(57)【要約】  本発明は、コントロールユニットと、第１電極と第２電極の間にあるユーザの身体に電流を流す第１電極及び第２電極と、第１センサと第２センサの間で検出される電気信号差を検出するようになっている第１センサ及び第２センサとを有する神経刺激装置に関する。これによって、装置は、ユーザの心周期が監視しながら、同時にユーザの筋肉に電位刺激を与えることができる。そして、本発明は、神経刺激方法及びエクササイズ監視方法も提供している。【選択図】  図２
2008534041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コントロールユニットと、
第１電極と、
第２電極と、
第１センサと、
第２センサと、
を備えている神経刺激装置であって、
前記第１電極及び前記第２電極は、これらの電極間で電流を流すようになっており、
前記第１センサ及び前記第２センサは、これらのセンサ間で検出される電気信号差を検出するようになっている、神経刺激装置。
【請求項２】
前記第１電極及び前記第２電極が、前記第１電極及び前記第２電極に隣接するユーザ筋肉の運動神経に電気刺激を与えるようになっている、請求項１に記載の神経刺激装置。
【請求項３】
前記第１電極及び前記第２電極が前記ユーザの腹部筋肉に隣接して設けられている、請求項１又は２に記載の神経刺激装置。
【請求項４】
前記第１電極及び前記第２電極が末梢運動神経付近に設けられている、請求項１又は２に記載の神経刺激装置。
【請求項５】
前記第１センサ及び前記第２センサがユーザの心拍数を監視するようになっている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項６】
前記第２センサは、前記第１電極により提供されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項７】
第３センサは、前記第２電極により提供されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項８】
前記第１センサが、前記第２センサ若しくは前記第３センサ又はその両方より前記ユーザの心臓に近い位置に供されるようになっている、請求項７に記載の神経刺激装置。
【請求項９】
前記第１センサが付着手段によってユーザの身体の胸部に付着されるようになっている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項１０】
前記付着手段がストラップ又は固定貼布を備えている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項１１】
前記第１センサが接続手段によって前記コントロールユニットに接続されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項１２】
前記第１センサは、前記第２電極により提供されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項１３】
第３電極が前記第１電極と前記第２電極の間に提供されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項１４】
前記第３電極が、電流を前記第３電極と前記第１電極の間で流すことができる共通節として、かつ、選択的に前記電流を前記第３電極と前記第２電極の間で流すことができる共通節として作用するようになっている、請求項１３に記載の神経刺激装置。
【請求項１５】
前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極が、ユーザの特定筋肉付近に配置されるようになっているバンド上に、その筋肉の運動神経を活性化させるために各々の電極がその筋肉付近の皮膚エリアと連通されるように設置されている、請求項１３又は１４に記載の神経刺激装置。
【請求項１６】
各々の前記電極が前記腹部筋肉付近の皮膚エリアと連通するように、前記バンドが、ユーザの腹部エリアに沿って配置されるようになっている、請求項１５に記載の神経刺激装置。
【請求項１７】
選択された神経刺激を与えるために、前記コントロールユニットが、一つの前記電極又は各々の前記電極間で選択的に電流を流すようになっている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項１８】
前記コントロールユニットが、特定神経が刺激されるによって特定筋肉が刺激される刺激モードとユーザの心臓の電気活性が監視される監視モードとの間で交互に行えるようになっており、前記刺激モードが作動中にあるとき、前記監視モードが停止される、請求項１７に記載の神経刺激装置。
【請求項１９】
前記刺激モードが作動中にあるとき、前記監視モードは、前記コントロールユニットから選択的に発されるブランキング信号によって停止される、請求項１８に記載の神経刺激装置。
【請求項２０】
前記コントロールユニットが前記監視モードにあって、前記ユーザ心臓の電気活性を監視するために、一つの前記電極又は各々の前記電極が前記第１センサと併用されてもよいとき、少なくとも一つの前記電極が前記監視モードに使用されるようになっている、請求項１８又は１９に記載の神経刺激装置。
【請求項２１】
