JP2821525B2

JP2821525B2 - 刺激装置及び環境制御装置

Info

Publication number: JP2821525B2
Application number: JP19779389A
Authority: JP
Inventors: 望星宮; 康延半田; 正彦田中; 隆久本; 清一石川
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1989-07-29
Filing date: 1989-07-29
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH0360676A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、麻痺患者のための刺激装置及び環境制御装
置に関する。

〔従来の技術〕

従来、重度に四肢の麻痺した運動麻痺患者の麻痺した
四肢を回復させるために、筋電図，脳波，顎，肩，首等
の機械的変位及び音声等の随意的生体信号等を動作命令
信号源とし、上述した各部に取付けたセンサからの信号
を機能的電気刺激（FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATIO
N:以下FESと記す）コンピュータを用いて処理し、筋肉
又は神経近傍に埋込まれた電極に上述のFESコンピュー
タでプログラムされた電気的な刺激を与え、それによっ
て引き起こされた筋収縮で患者の意図する四肢の動作を
行なう様にした刺激装置が特開昭59−160455号公報に開
示されている。この様なFESコンピュータによる刺激装
置は、四肢のみならず呼吸筋，躯幹筋，泌尿生殖器等の
運動機能を働かせることが可能で、特に脳卒中や脊髄損
傷等で生じた運動麻痺で生ずる筋萎縮，筋短縮，筋及び
関節の拘縮，骨萎縮，筋の痙性そして循環障害等の治療
効果が顕著である。

上述したような刺激装置は種々の構成のものが提案さ
れているが、例えば特開昭61−217174号公報には、以下
に説明するような刺激装置が開示されている。そこで、
第６図を参照して、かかる従来の刺激装置について説明
する。第６図において、（28₁），（28₂），（28₃），
‥‥，（28n）は運動麻痺患者の残存する音声，関節，
筋肉変位，呼吸，生体電位（脳波，筋電図，生体活動電
位）、その他の生体より得られる各種生体信号を検出す
る検出手段であり、これら検出手段（28₁）〜（28n）か
らの検出信号は信号処理手段（29）を構成するA/Dコン
バータで検出信号をディジタル化した制御信号としてFE
Sコンピュータ（30）に供給する。FESコンピュータ（3
0）は各制御信号毎の刺激データをコンピュータ内の記
憶手段（34）に記憶された刺激データを選択する。この
記憶手段（34）に記憶する刺激データは患者毎に大型の
開発用コンピュータ（32）でROMに刺激データが書き込
まれたものをFESコンピュータ（30）の記憶手段（34）
に差し込む様に成されている。

上述のFESコンピュータ（33）で選択された刺激デー
タに基づいて刺激パルス列を作って生体に埋込まれた複
数の電極（31）を刺激することで麻痺部分を活動させる
様にしている。

又、本出願人より先に出願された特願昭62−302412号
には、以下に説明するような刺激装置が提案されてい
る。即ち、かかる刺激装置では、健常者（麻痺していな
い正常者）の関節，筋肉変位等を検出した筋電図波形を
エンベローブ検波し、このエンベローブ波形をサンプリ
ングしたパルス列を得、このパルス列の各パルスの電圧
振幅又はパルス幅をディジタル値とした刺激パターンデ
ータを記憶手段に記憶しておき、その刺激パターンデー
タを読出した後、これをD/A変換して刺激パルスを得る
ようにしている。そして、その刺激パルスを麻痺患者の
残存する機能動作に関連した筋肉又は神経の近傍に埋込
れた刺激用電極に供給すると共に、この刺激パルスの振
幅又はパルス幅を変化させて、個々の筋群のスレッシュ
ホールドレベルを健常者の筋群のスレッシュホールドレ
ベルを参考にして決定し、患者個人をに適合したパター
ンに修正してこれを記憶手段に記憶させることにより、
その患者に適した刺激パルスを患者の体内に埋め込まれ
ている刺激用電極に供給するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて、上述した刺激装置を用いて、脊髄損傷による四
肢麻痺患者が、残存機能を利用して、例えば声を出す等
の動作を行ない、これを音声検出手段に検出させ、これ
に基づいて例えば麻痺している手に貼り付けられている
電極に刺激パルスを与え、これによって手を動かしてコ
ップを掴む場合、声を出す動作と、コップを掴む動作と
は直接関係のない動作であるため、それの習得に時間が
掛り、又、患者に煩しさを感じさせると共に、ある希望
する動作に対応する他の動作を数種或は数十種類覚えな
ければならないという大変な負担が患者にかかる。

