特許 5725562 電気刺激装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5725562

(24)【登録日】2015年4月10日

(45)【発行日】2015年5月27日

(54)【発明の名称】電気刺激装置

(51)【国際特許分類】

   A61N 1/36 20060101AFI20150507BHJP

【ＦＩ】

   A61N1/36

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-539277(P2011-539277)

(86)(22)【出願日】2010年10月29日

(86)【国際出願番号】JP2010006408

(87)【国際公開番号】WO2011055518

(87)【国際公開日】20110512

【審査請求日】2013年10月11日

(31)【優先権主張番号】特願2009-254973(P2009-254973)

(32)【優先日】2009年11月6日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】803000056

【氏名又は名称】公益財団法人ヒューマンサイエンス振興財団

(74)【代理人】

【識別番号】100091340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 敬四郎

(74)【代理人】

【識別番号】100141302

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜飼 伸一

(74)【代理人】

【識別番号】100168561

【弁理士】

【氏名又は名称】足立 能啓

(72)【発明者】

【氏名】村岡 慶裕

【審査官】 毛利 大輔

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２５５１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３４９６０４４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００３−２４１８６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｎ １／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池から電源供給を受けて、刺激信号を供給するためのトランスレスの昇圧回路と、
筋活動を取得すべき筋肉の筋腹の皮膚表面に配置され、随意筋電信号を検出するとともに、前記昇圧回路から供給される刺激信号を与える第１電極及び第２電極と、
前記検出した随意筋電信号を増幅する増幅回路と、
前記第１電極及び第２電極が検出する随意筋電信号に基づいて、前記刺激信号を制御する制御手段と、
直列に接続され共通接続端子が第２電極に接続される第１スイッチ及び第３スイッチと、直列に接続され共通接続端子が第１電極に接続される第２スイッチ及び第４スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチと第３スイッチ及び第４スイッチが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、
電池から電源供給を受けて、前記制御手段及び前記増幅回路に電源供給を行う絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力する電源電圧の中点電圧を出力するレギュレータと、
前記レギュレータと前記増幅器のリファレンス端子とに接続され、皮膚表面の任意の場所に配置され、グランド電極として機能する第３電極と
を有する電気刺激装置。

【請求項2】

電池から電源供給を受けて、刺激信号を供給するためのトランスレスの昇圧回路と、
筋活動を取得すべき筋肉の筋腹の皮膚表面に配置され、随意筋電信号を検出する第１電極及び第２電極と、
前記検出した随意筋電信号を増幅する増幅回路と、
電気刺激を与える皮膚表面に配置され、前記昇圧回路から供給される刺激信号を与える第４電極及び第５電極と、
前記第１電極及び第２電極が検出する随意筋電信号に基づいて、前記刺激信号を制御する制御手段と、
直列に接続され共通接続端子が第４電極に接続される第１スイッチ及び第３スイッチと、直列に接続され共通接続端子が第５電極に接続される第２スイッチ及び第４スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチと第３スイッチ及び第４スイッチが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、
電池から電源供給を受けて、前記制御手段及び前記増幅回路に電源供給を行う絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力する電源電圧の中点電圧を出力するレギュレータと、
前記レギュレータと前記増幅器のリファレンス端子とに接続され、皮膚表面の任意の場所に配置され、グランド電極として機能する第３電極と
を有する電気刺激装置。

【請求項3】

電池から電源供給を受けて、刺激信号を供給するためのトランスレスの昇圧回路と、
筋活動を取得すべき筋肉の筋腹の皮膚表面に配置され、随意筋電信号を検出するとともに、前記昇圧回路から供給される刺激信号を与える第１電極及び第２電極と、
前記検出した随意筋電信号を増幅する増幅回路と、
前記第１電極及び第２電極が検出する随意筋電信号に基づいて、前記刺激信号を制御する制御手段と、
直列に接続され共通接続端子が第２電極に接続される第１スイッチ及び第３スイッチと、直列に接続され共通接続端子が第１電極に接続される第２スイッチ及び第４スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチと第３スイッチ及び第４スイッチが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、、
前記第２スイッチと前記第４スイッチとの共通接続端子と前記第１電極及び前記第２電極との間にそれぞれ接続される第５スイッチ及び第６スイッチと、
電池から電源供給を受けて、前記制御手段及び前記増幅回路に電源供給を行う絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力する電源電圧の中点電圧を出力するレギュレータと、
前記第１スイッチと前記第３スイッチとの共通接続端子と前記レギュレータと前記増幅器のリファレンス端子とに接続され、皮膚表面の任意の場所に配置され、グランド電極として機能する第３電極と
を有する電気刺激装置。

