本発明は、人体に電気刺激を付与する電� ��群を下半身に着用される衣類形状の電極装� ��部材に装着することを特徴としている。こ� ��により、人体に電極を貼着する貼着作業が� ��略化され、使用者や使用者を介護する介護� ��の負担を大幅に軽減することができる。ま� ��、電極群は電気刺激用装着具に保持される� ��め、電極群の位置ずれを防止できる。

 電極装着部材が着用されると、一対の電� ��は筋肉の筋線維に沿った方向に配置される� ��これにより、より効果的な筋肉運動を誘発� ��ることができる。

 (実施形態1)
 本実施形態では、筋線維に沿った方向に一� ��の電極を配置する例として、図1に図示する 構成を採用した。図1(A)は人体の正面図であ� �、図1(B)は人体の背面図である。

 11、12、21、22、23はそれぞれ電極を示して おり、電極11は人体の大腿四頭筋の起始部(大 腿骨の付け根部分)に対応した位置に配置さ� �ている。ここで、「対応した位置」とは、� �1に図示するように、人体の前後方向視にお� ��て、電極11と大腿四頭筋の起始部とがオー� �ーラップしていることを意味する。

 電極12は人体の大腿四頭筋の停止部に対� �した位置に配置されている。「対応した位� �」とは、図1に図示するように、人体の前後� ��向視において、電極12と大腿四頭筋の停止� �とがオーバーラップしていることを意味す� �。

 電極21は人体の大殿筋及びハムストリン� �の境界部分に対応した位置に配置されてい� �。「対応した位置」とは、人体の前後方向� �において、電極21と該境界部分とがオーバー ラップしていることを意味する。なお、ハム ストリングは、大殿筋の下方に位置する大腿 二頭筋、半腱様筋及び半膜様筋からなる筋肉 群の総称である。

 電極22は人体の大殿筋の起始部に対応し� �位置に配置されている。「対応した位置」� �は、人体の前後方向視において、電極22と大 殿筋の起始部とがオーバーラップしているこ とを意味する。

 電極23は電極21よりも下方のハムストリン グに対応した位置に配置されている。「対応 した位置」とは、人体の前後方向視において 、電極23とハムストリングとがオーバーラッ� ��していることを意味する。

 これらの電極11~23を個々に人体に貼り付� �る方法では、位置決め作業が煩雑化して、� �極の位置ずれにより所望の電気刺激を付与� �きなくなるおそれがある。そこで、本実施� �態では、これらの電極をスパッツ型の電気� �激用装着具に装着させ、スパッツを着用す� �だけで電気刺激を付与できる構成にしてい� �。

 以下、電極11を第1の前側電極11、電極12を 第2の前側電極12、電極21を第1の背側電極21、� ��極22を第3の背側電極22、電極23を第2の背側� �極23という。ここで、第1の前側電極11は正極 であり、第2の前側電極12は負極である。また 、第1の背側電極21は正極であり、第2の背側� �極23は負極であり、第3の背側電極22は負極で ある。

 図2は、電気刺激用装着具の正面図であり 、図3は当該電気刺激用装着具の背面図であ� �。電気刺激用装着具としてのスパッツ30にお いて、スパッツ正面部30aの裏面(スパッツ30の 裏側の面)には、第1の前側電極収容部110及び� ��2の前側電極収容部120が設けられており、第 1の前側電極収容部110には第1の前側電極11が� �容されており、第2の前側電極収容部120には� ��2の前側電極12が収容されている。

 スパッツ30の着用状態において、第1の前� ��電極収容部110は、大腿四頭筋の起始部(大腿 骨の付け根部分)に対応した位置に第1の前側� ��極11を位置決めしており、第2の前側電極収� ��部120は、大腿四頭筋の停止部に対応した位� ��に第2の前側電極12を位置決めしている。

 このように、第1の前側電極11及び第2の前 側電極12を、人体の前面側において上下に並� ��で配設することにより、筋肉の筋線維の方� ��に沿って電気刺激を与えることができる。� ��れにより、筋線維に直交する方向に電気刺� ��を付与する従来の刺激方式よりも、効果の� ��い電気刺激を付与することができる。なお� ��この裏付けデータを実施例に示している。

