JP2008536605A - ユーザの生体電気信号を測定するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ユーザの生体電気信号を測定するシステム及び方法に関する。更に、本発明は、ユーザの生体電気信号を測定するコンピュータプログラムに関する。動作アーティファクトを低減しながら生体電気信号を測定する技術を提供するために、新しい方法であって、生体電気信号を測定するよう構成された電極の変位を決定するステップと、決定された変位に依存して電極の位置を調整するステップとを有する方法が提供される。本発明は、例えば、如何なるＥＣＧ測定システムにおいても電極を使用する、生体電気信号を測定する如何なるシステムにおいても使用され得る。本発明に従うアーティファクトの低減により、全てのかかるシステムの性能は実質的に向上しうる。

Description

本発明は、ユーザの生体電気信号を測定するためのシステム及び方法に関する。更に、本発明は、ユーザの生体電気信号を測定するためのコンピュータプログラムに関する。

生体電気電位及び／又は生体電気電流を含む生体電気信号は、多種多様な医療疾患及び状態の診断及び治療を支援するよう、皮膚取付型の電極により監視及び記録される。

このような電極により監視される生体電気信号の一例は、心電図（ＥＣＧ）の形で記録される心臓の電気的活動である。皮膚取付型の電極によるＥＣＧ測定は、対象の心臓機能を解析する共通の方法である。ＥＣＧは、心拍、リズム変化及び心臓状態に関する有用な情報を提供する。通常、何らかの電解液が、皮膚と電極との間に与えられる。乾いた電極が用いられる場合、汗が電解液として使用される。電極対の間で測定される電圧は、電解液へのイオンの拡散によって確立される個々の半電池（ｈａｌｆ ｃｅｌｌ）電位の間の差であり、リード（ｌｅａｄ）と呼ばれる。幾つかのリードの測定は、心臓の潜在的なベクターの幾つかの投影を与え、ＥＣＧを形成する。

ＥＣＧ測定に伴う大きな問題は動作アーティファクトである。皮膚に対する電極の相対位置のあらゆる変化は、半電池電位のむしろ大きな変化をもたらすよう電極下の平衡を乱す。この電位は、元のＥＣＧ信号の１０倍の大きさを有しうるＥＣＧの大きな擾乱をもたらしうる。動作アーティファクトの発生を減じるための幾つかの方法が知られる。皮膚への電極圧の増大は、電極位置を動きにほとんど影響を及ぼされないようにするが、電極の着け心地を悪くする。他のアプローチは、アーティファクト感度を低減するよう皮膚−電極間抵抗を小さくすることである。アーティファクトを小さくする方法に関する概説は、米国特許５，７９５，２９３によって与えられる。
米国特許５，７９５，２９３

本発明は、動作アーティファクトを低減しながら生体電気信号を測定する技術を提供することを目的とする。

上記目的は、ユーザの生体電気信号を測定する方法であって、生体電気信号を測定するよう構成された電極の変位を決定するステップと、前記決定された変位に依存して前記電極の位置を調整するステップとを有する方法によって、本発明に従って達成させる。

上記目的は、また、ユーザの生体電気信号を測定するシステムであって、生体電気信号を測定するよう構成された電極の変位を決定するよう構成された決定ユニットと、前記決定された変位に依存して前記電極の位置を調整するよう構成された調整ユニットとを有するシステムによって、本発明に従って達成される。

上記目的は、また、入力信号に依存して、生体電気信号を測定するよう構成された電極の変位を決定するコンピュータプログラム命令と、当該コンピュータプログラムがコンピュータで実行される場合に、前記決定される変位に依存して前記電極の位置を調整する出力信号を発生させるコンピュータプログラム命令とを有するコンピュータプログラムによって、本発明に従って達成される。このようにして、本発明に従って必要な技術的効果は、本発明に従うコンピュータプログラムの命令に基づいて実現され得る。かかるコンピュータプログラムは担体に記憶されていても良く、あるいは、インターネット若しくは他のコンピュータネットワークを介して利用可能であっても良い。実行する前に、コンピュータプログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭプレーヤーを用いて担体から、あるいはインターネットからコンピュータプログラムを読み出して、それをコンピュータのメモリに格納することによってコンピュータに読み込まれる。コンピュータは、とりわけ、中央処理装置ユニット（ＣＰＵ）と、バスシステムと、例えばＲＡＭ又はＲＯＭ等のメモリ手段と、入出力ユニットとを有する。

