JP2017169648A - Biological sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体胸部に装着する心電電極と圧電素子とを備えた生体センサに関するものであり、より詳細には、被検者の心電信号及び呼吸運動の信号を長時間モニタリングするための生体センサに関するものである。 The present invention relates to a biosensor including an electrocardiogram electrode and a piezoelectric element to be worn on a living body chest, and more specifically, for monitoring a subject's electrocardiogram signal and respiratory motion signal for a long time. The present invention relates to a biosensor.
鎮静状態下に生じる呼吸抑制は重篤な転帰をたどることがあるため呼吸監視が強く推奨されているが,従来の呼吸数モニタリングには、インピーダンス法やカブノメータ、気流音響信号測定法等の手法が用いられている。しかしながら、インピーダンス法は電極間のインピーダンス変化により呼吸運動を検出するため、呼吸数のモニタリングが比較的容易である一方、信頼性は低い。カプノメータは呼気中及び吸気中の二酸化炭素濃度を直接検出するため信頼性は高い反面、鼻カニュラやマスクなどの生体を拘束する装着が必要であり、且つ二酸化炭素の検出器が必要になる。気流音響信号により呼吸数を測定する装置は,快適性や信頼性が高いとされるものの高価である。 Respiration monitoring under sedation can have serious consequences, and respiratory monitoring is strongly recommended, but conventional methods for monitoring respiratory rate include methods such as impedance methods, cabometers, and airflow acoustic signal measurement methods. It is used. However, since the impedance method detects respiratory motion by impedance change between electrodes, monitoring of the respiratory rate is relatively easy, but reliability is low. The capnometer directly detects the carbon dioxide concentration in exhaled air and inhaled air, so it has high reliability. However, the capnometer needs to be worn to restrain a living body such as a nasal cannula or a mask, and requires a carbon dioxide detector. An apparatus for measuring the respiratory rate based on an airflow acoustic signal is expensive although it is considered to be comfortable and reliable.
また、小型のパルスオキシメータで心拍数と血中飽和酸素濃度を監視し、前記血中飽和酸素濃度の低下により呼吸機能の不全を察知することも可能であるが、呼吸停止時から前記血中酸素飽和濃度が低下するまで数十秒の遅延があるため、迅速な処置が遅れてしまう危険性がある。これら従来の手法による呼吸監視には、信頼性、患者の忍容性、経済性のいずれかの点で限界があり、これらを克服した新しい呼吸監視モニタリングが望まれている。 It is also possible to monitor heart rate and blood saturated oxygen concentration with a small pulse oximeter and detect respiratory failure due to a decrease in the blood saturated oxygen concentration. Since there is a delay of several tens of seconds until the oxygen saturation concentration is lowered, there is a risk that a rapid treatment is delayed. Respiration monitoring by these conventional methods has limitations in terms of reliability, patient tolerance, and economy, and a new respiratory monitoring monitoring that overcomes these demands is desired.
また、鎮静状態下で心電図も監視するが、これらの装置を装着しながら上記呼吸監視を行うために監視装置をさらに追加しなければならず、手術中に使用した場合は十分な術野を確保するのが困難になってしまうことがあり、装置管理もより煩雑になってしまう問題もある。これらのことから、より小型で拘束感の複数の生体情報を高精度に測定可能な装置が望まれている。 In addition, ECG is also monitored under sedation, but a monitoring device must be added to monitor the breathing while wearing these devices, ensuring a sufficient surgical field when used during surgery. It may be difficult to do this, and there is a problem that device management becomes more complicated. For these reasons, a device that is capable of measuring a plurality of pieces of biological information with a small size and a sense of restraint with high accuracy is desired.
従来から、測定対象の心拍数や呼吸数などの生体データを無拘束な状態で測定する装置としては特許文献1及び2に開示された装置が知られている。 Conventionally, devices disclosed in Patent Documents 1 and 2 are known as devices that measure biological data such as a heart rate and a respiration rate to be measured in an unconstrained state.
