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WO2015111110A1 - 電気刺激装置 - Google Patents

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Publication number
WO2015111110A1
WO2015111110A1 PCT/JP2014/006183 JP2014006183W WO2015111110A1 WO 2015111110 A1 WO2015111110 A1 WO 2015111110A1 JP 2014006183 W JP2014006183 W JP 2014006183W WO 2015111110 A1 WO2015111110 A1 WO 2015111110A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrical stimulation
electrode
output
stance
phase
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/006183
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
三原　泉
亮 市村
景太 乾
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority to EP14879402.7A priority Critical patent/EP3097947B1/en
Priority to KR1020167019857A priority patent/KR20160101175A/ko
Priority to CN201480073592.8A priority patent/CN105916548B/zh
Priority to US15/112,865 priority patent/US20160339240A1/en
Publication of WO2015111110A1 publication Critical patent/WO2015111110A1/ja

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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/1036—Measuring load distribution, e.g. podologic studies
    • A61B5/1038—Measuring plantar pressure during gait
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/112—Gait analysis
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    • A61B2562/0219—Inertial sensors, e.g. accelerometers, gyroscopes, tilt switches

Definitions

  • the present invention relates to an electrical stimulation device.
  • the electrodes of conventional electrical stimulators are attached to the thighs and lower legs and stimulate the thigh and lower leg muscles by supplying current to the electrodes.
  • the muscle strength enhancer disclosed in Patent Document 1 which is an example of a conventional electrical stimulation device, extends a knee joint from a bent state while the user is sitting on a chair, and extends the knee joint when the user is lying down. When bending from the state, electrically stimulate the thigh and lower leg.
  • An object of the present invention is to provide an electrical stimulation device that makes it difficult for knee pain to occur during walking.
  • the inventor of the present application has found that knee pain is less likely to occur during walking of the user by applying electrical stimulation to the user's lower limbs at an appropriate timing.
  • the electrical stimulation device is a control that determines at least one of a mid-stance phase in which the entire sole is grounded and a swing phase in which the entire sole is not grounded in one walking cycle. And an electrode that outputs electrical stimulation to muscles straddling the knee joint, and the control unit outputs electrical stimulation to the electrode in the middle stance phase and outputs in the middle stance phase in the swing phase There is a period in which a weaker electrical stimulus is output to the electrode, or a period in which the electrode is output in the mid-stance phase and no electrical stimulus is output in the electrode during the swing phase.
  • this electrical stimulation device electrical stimulation is applied to the muscles straddling the knee joint in the middle stance phase where knee pain is likely to occur. For this reason, knee pain is less likely to occur during walking.
  • (A) (b) (c) is a schematic diagram for demonstrating the position of an electrode.
  • the graph which shows the relationship between the detection signal of embodiment, and gait determination.
  • surface which shows the relationship between each walking mode of embodiment, and the electrical stimulation by each electrode.
  • the graph which shows the relationship between each period of 1 walk cycle of embodiment, and the degree of knee pain.
  • the graph which shows the relationship between the presence or absence of the electrical stimulation of embodiment, and the acceleration area of a thigh.
  • surface which shows the list of the electricity supply pattern of other embodiment.
  • the electrical stimulation device 1 includes two stimulus applying units 10, a first detection unit 21, a second detection unit 22, a third detection unit 23, a fourth detection unit 24, and an operation device 30.
  • the stimulus imparting unit 10 has a structure corresponding to the right lower limb.
  • the other stimulus imparting unit 10 has a structure corresponding to the left lower limb.
  • the stimulus imparting unit 10 imparts electrical stimulation to the lower limb 50 (see FIG. 2).
  • the stimulus imparting unit 10 includes a first electrode 11, a second electrode 12, a third electrode 13, and a supporter 14.
  • the electrodes 11 to 13 are attached to the back surface of the supporter 14.
  • Each of the electrodes 11 to 13 is electrically connected to the control unit 31 of the operating device 30 by a conductive line EL.
  • the electrodes 11 to 13 are sometimes called lower limb electrodes.
  • the first electrode 11 corresponds to a “ventral side muscle electrode”.
  • the second electrode 12 corresponds to a “dorsal muscle electrode”.
  • the third electrode 13 corresponds to a “gastrocnemius electrode”.
  • the supporter 14 corresponds to a “mounting part”.
  • the first to fourth detection units 21 to 24 are electrically connected to the control unit 31.
  • An example of the first detection unit 21 is a pressure sensor.
  • the first detection unit 21 is attached to the toes of both feet.
  • the first detection unit 21 outputs a detection signal corresponding to the pressure generated when the toe is grounded to the control unit 31.
  • An example of the second detection unit 22 is a pressure sensor.
  • the second detection unit 22 is attached to the heels of both feet.
  • the second detection unit 22 outputs a detection signal corresponding to the pressure generated when the bag is grounded to the control unit 31.
  • An example of the third detection unit 23 is a gyro sensor.
  • the 3rd detection part 23 is attached to the side part or front part of the knee upper part of both legs.
  • the third detection unit 23 outputs a detection signal corresponding to the angular velocity of the thigh with the hip joint as the rotation center to the control unit 31.
  • An example of the fourth detection unit 24 is a gyro sensor.
  • the 4th detection part 24 is attached to the side part or front part of the knee lower part of both legs.
  • the fourth detection unit 24 outputs a detection signal corresponding to the angular velocity of the lower leg with the knee joint as the rotation center to the control unit 31.
  • the operating device 30 includes a control unit 31, a power supply unit 41, an operation unit 42, a switching unit 43, a display unit 44, a storage unit 45, and a pulse generation unit 46.
  • the power supply unit 41, the operation unit 42, the switching unit 43, the display unit 44, the storage unit 45, and the pulse generation unit 46 are electrically connected to the control unit 31.
  • the control unit 31 includes a gait determination unit 32 and an output control unit 33. Based on the signals from the detection units 21 to 24, the gait determination unit 32 determines whether the user's walking motion is any of the early stance phase, middle stance phase, late stance phase, early stance phase, or early phase of the limb in one walking cycle. It is determined whether it corresponds to. The gait determination unit 32 outputs an operation detection signal including information regarding the determination result to the output control unit 33.
  • the first half of the stance indicates the period from when the heel touches down until the toes touch down.
  • the middle stance indicates a period during which the entire sole is in contact with the ground.
  • the late stage of stance indicates a period from when the heel state changes from ground to non-ground until the toe state changes from ground to non-ground.
  • the first half of the free leg indicates a period from when the toe state changes from grounding to non-grounding until the leg is raised to the leg lowering action.
  • the late stage of the free leg indicates a period from when the leg raising operation is changed to the leg lowering operation until the heel state changes from non-grounding to grounding.
  • the output control unit 33 is configured by a program or a circuit.
  • the output control unit 33 supplies voltage pulses to the electrodes 11 to 13 based on the operation detection signals of the operation unit 42, the switching unit 43, and the gait determination unit 32.
  • the output control unit 33 controls the magnitude and frequency of the current supplied to each of the electrodes 11 to 13 by changing the width of the voltage pulse and the pulse interval.
  • the output control unit 33 outputs electrical stimulation to each of the electrodes 11 to 13 by supplying a current to each of the electrodes 11 to 13.
  • the output control unit 33 has a flat ground walking mode, a stair climbing mode, and a stair descending mode as control modes for currents supplied to the electrodes 11 to 13.
  • the power supply unit 41 supplies power to the pulse generation unit 46 and the control unit 31.
  • the operation unit 42 includes a switch for turning the power of the control unit 31 on and off, and a switch and a dial for performing various settings.
  • the switching unit 43 switches the control mode of the output control unit 33.
  • the switching unit 43 has a plurality of operation pieces corresponding to a plurality of control modes.
  • the display unit 44 displays muscles to which electrical stimulation is applied, information indicating the strength of electrical stimulation, and the like.
  • the storage unit 45 stores a program for controlling the electrodes 11 to 13 in advance.
  • the pulse generator 46 outputs a low frequency signal of 20 Hz to 100 Hz, preferably 40 Hz, to the controller 31.
  • the muscles of the lower limb 50 will be described with reference to FIG.
  • the neutral displacement state indicates a state where the user has extended the knee joint.
  • the operation of bending the knee joint from the neutral displacement state and the operation of returning the knee joint from the bent state to the neutral displacement state are referred to as displacement of the knee joint.
  • the neutral rotation state indicates a state where the knee joint is not rotated around the axis of the lower limb 50.
  • the rotation of the knee joint indicates an operation in which the knee joint rotates around the axis of the lower limb 50 from the neutral rotation state. Further, an operation in which the knee joint rotates from the inside to the outside is referred to as “external rotation”, and an operation in which the knee joint rotates from the outside to the inside is referred to as “internal rotation”.
