KR102515448B1 - 생체 자극 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 저주파 펄스 발생 회로(4), 고주파 신호 발생 회로(5), 저주파 펄스 발생 회로에서 발생한 저주파 펄스 신호파에 고주파 신호 발생 회로에서 발생한 고주파 신호파를 중첩시킨 합성파를 형성하는 합성부(7), 합성파를, 저주파 펄스 신호파에 고주파 신호파가 중첩되는 온 기간과, 저주파 펄스 신호파에 고주파 신호파가 중첩되지 않는 오프 기간으로 1사이클을 구성하도록 합성부를 제어하는 파형 제어 신호 회로(6), 합성파를 입력하는 출력 트랜스를 갖추고, 출력 트랜스의 출력측에 접속된 한 쌍 이상의 패드가 생체에 장착되었을 때, 출력 트랜스의 출력측에서의 합성파의 온 기간에 합성파의 전압이 서서히 증가 및 감소하도록 출력 트랜스의 출력측의 임피던스가 설정된다.

Description

생체 자극 장치

본 발명은, 생체(生體)에 전기적 자극을 가함으로써, 주로 근육 트레이닝, 근력 업(Up) 및 근육 재활(Rehabilitation)ㆍ시술, 피로 회복 등을 효과적으로 실시하는 생체 자극 장치에 관한 것이다.

생체 표면에 도자(導子, Catheter)(패드)를 접촉시켜 전기적 펄스파나 정현파를 부여함으로써 근육에 전기 자극을 가해 근육의 활성화나 릴렉스 효과를 얻을 수 있는 것은 널리 알려져 있다. 생체 자극 장치는, 전기적 장치나 건강 기구로서 실용화되어 있다. 이들 장치나 기구는, 그 목적에 따라 근육 자극, 근육 재활, 근육 트레이닝, 체형 쉐이프업(Shape-up), 휴식(Relaxation), 게다가, 근육통, 결림, 저림, 요통, 피로 회복 등 다방면에 걸쳐 이용되고 있다.

이들 전기적 자극에 의한 생체 자극 장치는 그 대부분이 저주파 펄스를 이용하고 있다. 생체 자극 장치는 생체의 2개소 이상에 배치한 도자 사이에 저주파의 펄스 전류를 흘려, 전극 사이의 근육에 자극을 가해, 근육에 수축과 이완을 반복함으로써 근육의 혈류를 촉진한다. 이에 따라, 물리적인 어깨 두드리기, 마사지, 근육 트레이닝 등의 운동 효과를 얻을 수 있다.

전기적 장치 등의 저주파 펄스로는 수 Hz에서 수십 Hz의 펄스파가 이용된다. 펄스의 전압 강도, 펄스 폭, 발생 펄스의 온ㆍ오프 간격 등을 변화시켜, 이들을 조합함으로써, 어깨 두드리기, 근육 강화, 휴식, 모드 등의 각종 목적에 맞는 펄스 파형을 형성하고 있다. 예를 들면, 현재 시판되고 있는 저주파 장치 등은 펄스 폭 0.2 밀리초에서 수 밀리초, 펄스 전압 10에서 20V로 기준 펄스를 발생시키고 있다. 상기 장치는, 어깨 두드리기 모드에서는 기준 펄스의 발생 간격을 이용자의 취향에 따라 수 밀리초에서 수 초 간격으로 발생시켜 소망하는 어깨 두드리기 효과를 얻고 있다. 또한, 마사지 효과, 휴식 효과 모드에서는 10개에서 수십 개의 상기 기준 펄스 군(群)을 1초에서 수 초간 연속적으로 발생시키거나 휴지시키는 것을 교대로 반복해, 손으로 안마하는 마사지 효과를 얻고 있다.

저주파, 고주파의 정의는 명확하지 않지만, 당업계에서는, 저주파는 수 Hz에서 수백 Hz가 많이 이용되고 있고, 그 이상을 고주파(중주파(中周波)라고 불리는 대역을 포함)로서 부르고 있다. 본원에서는, 이러한 주파수 범위를 기준으로 하여 설명한다. 상기 저주파 펄스가 주어지면, 근육이 자극되어 수축한다. 그 후, 펄스파가 휴지하면, 근육은 이완을 시작한다. 어깨 두드리기 모드 등에서는 수 Hz에서 수십 Hz의 저주파 펄스가 이용된다. 그 저주파 펄스가 주어질 때마다 근육이 이완해, 「톤, 톤,‥」과 같은 감각의 어깨 두드리기 효과가 된다. 또한, 저주파 펄스의 주파수를 올려서 근육이 이완을 시작하고 얼마 안되서 다음의 펄스가 연속적으로 주어지는 상태로 한다. 그러면, 근육의 수축 상태가 홀딩(holding)되고, 그 후, 펄스가 휴지하는 인터벌 상태로 함으로써 근육은 이완 상태가 되고, 편안하게 안마되고 있는 효과를 만들어 내고 있다.

생체의 근육은 신경 충격에 의해 수축, 이완이 실시되고, 근육 트레이닝에 의해 근육 수축의 에너지원이 증가한다고 한다. 즉, 트레이닝에 의해 근섬유가 두꺼워지고, 혈관도 발달한다. 근섬유가 두꺼워지면 근육의 조성(組成)인 근단백(筋蛋白), 글리코겐 등의 근수축의 에너지원이 되는 물질이 증가한다. 이러한 전기적 자극을 근육에 간헐적으로 가함으로써 근육이 수축, 이완을 반복하기 때문에, 이 작용을 이용해 근육 트레이닝, 근력 업(up)을 실시하는 생체 자극 장치가 다양하게 제안되고 있다.

이러한 종류의 생체 자극 장치로는, 통상, 저주파에 의한 구형파(矩形波) 펄스를 이용하여 근육 트레이닝이나 근력 업(up)을 실시하는 방법이 제안되고 있다. 특허문헌 1에서는, 근육을 전기 자극하는 생체 자극 장치로서, 20Hz 이하의 버스트파(burst wave)를 이용해, 몇개의 버스트파(2Hz, 4Hz, 8Hz, 16Hz, 20Hz 등)를 조합하면서 일정 기간 만 교대로 반복해 근육에 수축을 일으키는 방법이 제안되고 있다.

상기와 같은 저주파를 이용하는 근육 트레이닝 장치에서는, 근육에 작용하는 효과는 있지만, 피부 표면층에서 확산해 버리기 때문에, 주로 아우터 머슬(Outer muscles)(또는, 표층근(Superficial Muscules)이라고도 부른다)에 대해서 이용되고 있다. 그 때문에, 보다 내부의 근육을 자극하는 방법으로서, 특허문헌 2에서는 상기와 같은 저주파 보다 주파수를 높인 주파수 1KHz~20KHz(특허문헌 2에서는 중주파(中周波)라고 부른다)를 이용하는 방법이 제안되고 있다. 예를 들면, 전기 자극을 이용한 근육 트레이닝 장치로서, 중주파의 정현파 신호를 신체에 출력하는 적어도 2쌍의 도자(導子)를 갖추고, 이들 도자쌍으로부터의 전기 신호가 신체의 소정 부위에서 교차하는 상태로 사용하는 제1 모드와, 이들 도자쌍의 일방 혹은 쌍방에서의 전기 신호가 신체의 소정 부위에서 교차하지 않는 상태로 사용하는 제2 모드로 이루어진 부위 모드를 마련한 장치가 개시되어 있다.

또한, 이러한 저주파 보다 높은 주파수를 이용한 근육 트레이닝 장치의 개량(改良)으로서, 간섭파를 이용한 근육 자극 장치도 제안되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 3에서는, 전기 자극 신호의 크기와 주파수를 지정해 입력하고, 상기 지정에 근거하여 전기 자극 신호를 생성하고, 복수의 도자를 경유해 이용자의 몸에 상기 전기 자극 신호를 반송(搬送)하여 간섭파를 발생시키는 전기 자극 출력부와, 전기 자극 신호의 크기와 주파수와의 관계를 나타내는 전류 주파수 상관 데이터를 저장하는 기억부와, 상기 이용자로부터의 지시를 접수하는 조작부와, 상기 조작부로부터 입력된 상기 이용자 지시의 전기 자극 신호의 크기를 바탕으로, 상기 전류 주파수 상관 데이터에 근거하여 주파수를 결정하고, 상기 전기 자극 신호의 크기와 주파수를 상기 전기 자극 출력부로 출력하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 근육 트레이닝 장치가 개시되어 있다.