特許文献1によると、振動伝達板を用いて生体表面の振動を前記振動伝達板に装備された圧電素子によって振動波形を検出し、前記振動波形をフィルタ回路によって呼吸運動、心拍及び心音に分離抽出することを可能としている。 According to Patent Document 1, the vibration waveform is detected by a piezoelectric element mounted on the vibration transmission plate using a vibration transmission plate, and the vibration waveform is separated and extracted into a respiratory motion, a heartbeat and a heart sound by a filter circuit. It is possible to do.
また、特許文献2によると、一対の心電電極間と電磁コイルとを用い、心電波形と呼吸運動及び心拍数を計測可能としている。前記呼吸運動と前記心拍数は、前記電磁コイルに高周波信号を与え、前記電磁コイルと生体表面の距離の変化を強振周波数の変化としてとらえるものである。 According to Patent Literature 2, an electrocardiogram waveform, respiratory motion, and heart rate can be measured using a pair of electrocardiographic electrodes and an electromagnetic coil. The respiratory motion and the heart rate give a high-frequency signal to the electromagnetic coil, and a change in the distance between the electromagnetic coil and the living body surface is regarded as a change in strong vibration frequency.
しかしながら、特許文献1に記載の手法では、前記心音波形より心拍数を監視することは可能であるが、前記心音波形よりどのような心不全が発生したのか心疾患に関わる心音波の見方の知見がほとんどないため、心電図のように心音波から心疾患の種類を特定することは困難である。また、呼吸機能監視においては、呼吸運動以外の体動も測定してしまうため、呼吸運動を正確に測定できなくなる場合がある。 However, according to the technique described in Patent Document 1, it is possible to monitor the heart rate from the heart sound waveform, but what kind of heart failure has occurred from the heart sound waveform has a knowledge of how to see the heart sound related to heart disease. Because there are few, it is difficult to specify the type of heart disease from the electrocardiogram as in the electrocardiogram. In respiratory function monitoring, body movements other than respiratory movements are also measured, so that respiratory movements may not be measured accurately.
また、特許文献2に記載の手法では、腹部のような生体表面の変動の大きな部位にのみ呼吸運動の測定が制限され、胸部のように生体表面の変動が小さい部位には適用できない。また、生体表面−前記電磁コイル間の静電容量を計測しているため、電気メスの使用により生体の電位が大きく変動する場合には、ノイズの影響で呼吸運動と心拍数が正しく測定できなくなる場合がある。 In the method described in Patent Document 2, the measurement of respiratory motion is limited only to a part with a large variation in the surface of the living body such as the abdomen, and cannot be applied to a part with a small variation in the surface of the living body such as the chest. In addition, since the capacitance between the surface of the living body and the electromagnetic coil is measured, if the potential of the living body greatly fluctuates due to the use of an electric knife, the respiratory motion and heart rate cannot be measured correctly due to the influence of noise. There is a case.
本発明は、呼吸運動波形、呼吸音波形、心音波形及び心電波形を小型で簡素な構成で測定可能とする生体センサを提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a biosensor capable of measuring a respiratory motion waveform, a respiratory sound waveform, a cardiac sound waveform, and an electrocardiographic waveform with a small and simple configuration.
前述した目的を達成するための本発明は、振動を電圧に変換する圧電素子と、生体が発する電気信号を検出する一対の心電電極と、前記生体が発する振動を前記圧電素子に伝達する振動伝達板と、を備え、前記圧電素子及び前記一対の心電電極は前記振動伝達板に設けられ、前記一対の心電電極の一方の面には導電性の粘着剤を備えることを特徴とする生体センサである。 In order to achieve the above-described object, the present invention provides a piezoelectric element that converts vibration into a voltage, a pair of electrocardiographic electrodes that detect an electrical signal emitted by a living body, and a vibration that transmits vibration generated by the living body to the piezoelectric element. A transmission plate, wherein the piezoelectric element and the pair of electrocardiographic electrodes are provided on the vibration transmission plate, and a conductive adhesive is provided on one surface of the pair of electrocardiographic electrodes. It is a biological sensor.
