电刺激信号生成装置以及肌肉运动代谢促进装置

摘要

本发明涉及一种电刺激信号生成装置。用于使具备能够对多个电极输出各自的电刺激信号的电路的电刺激信号生成装置小型化，并且抑制电刺激的强度降低。电刺激信号生成装置具备电源；升压电路；电容器；控制器；基于从控制器输出的信号，输出第一信号的多个电压生成电路；基于从控制器输出的信号，输出第二信号的脉冲生成电路；与电压生成电路对应设置，基于第二信号将第一信号转换成脉冲信号并且对其进行放大而输出的多个脉冲合成电路；以及对从脉冲合成电路输出的信号进行放大而作为电刺激信号输出的多个变压器，其中，电容器对多个脉冲合成电路供给工作电力。

说明书

技术领域

本发明涉及生成对人体赋予的电刺激信号的电刺激信号生成装置 等。

背景技术

作为对糖尿病、肥胖病、高血压病症等生活习惯病进行改善以及预 防的方法，提出了通过在日常生活中采取适度的运动来改善生活习惯的 方案。

在运动中，尤其是有氧运动，以基于能量消耗实现的抗糖尿病效果 为代表，由于会引起糖代谢与血清脂质的改善、胰岛素感受性的提高、 降压效果、呼吸循环功能改善等各种生理学变化，所以除了生活习惯病 的预防、改善之外，成为中高龄者的健康增进运动进程的核心。

然而，由于慢性的运动不足、过度的肥胖、整形外科的疾病等，存 在很多无法充分进行有氧运动的人们。并且，由于糖尿病并发症、心血 管系统并发症等脏器障碍，还有很多被判定运动受限制的患者。

在医学、体育等业界，为了肌肉增强、失禁的管理、脊椎畸形的管 理、痉挛状态的管理等，公知有一种引发骨骼肌收缩的肌肉电刺激（以 下称为EMS）。

专利文献1公开了一种如下所述的代谢促进电刺激用佩戴器具：具 有将由电信号输出装置输出的电信号传递至人体来赋予电刺激的电极 组、和安装上述电极组并佩戴到人体下半身的衣类形状的电极安装部 件，在上述电极安装部件的佩戴状态下，上述电极组由配置于人体的正 面侧的前侧电极单元和配置于人体的背面侧的背侧电极单元构成，上述 前侧电极单元由配置在与大腿四头肌的起始部对应的位置的第一前侧 电极、和配置在与大腿四头肌的停止部对应的位置且极性与上述第一前 侧电极不同的第二前侧电极构成，上述背侧电极单元包括：第一背侧电 极，其被配置在人体的前后方向观察下的与臀大肌以及腿后腱的边界线 部分对应的位置；第二背侧电极，其被配置在腿后腱中与比臀大肌位于 下方的部分对应的位置，极性与上述第一背侧电极不同；和第三背侧电 极，其被配置在与臀大肌的起始部对应的位置，极性与上述第一背侧电 极不同。

为了获得与使用者的健康状态对应的适当效果，需要如专利文献1 公开那样对多个刺激部位赋予电刺激，为此需要与刺激部位的数量对应 地具备电极焊盘。

专利文献1:日本专利第4480797号说明书

专利文献2:日本特开2000－237331号公报

这里，在对电极焊盘（电极体）输出电信号的电刺激信号生成装置 中设置有输出脉冲信号的变压器，该变压器与各个电极焊盘对应地配 备。

然而，如果对每个变压器设置电容器，则由于需要与变压器的个数 对应的电容器，所以电刺激信号生成装置的尺寸变大，成本增大。另外， 由于通过电容器被配置在变压器的次级侧来对电容器施加升压后的电 压，所以为了具有耐压性而需要增大电容器。因此，电刺激信号生成装 置的尺寸进一步变大。

