JP2845758B2

JP2845758B2 - 電気刺激による運動機能介助システム

Info

Publication number: JP2845758B2
Application number: JP6187962A
Authority: JP
Inventors: 清司大窪; 望星宮; 康延半田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1999-01-13
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: JPH0852229A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気刺激による運動機
能介助システムに関し、特に生体に電気刺激を与えて運
動機能の回復や改善を行う電気刺激装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体に電気刺激を与えて運動機能の回復
や改善を行う運動機能介助システムの従来例を図６に示
す。この従来の運動機能介助システムは、経皮的埋め込
み電極方式であって、脳卒中や脊髄損傷等により麻痺し
た手足の神経・筋に刺激装置１０３から、皮膚２０１を
経て生体内２００に埋め込んだ複数個の電極１７を通し
て電気刺激することによって、麻痺した手足の生体機能
を回復あるいは改善するための装置である。

【０００３】刺激パターンや刺激の与え方のプログラム
はメモリ１２に蓄えられており、刺激を与える命令は患
者の残存機能を活用した制御入力手段８で行い、これら
を信号処理手段１１に与えて電気刺激信号を出力手段１
８により出力し、電極１７を通して神経・筋に電気刺激
を与える。通常は、患者が刺激装置１０３を携帯して使
用する。電極１７と出力手段１８はコネクタ１９により
着脱できる。

【０００４】刺激信号の基となる情報は、図７に示すよ
うな刺激パターンとしてそれぞれの神経・筋毎にメモリ
１２に蓄えられている。例えば、指を開いたり握ったり
する一連の動作が行えるようにそれぞれの動作に必要な
刺激の強さが得られるデータをメモリ１２に順番（メモ
リアドレス）に蓄えたものである。刺激パターンは、予
め基本刺激パターン（点線）として、後述するシステム
コントローラのフロッピィディスク等の外部メモリに準
備されているが、患者毎に刺激の閾値や最大値あるいは
刺激パターンが異なるので、実際に使用するときは、そ
れぞれの患者に最適な刺激を与えるためには、これらを
調整することが必要である。このような最適化調整は、
一般に医師によって行われる。

【０００５】この最適化調整は、図６に示すようにシス
テムコントローラ１００と刺激装置１０３を通信回線１
０で接続してシステムコントローラ１００で最適化調整
を行い、そのデータを刺激装置１０３に転送した後に、
刺激装置自身により刺激しながら刺激の適否をチェック
する方法で行われている。システムコントローラ１００
は、各種の信号処理を行うＣＰＵ１、ＣＲＴディスプレ
イ等の表示器２、刺激パターンや信号処理プログラム等
を蓄えておくメモリ３、キーボード４、基本刺激パター
ン，動作プログラム等の情報をフロッピィディスク等に
入出力する外部メモリ５で構成されている。

【０００６】次に、最適化調整の方法について図８をも
参照して説明する。なお図８は、個々の患者に最適な刺
激を与えるための刺激パターンの最適化調整のフローチ
ャートである。

【０００７】調整者（例えば医師）は、システムコント
ローラ１００を通信回線１０を経て刺激装置１０３に接
続する。調整は、各電極に対応する各チャネル毎に行
う。先ず、刺激装置１０３を操作して、調整するチャネ
ルを選択し（ステップＳ１）、刺激の強さを０から徐々
に上げながら目視あるいは触診で筋肉がわずかに反応す
るところを閾値として設定し、更に徐々に刺激強度を上
げて同様な方法で反応が最大になったところを最大値と
して設定する（ステップＳ２）。例えば、図７の実線の
ように調整される。これを全てのチャネルについて順次
行う。全てのチャネルの調整が終了したならば（ステッ
プＳ３）、刺激パターンのデータを通信回線１０を経て
刺激装置１０３に転送し、メモリ１２に記憶させる（ス
テップＳ４）。次に、全チャネルあるいは単チャネルな
どを選択しながら（ステップＳ５）、刺激装置１０３に
より刺激して実際の手足の動作状態を見ながら刺激の適
否をチェックする（ステップＳ６，Ｓ７）。再調整が必
要な場合は、最初に戻り、再調整の必要なチャネルのみ
を前記と同様に調整し、これを繰り返して最適化調整を
完了する（ステップＳ８）。

