論 文
皮膚感覚神経を選択的に刺激する電気触覚デ ィスプレ イ
梶本 裕之†

川上 直樹†

前田 太郎††

Electrocutaneous Display with Receptor Selective Stimulations
Hiroyuki KAJIMOTO† , Naoki KAWAKAMI† , Taro MAEDA† , and Susumu TACHI†

あらまし 経皮電流刺激により皮膚感覚を提示する触覚ディスプレ イを提案する．過去の多くの皮膚感覚ディ
スプレイでは言語報告によって表される種々の感覚（ 圧覚，振動覚，手触り等）を表現する Top-down の設計法がとられてきたが ，それらの感覚は各種感覚受容器の活動を組み合せた結果であるため，こうして設計された
ディスプレ イはある限られた感覚を提示するにとど まっていた．これに対して我々の方針は，感覚神経をその種類別に刺激するというものである．種類別刺激が可能であれば，それらを組み合せることであらゆる感覚を生成することができるだろう．これらの刺激を，視覚との類似性から「触原色」と呼ぶことにする．刺激手段として皮膚表面からの電気刺激を用いる．電気刺激自体の歴史は古いが上記のような原色作成の試みはなく，多くが単なる特殊感覚の ad-hoc な生成に終わっている．本論文では受容器選択的刺激のための二つの方法を提案する．一
つはアレー状電極を用い，各電極の重み付け変化で刺激深度を変化させる手法である．もう一つはこれまでの経皮電気刺激が陰極電流を刺激として用いていたのに対し ，陽極電流を使うことで神経軸索の方向に選択的な刺激を行う手法である．
キーワード

触覚ディスプレ イ，電気刺激，機械受容器，触原色，バーチャルリアリティ

合せですべての色を表現している．3 原色は網膜上に

1. ま え が き

存在する 3 種類の光受容器（すい体細胞）に対応して我々は経皮電流刺激により皮膚感覚を生成する触覚いることが知られている．すなわち視覚においては，『生体センサの特徴を用いて無限次元の情報を 3 次元

デ ィスプレ イを提案する．
皮膚感覚（ Cutaneous ）とは，物体との接触時に皮に落す』ことによって提示を行っている．当然元のス

膚上に生じ る感覚である．この皮膚感覚を特に指先にペクトルと 3 原色によって再構成されたスペクトルは人工的に提示できれば ，福祉応用としての点字デ ィス

全く異なるが，人間にはその区別ができない．

プレ イや教示装置はもちろん，例えば Virtual Reality

この原理を触覚に応用することはできないだろうか．

（ VR ）に応用することで遠隔地での高度な作業が可能

触覚においては 4 種類の機械受容器（ 物理的変形に反応する感覚器）が存在する．これらを個別に刺激するになると期待される．
これまで多くの皮膚感覚提示デ ィスプレ イが提案さことができれば ，その刺激の組合せであらゆる感覚をれてきた [4]．これらの多くは皮膚表面の上下変位を振生成することができるだろう．すなわち我々の方針は，

動ピンアレーによって表現するものであり，形状の提皮膚下の感覚神経をその種類別に刺激するというもの

示には向いているものの，例えば皮膚の水平振動が主である（ 注 1 ）．この刺激を触覚における原色，あるいは役となる「なぞり」に伴うテクスチャ感覚の提示は困触原色と呼ぶことにする．単一の触原色自体による感難である．

覚は特に「 自然な」感覚である必要はない．

他の感覚における提示手法を振り返ると，既に提示

刺激手段としてこれまで多く用いられてきたのはマ原理の確立した視覚デ ィスプレ イの場合，可視光のス

トリックス状に配置させた上下振動ピンであるが，こペクトルを RGB の 3 原色に分解し ，これら三つの組

れには二つの問題点がある．第 1 に指先の受容器配置から決定される提示間隔（ 0.5 mm ）での製作が困難で† 東京大学大学院工学系研究科，東京都ある点．第 2 に上下振動によって 1 種類の受容器を刺Graduate School of Engineering, University of Tokyo, 7–3–1
Hongo Bunkyo-ku, Tokyo, 113–8656 Japan120