前記振動伝達板は、長手方向を有し、前記長手方向の両端部に前記一対の心電電極を係止する一対の係合機構を備え、前記圧電素子は、前記振動伝達板の前記長手方向の中央部に設けられるようにしても良い。 The vibration transmission plate has a longitudinal direction, and includes a pair of engagement mechanisms for engaging the pair of electrocardiographic electrodes at both ends of the longitudinal direction, and the piezoelectric element is the longitudinal direction of the vibration transmission plate You may make it provide in the center part.
また、前記振動伝達板は、可撓性及び絶縁性を有するようにしても良い。 The vibration transmission plate may be flexible and insulating.
また、前記一対の係合機構は、中央に孔が形成され、前記孔から放射状に複数のスリットが形成されている金属板であるようにしても良い。 The pair of engagement mechanisms may be metal plates in which a hole is formed in the center and a plurality of slits are formed radially from the hole.
本発明の生体センサは、振動伝達板の両端に備えた一対の心電電極により心電波形を検出すると同時に、振動伝達板の略中央に備えた圧電素子により、一対の心電電極間の生体表面の振動を検出することが可能となる。検出された振動波形は、周波数帯により呼吸運動波形、心音波形、呼吸音波形に分離抽出することが可能となる。これにより、呼吸機能の監視においては、呼吸運動だけでなく呼吸音波形も監視できるため、二重の監視により信頼性の高い呼吸機能の監視が行われるようになる。心機能の監視においても、心電波形と心音波形の二重の監視を行えるようになるため、より信頼性の高い心機能の監視が行うことが可能である。また、心電電極がそれぞれ係合機構により容易に着脱することが可能であり、市販の心電パッドを流用することで、使用済みの心電電極を清掃・滅菌する手間無しに安価で衛生的に使用することが可能となる。 The biosensor of the present invention detects an electrocardiogram waveform with a pair of electrocardiographic electrodes provided at both ends of a vibration transmission plate, and at the same time uses a piezoelectric element provided substantially at the center of the vibration transmission plate to It becomes possible to detect surface vibration. The detected vibration waveform can be separated and extracted into a respiratory motion waveform, a heart sound waveform, and a respiratory sound waveform depending on the frequency band. Thereby, in the monitoring of the respiratory function, not only the respiratory motion but also the respiratory sound waveform can be monitored, so that the respiratory function can be monitored with high reliability by the double monitoring. Also in monitoring of cardiac function, it becomes possible to perform dual monitoring of an electrocardiogram waveform and a cardiac sound waveform, so that it is possible to monitor cardiac function with higher reliability. In addition, each ECG electrode can be easily attached and detached by the engagement mechanism, and by using a commercially available ECG pad, it is cheap and hygienic without having to clean and sterilize the used ECG electrode. Can be used.
