JPH09503937A

JPH09503937A - 運動機能を回復するために制御された電気的刺激を加える装着外被

Info

Publication number: JPH09503937A
Application number: JP7511129A
Authority: JP
Inventors: プロチャツカ、アーサー; ウイラー、マルガリータ; アール．ケンウエル、ゾルタン; ゴーチェ、ミシェル
Original assignee: University of Alberta
Current assignee: University of Alberta
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1997-04-22
Also published as: CA2173430A1; AU7850694A; AU678065B2; ATE162089T1; DE69407987T2; US5562707A; PL313937A1; GB9321086D0; BR9407821A; ES2111336T3; DE69407987D1; CN1135722A; PL174876B1; DK0725665T3; EP0725665A1; CA2173430C; EP0725665B1; WO1995010323A1

Abstract

(57)【要約】非侵襲性の独立した機能的電気刺激装着外被が開示される。好ましくはグローブの形状である装着外被は、例えば手に震えのある人や四肢麻痺、片麻痺もしくは半側麻痺である、運動能力の低下したユーザが１ピースとして装着することができる。好ましくは装着外被は有孔弾性材料で作られ前記ユーザの身体の一部にあてがわれるように作られる。装着外被はユーザの自己粘着性皮膚電極と電気的に接触するようになっている電気的接続部を内蔵している。電気的接続部、センサ及びコントローラー刺激具を有する装着外被上に配置された関節の動きセンサ及びバッテリ駆動電子コントローラー刺激具は電気的かつ協同的に相互接続されている。グローブの形状であるため、運動能力の低下したユーザは装着外被により物体を把持することができる。

Description

【発明の詳細な説明】運動機能を回復するために制御された電気的刺激を加える装着外被発明の分野本発明は人体の筋肉を刺激する装置に関し、特に運動機能を回復するために制御された電気的刺激を加える装着外被及びピンチグリップ及びハンドオープニング機能を与えるのに使用される筋肉刺激装置に関する。本装置は部分的に麻痺した人や手その他に震えのある人に使用されるものである。発明の背景スイッチやセンサからの信号を使用して麻痺した筋肉の機能的電気刺激（ＦＥＳ）を制御することが知られている。肩位置センサを使用して埋没されたＦＥＳ刺激具を介して手首の仲長を制御することが記載されている（第ＳＲＳ−ＹＵＧＯ２３−６８号の契約の下で、米国保健・教育・福祉・リハビリサービス省のために準備された、Ｌｊｕｂｌｊａｎａ大学の、経過報告書、機能的電気刺激及び筋電気制御を使用した機能回復システムの開発、Ｖｏｄｏｖｎｉｋ，Ｌ，（１９７１））。肩センサはハンドオープニング及びピンチグリップを制御するのにも使用されている（Ｐｅｃｋｈａｍ，Ｐ．Ｈ．，Ｍａｒｓｏｌａｉｓ，Ｅ．Ｂ．＆Ｍｏｒｔｉｍｅｒ，Ｊ．Ｔ．（１９８０）Ｊ．手の手術，５，４６２−４６９；Ｐｅｃｋｈａｍ，Ｐ．Ｈ．＆Ｋｅｉｔｈ，Ｍ．Ｗ．（１９９２）神経プロテーゼにおける“上肢機能回復のための運動プロテーゼ”；病気もしくは廃疾後の運動機能置換、編集；Ｓｔｅｉｎ，Ｒ．Ｂ．，Ｐｅｃｋｈａｍ，Ｐ．Ｈ．＆Ｐｏｐｏｖｉｃ，Ｄ．Ｂ．ニューヨーク：オックスフォード大学プレス；ＥＰ−１４５５０４−Ａ，ＵＳ４５５８７０４−Ａ及びＣＡ１２６３４４６−Ａ，全てＷｒｉｇｈｔＳｔａｔｅ大学。手首位置センサは脚筋肉のＦＥＳを制御するのに使用されている（Ｐｒｏｃｈａｚｋａ，Ａ．＆Ｗｉｌｅｓ，Ｃ．Ｍ．（１９８３）“手首から帰還制御動作を発生することができる、人間の麻痺した脚の電気的刺激”Ｊ．Ｐｈｙｓｉｏｌ．３４３，２０Ｐ）。時計バンドに取り付けられたスイッチがＦＥＳ喚起ピンチグリップをトリガするのに使用されている（Ｈａｎｄａ，Ｙ．，Ｉｔｃｈｉｅ，Ｍ．，Ｈａｎｄａ，Ｔ．，Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｈ．Ｓａｉｔｏ，Ｃ．，Ｋａｍｅｙａｍａ，Ｊ．＆Ｈｏｓｈｉｍｉｙａ，Ｎ．（１９８９）“麻痺した上肢の多関節系のＦＥＳ制御”。ＯｓａｋａＩｎｔ．ＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＦＮＳ．ｐｐ９１−９５）。ＦＥＳ喚起ピンチグリップを刺激するのに手首位置センサが使用される多部品装置も記載されている（Ｃｒａｇｏ，Ｐ，Ｅ．，ＰｅｃｋｈａｍＰ．Ｈ．，Ｍａｎｓｏｕｒ，Ｊ．Ｍ．，Ｌａｎ，Ｎ．，Ｋｉｌｇｏｒｅ，Ｋ．及びＣｈｉｚｅｃｋ，Ｈ．Ｊ．（１９９１）ａ，ｂ，ｃ）“握力回復のための機能的神経筋肉刺激”ＮＩＨ契約第ＮＯ１−ＮＳ−９−２３５６号第７回、第８回及び第９回経過報告書．１９９１年６月、９月及び１２月：ｃａｒｇｏ，Ｐ．Ｅ．Ｐｅｃｋｈａｍ．Ｐ．Ｈ．Ｍａｓｏｕｒ．Ｊ．Ｍ．，Ｌａｎ，Ｎ．，Ｋｉｌｇｏｒｅ，Ｋ．及びＣｈｉｚｅｃｋ，Ｈ．Ｊ．（１９９２）。“握力回復のための機能的神経筋肉刺激”ＮＩＨ契約第ＮＯ１−ＮＳ−９−２３５６号第１０回、第１１回及び第１２回経過報告書．１９９２年３月、６月及び９月：Ｐｅｃｋｈａｍ，Ｐ．Ｈ．＆Ｋｅｉｔｈ，Ｍ．Ｗ．（１９９２）神経プロテーゼにおける“上肢機能回復のための運動プロテーゼ”；病気もしくは廃疾後の運動機能置換，編集；Ｓｔｅｉｎ，Ｒ．Ｂ．