JP2018050879A - 電気的刺激装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流による過度の刺激を防止することが可能な電気的刺激装置を提供する。
【解決手段】電気的刺激装置１は、生体の皮膚に当接される電極パッド２，３と、前記電極パッド２，３を介して前記生体に刺激を与えるための電流ＩＳ１を発生する刺激電流発生部４と、を備え、刺激電流発生部４は、前記生体のインピーダンスに関わらず、電流ＩＳ１の絶対値が所定値を超えることを制限する差動増幅器４４および抵抗４５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、筋肉トレーニング及び廃用性症候群等による筋萎縮の予防並び治療、筋肉の疼痛の治療において電気刺激を効率よく行うことができる電気的刺激装置に関する。

電気信号を外部より神経組織や筋組織に与え、筋肉を収縮させることにより、運動機能を改善させたり、運動機能を強化する電気的筋肉刺激（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｕｓｃｌｅ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ＥＭＳ）法は、アスリートの筋肉トレーニングや、廃用性症候群や筋萎縮性疾患患者のリハビリテーションなどで、一定の効果を上げている。ＥＭＳ法による電気刺激は、本来ならば随意的に行われる筋肉の収縮を、中枢神経支配とは関係なく起こさせる。従って、体が静止状態であっても、筋肉に対して、一定の運動を行っているのと同じ負荷をかけることができる。その結果、体を激しく動かす運動を行うことなく筋繊維を太く強化させ、また、脊髄損傷や、筋萎縮性側索硬化症などにより、運動ニューロンからの刺激が断絶された筋組織においても、無作為による筋組織の萎縮を防ぐことができる。

ＥＭＳ法における筋肉に対する電気的刺激は大きく分けて、正弦波（Sign波）刺激とパルス波刺激の２通りがある。正弦波刺激では、ラッシュカレント（突入電流）が無く、刺激電流が粗一定になることから、筋肉に対する刺激度合いがソフトである。

一方、パルス波刺激では、パルスの立ち上がりエッジ部分で突入電流が流れることがある。以下、図８および図９に基づいて説明する。

図８は、パルス波刺激を用いた従来の電気的刺激装置１０１の一例を示している。電気的刺激装置１０１は、２つの電極パッド１０２，１０３と、刺激電流発生部１０４とを備えている。電極パッド１０２，１０３は、被施行者の皮膚に当接される。

刺激電流発生部１０４は、電極パッド１０２，１０３に接続されており、電極パッド１０２，１０３を介して被施行者の生体に刺激電流ＩＳ０を付与する。刺激電流発生部１０４は、出力トランス４１、ＮＰＮバイポーラトランジスタ４２およびパルス発生器４３を備えている。出力トランス４１の一次巻線４１Ａの一端は電源電位ＶＢに接続されており、一次巻線４１Ａの他端はトランジスタ４２のコレクタ端子に接続されている。また、出力トランス４１の二次巻線４１Ｂの一端は電極パッド１０２に接続されており、二次巻線４１Ｂの他端は電極パッド１０３に接続されている。トランジスタ４２のベース端子はパルス発生器４３に接続されており、トランジスタ４２のエミッタ端子は接地されている。

パルス発生器４３は、矩形のパルスＰ１をトランジスタ４２のベース端子に入力する。これにより、トランジスタ４２は導通状態になり、トランジスタ４２のコレクタ電流が、出力トランス４１を介して電極パッド１０２に印加され、刺激電流ＩＳ０が生体に流れる。

従来の電気的刺激装置１０１では、刺激電流発生部１０４の電源電位ＶＢは一定であるため、生体のインピーダンス（以下、生体インピーダンス）に応じて刺激電流ＩＳ０は変化する。

図９は、生体インピーダンスが低い場合の、パルスＰ１および刺激電流ＩＳ０の波形を示している。同図に示すように、パルスＰ１の立ち上がりエッジ部分で、刺激電流ＩＳ０が急峻に上昇するため、突入電流が大きくなる。

このような大きな突入電流は、正弦波の刺激に比べ、刺激度合いが数倍に達するため、アスリート等の筋肉強化の用途には最適であると言われている。また、生体に付与されるエネルギーの密度が同一である場合、パルス波刺激のほうが筋肉に対する注入エネルギー効率が高いと言われている。

そのため、従来の電気的刺激装置１０１は、健常者の筋肉強化等には効果が高いものの、廃用性症候群や筋萎縮性疾患患者のリハビリ等では、突入電流によって過度な刺激が付与され、リハビリの効果を損ねるおそれがある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、突入電流による過度の刺激を防止することが可能な電気的刺激装置の提供を目的とする。

