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技術 電気刺激装置

出願人 H2L株式会社
発明者 玉城絵美岩崎健一郎
出願日 2012年11月29日 (7年11ヶ月経過) 出願番号 2012-260689
公開日 2014年6月9日 (6年5ヶ月経過) 公開番号 2014-104241
状態 特許登録済
技術分野 電気治療装置
主要キーワード 絶縁性保持部材 動作学 半導体スイッチング回路 電極列間 パルス形 動作練習 電気通路 仮想体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年6月9日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

目的

複数の電極のうちの少なくとも2つの電極を任意に選択してこれらの電極の間に電極刺激信号を与えることが可能な電気刺激装置を提供する。

構成

電気刺激信号発生回路(40,40A)から出力される電気刺激信号を複数の電極(E1〜E24)に選択的に与える電気刺激装置であり,個別的電極選択装置(30)を含む。この個別的電極選択装置は,上記複数の電極のそれぞれについて設けられた複数の中立単極双投型のスイッチング回路(S1〜S24)を備え,上記の各スイッチング回路は,対応する電極を上記電気刺激信号発生回路(40,40A)の2つの出力端(T1,T2)のいずれかに接続するか,または中立に維持するかの3つの状態のうちのいずれか一つに切換えるものである。

概要

背景

概要

複数の電極のうちの少なくとも2つの電極を任意に選択してこれらの電極の間に電極刺激信号を与えることが可能な電気刺激装置を提供する。電気刺激信号発生回路(40,40A)から出力される電気刺激信号を複数の電極(E1〜E24)に選択的に与える電気刺激装置であり,個別的電極選択装置(30)を含む。この個別的電極選択装置は,上記複数の電極のそれぞれについて設けられた複数の中立単極双投型のスイッチング回路(S1〜S24)を備え,上記の各スイッチング回路は,対応する電極を上記電気刺激信号発生回路(40,40A)の2つの出力端(T1,T2)のいずれかに接続するか,または中立に維持するかの3つの状態のうちのいずれか一つに切換えるものである。

目的

この発明は,複数の電極のうちの少なくとも2つの電極を任意に選択して,これらの選択された少なくとも2つの電極の間に電気刺激信号を与えることが可能な電気刺激装置を提供する

効果

実績

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請求項1

電気刺激信号発生回路から出力される電気刺激信号を複数の電極に選択的に与える電気刺激装置であって,個別的電極選択装置を含み,この個別的電極選択装置は,上記複数の電極のそれぞれについて設けられた複数の中立単極双投型のスイッチング回路を備え,上記の各スイッチング回路は,対応する電極を上記電気刺激信号発生回路の2つの出力端のいずれかに接続するか,または中立に維持するかの3つの状態のうちのいずれか一つに切換えるものである,電気刺激装置。

請求項2

制御装置を含み,この制御装置は,選択される少なくとも2つの電極のうちの一の電極に接続されたスイッチング回路を上記電気刺激信号発生回路の一方の出力端に,他の電極に接続されたスイッチング回路を上記電気刺激信号発生回路の他方の出力端にそれぞれ接続するよう切換え,残りのすべての電極に接続されたスイッチング回路を中立に維持するように制御するものである,請求項1に記載の電気刺激装置。

請求項3

上記複数の電極が1つの絶縁性ベルトに設けられている,請求項1に記載の電気刺激装置。

請求項4

上記複数の電極が2群に分けられ,各群の電極が2つの絶縁性ベルトのそれぞれに設けられている,請求項1に記載の電気刺激装置。

請求項5

上記中立有単極双投型のスイッチング回路が2つの半導体スイッチング回路を備え,各半導体スイッチング回路の一方の接続端は対応する電極に接続され,他方の接続端は上記電気刺激信号発生回路の2つの出力端にそれぞれ接続されている,請求項1から4のいずれか一項に記載の電気刺激装置。

