JP2016034326A - 電気刺激装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気刺激の強度を客観的に定めることのできる電気刺激装置を提供する。
【解決手段】電気刺激装置は、対象物に出力電圧Ｖｘを与える電極部２０と、対象物の酸素濃度に応じて変化する測定信号Ｉｓを出力する光電センサ３０と、測定信号Ｉｓに基づいて電極部２０が与える出力電圧Ｖｘを制御する制御部１１とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、筋肉に電気刺激を付与する電気刺激装置に関する。

従来、疾病や事故により身体に障害を受けた場合の骨格筋の筋力の衰えや運動能力低下の治療として、または、治療後におけるリハビリテーションとして電気療法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。また、スポーツ分野において、筋力を増強したり、運動能力を高めたりするための筋力トレーニングにも電気療法が用いられている。筋力トレーニングに電気療法を用いて主動筋や拮抗筋に電気刺激を行うことで高い筋肉増強効果が得られることがわかっている。

一般に、こうした電気療法では、理学療法士や作業療法士等の専門家が電気刺激装置の電極部を対象部位に装着させる。そして上述の専門家が自らの知識や経験に基づいて、電気刺激を与えた時の使用者の痛みの反応をもとに電気刺激の強度を調整する。

特開２００８−１７３４８７号公報

上述の電気刺激装置では、電気療法の目的に適合する電気刺激の強度が専門家によって定められる。そして、定められた電気刺激の強度が電気刺激装置に設定される。
ところで、こうして電気刺激装置に設定される刺激電圧は、それぞれの専門家がそれぞれの知識等に基づいて定める。このため、電気刺激の強度が客観的に定められないおそれがある。

本発明の目的は、電気刺激の強度を客観的に定めることのできる電気刺激装置を提供することにある。

本電気刺激装置の独立した一形態によれば、対象物に電気刺激を与える電極部と、前記対象物の酸素濃度に応じて変化する測定信号を出力する測定部と、前記測定信号に基づいて前記電極部が与える電気刺激の強度を制御する制御部と、を備える。

本電気刺激装置の独立した一形態によれば、対象物に電気刺激を与える電極部と、前記対象物の酸素濃度に応じて変化する測定信号を出力する測定部と、前記酸素濃度または前記電気刺激に関する情報を出力する報知部と、前記測定信号の特徴量に基づいて前記報知部に前記情報を出力させる制御部とを備える。

本電気刺激装置によれば、電気刺激の強度を客観的に定めることができる。

電気刺激装置の実施の形態１についてその概略構成を示す図。 同実施の形態の電気刺激装置の構成を示すブロック図。 同実施の形態の電気刺激装置の光電センサの構成を示す図。 同実施の形態の電気刺激装置の光電センサの発光タイミングを示す図。 （ａ）は同実施の形態の電気刺激装置における酸素濃度と時間との関係を示す図、（ｂ）は同実施の形態の電気刺激装置における出力電圧と時間との関係を示す図。 電気刺激装置の実施の形態２について、（ａ）は同実施の形態の電気刺激装置における酸素濃度と時間との関係を示す図、（ｂ）は同実施の形態の電気刺激装置における出力電圧と時間との関係を示す図。

（本電気刺激装置が取り得る形態の一例）
〔１〕本電気刺激装置の独立した一形態によれば、対象物に電気刺激を与える電極部と、前記対象物の酸素濃度に応じて変化する測定信号を出力する測定部と、前記測定信号に基づいて前記電極部が与える電気刺激の強度を制御する制御部と、を備える。

電気刺激が筋肉の状態を変化させることが知られている。また、筋肉に与えるべき適切な電気刺激の強度は、個体毎、及び、部位毎に相違し、刺激を与える目的によっても相違する。そこで従来、まず、使用者が耐えうる最大の電気刺激の強度が特定される。そして、特定された電気刺激の強度に基づき適切な電気刺激の強度が定められる。しかし、痛みの感じ方には個体差がある。

本電気刺激装置によれば、電気刺激が与えられた筋肉等の対象物の酸素濃度が測定される。そして測定された酸素濃度に基づいて電気刺激の強度が制御される。これにより、電気刺激の強度が酸素濃度に基づいて客観的に定められる。

また、専門家は、使用者が耐えうる電気刺激の最大の強度を電気刺激装置の操作に基づき特定し、その特定した電気刺激の最大の強度から目的に適合する強度を算出する。電気刺激の最大の強度を特定するため、専門家は、使用者の状態に注意を払いながら電気刺激装置を操作しなければならず煩雑である。

この電気刺激装置は、測定信号に基づいて使用者の状態を判定することもできるため、電気刺激の強度を定めるとき、専門家等の電気刺激装置の操作の煩わしさを低減させるようにすることもできる。

〔２〕前記電気刺激装置に従属する一形態によれば、前記制御部は、前記電気刺激の強度を漸増させる第１のモード、および、前記第１のモードにおいて得られる前記測定信号に基づいて前記電気刺激の強度を制御する第２のモードを備える。

本電気刺激装置によれば、第１のモードでは酸素濃度の変化と電気刺激の強度との関係が得られる。こうして得られる関係を第２のモードで用いることによって筋肉に適切な強度の電気刺激が与えられる。

〔３〕前記電気刺激装置に従属する一形態によれば、前記制御部は、前記第１のモードにおいて得られる前記測定信号の特徴量に基づいて前記第２のモードにおける前記電気刺激の強度を制御する。

本電気刺激装置によれば、電気刺激の強度が酸素濃度に応じて変化する測定信号の特徴量に基づき制御される。よって、第２のモードにおいて電気刺激の強度を目的に適したものにすることができる。

