JPWO2016147643A1 - 歩行訓練用脊髄電気刺激装置 - Google Patents
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Abstract
高度な歩行訓練を容易かつ効果的に行うことができるようにするため、片麻痺による歩行困難者の歩行訓練に用いられる歩行訓練用脊髄電気刺激装置は、歩行訓練者に装着する第１、および第２の電極と、歩行に関する歩行訓練者の身体の動きを検出する検出部と、検出部の検出結果に応じて、上記第１、および第２の電極により、脊髄への感覚神経の神経根に与える電気刺激を発生する感覚神経電気刺激発生部とを備える。
Description
本発明は、片麻痺による歩行困難者の歩行訓練等に用いられる歩行訓練用脊髄電気刺激装置に関するものである。
近年、脳卒中の年間発症数は１１万を超え、年間の有病者数は１７６万人とされている。その多くは後遺症を有し、日常生活活動（ＡＤＬ）に支障をきたしている。要介護となる高齢者のうち約３０％は脳卒中によるものとされている。脳卒中後片麻痺を呈した患者の２０〜３０％程度は、その後のリハビリテーションによっても歩行の獲得が困難なままである。また歩行が可能となった場合でも歩行速度の低下や不安定性による転倒の危険性が高く、屋外歩行が可能となるのは５０％以下である。そこで、効果的な歩行訓練を行える訓練装置が望まれている。
従来、訓練者に電気刺激を与えて歩行運動改善のための訓練を行う電気刺激装置としては、個々の末梢神経および筋肉を低周波電気刺激で刺激して単関節の制御を行うものが知られている。しかし、そのような単関節の制御では高度な歩行の訓練を行うことは困難であり、麻痺が軽度な訓練者の訓練にしか用いることができない。
そこで、複雑な種類およびパターンの電気刺激を生成して訓練者に与える技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、上記のような複雑な電気刺激を生成して歩行訓練を行う場合、歩行時の筋活動のタイミングがずれるなどすると転倒のリスクがあり、リハビリテーション現場での普及は困難である。したがって、やはり、麻痺が重度な訓練者の訓練等に用いることは困難である。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高度な歩行訓練を容易かつ効果的に行うことができるようにすることを目的としている。
第１の発明は、
片麻痺による歩行困難者の歩行訓練に用いられる歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
歩行訓練者に装着する第１、および第２の電極と、
歩行に関する歩行訓練者の身体の動きを検出する検出部と、
検出部の検出結果に応じて、上記第１、および第２の電極により、脊髄への感覚神経の神経根に与える電気刺激を発生する感覚神経電気刺激発生部と、
を備えたことを特徴とする。
片麻痺による歩行困難者の歩行訓練に用いられる歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
歩行訓練者に装着する第１、および第２の電極と、
歩行に関する歩行訓練者の身体の動きを検出する検出部と、
検出部の検出結果に応じて、上記第１、および第２の電極により、脊髄への感覚神経の神経根に与える電気刺激を発生する感覚神経電気刺激発生部と、
を備えたことを特徴とする。
これにより、非侵襲的、かつ比較的弱い電気刺激で、歩行類似の筋活動の誘発が可能であり、麻痺側下肢振り出しまたは下肢立脚運動等を補助して、歩行訓練の効果を高めることができる。
第２の発明は、
第１の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記第１の電極は、歩行訓練者の下位胸椎から上位腰椎にかけて装着され、
上記第２の電極は、歩行訓練者の腹部に装着されるように構成されていることを特徴とする。
第１の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記第１の電極は、歩行訓練者の下位胸椎から上位腰椎にかけて装着され、
上記第２の電極は、歩行訓練者の腹部に装着されるように構成されていることを特徴とする。
これにより、上記のような歩行類似の筋活動の誘発が容易に行え、歩行訓練の効果をより高めることができる。
第３の発明は、
第１の発明または第２の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記感覚神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、５０ｍＡ以下、かつ、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の電気信号であることを特徴とする。
