JP7701698B2 - Electrical Stimulation System - Google Patents
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Description
本発明は、電気刺激システムに関する。 The present invention relates to an electrical stimulation system.
特許文献1は、ユーザの筋肉に電気刺激を付与する電気刺激装置を開示する。この電気刺激装置は、筋肉に微弱な電流を流して筋肉を緊張および弛緩させることで、筋肉を収縮させる。これにより、例えば筋力強化が図られる。
電気刺激装置のユーザにとって、好適な電気刺激強度を決定することは難しい。例えば、筋肉増強を目的とする場合、耐えうる範囲で最も高い強度の電気刺激を付与すべきなのか、それ以下の強度の電気刺激でもよいのか、仮にそれ以下の強度の電気刺激でよい場合にどの程度の強度の電気刺激を付与すべきか、ユーザには判断がつかない。 It is difficult for users of electrical stimulation devices to determine the appropriate electrical stimulation intensity. For example, if the goal is to build muscle, the user cannot decide whether they should apply the highest intensity electrical stimulation that they can tolerate, whether electrical stimulation of a lower intensity is acceptable, and if electrical stimulation of a lower intensity is acceptable, what intensity of electrical stimulation should be applied.
本発明はこうした状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、好適な電気刺激強度を決定できる電気刺激システムを提供することにある。 The present invention has been made in light of this situation, and one exemplary objective of one aspect of the present invention is to provide an electrical stimulation system that can determine a suitable electrical stimulation intensity.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電気刺激システムは、ユーザの筋肉に電気刺激を付与するための刺激用電極と、ユーザのインピーダンスを測定するための複数の測定用電極の測定用電極と、刺激用電極に印加された電気信号と測定されたインピーダンスに基づく電気特性情報との関係の電気信号に関する微分値を算出する算出部と、を備える。 To solve the above problems, an electrical stimulation system according to one embodiment of the present invention includes a stimulation electrode for applying electrical stimulation to a user's muscles, a plurality of measurement electrodes for measuring the impedance of the user, and a calculation unit for calculating a differential value of an electrical signal that is related to an electrical signal applied to the stimulation electrode and electrical characteristic information based on the measured impedance.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 In addition, any combination of the above components, or mutual substitution of the components or expressions of the present invention between methods, devices, systems, etc., are also valid aspects of the present invention.
本発明によれば、好適な電気刺激強度を決定できる。 The present invention allows the appropriate electrical stimulation intensity to be determined.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The embodiments are illustrative and do not limit the invention, and all features and combinations described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. The same reference numerals are used to denote identical or equivalent components, parts, and processes shown in each drawing, and duplicate descriptions will be omitted as appropriate.
本発明を具体的に説明する前に、概要を述べる。 Before describing the invention in detail, let us provide an overview.
筋肉の筋繊維が収縮運動をすると、機械的な要因と化学的な要因により、外部から印加したときの電流密度(単位時間、単位断面積あたりに流れる電荷量)が大きくなる。すなわち、(1)機械的な要因としては、筋肉の内部に存在する動脈または静脈も収縮運動をおこし、一種のポンプ効果が現れ、流れる血流量(単位時間、単位断面積あたりに流れる血液の質量)が局所的に増加し、見かけ上、動脈または静脈内部の導電率も上昇し、結果として筋肉の電流密度が大きくなる。一方、化学的な要因としては、(2)この筋繊維の収縮運動は嫌気性代謝で、大量の乳酸を生成し、アデノシン三リン酸(ATP)の加水分解により水素イオン(H+)が発生するなどの現象が発生し、結果として筋肉の電流密度が大きくなる。つまり、筋肉が運動すると、筋肉の導電率が局所的に上昇する。 When muscle fibers contract, the current density (amount of charge flowing per unit time and unit cross-sectional area) increases when a current is applied from the outside due to mechanical and chemical factors. That is, (1) as a mechanical factor, the arteries or veins inside the muscle also contract, causing a kind of pump effect, locally increasing the amount of blood flowing (mass of blood flowing per unit time and unit cross-sectional area), and the electrical conductivity inside the arteries or veins also increases, resulting in an increase in the current density of the muscle. On the other hand, as a chemical factor, (2) the contraction of the muscle fibers is an anaerobic metabolism, producing large amounts of lactic acid, and phenomena such as the generation of hydrogen ions (H+) through the hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP) occur, resulting in an increase in the current density of the muscle. In other words, when muscles exercise, the electrical conductivity of the muscle increases locally.