請求項6

上記半導体スイッチング回路がフォトカプラである,請求項5に記載の電気刺激装置。

技術分野

0001

この発明は,電気刺激信号発生回路から出力される電気刺激信号を複数の電極に選択的に与える電気刺激装置に関する。

従来技術

0002

この種の電気刺激装置による電気刺激は,電気的筋肉刺激(Electrical Muscle Stimulation(EMS)),機能的電気刺激(Functional Electrical Stimulation )などと呼ばれて,さまざまな応用が考えられている。たとえば,人の前腕に複数の電極を装着し,これらの間に電気刺激信号(パルス)を与え,所望の指を動かそうとする試みがある。これは手指リハビリテーショントレーニング動き補助,積極的な指の運動つかむ,挟むなど),指と筋肉との関係の研究等に有用である。

0003

特開平7−20978号公報

0004

Tamaki et al. “PossessedHand : Techniques for controlling human handsusing electrical muscles stimuli”CHI 2011, May 7-12, 2011, Vancouver, BC, Canada.

0005

特許文献1に記載の仮想体感装置においては,複数の個別電極と1つの共通電極が用いられ,これらの間に電気刺激信号が加えられる。複数の個別電極は選択可能であるにしても,共通電極は1つしか設けられていないので,電気経路の精密な制御ができない。

先行技術

0006

非特許文献1では,前腕に巻付けられる2つのバンドにそれぞれ複数の電極が設けられている。しかしながら,2つのバンドのうちの一方のバンドの複数の電極は選択可能であるが,他方のバンドの複数の電極はすべて共通にグラウンドアース)に接続されるので,結果的には特許文献1と同じである。

0007

この発明は,複数の電極のうちの少なくとも2つの電極を任意に選択して,これらの選択された少なくとも2つの電極の間に電気刺激信号を与えることが可能な電気刺激装置を提供するものである。

0008

この発明による電気刺激装置は,電気刺激信号発生回路から出力される電気刺激信号を複数の電極に選択的に与えるものであり,個別的電極選択装置を含む。この個別的電極選択装置は,上記複数の電極のそれぞれについて設けられた複数の中立単極双投型のスイッチング回路を備えている。上記の各スイッチング回路は,対応する電極を上記電気刺激信号発生回路の2つの出力端のいずれかに接続するか,中立に維持するかの3つの状態のうちのいずれか一つに切換えるものである。

0009

特定の少なくとも2つの電極を選択し,これらの選択された電極間に電気刺激信号発生回路から出力される電気刺激信号を与えることができる。すなわち,上記スイッチング回路は次のように制御される。選択された少なくとも2つの電極のうちの一の電極に接続されたスイッチング回路を上記電気刺激信号発生回路の一方の出力端に,他の電極に接続されたスイッチング回路を上記電気刺激信号発生回路の他方の出力端にそれぞれ接続するよう切換える。残りのすべての電極に接続されたスイッチング回路を中立に維持する。好ましくは個別的電極選択装置を上記のように制御する制御装置を備える。

0010

この発明によると,複数の電極のうちの任意の少なくとも2つの電極を選択し,これらの選択された電極の間に電気刺激信号を与えることができる。

0011

特許文献1や非特許文献1に記載の電気刺激装置では,個別電極(一般に陽極,正の電圧が加わる)を選択することはできるが,共通電極またはアース側の電極は,非特許文献1に記載のようにそれが多数設けられていても,選択することはできず常に一定電極(一般にはグラウンド・レベル)が加えられている。しかも,これらの共通電極またはアース電極は広い範囲にわたって設けられ(分布し)ている。したがって,多数ある筋肉のうちでどの筋肉に電気刺激を与えているのかを特定するのが困難であった。この発明の電気刺激装置を用いると,上述のように多数の電極のうちの任意の2つ(またはそれ以上)を別個に選択して電気刺激を与えることができるので,電極間の電気通路を想定して電気刺激信号を印加することができるために,電気刺激を与える筋肉を特定することが可能となる。