最初のステップで信号が測定され、続くステップでアーティファクト検出及びアーティファクト補償が実行されるところの従来技術とは対照的に、本発明の基本的な考えは、測定の前又は間にアーティファクトの影響を制御することである。言い換えると、起こり得るアーティファクトの直接的な原因は最初のステップで検出され、測定処理は、その後、測定への前記原因の影響を低減するために適合される。次いで、次のステップで、実際の測定が実行される。アーティファクト低減が常に受動的な方法で実行されるところの従来技術とは対照的に、本発明は、アーティファクトを最小限とするよう電極位置又は測定を連続的に調整する制御システムを用いて動作アーティファクトを能動的に低減するよう示唆する。

本発明は、例えば、如何なるＥＣＧ測定システムにおいても電極を使用する、生体電気信号を測定するための如何なるシステムでも使用され得る。本発明に従うアーティファクトの低減により、全てのそのようなシステムの性能は、実質的に向上しうる。

本発明の上記及び他の態様は、従属請求項で定義される以下の実施形態を基に、更に詳細に述べられる。

望ましくは、前記電極の変位は、動作を決定することによって決定される。この目的のために、望ましくは、前記決定ユニットは加速度計を有する。望ましくは、幾つかの方向で加速度を測定するよう構成される加速度計が使用される。

動作データは連続的に監視及び解析され、結果として得られる電極変位は、適切な解析モデルを用いて決定される。その後のステップで、電極の位置は、決定された変位に依存して調整される。望ましくは、電極の測定位置は、前記変位を補償するよう、実際に又は仮想的に、前記変位とは反対の方向に動かされる。

本発明の第１の実施例に従って、ユーザの動きは、電極から離して配置された加速度計によって決定される。加速度計が電極の直ぐ近くに位置付けられるならば、直ぐ近くで測定される加速度に対する電極の加速度が推定され得る。その後、半電池電位の変化が、電極変位に対する電極の近くでの加速度の影響をモデル化することによって決定される。

本発明の第２の実施例に従って、ユーザに対する電極の動きは、加速度計によって決定される。この場合に、望ましくは、加速度計及び電極は運動ユニットを形成する。言い換えると、加速度計は、該加速度計が電極の動きを決定するように、電極に組み込まれ、あるいは、電極に、例えば電極の上部に、位置付けられる。望ましくは、第２の加速度計は電極から離して配置される。第２の加速度計は、ユーザの動きを決定する。この場合に、電極とユーザの身体との間の加速度の差は電極の変位を与える。全ての場合において、制御システムが設けられる。制御システムは、入力信号として加速度計データを使用し、入力としての電極変位データに基づいて電極の変位を補償する制御信号（出力信号）を発生させる。

本発明の第３の実施例に従って、電極配置が使用される。これは、多数の隣接した電極領域を有する。夫々の領域は、生体電気信号を測定するよう構成される。この目的のために、単一の電極が使用されても良い。これは、多数の別々の電極領域を有し、これらの領域は、互いから電気的に分離されている。代替的に、多数の電極は、電極配置を形成するために使用される。この場合に、夫々の単一電極は、前記電極配置の分離した電極領域としての機能を果たす。十分な分解能を得るために、望ましくは４又はそれ以上の電極領域が設けられる。従って、少なくとも１つの電極領域は、夫々の主な方向“上”、“下”、“左”及び“右”に関して設けられる。結果として、インピーダンス分布は、異なる電極領域のインピーダンスを比較することによって決定される。この目的のために、インピーダンス測定は、電極に電流を流して、結果として得られる電圧を測定することによって行われる。インピーダンス分布の変化は、電極又は電極配置の変位を夫々示す。

