CN102293648B - 生物信号检测电极和生物信号检测装置 - Google Patents

生物信号检测电极和生物信号检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了生物信号检测电极和生物信号检测装置，其中，该生物信号检测电极包括电极元件和多个抗干燥电解液浸渍部。该电极元件由导电材料制成并具有表面。该多个抗干燥电解液浸渍部以预定的间隔置于电极元件的表面上，形成为具有使得与头皮接触而不使头发夹在电极元件和头皮之间的厚度，并且浸渍在包含抗干燥液体和导电液体的抗干燥电解液中。

Description

生物信号检测电极和生物信号检测装置
技术领域
本发明涉及在例如获得脑电波作为电子信号时优选应用的生物信号检测电极和生物信号检测装置。
背景技术
已存在从设置在头帽等上、并与佩戴头帽的测试对象的头皮接触的许多电极获得脑电波的现有技术的装置。
由于个体之间头发的存在和头部形状存在差异，使用导电浆料将该装置的电极附着在头皮上。
因此，该装置造成麻烦的工作，如将许多电极附着到头皮上，以及清洗头发以除去浆料。
日本未审查专利申请公开第2006-6666号和第2006-34429号等提出了这样的电极，其中，浸渍在生理盐水或生理盐水和酒精的混合物的导电液体中的弹性构件紧靠导电构件的端部设置，当向头皮推压弹性构件时生理盐水或混合物渗出，且导电构件经由生理盐水或混合物与头皮电连接。
日本未审查专利申请公开第10-165386号等提出了这样的电极，其中，使包括一束结合毡条的毡片与头皮接触以获取脑电波信号，其中毡条具有包含导电液体的圆形末端。
发明内容
因为由日本未审查专利申请公开第2006-6666号、第2006-34429号和第10-165386号使用生理盐水或生理盐水和酒精的混合物作为导电液体，因此存在的问题是导电液体容易蒸发，且在长期测量中导电构件和头皮之间的电连接由于导电液体的蒸发而劣化，从而不能够正确测量脑电波信号。
在由日本未审查专利申请公开第2006-6666号和第2006-34429号中所提出的电极中，由于导电构件和头皮之间的接触面积例如为大约19mm2至大约314mm2以提高导电构件与头皮之间的电连接，所以导电构件隔着头发而推压向头皮。这样，由于弹性构件不与头皮进行物理接触，因此，测量变得不稳定。
因为由日本未审查专利申请公开第10-165386号所提出的电极包含一束具有圆形末端的毡条，所以当毡片被推压向头皮时，毡条的末端与头皮直接接触的可能性增加。然而，例如，当头发的量大时，毡片可能不会与头皮进行物理接触(因为头发可能夹在二者之间)，并且测量变得不稳定。
希望提供可长时间稳定测量生物信号的生物信号检测电极和生物信号检测装置。
根据本发明的实施方式，提供了一种生物信号检测电极，其包括由导电材料制成、并具有表面的电极元件；以及多个抗干燥电解液浸渍部，其以预定的间隔置于电极元件的表面上，形成为具有使得与头皮接触而不使头发夹在电极元件和头皮之间的厚度，并且浸渍在包含抗干燥液体和导电液体的抗干燥电解液中。
根据本发明的实施方式，提供了一种生物信号检测装置，其包括电极和推压单元，该电极具有由导电材料制成并具有表面的电极元件以及多个抗干燥电解液浸渍部，其中该抗干燥电解液浸渍部以预定的间隔置于电极元件的表面上，形成为具有使得与头皮接触而不使头发夹在电极元件和头皮之间的厚度，并且浸渍在包含抗干燥液体和导电液体的抗干燥电解液中；该推压单元以预定的推力将电极推压向佩戴者的头皮。
