CN103796580B

CN103796580B - 生物信号测量装置

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Publication number: CN103796580B
Application number: CN201280045034.1A
Authority: CN
Inventors: 和田成司
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2032-09-03
Also published as: CN103796580A; EP2759260A4; WO2013042322A1; JP5935272B2; JP2013066526A; EP2759260A1; US9655541B2; US20140187997A1

Abstract

[问题]提供能够精确测量接触电阻的生物信号测量装置。[解决方法]一种根据本发明的生物信号测量装置包括电压源、测量电极、电阻器、第一放大器以及中性电极。测量电极连接至电压源并且与生物体接触。电阻器连接在电压源和测量电极之间。第一放大器放大电阻器和测量电极之间的电位。中性电极与生物体接触。

Description

生物信号测量装置

技术领域

本发明涉及对于测量生物信号（诸如脑电图和心电图）的生物信号测量装置。

背景技术

在通过使生物体（包括人类的动物）与电极接触测量诸如脑电图、肌电图、心电图以及体脂比的电位信号（在下文中，称作生物信号）的生物信号测量装置中，在电极和生物体的表面之间存在接触电阻。

接触电阻（尤其在电阻值大的情况下）影响由电极检测的生物信号，所以生物体的表面和电极的接触表面通常涂有例如导电胶，从而减小接触电阻。然而，难以全部消除接触电阻，所以在测量生物信号之前先测量接触电阻。

例如，非专利文献1公开数字脑电仪，该数字脑电仪从交流电压源通过电阻器向电极施加交流电信号以便从接触电阻中的电位差中获得阻抗（接触电阻）值。即，在数字脑电仪中，施加的电压由电阻器和接触电阻划分。

现有技术

非专利文献

非专利文献1：由Kanto神经生理测试学习研讨会（KantoStudyGroupforNeurophysiologicalTests）的KazuteruYanagihara,（在线）写的“数字脑电仪的秘密”（“Secretofdigitalelectroencephalograph”,2011年8月1日检索），互联网<URL:http://www2.oninet.ne.jp/ts0905/deeg/deegsemi.htm>

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在非专利文献1公开的数字脑电仪中，通过100MΩ的高电阻向电极提供10V的高压。通常，接触电阻大约是10KΩ，该值大约是电阻器的电阻值的万分之一。

因此，由接触电阻划分的电压明显小于电阻器的划分电压并且容易受交流电压源或者电阻器的误差的影响。例如，即使在电阻器的误差为1%的情况下，误差范围等于或者大于接触电阻，所以认为必须根据需要执行校准以精确测量接触电阻。

考虑到如上所述的情况，本发明的目的是提供能够精确测量接触电阻的生物信号测量装置。

解决问题的方法

为了实现上述的目的，根据本发明的实施方式，提供包括电压源、测量电极、电阻器以及第一放大器的生物信号测量装置。

测量电极连接至电压源并且与生物体接触。

电阻器连接在电压源和测量电极之间。

第一放大器放大电阻器和测量电极之间的电位。

利用上述结构，电压源施加的电压由电阻器和接触电阻划分。第一放大器检测电阻器和测量电极之间的电位，所以可以通过接触电阻从分压中计算接触电阻的电阻值。

电阻器可具有在测量电极和生物体之间的接触电阻的电阻值范围中期望测量的电阻值范围的对数中心值的电阻值。

如上所述，电压源施加的电压由电阻器和接触电阻划分。然而，接触电阻的分辩率根据电阻器的电阻值不同，并且在其对数中心值是电阻器的电阻值的范围中，可以获得最高的分辩率。因此，通过将电阻器的电阻值设置为该值，可以精确测量接触电阻。