本発明者らは、この知見を前提として、本実施の形態の電気刺激システムに想到した。本発明の実施の形態は、ユーザの筋肉に電気刺激を付与するための電気刺激システムに関し、特に、ユーザの筋肉に付与する好適な電気刺激強度を決定する機能、言い換えると刺激用電極に印加する好適な電気信号(電圧または電流)を決定する機能を有する電気刺激システムに関する。この決定のために、電気刺激システムは、刺激用電極に種々の電気信号を順次印加してユーザの筋肉に電気刺激を付与するとともに、ユーザのインピーダンスを測定する。電気刺激システムは、刺激用電極に印加された電気信号と、それぞれの電気信号を印加しているときに測定されたインピーダンスに基づく電気特定情報(例えば導電率)との関係の、電気信号に関する2階微分値を算出する。電気刺激システムは、2階微分値が最大となる電気信号に基づいて、トレーニングの際に刺激用電極に印加する好適な電気信号を決定する。 Based on this knowledge, the inventors have come up with the electrical stimulation system of the present embodiment. The embodiment of the present invention relates to an electrical stimulation system for applying electrical stimulation to a user's muscles, and in particular to an electrical stimulation system having a function of determining a suitable electrical stimulation intensity to be applied to the user's muscles, in other words, a function of determining a suitable electrical signal (voltage or current) to be applied to the stimulation electrodes. For this determination, the electrical stimulation system sequentially applies various electrical signals to the stimulation electrodes to apply electrical stimulation to the user's muscles and measures the impedance of the user. The electrical stimulation system calculates a second-order differential value of the electrical signal, which is a relationship between the electrical signal applied to the stimulation electrodes and electrical specific information (e.g., conductivity) based on the impedance measured when each electrical signal is applied. The electrical stimulation system determines a suitable electrical signal to be applied to the stimulation electrodes during training based on the electrical signal with the maximum second-order differential value.
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、以下では、電気刺激装置が刺激用電極に電圧を印加する場合を例に説明するが、これには限定されず、電気刺激装置は刺激用電極に電流を印加してもよい。 The following is a detailed description of an embodiment of the present invention. Note that, although the following description is given taking as an example a case in which the electrical stimulation device applies a voltage to the stimulation electrodes, the present invention is not limited to this, and the electrical stimulation device may also apply a current to the stimulation electrodes.
図1は、実施の形態に係る電気刺激システム100を示す模式図である。電気刺激システム100は、電気刺激装置10と、端末12と、を備える。電気刺激装置10は、ユーザの腕、脚または腹などの身体部位に装着される。以下、電気刺激装置10が装着された身体部位を被装着部と呼ぶ。電気刺激装置10は、被装着部の筋肉に電気刺激を与える。また、電気刺激装置10は、被装着部のインピーダンスを測定し、得られたインピーダンスデータを端末12に送信する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an
端末12は、表示部48を備える種々の情報処理端末である。端末12は、例えば、スマートフォンやタブレット端末であってもよい。端末12は、有線または無線により、電気刺激装置10と接続される。端末12は、ユーザの操作に応じて電気刺激装置10を制御する。
The
図2は、電気刺激装置10の裏面図である。図3は、電気刺激装置10が被装着部に装着された状態を示す図である。多くの場合、電気刺激装置10が装着される被装着部は、円柱形と見なすことができる。
Figure 2 is a rear view of the
電気刺激装置10は、基材14と、被装着部の筋肉に電気刺激を付与するための第1刺激用電極16および第2刺激用電極18と、測定用電極20で総称される、被装着部のインピーダンスを測定するための測定用電極20_1~20_16と、制御ユニット22と、を備える。刺激用電極の数は、複数であればよく、2つに限定されない。また、測定用電極20の数は、複数であればよく、16に限定されない。
The
基材14は、被装着部に装着される部材であり、展開時には平坦なシート状を呈する。第1刺激用電極16および第2刺激用電極18は、基材14の裏面14aに設けられる。第1刺激用電極16および第2刺激用電極18は、被装着部の周囲を周回するX方向に延在する略矩形状を有し、X方向に直交するY方向に互いに離間する。第1刺激用電極16および第2刺激用電極18はそれぞれ、基材14の裏面14aに設けられる24によって制御ユニット22と電気的に接続される。
The
