(57)【要約】    【課題】  小型の装置で、漏洩電流が小さく、基準電位に対して絶縁された双極性の電気刺激を行うことができ、電池の消耗が少なく、長時間の測定も可能であり、さらに、生体に流れる刺激電流の波形観察ができて、脳の生理学的研究にも使用できる電気刺激装置に使われるアイソレータを提供する。    【解決手段】  主回路１の電気刺激信号を発生する装置側と、生体26に接触する装置側とのインタフェースを、全てフォトカプラ12，13，14で結合し、それぞれの側に、それぞれ独立した電源から電力を供給する。また、主回路１の、生体26に接触する装置側にある電圧・電流変換回路18の電源を、電気刺激信号を発生する装置側の入力信号によってオンオフするようにした。    【選択図】  図１
2005279033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、生体に電気刺激電流を与えるための主回路と、電源回路とを有するアイソレータにおいて、前記主回路の電気刺激信号を発生する装置側と、生体に接触する装置側とのインタフェースを、全てフォトカプラで結合し、それぞれの側に、それぞれ独立した電源から電力を供給することを特徴とするアイソレータ。
【請求項２】
生体に流れる刺激電流の波形観察ができる電流監視機能回路を備え、該電流監視機能回路は、生体に流れる刺激電流の波形を観察する側と、生体に流れる刺激電流の波形を検出する側とのインタフェースをフォトカプラで結合し、それぞれの側に、それぞれ独立した電源から電力を供給することを特徴とする請求項１に記載のアイソレータ。
【請求項３】
前記主回路の、生体に接触する装置側にある電圧・電流変換回路の電源を、電気刺激信号を発生する装置側の入力信号によってオンオフするようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアイソレータ。
【請求項４】
前記電流監視機能回路にタイマー回路を備え、該タイマーで、電流監視機能回路の電源をオンオフし、電池の消耗を防止することを特徴とする請求項２に記載のアイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体に電気刺激を与え、その反応を計測するために用いる電気刺激装置に使用するためのアイソレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
生体を電気刺激する装置には、例えば、脳卒中の後の患者が、リハビリテーションを行うときに、中枢神経からの微弱な指令信号を検出して、それを増幅して筋肉を刺激する電気信号を出力するようなものがある。（例えば特許文献１を参照）しかし、脳のなかの特定部位や特定の神経細胞の機能について、実験研究したり、検査したりする場合には、ｎＡオーダーの極微弱な漏洩電流が測定の結果に影響を与えることがある。
【０００３】
また、生体電位の測定においては、生体の特定の部分を基準電位として測定することが必要である。例えば、手足などの運動を司る脳のある部位の神経細胞に、双極性の電気刺激を与えて、その影響を脳での電位変化で計測する場合、その脳細胞の極近傍に基準電位（０Ｖ電位）を設定する必要がある。そのために、電気刺激信号を発生する装置から電気的に独立したアイソレータを使用する。特に、脳の生理学的研究や検査をする場合には必要である。
【０００４】
アイソレータのなかで、電気刺激信号を発生する装置から生体に接触する部分を電気的切り離す方法としては、両者間にフォトカプラや光ファイバなどを用いて、電気信号を光信号に変換し、さらに、その光信号を受けた側、すなわち生体に最も近い部分で光信号を電気信号に再変換する方法がある。（例えば特許文献２を参照）
しかし、従来の装置は、生体に直接接触する装置側の高圧電源から、生体側に漏れる電流が大きかった。また、生体に直接装着する装置であり、電池は小型にすることが望ましいが、電池の消耗が大きくて、小型の電池では長時間の測定ができない。さらに、生体に流れる刺激電流の波形観察ができないなどの欠点があった。
【特許文献１】特開２００１−３２７６１１号公報