【０００８】以上のような最適化調整は、システムコン
トローラ１００のソフトウェアで対応できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】個々の患者に最適な刺
激を与えることは、電気刺激にとって最も重要なものの
一つであり、同一のハードウェアを用いながら、これら
がソフトウェアで対応できることは大きな特徴である。
この最適化調整は、最初に適応するときは勿論である
が、使用中に筋力の改善等による状況の変化に対応して
何度も最適化調整が必要である。しかし従来の技術で
は、刺激装置を介して行っているため、閾値や最大値の
調整が人の感に頼っているという問題点がある。また、
再調整する度に刺激データを転送しなければならないの
で、オフラインによる調整で長時間かかり、医師や患者
の負担が大きいという問題点がある。さらに、携帯型の
刺激装置を介して調整しているので細かい操作ができず
細かいチェックができない等の問題点があった。

【００１０】本発明の目的は、最適化調整をシステムコ
ントローラのみで、すなわちオンラインで行うことので
きる運動機能介助システムを提供することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、取扱いが容易で、高
速処理の可能な運動機能介助システムを提供することに
ある。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、刺激に対する
生体反応のフィードバックが可能となり、閾値や最大値
等の調整を定量的に行える運動機能介助システムを提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の電気刺激による
運動機能介助システムは、患者の体内に埋め込まれた、
受信機およびこの受信機に接続された複数個の電極と、
前記受信機に電気刺激信号を送信し、前記電極により生
体の一部に電気刺激を与える患者が携帯可能な送信機
と、前記送信機に通信回線を介して接続でき、個々の患
者に最適な電気刺激を与えるように刺激パターンを最適
化調整し、そのデータを前記送信機に転送・記憶させる
システムコントローラと、を備え、前記電気刺激により
生体機能の回復あるいは改善を行うことを特徴とする。

【００１４】前記送信機は、患者が刺激を命令する制御
入力手段と、前記システムコントローラから通信回線を
経て刺激データを受け取り、信号処理手段を介して刺激
パターンや動作プログラムを蓄えるメモリと、前記刺激
データを前記メモリに蓄えるために信号処理し、前記制
御入力手段からの命令により前記メモリから刺激データ
を読み出して電気刺激信号に変換する信号処理手段と、
前記電気刺激信号を受けると電磁波を放射する送信手段
及び送信アンテナコイルとを有し、前記受信機は、前記
送信機から放射された電磁波を誘導する受信アンテナコ
イルと、誘導された電磁波を受信機の電源及び電気刺激
信号に変換する受信手段と、電気刺激信号を前記電極に
与える出力手段とを有し、前記システムコントローラ
は、各種の信号処理を行うＣＰＵ、表示器、メモリ、キ
ーボード、外部メモリの他に、前記受信機を直接に制御
できる送信手段及び送信アンテナコイルと、刺激による
生体反応を検出してＣＰＵにフィードバックする生体反
応検出手段と、刺激を命令できる制御入力手段とを有し
ている。

【００１５】

【作用】本発明の運動機能介助システムは、最適化調整
に際しシステムコントローラで直接に受信機が制御でき
るので取扱いが容易である。またＣＰＵで直接にシステ
ムコントローラの送信手段を制御しているので高速処理
が可能となり、刺激パターンの修正、刺激の保持あるい
は刺激パターンのメモリアドレス制御等がオンラインで
でき、システムコントローラの制御入力手段により実際
に送信機を使用しているのと同じ命令が与えられるな
ど、刺激の適否のチェックが正確且つ短時間にできる。
また、キーボード、表示器、外部メモリなどが使用でき
るので最適化調整時の操作性もよい。さらに、刺激に対
する生体反応のフィードバックが可能となり閾値や最大
値等の調整が定量的に行える。これらにより、短時間
に、正確に最適化調整ができるので患者，医師共に負担
が軽減され、安全性も確保できる。

【００１６】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。

【００１７】図１は本発明の一実施例の構成図である。
生体内２００に埋め込まれる受信機１０２と複数個の電
極１７、受信機を体外から電磁誘導により制御する、患
者が携帯して使用する送信機１０１、刺激パターンの最
適化調整や動作プログラムなどをソフトウェアで対応す
るシステムコントローラ１００により構成されている。

【００１８】受信機１０２は、受信アンテナコイル１
４、受信手段１５、出力手段１６により構成され、出力
手段１６には複数個の電極１７が接続されている。これ
ら受信機１０２及び複数個の電極１７は、生体内２００
に埋め込まれる。