複数の測定用電極20は、基材14の裏面14aに設けられる。複数の測定用電極20は、第1、第2刺激用電極16,18によって電気刺激される筋肉のインピーダンスを測定可能に設けられる。複数の測定用電極20のうちの少なくとも1つ(この例では6つ)の測定用電極20は、第1刺激用電極16と第2刺激用電極18との間に位置する。複数の測定用電極20は、X方向に一列に等間隔に並び、被装着部を環囲する。複数の測定用電極20はそれぞれ、基材14の裏面14aに設けられる配線26によって制御ユニット22と電気的に接続される。
The
配線24,26は、被装着部に接触しないように絶縁膜でコーティングされる。配線24,26は、基材14に埋め込まれてもよく、この場合、基材14が絶縁体であれば配線24,26を絶縁膜でコーティングしなくてもよい。
The wires 24, 26 are coated with an insulating film so that they do not come into contact with the mounting portion. The wires 24, 26 may be embedded in the
制御ユニット22は、電子ユニットであり、基材14内に保持される。制御ユニット22は、第1、第2刺激用電極16,18への筋肉刺激用の電圧の印加を制御する。電気刺激装置10は、特に限定されないが1から20までの20の電気刺激強度を選択できる。言い換えると、電気刺激装置10は、第1、第2刺激用電極16,18に印加する筋肉刺激用の電圧について、1から20までの20の電圧レベルを選択できる。筋肉刺激用の電圧値は電圧レベルの1次関数であり、電圧レベルが高くなるほど筋肉刺激用の電圧値は高くなる。また制御ユニット22は、複数の測定用電極20によるインピーダンスの測定を制御したりする。
The
図4は、電気刺激装置10の機能構成を示すブロック図である。図4に示す制御部ユニットの各ブロックは、ハードウエア構成としてはコンピュータのCPU(Central Processing Unit)やメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウエア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。図5の各ブロックについても同様である。
Figure 4 is a block diagram showing the functional configuration of the
制御ユニット22は、電源部30と、電気刺激制御部32と、測定制御部34と、通信部36と、を備える。電源部30は、リチウムイオン電池等の二次電池であるが、交換可能な一次電池であってもよい。電源部30は、電気刺激制御部32および通信部36に電気的に接続され、それらに電力を供給する。なお、制御ユニット22に電源ボタンが設けられてもよく、その電源ボタンの操作に応じて電源部30をオン/オフしてもよい。
The
通信部36は、端末12の通信部46(後述)との間で情報を送受信する。通信部36は、無線通信、例えばBluetooth(登録商標)などの近距離無線通信により情報を送受信してもよい。
The
電気刺激制御部32は、端末12から受信する制御指示に応じて、第1、第2刺激用電極16,18への電圧の印加を制御する。電気刺激制御部32は、所定の周波数(例えば20Hz)で第1刺激用電極16と第2刺激用電極18との間に電圧を印加したり、その電圧の印加を停止したりする。すなわち、電気刺激制御部32は、被装着部に電気刺激を付与したり、被装着部への電気刺激の付与を停止したりする。
The electrical
測定制御部34は、端末12から受信する制御指示に応じて、複数の測定用電極20による被装着部のインピーダンスデータの取得を制御する。例えば、測定制御部34は、複数の測定用電極20のうちの一対の測定用電極20(例えば、測定用電極20_1と測定用電極20_2との間)に微弱電流、例えばユーザが感知できない1mA以下の電流を供給する。測定制御部34は、一対の測定用電極20に微弱電流を流す間に、他の測定用電極20(測定用電極20_3~20_16)のそれぞれの間に生じる電位差を測定する。電流を流す測定用電極20を測定用電極20_2と測定用電極20_3、測定用電極20_3と測定用電極20_4、・・・と順次変更しながら電位差を測定することで、被装着部の断層におけるインピーダンスデータを取得する。ここでのインピーダンスデータは、抵抗値(導電率の関数)と電気容量(キャパシタンス、誘電率の関数)とを含むデータである。測定制御部34は、取得したインピーダンスデータを端末12に送信する。
The
なお、電気刺激を付与している瞬間のインピーダンスデータは、電気刺激のために印加する電力に埋もれて取得できないときがある。そのため測定制御部34は、所定の周波数の電気刺激を付与しているときにインピーダンスデータを取得する場合、電気刺激を付与する瞬間を避けたタイミングで、すなわち電気刺激と電気刺激の間のタイミングでインピーダンスデータを取得すればよく、あるいはフーリエ変換などのノイズ処理を適用すればよい。
In some cases, impedance data at the moment electrical stimulation is applied cannot be obtained because it is buried in the power applied for electrical stimulation. Therefore, when the
図5は、端末12の機能構成を示すブロック図である。端末12は、電気刺激強度決定部40と、トレーニング制御部42と、表示制御部44と、通信部46と、表示部48と、を含む。表示部48は、液晶パネルや有機ELパネルなどのタッチパネル式表示装置であり、情報を画面に表示するとともに、ユーザの操作入力を受け付ける。
Figure 5 is a block diagram showing the functional configuration of the terminal 12. The terminal 12 includes an electrical stimulation
電気刺激強度決定部40は、ユーザの筋肉に付与する好適な電気刺激強度を決定する。言い換えると、電気刺激強度決定部40は、第1、第2刺激用電極16,18に印加する好適な電圧レベル(以下、好適電圧レベルという)ひいては好適な筋肉刺激用の電圧値(以下、好適電圧値という)を決定する。
The electrical stimulation
電気刺激強度決定部40は、導電率取得部50と、筋区画抽出部51と、微分値算出部52と、好適電圧決定部54と、を含む。
The electrical stimulation
導電率取得部50は、第1、第2刺激用電極16,18に種々の電圧を順次印加したときの導電率分布を取得する。詳しくは導電率取得部50は、電気刺激装置10の制御ユニット22に、第1、第2刺激用電極16,18に種々の電圧レベルの電圧を順次印加して筋肉を刺激するとともに、そのときの被装着部のインピーダンスを測定する制御指示を送信する。導電率取得部50は、制御指示に対する応答として電気刺激装置10からインピーダンスデータを受信すると、電圧レベルごとの被装着部の導電率分布(すなわち断層画像)を再構成する。導電率取得部50による再構成は、公知の再構成方法によって実現されればよい。
The
導電率取得部50は、ユーザが指定する電圧レベルまでの複数の電圧を順次印加してもよい。導電率取得部50は、ユーザが指定する電圧レベルまでの全ての電圧レベルの電圧を順次印加してもよいし、1つまたは複数飛ばしで順次印加してもよい。例えば、電圧レベル14までの電圧レベルの電圧を順次印加する場合、電圧レベルの電圧を1つ飛ばしで順次印加してもよい。つまり、電圧レベル2,4,6,8,10,12,14の電圧レベルの電圧を順次印加してもよい。