，Ｐｅｃｋｈａｍ，Ｐ．Ｈ．＆Ｐｏｐｏｖｉｃ，Ｄ．Ｂ．ニューヨーク：オックスフォード大学ブレス）。ＦＥＳを使用して震えを減衰させることがＰｒｏｃｈａｚｋａ，Ａ．，Ｅｌｅｋ，Ｊ．及びＪａｖｉｄａｎ，Ｍ．の論文（１９９２）“機能的電気刺激による病理学的震えの減衰”Ｉ．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＡｎｎａｌｓｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０：２０５−２２４に報告されている。前記した方法のいくつかには経皮ワイヤ電極や、完全埋没ＦＥＳ刺激具が含まれている、すなわち作動システムを達成するのに手や腕に傷を付ける手順が必要である。また従来のこのようなシステムにはシステムを使用する各ユーザに対して広範な注文生産化が必要であり、さらに患者へ別々に取り付ける必要のあるいくつかの個別部品を含んでいるため、使用するのが不便である。動作不能な人間が簡単に自主的に身に付けたり取り外したりすることができる独立した手首起動の手制御装置について記載された従来のシステムはない。発明の要約本発明の特別の特徴にしたがって、フィンガレスグローブの形状の装置が提供され、それは自発的な手首の動きを電子的に感知して手及び前腕の筋肉の制御されたＦＥＳを与えてピンチグリップを発生したり手を開かせたりする。この装置により運動障害者は日常生活において自主的もしくは最小限の手助けにより手を制御するための非侵襲性表面ＦＥＳを使用することができる。また治療のための筋肉刺激の簡便な手段も提供される。グローブ内面の導電領域が、選定された筋肉の上の皮膚上に予め配置された自己粘着性電極と自動的に接触する。これらの電極から皮膚を介して目標筋肉へパルス列が送られて、筋肉を収縮させる。実施例では、電気刺激源はグローブ背面のポケットに入れた平坦な箱の中に収められたバッテリ給電電子回路である。手首関節の周りを平坦な箱からグローブの手部分の背面の点まで仲びる変位トランスデューサにより手首の動きが感知される。したがって、本発明の一つの特徴により運動能力の低下したユーザが装着できる非侵襲性機能的電気刺激装着外被が提供され、それは、弾性材料、好ましくは有孔弾性材料、で作られ前記ユーザの身体の一部にあてがわれるようになっている前記装着外被と、前記ユーザの自己粘着性皮膚電極と電気的に接触するようになっている前記装着外被内部の電気的接続と、前記装着外被上の関節の動きセンサと、前記装着外被上に配置されたバッテリ駆動電子コントローラー刺激具と、を具備し前記電気的接続、センサ及びコントローラー刺激具は電気的かつ協同的に相互接続されている。実施例では、好ましくは電極上の金属スタッド上へ押圧される金属メッシュもしくは金属箔を介して、ユーザへ装着外被を締め付けることにより電気的接触が形成される。好ましくは装着外被はハンドグローブの形状であり、特にユーザの少なくとも手の一部及び前腕の一部へあてがわれるグローブであり、好ましくはセンサは手首の動きセンサである。別の実施例は肢の一部へあてがわれる１個のスリーブもしくはカフを具備し、スリーブやカフから隣接する関節上を皮膚上の取付点まで延在するセンサを有し、もしくは電界や磁界の変化、あるいは隣接する肢セグメントから送られる音や光の強度変化あるいは装着外被の下側の皮膚の仲長変化を監視することにより手等の隣接する肢部の相対的な動きを変換する近接検出器を有する。実施例では、装着外被は例えばＶｅｌｃｒｏ^Rストラップ及びリングプルを使用してユーザが締め付けることができ、運動能力の低下したユーザが装着外被を装着して締め付けることができる。別の特徴により、本発明により運動能力の低下したユーザが１ピースとして装着することができる非侵襲性で独立した機能的電気刺激ハンドグローブが提供され、それは、弾性材料で作られ前記ユーザの手首の上にあてがわれるようにされた前記グローブと、前記グローブ上の手の動きセンサと、前記グローブ上に配置された機能的電気コントローラー刺激具と、を具備し、前記センサ及び前記コントローラー刺激具は電気的かつ協同的に相互接続されている。本発明の特徴により、ユーザの手の開閉は屈曲及び伸展のしきい値限界を越えるユーザの手首の動きにより刺激され、開いたり握り締めたりする刺激のないこのようなしきい値限界間の中間ゾーンがあり、しきい値限界は前記コントローラ上に設定されている。別の特徴により、グローブを締め付けると予め位置決めされた自己粘着性皮膚電極と電気的接触がなされる。本発明の特徴によりさらに運動能力の低下したユーザが１ピースとして装着することができる非侵襲性で独立した機能的電気刺激ハンドグローブが提供され、それは、前記グローブ上の手首の動きセンサと、前記グローブ上に配置された機能的電気コントローラー刺激具と、を具備し、手の開閉は屈曲及び伸展しきい値限界を越える手首の動きによりコントローラー刺激具により制御され、開いたり握り締めたりする刺激のないこのようなしきい値限界間の中間ゾーンも設けられている。さらに本発明の特徴により運動能力の低下したユーザが１ピースとして装着することができる非侵襲性で独立した機能的電気刺激装着外被が提供され、それは、弾性材料、好ましくは有孔弾性材料、で作られ前記ユーザの関節の一部にあてがわれるようにされた前記装着外被と、ユーザが装着外被を締め付けると自己粘着性皮膚電極と電気的に接触するようにされた前記装着外被内部の金属メッシュパッチと、を具備し、前記自己粘着性皮膚電極はユーザの皮膚とは反対方向を向いたスタッドを備え、前記スタッドは接触圧により金属メッシュに接続される。