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。最初に、図1〜図4を参照しながら、本発明の実施形態に係る生体センサ100を説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the
図1及び図2に示すように、生体センサ100は、振動を電圧に変換する円盤型の圧電素子21と、長手方向(=図1における紙面の上下方向)及び長手方向と直交する幅方向(=図1における紙面の左右方向)を有し、生体が発する振動を圧電素子21に伝達する可撓性及び絶縁性の振動伝達板11と、振動伝達板11の長手方向の両端部に設けられる一対の係合機構311、321と、一対の係合機構311、321によって係合され、生体が発する電気信号を検出する一対の心電電極31、32と、圧電素子21の両面及び一対の心電電極31、32に電気的に接続される複数の導体パターンを束ねるフィルム電線41と、を備える。圧電素子21は、振動伝達板11の長手方向の中央部に設けられる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1に示すように、生体センサ100は、生体の胸部の体表に貼り付けられる。望ましくは、生体センサ100は、生体の胸骨上の体表に貼り付けられる。呼吸運動では変形しないように思われる胸骨も、実際には呼吸運動によって僅かに変形している。振動伝達板11は、胸骨の変形によって生じる振動を圧電素子21に伝達する。言い換えると、圧電素子21は、生体が発する振動に起因する振動伝達板11の歪みを電圧に変換する。
As shown in FIG. 1, the
胸骨上の体表は男女を問わず略平坦な形状であるため、板状の振動伝達板11であっても確実に貼り付けることが可能である。また、生体の胸骨上の体表は、心臓及び気管に近い部位であるため、心音や呼吸音等に起因する生体の振動の信号を精度良く検出することができる。また、生体の胸部の体表に貼り付けられる生体センサ100は、腹部を切開して行う手術であっても邪魔にならない。また、生体の胸部の体表に貼り付けられる生体センサ100は、呼吸以外の腹部の運動(例えば、手術による腹部の変形や体位の変更などの物理的な皮膚の変形)を誤って検出しにくいため、呼吸機能の監視を阻害しない。
Since the body surface on the sternum has a substantially flat shape regardless of gender, even the plate-like
振動伝達板11の大きさは、生体の胸骨の大きさ以内が望ましい。本発明の実施形態では、振動伝達板11の長手方向の寸法は110mm、振動伝達板11の幅方向の寸法は30mmである。これらの寸法は、一般成人向けであり、小児や新生児には、胸骨の大きさに合わせて、振動伝達板11の長手方向の寸法を短くすることが望ましい。振動伝達板11の長手方向の寸法が80mm以上であれば、生体の信号の検出性能は良好である。
The size of the
また、振動伝達板11の材料としては、適度な復元性を有する弾性のプラスチックを用いる。振動伝達板11の厚さは、胸郭呼吸運動に特徴的な0.5Hz以下の低周波帯、心音に特徴的な20〜100Hz近傍の周波数帯、及び呼吸音に特徴的である100〜400Hz近傍の周波数帯の全てを検出できる適度な厚さにする必要があり、0.3mm〜2.0mmが望ましい。本発明の実施形態では、振動伝達板11の材料はガラスエポキシ板と塩化ビニル樹脂(PVC)の複合材料を用い、振動伝達板11の厚さは1.0mmである。
Moreover, as a material of the
図3及び図4に示すように、振動伝達板11は、圧電素子21が載置される基板111と、基板111と接着される被覆板112と、を有する。基板111には、一対の係合機構311、321と銅箔の導体パターン15(151、152、153、154、211)が形成されている。圧電素子21の両面は、導体パターン151、152、211を介してフィルム電線41に電気的に接続されている。一対の心電電極31、32は、導体パターン153及び154を介してフィルム電線41に電気的に接続されている。フィルム電線41は、後述する生体信号測定装置1に電気的に接続されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
被覆板112は、圧電素子21、一対の係合機構311、321及び導体パターン151、152、153、154、211を挟んで基板111と圧着される。被覆板112には、振動伝達板11に形成されている一対の係合機構311、321と対向する位置に円形状の孔が形成されている。
The
圧電素子21が生体の振動を効率良く電気信号に変換するため、基板111及び被覆板112は隙間なく密着させることが望ましい。本発明の実施形態では、被覆板112を加熱して柔らかくし、圧電素子21の形状に変形密着させて圧着する。このため、被覆板112の材料には、熱可塑性を有するプラスチックが望ましく、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、塩化ビニル樹脂(PVC)、ポリスチレン(PS)、ABS樹脂(ABS)、ポリエチレンテフタレート(PET)、アクリル樹脂(PMMA)、ポリカーボネート(PC)または、ポリアミド(PA)が望ましい。本発明の実施形態では、被覆板112の材料として、安価で加工性に優れる厚さ0.5mmの塩化ビニル樹脂(PVC)を用いる。熱可塑性を有するプラスチックは、加熱(ポリマー分子のガラス転移点以上)の際に製造時の圧延方向に収縮する性質があるため、被覆板112を加熱して圧着する前にアニール処理しておくことが望ましい。
