JP2003102695A - 生体信号収集装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 乾電極を用いて生体信号を収集する生体信号
収集装置において、使い勝手が良く、かつ品質の高い生
体信号の収集を可能とすること。 【解決手段】 乾電極から取得した生体信号に基づいて
乾電極と生体との接触状態を検出するインピーダンス測
定部１２２を設け、接触状態が良好であると判断される
場合に、取得した生体信号を有効な生体信号として記録
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は生体信号収集装置及
びその制御方法に関し、特に、乾電極を用い、記録波形
の品質が良好で使い勝手の良い小型の生体信号収集装置
及びその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、心電図や筋電図等、生体の電気信
号を収集する生体信号収集装置が広く用いられている。
このような生体信号収集装置を用いる際、生体に取り付
ける電極と皮膚との電気抵抗を低減し、品質の良い信号
を収集するため、導電性のゲル等を介して電極を取り付
けることが多い。

【０００３】しかし、病院等において短時間のみ生体信
号を収集する場合はよいが、通常の生活を送りながら生
体信号を取得する際に用いられる携帯型生体信号収集装
置を用いる場合には、使い勝手の面から導電性ゲル等を
用いない、いわゆる乾電極(Dry Electrode)が用いられ
ることが多い。

【０００４】図８は、従来携帯型心電計に用いられてい
る乾電極の構成例を示す斜視図である。図８において、
乾電極は絶縁体からなる筐体２５と、筐体２５の対向す
る面上に設けられた２つの電極２０及び２１とから構成
される。このような乾電極を用いて心電波形を取得する
場合、ユーザは、一方の電極（例えば電極２１とする）
を胸に接触させ、対向するもう一方の電極（２０）を手
のひらで手前に（図の矢印方向に）押しつける。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】乾電極を用いた生体信
号収集装置において収集される生体信号の品質は、電極
と皮膚との密着度によって大きく変動することが知られ
ている。例えば心電波形を収集する場合、電極の位置に
よっては肋骨の影響で電極が皮膚に十分密着せず、診断
に利用できない程度の心電波形しか収集できない場合も
ある。

【０００６】また、信号収集時には患者自らが手で電極
を皮膚に押し当てるため、手が細かく震える場合も多
く、結果として収集される生体信号に手の振動が反映さ
れてしまうことになる。さらに、信号の収集を開始する
ためのスイッチも患者自らが操作するため、実際に電極
が皮膚にどの程度密着しているかには関係なく信号の収
集が行われてしまうという問題があった。

【０００７】本発明はこのような従来技術の問題に点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、乾電極を用い
て生体信号を収集する生体信号収集装置において、使い
勝手が良く、かつ品質の高い生体信号の収集を可能した
生体信号収集装置及びその制御方法を実現することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の要旨
は、乾電極を用いて生体信号を取得、記録する生体信号
収集装置であって、乾電極から取得した生体信号に基づ
いて、乾電極と生体との接触状態を検出する接触状態検
出手段と、接触状態検出手段が接触状態が良好であると
判断した場合に、取得した生体信号を有効な生体信号と
して記録する記録手段とを有することを特徴とする生体
信号収集装置に存する。

【０００９】また、本発明の別の要旨は、乾電極を用い
て生体信号を取得、記録する生体信号収集装置の制御方
法であって、乾電極から取得した生体信号に基づいて、
乾電極と生体との接触状態を検出する接触状態検出ステ
ップと、接触状態検出ステップが接触状態が良好である
と判断した場合に、取得した生体信号を有効な生体信号
として記録する記録ステップとを有することを特徴とす
る生体信号収集装置の制御方法に存する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明をそ
の好適な実施形態に基づき詳細に説明する。 ■（第１の実施形態） 図１は、本発明に係る生体情報収集装置の一実施形態と
しての心電計の構成例を示すブロック図である。

【００１１】本実施形態における心電計１００は、電極
部１１０及び本体１２０から構成され、電極部１１０と
本体１２０とはカールコードなど柔軟なケーブルで着脱
可能に接続されている。後述するように、本実施形態に
おいて電極部１１０はその電極部分が生体表面に密着す
るよう、弾性体により支持されている。