【００１９】システムコントローラ１００の送信アンテ
ナコイルまたは送信機１０１の送信アンテナコイルは、
電磁波を放射する。放射された電磁波は受信アンテナコ
イル１４に誘導され、受信手段１５に入力される。受信
手段１５は、電磁波を受信機の電源及び電気刺激信号に
変換し、出力手段１６に入力する。出力手段１６は電極
１７に電気刺激信号を与え、生体に電気刺激を与える。

【００２０】送信機１０１は、制御入力手段８ｂ、信号
処理手段１１、メモリ１２、送信手段６ｂ、生体の皮膚
２０１上に貼り付けることができる送信アンテナコイル
７ｂより構成されている。制御入力手段８ｂ、信号処理
手段１１、メモリ１２は、図６の刺激装置１０３におけ
るものと同じである。すなわち、メモリ１２は刺激パタ
ーンや刺激の与え方のプログラムを蓄える。制御入力手
段８ｂは、患者の残存機能を活用して、刺激を与える命
令を出力する。信号処理手段１１は、刺激を与える命令
を受けると、メモリ１２に蓄えられた刺激パターンに基
づき電気刺激信号を送信手段６ｂに供給する。電気刺激
信号は、送信アンテナコイル７ｂを経て送信される。

【００２１】システムコントローラ１００は、各種の信
号処理を行うＣＰＵ１、ＣＲＴディスプレイ等の表示器
２、刺激パターンや信号処理プログラムを蓄えておくメ
モリ３、キーボード４、基本刺激パターン，動作プログ
ラム等の情報をフロッピィディスク等に入出力する外部
メモリ５など従来の構成の他に、生体内に埋め込んだ受
信機１０２を直接に制御できる送信手段６ａ及び送信ア
ンテナコイル７ａ、刺激に対する生体の反応をフィード
バックできる生体反応検出手段（生体反応センサ）９、
及び実際に送信機１０１を使用しているときと同じ命令
ができる制御入力手段８ａを備えている。

【００２２】送信機１０１は、通常は患者が携帯して使
用する。メモリ１２に蓄えられた刺激パターンや動作プ
ログラムと、制御入力手段８ｂの命令とにより信号処理
手段１１で刺激信号を送信手段６ｂに与えて皮膚２０１
に貼り付けた送信アンテナコイル７ｂから電磁波を放射
する。放射された電磁波は、生体内に埋め込まれた受信
機１０２の受信アンテナコイル１４に誘導され、受信手
段１５で電力や刺激信号に変換して出力手段１６より、
それぞれの電極１７を通して神経・筋に電気刺激を与え
る。

【００２３】メモリ１２に蓄えられている刺激パターン
や動作プログラムなどは、最適化調整の度にシステムコ
ントローラ１００から通信回線１０を介して転送され新
しいデータに書き換えられる。

【００２４】本実施例における最適化調整の方法を、図
２をも参照して説明する。なお図２は、最適化調整の一
例のフローチャートである。

【００２５】最適化調整は、システムコントローラ１０
０を操作する医師のところへ患者が出向いて行われる。
医師は、送信アンテナコイル７ａを、患者の受信機１０
２の埋め込まれた付近の皮膚２０１上に貼り付け、生体
反応検出手段（生体反応センサ）９を、回復または改善
しようとする生体部分に取り付ける。

【００２６】医師はシステムコントローラ１００を操作
して、先ず最初に、チャネルを選択し（ステップＳ
１）、閾値と最大値を調整する（ステップＳ２）。全て
のチャネルを調整後に（ステップＳ３）、制御入力手段
８ａの命令によりＣＰＵ１は送信手段６ａに刺激信号を
与え、送信アンテナコイル７ａにより電磁波を放射す
る。

【００２７】患者の体内に埋め込まれた受信アンテナコ
イル１４に電磁波が誘導され、受信手段１５で電気刺激
信号に変換されて、出力手段１６により電極１７を経て
刺激を与え、生体反応検出手段９により刺激に対する生
体の反応を検出し、刺激の適否をチェックする（ステッ
プＳ６）。また、刺激をしながらチャネル選択、メモリ
アドレス制御あるいは刺激パターンの修正等（ステップ
Ｓ５）の設定変更を行う（ステップＳ４）。

【００２８】全ての最適化調整が終了した後に（ステッ
プＳ７）、そのデータを通信回線１０を介して送信機１
０２のメモリ１２に転送・記憶させる（ステップＳ
８）。その後は、通信回線１０を外して、送信機１０１
を患者が携帯して使用する。