另一方面，因为减小电刺激信号生成装置的尺寸，则有可能无法赋 予足够强度的电刺激。

发明内容

本发明的目的在于，使具备能够对多个电极体输出各个电刺激信号 的电路的电刺激信号生成装置小型化，并且抑制电刺激的强度降低。

为了解决上述课题，（1）本发明涉及的电刺激信号生成装置具有： 电源；升压电路，其对上述电源的电压进行升压；电容器，其基于经由 该升压电路被供给的电力进行蓄电；控制器；多个电压生成电路，它们 分别基于从上述控制器输出的信号来输出与电压值的大小相关的第一 信号；脉冲生成电路，其基于从上述控制器输出的信号来输出用于将从 各上述电压生成电路输出的第一信号转换成脉冲信号的第二信号；多个 脉冲合成电路，它们分别与各上述电压生成电路对应设置，基于从上述 脉冲生成电路输出的第二信号，将从上述电压生成电路输出的第一信号 转换成脉冲信号，并且对其进行放大而输出；以及多个变压器，它们分 别与各上述脉冲合成电路对应设置，对从上述脉冲合成电路输出的信号 进行放大而作为电刺激信号输出；上述电容器对上述多个脉冲合成电路 供给工作电力。

（2）在上述（1）的构成中，可设置基于从上述控制器输出的信号， 来使上述电容器中蓄积的电荷放电的放电电路。根据（2）的构成，能 够防止在将电刺激信号生成装置的电源切断后，从电容器对多个脉冲合 成电路赋予工作电力。

（3）在上述（1）或者（2）的构成中，上述电容器可设在将上述 升压电路与上述多个脉冲合成电路连接的连接电路。

（4）在上述（1）～（3）的构成中，上述控制器能够对上述各电 压生成电路输出不同的信号，上述各电压生成电路能够输出与从上述控 制器输出的信号所对应的电压值的大小相关的第一信号。

（5）一种肌肉运动代谢促进装置，具有上述（1）～（4）中任意 一项所述的电刺激信号生成装置；和分别与各上述变压器对应设置，通 过相互配置到人体的不同刺激部位来赋予电刺激的多个电极体。

根据本发明，可使具备能够对多个电极体输出各个电刺激信号的 电路的电刺激信号生成装置小型化，并且抑制电刺激的强度降低。

附图说明

图1是电刺激产生装置的框图。

图2是电刺激产生装置的一部分的框图。

图3示意性地表示了由电压生成电路输出的信号。

图4示意性地表示了由脉冲生成电路输出的信号。

图5示意性地表示了由脉冲合成电路输出的信号。

图6是放电电路的动作说明图。

具体实施方式

图1是电刺激信号生成装置的框图。参照该图，电刺激信号生成装 置100具有：电源1、升压电路2、控制器3、第一～第三电压生成电路 4a～4c、第一～第三脉冲生成电路5a～5c、第一～第三脉冲合成电路 6a～6c、第一～第三变压器7a～7c、电容器8以及放电电路9。以下， 对各部分的构成详细进行说明。

电源1可以是一次电池、二次电池、电容器、燃料电池。二次电池 可以通过在电刺激信号生成装置100的外部设置的充电器来充电。在电 源1是二次电池的情况下，电刺激信号生成装置100具有充电器和与充 电器连接的引入线，通过将从外部电源延伸的充电电缆的连接器与上述 引入线连结能够进行充电。该情况下，外部电源也可以是DC5V的商用 电源。二次电池也可以通过不需要充电电缆的连接器的所谓非接触充电 来充电。电源的形状可以是圆筒型形状、棱型形状、硬币型形状。另外， 电源1也可以通过串联或者并联连接多个电源元件来构成。对电刺激信 号生成装置100设有未图示的开关，通过对该开关进行操作，起动电刺 激信号生成装置100。

升压电路2将电源1的电压升压到目标的电压值。这里，目标的电 压值是与第一～第三脉冲合成电路6a～6c的输出电压对应的电压值。 控制器3控制由电刺激信号生成装置100输出的输出信号的强度等。这 里，控制器3可以是CPU或MPU，也可以包含以电路的方式执行在这 些CPU、MPU中进行的处理的至少一部分的ASIC电路。

图2是包括第一电压生成电路4a、第一脉冲生成电路5a以及第一 脉冲合成电路6a的电刺激信号生成装置100的一部分的框图。其中， 为了简化附图，省略了第二～第三电压生成电路4b～4c、第二～第三脉 冲生成电路5b～5c以及第二～第三脉冲合成电路6b～6c。

