JPH067869B2 - 骨格組織刺激装置 - Google Patents

骨格組織刺激装置

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JPH067869B2
JPH067869B2 JP60267042A JP26704285A JPH067869B2 JP H067869 B2 JPH067869 B2 JP H067869B2 JP 60267042 A JP60267042 A JP 60267042A JP 26704285 A JP26704285 A JP 26704285A JP H067869 B2 JPH067869 B2 JP H067869B2
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アラン キヤンベル ウエイン
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Original Assignee
Minnesota Mining and Manufacturing Co
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/326—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for promoting growth of cells, e.g. bone cells
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A61F2002/2821—Bone stimulation by electromagnetic fields or electric current for enhancing ossification

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は骨格組織刺激装置に関するものである。より具
体的にいえば，本発明は骨成長刺激装置に関するもので
ある。さらに具体的にいえば，本発明はこのような刺激
装置に用いられる低電圧発振器回路に関するものであ
る。
〔従来の技術とその問題点〕
ある場合には，骨格組織，特に，骨組織に電流を流すと
その骨格組織の成長が促進されることがわかっている。
このことは，骨折が癒着していない場合，または癒着が
遅れている場合に，特に有効である。
典型的な骨格組織刺激装置の中の１つの形式の装置で
は，１対の電極が骨折部位の近くに皮膚を通して侵入し
て挿入される。それから，これらの電極が電気回路に接
続され，そして電極の間に電流が流れる，したがって，
骨組織に電流が流れる。この電気回路は電極を流れる電
流の大きさとその特性を規定し，それにより，骨格組織
の刺激を行なう。
骨格組織を刺激するために，特に，骨を刺激するため
に，いろいろな波形の電流が用いられている。従来は，
直流波形の電流と交流波形の電流が用いられていた。振
幅，周波数，デューティ・サイクル，平均直流レベルが
さまざまである交流電流波形が用いられてきた。骨格組
織刺激装置として有効であることがわかっている電流の
１つの例は，約２０マイクロアンペアでデューティ・サ
イクルが約５０％のパルス電流波形である。この電流波
形の場合には，１サイクルの約半分の時間はほぼ直流で
ある電流が流れ，そして残りの約半分の時間は小さな電
流が流れる。この電流波形はほぼ方形波であって，その
直流値は最大値と最小値の和のほぼ半分に等しい。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ある骨格組織刺激装置では，例えば，骨刺激装置では，
刺激装置と電極との接続を皮膚を通して行なうことを避
けるために，刺激装置全体を体内に植え込むことが望ま
しい。この場合には，この利点を相殺する実際上の制約
がいくつかあるので，このような刺激装置の有用性に限
界があることになる。
その第１は，装置は刺激位置の近くに植え込まれるまた
はその近くに配置されるのであるから，装置が小形であ
る必要があることである。刺激装置が小形であることは