従って、患者が身体の動かしたい部分になるべく近い
所に検出手段を取付けることが望ましい。従って、生体
電位検出手段、即ち、患者の表皮に貼り付けられた電極
によって、例えば患者の残存機能が肩であれば、肩にそ
の電極を貼り付け、患者が肩を動かしたり、肩に力を入
れたりすると、肩に貼り付けた電極が生体電位を検出
し、これに基づいて手に貼り付けられた電極に刺激パル
スを与えて、手にコップを掴ませるようにすれば良い。
しかし、この電極は手の表皮に貼り付けられているの
で、貼り付けた電極の皮下にある筋全体の生体電位を検
出することになり、その都度電極の貼り付けが必要であ
るため煩雑であり、長期間に亘って安定に生体信号を検
出することが困難と成ると共に、掴む強さを肩に入れた
力で制御すると、仮に、掴むコップがガラスではなく、
紙で作られたものであれば、コップを掴り潰してしまう
ことも考えられる。更に、個々の筋の生体電位を利用す
ることによる麻痺部分の選択的刺激が困難である。

又、神経束にインパルスが存在しても、神経筋接合部
の機能低下が筋活動を行うことのできない重症筋無力症
の患者や重度の四肢麻痺患者が外部の物、或は人とコミ
ュニケーションを行う際に上述した刺激装置を応用する
のは困難である。

かかる点に鑑み、本発明は、麻痺患者の残存機能動作
と関連した筋肉又は神経から、長期間に亘って安定した
生体信号を検出し得、この検出した生体信号に基づい
て、麻痺患者の麻痺筋肉を高選択性を以て、高機能且つ
高精度に刺激することのできる刺激装置を提案しようと
するものである。

更に、本発明は、麻痺患者の残存機能動作と関連した
筋肉又は神経から、長期間に亘って安定した生体信号を
検出し得、この検出した生体信号に基づいて、被制御機
器を高選択性を以て、容易且つ高精度に制御することの
できる環境制御装置を提案しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明は、麻痺患者（３）の残存する機能動作に
関連した筋肉（19）又は神経（18）の近傍に埋込まれる
生体信号検出電極（１）と、麻痺患者（３）の麻痺筋肉
刺激用の刺激パルスを記憶する記憶手段（７）と、その
記憶手段（７）から読み出された刺激パルスが供給され
る麻痺患者（３）の麻痺筋肉刺激電極（２）とを有し、
生体信号検出電極（１）によって生体信号が検出された
ときは、記憶手段（７）から刺激パルスを読み出して、
麻痺筋肉刺激電極（２）に供給するようにした刺激装置
である。

第２の本発明は、麻痺患者（３）の残存する機能動作
に関連した筋肉（19）又は神経（18）の近傍に埋込まれ
る生体信号検出電極（１）と、その生体信号検出電極
（１）からの生体信号に基づいて、麻痺患者（３）が操
作すべき被制御機器（21₁〜21n）に供給する制御信号を
形成する制御信号形成回路（6,7,8,10）とを有するもの
である。

〔作用〕

第１の本発明によれば、生体信号検出電極（１）によ
って生体信号が検出されると、記憶手段（７）から刺激
パルスを読み出して、麻痺筋肉刺激電極（２）に供給す
る。

第２の本発明によれば、麻痺患者（３）の残存する機
能動作に関連した筋肉（19）又は神経（18）の近傍に埋
込まれる生体信号検出電極（１）からの生体信号に基づ
いて、制御信号形成回路（6,7,8,10）からの制御信号を
被制御機器（21₁〜21n）に供給する。

〔実施例〕

以下に、第１図を参照して、本発明の第１の実施例を
詳細に説明しよう。第１図は、本発明の第１の実施例で
ある刺激装置を示し、（３）は麻痺患者、即ち、脳卒
中，脊髄損傷，重症筋無力症及びその他の原因で身体に
運動性麻痺をきたした患者である。

