JP2016016220A - 筋電制御装置用電極アダプタ - Google Patents

Abstract

【課題】筋電義手、筋電義肢等の筋電制御装置の筋電電極を細長い筋に容易に当接させることができ、ソケットと断端部が相対的に回転しても筋電を検出可能にする筋電制御装置用電極アダプタを提供すること。
【解決手段】上肢或いは下肢が挿入される筒状の絶縁性基材１と、絶縁性基材１の軸方向に離間して配設され前記軸方向と交差する方向に延びる少なくとも２本の第１導電線２と、を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、筋電電極で検出される筋電によって制御される筋電義手や、筋電義肢等の筋電制御装置（リハビリロボット）用電極アダプタに関する。

上肢の前腕を切断した人のために図１に示すような筋電電動義手（筋電義手）が、例えばOtto Bock社から商品化されている。この筋電義手は前腕を切断した人の断端部をソケットに挿入して把持動作をするものである。

また、下肢を切断した人のために図２に示すような筋電義肢が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

図３は人体の左半分を後方から見た筋肉分布図で、図４は人体の左半分を前方から見た筋肉分布図である。図５は図３のＡ−Ａ線断面図、図６は図３のＢ−Ｂ線断面図である。図３〜６に示すように、手先方向に細長く伸びる橈側手根屈筋が図５の断面図で前方寄りに、手先方向に細長く伸びる尺側手根伸筋が後方寄りに分布している。また、足先方向に細長く伸びる大腿四頭筋が図６の断面図で前方寄りに、足先方向に細長く伸びる大腿二頭筋が後方寄りに分布している。

筋電義手は、上肢前腕の断端部をソケットに挿入して橈側手根屈筋及び尺側手根伸筋をソケットの内周面に軸方向に離間して配置された橈側手根屈筋電極及び尺側手根伸筋電極に、それぞれ当接させて筋電を検出して電動ハンドを動かす義手である（例えば、特許文献２参照。）。

筋電義肢は、大腿の断端部をソケットに挿入して大腿四頭筋及び大腿二頭筋をソケットの内周面に軸方向に離間して配置された大腿四頭筋電極及び大腿二頭筋電極に、それぞれ当接させて筋電を検出して電動膝関節を動かす義肢である。

特開平７−３１６３８号公報 特開２００５−３８９号公報

断端部をソケットに挿入して使用する筋電義手の場合、橈側手根屈筋及び尺側手根伸筋が手先方向に細長く伸びているので、軸方向に離間して配置された橈側手根屈筋電極及び尺側手根伸筋電極を橈側手根屈筋及び尺側手根伸筋にそれぞれ当接させるにはソケットと断端部を相対的に回転させて相対位置を調節する必要がある。しかし、重い物を把持すると抜ける方向又は皮膚が浮く方向にズレが生じ、腕の肢位によっては回旋方向に筋と電極のズレが生じ誤動作が起きることがある。また、電極の付いたソケットと皮膚は直接接触している必要があり、汗を吸収できず不快である。

そこで、ゴム製のサック（ライナー）或いは布製の袋（断端袋）を断端部に嵌めてソケットに装着することでズレを防止すること、或いは布製の袋（断端袋）を嵌めることで汗の吸収に対応することが行われている。しかし、ライナーや断端袋を使用する場合、ライナーや断端袋は絶縁体であるため、橈側手根屈筋電極及び尺側手根伸筋電極に対応する部分のライナー或いは断端袋に穴をあける必要がある。ライナーや断端袋の強度の観点や汗による回転を抑制するためには、穴の大きさを最小限に止める必要がある。しかし、穴が小さいと、ソケットを回転させて調節するのに時間がかかる問題が解決されない。また、折角装着しても、僅かの回転で筋電を検出することができなくなる。