一つの前記センサ又は各々の前記センサに流れることから前記刺激モードの結果として起きる電流を実質的に抑制するために、前記コントロールユニットには安全手段が設けられている、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項２２】
前記安全手段が、身体にリーク電流を引き起こしたりコントロールユニットの部品にダメージが与えたりしそうな一つの前記センサ又は各々の前記センサに入る電流の流れにインピーダンスを設けることによって提供されている、請求項２１に記載の神経刺激装置。
【請求項２３】
一つの前記センサ又は各々の前記センサから前記ユーザの身体へ流れる電流を実質的に抑制するために、前記コントロールユニットには更なる安全手段が提供されている、請求項２１又は２２に記載の神経刺激装置。
【請求項２４】
前記更なる安全手段が、前記コントロールユニットと各々の前記センサの間に、前記コントロールユニットに入る電流又は前記コントロールユニットから出る電流の流れにインピーダンスを設けることによって提供されている、請求項２３に記載の神経刺激装置。
【請求項２５】
前記コントロールユニットが、アナログパルス信号を提供するように構成されたプロセッサー及び前記コントロールユニットによって発される前記アナログ信号を連続デジタルパルスに変えるようになっている変換器を備えている、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の神経刺激装置
【請求項２６】
前記コントロールユニットが、前記アナログパルス列を増幅するようになっているパルス増幅器をさらに備えている、請求項２５に記載の神経刺激装置。
【請求項２７】
前記コントロールユニットが、前記増幅されたアナログパルス列を一つの前記電極又は各々の前記電極に選択的に導くようになっている電流ステアリングネットワークを提供するためのスイッチングトランジスタのＨブリッジ配列をさらに備えている、請求項２６に記載の神経刺激装置。
【請求項２８】
前記コントロールユニットが、一つの前記センサ又は各々の前記センサから得られる信号を増幅するようになっている差動増幅器を更に備えている、請求項２７に記載の神経刺激装置。
【請求項２９】
前記コントロールユニットが、前記増幅されたセンサ信号から前記ユーザの心拍数を一連のパルスとして引き出すようになっているバンドパスフィルタをさらに備えている、請求項２８に記載の神経刺激装置。
【請求項３０】
前記コントロールユニットが、一つの前記センサ又は各々の前記センサから検出される電気ノイズを濾過するようになっている閾値検出器をさらに備える、請求項２９に記載の神経刺激装置。
【請求項３１】
前記閾値検出器が、所定のサンプリング中に亘って検出される平均信号振幅に比例して閾値レベルを自動的に調整する、請求項３０に記載の神経刺激装置。
【請求項３２】
前記装置が前記コントロールユニットと連通されている表示ユニットをさらに備えており、前記表示ユニットが、エクササイズ期間中に、心拍数等の関連データを前記ユーザに表示することができる、請求項１〜３１のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項３３】
前記コントロールユニットと連通されている指令ユニットをさらに備えており、前記指令ユニットは、所望のエクササイズ期間中、前記ユーザが前記電極によって提供される刺激の強さ等の変数を修正することができるようになっている、請求項１〜３２のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【請求項３４】
前記表示ユニット及び前記指令ユニットが、前記コントロールユニットと連通されているモジュールの中に組み込まれており、携帯されるようになっているか、腕時計に設置されるようになっている、請求項３２又は３３に記載の神経刺激装置。
【請求項３５】
前記コントロールユニットが、前記エクササイズからの前記利益レベルを表す性能係数及び前記エクササイズ期間中の前記活動レベルに依存する性能係数をユーザに提供するようになっている神経刺激装置であって、前記コントロールユニットは、さらに以下の方程式によって前記性能係数を計算するようになっている、請求項１〜３４のいずれか一項に記載の神経刺激装置。
【数１】
2008534041.tif 000007
［式中、ＱＦは前記性能係数であり、ｋ１は前記エクササイズの前記心血管成分への重み係数及び倍率であり、Ｔは目標心拍数でのエクササイズ時間又は目標心拍数を上回るエクササイズ時間であり、ｋ２は前記エクササイズの電気刺激成分への重み係数及び倍率であり、ｃは１分間の収縮数であり、ｃｉは収縮の強さである。］
【請求項３６】
刺激モードにおいて、電極を通ってユーザの身体の特定運動神経に電流を加えるステップと、
監視モードにおいて、少なくとも一つのセンサを用いて前記ユーザの心臓の電気活性を監視するステップと、
を含む、神経刺激及びエクササイズ監視を提供する方法であって、
前記監視モードの期間中前記刺激モードが停止されている、神経刺激及びエクササイズ監視を提供する方法。
【請求項３７】