（１）は検出電極で、同図に示すように麻痺患者
（３）の肩の筋肉又は神経の近傍、即ち、モーターポイ
ント（20）（第４図参照）に埋込まれ、筋肉又は神経の
生体信号、即ち、活動電位（インパルス）を検出する。
（２）は刺激電極で、麻痺患者（３）の手の筋肉又は神
経の近傍、即ちモーターポイント（20）（第４図参照）
に埋込まれている。そして検出電極（１）及び刺激電極
（２）は例えば多重撚線を用い、第２図に示されるよう
に、かぎ状固定部（11）と、螺旋状固定部（12）と、生
体電位導入又は導出部（13）から構成される。そして、
検出電極（１）の生体電位導出部（13）は、後述するア
イソレーションアンプ（４）の入力端子に接続され、刺
激電極（２）の生体電位導入部（13）はコンデンサＣを
介して、後述するD/Aコンバータ（８）の出力端子に接
続されている。

上述した各電極（１）及び（２）のかぎ状固定部（1
1）以外の螺旋状固定部（12）及び生体電位導出又は導
入部（13）は、第３図の断面図のように、多数、例えば
19本のリード線（14）を撚りあわせて撚線を形成し、そ
の周囲を絶縁材、例えば、テフロンでコーティングす
る。（15）はそのコーティング部を示す。

又、電極（１），（２）のかぎ状固定部（11）及び生
体電位導入又は導出部（13）の部分のみ、コーティング
部（15）が除去されている。又、かぎ状固定部（11）
は、撚線の先端を単に鋭角に折曲げて形成する。

尚、第３図に示す複数のリード線（14）から成る撚線
を複数束ね、又はそれを更に撚り、これにテフロン等で
コーティングを施して、上述の電極（１），（２）を構
成するようにしても良い。

そして、第４図Ａに示すように、検出電極（１）又は
刺激電極（２）は、ベニューラ針（16）の内部に通され
て身体の所定部位に刺され、神経（18）と筋（19）の接
合部であるモーターポイント（図中破線の円で示す）
（20）に達すると、同図Ｂに示す如くベニューラ針（1
6）が引き抜かれ、検出電極（１）又は刺激用電極
（２）は麻痺患者（３）の体内に残り、その螺旋状固定
部（12）は時間の経過と共に、組織と密接に結合され
る。

再び第１図に戻って説明するに、（４）はフォトカプ
ラを内蔵するアイソレーションアンプで、これに上述し
た検出電極（１）の生体電位導出部（13）が接続され
る。（５）はアイソレーション電源で、アイソレーショ
ンアンプ（４）専用の電源である。（６）はA/Dコンバ
ータで、アイソレーションアンプ（４）から供給される
アナログ信号をディジタル信号に変換して、バス（デー
タバス，アドレスバス及びコントロールバスから成る）
（11）を介して、メモリ（７）に供給する。メモリ
（７）は例えば「コップを掴む」等の健常人からサンプ
ルしたデータを麻痺患者（３）に合うように修正された
各種の刺激パターンデータが記憶されている。メモリ
（７）から読み出されたディジタルデータは、データバ
ス（11）を介してD/Aコンバータ（８）に供給されるこ
とによって、アナログ刺激パルスに変換され、コンデン
サＣを介して刺激電極（２）に供給される。（９）は電
源で、A/Dコンバータ（６），メモリ（７）,D/Aコンバ
ータ（８）に動作電圧を供給する。CPU（10）はバス（1
1）を介して、A/Dコンバータ（６），メモリ（７）及び
D/Aコンバータ（８）を制御するように成されている。

次に麻痺患者が「コップを掴む」という動作を行いた
い場合を例にとって、上述した刺激装置の動作を説明す
る。尚、「コップを掴む」という動作に必要な刺激電極
（２）は複数本用いて手の各部に刺すことが必要である
が、ここでは説明の簡単のため、これを１本で説明す
る。

