JP2005110801A - 生体計測センサおよび生体計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より低浸襲的に心電図を計測可能な生体計測センサおよび生体計測方法を提供する。
【解決手段】 金属電極２と被検者の体表面との間の布６を静電容量として体表面に静電容量結合により生体計測センサ１を接触させ、金属電極２から生体電気信号を抽出し、この生体計測センサ１の出力を高入力インピーダンス，低出力インピーダンスを有するインピーダンス変換器を用いて心電波形を出力する。
【選択図】 図１

Description

この発明は生体計測センサおよび生体計測方法に関し、特に、被験者の体表面に直接触れることなく心電図を取得するための生体計測センサおよび生体計測方法に関する。

一般的な心電計による心電図の記録は、安静時の心機能を測定するものであり、被験者の体表面に生じる電圧の変化を記録した心電図により行っている。心電図は心臓拍動において生じる電気的活動の記録であり、心収縮に先行して刺激の生成と伝播により興奮する心筋による体表面に生じる電圧を曲線として記録したものである。

図９は従来の心電計の概略ブロック図である。心電図の測定のためには図９に示す銀／塩化銀電極のような固定電極５１を被験者の手首や足首の近くに導電性ペーストによって皮膚１０に接着させたり、減圧を利用して皮膚１０に吸着させたり、ベルトなどで加圧を利用して皮膚１０に圧着することで固定している。固定電極５１から得られる生体電気信号は差動増幅器５２により増幅し、ノイズ除去フィルタ５３で雑音成分を除去し、Ａ／Ｄ変換器５４によりサンプリングしてデジタル信号に変換し、処理装置５５により図１０（ａ）に示すような心電図を記録計に記録したり、表示画面に波形表示している。

この場合、被験者は診察台の上に仰向けになって安静にしていることが強要される。固定電極５１は測定するごとに被験者に固定されるものであり、しかも上記のごとく導電ペーストを用いたり、減圧したり加圧したりして体表面に固定して測定に入るため、被験者に意識させることなく計測するには限界がある。

また、発作性，一過性の心臓疾患を有する患者の場合、例えば２４時間にわたって長時間心電図記録器で心電図の記録を行う必要がある。この場合においても、患者は固定電極５１を貼り付けた状態を強要され、固定電極５１を数時間も貼り付けていると接触面がかゆくなったり、アレルギー性反応により赤くただれる場合もある。金属が直接皮膚１０に触れないように固定電極５１と皮膚１０との間に布などを介在させると、固定電極５１により直接生体電気信号を検出することができない。

布を介して固定電極５１を静電容量結合することにより皮膚１０に装着して生体電気信号を検出する方法も考えられるが、固定電極５１の出力が高インピーダンスであるため、わずかな雑音電流が流れただけでも図１０（ｂ），（ｃ）に示すように雑音電圧が大きくなってしまい、生体電気信号を取り出すことができない。なお、図１０の（ｂ）は絹、（ｃ）は木綿を介在させたときの固定電極５１の出力電圧を示している。

一方、特開２００２−１５９４５８号公報には、被服の所定部位に導電性繊維を縫い込んでおき、この導電性繊維により誘導電極を構成して生体電気信号を検出し、被服のポケットに収納されている記録器に心電図を記録する生体電気信号誘導センサおよび記録システムについて記載されている。
特開２００２−１５９４５８号公報

しかし、導電性繊維を誘導電極として用いる場合には、導電性繊維が必ずしも肌に密着するとは限らず、正確な心電図を計測できない。さらに、導電性繊維は金属電極と同様にしてアレルギー反応を誘発する可能性もある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、静電容量を用いてより低浸襲的に心電図を計測可能な生体計測センサおよび生体計測方法を提供することである。

この発明は、被験者の体表面から生体電気信号を検出する生体計測センサであって、被験者の体表面に絶縁物を介して静電容量結合される導電性電極と、導電性電極から生体電気信号を低インピーダンス信号として抽出する生体電気信号抽出回路とを備える。