第１の発明または第２の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記感覚神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、５０ｍＡ以下、かつ、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の電気信号であることを特徴とする。
これにより、比較的弱い刺激で歩行訓練が行われるので、歩行訓練者の負担を軽減することができる。
第４の発明は、
第１の発明から第３の発明のうち何れか１つの歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記検出部は、
歩行訓練者の歩行に伴って動く筋肉の筋電位、
歩行訓練者の歩行に伴って動く関節の角度、および
歩行訓練者の歩行に伴って発生する脳波のうち少なくとも１つを検出するように構成されていることを特徴とする。
第１の発明から第３の発明のうち何れか１つの歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記検出部は、
歩行訓練者の歩行に伴って動く筋肉の筋電位、
歩行訓練者の歩行に伴って動く関節の角度、および
歩行訓練者の歩行に伴って発生する脳波のうち少なくとも１つを検出するように構成されていることを特徴とする。
これにより、歩行訓練者の状態に応じた検出をでき、柔軟な訓練を行うことができる。
第５の発明は、
第４の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記検出部は、歩行訓練者が動かす下腿三頭筋または前脛骨筋の筋活動による筋電位を検出するように構成されていることを特徴とする。
第４の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記検出部は、歩行訓練者が動かす下腿三頭筋または前脛骨筋の筋活動による筋電位を検出するように構成されていることを特徴とする。
これにより、検出を容易に行って、歩行訓練の確実性を高めることができる。
第６の発明は、
第１の発明から第５の発明のうち何れか１つの歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
さらに、
歩行訓練者に装着する第３の電極と、
検出部の検出結果に応じて、上記第３の電極により、運動神経に与える電気刺激を発生する運動神経電気刺激発生部と、
を備えたことを特徴とする。
第１の発明から第５の発明のうち何れか１つの歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
さらに、
歩行訓練者に装着する第３の電極と、
検出部の検出結果に応じて、上記第３の電極により、運動神経に与える電気刺激を発生する運動神経電気刺激発生部と、
を備えたことを特徴とする。
これにより、立脚期に股関節の伸展筋への電気刺激を行いさらに歩行運動を促通することができ、訓練効果をより高めることができる。
第７の発明は、
第６の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記運動神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、５０ｍＡ以下、かつ、３０Ｈｚ以下の電気信号であることを特徴とする。
第６の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記運動神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、５０ｍＡ以下、かつ、３０Ｈｚ以下の電気信号であることを特徴とする。
これにより、訓練効果をより高めることができる。
第８の発明は、
第７の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記運動神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、歩行訓練者の臀部に与える電気刺激であることを特徴とする。
第７の発明の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記運動神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、歩行訓練者の臀部に与える電気刺激であることを特徴とする。
これにより、訓練効果をさらに高めることができる。
第９の発明は、