【００１２】心電計本体１２０は、Ａ／Ｄ変換部１２
１、インピーダンス測定部１２２、表示部１２３、入力
部１２４、出力部１２５、ＣＰＵ１２６、ＲＯＭ１２
７、ＲＡＭ１２８、生体情報記録部１２９及び外部Ｉ／
Ｆ１３０を有し、各個性要素はＣＰＵバス１３１により
相互接続されている。また、本体１２０には例えば１次
電池又は２次電池等から構成される図示しない電源部が
内蔵され、各構成要素に必要な電流／電圧を供給してい
る。

【００１３】Ａ／Ｄ変換部１２１は、電極部１１０から
の生体信号を増幅するとともに、電極部１１０から入力
するアナログ生体波形を所定のサンプリング条件でディ
ジタルデータに変換する。インピーダンス測定部１２２
は、Ａ／Ｄ変換部１２１の出力データを元に電極部１１
０の電極と生体とのインピーダンス変化を測定する。表
示部１２３は、例えばＬＣＤやＬＥＤ等の表示素子から
構成され、心電計１００の動作状態やユーザへのメッセ
ージ等を表示する。入力部１２４はボタン、キー等を有
し、心電計１００の各種設定やイベント等の入力に用い
られる。出力部１２５は例えばスピーカであり、音によ
って心電計のユーザに各種情報を報知するために用いら
れる。

【００１４】ＣＰＵ１２６は、ＲＯＭ１２７に記憶され
たプログラムを実行することにより、各構成要素を制御
し、心電計１００に必要な各種動作を実現する。ＲＯＭ
１２７は、ＣＰＵ１２６が実行するプログラムや心電計
１００の動作に必要な各種パラメータ等を記憶する。Ｒ
ＡＭ１２８は、ＣＰＵ１２６のワークエリアとして用い
られる他、各種データの一時的な記憶領域としても用い
られる。

【００１５】生体情報記録部１２９は、フラッシュメモ
リやバッテリバックアップＲＡＭ等の不揮発性メモリか
ら構成され、取得した生体波形データやこのデータに関
係する情報各種（取得時間やユーザの個人情報等）等が
記憶される。生体情報記録部１２９は本体１２０と着脱
可能に接続されてもよい。外部Ｉ／Ｆ１３０は、例えば
生体情報の分析を行う外部機器等を接続するためのイン
タフェース回路であり、周知のシリアルインタフェース
（ＲＳ−２３２Ｃ、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４等）によ
って構成される。

【００１６】■（電極部１１の構造） 図２は、本実施形態における心電計１００の電極部１１
の構成を示す図で、図２（ａ）は外観斜視図、図２
（ｂ）は側面図、図２（ｃ）は使用時の状態を説明する
図である。本実施形態において、電極部１１は一対の電
極１１１が弾性体としてのバネ１１２を介して支持部１
１０に接続された構成を有する。図２においては、説明
を簡単にするため支持部１１０を直方体形状としたが、
実際には任意の形状であってよい。また、心電計本体１
２０と接続するためのケーブルも図２では省略してあ
る。

【００１７】電極１１１を支持部１１０に接続する弾性
体であるバネ１１２は導電性材料からなり、電極１１１
で検出した生体信号を支持体１１０へ伝達する。そし
て、生体信号は図示しないケーブルを介して心電計本体
１２０へ導かれる。図２（ｃ）に示すように、バネ１１
２を用いて電極１１１を支持部１１０に接続することに
より、電極１１１がそれぞれ独立して移動可能となり、
生体表面の凹凸があっても高い接触面積を維持すること
が可能である。また、ユーザが電極を自らの体表面に押
し当てる際、手が震えたとしても、その振動をバネ１１
２が吸収し、電極１１１は接触位置を保持する。そのた
め、従来手の震えで電極が移動することによって生体信
号へ混入していたノイズを大幅に削減することが可能で
ある。