根据本发明的实施方式，当抗干燥电解液浸渍部的端部与头皮接触时，即使其间存在头发，端部也容易地与头皮接触，并且抗干燥液体抑制了导电液的蒸发，因此可以长时间稳定测量生物信号。
附图说明
图1是示出了电极构造的示意图。
图2是示出了支撑部被移除的电极构造的示意图。
图3是示出了电极的截面图。
图4A和图4B是示出了与头皮接触的电极的示意图。
图5是示出了线圈电极的示意图。
图6是示出了阻抗测量结果的示意图。
图7是示出了脑电波测量结果的示意图。
图8是示出了生物信号检测装置的构造和佩戴状态的示意图。
图9是示出了信号处理单元的构造的示意图。
图10A、图10B和图10C是示出了根据其他实施方式的电极的示意图。
具体实施方式
本发明的实施方式将以如下所示的顺序进行描述。
1、实施方式
2、其他实施方式
<1、实施方式>
[1、电极的构造]
图1示出了根据本发明的实施方式的电极1。电极1包括电极元件2、抗干燥电解液浸渍部3、支撑部4和导线5。
电极元件2由诸如金的高导电性材料制成，并大致形成为圆盘状，并且导线5连接至原盘状的侧面上的预定位置。
如图2和图3所示，抗干燥电解液浸渍部3大致形成为圆柱状，其直径为大约2mm，而长度为大约10mm，并且与电极元件2一侧相反的端部3A大致形成为半球形。在抗干燥电解液浸渍部3中，由脱脂棉制成的纺织片3C缠绕在包括芯棒3B的端部3A的整个侧面，其中芯棒3B由纸、木材、塑料等制成。
抗干燥电解液浸渍部3的没有用纺织片3C覆盖的端部用导电粘合剂等结合至电极元件2的一侧。
四个抗干燥电解液浸渍部3被附着至电极元件2的一侧；在这些抗干燥电解液浸渍部3中，相邻的抗干燥电解液浸渍部以大于其直径的距离隔开，并且这四个抗干燥电解液浸渍部3置于具有预定尺寸的正方形的四角。
抗干燥电解液浸渍部3的纺织片3C浸渍在抗干燥电解液中，该抗干燥电解液通过以大约3比7的比率混合导电生理盐水(包含大约1％的氯化钠)和高度保水的甘油而制备。
因此，当抗干燥电解液浸渍部3的端部3A与测试对象的头皮接触时，抗干燥电解液经由生理盐水将脑电波信号传输到电极元件2，并且甘油抑制生理盐水的蒸发。
这使得即使在长期测量中，浸渍在抗干燥电解液中的抗干燥电解液浸渍部3稳定地将脑电波信号传输到电极元件2，而不会使抗干燥电解液干燥。
支撑部4由诸如聚氨酯的弹性材料制成，且大致形成为截锥状，其高度(例如，8mm)略大于抗干燥电解液浸渍部3的长度，上表面的面积与电极元件2的面积大致相同，而底面4A的面积大于上表面的面积。
在支撑部4上表面和底面4A之间设置直径大致与干燥电解液浸渍部3相同的四个通孔，其中通孔的位置与抗干燥电解液浸渍部3的位置相对应。因此，当抗干燥电解液浸渍部3插入电极1中的支撑部4的通孔中时，抗干燥电解液浸渍部3的端部3A从支撑部4的底面4A凸出。
在支撑部4中，相对于底面4A的中心，在包括通孔的预定范围内形成圆形凹部。因此，当电极1与头皮接触时，底面4A的凹部不与头皮接触，耳底面4A的除凹部以外的外周部与头皮或头发接触。
当电极1被用于测量测试对象的脑电波时，首先使抗干燥电解液浸渍部3的端部3A与测试对象的头皮接触，然后通过抗干燥电解液浸渍部3、电极元件2和导线5获得脑电波信号。
因此，在电极1中，所需要的是，不论个体之间头发外形或头部形状的差异如何，都使抗干燥电解液浸渍部3的端部3A与测试对象的头皮接触。
如图4A所示，当以预定推力将电极1推向没有头发的头皮50时，抗干燥电解液浸渍部3的端部3A与头皮50接触。
