日本大学歯学部紀要 35，13‑18，2007

顔面口腔領域リハビリテーションにおける振動刺激装置の開発
山岡大

平場久雄

植田耕一郎

藤原忠夫

Development of a vibratile stimulation apparatus for orofacial rehabilitation
M asaru Yamaoka , Hisao Hiraba , Koichiro Ueda

and Tadao Fujiwara

Abstract
In the rehabilitation of masticatory disturbances and dysphagia, an electric toothbrush isused as an oral motor exercise tool for facilitating blood flow and metabolism in the orofacialregion.However,it is difficult for disabled patients to keep the toothbrush on a limited area
for a long time. Furthermore, the patient cannot control the frequency of the electric toothbrush.
Thus,we attempted to develop a vibratile stimulation apparatus remodeled as a headphone‑shaped device.The locus of control is fitted with the variable frequency of an electric motorwith a PWM (pulse width modulation) circuit, and the frequency is continually changed
within a range of 70.4‑145.2 Hz depending on the voltage values of the power supply. The
temperature of the part of the apparatus in contact with the body was only 1.6°
C higher thanthe room temperature (25.3°C)after the apparatus was used for 30 minutes.Furthermore,theheadphone shape allows the apparatus to be worn on the belly of both masseter muscles fora long period of time.
The apparatus is expected to be available for orofacial rehabilitation.
Key words: orofacial rehabilitation, vibratile stimulation apparatus, headphone type, variable frequency, PWM circuit

が困難であることの他に，患者にとって最適なはじめに振動数を選択できないなどの問題点がある。

摂食機能障害者へのリハビリテーションでそこで，それら問題点を解決するため，①顔は，摂食・嚥下器官の運動性を高めるための機面および口腔領域の限定した局所部位を長時間能訓練やその運動性をスムーズにするための知刺激できる。②振動刺激の振動数を可変できる。

覚を高める訓練が行われている。その一つに，③患者が長期に使用でき，携帯可能である。の局所の血流増加や代謝増進とともに，知覚を高３つを開発の条件として，摂食機能障害者に対める効果のため，電動歯ブラシを用いて頰，歯するリハビリテーションに応用できる，電動歯肉，口唇，舌等へ振動刺激を与える処置があブラシに代わる振動刺激装置の開発を企図しる 。しかし，振動刺激のために電動歯ブラシをた。

用いる方法は，刺激部位の固定が出来ないこと，また患者自身が長時間にわたって使用すること
日本大学歯学部

物理学教室， 摂食機能療法学講座

Department of Physics, Department of Dysphagia Rehabilitation, Nihon University School of Dentistry
Division of Dental Education, Division of Functional
M orphology, Dental Research Center, Nihon University

日本大学歯学部総合歯学研究所 歯学教育研究部門，機能形態部門〒 101‑8310 東京都千代田区神田駿河台１‑８‑13(受理：2007年９月 28日）

School of Dentistry
1‑8‑13 Kanda‑Surugadai, Chiyoda‑ku, Tokyo 101‑8310, Japan13日本大学歯学部紀要 35，13‑18，2007

３. 制御部の構成

振動刺激装置

図２に振動モータの振動数を安定して可変させ，か つ 低 消 費 電 力 下 で 動 作 さ せ る た め の

１. 振動刺激装置の構成開発した振動刺激装置は，図１に示すように

PWM （Pulse Width Modulation）回路 を含

顔面あるいは口腔領域の局所部位を振動刺激すむ制御部の回路構成を示す。図２に示す点線枠る振動体を備えた加振部と，低消費電力下で振①は左右２つの振動モータ（図２中①，M 1，動モータを駆動し，振動体の振動数をコントM 2）とそれを駆動するための PWM 回路，点ロールする制御部で構成した。