이러한 저주파에 의한 생체 자극 장치가 생체 표층 부분의 수 밀리 정도가 자극되는데 비해, 보다 주파수가 높은 고주파, 중주파나 간섭파를 이용한 생체 자극 장치에서는 보다 심층 부분까지 자극할 수 있는 것이 인정되고 있다. 물론, 인가 전압을 상승시켜 생체 내부를 자극하는 방법도 가능하지만, 사용감(使用感)으로서 통증이나 따끔따끔 감이 생기기 때문에, 상기와 같은 저주파 및 중주파에 의한 생체 자극 장치는, 주로 아우터 머슬로 불리는 생체 표층부의 근육 트레이닝에 이용되고 있고, 이너 머슬(Inner muscles)(또는, 심층근(Deep Muscules)이라고도 부른다)의 근육 활성화에는 이용되고 있지 않다.

생체(인체나 동물)의 구조는 전기적으로는 콘덴서(커패시턴스(Capacitance))와 임피던스(저항) 성분으로 구성되어 있기 때문에, 보다 주파수가 높은 편이 생체 내부로 전기 신호가 침투하기 쉽다고 생각할 수 있다. 고주파 만으로는 근육을 수축시키는 자극을 느낄 수 없고, 근육 트레이닝으로서는 실용화되어 있지 않다. 그러나, 고주파를 저주파 펄스에 중첩시킨 복합파를 이용해, 보다 심층으로 자극을 가하는 방법이 제안되고 있다. 특허문헌 4에서는, 생체에 도자를 당접해, 상기 도자로부터 생체에 전류를 흘려 자극을 가하는 생체 자극 장치로서, 저주파 펄스에 고주파 펄스를 중첩시켜 생체에 자극을 가하는 것을 특징으로 하는 생체 자극 장치가 개시되어 있다. 이와 같은 복합파에 의해, 저주파를 이용한 생체 자극 장치에 비해 보다 심층 부분을 자극할 수 있는 것이 알려져 있다.

이 복합파를 이용하는 방법에서는, 고주파 성분에 의해 심층근으로의 도달 효과는 있지만, 생체에 대한 자극이 지나치게 강하기 때문에 사용 중 위화감 등이 있고, 이러한 위화감을 경감하기 위해, 특허문헌 5에서는 저주파 펄스를 구형파에 삼각파를 중첩해 합성하는 고주파의 레벨이 서서히 상승 또는 하강하는 파형을 이용함으로써 소프트한 자극을 가하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이 방법에서는, 저주파 펄스에 구형파와 삼각파를 중첩하여 고주파 신호를 합성하고 있기 때문에, 회로가 복잡해질 뿐만 아니라, 중첩한 저주파 펄스와 고주파를 합성할 때의 노이즈(특히, 오버슈트(Overshoot) 및 언더슈트(undershoot)에 의한 노이즈 성분) 등이 생긴다. 이 때문에, 심층부로의 근육 트레이닝에 적용하면 노이즈에 의한 통증이나 위화감이 생긴다. 또한, 이러한 생체 자극 장치를 근육 트레이닝에 적용한 경우, 어떻게 해서 효율적으로, 효과적인 근육 트레이닝의 성과를 얻을 수 있는지에 대해서는 분명하지 않았다. 그 때문에, 이러한 복합파에 의한 생체 자극 장치를 위화감이나 자극감 없이 계속해서 이너 머슬로 불리는 심층부의 근육 트레이닝에 사용해 성과를 얻는 장치가 요망되고 있다.

일본 특허공개 2016-202690호 공보 일본 특허공개 2006-175166호 공보 일본 특허공개 2005-348859호 공보 일본 특허공개 2010-57805호 공보 일본 특허 5535405호 공보

본 발명의 주된 과제는, 생체의 이너 머슬(심층근)에 전기 자극을 가함으로써, 표층근 뿐만 아니라, 체간근(Trunk muscles)이라고 불리는 심층근 및 표층근의 양방의 근육에 전기적 자극을 가해, 노이즈에 의한 통증이나 위화감이 생기는 일 없이, 근육 긴축, 근력 업(up), 근육 강화를 실시하는 생체 자극 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 과제는, 체간근에 적용해 체간근을 강화함으로써 근육 운동 능력의 향상 및 근력 업(up)을 실시하는 생체 자극 장치를 제공한다.

게다가, 본 발명의 과제는, 생체 자극 장치를 생체의 각종 이너 머슬에 적용함으로써 근력 저하에 수반하는 개선ㆍ재활을 실시하는 재활 기기를 제공한다.

또한, 본 발명의 과제는, 체감 자극이 소프트하고, 또한, 보다 심층에 있는 이너 머슬(심층근)로의 자극 효과를 얻을 수 있는 생체 자극용 신호 파형의 발생 장치 및 생체 자극 장치를 제공한다.

게다가, 본 발명의 과제는, 소프트한 자극감으로 이너 머슬 근육까지 자극할 수 있는 생체 자극용 복합 신호 파형을 변동 합성파군과 고정 합성파군의 조합 및 변형에 의해 발생시킴으로써, 심층근이나 표층근의 근육 트레이닝, 휴식 등 광범위한 사용 목적에 따른 각종 파형을 간소한 회로 구성으로 구성할 수 있어, 결과적으로 근육 긴축에 의한 쉐이프업(Shape-up)(복부둘레 감소, 마름) 효과가 뛰어난 생체 자극 장치를 제공한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1에 기재된 발명은, 저주파 펄스 신호파를 발생하는 저주파 펄스 발생 회로와, 고주파 신호파를 발생하는 고주파 신호 발생 회로와, 상기 저주파 펄스 발생 회로에서 발생한 저주파 펄스 신호파에 상기 고주파 신호 발생 회로에서 발생한 고주파 신호파를 중첩시킨 합성파를 형성하여, 상기 합성파에 의해 전기적 자극을 생체에 가하는 합성부와, 상기 합성파를, 상기 저주파 펄스 신호파에 상기 고주파 신호파가 중첩되는 온(On) 기간과, 상기 저주파 펄스 신호파에 상기 고주파 신호파가 중첩되지 않는 오프(Off) 기간으로 1사이클을 구성하도록 상기 합성부를 제어하는 제어 회로와, 상기 합성파를 입력하는 출력 트랜스를 갖추고, 상기 출력 트랜스의 출력측에 접속된 한 쌍 이상의 패드가 생체에 장착되었을 때, 상기 출력 트랜스의 상기 출력측에서의 상기 합성파의 상기 온 기간에 합성파의 전압이 서서히 증가 및 감소하도록, 상기 출력 트랜스의 상기 출력측의 임피던스가 설정되고, 상기 제어 회로는, 적어도 상기 합성파의 일부를, 상기 온 기간과 상기 오프 기간과의 적어도 일방의 기간을 저주파 사이클로 변동을 준 변동 합성파군에 의해 구성하도록, 상기 합성부를 제어한다.

삭제

또한, 청구항 2에 기재된 발명에서는, 청구항 1에 기재된 장치에 있어서, 상기 합성파를 상기 생체에 가하는 생체 자극용 파형은, 상기 변동 합성파군과, 상기 온 기간 및 상기 오프 기간이 고정된 고정 합성파군과의 조합으로 이루어진 반복 파형이다.

또한, 청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 장치에 있어서, 상기 제어 회로는, 적어도 상기 합성파의 일부를, 상기 온 기간의 레벨을 저주파 사이클로 변동을 준 변동 합성파군에 의해 구성하도록, 상기 합성부를 제어한다.

또한, 청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 2에 기재된 장치에 있어서, 상기 고정 합성파군의 기간은, 상기 변동 합성파군의 기간의 40%에서 100%의 사이로 설정되어 있다.

또한, 청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 2에 기재된 장치에 있어서, 상기 생체 자극용 파형은, 인가 기간이 2초~10초인 상기 변동 합성파군과, 인가 기간이 1초에서 4초인 상기 고정 합성파군과의 조합으로 이루어진다.

또한, 청구항 6에 기재된 발명은, 청구항 2에 기재된 장치에 있어서, 상기 변동 합성파군의 기간과 상기 고정 합성파군의 기간과의 사이에, 휴지(休止) 기간이 마련되어 있다.

청구항 1에 기재된 발명에 따르면, 저주파 펄스 신호파와 고주파 신호파를 중첩시킨 합성파를 이용함으로써, 이너 머슬(심층근)에 도달하는 자극 효과를 얻는 동시에, 아우터 머슬(표층근)에도 자극 효과를 일으키기 때문에 체간근을 트레이닝하여, 근력 강화의 효과를 효율적으로 얻을 수 있다. 게다가, 합성파 파형은, 구형파와 삼각파 등과의 합성에 의해 형성한 파형에 고주파 신호를 중첩하고 있지 않으며, 그 합성파 파형이 서서히 증가 또는 감소하는 파형을 출력 트랜스의 출력측 임피던스에 의해 설정하는 것으로 형성하고 있기 때문에, 간소한 회로로 오버슈트 및 다운슈트를 수반하지 않도록 구성할 수 있고, 소프트한 감각으로 위화감이 없는 파형을 얻을 수 있어, 계속 사용할 만한 생체 자극 장치를 제공할 수 있다.