この発明では絶縁物を介して導電性電極を被験者の体表面に装着して生体電気信号を低インピーダンス信号として出力することにより、雑音によって阻害されることなく低浸襲的に心電図を計測可能にすることができ、アレルギー反応などを誘発するおそれを解消できる。

好ましくは、導電性電極は金属電極である。

好ましくは、導電性電極は導電性繊維である。

好ましくは、絶縁物は薄地の布である。

好ましくは、生体電気信号抽出回路は、入力が高入力インピーダンスであり、出力が低インピーダンスのインピーダンス変換回路を含む。

好ましくは、生体電気信号抽出回路はインピーダンス変換回路の出力から生体電気信号を含む周波数成分を抽出するためのフィルタ回路を含む。

好ましくは、生体電気信号抽出回路はインピーダンス変換回路から出力された生体電気信号を高いゲインで増幅する増幅回路を含む。

なお、導電性電極と絶縁物との間に設けられる高誘電率部材として、チタン酸バリウム磁器を設けてもよい。

この発明の生体計測方法は、被験者の体表面に絶縁物を介して装着される導電性電極を含む生体計測センサを被験者の体表面に静電容量結合させて装着することにより、低インピーダンスで生体電気信号を抽出する。

図１はこの発明の一実施形態の生体計測センサを示す断面図である。図１に示した生体計測センサ１は、被験者の皮膚７に直接接触することなく静電容量結合による接触を測定原理としている。導電性電極として金属電極の一例の銀電極２が設けられる。銀電極２は薄い円板状あるいは四角状に形成されている。導電性電極としては銀電極２に限ることなく、その他にステンレスやアルミニウムや導電性布や導電性ゲルなどを用いてもよい。

生体計測センサ１は、絶縁物としての絹などの薄地の布６を介して皮膚７の表面に密着されて被験者の体表面に生じる生体電気信号の変化を検出する。

図２は布の厚みと静電容量との関係を示す図であり、図３は周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。

図２に示すように布の厚みが薄くなるにしたがって静電容量が増加する。例えば布６として厚みが２４０μｍ程度の絹を用いると、生体計測センサ１と皮膚７との間の静電容量は１０^−１１Ｆ位になると予想される。また、図３から生体波形の周波数ｆが高くなるにしたがって出力インピーダンスが小さくなっており、絹を介した状態における生体計測センサ１の出力インピーダンスＺは、周波数０．１Ｈｚにおいて１０^１１Ω程度の高いインピーダンスを有するものと推定される。

図４は図１に示した生体計測センサ１から出力される生体電気信号に基づいて心電図を出力する生体計測装置２１のブロック図である。前述のごとく、生体計測センサ１は出力インピーダンスＺが１０^１１Ωというように高い値であるため、その出力にわずかな雑音電流が流れただけでも大きな雑音電圧が現われてしまう。このため、生体計測センサ１の出力信号を低インピーダンスで出力するためのインピーダンス変換器が必要になる。

生体計測センサ１で検出された高インピーダンスの生体電気信号は、入力端子１１を介してインスツルメンテーションアンプ１２に与えられ、低インピーダンスの生体電気信号に変換されてＬＰＦ１３に与えられる。インスツルメンテーションアンプ１２としては、入力インピーダンスが１０００ＧΩで、ゲインは外付け抵抗の値を変えることにより、６２倍に設定される。ＬＰＦ１３は生体電気信号から１００Ｈｚ以下の周波数成分を抽出してＤＣサーボ回路１４に与える。ＤＣサーボ回路１４は生体電気信号のＤＣ成分の変動を抑制してゼロにするようにサーボをかけてノイズ除去フィルタ１５に与える。ノイズ除去フィルタ１５は生体電気信号から５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数成分を抽出できるように、必要に応じて切換え可能に構成されており、抽出した周波数成分の生体電気信号を反転増幅器１６に与える。