電子情報通信学会論文誌 D–II

（ 注 1）：この方針を最初に打ち出したものとして [1] 等がある．

Vol. J84–D–II No. 1 pp. 120–128 2001 年 1 月

論文／皮膚感覚神経を選択的に刺激する電気触覚ディスプレ イ

激することはできず，我々の目的に沿わないという点である．
ここで皮膚表面からの電気刺激を用いることを考える．電気刺激の場合，電極を所望の間隔で作ることは容易であり，神経を直接駆動するため必要なエネル
ギーも小さい．このため経皮電気刺激は特に福祉応用として感覚代行，指示システムの研究 [15] の中で用いられてきた．
問題は皮膚表面からの電気刺激で皮膚内部の受容器を選択的に刺激可能かという点である．電気刺激自体の歴史は古いが 上記のような原色作成を意識し たものはなく，多くが単なる特殊感覚の生成に終わっている．その一方で人工内耳（ Cochlea Implant ）や機能的電気刺激（ Functional Electrical Stimulation ）の研究で，皮膚表面電流源分布と皮膚下神経活動の関係
が Activating Function という形で既に定式化されている．本論文ではこれらの成果を踏まえ，人工現実感（ Virtual Reality ）としての触覚を提示するために感覚受容器を種類別に刺激する電気触覚デ ィスプレ イを

図 1 皮膚表面からの電気刺激．断面と等価回路
Fig. 1 Electrical stimulation of nerve axon from skinsurface. Cross section and equivalent circuit.

設計する．
各原色を作成するための二つの方式を提案する．一する．我々は Ψ(x, t) を与えて Vm (x, t) を操作する．

つは電極をアレー化し ，各電極に流す電流の重み付け

以下では神経軸索を線形時不変のシステムと仮定し変化で刺激深度を変化させる手法である．もう一つは（ 具体的には Gm の変化を考えず ），膜間電位 Vm がこれまでの電気刺激が陰極電流を刺激として用いてい一定のし きい値 Vth を超えたときに 発火すると考えたのに対し ，陽極電流を使うことで神経軸索の方向にる．この仮定によって神経発火に関する主要な現象が選択的な刺激を行う手法である．

予測，説明可能であることが知られており，簡易的な

2. Activating Function

神経発火モデルとして広く使われている [14]．
キルヒホッフの電流則から，膜内部から外部に流れ

経皮電気刺激における神経発火の原理はいわゆる電出る電流 Im (x, t) は内部電流 I(x, t) のもれと等しい．

流刺入による方法とは若干異なり，次の二つの過程を更に Im は Cm と Gm を流れる電流の和であるから，経る．第 1 は皮膚表面からの電流 I により皮膚下軸索

∂I
∂x
∂Vm
= Cm
+ Gm Vm∂t

Im = −の表面に電位分布 Ψ が与えられる過程である．第 2はその電位分布 Ψ により軸索の膜間電位差 Vm が上昇し，発火する過程である．以下にこれらを定式化し，
皮膚表面電極設計の指針を得る．
まず軸索に電位分布 Ψ が与えられたときの膜間電

内部電流 I(x, t) は内部電位こう配で表され，I(x, t) = −G

位差 Vm の変化を見る．これは人工内耳の研究で過去
詳しく解析されている．式 (7) までは [13], [14] を使用した．
神経軸索をモデル化する（図 1 ）[7]．x 軸を軸索の方向にとる．軸索の細胞膜はキャパシタンス Cm とコンダクタンス Gm をもつ．軸索内部のコンダクタンスをG とおく．膜を隔てた外部電位と内部電位をそれぞれ
Ψ(x, t)，V (x, t) とし ，電位差 V − Ψ を Vm (x, t) と

(1)

∂V
∂x

(2)

式 (2) を式 (1) に代入してG∂Vm (x, t)∂2V= Cm+ Gm Vm (x, t)
∂x2
∂t

(3)

V を Vm + Ψ で表して整理し ，−∂Vm (x, t)
λ2 ∂ 2 V m
λ2 ∂ 2 Ψ
1
+
(x,
t)
=
+
V
m
τ ∂x2
∂t
τ
τ ∂x2
(4)
121

電子情報通信学会論文誌 2001/1 Vol. J84–D–II No. 1

ただし λ =

G/Gm ，τ = Cm /Gm .

（ 吸出し ）とする．簡単のため均一の無限空間とする．

これは 1 次元熱伝導方程式と 見ることがで きる ．

x，y 軸を皮膚表面平行，垂直方向にとり，電極を原点

2

すな わ ち Vm は 温 度 ，λ /τ は 温 度 伝 導 率 ，右 辺とする．(x, y) での電位 Ψ(x, y) は積分により

λ2 ∂ 2 Ψ/τ ∂x2 は入力熱量を表す．左辺第 3 項は放射による熱損失である．右辺入力を今後 u(x, t) と書くことにする．この類推から Vm 上昇のためには u(x, t)