尽管抗干燥电解液浸渍部3比电极1中的支撑部4的高度略大，但是由于推力使端部3A收缩，因此支撑部4的底面4A与头皮50接触。由于抗干燥电解液浸渍部3的端部3A是圆形，以预定的推力将电极1推压向头皮50会给佩戴者造成轻微的疼痛。
因此，当电极1被用于没有头发的头皮50时，通过预定的推力，抗干燥电解液浸渍部3的端部3A保持与头皮50接触。
另外，由于支撑部4的底面4A与头皮50接触，所以电极1与头皮50在较宽的区域中接触，因此稳定地保持端部3A与头皮50接触的情况。
另一方面，如图4B所示，当电极1被用于有头发51的头皮50时，如果电极1以预定的推力推压向头皮50时，头发51夹在支撑部4的底面4A和头皮50之间，并且支撑部4在高度方向上收缩与所夹头发51的厚度相对应的量。
由于在电极1中，支撑部4在高度方向上收缩，因此抗干燥电解液浸渍部3从支撑部4的底面4A凸起的量增加了支撑部4的底面4A和头皮50之间的距离，并且抗干燥电解液浸渍部3的端部3A与头皮50接触。
由于抗干燥电解液浸渍部3的直径为大约2mm，且端部3A大致形成为半球形，因此当以预定的推力将电极1推压向头皮50时，端部3A与头皮50接触而不使头发51夹在二者之间。
因此，当电极1用于有头发51的头皮50时，由于预定的推力，使支撑部4在厚度方向上收缩了夹在支撑部4的底面4A和头皮50之间的头发51厚度。由于抗干燥电解液浸渍部3从支撑部4凸出该厚度，在电极1中保持端部3A与头皮50接触的情况。
因为此时支撑部4的底面4A由于头发51被夹而收缩并变形，电极1通过回复力将头发51推向头皮50，并且更稳定地保持了端部3A与头皮50接触的状态。
[2、测量结果]
接下来，将在下面描述电极1的阻抗测量结果、图5中示出的用于测量脑电波的可商购的线圈电极100、以及在脑电波测量过程中用作基准的电极(下面称为基准电极)。
在线圈电极100中，使用导电双面胶带将圆形电极芯片102(由DIGITEX LAB.制造的AP-P110m)附着到包括导线的主体101(AP-C300，由DIGITEX LAB.制造)的电极表面上。
使用Polymate II(AP216由DIGITEX LAB.制造)所附软件的阻抗检查模式测量阻抗。
这些阻抗的测量方式是将电极1和线圈电极100放置在佩戴者的头顶附近，将基准电极放置在佩戴者的耳垂(ear lobule)，并且使用放置在佩戴者耳垂的该电极作为本测量中的基准的电极。
测量结果显示在图6中。当测量阻抗时，将10kΩ的医学标准设为该范围。作为该测量的结果，基准电极的阻抗为34kΩ，线圈电极100的阻抗超过100kΩ，而且电极1的阻抗为88kΩ，其落入脑电波测量的允许范围内。因此，电极1具有足够大的阻抗来测量脑电波。
如上所述，由于分泌大量皮脂且代谢快，头皮中容易产生角质层，因此在具有大阻抗的干燥电极(诸如线圈电极100)的情况下难以测量脑电波。另一方面，由于电极1是湿电极，其具有浸渍在抗干燥电解液中的抗干燥电解液浸渍部3，因此即使是由于分泌大量皮脂而易于产生角质层，也可以测量脑电波。
图7示出了由将基准电极置于耳垂时置于头顶的电极1和线圈电极100测量的脑电波。从图7清晰可见，电极1和线圈电极100测量出具有几乎相同振幅的脑电波。因此，电极1如市售电极一样准确地测量脑电波。
[3、生物信号检测装置的整体构造]
图8示出了具有电极1的生物信号检测装置10的整体构造。生物信号检测装置10具有保持头部的支撑体11(也称为发带11)。发带11是形成为“C”形的弹性塑料或金属板。
该发带11具有附着在“C”形弯曲的内表面上的预定位置(面向佩戴该发带的佩戴者的头顶)的电极1。