電極の変位が決定された後、電極又は電極配置の位置は調整される。望ましくは、電極の実際の位置は、例えば、電極を動かすための作動要素によって、調整される。前記作動要素は小型モータを有しても良い。作動要素による電極変位の調整、それによる閉ループ制御システムの形成は、上述される全ての実施例に適用され得る。

望ましくは、第３の実施例の場合に、仮想測定位置、即ち、電極配置の測定の中心は、調整される。この目的のために、電極領域の変位は、多数の電極領域にわたるインピーダンス分布を測定することによって決定される。その後、電極の仮想測定位置は然るべく調整される。言い換えると、電極領域の配置から得られる測定データは、電極の変位を補償するために使用される。望ましくは、これは、電極の絶対中心から変位の方向へと測定の中心を仮想的に動かすことによって行われる。これは、異なる電極領域の加重混合（ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｍｉｘ）を使用することによって達成される。重み付けは、インピーダンス測定から得られる。

本発明の上記及び他の態様は、以下の実施例及び添付の図面を参照して、一例として、以下で詳細に記載される。

図１は、ＥＣＧ信号２における、加速度計信号１によって表される移動の影響を表す。第１の測定期間３で、ＥＣＧ電極を携行するユーザは動いていない。この場合に、加速度計信号１は決定されず、ＥＣＧはきれいな心臓信号を示す。第２の測定期間４で、ユーザは動く。これは、ＥＣＧ信号２の明らかな擾乱をもたらす。しかし、この場合に、比較的良好な接触圧力により、心拍は依然として決定され得る。

本発明の第１の実施例に従うＥＣＧ測定システム１０は図２に表される。システム１０は、ＥＣＧ電極１１と、決定ユニット１２と、調整ユニット１３とを有する。決定ユニット１２は、電極１１の変位を決定するよう構成され、一方、調整ユニット１３は、決定された変位に依存して電極１１の位置を調整するよう構成される。

決定ユニット１２は、電極１１の直ぐ近くに位置付けられる加速度計１４を有する。測定された加速度計データ（入力信号）は、ユーザの動作に基づく制御信号（出力信号）を発生させる制御ユニット１５に供給される。制御ユニット１５は、電極１１の変位を決定するための計算モデルを使用する。計算モデルは、一方で電極１１が取り付けられている位置と、他方で身体の動きに起因する電極１１の変位の変化との間の相互関係に基づく。例えば、電極１１がユーザの胸部に取り付けられ、加速度計データが、ユーザが前屈みになっていることを示すならば、電極１１は、加速度データに依存して予測され得る特定の方向に僅かに動いている可能性が極めて高い。

制御ユニット１５による加速度計データの解析が、電極１１が特定の方向に動いたことを示す場合に、制御ユニット１５は、その元の位置にある電極１１を動かすよう調整ユニット１３に指示する制御信号を発生させる。計算モデルを用いて加速度計データを解析し、制御信号を発生させるために、制御ユニット１５はマイクロプロセッサ又は他のデータ処理手段を有する。

制御信号は調整ユニット１３へ供給される。調整ユニット１３は、前のステップで決定された電極変位に基づいてユーザの皮膚に対して電極１１を動かす作動要素１６を有する。このようにして、電極１１の位置は、ユーザの動きに依存して連続的に調整される。電極１１のＥＣＧ測定信号は、外部のＥＣＧモニタ（図示せず。）へ信号リンク１８を介して送られる。