ただし ρ は単位体積当りの抵抗，R は電極からの距を上げればよいことがわかる．

離である．もし 軸索が x 軸方向に延びていれば

x に 関し て Fourier 変 換 (x → ω)，t に 関し てLaplace 変換 (t → s) し ，Ṽ¯ m (s, ω) =

1
¯ ω)
ũ(s,
λ2 ω 2 + 1
s+
τ

(5)

1
ũ(ω)
λ2 ω 2 + 1s+τ

逆 Laplace 変換により

Ṽm (t, ω) = ũ(ω) exp −λ2 ω 2 + 1
t
τ

AF ∝

−ρI log(R)2π∂ 2 Ψ(x, y)y 2 − x2∝
∂x2
(x2 + y 2 )2

(8)

(9)

式 (9) をプロットして図 3 を得る．以下のことがわ
かる．

入力に時間インパルスを仮定すると

Ṽ¯ m (s, ω) =Ψ(x, y) =(6)• AF は x = 0 で最大値をとる．これは電極直下で最も刺激されやすいことを意味する．AFx=0 ∝ 1/y 2より，これは軸索深さ y の 2 乗に比例して減衰する．
すなわち浅い部分ほど 刺激されやすい．

(7)

これは明らかに時間に対して単調減少であるから，

Vm の最高値は t = 0 を代入して求めることができる．
すなわち u そのものである．一般の波形に対する応答は式 (7) の重ね合せで得ることができる．

u = λ2 ∂ 2 Ψ/τ ∂x2 を “Activating Function”（以後AF ）と呼ぶ [11], [12]．これは インパル ス入力時の膜間電位差の最大値であるため，軸索発火の判定基準として利用できる．

AF は二つの部分に分かれる．係数 λ2 /τ は各神経固有の値である．軸索直径の 2 乗に比例することから，

図 2 皮膚表面からの電流刺激．2 次元，単一線電極の場合
Fig. 2 Current stimulation from skin surface. 2D,
single line electrode case.

太い神経軸索ほど 容易に刺激されることがわかる．また，膜間キャパシタンスの 2 乗に反比例することから
有随神経の方が無随神経と比べて刺激されやすい．機
械受容器の軸索は皮膚下に存在する感覚神経の中で最も太く，かつ有随である．このため最も刺激しやすい
ことがわかる．これが他の感覚（ 痛覚，温覚等）を生じさせることなく機械的変形のみを提示できる根拠である．

∂ 2 Ψ/∂x2 は神経軸索に沿った外部電位分布の空間 2回微分である．この電位は皮膚表面からの電流によって発生する．このため AF は皮膚表面の電流源密度によって表されなければならない．
皮膚表面に 2 次元，単一線電極が与えられた場合を考える（ 図 2 ）．電流を I とし ，この電流は陰極電流
122

図 3 水平方向に延びた軸索の AF．単一電極からの陰極
電流の場合
Fig. 3 Activating function for horizontal axon.
Cathodic (−) single current case.

論文／皮膚感覚神経を選択的に刺激する電気触覚ディスプレ イ• 繰返し述べたようにこれは水平に延びた軸索に端（ SAII ），Pacinian 小体（ PC ）である．SAII は密対する，陰極性（ Cathodic ）電流による結果である．

度が低く，特に指では関節に多く存在し ，単独の電気陽極性（ Anodic ）になれば 図は正負反転し ，AFx=0

刺激では感覚を生起しないことが知られている [10] たは負の値をもつ．これがこれまでの電気刺激実験が陰め，今後の考察対象外とする．一般に RA と PC は高極性電流を用いてきた理由である．

速の変化，ないし 振動を感知し ，SAI は圧力を感知す

一般の電流源分布での AF は式 (9) と電流源分布を重畳すればよい．注目すべきは，皮膚表面からの電流るといわれている．構造に関して知られている以下の二つの事実が今後重要となる．

刺激によって生成された AF は，どのような電流源分• 各種受容器は種類別に皮膚表面から特定の深さ布であろうと皮膚下で極値をとらないという点である．

に存在する．これは皮膚に取り付けた電極からある種

これは次のように AF の Laplacian をとることで示さ類の受容器までの距離が既知であることを意味する．

• 各種受容器に接続される神経軸索は種類別に特

れる．
2

2

2

2

2

∂ AF
∂ ∂ V
∂ ∂ V
∂ AF
+
∝
+
∂x2
∂y 2
∂x2 ∂x2∂y 2 ∂x2

 2
2

=

∂
∂x2

定の太さをもつ．これは 2. で述べたように神経軸索

2

∂2V
∂ V
+
2
∂x
∂y 2

(10)



を電気回路としてモデル化したとき，各種パラメータを定数として扱えることを意味する．

(11)