【特許文献２】特開２００３−２６５４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記のような欠点を解決し、小型の装置で、漏洩電流が小さく、基準電位に対して双極性の電気刺激ができ、電池の消耗が少なく、長時間の測定も可能であり、さらに、生体に流れる刺激電流の波形観察ができて、脳の生理学的研究にも使用できる電気刺激装置に使われるアイソレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記のような課題を解決するために、本発明では、請求項１に述べたように、少なくとも、生体に電気刺激電流を与えるための主回路と、電源回路とを有するアイソレータにおいて、前記主回路の電気刺激信号を発生する装置側と、生体に接触する装置側とのインタフェースを、全てフォトカプラで結合し、それぞれの側に、それぞれ独立した電源から電力を供給することを特徴としている。アイソレータをこのような構成にすることにより、生体に接触する装置側の基準電位に対して絶縁された双極性の電気刺激を行うことができ、電気刺激による神経や脳の機能の状態を、安定して計測し、また、検査することができる。
【０００７】
請求項２では、生体に流れる刺激電流の波形観察ができる電流監視機能回路を備え、該電流監視機能回路は、生体に流れる刺激電流の波形を観察する側と、生体に流れる刺激電流の波形を検出する側とのインタフェースをフォトカプラで結合し、それぞれの側に、それぞれ独立した電源から電力を供給することにしたので、生体に流れる刺激電流の波形を観察する側から、生体に接触する装置側への影響をなくして、神経や脳の活動状態の計測や検査をすることができる。
【０００８】
請求項３では、前記主回路の、生体に接触する装置側にある電圧・電流変換回路の電源を、電気刺激信号を発生する装置側の入力信号によってオンオフするようにしたことにより、生体に刺激電流を流すときだけ電源が入り、消費電力を小さくできるとともに、漏洩電流も小さくできる。
【０００９】
請求項４では、電流監視機能回路にタイマー回路を備え、該タイマーで、電流監視機能回路の電源をオンオフし、電池の消耗を防止し、小さな電池で長時間の使用ができるようになっている。また、電池が小さくてよいので、装置を小型にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図1に、本発明によるアイソレータを説明するための回路ブロック図を示す。図１において、上段には主回路１、中段には電流監視機能回路２、下段には、電源回路３を示す。それぞれの回路は、中央のアイソレーションゾーンの部分で、電気刺激信号を発生する装置側５と生体に接触する装置側６とにわかれ、そのインタフェースはフォトカプラで光学的に結合されている。
【００１１】
電気刺激信号を発生する装置側５の主回路１では、インプット端子８，９，10など複数の入力端子があり、この端子から電気刺激信号のパルス波形を入力し、波形整形回路16で、所定の信号に整形して、インタフェースのフォトカプラ12、13に出力するような構成になっている。例えば、インプット端子８からは、一般に使用されている汎用の電気刺激装置の出力を、インプット端子９と10からは、例えばパソコンなどで、自由に作り出したパルス波形を入力するように入力部を構成し、インプットセレクタ７で入力信号を切り替えるようにしている。
【００１２】
また、波形整形回路16には、極性切り替えスイッチ11があり、ノーマル側とリバース側とで、出力波形の形を変えることができるようになっている。例えば、図2に示すように、ノーマルモードでは、出力波形は入力波形と同じであるが、リバースモードでは、それぞれ反転した形の出力になっている。
【００１３】
生体に接触する装置側６の主回路１では、フォトカプラ12、13で受けた信号を波形整形回路17に入力し、波形整形回路17で、電圧・電流変換回路18の入力信号と電源スイッチ19、20、21、22を駆動する信号を発生させ、電圧・電流変換回路18から生体への電気刺激電流を出力端子23から生体26（擬似的に抵抗で表示している）へ出力する構成になっている。出力電流の大きさは、レンジスイッチ24で、電流のオーダーを切り替えるようになっており、ファインポテンショメータ25で微調整ができるようになっている。
【００１４】
以上のように、生体に接触する装置側６の主回路は、電気刺激信号を発生する装置側５の主回路との間で、フォトカプラ12、13により結合されていて、電気的には、それぞれ独立しているので、生体に接触する装置側６の主回路は、基準電位に対して絶縁された双極性の電気刺激の出力電流を出すことができる。
【００１５】