〔４〕前記電気刺激装置に従属する一形態によれば、前記特徴量が前記測定信号に現れる屈曲点である。
本電気刺激装置によれば、酸素濃度が変化するとき電気刺激によって筋肉に負荷が与えられている。よって、測定信号に現れる屈曲点を特徴量とすることで、筋肉に負荷が与えられるようになる。

〔５〕前記電気刺激装置に従属する一形態によれば、前記制御部は、前記第２のモードにおける前記電気刺激の強度を前記屈曲点に対応する前記電気刺激の強度よりも大きくする。

本電気刺激装置によれば、屈曲点の電気刺激の強度よりも電気刺激の強度を高くすることによって、筋肉により高い負荷を与えることができる。例えば、屈曲点よりも高い電気刺激の強度は、筋肉の状態を筋力アップの効果が高い低酸素状態にすることができる。これにより、筋力アップの効果を高いレベルに設定することも可能となる。

〔６〕前記電気刺激装置に従属する一形態によれば、前記制御部は、前記特徴量に対応する前記電気刺激の強度、または、前記特徴量を記憶し、記憶している前記電気刺激の強度または前記特徴量を前記電気刺激の強度の制御に用いる。

本電気刺激装置によれば、記憶された電気刺激の強度、または、特徴量を用いることで、第２のモードによる電気刺激が適切な強度に制御される。また、第１のモードの処理が省かれるときには第２のモードによる電気刺激が迅速に行われるようになる。

〔７〕前記電気刺激装置に従属する一形態によれば、前記制御部は、前記第１のモードにおいて前記電極部に前記電気刺激を間欠的に出力させる。
筋肉は電気刺激によって疲労する。本電気刺激装置によれば、電気刺激が間欠的であるため、電気刺激を漸増させるときに筋肉に生じる疲労が抑制される。

〔８〕前記電気刺激装置に従属する一形態によれば、前記対象物を有する生体に関する情報が入力される操作部をさらに備え、前記制御部は、前記測定信号および前記情報に基づいて前記電気刺激の強度を制御する。

筋肉の状態は個体によって相違する。本電気刺激装置によれば、対象物を有する生体に関する情報を入力することにより、当該生体に対応する個体に対して適切な強度の電気刺激を与えるように制御することができる。

〔９〕本電気刺激装置の独立した一形態によれば、対象物に電気刺激を与える電極部と、前記対象物の酸素濃度に応じて変化する測定信号を出力する測定部と、前記酸素濃度または前記電気刺激に関する情報を出力する報知部と、前記測定信号の特徴量に基づいて前記報知部に前記情報を出力させる制御部と、を備える。

本電気刺激装置によれば、測定信号の特徴量に基づいて報知部から酸素濃度や電気刺激に関する情報を出力する。これにより、特徴量に対応する酸素濃度や電気刺激の強度などが認知されることにより、目的に適した電気刺激の強度を設定させることができるようにもなる。

（実施の形態１）
以下、図１〜図５を参照して、電気刺激装置の実施の形態１について説明する。
図１に示されるように、電気刺激装置は、使用者の人体に装着される電極部２０と光電センサ３０とを備える。また電気刺激装置は、電極部２０及び光電センサ３０に電気的に接続されるコントローラ１０を備える。電極部２０は、対象物である筋肉に電気刺激を与えるものであって、一組の電極である第１の電極２１及び第２の電極２２を備える。光電センサ３０は、筋肉内の酸素濃度を測定し、測定した酸素濃度に対応する測定信号を出力する。コントローラ１０は、電極部２０から筋肉に与える電気刺激の強度として出力電圧を制御する。またコントローラ１０は、光電センサ３０から測定信号が入力され、入力された測定信号に基づいて血中酸素濃度を算出する。電極部２０（第１の電極２１及び第２の電極２２）と光電センサ３０とは、脚等の表面に装着可能なサポータ４０に取り付けられている。第１の電極２１と第２の電極２２は、それぞれ電気的に絶縁される構造を備える。このため、各電極２１，２２から別の電極及びコントローラ１０などに電気が回り込むことが抑制される。

図２に示されるように、第１の電極２１と第２の電極２２とは、それらの間に流す電気によって筋肉に電気刺激を与える。電極部２０が出力する電気刺激の強度は、例えば第１の電極２１と第２の電極２２との間の電圧である出力電圧Ｖｘの大きさにより決められる。通常、出力電圧Ｖｘが高くなるにつれて電気刺激の強度は大きくなり、出力電圧Ｖｘが低くなるにつれて電気刺激の強度は小さくなる。なお以下では、第１の電極２１と第２の電極２２との間の電圧を単に出力電圧Ｖｘと記す。光電センサ３０は、筋肉内の酸素濃度に応じて変化する測定信号Ｉｓを出力する測定部として機能する。コントローラ１０は、電気刺激の強度等を制御する制御部１１を備えている。またコントローラ１０は、使用者によって操作されたり、酸素濃度Ｘｓや刺激用電圧Ｖｐ、電気刺激装置の状態を表示したりする操作兼表示部１２を備えている。さらにコントローラ１０は、第１の電極２１及び第２の電極２２に電気を供給する電源部１３を備えている。なお、操作兼表示部１２が報知部として機能する。

操作兼表示部１２は、入力操作が可能な操作部と、情報を表示する表示部とを備えている。操作部は、１又は複数の操作ボタンより構成される。表示部は、液晶画面などの表示装置を備え、文字及び画像の少なくとも一方を表示させる。操作兼表示部１２は、表示部に表示させる情報によって、使用者に操作部の操作を促すように構成することもできる。