 図4は、スパッツ30の裏側に設けられた第1 の前側電極収容部110の収容構造を示した第1� �前側電極収容部110の平面図である。ただし� �第1の前側電極11を投影して図示しており、� �線は縫い目を示している。電極載置部110aは� ��帯状に形成されており、第1の前側電極11よ� ��も平面寸法が大きく形成されており、裏側( 肌側)に撥水加工を施したスパッツ30に対して 縫着されている。電極載置部110aには、防水� �地を用いることができる。

 帯状導電部110bの外縁部は、電極載置部110 aに対して縫着されており、帯状導電部110bの� ��縁部よりも内側の領域に第1の前側電極11を� ��容する収容領域が形成されている。帯状導� ��部110bの中央には、当該収容領域に第1の前� �電極11を組み込むための組み込み開口部110c� �形成されている。組み込み開口部110cから当� ��収容領域に組み込まれた第1の前側電極11は� ��電極載置部110a及び帯状導電部110bに挟持さ� �た状態で位置決めされる。

 図2を参照して、第1の前側電極11に接続さ れた導電線61は、スパッツ30の上部に形成さ� �た引出口30cから引き出されて、後述する電� �信号出力装置80に電気的及び機械的に接続さ れる。帯状導電部110bは、保水性生地により� �成されており、水などの液体を含浸させる� �とができる。本実施例では、保水性の高い� �ット素材を用いているが、織物、不織布な� �を用いることもできる。このように、帯状� �電部110bに液体を含浸させることにより、電� ��から出力される電流を人体に通電させやす� ��することができる。

 スパッツ30の着用状態において、帯状導� �部110bは人体の大腿骨の付け根部分に対応し� ��位置に接触しており、帯状導電部110bに水な どの液体を含浸させた状態で第1の前側電極11 に通電すると、帯状導電部110bを介して人体� �電気刺激を与えることができる。

 なお、第2の前側電極収容部120の収容構造 については、第1の前側電極収容部110と同様� �あるため説明を省略する。

 図3を参照して、電気刺激用装着具として のスパッツ30において、スパッツ背面部30bの� ��面(スパッツ30の裏側の面)には、第1の背側� �極収容部210、第3の背側電極収容部220及び第2 の背側電極収容部230が設けられており、第1� �背側電極収容部210には、第1の背側電極21が� �容されており、第3の背側電極収容部220には� ��第3の背側電極22が収容されており、第2の背 側電極収容部230には第2の背側電極23が収容さ れている。第1の背側電極収容部210、第3の背� ��電極収容部220及び第2の背側電極収容部230の 収容構造については、第1の前側電極収容部11 0と同様であるため説明を省略する。

 ここで、第1の背側電極21の電極面積をS1� �第3の背側電極22の電極面積をS3及び第2の背� �電極23の電極面積をS2としたときに、その面� ��比は、好ましくは0.6S1<S2+S3<1.4S1であり� �より好ましくは0.8S1<S2+S3<1.2S1である。面 積比を0.6S1<S2+S3<1.4S1に設定することによ� ��、電流密度のバラツキが抑制され、0.8S1<S 2+S3<1.2S1に設定することにより、電流密度� �バラツキがより効果的に抑制される。これ� �より、電気刺激時に使用者に加わる痛みを� �くす(軽減する)ことができる。

 スパッツ30の下端部には、帯状のサイズ� �節部30dが形成されており、このサイズ調節� �30dは、スパッツ背面部30bに設けられた面フ� �スナー部30eに着脱可能に装着される。した� �って、面ファスナー部30eにおけるサイズ調� �部30dの装着位置を変えることにより、簡単� �サイズの調整を行うことができる。

 30fは、通常のスパッツにも形成された一� ��的なスリットであるため、詳細な説明を省� ��する。また、本実施形態では、縫着という� ��段を用いて電極載置部110a及び帯状導電部110 bを取り付けているが、接着や溶着(融着)等に より取り付けてもよい。

 上述の構成によれば、スパッツ30を着用� �るのみで、上述した所望の刺激部位に電極11 、12、21、22、23を配置することができる。こ� ��により、電極の位置決め作業を簡素化する� ��とができる。また、電極載置部及び帯状導� ��部に挟まれた状態で電極は保持されるため� ��電極に外力が加わった際に、電極の位置ず� ��を効果的に防止することができる。

