(57)【要約】発明は、感覚運動制御及び神経形成性のような、神経生理学的能力を強化するための方法及び装置を特徴とする。好ましい方法は、被験者があらかじめ定められた身体活動を行っている間に、被験者の感覚細胞にバイアス信号を入力し、よって感覚細胞機能を向上させる処置を含む。発明の方法を実施するために用いられるシステムは、少なくとも１つの位置変更可能な信号入力素子（５１０）及び信号入力素子に通信可能な態様で結合された信号発生器（５１４）が確実に固定される着用可能な装置（５００）を備える。
2005524448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の感覚運動能力を強化する方法において、
被験者の少なくとも１つの感覚細胞領域内の感覚細胞を利用する、強化されるべき前記感覚運動能力にかかわるあらかじめ定められた身体活動を前記被験者が行っている間に、前記感覚細胞領域に少なくとも１つのバイアス信号を入力する工程を含み、前記少なくとも１つのバイアス信号の入力により前記感覚細胞の機能を向上させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記感覚運動能力が、向上する関節安定性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記感覚運動能力が、向上する歩行であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記感覚運動能力が、向上する平衡であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記感覚運動能力が、向上する運動学習であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記感覚運動能力が、向上する運動技能であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記感覚運動能力が、向上する神経形成性により強化されることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記神経形成性が中枢神経形成性であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記神経形成性が末梢神経形成性であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記感覚運動能力が、増加する成長ホルモン放出量により強化されることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記バイアス信号が前記あらかじめ定められた身体活動と同期して変調されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記バイアス信号が前記あらかじめ定められた身体活動の間に前記被験者の少なくとも１つの身体区から測定される物理変数測定値に応答して変調され、前記物理変数が、力、圧力、位置、角度、速度及び加速度からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記バイアス信号が約１μｍから約１０ｍｍの変位を有する機械的信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記バイアス信号が約０Ｈｚから約１０００Ｈｚの範囲内の１つまたはそれより多くの周波数を含む機械的信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記バイアス信号が約１μＡ/平方インチ（約１.５５ｎＡ/ｍｍ２）から約１０００μＡ/平方インチ（約１.５５μＡ/ｍｍ２）の範囲にある電流密度を有する電気信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記バイアス信号が約０Ｈｚから約１０,０００Ｈｚの範囲内の１つまたはそれより多くの周波数を含む電気信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
被験者の感覚運動能力を強化する方法において、
被験者の少なくとも１つの感覚細胞領域内の感覚細胞を利用する、強化されるべき前記感覚運動能力にかかわるあらかじめ定められた身体活動を前記被験者が行っている間に、前記感覚細胞領域に少なくとも１つのバイアス信号を入力する工程を含み、
前記少なくとも１つのバイアス信号の入力により前記感覚細胞の機能を向上させ、前記少なくとも１つのバイアス信号は感覚運動能力を強化するためのシステムにより発生されて入力され、前記システムが着用可能な装置を備え、少なくとも１つの信号入力素子が前記着用可能な装置に位置変更可能な態様で確実に固定され、前記バイアス信号を発生するための信号発生器が前記少なくとも１つの信号入力素子に通信可能な態様で結合される、
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記感覚運動能力が、向上する関節安定性であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記感覚運動能力が、向上する歩行であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記感覚運動能力が、向上する平衡であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記感覚運動能力が、向上する運動学習であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記感覚運動能力が、向上する運動技能であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記感覚運動能力が、向上する神経形成性により強化されることを特徴とする請求項１８から２２のいずれか１項記載の方法。
【請求項２４】
前記神経形成性が中枢神経形成性であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記神経形成性が末梢神経形成性であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記感覚運動能力が、増加する成長ホルモン放出量により強化されることを特徴とする請求項１８から２２のいずれか１項記載の方法。
【請求項２７】
前記バイアス信号が前記あらかじめ定められた身体活動と同期して変調されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
前記バイアス信号が前記あらかじめ定められた身体活動の間に前記被験者の少なくとも１つの身体区から測定される物理変数測定値に応答して変調され、前記物理変数が、力、圧力、位置、角度、速度及び加速度からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記バイアス信号が約１μｍから約１０ｍｍの変位を有する機械的信号であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
前記バイアス信号が約０Ｈｚから約１０００Ｈｚの範囲内の１つまたはそれより多くの周波数を含む機械的信号であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項３１】
前記バイアス信号が約１μＡ/平方インチ（約１.５５ｎＡ/ｍｍ２）から約１０００μＡ/平方インチ（約１.５５μＡ/ｍｍ２）の範囲にある電流密度を有する電気信号であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項３２】
前記バイアス信号が約０Ｈｚから約１０,０００Ｈｚの範囲内の１つまたはそれより多くの周波数を含む電気信号であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項３３】
被験者の感覚運動能力を強化するためのシステムにおいて、
少なくとも１つの信号入力素子が確実に固定される着用可能な装置、及び