表 1 は指先における各種小体の深さとそれに接続される軸索の直径である．指先皮膚の最大の特徴は角

=0

(12)

最後の等式は Gauss の法則から得られる．この結果
は，AF が調和関数であることを意味する．よって境界で最大，最小値をとり，内部で極値をとらない（ ...
最大値の定理）．

3. 皮 膚 構 造
次に具体的に刺激する皮膚下の感覚神経について述べる．図 4 は無毛部の皮膚断面である（ [2], [16] から再構成 ）．皮膚には 4 種類の機械受容器が 存在する．
Meissner 小体（ RA ），Merkel 細胞（ SAI ），Ruﬃni 末

質の厚さである（図 4 ）．角質は指先では 600 µm であるのに対し，他の部位では 15 µm 程度である [8]．RA
は Dermal Papillae 先端に存在し ，表面からの深さは700 µm 程度である．SAI の深さは Glandular Ridgeの高さから計算し 900 µm 程度である．PC は真皮と皮下組織部の間に存在し ，2 mm から 3 mm の深さである．

3. 1 軸索の経路
後の章で明らかとなるが，電気刺激で重要なのは軸索の方向と深さである．しかし皮膚下に存在する神経
軸索の経路を定量的に詳しく調べた研究はなく，いく
つかの推量が必要となる．

SAI の軸索は皮下組織部から離れて Dermal 領域浅部に皮膚と平行の編目構造を作り，降りてきた Glandular Ridge と結合する．これに対して RA の軸索は，皮下組織領域から直接垂直に Dermal Papillae まで延
びているのか，それとも SAI 同様に Dermal 領域浅部
で一度編目構造を作るのかという点について正確な記述はない．しかし 発生の研究 [2] から少なくとも RAの先端から Dermal Papillae を抜けるまで軸索は皮膚垂直に走っていることがわかっている．経皮電気刺激

表 1 各種小体の深さと接続される軸索の直径（ 指先）Table 1 Depth of mechanoreceptors and diameter ofnerve axons in human fingerpad.
RA: Meissner corpuscle, SAI: Merkel cell,
PC: Pacinian corpuscle.

Fig. 4図 4 人の無毛部の皮膚構造
Cross-section of human digital skin.

Meissner（ RA ）Merkel（ SAI ）Pacinian（ PC ）深さ（ mm ） 直径（ µm ）[17]
0.7
3∼5
0.9
7 ∼ 122.0 ∼5 ∼ 13123電子情報通信学会論文誌 2001/1 Vol. J84–D–II No. 1

で重要なのは皮膚表面から最も近い部分であるから，今後の考察においては RA の軸索は垂直とみなしてよい．PC の軸索は多くの解剖学的研究で皮膚と平行に走っていることがわかっている．

4. 刺激の 3 モード
RA，SAI，PC に接続された軸索を別々に刺激することを考える．各刺激を “RA モード ”，“SAI モード ”，(a)“PC モード ” と呼ぶことにする．3 小体に接続している神経軸索の，（ 1 ）方向と（ 2 ）深さの違いを利用して各刺激が作成可能であることを以下に述べる．

4. 1 陽極刺激による RA モード
まず RA 軸索のみ刺激する RA モードを考える．RA
軸索が皮膚表面に対して垂直に延びていることを利用する．

AF は軸索に沿った電位の 2 階微分であるから，x方向に延びた軸索の AF は d2 V /dx2 であるのに対して，y 方向に延び た軸索の AF は d2 V /dy 2 である．
ガ ウスの法則により電荷の湧き出し のない空間では

d2 V /dx2 + d2 V /dy 2 = 0 であるから，
d2 V
d2 V
=
−
dy 2
dx2

(13)

(b)

図 5 (a)：陰極電流による刺激．水平に延びた軸索の AFが正の値をとるのに対し ，垂直に延びた軸索の AF
は負の値をとる．(b)：陽極刺激．AF が正負逆転し，皮膚垂直方向の軸索のみ刺激される
Fig. 5 (a) Cathodic current stimulation. Activating
function of horizontal axon is positive whilethat of vertical axon is negative. (b) Anodic
current stimulation. Activating function is reversed and only vertical axon is stimulated.

すなわち直交した 2 本の軸索は正負逆の AF をもつ．
よって通常の陰極電流による刺激では ，皮膚水平方向に延びている軸索は刺激できるが ，Meissner のよ
うに皮膚深さ方向に延び ている軸索は 刺激できない（ 図 5 (a) ）．AF が負の値をとってしまうためである．
ここで 陽極電流を用いる．すると電位分布が 反転し ，そのため AF も反転する（ 図 5 (b) ）．すなわちMeissner 小体の軸索のみ刺激され，他の水平方向に延びた軸索は発火を抑えられる．これが RA モード の原理である．

図 6 単一電極による SAI と PC の刺激
Fig. 6 Merkel and Pacini stimulation by single
electrode.