電源部１３は、制御部１１から入力される電圧指令Ｖｃに対応する出力電圧Ｖｘを生成し、この生成した出力電圧Ｖｘを電極部２０に出力する。
制御部１１は、筋肉内の酸素濃度Ｘｓを算出する酸素濃度算出部１４と、酸素濃度算出部１４が算出した酸素濃度Ｘｓに従って適切な刺激用電圧Ｖｐを判定する判定部１５と、電極部２０を制御する電気刺激制御部１６とを備えている。酸素濃度算出部１４は、光電センサ３０から出力された測定信号Ｉｓに基づいて筋肉内の酸素濃度Ｘｓを算出する。判定部１５は、酸素濃度算出部１４から酸素濃度Ｘｓが入力され、この入力された酸素濃度Ｘｓに基づいて刺激用電圧Ｖｐを判定する。なお、酸素濃度Ｘｓは筋肉の状態に対応することから、判定される刺激用電圧Ｖｐは筋肉の状態に対応するものとなる。

判定部１５は、酸素濃度Ｘｓやその酸素濃度Ｘｓに対応する筋肉の状態、刺激用電圧Ｖｐに関する情報を操作兼表示部１２に出力する。判定部１５は、例えば、酸素濃度Ｘｓや筋肉の状態、刺激用電圧Ｖｐを操作兼表示部１２に表示させる。また判定部１５は、刺激用電圧Ｖｐを電気刺激制御部１６に指示する。

操作兼表示部１２は、判定部１５から入力された酸素濃度Ｘｓや筋肉の状態、刺激用電圧Ｖｐなどを表示することで報知する。また、操作兼表示部１２は、使用者の操作に従う指示信号Ｉｃを電気刺激制御部１６に出力する。操作兼表示部１２から電気刺激制御部１６への指示信号Ｉｃとしては、電気刺激のパターンや、電気刺激を与える目的に応じて定まるモードなどが挙げられる。

電気刺激制御部１６は、判定部１５からの刺激用電圧Ｖｐや操作兼表示部１２からの指示信号Ｉｃが入力され、これら入力された指示に対応する電圧指令Ｖｃを作成して電源部１３に出力する。例えば、電気刺激制御部１６が作成した電圧指令Ｖｃによって、第１の電極２１及び第２の電極２２には、電源部１３を介して連続的に電圧が漸増する電圧パターンを有する出力電圧Ｖｘが供給される。電気刺激制御部１６は、刺激用電圧Ｖｐの判定に用いられる電圧指令Ｖｃを出力する第１のモードと、刺激用電圧Ｖｐを出力させる電圧指令Ｖｃを出力する第２のモードとを備える。第１のモードは、出力電圧Ｖｘを連続的に漸増させる電圧指令Ｖｃを出力する。第２のモードは、第１のモードにおいて得られる測定信号Ｉｓに基づいて出力電圧Ｖｘを刺激用電圧Ｖｐに制御させる。第１のモードによれば、判定部１５が適切な電気刺激の強度に対応する刺激用電圧Ｖｐを判定する。第２のモードによれば、電気刺激によって電気療法の目的に適合した負荷を筋肉に与えるため、第１のモードで判定された刺激用電圧Ｖｐが出力される。

図３に示されるように、光電センサ３０は、検出光を出射する発光部３１と、検出光を検出する受光部３２とを備えている。発光部３１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、対象物の内部に向かって検出光を出射する。受光部３２は、近赤外領域に感度を有するフォトダイオードである。発光部３１と受光部３２との間隔Ｗは、例えば３０ｍｍに設定されている。発光部３１と受光部３２との間隔Ｗの１／２の距離が生体組織の透過深度と言われている。よって、筋肉内の血中酸素濃度を測定することに好ましい深度を１５ｍｍとする場合、発光部３１と受光部３２との間隔Ｗは３０ｍｍが好ましい。

図４に示されるように、発光部３１には、近赤外領域の異なる３波長を発光する素子が選択される。異なる３波長の光は、例えば７６０ｎｍ，８０５ｎｍ，８４０ｎｍの３つからなり（図４においてＡ，Ｂ，Ｃ）、この３波長の光が一組とされる。発光部３１は、一組を構成する３つの異なる波長の光を所定の順番で（図４ではＡ，Ｂ，Ｃの順番で）一定の時間間隔毎に発光する。これら３つの異なる波長の光は、その発光強度又は発光量が予め定まっている。また、発光部３１は、３つの異なる波長の光からなる組合せを周期的に発光する。受光部３２は、発光部３１から出射されて生体組織を通過した近赤外光を受光し、受光した光の受光強度又は受光量を検出する。検出した受光強度又は受光量を発光部３１の発光タイミングに対応させることで波長毎の受光強度又は受光量が得られる。光電センサ３０は、検出した受光強度又は受光量に対応する測定信号Ｉｓを出力する。

酸素濃度算出部１４は、３波長それぞれの発光量と受光量とから当該波長における対象物の吸光度を求め、所定の推定式によって酸素濃度Ｘｓを求める。推定式は、装置の状態等、条件によって異なるが、各波長の吸光度の線形結合で表される。酸素濃度Ｘｓは、いわゆる酸素飽和度であり、血液中のヘモグロビンのうち、実際に酸素を運んでいるヘモグロビンである酸化ヘモグロビンの比率を示し、単位は％（パーセント）である。酸素濃度算出部１４は、光電センサ３０によって継続的に測定され、血中酸素濃度により変化する測定信号Ｉｓが入力されることにより酸素濃度Ｘｓの時系列データを得る。ここで、血液中のヘモグロビンは体内で酸素と結合し、結合の有無によって近赤外領域における吸光度が変化する。そこで、酸素濃度算出部１４は、この吸光度の違いを利用することで血中の酸素濃度Ｘｓを算出する。

なお、光電センサ３０が人体の筋肉に対応する部位の体表面に取り付けられることによって、光電センサ３０の透過深度の範囲内にある筋肉中の酸素濃度Ｘｓが検出される。
ここで、図５を参照して、電気刺激が筋肉に負荷を与えることについて説明する。