【請求項4】

前記第５スイッチ及び前記第６スイッチが、ダイアックである請求項３記載の電気刺激装置。

【請求項5】

さらに、前記第１電極及び第２電極からなる電極対と前記増幅回路とを含む筋電検出部と、前記Ｈブリッジ回路とを複数有し、
前記制御手段が、複数チャンネルの前記電極対に対し、オンにするスイッチを適宜選択することにより、任意のチャンネルに、任意の方向で電流を流すことができる請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気刺激装置。

【請求項6】

前記制御手段は、刺激信号出力後、前記第３スイッチと前記第４スイッチ、または、前記第１スイッチと前記第２スイッチとを所定時間オンにする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気刺激装置。

【請求項7】

前記制御手段は、前記刺激信号のオンタイミングとオン時間とを制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気刺激装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気刺激装置に関し、より詳しくは、脳卒中患者などの運動機能補助、運動機能回復又は筋力増強などに好適な電気刺激装置に関する。

【背景技術】

【0002】

脳血管障害による片麻痺の後遺症のひとつに、下垂足と呼ばれるものがある。下垂足患者においては、足関節の背屈筋群の弛緩、底屈筋群の亢進により、足関節の背屈が困難になっている。そのため歩行遊脚時に、健常者では背屈筋群の収縮により足関節が背屈しスムーズに脚が振り出されているのに対し、下垂足患者では、足関節が背屈せず爪先が接地してしまう。この「引きずり歩行」のために患者の歩行は困難なものになっている。

【0003】

図８は、第１従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。この構成は、特許文献１で示されているが、それより以前に、本発明者が、非特許文献１において公表している。

【0004】

電極Ｅ１１、Ｅ１２は筋活動を拾いたい筋肉の筋腹に、電極Ｅ１３は、任意の位置に配置される。患者でも筋肉を動かそうとすると微小な随意筋電が出るので、電極Ｅ１１、Ｅ１２はその随意筋電を検出するためのものである。

【0005】

電極Ｅ１３をグランド電極として、電極Ｅ１１、Ｅ１２で検出された目的となる筋肉の随意筋電信号は、保護抵抗Ｒ１１、Ｒ１２を介して計測増幅器１１に入力される。

【0006】

計測増幅器１１が飽和しないようにダイオードＤ１１、Ｄ１２により計測増幅器１１の入力は約±０．５Ｖにリミットされる。その後、帯域３００−４５０Ｈｚを有する数段の多段増幅器１２によりマイコン７３により認識できる程度の大きさまで増幅され、マイコン７３のＡ／Ｄ変換入力ＰＩＮから、サンプリング周波数１ｋＨｚにより取り込まれる。

【0007】

マイコン７３は、随意筋電の振幅に比例した幅のパルスを出力して刺激手段（刺激出力トランス）７４を制御する。刺激パルスは、双極性パルスで、陽極パルスと陰極パルスは、パルス幅、振幅は同一である。刺激パルス振幅は約１００Ｖであり、パルス幅は５０μｓ−１ｍｓの間で調整され、その幅が大きくなるほど、強い刺激となる。刺激パルス周期は５０ｍｓであり、パルスが印加されるタイミングでフォトモスリレーＳＷ１１、ＳＷ１２はオンとなり、刺激パルスを電極Ｅ１１、Ｅ１２に導通する。刺激パルスが印加されていない時はフォトモスリレーＳＷ１１、ＳＷ１２はオフとなり、刺激手段（刺激出力トランス）７４側からのノイズの混入を防ぐと同時に、電極Ｅ１１、Ｅ１２の電極間のトランス出力を介した短絡を防ぐ役目を果たしている。

【0008】

また、フォトモスリレーＳＷ１１、ＳＷ１２はマイコン７３によりオン・オフのタイミングを制御される。この従来技術は、振幅１００Ｖと、アイソレーションを同時に実現する手段である刺激手段（刺激出力トランス）７４としてトランスを使用するものである。

【0009】

図９は、第２従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。この構成も本発明者が特許文献２で提案しているものであり、第１従来技術と異なる点は、フォトモスリレーＳＷ１１、ＳＷ１２を用いる代わりに、それぞれダイアックＤ１３、Ｄ１４を介して電極Ｅ１４、Ｅ１５を共通に刺激手段（刺激出力トランス）７４の一方端子に接続し、刺激手段（刺激出力トランス）７４の他方端子をアース、すなわち、電極Ｅ１６に接続する構成とした点である。