0012

この発明の電気刺激装置はリハビリテーション,トレーニング,動きの補助,積極的な指等の運動,人体部位とそれを動かす筋肉との関係の研究,その他の研究に応用することができる。

0013

上記電極を装着しやすくするために複数の電極を1つの絶縁性ベルトに,または2群に分けて,2つの絶縁性ベルトに設けることが好ましい。

0014

一実施態様では,上記中立有単極双投型のスイッチング回路が2つの半導体スイッチング回路を備える。各半導体スイッチング回路の一方の接続端は対応する電極に接続され,他方の接続端は上記電気刺激信号発生回路の2つの出力端にそれぞれ接続される。上記半導体スイッチング回路は好ましくはフォトカプラである。

図面の簡単な説明

0015

複数の電極と電極間における電流経路を示す。
複数の電極と電極間における電流経路を示す。
一実施例の電気刺激装置の電気的構成を示すブロック図である。
電気刺激信号発生回路の一例を示す回路図である。
中立有単極双投型スイッチング回路の一例を示す回路図である。
電気刺激装置の他の実施例を示すブロック図である。
電極の装着例を示す斜視図である。
電極の装着例を示す斜視図である。

0016

図1は複数の電極と電極間における電流経路を示している。E1〜E24までの24個の電極を想定する。

0017

電極E1に着目すると,電極E1からE2,E3,E4,‥‥またはE24への23の電流経路がありうる。この発明では,これらのすべての電流経路のうちの1つまたは複数を独立に選択することができる。すなわち,任意の2つ以上の電極間に電流経路を形成することができる。電極E1とE2の組を選択し,これらの電極E1,E2間に電気刺激信号を印加すれば,電極E1からE2に向って(または極性に応じて,この逆方向の)刺激電流が流れる。電極E1とE2の組,電極E1とE3の組を同時に選択することも,情況によっては,可能である。この場合には刺激電流は電極E1からE2に向って流れるとともに,電極E1からE3に向って流れる。

0018

図2は電極En(E17)に着目し,他の1または複数の電極からこの電極En(E17)に刺激電流が流れる様子を示している。

0019

このように,この発明においては,複数の電極のうちの少なくとも2つの電極を任意に(別個に,または独立に)選択して,これらの電極間に電気刺激信号を与えることができる。もちろん,電極の数も24に限定されず,用途に応じて定めればよい。

0020

図3はこの発明の実施例による電気刺激装置の電気的構成の概要を示すブロック図である。

0021

電気刺激装置10は,複数の電極E1〜E24を含む電極装置20,これらの複数の電極のいずれかを選択するための個別的電極選択装置30,電気刺激信号発生回路40および制御装置50を含む。

0022

一例として電極装置20は人の前腕に巻いて使用するもので(図7参照),絶縁体製のバンド(またはベルト)21を備え,このバンドの一面上に多数の電極E1〜E12とE13〜E24が間隔をあけて2列に配置されかつ固定されている。電極列間の間隔は,好ましくは,前腕の筋肉に,1つの指を独立に,または複数の指を同時に動かすことができる程度の電気刺激が与えられるように設定されている。各列内における電極間の間隔は,好ましくは,分解能に依存し,すなわち動かすべき指または電気刺激を与えるべき筋肉の選択と識別ができるように設定される。もちろん,これらの電極間隔は設計的事項であり,任意に定めることができる。また,図示のように,2列の電極を二直線状に配列する必要は必ずしもなく,使用部位形状,筋肉構造,等に応じて定めればよい。

0023

バンド21はたとえば布製,ゴム製または合成樹脂製である。バンド21の両端部にはバンド21を固定するための(バンド21の両端部を互いに結合させるための)互いに着脱自在の面ファスナー22,23が設けられている。

0024

電極は皮膚に密着して通電できるものであればよい。円形方形,その他の任意の形状にすることができる。たとえば,パッドの中心に電極(通電部)を設け,その周囲の表面に粘着材を塗布し,電極(通電部)の表面には導電性ジェルを塗ったものでもよい。電極は金属でもよいし,可撓性をもつものでもよい。