前記ユーザの心臓の前記電気活性を監視する前記ステップが心電図信号を検出するステップをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記心電図出力信号における最適化ポイントに対応する適用タイミングで、特定筋肉の前記特定運動神経に前記電流を加えるステップをさらに備えている、請求項３６又は３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記適用タイミングは、一つの前記センサ又は各々の前記センサにおける前記心電図信号のある波の前記検出タイミングより遅れている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記心電図信号の前記ある波はＲ波である、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記ユーザに前記エクササイズからの前記利益レベルを表す性能係数及びエクササイズ期間中の前記活動レベルに依存している性能係数を提供するステップをさらに備えている方法であって、前記性能係数が以下の方程式によって計算される、請求項３６〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【数２】
2008534041.tif 000008
［式中、ＱＦは前記性能係数であり、ｋ１は前記エクササイズの前記心血管成分への重み係数及び倍率であり、Ｔは目標心拍数でのエクササイズ時間又は目標心拍数を上回るエクササイズ時間であり、ｋ２は前記エクササイズの前記電気刺激成分への重み係数及び倍率であり、ｃは１分間の収縮数であり、ｃｉは収縮の強さである。］
【請求項４２】
前記性能係数を、表示装置又はオーディオ装置によって前記ユーザにたいして表示する、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は神経刺激装置に関し、より具体的には、しかし限定されることはないが、例えば運動中、筋肉刺激によって得られる利益の最大化を図るために、筋肉運動神経を通して筋肉を刺激する神経刺激装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、人々は、エクササイズするとき所定の運動量から最大利益を得ることに興味を有する。現在、これは電気筋肉刺激（ＥＭＳ）装置を用いて促進されることができる。電気筋肉刺激装置は、標的筋肉を収縮させるために、標的筋肉（例えば、腹筋）の運動神経を通して制御された電流を流す。これは、最小限の活動でこの標的筋肉を引き締める効果を有し、エクササイズプログラムからの最大利益を図るために、エクササイズプログラムを実行しながら用いることもできる。
【０００３】
ＥＭＳ装置は、筋肉を引き締めることには役立つが、心血管のエクササイズに最適化されていることを保障する方法は提供しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によると、コントロールユニットと、第１電極と、第２電極と、第１センサと、第２センサとを備えている神経刺激装置であって、第１電極及び第２電極が、これらの電極間で電流を流すようになっており、第１センサと第２センサが、これらのセンサ間で検出される電気信号差を検出するようになっている、神経刺激装置が提供される。
【０００５】
上記第１電極及び第２電極は、この第１電極及び第２電極に隣接するユーザ筋肉の運動神経に電気刺激を与えるようになっていることが好ましい。任意であるが、第１電極及び第２電極はユーザの腹部筋肉に隣接して設けられる。もう一つの方法として、第１電極及び第２電極は、例えば末梢運動神経等のユーザのいずれかの運動神経付近に設けられる。
【０００６】
上記第１センサ及び第２センサはユーザの心拍数を監視するようになっていることが好ましい。
【０００７】
上記第２センサは上記第１電極によって提供されることが好ましい。
【０００８】
好ましくは、第３センサが上記第２電極によって提供されている。
【０００９】
第１センサは、第２センサ若しくは第３センサ又はその両方に比べてユーザ心臓に近い位置に提供されるようになっていることが好ましい。第１センサはユーザの身体の胸部に付着されるようになっていることがより好ましい。この付着は、随意に、ストラップによってなされてもよく、あるいは固定貼布によってなされてもよい。一般的に、上記第１センサは接続手段によってコントロールユニットに接続されており、この接続手段は、通常、これらの間に延びている接続ワイヤを備えている。
【００１０】
代替的に、上記第１センサが第２電極によって提供される。
【００１１】
上記第３電極は、電流を第３電極と第１電極との間で流すことができる共通節として、かつ、選択的に電流を第３電極と第２電極との間で流すことができる共通節として作用するようになっていることが好ましい。
【００１２】
ユーザの特定筋肉の運動神経を活性化させるために、上記第１電極、第２電極及び第３電極は、この筋肉付近に置かれるようにされたバンド上に、この筋肉付近の皮膚エリアと連通されるように設置されることが好ましい。各々の電極が腹筋付近の皮膚エリアと連通されるように、上記バンドは、ユーザの腹部エリアに沿って配置されるようになっていることがより好ましい。
【００１３】
選択された神経刺激を与えるために、上記コントロールユニットは、一つの電極との間で又は各々の電極との間で選択的に電流を流すようになっていることが好ましい。
【００１４】
