CN102551700A - 生物信号检测电极及配备其的生物信号检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物信号检测电极及配备其的生物信号检测装置，该生物信号检测电极包括旋转部和多个电极端子。该旋转部可旋转地结合在可安装在活体上的支撑部上，并且具有连接至该支撑部的第一面以及与第一面相对的第二面；该多个电极端子以从旋转部的第二面倾斜地伸出的方式结合至旋转部。

Description

生物信号检测电极及配备其的生物信号检测装置

技术领域

本发明涉及一种生物信号检测电极及配备其的生物信号检测装置，该生物信号检测电极被设计为在与人体或动物体的具有毛发的部位接触时检测生物信号。

背景技术

通常，对诸如脑电图和肌电图的电信号(或者生物信号)进行分析，以了解人或者动物的健康状况。对这些生物信号的测量通常是以与人体的被测部位接触的测量电极的方式来完成的。如果被测部位是生长有毛发的部位，则将会出现皮肤与测量电极之间存在的毛发会阻挡它们之间的电接触的情况。

在这种情况下，现已开发了一种用于测量生物信号的装置，其配备有一种在毛发存在的部位获取生物信号的电极。例如，日本专利公开JP昭62-231621(第3页的右上部分和图7)(以下称作专利文献1)公开了一种“用于脑电图测量的头戴式装置”，其配备有成束的银质配线的电极。该成束的银质配线被电解液浸渍，并且该成束的银质配线的电极与病人的头部接触。

发明内容

专利文献1中所公开的成束的银质配线的电极具有在接触病人头部时导致病人疼痛的缺点。而且，紧密成束的银质配线阻碍了电极与存在头发的头皮完全接触。

上述内容促成了本发明，本发明旨在提供一种能够在不被毛发阻碍的情况下与皮肤接触的生物信号检测电极。

根据本发明的一实施方式，该生物信号检测电极由旋转部和多个电极端子组成。

该旋转部可旋转地结合至能够安装在活体上的支撑部上。其具有结合至支撑部的第一面以及与第一面相对的第二面。

该电极端子从旋转部的第二面倾斜地伸出。

根据前述结构，由于旋转部的旋转，相对于第二面倾斜伸出的电极端子将头发移至一边，而与皮肤良好地接触。

该旋转部能够以穿过第一和第二面的中心的直线为轴旋转。电极端子被布置为关于该轴旋转对称。此外，电极端子的从第一面到它们的末端的长度完全或近似相等。

如上构造的电极端子由于具有被均匀定位的末端并且使得它们的接触压力均匀分布而与皮肤完全接触。

电极端子可由浸渍有电解液的液体保持材料形成。

采用前述结构，由于在与皮肤机械接触时电极端子允许电解液从其渗出，所以电极端子获得了与皮肤的良好电接触。

电极端子可由任何弹性材料形成。

如此形成的电极端子与皮肤的形状保持一致地变形，从而紧密地接触皮肤。

根据本发明的一个实施方式，生物信号检测装置由支撑部、旋转部和电极端子组成。

该支撑部用于将生物信号检测装置结合至病人身体。

该旋转部可旋转地安装在支撑部上，其具有固定至该支撑部的第一面以及与第一面相对的第二面。

该电极端子倾斜地从旋转部的第二面伸出。

倾斜地从第二面伸出的电极端子将头发移至一边以与皮肤完全接触。

上述生物信号检测装置可以还具有用于转动旋转部的驱动机构，以及响应于电极端子的接触电阻来控制驱动机构的控制单元。

该控制单元确定电极端子与皮肤之间的接触程度，并且根据确定结果来控制旋转部的旋转，这自动地确保了电极端子和皮肤之间的良好接触。

如上所述，本发明提供了一种能够将毛发移至一边以与皮肤接触的生物信号检测电极。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施方式的生物信号检测装置的透视图；

图2是示出同上所述的生物信号检测装置的头顶部电极的透视图；

图3是示出同上所述的生物信号检测装置的移除了所结合的支撑体的头顶部电极的透视图；

图4A和图4B分别是示出同上所述的生物信号检测装置的头顶部电极的电极端子结构的平面视图和侧视图；

图5是示出同上所述的生物信号检测装置的头顶部电极的电极端子之一的结构的截面图；

图6是说明同上所述的生物信号检测装置的功能结构的框图；

图7是说明生物信号检测装置的信号处理单元的电路结构的框图；

图8是说明根据本发明第二实施方式的生物信号检测装置的功能结构的框图；和

图9是示出同上所述的生物信号检测装置的操作的流程图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下描述第一实施方式。