第１の発明から第８の発明のうち何れか１つの歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記感覚神経電気刺激発生部、および運動神経電気刺激発生部の少なくとも一方は、上記検出部によって歩行訓練者の身体の動きが検出されてから上記電気刺激を発生するまでの遅延時間を可変に設定可能に構成されていることを特徴とする。
第１の発明から第８の発明のうち何れか１つの歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記感覚神経電気刺激発生部、および運動神経電気刺激発生部の少なくとも一方は、上記検出部によって歩行訓練者の身体の動きが検出されてから上記電気刺激を発生するまでの遅延時間を可変に設定可能に構成されていることを特徴とする。
これにより、訓練者の状態に応じた訓練をでき、個別に訓練効果を高めることができる。
本発明によれば、高度な歩行訓練を容易かつ効果的に行うことができるようにすることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（歩行訓練用脊髄電気刺激装置の構成）
本発明の実施形態の歩行訓練用脊髄電気刺激装置は、図１に示すように、電気刺激トリガー検出部２５０と、電気刺激制御部３１０と、電気刺激発生部２１０とを備えて構成されている。電気刺激トリガー検出部２５０は、例えば、図２、図３に示すように、歩行訓練者１００の非麻痺側の下腿に装着される。電気刺激発生部２１０は、例えば、図２、図４、図５に示すように、歩行訓練者１００の腰部にベルト等で固定される。電気刺激制御部３１０は、歩行訓練者１００の近傍に配置される。
本発明の実施形態の歩行訓練用脊髄電気刺激装置は、図１に示すように、電気刺激トリガー検出部２５０と、電気刺激制御部３１０と、電気刺激発生部２１０とを備えて構成されている。電気刺激トリガー検出部２５０は、例えば、図２、図３に示すように、歩行訓練者１００の非麻痺側の下腿に装着される。電気刺激発生部２１０は、例えば、図２、図４、図５に示すように、歩行訓練者１００の腰部にベルト等で固定される。電気刺激制御部３１０は、歩行訓練者１００の近傍に配置される。
上記電気刺激トリガー検出部２５０は、筋電位を検出する筋電位検出電極２５１、検出された筋電位を増幅するプリアンプ２５２、および増幅された信号を電波で送信する送信部２５３を備え、歩行訓練者１００の非麻痺側の下腿三頭筋や、前脛骨筋の筋活動を検出するようになっている。
電気刺激制御部３１０は、電気刺激トリガー検出部２５０からの電波を受信する受信部３１１、受信された信号に基づいて電気刺激指示信号を発生する処理部３１２、および上記電気刺激指示信号を電波で送信する送信部３１３を備えている。また、さらに、筋活動の判定閾値や、電気刺激信号を発生させる際の遅延時間、電気刺激信号の周波数や電流などの刺激強度等、所定の設定値の入力などを行う入力部３１４、および電気刺激制御部３１０の動作状態のモニタ等を行うための出力部３１５を備えている。この電気刺激制御部３１０は、電気刺激トリガー検出部２５０によって検出された筋電位の振幅が、入力部３１４等によって設定された所定の閾値以上であることを検出して、電気刺激発生部２１０に電気刺激指示信号を出力するようになっている。
電気刺激発生部２１０は、上記電気刺激制御部３１０からの電波を受信する受信部２１１、および例えば５０ｍＡ以下で、５０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の第１の電気刺激信号と、５０ｍＡ以下で、３０Ｈｚ以下の第２の電気刺激信号とを発生する駆動部２１２を備えている。上記第１の電気刺激信号は、腹部電極２２０（例えば−側電極）と、背部電極２３０（例えば＋側電極）とに出力される。上記腹部電極２２０は、図４に示すように、歩行訓練者１００の腹部に表面電極として装着される一方、背部電極２３０は、下位胸椎から上位腰椎にかけて表面電極として装着され、第１の電気刺激が、脊髄への感覚神経の神経根に与えられるようになっている。また、上記第２の電気刺激信号は、臀部電極２４０（例えば−側電極、および＋側電極。なお、必要に応じて、筋電位検出のための電極も設けられてもよい。）に出力される。上記臀部電極２４０は、図５に示すように歩行訓練者１００の臀部にやはり表面電極として装着され、股関節の伸展筋に第２の電気刺激が与えられるようになっている。
（動作例）
上記のような歩行訓練用脊髄電気刺激装置を用いた歩行訓練は次のように行われる。
上記のような歩行訓練用脊髄電気刺激装置を用いた歩行訓練は次のように行われる。
歩行訓練者１００の非麻痺側の下腿三頭筋や、前脛骨筋が動作すると、これに伴う筋電位に応じた信号が、電気刺激トリガー検出部２５０から電気刺激制御部３１０に送信される。電気刺激制御部３１０は、上記筋電位の振幅が、あらかじめ設定された所定以上であると検出されると、電気刺激指示信号を電気刺激発生部２１０に送信する。電気刺激発生部２１０は、上記電気刺激指示信号に応じて、第１の電気刺激信号を腹部電極２２０、および背部電極２３０に出力し、第２の電気刺激信号を臀部電極２４０に出力する。