先ず、CPU（10）の制御の下に、メモリ（７）に記憶
されている、健常人の「コップを掴む」という動作に関
連した刺激パターンデータがバス（11）を介してD/Aコ
ンバータ（８）に供給されて、その刺激パターンデータ
がアナログ信号（刺激パルス）に変換されて、コンデン
サＣを介して麻痺患者（３）の「コップ掴む」という動
作に関連した筋肉又は神経近傍、即ち、モーターポイン
ト（20）（第４図参照）に埋込まれている刺激電極
（２）に供給される。そして、その刺激パルスのレベル
を徐々に変化させ（プログラムで）、麻痺患者（３）が
正確に「コップを掴む」という動作を行った時点での刺
激パターンデータをメモリ（７）に記憶させる。

次に、麻痺患者（３）で左肩に力を入れるか或は左肩
を動かすか、又はこれらの動作を試みると、モーターポ
イント（20）（第４図参照）に埋込まれた検出電極
（１）に、筋（19）や神経（18）からの生体電圧が供給
される。そして、この生体電圧はアイソレーションアン
プ（４）に供給されて、所定のレベルに増幅された後、
A/Dコンバータ（６）に供給される。A/Dコンバータ
（６）は、アイソレーションアンプ（４）から生体電圧
が供給されると、この生体電圧をディジタルデータに変
換してデータバス（11）を介してCPU（10）に供給す
る。データバス（11）を介してA/Dコンバータからディ
ジタルデータが供給されたCPU（10）は、ディジタルデ
ータに応じた刺激パルスを刺激電極（２）に供給するよ
うに成す。

従って、「コップを掴む」という動作に関連する筋
（19）或いはその筋（19）を掌る神経（18）が生ずる電
位の強弱を麻痺患者（３）の肩の筋（19）或はその筋
（19）を掌る神経（18）が生ずる電位の強弱と対応させ
ることによって、麻痺患者（３）は掴むコップの材質に
応じて肩に入れる力を加減して、例えば紙コップを潰す
ことなく掴むことができる。

尚、検出電極（１）及び刺激電極（２）の身体に対す
る埋込み位置が近い場合は、検出電極（１）からの生体
信号をゲートを用いて取込むようにして、刺激電極
（２）からの刺激パルスの影響を除去するようにする。

次に、第５図を参照して、本発明の第２の実施例を説
明する。第５図は本発明の第２の実施例である環境制御
装置を示すが、第５図において第１図と対応する部分に
は同一符号を付して重複説明を省略する。第５図におい
て（21）｛（21₁），（21₂），（21₃），‥‥，（21
n）｝は被制御装置で、この被制御装置（21）は例えば
電話機,AV（AUDIO VISUAL:オーディオ・ビジュアル）機
器（例えばステレオ再生装置、テレビ受像機等），照明
装置，インターホン，ワードプロセッサ，ベッド等の麻
痺患者（３）の生活環境を豊かにするものである。そし
て、各被制御装置（21）は、被制御装置の別、その制御
の態様に応じたD/Aコンバータ（８）から出力された制
御信号によって制御されるようになされる。この第２の
実施例の場合も、第１の実施例と同様の検出電極（１）
が麻痺患者（３）の肩のモーターポイント（20）に固定
されている。

次に、麻痺患者（３）の肩に埋込まれている検出電極
（１）が検出する生体信号によって、被制御機器（21）
を制御する動作について説明する。

例えば、麻痺患者（３）が肩に入れる力の強さ，力を
入れる肩の左右の別（この場合は、両肩に夫々検出電極
を埋込む必要がある）、所定期間に肩に力を入れた回数
等によって、制御すべき被制御装置（21）の選択，制御
の態様の選択等を行い、これに応じてCPU（10）によっ
て制御すべき被制御装置（21）の別，制御の態様に応じ
た制御信号をD/Aコンバータ（８）から出力させ、これ
によって、被制御装置（21）のいずれかに制御信号を供
給するようにする。

尚、上述した環境制御装置では、麻痺患者（３）が麻
痺患者（３）の左肩に埋込まれた１本の検出電極（１）
で１つの被制御装置（21）を制御する場合について説明
したが、麻痺患者（３）が自己の身体の複数箇所に埋込
まれた複数の検出電極（１）から検出された生体信号に
基づいて、複数の被制御装置（21）を制御するようにし
ても良い。