[生物信号检测装置的结构]

图1是示出根据本发明第一实施方式的生物信号检测装置1的透视图。

生物信号检测装置1具有支撑于病人头部的头带21。头顶部电极22、头枕部电极23、右眼电(electro-ocular)电极24、左眼电电极25、右参考电极26、左参考电极27以及壳体29与头带21连接。

头带21是一种从病人的前额延伸到病人的头顶部和头枕部的部件。其采用弧形以适合于病人的头部。此外，头带21利用其弹力保持于病人的头部。头带21具有四个臂部21a，分别支撑右眼电电极24、左眼电电极25、右参考电极26和左参考电极27，头带21的形状可适当地变化。

头顶部电极22接触病人的头顶部，头枕部电极23接触病人的头枕部。头顶部电极22和头枕部电极23用于测量病人的脑电图(EEG)。由于它们被放置在病人的存在头发的部位上，因此需要使它们与头皮直接接触(头发被移到一边)，以使它们能够有效地获取EEG。它们的用于达到此目的的结构将在后面描述。

右眼电电极24接触病人的右太阳穴，且其是由导电材料制成的平板电极。其结合至当病人戴上生物信号检测装置1时从头带21延伸到病人的右太阳穴的臂部21a上。类似地，左眼电电极25接触病人的左太阳穴，且其是由导电材料制成的平板电极。其结合至当病人戴上生物信号检测装置1时从头带21延伸到病人的左太阳穴的臂部21a上。右眼电电极24和左眼电电极25用于测量病人的眼球运动。

右参考电极26接触病人的耳垂背侧，且其是由导电材料制成的平板电极。其结合至当病人戴上生物信号检测装置1时从头带21延伸到病人右耳的臂部21a。其具有耳垂夹持器26a，该耳垂夹持器26a在被定位在耳垂的前方时与右参考电极26一起夹持耳垂。类似地，左参考电极27接触病人的耳垂背侧，且其是由导电材料制成的平板电极。其结合至当病人戴上生物信号检测装置1时从头带21延伸到病人左耳的臂部21a。其具有耳垂夹持器27a，该耳垂夹持器27a在被定位在耳垂的前方时与左参考电极27一起夹持耳垂。

壳体29以允许病人容易地佩戴生物信号检测装置1的方式结合至头带21。其包含诸如处理器、存储器和通讯接口的电子组件。头带21和臂部21a设置有配线(未示出)，用于连接电极和电子组件。

[头顶部电极和头枕部电极的结构]

下面详细描述头顶部电极22和头枕部电极23，由于这些组成部分结构相同，因此仅限于描述前者。

图2是示出头顶部电极22的结构的透视图。

头顶部电极22由基座30、4个电极端子31和支撑体32组成。基座30连接至头带21，电极电子31安装在基座30上。此外，基座30上的支撑体32部分地覆盖电极端子31。图3是示出移除了支撑体32的头顶部电极22的透视图。

基座30是由导电材料制成的平面部件，其被可旋转地支撑在头带21上，从而病人可转动头顶部电极22。或者，如稍后所述，基座30也可被设计为通过旋转驱动器(诸如电机)或机械动力源来使其转动。当基座30相对于头带21转动时，头顶部电极22相对于头带21整体转动，基座30具有用于与包含在壳体29中的电子组件连接的配线(未示出)。

支撑体32被固定至基座30，以至少露出各电极端子31的顶端的方式覆盖电极端子31。支撑体32由诸如聚氨酯的柔性材料制成。其可采用任何形状，如圆柱形和截锥形。

旋转部35由基座30和支撑体32组成。相对于头带21，其与电极端子31一起旋转。其具有第一面35a(远离头带21)和第二面35b(接触头带21)。其旋转所围绕的轴是连接第一面35a的中心和第二面35b的中心的直线，该线由图2中的L表示。

电极端子31是形成在基座30上的棒状部件。图4A和图4B是示出电极端子31的结构的顶视图和侧视图。在本实施方式中有4个电极端子31，然而，其数量也可以改变成3个，或5个以上。电极端子31关于轴(或线L)旋转对称排列(在第二面35b上)。

更具体地，电极端子31朝着它们的顶端所在的平面以某一角度倾斜。倾斜的方向可以是头顶部电极22转动的方向。顺便提及，头顶部电极22可以沿着顺时针方向和逆时针方向中的任一方向旋转，但是电极端子31应当仅沿着一个方向倾斜。