参照该图，第一电压生成电路4a包括电阻41a以及电路内电容器 42a。如图3所示，第一电压生成电路4a将从控制器3输出的PWM信 号转换成与脉冲宽度对应的电压信号（与电压值的大小有关的第一信 号）。在图示的例子中，对应于从控制器3输出的PWM信号的脉冲宽 度在输出中途变大，电压信号的电平以近似阶梯状上升。由于第二电压 生成电路4b以及第三电压生成电路4c的电路构成与第一电压生成电路 4a的电路构成相同，所以省略说明。从控制器3向第一～第三电压生成 电路4a～4c输出的PWM信号分别独立。因此，各第一～第三电压生 成电路4a～4c中生成的各电压信号的值可被控制器3独立控制。此外， 从控制器3输出的信号也可以不是PWM信号而是直接输出电压信号的 D／A转换信号。该情况下，也可以省略电路内电阻41a。

再次参照图2，第一脉冲生成电路5a由对从控制器3输出的脉冲信 号进行放大，并将控制器3与第一脉冲合成电路6a分离的NPN晶体管 构成。NPN晶体管具有基极、集电极、发射极这3个不同的端子。第 一脉冲生成电路5a如图4所示那样，将从控制器3输出的脉冲信号转 换成第一脉冲合成电路6a用的脉冲波形并输出。其中，该输出信号相 当于第二信号。第一脉冲生成电路5a基于从控制器3输出的脉冲信号， 来决定图4所示的输出信号的脉冲宽度以及频率。由于第二脉冲生成电 路5b以及第三脉冲生成电路5c的电路构成与第一脉冲生成电路5a的 电路构成相同，所以省略说明。如图1所示，对第一～第三脉冲生成电 路5a～5c输入相同的脉冲信号。

但是，控制器3也可以对第一～第三脉冲生成电路5a～5c输入不同 的脉冲信号。该情况下，从各第一～第三脉冲生成电路5a～5c输出不 同的脉冲宽度以及频率的脉冲信号。另外，第一～第三脉冲生成电路 5a～5c也可以由一个晶体管构成。

通过操作设于电刺激信号生成装置100的未图示的操作部，能够经 由控制器3来控制第一电压生成电路4a以及第一脉冲生成电路5a的输 出信号。该操作部可以是选择刺激模式（例如“捏”、“揉”等）的选择 部以及对刺激的强度进行调整的调整部。选择部也可以是滑动式的开关。 调整部也可以是无级调整电位器。

第一脉冲合成电路6a包括：上游侧运算放大器61a、电阻62a、反 转放大电路63a以及NPN晶体管64a。上游侧运算放大器61a的正端子 与第一电压生成电路4a连接。对上游侧运算放大器61a的负端子反馈 上游侧运算放大器61a的输出电压。

电阻62a位于上游侧运算放大器61a与反转放大电路63a之间。反 转放大电路63a具有：下游侧运算放大器631a、电阻632a以及电阻 632b。下游侧运算放大器631a的正端子与电阻62a连接。电阻632a被 设置于反转放大电路63a的反馈电路。反转放大电路63a输出与电阻 632a以及电阻632b的电阻比对应的放大信号。

具体如图5所示，第一脉冲合成电路6a输出将从第一电压生成电 路4a输出的电压信号与从第一脉冲生成电路5a输出的脉冲信号合成以 及放大后的信号。从第一脉冲合成电路6a输出的放大信号被输入至第 一变压器7a的初级侧。由于第二脉冲合成电路6b以及第三脉冲合成电 路6c的电路构成与第一脉冲合成电路6a的电路构成相同，所以省略说 明。

第一～第三脉冲合成电路6a～6c基于被从电容器8供给电力而动 作。这里，在省略了电容器8的情况下，从第一～第三变压器7a～7c 输出的信号的强度降低，无法赋予所希望的电刺激。这里，作为对从第 一～第三变压器7a～7c输出的信号的强度降低进行抑制的方法，可考 虑在各第一～第三变压器7a～7c的各次级侧分别配置电容器的方法。