 また、スパッツ30と電極11、12、21、22、23� ��間に防水生地からなる電極載置部110aを介在 させているため、保水性生地の帯状導電部110 bに含侵された液体がスパッツ30の表面に染み 出でるのを防止できる。さらに、スパッツ30� ��裏側(肌側)に撥水加工を施すことにより、� �パッツ表面に液体が染み出ることをより効� �的に防止できる。

 次に、図5を参照しながら、電極11、12、21 、22、23に出力される電気信号を生成する電� �信号出力装置の構成について説明する。図5� ��、電気信号出力装置の回路構成を図示した� ��ロック図である。

 電気信号出力装置80は、電気信号出力装� �80全体の制御を司る制御回路83と、電源とし� ��の電源回路82と、制御回路83の制御信号に基 づいて低周波のパルス信号を出力する低周波 出力ドライバ88と、所定周波数のクロック信� ��を制御回路83に供給する発振子85と、動作モ ード選択スイッチ84と、リセット信号を制御� ��路83に供給するリセット回路86とを備えてい る。

 低周波出力用ドライバ88から出力された� �号は、出力調整用メインボリューム89におい て無段階調整され、増幅回路87に出力される� ��増幅回路87は、右脚用の電極11、12に接続さ� ��た第1の増幅回路87A、右脚用の電極21、22に� �続された第2の増幅回路87B、右脚用の電極21� �23に接続された第3の増幅回路87C、左脚用の� �極11、12に接続された第4の増幅回路87D、左脚 用の電極21、22に接続された第5の増幅回路87E� ��び左脚用の電極21、23に接続された第6の増� �回路87Fから構成され、低周波出力用ドライ� �88から出力された信号を増幅する。

 第1~第6の出力調整サブボリューム89A~Fを� �作することにより、第1~第6の増幅回路87A~Fか ら出力された増幅信号を4~20Hzの間で無段階調 整することができる。

 制御回路83は、電源回路82によるDC5Vの電� �及び発振子85で励起される例えば8MHzのクロ� �ク信号に基づいて駆動され、低周波出力用� �ライバ88に対して制御信号を出力する。

 低周波出力用ドライバ88は、電源回路82か ら供給される電圧及び制御回路83からの制御� ��号に基づいて、低周波のパルス信号を出力� ��る。

 動作モード選択スイッチ84を操作するこ� �により、第1の出力モード、第2の出力モード 及び第3の出力モードを選択することができ� �。

 図6Aは第1の出力モードの出力パターンを� ��しており、この出力パターンでは、周波数� ��4~20Hzの方形信号を連続的に1秒間出力した後 に、1秒間出力を禁止する刺激パターンを繰� �返し行う。

 図6Bは、第2の出力モードの出力パターン� ��示しており、この出力パターンでは、周波� ��が4~20HZの方形信号を連続的に5秒間出力した 後に、2秒間出力を禁止する刺激パターンを� �り返し行う。

 図6Cは第3の出力モードの出力パターンを� ��しており、この出力パターンでは、周波数� ��4~20Hzの方形信号を連続的に出力している(つ まり、出力を禁止する時間がない)。

(変形例)
 第1の前側電極11、第2の前側電極12、第1の背 側電極21、第3の背側電極22及び第2の背側電極 23の極性を反対にしてもよい。この場合、上� ��実施形態と同様の効果を得ることができる� ��
(実施形態1の実施例)
 発明例1では、実施形態1のスパッツ30を健常 者に着用させ、図6Cの第3の出力モードで電気 刺激を行った。比較例1では、大腿四頭筋に� �極を配置して、大腿二頭筋に負極を配置し� �、同様に図6Cの第3の出力モードで健常者に� �気刺激を行った。これらの発明例1及び比較� ��1における酸素摂取量を測定した。

 
 比較例1では約2.5倍しか酸素摂取量が増加し なかったが、発明例1では約6.3倍も酸素摂取� �が増加した。したがって、筋線維に直交す� �方向に電気刺激を付与する従来の刺激方式� �りも、筋線維に沿った方向に電気刺激を付� �する本発明の刺激方式のが、代謝促進に有� �であるということがわかった。

 刺激周波数を変化させて、図6Cの第3の出� ��モードで健常者に電気刺激を行った。その� ��果を図7及び図8に示す。図7(A)~(C)はそれぞれ 、2Hz、4Hz、8Hzの周波数で電気刺激を行った場 合の実験結果を示しており、下側のグラフが パルス信号(刺激)の出力タイミングを示して� ��り、上側のグラフがパルス刺激に対する筋� ��の張力を示している。