必然的にその寸法に限界が与えられることであり，した
がって，その電源，すなわち，電池の容量に限界が与え
られることになる。
第２に，刺激装置の有効性は骨格組織の中を流れる電流
がある大きさである結果としてえられるものであるか
ら，この装置の回路はこのレベルの電流を供給しかつ維
持できるものでなければならない。この要請は電源，す
なわち，電流をもつと大きなものにする要因として作用
する。
第３に，装置は組織の中に皮膚を通して侵入するのであ
るから，すなわち，刺激されるべき骨格組織の近くに植
え込まれるのであるから，最小量の侵入処置で最大量の
刺激がえられるために，電源，すなわち，電池の寿命が
長いことが好ましい。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明により組織の中に植え込むことが可能な低電圧発
振器回路がえられる。この回路は体の一部分に連結する
ことが可能であり，そしてこの体の一部分はこの回路の
負荷として作用する。この回路は第１端子と第２端子と
を備えた電池を有している。この回路はまた発振器を有
している。この発振器は第１状態と第２状態とを有して
おり，そして電池の第１端子に動作可能に接続される。
この回路はまた容量性蓄電装置を有している。この容量
性蓄電装置は電池の第２端子と発振器との間に動作可能
に接続され，そして発振器の発振を制御する。この回路
はまた充電装置を有している。この充電装置は容量性蓄
電装置に動作可能に接続され，そして発振器がその第１
状態にある時，容量性蓄電装置を充電する。この回路は
また放電装置を有している。この放電装置は容量性蓄電
装置と負荷との間に動作可能に接続され，そして発振器
がその第２状態にある時，容量性蓄電装置を負荷を通し
て放電する。この容量性蓄電装置と負荷は電池の第２端
子へのまたはこの第２端子からの唯一の電流路である。
本発明によりまた，骨格組織，例えば，骨に連結するこ
とが可能な骨格組織刺激装置がえられる。骨格組織，例
えば，骨はこの刺激装置の負荷として作用する。第１端
子と第２端子とをそなえた電池が使用される。電池の第
２端子は骨格組織の第１位置に連結することができる。
ラッチが電池の第１端子に動作可能に接続され，かつ，
骨格組織の第２位置に連結することができる。このラッ
チは第１状態と第２状態とを有する。このラッチは，ラ
ッチがその第１状態にある時，電池と骨格組織との間に
電流を流すことを許すが，ラッチがその第２状態にある
時，電池と骨格組織との間に電流が流れるのを許さな
い。電池の第２端子とラッチとの間に，コンデンサが動
作可能に接続される。このコンデンサは，コンデンサが
事実上充電されている時，ラッチをその第１状態にラッ
チし，そしてコンデンサが事実上放電している時，ラッ
チをその第２状態にラッチする。充電装置が電池とコン
デンサとの間に動作可能に接続されていて，ラッチがそ
の第１状態にある時，コンデンサを電池で充電する。放
電装置がコンデンサに動作可能に接続され，かつ，骨格
組織に連結することが可能であり，そしてラッチがその
第２状態にある時，コンデンサが骨格組織を通して放電
することを許す。
本発明によりまた骨格組織刺激装置，例えば，骨成長刺
激装置がえられる。この刺激装置は負荷に連結すること
が可能であり，そしてこの負荷の一部分はその成長を刺
激したい体内の骨格組織であることができる。この骨格
組織刺激装置は電池と発振器回路とを有している。この
発振器回路は電池に接続され，かつ，負荷に連結するこ
とができる。発振器回路は第１状態と第２状態とを有
し，この第１状態にある時には電流は電池と負荷との間
を流れることが許され，そして第２状態にある時には電
流は電池と負荷との間を流れることが許されない。発振
器回路は負荷と並列に配置された蓄電素子を有してい
る。この蓄電素子は電池によって充電され，そして負荷
を通して放電することができる。この刺激装置の特徴
は，電池によって供給される電流はすべて蓄電素子を通
って流れるかまたは負荷を通って流れるかのいずれかで
あることである。
このような特徴を有する骨格組織刺激装置，またはこの
ような装置に使用される低電圧発振器は，いくつかの顕
著で重要な利点をもっている。第１は，この回路は刺激