一般に、筋肉に負荷が与えられると該筋肉中の血管が収縮して酸素濃度Ｘｓが低下することが知られている。また、電気刺激は、筋肉に負荷を与えることも知られている。そこで、制御部１１は、筋肉に電気刺激を与えつつ、その筋肉内の酸素濃度Ｘｓを測定することで電気刺激が筋肉に負荷を与えていることを検出する。また、制御部１１は、筋肉に与えられている負荷の強さについても、その筋肉中の酸素濃度Ｘｓに基づいて判定する。なお、図５において、時刻は開始時刻ｔ０、第１時刻ｔ１、第２時刻ｔ２、第３時刻ｔ３の順に経過する。また、出力電圧Ｖｘの高さは、開始電圧Ｖ０＜第１電圧Ｖ１＜第２電圧Ｖ２＜第３電圧Ｖ３の関係にあり、開始電圧Ｖ０は「０Ｖ」であることが好ましい。さらに、酸素濃度の濃さは、第１濃度Ｘ１＞第３濃度Ｘ３＞第２濃度Ｘ２の関係にあるものとする。

図５（ｂ）のグラフＬｂ１に示されるように、出力電圧Ｖｘが開始電圧Ｖ０から第３電圧Ｖ３へ高くなるように変化することに応じて、図５（ａ）のグラフＬａ１に示されるように、筋肉中の酸素濃度Ｘｓに変化が生じる。例えば、開始電圧Ｖ０から第１電圧Ｖ１までの間では、筋肉中の酸素濃度Ｘｓに大きな変化は生じない。一方、第１電圧Ｖ１から第３電圧Ｖ３までの間では、筋肉中の酸素濃度Ｘｓに変化が生じる。このことから、出力電圧Ｖｘが第１電圧Ｖ１を超えると、筋肉は、電気刺激によって負荷を受けることが示される。つまり、電気刺激によって筋肉が低酸素状態となることが筋肉に負荷を与えることになる。逆に、出力電圧Ｖｘが第１電圧Ｖ１以下の電気刺激は、筋肉に有意な負荷を与えていない。なお、電気刺激によって筋肉が受ける負荷とは、筋肉のトレーニングやリハビリテーションなどの電気療法を行う際、筋肉に与えることで電気療法の効果が得られる有意な負荷である。以下では、トレーニングに有意な負荷を筋肉に付与する場合について説明し、その他の電気療法については同様であることからその説明を割愛する。トレーニングに効果のある筋肉への負荷は、個体毎、部位毎によって異なる。よって、筋肉に負荷を与える刺激用電圧Ｖｐも、個体毎、部位毎にその強度が定められることが好ましい。

従来、筋肉に負荷を与える刺激用電圧Ｖｐは、筋肉に使用者が耐えうる最大の痛みを感じる電圧に基づいて定められていた。詳述すると、筋肉に使用者が耐えうる最大の痛みを感じる電圧を特定し、当該電圧を小さくすることによって実際に筋肉に負荷を与える刺激用電圧Ｖｐが定められていた。しかし、主観的であって個人差も含む痛みに基づき定められる刺激用電圧Ｖｐに客観性を求めることは難しい。また、刺激用電圧を定める都度、筋肉に使用者が耐えうる最大の痛みを感じる電圧が印加される使用者の負担や不快感も少なくない。また、トレーニングの目的に適する刺激用電圧Ｖｐを定めるには、理学療法士や作業療法士等の専門家の判断が必要であることから、使用者自身が刺激用電圧Ｖｐを適切に定めることも難しかった。一方、専門家が刺激用電圧Ｖｐを定めるにしても、各専門家が独自の知識や経験に基づいて、電気刺激装置を操作し、使用者の状態を監視することを通じて使用者が耐えうる最大の電圧を得る。そして、専門家は得られた電圧に基づく計算によって目的に適した負荷が筋肉に与えられるように刺激用電圧Ｖｐを定める。このため、刺激用電圧Ｖｐが客観的に定められないおそれがある。

そこで、筋肉に有意な負荷が与えられる電圧を客観的に特定し、この電圧に基づいて刺激用電圧Ｖｐを定める。酸素濃度算出部１４により算出される酸素濃度Ｘｓは光電センサ３０の測定信号Ｉｓに基づいて客観的に算出される値である。よって、酸素濃度Ｘｓを利用することによりトレーニングの目的に適合する刺激用電圧Ｖｐが客観的に定められる。また、測定に基づく酸素濃度Ｘｓを用いることで、使用者に筋肉に耐えうる最大の痛みを感じさせる電圧よりも低い電圧からでも、筋肉に有意な負荷が与えられる電圧を検出することができる。よって、刺激用電圧Ｖｐを定める際、使用者に耐えうる最大の痛みを含む強い痛みを感じさせるおそれが少なく、使用者の不快感も抑制される。

次に、図５を参照して、本電気刺激装置の作用としての刺激用電圧を定める手順について説明する。電気刺激装置には操作兼表示部１２を通じて第１のモードが設定され、制御部１１は第１のモードの処理を開始するものとする。また、第１のモードの処理が実行されると、判定部１５は、開始時刻ｔ０から第３時刻ｔ３以降までの酸素濃度Ｘｓ及び出力電圧Ｖｘの経時的変化を記憶する。酸素濃度Ｘｓの経時的変化は、光電センサ３０の測定信号Ｉｓに基づき得られる。出力電圧Ｖｘは、電気刺激制御部１６の電圧指令Ｖｃや電源部１３より得られる。よって、使用者の特定の部位の筋肉について、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１、及び、出力電圧ＶｘのグラフＬｂ１が得られるようになる。

