JP2017064390A - 電気刺激システム、電気刺激方法、コンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの睡眠を阻害しないようにしつつ、筋電気刺激によるトレーニング効果を生じさせる。【解決手段】電気刺激システムは、睡眠中のユーザの生体情報を用いて、睡眠深度を決定する睡眠深度決定部と、前記睡眠深度に基づいて筋電気刺激の強度を決定する筋電気刺激強度決定部と、前記筋電気刺激強度決定部において決定された強度で、前記ユーザの皮膚に配置された電極を用いて、筋電気刺激を出力する筋電気刺激出力部とを備えている。【選択図】図１０

Description

本開示は、電気刺激システム、電気刺激方法、およびコンピュータプログラムに関する。

外部装置により生体に電気刺激を印加すると、筋肉が収縮する。このような筋収縮を誘発するための電気刺激は、筋電気刺激（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｕｓｃｕｌａｒ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ＥＭＳ）と呼ばれる。心臓ペースメーカーのように、生体内部に挿入した電極からの刺激を印加する場合も存在する。しかしながら本明細書では、筋電気刺激は、生体の皮膚表面に貼り付けた電極からのみ印加されるとする。生体の皮膚表面の電極から電気刺激を印加すると、興奮閾値の低い運動神経が刺激され、その興奮が筋肉に伝わることで結果として筋肉が収縮する。電気刺激の強度を上げると、一定レベルまでは筋収縮の強度も上がるという特性がある。ただし、筋電気刺激により、運動神経の近傍にある感覚神経も同時に刺激されるために、刺激強度が強いとユーザが痛みを感じる。そこで、ユーザが耐えられる最大の刺激強度を求めて、その８０％程度以下の強度の筋電気刺激が用いられることが多い。

筋電気刺激の目的の１つは、ユーザに少ない負担で運動をさせることである。特許文献１では、大腿部に対して４−２０Ｈｚのパルス状の電気刺激を印加することで、筋収縮を誘発し、筋肥大をさせる技術を開示している。心肺や関節に負担をかけずに運動ができるため、特に整形外科的疾患、糖尿病性合併症や心血管系合併症などの臓器障害のあるユーザに対して効果的であるとされている。

国際公開２００９／０７２４３７号公報 特開２０１０−２００９５６号公報

しかしながら、筋電気刺激によって誘発された筋収縮は、感覚情報として脳に伝達されるため、たとえば、睡眠中に筋電気刺激を与えるとその感覚情報よりユーザの睡眠を阻害してしまうという課題があった。

本開示の非限定的で例示的な一態様は、ユーザの睡眠を阻害しないようにしつつ、筋電気刺激によるトレーニング効果を生じさせる電気刺激システムである。

本開示の一態様である電気刺激システムは、ユーザの生体情報を用いて、睡眠深度を決定する睡眠深度決定部と、前記睡眠深度に基づいて筋電気刺激の強度を決定する筋電気刺激強度決定部と、前記筋電気刺激強度決定部において決定された強度で、前記ユーザの皮膚に配置された電極を用いて、筋電気刺激を出力する筋電気刺激出力部とを備えている。

なお、この包括的または具体的な態様は、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録媒体で実現されてもよく、装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ−Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの不揮発性の記録媒体を含む。

本開示によれば、推定したユーザの睡眠深度に合わせて筋電気刺激の強度を変更することで、ユーザの睡眠を阻害することなく、筋電気刺激による寝ながらの筋肉トレーニングが実現できる。本開示の一態様の付加的な恩恵及び有利な点は本明細書及び図面から明らかとなる。この恩恵及び／又は有利な点は、本明細書及び図面に開示した様々な態様及び特徴により個別に提供され得るものであり、その１以上を得るために全てが必要ではない。

筋電気刺激の強度と、感覚情報の強度の関係を模式的に示す図である。 睡眠深度と感覚閾値の関係を模式的に示す図である。 筋電気刺激の強度と睡眠深度ごとの感覚閾値との関係を仮想的に示す図である。 実施形態１による電気刺激システム１００の機能ブロックの構成図である。 実施形態１による電気刺激システム１００の構成および利用環境の一例を示す図である。 下肢トレーニングに好適に用いられるシステムの簡略図である。 生体情報が脳波である場合の第１の基準の例を示す図である。 睡眠深度と体動の特徴との関係を示す図である。 第２の基準の例を示す図である。 電気刺激システム１００の基本的な処理の手順を示すフローチャートである。 実施形態１による筋電気刺激装置１の応用処理例にかかる手順を示すフローチャートである。 脳波および体動の両方を計測可能な生体情報計測部１０を備えた電気刺激システム１００を示す図である。 ２種類の生体情報を利用して処理を行う筋電気刺激装置１の処理手順を示すフローチャートである。 実施形態２による電気刺激システム２００の機能ブロックの構成を示す図である。 弁別の方法を模式的に示す図である。 刺激印加期間を考慮して処理を行う筋電気刺激装置２の処理手順を示すフローチャートである。 実施形態２の変形例による電気刺激システム３００の機能ブロックの構成を示す図である。 刺激印加期間を考慮して処理を行う筋電気刺激装置３の処理手順を示すフローチャートである。 上述の電気刺激システム１００および２００に共通するハードウェアの構成図である。

まず、本願明細書における用語を以下のように定義する。

「睡眠深度」とは、ユーザの睡眠の深さであり、睡眠ステージともよばれる。睡眠深度は４段階あるといわれている。睡眠深度が上がるほど、睡眠が深くなり、睡眠深度３と睡眠深度４は、意識がない状態である。

ユーザの皮膚表面に配置された電極を用いて筋電気刺激を印加すると、運動神経が興奮させられ、ユーザの意図とは無関係に筋収縮が誘発される。これは、筋電気刺激によって、ユーザが気付かない（無意識の）うちに筋肉をトレーニングできる可能性があることを示している。ただし、筋肉のトレーニング効果を得るには、所定以上の強度の筋収縮が必要である。たとえば、最大筋力の４０％程度前後の負荷をかけると、筋力の向上が実現されると言われている。