【0010】

これにより、刺激は電極Ｅ１４、Ｅ１５と電極Ｅ１６の２チャンネルで、筋電測定は電極Ｅ１４、Ｅ１５の１チャンネルで行うものである。この従来技術も刺激手段（刺激出力トランス）７４としてはトランスを使用するものである。

【0011】

図１０は、第３従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。この構成も本発明者が特許文献３で提案しているものであり、第１、２従来技術と異なる点は、小型軽量化のために、第１従来技術の刺激手段（刺激出力トランス）７４及びフォトモスリレーＳＷ１１、ＳＷ１２を用いる代わりに、トランスレスの昇圧回路及びＨブリッジ回路を用いて、さらに、昇圧回路と筋電測定系とで電源を兼用するために、コンデンサＣとフォトモスリレーＳＷ５、ＳＷ６を付加した点である。

【0012】

動作は、刺激を加えない期間にフォトモスリレーＳＷ５、ＳＷ６をオンにしてコンデンサＣに１００Ｖを充電しておき、刺激を加える期間は、電極Ｅ３に刺激が印加されないように、フォトモスリレーＳＷ５、ＳＷ６をオフにして、まずフォトモスリレーＳＷ２、ＳＷ３をオフのまま、フォトモスリレーＳＷ１、ＳＷ４をオンにして電極Ｅ２から電極Ｅ１に電流を流し、負極性である電極Ｅ１を興奮させ、次にフォトモスリレーＳＷ１、ＳＷ４をオフにしてから、フォトモスリレーＳＷ２、ＳＷ３をオンにして電極Ｅ１から電極Ｅ２に電流を流して、負極性である電極Ｅ２を興奮させる。

【0013】

図１１は、第１参考技術である電気刺激装置の構成を示す図である。第３従来技術と異なる点は、電極Ｅ１、Ｅ２を記録電極のみとして機能し、刺激電極として、電極Ｅ４、Ｅ５を付加している点にある。本構成においても、刺激印加中に、フォトモスリレーＳＷ５、ＳＷ６をオフにしない場合、電極Ｅ３に刺激が印加されてしまうので、前記の技術が有効に機能する。

【0014】

図１２は、刺激アーチファクトと誘発筋電を除去し、随意筋電のみを検出するためのマイコンの信号処理を説明する波形図である。初段が刺激パルス信号であり、６０ｍｓ毎に印加される刺激パルス波形２つをもって１組とし、２つの刺激波形は、同一である。したがって、刺激波形は１２０ｍｓ毎に更新される。

【0015】

マイコン１３の入力ではＡ／Ｄ変換入力ＰＩＮから随意筋電が取り込まれサンプリング周期１ｍｓでサンプリングされてデジタル変換される。その波形は、２段目に示すように、刺激信号及びアーチファクトにＭ波を含む筋電が重畳した信号となっている。

【0016】

刺激信号は６０ｍｓ周期の初めに入力され、その振幅は随意筋電と比べて極めて大きく、かつ、その後の信号処理には必要ない信号であるのでるので、振幅が所定値以上に大きくならないように２つのダイアックによりリミットされる。

【0017】

６０ｍｓ毎の２つの刺激波形が同一であるので、対応する６０ｍｓ毎の２つのアーチファクト及びＭ波も同一になり、それらの差分をとることでアーチファクト及びＭ波を相殺して随意筋電による成分だけを抽出することができる。ただし、６０ｍｓ周期の初めからしばらく（およそ２０ｍｓ）は不安定であるので、周期の終わり近く（下記例では１５ｍｓとしたが、より広くすることもできる）を選択して差分をとることで安定的に随意筋電による成分を抽出することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【特許文献1】特開２００２―３３１００７号公報

【特許文献2】特開２００３−３１０７６８号公報

【特許文献3】特開２００４−２５５１０４号公報

【特許文献4】特許３４９６０４４号公報

【非特許文献】

【0019】

【非特許文献1】Muraoka, Y., et.al., EMG-controlled hand opening system for hemiplegia. Proc. 6th ViennaInternational Workshop on Functional Electrostimulation Basics TechnologyApplication: pp.255-258, 1998.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0020】

上述の従来技術では、コンデンサＣは、最大定格電圧が１００Ｖ以上で、小型化のために、なるべくサイズの小さいものが望ましいが、その条件では、数μＦ程度の容量のものしか存在しない。したがって、電荷を充分に蓄積できず、上述の技術の場合、刺激中は充電を中断するため、刺激が連続して出力される条件下では、充電が間に合わなくなり、出力電圧が低下し、刺激が不安定になってしまう。