【００２９】以上のように、本実施例によれば、システ
ムコントローラ１００から送信機１０１へのデータの転
送は１回の最適化調整で１回限りでよい。ＣＰＵ１で直
接に送信手段６を制御しているので高速処理ができる。
また、システムコントローラ１００は、表示器２，メモ
リ３，キーボード４及び外部メモリ５を活用できるので
制御の操作性が非常によいので、刺激をしながらチャネ
ル選択、メモリアドレス制御あるいは刺激パターンの修
正等の設定変更ができる。また、各種の刺激が容易にで
き、刺激の適否の診断が容易になり、診断が正確に且つ
短時間にできるようになる。

【００３０】次に、フィードバック方式による刺激パタ
ーンの閾値及び最大値の定量的な調整方法の一例につい
て説明する。刺激パターンの閾値及び最大値の調整の一
例を図３に示す。これは図２のステップＳ１〜Ｓ３に相
当する処理である。その動作の補足説明用として図４に
刺激パターンを示す。

【００３１】医師はシステムコントローラ１００を操作
して調整するチャネルを選択し（ステップＳ１）、刺激
の強さを０から徐々に強くし（ステップＳ２）、生体反
応検出手段（生体反応センサ）９に反応が現れたときの
刺激の強さを記憶し（ステップＳ３）、いったん刺激の
強さを少し下げて（ステップＳ４）、再び、刺激を徐々
に強くし、同じことを数回繰り返して（ステップＳ
５）、記憶した平均値を図４に示すようにそのチャネル
の閾値としてメモリ３に蓄える（ステップＳ６）。その
後、さらに刺激を強くし（ステップＳ７）、反応が最大
になる刺激の強さを最大値として記憶し（ステップＳ
８）、いったん刺激の強さを下げて（ステップＳ９）、
再び、数回、同様に繰り返した（ステップＳ１０）後
に、平均値をそのチャネルの最大値としてメモリ３に蓄
え（ステップＳ１１）、直ちに、刺激を０にする（ステ
ップＳ１２）。全てのチャネルについて同様に行った後
に処理を終了する（ステップＳ１３）。

【００３２】次に、指定したチャネルのみ、動作を保持
させて、刺激の適否のチェックを容易にする一例につい
て説明する。図５にその一例のフローチャートを示す。
これは図２のステップＳ４〜Ｓ７の処理に相当する。

【００３３】医師はシステムコントローラ１００を操作
して保持させる単チャネルあるいは複数のチャネルを選
択し（ステップＳ１）、刺激パターンのメモリアドレス
を制御しながら（ステップＳ２）刺激する。例えば、メ
モリアドレスを減少して（ステップＳ３）指を開いた
り、逆に、メモリアドレスを増加して（ステップＳ４）
指を握らせながら、親指だけをある状態に保持したいと
きに、キーボード４の保持スイッチをＯＮにすると、選
択されたチャネルのアドレスＡＤＲＨがそのときのアド
レスＡＤＲに固定され、他の指は動いても親指だけはそ
のときの状態を保持したままになる（ステップＳ６）。
チャネル保持の解除は、保持スイッチをＯＦＦにした後
に、メモリアドレスＡＤＲを保持されたメモリアドレス
ＡＤＲＨと等しくなるように制御し（ステップＳ７）、
等しくなったときに解除される（ステップＳ８）。これ
は他のチャネルと同期した時点で解除を行うことにより
筋肉等への衝撃をやわらげるためであるが、この方式そ
のものは公知である。保持している間はチャネル変更は
できないが（ステップＳ９）、保持解除後は保持するチ
ャネルを変更することができる（ステップＳ１０）。刺
激しながら任意のチャネルが選択できる。

【００３４】このように、部分的にチャネルの保持・解
除ができ、それぞれの筋運動の相関等が容易に解明で
き、正確且つ短時間の最適化調整が可能になった。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、電気刺激
による運動機能介助システムにおいて、システムコント
ローラに送信手段、生体反応検出手段及び制御入力手段
を備えることにより、送信機を用いずにシステムコント
ローラのみで送信アンテナコイルを皮膚上に貼り付ける
だけで体内に埋め込んだ受信機を直接に制御できるの
で、取扱いが容易になる。また、高速処理ができるので
オンラインで各種の設定ができる。また、制御入力手段
により送信機と同じ刺激ができるなど、刺激の適否のチ
ェックが容易となり正確且つ短時間に行え、安全性も確
保できる。このように、電気刺激として最も重要なもの
の一つである、個々の患者に最適な刺激を与える最適化
調整に、大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】図１の運動機能介助システムの動作を説明する
フローチャートである。