ただし、覚醒時は睡眠時よりも刺激を感じやすいため、覚醒時において、無意識トレーニングを実現することは困難であると考えられる。刺激の感じやすさは、「感覚閾値」と呼ばれる基準によって定量化できる。感覚閾値とは、感覚情報が伝達されたことを脳が知覚するレベルを指す。覚醒時には感覚閾値が相対的に低いため、筋電気刺激をより感じやすい。特に、トレーニング効果が生じる程度の強さの筋電気刺激であれば、覚醒中の多くのユーザが知覚すると考えられる。

本願発明者らは、覚醒時と比べて睡眠時には感覚閾値が高くなる、さらに睡眠が深くなるにつれて感覚閾値が上昇するという特性に着眼し、睡眠時であれば筋電気刺激による無意識トレーニングが実現できると考えた。

睡眠時に筋電気刺激を印加する際には、筋電気刺激によりユーザの睡眠を妨げないというのが必須要件である。一方でトレーニング効果を上げるには、より強い筋電気刺激を印加する必要がある。そこで本願発明者らは、ユーザの睡眠の深さを推定し、睡眠の深さに応じて筋電気刺激の強度を調整するという筋電気刺激印加方法に想到した。

筋電気刺激の強度を上げると、一定の筋電気刺激の強度までは、筋収縮の強度も上がる。ただし、筋電気刺激の強度に伴って、脳にフィードバックされる感覚情報の強度も増え、痛みを感じる、さらには痛みに耐えられないレベルにまで到達する。

図１は、筋電気刺激の強度と、感覚情報の強度の関係を模式的に示す。横軸は筋電気刺激の強度を示し、縦軸は感覚情報の強度を示す。横軸は、電流源の場合には電流値、電圧源の場合には電圧値で表すことができる。縦軸には、感覚閾値および痛みを感じるレベル、耐えられない痛みを感じるレベルを模式的に示した。図１のカーブは、個人ごと、あるいは、筋電気刺激の波形や種類によって変化する。

筋肥大等のトレーニング効果を出すには、所定以上の強度の筋収縮が必要になる。そのためには所定以上の強度の筋電気刺激を印加しなければならない。図１に示す刺激強度Ｓ１は、トレーニング効果が得られる最小の刺激強度を示す。刺激強度Ｓ１未満の刺激強度では、トレーニング効果は得られない。

覚醒時における無意識のトレーニングを実現するために、感覚閾値以下の刺激強度で筋電気刺激を印加するとする。覚醒時の感覚閾値は低いため、その筋電気刺激を抑えざるを得ない。しかしながら低強度の筋電気刺激では、トレーニング効果は得られないといえる。

特許文献２に開示されているように、感覚閾値は、覚醒度によって変化し、覚醒時よりも睡眠時で高くなる。また、睡眠深度（睡眠段階とも呼ばれる）が深くなるにつれて、感覚閾値は上昇する。図２は睡眠深度と感覚閾値の関係を模式的に示す。なお、この図２は、理解の便宜のため、特許文献２の図２を本願発明者らが改変したものである。図２中の横軸は睡眠深度を示し、縦軸は感覚閾値を示している。たとえば、覚醒時の感覚閾値と比べて睡眠深度４の感覚閾値は格段に高くなることが分かる。

図３は、筋電気刺激の強度と睡眠深度ごとの感覚閾値との関係を仮想的に示す。なお図３は図１および図２のまとめである。感覚閾値および感覚閾値の上昇の程度はユーザごとに異なる。図３に示したように、睡眠時でかつ睡眠深度が深ければ（たとえば図２では睡眠深度３および睡眠深度４）、トレーニングの効果を得られる強度の筋電気刺激を印加しても、感覚閾値を越えないユーザが存在すると考えられる。

しかしながら、睡眠時であればいつでもトレーニング効果を得られる強度（Ｓ１）の筋電気刺激を印加してよいわけではない。図３に示したユーザであれば、睡眠深度１および睡眠深度２のときにＳ１の筋電気刺激を印加すると、感覚閾値を越えてしまうため、ユーザの睡眠の妨げになる。一方、睡眠深度４のときには、Ｓ１よりも感覚閾値が高いため、Ｓ１よりも少し強い筋電気刺激を印加することが許容される。具体的には、図３の斜線領域に含まれる筋電気刺激強度を印加してもよい。これにより、トレーニングの効率を向上させることができる。

そこで、本願発明者らは、ユーザの睡眠深度を推定して、推定された睡眠深度に合わせて筋電気刺激の強度を調整すればよいことに想到した。

本開示の一態様は、 ユーザの生体情報を用いて、睡眠深度を決定する睡眠深度決定部と、前記睡眠深度に基づいて筋電気刺激の強度を決定する筋電気刺激強度決定部と、前記筋電気刺激強度決定部において決定された強度で、前記ユーザの皮膚に配置された電極を用いて、筋電気刺激を出力する筋電気刺激出力部とを備えた、電気刺激システムである。

前記睡眠深度は、前記筋電気刺激出力部により前記筋電気刺激が出力される前の第１睡眠深度と、前記筋電気刺激が出力された後の第２睡眠深度を含み、前記筋電気刺激強度決定部は、前記第１睡眠深度と、前記第２睡眠深度と比較して、前記決定した筋電気刺激の強度を変更してもよい。

前記筋電気刺激強度決定部は、前記第２睡眠深度が、前記第１睡眠深度以上の場合に、前記決定した筋電気刺激の強度を大きくすることを決定してよい。

さらに、前記生体情報を計測する生体情報計測部を備え、前記生体情報は、前記筋電気刺激が印加される前の前記ユーザの生体情報である第１生体情報と、前記筋電気刺激が印加された後の前記ユーザの生体情報である第２生体情報を含み、前記第１睡眠深度は前記第１生体情報に基づき、前記第２睡眠深度は前記第２生体情報に基づいてもよい。