【0021】

また、回路は小型化されてきたにもかかわらず、増幅器用に＋電源と−電源を必要とし、＋電源は、昇圧回路の電源として兼ねるとしても、電池が２つ以上必要になってしまう。

【0022】

さらに、上述の信号処理で、随意筋電の抽出は可能であるが、刺激波形は１２０ｍｓ毎に更新されるため、筋収縮の発生から、刺激波形が更新されるまで、最大で１２０ｍｓの遅れが生じて、速い歩行においては、歩行運動に刺激が追随しない周期もありうる。

【0023】

本発明の目的は、安定した電気刺激を出力するとともに安定した随意筋電位を検出できる電気刺激装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0024】

本発明の一観点によれば、電気刺激装置は、電池から電源供給を受けて、刺激信号を供給するためのトランスレスの昇圧回路と、筋活動を取得すべき筋肉の筋腹の皮膚表面に配置され、随意筋電信号を検出するとともに、前記昇圧回路から供給される刺激信号を与える第１電極及び第２電極と、前記検出した随意筋電信号を増幅する増幅回路と、前記第１電極及び第２電極が検出する随意筋電信号に基づいて、前記刺激信号を制御する制御手段と、直列に接続され共通接続端子が第２電極に接続される第１スイッチ及び第３スイッチと、直列に接続され共通接続端子が第１電極に接続される第２スイッチ及び第４スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチと第３スイッチ及び第４スイッチが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、電池から電源供給を受けて、前記制御手段及び前記増幅回路に電源供給を行う絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力する電源電圧の中点電圧を出力するレギュレータと、前記レギュレータと前記増幅器のリファレンス端子とに接続され、皮膚表面の任意の場所に配置され、グランド電極として機能する第３電極とを有する。

【0025】

また、本発明の他の観点によれば、電気刺激装置は、電池から電源供給を受けて、刺激信号を供給するためのトランスレスの昇圧回路と、筋活動を取得すべき筋肉の筋腹の皮膚表面に配置され、随意筋電信号を検出する第１電極及び第２電極と、前記検出した随意筋電信号を増幅する増幅回路と、電気刺激を与える皮膚表面に配置され、前記昇圧回路から供給される刺激信号を与える第４電極及び第５電極と、前記第１電極及び第２電極が検出する随意筋電信号に基づいて、前記刺激信号を制御する制御手段と、直列に接続され共通接続端子が第４電極に接続される第１スイッチ及び第３スイッチと、直列に接続され共通接続端子が第５電極に接続される第２スイッチ及び第４スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチと第３スイッチ及び第４スイッチが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、電池から電源供給を受けて、前記制御手段及び前記増幅回路に電源供給を行う絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力する電源電圧の中点電圧を出力するレギュレータと、前記レギュレータと前記増幅器のリファレンス端子とに接続され、皮膚表面の任意の場所に配置され、グランド電極として機能する第３電極とを有する。

【0026】

また、本発明のさらに他の観点によれば、電気刺激装置は、電池から電源供給を受けて、刺激信号を供給するためのトランスレスの昇圧回路と、筋活動を取得すべき筋肉の筋腹の皮膚表面に配置され、随意筋電信号を検出するとともに、前記昇圧回路から供給される刺激信号を与える第１電極及び第２電極と、前記検出した随意筋電信号を増幅する増幅回路と、前記第１電極及び第２電極が検出する随意筋電信号に基づいて、前記刺激信号を制御する制御手段と、直列に接続され共通接続端子が第２電極に接続される第１スイッチ及び第３スイッチと、直列に接続され共通接続端子が第１電極に接続される第２スイッチ及び第４スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチと第３スイッチ及び第４スイッチが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、前記第２スイッチと前記第４スイッチとの共通接続端子と前記第１電極及び前記第２電極との間にそれぞれ接続される第５スイッチ及び第６スイッチと、電池から電源供給を受けて、前記制御手段及び前記増幅回路に電源供給を行う絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力する電源電圧の中点電圧を出力するレギュレータと、前記第１スイッチと前記第３スイッチとの共通接続端子と前記レギュレータと前記増幅器のリファレンス端子とに接続され、皮膚表面の任意の場所に配置され、グランド電極として機能する第３電極とを有する。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、安定した電気刺激を出力するとともに安定した随意筋電位を検出できる電気刺激装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の第１の実施例による電気刺激装置１の構成を示す回路図である。

