JP2004267298A - 生体信号測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出電極を小さくした上で、その裏面に装着する計測増幅器の、利得を高くしても、低域遮断周波数を任意に設定することができる生体信号測定装置を提供すること。
【解決手段】アクティブシールド線１４から出力される筋電位を抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１、オペアンプ１６で積分してアクティブシールド線１４を介して計測増幅器１３の基準電圧とする。これによって電極裏面１２からコンデンサをなくしたので軽量化されると共に検出電極１１を小さくすることができるし、計測増幅器１３の利得Ｇを抵抗Ｒ１によって、低域遮断周波数ｆｃをコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ３によってそれぞれ独立に設定することができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間などの生体の筋電、脳波、及び神経活動電位などを測定する生体信号測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の生体信号測定装置の構成を示す図である。この従来技術は筋電位測定装置の例を示すもので、筋電位を入力する一対の検出電極５１と、検出電極５１の電極裏面５２に配置され検出電極５１から入力された筋電位を増幅する計測増幅器５３（詳細は図７に示す）と、計測増幅器５３で増幅された筋電位を電池ボックス５５へ出力し、逆に電池ボックス５５から計測増幅器５３へ電力及び基準電圧を供給するシールド線５４と、計測増幅器５３に電力及び基準電圧を供給し、生体信号測定装置本体（図示せず）のメイン増幅器に計測及び増幅された筋電位を供給する電池ボックス５５とを備えるものである。
【０００３】
検出電極５１は、筋電位を測定するのに適する大きさとして全体として２２〜２５ｍｍの直径を有し、指向性を考慮することなく筋電位を計測できるように、同心円状に配設されたものであり、この点で空間フィルタとしての機能を有する。
【０００４】
図７は、計測増幅器の詳細な構成を示す図である。計測増幅器５３は非反転増幅器５４２及び差動増幅器５４３によって構成されている。非反転増幅器５４２は、外付けの抵抗Ｒ１１及びコンデンサＣ１１、オペアンプ５３３，５３４、抵抗５３５，５３６によって構成されている。差動増幅器５４３は、抵抗５３７，５３８，５４０，５４１及びオペアンプ５３９によって構成されている。
【０００５】
ここで、抵抗５３５，５３６の抵抗値をＲｆ＝２５ｋΩとすると、計測増幅器５３の利得Ｇは、

低域遮断周波数ｆｃは、
ｆｃ＝１／２πＣ１１Ｒ１１
となる（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２７６９９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
検出電極５１と皮膚との接触による抵抗は大きく不安定であるため、ペースト（導電性の電極ノリ）を付けて皮膚との抵抗を下げて測ることも行われているが、入力インピーダンスが高い計測増幅器５３によってインピーダンス変換することによってペーストを付ける必要がなくなる。また、計測増幅器５３は筋電位を増幅するので、シールド線５４の揺れなどによるノイズが乗ってもＳＮ比が悪くならないという利点もある。しかし、検出電極５１と皮膚との接触による分極電圧は、小さいとされる銀−塩化銀製の電極を使ったとしても、約＋７０ｍＶあるので、これを例えば１００倍に増幅すると７Ｖにもなるため、所定の低域遮断周波数ｆｃ以下の周波数領域をカットする必要があるが、筋電位を測定するためには、例えばこの低域遮断周波数ｆｃ＝５［Ｈｚ］としなければならず、利得Ｇ＝１００［倍］として設計した場合、Ｒ１１＝５００［Ω］，Ｃ１１＝６４［μＦ］となるが、６４μＦの無極性の電解コンデンサは入手困難な上に、電極裏面に配置する場合、検出電極５１が大きく・厚くならざるをえない。したがって、抵抗Ｒ１１の値を大きくして、利得Ｇを下げて、コンデンサＣ１１をチップコンデンサのラインナップのある容量まで下げて、低域遮断周波数ｆｃを上げることで対応できるが、その場合には、能動電極としての利点を損なうばかりか、筋電位測定装置として必要とされている帯域まで遮断してしまうことになる。現状では、そのように対応していて、能動電極の利点を生かしきれていない。
【０００８】