【００１８】なお、本実施形態においては電極１１１を
支持体１１０に接続する弾性体として導電性材料から構
成されるバネ１１２を用いたが、１）生体信号を伝達可
能であること、２）電極１１１を支持体１１０に対して
実質的に独立して移動可能に接続することが可能であれ
ば、他の任意の構成、例えば非導電材料の弾性材料と生
体信号伝達用の導電材料の組み合わせ等を用いることが
可能である。

【００１９】また、本実施形態においては電極１１１と
して二点電極を用いた例を説明したが、周知の不感電極
を付加しても良い。不感電極を用いることにより生体信
号の品質がさらに向上する。

【００２０】■（インピーダンス測定） 本実施形態に係る心電計は、電極と生体とが十分に接触
した状態であることを検出して生体信号の取得を開始す
ることを特徴の一つとしている。そのため、本実施形態
においては、生体と電極とのインピーダンスを測定する
ことによって電極と生体との接触状態を検出している。

【００２１】図３は心電計本体１２０のＡ／Ｄ変換部１
２１の構成例を示す図である。図３に示すように、本実
施形態におけるＡ／Ｄ変換部１２１は、電極部１１０か
らの生体信号を増幅する増幅器１２１１と、一端を増幅
器１２１１の入力に、他端を図示しない電源回路に接続
される抵抗１２１２と、増幅器１２１１の出力信号を所
定の条件でサンプリングしてディジタルデータに変換す
るＡ／Ｄ変換回路１２１３とを有している。

【００２２】抵抗器１２１２は例えば数１００ＭΩの高
い抵抗値を有し、電極部１１０の電極１１１が生体に十
分接触して電極−生体間のインピーダンスが低い場合に
は電源からの直流電圧（＋Ｖとする）は生体信号に重畳
されない。しかし、電極１１１と生体との接触状態が悪
く、または接触していない場合など、電極−生体間のイ
ンピーダンスが高くなると、その値に応じて直流電圧が
増幅器１２１１に印加される。

【００２３】従って、増幅器１２１１の出力データをイ
ンピーダンス測定部１２２で測定し、その中に含まれる
直流成分の変化を調べることによって、生体−電極間の
インピーダンス、即ち電極と生体との接触状態を検出す
ることが可能となる。後述するように、本実施形態では
ＲＡＭ１２８に記憶された生体信号の最近１０秒分のデ
ータを用いてインピーダンス測定を行い、測定区間に渡
ってインピーダンスが所定値を下回った場合にデータの
取得を継続する。

【００２４】■（生体信号の取得） 次に、図４に示したフローチャートを図１と合わせて参
照し、本実施形態における心電計１００の生体信号取得
動作について説明する。なお、以下の生体信号の取得動
作を行う前に、予め必要な条件等の設定（性別、年齢
等、ユーザの個人情報の設定、後述する報知方法の種別
設定等）は行われているものとする。

【００２５】まず、ステップＳ１０１において、例えば
入力部１２４に設けられた取得開始キー等の押下による
取得開始指示を待つ。取得開始指示が検出されると、生
体信号の取得及び記録を開始する（ステップＳ１０
３）。本実施形態においては、取得した生体信号はＡ／
Ｄ変換部１２１でディジタルデータに変換された後に、
ＲＡＭ１２８の所定領域であるバッファへ一時記憶され
る。

【００２６】バッファはＡ／Ｄ変換部１２１におけるＡ
／Ｄ変換条件（サンプリング周波数、データ長等）及び
バッファへ一時記憶する生体信号の時間とから決定され
る容量を有する。本実施形態ではバッファへ一時記憶す
る生体信号の時間を１０秒とした。

【００２７】一方、データの取得及び一時記憶が開始さ
れると同時に、インピーダンス測定部１２２はバッファ
内の生体信号ディジタルデータに基づいて、上述したよ
うに電極−生体間のインピーダンスをディジタルデータ
中に含まれる直流電圧成分の大きさとして検出する（ス
テップＳ１０５）。そして、バッファ内に一時記憶され
た１０秒分の生体信号データについて検出したインピー
ダンス値に基づいて、電極１１１と生体表面との接触状
態良否を判定する（ステップＳ１０７）。