望ましくは、電極１１、制御ユニット１５及び調整ユニット１３は、ユーザの皮膚に取り付けられるべき一体電極ユニット１７を形成する。

本発明の第２の実施例に従うＥＣＧ測定システム２０は図３に表される。システム２０は、ＥＣＧ電極２１と、決定ユニット２２と、調整ユニット２３とを有する。決定ユニット２２は、第１の加速度計２４と、第２の加速度計２９とを有する。第１の加速度計２４は、第１の加速度計２４及び電極２１が運動ユニットを形成するように、電極２１に位置付けられる。第１の加速度計２４は、電極１１の変位を決定するよう構成され、一方、第２の加速度計２９は、電極２１を身に着けたユーザの動きを決定するよう構成される。この目的のために、第２の加速度計２９は、電極１１の直ぐ近くに位置付けられる。

全ての加速度計データ（入力信号）は、ユーザに対する電極２１の動きに基づく制御信号を（出力信号）を発生させる制御ユニット２５に供給される。制御ユニット２５による加速度計データの解析が、電極２１が特定の方向に動いたことを示すならば、制御ユニット２５は、その元の位置にある電極２１を動かすよう調整ユニット２３に指示する制御信号（出力信号）を発生させる。更なる加速度計２９が使用されるので、更なる加速度データが利用可能である。従って、制御ユニット２５は、第１の実施例でそうであったように、電極２１の変位を決定するためのより複雑でない計算モデルを使用しても良い。計算モデルを用いて加速度計データを解析し、制御信号を発生させるために、制御ユニット２５は、先と同じく、マイクロプロセッサ又は他のデータ処理手段を有する。

制御信号は調整ユニット２３へ供給される。調整ユニット２３は、先と同じく、然るべく電極２１を動かす作動要素２６を有する。望ましくは、電極２１、制御ユニット２５及び調整ユニット２３は、第１の加速度計２４と共に一体電極ユニット２７を形成する。先と同じく、電極２１の位置は、ユーザの動きに依存して連続的に調整される。電極２１のＥＣＧ測定信号は、外部のＥＣＧモニタ（図示せず。）へ信号リンク２８を介して送られる。

本発明の第３の実施例に従うＥＣＧ測定システム３０は図４、５及び６に表される。システム３０は、ＥＣＧ電極配置３１を備えた決定ユニット３２と、調整ユニット３３とを有する。電極配置３１は、４つの絶縁電極領域４１、４２、４３、４４を有する。インピーダンス分布は、制御ユニット３５によって異なる電極領域４１、４２、４３、４４のインピーダンス（入力信号）を比較することにより決定される。この目的のために、電極配置３１は、インピーダンス測定を可能にするように構成される。制御ユニット３５は、インピーダンスデータ４６へ計算モデルを適用することによって制御信号（出力信号）４５を発生させる。インピーダンスデータ４６を解析して、制御信号４５を発生させるために、制御ユニット３５は、マイクロプロセッサ又は他のデータ処理手段、例えば信号処理装置を有する。制御信号は、調整ユニット３３に対する命令を有する。命令は、電極領域４１、４２、４３、４４にわたるインピーダンス分布の変化によって特徴付けられる電極の変位に依存する。

同時に、４つの電極領域４１、４２、４３、４４は、調整ユニット３３へＥＣＧ測定信号４７を供給する。調整ユニット３３は、制御信号４５に従ってＥＣＧ測定信号４７を重み付けるよう構成された、例えば信号処理ユニットといった、混合器４０を有する。言い換えると、電極配置３１の仮想測定位置は、その変位に従って調整される。

ユーザが動かない場合には、各電極領域４１、４２、４３、４４は、インピーダンス分布に同様に寄与する。ユーザの皮膚に対する電極配置３１の位置が、ユーザが動いたことにより変化する場合には、“通常の”インピーダンス分布は“動的な”インピーダンス分布へと変化する。例えば、第１の電極領域４１は８０パーセント寄与し、他の３つの電極領域４２、４３、４４は、総合して、インピーダンスの２０パーセントに寄与する。その場合に、電極配置３１は第１の電極領域４１の方へと動いた可能性が高い。この場合に、制御信号は、混合器４０が、第１の電極領域４１からの測定信号の２０パーセントが３つの他の電極領域４２、４３、４４からの測定信号の８０％と混ぜ合わされるように、入来するＥＣＧ測定信号４７を混合するように発生する。言い換えると、電極配置３１の仮想測定位置はユーザの動きに依存して調整される。これは、全ての４つの電極領域４１、４２、４３、４４にわたる均一なインピーダンス分布を目標とすることによって達成される。電極配置３１の結果として得られるＥＣＧ測定信号は、外部のＥＣＧモニタ（図示せず。）へ信号リンク３８を介して送られる。望ましくは、電極配置３１、制御ユニット３５及び調整ユニット３３は一体電極ユニット３７を形成する。