バイアス信号を発生するための信号発生器、
を備え、
前記少なくとも１つの信号入力素子は前記着用可能な装置上で位置変更が可能であり、
前記信号発生器は前記信号入力素子に通信可能な態様で結合されている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項３４】
前記信号発生器が、電源、信号プロセッサ及びコントローラを有することを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記信号プロセッサが、前記信号プロセッサにより発生される前記バイアス信号を調節するための較正モジュールを有することを特徴とする請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記着用可能な装置が前記被験者の皮膚表面に前記信号入力素子を押し付けることを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
前記着用可能な装置が伸縮可能な織布を含むことを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
【請求項３８】
前記信号発生器が位置変更可能であり、取り外し可能な態様で前記着用可能な装置に取り付けられることを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
【請求項３９】
前記信号入力素子が前記信号発生器に電気的に接続されることを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
【請求項４０】
前記信号発生器が導電体により前記信号入力素子に通信可能な態様で結合され、前記導電体の少なくとも一部が前記着用可能な装置内に確実に固定され、前記着用可能な装置により保護されることを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
【請求項４１】
被験者の神経形成性を向上させる方法において、
被験者の少なくとも１つの感覚細胞領域内の感覚細胞を利用する、強化されるべき前記感覚運動能力にかかわるあらかじめ定められた身体活動を前記被験者が行っている間に、前記感覚細胞領域に少なくとも１つのバイアス信号を入力する工程を含み、
前記少なくとも１つのバイアス信号の入力により前記感覚細胞の機能を向上させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項４２】
前記神経形成性が中枢神経形成性であることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記神経形成性が末梢神経形成性であることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
被験者の神経形成性を向上させる方法において、
被験者の少なくとも１つの感覚細胞領域内の感覚細胞を利用する、強化されるべき前記感覚運動能力にかかわるあらかじめ定められた身体活動を前記被験者が行っている間に、前記感覚細胞領域に少なくとも１つのバイアス信号を入力する工程を含み、
前記少なくとも１つのバイアス信号の入力により前記感覚細胞の機能を向上させ、前記少なくとも１つのバイアス信号は感覚運動能力を強化するためのシステムにより発生されて入力され、前記システムが着用可能な装置を備え、少なくとも１つの位置変更可能な信号入力素子が前記着用可能な装置に確実に固定され、信号発生器が前記少なくとも１つの信号入力素子に通信可能な態様で結合される、
ことを特徴とする方法。
【請求項４５】
前記神経形成性が中枢神経形成性であることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記神経形成性が末梢神経形成性であることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
被験者の成長ホルモン放出量を増加させる方法において、
被験者の少なくとも１つの感覚細胞領域内の感覚細胞を利用する、強化されるべき前記感覚運動能力にかかわるあらかじめ定められた身体活動を前記被験者が行っている間に、前記感覚細胞領域に少なくとも１つのバイアス信号を入力する工程を含み、
前記少なくとも１つのバイアス信号の入力により前記感覚細胞の機能を向上させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項４８】
被験者の成長ホルモン放出量を増加させる方法において、
被験者の少なくとも１つの感覚細胞領域内の感覚細胞を利用する、強化されるべき前記感覚運動能力にかかわるあらかじめ定められた身体活動を前記被験者が行っている間に、前記感覚細胞領域に少なくとも１つのバイアス信号を入力する工程を含み、
前記少なくとも１つのバイアス信号の入力により前記感覚細胞の機能を向上させ、前記少なくとも１つのバイアス信号は感覚運動能力を強化するためのシステムにより発生されて入力され、前記システムが着用可能な装置を備え、少なくとも１つの位置変更可能な信号入力素子が前記着用可能な装置に確実に固定され、信号発生器が前記少なくとも１つの信号入力素子に通信可能な態様で結合される、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は米国仮特許出願第６０/３７７２０２号の非仮特許出願である。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、改善された感覚細胞の機能をあらかじめ定められた身体活動及びある種の装置の使用と結び付けることにより、感覚運動制御及び神経形成性のような、神経生理学的能力を強化するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
哺乳類の神経系は相互に関連し、相互に作用する副次系の複雑な組み合わせである。副次系は、それぞれの解剖学的位置及びそれぞれの機能の両者により分類され、命名される。最高位において、神経系は中枢神経系及び末梢神経系に分けられる。中枢神経系（ＣＮＳ）は脳及び脊髄からなり、末梢神経系（ＰＮＳ）はＣＮＳの外部に見られる残りの全ての神経構造を包含する。ＰＮＳはさらに、機能上、体性（随意）神経系及び自律（不随意）神経系に分けられる。ＰＮＳは、構造上、ＣＮＳに向けて情報を伝達する求心性（感覚）神経及びＣＮＳからの指令を伝達する遠心性（運動性）神経からなっていると述べることもできる。
【０００４】
求心性神経と遠心性神経の間の相互連結は脊髄及び脳に見られる。まとめていえば、求心性神経及び遠心性神経のあるグループは、環境からの擾乱及び随意意思の変化に際して調和運動を達成するに必要な感覚運動“ループ”を構成する。末梢（体幹、上肢及び下肢）において、求心性神経は、痛み、温度及び、皮膚表面における接触及び振動のような機械的刺激、位置、力、及び、筋肉、腱、靭帯及び間接嚢のような深部構造の伸長に反応する、専用のニューロンから生じる感覚情報を伝達する。用語“固有感覚”は一般に、四肢の位置感覚及び筋肉収縮に直接に関係する感覚情報に適用される。触覚（接触感覚）と合せて、機械的感覚情報は集合的に“体性感覚”として知られる。
【０００５】
専用“機械的受容器”ニューロンは環境との身体の相互作用からの機械的刺激を、神経系に伝達されて神経系により解釈され得る電気信号に変換する。皮膚にあるパチーニ小体は触圧に反応して興奮する。骨格筋組織内に散在して見られる筋紡錘は周囲の筋肉の伸長状態を報告する。ゴルジ腱紡錘は腱における力のレベルを検知する。間接を囲む構造（靭帯、半月板等）にある自由神経終末は関節位置に関する付加情報を提供する。これらの機械的受容器系のなかには、他の機械的受容器系からの信号の実行または解釈を調整するため、興奮性シナプス及び抑制性シナプス並びに下行経路を介して直接に相互作用するものがあると考えられている。
【０００６】
全てのタイプの感覚細胞は一般に、閾値ベースのユニットである。すなわち、感覚細胞への刺激が十分な強さをもっていなければ、細胞は活性化せず、信号を出さないであろう。そのような刺激は“閾下”と称される。閾値より高い刺激は“過閾”と称される。