出願人は、鋭意研究を重ねた結果、生体のインピーダンスにかかわらず、生体に流れる電流の絶対値が所定値を超えないようにすることで、突入電流を防止することができることを見出した。

すなわち、本発明は、以下の態様に関する。
項１．
生体の皮膚に当接される電極パッドと、前記電極パッドを介して前記生体に刺激を与えるための電流を発生する刺激電流発生部と、を備えた電気的刺激装置であって、
前記刺激電流発生部は、前記生体のインピーダンスに関わらず、前記電流の絶対値が所定値を超えることを制限する電流制限手段を備えた、電気的刺激装置。
項２．
前記刺激電流発生部は、
前記電流を発生するトランジスタと、
矩形のパルスを発生するパルス発生器と、
を備え、さらに前記電流制限手段として、
前記トランジスタのエミッタ端子と固定電位との間に設けられた抵抗と、
前記トランジスタのエミッタ電圧と前記パルスの電圧との差分に応じた電流を前記トランジスタのベース端子に出力する差動増幅器と、
を備えた、項１に記載の電気的刺激装置。

本発明によれば、突入電流のみを抑制し過度の刺激を防止することが可能な電気的刺激装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る電気的刺激装置の構成を示す図である。 生体インピーダンスが低い場合における、パルスの波形、従来の刺激電流発生部による刺激電流の波形、および、本実施形態に係る刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。 生体インピーダンスが高い場合における、パルスの波形、および、本実施形態に係る刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。 本発明の一実施形態の変形例１に係る電気的刺激装置の構成を示す図である。 生体インピーダンスが低い場合における、パルスの波形、従来の刺激電流発生部による刺激電流の波形、および、変形例１に係る刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。 本発明の一実施形態の変形例２に係る電気的刺激装置の構成を示す図である。 生体インピーダンスが低い場合における、パルスの波形、従来の刺激電流発生部による刺激電流の波形、および、本実施形態に係る刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。 従来の電気的刺激装置の構成を示す図である。 生体インピーダンスが低い場合における、パルスの波形、従来の刺激電流発生部による刺激電流の波形の一例である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。

（装置の概要）
図１は、本発明の一実施形態に係る電気的刺激装置１の構成を示している。電気的刺激装置１は、２つの電極パッド２，３と、刺激電流発生部４とを備えている。電極パッド２，３は、図８に示す電極パッド１０２，１０３と同様の構成であり、被施行者の皮膚に当接される。

刺激電流発生部４は、電極パッド２，３に接続されており、電極パッド２，３を介して被施行者の生体に刺激電流ＩＳ１を付与する。刺激電流発生部４は、出力トランス４１、トランジスタ４２、パルス発生器４３、差動増幅器４４および抵抗４５を備えている。すなわち、刺激電流発生部４は、図８に示す刺激電流発生部１０４において、差動増幅器４４、および抵抗４５をさらに備えた構成である。

（刺激電流発生部）
具体的には、出力トランス４１の一次巻線４１Ａの一端は電源電位ＶＢ（例えば２４Ｖ）に接続されており、一次巻線４１Ａの他端はトランジスタ４２のコレクタ端子に接続されている。また、出力トランス４１の二次巻線４１Ｂの一端は電極パッド２に接続されており、二次巻線４１Ｂの他端は電極パッド３に接続されている。トランジスタ４２は、刺激電流を発生させる駆動用のトランジスタであり、刺激電流発生部４では、ＮＰＮバイポーラトランジスタで構成されている。トランジスタ４２のベース端子は差動増幅器４４の出力端子に接続されており、トランジスタ４２のエミッタ端子は、抵抗４５の一端および差動増幅器４４の負極入力端子に接続されている。抵抗４５の他端は接地されている。すなわち、抵抗４５は、トランジスタ４２のエミッタ端子と接地電位（固定電位）との間に設けられている。差動増幅器４４の正極入力端子はパルス発生器４３に接続されている。パルス発生器４３は、例えば発振回路で構成されており、デューティ比５０％の矩形のパルスＰ１を差動増幅器４４の正極入力端子に入力する。これにより、差動増幅器４４は、トランジスタ４２のエミッタ電圧とパルスＰ１の電圧との差分に応じた電流をトランジスタ４２のベース端子に出力する。トランジスタ４２は、差動増幅器４４から入力される電流に応じて刺激電流を発生し、当該刺激電流は、出力トランス４１によって所定の電圧に変圧されて、電極パッド２に印加される。