 図7(A)では、N回目(Nは1以上の整数(以下同� ��))のパルス刺激に対する筋収縮が終了した� �に、N+1回目のパルス刺激が開始され、その� �果、N回目のパルス刺激とN+1回目のパルス刺� ��とによる筋収縮が融合しなかった。

 これに対して、図7(B)及び図7(C)では、N回� ��のパルス刺激に対する筋収縮が終了する前( つまり、張力が0になる前)に、N+1回目のパル� ��刺激が開始され、その結果、N回目のパルス 刺激とN+1回目のパルス刺激とによる筋収縮が 融合した。これらの結果から、電気刺激の周 波数の下限値を4Hzに設定することにより、筋 収縮の融合により張力(収縮力)が維持されて� ��代謝が亢進することがわかった。

 図8に図示するように、50Hz、80Hzの周波数� ��電気刺激を行うと、強縮が起こり、血流の� ��下により筋疲労が促進されるため、代謝亢� ��への刺激が時間とともに大きく減少して、� ��縮力が弱くなり持続性がなくなることがわ� ��った。これらの結果から、4~20Hzの周波数で� ��気刺激を行うことにより、代謝を効果的に� ��進できることが証明された。

(実施形態2)
 本実施形態では、筋線維に沿った方向に電� ��を配置する例として、図9に図示する構成を 採用した。図9(A)は人体の正面図であり、図9( B)は人体の背面図である。

 図9(A)を参照して、第1の前側電極151は正� �であり、人体の大腿四頭筋の起始部(大腿骨� ��付け根部分)に対応した位置に配置されてい る。ここで、「対応した位置」とは、図9に� �示するように、人体の前後方向視において� �第1の前側電極151と大腿四頭筋の起始部とが� ��ーバーラップしていることを意味する。

 第2の前側電極152は負極であり、人体の大 腿四頭筋の停止部に対応した位置に配置され ている。ここで、「対応した位置」とは、図 9に図示するように、人体の前後方向視にお� �て、第2の前側電極152と大腿四頭筋の停止部� ��がオーバーラップしていることを意味する� ��なお、第1及び第2の前側電極151、152の極性� �反対にしてもよい。

 図9(B)を参照して、第1の背側電極161は正� �であり、人体の大殿筋及びハムストリング� �境界部分に対応した位置に配置されている� �ここで、「対応した位置」とは、図9に図示� ��るように、人体の前後方向視において、第1 の背側電極161と前記境界部分とがオーバーラ ップしていることを意味する。

 第2の背側電極162は負極であり、人体のハ ムストリングのうち大殿筋よりも下方に位置 する部分に対応した位置に配置されている。 ここで、「対応した位置」とは、図9に図示� �るように、人体の前後方向視において、第2� ��背側電極162と前記部分とがオーバーラップ� ��ていることを意味する。なお、第1及び第2� �背側電極161、162の極性を反対にしてもよい� �

 これらの第1及び第2の正側電極151、152、� �1及び第2の背側電極161、162は、図10及び図11� �図示する短パンツに組み込むことができる� �図10は短パンツの正面図であり、図11は短パ� ��ツの背面図である。

 図10に図示するように、第1の前側電極151� ��短パンツ100の前側に形成された第1の前側電 極収容部171に収容されており、第2の前側電� �152は短パンツ100の前側に形成された第2の前� ��電極収容部172に収容されている。

 短パンツ100を着用した状態において、第1 の前側電極収容部171は、大腿四頭筋の起始部 に対応した位置に第1の前側電極151を位置決� �しており、第2の前側電極収容部172は、大腿� ��頭筋の停止部に対応した位置に第2の前側電 極152を位置決めしている。

 このように、第1及び第2の前側電極151、15 2を配置することにより、筋肉の筋線維の方� �に沿って電気刺激を付与することができる� �これにより、筋線維に直交する方向に通電� �る刺激方法よりも、効果の高い電気刺激を� �与することができる。なお、その裏付けデ� �タを後述する実施に示している。

 図11に図示するように、第1の背側電極161� ��短パンツ100の背側に形成された第1の背側電 極収容部181に収容されており、第2の背側電� �162は短パンツ100の背側に形成された第2の背� ��電極収容部182に収容されている。