또한, 합성파 신호의 온 기간 및 오프 기간이 저주파 사이클로 변동하는 상태를 형성하고 있고, 변동 합성파 자체를 저주파 사이클로 변동시킴으로써, 고주파 신호파에 의한 이너 머슬로의 자극 뿐만 아니라, 저주파 사이클에 의한 변동을 줌으로써, 보다 아우터 머슬로의 자극이 증강된다.

청구항 2에 기재된 발명에 따르면, 생체 자극용 파형은, 변동 합성파에 의한 이너 머슬과 아우터 머슬로의 동시 자극과, 고정 합성파에 의한 이너 머슬 중심의 자극을 반복함으로써, 이너 머슬을 중심으로 아우터 머슬도 긴축 효과를 얻는 근육 운동 효과를 얻을 수 있어, 복근 운동에 상당하는 근력의 종합적 강화를 얻을 수 있다.

청구항 3에 기재된 발명에 따르면, 변동 합성파의 레벨이 저주파 사이클로 변동하는 상태를 형성하기 때문에, 이너 머슬로의 자극 효과와 함께 아우터 머슬에 대한 긴축 효과가 보다 자극적 효과를 얻을 수 있다.

청구항 4에 기재된 발명에 따르면, 고정 합성파군의 기간을 변동 합성파군의 기간의 40%에서 100%의 사이로 설정하기 때문에, 이너 머슬을 중심으로 아우터 머슬도 긴축 효과를 얻는 근육 운동 효과를 얻을 수 있다.

청구항 5에 기재된 발명에 따르면, 변동 합성파의 인가 기간과 고정 합성파의 인가 기간을 소정의 시간으로 설정함으로써 최적의 근육 긴축 효과를 얻을 수 있다.

청구항 6에 기재된 발명에 따르면, 변동 합성파군의 기간과 고정 합성파군의 기간과의 사이에 휴지 기간을 마련함으로써, 최적의 근육 긴축 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 장치를 인후(咽喉) 근육에 적용함으로써, 삼킴 방지ㆍ삼킴 재활에 대한 적용 효과가 기대되고, 방광 배뇨근 및 골반저근(Pelvic Floor Muscle)에 적용함으로써, 요실금 재활에 대한 효과가 기대되고, 장요근(Iliopsoas) 및 대퇴근(Femoral muscle)에 적용함으로써, 기관차 증후군(locomotive syndrome)에 대한 밸런스 기능의 개선을 도모하는 것이 가능해진다. 넓게 이너 머슬의 근력 저하에 기인하는 제증상의 개선 및 재활 효과를 기대할 수 있다. 게다가, 이러한 기능을 이용하여 이너 머슬 및 아우터 머슬의 효과적 긴축에 의해 쉐이프업(Shape-up)이나 예방 의료 등에 응용함으로써, 체형 유지, 미용ㆍ성형, 노화 방지 등 다양한 효과를 기대할 수 있다.

게다가, 본 발명에 따르면, 합성파 파형이 생체에 첨부되고, 생체 자극으로서는 점차 자극이 고양(高揚)하거나 서서히 자극이 약해지는 오버슈트나 다운슈트가 없는 구성이기 때문에, 종래의 펄스에 의한 자극감(쿡쿡 감이나 찌르르 감)에 비해, 베리에이션(variation)이 상이한 자극 효과가 쿡쿡 감이 적은 소프트한 자극을 얻는 것이 가능해진다. 이 때문에, 사용해도 위화감이 적어, 근육 트레이닝 장치로서 장시간의 사용이나 계속적 사용이 가능해지는 등의 효과를 가진다.

덧붙여, 이상의 구성요소의 임의의 조합에 의해, 본 발명에 근거한 생체 자극 장치를 다른 재활, 마사지, 미용에 응용함으로써, 발명의 취지의 범위 내에서 다른 양태로 해도 유효하다.

(도 1) 도 1은 본 발명의 실시예 1의 생체 자극 장치의 회로 구성도이다.
(도 2a) 도 2a는 실시예 1의 생체 자극 장치의 저주파 펄스 신호파의 파형도이다.
(도 2b) 도 2b는 실시예 1의 생체 자극 장치의 저주파 펄스 신호파에 고주파 신호를 합성한 합성파의 파형도이다.
(도 2c) 도 2c는 온 기간 중 저주파 펄스 신호파에 중첩된 고주파 신호의 레벨이 서서히 상승 또는 하강하는 합성파를 도시한 도면이다.
(도 3) 도 3은 합성파의 오버슈트와 언더슈트를 도시한 도면이다.
(도 4) 도 4는 본 발명의 실시예 1의 구체적인 생체 자극 장치의 회로 구성도이다.
(도 5a) 도 5a는 생체 자극 장치의 고주파 신호 발생 회로의 출력 신호의 일례를 도시한 도면이다.
(도 5b) 도 5b는, 패드를 실제로 생체에 적용했을 때의 출력 트랜스의 출력측의 합성 파형을 도시한 도면이다.
(도 6) 도 6은 실시예 1의 생체 자극 장치에 의한 변동 합성파를 도시한 설명도이다.
(도 7) 도 7은, 고주파 신호파와 저주파 펄스 신호파를 합성한 합성파에 시간적(주기적) 또는 레벨적으로 저주파 사이클로 변동을 준 변동 합성파의 파형 설명도이다.
(도 8a) 도 8a는 변동 합성파군의 변동 기간(Ta)과 고정 합성파군의 고정 기간(Tb)과의 조합시킨 생체 자극용 파형을 도시한 도면이다.
(도 8b) 도 8b는 변동 합성파군의 변동 기간(Ta)과 고정 합성파군의 고정 기간(Tb)과의 사이에 약간의 휴지 기간(R)을 마련한 생체 자극용 파형을 도시한 도면이다.
(도 8c) 도 8c는 도 8b에서의 고정 합성파군을 연속하는 고주파 신호 성분 만으로 형성한 생체 자극용 파형을 도시한 도면이다.
(도 9) 도 9는 실시예 1의 생체 자극 장치에 의한 근육 트레이닝의 효과의 일례를 나타낸 데이터이다.

각종 스포츠 및 재활에서의 근기능의 트레이닝, 근육 강화에 대해서는, 근육에 부하를 줌으로써 근섬유가 두꺼워지고, 근섬유가 두꺼워지면 근육의 조성인 근단백 및 글리코겐 등 근수축의 에너지원이 되는 물질이 증가한다. 최대 근력은 근섬유의 굵기에 비례하고, 근섬유가 두꺼울수록 큰 힘을 낼 수 있다. 또, 근력은, 근섬유의 수에 따라 조절된다고 여겨지고, 최대 근력은, 모든 근섬유가 활동하고 있는 경우이다. 절반의 근력을 내고 있을 때는 절반의 근섬유가 참가하고, 다른 절반은 활동을 휴지하고 있는 상태라고 한다. 이러한 근섬유는, 신경과 연동하고 있어, 신경의 작용에 따라 근섬유를 활동 또는 휴지시킨다.

따라서, 근육 강화, 근육 긴축, 근육 재활에서는, 근육에 물리적 부하를 걸어 근섬유를 두껍게 하지만, 트레이닝이나 재활에 견딜 체력이 없는 환자, 고령자의 경우, 또는 트레이닝이나 재활의 시간을 낼 수 없는 경우나, 보다 효과적으로 단시간에 성과를 얻고 싶은 경우 등, 생체 자극 장치에 의해 전기적 자극을 가하여 근육의 수축, 이완을 반복함으로써 물리적 부하와 유사한 효과를 일으키는 것이 알려져 있다.

일반적으로, 근육 강화, 근육 긴축에서는, (1)운동 강도, (2)지속 시간, (3)반복 활동의 3조건이 필요하다고 한다. 운동 강도는, 근육에 어느 정도의 운동 부하를 걸 것인가로서, 최대 근력을 기준으로 설정된다. 지속 시간은, 트레이닝 강도에 대해 몇 초간 계속할 것인가이다. 또한, 반복 운동은, 근육 트레이닝을 어느 정도의 시간(일수(days)) 간격으로 반복할 것인가이다. 본 발명은, 이러한 트레이닝 조건을 생체 자극 장치에 의해 실현하고, 그 실증 결과에 근거한 것이다.