経皮電流刺激における陽極電流での感覚生起現象自体は既にいくつか報告されており [5] その理由は不明

更にアレー電極を用いる（ 図 7 (a) ）．単一の電極をのままであったが，彼らは我々がこれまでに定義した陰極として用いる場合と比べ，その周りの電極を陽極

RA モード で刺激していたと考えられる．
4. 2 重み付けアレーによる SAI，PC モード
次に SAI と PC の 軸索をそれぞれ 刺激する SAI，
PC モード を設計する．軸索の存在する深さの違いを利用する．

として加えてやると AF の深さ方向の減衰が早くなる
ため，安定して SAI だけを刺激することができる．またこの場合 AF の Q 値が高くなるため，より微小な点の感覚を提示することができる．特に SAI は密度が高いため提示部位を限定可能であることは重要である．

図 6 は単一の陰極電流によってできる SAI と PC

これに対して PC は SAI より深部に存在し ，更にの AF である．SAI の方が浅部に存在するためにより

SAI と PC の軸索の直径はほぼ等しいため，PC 単独の刺激は不可能である．なぜなら 2. で示したように
AF はそれ 自体が調和関数であるため，PC における大きな AF をもつ．よって原理的には，SAI のみの刺激は比較的容易である．
124

論文／皮膚感覚神経を選択的に刺激する電気触覚ディスプレ イ

AF の最大値は常に SAI における AF の最大値より小重みが正のときに陰極電流として，各モード の重みベさいからである．

クトルはそれぞれ

PC を SAI と同等に 刺激することはで きる．SAI
モード のときとは逆で，アレー全体に陰極電流を流し，電極サイズを等価的に大きくする（ 図 7 (b) ）
．すると

w
 SAI
= [0.34, −0.27, −0.57, 1.0, −0.57, −0.27, 0.34]

AF の減衰は遅くなり，理想的には SAI と同等の AFw
 RA = [0.21, 0.17, 0.11, −1.0, 0.11, 0.17, 0.21]を与えることができる．

w
 P C = [−0.7, −0.7, 0.9, 1.0, 0.9, −0.7, −0.7]

4. 3 アレー重みの最適化
これまで 3 刺激モード の原理的説明を行ったが，実際に最適なアレーの重みパターンを求めるには次のよ
神経はその軸索上で，AF 最大の箇所で発火を起こすと仮定する．制限は• 重み付けの合計は 0．
（ 電流経路を指先に限定するため ）• 電極間隔は固定．
である．例えば RA モード の最適化問題は以下のよう



min
w


いる．

5. 実験装置–1 次元アレー電極

うな最適化問題を解かなければならない．

になる．

と求まる．次章以降の実験ではこれらの値を用いて



maxx,y (AFP C , AFSAI ) |
wi = 0maxx,y (AFRA )図 8 が試作したシステムの構成である．1 チャネル
高速パルス信号（ 時間分解能 1 µs ）と 8 チャネル低速
重み信号をアナログ乗算し ，完全に同期した 8 チャネ
ル刺激信号を得る．これを V-I 変換器で電流に変換
し ，被験者に通電する．被験者は指を 1 次元電極アレーに載せ，接地された指輪をはめる．電極 1 本は長さ 10 mm，幅 0.5 mm で 1 mm 間隔で並んでいる．感覚神経の多くが指方向に走っていると考えられるため
指は線電極と垂直に置き，AF を最大にする効率の良(14)
ただし AFRA ，AFSAI ，AFP C は RA，SAI，PCの AF，w
 は求める重みベクトルである．式 (14) はRA の AF を保存しつつ PC，SAI の AF を抑えている．これによって RA のみ発火させる重みが得られる．
間隔 1 mm の無限長電極 7 本を用いる場合を解くと，い刺激を目指す．
一般的な電気刺激では刺激パルスとして bi-phasic
signal（ 注 2 ）を用いるが ，本デ ィスプレ イではこれまで説明したように電流の極性が本質的な役割を果たすた
め，mono-phasic signal を用いる．
パルス幅は機能的電気刺激（ FES ）の分野において，
短パルスであるほど 直径の大きい軸索を選択的に刺激することが知られており，200 µs から 500 µs 程度のパルスが使われている．人の指先には運動神経が存在しないため，我々の注目している機械受容器神経が最も太い神経である．よって短パルスほど 高い選択性が

(a)

(b)

図 7 重み付アレーを用いた深度選択的刺激．(a) SAI モー
ド (b) PC モード．
Fig. 7 Depth specific stimulation by weighted arrayelectrodes. (a) SAI mode, (b) PC mode.