また、電極の裏面に筋電位測定用としてのフィルタ回路（低域遮断周波数ｆｃ＝５〜５００ ［Ｈｚ］）を組みこんでしまうために、検出電極の大きさ・形状、低域遮断周波数など使用目的が限定されてしまう。すなわち、この大きな同心円電極を用いる筋電位測定装置は、皿電極を用いて低域遮断周波数ｆｃ＝０．３〜２０［Ｈｚ］（脳波の種類により異なる）とする脳波測定や、小さい同心円電極を用いて低域遮断周波数ｆｃ＝１〜３ ［ｋＨｚ］とする神経活動電位測定などができない。また、筋電位測定用に限定した場合においても、日本工業規格（ＪＩＳ規格）によれば、筋電計として備えるべき条件として、同相除去比６０ｄＢ以上、雑音１０μＶｐ−ｐ未満、最低感度１０μＶという規格に加えて、帯域幅（低域遮断周波数）可変フィルタを内蔵していることが規格の１つとなっているが、従来手法では、その規格を満たしていない。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、検出電極を小さくした上で、その裏面に装着する計測増幅器の利得を高くしても、低域遮断周波数を任意に設定することができる生体信号測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、その計測増幅器の低域遮断周波数を可変として複数の用途に用いることができる生体信号測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の生体信号測定装置は、皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、第１電極及び第２電極間の信号が入力される計測増幅器と、該計測増幅器の出力を伝送するアクティブシールド線と、該アクティブシールド線の出力を積分して該アクティブシールド線を介して前記計測増幅器の基準電圧として帰還することで前記計測増幅器の所定の低域遮断周波数以下の周波数領域の信号を阻止させる積分回路とを備える。
【００１２】
また、前記積分回路は、積分のための回路定数を可変として前記低域遮断周波数を可変とすることで、複数の用途の生体電気測定に適用することができる。
【００１３】
また、前記積分回路は、前記回路定数の変化を信号によって制御することで前記低域遮断周波数を動的に変化させることで、刺激によるアーチファクトなどを低減することができる。
【００１４】
また、第１電極と第２電極とは皮膚に接触する面積が等しいことで、インピーダンスのアンバランスにより同相ノイズが混入することを軽減することができる。
【００１５】
また、前記計測増幅器は、その入力に複数種類の電極が切換え可能に接続されることで、複数の用途の電極を用いることができる。
【００１６】
また、筋電位を測定する筋電位測定装置であることで、高い増幅利得でありながら、低い低域遮断周波数を設定して、筋電位測定に必要とされる周波数領域を欠かすことなく増幅することができる。
【００１７】
また、脳波を測定する脳波測定装置であることで、安静な姿勢を保つ必要がなくなり、日常生活をおくりながら脳波をＳＮ比良く測定することができる。
【００１８】
また、神経活動電位を測定する神経活動電位測定装置であることで、伝導速度が速い上に手指などに配置する場合もあり、小さな検出電極を必要とする神経活動電位測定であっても検出電極の裏面に計測増幅器を装着する能動電極を実現できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施の形態による生体信号測定装置の構成を示す図である。検出電極１１、電極裏面１２、計測増幅器１３、アクティブシールド線１４、電池ボックス１５は、それぞれ、図６に示す従来の生体信号測定装置の検出電極５１、電極裏面５２、計測増幅器５３、シールド線５４、電池ボックス５５に対応し、本実施の形態の生体信号測定装置は、計測増幅器５３外付けのコンデンサＣ１１を割愛して、計測及び増幅された筋電位を電池ボックス１５において積分して計測増幅器１３の基準電圧として帰還する回路を設けたものである。具体的には、アクティブシールド線１４から出力される筋電位を抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１、オペアンプ１６で積分してアクティブシールド線１４を介して計測増幅器１３の基準電圧とするものである。これによって電極裏面１２からコンデンサをなくしたので軽量化されると共に検出電極１１を小さくすることができる。アクティブシールド線１４はステレオイヤホンコード（１芯シールドの平行線）などの柔軟なコードが適する。
【００２１】