【０００７】
神経系−脳、脊髄及び末梢神経−内の連結は、身体にかかる要求−活動、病理学及び損傷の新しい形態−に際して高度に可変である。健康な個人においては、これらの神経学的変化により、“運動学習”と称されるプロセスである、新しい身体的技能の取得が可能になる。あるタイプの軟組織損傷（例えば、機械的受容器に富むことが知られている構造である、膝の前十字靭帯の断裂）及び、その後の、損傷を修復するために用いられる手術のような医学的努力に続いて、神経系は生得の感覚ニューロンの喪失に適合するための代償的変化を受けることができる。同様のＰＮＳ及びＣＮＳ神経系の変化は、脊髄または脳の損傷後に失われた運動機能を回復するための何らかの個人の能力の原因となる。これらの神経系における構造的変化は、まとめて、“神経形成性”または“神経形成性変化”と称される。
【０００８】
最近の研究により、末梢からの求心性（感覚）活動が、ＰＮＳ及びＣＮＳのいずれにおいても、神経系における神経形成性変化の鍵となるドライバの１つであることが確立された。
【０００９】
本発明は、末梢における機械的感覚ニューロン及び、特に、神経系における感覚運動制御及び神経形成性変化の誘起において機械的感覚ニューロンが果たす役割に焦点を合わせている。本発明において、発明者等は、個々の感覚細胞の能力を向上させる従来技術の方法を、感覚運動制御及び神経形成性の向上を達成するための新規な方法及び装置と結合する。重要なことは、向上した感覚細胞能力の性質により、環境刺激に反応する生来の興奮速度が情報に富む態様で増大することである。すなわち、増大した感覚細胞興奮は四肢の機能と調和しており、したがって、事実上、不必要ではないかまたは調整されていないことはない。
【００１０】
組織の電気刺激は、筋肉活動を刺激すること、痛みを和らげること及び感覚を生じさせることを含む、様々な治療目的に用いられてきた。電気刺激の強度が高められるにしたがって電気刺激により生じる一連の効果は、一般に、あるパターンの、（刺痛のような）電気的感覚の認知、感覚の鋭敏化、不随意筋肉収縮、痛みをともない、次いで電気熱傷の形態の損傷または心律動異常をともなう。
【００１１】
過去には、パルス持続時間、強度及びパルス幅の調整が可能な電気パルス波形が、痛みを抑えるための治療目的のために人体の特定の領域に印加されていた。バスティア（Bastyr）等の特許文献１に開示されているような、電気波形治療は、症状軽減及び、慢性の痛み、手術後及び損傷後の急性の痛みの処置のため、並びに萎縮の遅延のための筋肉収縮の誘起のために用いられていた。
【００１２】
感覚細胞の機能を強化するために用いられる認知レベルより低い刺激（例えば閾下刺激）がコリンズ（Collins）の特許文献２及び特許文献３に説明されている。特許文献２及び特許文献３の全内容は本明細書に参照として含まれる。コリンズは、興奮の閾値を実効的に下げることにより感覚細胞の機能を向上させるための方法及び装置を開示している。簡潔に言えば、感覚ニューロンに実際に興奮を生じさせずに、感覚ニューロンに興奮の素因を与える閾下刺激すなわち“バイアス信号”が感覚ニューロンに入力される。好ましい実施形態の１つにおいて、バイアス信号は、“雑音”と称されることが多い、多くの周波数を含む広帯域信号である。感覚細胞は一般に閾値ベースのユニットであるから、感覚細胞の閾値を低めれば感覚細胞を反応させる（すなわち興奮させる）に必要な外部刺激のレベルが下がる。すなわち、バイアス信号の存在の下で、感覚細胞は、雑音がない場合にニューロンに対して閾下であると通常は見なされるであろう刺激強度に反応すると考えられる。個別にまたは組み合わせて用いられる、バイアス信号の機械的及び電気的適用様式は、感覚ニューロンの検出閾値の低下をおこさせるために用いることができる。
【特許文献１】米国特許第５４８７７５９号明細書
【特許文献２】米国特許第５７８２８７３号明細書
【特許文献３】米国特許第６０３２０７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、身体訓練プログラムの実施に必要な身体の動きを制限せずに感覚運動能力を強化する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
好ましい実施形態において、被験者の少なくとも１つの感覚細胞領域に、その感覚細胞領域内の感覚細胞を利用し、強化されるべき感覚運動能力にかかわる、あらかじめ定められた身体活動を被験者が行っている間に、少なくとも１つのバイアス信号を入力する処置を含む、被験者の感覚運動能力を強化する方法が提供される。本方法にしたがってバイアス信号を入力することにより、感覚細胞の機能が向上する。身体活動との組み合わせにおいて、感覚運動能力の強化が得られる。本発明の方法を用いて実現される強化には、例えば、向上した関節安定性、向上した歩行、向上した平衡、向上した運動学習及び向上した運動技能がある。
【００１５】
被験者に印加されるバイアス信号は、あらかじめ定められた身体活動中に被験者の少なくとも１つの身体区から測定される物理変数の測定値に応答して変調することができる。物理変数は、力、圧力、位置、角度、速度及び加速度から選ばれる。バイアス信号はあらかじめ定められた活動と同期して変調することもできる。好ましい実施形態において、バイアス信号は機械的信号または電気信号である。機械的信号の好ましい変位は約１μｍから約１０ｍｍである。機械的信号の周波数は約０Ｈｚから約１０００Ｈｚの範囲内にあることが好ましい。電気信号の電流密度は約１μＡ/平方インチ（約１.５５ｎＡ/ｍｍ２）から約１０００μＡ/平方インチ（約１.５５μＡ/ｍｍ２）の範囲にあることが好ましい。電気信号の周波数は約０Ｈｚから約１０,０００Ｈｚの範囲内にあることが好ましい。
【００１６】
別の実施形態において、被験者における感覚運動能力を強化するためのシステムが提供される。本システムは、着用可能な装置及び信号発生器を備えることが好ましい。少なくとも１つの位置可変信号入力素子が着用可能な装置に確実に固定される。信号発生器は通信可能な態様で信号入力素子と結合され、電源、信号プロセッサ及びコントローラを有する。信号発生器は位置可変とすることができ、取り外し可能な態様で着用可能な装置に取り付けられる。信号プロセッサは信号プロセッサによりつくられるバイアス信号を調節するための較正モジュールを有することができる。着用可能な装置は被験者の皮膚表面に信号入力素子を押し付けることが好ましい。この目的のため、着用可能な装置は伸縮性のある織物または材料で構成されることが好ましい。さらに、信号入力素子は信号発生器に電気的に接続される。信号入力素子を電気的に接続する手段は、着用可能な装置の構造内に収められ、よって着用可能な装置の構造により保護されることが好ましい。
【００１７】
向上した感覚運動能力に加えて、神経形成性の向上及び成長ホルモン生成量の増加を、本発明の方法及び装置を用いて達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の好ましい実施形態は、以降“被験者”と称される、人間、人間以外の哺乳類及び哺乳類以外の動物の感覚運動能力を向上させるための方法及びシステムを提供する。感覚運動能力の向上の意味には、向上した動的関節安定性のような、即時または急性の効果及び、ＰＮＳまたはＣＮＳにおける神経形成性変化から得られるであろうような、より持続する効果が含まれる。本方法は、被験者があらかじめ定められた身体活動をおこなっている間に、感覚細胞の興奮の閾値を実効的に低めることにより感覚細胞の機能を向上させるように、被験者の感覚細胞にバイアス信号を入力する処置を含む。被験者にバイアス信号を送る、簡便で確実な手段を提供する着用可能な装置及びその他の電気機械コンポーネントを備える好ましいシステムが、上記の好ましい方法とともに作用する。本明細書で用いられるように、“バイアス信号”とは、波形が周期的、非周期的、決定論的または非決定論的とすることができ、１つまたはそれより多くの周波数を含むことができる、本質的に電気的または機械的である、感覚ニューロンへの閾下刺激の形態を意味するととられるであろう。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態にしたがう方法及びシステムは、例えば、障害、疾患及び／または損傷をもつ個体だけでなく、健康な個体においても感覚運動機能を強化するために有用である。例えば、本方法及びシステムは、競技運動に必要とされ得るような、新しい運動技能の学習に努めている健康な個人により用いられ得よう。別の例において、本方法及びシステムは、加齢、末梢神経障害または発作から生じ得るような、高められた感覚閾値またはその他の神経生理学的機能障害をもつ個人に適用され得よう。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態にしたがう感覚ニューロンの機能を強化するための方法のフローチャートである。ステップ１０２において、機能が強化されるべきであり、バイアス信号が印加されるべきである、感覚細胞をともなう領域の場所が選定される。選定された領域は以降、入力領域と称される。入力領域が選定されると、ステップ１０４でバイアス信号が発生される。次いで、ステップ１０６において、入力領域にともなう感覚細胞の閾値を実効的に低めるように、入力領域にバイアス信号が入力される。