【図2】刺激兼記録電極の配置を表す模式図である。

【図3】本発明の第１の実施例による電気刺激装置１の動作を説明する波形図である。

【図4】本発明の実施例による昇圧回路１４の構成の例を示す図である。

【図5】本発明の第２の実施例による電気刺激装置２の構成を示す回路図である。

【図6】本発明の第３の実施例による電気刺激装置３の構成を示す回路図である。

【図7】本発明の第４の実施例による電気刺激装置４の構成を示す回路図である。

【図8】第１従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。

【図9】第２従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。

【図10】第３従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。

【図11】第１参考技術である電気刺激装置の構成を示す図である。

【図12】刺激アーチファクトと誘発筋電を除去し、随意筋電のみを検出するためのマイコンの信号処理を説明する波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

図１は、本発明の第１の実施例による電気刺激装置１の構成を示す回路図である。

【0030】

電気刺激装置１は、主に絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１５、電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、保護抵抗Ｒ１、Ｒ２、ダイオードＤ１、Ｄ２、計測増幅器１１、多段増幅器１２、マイコン１３、昇圧回路１４、Ｈブリッジ回路１０、レギュレータ１６から成る。

【0031】

１つの電池（５Ｖ）１７から昇圧回路１４で昇圧して、刺激用の高電圧（１００Ｖ）を得るのと同時に、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を介して、増幅器１１、１２ならびに、マイコン１３に電源供給し、さらに、リファレンス電圧をレギュレータ１６で構成している。

【0032】

本実施例では、電池１７として、JTT社のMy Battery Liteを使用した。電池１７は、これに限らず携帯電話などの外付けバッテリーなど種々のものが使用可能である。電気刺激装置１は、入手の容易な、携帯電話などの外付けバッテリー１つで駆動することが可能である。なお、本実施例では、５Ｖの電池を使用したがこれに限るものではない。

【0033】

昇圧回路１４に電源供給する電池１７が、絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ１５にも並列に接続され、該絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力が、約±２．５Ｖの電源を構成し、増幅器１１、１２やマイコン１３に対し電源供給している。

【0034】

なお、数Ｖの絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は薄くて小型であり、入手が容易である。本実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５としては、cosel社製SUS1R50505を使用した。その他には、NMA0505D(C&D
Technolkogies社製)や、NKE0505SC（murata power solutions社製）なども使用できる。

【0035】

また、このように、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を介して増幅器１１、１２ならびにマイコン１３に電源供給することで、昇圧回路系と筋電測定系が絶縁される。

【0036】

レギュレータ１６により、絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力（約±２．５Ｖの）の中点電圧（０Ｖ）を発生し、電極Ｅ３及び増幅器１１のレファレンス端子に接続している。このような構成をとることで、電極Ｅ３は昇圧回路１４等からなる昇圧回路系から電気的な影響を受けない。よって、電極Ｅ１−Ｅ３及びＥ２−Ｅ３間での刺激の発生を防止することができる。

【0037】

レギュレータ１６は、例えば、２つの抵抗を直列に接続して形成され、Ｖ^＋_２（２．５Ｖ）とＶ⁻_２（−２．５Ｖ）の中点電圧（０Ｖ）を出力する電圧分割回路と（Ｖ^＋_２−Ｖ⁻_２）／２を出力するレギュレータ等で構成される。また、例えば、増幅器電源電圧の半分の電圧を、レギュレータや、ツェナーダイオード、あるいは、抵抗分圧とバッファ増幅器から生成するようにしてもよい。

【0038】

図２は、刺激兼記録電極の配置を表す模式図である。神経筋接合部ＭＰ上に一方の電極Ｅ２、近位側に数ｃｍ離してもう一方の電極Ｅ１を配置する。すなわち、電極Ｅ１、Ｅ２は、筋活動を取得すべき筋肉４３の筋腹の皮膚表面４１に配置され、患者が筋肉４３を動かそうとした時に発生する微弱な随意筋電信号を検出すると共に、刺激信号を皮膚４１から筋肉４３に与えるための電極として機能する。なお、電極Ｅ３は、皮膚表面４１の任意の場所に配置され、グランド電極として機能する。下垂足などに対して、効率的に足関節背屈を促すには、例外的に、腓骨神経にも刺激を加えることが望ましい。