电阻值范围是从10KΩ到1MΩ并且包含10KΩ和1MΩ的范围，并且电阻器可具有100KΩ的电阻值。

在测量电极附着于生物体表面时将接触电阻的大致范围设置为10KΩ到1MΩ的范围。在这时，将电阻器的电阻值设置为100KΩ，从而可以在该范围中精确测量接触电阻。

生物信号测量装置还可以包括能够断开和闭合在电阻器和测量电极之间的连接的开关。

利用该结构，通过断开开关，电压源停止向测量电极施加电压，并且可以检测在生物体中生成的电位信号（生物信号）。

生物信号测量装置还可以包括第二放大器和参考电极，参考电极与生物体接触并且连接至第二放大器。

利用该结构，可以为每一个电极测量接触电阻。

本发明的效果

如上所述，根据本发明，可以实现本发明提供能够精确测量接触电阻的生物信号测量装置的目的。

附图说明

图1是示出了根据本发明的第一实施方式的生物信号测量装置的结构的示意图。

图2是示出了检测电压和接触电阻之间的相互关系的示图。

图3是示出了生物信号测量装置的操作的示意图。

图4是示出了根据本发明的第二实施方式的生物信号测量装置的结构的示意图。

图5是示出了生物信号测量装置传送的并且在显示器上显示的电极的接触电阻值的示意图。

具体实施方式

（第一实施方式）

将描述根据本发明的第一实施方式的生物信号测量装置。

[生物信号测量装置的结构]

图1是示出了根据该实施方式的生物信号测量装置1的结构的示意图。生物信号测量装置1是连接至用户的头皮并且测量用户的脑电图的装置（脑电仪），但是不局限于此。生物信号测量装置1可以是能够测量在生物体（包括人类的动物）中生成的，诸如肌电图、心电图以及体脂比的生物信号的装置。如图所示，生物信号测量装置1包括电压源10、电阻器11、开关12、放大器13、测量电极14以及中性电极15。

电压源10连接至电阻器11，并且电阻器11连接至开关12。开关12连接至测量电极14，并且放大器13连接在开关12和测量电极14之间。中性电极15接地。如图所示，测量电极14和中性电极15附着于用户的头皮并且通过导电胶等电连接至用户的头皮。

对于电压源10，可以使用普通的交流电压源。频率和电压没有具体限制。例如，可以将频率设置为10Hz，而可以将电压振幅设置为±500μV。在下文中，由电压源10施加的电压由V₁表示。

电阻器11利用接触电阻（下文描述）划分施加的电压。在下文中，电阻器11的电阻值由R₁表示。下文将详细描述电阻值R₁。

开关12可断开和闭合电路。在生物信号测量装置1中，通过断开和闭合开关12，可以在接触电阻的测量和生物信号（脑电图等）的测量之间转换，尽管下文将描述细节。

测量电极14连接至放大器13的+端子，并且放大器13的-端子接地。放大器13放大并且输出划分的电压V₀。对于放大器13，可以使用普通的运算放大器。

测量电极14与生物体表面（此处，用户的头皮）接触并且电连接至生物体表面。测量电极14可以附着于用户头皮上的预定位置，例如，国际10-20系统规定的位置。此外，可以设置多个测量电极14。

测量电极14的结构没有具体限制，并且可以是通过涂覆导电胶来使用的导电性构件，充满导电性液体的弹性构件等。测量电极14和生物体表面之间的传导电阻根据生物体表面的特性或者附着的方法变化，但是通常降低至大约数十个至数百个KΩ的范围。

与测量电极14一样，中性电极15与生物体表面接触并且电连接至生物体表面。中性电极15可以附着于受脑电图影响较小的位置，例如，耳垂、鬓角等。中性电极15可以具有与测量电极14相同的结构。

[生物信号测量装置的操作]

在开关12随着电压源10施加的电压（在下文中，称作电源电压）V₁闭合时，微小电流I经过寄存器11，以及从测量电极14经过用户的头部并且流动至中性电极15。因此，在表示测量电极14和用户的头皮之间的接触电阻、用户的头部的电阻以及用户的头皮和中性电极15之间的接触电阻的总和（在下文中，称作生物体的电阻分量）由电阻值R₂时，建立以下（表达式1）。