上記コントロールユニットは、特定神経が刺激されることによって特定筋肉が刺激される刺激モードとユーザ心臓の電気活性が監視される監視モードとを交互に行えるようになっていることが好ましい。刺激モードが作動中にあるとき、監視モードが停止されていることがより好ましい。一般的に、刺激モードが作動中にあるとき、監視モードは、コントロールユニットから選択的に発されるブランキング信号によって停止される。
【００１５】
上記コントロールユニットが監視モードにあって、ユーザ心臓の電気活性を監視するために、一つの電極又は各々の電極が第１センサと併用されてもよいとき、少なくとも一つの電極が監視モードに使用されるようになっていることが好ましい。
【００１６】
コントロールユニットは、一つのセンサ又は各々のセンサに流れることから刺激モードの結果として起きる電流を実質的に抑制するようになっていることが好ましい。一般的に、これは、身体にリーク電流を引き起こしたりコントロールユニットの部品にダメージが与えたりしそうな一つのセンサ又は各々のセンサに入る電流の流れにインピーダンスを設けることによって提供される。このインピーダンスは、コントロール回路に設けられる抵抗器及び蓄電器によって提供されることが好ましい。
【００１７】
さらに、このコントロールユニットは、一つのセンサ又は各々のセンサからユーザの身体へ流れる電流を実質的に抑制するようになっていることが好ましい。一般的に、これは、コントロールユニットと各々のセンサの間に、コントロールユニットに入る電流又はコントロールユニットから出る電流の流れにインピーダンスを設けることによって提供される。
【００１８】
コントロールユニットは、アナログパルス信号を提供するようになっているプロセッサーを備えることが好ましい。このコントロールユニットは、コントロールユニットによって発されるアナログ信号を連続デジタルパルスに変えるようになっている変換器を備えることがより好ましい。
【００１９】
コントロールユニットは、アナログパルス列を増幅するようになっているパルス増幅器をさらに備えることが好ましい。
【００２０】
コントロールユニットは、増幅されたアナログパルス列を一つの電極又は各々の電極に選択的に導くようになっている電流ステアリングネットワークをさらに備えることが好ましい。一般的に、この電流ステアリングネットワークは、スイッチングトランジスタのＨブリッジ配列を備えている。
【００２１】
コントロールユニットは、一つのセンサ又は各々のセンサから得られる信号を増幅するようになっている差動増幅器を更に備えることが好ましい。
【００２２】
コントロールユニットは、増幅されたセンサ信号からユーザの心拍数を一連のパルスとして引き出すようになっているバンドパスフィルタをさらに備えることが好ましい。
【００２３】
コントロールユニットは、一つのセンサ又は各々のセンサから検出される電気ノイズをフィルタリングするようになっている閾値検出器をさらに備えることが好ましい。この閾値検出器は、所定のサンプリング中に亘って検出される平均信号振幅に比例して自動的に閾値レベルを調整することが好ましい。
【００２４】
装置はコントロールユニットと連通されている表示ユニットをさらに備えることが好ましく、この表示ユニットは、例えばエクササイズ期間中に、心拍数等の関連データをユーザに表示することができる。随意的であるが、この表示ユニットは、コントロールユニットと接続される小型モジュールを備える。また、この表示ユニットは、コントロールユニットと連通される不連続ユニット（例えば腕時計等）を備える。
【００２５】
装置は、コントロールユニットと連通されている指令ユニットをさらに備えることが好ましく、この指令ユニットは、ユーザが所望のエクササイズ期間中に電極によって与えられる刺激の強さ等の変数を修正することができるようになっている。随意的であるが、この指令ユニットは、コントロールユニットと連通される小型モジュールを備えている。また、この指令ユニットは、コントロールユニットと連通される不連続ユニット（例えば腕時計等）を備える。
【００２６】
表示ユニット及び指令ユニットは、一つのモジュールの中に組み込まれることが好ましい。
【００２７】
また、コントロールユニットは、ユーザに性能係数が提供されるようになっていることが好ましい。この性能係数は、エクササイズからの利益レベルを表しており、エクササイズ期間中の活動レベルに依存している。ここで、コントロールユニットはさらに以下の方程式によって性能係数を計算するようになっている。
【数１】
2008534041.tif 000003
式中、ＱＦは性能係数であり、ｋ１はエクササイズの心血管成分への重み係数及び倍率であり、Ｔは目標心拍数でのエクササイズ時間又は目標心拍数を上回って行われたエクササイズ時間であり、ｋ２はエクササイズの電気刺激成分への重み係数及び倍率であり、ｃは収縮数であり、ｃｉは収縮の強さである。
【００２８】
また、本発明によると、以下のステップを含む、神経刺激を与える方法及びエクササイズ監視方法が提供される。すなわち、刺激モードにおいて、電極を経てユーザの身体の特定運動神経に電流を加えるステップと、監視モードにおいて、少なくとも一つのセンサを用いてユーザ心臓の電気活性を監視するステップとを含む。ここで、監視モードの期間中、刺激モードは停止される。
【００２９】
一般的に、ユーザ心臓の電気活性を監視ステップは、心電図信号を検出するステップをさらに含む。