然而，在该方法中，由于需要与变压器的数量对应的多个电容器， 所以成本增大。另外，由于变压器的次级侧通过升压动作而成为高电压， 所以需要增大各电容器的容量（即尺寸），导致电刺激信号生成装置100 大型化。

鉴于此，通过设置针对第一～第三脉冲合成电路6a～6c供给工作电 力的电容器8，能够消除上述的问题。即，由于针对第一～第三脉冲合 成电路6a～6c供给工作电力的电容器8仅为一个即可，所以可实现通 过减少电容器的个数带来的低成本化。并且，由于电容器8被配置在第 一～第三变压器7a～7c的初级侧，所以与配置于次级侧的情况相比， 可减小尺寸。由此，可使电刺激信号生成装置100小型化。

在第一变压器7a的次级侧设置有正端子以及负端子。这些正端子 以及负端子分别经由未图示的导线与正极焊盘以及负极焊盘连接。由于 第二变压器7b以及第三变压器7c是与第一变压器7a相同的构成，所 以省略说明。

如上所述，为了对人体赋予所希望的效果，需要对多个刺激部位给 予电刺激。由于因刺激部位增加，使得贴在刺激部位的电极焊盘的数量 增加，电路构成也变得复杂，所以电刺激信号生成装置100一般会大型 化。根据上述的实施方式，能够抑制电刺激信号生成装置100的大型化， 并且对多个刺激部位赋予电刺激。

另外，由于在控制器3中能够分别独立地控制从各第一～第三变压 器7a～7c输出的放大信号的强度，所以可对各刺激部位赋予固有的电 刺激。

如图6所示，放电电路9由晶体管构成。放电电路9基于从控制器 3输出的信号（高信号或者低信号）来开始放电。这里，在省略了放电 电路9的情况下，即使切断电刺激信号生成装置100的电源，由于电容 器8中充有电荷，所以也不能立即停止电刺激。鉴于此，控制器3在电 刺激信号生成装置100的电源刚被切断后，控制放电电路9以使充在电 容器8中的电荷放电。此外，也可以取代放电电路9而采用在电容器8 以及第一～第三脉冲合成电路6a～6c之间设置继电器的构成。继电器 可以是接点式的继电器。若电刺激信号生成装置100的电源被断开，则 控制器3将继电器切断。由此，可防止在电刺激信号生成装置100被切 断后从电容器8对第一～第三脉冲合成电路6a～6c供给工作电力。

以往，例如在使电刺激信号生成装置100执行“捏”这一动作的情 况下，通过使输出波形的电压缓缓地逐渐放大来获得其刺激感。该电压 的放大通过对将电阻与电容器组合得到的CR电路的时间常数进行控制 来进行。因此，只能使输出电压线性放大。

在本实施方式中，由于在控制器3中能够控制输出波形，所以还能 够获得不是线性而具有曲线特性的输出波形。由此，还可以赋予以往无 法实现的独特的电刺激。

在将上述的电刺激信号生成装置100与电极焊盘组合而作为肌肉运 动代谢促进装置使用的情况下，例如可将多个电极焊盘如下述那样配 置。多个电极焊盘由配置于人体的正面侧的前侧电极单元、和配置于人 体的背面侧的背侧电极单元构成，前侧电极单元由配置在与大腿四头肌 的起始部对应的位置的第一前侧电极焊盘、和配置在与大腿四头肌的停 止部对应的位置且极性与第一前侧电极不同的第二前侧电极焊盘构成， 背侧电极单元包括配置在人体的前后方向观察下的与臀大肌以及腿后 腱的边界线部分对应的位置的第一背侧电极焊盘；配置在与腿后腱中比 臀大肌靠下方的部分对应的位置，且极性与第一背侧电极不同的第二背 侧电极焊盘；以及配置在与臀大肌的起始部对应的位置，且极性与第一 背侧电极不同的第三背侧电极焊盘。由此，可期待基于肌肉运动实现的 代谢促进。

附图标记说明：

1-电源；2-升压电路；3-控制器；

4a～4c-第一～第三电压生成电路；

5a～5c-第一～第三脉冲生成电路；

6a～6c-第一～第三脉冲合成电路；

7a～7c-第一～第三晶体管；

8-电容器；9-放电电路；100-电刺激信号生成装置。