前記第２生体情報は、前記筋電気刺激の出力後の第１の時間が経過した時刻以降に前記生体情報計測部が計測してもよい。

前記第１の時間は３００ｍｓ以上５００ｍｓ以下であってもよい。

前記生体情報は、所定時間の体動の回数に関連してもよい。

前記筋電気刺激強度決定部は、前記筋電気刺激の出力後の第１の時間が経過した時刻以降に、第２の時間間隔以下で、かつ、所定の回数以上の前記ユーザの生体情報が変化した場合には、前記決定した筋電気刺激の強度を小さくすることを決定してもよい。

前記生体情報は、脳波に関連してもよい。

以下の実施形態の説明では、睡眠深度の推定方法、および筋電気刺激の強度調整方法を詳述する。

（実施形態１）
以下、本実施形態による睡眠時筋電気刺激システム（以下「電気刺激システム」と記述する。）を説明する。なお、各実施形態の説明は、主として電気刺激システムの機能ブロックを用いて行う。そして、実施形態の説明の最後に、各実施形態を具体的に実現するためのハードウェアの構成を説明する。ただし理解の便宜のため、適宜ハードウェアについても言及することがある。

図４は、本実施形態による電気刺激システム１００の機能ブロックの構成を示す。電気刺激システム１００は、生体情報計測部１０と、筋電気刺激装置１とを備えている。筋電気刺激装置１は、睡眠深度決定部２０と、筋電気刺激強度決定部３０と、筋電気刺激出力部４０とを備えている。筋電気刺激装置１と、生体情報計測部１０とは、有線または無線で接続されている。

＜利用環境＞
図５は、本実施形態による電気刺激システム１００の構成および利用環境の一例を示す。図５は、腹部トレーニングに好適に用いられるシステムである。一方、図６は、下肢トレーニングに好適に用いられるシステムの簡略図である。記載の便宜上、筋電気刺激出力部４０のみを示している。なお、筋電気刺激出力部４０は、たとえば電極および電極に電力を供給する配線である。筋電気刺激出力部４０として電源回路（図示せず）を含めてもよい。いずれの例でも電極は衣服に埋め込まれているとする。

図５の電気刺激システム１００は、図４に示す実施形態１のシステム構成に対応している。生体情報計測部１０は、ユーザ５の睡眠時の生体情報を計測し、睡眠深度決定部２０に計測したデータを送る。生体情報は、たとえばユーザ５の脳波および／または体動である。図５には、生体情報計測部１０が脳波を計測し、睡眠深度決定部２０に脳波データを送信する例を示している。このとき生体情報計測部１０は脳波計であればよい。

睡眠深度決定部２０は、生体情報計測部１０から受けた生体情報に基づいて、ユーザ５の睡眠深度を決定し、その結果を示すデータを筋電気刺激強度決定部３０に送る。生体情報計測部１０と睡眠深度決定部２０とは、有線または無線で接続される。また、筋電気刺激強度決定部３０と筋電気刺激出力部４０との間は、たとえば有線で接続される。これにより、筋電気刺激強度決定部３０によって決定された強度の筋電気刺激が筋電気刺激出力部４０から出力される。

以下、各構成要素を詳細に説明する。

＜生体情報計測部１０＞
生体情報計測部１０は、ユーザ５に配置される複数の電極を用いてユーザ５の生体情報を計測するための回路である。生体情報計測部１０は、複数の電極およびアンプを含み得る。

たとえば生体情報計測部１０がユーザ５の脳波を計測する計測器であるとする。この場合、生体情報計測部１０として脳波計が設けられる。生体情報計測部１０は複数の電極を有する。複数の電極は、計測電極および基準電極を含む。計測電極は、国際１０−２０法で定義される１９部位のいずれかに配置されてもよい。または、計測電極は、ユーザの額を含む前頭部に、１個配置されても良い。基準電極（リファレンス）は、左のマストイドまたは右のマストイドに配置されても良い。

生体情報計測部１０は、ユーザの脳波として、複数の電極の間の電位差を計測する。 複数の電極は、アースを含み得る。アースは、左のマストイドまたは右のマストイドに配置されても良い。アンプにより、測定された電位差を増幅しても良い。生体情報計測部１０は、アンプで増幅したユーザ５の脳波を睡眠深度決定部２０に送る。

生体情報計測部１０はユーザ５の体動を計測する計測器であってもよい。この場合、生体情報計測部１０の実体は、センサ、より具体的には一般的なモーションセンサである。また、ユーザの動き検出を詳細に行う必要はなく、体動があったか否かが検出できればよい。たとえば生体情報計測部１０として、圧力センサを用いてもよい。

＜睡眠深度決定部２０＞
睡眠深度決定部２０は、生体情報計測部１０により計測されたユーザ５の生体情報（例示的には脳波）に基づいて、睡眠深度を決定する。具体的には、睡眠深度決定部２０は、第１の基準を参照して、ユーザ５の生体情報に対応する睡眠段階を決定する。

図７は、生体情報が脳波である場合の第１の基準の例を示す。図７には、睡眠深度と脳波の特徴との関係が示されている。

なお、たとえば睡眠深度１の脳波特徴の説明から明らかなように、そのユーザ５の覚醒期のα波の振幅は予め求められている必要がある。また、睡眠深度３および４の脳波特徴の説明における「７５μＶ」は、計測器や計測条件によって変わり得る。利用する生体情報計測部１０（脳波計）および計測条件に応じて変更すればよい。図７の記載は例示であることに留意されたい。

生体情報が体動である場合には、睡眠深度決定部２０は、以下のように睡眠深度を決定してもよい。まず、所定以上の大きさの体動の頻度により睡眠深度を推定する。睡眠深度と体動の発生頻度には相関関係があり、睡眠深度が深くなると体動の発生頻度が低減する（神林、萩原「体動の出現頻度を用いた睡眠周期推定の試み」２０１１年）。睡眠深度の決定は、たとえば３０分間に生じた体動の発生回数に基づいて行うことができる。具体的には、体動０回の場合を睡眠深度４、体動１回の場合を睡眠深度３、体動２回から４回の場合を睡眠深度２、５回以上の場合を睡眠深度１のように決定すればよい。図８は、睡眠深度と体動の特徴との関係を示す。