Fig. 8図 8 システム構成
System configuration.

（ 注 2）：正，負電流が交互に流れ，時間積分値が 0 となるもの．

125

電子情報通信学会論文誌 2001/1 Vol. J84–D–II No. 1

期待できる．一方で短パルスでは電流密度，すなわち．被験のが突然軟らかい弾性体の棒に変化した（図 9 ）

電圧を上げる必要を生じ るため，これらの兼合いから者によってはその部分が「へこんだ 」と表現した．

次章に述べるほとんどの実験ではパルス幅を 200 µs に設定している．

この現象は次のように説明される．本来 SAI は圧力に応じて発火頻度が変化する [3]．もし「硬い」ものを

経皮電気刺激において最大の問題は皮膚，特に角質さわっていたのなら，指を押したとき圧力の増加に伴の インピ ーダン スが安定し ないことである．電流制い発火頻度は増すはずである．しかし今回の状況では，御を行っているが，電流の流れる経路が皮膚の状態に指を押しても電流の周波数の変化はなく，発火頻度は

よっては汗腺のみに集中し ，その電流集中によって発変化しない．これを脳は「 押したときに反力が帰って生し たジュール 熱が 熱覚を生じ る [6]．また電流経路

こない」，すなわち「 軟らかい」と判断したと考えらのずれにより実際の AF が理論値と大きく異なってしれる．

まう．これらの問題は現在のところ，実験前に皮膚を40 ∼ 50◦ C の温水に 5 分ほど 浸し，角質を膨潤させることで解決している．

6. 評価実験と考察

6. 2 PC モード における高周波振動感覚
PC モード において被験者はまず圧覚を生起し ，すぐ 後に安定して振動を感じた．これは PC 受容器よりも前述の SAI 受容器が皮膚浅部に存在するため，先に発火したことが原因と考えられる．

3. で述べたように，過去になされた刺入電極による単独の感覚受容器に対する電気刺激により，SAI，PC，音叉に接触している場合に非常に近く，（ 実際には振動

RA 受容器がそれぞれ圧覚，高周波振動，低周波振動

していないにもかかわらず ）800 Hz 程度で強い振動特

パルス周波数が 200 Hz 程度のとき，生起した感覚はの感覚を生じることがわかっている．以下の実験では有のしびれを生じた．PC は高周波振動（ 100–400 Hz ）

実際に経皮電気刺激を行い，生起した感覚から我々のに反応し ，機械振動周波数がそのまま神経の発火周波設計した刺激による妥当性を検証した．

数となることが知られており [3]，この結果は設計した

これらの定性的な結果は 4 人の被験者によって確認されている．その一方で，感覚しきい値は皮膚状態によって個人でも最大 2 倍程度の開きをもっており，定量評価をするに至っていない．

6. 1 SAI モード における圧覚
SAI モード において電流を徐々に上げていくと，ある被験者の内観報告は以下のように変化した．

• 1.2 mA（刺激中心電極の電流量．以下同様）で

PC モード が PC 受容器に接続された軸索を選択的に刺激していることを示唆している．
更に PC モード においては ，興味深いことに振動感覚の生成する場所が中心電極の真下ではなく，常に1 mm から 3 mm ほど 指先方向にずれた（ 図 10 ）．これは電流が機械受容器そのものではなく，接続された軸索を刺激しているのに対し，脳は受容器の位置に感覚生起場所を同定することが原因と思われる．

微小なピリピリ感．

• 1.6 mA でめいりょうな電極形状の圧覚．線電極を用いているためナイフエッジに接触している感覚に近い．

• 3.2 mA でめいりょうな振動感覚が 発生．圧覚は生じ 続けている．
このときのパルス周波数を 10 Hz から 400 Hz に変化させた場合感覚の質的変化はなく，常に圧覚を生じたが，生起する圧覚の量は周波数の増加とともに 10 Hzから 100 Hz 程度までの区間でめいりょうに増加した．
過去の多くの研究 [3] が SAI が圧力を感知するセンサであることを示唆しており，この結果は設計した SAI
モード の妥当性を示している．
また興味深いことにこのとき押しつける指の圧力を微小に変化させると，ナイフエッジの感覚であったも
126

図 9 SAI モード における対象物体の弾性．指を動かさないときナ イフエッジのように感じていたものが ，微小に動かした途端軟らかい弾性体の棒を触っているように感じ る．この感覚変化は急激であり，被験者は戸惑う
Fig. 9 SAI mode experiment. Subject felt knife-edge
at first, but when he slightly moves his finger
up and down, it changed dramatically to softelastic rod.