V₁=R₁·I+R₂·I（表达式1）

此外，由放大器13检测的电压（在下文中，称作检测电压）V₀由以下（表达式2）表示。

V₀=I·R₂（表达式2）

在从上面描述的（表达式1）和（表达式2）中消除电流I时，获得以下（表达式3）。

V₀=V₁·R₂/(R₁+R₂）（表达式3）

转换（表达式3），获得以下（表达式4）。

R₂=R₁·V₀/(V₁-V₀）（表达式4）

如上所述，可以从由放大器13检测的检测电压V₀获得生物体的电阻分量的电阻值R₂。如以上（表达式1）中所示，电源电压V₁由电阻器11的电阻值R₁和生物体的成功分量的电阻值R₂划分，所以检测电压V₀根据电阻值R₁不同。

此处，在根据本公开内容的生物信号测量装置1中，电阻器11的电阻值R₁设置作为期望测量的测量值R₂的范围的对数中心值。可以根据使用的测量电极14的种类或者附着于生物体表面的方法（有或者没有导电胶等）任意设置期望测量的电阻值R₂的范围。通过以这种方法设置电阻值R₁，可以扩张电阻值R₂的测量范围并且执行精确测量。

具体地，如果期望测量的电阻值R₂的范围是10KΩ至1MΩ，电阻值R₁作为上述范围的对数中心值设置为100KΩ。图2是示出了在电阻值R₁设置为100KΩ和电压源10的幅度设置为±500μV的情况下，生物体的电阻分量的电阻值R₂和检测电压V₀之间的相互关系。

如图所示，检测电压V₀在电阻值R₁设置作为中心的范围（图中由范围A表示）中示出了大的倾斜并且在该范围之外的范围（图中由范围B表示）中示出了小的倾斜。具体地，在电阻值R₂的范围是10KΩ至1MΩ时，检测电压V₀在100μV至400μV的宽范围内变化。与此相反，在电阻值R₂的范围小于10KΩ时，检测电压V₀在0至100μV的范围中变化，并且在电阻值R₂的范围大于1M时，检测电压V₀在400μV至500μV的范围中变化，这两个是相对窄的范围。这便意味着在范围A中，即使电阻值R₂稍微变化，检测电压V₀也会变化，即，可以获得电阻值R₂的精确检测（分辩率）。

另一方面，在范围B中，不可能获得精确检测。如果电阻值十分小，可以忽略电阻值R₂对生物信号测量的影响，并且如果电阻值异常大，可以确定测量电极14与生物体表面分离。因此，在两种情况下，如果仅仅可以获得电阻值R₂的近似值，就没必要获得其具体值。

即，在根据本发明的生物信号测量装置1中，电阻器11的电阻值R₁设置作为期望测量的生物体的电阻分量的电阻值R₂的范围的对数中心值，因此可以在必要的范围中精确测量电阻值R₂。

此外，生物信号测量装置1具有通过断开和闭合开关12可以转换接触电阻的测量和生物信号（脑电图等）的测量的结构。具体地，在开关12闭合时，如上所述，电压源10施加电压，并且测量接触电阻。在开关12断开时，放大器13放大测量电极14的信号，并且测量生物信号。

图3是示出了生物信号测量装置1操作接触电阻的测量和生物信号的测量的示意图。如图所示，在测量生物信号之前，闭合开关12以便测量接触电阻。如果接触电阻降低至预定范围，断开开关12，并且可以开始生物信号的测量。然后，在测量生物信号期间，每当预定时间周期过去时，测量接触电阻，因此例如可以测量接触电阻，或者可以检测测量电极14的分离。

如上所述，在根据该实施方式的生物信号测量装置1中，可以精确测量必要范围中的接触电阻并且精确测量受接触电阻影响的生物信号。

（第二实施方式）

将描述根据本发明的第二实施方式的生物信号测量装置。在该实施方式中，在一些情况下可省去与第一实施方式相同的结构的描述。

[生物信号测量装置的结构]