0025

個別的電極選択装置30は,複数の電極E1〜E24のそれぞれに設けられた中立有単極双投型のスイッチング回路S1〜S24を備えている。

0026

中立有単極双投型スイッチング回路は,電極に接続される接続端t3と,電気刺激信号発生回路40の2つの出力端T1,T2にそれぞれ接続される2つの接続端t1,t2と,中立位置Nとを有しており,接続端t3を接続端t1,t2または中立位置(中立接続端)Nのいずれかに切換え,かつその状態に保持するものである。

0027

別の表現をすれば,中立有単極双投型スイッチング回路は,対応する電極を,電気刺激信号発生回路40の2つの出力端T1,T2のいずれかに接続するか,中立に維持するか(いずれの出力端T1,T2にも接続しない。電気的に浮いている,または出力端T1,T2から絶縁されている。)の3つの状態のうちのいずれか一つに切換えるものである。

0028

電気刺激信号発生回路40はたとえば電気刺激パルス(または方形波)を発生するものである。パルス幅は電気刺激を与える時間に関係し,任意に設定することができる。電気刺激信号は一方向性(たとえば正,または負)のパルスでも,両極性(たとえば正のパルスと負のパルスと交互に繰返すもの)のパルスでもよく,パルス形状も矩形に限らず任意のパルス波形を採用しうる。また,電気刺激信号は三角波鋸歯状波等,任意の波形の信号を採用しうる。さらに,電気刺激信号発生回路は後述するように,直流電圧電流)を電気刺激信号として出力するものであってもよい。この場合には,中立有単極双投型スイッチング回路が直流からパルス(方形波)を生成する。

0029

個別的電極選択装置30の動作の一例を挙げると,たとえばスイッチング回路S3が接続端t1を選択し,スイッチング回路S13が接続端t2を選択しているものとする(図3に図示の状態)。他のすべてのスイッチング回路は中立位置Nにある。

0030

この状態では,電気刺激信号発生回路40の出力端T1はスイッチング回路S3を通して電極E3に接続され,出力端T2はスイッチング回路S13を通して電極E13に接続される。電気刺激信号発生回路40の出力端T1から正方向の刺激パルスが出力されると,この刺激パルスはスイッチング回路S3,電極E3を経て,前腕内の電流経路P1を通り,電極E13,スイッチング回路S13を経て出力端T2に戻る。負方向のパルスは上記とは逆方向に流れることになる。

0031

このようにして,電極装置20が装着された人体の部位において,スイッチング回路による接続を切換えることにより,任意の2つ(またはそれ以上)の電極を選択して,これらの電極が設けられた箇所の間において人体内に電流経路を形成することができる。一方の列の電極E1〜E12と他方の列の電極E13〜E24との間の電流経路のみならず,一方の列の電極間,たとえば電極E1とE3との間に電流経路を形成することもできる。

0032

図4は電気刺激信号発生回路40の一例を示すものである。この回路40は正の電気刺激パルスを発生するもので,整流平滑回路または電源回路41と,その正端子に接続されたスイッチング回路42とから構成され,スイッチング回路42の出力側が出力端T1に,回路41の負出力側(接地側)が出力端T2にそれぞれ接続されている。スイッチング回路42は制御装置50から出力される制御パルスにより制御される。すなわち,スイッチング回路42がオンとされたときのみ正の電気刺激パルスが出力端T1(出力端T1とT2の間)から出力される。

0033

スイッチング回路42としては,フォトカプラやフォト(光)MOSFETなどの電気的絶縁性をもつものが好ましい。これにより,電極(人体)を電源から電気的に絶縁することができる。

0034

2つの電源回路を設けて,その出力側を交互に切換えてスイッチング回路42に接続するようにすれば,または,図4に示す回路を2系統設けてその出力を交互に切換えて出力端T1,T2に出力するようにすれば,正,負方向に交互に反転する二方向性刺激パルス信号を得ることができる。電源回路は定電流機能を持つことが好ましい。