【００３０】
神経刺激を与える方法及びエクササイズ監視方法は、さらに、心電図出力信号における最適化ポイントに対応する適用タイミングで、特定筋肉の特定運動神経に電流を加えるステップを備えることが好ましい。この適用タイミングは、一つのセンサ又は各々のセンサにおける心電図信号のある波（好ましくはＲ波）の検出タイミングより遅れていることが好ましい。
【００３１】
さらに、神経刺激を与える方法及びエクササイズ監視方法は、ユーザに性能係数が提供されるステップを備えることが好ましい。この性能係数は、エクササイズからの利益レベルを表しており、エクササイズ期間中の活動レベルに依存している。
【００３２】
この性能係数は以下の方程式によって計算されることが好ましい。
【数２】
2008534041.tif 000004
式中、ＱＦは性能係数であり、ｋ１はエクササイズの心血管成分への重み係数及び倍率であり、Ｔは目標心拍数でのエクササイズ時間又は目標心拍数を上回って行われたエクササイズ時間（分）であり、ｋ２はエクササイズの電気刺激成分への重み係数及び倍率であり、ｃは１分間の収縮数（ユーザによって設定される）であり、ｃｉは収縮の強さ（ユーザによって設定される）である。
【００３３】
一般的に、この性能係数は表示装置によってユーザに表示される。あるいは、この性能係数はオーディオ装置によってユーザに表示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
添付図面を参照しながら本発明の実施形態について（単なる例として）説明する。
【００３５】
明確性を図るために、以下の説明は、ユーザの観点から部品の位置を述べていることに注意すべきである。すなわち、使用の際、ユーザの左側に提供されるそれらの部品に関しては、部品は装置の左側にあると記載されており、ユーザの右側にあるそれらの部品に関連しては、部品はユーザの右側にあると記載されている。
【００３６】
図１及び図４を参照すると、本装置１０は腹部ベルト１２を備えており、腹部ベルト１２は、ユーザ２０の腹部に接触されるように腹部ベルト１２の内周に取り付けられている左電極１４、右電極１６及び中央電極１８を有する。また、遠隔センサ２４も、例えば、図４に示されているような調整できる胸部ストラップ２６（男性ユーザ用）又は図示されていない再利用できる貼布（女性ユーザ用）等の適当な付着手段によって、ユーザの胸部に設けられている。遠隔センサ２４は、リード線２２によってベルト１２にあるベースユニット２８に接続されている。ベースユニット２８にはコントロールユニット３０が設けられており、このコントロールユニット３０は、ベースユニットから離れ、コントロールリード線によって接続されてもよい。
【００３７】
腹部ベルト１２は、使用の際（男性又は女性ユーザ用）ユーザ２０の腹部に沿って心地のよいフィット性を提供するように成形されており、例えばネオプレン又は他の弾性材料等の適当な材料から作られるとよい。腹部ベルト１２には、ベルト１２にベースユニットを設置するための結合位置が設けられている。
【００３８】
左電極１４及び右電極１６は典型的な構造のものであり、バンド１２がユーザ２０の腹部に固定されるとき、電極１４及び電極１６は、バンド１２に沿って、ユーザの左側及び右側におけるユーザの胸郭と骨盤の間の皮膚範囲に接触されることを確保する位置にそれぞれ位置づけられている。電極１４及び１６の正確な配置は、腹筋運動神経が胸郭と骨盤の間に限られているため重要となる。
【００３９】
中央電極１８は、ベルト１２が腹部に付着されるとき中央電極１８がへそ部において皮膚に接触されるように、ベルト１２の中心に配置されている。これによって、中央腹筋に更なる目標とされる刺激を与えることができる。中央電極１８は、左電極１４及び右電極１６と構成が似ており、左腹筋が刺激されたときは、電流が左電極１４から通るための共通節を提供しており、右腹筋が刺激されたときは、電流が右電極から通るための共通節を提供している。以下の説明において、筋肉の運動神経が刺激されることによって実際に筋肉が刺激されることは、熟練した読者には分かるであろう。
【００４０】
続いて説明するように、電極１４、１６、１８のグループから選ばれる電極は、電流を形成することに加えて電気信号を検出することができる。
【００４１】
遠隔センサ２４は、心拍数によって発される電気信号を検出することのできるセンサを備えており、この目的のために、電極１４，１６，１８のグループの少なくとも一つと共に使用される。
【００４２】
ベースユニット２８は、システムをコントロールするために必要な電気部品を収容する本体２８Ａを備えている。図２を参照すると、電気部品には、マイクロコントローラー３２、デジタルアナログ変換器３４、パルス増幅器３６、電流ステアリングネットワーク３８、差動増幅器４０、バンドパスフィルタ４２及び閾値検出器４４が含まれている。これらの部品間における相互作用を次に説明する。
【００４３】
コントロールユニット３０にはコントロールボタン４６が設けられており、これによって、ユーザは、本装置１０によって与えられる筋肉刺激の強さを変えることが可能となり、動作モードの間で切り替えることができる。表示画面４８によって、ユーザは、強さ（エクササイズ期間中）、性能係数（Quality Factor）(後で説明する) 等の情報を見ることができる。また、ユーザがベースユニットを要望どおりベルト１２（又は他の位置）に留めることができるように、クリップ５０がユニット３０の背面に設けられている。これは、行われているエクササイズのためにユーザの手を開放させる。