同様に、断端部をソケットに挿入して使用する筋電義肢の場合、大腿四頭筋及び大腿二頭筋が足先方向に細長く伸びているので、軸方向に離間して配置された大腿四頭筋電極及び大腿二頭筋電極を大腿四頭筋及び大腿二頭筋にそれぞれ当接させるにはソケットと断端部を相対的に回転させて相対位置を調節する必要があり、装着に時間がかかる。また、折角相対位置を調節しても、汗等により回転したりして、再度調節する必要がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、ソケットと皮膚の間に介在させて筋電義手、筋電義肢等の筋電制御装置の筋電電極を細長い筋に容易に当接させることができ、ソケットと断端部が相対的に回転しても筋電を検出可能にする筋電制御装置用電極アダプタを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明の筋電制御装置用電極アダプタは、上肢或いは下肢が挿入される筒状の絶縁性基材と、前記絶縁性基材の軸方向に離間して配設され前記軸方向と交差する方向に延びる少なくとも２本の第１導電線と、を備え、少なくとも２つの筋電電極で検出される筋電によって制御される筋電制御装置の該筋電電極と前記上肢或いは下肢の間に介挿されることを特徴とする。

第１導電線が絶縁性基材の軸方向と交差する方向に延びているので、ソケットと皮膚の間に介在させて筋電義手、筋電義肢等の筋電制御装置の筋電電極を細長い筋に容易に当接させることができ、ソケットと前腕或いは大腿部が相対的に回転しても筋電を検出することができる。

上記の筋電制御装置用電極アダプタにおいて、前記筒状の絶縁性基材は、前記２本の第１導電線を備える領域と周方向で異なる領域の軸方向に離間して配設され前記軸方向と交差する方向に延びる少なくとも２本の第２導電線を備えるとよい。

この電極アダプタを用いることで筋電制御装置は２種類の筋電を検出することができる。その結果、筋電制御装置をスマート化することができる。

また、前記筒状の絶縁性基材はＴシャツの袖或いはズボンの裾でもよい。これにより、既存のＴシャツの袖或いはズボンの裾を絶縁性基材とすることができる。

また、前記絶縁性基材は有底の筒状をしているものとしてもよい。これにより、既存の滑りのよい布製の断端袋を絶縁性基材とすることができる。その結果、筋電義手或いは筋電義肢装着の苦痛が和らげられ、小児にも適用することができる。

また、前記第１導電線及び前記第２導電線と前記軸方向との交差角θは、前記筋電制御装置の筋電電極の軸方向と交差する方向の幅を２ｂ、該筋電電極と該筋電電極の軸方向の間隔をｄとするとき、（１）式を満たすとよい。
θ＞ｔａｎ^−１（２ｂ／ｄ） ・・・・・・・・・（１）

これにより１本の導電線が筋電制御装置の軸方向に離間する２個の電極と同時に当接することがなくなり、筋電検出不能が起こらない。

また、前記第１導電線及び前記第２導電線のピッチが０．５〜２．５ｍｍであり、前記第１導電線及び前記第２導電線の本数は、両端の導電線の間隔が２０〜１００ｍｍになる本数であるとよい。

ピッチが０．５ｍｍ以上では隣り合う導電線が短絡することが抑制される。ピッチが２．５ｍｍ以下では、Otto Bock社の筋電義手（Myo-Boy）の軸方向の電極間隔以下であり、筋電を確実に検出することができる。第１導電線及び第２導電線の本数が、両端の導電線の間隔が２０〜１００ｍｍになる本数では、ソケットと前腕が相対的に軸方向にズレても筋電を確実に検出することができる。

また、前記絶縁性基材は、外側になる面に伸縮性繊維をラミネートした高摩擦性弾性シートでできているとよい。これにより、前腕或いは大腿部の太さの変化に対応でき、汗による滑りが抑制される。

また、前記第１導電線及び前記第２導電線は、前記絶縁性基材に導電糸を縫い付けてなるとよい。これにより、絶縁性基材の柔軟性が保持され、前腕或いは大腿部への装着性が損なわれない。

第１導電線と第２導電線が絶縁性基材の軸方向と交差する方向に延びているので、ソケットと皮膚の間に介在させて筋電義手、筋電義肢等の筋電制御装置の筋電電極を細長い筋に容易に当接させることができ、ソケットと前腕或いは大腿部が相対的に回転しても筋電を検出することができる。