論文／皮膚感覚神経を選択的に刺激する電気触覚ディスプレ イ

必要がある．皮下刺入電極による活動電位検出が有力であろう．
また現実的な課題として皮膚状態により感覚しきい値が最大 2 倍程度変化する問題を解決する必要がある．
これは電極をセンサとして用いることで皮膚インピー
ダンス依存制御を行うことで解決されると思われる．
図 10 感覚の移動現象．被験者は常に 電極から 1–3 mm
ほど 指先方向にずれた場所に振動覚を感じる
Fig. 10 Sensation shift phenomenon. Though nerveaxon is stimulated, evoked sensation point is
1–3 mm shifted to fingertip direction.

序論において視覚との類推から触原色を定義したが，
視覚デ ィスプレ イが撮像系と対になって初めて触覚情報伝送系として完成するのと同様に，今回提案した触覚デ ィスプレ イも，デ ィスプレ イと対になるセンサが必要と思われる．これを Dummy Finger と呼ぶこと

6. 3 RA モード における低周波振動覚
RA モード において被験者は安定して振動を感じた．
RA モード と SAI モード は電流の向きのみが異なるたにする．Dummy Finger はいまだ概念のみのものであるが，物体表面をなぞり，各刺激モード にあわせた情報，すなわち各種受容器の発火パターンを収集する．

め実験中容易に切り換えることができるが，このとき最後に，今回提案した電気触覚デ ィスプレ イの応用

すべての被験者が振動感覚から圧覚への質的変化をめ

範囲が ，福祉応用や VR のための感覚提示にとど まいりょうに感知した．

らないことを指摘しておきたい．筆者が最も注目して

パルス周波数が 100 Hz 以下のとき，生成した感覚

いる応用分野は ，脳機能解明のための標準刺激装置

はスピーカのコーン，あるいは音叉を触っている場合としての電気触覚デ ィスプレ イである．例えば脳波やに近く，数 Hz では衝突感を生じた．RA は低周波振

MEG といった時間分解能の高い脳計測を行うために動（ 20–70 Hz ），更に皮膚変位の時間微分に反応するは，人に与える刺激も同等の時間精度が求められる．

受容器として知られており [3]，これは我々の望んだ結何故ならこれらの計測では，ノイズの低減のために刺激開始時間をトリガとした加算平均が多く用いられる

果である．

7. 結

論

ためである．視覚や聴覚においては今日このような刺激は簡単に作成できるが，触覚ではそのような高時間

我々は新しい電気触覚デ ィスプレ イを提案した．こ

精度の提示手法はなく，このことが脳内触覚処理の研れは RA，SAI，PC の軸索をそれぞれ別個に発火させ究をあいまいなものにとどめていた原因である．そしることによって皮膚感覚の「触原色」を作ることを目て今回提案した電気触覚デ ィスプレ イは，上記要件を的としている．Activating Function を軸索刺激の指満たす提示手法であると考えられる．

標として導入することにより，皮膚表面電流源分布の設計を行い，RA の刺激のために陽極電流刺激が有用

文
[1]

献

N. Asamura, N. Yokoyama, and H. Shinoda, “A

であること，また SAI と PC のように深さの違う軸索

method of selective stimulation to epidermal skinを個別に刺激するためにアレー電極を使うことの有用

receptors for realistic touch feedback,” Proc. IEEE性を示した．
更に各刺激を実際に作成し被験者に提示した生起しVR ’99, pp.274–281, 1999.
[2]

skin ultrastructure and morphological classification,

た感覚は我々の設計した刺激が所望の機械受容器につながる軸索を刺激しているという仮定を支持している．

Z. Halata, The mechanoreceptors of the mammalian
Springer-Verlag, 1975.

[3]

A. Iggo, “Sensory receptors in the skin of mammals
and their sensory functions,” Rev. Neurol. (Paris),

8. む

す び

vol.141, no.10, pp.599–613, 1985.
[4]

電気刺激の限界として，皮膚深部に存在する PC 受

plays for sensory substitution systems,” IEEE Trans.
Biomed, Eng., vol.38, no.1, pp.1–16, Jan. 1991.

容器単独の原色作成が困難であることが示された．機械的振動等の別手段を講じ るべきである．更に作成しK.A. Kaczmarek, “Electrotactile and vibrotactile dis-

[5]

K.A. Kaczmarek, M.E. Tyler, and P. Bach-y-Rita,“Electrotactile haptic display on the fingertips: Pre-た刺激モードが実際に各機械受容器に接続された軸索

liminary results,” Proc. 16th Int. Conf. IEEE Eng.