【００４４】
使用の際、本装置１０のベルトは、ベルトの電極１４，１６，１８が上述した位置において皮膚と接するようにユーザの腹部に付けられる。次に、遠隔センサ２４は、胸部ストラップ２６（男性ユーザ用）又は貼布２５（女性ユーザ用）によって胸部に付けられる。ベースユニット２８及びコントロールユニット３０は、まだ配置されていなければ、次にベルト１２に装着される。スイッチを入れると、装置１０は使える状態となる。
【００４５】
ユーザがエクササイズを始める際、ユーザは、コントロールユニット３０を用いて、神経（よって、筋肉）刺激のレベルを選択することができる。選択された筋肉刺激のモード及びレベルに応じて、マイクロコントローラー３２が、デジタルアナログ変換器３４を経て刺激信号を発する。それぞれの変換器３４からの信号のアナログパルスは、増幅されたパルスを電流ステアリングネットワーク３８に入力するパルス増幅器３６によって増幅される。電流ステアリングネットワーク３８は、モータドライバに使用されるようなスイッチングトランジスタのＨブリッジ配列を一般に備えている。ユーザによって選ばれたモード／強さに応じて、電流ステアリングネットワーク３８は、刺激パルスを電極１４，１６，１８中の任意一つのソースに誘導し、いずれかの他の電極での刺激パルスを弱める。刺激パルスはシステムの電源アース４６に戻る。これは、電流が流れるルート（ユーザの腹部筋肉を通る）を提供する。ここで、前もって説明された電流ステアリングネットワークも好ましいが、代わりに、例えば、変圧器又は継電器等の装置を用いることも可能であることに注意すべきである。
【００４６】
パルス信号が（例えば左電極１４に）到達すると、電極１４と１８の間に電位が発生する。電流が電極１４と１８の間で流れるための唯一のルートが、ユーザの腹部の筋肉を通るルートであって、この電流の流れが、腹筋を収縮させたり（電流が流れるとき）緩ませたり（電流が流れないとき）する。一般的に、収縮と緩みの循環は要求どおりに変えることが可能であり、一般に１分間につき約６回循環する程度である。パルス信号が右電極１６に送られたときは、同様の効果がユーザ腹筋の右側にある腹筋に起こる。
【００４７】
これによって、運動に関係なく、エクササイズ中ユーザの腹筋を刺激することができる。
【００４８】
ユーザ２０がエクササイズを行っている間、ユーザの心臓の動きが増しており（安静時の心臓の動きと比較して）、ユーザがこれを監視できることが望ましい。本実施形態において、この監視は、左腹部電極１４に繋がっている遠隔センサ２４を用いて達成される。電極１４がこのような方法で用いられるときセンシングモードに使用されるため、センサ１４と見なされる。同様に、右電極１６及び中央電極１８も、センシングモードに用いられるときはセンサと見なされる。
【００４９】
遠隔センサ２４が設置されることによって、胸の（胸部）部位で心臓の動きを監視することができる。心臓動きの測定信号は、一般に「心電図」（ＥＣＧ）として参照される。
【００５０】
ソース（心臓）からセンサ２４までの距離と、ソースから電極１４までの距離との間の差が比較的に大きいため、センサ２４と電極１４の間の電位差が比較的に大きいであろう。
【００５１】
左電極１４が設置されることによって、腹部で心臓の動きを監視することができる。電極１４によって検出される信号は、センサ２４で検出される信号と比べて比較的に弱いであろう。ユーザの胸部で信号を発する電気双極子が胸部に位置されており、下腹部では著しく弱まるので、電極１４での信号は弱い。
【００５２】
遠隔センサ２４と電極１４の間の電位差は、心周期を代表するダイナミックＥＣＧ信号である。ＥＣＧ信号は信号を増幅する差動増幅器４０に入力され、さらに、増幅された信号が、一連のパルスとして心拍数を引き出すバンドパスフィルタ４２を通ることによって、結果として表されるＥＣＧ信号はユーザ２０の心拍数に直接関係することができる。この信号は、その後、閾値検出器４４を通ってから、ディスプレイ４８においてユーザに心拍数を示すマイクロコントローラー３２を通る。この件について、閾値検出器４４は、サンプリング中（一般的に、数秒）に亘る平均信号振幅に比例して閾値レベルを自動的に調整する自動閾値レベル検出器であることが好ましい。これによって、有用な信号が、エクササイズプログラム中のユーザ２０の運動によって起きる電気ノイズにかき消されることなく回収されることができる。
【００５３】
遠隔センサ２４と共に左電極１４を使用することに加えて、測定されるＥＣＧにおける干渉と誤差を減らすために、右電極１６と中央電極１８も参照電極として用いることができる。これは、ウォーキングとランニングに起因する身体の垂直加速度によって生じる動作のアーチファクトを減らすことに特に有用である。
【００５４】
筋肉刺激モードと心拍数モードの両方が、上では別々に説明されるが、ユーザ２０によって活性化されたとき、マイクロコントローラー３２は、筋肉に刺激を与えることと心拍数を監視することとの間で迅速に切り替えることに注意すべきである。これは、両方の仕事を同時に為すことに違いない効果をもたらす。この件について、マイクロプロセッサー３２は筋肉刺激が行われていないときだけ心拍数を監視するように調節されているので、マイクロプロセッサー３２によって監視される心拍数信号は、筋肉刺激の電極によって生じる電気妨害に影響されない。