本発明の特徴により、ユーザの手の開閉は屈曲及び伸展しきい値限界を越えるユーザの手首の動きにより刺激され、開いたり握り締めたりする刺激のないこのようなしきい値限界間の中間ゾーンも設けられており、しきい値限界は前記コントローラ上に設定されている。本発明の別の特徴において、刺激モードは発作や外傷による半側麻痺のある人の治療、筋肉訓練が目的とされる。この特徴において、装着外被を装着した後で、いくつかの予め記憶された循環刺激プログラムの一つがユーザにより選定される。この実施例では、センサは刺激の強さや循環プログラムの他のパラメータの設定に使用される。他の特徴として、グローブを締め付けた時に予め位置決めされた自己粘着性皮膚電極と電気的接触がなされる。また本発明により運動能力の低下したユーザの筋肉刺激を行う方法が提供され、それは、前記ユーザの選定された筋肉刺激場所を決定し、前記場所に自己粘着性皮膚電極をあてがい、ここに開示されているように装着外被をあてがう、ことからなっている。装着外被やグローブは四肢麻痺、片麻痺もしくは半側麻痺のあるユーザや震えのあるユーザが使用することができる。次に図面を参照して実施例の詳細説明を行うが、この図面は、図面の簡単な説明第１図は開いた位置における装置内の患者の手を示す、実施例に従った装置の斜視図。第２図は患者の手が閉じている、第１図に示す装置の斜視図。第３図は第１図の装置の関節位置センサの断面図。第４図は第３図の関節位置センサの別の形式の断面図。第５図は第１図の装置の導電電極及び金属メッシュ接続パッドの斜視図。第６図は第１図の装置の導電電極及び金属メッシュ接続パッドの断面図。第７図は第５図及び第６図に示す表面電極システムの埋没された代替品。第８図は臨床医が第１図に示す装置の機能的パラメータをリセットすることができるコンピユータシステム及び光通信リンクを示す図。第９図は実施例の素子間の機能的関係を示すブロック図。第１０図は第１図に示す装置の刺激オンオフしきい値を示すグラフ。第１１図は第１図に示す装置の刺激オンオフしきい値の設定方法を示すグラフ。第１２図は外部テストリードをコントロールボックスに接続して“運動点”の皮膚上の位置、すなわち所与の筋肉を刺激する最善場所、を決定するための診査刺激を行う方法を示す図。発明の詳細な説明ここでは特にグローブ及び手首の動きセンサに関して本発明を説明する。しかしながら、本発明はユーザの関節にあてがわれる別の形式の装着外被とすることができセンサはその関節、例えばくるぶし、肘等、の動きに関するものとすることもできる。図に戻って、制御されたピンチグリップ及びハンドオープニング装置を第１図に示す。第１図において、手１１は飲料コップ１２周りの開いた位置で図示されている。第１図に示すように、一般的に１８で示す刺激装置は手及び前腕に装着するフィンガレスグローブ１３の形状である。実施例では、グローブ１３は主として弾性材料ネオプレンで作られ、呼吸のための小穴があけられている。Ｌｙｃｒａ^R メッシュ１６により手首の折れ目１９の上で手とグローブ１３の前腕部分（それぞれ１８Ａ及び１８Ｂ）が連結されている。ユーザが車椅子に乗ってそれを動かす時に車椅子の縁の静止摩擦を最大限とするために刺激装置１８のハンド部１８Ａの手掌部を形成する材料は馬皮、鹿皮もしくはゴムが好ましい。手首位置センサ１４はセンサの近接端がグローブ１３背面で一般的に２０で示すポケット内に保持された長くて平坦なコントロールボックス１５内に配置されて図示されており、図示されてはいないが、ポケット２０はここに開示されたその機能へアクセスできるようにしながらボックス１５を正しい位置に保持する網製品その他の適切な材料で形成することができる。グローブ１３は（第５図に５０で示す）Ｖｅｌｃｒｏ^R ストラップに取り付けられたＤ−リング１７を有している。Ｄ−リング１７は各ストラップを順次閉じて締め付けたりするのに使用される。好ましくは、Ｄ−リング１７は患者がリングへ指を挿入してストラップをきつく引っ張ることができるような大きいサイズとされている。第２図において、第１図のグローブ１３は手１１及びコップ１２と一緒に示されている。第２図において、ユーザの手１１はピンチグリップ位置で示されている。センサ１４はスプリングで付勢され、手首関節の折れ目１９を横切ってグローブ１３の手首部１８Ａの背面に縫い付けられたフック２３に取り付けられたリング２２を終端とする耐久紐２１によりボックス１５から引き出される。コントロールボックス１５と同一表面をなす大きいボタン２４により患者はいくつかの刺激パラメータを制御することができる。ボタン２４を押して選択することができるオプションが発光ダイオード（ＬＥＤ）２５により患者へ示される。液品ディスプレイや音響スピーカ等の他の手段によりオプションをユーザへ示すこともできる。第３図に実施例の手首位置センサ１４の断面を示す。手首位置センサ１４は、例えば線形可変変位トランスデューサ等の誘導トランスデューサである。手首位置センサ１４のガラスチューブ３２がコントロールボックス１５内に配置されている。細い金属針３３がガラスチューブ３２に出入りして、チューブ３２の周りに巻かれたコイル３４のインダクタンスを変える。針３３及び伸縮するコード３５が平滑なガラスビーズ３６に取り付けられている。手首センサ１４のプラスチックチューブ３７がコントロールボックス１５の底面に取り付けられている。仲縮するコード３５はプラスチックチューブ３７内に張力のかかった状態で保持されビーズ３６を引っ張って針３３をチューブ３２内へ引き戻す、すなわちプラスチックチューブ３７及び伸縮するコード３５により針３３のスプリング付勢が行われる。耐久紐３８がビーズ３６から手首背面を越えてグローブ１８のハンド部１８Ａの背面に縫い付けられたフック２３に取り付けられたリング２２へ引き出されている。手首を曲げると、針３３はチューブ３２から引き出されれる。