さらに、刺激電流発生部４は、生体のインピーダンスにかかわらず、電極パッド２，３を介して生体に流れる電流の絶対値が所定値を超えることを制限することができる。本実施形態では、刺激電流発生部４の差動増幅器４４および抵抗４５が、前記電流の絶対値が所定値を超えることを制限する電流制限手段として機能する。

具体的には、差動増幅器４４の増幅率をα、トランジスタ４２の増幅率をβ、トランジスタ４２のコレクタ電流、エミッタ電流、ベース電流をそれぞれＩ_Ｃ、Ｉ_Ｅ、Ｉ_Ｂ、パルス発生器４３が発生するパルスＰ１の最大電圧をＶmax、抵抗４５の抵抗値をＲとすると、以下の等式が成り立つ。
Ｉ_Ｅ＝Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ
Ｉ_Ｂ＝α（Ｖmax−Ｉ_ＥＲ）
Ｉ_Ｃ＝βＩ_Ｂ
これらの式から、Ｉ_Ｃ＝αβＶmax／（αＲ＋αβＲ＋１） ・・・式（１）
となる。

コレクタ電流Ｉ_Ｃは、出力トランス４１によって変圧され、刺激電流ＩＳ１として生体を流れる。通常、刺激電流ＩＳ１は生体インピーダンスに反比例するため、生体インピーダンスが低いほど、刺激電流ＩＳ１すなわちコレクタ電流Ｉ_Ｃは高くなる。しかし、本実施形態において、式（１）の右辺には、生体インピーダンスの変数が含まれておらず、また、α、β、ＲおよびＶmaxは一定値であるため、コレクタ電流Ｉ_Ｃは生体インピーダンスがどれだけ低い値であっても式（１）の値を超えることはない。よって、生体に流れる刺激電流ＩＳ１は、生体インピーダンスに関わらず、式（１）で決定されるＩlimを超えることはない。

図２は、生体インピーダンスが低い場合における、パルス発生器４３が発生するパルスＰ１、図８に示す従来の刺激電流発生部１０４による刺激電流ＩＳ０、および、本実施形態に係る刺激電流発生部４による刺激電流ＩＳ１の波形の一例である。従来の刺激電流発生部１０４は電流制限手段を有していないため、生体インピーダンスが低い場合、刺激電流ＩＳ０のピーク値が非常に大きくなる。一方、本実施形態では、刺激電流発生部４の電流制限手段により、生体インピーダンスが低い場合であっても、刺激電流ＩＳ１の最大値がＩlimに制限される。よって、値Ｉlimを、例えば、廃用性症候群や筋萎縮性疾患患者のリハビリ効果を阻害しない程度の値に設定することにより、突入電流による過度の刺激を防止することができる。

なお、生体インピーダンスが高い部位（一般には、筋肉疲労が高い部位、内臓脂肪が厚い部位等）では、電流が流れ難くなるため、図３に示すように、刺激電流ＩＳ１のピーク値は上述のＩlimに満たない。そのため、電流制限手段の有無にかかわらず、突入電流は発生しない。

また、刺激電流ＩＳ１の強度は、図示しない制御部によって、電極パッド２への印加電圧や、刺激パルスのデューティ比を調整することによって制御することができる。

（変形例１）
図１に示す刺激電流発生部４は、＋極性の電流を発生させる回路であったが、本実施形態はこれに限定されず、＋−両極性の電流を発生させる回路であってもよい。本変形例では、＋−両極性の電流を発生させる回路構成について説明する。

図４は、本実施形態の変形例１に係る電気的刺激装置１ａの構成を示している。電気的刺激装置１ａは、図１に示す電気的刺激装置１において、刺激電流発生部４を刺激電流発生部４ａに置き換えた構成である。

刺激電流発生部４ａは、図１に示す刺激電流発生部４において、ＮＰＮバイポーラトランジスタ４２ａ、パルス発生器４３、差動増幅器４４ａ、抵抗４５ａ、Ｔフリップフロップ４６および２つのＡＮＤゲート４７，４８をさらに備えた構成である。トランジスタ４２ａ、パルス発生器４３、差動増幅器４４ａおよび抵抗４５ａの各構成は、図１に示すトランジスタ４２、パルス発生器４３、差動増幅器４４および抵抗４５とそれぞれ同一である。

出力トランス４１の一次巻線４１Ａの一端はトランジスタ４２ａのコレクタ端子に接続されており、一次巻線４１Ａの他端はトランジスタ４２のコレクタ端子に接続されており、一次巻線４１Ａのセンタータップは電源電位ＶＢに接続されている。トランジスタ４２ａのベース端子は差動増幅器４４ａの出力端子に接続されており、トランジスタ４２ａのエミッタ端子は、抵抗４５ａの一端および差動増幅器４４ａの負極入力端子に接続されている。抵抗４５ａの他端は接地されている。