【００２８】本実施形態においては、図５に示すよう
に、バッファへ一時記憶した１０秒間について、インピ
ーダンス検出値が所定の閾値ａを下回った際、電極１１
１と生体表面が良好に接触しているものと判断するよう
に構成した。そして、接触状態が良好であると判断され
た場合、ＲＡＭ１２８のバッファとは異なる領域に引き
続く生体信号を記録する（ステップＳ１１３）。そし
て、所定時間生体信号の取得及び記録を継続したら（ス
テップＳ１１５）取得処理を終了する。

【００２９】本実施形態では、ステップＳ１１３におい
て追加（継続）取得する所定時間を５０秒とした。従っ
て、バッファに残った１０秒分のデータと合わせ、一回
あたり１分間のデータを取得できる。

【００３０】ステップＳ１０７にもどり、バッファへ一
時記憶した１０秒間について、インピーダンス検出値が
所定の閾値を上回る区間があった場合には、電極１１１
と生体表面が良好に接触していないものと判断する。こ
の場合、引き続き取得した生体信号データはバッファへ
上書きされ、引き続きインピーダンス検出に供される
（ステップＳ１０９）。また、ユーザに対し、「もう少
し強く押すか、場所をずらしてみてください」等のメッ
セージを、例えば予めＲＯＭ１２７に記憶された音声デ
ータを用いて出力部１２５から再生し、ユーザに電極１
１１の接触が悪い旨を報知する。

【００３１】記録が終了すると、バッファに記憶された
生体信号データ（最初の１０秒分）とステップＳ１１３
で追加記録された生体信号データ（その後の５０秒分）
はＲＡＭ１２８内で結合され、ユーザの個人情報や記録
日時等各種情報を付加された後、生体情報記録部１２９
へ書き込まれる。そして、バッファやＲＡＭに記録され
ていたデータは消去される。

【００３２】図９に、従来の心電計を用いて取得した生
体信号波形の例を、図６に、本実施形態による心電計を
用いて取得した生体信号波形の例をそれぞれ示す。両図
の比較から明らかなように、図９に示す従来の取得波形
は電極の接触状態にかかわらず取得を行っているため、
ドリフトノイズが重畳した波形となっているが、本実施
形態による取得波形は非常に安定した、品質の高い波形
となっている。もちろん、取得波形の品質向上には本実
施形態における電極部の構成も寄与していることは言う
までもない。

【００３３】このように、本実施形態によれば、電極１
１１と生体表面との接触状態を検出し、良好な接触状態
が得られている場合に取得した生体信号を記録すること
により、品質の高い生体信号の取得が可能になる。

【００３４】また、さらに電極１１１を弾性体を介して
支持体１１０に接続した電極部を用いることにより、ユ
ーザの手が動いたり、震えたりした場合にも電極の接触
状態が保たれ、より安定した、品質の高い生体信号の取
得が可能になる。

【００３５】■（第２の実施形態） 上述の第１の実施形態においては、バッファへの生体信
号記録開始（ステップＳ１０３）の条件として、ユーザ
による取得開始指示（ステップＳ１０１）を用いてい
た。しかしながら、不調を感じた際に信号の記録を行う
場合などにおいては、電極を押し当てるだけで取得を開
始するように構成した方がユーザの負担を軽減できる。

【００３６】図７のフローチャートを用い、本実施形態
について説明する。なお、図７において、上述した図４
と同じ動作を行うステップには同じ参照数字を付し、重
複する説明は省略する。本実施形態においては、まずス
テップＳ２０１において、心電計の主電源がＯＮである
かどうかを判定し、主電源がＯＮであれば生体信号の取
得を開始する（ステップＳ１１３）。すなわち、主電源
がＯＮであれば常に生体信号の取得、バッファへの記
録、バッファ内のデータに対するインピーダンス測定を
行う。

【００３７】ただし、この場合、電極の接触状態が悪い
旨の報知（ステップＳ１１１）を第１の実施形態と同様
に行うと逆に煩わしいため、ユーザが生体信号の記録を
行おうとしているにもかかわらず接触状態が悪いのか、
それとも記録するつもりがなく、電極が押しつけられて
いないために接触状態が悪いのかを判別する必要があ
る。