それにより低減されたコイル３４のインダクタンスがボックス１５内の電子回路により復号され、所望の位置信号が得られる。手首が伸展すると、前記したスプリング付勢機構により針３３がチューブ３２内へ引き戻され、コイル３４のインダクタンスが増加する。第４図に第３図とは別の手首位置センサ１４の断面図を示す。手首位置センサ１４のハウジング４１はグローブ１３上のボックス１５内に収納され、リング２２はグローブ１８のハンド部１８Ａの背面のフック２３へ取り付けられている。センサ１４内の柔軟な伸縮するコードすなわちスプリング４２はガラスビーズ３６へ引き出されている。耐久紐３８が手首関節１９に架け渡されている。保護プラスチックスリーブがボックス１５から手首関節までのコードすなわちスプリング４２の長さの一部を覆っている。柔軟なコードすなわちスプリング４２はボックス１５のハウジング４１内で、半導体ひずみゲージ４４が固着された、カンチレバー素子４３に取り付けられている。手首が曲がると、耐久紐３８により柔軟なスプリング４２が伸長され、カンチレバーへ加わる力が増大して、カンチレバーは湾曲しひずみゲージの電気抵抗が変化する。２つの別の感知素子を第４Ａ図及び第４Ｂ図に示す。第４Ａ図では、カンチレバー素子４３の湾曲がホール効果磁気トランスデューサ４５により検出される。第４Ｂ図では、カンチレバー素子４３の湾曲はＬＥＤ２５等の発光素子及びホトダイオード２６等の受光素子からなる光電センサにより検出される。ＬＥＤ２５からホトダイオード２６へ送られるビームはカンチレバー４３のサイドアームにより一部阻止され、阻止される量はカンチレバー素子４３の位置によって決まり、それはスプリング４２の張力したがって手首の位置によって決まる。図示はしないが、第４図の実施例に替わるものとして手首位置センサ１４に近接検出器型がある。これは隣接肢部の接近による電界や磁界の変化、もしくは隣接肢部から送信もしくは反射される音や光の強さの変化、もしくは装着外被の一部の下側の皮膚の伸長変化を検出することができる。第５図は粘着性ＦＥＳ電極５１及びグローブ内面と内部ライニングの間に縫い付けられたステンレスメッシュ接触パッド５２を示し、ストラップ５０は緩めた位置で示されグローブ１３の前腕部１８Ｂは部分開放位置とされている。電極５１の一例としてはニューヨーク、ＵｔｉｃａのＣｏｎｍｅｄ社から市販されている６５０−２５７８型のゲル電極でよい。金属製のスタッド５３が電極５１の背面に配置され、通常スナップもしくはプレススタッドコネクタの留め金に接続され、小さな金属のドームにより幾分高さを増すようになっている。このような形状となった電極は刺激すべき筋肉の上の皮膚へ押し付けられる。グローブ１３がはめられると、対応する金属メッシュ接触パッド５２が電極５１背面のスタッド５３へ押圧され、パッドからボックス１５上のコネクタヘ引き出されている絶縁ステンレススチールワイヤによりコンタクトパッドはボックス１５内の回路へ接続される。したがって、グローブをはめると皮膚は電極、接触パッド、ワイヤ及びコネクタを介してボックス１５内の回路へ自動的に接続される。第６図はユーザの皮膚６１に電極５１を載置した状態での電極５１とコンタクトパッド５２の断面を示す。電極のスタッドすなわちドーム５３は金属メッシュパッド５２と接触して図示されている。絶縁ステンレススチールワイヤ６２、金属メッシュ接触パッド５２及びスタッド５３により電極５１を介してユーザの皮膚６１へ電流が送られ、通常電極５１内には固体導電性ゲルが配置されている。ドーム５３はグローブの外部のネオプレン外被６４の内側のネオプレン内部ライニング６３にあけた孔を通ってメッシュパッド５２をしっかり押し上げるのに十分な高さでなければならない。これにより金属メッシュ５２のどの部分も直接皮膚６１と接触しないことが保証される。第７図に第６図に示す表面電極システムの埋没された、あまり好ましくない、代替例を示す。この実施例では、接触パッド５２はボックス１５から皮膚を介して無線周波数で埋没された筋肉マイクロ刺激具７２へ電気エネルギ及びコマンドを送るアンテナ７１に置換されている。マイクロ刺激具及び外部アンテナはＳｃｈｕｌｍａｎ等の米国特許第５，１９３，５４０号に記載された装置の形状とすることができる。第８図は臨床医が特定のユーザに合うようにグローブ１３の機能的パラメータを設定することができるコンピュータシステムを示す。パーソナルもしくはラッブトップコンピュータ８２のＲＳ２３２通信ポート８１がインターフェイス８３を介してボックス１５内の光送受信ポート８４に接続されている。コンピュータグラフィックベースディスプレイ８５によりチャネル割当、パルス列プロファイル及び（後記する）センサヒステリシスを容易に設定することができる。ボックス１５内のマイクロコンピュータにより優先的なパラメータ設定値及び手首位置信号がコンピュータへ返送され、センサ動作を検証してパラメータをチェックすることができる。第９図のブロック図はシステムの構成要素間の基本的関係を示す。第９図のセンサブロック９１は第３図もしくは第４図のセンサ１４を含むことができる。センサブロック９１は刺激具コントローラ９３へ出力信号を与える。刺激具コントローラ９３はセンサ１４用信号調整器９１ａ、マイクロコントローラ９２、並びに刺激パルス増幅器及びルート選定器９４からなっている。好ましくはマイクロコントローラ９２はモトローラ６８ＨＣ１１である。マイクロコントローラ９２は調整されたセンサ信号をサンプルしカストマイズされたソフトウェアに基づいて駆動信号を刺激パルス増幅器及びルート選定器９４に与える。次に刺激具コントローラ９３の刺激パルス増幅器及びルート選定器からパルス列が適切な接触パッド及び関連する電極９５へ与えられ、それらは好ましくは第５図及び第６図に電極５１及び接触パッド５２として示す形状であるが、第７図に示すアンテナ及び埋没システムとすることができる。