由橡胶或其他材料制成的防滑垫12和13分别设置在发带11的一个端部和另一端部。防滑垫12和13的端部弯曲以防止端部挤进头部。
生物信号检测装置10由与佩戴者接触的防滑垫12和13与电极1支撑，并且生物信号检测装置10产生将电极1推向佩戴者头皮的推力。
因此，在生物信号检测装置10中，抗干燥电解液浸渍部3的端部3A保持与佩戴者的头皮接触。
[4、生物信号检测装置的电路构造]
图9示出了设置在生物信号检测装置10预定位置的信号处理单元20的构造。该信号处理单元20包括差分放大器31、滤波器32、A/D(模拟/数字)转换器33、分析器34、存储器35和通信单元36。
差分放大器31将电极1和置于例如佩戴者的耳垂的基准电极(未示出)之间的电位差放大为脑电波信号，并且将放大的生物信号提供给滤波器32。
为滤波器32设置目标频带。滤波器32去除不包括在所设目标频带之内的信号成分，并且将已经移除了不包括在所设目标频带之内的信号成分的脑电波信号提供给A/D转换器33。
在该实施方式中，目标频带对应于脑电波，并且将已经移除了不包括在所设目标频带中的信号成分的脑电波信号提供给A/D转换器33。
与脑电波对应的频带包括δ波(1Hz至3Hz)、θ波(4Hz至7Hz)、α波(8Hz至13Hz)、β波(14Hz至30Hz)、γ波(31Hz至64Hz)、ω波(65Hz至128Hz)、ρ波(129Hz至512Hz)和σ波(513Hz至1024Hz)。这些波的一些或全部被设置为可通过预定操作单元改变，以作为目标频带。
A/D转换器33将脑电波信号转换为数字数据(下面也称为脑电波数据)，并将数字数据提供给分析器34。
分析器34包括CPU(中央处理单元)、ROM(只读存储器)和RAM(随机存取存储器)，其中RAM是CPU的工作存储器。ROM存储用于进行分析的程序等。
当收到开始测量的命令时，分析器34将存储在ROM中的程序加载到RAM中并根据该程序进行各种处理。分析器34也在存储器35中存储A/D转换器33所提供的脑电波数据。
分析器34基于A/D转换器33提供的脑电波数据确定非REM休眠或REM休眠阶段，并使确定结果与脑电波数据相关联。
基于以下要素确定该阶段：如每单位时间内δ波、θ波或α波的出现率以及保持预定出现率的时间段。
根据来自操作单元的命令，通信单元36利用例如无线通信将分析器34所提供的脑电波数据或存储在存储器35内的脑电波数据传送至预定的外部装置。
[5、操作和效果]
在以上的构造中，电极1具有多个抗干燥电解液浸渍部3，其形成为具有使得与头皮接触而不使头发夹在中间的厚度(例如，2mm)，以连接至导电电极元件2。抗干燥电解液浸渍部3浸渍在抗干燥电解液中，该抗干燥电解液包含保水(抗干燥)液体(甘油)和导电液体(生理盐水)。
因此，在电极1中，当端部3A与测试对象的头皮50接触时，脑电波信号可通过抗干燥电解液浸渍部3被传输到电极元件2。这时，如上所述，电极1的阻抗足够大以便可以准确地测量脑电波信号。
而且，由于电极1具有包括防止导电液体(生理盐水)蒸发的电解液(甘油)的抗干燥溶液，因此甚至可在长时间段内稳定地测量脑电波。
另外，电极1具有多个抗干燥电解液浸渍部3可插入的孔以及可收缩的支撑部4，且具有与头皮50接触的底部4A，该底部4A充分大于多个抗干燥电解液浸渍部3的端面。
因此，由于当抗干燥电解液浸渍部3的端部3A与头皮50接触时，在电极1中，支撑部4具有较大面积的底面4A与头皮50或头发51接触，因此端部3A与头皮50接触的状态被保持得更加稳定。