운동 강도의 조건에 관해서는, 근육 트레이닝에서의 운동 부하의 거는 방법으로서, 최대 근력(RM=Repetition Maximum)을 산정하고, 그 최대 근력을 기준으로 어느 정도의 운동 부하를 트레이닝으로 부여할지를 프로그램 한다. 최대 근력은, 1회에 발휘할 수 있는 근력의 한계치이며, 어느 무게의 웨이트(벤치프레스 등)를 몇 회까지 계속해서 들어 올릴 수 있는지를 계측한다. 예를 들면, 1회에 최대 100Kg를 들어 올렸다고 하면 그 사람의 최대 근력(1RM 또는 100%RM)은 100Kg이며, 이를 기준으로서 몇%의 운동 강도를 이용하여 트레이닝할지를 설정한다. 트레이닝 프로그램은 개인의 근력이나 목적에 따라 각기 다르지만, 많이 사용되고 있는 프로그램은, 근육 업(up)에서는 1에서 4RM(100%RM에서 90%RM), 근비대(muscular hypertrophy) 목적으로는 5RM에서 14RM(90%RM에서 70%RM), 지구력 업(up) 목적으로는 15RM에서 25RM(70%RM에서 60%RM)이 이용되고 있다. 즉, 근육 트레이닝을 목적으로는 최대 근력의 90% 이상으로 4회 이내의 연속 반복, 근비대 목적으로는 최대 강도의 90에서 70%로 5회에서 14회의 연속 반복, 지구력 업(up) 목적으로는 최대 근력의 70%에서 60%로 15회에서 25회의 연속 반복 운동을 실시하는 것이 효과적인 것을 나타내고 있다.

또한, 지속 시간의 조건에 관해서는, 많은 연구가 있지만 근육 트레이닝에서는 「헤팅거(Hettinger) 이론」이 많이 이용되고 있다. 이 이론은, 최대 근력에 대해 어느 정도 근수축 지속 시간을 들이면 효율적인지를 나타내는 것으로, 최대 근력(100%RM)에서는, 2에서 4초 정도로 무방하지만 2초 이하에서는 효과가 약하다고 여겨지고 있다. 또한, 최대 근력의 90%에서 80%에서는 4에서 6초, 최대 근력의 70%에서 60%에서는 6에서 10초, 최대 근력의 50%에서 40%에서는 15초에서 20초를 필요로 하고 있다.

또한, 반복 활동의 조건에 관해서는, 트레이닝 간격을 어느 정도의 시간(일수)으로 할 것인가이며, 전(前)의 트레이닝 효과가 지속되고 있는 동안 다음의 트레이닝을 실시함으로써 효과가 적첩(積疊)된다고 여겨지고 있다. 일반적으로는, 근육 트레이닝을 1일 간격을 둔 경우는 약간의 효과가 감소하지만, 1주간 간격을 두면 효과는 반감(半減)하고, 2주간 간격을 두면 거의 원래로 되돌아간다고 여겨지고 있다.

생체 자극 장치에 있어서는, 전기적 자극을 근육에 가해 간헐적으로 온ㆍ오프 함으로써 근육의 수축이나 이완을 실시하는 것으로, 근육의 경우의 신경 충격에 의해 근육의 수축이나 이완을 작용시키는데 상당한다. 다만, 실제의 근육이 근섬유로 신경 충격을 주는 수(운동량)를 조정할 수 있는데 비해, 전기적 자극에서는 근섬유 1개 마다 자극하지 못하고, 전기적 자극이 미치는 근육의 어느 하나에 대해서도 신경 충격을 준 것과 유사한 작용을 일으킨다.

따라서, 상기 운동 강도의 조건을 전기적 자극 장치에 적용하려면, 인가하는 신호 레벨을 조정함으로써 어느 정도는 조정할 수 있다. 그 범위는 한정되어 있고, 전기적 자극의 신호가 미치는 범위에서 인체에 느껴지는 레벨 이상의 신호 레벨에서는, 기본적으로 모든 근섬유에 신경 충격에 상당하는 신호가 부여되고, 적어도, 최대 근력(100%RM)에 가까운 것이 된다. 적어도, 최대 근력의 80%RM 이상의 운동 강도가 되는 것이 상정되고 있다.

또한, 상기 지속 시간의 조건을 전기적 자극 장치에서의 근육 트레이닝이나 재활에 적용하려면, 「헤팅거 이론」에 근거하여 전기적 자극의 인가 시간을 결정한다. 즉, 인체에 느껴지는 레벨 이상의 펄스 신호를 주었을 경우, 그 신호가 미치는 근육은 거의 최대 근력에 상당하거나 그에 가까운 수축 작용을 가지고 있다. 이 때문에, 상술한 대로, 운동 강도는, 체감적으로 인체에 느껴지는 신호 강도가 주어지고 있는 경우, 적어도 최대 근력의 80%RM 이상을 홀딩(holding, 保持)하고 있다고 생각할 수 있고, 그 지속 시간인 합성파의 연속 인가 시간이 2초 이상 10초 이하 정도로 설정되는 것으로 효과가 있지만, 2초 이하에서는 효과가 보이지 않게 된다.

또한, 반복 활동의 조건에 대해서는, 전기적 자극 장치를 어느 정도의 간격(일수나 시간)으로 이용할 것인가이며, 트레이닝의 효과가 계속되는 것은, 전기적 자극에 의한 트레이닝에 있어서도 거의 같고, 트레이닝을 계속적으로 전의 효과가 없어지기 전에 실시함으로써 효과가 적첩된다.

(실시예 1)

상술의 조건 및 가정을 근거로 해서, 전기적으로 생체에 자극을 가하는 본 발명의 생체 자극 장치를 구체화한 실시 형태를 도면에 근거하여 설명한다. 도면은 설명의 형편상 모식적으로 그리고 있다. 도 1은 본 발명의 실시예 1의 생체 자극 장치의 회로 구성도이다. 본 발명에서는, 주로 근육 트레이닝을 이용 목적으로 하여 실시예를 설명한다.

도 1에서, 생체 자극 장치(1)는, 조작 패널(2), 마이크로 컴퓨터(CPU 또는 MPU)(3), 저주파 펄스 발생 회로(4), 고주파 신호 발생 회로(5), 파형 제어 신호 회로(6), 합성부(7), 출력 트랜스(TR)(8)를 갖추고 있다. 조작 패널(2)은, 이용 목적에 맞춰 근육 트레이닝, 쉐이프업(Shape-up), 휴식 등의 각종 모드의 선택ㆍ입력을 실시한다. 게다가, 조작 패널(2)은, 조작 시간(타이머 설정), 강도 선택 등을 입력한다. 마이크로 컴퓨터(CPU 또는 MPU)(3)는, 조작 패널(2)에서 입력된 지시 신호에 의해 각각의 이용 목적에 적합한 생체 자극용 파형을 형성하도록 저주파 펄스 발생 회로(4), 고주파 신호 발생 회로(5), 및 파형 제어 신호 회로(6)를 제어한다.

마이크로 컴퓨터(3)에서는, 각종 이용 목적의 모드에 적절한 생체 자극용 파형을 형성하도록 프로그램 되어 있다. 각 모드의 결정은, 합성하는 고주파 성분, 저주파 펄스 성분, 고주파 성분과 저주파 성분을 합성해 출력하는 온 기간 및 합성파의 출력을 정지하는 오프 기간, 신호 강도, 반복 횟수, 및 고주파 신호와 저주파 펄스가 합성된 합성파를 저주파로 변화시키는 제어 조건 등의 파라미터 변화의 조합에 의해 형성되고 있다.

조작 패널(2)에 있어서 소망하는 모드, 조작 시간, 강도 등이 선정되면, 마이크로 컴퓨터(3)는, 합성 파형을 형성하는 저주파 펄스 발생 회로(4), 고주파 신호 발생 회로(5), 및 파형 제어 신호 회로(6)에 각각 지시를 주어, 고주파 성분, 저주파 펄스 성분, 온ㆍ오프 기간 등을 선택된 모드에 따라서 제어한다.

