の刺激パ
ルスを出力する。以上の動作により、図５（ａ）で示す
脈波信号にたいし、その拡張期間に於いて図５（ｂ）で
示す電気刺激信号を出力するものである。１つの刺激パ
ルス群の出力時間は、約５００msecで、群を構成する刺
激パルスの周波数は、５０Ｈｚ程度が例示される。

【０００７】次に第２の実施例として図２を示すものと
し、その説明を行う。図２の基本的動作は、図１と同一
であるが、刺激パルスを出力した後、パルスの休止時期
に刺激パルスの印加によって生体に生じた残留電荷を放
電させるための機能を負荷させたものである。１６、１
７、２０、２１は、スピードアップ回路であり、後段に
設けたスイッチング素子のスイッチング動作のスピード
アップを図るためのものである。１４は、スイッチング
素子であり、後段のスイッチング素子９をオンオフさせ
るためのものである。１５は、スイッチング素子であ
り、後段のスイッチング素子１１をオンオフさせるため
のものである。１８、１９は、インバータであり、信号
処理手段３が出力するパルスを反転させるためのもので
ある。その他、図１と同一の機能構造を有する箇所は同
一符号とし説明を省略する。

【０００８】次に動作を図６を参照して説明する。図６
（ａ）は、信号処理手段３がスイッチング素子５へ出力
するパルスを示すものであり、上述した実施例で示すも
のと同じである。信号処理手段３は、拡張期間において
スピードアップ回路１６、インバータ１８に図６（ｂ）
で示すパルスを出力する。インバータ１８は、図６
（ｃ）で示すように反転したパルスを出力する。スピー
ドアップ回路１６を経てスイッチング素子１４に入力さ
れたパルスは、ハイレベルの時オンし、同時にスイッチ
ング素子９をオンさせる。このとき信号処理手段３から
インバータ１９及びスピードアップ回路１７への出力は
ローレベルの状態が続き、インバータ１９の出力は、ハ
イの状態となっている。インバータ１９の出力がハイの
為、スイッチング素子１２は、オンの状態となっている
ことから、コンデンサ８の蓄積電荷は、スイッチング素
子９、出力端OA、人体等の負荷Ｒ、出力端OB、刺激緩衝
回路１３、スイッチング素子１２の経路で放電され、人
体に対し刺激パルスが出力された状態となる。人体は、
等価的にキャパシタ成分を有することから、この刺激パ
ルスを一時的に蓄えた状態となっている。次に、信号処
理手段３から、スイッチング素子１４方向へ出力された
パルスが立ち下がるとスイッチング素子９はオフし、イ
ンバータ１８の出力が図６（ｃ）で示すように立ち上が
る。このインバータ１８の出力の立ち上がりにより、ス
イッチング素子１０は、オンする。スイッチング素子１
０のオンにより、負荷、出力端OA、スイッチング素子１
０、スイッチング素子１２、刺激緩衝回路１３、出力端
OBで電気的閉回路が形成され、負荷の残留電荷は、放電
される。刺激パルスの出力極性を変更する場合、信号処
理手段３は、スイッチング素子１５へ、スイッチング素
子１４は出力したパルスと同様のパルスを出力する。信
号処理手段３は、インバータ１８方向へ、ローレベルの
出力を行うことから、インバータ１８の出力は、ハイレ
ベルを維持し、スイッチング素子１０はオンの状態とな
る。本実施例の使用方法としては、出力端OA,OBに電極
叉は導子を装着し、増強を目的とする筋肉部位にこれら
電極叉は導子を当接する。当接する際、長時間使用する
ことから、バンド、腹帯等の帯状物等で保持することが
好ましい、又この場合電極叉は導子に粘着性があれば、
帯状物は不用であるが、実際、筋肉の効率のよい増強の
為に、電極を含むその周囲を帯状物等で押さえつけるこ
とが好ましいものである。図７は、その一使用例であ
る。７１は、イヤーセンサであり、７２は、刺激装置本
体である。７３、７４は、導子であり、実施例で示す出
力端OA,OBに主に電気リード線を介して接続する。７５
は、腹帯であり、導子７３、７４を保持させる他、刺激
箇所周辺を押圧する。

【０００９】次に上記実施例を用いた実験例を示す。そ
れぞれ、６人の被験者に上述した実施例に基づく装置を
図７で示すような態様となるように装着させ、平均８時
間／日で、数週間使用してもらい使用前後の腹筋部の面
積をＣＴスキャナーを使用して測定した。結果を表１及
び図８に示す。図８は、被験者Ｄの使用前と使用後のＣ
Ｔスキャナーによる腹部断面図の模写図である。（ａ）
が使用前であり、（ｂ）が使用後である。図中、筋肉の
部分を８１で示す。

【表１】 これらの表、図から明らかな様に体重に反しながら腹筋
の面積の増加が認められるものである。

【発明の効果】以上詳述のごとく本発明は、装着するだ
けで腹筋の増強を可能とすることから、各種スポーツの
筋力トレーニングや、リハビリ、に絶大なる効果を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す図。

【図２】本発明の一実施例の構成を示す図。

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】図１、図２で示した実施例の動作を説明する
図。

【図７】本発明を使用した場合の１例を示す図。

【図８】本発明を説明する為の図。

【符号の説明】

１ 発光ダイオ
ード ２ 受光素子 ３ 信号処理手
段 ４ インダクタ ５，１０，１２，１４，１５ ＮＰＮ型ト
ランジスタ ９，１１ ＰＮＰ型ト
ランジスタ ６ ダイオード ７ 補助抵抗 ８ 蓄積コンデ
ンサ １３ 刺激緩衝回
路 １６，１７，２０，２１ スピードア
ップ回路 １８，１９ インバータ ２２ 生体信号パ
ルス出力手段 ＭＭ 生体の信号
検出部位 Ｒ 生体の刺激
出力部位（負荷）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】生体信号検出手段、前記生体信号から特定
   の部位を検出する特定部位検出手段、前記特定部位にお
   いて電気刺激を出力する電気刺激出力手段よりなる筋肉
   増強用電気刺激装置。
2. 【請求項２】前記生体信号は、脈波信号叉は心電図信号
   叉は心音信号であり、前記特定部位は、拡張期であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の筋肉増強用電気刺激装
   置。
3. 【請求項３】前記電気刺激は、立ち上がりの高周波成分
   を削除したパルスであることを特徴とする請求項１に記
   載の筋肉増強用電気刺激装置。