さらに、睡眠深度決定部２０は、筋電気刺激出力部４０から筋電気刺激が出力されたタイミングの情報を受け取り、筋電気刺激が出力された後のユーザ５の脳波に基づいて、筋電気刺激後の睡眠深度を決定する。このとき筋電気刺激の前に決定された睡眠深度を、筋電気刺激前の睡眠深度とする。睡眠深度決定部２０は、決定した睡眠深度を特定する情報を筋電気刺激強度決定部３０に送る。

＜筋電気刺激強度決定部３０＞
筋電気刺激強度決定部３０は、睡眠深度決定部２０により決定されたユーザ５の睡眠深度に基づいて、ユーザ５に印加する筋電気刺激の強度を決定する。具体的には、筋電気刺激強度決定部３０は、第２の基準を参照して、ユーザ５に印加する筋電気刺激の強度を決定する。筋電気刺激の強度は、筋電気刺激の供給源が電流源の場合には電流値であり、筋電気刺激の供給源が電圧源の場合には電圧値である。図９は、第２の基準の例を示す。図９に示すように、睡眠深度が浅い場合、すなわち睡眠深度が１の場合には、筋電気刺激を出力しないようにしてもよい。

なお、前述のように、睡眠深度と感覚閾値とには個人差があるため、個人ごとに、睡眠深度ごとの感覚閾値を越えない刺激強度をあらかじめ求め、第２の基準を生成しておいても良い。

また、筋電気刺激強度決定部３０は、決定された筋電気刺激の強度により筋電気刺激が出力された後、筋電気刺激前の睡眠深度と筋電気刺激後の睡眠深度とを比較して、筋電気刺激の強度を変更しても良い。具体的には、筋電気刺激後の睡眠深度が筋電気刺激前の睡眠深度より浅い場合には、筋電気刺激強度決定部３０は、より小さい強度を有する筋電気刺激に変更し、筋電気刺激後の睡眠深度が筋電気刺激前の睡眠深度より深い（深度が同じ場合を含む）場合には、より大きい強度を有する筋電気刺激に変更する。

また、筋電気刺激強度決定部３０は、十分に小さい強度である所定以下の強度（たとえば１ｍＡ）の筋電気刺激を決定し、筋電気刺激前の睡眠深度と筋電気刺激後の睡眠深度とを比較して、筋電気刺激の強度を変更しても良い。具体的には、筋電気刺激後の睡眠深度が筋電気刺激前の睡眠深度より浅い場合には、筋電気刺激強度決定部３０は、より小さい強度を有する筋電気刺激に変更する。一方、筋電気刺激後の睡眠深度が筋電気刺激前の睡眠深度より深い（深度が同じ場合を含む）場合、より大きい強度を有する筋電気刺激に変更する。

なお、筋電気刺激前の睡眠深度と筋電気刺激後の睡眠深度とを用いて、筋電気刺激を変化する場合は、第３の所定範囲（例えば、１ｍＡ以上３ｍＡ以下）に含まれる値分の強度の筋電気刺激を変更する。

＜筋電気刺激出力部４０＞
筋電気刺激出力部４０は、筋電気刺激強度決定部３０により決定された強度で、ユーザ５に配置された筋電気刺激用の電極を用いて、筋電気刺激を印加する。

電極として、少なくともプラス極とマイナス極の２電極が必要である。筋電気刺激の周波数は、４−２０Ｈｚの範囲内から選択してもよい。また、複数の周波数で筋電気刺激を印加し、生体内で干渉させる方法で刺激を印加してもよい。そして、筋電気刺激を開始したタイミングと終了したタイミングを睡眠深度決定部２０に送る。

次に、図１０を参照しながら、図４の電気刺激システム１００の筋電気刺激装置１によって行われる処理の手順を説明する。

ステップＳ１０１において、生体情報計測部１０がユーザ５の生体情報の計測を開始すると、生体情報計測部１０は、計測した生体情報のデータを睡眠深度決定部２０に送る。睡眠深度決定部２０は、生体情報計測部１０から送られてくる生体情報を逐次受信し、記憶装置（図示せず）に記録する。

ステップＳ１０２において、睡眠深度決定部２０は、生体情報計測部１０から受けたユーザ５の生体情報から、筋電気刺激を印加する前の睡眠深度を決定する。睡眠段階の決定を行う際に参照される第１の基準は、たとえば生体信号として脳波を計測した場合には図７に示す通りであり、生体信号として体動を計測した場合には図８に示す通りである。そして、睡眠深度決定部２０は、決定した睡眠深度を筋電気刺激強度決定部３０に送る。

ステップＳ１０３において、筋電気刺激強度決定部３０は、睡眠深度決定部２０から受けた睡眠深度に基づいて、筋電気刺激の強度を決定する。なお、前述のように、睡眠深度と感覚閾値には個人差があるため、個人ごとにあらかじめ睡眠深度ごとに感覚閾値を越えない刺激強度を求めておき、その値を用いてもよい。

ステップＳ１０４において、筋電気刺激強度決定部３０は、刺激を出力するか否かを判定する。図９に示されるように、睡眠深度が１である場合には刺激の印加を行わないからである。刺激を出力する場合には処理はステップＳ１０５に進み、出力しない場合には処理はステップＳ１０２に戻る。

ステップＳ１０５において、筋電気刺激出力部４０は、筋電気刺激強度決定部３０から受けた強度でユーザ５に筋電気刺激を出力する。筋電気刺激の周波数は、４−２０Ｈｚの範囲内から選択してもよい。また、複数の周波数で筋電気刺激を印加し、生体内で干渉させる方法で刺激をしてもよい。

図１０は、電気刺激システム１００の基本的な処理の手順である。以下では、図１１を参照しながら、その応用処理例を説明する。

図１１は、本実施形態による筋電気刺激装置１の応用処理例にかかる手順を示す。ステップＳ１０１からＳ１０５までは図１０と同じであるため、再度の説明は省略する。なおステップＳ１０５の処理に至るまでの間も、睡眠深度決定部２０は生体情報計測部１０から受信した生体情報の保存を継続しており、かつ睡眠深度決定部２０も逐次睡眠深度の決定を行っているとする。