저주파 펄스 발생 회로(4)는, 예시로서, 수 Hz에서 수십 Hz의 구형파 펄스 신호(저주파 펄스 신호파)를 발생한다. 이 저주파 펄스의 주파수는 수 Hz에서 수백 Hz 정도이면 무방하고, 목적에 따라 전환하거나, 변동시켜도 무방하다. 고주파 신호 발생 회로(5)는, 10KHz 이상의 신호(고주파 신호파)를 발생한다. 실시예에서는 예시적으로 500KHz의 정현파의 발진기에 의한 출력 신호를 이용하고 있다. 합성부(7)는, 고주파 신호 발생 회로(5)에서 생성한 고주파 신호파를 저주파 펄스 발생 회로(4)에서 생성한 저주파 펄스 신호파에 중첩시켜 합성파를 형성한다. 파형 제어 신호 회로(6)는, 본 발명의 제어 회로에 대응하고, 마이크로 컴퓨터(3)로부터의 지시에 근거하여, 합성파를, 저주파 펄스 신호파에 고주파 신호파가 중첩되는 온 기간과, 저주파 펄스 신호파에 고주파 신호파가 중첩되지 않는 오프 기간으로 1사이클을 구성하고, 적어도 합성파의 일부를, 온 기간과 오프 기간과의 적어도 일방의 기간을 저주파 사이클로 변동을 준 변동 합성파군에 의해 구성하도록 합성부(7)를 제어한다. 구체적으로는, 파형 제어 신호 회로(6)는, 고주파 신호파를 저주파 펄스 신호파의 온 기간에 중첩시키고, 또한, 저주파 펄스파 신호의 오프 기간에 저주파 펄스 신호파로의 고주파 신호파의 중첩을 정지하도록 제어함과 동시에, 변동 합성파군을 형성하기 위해서 합성파를 시간적으로 변동 또는 레벨적으로 변동 또는 시간적 및 레벨적으로 변동시키기 위한 파형 제어 신호를 생성해 파형 제어 신호에 의해 합성부(7)를 제어한다.

마이크로 컴퓨터(3)는, 조작 패널(2)에 있어서 지시받은 근육 트레이닝, 쉐이프업(Shape-up), 휴식 등의 이용 모드, 강도, 타이머 등의 기본 설정에 근거하여, 도 2a에 도시한 저주파 펄스 신호파의 온 기간(t1), 오프 기간(t2), 레벨(V0) 등을 설정한다. 마이크로 컴퓨터(3)는, 수정 발진기, 타이머, 기억 수단, 연산 처리 수단 등의 주지의 기능을 가지고, 기억 수단에 프로그램된 각종 모드의 소정 패턴을 제어 순서에 따라 달성한다. 각 모드는, 저주파 펄스 신호파의 온 기간(합성파 중첩 기간)(t1), 오프 기간(합성파 휴지 기간)(t2), 출력 레벨(V0), 및 이들 주기의 반복 시간을 변화시킴으로써 생체에게 주는 체감(體感)을 변화시키고 있다. 여기서, 저주파 펄스 신호파의 주기는, 온 기간(t1)과 오프 기간(t2)을 합친 S 기간(1사이클)을 나타내고 있다.

도 2a에서의 저주파 펄스 신호파(101, 102, 103…)는, 그 주기(S) 마다 S1, S2, S3,…으로 온 기간과 오프 기간을 반복하고 있지만, 온 상태에서의 펄스 극성은, 상측(플러스 방향)과 하측(마이너스 방향)을 교대로 변화하고 있다. 도시한 것처럼 각 주기 마다 펄스 극성을 플러스 방향과 마이너스 방향으로 교대로 변화시키는 경우, 모두 동일 방향의 펄스 극성으로 하는 경우, 혹은, 펄스 극성을 일정 기간 플러스 방향으로, 일정 기간 마이너스 방향이 되도록 하는 경우 등 몇개의 변화 패턴으로 구성할 수도 있다. 이러한 저주파 펄스의 극성을 랜덤으로 조합하거나 함으로써 온 기간에 고주파를 중첩시킨 합성파의 방향이 변화하게 되어, 체감을 변화시키고 있다.

고주파 신호 발생 회로(5)의 출력 신호는 500KHz의 정현파 신호를 이용하고 있지만, 그 파형은 고주파 펄스 신호, 고주파 구형파 신호여도 무방하다. 또한, 이 고주파 신호의 주파수가 높아질수록 보다 생체의 심부(深部)에 도달하기 때문에, 주파수를 변동으로 해서 이너 머슬로의 효과를 조정할 수도 있다.

파형 제어 신호 회로(6)의 파형 제어 신호는, 저주파 펄스 신호파의 온 기간에 합성파 신호를 구성하도록 고주파 신호를 저주파 펄스에 중첩하고, 오프 기간에 합성파 신호를 휴지시키도록 제어하는 동시에, 합성파를 상측(플러스 방향) 또는 하측(마이너스 방향)으로 제어한다. 이 파형 제어 신호에 의해 고주파 신호는 저주파 펄스 신호파와 합성부(7)에서 합성되어, 도 2b에 도시한 합성파를 출력한다. 도 2b에 도시한 합성파는, 저주파 펄스 신호파(101, 102, 103…)에 고주파 신호파(111, 112, 113…)가 중첩되는 온 기간(t1)과, 고주파 신호파(111, 112, 113…)가 저주파 펄스 신호파(101, 102, 103…)에 중첩되지 않는 오프 기간(t2)으로 1사이클(S1, S2…)을 구성하고 있다.

합성부(7)는, 합성파를 출력 트랜스(8)의 1차측 코일(Li)에 공급한다. 출력 트랜스(8)는, 2차측 코일(Lo)와 절연(絶緣)되어 있고, 1차측에서 생기는 노이즈 펄스나 충격파 등을 완화시키고 있다. 또한, 도 4에 도시한 것처럼, 1차측 코일(Li)에 중간 탭(TP)을 설치해, 스위치(SW1)와 스위치(SW2)를 교대로 전환함으로써 합성파 신호의 상측(플러스 방향)과 하측(마이너스 방향)을 전환하도록 해도 무방하다.

출력 트랜스(8)의 2차측 코일(Lo)의 출력은, 직류 차단 콘덴서(C) 및 라인 저항(R)을 통해 한 쌍의 패드(또는 도자)(9)에 접속되어 있다. 이러한 한 쌍의 패드(9)는, 강화하려는 근육 등 대상이 되는 근육의 피부 표면에 접촉시켜 사용된다. 패드(9)는, 도전성 재료를 사용해서 피부 표면에 흡착되도록 이용하지만, 도전성을 확실히 하도록 젤 등을 사용해도 무방하다. 또한, 패드(9)는, 한 쌍(2개)이어도 무방하지만, 한 쌍 이상으로 복수의 패드를 설치해 복수 개소를 자극하거나, 자극 개소를 특정하도록 구성해도 무방하다.

생체(10)는, 용량성 리액턴스(Reactance)를 가지고, 등가 회로는 생체(10)에 나타낸 것처럼, 커패시턴스(Co)와 그에 병렬의 약간 또는 무시할 수 있는 정도의 저항성분(ro) 및 생체의 저항성분(r)으로 이루어진다. 패드(9)가 생체(10)의 피부 표면에 첨부된 경우, 한 쌍의 패드 간 용량성 리액턴스는, 패드 간의 거리, 생체(10)의 유전율 등에서 변화한다. 또한, 패드(9)와 생체 간의 접촉 상태에 따라서도 크게 변화한다. 이 때문에 정확하게 파악하는 것은 어렵지만, ESD(Electro Static Discharge) 정전기 방전 규격에서의 인체 모델에서는 670 pF를 규격 기준으로 하고 있다.

도 5a는, 고주파 신호 발생 회로(5)의 출력 신호의 일례이며, 2μsec, 500KHz의 고주파 신호를 나타내고 있다. 도 5b는, 패드(9)를 실제로 생체(10)에 적용했을 때의 출력 트랜스(8)의 출력측의 합성 파형을 나타내고 있다. 출력 트랜스(8)의 출력측은, 1차측(입력측)의 합성부(7)와는 차단되어 있고, 출력 트랜스(8)의 리액턴스 특성, 생체(10)의 커패시턴스 특성의 변화 등에 따라, 인가 전압의 충방전 특성이 변화한다. 따라서, 실제의 파형 특성은 도 2b에 도시한 이론적 합성 파형도와 달리, 오히려 도 6에 도시한 파형에 가까운 형상을 구성한다.

이러한 출력 트랜스(8)의 2차측 코일(Lo)에 접속된 패드(9)를 생체에 장착한 경우, 합성파 온 기간 중의 출력측의 신호 파형은, 생체가 가지는 용량성 리액턴스(콘덴서) 성분(Co, C)(패드(9)와 생체간의 리액턴스를 포함한다), 및 저항성분(ro, r, R)에 의한 시정수(時定數)에 따라서 충방전 한다. 여기서, 500KHz 고주파 신호에 대해 출력 트랜스(8)의 출력측의 시정수를 용량성 리액턴스 성분에 의해 즉시 방전할 수 없게 설정하면, 합성파 신호는 온 기간 중 계속해서 상승한다. 이 때문에, 출력 트랜스(8)의 출력측의 합성 파형은, 도 2c의 합성파 파형(2차측)에 도시한 것처럼, 최초의 사이클(S1) 온 기간 중에 중첩된 고주파의 전압 레벨은 서서히 상승하고, t1 기간에 도시한 것처럼, 입상(立上)의 V1 레벨로부터 상승해 V2 레벨에 도달한 결과, 휴지(休止) 상태가 되어 고주파의 중첩분은 없어진다. 즉, 합성파의 파형은, 구형파가 아니라 서서히 증가하는 도형(刀形)의 형상을 형성한다. 다음의 사이클(S2)에서는, 상하 방향이 역전하고 있기 때문에, S1을 상하 역전시킨 형상이 되고 있다.