  • Lower leg 50 is divided into a thigh 50A and a lower leg 50B.
  • the muscles that make up the thigh 50A include the quadriceps 51 as the lower limb ventral muscle group and the hamstring 52 as the lower limb dorsal muscle group.
  • the hamstring 52 includes a semi-tendon-like muscle 53, a biceps femoris muscle 54, and a semi-membranous muscle 55.
  • the muscles constituting the lower leg 50B include the gastrocnemius muscle 56.
  • the quadriceps 51, hamstring 52, and gastrocnemius 56 are muscles that straddle the knee joint.
  • a force to return the knee joint to a neutral displacement state by pulling the knee joint upward acts on the knee joint.
  • the gastrocnemius muscle 56 contracts, a force that pulls the knee joint downward to return the knee joint to the neutral displacement state acts on the knee joint.
  • a force in a direction that reduces the swing of the knee joint acts on the knee joint.
  • the quadriceps muscle 51 and the hamstring 52 are muscles that contribute to the rotation of the knee joint.
  • a force to return the knee joint from the externally rotated state or the internally rotated state to the neutrally rotated state acts on the knee joint.
  • a force in the direction of reducing the rotation of the knee joint acts on the knee joint.
  • FIG. 2 shows the positional relationship between the right leg and the electrodes 11 to 13.
  • the positional relationship between the muscles of the left lower limb and the electrodes 11 to 13 is the same as the positional relationship between the muscles of the right lower limb and the electrodes 11 to 13.
  • the first electrode 11 is attached to a portion corresponding to the quadriceps muscle 51 in the supporter 14 (see FIG. 1).
  • the positive electrode and the negative electrode of the first electrode 11 are spaced apart in the vertical direction in the quadriceps muscle 51 in a state where the supporter 14 is attached to the right lower limb. It is better to arrange the upper electrode so as to include the motor point (hereinafter referred to as the MT position) of the rectus femoris and to arrange the lower electrode so as to include both the MT position of the inner vastus muscle and the MT position of the outer vastus muscle.
  • the second electrode 12 is attached to a portion corresponding to the hamstring 52 in the supporter 14.
  • the positive electrode and the negative electrode of the second electrode 12 are spaced apart from each other in the left-right direction at the center in the vertical direction of the hamstring 52 in a state where the supporter 14 is attached to the right lower limb. It is better to arrange either one of these pairs of electrodes so as to include the MT of the long biceps femoris muscle and the MT of the semitendon-like muscle.
  • the third electrode 13 is attached to a portion corresponding to the gastrocnemius 56 in the supporter 14.
  • the positive electrode and the negative electrode of the third electrode 13 are spaced apart in the left-right direction of the gastrocnemius muscle 56 in a state where the supporter 14 is attached to the right lower limb. It is better to arrange the MT of the gastrocnemius medial head and the MT of the gastrocnemius lateral head in either of the pair of electrodes.
  • gait determination will be described.
  • the detection signal of the first detection unit 21 indicates a magnitude equal to or greater than the first threshold value TH1, and the detection signal of the second detection unit 22 is less than the second threshold value TH2.
  • the gait determination unit 32 determines that the detection signal of the first detection unit 21 is greater than or equal to the first threshold value TH1, and the detection signal of the second detection unit 22 is less than the second threshold value TH2.
  • the gait determination unit 32 determines that the phase of the walking motion is the first phase of stance.
  • the gait determination unit 32 outputs a first phase detection signal to the output control unit 33 as a motion detection signal.
  • the detection signal of the first detection unit 21 has a magnitude less than the first threshold TH1, and the detection signal of the second detection unit 22 is less than the second threshold TH2. Indicates the size. For this reason, for example, at time t12, the gait determination unit 32 determines that the detection signal of the first detection unit 21 is less than the first threshold value TH1, and the detection signal of the second detection unit 22 is less than the second threshold value TH2. Based on this, it is determined that the phase of the walking motion is the mid-stance phase. The gait determination unit 32 outputs a mid-stance detection signal to the output control unit 33 as an operation detection signal when it determines that the phase of the walking motion is mid-stance.
  • the detection signal of the first detection unit 21 indicates a magnitude less than the first threshold value TH1, and the detection signal of the second detection unit 22 is equal to or greater than the second threshold value TH2. Indicates the size. For this reason, the gait determination unit 32, for example, at time t13, the detection signal of the first detection unit 21 is less than the first threshold TH1, and the detection signal of the second detection unit 22 is equal to or greater than the second threshold TH2. Based on this, it is determined that the phase of the walking motion is the late stance phase. When the gait determination unit 32 determines that the phase of the walking motion is the late stance phase, the gait determination unit 32 outputs the late stance detection signal to the output control unit 33 as the motion detection signal.
  • the detection signal of the first detection unit 21 has a magnitude greater than or equal to the first threshold TH1
  • the detection signal of the second detection unit 22 is greater than or equal to the second threshold TH2. Indicates the size.
  • the phase of the walking motion is the first half of the swing leg
  • the change in angular velocity of the thigh 50A is larger than the change in angular velocity of the lower leg 50B.
  • the detection signal of the third detection unit 23 increases and the detection signal of the fourth detection unit 24 decreases.
  • the gait determination unit 32 determines that the detection signal of the first detection unit 21 is less than the first threshold value TH1, and the detection signal of the second detection unit 22 is less than the second threshold value TH2. Based on this, it is determined that the phase of the walking motion is the swing phase. Further, based on the fact that the detection signal of the third detection unit 23 is increasing and the detection signal of the fourth detection unit 24 is decreasing, it is determined that the phase of the walking motion is the first leg of the free leg. . When the gait determination unit 32 determines that the phase of the walking motion is the first phase of the free leg, the gait determination unit 32 outputs the first phase detection signal of the free leg to the output control unit 33 as a motion detection signal.
  • the gait determination unit 32 performs the walking motion based on, for example, that the detection signal of the third detection unit 23 decreases and the detection signal of the fourth detection unit 24 increases at time t15. It is determined that the phase is the late swing leg phase.
  • the gait determination unit 32 determines that the phase of the walking motion is the late swing leg phase, the gait determination unit 32 outputs the swing leg late detection signal to the output control unit 33 as the motion detection signal.
  • the output control unit 33 executes the following energization patterns of the electrodes 11 to 13 in the flat ground walking mode, the stair climbing mode, and the stair descending mode.
  • the output control unit 33 outputs electrical stimulation to each of the electrodes 11 to 13 in the middle stance when the switching unit 43 selects the flat ground walking mode, and in the early stance phase, the late stance phase, the early stance phase, and the late stance phase. Electrical stimulation is not output to each electrode 11-13.
  • the output control unit 33 When the stair climbing mode is selected by the switching unit 43, the output control unit 33 outputs electrical stimulation to the electrodes 11 to 13 in the middle stance phase and the late stance phase, and in the early stance phase, the early stance phase, and the late stance phase. Electrical stimulation is not output to each electrode 11-13.
  • the output control unit 33 When the step-down mode is selected by the switching unit 43, the output control unit 33 outputs electrical stimulation to each of the electrodes 11 to 13 in the early stance phase and the middle stance phase, and in the late stance phase, the early limb phase, and the late limb phase. Electrical stimulation is not output to each electrode 11-13.
  • the inventor of the present application measured the degree of knee pain and the amount of variation in the rotation of the knee joint based on the presence or absence of electrical stimulation by the electrical stimulation device 1.
  • the inventor of the present application measured the degree of knee pain when the user walked with the first electrode 11 and the second electrode 12 attached to the user and the third electrode 13 not attached to the user.
  • the inventor of the present application similarly measured the swing amount of the knee joint.
  • the measurement conditions and measurement results for the degree of knee pain will be described.
  • the inventor of the present application listened to a plurality of subjects about the degree of knee pain in each of the early stance phase, mid-stance stance phase, late stance phase, and swing phase, based on the motion in which the knee pain was greatest in daily activities. .
  • the inventors of the present application obtained the following measurement results.
  • the degree of knee pain increases in the order of middle stance, early stance, free leg, and late stance.
  • the measurement subject climbs the stairs as a walking motion in a state where no electrical stimulation is applied
  • the degree of knee pain increases in the order of the middle stance phase, the late stance phase, the early stance phase, and the swing phase.
  • the measurement subject goes down the stairs as a walking motion in a state where no electrical stimulation is applied, the degree of knee pain increases in the order of the middle stance phase, the early stance phase, the late stance phase, and the swing phase.