ステップＳ１０６において、睡眠深度決定部２０は、刺激出力後の睡眠深度を決定し、その結果、睡眠深度が浅くなったか否かを判定する。睡眠深度が浅くなった場合には処理はステップＳ１０７に進む。睡眠深度が浅くなっていない、すなわち睡眠深度が同じまたはより深くなった場合には処理はステップＳ１０８に進む。睡眠深度の変化を判定するためには、睡眠深度決定部２０は図示されない記憶装置（バッファ、メモリなど）に少なくとも直前の睡眠深度の情報を保持している。睡眠深度決定部２０は、新たに決定した睡眠深度の情報を筋電気刺激強度決定部３０に送る。

ステップＳ１０７において、睡眠深度が浅くなったことを示す判定結果を睡眠深度決定部２０から受けて、筋電気刺激強度決定部３０は刺激強度を下げる。具体的には筋電気刺激強度決定部３０は、新たに決定した睡眠深度に対応する感覚閾値未満になるよう、刺激強度を下げる。処理はステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０８において、筋電気刺激強度決定部３０は刺激強度を上げる。具体的には筋電気刺激強度決定部３０は、新たに決定した睡眠深度に対応する感覚閾値未満になるよう、刺激強度を上げる。処理はステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９において、筋電気刺激強度決定部３０は、筋電気刺激の印加を終了するか否かを判定する。筋電気刺激の印加を終了するか否かの基準は、たとえば睡眠深度が１になった場合（図９）であってもよいし、筋電気刺激を印加し始めてからの経過時間が予め定められた値を超えた場合である。

上述の電気刺激システム１００によれば、生体情報（脳波または体動）によりユーザの睡眠深度を決定し、睡眠深度に応じた強度で筋電気刺激を出力する。これにより、感覚閾値以下の強度で筋電気刺激を印加することが可能になるため、ユーザの睡眠を妨げずに効率のよい筋肉トレーニングが実現できる。

さらに、筋電気刺激の前後で睡眠深度を比較し、浅くなった場合には刺激強度を下げ、それ以外の場合には刺激強度を上げる。これにより、ユーザの睡眠を妨げないような、ユーザが意識しない範囲で継続的に筋電気刺激を印加することが可能になり、筋肉トレーニングの効果をより高めることができる。

本願発明者らは、体動を用いて睡眠深度を決定する例は、計測がより簡便であると考える。脳波を計測するにはユーザの頭部に電極を装着することが必要であり、手間がかかるからである。ただし、脳波を利用することを否定しているのではない。脳波を利用した睡眠深度決定は技術的に十分可能である。

上述の電気刺激システム１００は、生体情報として脳波または体動を利用して睡眠深度を決定した。脳波または体動は、択一的である必要はなく、両方利用することもできる。

たとえば図１２は、脳波および体動の両方を計測可能な生体情報計測部１０を備えた電気刺激システム１００を示す。既に説明した構成要素と同じ機能を有する構成要素には同じ参照符号を付し、その説明は省略する。

この生体情報計測部１０は、脳波を計測する脳波計測部１０ａと、体動を計測する体動計測部１０ｂを有している。脳波計測部１０ａはいわゆる脳波計であり、体動計測部１０ｂはモーションセンサである。脳波計測部１０ａおよび体動計測部１０ｂの各計測結果は睡眠深度決定部２０に送られる。

図１３は、２種類の生体情報を利用して処理を行う筋電気刺激装置１の処理手順を示す。図１３では、主として図１１のステップＳ１０１およびＳ１０６に代えて、ステップＳ２０１およびＳ２０６が設けられている。以下、これらの相違点とともに、関連する変更点も説明する。

ステップＳ２０１において、睡眠深度決定部２０は、生体情報計測部１０が計測したユーザ５の２種類の生体情報、すなわち脳波および体動の両方に関する生体信号の受信を開始する。次のステップＳ１０２では、睡眠深度決定部２０が２種類の生体情報のうちの１つ（たとえば脳波）を用いて睡眠深度を決定する。

一方、その後のステップＳ２０６では、睡眠深度決定部２０は他方の生体情報（たとえば体動）を用いて、刺激出力後の睡眠深度を決定し、その睡眠深度が、それまでの睡眠深度よりも浅くなったかどうかを判定する。

その後、筋電気刺激の印加を終了しない場合（ステップＳ１０９で「Ｎｏ」の場合）に行われるステップＳ１０２以降の処理では、睡眠深度決定部２０は当該他方の生体情報（たとえば体動）を利用して睡眠深度を決定すればよい。

上述の手順によれば、初回の刺激を与える際に利用する生体情報と、２回目以降の刺激を与える際に利用する生体情報とが異なる。具体的には、脳波を利用して初回刺激を与え、体動を利用して２回目以降の刺激を与える。あるいは、体動を利用して初回刺激を与え、脳波を利用して２回目以降の刺激を与える。複数種類の生体情報を用いるため、一方の生体情報に偏りが生じていたとしても、他方の生体情報で補うことができる。

（実施形態２）
実施形態１では、生体情報として脳波および／または体動を用いて睡眠深度を決定する電気刺激システム１００（図４、図１２）を説明した。図１１および図１３のフローチャートでは、生体情報を利用して刺激出力後に睡眠深度が浅くなったか否かの判断を行うとした。

本願発明者らは、上述の刺激出力後の睡眠深度の決定をより正確に行うための検討を行い、新たな知見を得た。

図１４は、本実施形態による電気刺激システム２００の機能ブロックの構成を示している。電気刺激システム２００は、図１２の構成に、区間弁別部１２を追加して実現されている。本実施形態では、睡眠深度決定部２１、筋電気刺激強度決定部３０、筋電気刺激出力部４０、および区間弁別部１２は、筋電気刺激装置２を構成している。