ここで、利得Ｇ及び低域遮断周波数ｆｃについて説明する。図６のＣ１１はなくなり、抵抗５３５，５３６はそれぞれ２５ｋΩであるので、非反転増幅器の利得は１＋５０ｋ／Ｒ１、差動増幅器の利得は１、図１の積分器は−１／（ｊωＣ１Ｒ３）を差動増幅器の入力に負帰還するものであるので、全体の利得Ｇは、
Ｇ＝（１＋５０ｋ／Ｒ１）×１／｛１−１／（ｊωＣ１Ｒ３）｝
となる。このとき、
ω→∞で、Ｇ＝１＋５０ｋ／Ｒ１
ω→０で、Ｇ＝０（従来例ではＧ＝１）
となる。低域遮断周波数ｆｃ（＝ω／２π）は、
ωＣ１Ｒ３＝１
となるときで、
ｆｃ＝１／２πＣ１Ｒ３
となる。したがって、計測増幅器１３の利得Ｇは抵抗Ｒ１によって、低域遮断周波数ｆｃはコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ３によって、それぞれ独立に調節できる。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ３は、その値を設計する上で物理的な大きさや利得Ｇの制約を受けないため、低域遮断周波数ｆｃの値を自由に選択することができる。抵抗Ｒ３を可変抵抗にしておけば、筋電位（５〜５００Ｈｚ）、脳波（０．３〜２０Ｈｚ：脳波の種類により異なる）、及び神経活動電位（１ｋ〜３ｋＨｚ）などの測定対象に応じて、計測増幅器１３の低域遮断周波数ｆｃを自由に設定できる。また、抵抗Ｒ３をフォトモスリレー１７などで抵抗Ｒ２に切換えることにより低域遮断周波数ｆｃを動的に切換えることができ、神経伝導速度検査の場合などに、刺激を加える際に信号により抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ２とを動的に切換えることによって、刺激によるアーチファクトの混入時のみに選択的に低域遮断周波数ｆｃを高く設定し、早く基線にも戻るようにすることによって全体として刺激によるアーチファクトを低減することができる。また、電源が両極性ではなく片電源である場合には、オペアンプ１６の非反転入力をアースではなく、電源電位Ｖ＋を抵抗Ｒ４，Ｒ５で分圧した中間電位に接続すれば良い。
【００２２】
図２は、汎用の検出電極の構成例を示す図である。図２（ａ）は、直径１５ｍｍ程度の神経活動電位測定用の同心円の検出電極１１と同じ形状の電極２１を貼り合わせその電極２１からリード線を介して他の形状の電極２２ａ，２２ｂ（皿電極又はディスポ電極など）につなげて使用する例示す。また、予め検出電極１１にリード線を付けておいて、他の形状の電極を接続する構成にしても良い。図２（ｂ）は、貼り合わせる電極２１とこれにリード線を介して皿電極又はディスポ電極２２ａ，２２ｂを接続する例を示す。図２（ｃ）は、貼り合わせる電極２３とこれにリード線を介してスナップ（凹凸一対の留め金具）２４ａ，２４ｂに接続して、更にスナップの相手側からリード線を介して別の電極（図示せず）に接続する例を示す。図２（ｄ）は、フレキシブルな電極２５であって、表面には直径１５ｍｍの同心円電極を、裏面には例えば直径２５ｍｍ程度の筋電位測定用の同心円電極を描いておくなど、違う大きさの同心円電極に変換する例を示す。フレキシブルな電極にすることで電極面全体が皮膚に密着するので電極が同心円で接触し、空間フィルタとしての特性を生かすことができる。なお、同心円電極の両電極は等面積とすることで、インピーダンスのアンバランスにより同相ノイズが混入することを軽減することができる。
【００２３】
図３は、汎用の検出電極の他の構成例を示す図である。図３（ａ）は、検出電極１１にコネクタ３１を介してメススナップ３２ａ，３２ｂを接続し、オススナップ３３ｃ，３３ｄを有する皿電極３３ａ，３３ｂをスナップ留めする例を示す。コネクタ３１は検出電極１１の同心円の各電極とメススナップ３２ａ，３２ｂとをそれぞれエナメル線で接続し、計測増幅器１３及びエナメル線をエポキシで固めることで構成することができる。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すメススナップ３２ａ，３２ｂに、オススナップ３７ａ，３７ｂが固設されるコネクタ３８をスナップ留めし、そのコネクタ３８からさらにリード線３９を介して大きな直径の同心円の検出電極４０を接続する例を示す。図３（ｃ）は、検出電極１１にステレオイヤホンソケット３４を接続し、ステレオイヤホンジャック３５を差し込み、更にリード線３６を介して検出電極（図示せず）を接続する例を示す。
【００２４】
図４は、専用の検出電極を設けない構成例を示す図である。図２及び図３は、ある検出電極があって、他の検出電極を用いることができるように汎用性を持たせたものであるが、特に所定の検出電極を接続しておかずに、複数種類の検出電極を接続するコネクタを設ける構成とすることもできる。すなわち、両面基板４１の下面にメススナップ４２をはめ込み固定して、上面に計測増幅器１３のＩＣ４３を装着し、それぞれを銅箔４４で接続する例である。これによれば専用の検出電極の存在を気にしたりすることなく複数の検出電極を用いることができる。