【0039】

具体的には、つま先を持ちあげる筋肉である前脛骨筋と、腓骨神経上に電極Ｅ１とＥ２を貼付して、足の振り出しに合わせて、効率的な足関節の背屈を行わせる。また、手指の伸展の補助に使用する例もあり、前腕の指伸筋上に電極Ｅ１及びＥ２を配置して、患者の意思に合わせて、手を開く動作を促す。

【0040】

図１に戻り、保護抵抗Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ電極Ｅ１、Ｅ２と計測増幅器１１との間に接続され、刺激信号を電極Ｅ１、Ｅ２に印加する際に計測増幅器１１を保護する。

【0041】

ダイオードＤ１、Ｄ２は、計測増幅器１１の入力端子間に逆極性に接続され、計測増幅器１１が飽和しないように入力を約±０．５Ｖでリミットする。

【0042】

計測増幅器１１は、電極Ｅ１、Ｅ２が取得した随意筋電を保護抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して受けてその微弱な随意筋電を増幅する。

【0043】

多段増幅器１２は、計測増幅器１１が増幅した随意筋電を受けてマイコン１３が認識できる程度まで増幅する。

【0044】

マイコン１３は、多段増幅器１２で増幅された随意筋電を受けて、アナログ電圧をデジタル信号に変換後、随意筋電量を算出し、Ｈブリッジ回路１０（フォトモスリレーＳＷ１〜ＳＷ４のオン／オフ）を制御する。Ｈブリッジ回路１０を制御することにより、刺激パルスのタイミング調整を行う。例えば、刺激パルスのＯＮタイミング、ＯＮ時間（パルス幅）及び周期を制御する。

【0045】

昇圧回路１４は、非絶縁型のトランスレスの昇圧回路であって、電池１７から昇圧して、約＋１００Ｖの直流電圧を常時供給する。したがって、刺激が連続して出力されても、電位が落ちることなく、安定した刺激出力を得ることができる。

【0046】

Ｈブリッジ回路１０は、フォトモスリレーＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４から成り、フォトモスリレーＳＷ１、ＳＷ３及びフォトモスリレーＳＷ２、ＳＷ４をそれぞれ直列に接続して、フォトモスリレーＳＷ１、ＳＷ２の共通接続端子を昇圧回路１４の＋１００Ｖ端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ３、ＳＷ４の共通接続端子を昇圧回路１４のグランド端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ１、ＳＷ３の共通接続端子を電極Ｅ２に接続し、フォトモスリレーＳＷ２、ＳＷ４の共通接続端子を電極Ｅ１に接続するものである。

【0047】

フォトモスリレーＳＷ１〜ＳＷ４は光によって制御されるものであるのでマイコン１３とは電気的に絶縁されている。

【0048】

図３は、本発明の第１の実施例による電気刺激装置１の動作を説明する波形図である。

【0049】

刺激パルス信号（図１のａ点における電圧）は、５０ｍｓ毎に印加される。刺激パルスの波形はマイコン１３によって制御されるフォトモスリレーＳＷ１〜ＳＷ４によって実現される。

【0050】

すなわち、フォトモスリレーＳＷ２、ＳＷ３をオフのまま、フォトモスリレーＳＷ１、ＳＷ４をオンにして電極Ｅ２から電極Ｅ１に電流を流し、負極性である電極Ｅ１を興奮させ、次にフォトモスリレーＳＷ１、ＳＷ４をオフにしてから、フォトモスリレーＳＷ２、ＳＷ３をオンにして電極Ｅ１から電極Ｅ２に電流を流して、負極性である電極Ｅ２を興奮させる。この間、電極Ｅ３は刺激に関与しない。

【0051】

その後、ＳＷ３、ＳＷ４（または、ＳＷ１、ＳＷ２）を数ｍｓ（１〜１．５ｍｓ）オンすることで、電極Ｅ１、Ｅ２上に溜まった電荷を放電して、同電位にして、刺激によるアーチファクトを除去して、基線を即座に平担かつ安定化させる。

【0052】

次に、５０ｍｓ周期の最後の１０ｍｓの随意筋電位を検出し、検出した随意筋電位の振幅に基づき、次の５０ｍｓ周期で与える刺激パルスのパルス幅を決定する。以上の動作を５０ｍｓごとに繰り返す。

【0053】

このように、ＳＷ３及びＳＷ４を同時にオンすることにより、刺激によるアーチファクトを除去して、基線を即座に平担かつ安定化させるので、特許文献３（特許３４９６０４４号公報）で提案されているマイコンによる信号処理を行わなくても、安定して検出することができる。