筋電義手の概略斜視図である。 筋電義肢の概略斜視図である。 人体の左半分を後方から見た筋肉分布図である。 人体の左半分を前方から見た筋肉分布図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 実施形態１に係る本発明の筋電制御装置用電極アダプタの斜視図である。 図７のＡ−Ａ線拡大断面図である。 図７のアダプタを用いる筋電制御装置の概略斜視図である。 実施形態２に係る本発明の筋電義制御装置用電極アダプタの斜視図である。 図９のＡ−Ａ線拡大断面図である。 図９のＢ−Ｂ線拡大断面図である。 第１導電線及び第２筋導電線と絶縁性基材の軸方向との許容交差角θを求めるための図である。 実施形態３の筋電制御装置用電極アダプタの斜視図である。

（実施形態１）
本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタは、図７、図８に示すように、前腕が挿入される筒状の絶縁性基材１と、絶縁性基材１の軸方向に離間して配設され軸方向と交差する方向に延びる少なくとも複数本の第１導電線２と、を備えている。

筒状の絶縁性基材１は、布、プラスチック、ゴム等の絶縁性材料でできている。シリコーンゴムは、伸縮性と摩擦性にも優れており好適であるが、引き裂けやすいので外側に伸縮性繊維がラミネートされているとよい。本実施形態の場合、絶縁性基材１は図８に示すようにシリコーンゴム単体である。

第１導電線２は、例えば銅線である。銅線２が絶縁性基材１の軸方向に所定の距離離間して、軸方向と交差する方向に延在している。本実施形態の場合、銅線２が絶縁性基材１に外側と内側とから飛び出すように埋め込まれている。

本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタは、第１導電線２のみしか備えていないので、橈側手根屈筋或いは尺側手根伸筋の筋電を検出して制御する筋電義手に用いることができる。すなわち、本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタは図９に示すような筋電義手に、用いることができる。図９に示す筋電義手は、橈側手根屈筋電極しか備えておらず、おもちゃのような手の動きをする。

本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタの第１導電線２が軸方向と交差する方向に延在するので、筋電制御装置用電極アダプタに上腕を挿入して図９に示す筋電義手のソケットに装着することで、ソケットと上腕が相対的に回転しても筋電を安定して検出することができる。

（実施形態２）
本実施形態に係る筋電制御装置用電極アダプタは、図１０〜１２に示すように、前腕が挿入される筒状の絶縁性基材１と、複数の第１導電線２と、複数の第２導電線３とを備えている。

筒状の絶縁性基材１は、布、プラスチック、ゴム等の絶縁性材料でできている。シリコーンゴムは、伸縮性と摩擦性にも優れており好適であるが、吸湿性に劣るので、電極と接する面に伸縮性繊維がラミネートされているとよい。

例えば、図１１に示すように、絶縁性基材１の内側１ａはシリコーンゴムであり、外側１ｂは伸縮性繊維である。伸縮性繊維１ｂとしては絹や木綿等の天然繊維でもよいし、ビニールやナイロン等の化学繊維でもよい。

第１導電線２が筒状の絶縁性基材１の周方向で９０度の領域に配置されると、第２導電線３は筒状の絶縁性基材１の周方向で２７０度の領域に配置されている。

第１導電線２は、例えば銅線である。銅線２が絶縁性基材１の軸方向に所定の距離（ピッチＰ）離間して、軸方向と交差する方向に延在している。本実施形態の場合、銅線３が絶縁性基材１に外側と内側とから飛び出すように埋め込まれている。

第２導電線３も銅線であり、銅線３が絶縁性基材１の軸方向に所定の距離（ピッチＰ）離間して、軸方向と交差する方向に延在している。また、銅線３も絶縁性基材１に外側と内側とから飛び出すように埋め込まれている。

第１導電線２及び第２導電線３は、図１２に示すように、導電糸２Ａ（３Ａ）を絶縁性基材１に縫いつけてもよい。ミシンの下糸と上糸に導電糸を用いて縫うと、外側の導電糸と内側の導電糸とは導通状態になる。導電糸は伸縮性に優れ、絶縁性基材１の伸縮性が損なわれない。