在电极1中，即使当测试对象的头发51存在时，支撑部4在高度方向上以夹在支撑部4的底面4A和头皮50之间的头发的厚度收缩。因此，电极1通过回复力将头发51推向头皮50，并且端部3A与头皮50接触的状态被保持得更加稳定。
由于抗干燥电解液浸渍部3紧密地插入支撑部4的通孔内，因此几乎所有部分都被覆盖，所以抑制了抗干燥电解液浸渍部3中抗干燥电解液的干燥，从而可进行更长时间段的测量。
在以上的构造中，抗干燥电解液浸渍部3连接至电极元件2，该抗干燥电解液浸渍部3形成有通过推过头发而使得与头皮接触的厚度，并且浸渍在抗干燥电解液中。由于这使得抗干燥电解液浸渍部3的端部3A容易地与头皮50接触，并且导电液体的蒸发被抑制，因此可长时间稳定地进行脑电波的测量。
<2、其他实施方式>
通过将纺织片3C缠绕在芯棒3B的周围而形成的抗干燥电解液浸渍部3用在上述实施方式中，但是本发明并非限于该实例，也可使用具有不同形状的另外的抗干燥电解液浸渍部。
在图10A所示的另一实施方式中，电极100的抗干燥电解液浸渍部103整体形成为大致圆形，纺织片103C缠绕在芯棒103B的周围，并且端部103C形成为大致圆锥形，其具有圆形的顶部。
在图10B所示的又一实施方式中，电极200的抗干燥电解液浸渍部203整体形成为大致圆形，并包括端部203A大体上为半球形的压缩毡条。由于包括压缩毡条的抗干燥电解液浸渍部203通过毛细管现象储存抗干燥电解液，所以当头皮50与端部203A接触时，将脑电波信号传输到电极元件2。当与头皮50接触时，包括所述压缩毡条的抗干燥电解液浸渍部203还具有防止弯曲的强度。
在图10C中的又一实施方式中，电极300的抗干燥电解液浸渍部303整体形成为大致圆形，并包括端部303A大体为圆锥形的压缩毡条。
如上所述，适用于抗干燥电解液浸渍部的材料在其内部储存抗干燥电解液，并且具有当抗干燥电解液浸渍部与头皮接触时防止弯曲的强度。
在首先描述的实施方式中，抗干燥电解液浸渍部3的直径是2mm，但是本发明并不限于该实例，且大约2mm以下的直径也是适用的，该直径允许抗干燥电解液浸渍部303到达头皮而不使头发夹在中间。
在首先描述的实施方式中，使用混合比(生理盐水和甘油之间)为3∶7的抗干燥电解液。本发明并不限于该实例，只要保证导电性和保水性，可使用混合比(生理盐水和甘油之间)为1∶1的抗干燥电解液。
在首先描述的实施方式中，将甘油加到抗干燥电解液中以防止生理盐水的蒸发。本发明并不限于该实例，并且可使用包含生理盐水和其他保水物质(如透明质酸或胶原蛋白)的抗干燥电解液以防止生理盐水的蒸发。
在首先描述的实施方式中，使用生理盐水来增加抗干燥电解液的导电性。本发明并不限于该实例，并且可使用其他导电溶液，如氯化钾溶液。
在首先描述的实施方式中，支撑部4形成为大致截锥形。本发明并不限于该实例，并且支撑部4可形成为大致圆柱形，其上表面和底面具有和电极元件2大体相同的面积。
在首先描述的实施方式中，支撑部4不被浸渍。本发明并不限于该实例，且支撑部4可以被浸渍在抗干燥电解液中。在这种情况下，由于支撑部4与电极1中的抗干燥电解液浸渍部3接触，所以抗干燥电解液从支撑部4流向抗干燥电解液浸渍部3以使得可以进行更长时间段的测量。
在首先描述的实施方式中，生物信号检测装置10用于使电极1与测试对象的头皮接触。本发明并不限制于该实例，并且可使用预定支持单元(如头帽)使电极1与测试对象的头皮接触。即，可使用产生推力以将电极1推压向测试对象头皮的任何支持单元。