【００２１】
図２は、ステップ１０２にしたがう入力領域の場所を選定する実施形態の１つを示す、フローチャートである。入力領域の場所の選定は、とりわけ、機能を向上させるべきである感覚系及び感覚系にともなう感覚細胞にバイアス信号を入力できる方法に依存する。ステップ２０２は、機能が強化されるべき特定の感覚系を識別するための識別方策がとられる、準備段階である。識別方策は、ある程度は、個人の協力に依存する。すなわち、このステップは診察と同様である。しかし、個人は、本明細書で意図されている強化プロセスを受けるべきいずれかの疾患または障害をかかえている必要はない。一実施形態において、機能が強化されるべき感覚系は疾患により機能が低下した感覚系である。
【００２２】
別の実施形態において、強化されるべき感覚系は正常に機能している感覚系である。ステップ２０４において、対象感覚系にバイアス信号を入力する最適な方法が決定される。最適な入力手段は、対象感覚系、対象感覚系に対するエネルギー変換システムの性質、対象感覚系の現状（すなわち欠陥があるかまたはいずれにせよ機能障害があるか）、及び決定されるべき信号の性質（例えば信号が含む振幅及び周波数）を含む、多くの要因に依存する。ある種の状況に適する入力手段には、神経カフ、埋込電極、表面電極、筋刺激器、腱刺激器及び磁場刺激器があるが、これらには決して限定されない。
【００２３】
ステップ２０４において最適入力手段が決定されると、ステップ２０６において入力領域が決定される。入力領域の場所は最適入力手段の決定と同じ要因に依存する。しかし入力領域の場所は、要因、とりわけ、対象感覚系にいずれにせよ機能障害があるか否か、いずれかのそのような機能障害の原因及び場所、及び用いられるべき刺激器の性質に依存する、特定の入力手段に対して変わる。さらに詳しくは、感覚細胞への何らかの物理的損傷により生じた機能障害が感覚系に存在すれば、機能障害を生じている物理的損傷をバイアス信号がバイパスするであろうように、入力領域の場所を選定する必要があり得る。さらに、ある刺激器、例えば埋込電極には侵襲性処置が必要となり得るが、その他の刺激器、例えば表面電極には非侵襲性処置しか必要ではないという事実も考慮すべき要因である。
【００２４】
入力領域が決定され、入力手段が装着されると、入力されるべきバイアス信号が発生される。図３はバイアス信号を発生する方法の一実施形態を示す。開始ステップ３０２において、バイアス信号が較正される。すなわち、バイアス信号に対する最適レベルが決定される。ステップ２０４及び２０６の決定に依存して、対象感覚系において与えられたニューロンの信号検知能力が最適に強化される、バイアス信号の特定の形態が存在する。例えば、あるあらかじめ定められた値をもつパラメータを有するバイアス信号が最適な強化を生じるであろう。較正は、発生されるバイアス信号のあるパラメータが最適な強化を達成するために調節されるであろうことを保証するに役立つ。較正され得るバイアス信号の信号パラメータの例は、一般に、振幅、周波数、オフセット（ＤＣバイアス）、強度、分散、周波数帯域幅及びスペクトル特性である。較正は一般に、強化システムの装着の前になされ、また、強化システムが装着されている間に間欠的になされ得る。強化システムが装着されている間に較正がなされるべきであれば、強化システムが身体の外部からアクセス可能であり、よって較正が非侵襲的になされ得るように、強化システムを装着することが望ましい。
【００２５】
一実施形態において、強化システムによりつくられるバイアス信号と結合された感覚細胞に注目する入力信号を入力することにより、較正がなされる。複合入力に対する感覚細胞の応答が、バイアス信号の注目するパラメータの関数として記録される。すなわち、バイアス信号の注目するパラメータが変調されているときの、感覚細胞の応答が記録される。次いで、記録された結果を用いて、以下で説明される相互相関係数のような何らかの尺度を計算することにより、複合入力と感覚細胞の応答の間のコヒーレンスが識別される。コヒーレンス尺度が最大化されているときに、感覚細胞の応答が最大に強化されている。この最大に強化された応答は、例えばバイアス信号の記録を調べることにより、決定され得る注目するバイアス信号パラメータのある値または値の範囲に対応する。すなわち、バイアス信号の注目するパラメータに対する最適値または値の最適範囲が決定される。このプロセスは注目する別の入力信号及びパラメータを用いて反復することができ、よって、様々なパラメータをもつ入力信号について最適なパラメータをもつバイアス信号を決定することができる。
【００２６】
本発明の一実施形態にしたがえば、バイアス信号は相互相関係数Ｃ１，
【数１】
2005524448.tif 000003
【００２７】
を調べることにより最適化され、ここで
【数２】
2005524448.tif 000004
【００２８】
である。
【００２９】
ここで、Ｓ（ｔ）は入力信号、Ｒ（ｔ）は感覚ニューロンまたは感覚系の出力（例えば、神経平均興奮レート信号または神経棘波列）であり、上付バーは時間に関する平均を表す。Ｓ（ｔ）及びＲ（ｔ）はいずれか適当な変換器により測定することができ、例えば、ニューロンの出力を測定するために針電極を用いることができる。Ｃ１を最大化することは、入力信号Ｓ（ｔ）とニューロンの出力Ｒ（ｔ）の間のコヒーレンスを最大化することに対応する。与えられた入力信号に対するＣ１の値はバイアス信号の注目するパラメータに依存するであろう。すなわち、所望の出力Ｒ（ｔ）を生じさせるであろうパラメータを有するバイアス信号を決定することができる。
【００３０】
較正プロセスの結果は、例えば、入力信号に応答してバイアス信号を変調することにより、または、いかなる入力信号に対しても、平均して、最適な強化を達成するであろうパラメータ値の組み合わせを決定することにより、利用することができる。第１の例において、バイアス信号に対するパラメータ値は、例えば、入力信号のパラメータについて表にされる。入力信号の発生時に、入力信号のあるパラメータが測定され、対応するパラメータ値を有するバイアス信号が、例えば表にされた結果を参照することにより、発生される。このようにして、特定の入力信号のそれぞれに対してバイアス信号が変調すなわち最適化される。第２の例において、ほとんどの信号に対して最適な強化を達成するであろうパラメータのただ１つの組み合わせが計算され、全ての入力に応答して用いるためのバイアス信号を発生するために用いられる。
【００３１】
一実施形態においては、入力素子が較正され、装着された後、ニューロンへの入力信号が検知される。図４とともに説明するように、感覚ニューロンの機能を強化するためのシステムの一実施形態は信号検知能力、例えば、変換器及び信号プロセッサを備える。すなわち、ステップ３０４において、ニューロンへの入力信号が信号検知能力を用いて検知される。
【００３２】