【００５５】
これによって、ユーザは、特定エクササイズゾーンを維持するように自分の心拍数を監視することができる。このようなエクササイズゾーンは、健康な成年の最大心拍数の６０％〜７０％の範囲にすることができる。これによって、心拍数が望ましい最小閾値を下回るとユーザが自分のワーク速度を高めることができるし、心拍数が望ましい最大閾値を上回るとユーザが自分のワーク速度を下げることができる。
【００５６】
マイクロコントローラー３２は刺激パルスが加えられていないとき心拍数だけ監視するようにプログラムされているが、刺激パルスは、差動増幅器４０に向かって、遠隔センサ２４といずれかの不活性電極を通ろうとするであろう。これは、意図されていないリーク電流を起こして、増幅器４０の入力にダメージを与える可能性があるので、これに逆らって保護を提供すべきである。
【００５７】
図３に示したように、上記保護は、変動増幅器４０の前に制限抵抗器Ｚ１と制限抵抗器Ｚ２を取り付け、そして、ステアリングネットワークの出力部とシグナル・グラウンドの間を横切って抵抗器Ｚ３を取り付けることによって提供される。これらは、増幅器４０の入力部に加えられる過剰電圧に逆らって保護するために、電圧制限装置（例えば定電圧ダイオード等）と共に用いられてもよい。抵抗器Ｚ１、Ｚ２とＺ３の値は、次に説明するような本システムの特性を考慮して選択される。
【００５８】
バンド１２の電極によって与えられる刺激はユーザの身体の表面で大きな電気妨害を引き起こすので、正確さを保つために、これは心拍数の検出に帰されるべきであることは理解されよう。
【００５９】
生体信号を増幅するバイオ増幅器は、検出電極で生じる直流電位（DC potential）（「半電池電位(“half-cellpotential”)」として知られている）成分を拒絶しなければならないので、これらのバイオ増幅器の入力部においてしばしばＡＣ結合される。低周波応答を低下させることなくこれを達成するために、大容量蓄電器（大抵１μＦより大きい）が一般に使用される。この解決策の問題点は、増幅器４０を保護するために必要とされる高抵抗と一体となった大容量キャパシタンスは、刺激パルスが加えられた後に増幅器が回復されるため、長い時定数をもたらす。これは、ＡＣ結合蓄電器は刺激パルス期間中に充電され、増幅器４０が連続作動される前に放出されるべきであるからである。したがって、妥当な時定数を提供することで妥協すべきである。これは、一般に０．２５秒〜２秒の範囲とする。増幅器４０の前にこれらの部品を置くことは、一次高域フィルタが増幅器４０に先行することと同じ効果を有する。これは、検出されるＥＣＧ信号においていくつかの低周波情報を失う結果となるが、ＥＣＧ信号の忠実性は特に重要ではないため、そして、ここでは主に心拍数の測定に感心を持つため、本願においては許容範囲内にある。心拍数信号は、高域フィルタによってＥＣＧの忠実性を失う等のことに実質的な影響を受けない。これらの係数を考慮に入れると、適当な時定数は、例えば、５ＭΩの増幅入力抵抗と４７ｎＦのＡＣ連結蓄電器を用いて提供される。
【００６０】
ライン４８によって代表されるブランキング信号も、刺激パルス期間中増幅器４０のスイッチを切るために増幅器４０に選択的に加えてもよい。同様なブランキング信号（図示せず）を、閾値検出器４４を無効にするために用いてもよい。
【００６１】
本装置１０の部品をダメージから確実に保護することはもちろんのこと、ユーザを過剰な電気パルスと不規則な電気パルスから保護することが重要である。したがって、電極（センサ２４等）は、電気信号（ＥＣＧ信号）の検出のみを目的とし、刺激パルスを発してはいけないと、安全基準には明記されている。このような意図的でない電流は補助電流として知られており、これを認めると、センサ２４がユーザの心臓に近いためユーザが危険であろう。
【００６２】
回路の部品を保護し、そして、ユーザ２０を保護するために、コントロール回路には、例えばトランジスタと継電器等の様々なスイッチが配置されてもよい。しかしながら、このような部品は非常に厳しい状況においては不足するので、「フェイルセーフ（fails safe）」装置であることを保証する更なる保護を確保する必要がある。
【００６３】
補助電流の漏れを防止するためには、増幅器４０への入力抵抗が高いことと、高い入力電圧に耐えることが必要である。増幅器４０は固有抵抗を有するが、高い電圧がかかると機能しない可能性があるのでこの抵抗に頼るのは十分ではない。したがって、電極１４,１６とセンサ２４をマイクロコントローラー３２に接続させるそれぞれのリード線にそれぞれ、追加的な高抵抗抵抗器（１００ＫΩ程度）を配置することが一番安全である。これらの抵抗器はそれぞれＺ１、Ｚ２とＺ３によって図３に示されている。
【００６４】