本発明によるアイソレータに使用される電圧・電流変換回路18の、第1の実施例を図３に示す。図3において、ＦＥＴ119、120、121、122は電源スイッチで、図１における電源スイッチ19、20、21、22に対応する。これらのＦＥＴを駆動する信号は波形整形回路17からそれぞれ入力端子103,104に供給される。電気刺激信号は、入力端子101,102から、それぞれ入力トランジスタ105と107のベースに供給される。出力側のトランジスタ106と108は、出力電流を制御するトランジスタである。出力電流値は、出力トランジスタのエミッタに挿入された、それぞれのエミッタフォロワ抵抗115、116とベース電圧とで決まる。
【００１６】
次に、この回路の動作について説明する。この回路は、出力端子123から見れば、正電圧側と負電圧側とが対称になっており、その動作も対称になるので、正電圧側に代表させて説明する。
【００１７】
図４に、各入力信号と出力のタイミングチャートを示す。ＦＥＴ119、120のそれぞれのソースには９０Ｖの電源電圧が印加されており、入力端子101への入力信号パルスとタイミングを同じくして端子103の電圧は９０Ｖから７０Ｖに変化する。これにより、ＦＥＴ119、120および入力トランジスタ105がオンして導通状態になり、電流がエミッタフォロワ抵抗115と出力トランジスタ106を通って出力端子123に出力される。この電流の値は、可変抵抗113によって調整された出力トランジスタ106のベース電圧を、エミッタフォロワ抵抗115で除した値にほぼ等しくなる。したがって、正電圧側と負電圧側との信号を時間的にタイミング制御すれば、図４に示すような正側と負側に振れた出力電流を得ることができる。
【００１８】
ここで、図３における回路の、可変抵抗113、114は図1の主回路のファインポテンショメータ25に対応し、出力端子123は、主回路の出力端子23に対応する。なお、主回路のレンジスイッチに対応する部分は表示されていないが、例えば、エミッタフォロワ抵抗115、116を数種類の抵抗値の間で切り替えるように構成することができる。
【００１９】
以上のように、本発明によるアイソレータでは、電気刺激電流を出力するタイミングに応じて電源をオンオフするようにしたので、漏洩電流を少なくするとともに、電池の消耗を防ぐ効果が得られ、ひいては、小型の電池で装置を小型にし、長時間の使用にも耐えるようにできる効果がある。
【００２０】
図5に、電圧・電流変換回路18の、第２の実施例を示す。この回路は、図３の回路におけるＦＥＴ119を省略し、ＦＥＴ120単独で、トランジスタ105とトランジスタ106への両方の電源供給をまかなうようにしたものである。なお、第1の実施例と同じ部分には、第1の実施例と同じ符号を使用し、説明を省略する。コンデンサ131およびコンデンサ132は、ＦＥＴがスイッチングするときのノイズを吸収するために付加したものである。この回路でも、第1の実施例と同じく動作し、同じ機能を果たす。
【００２１】
図６に、電圧・電流変換回路18の、第３の実施例を示す。なお、第２の実施例と同じ部分には、第２の実施例と同じ符号を使用し、説明を省略する。この回路は、図5に示す第2の実施例の回路における、ＦＥＴ120とトランジスタ106およびＦＥＴ122とトランジスタ108を、それぞれ交換した形式になっている。すなわち、出力側にスイッチであるＦＥＴ135とＦＥＴ136とを配したものである。このような構成の回路でも、実施例２の回路と同等な効果を得ることができる。
【００２２】
図７に、電圧・電流変換回路18の、第４の実施例を示す。なお、第２の実施例と同じ部分には、第２の実施例と同じ符号を使用し、説明を省略する。この回路は、図5に示す第2の実施例の回路において、ＦＥＴ120とＦＥＴ122のドレイン側、すなわち、それぞれ出力トランジスタ106と108への電力を供給する側に、新たなＦＥＴ143と144とを設けて、出力123への漏洩電流をさらに減少させるものである。
【００２３】
この回路も、出力側から見て、正電圧側と負電圧側とが対称になっており、その動作も対称になるので、正電圧側に代表させて説明する。新たなＦＥＴ143は、ＦＥＴ120のトランジスタ106への電力を供給する側と、グランドとの間に挿入されており、入力141で制御される。
【００２４】
図８のタイミングチャートに示すように、入力端子101と103に入力信号がないときに、入力141に、ＦＥＴ143をオンするような信号を印加する。これによって、電源のスイッチングを行うＦＥＴ120に漏洩電流が流れても、その電流は、ＦＥＴ143側に流れて、出力トランジスタ106を通り、出力123への漏洩電流を減少させることができる。これにより、さらに安定した、神経機能の観測が可能となる。