ステップ３０４において入力信号が検知されると、ステップ３０６においてバイアス信号が発生される。較正プロセスに関して上で説明したように、バイアス信号は、それぞれの入力信号のあるパラメータに依存して変調されているか、あるいは、ほとんどの入力信号に応答して感覚細胞の機能を最適に強化するように構成された、一定の、変調されていないパラメータの組み合わせを有する。変調されていないパラメータの組み合わせを有するバイアス信号が用いられる場合には、多少は簡単な入力システムが用いられる。一般に、用いられるべきバイアス信号の性質、すなわち変調されているかまたは変調されていないかは、強化されるべき感覚系の性質に依存する。バイアス信号が発生されると、ステップ１０６においてバイアス信号がニューロンに入力される。
【００３３】
上述した実施形態においては、ニューロンへの入力信号の検知に応答してのみバイアス信号がつくられる。別の実施形態においては、入力素子が較正され、装着された後に、バイアス信号が連続的に発生され、ニューロンに入力される。すなわち、入力信号が検知される必要はない。この実施形態にしたがう方法において、バイアス信号は変調されるかまたは変調されない。バイアス信号が変調される場合、連続的に発生されるバイアス信号は、入力信号が検知されたときに、上述したように変調される。この実施形態において、変調されないバイアス信号が用いられる場合は、簡略化された入力システムが用いられ得る。上で論じたように、変調されるバイアス信号が用いられるかまたは変調されないバイアス信号が用いられるかは、とりわけ、強化されるべき感覚系の性質に依存する。
【００３４】
別の実施形態においては、分散型強化プロセスが用いられる。この実施形態においては、感覚細胞のアレイを刺激し、よって分散された強化効果を与えるために、バイアス信号が発生されて複数の場所においてニューロンに入力されるように、上述した強化プロセスが改変される。この分散型強化システムにおいては、上述したように、連続であるかまたは不連続であり、変調されているかまたは変調されていない、バイアス信号が用いられ得る。一例として、尿路の感覚機能が強化されるべきであれば、向上した満杯感覚が得られるように、膀胱の周囲の数多くの分散された点にバイアス信号が入力され得る。
【００３５】
感覚ニューロンの機能を強化するための方法を実施するための強化システム４００の一実施形態が図４に示される。強化システム４００は、変換器４０２，信号プロセッサ４０４，入力素子４０８及びコントローラ４１０を備える。強化システム４００は電気信号で動作する。感覚細胞への入力信号は一般に外界との接触により起発され、接触は一般に電気信号の形態にはない。入力信号は、例えば、触れ、身体区の動き、音波または光により起発され得る。変換器４０２の機能の１つは、接触起発入力信号を検知すること及び接触を、全体的には強化システム４００に、特に信号プロセッサ４０４に、伝えることである。変換器４０２の別の機能は、接触起発入力信号を強化システム４００で使用され得る形態の信号に変換することである。変換器４０２に使用される機構は、対象とされる感覚系に依存する。例として、聴覚系が強化の対象とされていれば、変換器４０２は耳の近くに配置された刺激電極または刺激電極アレイの形態をとることができる。別の例として、固有感覚系が強化の対象とされていれば、変換器４０２は、機能が強化されるべき感覚細胞がともなう腱または親筋肉に弾力のあるストラップで装着されるかまたは取り付けられる圧電変換器により実施される、腱刺激器である。また別の例として、振動または触圧感覚系が強化の対象となっていれば、変換器４０２は、刺激されるべき細胞をもつ身体領域の皮膚に被せて装着または貼付される表面電極である。そのような電極は可撓性電極／皮膚インターフェースを用いて取り付けられる。
【００３６】
信号プロセッサ４０４は、入力素子４０８を介して強化の対象とされる感覚系に入力されるべきバイアス信号をつくる。信号プロセッサ４０４は、変換器４０２，入力素子４０８及びコントローラ４１０に電気的に接続される。上で論じたように、バイアス信号は、連続であるかまたは不連続であり、変調されているかまたは変調されていない、信号とすることができる。信号プロセッサ４０４の形態はつくられるべきバイアス信号の所望の形態に依存する。不連続で、変調されているバイアス信号が望ましい、一実施形態において、信号プロセッサ４０４は、信号検知能力及びバイアス信号のためのパラメータ値を格納するためのルックアップテーブル能力のいずれをも備えることが好ましい。一定の、変調されていないバイアス信号が望ましい、別の実施形態において、信号検知能力及びルックアップテーブル能力は必ずしも信号プロセッサ４０４に必要ではない。一実施形態において、信号プロセッサ４０４は専用機能ＩＣまたは汎用マイクロプロセッサであり、小さく、軽量で、携帯可能であることが好ましい。さらに、信号プロセッサ４０４は信号調整能力及びデータ収集能力を有することが好ましい。一実施形態において、ＰＣＭＣＩＡチップまたはカードが信号プロセッサ４０４として用いられる。
【００３７】
信号プロセッサ４０４は較正モジュール４０６も有する。較正モジュール４０６により、信号プロセッサ４０４によってつくられるバイアス信号の調節が可能となる。例えば、最適な強化のため、信号プロセッサ４０４は変換器４０２から受け取られる特定の信号に応答してあらかじめ定められたパラメータ（例えば、あらかじめ定められた振幅及び周波数）を有するバイアス信号をつくる。バイアス信号のこれらのあらかじめ定められたパラメータが適切に調節されていなければ、バイアス信号は対象感覚系の機能を最適には強化しないであろう。最適なバイアス信号がつくられるようにこれらのあらかじめ定められたパラメータを調節することが、較正モジュール４０６により可能となる。較正は一般に強化システム４００の装着に先立って行われ、また強化システム４００が装着されている間に間欠的に行われ得る。強化システム４００が装着されている間に較正が行われる場合には、信号プロセッサ４０４に身体の外部からアクセスでき、よって較正を非侵襲的に行うことができるように、信号プロセッサ４０４を装着することが望ましい。別の実施形態において、身体の外部から信号プロセッサ４０４にアクセスできるか否かにかかわらず較正を非侵襲的に行うことを可能とする遠隔アクセス能力が信号プロセッサ４０４に与えられる。
【００３８】
入力素子４０８は信号プロセッサ４０４によりつくられたバイアス信号を対象感覚系に伝える。対象感覚系が何であるかに依存して、入力素子４０８は上に論じたような数多くの様々な形態をとることができる。ある状況に適する入力素子には、神経カフ、埋込電極、表面電極、筋刺激器、腱刺激器及び磁場刺激器がある。入力素子４０８が対象感覚系にバイアス信号を伝える態様は、入力素子４０８の形態及び対象感覚系に依存する。例えば、神経カフまたは埋込電極は尿路が対象感覚系である場合の使用に適し、一般に外科手術により埋め込まれ、系の感覚要素にバイアス信号を伝える。他方で、筋刺激器または腱刺激器は固有感覚系を機械的に刺激するに一層適している。そのような刺激器は固有感覚系にともなう筋肉または腱、例えば関節に近い筋肉を振動させることにより、固有感覚系を機械的に刺激する。筋刺激器または腱刺激器は、例えば弾力のある帯を用いて、非侵襲的に適用することができる。対象感覚系が振動または触圧感覚系である、一実施形態においては、表面電極ベースのシステムが入力素子４０８として用いられる。詳しくは、ＥＬＥＣＴＲＯ−ＭＥＳＨ（商標）の名称で販売されている、グローブ電極、ソックス電極及びスリーブ電極を入力素子４０８として用いることができる。表面電極システムは注目する身体部分、例えば、手または足に被せて配置される。さらに、入力素子４０８は、非侵襲的にまたは侵襲的に用いられる、磁場刺激器とすることができる。例えば、磁場刺激器は、弾力のある帯を用いて刺激されるべき感覚細胞の近くで身体の外面に刺激器を配置することにより、皮膚の感覚ニューロンを刺激するために用いることができる。磁場刺激器は、例えば、膀胱領域において感覚ニューロンを刺激するために刺激器を外科手術によって埋め込むことにより、侵襲的に用いることができる。
【００３９】