第１のモードの処理が開始されると、図５（ｂ）のグラフＬｂ１に示されるように、時刻の経過に従って連続的に漸増する出力電圧Ｖｘが電極部２０から出力される。電気刺激制御部１６は、第１のモードであることに応じて出力電圧Ｖｘを連続的に漸増させる電圧指令Ｖｃを電源部１３に出力する。電源部１３は、入力された電圧指令Ｖｃに対応する連続的な出力電圧Ｖｘを電極部２０から出力させる。この連続的に漸増する出力電圧Ｖｘに応じて筋肉内の酸素濃度が変化し、この変化を示す測定信号Ｉｓから、図５（ａ）のグラフＬａ１に示される酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１が得られる。

図５に示すように、まず、電極部２０からの出力電圧Ｖｘが開始電圧Ｖ０から第１電圧Ｖ１まで変化する（開始時刻ｔ０から第１時刻ｔ１まで）。このとき、酸素濃度Ｘｓは、第１濃度Ｘ１にほぼ維持される。

続いて、電極部２０からの出力電圧Ｖｘが第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２まで変化する（第１時刻ｔ１から第２時刻ｔ２まで）。このとき、酸素濃度Ｘｓは、出力電圧Ｖｘの上昇に応じて第１濃度Ｘ１から第２濃度Ｘ２へ徐々に低下するように変化する。

さらに、電極部２０からの出力電圧Ｖｘが第２電圧Ｖ２から第３電圧Ｖ３まで変化する（第２時刻ｔ２から第３時刻ｔ３まで）。このとき、酸素濃度Ｘｓは、出力電圧Ｖｘの上昇に応じて第２濃度Ｘ２から第３濃度Ｘ３へ徐々に増加するように変化する。

そして、時刻ｔ３以降、電極部２０の出力電圧Ｖｘは開始電圧Ｖ０に維持される。このとき、電気刺激による負荷から解放された筋肉は弛緩して血流が回復し、酸素濃度Ｘｓは第３濃度Ｘ３から第１濃度Ｘ１へ向けて徐々に回復する。

これらのことから、出力電圧Ｖｘが第１電圧Ｖ１になると、筋肉が低酸素状態となり、筋肉に有意な負荷が与えられ、筋肉の状態が負荷のかかり始めた状態であることが一般的に推定される。また、出力電圧Ｖｘの出力が停止されると、筋肉は負荷から解放された状態となり、筋肉内の酸素濃度が回復する。なお、電気刺激による負荷が持続されたり、負荷が過剰であったりすると筋肉の状態は疲労した状態と一般的に推定される。負荷が大きすぎると、疲労が筋肉を弛緩させることで増加する血流が酸素濃度を増加させる。

そこで、判定部１５は、出力電圧Ｖｘが漸増しているときに酸素濃度Ｘｓが上昇することを検出したことに基づいて出力電圧Ｖｘの出力を中止し、第１のモードを終了させる。このように、筋肉の酸素濃度の上昇を検出することに応じて電気刺激を停止させることで、使用者が痛みを感じるおそれがなくなる。

判定部１５は、酸素濃度Ｘｓ、及び、出力電圧Ｖｘの経時的変化が記憶されると、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１の特徴量としての酸素濃度の屈曲点Ｐ１を求める。屈曲点Ｐ１は、酸素濃度Ｘｓが低下を始めた第１時刻ｔ１に対応する点である。詳述すると、屈曲点Ｐ１は、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１の傾きが一定時間負の値を継続した点である。例えば、屈曲点Ｐ１は、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１の微分値を算出し、微分値が負の値であることが一定時間継続している点として検出される。酸素濃度Ｘｓが低下することは、筋肉に負荷が与えられていることを示している。つまり屈曲点Ｐ１においては、トレーニングの目的に適合する有意な負荷が筋肉に付与される。また屈曲点Ｐ１に対応する第１時刻ｔ１における第１電圧Ｖ１は、トレーニングの目的に適合する有意な負荷を筋肉に付与する電圧のうち低い電圧となる。

また、判定部１５は、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１に基づいて酸素濃度の最低点Ｐ２を求める。最低点Ｐ２は、酸素濃度Ｘｓがもっとも低くなった第２時刻ｔ２に対応する点である。詳述すると、最低点Ｐ２は、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１の傾きが０になる点である。例えば、最低点Ｐ２は、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１の１次微分値を算出し、１次微分値が負の値から正の値に変化する点として検出される。出力電圧Ｖｘが高くなっても酸素濃度Ｘｓが低下しなくなる領域は、トレーニングの内容によっては筋肉にかかる負荷が高すぎる場合がある。つまり最低点Ｐ２に対応する第２電圧Ｖ２よりも高い電圧は、筋肉にかかる負荷が高すぎる場合がある。第２電圧Ｖ２は、第１電圧Ｖ１よりも高いことからトレーニングの目的に適合する有意な負荷を筋肉に付与する電圧のうちで高い電圧の目安として用いることもできる。なお、第２電圧Ｖ２が使用者の耐えうる最大の痛みを超えるようなことが予測される場合、第２電圧Ｖ２を酸素濃度の最低点Ｐ２に対応する電圧よりも低い値に設定することができるとより好ましい。

判定部１５は、最低点Ｐ２を確実に算出するため、第２電圧Ｖ２よりも高い第３電圧Ｖ３（第３時刻ｔ３）まで出力電圧Ｖｘを高くする。そして、判定部１５は、最低点Ｐ２が確実に算出できる時点で出力電圧Ｖｘを開始電圧Ｖ０に変更し、電圧の出力を停止させる。