インターフェイス９７及びコンピュータ９８は後記するように臨床医により使用される。コンピュータは、好ましくはＲＳ２３２ポートにより、マイクロコントローラ９３に選択的に接続されてソフトウェアをダウンロードすることができ、刺激チャネル及びパルスパラメータは各患者に合うように構成することができる。マイクロコントローラ９３及びコンピュータはユニットが記載された機能を実施できるように書かれたソフトウェアを含むことができる。第１０図は水平軸１０１及び垂直軸１０２上の実施例の手首位置センサの出力グラフであり、水平軸よりも上への手首の屈曲及び水平軸よりも下への手首の伸展を示している。線１０３及び１０４は、それぞれ、ピンチグリップＦＥＳ及びハンドオープニングＦＥＳの刺激を開始するしきい値を示している。破線１０５及び１０６は、それぞれ、ピンチグリップＦＥＳ及びハンドオープニングＦＥＳの刺激を停止するしきい値を示している。ピンチグリップ及びハンドオープニングの開始と停止のしきい値の差（ヒステリシス）により手首が開始しきい値近くでぐずついている場合の間欠的オンオフスイッチングが回避される。点１０７において、手首位置はピンチグリップＦＥＳを開始するしきい値と交差する。点１０８において、手首位置はピンチグリップＦＥＳを停止するしきい値と交差する。点１０９において、手首位置はハンドオープニングＦＥＳを開始するしきい値と交差する。点１１０において、手首位置はハンドオープニングＦＥＳを停止するしきい値と交差する。第１１図はユーザがしきい値及び刺激強度パラメータをリセットする様子をグラフで示す。しきい値がリセットされて手首の屈曲や伸展の程度を変えながらハンドオープニングやピンチグリップクロージングを行うことができる。ユーザは最初に第９図に示すマイクロコントローラ９３をリセットモードとする。実施例では、これは第１図のボックス１５の上面上のＯＰＴＩＯＮボタン２４を一度押下して行われる。ＯＰＴＩＯＮボタンの隣の第２図のＬＥＤ２５が明滅を開始しボタンが再度押下されなければ１秒程度後に、ダイオードはさらに２−３秒連続的に点灯してその間にプロセッサは新しいしきい値設定値を受け入れる準備が完了する。この２−３秒間に、ユーザは自分の手首を所望のしきい値位置間で移動させる。第９図のマイクロコントローラ９３は第１１図の、それぞれ、接線１１１及び１１２により生じる最大手首屈曲及び最大手首伸展点を記録する。リセット手順中に選定される最大手首屈曲点はハンドオープニングＦＥＳのしきい値としてマイクロコントローラ９３により使用される。同様に、第１１図の最大手首伸展を表す接線１１２はピンチグリップＦＥＳのしきい値としてマイクロコントローラにより記憶される。前記ヒステリシスの量は第９図に示すコンピュータインターフェイス９７及び９８を使用して臨床医により設定される。ヒステリシスの量は第１１図の接線１１１及び１１２間の変位のパーセンテージとして表現される。リセット手順が完了すると、第２図のＬＥＤ２５は暗くなる。次に患者が第１１図に接線１１１として示す位置よりもさらに手首を屈曲させると、第９図のマイクロコントローラ９３により刺激パルス発生器９４からハンドオープニングするのに適切なこれらの電極へ電気パルスが送られる。好ましくはこれらは指の伸筋及び外転拇指筋を刺激する。同様に、センサが第１１図の接線１１２よりも大きな手首伸展に対応する信号を与えるように患者の手首が伸展すると、第９図のマイクロコントローラ９３によりパルス発生器９４は患者の手及び前腕に配置されたこれらの電極へパルス列を与え拇指長短屈筋、拇指対立筋及び表皮筋の指屈筋を含む、筋肉を刺激することにより拇指対向及び指屈曲を生じて、ピンチグリップを生じる。ＯＰＴＩＯＮボタンを使用して、患者は各活性電極への刺激パルス列の強さをプリセットすることもできる。患者はＯＰＴＩＯＮボタンを２，３もしくは４回連続して押すことにより電極を選定する。２回押すことにより拇指長屈筋電極が選定され、３回押すことにより指伸筋が選定され以下同様とされる。第２図に示すように選定された電極はボックス１５上の３個のＬＥＤ２５の１個により表示される。このようにして刺激の強さは手首の動きを使用して変えることができる。例えば、拇指電極を通る刺激の強さが高すぎると、手首の屈曲によりそれが低減される。強さが低すぎると、手首の伸展によりそれが増加される。変化は徐々になされ変化率は第９図に示すコンピュータインターフェイス９７及び９８を使用して臨床医がプリセットすることができる。変化は視覚及び／もしくは聴覚へのフィードバックによりユーザへ表示される。したがって、手首を長く屈曲し続けるほど、選定される電極の刺激強度の低下が大きくなる。満足な強度に達すると、ＯＰＴＩＯＮボタンを押下してオプションモードから抜ける。ＯＰＴＩＯＮボタンは音声起動入力システムにより置換することができる。好ましくは第１図及び第２図に示すグローブ１３は第３図もしくは第４図に示すようなタイプの一体センサを有する体にぴったり合う弾性グローブである。第５図に示すような接触パッドがグローブ１３の内面上に載置される。実施例に従って、マイクロプロセッサ、パルス発生器及びセンサ本体はグローブ自体の背面のポケット内に保持されるコントロールボックス１５内に配置されている。ボックス１５には出力、刺激オンオフ及びオプション選定を制御する３個の押しボタンがある。マイクロコントローラ、パルス発生器及びセンサ本体は図示されていない。動作に関して、ユーザは第１図に示すように手及び前腕の上にグローブをはめる。ユーザが手首を屈曲させると、センサ１４が動きに応答する。センサ信号はマイクロコントローラ９３によりデジタルにサンプルされる。