【0054】

したがって、筋電位の発生から、電気刺激までの最大の遅れが、従来の１２０ｍｓから、その半分以下の５０ｍｓ程度に短縮され、早い歩行運動に対しても、運動に追随して、電気刺激が発生できる。

【0055】

なお、刺激波形は、＋−を１パルスずつだけでなく、＋−＋−などと連続させたりするなど、任意の波形を生成してもよい。

【0056】

なお、電極Ｅ１及びＥ２を興奮させるのに、それぞれ１〜１．５ｍｓ、ＳＷ３及びＳＷ４を同時にオンするのに１〜１．５ｍｓ、及び随意筋電位を検出するのに１０ｍｓ程度の時間が必要なことから、刺激直後の不応期や随意筋活動の抑制など生体反応への配慮が必要なものの、最短で約１５ｍｓ周期で電気刺激の発生を行うことができる。

【0057】

図４は、本発明の実施例による昇圧回路１４の構成の例を示す図である。

【0058】

上述したように、この昇圧回路１４はトランスレスのＤＣ−ＤＣコンバータであり、より具体的には、出力電圧をＩＣ３０でモニタして所定電圧以下の場合にスイッチングによって電荷を蓄積していって高圧（＋１００Ｖ）を得るものである。

【0059】

まず、ＩＣ３０から説明する。端子５の電圧と基準電圧発生器３１からの基準電圧とを電圧比較器３２が比較して、端子５の電圧が基準電圧よりも低い場合に高電位をアンド回路３３の１端子に出力する。

【0060】

他方、発振器３５の出力は、アンド回路３３の他端子に供給されると共に反転されてＦＦ（セットリセットフリップフロップ）３４のＲ端子に入力される、アンド回路３３の出力はＦＦ３４のＳ端子に入力される。

【0061】

ＦＦ３４の出力ＱはトランジスタＴＲ３１のベースに入力され、トランジスタＴＲ３１のエミッタは抵抗Ｒ３１を介して端子２に接続されると共にトランジスタＴＲ３２のベースに入力され、トランジスタＴＲ３２のエミッタは端子２に接続される。

【0062】

これにより、端子５の電圧が基準電圧よりも低い場合にＦＦ３４の出力Ｑは発振器３５の発振周波数で反転を繰り返し、端子１と端子２を周期的に短絡する。端子５の電圧が基準電圧よりも高い場合にはアンド回路３３の出力が低電位のままなので、Ｑは低電位のままであり端子１と端子２との間は開放されたままとなる。

【0063】

端子１と端子２とが短絡されると抵抗Ｒ３２に電源電位（＋５Ｖ）が印加され、トランジスタＴＲ３３のベースに入力されトランジスタＴＲ３３をオンにする。このため、電源（＋５Ｖ）からコイルＬ３１を介してアース端子４に電流が流れる。

【0064】

次に、端子１と端子２とが開放されるとトランジスタＴＲ３３がオフになり、コイルＬ３１は電流をダイオードＤ３２を介してコンデンサＣ３３に流してコンデンサＣ３３に電荷を蓄積する。これを繰り返すことによってコンデンサＣ３３には高圧（＋１００Ｖ）が得られる。その高圧は抵抗Ｒ３４及び抵抗Ｒ３５によって分圧されて端子５でＩＣ３０によってモニタされる。なお、コンデンサＣ３４は電源電位（＋５Ｖ）を保持する。

【0065】

図５は、本発明の第２の実施例による電気刺激装置２の構成を示す図である。

【0066】

第１の実施例と異なる点は、電極Ｅ１、Ｅ２を記録電極のみとして機能させ、刺激電極として、電極Ｅ５、Ｅ６を付加している点にある。その他の構成は、第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。

【0067】

本構成においても、電極Ｅ３に刺激が印加されることなく、持続的に高電圧を供給して、安定した刺激出力を得ることができる。

【0068】

第２の実施例では、随意筋電位の検出と電気刺激を別の場所（他人を含む別の筋肉）に対して行うことができる。例えば、顔面神経麻痺の患者に対して本実施例の電気刺激装置２を用いる場合は、正常側に電極Ｅ１及びＥ２を配置して随意筋電位を検出し、麻痺側に電極Ｅ４及びＥ５を配置して電気刺激を与えるということが可能となる。

【0069】

図６は、本発明の第３の実施例による電気刺激装置３の構成を示す図である。第３の実施例による電気刺激装置３は、マイコン１３と増幅器１１、１２に電池１７から絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を介して電力が供給されている点で第１の実施例と同じであるが、第３の実施例では、電極Ｅ４、Ｅ５と、電極Ｅ６の間で電流が流れる。