を刺激していることを直接的な計測によって確かめる

Med & Bio Soc, (Baltimore), pp.940–941, Nov. 1994.

127電子情報通信学会論文誌 2001/1 Vol. J84–D–II No. 1[6]

J.L. Mason and N.A.M. Mackay, “Pain sensations as-川上直樹

sociated with electrocutaneous stimulation,” IEEE
Trans. Biomed. Eng., vol.BME-23, no.5, Sept. 1976.
[7]

D.R. McNeal, “Analysis of a model for excitation

平 8 東工大・理工・電気電子修士課程了．
平 11 東大・工・先端学際工学博士課程了．

vol.BME-23, no.4, pp.329–337, July 1976.

工博．同年同大大学院・工・計数工助手．
バーチャルリアリティの研究に従事．日本[8]

W. Montagna and W.C. Lobitz, The epidermis, Aca-

バーチャルリアリティ学会会員．

[9]

I. Nilsson and C.H. Berthold, “Axon classes and in-of myelinated nerve,” IEEE Trans. Biomed. Eng.,

demic Press, 1964.
ternodal growth in the ventral spinal root L7 of adultand deevloping cats,” J. Anat., 156, pp.71–96, 1988.
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J. Ochoa and E. Torebjork, “Sensations evoked by intraneural microstimulation of single mechanoreceptor
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pp.633–654, 1983.

[11]

F. Rattay, Electrical nerve stimulation, SpringerVerlag, 1990.

[12]

[13]

前田

太郎 （ 正員）

昭 62 東大・工・計数工卒．昭 62 通産省
工業技術院機械技術研究所に入所．ロボ ット工学部バイオロボティクス課研究員を経て，平 4 東大先端科学技術研究センター助手，平 6 同大大学院・工助手．平 9 同大大学院・工・計数工講師．工博（ 東大）．人間

F. Rattay, “Modeling axon membranes for functionalの知覚特性とモデル化，神経回路網モデル，マン・マシンイン

electrical stimulation,” IEEE Trans. Biomed. Eng.,
vol.40, no.12, pp.1201–1209, Dec. 1993.

タフェース，テレ イグジスタンスなど の研究に従事．平 2 計測
自動制御学会論文賞，平 9 同学会学術奨励賞，平 3 日本ロボッ

J.T. Rubinstein and F.A. Spelman, “Analytical the-ト学会技術賞，平 11 日本 VR 学会論文賞各受賞．

ory for extracellular electrical stimulation of nervewith focal electrodes, I passive unmyelinated axon,”
Biophys. J., vol.54, pp.975–981, Dec. 1988.
[14]

J.T. Rubinstein, “Analytical theory for extracellu-

昭 43 東大・工・計数卒．昭 48 同大大学

lar electrical stimulation of nerve with focal elec-

院博士課程了．工博．同年同大助手．昭 50
通産省工技院機械技研研究員，主任研究官，

trodes, II passive myelinated axon,” Biophys. J.,
vol.60, pp.538–555, Sept. 1991.
[15]

S. Tachi, K. Tanie, K. Komoriya, and M. Abe, “Electrocutaneous communication in a guide dog robot[16](MELDOG),” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol.32,

究員を経て，平 1 東大・先端科学技術研究センター助教授．平 4 同センター教授．平 6 同大大学院・工・no.7, July 1985.

計数工教授．盲導犬ロボ ット，テレ イグジスタンス，人工現実

A.B. Vallbo, “Properties of cutaneous mechanorecep-

感など の研究に従事．IEEE/EMBS 学会賞，通産大臣賞，国際計測連合（ IMEKO ）特別勲功賞などを授賞．IMEKO ロボ

tors in the human hand related to touch sensation,”
Human Neurobiology, 3, pp.3–14, Springer-Verlag,
1984.
[17]

J. Zelena, Nerves and mechanoreceptors, Chapman& Hall, 1994.

（ 平成 12 年 3 月 3 日受付，7 月 13 日再受付）

梶本裕之

平 10 東大・工・計数卒．現在，同大大学
院・工・計数工学専攻修士課程在学中．触覚デ ィスプレ イ，人工現実感システムなどの研究に従事．日本バーチャルリアリティ学会学生会員．

128

遠隔制御課長，バ イオロボ ティクス課長，
マサチューセッツ工科大学（ MIT ）客員研

ティクス会議議長，SICE フェロー，日本バーチャルリアリティ学会会長．