The
導電率取得部50による制御指示は、例えば、(a)第1、第2刺激用電極16,18に5分間電圧を印加して被装着部に電気刺激を付与し、電気刺激の付与が終了したら、(b)被装着部のインピーダンスを測定し、インピーダンスの測定が終了したら、(c)電気刺激の付与もインピーダンスの測定もせずに例えば10分間休憩し、電圧レベルを上げて(a)~(c)を繰り返す指示であってもよい。
The control instruction by the
筋区画抽出部51は、各電圧レベルでの導電率分布(断層画像)から、特定の筋区画(以下、特定筋区画という)の導電率分布を抽出する。特定筋区画は、例えばユーザが指定してもよいし、また例えば導電率が最も高い筋区画であってもよい。導電率が最も高い筋区画は、導電率の空間平均値が最も高い筋区画であってもよいし、導電率の最大値が最も高い筋区画であってもよいし。
The
例えば被装着部が下腿である場合、特定筋区画は、腓腹筋、前脛骨筋、長指伸筋、長腓骨筋およびヒラメ筋の各筋区画のうちのいずれかの筋区画である。例えば、腓腹筋に電気刺激を付与するために下腿の後ろ側に第1、第2刺激用電極16,18が接触するように電気刺激装置10を装着する場合、腓腹筋を特定筋区画として指定すればよい。あるいは、その場合、必然的に腓腹筋が導電率が最も高い筋区画すなわち特定筋区画として特定される。
For example, when the part to be fitted is the lower leg, the specific compartment is any one of the compartments of the gastrocnemius, tibialis anterior, extensor digitorum longus, peroneus longus, and soleus. For example, when the
微分値算出部52は、特定筋区画の各電圧レベルでの導電率分布について、印加した電圧値と導電率との関係の電圧値に関する2階微分値を算出する。詳しくは、微分値算出部52は、特定筋区画の各電圧レベルでの導電率分布から、特定筋区画の各位置について、電圧値に関する導電率の2階微分値を算出する。図6は、電圧値に関する導電率の2階微分値のイメージを示す模式図である。図6の各断層画像は、下腿の導電率の2階微分値を示す。図6において、+x方向は右方向、+y方向は前方向、φ方向は電圧値の方向を示す。
The differential
微分値算出部52は、本実施の形態では、差分近似により2階微分値(2階差分値)を算出する。ここでは、差分近似として中心差分が用いられ、特定筋区画の各位置の2階微分値は以下の式(1)により算出される。なお、差分近似には、前進差分または後退差分が用いられてもよい。
φ:電圧値
Δφ:隣接する電圧レベル同士の電圧値の差(ステップサイズ)
σφベクトル:電圧値φを印加したときの特定筋区画の導電率分布
である。
なお、電圧レベルをn個飛ばしで順次印加する場合は、式(1)のΔφをnΔφとすればよい。
In this embodiment, the differential
φ: Voltage value Δφ: Difference in voltage value between adjacent voltage levels (step size)
σφ vector: Electrical conductivity distribution of a specific muscle compartment when a voltage value φ is applied.
When voltage levels are applied in sequence, every nth level, Δφ in equation (1) should be set to nΔφ.
好適電圧決定部54は、好適電圧レベルひいては好適電圧を決定する。好適電圧決定部54は、2階微分値が最大となる電圧レベル(以下、最大電圧レベルという)に基づいて、好適電圧レベルを決定する。
The preferred
例えば最大電圧レベルは、特定筋区画の各位置における2階微分値(2階差分値)の空間平均が最大となる電圧レベルであってもよい。また例えば最大電圧レベルは、特定筋区画の各位置における2階微分値(2階差分値)と印加電圧との関係についてカーブフィッティングを実行して得られる近似曲線の最大値における電圧レベルであってもよい。カーブフィッティングには、最小二乗法などの公知の手法を用いればよい。 For example, the maximum voltage level may be the voltage level at which the spatial average of the second derivative (second difference value) at each position of the specific muscle compartment is maximized. Alternatively, the maximum voltage level may be the voltage level at the maximum value of an approximation curve obtained by performing curve fitting on the relationship between the second derivative (second difference value) at each position of the specific muscle compartment and the applied voltage. A known method such as the least squares method may be used for the curve fitting.
また例えば最大電圧レベルは、特定筋区画のうちの代表位置における2階微分値(2階差分値)が最大となる電圧レベルであってもよい。また例えば最大電圧レベルは、特定筋区画のうちの代表位置における2階微分値(2階差分値)と印加電圧との関係についてカーブフィッティングを実行して得られる近似曲線の最大値における電圧レベルであってもよい。 For example, the maximum voltage level may be a voltage level at which the second derivative (second difference value) at a representative position of a specific muscle compartment is maximum.For example, the maximum voltage level may be a voltage level at the maximum value of an approximation curve obtained by performing curve fitting on the relationship between the second derivative (second difference value) at a representative position of a specific muscle compartment and the applied voltage.