  • the inventor of the present application found that the degree of knee pain in the stance phase and the swing phase in the state where the electrical stimulation was applied was the degree of knee pain in the stance phase and the swing phase in the state where the electrical stimulation was not applied. It was confirmed that it was smaller than the degree. In addition, the inventor of the present application confirmed that the degree of knee pain in the middle stance when electrical stimulation was applied is significantly smaller than the degree of knee pain in the middle stance when no electrical stimulation was applied. did.
  • the person to be measured attached a triaxial acceleration sensor (not shown) to the left and right thighs 50A.
  • the triaxial acceleration sensor outputs a signal corresponding to the acceleration of the thigh 50A to an analysis computer (not shown).
  • the computer for analysis calculated the acceleration area which is the area of the acceleration waveform of the horizontal component in the stance phase.
  • the measurement results showed that the acceleration area of the thigh 50A when the walking motion was performed with the electrical stimulus applied was smaller than the acceleration area of the thigh 50A when the walking motion was performed with no electrical stimulation applied.
  • the reason is that by applying electrical stimulation to the quadriceps 51 and the hamstring 52 by the electrical stimulation device 1, the quadriceps 51 and the hamstring 52 contract, thereby suppressing the amount of rocking of the knee joint. It is thought to be due to.
  • the operation of the electrical stimulation device 1 of the present embodiment will be described.
  • the electrical stimulation device 1 applies electrical stimulation to the quadriceps 51, the hamstring 52, and the gastrocnemius 56 in the middle stance phase.
  • the quadriceps 51 and the hamstring 52 contract, and thus the rotation of the knee joint is suppressed in the middle stance phase.
  • the gastrocnemius 56 contracts, the displacement of the knee joint is suppressed.
  • the electrical stimulation device 1 applies electrical stimulation to muscles that straddle the knee joint in the mid-stance phase. For this reason, knee pain during walking is suppressed.
  • the electrical stimulation device 1 does not apply electrical stimulation to muscles straddling the knee joint during the swing phase when the load on the knee is reduced when the user performs a walking motion. For this reason, both increase in knee pain and increase in muscle fatigue due to electrical stimulation can be suppressed. Therefore, the electrical stimulation device 1 can achieve both suppression of the occurrence of knee pain and suppression of increase in muscle fatigue during the walking motion.
  • the electrical stimulation device 1 In the stair climbing mode, the electrical stimulation device 1 outputs electrical stimulation to each of the electrodes 11 to 13 in the late stance phase. For this reason, knee pain is reduced. (3) The electrical stimulation device 1 outputs electrical stimulation to each of the electrodes 11 to 13 in the first stage of stance when in the staircase descent mode. For this reason, knee pain is reduced.
  • the electrical stimulation device 1 applies electrical stimulation to the quadriceps 51, the hamstring 52, and the gastrocnemius 56 in the middle stance phase. For this reason, knee pain becomes smaller. (5) The electrical stimulation device 1 does not apply electrical stimulation to the quadriceps 51, the hamstring 52, and the gastrocnemius 56 during the swing phase. For this reason, an increase in muscle fatigue due to electrical stimulation is suppressed.
  • the electrical stimulation apparatus can take the following modifications.
  • the attachment position of the first electrode 11 to the supporter 14 is affixed in a state of being separated in the left-right direction within the range of the portion of the supporter 14 corresponding to the quadriceps 51.
  • the mounting position of the second electrode 12 to the supporter 14 is changed to a position other than the central portion in the vertical direction of the hamstring 52 within the range of the supporter 14 corresponding to the hamstring 52.
  • the 3rd electrode 13 is affixed in the state spaced apart in the up-down direction within the range of the part of the supporter 14 corresponding to the gastrocnemius 56.
  • electrodes are attached to the supporter 14 corresponding to the following parts of the lower limb 50.
  • An electrode is affixed on the part of the supporter 14 corresponding to the outer side of the lower leg 50B. Thereby, an electrode provides electrical stimulation to an ankle muscle group.
  • the electrodes are attached in a state of being spaced apart in the vertical direction within the range of the portion of the supporter 14 corresponding to the middle ankle.
  • A3 The electrodes are attached in a state of being spaced apart in the vertical direction within the range of the supporter 14 corresponding to the greater ankle.
  • the electrical stimulation device 1 has at least one of the electrodes (A2) and (A3) instead of the second electrode 12. One or two of the electrodes 11 to 13 are omitted.
  • Each electrode 11 to 13 applies electrical stimulation to muscles straddling the knee joint in a part of the middle stance phase in the flat ground walking mode, the stair climbing mode, and the stair descending mode.
  • Each electrode 11 to 13 applies electrical stimulation to muscles straddling the knee joint in a part of the late stance phase in the stair climbing mode.
  • Each electrode 11 to 13 applies electrical stimulation to muscles straddling the knee joint in a part of the first period of stance in the staircase descending mode.
  • the control unit 31 outputs electrical stimulation to each of the electrodes 11 to 13 during a part of the first period of the swing leg or a part of the last period of the swing leg.
  • the control unit 31 outputs an electrical stimulus weaker than the electrical stimulus output to each of the electrodes 11 to 13 in the middle stance phase to each of the electrodes 11 to 13 in the first half of the swing leg.
  • Examples of the weak electrical stimulation generation method include the following (B1) to (B3). Note that (B1) to (B3) can be combined with each other.
  • (B1) An electrical stimulus is output to one or two of the electrodes 11-13.
  • (B2) The period in which electrical stimulation is output in the first period of the swing leg is shorter than the period in which electrical stimulation is output in the middle stage of stance.
  • B3 The current supplied to the electrode that outputs electrical stimulation among the electrodes 11 to 13 is small.
  • the control unit 31 has the energization pattern shown in FIG. (A1)
  • the energization pattern A causes the electrode to output electrical stimulation in the middle stance phase, and does not cause the electrode to output electrical stimulation in the early stance phase, late stance phase, and swing phase.
  • the energization pattern B causes the electrode to output electrical stimulation in the early stance phase and middle stance phase, and does not cause the electrode to output electrical stimulation in the late stance phase and the swing phase.
  • the energization pattern C causes the electrode to output electrical stimulation in the middle stance phase and the later stance phase, and does not cause the electrode to output electrical stimulation in the early stance phase and the swing phase.
  • the energization pattern D causes the electrode to output electrical stimulation during the stance phase and does not cause the electrode to output electrical stimulation during the swing phase.
  • the energization pattern E outputs electrical stimulation to the electrodes in the first stance phase, middle stance phase, and late stance phase, and does not output electrical stimulation to the electrodes in the late stance phase and the first stance phase.
  • the energization pattern F causes the electrodes to output electrical stimulation during the stance phase and the later stage of the swing phase, and does not cause the electrodes to output electrical stimulation during the first phase of stance.
  • the effects (1) to (5) of the above embodiment and the following effects (6) and (7) can be obtained.
  • (6) According to the energization pattern D, the period during which the knee joint is prevented from rotating with the contact of the sole is prolonged. For this reason, knee pain is less likely to occur during the stance phase. Further, when a plurality of energization patterns D are executed in combination, knee pain is less likely to occur. In addition, the muscle straddling the knee joint is easily strengthened. For this reason, a user's physical strength improvement can be anticipated.
  • (7) According to the energization pattern E or F, electrical stimulation is applied to the muscle straddling the knee joint before the heel contacts the ground. For this reason, it is easy to form a state in which electrical stimulation has already been applied at the timing when the heel begins to ground. For this reason, it becomes difficult to produce the knee pain when a heel contacts the ground.
  • the control unit 31 controls at least one of the electrodes 11 to 13 based on any of the energization patterns A to F.
  • the control unit 31 can take at least one of the following configurations (C1) and (C2).
  • C1 The control unit 31 does not output electrical stimulation to one or two of the electrodes 11 to 13 in the middle stance phase.
  • C2 The control unit 31 causes one or two of the electrodes 11 to 13 to output electrical stimulation in the first half of the swing leg.
  • the gait determination unit 32 determines the early stance phase, the middle stance phase, the late stance phase, the early stance phase, and the late stance phase based only on the third detection unit 23.
  • the detection signal of the third detection unit 23 increases gently.
  • the gait determination unit 32 is a positive value indicating that the change speed of the detection signal of the third detection unit 23 indicates an increase, and the absolute value of the change speed is equal to or less than a preset speed threshold value, and 3
  • the change speed of the detection signal of the third detection unit 23 is calculated by differentiating the acquired detection signal.
  • the amount of change in the detection signal of the third detection unit 23 is calculated, for example, based on the difference between the detection signal sampled a plurality of times before and the detection signal sampled this time.
  • the change threshold is set in advance by a test or the like.