尚、被制御装置（21）に対する制御が簡単な場合は、
CPU（10），メモリ（７）等を設けずに、検出電極
（１）からの生体信号に基づいて、制御の信号を形成す
る回路を設け、この回路からの制御信号に基づいて被制
御機器を直接制御するようにしても良い。

〔発明の効果〕

上述せる第１の本発明によれば、麻痺患者の残存機能
動作と関連した筋肉又は神経から、長期間に亘って安定
した生体信号を検出し得、この検出した生体信号に基づ
いて、麻痺患者の麻痺筋肉を高選択性を以って、高機能
且つ高精度に刺激することのできる刺激装置を得ること
ができる。

上述せる第２の本発明によれば、麻痺患者の残存機能
動作と関連した筋肉又は神経から、長期間に亘って安定
した生体信号を検出し得、この検出した生体信号に基づ
いて、被制御機器を高選択性を以って容易且つ高精度に
制御することのできる環境制御装置を得ることができ
る。

尚、外部とのコミュニケーションの可能性の低かった
重症筋無力症の患者の場合、神経束にインパルスが存在
しても、神経と筋肉との接合部（モータポイント）の機
能低下で筋活動が行なわれないとされているが、本発明
による刺激装置及び環境制御装置の場合は神経のインパ
ルスも検出できるので、これに基づくその患者の麻痺筋
肉の刺激及び被制御機器の制御の可能性が高まり、外部
とのコミュニケーションの可能性が高く成る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の刺激装置を示すブロ
ック図、第２図は検出電極又は刺激電極を示す線図、第
３図はその検出電極又は刺激電極の断面図、第４図はそ
の検出電極又は刺激電極を生体へ埋込む方法を示す図、
第５図は本発明による第２の実施例の環境制御装置を示
すブロック線図、第６図は従来の刺激装置を示すブロッ
ク線図である。（１）は検出電極、（２）は刺激電極、（３）は麻痺患
者、（４）はアイソレータアンプ、（５）はアイソレー
タ電源、（６）はA/Dコンバータ、（７）はメモリ、
（８）はD/Aコンバータ、（９）は電源、（10）はCPU、
（11）はかぎ状固定部、（12）は螺旋状固定部、（13）
は生体電位導出又は導入部、（14）はリード線、（15）
はコーティング部、（16）はベニューラ針、（17）は皮
膚、（18）は神経、（19）は筋、（20）はモーターポイ
ント、（21）｛（21₁）〜（21n）｝は被制御装置であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者星宮望宮城県仙台市青葉区川内（無番地）川内住宅11―106 (72)発明者半田康延宮城県仙台市若林区大和町２―１―９ (72)発明者田中正彦東京都小平市天神町１―57 日本電気三栄株式会社東京工場内 (72)発明者久本隆東京都小平市天神町１―57 日本電気三栄株式会社東京工場内 (72)発明者石川清一東京都小平市天神町１―57 日本電気三栄株式会社東京工場内 (56)参考文献特開昭64−64651（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−153856（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−108054（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−265151（ＪＰ，Ａ) 特開平４−503462（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−41570（ＪＰ，Ａ) 実開平１−87748（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−87750（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−87752（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−91558（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) A61N 1/36 A61N 1/18 A61F 4/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】麻痺患者の残存する機能動作に関連した筋
肉又は神経の近傍に埋込まれる生体信号検出電極と、上記麻痺患者の麻痺筋肉刺激用の刺激パルスを記憶する
記憶手段と、該記憶手段から読み出された刺激パルスが供給される上
記麻痺患者の麻痺筋肉刺激電極とを有し、上記生体信号検出電極によって生体信号が検出されたと
きは、上記記憶手段から上記刺激パルスを読出して、上
記麻痺筋肉刺激電極に供給するようにしたことを特徴と
する刺激装置。
【請求項２】麻痺患者の残存する機能動作に関連した筋
肉又は神経の近傍に埋込まれる生体信号検出電極と、該生体信号検出電極からの生体信号に基づいて、上記麻
痺患者が操作すべき被制御機器に供給する制御信号を形
成する制御信号形成回路とを有することを特徴とする環
境制御装置。