In order for the
本発明の実施形態では、基板111の材料は、0.3mmのガラスエポキシプリント回路基板(PCB)である。基板111には、厚さ18μmの銅箔を張り付けてエッチング処理を行うことによって、部品間を接続する導体パターン151、152、153、154、211を予め形成しておく。これによって、振動伝達板11を熱圧着によって成形する際、基板111上に載置される圧電素子21及び一対の係合機構311、321と、導体パターン151、152、153、154、211との接続部が、各々の部品の熱膨張率の差異により、加熱―冷却過程において局所的な応力の集中による断裂等の不具合の発生を最小限に抑えることが可能となる。
In an embodiment of the present invention, the material of the
本発明の実施形態では、基板111及び被覆板112の熱圧着における接着剤として厚さ50μmのホットメルトシート103を用いる。ホットメルトシート103の材料は、概ね80℃以上で溶融状態となり、高い接着性と可撓性を有するポリエステル系が望ましい。熱圧着時の温度は90〜120℃で1〜3分間の加熱により、通常の使用範囲で剥離することなく確実に圧着することが可能となる。基板111と被覆板112との熱膨張率の差異により、冷却過程において反りを生じるが、僅かに反る方向と逆の形状にした状態で冷却し、成型することで、冷却後に振動伝達板11を平坦な形状にすることができる。
In the embodiment of the present invention, a
心電電極31、32の体表と対向する面には、生体センサ100を体表に貼り付けるために、粘着剤として、分極電圧が低く安定した銀−塩化銀電極と密着性の高い導電性粘着ゲル315、325が塗布されており、体表から微弱な心筋の起電圧を伝達する。導電性粘着ゲル315、325が塗布される心電電極31、32の面を生体の胸部の胸骨直上の表皮に直接貼り付けることで、心電波形と生体表面の振動波形を単一の生体センサ100によって同時に検出可能となる。粘着剤は、導電性粘着ゲル315、325に限らず、導電性粘着シールでも良い。
In order to attach the
一対の係合機構311、321は、それぞれ、ドーナツ状の金属板の中央に円形状の孔が形成され、この孔に対し放射状に複数のスリットが形成される挿入口を有する。心電電極31、32の基板111と対向する面には、円筒形状の突起部313、323が形成されている。突起部313、323には、側面を一周する溝が形成されている。それぞれの係合機構311、321の挿入口に心電電極31、32の突起部313、323を挿入することによって、係合機構311、321に心電電極31、32を係止する。係合機構311、321の挿入口はスリットによって板バネとなり、突起部313、323の溝に嵌まる。従って、心電電極31、32の突起部313、323は、通常の使用において係合部位がずれることなく確実に係止されるため、心電電極31、32の心電図信号が接触不良なく伝導するとともに、体表の振動が振動伝達板11を介して圧電素子21に伝達される。
Each of the pair of
心電電極31、32の心電パッド314、324は、粘着性の導電性粘着ゲル315、325によって体表Sと接触しているものの、体表Sの振動は導電性粘着ゲル315、325を介して多少減衰する。しかしながら、本発明の実施形態では、後述する様々な生体信号を検出するために必要な周波数範囲「0.1〜1kHz」においては、高いシグナル/ノイズ比(=S/N比)を有するため、生体信号を高精度に検出することが可能である。
Although the
図5及び図6は、生体センサ100を用いた生体信号監視ユニット51のハードウェア構成と処理の流れを示している。圧電素子21及び一対の心電電極31、32によって電気信号に変換された生体信号は、それぞれ生体信号検知部521において増幅し、AD変換部522でデジタル変換される。デジタル化した心電データは、演算部53でフィルタリング処理され、表示部55で心電波形551を表示する。体表の振動信号も同様にAD変換部522でデジタル変換され、演算部53で周波数帯によるバンドパスフィルタリングを行い、呼吸運動波形553、心音波形552及び呼吸音波形554に分離・抽出し、それぞれ表示部55で表示する。また、演算部53では、心電波形551、呼吸運動波形553、心音波形552及び呼吸音波形554の正常/異常判定も行い、異常が発生した場合には、表示部55に警告を表示する。制御部54では、生体信号監視ユニット51の表示部55の各種生体信号波形の表示設定、又は、正常/異常判定の設定変更を行う。
5 and 6 show the hardware configuration of the biological
心電波形551、呼吸運動波形553、心音波形552、及び呼吸音波形554は、正常/異常判定の履歴と共に時系列データとして記録される。時系列データは、送信部56により有線LAN、又は、無線LAN、又は無線通信であるBluetooth(登録商標)通信にてパソコンやタブレット端末に直接送信可能であり、パソコンやタブレット端末を経由してクラウドサーバーに送信し、遠隔地で監視することも可能である。
The
100 生体センサ
103 ホットメルトシール
11 振動伝達板