图4是根据该实施方式的生物信号测量装置2的结构的示意图。生物信号测量装置2是连接至用户的头皮并且测量用户的脑电图的装置，但是不限于此。生物信号测量装置2可以是能够测量在生物体中生成的诸如肌电图、心电图以及体脂比的生物信号的装置。如图所示，生物信号测量装置2包括电压源20、电阻器21、开关22、放大器23、测量电极24、中性电极25、参考电极26以及放大器27。

电压源20连接至电阻器21，并且电阻器21连接至开关22。开关22连接至测量电极24，并且放大器23连接在开关22和测量电极24之间。中性电极25接地。参考电极26连接至放大器27。如图所示，测量电极24、中性电极25以及参考电极26附着于用户的头皮并且通过导电胶等电连接至头皮。

对于电压源20，可以使用普通的交流电压源。频率和电压没有具体限制。例如，频率可以设置为10Hz，并且电压振幅可以设置为±500μV。

电阻器21利用接触电阻划分施加的电压。在下文中，电阻器21的电阻值由Rs表示。如第一实施方式，电阻器21的电阻值Rs设置作为期望精确测量的接触电阻的电阻值的范围的对数中心值。

开关22可以断开和闭合电路。在生物信号测量装置2中，通过断开和闭合开关22，可以在接触电阻的测量和生物信号的测量之间转换。

测量电极24连接至放大器23的+端子，并且放大器23的-端子接地。放大器23放大并且输出划分的电压。在下文中，放大器23的放大系数由放大系数A表示，并且放大器23的输出电压由检测电压Va表示。对于放大器23，可以使用普通的运算放大器。

测量电极24与生物体表面接触并且电连接至生物体表面。测量电极24可以附着于在用户的头皮的预定位置，例如由国际10-20系统规定的位置。此外，可以设置多个测量电极24。

与测量电极24一样，中性电极25与生物体表面接触并且电连接至生物体表面。中性电极25可以附着于受脑电图影响较小的位置，例如，耳垂、鬓角等。中性电极25可以具有与测量电极24相同的结构。

与测量电极24和中性电极25一样，参考电极26与生物体表面接触并且电连接至生物体表面。可以将参考电极26附着于噪声小的位置，例如，在头顶部附近。参考电极26可以具有与测量电极24相同的结构。

参考电极26连接至放大器27的+端子，而放大器27的-端子接地。放大器27放大并且输出由参考电极26检测的信号。在下文中，放大器27的放大系数由放大系数B表示，而放大器27的输出电压由检测电压Vb表示。对于放大器27，可以使用普通的运算放大器。

[生物信号测量装置的操作]

在开关22随着电压源20施加的电压（在下文中供电电压Vi）闭合时，微小电流经过寄存器21，以及从测量电极24流经用户的头部并且流动至中性电极25。因此，当测量电极24和用户的头皮之间的接触电阻由电阻值Ra表示，参考电极26和用户的头皮之间的接触电阻由电阻值Rb表示，并且中性电极25和用户的头皮之间的接触电阻由电阻值Rc表示时，建立以下（表达式5）和（表达式6）。

Va=(Ra+Rc）/(Ra+Rc+Rs）·A·Vi（表达式5）

Vb=Rc/(Ra+Rc+Rs）·B·Vi(表达式6）

转换以上（表达式5），获得以下（表达式7），并且转换以上（表达式6），获得以下（表达式8）。

(AVi-Va）Ra+(AVi-Va）Rc=VaRs（表达式7）

VbRa+(Vb-BVi）Rc=-VbRs（表达式8）

以上（表达式7）和（表达式8）是具有两个未知数的联立线性方程，所以可以获得电阻值Ra和电阻值Rc。

以这种方法，可以从由放大器23和放大器27分别检测的检测电压Va和检测电压Vb中获得电阻值Ra和电阻值Rc。如以上（表达式5）和（表达式6）示出，供电电压Vi由电阻器21的电阻值Rs和电极的接触电阻划分，所以检测电压Va和检测电压Vb根据电阻值Rs变化。