続いて、判定部１５は、トレーニングの目的に適合する有意な負荷を筋肉に与える電気刺激の強度、つまり刺激用電圧Ｖｐを定める。刺激用電圧Ｖｐは、屈曲点Ｐ１（第１時刻ｔ１）から最低点Ｐ２（時刻ｔ２）までの範囲に対応する電圧から定められる。例えば、屈曲点Ｐ１に対応する第１電圧Ｖ１を刺激用電圧Ｖｐに定める。よって、特徴量としての屈曲点Ｐ１に対応する電気刺激の強度としての刺激用電圧Ｖｐが定められる。このように、電気刺激装置によれば刺激用電圧Ｖｐが酸素濃度Ｘｓに基づいて客観的に定められる。そして、定められた刺激用電圧Ｖｐが適切な電気刺激の強度として判定部１５に記憶される。

また、第１のモード終了後、第２のモードの処理によって、判定部１５に記憶された刺激用電圧Ｖｐが電極部２０から出力電圧Ｖｘとして出力される手順について説明する。
電気刺激装置に操作兼表示部１２からの指示に基づいて第２のモードが設定されると、制御部１１は第２のモードの処理を開始する。第２のモードでは出力電圧Ｖｘが刺激用電圧Ｖｐに一定にされる。判定部１５は、第１のモードにおいて定められた刺激用電圧Ｖｐを出力電圧Ｖｘとして出力させるように電気刺激制御部１６へ指示する。電気刺激制御部１６は、判定部１５からの指示に応じて、電源部１３を介して電極部２０から刺激用電圧Ｖｐを出力させる。つまり、電気刺激制御部１６は、第１のモードにおいて得られる測定信号Ｉｓに基づいて電気刺激の強度を刺激用電圧Ｖｐとなるように制御する。これにより、使用者の筋肉には第１のモードによって適切な電気刺激の強度として定められた刺激用電圧Ｖｐが印加され、効果的なトレーニングが行えるようになる。なお、第２のモードは、操作兼表示部１２からの指示に基づいて終了させることができる。

以上説明したように、本電気刺激装置によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）電気刺激が筋肉の状態を変化させることが知られている。また、筋肉に与えるべき適切な電気刺激の強度は、個体毎及び部位毎に相違し、刺激を与える目的によっても相違する。そこで従来、まず、痛みを感じる程度の電気刺激の強度が特定される。そして、特定された電気刺激の強度に基づき適切な電気刺激の強度が定められる。しかし、痛みの感じ方には個体差がある。

そこで、電気刺激が与えられた筋肉等の対象物の酸素濃度が測定される。そして測定された酸素濃度に基づいて定められた刺激用電圧Ｖｐとなるように電気刺激の強度が制御される。これにより、電気刺激の強度が酸素濃度Ｘｓに基づいて客観的に定められる。

また、専門家は、使用者が耐えうる電気刺激の最大の強度を電気刺激装置の操作に基づき特定し、その特定した電気刺激の最大の強度から目的に適合する強度を算出する。電気刺激の最大の強度を特定するため、専門家は、使用者の状態に注意を払いながら電気刺激装置を操作しなければならず煩雑である。

この電気刺激装置は、測定信号Ｉｓに基づいて使用者の状態を判定することもできるため、電気刺激の強度を定めるとき、専門家等の電気刺激装置の操作の煩わしさを低減させるようにすることもできる。

（２）第１のモードでは酸素濃度Ｘｓの変化と出力電圧Ｖｘとの関係から屈曲点Ｐ１に対応する刺激用電圧Ｖｐが得られる。こうして得られる関係、つまり屈曲点Ｐ１に対応する刺激用電圧Ｖｐを第２のモードで用いることによって筋肉に適切な強度の電気刺激を与えることができる。

（３）出力電圧Ｖｘが酸素濃度Ｘｓに応じて変化する測定信号の特徴量、例えば屈曲点Ｐ１に基づき制御される。よって、第２のモードにおいて出力電圧Ｖｘを目的に適したものにすることができる。

（４）酸素濃度Ｘｓが変化するとき筋肉には電気刺激による負荷が与えられている。よって、測定信号Ｉｓに現れる酸素濃度Ｘｓの屈曲点Ｐ１を特徴量とすることで、筋肉に負荷が与えられるようになる。

（５）制御部１１は、記憶された刺激用電圧Ｖｐを用いることで、第２のモードにおける出力電圧Ｖｘを適切に制御する。また、第１のモードの処理が省かれるときには第２のモードによる電気刺激が迅速に行われるようになる。

（実施の形態２）
以下、図６を参照して、電気刺激装置の実施の形態２について説明する。本電気刺激装置は、第１のモードのとき漸増する電圧が階段状に高くなるパルス状の電圧である点が、上記実施の形態１では連続的な電圧である点と相違する。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

電気刺激制御部１６は、出力電圧Ｖｘを階段状に高くなるパルス状の電圧として漸増させる第１のモードを備える。図６（ｂ）のグラフＬｂ１１に示すように、所定間隔毎に所定のパルス幅を有するパルス電圧が出力電圧Ｖｘとして出力される。パルス幅に対応する時間は、所定間隔よりも短い時間となっており、隣接するパルス電圧の間には、出力電圧Ｖｘが開始電圧Ｖ０となる時間帯が存在している。つまり、電気刺激制御部１６は、第１のモードの処理を開始すると、電極部２０から出力電圧Ｖｘを間欠的に出力させる。パルス電圧の間の開始電圧Ｖ０の時間帯は、筋肉を負荷から解放させるため、筋肉に休息が与えられる。連続する電気刺激は筋肉に疲労を蓄積させるが、出力電圧Ｖｘの出力を間欠的にすることにより、筋肉に疲労が蓄積されることが抑制される。このため、筋肉に過剰な負荷がかかるおそれが抑制され、使用者の負担が抑えられる。