또한, 이 출력 트랜스 2차측의 시정수 설정에 있어서 라인 저항(R)은, 온 기간에서의 입상(立上) 또는 입하(立下)에 생길 가능성이 있는 오버슈트 또는 언더슈트가 생기지 않도록 조정한다. 즉, 출력 트랜스(8)의 출력측은, 생체에 패드(9)를 첨부한 상태로, 합성파 파형에 대해 미분 회로가 아니라 적분 회로를 형성하도록 설정된다. 즉, 출력 트랜스(8)의 출력측에 접속된 한 쌍 이상의 패드(9)가 생체(10)에 장착되었을 때, 출력 트랜스(8)의 출력측에서의 합성파의 온 기간에 합성파의 전압이 서서히 증가 및 감소하도록 출력 트랜스(8)의 출력측의 임피던스를 설정한다. 이러한 설정을 용이하게 실시하기 위해서 라인 저항(R)을 반고정 또는 가변 저항으로 해도 무방하다. 이에 따라, 오버슈트 또는 언더슈트가 생기지 않도록 할 수 있기 때문에, 노이즈에 의한 통증이나 위화감이 생기는 것이 없어진다. 또, 특허문헌 5와 같이 복잡한 회로를 설치할 필요가 없어진다.

이와 같이 구성함으로써, 출력 트랜스(8)의 1차측에서 저주파 펄스에 구형파와 삼각파를 합성한 합성 파형을 만들지 않고, 출력 트랜스(8)의 2차측의 생체를 포함한 리액턴스 성분 및 저항성분에 의한 시정수를 조정한다. 이에 따라, 구형파 형상이 아니라, 레벨이 서서히 증가 또는 감소하는 파형을 형성해, 생체(10)에 인가할 수 있다. 이 때문에, 출력 트랜스(8)의 1차측에서의 합성파를 변형하지 않기 때문에, 선행기술(특허문헌 5)에 나타낸 저주파 구형파 펄스에 중첩하는 삼각파의 발생 회로 등이 필요하지 않고, 간단하고 쉬운 회로로 구성할 수 있다. 또, 도 3에 도시한 구형파 펄스와 삼각파를 합성할 때에 생기는 노이즈나 오버슈트(OS)나 언더슈트(US)가 감소하고, 소프트한 감촉을 주는 파형을 형성할 수 있다.

도 6에 도시한 합성파는, 실제로 생체에 인가되는 파형이며, 최초의 사이클(S1)의 온 기간(t1) 중에 중첩된 고주파 신호파(211)의 레벨은 서서히 상승하고, t1 기간에 도시한 것처럼, 입상(立上)의 V1 레벨로부터 상승해 V2 레벨에 도달한 결과, 휴지(休止) 상태가 되어 고주파 신호파(211)의 중첩분은 없어진다. 즉, 합성파의 파형은, 구형파가 아니라, 서서히 증가하는 형상을 형성한다. 온 기간(t1)이 종료되면 고주파 신호파(211)의 중첩은 없어지고, 오프 기간(t2)의 휴지 기간으로 이행한다. 다음의 사이클(S2)에서는, 상하 방향이 역전하고 있기 때문에, 사이클(S1)을 상하 역전시킨 형상이 되고 있다.

이처럼 구성한 도 6에 도시한 고주파 신호파(211, 212, 213…)와 저주파 펄스 신호파(201, 202, 203…)와의 합성파를 기본 파형으로서 사용한다. 형성된 기본 파형은, 상술한 대로, 합성파 신호의 상측(플러스 방향) 또는 하측(마이너스 방향) 만의 연속파로서 사용하거나, 합성파 신호의 상측(플러스 방향)과 하측(마이너스 방향)을 1사이클 마다 또는 수 사이클 마다 전환하거나, 도중에 휴지 기간을 삽입하거나 해서, 이용 목적에 따라 각종 모드의 파형을 형성한다. 도 6의 합성파 기본 파형을 연속적으로 소정 기간(T 기간)만 생체에 인가하고, 그 후, 휴지 기간을 사이에 두고 재차 인가하는 것을 반복함으로써, 고주파 성분에 의한 이너 머슬(심층근)로의 자극 효과 및 저주파 성분에 의한 아우터 머슬(표층근)로의 자극 효과를 기대할 수 있다.

그러나, 이 합성 파형에서는 이너 머슬로의 생체 자극을 주로 실시하려면 효과적이지만, 아우터 머슬로의 자극에 대해서는 그 효과를 별로 기대할 수 없다. 체간 강화나 근육 긴축 효과를 목적으로 하는 경우에는, 이너 머슬 뿐만 아니라, 아우터 머슬도 동시에 보다 강하게 자극할 필요가 있다. 이 때문에, 본 발명에서는 상기 합성파 기본 파형에 대해 저주파 사이클에 의한 주기적 변화를 실시하고 있다.

도 7은, 고주파 신호파와 저주파 펄스 신호파를 합성한 합성파에 시간적(주기적) 또는 레벨적으로 저주파 사이클로 변동을 준 변동 합성파의 파형 설명도이다. 도 7에서, 시간적으로 변동을 주는 경우, 파형 제어 신호 회로(6)는, 합성파 파형의 온 기간(고주파 신호와 저주파 펄스 신호가 합성된 기간)에 t1Δ 기간 만큼 시간적으로 저주파 사이클에 의한 변동을 준다. 파형 제어 신호 회로(6)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 온 기간(tP1, tP2, tP3, tP4, tP5, tP6, tP7)을 1주기로 하고, 온 기간을 시간적으로 저주파 사이클로 변동시켜 변동 합성파를 형성한다. 또, 파형 제어 신호 회로(6)는, 오프 기간(저주파 펄스 신호파에 고주파 신호파가 합성되지 않는 기간도 t2Δ 기간 만큼 시간적으로 저주파 사이클에 의한 변동을 주어 변동 합성파를 형성한다. 저주파 사이클에 의한 시간적 변동은, 온 기간(t1)을 t1Δ 만큼, 오프 기간(t2)을 t2Δ 만큼 랜덤하게 변동시켜도 무방하고, 합성파의 연속하는 소정 기간(T 기간) 전체를 저주파 사이클에 의해 변동을 줌으로써 각각의 합성파 사이클 기간(S1, S2, S3,……)을 같은 주기에 동시에 변동시켜도 무방하다.

여기서, 시간적 변동의 사이클은 저주파 사이클로 아우터 머슬에 자극 효과를 발생시키는 범위이면 문제없고, 특별히 저주파 사이클을 특정하는 것이 아니다. 실시예에서는, 온 기간의 출력 시간을 100~500μ초로 랜덤으로 변화시키고, 또한, 반복하는 폭(S 기간)을 100~500μ초로 랜덤으로 변화시키고 있다. 즉, 변동하는 합성파의 연속하는 소정 기간(T 기간) 전체를 랜덤으로 저주파 사이클로 변동시키고 있다. 합성파가 저주파에 의해 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation)를 준 상태에 유사한 파형을 형성하므로, 저주파 사이클의 변동(또는, 물결)을 합성 파형이 생기게 한다. 이 저주파 사이클의 변동에 의해 보다 아우터 머슬로의 자극 효과를 얻고 있다.

이와 같이 해서, 온 기간(t1), 오프 기간(t2), 또는 그 반복 주기(S)가 저주파 사이클로 변동하는 상태를 형성하고, 합성파가 연속하는 소정 기간(T)이 가변 상태가 되는 변동 합성파군을 구성한다. 이 경우, 파형 제어 신호 회로(6)는, 적어도 합성파의 일부가, 온 기간과 오프 기간과의 적어도 일방의 기간을 저주파 사이클로 변동하는 상태를 형성하는 변동 합성파군에 의해 구성되도록 제어한다. 이에 따라, 저주파 사이클 변동에 의한 아우터 머슬과 고주파 신호파에 의한 이너 머슬과의 양방을 자극하는 효과를 계속해서 얻을 수 있다.