  • the gait determination unit 32 is stanced when the absolute value of the change speed of the detection signal of the third detection unit 23 is equal to or less than the speed threshold value and the change amount of the detection signal of the third detection unit 23 is equal to or less than the change threshold value. Judged as medium term.
  • the detection signal of the third detection unit 23 gradually decreases. For this reason, the gait determination unit 32 is a negative value indicating that the change rate of the detection signal of the third detection unit 23 is decreasing, the absolute value of the change rate is equal to or less than the speed threshold value, and the third detection unit 23. When the amount of change in the detection signal is greater than the change threshold, it is determined that the stance is late.
  • the gait determination unit 32 determines that the first stage of the free leg when the change speed of the detection signal of the third detection unit 23 is a positive value and the absolute value of the change speed is greater than the speed threshold.
  • the gait determination unit 32 determines that the swinging leg is late when the change speed of the detection signal of the third detection unit 23 is a negative value and the absolute value of the change speed is greater than the speed threshold.
  • the gait determination unit 32 determines the early stance phase, the middle stance phase, the late stance phase, the early stance phase, and the late stance phase based only on the fourth detection unit 24.
  • the detection signal of the fourth detection unit 24 gradually decreases.
  • the gait determination unit 32 is a negative value indicating that the change speed of the detection signal of the fourth detection unit 24 is decreased, and the absolute value of the change speed is equal to or less than a preset speed threshold value, and 4
  • the change rate and change amount of the detection signal of the fourth detection unit 24 are calculated in the same manner as the change rate and change amount of the detection signal of the third detection unit 23.
  • the gait determination unit 32 is stanced when the absolute value of the change speed of the detection signal of the fourth detection unit 24 is equal to or less than the speed threshold value and the change amount of the detection signal of the fourth detection unit 24 is equal to or less than the change threshold value. Judged as medium term.
  • the gait determination unit 32 determines that the stance is late when the change speed of the detection signal of the fourth detection unit 24 is a positive value indicating an increase and the absolute value of the change speed is greater than the speed threshold. .
  • the gait determination unit 32 has a positive value for the change speed of the detection signal of the third detection unit 23, the absolute value of the change speed is equal to or less than the speed threshold, and the detection signal of the fourth detection unit 24 When the amount of change is larger than the change threshold, it is determined that the first leg is a free leg.
  • the gait determination unit 32 determines that the swinging leg is late when the change speed of the detection signal of the third detection unit 23 is a negative value and the absolute value of the change speed is equal to or less than the speed threshold.
  • the gait determination unit 32 determines the early stance phase, middle stance phase, late stance phase, early stance phase, and late limb phase by one means other than the detection signals of the first detection unit 21 to the fourth detection unit 24. To do.
  • the thigh gyro sensor may be disposed on the back of the thigh, and the lower limb gyro sensor may be disposed on the lower limb back. However, the back part of the thigh and the back part of the lower limbs are less likely to take a vertical position with respect to the ground than the abdomen and side, and the individual difference in the angle with respect to the ground is large.
  • the gyro sensor is arranged on the ventral side.
  • the foot pressure sensor can be sensed by attaching a gyro sensor to the instep or bottom surface (stepless) of the foot.
  • the angular velocity detected by the gyro sensor increases due to a sudden foot swing in the first stage of the swinging leg with respect to the traveling direction during walking, and the angular speed decreases in the second stage of the swinging leg.
  • the detection signal of the gyro sensor enters the vibration at the time of ground contact, and when the entire foot is grounded, the detected angular velocity increases in the opposite direction to that of the swing leg phase.
  • the angular velocity further increases in the late stance phase.
  • the foot pressure sensor is replaced.