区間弁別部１２は、生体情報計測部１０の脳波計測部１０ａまたは体動計測部１０ｂから生体情報を受け取る。たとえば区間弁別部１２は、脳波計測部１０ａからユーザ５の脳波の情報を受け取る。または区間弁別部１２は、体動計測部１０ｂからユーザ５の体動の有無の情報を受け取る。区間弁別部１２は、さらに、筋電気刺激出力部４０から筋電気刺激の印加を開始したタイミングおよび終了したタイミング（刺激印加期間）の情報を受け取る。

区間弁別部１２は、受け取った情報を利用して、脳波または体動の変化が生じている区間が、筋電気刺激の影響を受けているといえるか否かを弁別する。たとえば体動の変化が生じている区間では、それがユーザ５の自発的な動作であったのか、筋電気刺激によって誘発された動作であったのかを弁別する。この処理を、「区間弁別処理」と呼ぶこともある。

図１５は、弁別の方法を模式的に示す。本実施形態では、筋電気刺激出力中の区間Ｄ１およびその後の所定時間Ｄ２を、筋電気刺激の影響を受けている区間Ｓとして捉える。そして、隣接する筋電気刺激の影響を受けている２つの区間Ｓの間を、筋電気刺激の影響を受けていない区間Ｔとして捉える。

所定時間Ｄ２はたとえば３００ｍｓとしてもよいし、５００ｍｓとしてもよい。具体的には、区間Ｓにおいて、生体情報計測部１０がユーザ５の生体信号を検出した場合には、その生体信号は筋電気刺激の影響を受けていると判定する。一方、区間Ｔにおいて、生体情報計測部１０がユーザ５の生体信号を検出した場合には、その生体信号は筋電気刺激の影響を受けていないと判定する。そして、区間弁別部１２は、判定結果を睡眠深度決定部２１に送る。

睡眠深度決定部２１は、区間弁別部１２から判定結果の情報を受け取るとともに、生体情報計測部１０から生体情報を受け取る。睡眠深度決定部２１は、区間弁別部１２から受け取った判定結果を参照して、筋電気刺激によって影響を受けた区間Ｓ中に計測された生体信号ではなく、筋電気刺激の影響を受けていない区間Ｔ中に計測された生体信号を用いて、ユーザ５の睡眠状態の変化を検出する。これにより、睡眠深度決定部２１は、睡眠深度をより正確に決定することができる。睡眠深度決定部２１は、脳波または体動のいずれを用いて睡眠深度を決定してもよい。決定方法は実施形態１において説明したとおりである。

なお、ユーザ５の生体信号に基づいて初回刺激を与える際には、区間弁別部１２は区間弁別処理を行わなくてよい。筋電気刺激の影響を受けていないことが明らかだからである。図１４に示す、生体情報計測部１０から睡眠深度決定部２１への一点鎖線は区間弁別部１２をバイパスする処理をも意味している。

図１６は、刺激印加期間を考慮して処理を行う筋電気刺激装置２の処理手順を示す。

図１１を基準として、図１６では、図１１のステップＳ１０２が新たにステップＳ３００およびＳ３０２に置き換えられ、ステップＳ３０３およびＳ３０４が新たに設けられている。以下、これらの相違点とともに、関連する変更点も説明する。

まずステップＳ１０１においては、睡眠深度決定部２１が受信する生体情報は脳波および体動のいずれでもよい。

ステップＳ３００において、区間弁別部１２は、刺激印加期間の情報を利用して、刺激の影響を受けていない区間Ｔを特定する。そしてステップＳ３０２において、睡眠深度決定部２１は、区間Ｔの生体情報を利用して睡眠深度を決定する。

ステップＳ１０６における刺激の出力の後、ステップＳ３０３において、区間弁別部１２は区間Ｔを特定する。そして睡眠深度決定部２１は、区間Ｔの生体情報を利用して睡眠深度を決定する。この結果を利用して、ステップＳ１０６において睡眠深度決定部２１は睡眠深度が浅くなったか否かを判定する。

上述の処理によれば、睡眠深度決定部２１は、区間弁別処理の結果を利用して、筋電気刺激の影響を受けていない区間の生体信号を用いてユーザ５の睡眠状態の変化を検出する。これにより、刺激出力後であっても、ユーザ５の睡眠深度をより正確に決定することができる。

図１７は、本実施形態の変形例による電気刺激システム３００の機能ブロックの構成を示している。電気刺激システム３００が図１４に示した電気刺激システム２００と相違する点は、体動計測部１０ｂによって体動を生体信号として得ることにある。生体信号として体動を採用する理由は、上述した感覚閾値は主として体性感覚にかかわるため、体動として現れることが多いからである。よって、体動を生体信号として利用する場合には、筋電気刺激の影響を受けている区間Ｓと、筋電気刺激の影響を受けている区間Ｔとを適切に峻別し、区間Ｔにおいて睡眠深度を決定することが必要とされるからである。

なお、ユーザの体動は２種類に大別できると考えられる。ひとつは、寝返り等の睡眠時の通常の動作である。この場合、ユーザの睡眠状態は変化していないといえる。もうひとつは、筋電気刺激に反応した動作である。たとえば、筋電気刺激を避けようとして電極部分を手ではらう等が考えられる。この場合、筋電気刺激の強度が覚醒閾値以上であり、ユーザが筋電気刺激を知覚している状態であると考えられる。よって、筋電気刺激により睡眠状態が浅くなる方向に変化しうる。前者は、筋電気刺激とは非同期に発生するため、区間ＳおよびＴにわたって体動が連続する可能性は低い。それに対して、後者の、筋電気刺激に反応した体動は、筋電気刺激と同期して発生する。よって、筋電気刺激のたびに体動が所定回数以上連続した場合には、睡眠状態が変化したと判定してもよい。筋電気刺激の頻度にもよるが、所定回数とはたとえば２回としてもよいし、５回としてもよい。