コントローラ４１０は、変換器４０２，信号プロセッサ４０４及び入力素子４０８の間の相互作用を制御する。コントローラ４１０の実施形態は、とりわけ、所望のバイアス信号の形態に依存する。すなわち、不連続で変調されているバイアス信号が望ましい場合、コントローラ４１０はマイクロプロセッサを用いて実施することができる。連続で変調されていないバイアス信号が望ましい、より簡単な実施形態において、コントローラ４１０は強化信号を単に起発するスイッチを用いて実施することができる。あるいは、そのような実施形態に対しては信号プロセッサ４０４で十分であり、よってコントローラ４１０は不要である得る。単なる例として、コントローラ４１０は適切にプログラムされたマイクロプロセッサまたはいずれかのデジタルコントローラを備える。一実施形態において、コントローラ４１０は前述したＰＣＭＣＩＡチップまたはカードで実施される。
【００４０】
バイアス信号の性質及び振幅はバイアス信号が印加される感覚細胞のタイプにしたがって制御される。別のタイプの損傷処置（例えば、痛みの抑制、骨の癒合）に用いられるタイプの反復波形、パルスまたはＤＣ信号は、感覚細胞が単純な決定論的信号に適応することができ、よって感覚細胞へのそのような信号の効果が時間の経過とともに減じられるかまたはなくなるから、本発明の実施においては避けられることが多い。代わりに、本発明にしたがい、身体訓練プログラム中におこる長時間の雑音信号印加の間に感覚細胞が雑音信号に適応しないように、ランダムで、非周期的な雑音信号のような、非決定論的雑音信号、または雑音信号の記録された反復が用いられることが好ましい。これらの信号は、コンピュータ乱数発生器、雑音ダイオードを有する既知の機器でつくられる雑音、あるいは抵抗器またはその他の電気部品からの熱雑音のような、連続的に発生される信号とすることができる。記憶素子（ＲＡＭ，ＲＯＭ等）に格納された信号のようなサンプリングされた信号、あるいは周期的に記録された雑音信号を用いることもできる。
【００４１】
バイアス信号に影響されるべきニューロンをもつ感覚細胞領域は人体の異なる深さに見ることができ、いくつかの感覚細胞と信号入力素子の間には異なる信号伝送フィルタリング特性が存在することになる。好ましい実施形態においては、この問題を克服するために、バイアス信号を別のタイプの信号と併用することができる。例えば、信号周波数範囲を定期的に掃引する掃引周波数信号に雑音信号を重畳することによりチャープ信号を形成することができる。身体内伝送により通常は減衰する周波数範囲の増幅を可能にするために、この結合された信号を調整することができる。すなわち、信号が、対象感覚細胞に到達する前におこるであろうと考えられる減衰に対して皮膚表面レベルで補償される。この手法は、信号が全ての所望の周波数範囲を含み得るから、有効な信号を決定するに必要な作業負荷を軽減するために用いることもできよう。
【００４２】
本発明の別の方法は、被験者があらかじめ定められた身体活動を行っている間に、上述したように、外部でつくられたバイアス信号を感覚細胞領域に印加することによる様々な神経生理学的機能の強化に関する。本発明の方法により強化される神経生理学的機能には、例えば、四肢位置感覚の強化、成長ホルモン放出量の増加、末梢神経形成性変化の強化及び、皮質を含む、中枢神経系形成性変化の強化がある。
【００４３】
ほとんどの身体訓練プログラムは、とりわけ、運動学習、すなわち、新しい運動技能の取得または損傷または疾患により失われた運動技能の回復を誘起するためになされる。上述した感覚運動能力強化を達成するため、被験者が指定された身体活動を行っている間、その指定された身体活動にかかわる感覚細胞に、そのような細胞が起発される閾値を活動から得られる外部刺激により低めるために、バイアス信号が印加される。感覚細胞の応答性を高めることにより、与えられた強さの外部刺激に対してつくられる活動電位価が高まり、よって活動から得られる運動学習の速度及び／または質が向上する。
【００４４】
四肢の協調運動には、例えば、脳からの下行性随意信号、筋肉の収縮、四肢の動き及び環境との相互作用の間の精確な相互影響が必要である。この緊密な制御は、動きにかかわる四肢からの機械的性質の感覚フィードバックに、ある程度、依存する。体性感覚情報、例えば、足底からの触感情報及び膝関節からの固有受容情報は明らかに、通常の歩行及び、跳躍及び着地のような、より活発な活動のいずれにも重要である。本発明の方法は、四肢の運動中の四肢位置感覚にかかわる機械的受容器からの協調感覚情報を増強するに有効である。運動中のこの追加情報の内容は、感覚運動制御の向上のための手段を提供する。そのような向上により、強化された平衡、矯正された歩行パターン及び、例えば関節の過伸展を避けることによる、損傷の防止が得られる。
【００４５】
本発明の一実施形態において、訓練プログラム中に被験者の関節の安定性に関与する複数の構造にバイアス信号が与えられ、よって関節の興奮及びフィードバックを促進して被験者の安定性を強化する。例えば、靭帯、関節嚢及び半月板の、またはこれらに隣接する、感覚細胞が刺激されるように、少なくとも１つの入力素子、例えば電極を、関節窩にまたは関節窩の近くに配置することができる。バイアス信号は、皮膚の痛感閾値より低いだけでなく、構造にともなう感覚細胞の知覚閾値よりも低い、レベルで与えられる。
【００４６】
別の好ましい実施形態において、関節安定性を維持し、関節の両側にある、少なくとも２つの構造に、これらの構造にある感覚細胞の能力が強化されるように、バイアス信号を与えることができる。関節及びそれらの筋肉の作用が関節の相対屈曲及び伸展を決定する関節の両側の少なくとも２つの相異なる対抗筋に、またはこれらに隣接して、バイアス信号が与えられることが好ましい。
【００４７】
バイアス信号はそれぞれの構造に同時に与えることができ、あるいはバイアス信号はそれぞれの構造に相関なしに与えることができる。バイアス信号は反復してそれぞれの構造に与えられることが好ましい。例えば、バイアス信号はバイアス信号がそれぞれの構造に同時に与えられるように反復されるか、あるいはバイアス信号はバイアス信号が複数の時点においてそれぞれの構造に相関なしに与えられるように反復される。
【００４８】
本発明にしたがって用いられる特定のタイプのバイアス信号には特定のバイアス信号範囲を適用できる。例えば、電気信号は、約１μＡ/平方インチ（約１.５５ｎＡ/ｍｍ２）から約１０００μＡ/平方インチ（約１.５５μＡ/ｍｍ２）の電流密度範囲及び約０Ｈｚから約１０,０００Ｈｚの周波数範囲内でレシピエントの皮膚表面に印加されることが好ましい。機械的信号は、約１μｍから約１０ｍｍの範囲内の皮膚表面における変位及び約０Ｈｚから約１０００Ｈｚの範囲内の周波数を有することが好ましい。機械的信号は、遠隔送信器から遠隔で発生された波形信号を受け取り、これらの信号を機械的信号に変換する、機械的アクチュエータを皮膚表面上に装着することにより遠隔制御することができる。無線システムでは、電気信号を、遠隔送信器から電気信号を被験者に印加する電極に送信することもできる。全てのバイアス信号は、複雑な増加的及び／また減殺的パターンが可能となるように構成されることが好ましい。
【００４９】
別の例として、自然に生じる成長ホルモンは下垂体により人体に放出される。これらのホルモンは、活動の変化に反応して筋肉及び骨の構成を変化させる、人体システムの一部分である。例えば、運動に反応した筋肉量の増加は、ある程度は、人体内を循環する成長ホルモン量の増加により生じる。最近の研究により、末梢からの、特に筋肉から生じる、求心性信号が、下垂体からの特定のタイプの成長ホルモンの放出を促進することが確証された（マッコール（McCall）等，２０００年）。本発明にしたがえば、身体訓練プログラム中にバイアス信号を印加して感覚細胞閾値を低めることにより、感覚フィードバックニューロンが一層活性化される。この結果、末梢からの求心性通信量が増加し、脳において神経形成性変化を生じさせる。例えば、活動に反応して成長ホルモンの放出を促進する筋紡錘からの感覚情報が増加する。これは、個人、例えば、損傷後または長期間の無活動後の、筋肉量及び骨の完全性を回復させるためにはたらいている、体力訓練士に特に有益である。成長ホルモン放出量の増加が成長ホルモン補充療法の必要性及び成長ホルモンサプリメントの必要性を排除するに十分であり得る場合もある。
【００５０】