位置の近くに植え込むことが可能な低電圧電源，すなわ
ち，電池で動作することである。第２は，負荷がない時
（刺激されるべき組織がない時），この回路は電源から
流れ出る電流がない，またはほとんどないことである。
このことは重要なことであって，刺激装置が植え込まれ
る前の在庫中の寿命が長くなり，したがって，いつでも
新鮮な状態で刺激動作を始めさせることができる。第３
は，この回路の動作中は，電池から供給された電流はす
べて負荷，すなわち，刺激されるべき骨格組織に到達す
ることである。これは，電源から供給された電流はすべ
て直接骨格組織を流れるか，またはコンデンサまたは容
量性蓄電装置を充電しその後で骨格組織を通して放電す
るかいずれかであるからである。容量性装置の漏洩電流
を別にすれば，それ以外の電流は電池または電源から流
出しない。第４は，この回路により，負荷インピーダン
スが広範囲に変わっても比較的安定な電流出力がえられ
ることである。このことは重要なことである。それは負
荷のインピーダンス，すなわち，刺激されるべき骨格組
織のインピーダンスに大きな個人差があるからであり，
また植え込む場所によりインピーダンスが大きく異なる
からである。さらに，この回路により，考えられるあら
ゆる負荷状態に対して，安全な大きさの電流がえられ
る。
〔実施例〕
本発明の前記利点やその構成，動作は添付図面と下記説
明によりさらによく理解される。
第１図は本発明の骨格組織刺激装置１０，例えば，骨成
長刺激装置の図面である。この骨格組織刺激装置１０は
容器１４の中に入っている回路１２を有している。この
容器１４はハイソル（Hysol）樹脂のような適当な固定
材１６に固定される。出力導線１８，２０が回路１４か
ら容器１４の外に出ている。それからこの骨格組織刺激
装置１０は体内の刺激しようとする骨格組織の近くに，
例えば，骨の近くに植え込まれる。全体的にいって，刺
激しようとする骨格組織は出力導線１８と出力導線２０
の間に配置されるのが普通である。したがって，骨格組
織は回路１２に対する電気的負荷になる。
第２図は本発明の回路１２のブロック線図である。第１
図と同じように，回路１２は出力導線１８，２０を有し
ており，そしてこれらの出力導線の間に骨格組織，すな
わち，負荷２２が連結される。回路１２は電源，すなわ
ち，電池２４を有している。この電池は発振器回路２６
に接続される。発振器回路２６は出力導線１８に接続さ
れ，および蓄電装置２８にも接続される。発振器回路２
６が１つの状態にある時，電池２４からの電流は発振器
２６を通って流れ，そしてそれから出力導線１８，２０
を通って負荷２２を流れる。このようにして負荷２２に
刺激電流が流れる。これに対し発振器２６が他のもう１
つの状態にある時，発振器回路２６を流れる電流，した
がって，出力導線１８，２０を通って負荷２２を流れる
電流はほとんどないかまたは全くない。電池２４と蓄電
装置２８との間に充電装置３０が接続されている。蓄電
装置がほとんど放電した時，充電装置３０は電池２４か
ら蓄電装置２０に電荷を供給する。蓄電装置２８は，第
２図に示されているように，充電装置３０を通してまた
は直接に発振器回路に接続されていて，蓄電装置２８の
エネルギ蓄積状態，すなわち，蓄電状態がどのようであ
るかによって，発振器回路の状態を変える。蓄電回路２
８と出力導線１８との間に放電装置３２が接続される。
この放電装置３２によって，出力導線１８，２０を通り
そして負荷２２を通る，蓄電装置２８のための放電路が
えられる。
第２図において，電池２４から流れ出た電流が再びこの
電池２４に入る経路は２つだけであることに注意された
い。すなわち，蓄電装置２８を通る経路と，負荷２２を
通る経路とである。また，蓄電装置２８に蓄えられたエ
ネルギはすべて放電装置３２と負荷２２とを通って放電
しなければならないことにも注意すべきである。この装
置によりいくつかの特有の利点がえられる。第１は，回
路１２が動作する場合，エネルギすなわち電流は電池２
４から事実上すべて負荷２２を通って流れることであ
る。したがって，このことは骨格組織刺激を行なうのに
大変効果的である。このことはエネルギ源，すなわち，
電池２４の有効利用かつ効率利用であることを意味し，