电极端子31被构造为使得它们从第一面35a到它们的末端具有完全相等或近似相等的距离。由于这种结构，电极端子31具有均匀地位于一个平面上的末端，并且当生物信号检测装置1接触病人的头部时，电极端子均匀地接收应力。电极端子31以相同的角度倾斜的这个事实使得它们保持以近似相等的角度与皮肤接触，这确保了它们与皮肤的有效接触。

电极端子31被构造为如图5(其为截面图)所示。电极端子由芯33和覆盖芯33的液体保持部34组成。芯由诸如金属和塑料的坚硬的材料构成，液体保持部34由能够保持液体的任何材料制成，如毛毡(felt)、硬毛毡、毛毡笔芯(pen refill)、压缩纤维塑料和多孔塑料。液体保持部34浸渍有电解液，如按照30∶70混合的生理盐水(含1％的氯化钠)和甘油。

当芯33和液体保持部34由适当的材料形成时，电极端子31将具有弹性，从而使得它与紧密接触的物体一致地发生变形。

头顶部电极22的上述结构也适用于头枕部电极23。头顶部电极22和头枕部电极23均被可旋转地支撑在头带21上。它们能由病人的手或安装在头带21上的诸如电机(未示出)的驱动机构来转动。驱动机构可以是一种当将其按向头带21时能产生旋转运动的驱动机构。

尽管根据本实施方式的生物信号检测装置1原本被设计为安装在病人头部，但其也可以被安装在长有毛发的任何其他部位。而且，其也可用于其他任何长有毛发的动物。在这种情况下，根据其被运用的对象，对生物信号检测装置1进行形状上的适当修改。顺便提及，根据本实施方式的生物信号检测装置1可令人满意地用于人和动物的任何无毛部位。

[生物信号检测装置的功能结构]

图6是说明该生物信号检测装置1的功能结构的框图。

如图6所示，生物信号检测装置1由头顶部电极22、头枕部电极23、右眼电电极24、左眼电电极25、右参考电极26、左参考电极27、信号处理单元40和通讯接口(IF)41组成。最后两个组件是包含在壳体29中的电子组件，如处理器和存储器。

头顶部电极22、头枕部电极23、右眼电电极24、左眼电电极25、右参考电极26和左参考电极27通过结合至头带21上的配线连接到信号处理单元40，信号处理单元40连接到通讯接口41。

信号处理单元40被典型地构造为如下所述。图7是说明信号处理单元40的电路结构的框图。如图7所示，信号处理单元40由运算放大器42、滤波器43、A/D转换器44、分析器45和存储器46组成。运算放大器42连接到头顶部电极22、头枕部电极23、右眼电电极24、左眼电电极25、右参考电极26和左参考电极27。运算放大器42、滤波器43、A/D转换器44、分析器45、存储器46和通讯接口41逐个地顺次连接。

运算放大器42放大头顶部电极22与右参考电极26之间以及头枕部电极23与左参考电极27之间的电势差(作为生物信号)。这样，放大的生物信号被送到滤波器43，该滤波器去除其中所设定的频带之外的信号分量，并将其余信号分量送到A/D转换器44。

滤波器43中设定的频带包括δ波(1～3Hz)、θ波(4～7Hz)、α波(8～13Hz)、β波(14～30Hz)、γ波(31～64Hz)、ω波(65～128Hz)、ρ波(129～512Hz)和σ波(513～1024Hz)。这些频带中的全部或部分被设定在滤波器43中，以作为测量用的频带。

A/D转换器44将生物信号转换成数字信号，并将转换后的信号送到分析生物信号的分析器45。分析处理包括睡眠等级(表示病人睡眠的程度)的确定。分析器45在存储器46中存储生物信号和分析结果，然后把它们通过通讯接口41传送出去。

前面是对生物信号检测装置1的结构的描述。顺便提及，上述结构可以有用于从病人的除了上述部位之外的部位获取生物信号的其他电极。

[生物信号检测装置的操作]

生物信号检测装置1结合至病人身上用于操作，它不仅可以用于人，也可以用于动物(特别是有毛发的动物)。在操作过程中，头顶部电极22和头枕部电极23在被压向病人头部的同时旋转，这种旋转可通过病人或结合至生物检测装置上的驱动机构来获得。

均处于旋转运动的头顶部电极22和头枕部电极23使得它们的端子31将头发移到一边从而端子可以直接接触头皮。旋转运动可以是一圈(或更多)或半圈。电极端子31可倾斜地将头发移至一边从而使得它们容易地接触皮肤。而且，由于它们由弹性材料制成，所以接触头皮不会导致疼痛，并且由于它们浸渍有电解液，因此可获得与头皮之间的良好的电接触。