  • the gait determination unit 32 determines the first stance phase, the middle stance phase, the late stance phase, the first stance phase, and the late limb phase of one walking cycle by swinging the user's arm or rotating the trunk.
  • a gyro sensor is attached to the user's arm or trunk.
  • the pulse generation unit 46 outputs a high frequency signal of 3 kHz or more to the control unit 31.
  • the control unit 31 sets a period for outputting electrical stimulation of 3 kHz or more to the electrodes 11 to 13 and a period for not outputting electrical stimulation to the electrodes 11 to 13 in the middle stance.
  • the period during which electrical stimulation is output to each electrode 11-13 is shorter than the period during which electrical stimulation is not output to each electrode 11-13.
  • the same can be set for the first stance phase in the stairs descending mode and the later stance phase in the stairs climbing mode.
  • the same can be set for the early stance phase, the late stance phase, and the late stance phase of the control unit 31 of the modification shown in FIG.
  • the storage unit 45 can be a computer-readable storage medium such as ROM or EEPROM.
  • the gait determination unit 32 and the output control unit 33 may be dedicated hardware, but the gait determination unit 32 is executed when the processor of the control unit 31 executes a computer-readable command stored in the storage unit 45. And the function of the output control part 33 may be implement
  • the storage unit 45 may be a part of the control unit 31.
  • the present disclosure includes the following examples.
  • the said control part determines the free leg early period which is a period which raises a leg among the said free leg period, and the free leg late period which is the period which lowers the said leg, The said leg intermediate stage from the said free leg late stage
  • the electrical stimulation apparatus according to claim 1, wherein electrical stimulation is output to the electrode during a period up to.
  • the said control part is the stance leg where the heel is grounded and the toe of the foot is not grounded in the one walking cycle, the toe of the foot is grounded, and the heel is not grounded.
  • the late stage, the first part of the free leg that is a period for raising the leg, and the second part of the free leg that is the period for lowering the leg are determined, and electrical stimulation is output to the electrode in the period from the late stage of the free leg to the late stage of the stance. 2.
  • the electrical stimulation apparatus according to 1.

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Abstract

電気刺激装置（１）は、検出部（２１～２４）の検出信号に基づいて立脚前期、立脚中期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期のいずれかを判定する制御部（３１）と、膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激を出力する第１～第３電極（１１～１３）とを備えている。制御部（３１）は、立脚中期において第１～第３電極（１１～１３）に電気刺激を出力させ、遊脚前期において第１～第３電極（１１～１３）からの電気刺激の出力を停止する。

Description

電気刺激装置
　本発明は、電気刺激装置に関する。
　従来の電気刺激装置の電極は、大腿および下腿に取り付けられ、電極に電流を供給することにより大腿および下腿の筋肉を刺激する。
　従来の電気刺激装置の一例である特許文献１の筋力増強器は、使用者が椅子に座った状態で膝関節を屈曲状態から伸展する場合、および、使用者がうつ伏せになって膝関節を伸展状態から屈曲する場合、大腿および下腿に電気刺激する。
特開２０００－２７９５３６号公報
　本発明は、歩行中に膝痛が生じにくくなる電気刺激装置を提供することを目的とする。
　本願発明者は、適切なタイミングにおいて使用者の下肢に電気刺激を付与することにより、使用者の歩行中に膝痛が生じにくくなることを見出した。
　本発明の一局面に従う電気刺激装置は、１歩行周期のうち、足裏全体が接地している立脚中期、および、前記足裏全体が接地していない遊脚期のいずれかを少なくとも判定する制御部と、膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激を出力する電極とを備え、前記制御部は、前記立脚中期において前記電極に電気刺激を出力させ、前記遊脚期において前記立脚中期に出力させる電気刺激よりも弱い電気刺激を前記電極に出力させる期間を有する、または、前記立脚中期において前記電極に電気刺激を出力させ、前記遊脚期において前記電極に電気刺激を出力させない期間を有する。
　この電気刺激装置の構成によれば、膝痛が発生しやすい立脚中期において膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激が付与される。このため、歩行中に膝痛が生じにくくなる。他の態様及び利点は本発明の技術的思想の例を示す図面と共に以下の記載から明らかとなる。
実施形態の電気刺激装置のブロック図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、電極の位置を説明するための模式図。 実施形態の検出信号と歩容判定との関係を示すグラフ。 実施形態の各歩行モードと各電極による電気刺激との関係を示す表。 実施形態の１歩行周期の各期間と膝痛の度合との関係を示すグラフ。 実施形態の電気刺激の有無と大腿の加速度面積との関係を示すグラフ。 他の実施形態の通電パターンの一覧を示す表。
　図１を参照して、電気刺激装置１の構成について説明する。
　電気刺激装置１は、２個の刺激付与部１０、第１検出部２１、第２検出部２２、第３検出部２３、第４検出部２４、および、操作装置３０を有している。
　一方の刺激付与部１０は、右下肢に対応した構造を有している。他方の刺激付与部１０は、左下肢に対応した構造を有している。刺激付与部１０は、下肢５０（図２参照）に電気刺激を付与する。刺激付与部１０は、第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３、および、サポーター１４を有している。各電極１１～１３は、サポーター１４の裏面に取り付けられている。各電極１１～１３は、導電線ＥＬにより操作装置３０の制御部３１と電気的に接続されている。なお、電極１１～１３は、下肢電極と呼ぶことがある。第１電極１１は「腹側筋電極」に相当する。第２電極１２は「背側筋電極」に相当する。第３電極１３は「腓腹筋電極」に相当する。サポーター１４は「装着部」に相当する。
　第１～第４検出部２１～２４は、制御部３１と電気的に接続されている。
　第１検出部２１の一例は、圧力センサーである。第１検出部２１は、両足の爪先に取り付けられる。第１検出部２１は、爪先が接地することにより生じる圧力に応じた検出信号を制御部３１に出力する。
　第２検出部２２の一例は、圧力センサーである。第２検出部２２は、両足の踵に取り付けられる。第２検出部２２は、踵が接地することにより生じる圧力に応じた検出信号を制御部３１に出力する。
　第３検出部２３の一例は、ジャイロセンサーである。第３検出部２３は、両脚の膝上部の側面部または正面部に取り付けられる。第３検出部２３は、股関節を回転中心とした大腿部の角速度に応じた検出信号を制御部３１に出力する。
　第４検出部２４の一例は、ジャイロセンサーである。第４検出部２４は、両脚の膝下部の側面部または正面部に取り付けられる。第４検出部２４は、膝関節を回転中心とした下腿部の角速度に応じた検出信号を制御部３１に出力する。