例えば好適電圧決定部54は、最大電圧レベルを好適電圧レベルと決定してもよい。この場合、効率的に筋肉をトレーニングできる。また例えば好適電圧決定部54は、最大電圧レベルに所定の安全率(例えば0.8)を乗じて得られる電圧レベルを好適電圧レベルと決定してもよい。この場合、適度に筋肉をトレーニングできる。
For example, the preferred
また例えば好適電圧決定部54は、最大電圧レベルにユーザの運動目的(例えば筋肉増強、持久力強化、ダイエット、リハビリテーションなど)や属性(例えば年齢、性別、身長、体重など)に応じた係数を乗じて得られる電圧レベルを好適電圧レベルと決定してもよい。例えば、筋肉増強、持久力強化、ダイエット、リハビリテーションの運動目的の順に係数が大きくてもよい。また例えば、18~49歳に比べて、17歳以下および50歳以上の安全率が低くても(1.0から遠くても)よい。運動目的や属性は、予めユーザによって入力され、端末12に保持されればよい。
For example, the preferred
トレーニング制御部42は、電気刺激装置10の制御ユニット22に電気刺激に関する制御指示を送信することにより、制御ユニット22ひいては電気刺激装置10による電気刺激を制御する。制御指示は例えば、電圧レベルを含む電気刺激の開始指示や、終了指示である。この電圧レベルには、好適電圧決定部54が決定した好適電圧レベルが設定されてもよく、例えば自動で設定されてもよい。
The
また、トレーニング制御部42は、電気刺激装置10の制御ユニット22にインピーダンスデータの取得指示を送信することにより、制御ユニット22ひいては電気刺激装置10によるインピーダンスの取得を制御する。トレーニング制御部42は、電気刺激装置10からインピーダンスデータを受信すると、被装着部の導電率分布(すなわち断層画像)を再構成する。トレーニング制御部42による再構成は、公知の再構成方法によって実現されればよい。
The
表示制御部44は、表示部48への表示を制御する。例えば表示制御部44は、各位置の導電率の2階微分(差分)値を示す画像(すなわち導電率2階微分画像)を表示部48に表示する。図7は、導電率2階微分画像を表示する画面の一例を示す図である。この画面を表示部48に表示することで、画像から最大電圧レベルを特定することもできる。
The
また例えば表示制御部44は、好適電圧値決定部が決定した好適電圧レベルを表示部48に表示する。また例えば表示制御部44は、トレーニングの際の被装着部の導電率分布を示す断層画像を表示部48に表示する。
For example, the
以上が電気刺激システム100の基本構成である。続いてその動作を説明する。ここでは、好適電圧レベルを決定する動作について説明する。
The above is the basic configuration of the
ユーザは、電気刺激装置10を装着後、端末12に好適電圧レベルを決定するための処理の開始指示を入力する。端末12は、電気刺激装置10に、第1、第2刺激用電極16,18に種々の電圧レベルの電圧を順次印加して筋肉を刺激するとともに、そのときの被装着部のインピーダンスを測定する制御指示を送信する。電気刺激装置10は、制御指示を受信すると、電気刺激の付与とインピーダンスの測定を、休憩を挟みながら繰り返し実行する。端末12は、制御指示に対する応答として電気刺激装置10からインピーダンスデータを受信すると、付与した電気刺激強度のレベルごとに被装着部の導電率分布を再構成する。端末12は、電圧レベルごとの導電率分布から、特定筋区画の導電率分布を抽出する。端末12は、抽出した特定筋区画の導電率分布について、電圧値と導電率分布との関係の電圧値に関する2階微分値(2階差分値)を算出する。端末12は、電圧値に関する導電率の2階微分値が最大となる電圧値に基づいて、好適電圧値を決定する。
After wearing the
以上が電気刺激システム100の動作である。続いて、本実施の形態が奏する効果について説明する。
The above is the operation of the
図8(a)~(c)は、本実施の形態に係る電気刺激システム100の効果を説明するための図である。図8(a)は、電気刺激装置10により、或る代表的な被験者に電圧レベル2,4,6,8,10,12,14の電圧をそれぞれ印加したときの特定筋区画の導電率の平均値を示すグラフであり、図8(b)、(c)はその1階微分値、2階微分値を示すグラフである。なお、特に限定しないが、この例では、電圧レベル2,4,6,8,10,12,14の電圧はそれぞれ以下の通りである。
電圧レベル2 :13.57V
電圧レベル4 :16.71V
電圧レベル6 :19.85V
電圧レベル8 :22.99V
電圧レベル10:26.13V
電圧レベル12:29.27V
電圧レベル14:32.41V
8(a) to 8(c) are diagrams for explaining the effect of the
Voltage level 2: 13.57V
Voltage level 4: 16.71V
Voltage level 6: 19.85V
Voltage level 8: 22.99V
Voltage level 10: 26.13V
Voltage level 12: 29.27V
Voltage level 14: 32.41V
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、筋肉刺激用の電圧と、その電圧を印加したときの筋肉の導電率との関係は、概ねシグモイド関数をX軸方向にオフセットさせた関数に従うことを発見した。つまり、筋肉刺激用の電圧を上昇させたときの筋肉の導電率は、或る程度の電圧までは緩やかに上昇し、その後急激に上昇し、さらにその後は緩やかに上昇することを発見した。この特徴は、図8(a)からも見て取れる。導電率が当該関数に従う場合、2階微分値が最大になる電圧は、1階微分値が最大になる電圧よりも必ず低くなる。 After extensive research, the inventors discovered that the relationship between the voltage for stimulating muscles and the conductivity of the muscles when that voltage is applied roughly follows a function that is a sigmoid function offset in the X-axis direction. In other words, they discovered that when the voltage for stimulating muscles is increased, the conductivity of the muscles increases slowly up to a certain voltage, then increases rapidly, and then increases slowly again. This characteristic can also be seen in Figure 8(a). When the conductivity follows this function, the voltage at which the second derivative is maximized will always be lower than the voltage at which the first derivative is maximized.