差動増幅器４４の正極入力端子は、ＡＮＤゲート４７の出力端子に接続され、差動増幅器４４ａの正極入力端子は、ＡＮＤゲート４８の出力端子に接続されている。ＡＮＤゲート４７の一方の入力端子は、Ｔフリップフロップ４６の反転出力端子に接続され、ＡＮＤゲート４７の他方の入力端子は、パルス発生器４３に接続されている。ＡＮＤゲート４８の一方の入力端子は、Ｔフリップフロップ４６の非反転出力端子に接続され、ＡＮＤゲート４８の他方の入力端子は、パルス発生器４３に接続されている。Ｔフリップフロップ４６の入力端子は、パルス発生器４３に接続されている。

パルス発生器４３は、図１に示すパルス発生器４３と同様に、デューティ比５０％の矩形のパルスＰ１を発生する。これにより、差動増幅器４４の正極入力端子にパルスＰ２が入力され、差動増幅器４４ａの正極入力端子にパルスＰ３が入力される。

図５に示すように、パルスＰ２およびＰ３は、デューティ比２５％の矩形波であり、互いに位相が１８０°異なっている。パルスＰ２がハイレベルになってトランジスタ４２が導通することにより、＋極性の刺激電流ＩＳ２が生体に流れ、パルスＰ３がハイレベルになってトランジスタ４２ａが導通することにより、−極性の刺激電流ＩＳ２が生体に流れる。

また、刺激電流発生部４ａでは、図１に示す刺激電流発生部４と同様、差動増幅器４４および抵抗４５は、生体のインピーダンスにかかわらず、＋極性の刺激電流ＩＳ２の絶対値が所定値Ｉlimを超えることを制限する電流制限手段として機能する。さらに、刺激電流発生部４ａでは、トランジスタ４２ａ、差動増幅器４４ａおよび抵抗４５ａからなる回路の構成が、トランジスタ４２、差動増幅器４４および抵抗４５からなる回路と同一である。そのため、図５に示すように、差動増幅器４４ａおよび抵抗４５ａは、生体のインピーダンスが低い場合であっても、−極性の刺激電流ＩＳ２の絶対値が所定値Ｉlimを超えることを制限する。なお、図５における一点鎖線は、刺激電流発生部４ａにおいて電流制限手段を省略した回路、すなわち、パルスＰ２およびＰ３がそれぞれトランジスタ４２および４２ａの各ベース端子に入力される回路による刺激電流の波形である。

（変形例２）
本変形例では、刺激電流を発生するトランジスタとしてＰＮＰトランジスタを用いた構成について説明する。

図６は、本実施形態の変形例２に係る電気的刺激装置１ｂの構成を示している。電気的刺激装置１ｂは、図１に示す電気的刺激装置１において、刺激電流発生部４を刺激電流発生部４ｂに置き換えた構成である。刺激電流発生部４ｂは、電極パッド２，３に接続されており、電極パッド２，３を介して被施行者の生体に刺激電流ＩＳ３を付与する。刺激電流発生部４は、出力トランス４１、トランジスタ４２ｂ、パルス発生器４３、差動増幅器４４ｂおよび抵抗４５ｂを備えている。

具体的には、出力トランス４１の一次巻線４１Ａの一端は接地されており、一次巻線４１Ａの他端はトランジスタ４２ｂのコレクタ端子に接続されている。また、出力トランス４１の二次巻線４１Ｂの一端は電極パッド２に接続されており、二次巻線４１Ｂの他端は電極パッド３に接続されている。トランジスタ４２ｂは、刺激電流を発生させる駆動用のトランジスタであり、刺激電流発生部４ｂでは、ＰＮＰバイポーラトランジスタで構成されている。トランジスタ４２ｂのベース端子は差動増幅器４４ｂの出力端子に接続されており、トランジスタ４２ｂのエミッタ端子は、抵抗４５ｂの一端および差動増幅器４４ｂの負極入力端子に接続されている。抵抗４５ｂの他端は電源電位ＶＢに接続されている。すなわち、抵抗４５ｂは、トランジスタ４２ｂのエミッタ端子と電源電位ＶＢ（固定電位）との間に設けられている。差動増幅器４４ｂの正極入力端子はパルス発生器４３に接続されている。パルス発生器４３は、デューティ比５０％の矩形のパルスＰ１を差動増幅器４４ｂの正極入力端子に入力する。これにより、差動増幅器４４ｂは、トランジスタ４２ｂのエミッタ電圧とパルスＰ１の電圧との差分に応じた電流をトランジスタ４２ｂのベース端子に出力する。トランジスタ４２ｂは、差動増幅器４４ｂから入力される電流に応じて刺激電流を発生し、当該刺激電流は、出力トランス４１によって所定の電圧に変圧されて、電極パッド２に印加される。これにより、パルスＰ１がローレベルになってトランジスタ４２ｂが導通することにより、刺激電流ＩＳ３が生体に流れる。