이러한 시간적 변동을 저주파 사이클로 실시하지 않고, 반복 주기(S) 및 합성파의 소정 기간(T)을 고정시킨 고정 합성파군의 경우, 이너 머슬로의 생체 자극은 강화되지만, 아우터 머슬로의 자극 효과는 미미한 것이 된다. 근육 트레이닝, 근육 긴축 효과를 얻기 위해서는, 이들 변동 합성파군과 고정 합성파군을 조합해 이용함으로써 복근 운동이나 웨이트 부하 운동 등의 체간 트레이닝이나 근육 긴축 운동에 상당하는 이너 머슬 및 아우터 머슬로의 효과적 생체 자극을 줄 수 있다.

또한, 레벨적(진폭) 변동을 주는 경우, 파형 제어 신호 회로(6)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 합성파 파형의 온 기간(고주파 신호와 저주파 펄스 신호가 합성된 기간)의 출력 레벨을 V1Δ 만큼 저주파 사이클로 증감시켜 변동을 준 변동 합성파군에 의해 구성하도록 합성부(7)를 제어한다. 이 레벨적 변동은, 합성파를 형성하는 개개의 온 기간 마다 랜덤하게 증감시켜도 무방하고, 합성파의 연속하는 주기(S) 및 소정 기간(T) 전체의 온 기간을 저주파 사이클로 레벨 변동을 동시에 변동시켜도 무방하다. 변동시키는 레벨은 합성 신호의 인가 레벨 강도에 따르지만, 전체의 5%~40% 정도로 효과를 얻고 있다. 랜덤하게 변화량을 변화시키거나, 고정시키거나, 메뉴얼로 변화량을 조정해 이용 목적이나 체감으로 이용자가 쾌적하다고 느끼는 변화량으로 함으로써, 상술과 같은 시간적 변동과 유사한 효과를 얻을 수 있다.

실시예에서는, 온 기간의 출력 레벨을 1초 동안에 5회, 전체 진폭의 20% 정도 업다운(updown)시켜, 1초 동안에 5회의 근수축을 촉진하고 있다. 이에 따라, 합성파가 저주파에 의해 진폭 변조를 받고 있는 것에 상당하는 파형을 일으켜, 아우터 머슬에 대한 자극 효과를 업(up) 시킬 수 있다. 여기서, 레벨적 변동과 상술한 시간적 변동은 양쪽 모두를 변동시켜도 무방하고, 어느 일방이어도 상관없다.

이와 같이 해서 합성파가 연속하는 소정의 기간(T 기간) 중, 상기 온 기간과 상기 오프 기간과의 적어도 일방의 기간이, 저주파 사이클로 변동 상태를 형성하는 변동 합성파군을 구성함으로써, 저주파 사이클 변동에 의한 아우터 머슬과 고주파 신호파에 의한 이너 머슬과의 양방을 자극하는 효과를 얻을 수 있다. 또, 이러한 시간적 및 레벨적 변동을 저주파 사이클로 실시하지 않고 고정시킨 고정 합성파군의 경우, 이너 머슬로의 생체 자극은 강화되지만, 아우터 머슬로의 자극 효과는 미미한 것이 된다. 근육 트레이닝, 근육 긴축 효과를 얻기 위해서는, 이들 변동 합성파군과 고정 합성파군을 조합해 이용함으로써 복근 운동이나 웨이트 부하 운동 등의 체간 트레이닝이나 근육 긴축 운동에 상당하는 이너 머슬 및 아우터 머슬로의 효과적 생체 자극을 가할 수 있다.

도 8은, 도 6에 도시한 고정 합성파군의 파형과, 도 7에 도시한 변동 합성파와의 조합 예를 도시한 설명도이다. 도 8a에 도시한 생체 자극용 파형은, 변동 합성파군의 변동 기간(Ta)과, 고정 합성파군의 고정 기간(Tb)의 조합이며, 변동 기간(Ta)과 고정 기간(Tb)을 도중 휴지 기간을 마련하지 않고 수회 반복한다. 변동 기간(Ta)은, 상이한 주기(Sv1, Sv2, Sv3)를 가지는 복수의 변동 합성파로 이루어진다. 고정 기간(Tb)은, 일정 주기(Sf)를 가지는 복수의 변동 합성파로 이루어진다. 도 8b에 도시한 생체 자극용 파형은, 변동 합성파군의 변동 기간(Ta)과 고정 합성파군의 고정 기간(Tb)과의 사이에 약간의 휴지 기간(R)(수 초 간격)을 마련해 구성된다. 또, 다른 조합으로써, 도 8c에 도시한 생체 자극용 파형은, 도 8b에서의 고정 합성파군을 연속하는 고주파 신호 성분 만으로 형성할 수도 있다. 어느 경우도 변동 합성파군의 변동 기간, 고정 합성파군의 고정 기간, 휴지 기간, 저주파 변동 사이클을 이용 목적에 따라 가장 효과적이 되도록 조합해 이용한다.

이어서, 본 발명에 의한 실시예 1의 생체 자극 장치를 이용한 근육 트레이닝, 근육 긴축 모드에서의 설정 및 그 효과에 대해 설명한다. 도 5b는, 근육 트레이닝ㆍ근육 긴축 모드 예에서의 출력 트랜스(8)의 2차측 출력 파형이고, 고주파 신호 파형과 저주파 펄스 신호와의 합성 파형(기본 파형)이다. 측정에는 더미 저항 500 Ω(R1, R2)에 의한 출력 파형의 시뮬레이션이다. 이 기본 파형(고정 합성파)에 대한 변동 합성파로는 고주파 신호파로서 500KHz, 저주파 펄스 신호파로서의 구형파 펄스를 이용하고 있고, 온 기간(t1)은 수 초에서 10초로 랜덤으로 저주파 사이클에 의해 변화시키고, 오프 기간(t2)은 2초에서 5초로 가변으로 하고, 출력 레벨(V1)은 수 밀리볼트로 조정 가능하게 하고 있다.

상기의 설정을 기본으로 한 본 발명에 의한 생체 자극 장치를 이용하여 근육 강화 및 근육 긴축 효과를 측정한 결과를 도 9에 도시한다. 도 9는, 생체 자극 장치를 허리둘레의 장요근 자극에 적용하였다. 장요근은, 대요근, 장골근(Musculus ilicus)으로 이루어진 체간심부의 심부복근군이며, 이너 머슬로서 고관절의 움직임을 맡고 있다. 그 때문에, 보행, 각종 운동, 자세 유지에는 필요한 근육이며, 상처나 노화 등에 따라, 이들 장요근이 쇠약해지거나, 손상되거나 하면, 보행 장해, 운동 능력의 저하 등에 관련되게 된다. 도 9의 측정에서는, 저주파 사이클에 의한 변동을 주지 않은 종래의 합성파에 의한 파형과 저주파 사이클에 의한 변동을 준 도 8a에 도시한 변동 기간(Ta), 고정 기간(Tb)으로 이루어진 파형을 이용하고 있다. 변동 기간의 파형 파라미터는, 고주파 신호(fh)가 500KHz, 저주파 펄스의 온 기간(t1)은 150~400μ초의 랜덤 변화, 반복 사이클(S)은 160~550μ초로 시간적 변동을 주고 있다. 여기서, 온 기간에서의 레벨의 변동은 주고 있지 않다.

도 9는, 설정을 근육 트레이닝, 쉐이프업(Shape-up)(근육 긴축)으로 하여, 변동 합성파군 및 고정 합성파군의 조합 및 이들의 적용 시간을 변경한 3 모드를 설정하고, 각각의 파라미터 변화에 대한 복부둘레의 변화를 본 발명에 의한 생체 자극 장치의 적용 전 및 적용 후에 측정한 비교도이다. 복부둘레는 쉐이프업(Shape-up)에서의 효과가 가장 현저하게, 단기간에 생긴다. 이 때문에, 본 발명에 의한 생체 자극의 변화 경향을 간편하게 측정할 수 있다. 어느 것이나 적용하는 고주파 신호파는 500KHz이며, 저주파 펄스 신호파는 5~40 Hz이고, 20분간 연속해서 적용해, 적용 전후의 복부둘레 데이터를 취득하였다.

모드(A)는, 도 6에 도시한, 저주파 펄스에 고주파 신호를 중첩했을 뿐인 종래 사용되고 있었던 기본 합성파군으로, 저주파 사이클에 의한 변동을 주지 않은 고정 합성파군 만을 20분간 연속해서 2명의 피험자((1) 및 (2))에 적용하고, 그 적용 전 및 적용 후의 복부둘레 변화를 나타내고 있다. 이 측정에 의하면, 피험자((1) 및 (2))의 2명 모두 복부둘레가 단축되고 있고, 이 모드(A)에 의한 복부둘레는, 적용 전과 적용 후의 차(오른쪽 눈금)가 평균 2cm 단축되었다는 효과가 얻어진다.