本発明者らが多数の被験者を対象に行った検証では、1階微分値が最大となる電圧あたりから、人によっては電気刺激により多少の痛みを感じ始めることがわかっている。また、図8(b)から明らかなように、1階微分値が最大となる電圧を超えると、それ以上に電圧を上げても導電率の上昇が鈍くなる。つまり、筋肉の収縮量の上昇が鈍くなる。したがって、1階微分値が最大となる電圧以上の電圧を印加しても、痛みが強くなる割に、トレーニングの効率は上がらないといえる。 The inventors' tests on a large number of subjects have shown that some people begin to feel some pain from electrical stimulation at around the voltage at which the first derivative is at its maximum. As is clear from FIG. 8(b), once the voltage exceeds the voltage at which the first derivative is at its maximum, the increase in conductivity slows down even if the voltage is increased beyond that. In other words, the increase in the amount of muscle contraction slows down. Therefore, it can be said that applying a voltage above the voltage at which the first derivative is at its maximum does not improve the efficiency of training, despite the increased pain.
一方で、2階微分値が最大になる電圧は、上述のように、1階微分値が最大になる電圧よりも必ず低くなる。そのため、2階微分値が最大になる電圧は、1階微分値が最大となる電圧と比べ、より安全(快適)な電圧といえる。また、本発明者らが多数の被験者を対象に行った検証では、2階微分値が最大になる電圧を印加しても痛みを感じる人はほとんどいなかった。また、2階微分値の最大になる電圧は、1階微分値が最大となる電圧と比べてそれほど低い電圧ではなく、したがって筋肉をそれなりに収縮させることができる。 On the other hand, as mentioned above, the voltage at which the second differential value is maximized is always lower than the voltage at which the first differential value is maximized. Therefore, the voltage at which the second differential value is maximized can be said to be a safer (more comfortable) voltage than the voltage at which the first differential value is maximized. Furthermore, in a test conducted by the inventors on a large number of subjects, almost no one felt pain even when a voltage at which the second differential value was maximized was applied. Furthermore, the voltage at which the second differential value is maximized is not that low compared to the voltage at which the first differential value is maximized, and therefore the muscles can be contracted to a certain extent.
以上より、2階微分値が最大になる電圧すなわち最大電圧レベルに基づいて好適電圧レベルを決定すれば、安全かつ効率的に筋肉をトレーニングできることがわかる。 From the above, it can be seen that muscles can be trained safely and efficiently by determining the suitable voltage level based on the voltage at which the second derivative is maximized, i.e., the maximum voltage level.
また、本実施の形態によれば、特定筋区画の導電率分布が抽出され、抽出された導電率分布に基づいて2階微分値が算出される。これにより、より的確に特定筋区画に電圧レベルを決定できる。 In addition, according to this embodiment, the conductivity distribution of a specific muscle compartment is extracted, and a second-order differential value is calculated based on the extracted conductivity distribution. This makes it possible to more accurately determine the voltage level for a specific muscle compartment.
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described above based on an embodiment. This embodiment is merely an example, and those skilled in the art will understand that various modifications are possible in the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention. Below, such modifications are described.