末梢における感覚運動経路の相互連結及び効率は新しい運動技能の取得の発現である。すなわち、訓練及び練習の重要な結果はこれらの新しい経路の創成である。実際、体力の増加でさえも、特に体力強化プログラムの初期における、筋肉量の増加によると同じ程度に神経学的変化によっている。最近の研究により、求心性活動が、末梢神経系生成の基礎的神経生理学的プロセスの１つである、新しいシナプスの創成（“シナプス形成”）を促進することが示された（ウォン（Wong）等，２０００年）。本発明の方法にしたがう入力領域へのバイアス信号の印加は、末梢からの情報に富む感覚通信量を増加させ、末梢における神経形成性変化を促進する。体力訓練の普通の認識は、体力訓練が筋肉質にしかかかわらず、神経学は考慮すべき要件ではないということである。実際には、神経学的要因が筋肉力の発達及び維持の中枢である。体力訓練プログラムの初期段階において、筋肉量はそれほど増加しないが、体力は神経筋学習プロセスの結果として増加する。本発明の方法にしたがう入力領域へのバイアス信号の印加により、このプロセスを完了するための時間が、体力訓練の初期段階の間、関与する感覚細胞に対する閾値を低めることでかなり短縮される。この結果、末梢からの情報に富む通信量により、とりわけ、筋肉量形成速度を高める、末梢における神経形成性変化が促進される。
【００５１】
本発明にしたがって実施される体力訓練は、腕または脚のような人体の付属器における交差型体力変化の強化にも有効である。体力訓練研究により、１つの付属器しか体力訓練プログラムを受けていない場合に、訓練を受けていない付属器の力がある程度増加することが示された。すなわち、１つの付属器がギブスまたは装具により固定されている場合、対向する付属器に対する体力訓練プログラムの間、本発明の方法を用いて対向する付属器の感覚細胞閾値を低めることにより、固定された付属器を力を強化することができる。
【００５２】
多くの競技運動訓練プログラムは、体重が左右に急速に移される場合に必要な平衡の向上に向けられている。平衡強化訓練プログラムには、強化された平衡をもたらす運動学習を促進するための、長時間の反復左右運動が含まれていた。ここでも、上記の左右運動訓練プログラムと組み合わせにおいて、本発明は訓練中に影響を受ける感覚細胞閾値を低めて強化された平衡を一層迅速に達成することを含む。
【００５３】
さらに、新しい運動技能の通常の取得及び発作のような障害の後の運動機能回復プロセスのいずれも、感覚皮質及び運動皮質全体にわたる連結の除去及び新しい連結の創成に依存する。最近の研究により、末梢からの感覚活動が脳におけるこれらの有益な神経形成性変化の基礎的動因の１つであることが確証された（マッケイ（McKay）等，２００２年）。本発明の方法にしたがう入力領域へのバイアス信号の印加により求心性通信量も増加し、よって運動技能の向上が加速される。
【００５４】
図５ａ〜５ｃは、身体訓練プログラム中に装着されるような、本発明の方法にしたがう入力信号を印加するための好ましいシステムの１つを示す。本システムは、使用者の腰から下に両脚まで延びる下肢肌着５００を有する。ベルト５０２が肌着を腰で確実に固定し、使用者の足の下まで延びるフットストラップ５０４が下半身の運動中に肌着を体に対して安楽に保持する。フットストラップはネオプレンまたはその他の既知の弾性材料からなることが好ましい。肌着５００は、肌着５００の腰部の周りを囲んで配置される複数のベルトストラップ５０６を有することが好ましい。ストラップ５０６の固定されていない端はベルト５０２にかけて折り返され、ベルクロまたはその他の既知の締結手段により肌着５００に留められて、ベルト５０２を腰の位置に確実に保持するベルト通しを、実質的に、形成する。
【００５５】
肌着５００は膝及び膝下における入力信号の印加用にデザインされている。したがって、肌着の脚は、膝、ふくらはぎ及び／または下脚筋肉に対して選ばれた位置への入力素子５１０の配置を可能にし、肌着５００に対する入力素子５１０の所定の位置への維持も可能にする、開閉部５０８を有する。所定の箇所に入力素子５１０を確実に保持するように、外部キャップ５１１が肌着を通して入力素子５１０上に留め付けられる。したがって、信号入力素子５１０は、様々な用途のため、また被験者の解剖学的構造に適応させるため、必要に応じて肌着上の事実上いかなる位置にも配置することができる。肌着５００を使用者に合せるため、入力素子５１０は初め、特定の筋肉、関節等に対して使用者の皮膚上に配置される。次いで、肌着５００が入力素子５１０に被せて慎重に着けられ、入力素子５１０を所定の位置に保持するために外部キャップ５１１が肌着５００を通して留め付けられる。肌着５００は、肌着を被験者とほぼ同じ形にすることを可能にし、運動プログラムに含まれる長時間運動の間、入力素子５１０の変位を防止するために被験者の皮膚に対して入力素子５１０を確実に保持することができる、ネオプレンまたはいずれか既知の伸縮性材料で形成されることが好ましい。
【００５６】
ケーブル５１２が入力素子５１０を信号発生器５１４に電気的に接続する。信号発生器５１４は、電極の位置の変化が入力素子５１０の領域内で調節され得るように、肌着の内面上の入力素子５１０に電力を供給する。ケーブル５１２は肌着に確実に固定され、よって体の動きを妨げる、たるんだケーブルはないことが好ましい。好ましい実施形態において、信号発生器５１４から延びるケーブル５１２は肌着５００の脇ポケット５１６内に確実に固定される。ケーブル５１２はポケット５１６を通って、肌着５００の脚部に沿って下方に延びるコンジット５２０に延び込む。コンジット５２０は、下脚上及び下脚周りの様々な位置に配置される入力素子５１０に適応するように、膝位置で複数のコンジットに分岐する。入力素子５１０はケーブル５１２の長さに沿ういかなる位置にも取り付けることができる。プラスチックまたは同様の材料でつくられたケーブルガイド５２２が、コンジット５２０の開口をポケット５１６内に維持するように、コンジット５２０を囲む。ケーブルガイド５２２で維持されるコンジット開口により、コンジット５２０の長さ内に及び長さからケーブル５１２をかなり容易に出し入れすることが可能になる。
【００５７】
ケーブル５１２は、信号発生器５１４がベルト５０２の脇からベルト５０２の裏に滑り込むことを可能にするに十分な長さがあることが好ましい。すなわち、信号発生器５１４は、特定の運動プログラムに必要とされる動きを制限しないように、ベルト５０２に沿う様々な位置に配置し直すことができる。信号発生器５１４は別の場所に着けるかまたは手持ちとすることもできる。一般に、信号発生器５１４の配置は、安定化されるべき関節の場所、被験者の快適さ及び／または被験者による動きの容易さに基づいて決定される。ケーブル５１２をなくすため、信号発生器５１４は、信号発生器５１４及び／または入力素子５１０に信号を送信する能力を有する１つまたはそれより多くの無線送信器を有することができる。
【００５８】
図６に示されるように、信号発生器５１４は、信号プロセッサ４０４，コントローラ４１０，コントロールダイアル６０６，ディスプレイ６０８，テストボタン６１０及び赤外線ポート６１２を有する。ディスプレイ６０８は、現在の刺激プログラム、電池残量、刺激レベル、活チャネル、エラー等のような、使用者または臨床家が関心をもつグラフィック情報を示す。赤外線ポート６１２（あるいは無線またはケーブル接続ポート等）は、仕立てられた刺激パターン及び波形のダウンロードを可能にするコンピュータステーションへのリンクを提供する。テストボタン６１０により、適切なコントローラ機能の確認が可能になる。コントロールダイアル６０６は、雑音信号を対象とする感覚細胞の閾値レベルより低く、また皮下閾値レベルより低く、維持するように、信号入力素子５１０に与えられる雑音信号の振幅を変えるために用いることができる。それぞれの信号入力素子５１０における電流密度は電流振幅及び電極の大きさにより決定される。電流密度は許容範囲内に維持されなければならない。電気刺激の場合、チャネルは互いに電気的に絶縁されるか、または共通の接地を共有することができる。
【００５９】