【００２５】
次に、本発明によるアイソレータに使用される電流監視機能回路２について、図１を参照しながら説明する。電流監視機能回路２は、出力電流検出器27、アイソレーション増幅器15、タイマー回路32、インジケータ40、フォトカプラ14、カレントモニタ出力端子34などを含んでいる。出力電流検出器27は、ここでは、シャント抵抗になっているが、例えば、カレントトランスなどの他の種類の電流検出器も使用できる。出力電流検出器27で検出した出力電流は、アイソレーション増幅器15で増幅され、カレントモニタ出力端子34に出力される。この出力信号は、一般に使用されているオッシログラフなどで見ることができる。
【００２６】
アイソレーション増幅器15は、入力側に、出力側の影響が出ないように、増幅器の中間にフォトカプラを介在させて、電気的な結合を排除している。また、入力側と出力側とは、別々の電源を使用している。
【００２７】
電流監視機能回路２の作動は、マニュアル操作で行い、この装置の使用者がスイッチ33をオンすると、タイマー回路32が作動する。タイマー回路32からの出力により、アイソレーション増幅器15の電源スイッチ28、29、30、31をオンして、アイソレーション増幅器15を作動させ、同時にインジケータ40にも電力を供給し、電流監視機能回路２が作動中であることを表示する。
【００２８】
ここで、電源スイッチ28、29、30、31のうち、電源スイッチ28と29は、アイソレーション増幅器15の出力側を駆動するためのスイッチで、電源スイッチ30と31は、入力側を駆動するためのスイッチである。ここでも、主回路の出力電流が電源から影響を受けないように、タイマー回路32からの出力により、フォトカプラ14を通して電源スイッチ30と31とを駆動する。タイマー回路32の動作時間は、例えば1分間に設定し、電池の消耗を防止している。
【００２９】
電源回路３は、図１に示すように、電気刺激信号を発生する装置側５と生体に接触する装置側６とで、それぞれ独立した電池35、37とＤＣ−ＤＣコンバータ36、38とを備えている。電気刺激信号を発生する装置側の電源にはインジケータ39があり、電源作動中の表示を行う。また、生体に接触する装置側の電源には、ブザー41があり、電池37の残量が少なくなるとブザーで電池の交換時期を知らせるようになっている。
【００３０】
以上の実施例で説明したように、本発明によるアイソレータは、小型の装置で、漏洩電流が小さく、基準電位に対して絶縁された双極性の電気刺激を行うことができ、電池の消耗が少なく、長時間の測定も可能であり、さらに、生体に流れる刺激電流の波形観察ができて、脳の生理学的研究にも使用できるものである。
【００３１】
本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨や思想のもとに、当業者が容易になしえる一部の変更や置き換えは、本発明の特許請求の範囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるアイソレータを説明するための回路ブロック図。
【図２】波形整形回路の入力、出力波形。
【図３】電圧・電流変換回路の、第1の実施例
【図４】電圧・電流変換回路の、各入力信号と出力のタイミングチャート。
【図５】電圧・電流変換回路の、第２の実施例。
【図６】電圧・電流変換回路の、第３の実施例。
【図７】電圧・電流変換回路の、第４の実施例。
【図８】電圧・電流変換回路の、各入力信号と出力のタイミングチャート。
【符号の説明】
【００３３】
１  主回路
２  電流監視機能回路
３  電源回路
12、13、14  フォトカプラ
15アイソレーション増幅器
16、17  波形整形回路
18  電圧・電流変換回路
19、20、21、22、119、120、121、122  電源スイッチ
23、123  出力
25、113、114  ファインポテンショメータ
26  生体
27  出力電流検出器
32  タイマー回路
35、37  電池
36、38  ＤＣ−ＤＣコンバータ
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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