図１８は、刺激印加期間を考慮して処理を行う筋電気刺激装置３の処理手順を示す。図１６と同じ処理には同じステップ番号を付している。

図１８が図１６と相違する点は、図１８のステップＳ４００であるが、実際には図１６のステップＳ３０３およびＳ３０４を統合した内容である。

すなわちステップＳ４００において、区間弁別部１２は、体動計測部１０ｂから受け取ったユーザの体動情報と、筋電気刺激出力部４０から受け取った刺激印加期間の情報に基づいて、筋電気刺激の影響を受けている区間Ｓと受けていない区間Ｔとを弁別する。弁別は図１５に関連して説明した方法と同じである。睡眠深度決定部２１は、区間Ｔで計測された生体情報を用いて、睡眠深度を決定する。

本実施形態の電気刺激システム３００によれば、ユーザの自発運動に基づいて睡眠の深度およびその変化を検出し、筋電気刺激の強度を調整できるので、ユーザの睡眠を妨げずに効率のよい筋肉トレーニングが実現できる。

なお、目覚ましに筋電気刺激を用いることもできる。その場合、設定された時間がくれば、感覚閾値を越える強度で筋電気刺激を出力し、睡眠深度が変化しない、あるいは深くなれば、筋電気刺激の強度を上げる方向に調整すればよい。

図１９は、上述の電気刺激システム１００および２００に共通するハードウェアの構成を示す。なお電気刺激システム３００（図１７）の構成は、電気刺激システム２００から脳波に関する構成を除去することによって得られるため、説明は省略する。

電気刺激システム１００および２００は、脳波計測部である脳波計測装置１０００ａと、体動計測部である体動計測装置１０００ｂと、バス８０と、コンピュータシステム８２と、筋電気刺激装置８４とを有している。バス８０は、脳波計測装置１０００ａ、体動計計測部１０００ｂ、コンピュータシステム８２、および筋電気刺激装置８４を相互に通信可能に接続する。

脳波計測装置１０００ａは、脳波計１０ａ−ｘと、複数の電極（たとえば電極１０ａ−１、１０ａ−２）を有する。脳波計１０ａ−ｘは一般に入手可能な機器であればよい。脳波計１０ａ−ｘの具体的な説明は省略する。

体動計測装置１０００ｂは、モーションセンサ１０ｂ−１と、モーションセンサ１０ｂ-１から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路１０ｂ−２とを有する。モーションセンサ１０ｂ−１およびＡＤ変換回路１０-ｂ２もまた、一般に入手可能な機器を用いることができる。それらの具体的な説明は省略する。

コンピュータシステム８２は、中央処理装置（ＣＰＵ）８２−１と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８２−２と、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）８２−３とを有している。ＲＡＭ８２−２には、ＣＰＵ８２−１によってＲＯＭ８２−３から読み出され、展開されたコンピュータプログラムＰが格納されている。コンピュータシステム８２は、上述の筋電気刺激装置１〜３として実現され得る。ＣＰＵ８２−１がコンピュータプログラムＰを実行することにより、フローチャートとして記載された筋電気刺激装置１〜３の処理手順が実現される。

筋電気刺激装置８４は、制御装置８４−ｘと、複数の電極（たとえば電極８４ａ−１、８４ａ−２）を有する。制御装置８４−ｘは、マイコン８５と、ＲＡＭ８６と、電源８７と、パルス発生器８８とを有している。制御装置８４−ｘもまた一般に入手可能であるため、その説明は省略する。

例として、図１０および１１の処理がどのように行われるかを説明する。

コンピュータシステム８２のＣＰＵ８２−１は、脳波計測装置１０００ａおよび／または体動計測装置１０００ｂから受け取った生体信号のデータから、第１の基準（図７または図８）を参照して睡眠深度を決定し、さらに第２の基準（図９）を参照して睡眠深度に基づいてユーザ５に与えるべき刺激強度を決定する。コンピュータシステム８２のＣＰＵ８２−１は、筋電気刺激装置８４のマイコン８５に指令値を送信する。マイコン８５はその指令値に従って、電極に供給する電流量を制御する。

刺激出力後の睡眠深度が浅くなったと判定すると、ＣＰＵ８２−１は、さらに第２の基準（図９）を参照して、それまでよりも下げた刺激強度を示す指令値をマイコン８５に送信する。マイコン８５はその指令値に従って、これまでよりも小さい電流値の電流を流し、ユーザ５に刺激を与える。一方、刺激出力後の睡眠深度が変化しないか、より睡眠深度が大きくなったと判定すると、ＣＰＵ８２−１は、さらに第２の基準（図９）を参照してそれまでよりも高めた刺激強度を示す指令値をマイコン８５に送信する。マイコン８５はその指令値に従って、これまでよりも大きい電流値の電流を流し、ユーザ５に刺激を与える。

上述したハードウェアを用いて、コンピュータプログラムを実行することにより、各実施形態として説明した電気刺激システムが実現される。

本開示にかかる電気刺激システムは、ユーザの睡眠深度を推定し、推定した睡眠に基づいて筋電気刺激の強度を調整するため、ユーザの睡眠を妨げずに効率的な筋肉トレーニングが実現できる。たとえば、高齢者の筋力維持やアスリートの筋力増強等に利用できる。

１、２、３ 筋電気刺激装置
５ ユーザ
１０ 生体情報計測部
１０ａ 脳波計測部
１０ｂ 体動計測部
１２ 区間弁別部
２０、２１ 睡眠深度決定部
３０ 筋電気刺激強度決定部
４０ 筋電気刺激出力部
８０ バス
８２ コンピュータシステム
８２−１ ＣＰＵ
８２−２ ＲＡＭ
８２−３ ＲＯＭ
８４ 筋電気刺激装置
１００、２００、３００ 電気刺激システム

Claims (25)