【図３】図１の運動機能介助システムの動作を説明する
フローチャートである。

【図４】刺激パターンの閾値及び最大値の設定を説明す
るための図である。

【図５】図１の運動機能介助システムの動作を説明する
フローチャートである。

【図６】従来のシステムコントローラを示す構成図であ
る。

【図７】刺激パターンを示す図である。

【図８】従来のシステムコントローラの動作を説明する
フローチャートである。

【符号の説明】

１ＣＰＵ２表示器３メモリ４キーボード５外部メモリ６，６ａ，６ｂ送信手段７，７ａ，７ｂ送信アンテナコイル８，８ａ，８ｂ制御入力手段９生体反応検出手段１０通信回線１１信号処理手段１２メモリ１４受信アンテナコイル１５受信手段１６出力手段１７電極１００システムコントローラ１０１送信機１０２受信機１０３刺激装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者星宮望宮城県仙台市若林区南小泉２−２−15 (72)発明者半田康延宮城県仙台市泉区高森６−37−８ (56)参考文献特開昭58−41570（ＪＰ，Ａ) 特開平１−145077（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) A61N 1/36 A61N 1/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】患者の体内に埋め込まれた、受信機および
この受信機に接続された複数個の電極と、前記受信機に
電気刺激信号を送信し、前記電極により生体の一部に電
気刺激を与える、患者が携帯可能な送信機と、前記送信
機に通信回線を介して接続でき、個々の患者に最適な電
気刺激を与えるように刺激パターンを最適化調整し、そ
のデータを前記送信機に転送・記憶させるシステムコン
トローラとを備え、前記電気刺激により生体機能の回復
あるいは改善を行う電気刺激による運動機能介助システ
ムにおいて、前記送信機は、患者が刺激を命令する制御入力手段と、
前記システムコントローラから通信回線を経て刺激デー
タを受け取り、信号処理手段を介して刺激パターンや動
作プログラムを蓄えるメモリと、前記刺激データを前記
メモリに蓄えるために信号処理し、前記制御入力手段か
らの命令により前記メモリから刺激データを読み出して
電気刺激信号に変換する信号処理手段と、前記電気刺激
信号を受けると電磁波を放射する送信手段及び送信アン
テナコイルとを有し、前記受信機は、前記送信機から放射された電磁波を誘導
する受信アンテナコイルと、誘導された電磁波を受信機
の電源及び電気刺激信号に変換する受信手段と、電気刺
激信号を前記電極に与える出力手段とを有し、前記システムコントローラは、各種の信号処理を行うＣ
ＰＵ、表示器、メモリ、キーボード、外部メモリの他
に、前記受信機を直接に制御できる送信手段及び送信ア
ンテナコイルと、刺激による生体反応を検出してＣＰＵ
にフィードバックする生体反応検出手段と、刺激を命令
できる制御入力手段とを有する、ことを特徴とする電気刺激による運動機能介助システ
ム。
【請求項２】前記システムコントローラの前記送信手段
及び前記送信アンテナコイルにより、体内に埋め込まれ
た受信機をシステムコントローラで直接に制御して最適
化調整を行うことを特徴とする請求項１記載の電気刺激
による運動機能介助システム。
【請求項３】前記システムコントローラによる最適化調
整において、刺激パターンの修正、電極に対応するチャ
ネルの選択、メモリアドレスの制御、電気刺激の保持を
設定することを特徴とする請求項２記載の電気刺激によ
る運動機能介助システム。
【請求項４】前記システムコントローラによる最適化調
整において、前記生体反応検出手段により電気刺激によ
る生体の反応をフィードバックして閾値、最大値あるい
は刺激の強度等を定量的に最適化調整することを特徴と
する請求項２または３記載の電気刺激による運動機能介
助システム。
【請求項５】前記システムコントローラの最適化調整に
おいて、選択したチャネルのみを任意の動作状態に保持
したまま、他のチャネルを動作させて最適化調整を行う
ことを特徴とする請求項２、３または４記載の電気刺激
による運動機能介助システム。