(変形例1)
実施の形態では特に言及しなかったが、脂肪の厚さと好適電圧レベルとの間には或る程度の相関関係があり、脂肪が厚いほど好適電圧レベルが高くなる傾向にある。そこで本変形例では、脂肪の厚さを特定し、特定した脂肪の厚さから好適電圧レベルの候補(以下、好適電圧レベル候補という)を特定する。そして導電率取得部50による導電率分布の取得では、好適電圧レベル候補に基づく所定の電圧レベルの範囲の電圧レベルの電圧を、順次印加する。以下、実施の形態との相違点を中心に説明する。
(Variation 1)
Although not specifically mentioned in the embodiment, there is a certain correlation between fat thickness and the preferred voltage level, and the thicker the fat, the higher the preferred voltage level tends to be. Therefore, in this modification, the fat thickness is specified, and a suitable voltage level candidate (hereinafter referred to as a suitable voltage level candidate) is specified from the specified fat thickness. Then, when the
図9は、変形例に係る端末12の機能構成を示すブロック図である。本変形例の電気刺激強度決定部40は、導電率取得部50と、筋区画抽出部51と、微分値算出部52と、好適電圧決定部54と、脂肪厚さ特定部56と、候補決定部58と、対応関係保持部60と、を含む。
Figure 9 is a block diagram showing the functional configuration of the terminal 12 according to the modified example. The electrical stimulation
対応関係保持部60は、被装着部の脂肪の厚さと、好適電圧レベル候補との対応関係データを保持する。図10は、対応関係データの一例を示す図である。この例では、対応関係データは、脂肪の厚さの範囲と、好適電圧レベル候補とを対応付けたデータである。
The
対応関係は、予め、数多くのユーザについて、例えば電気刺激システム100を用いて、脂肪の厚さを後述のように特定し、さらに好適電圧レベルを後述のように特定し、特定されたそれらのデータに基づいて作成されればよい。
The correspondence relationship may be created in advance for a large number of users, for example, by using the
脂肪厚さ特定部56は、被装着部の脂肪の厚さを特定する。脂肪厚さ特定部56は、電気刺激装置10の制御ユニット22に、インピーダンスの測定を指示する制御指示を送信する。脂肪厚さ特定部56は、制御指示に対する応答として電気刺激装置10からインピーダンスデータを受信すると、被装着部の導電率分布(断層画像)を再構成する。脂肪厚さ特定部56による再構成は、公知の再構成方法によって実現されればよい。脂肪厚さ特定部56は、脂肪、筋肉および骨の導電率の違いから、例えばフィルタ処理によって、被装着部の導電率分布から脂肪の導電率分布を特定する。脂肪厚さ特定部56は、特定した脂肪の導電率分布から、脂肪の厚さを特定する。脂肪の厚さは、代表値であってもよいし、空間平均値であってもよい。
The fat
脂肪の厚さは、超音波による計測などの他の手法により特定されてもよい。この場合、脂肪厚さ特定部56は、他の手法により特定された脂肪の厚さを取得すればよい。
The fat thickness may be determined by other methods, such as ultrasonic measurement. In this case, the fat
候補決定部58は、特定された脂肪の厚さと、対応関係保持部に保持される対応関係データから、好適電圧レベル候補を決定する。例えば、脂肪の厚さが2.5mmの場合、電圧レベル3が好適電圧レベル候補として決定される。
The
導電率取得部50は、好適電圧レベル候補に基づく所定の範囲の電圧レベルの電圧を順次印加する。例えば所定の範囲は、好適電圧レベル候補に基づく電圧レベルの範囲であり、例えば、好適電圧レベル候補がLcである場合、Lc-mからLc+nまでの範囲(m,nはいずれも正の整数)であってもよいし、1からLc+nまでの範囲であってもよい。
The
本変形例によれば、導電率取得部50が導電率分布を取得する電圧レベルの範囲が限定されるため、導電率分布の取得ひいては好適電圧レベルの決定に要する時間を短くできる。
According to this modified example, the range of voltage levels at which the
(変形例2)
実施の形態では、複数の測定用電極20がX方向に一列に並ぶように設けられる場合について説明したが、これに限られず、X方向に複数列に並ぶように設けられてもよい。例えば、複数の測定用電極20は、第1刺激用電極16に対して第2刺激用電極18とは反対側、第1刺激用電極16と第2刺激用電極18との間、第2刺激用電極18に対して第1刺激用電極16とは反対側、に3列に並ぶように設けられてもよい。この場合、複数層の導電率分布(断層画像)が得られる。
(Variation 2)
In the embodiment, the case where the
例えば微分値算出部52は、複数層の導電率分布のそれぞれから抽出される各電圧レベルの特定筋区画の導電率分布から、当該特定筋区画の各位置について、電圧値に関する導電率の2階微分値を算出する。例えば好適電圧決定部54は、複数層の特定筋区画の各位置における2階微分値(2階差分値)の空間平均が最大となる電圧レベルに基づいて、好適電圧レベルを決定する。
For example, the differential
(変形例3)
実施の形態では、電気刺激装置10が刺激用電極を一対のみ備える場合について説明したが、これに限定されず、電気刺激装置10が複数対の刺激用電極を備え、それら複数対の刺激用電極が例えばX方向に並ぶように設けられてもよい。この場合、刺激用電極対ごとに、言い換えると刺激用電極対に対応する筋区画ごとに、電圧レベルが決定されてもよい。
(Variation 3)
In the embodiment, the
例えば被装着部が下腿である場合において、電気刺激装置10が二対の刺激用電極を備え、そのうちの一対の刺激用電極が腓腹筋を電気刺激し、もう一対の刺激用電極がヒラメ筋を電気刺激するように電気刺激装置10が装着される場合、腓腹筋およびヒラメ筋の筋区画ごとに、すなわち刺激用電極対ごとに、好適電圧レベルが決定されてもよい。この場合、電気刺激強度決定部40の各部材は、筋区画ごとすなわち刺激用電極対ごとに、それぞれの処理を実行すればよい。例えば、まず腓腹筋が特定筋区画であるとして筋区画抽出部51、微分値算出部52、好適電圧決定部54がそれぞれの処理を実行して腓腹筋に対する好適電圧レベルを決定し、次にヒラメ筋が特定筋区画であるとして筋区画抽出部51、微分値算出部52、好適電圧決定部54がそれぞれの処理を実行してヒラメ筋に対する好適電圧レベルを決定すればよい。つまり、複数の筋区画のそれぞれについて、電圧値に関する導電率の2階微分値を算出し、算出した2階微分値に基づいて好適電圧レベルが決定されればよい。
For example, when the part to be worn is the lower leg, the
(変形例4)