入力素子５１０は、皮膚を介して、関節の定位にともなう構造に入力信号を印加することができる。先に述べたように、肌着にある入力素子５１０は、表面電極、筋刺激器、腱刺激器及び磁場刺激器、振動刺激器、例えば小型電磁回転モーターまたは平型モーター（すなわちパンケーキ型モーター）、圧電アクチュエータ、強磁性流体磁気アクチュエータ、またはＥＲ流体アクチュエータ、あるいはその他の既知の信号入力素子とすることができる。信号入力素子は所望の構造に刺激を局限するに適切な寸法につくられ、配置される。例えば、膝電極及びアクチュエータは、動きを妨げるかまたは制限することのないような、また注目する感覚ニューロンに刺激を限定する（刺激の標的とする）ような、寸法につくられる。刺激発生器５１４は信号の強度及びタイミングを変えるようにプログラムすることができる。例えば、１つより多くの入力素子５１０が用いられる場合、信号の場所及び極性を変えることができる。同様に、入力素子５１０のそれぞれで同時に刺激を発生することができ、あるいは、入力素子５１０のそれぞれの間で相関なしに刺激を発生することができる。刺激のパワー及び周波数も制御することができる。信号は、関節の安定性に役割を果たす様々な構造にともなう感覚細胞の知覚閾値より低いレベルにある。すなわち、信号はそれらの構造にある感覚細胞を起発するに必要なレベルより低いレベルにある。
【００６０】
信号発生器５１４により供給される信号のレベルは、関節の安定性に直接関与しない構造にある他の細胞を刺激するに十分でもあり得る。例えば、皮膚内の感覚細胞は皮膚上に配置された入力素子５１０を介して供給される信号を感知することができるが、そのレベルは、膝関節の安定性にともなう、例えば皮膚下の膝窩腱のような、構造の感覚細胞を刺激するに必要な閾値よりまだ低い。そのような低レベル信号は、コリンズ（Collins）等の特許文献２に説明されている。
【００６１】
別の好ましい実施形態において、図７に示されるような、被験者の皮膚に接して信号入力素子５１０を配置するための構造体７００が提供される。構造体７００が適切に着用されたときに、注目する関節の両側に配置される中心ハブ７０８から、複数本の腕７０４が延びる。腕７０４の中心ハブ７０８に直接に接する領域は、伸張可能な材料、例えばゴムからなる。腕７０４は、構造体７００が四肢上に配置されたときに、脚に確実に嵌るように、ある程度内向きに反らされていることが好ましい。腕７０４は、構造体７００が四肢上に適切に配置されたときに、バイアス信号が本発明の方法にしたがって印加されるべき脚領域上に入力素子５１０が置かれるように配置された複数の入力素子５１０も有する。
【００６２】
腕７０４の内の少なくとも１本は、入力素子５１０のそれぞれに電気的に結線されたケーブルコンセント７０６を有する。コンセント７０６は、ケーブル５１２の電気コネクタ７０２を、ケーブル５１２の他端が信号発生器５１４に接続されたときに、信号発生器５１４と入力素子５１０の間に電気接続が確立されるように、収める。ケーブル５１２は、使用中にケーブル５１２がコンセント７０６または信号発生器５１４から離脱する可能性を低めるため、伸縮可能であり、耐歪性のある材料からなることが好ましい。
【００６３】
本発明の別の態様において、図８ａ〜８ｂに示されるような、複数の入力素子５１０及び好ましくは信号発生器５１４が組み込まれているかまたはその上に配置されている、関節カバー構造体８００が膝関節上に提供される。入力素子５１０は、本発明の方法にしたがってバイアス信号が印加されるべき筋肉および関節の適切な組み合わせに取り付くように、配置される。関節カバー構造体８００は関節の周りに巻き付けられ、ベルクロまたはその他の既知の締結手段により自体の上に締結されるように構成されることが好ましい。あるいは、関節カバー構造体８００は、滑らせて関節の上に載せ、滑らせて関節の上から外すように、構成することができる。関節カバー構造体８００は織布で作られることが好ましいが、構造体の少なくとも一部が関節の屈曲および伸長中に入力素子５１０を所定の場所にとどめておくことができる可撓性材料でつくられる限り、プラスチック、ゴムまたはその他の材料でつくることもできる。図示されるように、構造体の畝付部分８０２は、関節を補助支持できる、より厚い材料からなる。構造体８００のより薄い部分８０４は、入力素子５１０を変位させずに関節の曲げを可能にするように、関節に被せて配置される。
【００６４】
本発明の別の態様において、図９に示されるような、本発明の方法にしたがう処置を受けている被験者に対して信号入力素子５１０（例えば皮膚表面電極）の位置または間隔を合せ込むための手段を提供する、電極アプリケータ９００が提供される。導電ゴムのような、可撓性の導電層９０２の領域が、電線９０８と信号入力素子５１０の間の導電手段を提供する。非導電材料９０４が、構造体の外表面で導電層９０２を覆い、取り囲んでいる。これらの導電材料層９０２及び非導電材料層９０４の２つの層は永久的に貼り合される。また、除去可能な態様で導電層９０２に貼り付けられた非導電性フィルム９０６も、内側面すなわち皮膚に接する面上で導電層９０２を覆う。非導電性フィルム９０６を除去することにより、導電層９０２の内側面が露出され、信号入力素子５１０の導電層９０２への取付けが可能になる。非導電性フィルム９０６には切り目が入れられるか、そうでなければ、非導電性フィルム９０６の、フィルム全体ではなく、部分部分の除去を可能にするパターンに区分化される。このようにすれば、使用中に導電層９０２の大部分は非導電性フィルム９０６で覆われたままである。信号入力素子５１０は、導電層９０２と被験者の皮膚の間の電気インターフェースを提供する、ヒドロゲルのような、薄い導電材料からなる。
【００６５】
本発明の方法を実施するために用いられる装置は、感覚運動能力（例えば運動学習）の向上または損傷の処置及び損傷の影響からのリハビリテーションのために用いられる既知のユニットに対して独特である。そのような既知のユニットでは、電極が装具上に取り付けられるかまたは巻き付けられており、自由な、繋ぎ止められていない導電体を備え、これらの全てが有効な身体訓練プログラムの実施に必要な動きを抑制するであろう。
【００６６】
上に示した実施形態は、パンツ、関節安定器及び装具に向けられるが、本明細書で用いられるような着用可能な装置とは、入力素子５１０を所望の場所で所定の位置に保持できるいかなる構造体も指す。
【００６７】
本明細書で説明した実施形態は、説明の目的のためだけに、下半身に着用可能な装置として示した。個人の腕及び胴を含む上半身に対して構成された、信号入力素子を所定の位置に保持できる同様の実施形態は、本発明の精神及び範囲内にある。上半身に着用可能な装置は下半身に着用可能な装置と併用して、本発明の方法にしたがい、上半身及び下半身のいずれにも沿って入力素子を配置し、同時に動作させることができる。
【００６８】
本発明を詳細に説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる、意図される範囲を逸脱することなく、様々な変更、置換及び改変がなされ得ることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】感覚細胞の機能を強化するための方法のフローチャートである
【図２】入力領域の場所を選定する方法のフローチャートである
【図３】バイアス信号を発生する方法のフローチャートである
【図４】感覚細胞の機能を強化するためのシステムの簡略な図である
【図５ａ】感覚運動能力を強化するためのシステムを示す
【図５ｂ】感覚運動能力を強化するためのシステムを示す
【図５ｃ】感覚運動能力を強化するためのシステムを示す
【図６】本発明の信号発生器を示す
【図７】本発明の一実施形態としての、着用可能な装置を示す
【図８ａ】本発明の別の実施形態としての、着用可能な装置を示す
【図８ｂ】本発明の別の実施形態としての、着用可能な装置を示す
【図９】本発明の信号入力素子を示す
【符号の説明】
【００７０】
５００    着用可能な装置
５０６    ベルトストラップ
５１０    信号入力素子
５１１    外部キャップ
５１２    ケーブル
５１４    信号発生器
５１６    脇ポケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【国際調査報告】
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