位置信号がプリセットされたハンドオープンしきい値を越えると、マイクロコントローラ９３は第９図のブロック図のブロック９５に示すようにグローブ１３内の選定された電極接触パッドへ剌激パルス発生器を介してパルス列を与える。選定された接触パッドから皮膚電極を介して第１図に示すような手を開かせる前腕背面の筋肉へパルスが送られる。患者は手首を伸展することもできる。手首の伸展がプリセットされた“ピンチグリップ”しきい値を越えると、電極によりパルスが送られ第２図に示すようにピンチグリップを生じる。本発明の別の特徴により、患者は複数対のしきい値をマイクロコントローラ９３内に予め記憶させることができる。次にボックス２５上のオプションボタンを使用して所望のしきい値点対を選定することができる。第１２図に関して、グローブの実施例を使用するために、第５図及び第６図の５１に示すタイプの電極は“運動点”上の患者の手及び前腕上に、すなわち前記した筋肉の刺激を最も良く生じる場所に、適切かつ正確に配置しなければならない。運動点は初期取付手順中に臨床医が経験的に確立しなければならない。従来のＦＥＳ刺激具を使用して運動点を識別することができる。しかしながら手順を容易にするために、グローブ１３の実施例ではマイクロコントローラ９３の出力への外部アクセスが可能とされる。テストリード１１２は臨床医によりマイクロコントローラボックス１２１へ接続される。これらのテストリードは次に患者の手１２５の上の運動点と思われる点を急速に診査刺激するのに適した湿ったパッド電極１２３及び自己粘着性電極１２４へ接続することができる。診査される皮膚の代表的な領域は第１２図に１２６及び１２７として示され、例えば、拇指屈曲運動点、示指屈曲運動点及び拇指内転運動点である。電極１２４は陽極、すなわち正の中性電極である。本発明のもう一つの特徴により、筋肉刺激が病理学的震えを減衰するのに使用される。この場合、マイクロコントローラはサンプルされた変位信号をデジタルに濾波して各震えサイクルで位相をずらして筋肉を刺激するようにプログラムされている。震え制御グローブの実施例では、マイクロプロセッサが使用するコントロールアルゴリズムを除けば、グローブの設計及び使用に関する特徴は全て前記したものと同じである。本発明のさらにもう一つの特徴により、治療筋肉刺激を加える既存の装置よりも簡便な手段が装着外被やグローブにより提供されるものと思われる。当業者にはお判りと思われるが、前記した機能を実施するには適切なコンピュータプログラミングが必要である。コントロールボックス１５及びセンサ１４はグローブから取り外すことができる。これによりグローブを洗濯することができる。グローブの他の全ての金属部品、例えば、金属メッシュ及び接続ワイヤは耐食性としなければならない。好ましい材料はステンレススチールである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９５年９月７日【補正内容】明細書２頁の補正７回、第８回及び第９回経過報告書．１９９１年６月、９月及び１２月：Ｃａｒｇｏ，Ｐ．Ｅ．Ｐｅｃｋｈａｍ．Ｐ．Ｈ．Ｍａｓｏｕｒ．Ｊ．Ｍ．，Ｌａｎ，Ｎ．，Ｋｉｌｇｏｒｅ，Ｋ．及びＣｈｉｚｅｃｋ，Ｈ．Ｊ．（１９９２）。“握力回復のための機能的神経筋肉刺激”ＮＩＨ契約第ＮＯ１−ＮＳ−９−２３５６号第１０回、第１１回及び第１２回経過報告書．１９９２年３月、６月及び９月：Ｐｅｃｋｈａｍ，Ｐ．Ｈ．＆Ｋｅｉｔｈ，Ｍ．Ｗ．（１９９２）神経プロテーゼにおける“上肢機能回復のための運動プロテーゼ”；病気もしくは廃疾後の運動機能置換，編集；Ｓｔｅｉｎ，Ｒ．Ｂ．，Ｐｅｃｋｈａｍ，Ｐ．Ｈ．＆Ｐｏｐｏｖｉｃ，Ｄ．Ｂ．ニューヨーク：オックスフォード大学プレス）。ＦＥＳを使用して震えを減衰させることがＰｒｏｃｈａｚｋａ，Ａ．，Ｅｌｅｋ，Ｊ．及びＪａｖｉｄａｎ，Ｍ．の論文（１９９２）“機能的電気刺激による病理学的震えの減衰”Ｉ．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＡｎｎａｌｓｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０：２０５−２２４に報告されている。前記した方法のいくつかには経皮ワイヤ電極や、完全埋没ＦＥＳ刺激具が含まれている、すなわち作動システムを達成するのに手や腕に傷を付ける手順が必要である。また従来のこのようなシステムにはシステムを使用する各ユーザに対して広範な注文生産化が必要であり、さらに患者へ別々に取り付ける必要のあるいくつかの個別部品を含んでいるため、使用するのが不便である。動作不能な人間が簡単に自主的に身に付けたり取り外したりすることができる独立した手首起動の手制御装置について記載された従来のシステムはない。Ｊ．Ｓ．Ｐｅｔｒｏｆｓｋｙの米国特許第４，５５８，７０４号には手の動きを制御する電気信号を発生する手制御システムが開示されており、そこではコマンド信号のために肩センサが使用され、帰還信号のために指及び指先センサが使用されている。Ｂ．Ａｎｄｒｅｗｓの英国特許第２，１８６，１９１には片麻痺で苦しむ人の運動能力の回復に使用するハンドコントロール多部品システムが開示されている。発明の要約本発明の特別の特徴にしたがって、フィンガレスグローブの形状の装置が提供され、それは自発的な手首の動きを電子的に感知して手及び前腕の筋肉の制御されたＦＥＳを与えてピンチグリップを発生したり手を開かせたりする。この装置により運動障害者は日常生活において自主的もしくは最小限の手助けにより手を制御するための非侵襲性表面ＦＥＳを使用することができる。また治療のための筋肉刺激の簡便な手段も提供される。グローブ内面の導電領域が、選定された筋肉の上の皮膚上に予め配置された自己粘着性電極と自動的に接触する。