反転増幅器１６はインスツルメンテーションアンプ１２によって生体電気信号が反転されるため、１６倍に増幅した後、もとの信号の極性に反転させる。その結果、生体電気信号は６２×１６≒１０００倍に増幅される。反転された生体電気信号はＤＣサーボ回路１７に与えられて、再び生体電気信号のＤＣ成分の変動をゼロにするようにサーボがかけられ、ノイズ除去フィルタ１８に与えられる。ノイズ除去フィルタ１８は前段のノイズ除去フィルタ１５と同様にして生体電気信号から５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数成分を抽出できるように切換え可能に構成されている。ノイズ除去フィルタ１８で抽出された生体電気信号は、Ａ／Ｄ変換器１９によりサンプリングされてデジタル信号に変換され、処理装置２０に与えられて、必要な処理が施されて心電波形が出力される。

なお、ノイズ除去フィルタ１８からアナログ信号の生体電気信号を取り出し、オシロスコープにより心電波形を観測するようにしてもよい。

図５は図４に示した生体計測装置から出力される心電波形図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ生体計測センサ１と皮膚７との間に絹，木綿を介在させたときに出力される心電波形図である。

上述のごとく、この実施形態では、布６を介して生体計測センサ１の銀電極２を被験者の皮膚７に密着させることにより、生体計測装置２１のインスツルメンテーションアンプ１として入力インピーダンスがさらに高く設定されたものを用い、２段のＤＣサーボ回路１４，１７でＤＣ成分の変動をゼロにするようにサーボをかけるとともに、２段の雑音除去フィルタ１５，１８により生体電気信号から５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数帯を選別して抽出することにより、心電波形を出力することが可能になる。

したがって、絹や木綿などの肌着の上に生体計測センサ１を装着することにより、心電図を低浸襲に計測することが可能になる。しかも、肌着などを介して生体計測センサ１を皮膚に装着するため、従来のように固定電極を直接体に装着することによるアレルギー反応を誘発するおそれを解消できる。

また、生体計測センサ１と被験体の体表面との間に介在させる布としては絹や木綿に限ることなく、これらの布と同程度の厚みを有する合成繊維や和紙を用いるようにしてもよい。

図６は、この発明の他の実施形態における生体計測センサを示す断面図である。この図６に示した生体計測センサ１ａは、図１に示した生体計測センサ１の金属電極２と布６との間に高誘電率材料であるからチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）磁器４を新たに設けたものであり、チタン酸バリウム磁器４は、円板状あるいは四角状に形成されて、その一方面上には銀電極２の一方面が密着して電気的に接続されている。このように生体計測センサ１ａにチタン酸バリウム磁器４を介在させることで静電容量を大きくできるので、図１に示した実施形態に比べてセンサ出力の出力インピーダンスを小さくでき、計測装置の入力インピーダンスを図４に示した例に比べて小さくでき、インピーダンス変換回路の入力インピーダンスが１００ＭΩ程度のものを用いることができる。

上述のごとく、この実施形態によれば、チタン酸バリウム磁器４の一方面に密着して生体電気信号を取り出すための銀電極２を設けて生体計測センサ１ａを構成し、被験者の皮膚７上に薄地の布６を介して生体計測センサ１ａを載置し、チタン酸バリウム磁器４と薄地の布６とを静電容量結合して、銀電極２から生体電気信号を取り出し、この生体計測センサ１の出力を生体計測装置に与えて心電図を出力することができる。

なお、上述の説明では、高誘電率部材としてチタン酸バリウム磁器４を適用した場合について説明したが、これに限ることなくその他の高誘電率部材を用いるようにしてもよい。

図７はこの発明のさらに他の実施形態における生体計測センサを構成する生体計測用着衣を示す図であり、図８は図７に示した生体計測用着衣の導電性繊維の拡大図である。

前述の図１および図６に示した生体計測センサ１，１ａは、肌着などの布の上から皮膚７に密着させるように構成したが、図７に示した実施形態は、着衣３０のうち被検者の体表面と常時直接接触する位置である肩部に導電生地３１を組み込んだものである。そして、導電生地３１が被検者の体表面に直接触れることがないように、導電生地３１と体表面との間に絹３２が組み込まれている。