その結果、本発明は、制御されていない電気パルスによる危険性のない、ユーザが個人の好みで自分の心拍数と筋肉刺激を積極的に監視することができるエクササイズ装置を提供する。したがって、本発明によって、ユーザは常にエクササイズの二つの異なる状態、すなわち、電気的筋肉刺激エクササイズと心拍数監視に伴う心血管エクササイズとを同時に実行することができる。電気的筋肉刺激は（それ自身によって）、心血管系に著しい負荷を与えないため、心血管系にはエクササイズの利益をほとんど又は全く有しない。しかし、これは標的筋肉に負荷を与えるので、それによって、標的筋肉におけるパフォーマンスの向上が促進される。
【００６５】
心血管エクササイズにおいてエクササイズ活動の価値は、ユーザが目標心拍数で費やした時間又は目標心拍数を上回って費やした時間によって評価される。一方、抵抗トレーニングでは時間が重要ではなく、その代わりに、負荷下での筋肉収縮の繰り返し数が重要となる。
【００６６】
本発明は、エクササイズの性能係数の計算と表示を提供する。この性能係数は、ユーザが目標心拍数で費やした時間又は目標心拍数を上回って費やした時間と刺激された筋肉の収縮数に基づいている。
【００６７】
得られる性能係数はユーザ向けに（表示装置に又はオーディオ装置によって）表示され、練習次第で更新される。性能係数は次の方程式によって計算される。
【数３】
2008534041.tif 000005
式中、ＱＦは性能係数であり、ｋ１はエクササイズの心血管成分への荷重係数と倍率であり、Ｔは目標心拍数で費やしたエクササイズ時間（分）又は目標心拍数を上回って費やしたエクササイズ時間（分）であり、ｋ２はエクササイズの電気刺激成分への荷重係数と倍率であり、ｃは１分間での収縮数（ユーザによって設定される）であり、ｃｉは収縮の強さ（ユーザによって設定される）である。
【００６８】
収縮の強さは電極間の電流を変えることによって変更されるので、ユーザによって所望のレベルに変えることができる（又は、次の例のように１に設定してもよい）。
【００６９】
表示装置の精度と各々のエクササイズ成分との相対的な重要性に応じて、明らかに他の値にしてもよいが、ｋ１の標準値はｋ１＝１／１５にし、ｋ２の標準値はｋ２＝１／１８０にする。上記値を用い、６０分間の目標心拍数でのウォーキング又はジョーキングエクササイズで、１分間につき３回の最大筋肉収縮数を用いると、以下の数式によって、性能係数は５である。
【数４】
2008534041.tif 000006
【００７０】
また、本発明における電気的筋肉刺激と心臓監視との複合は、心周期における定められたポイントで、所望の筋肉に電気刺激を与えられる利点を有する。例えば、刺激の配信は、ＥＣＧのＲ波の前の一定のタイミングで起きるように調節することができる。遅延時間の範囲は、補助された静脈還流の効果が高められるように調節することができる。
【００７１】
本発明の範囲から逸脱しない範囲で、上記に対して修正や改良が施されてもよい。
【００７２】
例えば、マイクロコントローラー３２は、マイクロコントローラー３２のメモリーに保存されている個人化された筋肉刺激シークエンスを提供するようにプログラムされることができる。検出された心拍数を考慮して刺激周期も自動的に適応させることが可能であり、検出された心拍数が高いと、逆に全般的なエクササイズの強さを増やすために、バンド１２によって提供される刺激が自動的に増えるであろう。逆に、腹部刺激とは対照的に、心血管エクササイズで集中トレーニングをするために、代替的に、マイクロコントローラー３２は、心拍数が増加することにつれて、バンド１２の電極によって提供される刺激の強さは低減されるようにプログラムされてもよい。
【００７３】
腹部バンド１２は、刺激電極の他のグループ（例えば、大腿部電極と臀部電極）で代替されてもよく、補われてもよい。
【００７４】
コントロールユニット３０は、無線通信を利用してベースユニット２８からの情報を受け取ったり、ベースユニット２８へ情報を送ったりすることができる、腕時計又は他の独立部分の中に組み込まれてもよい。
【００７５】
上記好ましい実施形態では、両電極間の電位（したがって、ユーザの心拍数）を検出するために、腹部に設置されているセンサ１４（例えば電極１４によって提供される）に併せてユーザの心臓近くに設置されているセンサ２４を用いたが、代替的に、電位は二つの腹部センサ（例えば、電極１４と１６によって提供される）の間で検出されてもよく、さらに、二つのセンサは、胸部ストラップ２６／貼布（図示せず）と筋肉刺激ために提供されている二つの別々の腹部電極に提供されてもよい。
【００７６】
筋肉刺激に関して主に記載したが、本神経刺激装置は、代替的に鎮痛又はマッサージ用の神経刺激に用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】エクササイズ期間中ユーザ（明瞭さのために切り取った部分を用いて）によって身に付けている、本発明にかかる装置の概略図である。
【図２】図１の装置の部品を示す概略ブロック図である。
【図３】追加的保護回路を有する、図１の装置の部品を示す概略ブロック図である。
【図４】使用前の図１の装置のより詳細な図である。
【図１】
2008534041.tif 000009
【図２】
2008534041.tif 000010
【図３】
2008534041.tif 000011
【図４】
2008534041.tif 000012
【国際調査報告】
2008534041.tif 000013
2008534041.tif 000014
2008534041.tif 000015
2008534041.tif 000016