111 基板
112 被覆板
15 導体パターン
151 圧電素子カソード用導体パターン
152 圧電素子アノード用導体パターン
153 心電電極導体パターン(頭部側)
154 心電電極導体パターン(腹部側)
211 導体パターン(ジャンパー)
21 圧電素子
31 心電電極(頭部側)
311 係合電極板(頭部側)
313 心電電極係合部(頭部側)
314 電極パッド(頭部側)
315 導電性粘着ゲル(頭部側)
32 心電電極(腹部側)
321 係合電極板(腹部側)
323 心電電極係合部(腹部側)
324 電極パッド(腹部側)
325 導電性粘着ゲル(腹部側)
41 フィルム電線
51 生体信号監視ユニット
52 生体信号処理部
521 生体信号検出部
522 AD変換部
53 演算部
54 制御部
55 表示部
551 心電波形
552 心音波形
553 呼吸運動波形
554 呼吸音波形
56 送信部
57 記憶部
S 体表(皮膚)
DESCRIPTION OF
154 ECG electrode conductor pattern (abdominal side)
211 Conductor pattern (jumper)
21
311 Engagement electrode plate (head side)
313 ECG electrode engaging part (head side)
314 Electrode pad (head side)
315 Conductive adhesive gel (head side)
32 ECG electrodes (abdominal side)
321 Engaging electrode plate (abdomen side)
323 ECG electrode engaging part (abdominal side)
324 electrode pad (abdominal side)
325 conductive adhesive gel (abdomen side)
41
Claims (4)
生体が発する電気信号を検出する一対の心電電極と、
前記生体が発する振動を前記圧電素子に伝達する振動伝達板と、
を備え、
前記圧電素子及び前記一対の心電電極は前記振動伝達板に設けられ、
前記一対の心電電極の一方の面には導電性の粘着剤を備える
ことを特徴とする生体センサ。 A piezoelectric element that converts vibration into voltage;
A pair of electrocardiographic electrodes for detecting an electrical signal emitted by the living body;
A vibration transmission plate for transmitting vibration generated by the living body to the piezoelectric element;
With
The piezoelectric element and the pair of electrocardiographic electrodes are provided on the vibration transmission plate,
A biosensor comprising a conductive adhesive on one surface of the pair of electrocardiographic electrodes.
前記圧電素子は、前記振動伝達板の前記長手方向の中央部に設けられる
ことを特徴とする請求項1に記載の生体センサ。 The vibration transmission plate has a longitudinal direction, and includes a pair of engagement mechanisms that engage the pair of electrocardiographic electrodes at both ends of the longitudinal direction,
The biosensor according to claim 1, wherein the piezoelectric element is provided at a central portion in the longitudinal direction of the vibration transmission plate.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の生体センサ。 The biosensor according to claim 1, wherein the vibration transmission plate has flexibility and insulation.
ことを特徴とする請求項2に記載の生体センサ。 The biosensor according to claim 2, wherein the pair of engagement mechanisms are metal plates in which a hole is formed in the center and a plurality of slits are formed radially from the hole.
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