図６（ａ）に示すように、第１のモードの処理によって、判定部１５は、出力電圧Ｖｘが開始電圧Ｖ０から第３電圧Ｖ１３まで段階的に高くなることに対応する酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１１を取得する。そして、判定部１５は、取得される酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１１から酸素濃度の屈曲点Ｐ１１及び最低点Ｐ１２を算出する。例えば、判定部１５は、時刻ｔ１１において濃度Ｘ１１から低下する点を屈曲点Ｐ１１と判定する。そして、判定部１５は、屈曲点Ｐ１１に対応する第１電圧Ｖ１１をトレーニングの目的に適合する電気刺激の強度、つまり刺激用電圧Ｖｐとして記憶する。また、例えば、判定部１５は、時刻ｔ１２において酸素濃度が最低の濃度Ｘ１２になる点を最低点Ｐ１２と判定する。そして、判定部１５は、最低点Ｐ１２に対応する第２電圧Ｖ１２を記憶してもよい。記憶された刺激用電圧Ｖｐは、第２のモードのとき、電極部２０から出力される出力電圧Ｖｘの制御に用いられる。

以上説明したように、本電気刺激装置によれば、上記実施の形態１に記載した（１）〜（５）の効果に加え、以下の効果を奏することができる。
（６）筋肉は電気刺激によって疲労する。電気刺激を間欠的な電圧であるパルス電圧にすることにより、電気刺激を漸増させるときに生じる筋肉の疲労を抑制させることができる。

（変形例）
各実施の形態に関する説明は、本電気刺激装置が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本電気刺激装置は、各実施の形態以外に例えば以下に示される各実施の形態の変形例を取り得る。

・上記各実施の形態では、制御部１１は、操作兼表示部１２の指示により第２のモードが開始される場合について例示した。しかしこれに限らず、制御部１１は、第１のモード終了後に自動的に第２のモードを開始してもよい。これにより、刺激用電圧Ｖｐの設定と、刺激用電圧Ｖｐを用いるトレーニングとが連続的に行われるようになる。

・上記構成において、操作兼表示部１２は、タッチパネルでもよい。タッチパネルは、その表面を操作部として用いることにより、ボタンを減らしたり、無くしたりすることができる。

・上記構成において、操作兼表示部１２は、情報の報知が可能であれば、表示部とともに、または、表示部に代えて、音、音声、振動や光などを出力する機能を有していてもよい。これにより、文字や画像以外の方法によって情報を報知することができる。

・上記構成において、判定部１５に記憶された刺激用電圧Ｖｐや屈曲点Ｐ１，Ｐ１１を操作兼表示部１２に表示させるようにしてもよい。このとき、第２のモードで電気刺激制御部１６に指示される刺激用電圧Ｖｐは、判定部１５からの指示ではなく、使用者が操作兼表示部１２を介して電気刺激制御部１６に設定してもよい。

・上記構成において、操作兼表示部１２は、使用者の生体に関する情報が入力されてもよい。生体に関する情報としては、年齢、性別、身長、体重、健康状態などが挙げられる。電気刺激制御部１６は、生体に関する情報が操作兼表示部１２から入力され、この入力された情報に基づき電源部１３に指示する電圧指令Ｖｃを調整することができる。

筋肉の状態は生体によって相違する。これによれば、筋肉を有する使用者に関する情報を入力することにより、当該使用者に対して適切な強度の電気刺激を与えるように制御することができる。

・上記構成において、判定部１５には刺激用電圧Ｖｐに変えて特徴量としての屈曲点Ｐ１，Ｐ１１を記憶させ、出力電圧Ｖｘ及び酸素濃度Ｘｓの経時的変化に基づいて第２のモードで利用される刺激用電圧Ｖｐを算出させるようにしてもよい。

・上記構成において、判定部１５は、屈曲点Ｐ１に対応する第１電圧Ｖ１を一定値だけ大きくした電圧を刺激用電圧Ｖｐとして記憶し、この記憶した刺激用電圧Ｖｐを電気刺激制御部１６に指示してもよい。これにより、大きな効果を狙うトレーニングに適した負荷が筋肉に与えられるようになる。

・上記各実施形態では、判定部１５は、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１の傾きが０になるまで電気刺激の強度を高くすることにより最低点Ｐ２を検出する場合について例示した。しかし、酸素濃度ＸｓのグラフＬａ１の傾きが０になるまで電気刺激の強度を高くすると使用者に強い痛みを与えるおそれもある。そこで、これに限らず、判定部１５は、最大刺激強度を屈曲点Ｐ１から所定の倍率となる電気刺激の強度とし、その電気刺激の強度に対応する電圧を出力電圧Ｖｘの最大値としてもよい。なお、出力電圧Ｖｘの最大値として、例えば、屈曲点Ｐ１に対応する第１電圧Ｖ１の１１０％程度の電圧が挙げられる。

・上記構成において、判定部１５は、最低点Ｐ２を測定信号Ｉｓの特徴量とし、刺激用電圧Ｖｐを定めるようにしてもよい。刺激用電圧Ｖｐを、屈曲点Ｐ１と最低点Ｐ２との間に対応する電圧にすることで、刺激用電圧Ｖｐを適切な範囲に定めることができる。

また、判定部１５は、屈曲点Ｐ１と最低点Ｐ２との間にある変曲点を測定信号Ｉｓの特徴量とし、この変曲点に基づいて刺激用電圧Ｖｐを定めるようにしてもよい。
これにより、刺激用電圧Ｖｐを屈曲点Ｐ１に対応する電圧よりも高くし、筋肉に付与する負荷を高くすることができる。また、刺激用電圧Ｖｐの設定可能な範囲が拡大され筋肉に与えることができる負荷の範囲も拡大される。例えば、使用者により異なるトレーニングのレベルに適合させるように刺激用電圧Ｖｐを調整することが容易になる。このような調整は、使用者が操作兼表示部１２により調整可能な範囲で刺激用電圧Ｖｐを指示することにより行うこともできる。