また、刺激電流発生部４ｂでは、差動増幅器４４ｂおよび抵抗４５ｂは、生体のインピーダンスにかかわらず、刺激電流ＩＳ３の絶対値が所定値Ｉlimを超えることを制限する電流制限手段として機能する。

具体的には、差動増幅器４４ｂの増幅率をα、トランジスタ４２ｂの増幅率をβ、トランジスタ４２ｂのコレクタ電流、エミッタ電流、ベース電流をそれぞれＩ_Ｃ、Ｉ_Ｅ、Ｉ_Ｂ、パルス発生器４３が発生するパルスＰ１の最小電圧をＶmin、抵抗４５ｂの抵抗値をＲとすると、以下の等式が成り立つ。
Ｉ_Ｅ＝Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ
Ｉ_Ｂ＝αＶmin
よって、
Ｉ_Ｃ＝αβＶmin／（αＲ＋αβＲ＋１）・・・式（２）
となる。

コレクタ電流Ｉ_Ｃは、出力トランス４１によって変圧され、刺激電流ＩＳ３として生体を流れる。ここで、式（２）の右辺には、生体インピーダンスの変数が含まれておらず、また、α、β、ＲおよびＶminは一定値であるため、コレクタ電流Ｉ_Ｃは生体インピーダンスがどれだけ低い値であっても式（２）の値を超えることはない。よって、生体に流れる刺激電流ＩＳ３の絶対値は、生体インピーダンスに関わらず、式（２）で決定されるＩlimを超えることはない。

図７は、生体インピーダンスが低い場合における、パルスＰ１、図８に示す従来の刺激電流発生部１０４による刺激電流ＩＳ０、および、本変形例に係る刺激電流発生部４ｂによる刺激電流ＩＳ３の波形の一例である。図７において、実線が刺激電流ＩＳ３の波形であり、一点鎖線が、刺激電流ＩＳ０の波形である。本変形例において、刺激電流発生部４ｂの電流制限手段により、生体インピーダンスが低い場合であっても、刺激電流ＩＳ３の絶対値がＩlimを超えないように制限される。よって、突入電流の発生を防止することができる。

（まとめ）
このように、本実施形態では、刺激電流発生部が、生体インピーダンスに関わらず、刺激電流の絶対値が所定値を超えることを制限する機能を備えている。よって、突入電流による過度の刺激を防止することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 電気的刺激装置
１ａ 電気的刺激装置
１ｂ 電気的刺激装置
２ 電極パッド
３ 電極パッド
４ 刺激電流発生部
４ａ 刺激電流発生部
４ｂ 刺激電流発生部
４１ 出力トランス
４１ａ 出力トランス
４２ 駆動トランジスタ
４２ａ 駆動トランジスタ
４２ｂ 駆動トランジスタ
４３ パルス発生器
４４ 差動増幅器
４４ａ 差動増幅器
４４ｂ 差動増幅器
４５ 抵抗
４５ａ 抵抗
４５ｂ 抵抗
４６ Ｔフリップフロップ
４７ ＡＮＤゲート
４８ ＡＮＤゲート

Claims (2)

1. 生体の皮膚に当接される電極パッドと、前記電極パッドを介して前記生体に刺激を与えるための電流を発生する刺激電流発生部と、を備えた電気的刺激装置であって、
   前記刺激電流発生部は、前記生体のインピーダンスに関わらず、前記電流の絶対値が所定値を超えることを制限する電流制限手段を備えた、電気的刺激装置。
2. 前記刺激電流発生部は、
   前記電流を発生するトランジスタと、
   矩形のパルスを発生するパルス発生器と、
   を備え、さらに前記電流制限手段として、
   前記トランジスタのエミッタ端子と固定電位との間に設けられた抵抗と、
   前記トランジスタのエミッタ電圧と前記パルスの電圧との差分に応じた電流を前記トランジスタのベース端子に出力する差動増幅器と、
   を備えた、請求項１に記載の電気的刺激装置。

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