【００２５】
図５は、脳波を測定する場合の検出電極の接続例を示す図である。検出電極１１ａ，１１ｂ間、検出電極１１ｂ，１１ｃ間、検出電極１１ｃ，１１ｄ間、及び検出電極１１ｄ，１１ｅ間にそれぞれ計測増幅器１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを接続して、各検出電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ間の脳波を測定することができる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００２７】
本発明は、筋電位測定専用の筋電位測定装置であっても良いし、脳波測定専用の脳波測定装置であっても良いし、神経活動電位測定専用の神経活動電位測定装置であっても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高い利得かつ任意の低域遮断周波数の能動電極を実現することができる。また、低域遮断周波数を可変として、筋電位測定、神経活動電位測定及び脳波測定などの複数の用途に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態による生体信号測定装置の構成を示す図である。
【図２】汎用の検出電極の構成例を示す図である。
【図３】汎用の検出電極の他の構成例を示す図である。
【図４】専用の検出電極を設けない構成例を示す図である。
【図５】脳波を測定する場合の検出電極の接続例を示す図である。
【図６】従来の生体信号測定装置の構成を示す図である。
【図７】計測増幅器の詳細な構成を示す図である。
【符号の説明】
１１，５１ 検出電極
１３，５３ 計測増幅器
１４ アクティブシールド線
１６ オペアンプ
１７ フォトモスリレー
２２ａ，２２ｂ ディスポ電極
２４ａ，２４ｂ スナップ
３１ コネクタ
３２ａ，３２ｂ メススナップ
３３ｃ，３３ｄ オススナップ
３３ａ，３３ｂ 皿電極
３４ ステレオイヤホンソケット
３５ ステレオイヤホンジャック
３６ リード線
３７ａ，３７ｂ オススナップ
３８ コネクタ
３９ リード線
４０ 検出電極
４１ 両面基板
４２ メススナップ
４３ ＩＣ
４４ 銅箔
５４ シールド線

Claims (8)

1. 皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、
   第１電極及び第２電極間の信号が入力される計測増幅器と、
   該計測増幅器の出力を伝送するアクティブシールド線と、
   該アクティブシールド線の出力を積分して該アクティブシールド線を介して前記計測増幅器の基準電圧として帰還することで前記計測増幅器の所定の低域遮断周波数以下の周波数領域の信号を阻止させる積分回路と
   を備えることを特徴とする生体信号測定装置。
2. 前記積分回路は、積分のための回路定数を可変として前記低域遮断周波数を可変とすることを特徴とする請求項１記載の生体信号測定装置。
3. 前記積分回路は、前記回路定数の変化を信号によって制御することで前記低域遮断周波数を動的に変化させることを特徴とする請求項２記載の生体信号測定装置。
4. 第１電極と第２電極とは皮膚に接触する面積が等しいことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の生体信号測定装置。
5. 前記計測増幅器は、その入力に複数種類の電極が切換え可能に接続されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の生体信号測定装置。
6. 筋電位を測定する筋電位測定装置であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の生体信号測定装置。
7. 脳波を測定する脳波測定装置であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の生体信号測定装置。
8. 神経活動電位を測定する神経活動電位測定装置であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の生体信号測定装置。

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