 短パンツ100の着用状態において、第1の背 側電極収容部181は、人体の大殿筋及びハムス トリングの境界部分に対応した位置に第1の� �側電極161を位置決めしており、第2の背側電� ��収容部182は、人体のハムストリングのうち� ��殿筋よりも下方に位置する部分に対応した� ��置に第2の背側電極162を位置決めしている。

 図12は、短パンツ100の背面側から視た第1� ��前側電極収容部171の概略図である。網状の� ��ート部材101の周縁部は、短パンツ100の背面� ��地に貼り着されている。シート部材101の周� ��部に包囲された、シート部材101と短パンツ1 00の背面生地との間の空間に第1の前側電極収 容部171が形成される。第1の前側電極151は、� �の第1の前側電極収容部171に収容される。

 図10を参照して、短パンツ100の外面には� �リット102が形成されている。このスリット10 2は、第1の前側電極収容部171に連通しており� ��このスリット102から第1の前側電極収容部171 の内部に第1の前側電極151を滑り込ませるこ� �により、組み込み作業が完了する。なお、� �の電極収容部も同じ構成であるため、説明� �繰り返さない。

 このように、本実施形態の構成によれば� ��短パンツ100を着用した状態において、短パ� ��ツ100の外部から第1の前側電極151を組み込む ことができる。これにより、着用者が短パン ツ100を脱ぐことなく、簡単に電極の組み込み 作業が完了し、使用者及び使用者を介護する 介護者の負担を大きく軽減することができる 。

 電気信号出力装置の構成及び出力パター� ��については、実施形態1と同様であるため説 明を繰り返さない。

(実施形態2の実施例) 本実施形態2の電極配置 で電気刺激を行った。刺激モードとして、第 2の出力モードを選択した。10名の前十字靱帯 再建術後の患者を対象として、5名の患者に� �気刺激を与え、残りの5名の患者には電気刺� ��を与えなかった。電気刺激は、1日1回20分間 、週5回行った。実施期間は4週間とした。刺� ��周波数は20Hzに設定した。大腿直筋(以下RFと いう)、中間広筋(以下VIという)、外側広筋(以 下VLという)、ヒラメ筋(以下SOという)を測定� �位として、超音波による筋厚測定を行った� �なお、病院で定められたリハビリプログラ� �にしたがい、全患者に膝可動域トレーニン� �、下肢筋肉トレーニングを課した。その結� �を、表2~5に示す。各表の縦軸は筋厚測定値� �横軸は実施期間を示している。表2はRFの筋� �であり、実線が電気刺激を与えた患者、破� �が電気刺激を与えなかった患者の筋厚を示� �ている。
 
 表3はVIの筋厚であり、実線が電気刺激を与� ��た患者、破線が電気刺激を与えなかった患� ��の筋厚を示している。
 
 表4はVLの筋厚であり、実線が電気刺激を与� ��た患者、破線が電気刺激を与えなかった患� ��の筋厚を示している。
 
 表5はSOの筋厚であり、実線が電気刺激を与� ��た患者、破線が電気刺激を与えなかった患� ��の筋厚を示している。
 
 これらの結果からわかるように、実施形態2 の電極配置で電気刺激を付与することにより 、筋肉の厚みをより大きくすることができた 。

 以上説明したように、筋線維に沿った方� ��に電極を配置することにより、代謝促進、� ��肥大を図ることができる。

(変形例)
 上記実施形態1及び2において、電極をさら� �増加させることもできる。図13は変形例の電 極の配置図であり、(A)が人体の正面図、(B)が 人体の背面図である。図13(A)を参照して、電� ��153、154は前脛骨筋に対応した位置に配置さ� ��ており、一対の電極を構成している。電極1 53は、正極であってもよいし、負極であって� ��よい。

 図13(B)を参照して、電極163、164は下腿三� �筋に対応した位置に配置されており、一対� �電極を構成している。電極163は、正極して� �ってもよいし、負極であってもよい。

 これらの電極153、154、163、164は、スパッ� ��30、短パンツ100に装着されることなく、独� �して設けられている。また、これらの電極15 3、154、163、164は電気信号出力装置80に対して 電気的及び機械的に接続されている。

 上述の実施例では、第2の出力モード、第 3の出力モードを用いたが、第1の出力モード� ��用いることもできる。また、パルス状の電� ��刺激を付与することができれば、第1乃至第 3の出力モード以外の他の出力モードを用い� �こともできる。