在首先描述的实施方式中，抗干燥电解液浸渍部3仅通过浸渍来接受抗干燥电解液。本发明并不限于该实例，且用于储存抗干燥电解液的容器可设置在电极元件2的与抗干燥电解液浸渍部3相反的一侧，并且使用纺织件将容器连接到抗干燥电解液浸渍部3。
在首先描述的实施方式中，将电极元件2设置为电极元件，并且将抗干燥电解液浸渍部3设置为抗干燥电解液浸渍部。本发明并不限于该实例，并且可设置具有不同构造的其他电极元件和抗干燥电解液浸渍部。
本发明包含于2010年6月28日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-146744所公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。
本领域的技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变形，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围之内。

Claims (6)

1.一种生物信号检测电极，包括：
电极元件，由导电材料制成并具有表面；
多个抗干燥电解液浸渍部，以预定的间隔置于所述电极元件的表面上，形成为具有使得与头皮接触而不使头发夹在所述电极元件和所述头皮之间的厚度，并且浸渍在包含抗干燥液体和导电液体的抗干燥电解液中；以及
支撑部，形成为具有与所述多个抗干燥电解液浸渍部几乎相同的高度，在面积大于所述多个抗干燥电解液浸渍部的面积的表面上具有所述多个抗干燥电解液浸渍部可插入的通孔，并且在所述多个抗干燥电解液浸渍部插入所述通孔的状态下，当以预定的推力将所述多个抗干燥电解液浸渍部的与所述电极元件一侧相反的端部推向测试对象的头皮时，所述支撑部以夹在所述多个抗干燥电解液浸渍部和所述测试对象头皮之间的头发的厚度收缩。
2.根据权利要求1所述的生物信号检测电极，其中，在所述多个抗干燥电解液浸渍部浸渍在所述抗干燥电解液中并插入所述通孔的状态下，所述支撑部与所述多个抗干燥电解液浸渍部接触。
3.根据权利要求2所述的生物信号检测电极，其中，所述支撑部具有面向所述电极元件的表面和与面向所述电极元件的表面相反的表面，与面向所述电极元件的表面相反的表面大于面向所述电极元件的表面。
4.根据权利要求1所述的生物信号检测电极，其中，所述多个抗干燥电解液浸渍部中的任何相邻的一对被间隔开大于所述多个抗干燥电解液浸渍部的直径的距离。
5.根据权利要求1所述的生物信号检测电极，其中，所述抗干燥电解液包含作为所述导电液体的生理盐水和作为所述抗干燥液体的甘油。
6.一种生物信号检测装置，包括：
电极，包括由导电材料制成并具有表面的电极元件以及多个抗干燥电解液浸渍部，所述抗干燥电解液浸渍部以预定的间隔置于所述电极元件的表面上，形成为具有使得与头皮接触而不使头发夹在所述电极元件和所述头皮之间的厚度，并且浸渍在包含抗干燥液体和导电液体的抗干燥电解液中；以及
推压单元，以预定的推力将所述电极推压向佩戴者的头皮，
其中，所述电极还包括支撑部，形成为具有与所述多个抗干燥电解液浸渍部几乎相同的高度，在面积大于所述多个抗干燥电解液浸渍部的面积的表面上具有所述多个抗干燥电解液浸渍部可插入的通孔，并且在所述多个抗干燥电解液浸渍部插入所述通孔的状态下，当以预定的推力将所述多个抗干燥电解液浸渍部的与所述电极元件一侧相反的端部推向测试对象的头皮时，所述支撑部以夹在所述多个抗干燥电解液浸渍部和所述测试对象头皮之间的头发的厚度收缩。
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