繊維を形成する高分子化合物は絶縁体であるが、金属や黒鉛などにより導電性を持たせた繊維が導電性繊維である。導電糸は、導電性繊維を糸状にしたものであり、１フィート当たりの電気抵抗が１４Ωの導電糸がSpark-Fun社から市販されている。

導電糸を使って縫うタイプは、銅線を埋め込むタイプに比べ、製造が簡単で、柔軟性に富み、筋電制御装置用電極アダプタの前腕への装着が容易になる。

複数の第１導電線２及び複数の第２導電線３の軸方向の幅Ｗ（図５参照）は、筋電義手のソケットの内周面に配置された橈側手根屈筋電極及び尺側手根伸筋電極の電極間隔より大きく設定される。例えば、Otto Bock社の筋電義手（Myo-Boy）の場合、両端の電極間隔が２５ｍｍであり、Ｗ＝６０ｍｍとするとよい。このようにすることで、筋電義手と筋電制御装置用電極アダプタを装着した前腕との間の軸方向の相対的なずれが３５ｍｍまで許容される。

同一の第１導電線２が２つの橈側手根屈筋電極に接触すると、筋電を検出することができない。同様に、同一の第２導電線３が２つの尺側手根伸筋電極に接触すると筋電を検出することができない。そこで、第１導電線２及び第２導電線３と軸方向との交差角θについて、考察する。簡単のために第１導電線２及び第２導電線３の線幅は無視できるものとする。

導電線２、３が筋電義手の橈側手根屈筋電極Ｅ_ｒ１、Ｅ_ｒ２、Ｅ_ｒ３及び尺側手根伸筋電極Ｅ_ｕ１、Ｅ_ｕ２、Ｅ_ｕ３が離間する軸方向と直交すれば、同一の第１導電線２が２つの橈側手根屈筋電極に、同一の第２導電線３が２つの尺側手根伸筋電極に同時に接触することはない。しかし、図１３に示すように、交差角がθになると、同一の第１導電線２が橈側手根屈筋電極Ｅ_ｒ１、Ｅ_ｒ２或いはＥ_ｒ２、Ｅ_ｒ３に接触する。同様に、同一の第２導電線３が尺側手根伸筋電極Ｅ_ｕ１、Ｅ_ｕ２或いはＥ_ｕ２、Ｅ_ｕ３に接触する。したがって、θが接触するか、しないかの臨界角度になる。すなわち、交差角がθより大きいと同一の第１導電線２が橈側手根屈筋電極Ｅ_ｒ１、Ｅ_ｒ２或いはＥ_ｒ２、Ｅ_ｒ３に、同一の第２導電線３が尺側手根伸筋電極Ｅ_ｕ１、Ｅ_ｕ２或いはＥ_ｕ２、Ｅ_ｕ３に、接触することはない。

電極が図１３に示すように、軸と交差する方向に細長い矩形であり、軸方向に距離ｄ離間して配置されている場合、△ＯＰＱに注目すると、∠ＯＰＱ＝９０°であるから、次式が成り立つ。

したがって、同一の第１導電線２が２つの橈側手根屈筋電極に、同一の第２導電線３が２つの尺側手根伸筋電極に同時に接触しない交差角θとして、前記した（１）式が導き出される。すなわち、θが（１）式を満たす時、筋電検出不能が起こらない。しかし、θ＝ｔａｎ^−１（２ｂ／ｄ）でも、θ＜ｔａｎ^−１（２ｂ／ｄ）でも筋電を検出できる導電線がある。図１３で左から４番目の導電線と６番目の導電線を介しては筋電を検出できないが、左から３番目の導電線と５番目の導電線を介せば、或いは５番目の導電線と７番目の導電線を介せば筋電を検出することができる。

例えば、Otto Bock社の筋電義手（Myo-Boy）の場合、ｄ＝５ｍｍ、２ｂ＝１０ｍｍであり、θ＞６３°となる。すなわち、Otto Bock社の筋電義手（Myo-Boy）の場合、θ＞６３°とすれば、筋電検出不能が起こらない。