線枠②は振動数を駆動電圧値でモニターする

２. 加振部の構成

LCD 表示回路，点線枠③は電源回路である。なお，振動モータの両端にダイオード（図２中①，加振部はヘッドバンドを頭の上にのせるオーD 3）を並列に接続した。

バーヘッド型ヘッド フォン の アーム 両 端 の ス
ピーカーを取り除き，そこに球状の振動体を作

PWM 回路は，AVIOSYS 社製 DC モータコ製した。まず，コイン型（直径 12mm，厚さ 2.7ントローラーキットを用いた。この回路は，パmm）の振動モータ（レキシンジャパン社製，ルス波発生のためのコンパレータ（図２中①，LE 12A 0G）をスピーカー内蔵部位の底面中央LM 2904）と，パルス波の振幅値（high およびに垂直に接着剤で取り付けた（図１中，振動モーlow）でスイッチ動作する MOSFET（図２中①，タ）。ついで，球状の振動体とするために，付加2SK 1010‑01）からなる。振動モータは，この重合型シリコーンゴム（ジーシー社製）を用いて中空球状（外径約２cm）を作製し，その中空球内に振動モータを埋め込んだ後，溶媒にポリメチルメタクリレート（松風社製）を溶かした粘膜調整剤を流し込んで硬化させた。振動体は２個作製し，それをヘッドフォンのアーム両端に取り付けた。ヘッドフォンのアームは，任意の振動刺激の位置に固定できるようにアーム長が可変出来るようになっている。
図２

図１振動刺激装置の構成図

制御部の回路構成

図３ PWM 回路のスイッチ動作時のパルス波形

14顔面口腔領域リハビリテーションにおける振動刺激装置の開発

M OSFET のスイッチ動作により，電力供給のON，OFF に従って回転するため，その回転速度すなわち振動数はパルス波形のデューティ比（τ/T）（図３）で決定される。デューティ比が小さいとき（図３中上段）は振動数が小さく，デューティ比が大きいとき（図３中下段）は振動数が大きい。
LCD 表示回路は，４・１/２桁のデジタルパネルメータ（秋月電子通商社製，PEM 328E）を用いた。これは二重積分型 A/D コンバータを

図４振動体の振動特性用いた電圧計で，入力インピーダンスが 10MΩと非常に大きい。また，これには分圧器が内蔵振動体の振動に追従する磁束密度の変動をガウされており，その分圧抵抗の選択により±200スメータ（LakeShoer 社製，420型）で測定しmV〜±500V までの測定が可能である。今回て得た。測定は，まず始めに磁石片とガウスメーは，振動モータの駆動電圧が最大で 3.6V であタのプローブ先端との距離を約１mm に保つることから，この値を測定できる±20V のレンように設置した。ついで，オシロスコープをガジを選択した。

ウスメータの出力端子に接続し，駆動電圧に対電源回路は，振動モータと PWM 回路へ供給する振動数を，磁束密度の変動波形すなわち振するためのバッテリーと，LCD 表示回路へ供給動波形として表示させ，その波形から振動数をする２つのバッテリーで作製した。前者の電源求めた。振動数は，駆動電圧 1.7〜3.0V までの電圧は，振動モータの駆動電圧 3.6V までを供範囲を 0.1V 間隔で測定した。なお，振動特性給しながら，PWM 回路のオペアンプの動作にの測定ではパイロット測定によって，振動波形必要な電源電圧とするため，６V の設計としがノイズなどによる変動のない正弦波で，他のた。また，振動モータの長時間の使用にも耐え電源などによる交番磁界が振動数の測定に影響られるように６V のバッテリーを２個並列接がないことを確認してから行った。

続して用いた。後者では，振動モータ両端の駆図４に振動体の振動特性を示した。振動数は，動電圧値を正しく測定するにあたって，LCD 表駆動電圧 1.7〜3.0V の範囲で直線的に上昇す示回路の電源を分離する必要があった。このたる比例の関係であった。また，振動数は 1.7V

め，LCD 表示回路の規格で定められている９Vの最小駆動電圧で 70.4Hz，3.0V の最大駆動のバッテリーを用いた。電源回路の ON 状態

電圧では 145.2Hz で，0.1V 毎に振動数が約６は，LED ダイオードの点灯で確認することとしHz 増加した。

た。

２. 振動体および振動モータの表面温度特性
振動体および振動モータの表面温度特性は，振動刺激装置の諸特性

駆動時間に対する振動体が身体と接触する部分の表面温度と振動モータの表面温度の両者をデ

１. 振動体の振動特性

ジタル表面温度センサモジュール（マザーツー

振動体の振動特性は，固定台に振動体を固定し，振動体と身体とが接触する部分にシール磁ル社製，MT‑144）を用いて，分解能 0.1°
C の精石片（５×５mm，厚さ 0.025mm）を貼り付け，度で測定した。駆動時間は 30分間とし，60秒ま15日本大学歯学部紀要 35，13‑18，2007