これらの電極から皮膚を介して目標筋肉へパルス列が送られて、筋肉を収縮させる。実施例では、電気刺激源はグローブ背面のポケットに入れた平坦な箱の中に収められたバッテリ給電電子回路である。手首関節の周りを平坦な箱からグローブの手部【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９５年１０月２４日【補正内容】請求の範囲全文の補正請求の範囲：１．運動能力の低下した筋肉を有するユーザが使用する電気刺激装着外被であって、前記ユーザの前記筋肉を刺激する電子コントローラー刺激具を有する該装着外被は、前記装着外被が前記ユーザが１ピースとして装着することができる非侵襲性の独立した機能的電気刺激装着外被であり、前記ユーザの関節及び前記筋肉上にあてがわれるようになっており、前記装着外被はその上に配置された電子コントローラー刺激具（１５）と協同的に相互接続されて前記関節の動きを感知するセンサ（１４）を有し、前記電子コントローラー刺激具（１５）は前記関節の感知された動きを前記筋肉に対する機能的電気刺激へ変換し、前記装着外被は前記ユーザへ装着されると前記刺激具からの前記機能的電気刺激を前記装着外被内部の電気的接続を介して前記ユーザ上のもしくはユーザに埋没された電極を通して運動能力の低下した前記筋肉を刺激することを特徴とする電気刺激装着外被。２．ハンドグローブ形状である請求項１に記載の装着外被。３．屈曲及び伸展のしきい値限界を越えるユーザの手首の動きによりユーザの手の開閉が刺激され、開いたり把握したりする刺激の無いこのようなしきい値限界間の中間ゾーンがあり、前記しきい値限界は前記コントローラ上に設定されているグローブ形状の請求項２に記載の装着外被。４．コントローラー刺激具を作動させて新しいしきい値位置間で手首を動かすことによりユーザが動きのしきい値を設定することができるグローブの形状の請求項２もしくは請求項３に記載の装着外被。５．（ａ）手の開閉のための刺激を活性化させる設定しきい値位置、（ｂ）刺激パラメータ及び（ｃ）制御論理の一つ以上を調整もしくは再検討するための電気的に絶縁されたコントローラー刺激具との通信インターフェイスを有するグローブの形状の請求項２から４のいずれか一項に記載の装着外被。６．前記開閉をさせるための筋肉刺激場所を決定する目的のパルス列を供給するために刺激具出力段への代りの接続手段があるグローブの形状の請求項２から５のいずれか一項に記載の装着外被。７．前記装着外被は有孔弾性材料により構成され、前記装着外被内部の前記電気的接続部（５２）は前記ユーザ上の予め位置決めされた電極と電気的に接触するように設けられており、前記電子コントローラー刺激具（１５）はバッテリ駆動され前記装着外被上に配置されている請求項１から６のいずれか一項に記載の電気刺激装着外被。８．ユーザ上の装着外被を締め付けることにより電気的接触がなされる請求項７に記載の装着外被。９．前記装着外被内部の電気的接続は金属メッシュもしくは金属箔を介してなされる請求項１から８のいずれか一項に記載の装着外被。１０．電極は予め位置決めされた自己粘着性皮膚電極である請求項１から９のいずれか一項に記載の装着外被。１１．自己粘着性皮膚電極がユーザの皮膚から離れる方位に向いたスタッドを備え、前記スタッドはユーザが装着外被を締め付けた時に装着外被内部の電気的接続部と電気的に接触する請求項１から１０のいずれか一項に記載の装着外被。１２．センサ及びコントローラー刺激具はグローブの背面に配置されている請求項２から１１のいずれか一項に記載の装着外被。１３．カフもしくはスリーブの形状である請求項１及び請求項７から１１のいずれか一項に記載の装着外被。１４．運動能力の低下したユーザの筋肉刺激を遂行する方法であって、前記ユーザの選定された筋肉刺激場所を決定し、前記場所に自己粘着性皮膚電極をあてがい、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装着外被をあてがうことからなる筋肉刺激を遂行する方法。１５．ユーザの震え減衰に使用するようになっている請求項１から１４のいずれか一項に記載の装着外被もしくはグローブ。１６低下した運動能力が四肢麻痺もしくは半側麻痺である場合に使用するようになっている請求項１から１４のいずれか一項に記載の装着外被もしくはグローブ。１７．低下した運動能力が片麻痺である場合に使用するようになっている請求項１から１４のいずれか一項に記載の装着外被もしくはグローブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ウイラー、マルガリータカナダ国ティー６ジー２エス２アルバータ州エドモントンユニヴァーシィティオブアルバータエイチエムアールシー 513 ディヴィジョンオブニューロサイエンス (72)発明者ケンウエル、ゾルタンアール. カナダ国ティー６ジー２エス２アルバータ州エドモントンユニヴァーシィティオブアルバータエイチエムアールシー 521 ディヴィジョンオブニューロサイエンス (72)発明者ゴーチェ、ミシェルカナダ国ティー６イー１ケー３アルバータ州エドモントンアヴェニュー 9742―76

Claims