【００３８】そのため、本実施形態では、ステップＳ２
０３において、電極が完全に外れている（生体表面に接
していない）のか、そうでないのかを判別し、電極が外
れていると判定された場合にはステップＳ１１１での報
知をスキップするように構成している。

【００３９】電極が完全に外れているのか、あるいは生
体表面に対する接触が不十分なのかは、やはりインピー
ダンス値によって判定することができる。すなわち、接
触状態が良好であるかを判定するために用いた閾値ａ
（図５）よりも十分大きな閾値ｂ（図５）を別途設定
し、バッファ内のデータについてのインピーダンス値が
この閾値ｂを超える場合には電極が外れているものと判
定する。

【００４０】このように、本実施形態によれば、第１の
実施形態よる効果に加え、ユーザがより簡単かつ自然に
生体信号の取得を行うことを可能とする。

【００４１】

【他の実施形態】なお、上述の各実施形態においては、
所定時間に渡って良好な接触が得られた場合にその後も
良好な接触が得られるものと仮定してデータ取得を行っ
ていた。しかし、ユーザは接触状態がよいか悪いか認識
していないので、例えばバッファに記録した時間には良
好であった接触状態が、例えばユーザの電極を押しつけ
る力が弱まることによって悪化することも考えられる。
そのため、接触状態が良好な場合にも「その状態を維持
してください」等の音声メッセージを報知することで、
ユーザに接触状態を意識させることも有効である。

【００４２】また、上述の各実施形態においては、接触
状態が良好であると判断された場合、バッファに記録さ
れたデータはそのまま残し、ＲＡＭ１２８の別領域に取
得データを記録するように構成した。その結果、追加記
録中にはインピーダンス測定が行われない。上述したよ
うに、バッファへの記録期間は接触状態が良好でも、そ
の後追加記録中（追加の５０秒分のデータ記録中）に接
触状態が悪化する可能性もあるため、追加記録中も引き
続きインピーダンスを測定し、その結果に応じて種々の
制御を行っても良い。

【００４３】例えば、ＲＡＭ１２８へ常に最近一記録単
位分（実施形態では１分分）の取得データを記録するよ
うに構成し（換言すれば、一記録単位分のバッファを設
け）、インピーダンス測定部１２２も一記録単位分のイ
ンピーダンス測定値を維持する。そして、一記録単位分
のデータに対するインピーダンス測定値が所定の閾値ａ
を下回った場合にこの一単位分のデータを生体情報記録
部１２９へ書き込むように構成すれば、確実に接触の良
い状態で取得したデータだけを記録することが可能であ
る。

【００４４】あるいは、追加記録を行う期間については
インピーダンス測定部１２２が処理するデータの記録領
域を変更し、追加記録された生体信号データに対してイ
ンピーダンス測定を行うように構成することも可能であ
る。

【００４５】また、追加記録期間中にインピーダンスの
上昇が認められた場合、「もう少し強く押しつけてくだ
さい」等の音声メッセージを報知するようにしても良
い。この場合、図５における閾値ａより低い閾値ｃを設
け、検出したインピーダンスがこの閾値ｃを超えた場合
に音声メッセージを報知すればよい。

【００４６】また、上述の実施形態においては、生体情
報収集装置として、電極部１１０と本体１２０とが分離
した構成を有する心電計のみを説明したが、電極部１１
０と本体１２０とは必ずしも分離している必要はなく、
両者を一体化した構成を有していても良いことは言うま
でもない。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による生体
情報収集装置及びその制御方法によれば、より使い勝手
が良く、かつ品質の高い生体信号の取得が可能になると
いう効果を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の生体情報収集装置の一実施形態として
の心電計の構成例を示すブロック図である。