　操作装置３０は、制御部３１、電源部４１、操作部４２、切換部４３、表示部４４、記憶部４５、および、パルス発生部４６を有している。電源部４１、操作部４２、切換部４３、表示部４４、記憶部４５、および、パルス発生部４６は、制御部３１に電気的に接続されている。
　制御部３１は、歩容判定部３２および出力制御部３３を有している。
　歩容判定部３２は、検出部２１～２４の信号に基づいて、使用者の歩行動作が１歩行周期のうちの立脚前期、立脚中期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期のいずれに該当するかを判定する。歩容判定部３２は、判定結果に関する情報を含む動作検出信号を出力制御部３３に出力する。
　なお、立脚前期は、踵が接地してから爪先が接地するまでの期間を示す。立脚中期は、足裏全体が接地している期間を示す。立脚後期は、踵状態が接地から非接地に変化してから爪先状態が接地から非接地に変化するまでの期間を示す。遊脚前期は、爪先状態が接地から非接地に変化してから脚を上げる動作から脚を下げる動作に変化するまでの期間を示す。遊脚後期は、脚を上げる動作から脚を下げる動作に変化してから踵状態が非接地から接地に変化するまでの期間を示す。
　出力制御部３３は、プログラムまたは回路により構成されている。出力制御部３３は、操作部４２、切換部４３、および、歩容判定部３２の動作検出信号に基づいて、電圧パルスを各電極１１～１３に供給する。出力制御部３３は、電圧パルスの幅およびパルスの間隔を変更することにより各電極１１～１３に供給される電流の大きさおよび周波数を制御する。出力制御部３３は、各電極１１～１３に電流が供給されることにより各電極１１～１３に電気刺激を出力させる。出力制御部３３は、各電極１１～１３に供給する電流の制御モードとして、平地歩行モード、階段上りモード、および、階段下りモードを有する。
　電源部４１は、パルス発生部４６および制御部３１に電力を供給する。操作部４２は、制御部３１の電源をオンおよびオフするためのスイッチ、ならびに、各種の設定を行うためのスイッチおよびダイヤルを有している。切換部４３は、出力制御部３３の制御モードを切り換える。切換部４３は、複数の制御モードに対応した複数の操作片を有している。表示部４４は、電気刺激が付与されている筋肉および電気刺激の強さを示す情報等を表示する。記憶部４５には、各電極１１～１３を制御するためのプログラムが予め記憶されている。パルス発生部４６は、２０Ｈｚ～１００Ｈｚ、好ましくは４０Ｈｚの低周波の信号を制御部３１に出力する。
　図２を参照して、下肢５０の筋肉について説明する。
　中立変位状態は、使用者が膝関節を伸ばした状態を示す。なお、中立変位状態から膝関節が曲げられる動作、および、膝関節が曲げられた状態から中立変位状態に戻す動作を膝関節の変位とする。
　中立回旋状態は、下肢５０の軸周りで膝関節が回旋していない状態を示す。
　膝関節の回旋は、中立回旋状態から下肢５０の軸周りで膝関節が回旋する動作を示す。また、膝関節が内側から外側に向けて回旋する動作を「外旋」とし、膝関節が外側から内側に向けて回旋する動作を「内旋」とする。
　下肢５０は、大腿５０Ａおよび下腿５０Ｂに区分される。大腿５０Ａを構成する筋肉は、下肢腹側筋群としての大腿四頭筋５１、および、下肢背側筋群としてのハムストリング５２を含む。ハムストリング５２は、半腱様筋５３、大腿二頭筋５４、および、半膜様筋５５を含む。下腿５０Ｂを構成する筋肉は、腓腹筋５６を含む。
　大腿四頭筋５１、ハムストリング５２、および、腓腹筋５６は、膝関節を跨ぐ筋肉である。大腿四頭筋５１およびハムストリング５２が収縮したときには、膝関節を上側に引っ張ることにより膝関節を中立変位状態に戻そうとする力が膝関節に働く。また、腓腹筋５６が収縮したときには、膝関節を下側に引っ張ることにより膝関節を中立変位状態に戻そうとする力が膝関節に働く。このため、大腿四頭筋５１、ハムストリング５２、および、腓腹筋５６の少なくとも１つが収縮したときには、膝関節の揺動を小さくする方向の力が膝関節に働く。
　大腿四頭筋５１およびハムストリング５２は、膝関節の回旋に寄与する筋肉である。大腿四頭筋５１およびハムストリング５２が収縮したときには、膝関節を外旋した状態または内旋した状態から中立回旋状態に戻そうとする力が膝関節に働く。このため、大腿四頭筋５１およびハムストリング５２の少なくとも１つが収縮したときには、膝関節の回旋を小さくする方向の力が膝関節に働く。
　次に、下肢５０の筋肉と各電極１１～１３との位置関係について説明する。なお、図２は、右下肢と各電極１１～１３との位置関係を示している。また、左下肢の筋肉と各電極１１～１３との位置関係は右下肢の筋肉と各電極１１～１３との位置関係と同様である。
　第１電極１１は、サポーター１４（図１参照）において大腿四頭筋５１と対応する部分に取り付けられている。第１電極１１の正極および負極は、サポーター１４が右下肢に取り付けられた状態において、大腿四頭筋５１において上下方向に離間して配置されている。上部電極は大腿直筋のモーターポイント(以後ＭＴ位置)を含むように配置し、下部電極は内側広筋のＭＴ位置と外側広筋のＭＴ位置の両方を含むように配置するほうがよい。第２電極１２は、サポーター１４においてハムストリング５２と対応する部分に取り付けられている。第２電極１２の正極および負極は、サポーター１４が右下肢に取り付けられた状態において、ハムストリング５２の上下方向の中央部において左右方向に離間して配置されている。これら対の電極の内どちらかに、大腿二頭筋長頭のＭＴ、半腱様筋のＭＴを含むように配置するほうがよい。第３電極１３は、サポーター１４において腓腹筋５６に対応する部分に取り付けられている。第３電極１３の正極および負極は、サポーター１４が右下肢に取り付けられた状態において、腓腹筋５６の左右方向に離間して配置されている。これら対の電極の内どちらかに、腓腹筋内側頭のＭＴ、腓腹筋外側頭のＭＴを含むように配置するほうがよい。
　図３を参照して、歩容判定について説明する。
　歩行動作のフェーズが立脚前期のとき、爪先が接地せず、踵が接地している。このため、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの期間に示されるとおり、第１検出部２１の検出信号が第１閾値ＴＨ１以上の大きさを示し、第２検出部２２の検出信号が第２閾値ＴＨ２未満の大きさを示す。このため、歩容判定部３２は、例えば、時刻ｔ１１において、第１検出部２１の検出信号が第１閾値ＴＨ１以上であること、および、第２検出部２２の検出信号が第２閾値ＴＨ２未満であることに基づいて、歩行動作のフェーズが立脚前期であることを判定する。歩容判定部３２は、歩行動作のフェーズが立脚前期であると判定したとき、動作検出信号として、立脚前期検出信号を出力制御部３３に出力する。
　歩行動作のフェーズが立脚中期のとき、爪先および踵が接地している。このため、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの期間に示されるとおり、第１検出部２１の検出信号が第１閾値ＴＨ１未満の大きさを示し、第２検出部２２の検出信号が第２閾値ＴＨ２未満の大きさを示す。このため、歩容判定部３２は、例えば、時刻ｔ１２において、第１検出部２１の検出信号が第１閾値ＴＨ１未満であること、および、第２検出部２２の検出信号が第２閾値ＴＨ２未満であることに基づいて、歩行動作のフェーズが立脚中期であると判定する。歩容判定部３２は、歩行動作のフェーズが立脚中期であると判定したとき、動作検出信号として、立脚中期検出信号を出力制御部３３に出力する。
　歩行動作のフェーズが立脚後期のとき、爪先が接地し、踵が接地していない。このため、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの期間に示されるとおり、第１検出部２１の検出信号が第１閾値ＴＨ１未満の大きさを示し、第２検出部２２の検出信号が第２閾値ＴＨ２以上の大きさを示す。このため、歩容判定部３２は、例えば、時刻ｔ１３において、第１検出部２１の検出信号が第１閾値ＴＨ１未満であること、および、第２検出部２２の検出信号が第２閾値ＴＨ２以上であることに基づいて、歩行動作のフェーズが立脚後期であると判定する。歩容判定部３２は、歩行動作のフェーズが立脚後期であると判定したとき、動作検出信号として、立脚後期検出信号を出力制御部３３に出力する。
　歩行動作のフェーズが遊脚期のとき、爪先および踵が接地していない。このため、時刻ｔ１４から時刻ｔ１６までの期間に示されるとおり、第１検出部２１の検出信号が第１閾値ＴＨ１以上の大きさを示し、第２検出部２２の検出信号が第２閾値ＴＨ２以上の大きさを示す。また、歩行動作のフェーズが遊脚前期のとき、大腿５０Ａの角速度変化が下腿５０Ｂの角速度変化よりも大きい。このため、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの期間に示されるとおり、第３検出部２３の検出信号が増加し、第４検出部２４の検出信号が減少する。このため、歩容判定部３２は、例えば、時刻ｔ１４において、第１検出部２１の検出信号が第１閾値ＴＨ１未満であること、および、第２検出部２２の検出信号が第２閾値ＴＨ２未満であることに基づいて、歩行動作のフェーズが遊脚期であると判定する。さらに、第３検出部２３の検出信号が増加していること、および、第４検出部２４の検出信号が減少していることに基づいて、歩行動作のフェーズが遊脚前期であると判定する。歩容判定部３２は、歩行動作のフェーズが遊脚前期であると判定したとき、動作検出信号として、遊脚前期検出信号を出力制御部３３に出力する。
　歩行動作のフェーズが遊脚後期のとき、下腿５０Ｂの角速度変化が大腿５０Ａの角速度変化よりも大きい。このため、時刻ｔ１５から所定の期間に示されるとおり、第３検出部２３の検出信号が減少し、第４検出部２４の検出信号が増加する。このため、歩容判定部３２は、例えば、時刻ｔ１５において、第３検出部２３の検出信号が減少すること、および、第４検出部２４の検出信号が増加することに基づいて、歩行動作のフェーズが遊脚後期であると判定する。歩容判定部３２は、歩行動作のフェーズが遊脚後期であると判定したとき、動作検出信号として、遊脚後期検出信号を出力制御部３３に出力する。
　図４を参照して、１歩行周期における各電極１１～１３（図１参照）の電気刺激の出力形態について説明する。なお、図４を参照する以下の説明において、符号が付された電気刺激装置１の構成要素は、図１に記載された構成要素を示す。
　出力制御部３３は、平地歩行モード、階段上りモード、および、階段下りモードにおいて、以下の各電極１１～１３の通電パターンが実行されている。
　出力制御部３３は、切換部４３により平地歩行モードが選択されたとき、立脚中期において各電極１１～１３に電気刺激を出力させ、立脚前期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期において各電極１１～１３に電気刺激を出力させない。
　出力制御部３３は、切換部４３により階段上りモードが選択されたとき、立脚中期および立脚後期において各電極１１～１３に電気刺激を出力させ、立脚前期、遊脚前期、および、遊脚後期において各電極１１～１３に電気刺激を出力させない。