上面描述的是头顶部电极22和头枕部电极23获得与病人头皮接触的方法。右眼电电极24和左眼电电极25直接与病人的无毛发皮肤接触。各电极获取生物信号，并将它们送到信号处理单元40，信号处理单元处理生物信号，并将处理过的信号通过通讯接口41送出到外部装置。

[第二实施方式]

以下描述第二实施方式。顺便提及，在第一和第二实施方式中相同的结构用相同的参考标号来表示，不再重复解释。

[生物信号检测装置的功能结构]

图8是说明根据本发明第二实施方式的生物信号检测装置的功能结构的框图。

如图8所示，生物信号检测装置101是基本上相同的结构，但另外具有旋转头顶部电极22的驱动机构102、旋转头枕部电极23的驱动机构103以及用于对驱动机构进行控制的驱动机构控制单元104，该驱动机构控制单元104连接到信号处理单元40，并且还连接到驱动机构102和103。

驱动结构102(可为电机)使头顶部电极22相对于头带21旋转。同样地，驱动机构103(可为电机)使头枕部电极23相对于头带21旋转。驱动机构控制单元104控制施加到驱动机构102和103上的电力，从而控制头顶部电极22和头枕部电极23的旋转，它可以依靠包含在壳体29中的电子组件(如处理器)的功能。

[生物信号检测装置的操作]

图9为示出生物信号检测装置101的操作的流程图。在步骤St1中，随着生物信号检测装置101被安装至病人头部，驱动机构控制单元104使驱动机构102和103旋转通过预定角度。

在步骤St2中，驱动机构控制单元104测量头顶部电极22和头枕部电极23的接触电阻，例如，该接触电阻可通过电压下降法(fall-off-potentialmethod)测量。在步骤St3中，在这样测量得到的接触电阻和预先建立的阈值之间进行比较，如果比较结果是“是”或者前者小于后者，步骤St3继续到步骤St4。这个结果表明头顶部电极22和头枕部电极23的端子31与病人的头皮接触良好。在步骤St4中，生物信号检测装置101以与第一实施方式相同的方式测量生物信号。

如果步骤St3中的比较结果是“否”或者接触电阻大于阈值，驱动机构控制单元104确定头顶部电极22和头枕部电极23的端子31与病人头皮接触不好。在这种情况下，流程返回到步骤St1，从而驱动机构控制单元104使驱动机构102和103再次旋转。接着重复后续步骤St2和St3，从而测量头顶部电极22和头枕部电极23的接触电阻，重复旋转头顶部电极22和头枕部电极23，直到接触电阻变得小于阈值或者电极端子31与头皮接触良好。以这种方式，生物信号检测装置101自动使得电极端子31与头皮接触良好。

本发明不限于上述实施方式，而是可在其范围内进行各种变化和改变。

本发明包含于2010年11月25日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-262978所公开的相关主题，其全部内容以参考的方式结合于此。

Claims (7)

1.一种生物信号检测电极，包括：

旋转部，可旋转地结合在可安装在活体上的支撑部上，且具有连接到所述支撑部的第一面以及与所述第一面相对的第二面；以及

多个电极端子，以从所述旋转部的所述第二面倾斜地伸出的方式结合至所述旋转部。

2.根据权利要求1所述的生物信号检测电极，其中，所述旋转部能够围绕穿过所述第一面的中心和所述第二面的中心的直线旋转，所述电极端子被布置为关于穿过所述第一面的中心和所述第二面的中心的直线旋转对称，且所述电极端子从所述第一面伸出完全相等或近似相等的距离。

3.根据权利要求2所述的生物信号检测电极，其中，所述电极端子由浸渍有电解液的液体保持材料制成。

4.根据权利要求3所述的生物信号检测电极，其中，所述电极端子由弹性材料制成。

5.根据权利要求1所述的生物信号检测电极，其中，所述电极端子由芯和覆盖所述芯的液体保持部组成。

6.一种生物信号检测装置，包括：

支撑部，能够被安装在活体上；

旋转部，可旋转地安装在所述支撑部上，且具有连接至所述支撑部的第一面以及与所述第一面相对的第二面；以及

多个电极端子，相对于所述旋转部的所述第二面倾斜地伸出。

7.根据权利要求6所述的生物信号检测装置，还包括：

驱动机构，用于旋转所述旋转部；以及

控制单元，响应于在所述电极端子处检测到的接触电阻来控制所述驱动机构。

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