・上記各実施の形態では、屈曲点Ｐ１，Ｐ１１を、酸素濃度の経時的変化の微分値が負の値をあることが一定時間継続する点として求めた。しかし、酸素濃度の屈曲点として適切に求めることができるのであれば、屈曲点を微分値が負の値である状態が所定の演算回数継続したことなどを条件にして求めてもよい。

・上記各実施の形態では、屈曲点Ｐ１，Ｐ１１を１次微分により検出する場合について例示した。しかし、酸素濃度の屈曲点として適切に求めることができるのであれば、その求め方は１次微分に限定されるものではなく、屈曲点が２次微分や曲率値の変化などの方法にて検出されてもよい。

・上記構成において、第２のモードのときの出力電圧Ｖｘは、目的に適合する負荷を筋肉に与えることができるのであれば、一定である他に、漸増、漸減、増加減少を繰り返すように変化してもよい。

・上記構成において、第１のモードのときの出力電圧Ｖｘは、目的に適合する負荷を筋肉に与えることができるのであれば、漸増である他に、漸減すように変化してもよい。出力電圧Ｖｘを屈曲点Ｐ１に対応する第１電圧Ｖ１よりも高いと考えられる電圧から漸減させる。そして酸素濃度Ｘｓが一定値に維持されるようになる位置を屈曲点として判定することができる。

・上記構成において、第１の電極２１、第２の電極２２及び光電センサ３０は、筋肉が対象となる部位であれば、脚以外の対象物、例えば腕、腹部などの部位に装着されてもよい。

・上記構成において、第１の電極２１及び第２の電極２２は、筋肉に電気刺激を与えることができるものであればよく、使用者の体表面に直接貼り付けられるものなど、サポータ以外の方法で使用者の体に装着されるものであってもよい。

・上記構成において、光電センサ３０は、血中酸素濃度を測定することができるのであれば、使用者の体表面に直接貼り付けられるなど、サポータ以外の方法で使用者に装着されてよい。

・上記構成において、発光部３１と受光部３２との間隔Ｗは、３０ｍｍには限定されない。発光部３１と受光部３２との間隔Ｗの１／２の距離が生体組織の透過深度と言われていることから、目的に応じて定まる生体組織の透過深度に応じて発光部３１と受光部３２との間隔Ｗを設定することができる。なお、筋肉の酸素濃度を測定することができるのであれば、間隔Ｗと透過深度との関係は１／２に限定されるものではない。

・上記構成において、発光部３１は、血中酸素濃度を測定可能であれば、７６０ｎｍ，８０５ｎｍ，８４０ｎｍ以外の波長を用いてもよい。例えば、波長としては、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの等吸収点である８０５ｎｍを跨ぐような波長を選択することが好ましいが、吸光度に相違が生じればそれ以外の波長が用いられてもよい。

・上記構成において、発光部３１は、血中酸素濃度を測定可能であれば、２波長を発光するものでもよい。２波長の場合、例えば、波長として、７６０ｎｍ，８４０ｎｍの組合せが挙げられる。

・上記各実施の形態では、出力電圧Ｖｘの変更にて電気刺激の強度を調整する場合について例示したが、電気刺激の強度を調整することができるのであれば、この調整を電流や電力の変更などによって調整してもよい。

Ｐ１ :屈曲点
Ｐ２ :最低点
Ｐ１１:屈曲点
Ｐ１２:最低点
１０ :コントローラ
１１ :制御部
１２ :操作兼表示部（報知部）
１３ :電源部
１４ :酸素濃度算出部
１５ :判定部
１６ :電気刺激制御部
２０ :電極部
２１ :第１の電極
２２ :第２の電極
３０ :光電センサ（測定部）
３１ :発光部
３２ :受光部
４０ :サポータ

Claims (9)

1. 対象物に電気刺激を与える電極部と、
   前記対象物の酸素濃度に応じて変化する測定信号を出力する測定部と、
   前記測定信号に基づいて前記電極部が与える電気刺激の強度を制御する制御部と、を備える
   電気刺激装置。
2. 前記制御部は、前記電気刺激の強度を漸増させる第１のモード、および、前記第１のモードにおいて得られる前記測定信号に基づいて前記電気刺激の強度を制御する第２のモードを備える
   請求項１に記載の電気刺激装置。
3. 前記制御部は、前記第１のモードにおいて得られる前記測定信号の特徴量に基づいて前記第２のモードにおける前記電気刺激の強度を制御する
   請求項２に記載の電気刺激装置。
4. 前記特徴量が前記測定信号に現れる屈曲点である
   請求項３に記載の電気刺激装置。
5. 前記制御部は、前記第２のモードにおける前記電気刺激の強度を前記屈曲点に対応する前記電気刺激の強度よりも大きくする
   請求項４に記載の電気刺激装置。
6. 前記制御部は、前記特徴量に対応する前記電気刺激の強度、または、前記特徴量を記憶し、記憶している前記電気刺激の強度または前記特徴量を前記電気刺激の強度の制御に用いる
   請求項３〜５のいずれか一項に記載の電気刺激装置。
7. 前記制御部は、前記第１のモードにおいて前記電極部に前記電気刺激を間欠的に出力させる
   請求項２〜６のいずれか一項に記載の電気刺激装置。
8. 前記対象物を有する生体に関する情報が入力される操作部をさらに備え、
   前記制御部は、前記測定信号および前記情報に基づいて前記電気刺激の強度を制御する
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気刺激装置。
9. 対象物に電気刺激を与える電極部と、
   前記対象物の酸素濃度に応じて変化する測定信号を出力する測定部と、
   前記酸素濃度または前記電気刺激に関する情報を出力する報知部と、
   前記測定信号の特徴量に基づいて前記報知部に前記情報を出力させる制御部と、を備える
   電気刺激装置。

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