導電生地３１は図８（ａ）に示すように、導電性糸３３と非導電性糸３４との織成体で構成され、この織成体と体表面との間に図８（ｂ）に示す絹３２が組み込まれている。導電性糸３３は例えば金，銀，銅などの金属糸，ポリアニリン，ポリアセチレンなどの導電性ポリマー，銀メッキナイロン糸などの導電性繊維を用いることができる。非導電性糸３４としては綿糸，アクリル，ナイロン，ポリエステル糸などを用いることができる。

導電生地３１を図４に示した生体計測装置２１の入力端子１１に接続すれば、処理装置２０から心電波形を出力することができる。

なお、図７に示した実施形態では、着衣３０の肩の部分に導電生地３１を組み込んだが、これに限ることなく、被験者の身体の体表面と直接常時接触可能な位置であれば肩部に限ることはない。また、着衣３０全体を導電生地３１で構成してもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

金属電極２と被検者の体表面との間の布６を静電容量として体表面に静電容量結合により生体計測センサ１を接触させ、金属電極２から生体電気信号を抽出し、この生体計測センサ１の出力を高入力インピーダンス，低出力インピーダンスを有するインピーダンス変換器を含む生体計測装置２１に与えて電圧波形を読み取り、心電図を低浸襲的に計測するのに利用できる。

この発明の一実施形態の生体計測センサを示す断面図である。 布の厚みと静電容量との関係を示す図である。 周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。 この発明の一実施形態における生体計測装置のブロック図である。 図４に示した生体計測装置から出力される心電波形を示す図である。 この発明の他の実施形態における生体計測センサを示す断面図である。 この発明のさらに他の実施形態における生体計測センサを構成する生体計測用着衣を示す図である。 図７に示した生体計測用着衣の導電性繊維の拡大図である。 従来の心電計の概略ブロック図である。 従来の心電計から出力される心電波形を示す図である。

符号の説明

１，１ａ生体計測センサ、２ 銀電極、３ リード線、４ チタン酸バリウム磁器、６ 布、７ 皮膚、１１ 入力端子、１２ インスツルメンテーションアンプ、１３ ＬＰＦ、１４，１７ ＤＣサーボ回路、１５，１８ ノイズ除去フィルタ、１６ 反転増幅器、１９ Ａ／Ｄ変換器、２０ 処理装置、２１ 生体計測装置、３０ 着衣、３１ 導電生地、３２ 絹、３３ 導電性糸、３４ 非導電性糸。

Claims (10)

1. 被験者の体表面から生体電気信号を検出する生体計測センサであって、
   前記被験者の体表面に絶縁物を介して静電容量結合される導電性電極と、
   前記導電性電極から生体電気信号を低インピーダンスで出力する生体電気信号抽出回路とを備えた、生体計測センサ。
2. 前記導電性電極は金属電極である、請求項１に記載の生体計測センサ。
3. 前記導電性電極は導電性繊維である、請求項１に記載の生体計測センサ。
4. 前記絶縁物は薄地の布である、請求項１に記載の生体計測センサ。
5. 前記生体電気信号抽出回路は、入力が高入力インピーダンスであり、出力が低インピーダンスのインピーダンス変換回路を含む、請求項１に記載の生体計測センサ。
6. 前記生体電気信号抽出回路は、前記インピーダンス変換回路の出力から前記生体電気信号を含む周波数成分を抽出するためのフィルタ回路を含む、請求項１または５に記載の生体計測センサ。
7. 前記生体電気信号抽出回路は、前記インピーダンス変換回路から出力された生体電気信号を高いゲインで増幅する増幅回路を含む、請求項５または６に記載の生体計測センサ。
8. さらに、前記導電性電極と前記絶縁物との間に設けられる高誘電率部材を含む、請求項１に記載の生体計測センサ。
9. 前記高誘電率部材はチタン酸バリウム磁器である、請求項８に記載の生体計測センサ。
10. 被験者の体表面に絶縁物を介して装着される導電性電極を含む生体計測センサを用いて、前記被験者の体表面から生体電気信号を抽出する生体計測方法であって、
    前記被験者の体表面に前記生体計測センサを静電容量結合させて装着することにより、前記生体電気信号を低インピーダンスで出力する、生体計測方法。

Images