実施の形態では、電圧値に関する導電率の2階微分値に基づいて好適電圧レベル(好適電圧値)を決定する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、電圧値に関する導電率の1階微分値に基づいて好適電圧レベルを決定してもよい。この場合、微分値算出部52は、電圧レベルごとの特定筋区画の導電率分布から、当該特定筋区画の各位置について、電圧値に関する導電率の1階微分値を算出する。ここで、電圧レベルを上げると導電率が上がり、あるところまで電圧レベルを上げると、電圧レベルをそれ以上に上げても導電率が上がらなくなる、つまり導電率の上昇は止まって一定の値に落ち着くと考えられる。したがって、電圧レベルをそれ以上に上げても、電気刺激が強くなって痛みを感じるようになるだけで筋肉の収縮量はそれほど上昇しない。すなわち、電圧レベルをそれ以上に上げても、効率的かつ安全に筋肉をトレーニングできない。そこで本変形例では、導電率が一定の値に落ち着くときの電圧レベルを好適電圧レベルとする。導電率が一定の値に落ち着くときには導電率の1階微分は0に近づく。したがって、好適電圧決定部54は、電圧値に関する導電率の1階微分値が0あるいは所定値以下となる電圧レベルを好適電圧レベルと決定する。
(Variation 4)
In the embodiment, the case where the suitable voltage level (suitable voltage value) is determined based on the second derivative of the conductivity with respect to the voltage value has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the suitable voltage level may be determined based on the first derivative of the conductivity with respect to the voltage value. In this case, the differential
(変形例5)
実施の形態および上述の変形例では、インピーダンスデータに基づいて被装着部の導電率分布を得る場合について説明したが、インピーダンスデータに基づいて被装着部の誘電率あるいは位相の分布を再構成してもよい。この場合、実施の形態および上述の変形例において導電率を「誘電率」または「位相」に読み替えればよい。
(Variation 5)
In the embodiment and the above-mentioned modified example, the case where the conductivity distribution of the attached part is obtained based on the impedance data has been described, but the dielectric constant or phase distribution of the attached part may be reconstructed based on the impedance data. In this case, the conductivity in the embodiment and the above-mentioned modified example may be read as "dielectric constant" or "phase".
(変形例6)
電気刺激装置10の制御ユニット22が、実施の形態および上述の変形例における端末12の電気刺激強度決定部40の機能の少なくとも一部を有していてもよい。この場合、電気刺激装置10は、制御ユニット22がユーザに通知するための表示部を備えていてもよい。
(Variation 6)
The
上述した実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。 Any combination of the above-mentioned embodiments and modifications is also useful as an embodiment of the present invention. The new embodiment resulting from the combination has the combined effects of each of the combined embodiments and modifications.
また、請求項に記載の各構成要件が果たすべき機能は、実施の形態および変形例において示された各構成要素の単体もしくはそれらの連係によって実現されることも当業者には理解されるところである。 It will also be understood by those skilled in the art that the functions to be performed by each of the constituent elements described in the claims can be realized by each of the constituent elements shown in the embodiments and modifications individually or in combination with each other.
10 電気刺激装置、 12 端末、 16 第1刺激用電極、 18 第2刺激用電極、 20_1~20_16 測定用電極、 52 微分値算出部、 100 電気刺激システム。 10 Electrical stimulation device, 12 Terminal, 16 First stimulation electrode, 18 Second stimulation electrode, 20_1 to 20_16 Measurement electrodes, 52 Differential value calculation unit, 100 Electrical stimulation system.
Claims (9)
ユーザのインピーダンスを測定するための複数の測定用電極と、
前記複数の測定用電極によって測定されたインピーダンスに基づく電気特性情報であって、前記刺激用電極に印加された電気信号に対応して変化するインピーダンスに基づく電気特性情報の電気信号による微分値を算出する微分値算出部と、
を備える電気刺激システム。 Stimulating electrodes for applying electrical stimulation to the muscles of a user;
a plurality of measurement electrodes for measuring the impedance of a user;
a differential value calculation unit that calculates a differential value of the electrical characteristic information based on the impedance measured by the plurality of measurement electrodes , the electrical characteristic information being based on the impedance that changes in response to the electrical signal applied to the stimulation electrode; and
An electrical stimulation system comprising:
前記空間における前記微分値の分布画像を所定の表示部に表示させる表示制御部をさらに備える請求項1に記載の電気刺激システム。 The differential value calculation unit calculates the differential value for each position in a predetermined space,
The electrical stimulation system according to claim 1 , further comprising a display control unit that causes a distribution image of the differential values in the space to be displayed on a predetermined display unit.
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