したがって，植え込まれて用いられる場合には，回路１
２の寿命が長くなることを意味する。第２は，負荷２２
が接続されていない時，すなわち，刺激したい骨格組織
のところにこの回路が植え込まれていない時，電池２４
を放電する電流路がないことである。前記のように，蓄
電装置２８を通る電流路と負荷２２を通る電流路との２
つの電流路があるだけである。さらに，前記のように，
蓄電装置２８の放電は放電装置３２と負荷２２を通って
だけ起こる。したがって，もし負荷２２が接続されてい
ないならば，蓄電装置２８の放電路はないことになり，
したがって，電池２４を放電するための電流は流れな
い。もちろん，蓄電装置２８は蓄電装置として完全なも
のではなく，小さな漏洩電流が存在することはありうる
が，本発明の実施例に用いる場合，この漏洩電流は無視
できる程度の大きさであり，省略することができる。
第３図に示された本発明の好ましい実施例の詳細な回路
図により，回路１２の動作をもっと詳しく知ることがで
きる。第２図に示されているように，負荷２２は出力導
線１８，２０によって回路１２に接続される。回路１２
はまた電池２４を有している。コンデンサ３４は蓄電装
置２８に相当する。トランジスタ３６，３８と抵抗器４
０，４２，４４とによって発振器回路２６と充電装置３
０が構成される。放電装置３２は抵抗器４６とダイオー
ド４８とによって構成される。ダイオード４８およびト
ランジスタ３８と出力導線１８との間に抵抗器５０が接
続される。
第３図の詳細回路図の動作は次の通りである。コンデン
サ３４が放電状態にある時，トランジスタ３６はオン状
態になる。すると，トランジスタ３８もオン状態にな
る。この時，トランジスタ３８のコレクタは高レベルに
なり，したがって，抵抗器５０と出力導線１８，２０お
よび負荷２２を通って電流が流れる。この状態になる
と，トランジスタ３６を流れるベース電流はコンデンサ
３４を充電する。コンデンサ３４が充電されると，トラ
ンジスタ３６のベース電圧が降下し，そしてこのことは
トランジスタ３６を流れるコレクタ電流を小さくするで
あろう。この場合には，トランジスタ３８のベース電圧
とコレクタ電圧が降下し，したがって，トランジスタ３
６とトランジスタ３８の両者がオフ状態に進むことにな
る。この時，トランジスタ３８を通って負荷２２へ流れ
る電流は小さくなり，したがって，負荷２２の両端の電
圧はゼロになる。トランジスタ３６とトランジスタ３８
がオフ状態になると，コンデンサ３４は抵抗器４６と，
ダイオード４８と，抵抗器５０とおよび負荷２２とを通
して放電するであろう。コンデンサ３４が放電すると，
それから後は同じサイクルを繰り返す。このことによ
り，第４図に示された電圧波形５２がえられる。トラン
ジスタ３６とトランジスタ３８がオン状態になる時，ト
ランジスタ３８を通って電流が流れ，したがって，抵抗
器５０を通って負荷２２に電流が流れる。第３図に示さ
れた電圧と部品を用いた場合，負荷が例えば４７キロオ
ームの抵抗性負荷である時，その両端に0.75ボルトの電
圧が現われる。この４７キロオームの抵抗性負荷は骨格
組織負荷の典型的な場合に相当する。コンデンサ３４が
充電された時，したがって，トランジスタ３６とトラン
ジスタ３８がオフ状態になった時，コンデンサ３４は負
荷２２を通して放電を始める。このことは波形上の点５
４で表される。波形上のこの点では，負荷を流れる電流
はコンデンサ３４の放電電流であり，そしてこの放電電
流により抵抗性負荷２２の両端の電圧は約0.3ボルトに
なる。いま説明した点５２および点５４に対応して，波
形は点５６および点５８で同じ形を繰り返す。
本発明によるこの回路は，したがって，本発明による骨
格組織刺激装置は，いくつかのすぐれた利点を有する。
第１は，抵抗性負荷２２がない場合には，コンデンサ３
４は放電できない。したがって，電池２４から電流が流
れ出ることはありえないことである。このために，この
骨格組織刺激装置を植え込む前においては，骨格組織刺
激装置としての有効性が保たれる期間が増大する。第２
に，コンデンサ３４を充電するのに流れた電流は，コン
デンサ３４が放電する時，すべて負荷２２を通って流れ