は咀嚼運動に対し重要な役割を演ずる咬筋などを刺激する振動刺激などが行われる。この振動刺激には，電動歯ブラシが用いられており，その振動による血流増加や代謝促進によって筋肉の廃用を予防するとえられている 。しかし，現在，振動刺激に用いられている電動歯ブラシは，必要とする局所部位での振動刺激を固定して長時間に渡って行えず，また振動刺激の振動数を可変できない問題点がある。このことから，
図５

我々は先に挙げた３つを条件として，摂食機能振動体および振動モータの表面温度特性

障害者に対するリハビリテーションに応用できでは 10秒間隔で測定を行い，それ以降は 30分る，とくに患者一人一人の治療あるいは回復にまで１分間隔で測定した。

最適な振動数を解明することができる振動刺激装置の開発を企図することとした。

図５に振動体および振動モータの表面温度特性を示した。振動モータの表面温度は，駆動開加振部の開発では，患者が長時間に渡って安始時から５分までは室温（25.3°C）から 5.6°Cの全に使用できるようにするために，オーバー温度上昇があったが，それ以降はほぼ一定値とヘッド型ヘッドフォンのアーム両端に振動体をなりその値は 31.1°
C であった。一方，振動体で取り付けることを発案し，その解決を図った。

は駆動開始時から約 60秒までは室温と同じで，振動体は，顔面あるいは口腔領域などの刺激

それ以降 18分までは室温から 1.6°
C の温度上箇所に点接触させ，局所的に振動刺激を加える

昇であったが，18分以降はほぼ一定値となりそため，球状の形状とした。また，顔面あるいはの値は 26.9°C であった。振動体と振動モータの口腔粘膜などとの接触による皮膚炎や過敏症状

一定値での温度差は 4.2°
C であった。などを極力引き起こすことのないように，口腔内で多用されている歯科用の粘膜調整剤を用い察て振動体を作製した。この粘膜調整剤は，絶縁近年，摂食・嚥下障害のある人々に対す治療体であるため，振動モータに供給している駆動やリハビリテーションへの関心は急速に高まっ電流のリークによる皮膚あるいは粘膜部などへており，その摂食・嚥下機能障害に対する治療の電撃から保護する役割も併せもっている。

法も多岐にわたる。オーラルリハビリテーショ

骨格筋の筋紡錘は，100Hz 程度の振動を与えン（機能的口腔ケア）は，その治療法の中でもると，興奮と同時に筋張力が増大する ことか重要な役割とされており，口腔環境を良好に保ら，この振動数を基に唾液分泌に関わるリハビ

つための口腔衛生管理のみならず，口腔感覚・リテーションに最適な振動数を検索することと機能を賦活化し，廃用性萎縮を招かないようにし，振動モータの選定もこれに準じた振動数が維持する口 腔 機 能 訓 練 な ど が 実 施 さ れ て い得られるものとした。
つぎに，振動刺激装置の制御部では，低消費る 。
口腔機能訓練では，唾液の分泌を促進させる電力下で振動モータを駆動するために PWMための唾液腺のマッサージや萎縮している頰回路を採用した。この PWM 回路はコンパレー筋，笑筋，口輪筋などの口の周りの筋群さらにタで発生させたパルス波のデューティ比を変化
16顔面口腔領域リハビリテーションにおける振動刺激装置の開発させて振動モータの回転速度すなわち振動数を昇は，振動モータの軸受け部の摩擦とコイルへ制御することから，可変抵抗などを利用した方の通電による発熱の複合要因によるものであ法に比べて，駆動のための消費電力が小さくてる 。したがって，温度上昇が一定となったのは済む 。したがって，電源を商用電源からの供給回転数の安定によって摩擦が安定するとともにではなく，バッテリーからの供給に置き換えるコイルの通電量も一定となって発熱が定常状態ことができ，バッテリーで振動モータを長時間となったためとえられる。

振動体の表面温度は，室温からの温度上昇が駆動することが可能となった。
PWM 回路による振動モータの駆動は，ス

1.6°
C と小さく，最高値は 26.9°
C であった。こイッチ動作が OFF の時，振動モータのコイルれは，振動モータを覆っているポリメチルメタに逆起電力が誘発され，この逆起電力が M OS-クリレートの熱伝導率が 0.17Wm K で，振FET に障害を与える原因になるとえられた。