모드(B)는, 도 8a에 도시한 파형 구성으로, 변동 합성파군을 적용 기간(Ta=4초), 고정 합성파군을 적용 기간(Tb=4초)으로 설정해, 20분간 연속해서 2명의 피험자((3) 및 (4))에 적용하고, 그 적용 전 및 적용 후의 복부둘레 변화를 나타내고 있다. 이 측정에 의하면, 피험자((3) 및 (4))의 2명 모두 복부둘레가 보다 단축되고 있고, 모드(B)에 의한 복부둘레는, 적용 전과 적용 후의 차(오른쪽 눈금)가, 평균 4cm 단축되었다는 효과가 얻어진다.

모드(C)는, 도 8b에 도시한 파형 구성으로, 변동 합성파군을 적용 기간(Ta=4초), 고정 합성파군을 적용 기간(Tb=2초)으로 설정해, 20분간 연속해서 2명의 피험자((5) 및 (6))에 적용하고, 그 적용 전 및 적용 후의 복부둘레 변화를 나타내고 있다. 이 측정에 의하면, 피험자((5) 및 (6))의 2명 모두 복부둘레가 큰 폭으로 단축되고 있고, 이 모드(C)에 의한 복부둘레는, 적용 전과 적용 후의 차(오른쪽 눈금)가 평균 8.3cm 단축되었다는 효과가 얻어진다.

이러한 3 모드의 비교에서는, 고정 합성파군 만의 적용(모드(A)) 보다, 변동 합성파군과 고정파 합성파와의 조합(모드(B) 및 모드(C))의 쪽이 보다 근력 업(up) 또는 쉐이프업(Shape-up)(근육 긴축)에 효과를 볼 수 있었다. 변동 합성파군과 고정 합성파군과의 조합에 있어서는, 변동 합성파군과 고정 합성파와의 적용 시간이 같은 4초의 모드(B) 보다, 변동 합성파군의 적용 기간을 4초, 고정 합성파군의 적용 기간을 2초로 설정한 모드(C)의 쪽이 보다 복부둘레 단축 효과를 볼 수 있었다.

복부둘레 단축은 근육 트레이닝에 있어서 비교적 단시간에 그 효과가 나타나기 때문에, 체간 강화 측정의 하나의 지표로서 이용되는 것으로, 이너ㆍ아우터 머슬의 강화를 나타내는 것으로 간주되고 있다. 고주파 신호파와 저주파 펄스를 중첩한 합성파군을 생체에 적용함으로써, 이너 머슬에 닿는 생체 자극이 얻어지고, 게다가, 합성파를 저주파 사이클에 의해 변동 합성파군을 구성해, 고정 합성파군과 조합함으로써, 보다 이너 머슬에 더하여, 보다 아우터 머슬에도 자극 효과를 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 즉, 근육 트레이닝 및 근육 긴축에는, 이너 머슬 뿐만 아니라, 아우터 머슬로의 자극도 실시함으로써, 체간 강화 및 쉐이프업(Shape-up) 등에 의해 효율적 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 변동 합성파군이 인가되고 있는 상태는, 아우터 머슬과 이너 머슬을 자극하기 때문에, 운동 부하는 거의 기본적으로 모든 근섬유에 신경 충격에 상당하는 신호가 주어지고, 적어도, 최대 근력의 50%RM 이상의 운동 강도가 되는 것이 상정된다. 또, 고정 합성파군이 인가되고 있는 상태는, 아우터 머슬로의 자극 효과는 적고, 이너 머슬로의 자극 효과 만이 현저한 상태를 계속하고 있다. 게다가, 고주파 신호 성분에 기인하는 이너 머슬로의 자극은, 저주파 신호 성분에 의한 아우터 머슬로의 자극 효과 보다 약해지기 때문에, 이너 머슬로의 자극을 가능한 계속시키는 편이 바람직하다.

따라서, 이러한 생체 자극 파형은 변동 합성파군과 고정 합성파군을 조합시킨 경우, 헤팅거 이론에 따른 가정 조건을 고려하면, 변동 합성파군과 고정 합성파군과의 적용 기간은 합계 2~15초 정도로 설정해, 적용을 반복하는 것이 효과적이며, 변동 합성파군의 적용 기간을 고정 합성파군의 적용 시간 보다 길게 설정함으로써 보다 효과적인 결과를 얻을 수 있는 것이 상정된다. 이러한 상정을 고려한 실증 실험의 효과로서, 특히, 변동 합성파군의 적용 시간을 2~10초, 고정 합성파군의 적용 기간을 1~4초로 설정한 경우, 최대의 효과를 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 이는, 생체 자극 장치에서의 합성파의 자극이 근육 수축하기 시작하는데 약간의 입상(立上)이 1~2초 정도 필요한 것과, 인가 적용 기간은, 헤팅거 이론에서의 운동 부하와 마찬가지로, 근육 수축을 지속하면 근육이 익숙해져서 서서히 경직되어 오기 때문에, 10~15초 정도로 변화를 주는 것으로 보다 효과를 얻을 수 있다고 생각된다.

본 발명을 구현화한 생체 자극 장치는, 상술의 근육 트레이닝, 근육 긴축(쉐이프업(Shape-up)) 모드 등에 적용함으로써 보다 간단하고 쉬운 구성에 의해 고주파 신호파와 저주파에 의한 합성파로 이너 머슬에 도달하는 근육 자극이 가능해진다. 그 합성파에 저주파 사이클에 의한 변동을 주는 것으로 구성한 변동 합성파군의 적용이 보다 체간근의 강화에 효과적이며, 변동 합성파군과 고정 합성파군과의 최적 조합 시간을 적용한다. 이에 따라, 근육 트레이닝, 근육 긴축에 대한 극히 높은 효과를 효율적으로 얻을 수 있어, 산업상의 이용 가능성은 높은 것이다.

1: 생체 자극 장치
2: 조작 패널
3: 마이크로 프로세서 유닛(MPU)
4: 저주파 펄스 발생 회로
5: 고주파 신호 발생 회로
6: 파형 제어 신호 회로
7: 합성부
8: 출력 트랜스
9: 패드(도자(導子))
10: 생체(등가 회로)
R: 라인 저항
r, ro: 저항
Co, C: 콘덴서

Claims (7)

1. 저주파 펄스 신호파를 발생하는 저주파 펄스 발생 회로와, 고주파 신호파를 발생하는 고주파 신호 발생 회로와,
   상기 저주파 펄스 발생 회로에서 발생한 저주파 펄스 신호파에 상기 고주파 신호 발생 회로에서 발생한 고주파 신호파를 중첩시킨 합성파를 형성하여, 상기 합성파에 의해 전기적 자극을 생체에 가하는 합성부와,
   상기 합성파를, 상기 저주파 펄스 신호파에 상기 고주파 신호파가 중첩되는 온 기간과, 상기 저주파 펄스 신호파에 상기 고주파 신호파가 중첩되지 않는 오프 기간으로 1사이클을 구성하도록 상기 합성부를 제어하는 제어 회로와,
   상기 합성파를 입력하는 출력 트랜스
   를 갖추고,
   상기 출력 트랜스의 출력측에 접속된 한 쌍 이상의 패드가 생체에 장착되었을 때, 상기 출력 트랜스의 상기 출력측에서의 상기 합성파의 상기 온 기간에 상기 합성파의 전압이 서서히 증가 및 감소하도록, 상기 출력 트랜스의 상기 출력측의 임피던스가 설정되고,
   상기 제어 회로는,
   적어도 상기 합성파의 일부를, 상기 온 기간과 상기 오프 기간과의 적어도 일방의 기간을 저주파 사이클로 변동을 준 변동 합성파군에 의해 구성하도록 상기 합성부를 제어하는, 생체 자극 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 합성파를 상기 생체에 가하는 생체 자극용 파형은,
   상기 변동 합성파군과, 상기 온 기간 및 상기 오프 기간이 고정된 고정 합성파군과의 조합으로 이루어진 반복 파형인, 생체 자극 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제어 회로는,
   적어도 상기 합성파의 일부를, 상기 온 기간의 레벨을 저주파 사이클로 변동을 준 변동 합성파군에 의해 구성하도록 상기 합성부를 제어하는, 생체 자극 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 고정 합성파군의 기간은,
   상기 변동 합성파군의 기간의 40%에서 100%의 사이로 설정되어 있는, 생체 자극 장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 생체 자극용 파형은,
   인가 기간이 2초~10초인 상기 변동 합성파군과, 인가 기간이 1초에서 4초인 상기 고정 합성파군과의 조합으로 이루어진, 생체 자극 장치.
6. 제2항에 있어서,
   상기 변동 합성파군의 기간과 상기 고정 합성파군의 기간과의 사이에, 휴지(休止) 기간이 마련되어 있는, 생체 자극 장치.
7. 삭제

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