　出力制御部３３は、切換部４３により階段下りモードが選択されたとき、立脚前期および立脚中期において各電極１１～１３に電気刺激を出力させ、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期において各電極１１～１３に電気刺激を出力させない。
　本願発明者は、電気刺激装置１による電気刺激の有無に基づく膝痛の度合および膝関節の回旋の変動量を測定した。本願発明者は、第１電極１１および第２電極１２を使用者に取り付け、第３電極１３を使用者に取り付けない状態において使用者が歩行動作したときの膝痛の度合を測定した。なお、本願発明者は、膝関節の揺動量についても同様に測定した。
　膝痛の度合の測定条件および測定結果について説明する。
　本願発明者は、日常動作において最も膝痛が大きくなる動作を基準として、立脚前期、立脚中期、立脚後期、および、遊脚期のそれぞれの膝痛の度合について複数の被測定者に聴収した。
　図５に示されるように、本願発明者は以下の測定結果を得た。
　電気刺激が付与されていない状態において被測定者が歩行動作として平地歩行したとき、立脚中期、立脚前期、遊脚期、および、立脚後期の順に膝痛の度合が大きい。また、電気刺激が付与されていない状態において被測定者が歩行動作として階段上りしたとき、立脚中期、立脚後期、立脚前期、および、遊脚期の順に膝痛の度合が大きい。また、電気刺激が付与されていない状態において被測定者が歩行動作として階段下りしたとき、立脚中期、立脚前期、立脚後期、および、遊脚期の順に膝痛の度合が大きい。
　この測定結果から、本願発明者は、電気刺激が付与された状態における立脚期および遊脚期の膝痛の度合は、電気刺激が付与されていない状態における立脚期および遊脚期の膝痛の度合よりも小さくなることを確認した。また、本願発明者は、電気刺激が付与された状態の立脚中期の膝痛の度合は、電気刺激が付与されていない状態の立脚中期の膝痛の度合に対して顕著に小さくなることを確認した。
　膝関節の回旋の度合の測定条件および測定結果について説明する。
　本願発明者は、図６に示される測定条件で膝関節の揺動量として大腿５０Ａの加速度面積を測定した。
　被測定者は、左右の大腿５０Ａに３軸加速度センサー（図示略）を取り付けた。３軸加速度センサーは、大腿５０Ａの加速度に応じた信号を解析用コンピューター（図示略）に出力する。解析用コンピューターは、立脚期における左右方向成分の加速度波形の面積である加速度面積を算出した。
　測定結果は、電気刺激を付与した状態において歩行動作したときの大腿５０Ａの加速度面積が、電気刺激を付与しない状態において歩行動作したときの大腿５０Ａの加速度面積よりも小さくなることを示した。その理由は、電気刺激装置１により大腿四頭筋５１およびハムストリング５２に電気刺激を付与することにより大腿四頭筋５１およびハムストリング５２が収縮するため、膝関節の揺動量が抑制されることによるものと考えられる。
　本実施形態の電気刺激装置１の作用について説明する。
　電気刺激装置１は、立脚中期において大腿四頭筋５１、ハムストリング５２、および、腓腹筋５６に電気刺激を付与する。これにより、大腿四頭筋５１およびハムストリング５２が収縮するため、立脚中期において膝関節の回旋が抑制される。また、腓腹筋５６が収縮するため、膝関節の変位が抑制される。
　本実施形態の電気刺激装置１によれば、以下の効果が得られる。
　（１）電気刺激装置１は、立脚中期において膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激を付与する。このため、歩行中の膝痛が抑制される。また、電気刺激装置１は、使用者が歩行動作するときに膝への負荷が小さくなる遊脚期において膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激を付与しない。このため、膝痛の増加および電気刺激による筋肉の疲労の増加の両方を抑制することができる。したがって、電気刺激装置１は、歩行動作時において、膝痛の発生を抑制すること、および、筋肉疲労の増加を抑制することを両立することができる。
　（２）電気刺激装置１は、階段上りモードのとき、立脚後期において各電極１１～１３に電気刺激を出力させる。このため、膝痛が低減される。
　（３）電気刺激装置１は、階段下りモードのとき、立脚前期において各電極１１～１３に電気刺激を出力させる。このため、膝痛が低減される。
　（４）電気刺激装置１は、立脚中期において大腿四頭筋５１、ハムストリング５２、および、腓腹筋５６に電気刺激を付与する。このため、膝痛がより小さくなる。
　（５）電気刺激装置１は、遊脚期において大腿四頭筋５１、ハムストリング５２、および、腓腹筋５６に電気刺激を付与しない。このため、電気刺激による筋肉の疲労の増加が抑制される。
　本電気刺激装置は、以下の変形例を取り得る。
　・第１電極１１のサポーター１４への取付位置が、大腿四頭筋５１に対応するサポーター１４の部分の範囲内において左右方向に離間した状態で貼り付けられる。
　・第２電極１２のサポーター１４への取付位置が、ハムストリング５２に対応するサポーター１４の部分の範囲内においてハムストリング５２の上下方向の中央部以外の位置に変更される。
　・第３電極１３が、腓腹筋５６に対応するサポーター１４の部分の範囲内において上下方向に離間した状態で貼り付けられる。
　・各電極１１～１３に加えて、下肢５０の以下の部分に対応するサポーター１４の部分に電極が貼り付けられる。
（Ａ１）電極は、下腿５０Ｂの外側部に対応するサポーター１４の部分に貼り付けられる。これにより、電極は、足背筋群に電気刺激を付与する。
（Ａ２）電極は、中臀筋に対応するサポーター１４の部分の範囲内において上下方向に離間した状態で貼り付けられる。
（Ａ３）電極は、大臀筋に対応するサポーター１４の部分の範囲内において上下方向に離間した状態で貼り付けられる。
　上記（Ａ２）および（Ａ３）の構成によれば、中臀筋または大臀筋に電気刺激が付与されることにより中臀筋または大臀筋の収縮するとき、ハムストリング５２が連動して収縮する。このため、膝関節の回旋が抑制される。
　・電気刺激装置１は、第２電極１２に代えて、上記（Ａ２）および（Ａ３）の少なくとも一方の電極を有する。
　・各電極１１～１３のうちの１つまたは２つが省略される。
　・各電極１１～１３が、平地歩行モード、階段上りモード、および、階段下りモードにおいて、立脚中期のうちの一部の期間において膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激を付与する。
　・各電極１１～１３が、階段上りモードにおいて、立脚後期のうちの一部の期間において膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激を付与する。
　・各電極１１～１３が、階段下りモードにおいて、立脚前期のうちの一部の期間において膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激を付与する。
　・制御部３１が、遊脚前期の一部の期間、または、遊脚後期の一部の期間において各電極１１～１３に電気刺激を出力する。
　・制御部３１が、立脚中期において各電極１１～１３に出力する電気刺激よりも弱い電気刺激を遊脚前期において各電極１１～１３に出力する。この弱い電気刺激の生成方法は、例えば、以下の（Ｂ１）～（Ｂ３）が挙げられる。なお、（Ｂ１）～（Ｂ３）は互いに組み合わせることができる。
（Ｂ１）電気刺激を各電極１１～１３のうちの１つまたは２つに出力する。
（Ｂ２）遊脚前期において電気刺激を出力する期間が立脚中期において電気刺激を出力する期間よりも短い。
（Ｂ３）各電極１１～１３のうちの電気刺激を出力する電極に供給される電流が小さい。
　・制御部３１が、図７に示される通電パターンを有する。
（ａ１）通電パターンＡは、立脚中期において電極に電気刺激を出力させ、立脚前期、立脚後期、および、遊脚期において電極に電気刺激を出力させない。
（ａ２）通電パターンＢは、立脚前期および立脚中期において電極に電気刺激を出力させ、立脚後期および遊脚期において電極に電気刺激を出力させない。
（ａ３）通電パターンＣは、立脚中期および立脚後期において電極に電気刺激を出力させ、立脚前期および遊脚期において電極に電気刺激を出力させない。
（ａ４）通電パターンＤは、立脚期において電極に電気刺激を出力させ、遊脚期において電極に電気刺激を出力させない。
（ａ５）通電パターンＥは、立脚前期、立脚中期、および、遊脚後期において電極に電気刺激を出力させ、立脚後期および遊脚前期において電極に電気刺激を出力させない。
（ａ６）通電パターンＦは、立脚期および遊脚後期において電極に電気刺激を出力させ、立脚前期において電極に電気刺激を出力させない。
　上記通電パターンによれば、上記実施形態の（１）～（５）の効果、ならびに、以下の（６）および（７）の効果が得られる。
（６）通電パターンＤによれば、足裏の接地にともない膝関節が回旋することを抑制する期間が長くなる。このため、立脚期において膝痛が生じにくくなる。また、複数の通電パターンＤが組み合わせて実行される場合、膝痛がより生じにくくなる。また、膝関節を跨ぐ筋肉が増強されやすくなる。このため、使用者の体力向上が期待できる。
（７）通電パターンＥまたはＦによれば、踵が接地する前から膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激が付与される。このため、踵が接地し始めるタイミングにおいて、すでに電気刺激が付与されている状態が形成されやすくなる。このため、踵が接地したときの膝痛が生じにくくなる。
　・制御部３１が、各電極１１～１３の少なくとも１つを、上記通電パターンＡ～Ｆのいずれかに基づいて制御する。この場合、制御部３１が次の（Ｃ１）および（Ｃ２）の少なくとも一方の構成を取り得る。
（Ｃ１）制御部３１は、立脚中期において各電極１１～１３の１つまたは２つに電気刺激を出力させない。
（Ｃ２）制御部３１は、遊脚前期において各電極１１～１３の１つまたは２つに電気刺激を出力させる。
　・歩容判定部３２は、第３検出部２３のみに基づいて立脚前期、立脚中期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期を判定する。
　歩行動作のフェーズが立脚前期のとき、第３検出部２３の検出信号が緩やかに増加する。このため、歩容判定部３２は、第３検出部２３の検出信号の変化速度が増加を示すプラスの値であり、かつ、変化速度の絶対値が予め設定された速度閾値以下、かつ、第３検出部２３の検出信号の変化量が変化閾値よりも大きいとき、立脚前期と判定する。なお、第３検出部２３の検出信号の変化速度は、取得した検出信号を微分することにより算出される。また、第３検出部２３の検出信号の変化量は、例えば、複数回前にサンプリングしたときの検出信号と、今回サンプリングした検出信号との差により算出される。また、変化閾値は、試験等により予め設定される。
　歩行動作のフェーズが立脚中期のとき、第３検出部２３の検出信号が殆ど変化しない。このため、歩容判定部３２は、第３検出部２３の検出信号の変化速度の絶対値が速度閾値以下、かつ、第３検出部２３の検出信号の変化量が変化閾値以下のとき、立脚中期と判定する。