動モータの箇体のステンレスと比べ約１/100

そこで，振動モータの両端にダイオードを並列も小さく ，ポリメチルメタクリレートが断熱に接続し，逆起電力を振動モータに回生するこ材として働き，振動モータから発生する熱を抑ととした。さらにこのダイオードの挿入は，ス制したためとイッチ動作で生じる振動モータの回転速度の変リメチルメタクリレートに軟化などの変質が生動を抑制できる利点もある。

じることはなかった。また，振動体の最高温度えられる。この時，振動体のポ振動体の振動数は，振動モータの駆動電圧値は体温よりも低いことから，振動体と身体とがでモニターすることとしたため，駆動電圧値と接触する部分が加熱され，患者に不快感あるい振動体の振動数の関係である振動特性を測定しは低温火傷などを引き起こす原因にはならないた。その結果，駆動電圧 1.7〜3.0V の範囲で，とえられた。

振動体の振動数は約 70〜145Hz の範囲で可変振動刺激装置の電源は，振動体以外からの身でき，駆動電圧値と振動数は比例の関係であっ体への電撃が万が一生じたとしてもそれによるた。よって，振動特性（図４）から駆動電圧値

身体への為害作用が僅少となるためにも商用電に対する振動数を得ることができ，臨床現場で源からの供給ではなく，バッテリーからの供給患者一人一人に最適な振動数を解明することがとした。また，バッテリーからの供給は携帯し可能となった。て持ち歩くためにも便利である。しかし，今回振動体および振動モータの表面温度特性は，開発した振動刺激装置でのバッテリーの全体で本装置の長時間の使用に伴い，振動モータから占める容積は非常に大きいことから，今後さらの発熱が振動体に対してどのような影響を及ぼなる携帯性の向上を図るには電源電圧を統一すかを検討するために行った。振動モータの駆し，かつ容積が小さくて供給能力が大きな充電

動時間は，臨床で用いる刺激時間を最大で 15分式のバッテリーを採用するなどの設計に変更すとした場合の２倍の 30分に設定した。また，振る必要があると動体と振動モータの表面温度を比較できるようえる。

おわりにに，同時に駆動を開始させてその温度変化を測定した。振動モータの表面温度では，駆動開始開発した振動刺激装置は，従来の振動刺激の時から５分で室温から 5.6°
C の温度上昇が認め問題点を解決するため，３つの条件にて開発をられたが，その後変化は一定となり，最高値で行った。

も 31.1°
C であった。この振動モータでの温度上その結果，振動体の形状や支持体の17案によ日本大学歯学部紀要 35，13‑18，2007

り，顔面および口腔領域の限定した局所部位を，本研究は，平成 19年度日本大学歯学部佐藤奨学金（研究）の助成を受けた。

患者が疲労することなく長時間刺激できるとえられた。また，PWM 回路の採用により，振文

動体の振動数を約 70〜145Hz の範囲で連続的

１) 植松宏，稲葉繁，渡辺誠（2005）高齢者歯科ガに可変でき，その振動数を駆動電圧値でモニイドブック．医歯薬出版，東京，257ターすることが可能であった。このことから，

２) 谷腰欣司（2006）DC モータ活用の実践ノウハ

臨床的に最適な振動数の検討を容易に行えるものとウ．CQ 出版，東京，127‑132
３) 金子芳洋，千野直一（1998）摂食・嚥下リハビ

えられた。さらに表面温度特性では，振動モータの温度上昇が振動体の材質に及ぼす影

リテーション．医歯薬出版，東京，264‑280

響は全く無く，さらに身体に対する不快感などもないと

４) 伊藤文雄（2000）セラピストのための基礎研究えられた。
そして，電源の供給をバッ

論文集テリーとしたことで，万が一の身体への電撃に筋感覚研究の展開．協同医書出版社，

東京，345‑356
５) 堀井武夫（1980）電気機器概論．コロナ社，東

対しても身体への為害作用を僅少とすることが京，46‑48

できるとともに，携帯に優れている。

６) 社団法人日本化学会（1984）化学便覧基礎編．

以上から，開発した振動刺激装置は従来の電

丸善，東京，Ⅱ‑75

動歯ブラシに代わって，摂食機能障害者に対する治療や回復への効果が期待できると献える。

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