【特許請求の範囲】１．運動能力の低下したユーザが１ピースとして装着することができる非侵襲性の独立した機能的電気刺激装着外被であって、有孔材料で作られ前記ユーザの身体の一部にあてがわれるようになっている前記装着外被と、前記ユーザの自己粘着性電極と電気的に接触するようになっている前記装着外被内部の電気的接続部と、前記装着外被上の関節の動きセンサと、前記装着外被上に配置されたバッテリ駆動電子コントローラー刺激具とを具備し、前記電気的接続部、センサ及びコントローラー刺激具は電気的かつ協同的に相互接続されている非侵襲性の独立した機能的電気刺激装着外被。２．ユーザの装着外被を締め付けることにより電気的接触がなされる請求項１記載の装着外被。３．前記装着外被内部の電気的接触は金属メッシュを介してなされる請求項１もしくは請求項２に記載の装着外被。４．前記装着外被内部の電気的接触は金属箔を介してなされる請求項１もしくは請求項２に記載の装着外被。５．ハンドグローブ形状である請求項１から４のいずれか一項に記載の装着外被。６．ユーザの少なくとも手の一部及び前腕の一部に装着されるグローブ形状である請求項５に記載の装着外被。７．センサが手首の動きセンサである請求項５もしくは請求項６に記載の装着外被。８．センサ及びコントローラー刺激具がグローブ背面に載置されている請求項５から７のいずれか一項に記載の装着外被。９．ユーザが締め付けることができる請求項５から８のいずれか一項に記載の装着外被。１０．運動能力の低下したユーザが装着外被を装着して締め付けられることができるＶｅｌｃｒｏ^R ストラップ及びリングプルをグローブが有する請求項９に記載の装着外被。１１．自己粘着性皮膚電極がユーザの皮膚から離れる方位に向いたスタッドを備え、前記スタッドが装着外被内部の電気的接続部と電気的に接触する請求項１から１０のいずれか一項に記載の装着外被。１２．電気的接触は皮膚電極と装着外被内部の電気的接続部間の圧力によりなされる請求項１から１１のいずれか一項に記載の装着外被。１３．屈曲及び伸展のしきい値限界を越えるユーザの手首の動きによりユーザの手の開閉が刺激され、手を開いたり握ったりする刺激の無いこのようなしきい値限界間の中間ゾーンがあり、前記しきい値限界は前記コントローラに設定されている請求項５から１２のいずれか一項に記載の装着外被。１４．しきい値限界がユーザにより設定される請求項１３に記載の装着外被。１５．カフもしくはスリーブ形状である請求項１から４のいずれか一項に記載の装着外被。１６．弾性材料が有孔弾性材料である請求項１から１５のいずれか一項に記載の装着外被。１７．運動能力の低下したユーザが１ピースとして装着することができる非侵襲性の独立した機能的電気刺激ハンドグローブであって、弾性材料で作られ前記ユーザの手首のにあてがわれるようになってている前記グローブと、前記グローブ上の手首の動きセンサと、前記グローブ上に配置された機能的電気コントローラー刺激具と、を具備し、前記センサ及び前記コントローラー刺激具は電気的かつ協同的に相互接続されている非侵襲性の独立した機能的電気刺激ハンドグローブ。１８．屈曲及び伸展のしきい値限界を越えるユーザの手首の動きによりユーザの手の開閉が刺激され、手を開いたり握ったりする刺激の無いこのようなしきい値限界間の中間ゾーンがあり、前記しきい値限界は前記コントローラに設定されている請求項１７に記載のグローブ。１９．グローブを締め付けた時に予め位置決めされた自己粘着性皮膚電極と電気的接触を行うようにされた前記グローブ内部の金属メッシュを有する請求項１７もしくは請求項１８に記載のグローブ。２０．ユーザがコントローラー刺激具を作動させ新しいしきい値位置間で手首を動かすことにより動きのしきい値を設定することができる請求項１７から１９のいずれか一項に記載のグローブ。２１．（ａ）手の開閉のための刺激を活性化させる設定しきい値位置、（ｂ）刺激パラメータ及び（ｃ）制御論理の一つ以上を調整もしくは再検討するための電気的に絶縁されたコントローラー刺激具との通信インターフェイスを有する請求項１７から２０のいずれか一項に記載のグローブ。２２．前記開閉をさせるための筋肉刺激場所を決定する目的のパルス列を供給するために刺激具出力段への代りの接続手段がある請求項１７から２１のいずれか一項に記載のグローブ。２３．運動能力の低下したユーザが１ピースとして装着することができる非侵襲性の独立した機能的電気刺激ハンドグローブであって、前記グローブ上の手首の動きセンサと、前記グローブ上に配置された機能的電気コントローラー刺激具とを具備し、屈曲及び伸展のしきい値限界を越える手首の動きによりコントローラー刺激具により手の開閉が制御され、手を開閉させる刺激の無いこのようなしきい値限界間の中間ゾーンがある非侵襲性の独立した機能的電気刺激ハンドグローブ。２４．運動能力の低下したユーザが１ピースとして装着することができる非侵襲性の独立した機能的電気刺激装着外被であって、弾性材料で作られ前記ユーザの関節上にあてがわれるようになっている前記装着外被と、ユーザが装着外被を締め付けた時に自己粘着性皮膚電極と電気的接触を行うようになっている前記装着外被内部の金属メッシュパッチとを具備し、前記自己粘着性皮膚電極はユーザの皮膚から離れる方向を向いたスタッドを備え、前記スタッドは接触圧により金属メッシュに接続される非侵襲性の独立した機能的電気刺激装着外被。２５．機能的電気刺激は選定された筋肉刺激場所において前記ユーザに配置された予め位置決めされた自己粘着性皮膚電極を介して遂行される請求項１から２４のいずれか一項に記載の装着外被もしくはグローブ。２６．ユーザの震えの減衰に使用される請求項１から２５のいずれか一項に記載の装着外被もしくはグローブ。２７．低下した運動能力が四肢麻痺、片麻痺もしくは半側麻痺である場合に使用される請求項１から２５のいずれか一項に記載の装着外被もしくはグローブ。２８．センサ及びコントローラー刺激具が装着外被やグローブから取外し可能である請求項１から２７のいずれか一項に記載の装着外被もしくはグローブ。２９．運動能力の低下したユーザの筋肉刺激を遂行する方法であって、前記ユーザの選定された筋肉刺激場所を決定し、前記場所に自己粘着性皮膚電極をあてがい、請求項１から２８のいずれか一項に記載の装着外被をあてがうことからなる筋肉刺激を遂行する方法。