ることである。このことは電池２４の中に蓄えられたエ
ネルギが有効に利用されることを意味する。すなわち，
電池２４からの電流の事実上全部が負荷２２を流れて，
骨格組織刺激に使われることを意味する。抵抗器５０が
ある場合には，抵抗器５０は負荷２２の予期される抵抗
成分にほぼ等しいので，回路１２の出力電圧の半分は抵
抗器５０のところで降下するであろう。けれども，この
電圧の半分が失われることは適切である。その理由は，
骨格組織刺激装置では適切な電流レベルを維持すること
は非常に重要であるからである。抵抗器５０を用いるこ
とにより，より広い範囲のいろいろな抵抗性負荷に対し
て出力電流を安定化させることができる。
第５図は電気回路１２を使用した別の骨格組織刺激装置
の図面である。この場合には，回路１２からの出力電流
は２つの負荷６０および６２を流れる。したがって，１
つの骨格組織刺激装置回路１２が２対の電極を駆動し，
そして２つの異った場所にある骨格組織を刺激すること
ができる。負荷６０と負荷６２は，トランジスタ３８の
出力のところに事実上互いに並列に接続される。第３図
に示されたバッファ用抵抗器５０は，第５図に示されて
いるように，２つの抵抗器６４および６６に分けること
ができる。または，これらの抵抗器を１つの抵抗器にま
とめて，電流はこの抵抗器を通った後で２つの負荷に分
れて流れるようにしてもよい。
これまでの説明により，新規な骨格組織刺激装置とこの
骨格組織刺激装置のための新規な回路が開示された。け
れども，特許請求の範囲から逸脱することなく，本発明
の細部においていろいろな変更，置き換えおよび修正を
行なうことが可能であることは当業者にはすぐにわかる
であろう。
〔発明の効果〕
骨折部位の骨の癒着を促進したり，骨格組織の成長を促
進させるのに，骨格組織に電流を流して刺激することが
有効であることが知られている。このような骨格組織刺
激のための従来の装置では，電極を骨格組織に取り付
け，そして電気回路を外部において，それらを皮膚を通
して導線で結んでいるので患者の苦痛と不便は大きい。
またこれらの骨格組織刺激装置は比較的大きく，またそ
の寿命にも問題があった。患者の苦痛と不便を最少にす
るために，骨格組織刺激装置を小形にして，体内に植え
込むことが好ましい。本発明により，小形であり，か
つ，低電圧で動作する刺激部位の近くに植え込むことが
可能な骨格組織刺激装置がえられる。この刺激装置の回
路は負荷がない時には電流は流れなく，したがって，在
庫中の電源の消耗はほとんどなく，必要な時にすぐ使え
る。骨格組織のインピーダンスには大きな個人差があ
り，また部位によっても大きく異なるが，本発明による
骨格組織刺激装置は広範囲のインピーダンスをもった負
荷に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による骨格組織刺激装置の図面， 第２図は本発明による回路のブロック線図， 第３図は本発明の好ましい実施例の回路の詳細図， 第４図は本発明による回路の負荷の両端における出力の
電圧波形図， 第５図は本発明の別の実施例の回路の詳細書。 〔符号の説明〕 ２４…電池 ２６，３６，３８，４０，４２，４４…発振器 ２８，３４…容量性蓄電装置，コンデンサ ３０，３６，３８，４０，４２，４４…充電装置 ３２，４６，４８…放電装置 ２６…ラッチ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】体の一部分を負荷として連結することがで
    きる植え込み可能な低電圧発振器回路であって，電池
    と，発振器と，容量性蓄電装置と，充電装置と，放電装
    置とを有することと，前記電池が第１端子と第２端子と
    を有することと，前記発振器が第１状態と第２状態とを
    有しかつ前記電池の前記第１端子に動作可能に接続され
    かつ前記負荷に接続されることと，前記容量性蓄電装置
    が前記電池の前記第２端子と前記発振器との間に動作可
    能に接続されていて前記発振器の発振を制御すること
    と，前記充電装置が前記容量性蓄電装置に動作可能に接
    続されていて前記発振器が前記第１状態にある時前記充
    電装置が前記容量性蓄電装置を充電することと，前記放