そこで、前記のように上記腹部電極２２０が歩行訓練者１００の腹部に装着され背部電極２３０は下位胸椎から上位腰椎にかけて装着されていることにより、第１の電気刺激によって、経皮的、非侵襲的に、脊髄神経根への高周波刺激が感覚神経刺激として行われる。すなわち、下位胸髄に対する電気刺激によって、脊髄反射による歩行類似の筋活動の誘発がなされ、歩行に必要な下肢運動様式が再建されて、麻痺側下肢振り出しまたは下肢立脚運動が補助される。また、臀部電極２４０が歩行訓練者１００の臀部に装着され、立脚期に股関節の伸展筋に第２の電気刺激が与えられることにより、さらに歩行運動が促通される。それゆえ、重度麻痺から中等度麻痺の歩行訓練者１００に対しても、歩行訓練を効果的に行うことができる。
上記のような脊髄神経根の感覚神経刺激は、個々の末梢神経や筋肉を刺激するのと異なり、一連の生理学的な歩行運動の補助、すなわち多関節運動の刺激が可能であり、脊髄反射によって、歩行運動における足の振り出し、踏み返し、立脚などの諸動作の再現が可能である。しかも、運動神経そのものを刺激するよりも、弱い刺激強度で刺激することが可能である。
このように、歩行のタイミングに合わせて、歩行に必要な脊髄反射回路を刺激することによって、脊髄刺激による生理学的な歩行運動の促通がなされ、また、歩行運動のトリガーとなる股関節伸展のための股関節伸展筋群への電気刺激を組み合わせることにより、歩行に必要な神経回路を強化することができ、麻痺による歩行障害を有する歩行訓練者１００の歩行機能の改善が見込まれる。
具体的には、例えば、発症後２年以上経過した慢性期脳卒中患者が歩行訓練者１００として上記のようなリハビリテーション訓練（計５回）を行うことにより、脊髄相反性抑制の改善が認められた。また、１０ｍ歩行速度も１５秒から１２秒へ改善が認められた。また、その効果は、リハビリテーション訓練終了後６か月後まで持続していた。
上記のように、小型軽量、ならびに刺激強度も感覚閾値の２倍程度の弱い刺激で、経皮的な刺激であり、痛みもないため、リハビリテーション医療現場での使用は容易である。電気刺激の使用自体はリハビリテーションの現場ではよく使用されているので、訓練士などの使用も容易である。
また、電極や筋電図電極もシールで貼り付けすることにより、刺激装置の設置は１０分以内程度で可能である。そして、通常の歩行訓練時に使用することができ、別に大がかりな装置を必要としないので、リハビリテーション訓練室での使用が可能である。
（変形例）
なお、上記の例では、電気刺激のトリガーとして非麻痺側の下腿三頭筋や前脛骨筋の筋活動を検出する例を示したが、これに限らず、歩行訓練者１００の歩行のタイミングに関連する種々の変化をトリガーとすることができる。具体的には、例えば歩行訓練者の歩行に伴って動く他の筋肉の筋電位や、歩行訓練者の歩行に伴って動く関節の角度、歩行訓練者の歩行に伴って発生する脳波などを検出するようにしてもよい。また、これらの１つ以上を組み合わせて、検出精度や確実性の向上を図るようにしてもよい。
なお、上記の例では、電気刺激のトリガーとして非麻痺側の下腿三頭筋や前脛骨筋の筋活動を検出する例を示したが、これに限らず、歩行訓練者１００の歩行のタイミングに関連する種々の変化をトリガーとすることができる。具体的には、例えば歩行訓練者の歩行に伴って動く他の筋肉の筋電位や、歩行訓練者の歩行に伴って動く関節の角度、歩行訓練者の歩行に伴って発生する脳波などを検出するようにしてもよい。また、これらの１つ以上を組み合わせて、検出精度や確実性の向上を図るようにしてもよい。
また、上記のような歩行訓練者１００の動作に関する変化が検出されてから、感覚神経電気刺激や運動神経電気刺激が与えられるまでの遅延時間は種々設定することができ、歩行訓練者１００や歩行訓練の進行状況等に応じて可変に設定可能にされていてもよい。
また、上記の例では、電気刺激トリガー検出部２５０と、電気刺激制御部３１０と、電気刺激発生部２１０とが無線通信で信号を送受する例を示したが、これに限るものではない。例えばこれらの構成要素が何れも有線で接続されたり、１つのユニットとして構成されて、そのユニットにセンサや電極が接続されるなどしてもよい。また、そのような場合には、電気刺激の付加状況をモニタする信号が無線で歩行訓練を監視や解析、記録する装置等に伝達されるなどしてもよい。
１００ 歩行訓練者
２１０ 電気刺激発生部
２１１ 受信部
２１２ 駆動部
２２０ 腹部電極
２３０ 背部電極
２４０ 臀部電極
２５０ 電気刺激トリガー検出部
２５１ 筋電位検出電極
２５２ プリアンプ
２５３ 送信部
３１０ 電気刺激制御部