0035

制御装置50は外部からの設定,または予め組込まれたプログラムに応じて,個別的電極選択装置30におけるスイッチング回路の切換えを制御するとともに,電気刺激信号発生回路40に制御パルスを与えるものである。制御装置50は,選択される少なくとも一の電極に接続されたスイッチング回路を電気刺激信号発生回路40の一方の出力端T1に,選択される他の電極に接続されたスイッチング回路を電気刺激信号発生回路40の他方の出力端T2にそれぞれ接続するように切換え,残りのすべての電極に接続されたスイッチング回路を中立位置Nに維持するように制御するものである。

0036

図5は中立有単極双投型スイッチング回路の一例を示すものである。この図は代表的に2つのスイッチング回路S1,S2のみを示すが,他のスイッチング回路も同じように構成できる。

0037

中立有単極双投型スイッチング回路S1は2つの半導体スイッチング回路(フォトカプラ)51Aと51Bとから構成されている。半導体スイッチング回路51A,51Bの一例としてはPhotoMOSリレーAQV221である。

0038

この半導体スイッチング回路51A,51Bの一方の接続端(回路51Aのピン5と回路51Bのピン6)は電極E1に共通に接続され(端子t3に対応),半導体スイッチング回路51Aの他方の接続端(ピン6)(端子t1に対応)は電流平滑または電源回路40Aの一方の出力端子T1に,半導体スイッチング回路51Bの他方の接続端(ピン5)(端子t2に対応)は整流平滑または電源回路40Aの他方の出力端子T2にそれぞれ接続されている。電気刺激信号発生回路は直流電圧(電流)を出力する整流平滑または電源回路40Aにより実現されている。

0039

半導体スイッチング回路51Aの制御端子には制御装置50からの制御パルスが与えられる。

0040

半導体スイッチング回路51Aにハイ(High)レベルの制御信号(制御パルス)が与えられ,半導体スイッチング回路51Bにロー(Low )レベルの制御信号が与えられている(制御パルスは与えられない)ときには,整流平滑または電源回路40Aの正出力端子T1から半導体スイッチング回路51Aを経て電極E1に電流が流入する。半導体スイッチング回路51Bは導通せず,中立に維持される。

0041

半導体スイッチング回路51Bにハイレベルの制御信号が与えられ,半導体スイッチング回路51Aにローレベルの制御信号が与えられているときには,電極E1からの電流が半導体スイッチング回路51Bを通り,整流平滑または電源回路40Aの負出力端子T2に流入する。半導体スイッチング回路51Aは導通せず,中立位置に維持される。

0042

半導体スイッチング回路51A,51Bの制御信号がいずれもローレベルに保持されているときには(制御パルスが与えられていないときには),いずれの半導体スイッチング回路51A,51Bも整流平滑または電源回路40Aと電極E1との間の回路を遮断している(中立となる)。

0043

他のスイッチング回路S2等も同じ構成,動作である。

0044

制御装置50は好適にはコンピュータ(およびその周辺回路)により実現される。

0045

図6は他の実施例の電気刺激装置を示すものである。図3に示すものと同一物には同一符号を付し,重複説明を避ける。

0046

2つのバンド21A,21Bが設けられている。電極E1〜E24が2群に分けられ,一方の群の電極E1〜E12がバンド21Aに,他方の群の電極E13〜E24がバンド21Bにそれぞれ設けられている。バンド21A,21Bにはそれぞれ面ファスナ22,23が備えられ,前腕に別個に装着することができる(図8参照)。

0047

電気刺激信号発生回路40は,整流平滑または電源回路41の回路部分40Aと,各スイッチング回路に対応してそれぞれ設けられた複数のスイッチング回路42を含む駆動回路部分40Bとから構成される(図5に示すようなスイッチング回路S1,S2等を用いれば,スイッチング回路42は不要となる)。