1. ユーザの生体情報を用いて、睡眠深度を決定する睡眠深度決定部と、
   前記睡眠深度に基づいて筋電気刺激の強度を決定する筋電気刺激強度決定部と、
   前記筋電気刺激強度決定部において決定された強度で、前記ユーザの皮膚に配置された電極を用いて、筋電気刺激を出力する筋電気刺激出力部と
   を備えた、電気刺激システム。
2. 前記睡眠深度は、前記筋電気刺激出力部により前記筋電気刺激が出力される前の第１睡眠深度と、前記筋電気刺激が出力された後の第２睡眠深度を含み、
   前記筋電気刺激強度決定部は、前記第１睡眠深度と、前記第２睡眠深度と比較して、前記決定した筋電気刺激の強度を変更する、
   請求項１に記載の電気刺激システム。
3. 前記筋電気刺激強度決定部は、前記第２睡眠深度が、前記第１睡眠深度以上の場合に、前記決定した筋電気刺激の強度を大きくすることを決定する、
   請求項２に記載の電気刺激システム。
4. さらに、前記生体情報を計測する生体情報計測部を備え、
   前記生体情報は、前記筋電気刺激が印加される前の前記ユーザの生体情報である第１生体情報と、前記筋電気刺激が印加された後の前記ユーザの生体情報である第２生体情報を含み、
   前記第１睡眠深度は前記第１生体情報に基づき、前記第２睡眠深度は前記第２生体情報に基づく、
   請求項１に記載の電気刺激システム。
5. 前記第２生体情報は、前記筋電気刺激の出力後の第１の時間が経過した時刻以降に前記生体情報計測部が計測する、
   請求項４に記載の電気刺激システム。
6. 前記第１の時間は３００ｍｓ以上５００ｍｓ以下である、
   請求項５に記載の電気刺激システム。
7. 前記生体情報は、所定時間の体動の回数に関連する、
   請求項４から６のいずれかに記載の電気刺激システム。
8. 前記筋電気刺激強度決定部は、前記筋電気刺激の出力後の第１の時間が経過した時刻以降に、第２の時間間隔以下で、かつ、所定の回数以上の前記ユーザの生体情報が変化した場合には、前記決定した筋電気刺激の強度を小さくすることを決定する、
   請求項７に記載の電気刺激システム。
9. 前記生体情報は、脳波に関連する、請求項４に記載の電気刺激システム。
10. （ａ）ユーザの生体情報を用いて、睡眠深度を決定し、
    （ｂ）前記睡眠深度に基づいて筋電気刺激の強度を決定し、
    （ｃ）前記決定された強度で、前記ユーザの皮膚に配置された電極を用いて、筋電気刺激を出力する、電気刺激方法。
11. 前記睡眠深度は、前記筋電気刺激が出力される前の第１睡眠深度と、前記筋電気刺激が出力された後の第２睡眠深度を含み、
    前記（ｂ）において、前記第１睡眠深度と、前記第２睡眠深度と比較して、前記決定した筋電気刺激の強度を変更する、
    請求項１０に記載の電気刺激方法。
12. 前記（ｂ）において、前記第２睡眠深度が、前記第１睡眠深度以上の場合に、前記決定した筋電気刺激の強度を大きくすることを決定する、
    請求項１０に記載の電気刺激方法。
13. （ｄ）前記生体情報を計測し、
    前記生体情報は、前記筋電気刺激が印加される前の前記ユーザの生体情報である第１生体情報と、前記筋電気刺激が印加された後の前記ユーザの生体情報である第２生体情報を含み、
    前記第１睡眠深度は前記第１生体情報に基づき、前記第２睡眠深度は前記第２生体情報に基づく請求項１０に記載の電気刺激方法。
14. 前記（ｄ）において、前記第２生体情報は、前記筋電気刺激の出力後の第１の時間が経過した時刻以降に計測する、
    請求項１０に記載の電気刺激方法。
15. 前記第１の時間は３００ｍｓ以上５００ｍｓ以下である、
    請求項１０に記載の電気刺激方法。
16. 前記生体情報は、所定時間の体動の回数に関連する、
    請求項１３から１５のいずれかに記載の電気刺激方法。
17. 前記（ｂ）において、前記筋電気刺激の出力後の第１の時間が経過した時刻以降に、第２の時間間隔以下で、かつ、所定の回数以上の前記ユーザの生体情報が変化した場合には、前記決定した筋電気刺激の強度を小さくすることを決定する、
    請求項１６に記載の電気刺激方法。
18. 前記生体情報は、脳波に関連する、
    請求項１３に記載の電気刺激方法。
19. コンピュータプログラムであって、
    （ａ）ユーザの生体情報を用いて、睡眠深度を決定させ、
    （ｂ）前記睡眠深度に基づいて筋電気刺激の強度を決定させ、
    （ｃ）前記決定された強度で、前記ユーザの皮膚に配置された電極を用いて、筋電気刺激を出力させる、
    コンピュータプログラム。
20. 前記睡眠深度は、前記筋電気刺激が出力される前の第１睡眠深度と、前記筋電気刺激が出力された後の第２睡眠深度を含み、
    前記（ｂ）において、前記第１睡眠深度と、前記第２睡眠深度と比較して、前記決定した筋電気刺激の強度を変更させる、
    請求項１９に記載のコンピュータプログラム。
21. （ｄ）前記生体情報を計測させ、
    前記生体情報は、前記筋電気刺激が印加される前の前記ユーザの生体情報である第１生体情報と、前記筋電気刺激が印加された後の前記ユーザの生体情報である第２生体情報を含み、
    前記第１睡眠深度は前記第１生体情報に基づき、前記第２睡眠深度は前記第２生体情報に基づく
    請求項１９に記載のコンピュータプログラム。
22. 前記（ｄ）において、前記第２生体情報は、前記筋電気刺激の出力後の第１の時間が経過した時刻以降に計測される、
    請求項１９に記載のコンピュータプログラム。
23. 前記生体情報は、所定時間の体動の回数に関連する、
    請求項２１または２２に記載のコンピュータプログラム。
24. 前記（ｂ）において、前記筋電気刺激の出力後の第１の時間が経過した時刻以降に、第２の時間間隔以下で、かつ、所定の回数以上の前記ユーザの生体情報が変化した場合には、前記決定した筋電気刺激の強度を小さくすることを決定させる、
    請求項２３に記載のコンピュータプログラム。
25. 前記生体情報は、脳波に関連する、
    請求項２１に記載のコンピュータプログラム。

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