【図２】図１の心電計における電極部１１０の構成例並
びに使用形態を説明する図である。

【図３】図１の心電計におけるＡ／Ｄ変換部１２１の構
成例を示すブロック図である。

【図４】第１の実施形態における生体信号取得動作を説
明するフローチャートである。

【図５】本発明の実施形態における電極接触状態判別の
原理を説明する図である。

【図６】第１の実施形態に係る心電計で取得した心電図
波形の例を示す図である。

【図７】第２の実施形態における生体信号取得動作を説
明するフローチャートである。

【図８】従来用いられている乾電極の構成例を示す斜視
図である。

【図９】従来の乾電極を用いた心電計で取得した心電図
波形の例を示す図である。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 乾電極を用いて生体信号を取得、記録す
   る生体信号収集装置であって、 前記乾電極から取得した生体信号に基づいて、前記乾電
   極と生体との接触状態を検出する接触状態検出手段と、 前記接触状態検出手段が前記接触状態が良好であると判
   断した場合に、前記取得した生体信号を有効な生体信号
   として記録する記録手段とを有することを特徴とする生
   体信号収集装置。
2. 【請求項２】 前記接触状態検出手段が、 前記乾電極と生体との接触状態に応じて前記乾電極から
   取得した生体信号に直流電圧を重畳する電圧重畳手段
   と、 前記電圧重畳手段を経た前記生体信号に含まれる、前記
   重畳された直流電圧を検出する電圧検出手段と、 前記電圧検出手段で検出した電圧値に基づいて前記接触
   状態を判断する判定手段とを有することを特徴とする請
   求項１記載の生体信号収集装置。
3. 【請求項３】 前記判定手段が、前記検出した電圧値が
   所定値を下回った場合に前記接触状態が良好であると判
   断することを特徴とする請求項２記載の生体信号収集装
   置。
4. 【請求項４】 前記判定手段が、前記検出した電圧値が
   所定時間連続して所定値を下回った場合に前記接触状態
   が良好であると判断することを特徴とする請求項２記載
   の生体信号収集装置。
5. 【請求項５】 前記乾電極が、 複数の電極と、 支持手段と、 前記複数の電極を前記支持手段に接続する接続手段とを
   有し、 前記接続手段が弾性体から構成されることを特徴とする
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の生体情報
   収集装置。
6. 【請求項６】 前記弾性体が導電性材料からなるバネで
   あることを特徴とする請求項５記載の生体情報収集装
   置。
7. 【請求項７】 さらに報知手段を有し、前記接触状態検
   出手段が前記接触状態が良好であると判断しなかった場
   合に、前記報知手段を用いてその旨を報知することを特
   徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の
   生体情報収集装置。
8. 【請求項８】 乾電極を用いて生体信号を取得、記録す
   る生体信号収集装置の制御方法であって、 前記乾電極から取得した生体信号に基づいて、前記乾電
   極と生体との接触状態を検出する接触状態検出ステップ
   と、 前記接触状態検出ステップが前記接触状態が良好である
   と判断した場合に、前記取得した生体信号を有効な生体
   信号として記録する記録ステップとを有することを特徴
   とする生体信号収集装置の制御方法。
9. 【請求項９】 前記接触状態検出ステップが、 前記乾電極と生体との接触状態に応じて前記乾電極から
   取得した生体信号に直流電圧を重畳する電圧重畳ステッ
   プと、 前記電圧重畳ステップを経た前記生体信号に含まれる、
   前記重畳された直流電圧を検出する電圧検出ステップ
   と、 前記電圧検出ステップで検出した電圧値に基づいて前記
   接触状態を判断する判定ステップとを有することを特徴
   とする請求項８記載の生体信号収集装置の制御方法。
10. 【請求項１０】 前記判定ステップが、前記検出した電
    圧値が所定値を下回った場合に前記接触状態が良好であ
    ると判断することを特徴とする請求項９記載の生体信号
    収集装置の制御方法。
11. 【請求項１１】 前記判定ステップが、前記検出した電
    圧値が所定時間連続して所定値を下回った場合に前記接
    触状態が良好であると判断することを特徴とする請求項
    ９記載の生体信号収集装置の制御方法。
12. 【請求項１２】 前記接触状態検出ステップが前記接触
    状態が良好であると判断しなかった場合に、その旨を報
    知する報知ステップをさらに有することを特徴とする請
    求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の生体情報
    収集装置の制御方法。