【0070】

第３の実施例による電気刺激装置３では、フォトモスリレーＳＷ２とＳＷ４との共通接続端子と電極Ｅ４及び電極Ｅ５との間に、それぞれダイアックＤ３（第５スイッチ）及びダイアックＤ４（第６スイッチ）が接続されている。また、皮膚表面に配置される電極Ｅ６は、フォトモスリレーＳＷ１とＳＷ３との共通接続端子、増幅器１１のレファレンス端子及びレギュレータ１６の出力端子と接続されている。第５スイッチ及び第６スイッチがダイアックであることで、更に小型軽量化される。

【0071】

図７は、本発明の第４の実施例による電気刺激装置４の構成を示す図である。本実施の形態の電気刺激装置４は、Ｈブリッジ回路１０と筋電検出部（電極Ｅ１、Ｅ２、保護抵抗Ｒ１、Ｒ２、ダイオードＤ１、Ｄ２、計測増幅器１１、多段増幅器１２）を増設して、複数の筋肉に電気刺激を行うことができる。また、オンにするＳＷを適宜選択することにより、任意のチャンネルに、任意の方向で電流を流すことができる。

【0072】

以上、本発明の実施例によれば、トランスレス出力型筋電制御電気刺激装置において、１つの電池で駆動して、安定した電気刺激を出力し、刺激によるアーチファクトを早く収束させて安定した随意筋電位を検出できる。

【0073】

本発明の実施例によれば、携帯電話用の１つの５Ｖ外付電池などから、刺激用に非絶縁型のトランスレス昇圧回路１４で約１００Ｖの電圧を生成する。同時に、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１５にてマイコン１３および増幅器１１、１２の電源（約５Ｖ）を生成し、増幅器１１、１２のレファレンス用に増幅器電源の中点電圧をレギュレータ１６で生成する。フォトモスリレーＳＷ２、ＳＷ３をオフのまま、フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ４をオンにして電極Ｅ２から電極Ｅ１に電流を流し、負極性である電極Ｅ１を興奮させ、次にフォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ４をオフにしてから、フォトモスリレーＳＷ２，ＳＷ３をオンにして電極Ｅ１から電極Ｅ２に電流を流して、負極性である電極Ｅ２を興奮させた後に、ＳＷ３、ＳＷ４を数ｍｓの間オンにして、その後に続く随意筋電位を安定して検出する。

【0074】

刺激パルス出力後、ＳＷ３、ＳＷ４を数ｍｓの間オンにすることで、電極Ｅ１、Ｅ２上に溜まった電荷を放電して、同電位にすることで、その後に続く随意筋電位をマイコンによる信号処理を行わなくても、安定して検出することができる。したがって、筋電位の発生から、電気刺激までの最大の遅れが短縮され、早い歩行運動に対しても、運動に追随して、電気刺激が発生できる。

【0075】

本発明の各実施例による電気刺激装置によれば、例えば脳卒中の患者の意思で、健全時に比べて僅かにしか筋収縮しない部位の微弱な筋電信号を検出し、筋電信号を増幅させた電気刺激信号を、その部位に印加することにより、筋肉を刺激することができる。

【0076】

また、この筋肉の刺激により、脳卒中の患者の意思で、動かそうとした体の部位（例えば手足や指など）の弱い運動を、アシストすることができる。このように、電気刺激によるリハビリは、脳卒中患者のうち、わずかな自己動作ができる段階の患者であれば８〜９割の患者に適用ができる。

【0077】

さらに、本発明の各実施例による電気刺激装置は、顔面神経麻痺の患者や嚥下障害のある患者に対しても使用することができる。顔面神経麻痺の場合は、健常側の筋電信号にしたがって、麻痺側の同名筋に電気刺激を加え、左右対称な表情を再建する。嚥下補助の場合は、嚥下機能（喉頭挙上）の不十分なものに対して、舌骨上筋群に対して、電気刺激を与え、十分な喉頭挙上を促す。

【0078】

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0079】

１、２、３、４…電気刺激装置、１０…Ｈブリッジ回路、１１…計測増幅器、１２…多段増幅器、１３…マイコン、１４…昇圧回路、１５…絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ、１６…レギュレータ、１７…電池、３０…ＩＣ、３１…基準電圧発生器、３２…電圧比較器、３３…アンド回路、３４…セットリセットフリップフロップ、３５…発振器、７３…マイコン、７４…刺激出力トランス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】