本発明は、前出の実施例の詳細に限定されず、本発明は、その精神又は本質的な特性から逸脱することなく他の特定の形態で具体化され得ることは、当業者には明らかであろう。従って、前出の実施例は、限定としてではなく、全て例示として考えられるべきであり、本発明の適用範囲は、先の記載よりもむしろ、添付の特許請求の範囲によって示唆され、従って、特許請求の範囲の意義及び均等の範囲の中に含まれる全ての変更は、その中に包含されるよう意図される。更に、語「有する」は他の要素又はステップを除外しているわけではなく、語「１つの」は複数個を除外しているわけではなく、例えばコンピュータシステム又は他のユニットのような単一の要素は、特許請求の範囲に挙げられた幾つかの手段の機能を果たしても良いことが明らかである。特許請求の範囲における如何なる参照符号も、関連する請求項を限定するよう解釈されるべきではない。

時間の関数としてのＥＣＧ信号のグラフ及び加速度計信号のグラフである。 第１の実施例に従うシステムの系統図である。 第２の実施例に従うシステムの系統図である。 第３の実施例に従うシステムの系統図である。 第３の実施例に従う決定ユニットの系統図である。 第３の実施例に従う調整ユニットの系統図である。

Claims (14)

1. ユーザの生体電気信号を測定する方法であって：
   生体電気信号を測定するよう構成された電極の変位を決定するステップ，及び
   前記決定された変位に依存して前記電極の位置を調整するステップ，
   を有する方法。
2. 前記決定するステップは、前記ユーザの動作を決定するステップを有する、請求項１記載の方法。
3. 前記決定するステップは、前記ユーザに対する前記電極の動作を決定するステップを有する、請求項１記載の方法。
4. 前記調整するステップは、前記電極の実際の位置を調整するステップを有する、請求項１記載の方法。
5. 前記調整するステップは、前記電極の仮想測定位置を調整するステップを有する、請求項１記載の方法。
6. ユーザの生体電気信号を測定するシステムであって：
   生体電気信号を測定するよう構成された電極の変位を決定するよう構成された決定ユニット，及び
   前記決定された変位に依存して前記電極の位置を調整するよう構成された調整ユニット，
   を有するシステム。
7. 前記決定ユニットは加速度計を有する、請求項６記載のシステム。
8. 前記加速度計は、前記電極から離して配置される、請求項７記載のシステム。
9. 前記加速度計及び前記電極は運動ユニットを形成する、請求項７記載のシステム。
10. 前記電極から離して配置された第２の加速度計を有する、請求項７記載のシステム。
11. 前記調整ユニットは、前記電極を動かす作動要素を有する、請求項６記載のシステム。
12. 前記決定ユニットは前記電極を有し、
    前記電極は多数の隣接した電極領域を有し、
    夫々の領域は生体電気信号を測定するよう構成される、請求項６記載のシステム。
13. 前記調整ユニットは、多数の生体電気信号を解析するよう構成され、更に、前記電極の仮想測定位置を調整するよう構成される解析ユニットを有する、請求項６記載のシステム。
14. 入力信号に依存して、生体電気信号を測定するよう構成された電極の変位を決定するコンピュータプログラム命令，及び
    当該コンピュータプログラムがコンピュータで実行される場合に、前記決定される変位に依存して前記電極の位置を調整する出力信号を発生させるコンピュータプログラム命令，
    を有するコンピュータプログラム。

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