这里，如第一实施方式，电阻器21的电阻值Rs设置作为期望测量的接触电阻的电阻值Ra的范围的对数中心值，从而可以在必要的范围中精确测量电阻值Ra。

此外，生物信号测量装置2具有通过断开和闭合开关22可以转换接触电阻的测量和生物信号（脑电图等）的测量的结构。具体地，在开关22闭合时，如上所述的电压源20施加电压以便测量接触电阻。在开关22断开时，放大器23放大（差动放大）在测量电极24和参考电极26之间的信号以便测量生物信号。

在根据该实施方式的生物信号测量装置2中，可以获得电极的接触电阻。因此，在接触电阻异常大的情况下，即，在电极被分离的情况下，可以向用户传达事实。

例如，生物信号测量装置2可以通过无线通信等向PC（个人计算机）传送获得的接触电阻值。图5是示出了在PC的显示器上显示的电极的接触电阻值的示意图。如图所示，显示出电极的接触电阻值，并且在接触电阻值超过阈值的情况下，可以通过指示、语音等催促用户改善电极的接触性质。

如上所述，在根据该实施方式的生物信号测量装置2中，可以精确测量必要范围中的接触电阻并且精确测量受接触电阻影响的生物信号。

应注意，本发明可以采用以下配置。

（1）生物信号测量装置，包括：

电压源；

测量电极，连接至电压源并且与生物体接触；

电阻器，在电压源和测量电极之间连接；以及

第一放大器，放大电阻器和测量电极之间的电位。

（2）根据上述（1）所述的生物信号测量装置，其中

电阻器在测量电极和生物体之间的接触电阻的电阻值范围中具有期望测量的电阻值范围的对数中心值的电阻值。

（3）根据上述的（1）或者（2）所述的生物信号测量装置，其中

电阻值范围是从10KΩ到1MΩ并且包含10KΩ和1MΩ的范围，以及

电阻器具有100KΩ的电阻值。

（4）根据上述的（1）至（3）的任何一个的生物信号测量装置，还包括

开关，能够断开和闭合电阻器和测量电极之间的连接。

（5）根据上述的（1）至（4）的任何一个的生物信号测量装置，还包括：

第二放大器；以及

参考电极，与生物体接触并且连接至第二放大器。

参考标号的描述

1，2生物信号测量装置

10，20电压源

11，21电阻器

12，22开关

13，23放大器

14，24测量电极

15，25中性电极

26参考电极

27放大器

Claims

1.一种生物信号测量装置，包括：

电压源；

测量电极，连接至所述电压源并且与生物体接触；

电阻器，连接在所述电压源和所述测量电极之间；以及

第一放大器，放大所述电阻器和所述测量电极之间的电位，

其中，

所述电阻器的电阻值是在所述测量电极和所述生物体之间的接触电阻的电阻值范围中具有期望测量的电阻值范围的对数中心值。

2.根据权利要求1所述的生物信号测量装置，其中，

所述测量电极和所述生物体之间的接触电阻的电阻值范围是10KΩ以上1MΩ以下的范围，以及

所述电阻器具有100KΩ的电阻值。

3.根据权利要求1所述的生物信号测量装置，还包括

开关，能够断开和闭合所述电阻器和所述测量电极之间的连接。

4.根据权利要求2所述的生物信号测量装置，还包括

5.根据权利要求1所述的生物信号测量装置，还包括：

第二放大器；以及

参考电极，与所述生物体接触并且连接至所述第二放大器。

6.根据权利要求2至3中任意一项所述的生物信号测量装置，还包括：

第二放大器；以及

参考电极，与所述生物体接触并且连接至所述第二放大器。

7.根据权利要求4所述的生物信号测量装置，还包括：

第二放大器；以及

参考电极，与所述生物体接触并且连接至所述第二放大器。