    電装置が前記容量性蓄電装置と前記負荷との間に接続さ
    れていて前記発振器が前記第２状態にある時前記放電装
    置が前記容量性蓄電装置を前記負荷を通して放電するこ
    とと， 前記容量性蓄電装置は実質的に放電すると前記発振器を
    前記第１状態に制御し，前記容量性蓄電装置は実質的に
    充電されると前記発振器を前記第２状態に制御すること
    と，前記発振器は前記第１状態にあるときは前記電池の
    第１端子と第２端子との間で前記負荷を通して電流が流
    れることを許すけれども前記第２状態にあるときは前記
    電池から前記負荷を通して電流が流れることを許さない
    ことと， 前記容量性蓄電装置と前記負荷が前記電池の前記第２端
    子へのまたは前記第２端子からの唯一の電流路であるこ
    ととを特徴とする前記植え込み可能な低電圧発振器回
    路。
  2. 【請求項２】負荷となる骨格組織に連結することができ
    る骨格組織刺激装置であって，電池と，ラッチと，コン
    デンサと，充電装置と，放電装置とを有することと，前
    記電池が第１端子と第２端子とを有することと，前記第
    ２端子が前記骨の第１位置に連結することができること
    と，前記ラッチが前記電池の前記第１端子に動作可能に
    接続されかつ前記骨の第２位置に連結することができる
    ことと，前記ラッチが第１状態と第２状態とを有するこ
    とと，前記ラッチは前記ラッチが前記第１状態にある時
    前記電池と前記骨格組織との間に電流が流れることを許
    すけれども前記ラッチが前記第２状態にある時前記電池
    と前記骨格組織との間に電流が流れることを許さないこ
    とと，前記コンデンサが前記電池の前記第２端子と前記
    ラッチとの間に動作可能に接続されることと，前記コン
    デンサは前記コンデンサが事実上放電した時前記ラッチ
    を前記第１状態に制御しかつ前記コンデンサが事実上充
    電した時前記ラッチを前記第２状態に制御することと，
    前記充電装置が前記電池と前記コンデンサとに動作可能
    に接続されていて前記ラッチが前記第１状態にある時前
    記コンデンサを前記電池で充電することと，前記放電装
    置が前記コンデンサに動作可能に接続されかつ前記骨格
    組織に連結することが可能であって前記ラッチが前記第
    ２状態にある時前記骨格組織を通して前記コンデンサを
    放電することを可能にすることとを特徴とする前記骨格
    組織刺激装置。
  3. 【請求項３】負荷の一部分が前記骨格組織であることが
    できる前記負荷に連結することが可能な骨格組織刺激装
    置であって，電池と発振器回路とを有することと，前記
    発振器回路が前記電池に接続されかつ前記負荷に連結す
    ることが可能であることと，前記発振器回路は電流が前
    記電池と前記負荷との間を流れることを許す第１状態を
    有しかつ電流が前記電池と前記負荷との間を流れること
    を許さない第２状態とを有することと，前記発振器回路
    が前記負荷と並列に配置することができる蓄電素子を有
    することと， 充電装置が前記電池と発振器回路とに動作可能に接続さ
    れていて前記発振器回路が前記第１状態にあるときは前
    記蓄電素子を前記電池で充電することと，放電装置が前
    記蓄電素子に動作可能に接続されかつ前記負荷に接続さ
    れて前記発振器回路が前記第２状態にあるときは前記負
    荷を通して前記蓄電素子を放電することと，前記蓄電素
    子は実質的に放電されると前記発振器回路を前記第１状
    態に制御し，前記充電素子は実質的に充電されると前記
    発振器回路を前記第２状態に制御することと， 前記電池によって供給された電流はすべて前記蓄電素子
    を通してまたは前記負荷を通してのいずれかで流れなく
    てはならないこととを特徴とする前記骨格組織刺激装
    置。
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