　歩行動作のフェーズが立脚後期のとき、第３検出部２３の検出信号が緩やかに減少する。このため、歩容判定部３２は、第３検出部２３の検出信号の変化速度が減少を示すマイナスの値であり、かつ、変化速度の絶対値が速度閾値以下、かつ、第３検出部２３の検出信号の変化量が変化閾値よりも大きいとき、立脚後期と判定する。
　歩行動作のフェーズが遊脚前期のとき、第３検出部２３の検出信号が急激に増加する。このため、歩容判定部３２は、第３検出部２３の検出信号の変化速度がプラスの値であり、かつ、変化速度の絶対値が速度閾値よりも大きいとき、遊脚前期と判定する。
　歩行動作のフェーズが遊脚後期のとき、第３検出部２３の検出信号が急激に減少する。このため、歩容判定部３２は、第３検出部２３の検出信号の変化速度がマイナスの値であり、かつ、変化速度の絶対値が速度閾値よりも大きいとき、遊脚後期と判定する。
　・歩容判定部３２は、第４検出部２４のみに基づいて立脚前期、立脚中期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期を判定する。
　歩行動作のフェーズが立脚前期のとき、第４検出部２４の検出信号が緩やかに減少する。このため、歩容判定部３２は、第４検出部２４の検出信号の変化速度が減少を示すマイナスの値であり、かつ、変化速度の絶対値が予め設定された速度閾値以下、かつ、第４検出部２４の検出信号の変化量が変化閾値よりも大きいとき、立脚前期と判定する。なお、第４検出部２４の検出信号の変化速度および変化量は、第３検出部２３の検出信号の変化速度および変化量と同様に算出される。
　歩行動作のフェーズが立脚中期のとき、第４検出部２４の検出信号が殆ど変化しない。このため、歩容判定部３２は、第４検出部２４の検出信号の変化速度の絶対値が速度閾値以下、かつ、第４検出部２４の検出信号の変化量が変化閾値以下のとき、立脚中期と判定する。
　歩行動作のフェーズが立脚後期のとき、第４検出部２４の検出信号が急激に増加する。このため、歩容判定部３２は、第４検出部２４の検出信号の変化速度が増加を示すプラスの値であり、かつ変化速度の絶対値が速度閾値よりも大きいとき、立脚後期と判定する。
　歩行動作のフェーズが遊脚前期のとき、第４検出部２４の検出信号が緩やかに増加する。このため、歩容判定部３２は、第３検出部２３の検出信号の変化速度がプラスの値であり、かつ、変化速度の絶対値が速度閾値以下、かつ、第４検出部２４の検出信号の変化量が変化閾値よりも大きいとき、遊脚前期と判定する。
　歩行動作のフェーズが遊脚後期のとき、第４検出部２４の検出信号が急激に減少する。このため、歩容判定部３２は、第３検出部２３の検出信号の変化速度がマイナスの値であり、かつ、変化速度の絶対値が速度閾値以下のとき、遊脚後期と判定する。
　・歩容判定部３２は、第１検出部２１～第４検出部２４の検出信号以外の手段により１歩行周期の立脚前期、立脚中期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期を判定する。大腿部のジャイロセンサーは、大腿部の背面に配置されてもよく、下肢のジャイロセンサーは、下肢背面に配置されてもよい。ただし、大腿部背面部、下肢部背面部は、腹側、側面に比べ地面に対して、垂直位置を取りにくく、地面に対する角度の個人差も大きいので、実施形態では大腿部及び下肢のジャイロセンサーは腹側、側面に配置している。
　また、足圧センサーは、足部の甲、または底面(足踏まず)にジャイロセンサーを取り付けることによってもセンシングが可能である。歩行時の進行方向に対して遊脚前期では、急激な足の振り出しのためにジャイロセンサーによって検出される角速度は上昇し、遊脚後期では、その角速度は減少する。立脚初期では、角速度が0のときにジャイロセンサーの検出信号に接地時の振動が入り、足全面が接地するときには、検出される角速度が遊脚期のものと反対方向に増加する。立脚後期ではさらに角速度が増加する。この状態を足部のジャイロセンサーで検出し、閾値判定をすれば、足圧センサーの替わりとなる。
例えば、歩容判定部３２は、使用者の腕の振り、または、体幹の回転等により１歩行周期の立脚前期、立脚中期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期を判定する。この場合、使用者の腕、または、体幹にジャイロセンサーが取り付けられる。
　・パルス発生部４６が、３ｋＨｚ以上の高周波の信号を制御部３１に出力する。制御部３１は、立脚中期において各電極１１～１３に３ｋＨｚ以上の電気刺激を出力する期間と、各電極１１～１３に電気刺激を出力しない期間とを設定する。この場合、各電極１１～１３に電気刺激を出力する期間は、各電極１１～１３に電気刺激を出力しない期間よりも短い。このような３ｋＨｚ以上の高周波となる電気刺激が膝関節を跨ぐ筋肉に付与された場合、知覚神経が反応しないため、痛みが生じにくい。このため、歩行中の膝痛が生じにくくなる効果が高まる。なお、階段下りモードにおける立脚前期、および、階段上りモードにおける立脚後期についても同様に設定することができる。また、図７に示される変形例の制御部３１の立脚前期、立脚後期、および、遊脚後期についても同様に設定することができる。
　・記憶部４５は、ROM, EEPROM等のコンピューター読み取り可能記憶媒体であり得る。歩容判定部３２及び出力制御部３３は、専用のハードウェアであってもよいが、制御部３１のプロセッサが記憶部４５に記憶されたコンピューター読み取り可能指令を実行することによって歩容判定部３２及び出力制御部３３の機能が実現されてもよい。記憶部４５は制御部３１の一部であってもよい。
　本開示は、以下の実施例を含む。
　（付記１）前記制御部は、前記遊脚期のうち、脚を上げる期間である遊脚前期、および、前記脚を下す期間である遊脚後期を判定し、前記遊脚後期から前記立脚中期までの期間において前記電極に電気刺激を出力させる請求項１に記載の電気刺激装置。
　（付記２）前記制御部は、前記１歩行周期のうち、踵が接地し、かつ、足の爪先が接地していない立脚前期、足の爪先が接地し、かつ、踵が接地していない立脚後期、脚を上げる期間である遊脚前期、および、前記脚を下す期間である遊脚後期を判定し、前記遊脚後期から前記立脚後期までの期間において前記電極に電気刺激を出力させる請求項１に記載の電気刺激装置。
　本発明は、例示したものに限定されるものではない。例えば、例示した特徴が本発明にとって必須であると解釈されるべきでなく、むしろ、本発明の主題は、開示した特定の実施形態の全ての特徴より少ない特徴に存在することがある。本発明は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

Claims (6)

  1. 　１歩行周期のうち、足裏全体が接地している立脚中期、および、前記足裏全体が接地していない遊脚期のいずれかを少なくとも判定する制御部と、
    　膝関節を跨ぐ筋肉に電気刺激を出力する電極と
    を備え、
    　前記制御部は、
    　前記立脚中期において前記電極に電気刺激を出力させる期間を有し、前記遊脚期において前記立脚中期に出力させる電気刺激よりも弱い電気刺激を前記電極に出力させる期間を有する、
    　または、
    　前記立脚中期において前記電極に電気刺激を出力させる期間を有し、前記遊脚期において前記電極に電気刺激を出力させない期間を有する
    　電気刺激装置。
  2. 　前記制御部は、１歩行周期のうち、踵が接地し、かつ、足の爪先が接地していない立脚前期を判定し、
    　前記制御部は、前記立脚前期において前記電極に電気刺激を出力させる
    　請求項１に記載の電気刺激装置。
  3. 　前記制御部は、１歩行周期のうち、足の爪先が接地し、かつ、踵が接地していない立脚後期を判定し、
    　前記制御部は、前記立脚後期において前記電極に電気刺激を出力させる
    　請求項１または２に記載の電気刺激装置。
  4. 　前記制御部は、前記遊脚期のうち、脚を上げる期間である遊脚前期、および、前記脚を下す期間である遊脚後期を判定し、
    　前記制御部は、
    　前記遊脚後期において前記電極に電気刺激を出力させ、前記遊脚前期において前記立脚中期に出力する電気刺激よりも弱い電気刺激を前記電極に出力させる期間を有する、
    　または、
    　前記遊脚後期において前記電極に電気刺激を出力させ、前記遊脚前期において前記電極に電気刺激を出力させない期間を有する
    　請求項１～３のいずれか一項に記載の電気刺激装置。
  5. 　前記電気刺激装置は、複数の前記電極、および、装着部を有し、
    　前記装着部は、下肢に装着される物体であり、
    　前記複数の電極のうちの１つである腹側筋電極は、前記装着部のうち、前記膝関節を跨ぐ筋肉である下肢腹側筋群に対応する部分に取り付けられ、
    　前記複数の電極のうちの１つである背側筋電極は、前記装着部のうち、前記膝関節を跨ぐ筋肉である下肢背側筋群に対応する部分に取り付けられ、
    　前記複数の電極のうちの１つである腓腹筋電極は、前記装着部のうち、前記膝関節を跨ぐ筋肉である腓腹筋に対応する部分に取り付けられ、
    　前記制御部は、
    　前記１歩行周期のうち、踵が接地し、かつ、足の爪先が接地していない立脚前期、足の爪先が接地し、かつ、踵が接地していない立脚後期、脚を上げる期間である遊脚前期、および、前記脚を下す期間である遊脚後期を判定し、
    　前記立脚前期において前記複数の電極の少なくとも１つに電気刺激を出力させる、または、前記立脚前期において前記複数の電極の少なくとも１つに電気刺激を出力させない、
    　前記立脚後期において前記複数の電極の少なくとも１つに電気刺激を出力させる、または、前記立脚後期において前記複数の電極の少なくとも１つに電気刺激を出力させない、
    　前記遊脚後期において前記複数の電極の少なくとも１つに電気刺激を出力させる、または、前記遊脚後期において前記複数の電極の少なくとも１つに電気刺激を出力させない
    　請求項１～４のいずれか一項に記載の電気刺激装置。
  6. 　歩行周期に応じて周期的に変化する検出信号を検出部から受信するように構成される制御部と、
    　前記制御部に接続され、前記制御部の制御に従って膝関節刺激を出力するように構成される下肢電極と、
    　前記制御部に接続されるかまたは前記制御部に内蔵されるコンピューター読み取り可能記録媒体と
    を備える電気刺激装置において、
    　前記コンピューター読み取り可能記録媒体は、
    　　前記検出信号が立脚中期を示す度に、前記下肢電極から第１強度の第１膝関節刺激を出力させること、
    　　前記検出信号が遊脚期を示す度に、前記第１強度よりも低い第２強度の第２膝関節刺激を出力させるか、または、前記下肢電極からの膝関節刺激の出力を停止すること
    を前記制御部に実行させるように構成されるコンピューター読み取り可能指令を保持することを特徴とする電気刺激装置。
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