0048

整流平滑または電源回路部分40Aはすべてのスイッチング回路42に共通である。スイッチング回路42は個別的電極選択回路30内のスイッチング回路の接続端t1に接続されている。

0049

図6においては,スイッチング回路S3が接続端t2に接続され,スイッチング回路S16が接続端t1に接続されることにより,電極E16から電極E3に向う電流経路が形成されている様子が描かれている。

0050

図7および図8は電極装置の使用例を示すものである。図7において,図3に示す電源装置20が用いられている。バンド21が前腕にしっかりと固定され,すべての電極が前腕の皮膚に接している。個別的電極選択装置のスイッチング回路に接続されるリボンケーブル25内のワイヤ導線)がそれぞれ電極装置20の各電極Eに接続されている。図7図8において電極は単に符号Eで示されている。

0051

図8においては図6に示す電極装置20A,20Bが用いられている。2群の電極Eはそれぞれバンド21A,21Bに設けられているから,バンド21A,21Bを固定する間隔を調整することにより,2群の電極E間の間隔を調整することができる。

0052

上記実施例では複数の電極は1または複数のバンドに設けられ(固定され)ているが,バンド以外の絶縁性保持部材に設けてもよいし,保持部材を用いなくてもよい。保持部材を用いない場合には,各電極はそれ単独で皮膚に貼りつけることになる。電極は前腕や手首のみならず,足その他の筋肉を刺激する必要のある部分に取付けることができる。

0053

特許文献1や非特許文献1に記載の電気刺激装置では,個別電極(一般に陽極,正の電圧が加わる)を選択することができるが,共通電極またはアース側の電極は,非特許文献1に記載のようにそれが多数設けられていても,選択することはできず常に一定電位(一般にはグラウンド・レベル)が加えられており,それらが広い範囲にわたって設けられ(分布し)ている。したがって,多数ある筋肉のうちでどの筋肉に電気刺激を与えているのかを特定するのが困難であった。上記実施例の電気刺激装置を用いると,多数の電極のうちの任意の2つ(またはそれ以上)を別個に選択して電気刺激を与えることができるので,電極間の電気通路を想定して電気刺激信号を印加することができるために,電気刺激を与える筋肉を特定することが可能となる。

0054

上述の電気刺激装置はリハビリテーション,トレーニング,動きの補助,積極的な指等の運動,人体部位とそれを動かす筋肉との関係の研究等に応用することができる。さらに次に示すようなサイエンスへの応用例も考えられる。

0055

すなわち,ヒトの脳のどの部位がヒトの手指の動作学習するのに関わっているのかを,推定することである。この電気刺激装置の複数の電極を被験者の前腕に装着し,特定の手指を長期間動作させる。このとき,被験者は自身で上記の手指を動かさない。被験者は,自身の意思と自身の脳の指令信号によって上記の手指を動かさなくなるので,上記の手指を自身の手指だと認識しなくなる。被験者が上記の手指を自身の手指だと認識しなくなった状態で,電気刺激装置を外す。その後,被験者に上記の手指の動作練習をしてもらう。このときの被験者の脳の状態を脳波計やfMRI(functional Magnetic Resonance Imaging ,機能的磁気共鳴画像診断装置)等を用いて計測し,手指の動作学習の際に活性化した脳の部位を推定するのである。

0056

10電気刺激装置
20電極装置
21,21A,21Bバンド(ベルト)
30 個別的電極選択装置
40,40A電気刺激信号発生回路
50制御装置
51A,51B,52A,52B半導体スイッチング回路(フォトカプラ)
E1,E2,‥‥,E12,E13,‥‥,E24,En,E 電極
S1,S2,‥‥,S12,S13,‥‥,S24中立有単極双投型スイッチング回路
T1,T2 電気刺激信号発生回路の出力端
t1,t2,N 中立有単極双投型スイッチング回路の接続端

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