（実施形態３）
本実施形態に係る筋電制御装置用電極アダプタは、図１４に示すように、前腕が挿入される袋状の絶縁性基材１Ａと、複数の第１導電線２と、複数の第２導電線３とを備えている。

絶縁性基材１Ａは、布製の袋状をしており、既存の断端袋である。断端袋は、断端部を義手や義足に挿入する際、滑りやすくするためのスタンプソックである。

第１導電線２及び第２導電線３は、長手方向に所定の距離（ピッチＰ）離間して、軸方向と交差する方向に延在している。

本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタは、絶縁性基材１Ａに断端袋を用いているので、筋電制御装置のソケット装着が容易になり、子供にも有効である。絶縁性基材１Ａに断端袋を用いると、装着した後、軸方向にズレ易いが、複数の第１導電線２及び複数の第２導電線３の軸方向の幅Ｗ（図１４参照）は、筋電義手のソケットの内周面に配置された橈側手根屈筋電極及び尺側手根伸筋電極の電極間隔より大きいので、ズレによる筋電検出不能を抑制することができる。

（実施形態４）
本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタは、筋電義肢用電極アダプタである。すなわち、本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタは、図２に示すような筋電義肢に大腿部を挿入する際、大腿部に装着する電極アダプタである。したがって、本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタの斜視図は、図１０に示す実施形態２の筋電制御装置用電極アダプタと同じであり、図示を省略する。

本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタは大腿部に装着されるので、実施形態２の筋電制御装置用電極アダプタよりサイズが大きいだけである。

本実施形態の筋電制御装置用電極アダプタに大腿部を挿入して図２に示す筋電義肢のソケットに装着することで、例えば、第１導電線を介して大腿四頭筋の筋電を、第２導電線を介して大腿二頭筋の筋電を、それぞれ安定して検出することができる。

１、１Ａ・・・・・・絶縁性基材
１ｂ・・・・・・・伸縮性繊維
２・・・・・・・・・第１導電線
３・・・・・・・・・第２導電線
２Ａ、３Ａ・・・・・導電糸

Claims (8)

1. 上肢或いは下肢が挿入される筒状の絶縁性基材と、
   前記絶縁性基材の軸方向に離間して配設され前記軸方向と交差する方向に延びる少なくとも２本の第１導電線と、を備え、
   少なくとも２つの筋電電極で検出される筋電によって制御される筋電制御装置の該筋電電極と前記上肢或いは下肢の間に介挿されることを特徴とする筋電制御装置用電極アダプタ。
2. 前記筒状の絶縁性基材は、前記２本の第１導電線を備える領域と周方向で異なる領域の軸方向に離間して配設され前記軸方向と交差する方向に延びる少なくとも２本の第２導電線を備える請求項１に記載の筋電制御装置用電極アダプタ。
3. 前記筒状の絶縁性基材はＴシャツの袖或いはズボンの裾を含む請求項１又は２に記載の筋電制御装置用電極アダプタ。
4. 前記絶縁性基材は有底の筒状をしている請求項１又は２に記載の筋電制御装置用電極アダプタ。
5. 前記第１導電線及び前記第２導電線と前記軸方向との交差角θは、前記筋電制御装置の筋電電極の軸方向と交差する方向の幅を２ｂ、該筋電電極と該筋電電極の軸方向の間隔をｄとするとき、（１）式を満たす請求項２〜４のいずれか１項に記載の筋電制御装置用電極アダプタ。
   θ＞ｔａｎ^−１（２ｂ／ｄ） ・・・・・・・・・（１）
6. 前記第１導電線及び前記第２導電線のピッチが０．５〜２．５ｍｍであり、前記第１導電線及び前記第２導電線の本数は、両端の導電線の間隔が２０〜１００ｍｍになる本数である請求項５に記載の筋電制御装置用電極アダプタ。
7. 前記絶縁性基材は、外側になる面に伸縮性繊維をラミネートした高摩擦性弾性シートでできている請求項１〜６のいずれか１項に記載の筋電制御装置用電極アダプタ。
8. 前記第１導電線及び前記第２導電線は、前記絶縁性基材に導電糸を縫い付けてなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の筋電制御装置用電極アダプタ。

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