３１１ 受信部
３１２ 処理部
３１３ 送信部
３１４ 入力部
３１５ 出力部
２１０ 電気刺激発生部
２１１ 受信部
２１２ 駆動部
２２０ 腹部電極
２３０ 背部電極
２４０ 臀部電極
２５０ 電気刺激トリガー検出部
２５１ 筋電位検出電極
２５２ プリアンプ
２５３ 送信部
３１０ 電気刺激制御部
３１１ 受信部
３１２ 処理部
３１３ 送信部
３１４ 入力部
３１５ 出力部
Claims (9)
- 片麻痺による歩行困難者の歩行訓練に用いられる歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
歩行訓練者に装着する第１、および第２の電極と、
歩行に関する歩行訓練者の身体の動きを検出する検出部と、
検出部の検出結果に応じて、上記第１、および第２の電極により、脊髄への感覚神経の神経根に与える電気刺激を発生する感覚神経電気刺激発生部と、
を備えたことを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。 - 請求項１の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記第１の電極は、歩行訓練者の下位胸椎から上位腰椎にかけて装着され、
上記第２の電極は、歩行訓練者の腹部に装着されるように構成されていることを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。 - 請求項１または請求項２の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記感覚神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、５０ｍＡ以下、かつ、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の電気信号であることを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。 - 請求項１から請求項３のうち何れか１項の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記検出部は、
歩行訓練者の歩行に伴って動く筋肉の筋電位、
歩行訓練者の歩行に伴って動く関節の角度、および
歩行訓練者の歩行に伴って発生する脳波のうち少なくとも１つを検出するように構成されていることを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。 - 請求項４の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記検出部は、歩行訓練者が動かす下腿三頭筋または前脛骨筋の筋活動による筋電位を検出するように構成されていることを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。 - 請求項１から請求項５のうち何れか１項の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
さらに、
歩行訓練者に装着する第３の電極と、
検出部の検出結果に応じて、上記第３の電極により、運動神経に与える電気刺激を発生する運動神経電気刺激発生部と、
を備えたことを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。 - 請求項６の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記運動神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、５０ｍＡ以下、かつ、３０Ｈｚ以下の電気信号であることを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。 - 請求項７の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記運動神経電気刺激発生部が発生する電気刺激は、歩行訓練者の臀部に与える電気刺激であることを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。 - 請求項１から請求項８のうち何れか１項の歩行訓練用脊髄電気刺激装置であって、
上記感覚神経電気刺激発生部、および運動神経電気刺激発生部の少なくとも一方は、上記検出部によって歩行訓練者の身体の動きが検出されてから上記電気刺激を発生するまでの遅延時間を可変に設定可能に構成されていることを特徴とする歩行訓練用脊髄電気刺激装置。
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