JP2009219554A - 心電波形計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量結合型の心電波形計測装置において、計測用電極と被験者との接触状態が変化に関わらず信頼度の高い心電信号の計測を可能とする。
【解決手段】測定用電極Ｄ１〜Ｄ３に接触している被験者の生体信号を、測定用電極Ｄ１〜Ｄ３を介して検出し、その生体信号に基づいて、心電信号生成部３生成した心電信号を可変増幅器４によって増幅する。この時、測定用電極Ｄ１〜Ｄ３に設けられた複数の圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_ｍ により、測定用電極Ｄ１〜Ｄ３と被験者との間の静電容量Ｃ１〜Ｃ３を推定し、その推定結果に基づいて、可変増幅器４の増幅率Ａを設定することにより、心電信号の信号レベルを補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被験者に負担をかけることなく被験者の心電信号を計測する静電容量結合型の心電波形計測装置に関する。

従来より、車中において、被験者であるドライバの心電信号を、着衣のまま簡便に計測することを可能とする心電波形計測装置として、心電信号の生成に必要な生体信号を被験者から検出するための計測用電極を、被験者の皮膚に直接貼り付けるのではなく被験者に対向させて配備する静電容量型のものが知られている。

そして、この場合、計測用電極は、シートに着座した被験者によって圧接される部位、具体的には、シートベルト（例えば、特許文献１参照）やシート（例えば特許文献２参照）に設置することが考えられている。
特開２００７− ８２９３８号公報 特開２００７−３０１１７５号公報

しかし、静電容量結合型の心電波形計測装置では、計測用電極と被験者との間の静電容量によって、計測用電極で検出される生体信号の振幅（電圧レベル）が変化し、また、その静電容量は、計測用電極と被験者との接触状態（接触面積、密着度等）によって大きく変化する。従って、被験者の体動や座り方によって接触状態が変化すると、有効な生体信号（ひいては心電信号）を検出することができない場合があるという問題があった。

即ち、個々の計測用電極における等価回路は、図１６に示すように、計測用電極によって形成されるコンデンサと、差動増幅器によって表される。
コンデンサのインピーダンスをＺ、計測用電極間の抵抗値をＲ、被験者にて発生する生体信号をＶｓとすると、計測用電極で計測される生体信号Ｖは、（１）式で表される。但し、Ｚは、コンデンサの容量をＣ、生体信号の周波数をｆとして、（２）式で表される。

Ｖ＝Ｒ／（Ｚ＋Ｒ）・Ｖs （１）
Ｖs＝１／（２πｆＣ） （２）
（１）（２）式からわかるように、コンデンサの容量Ｃが小さいほど、コンデンサのインピーダンスＺが大きくなり、計測される生体信号Ｖは低下する。

ここで、図１７は、（１）式から得られる入出力比Ｖ／Ｖｓの理論値と、入出力比Ｖ／Ｖｓの実測値とを示すグラフである。図からわかるように、入出力比Ｖ／Ｖｓの実測値は、コンデンサの容量Ｃが大きい場合（グラフでは４ｎＦ以上）は、ほぼ理論値通りの値が得られるが、コンデンサの容量Ｃが小さい場合（グラフでは２ｎＦ以下）は、理論値からはずれ大きく外れた値となることがわかる。

なお、実測値の測定条件は、入力信号：１ｍＶ、１０Ｈｚのｓｉｎ波、サンプリング周波数：１ｋＨｚ、介挿布：綿、絹、フィルム、測定用電極面積：直径１２０ｍｍである。
本発明は、上記問題点を解決するために、静電容量結合型の心電波形計測装置において、計測用電極と被験者との接触状態が変化に関わらず信頼度の高い心電信号の計測を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するためになされた発明である請求項１に記載の心電波形計測装置は、シートに着座した被験者と接触する場所又はシート内部に位置する中間電極および一対の差分電極からなる３つの測定用電極を備えており、心電信号生成手段が、中間電極の電位を基準電位として、一対の差分電極間の電位差を示す信号を心電信号として生成する。

このとき、推定手段が、測定用電極毎に、これら測定用電極と被験者との間の静電容量を推定し、その推定結果に基づき、補正手段が、心電信号生成手段にて生成される心電信号の信号レベルを補正する。

具体的には、測定用電極の静電容量が小さいほど、一対の差分電極で検出される信号の電圧レベルが低下するため、補正手段は、その低下分を補償するように補正すればよい。
このように構成された本発明の心電波形計測装置によれば、測定用電極と被験者との間の静電容量を推定し、その推定結果に基づいて心電信号の信号レベルを補正しているため、測定用電極と被験者との接触状態（ひいては静電容量の大きさ）によらず信頼度の高い心電信号の計測結果を得ることができる。

ところで、請求項２に記載のように、測定用電極が、それぞれ単一の単位電極からなる場合、推定手段を次のように構成してもよい。
即ち、測定用電極毎に、これら測定用電極の複数の部位にそれぞれ設けられた複数の圧力センサからなる圧力検出手段を設け、有効センサ抽出手段が、圧力検出手段を構成する圧力センサのうち、出力が予め設定された有効閾値以上となるものを有効センサとして抽出する。また、接触情報算出手段が、測定用電極毎に、これら測定用電極と被験者との間の接触面積を有効センサの数に基づいて算出すると共に、測定用電極と被験者との接触圧を有効センサでの検出圧力に基づいて算出する。

そして、推定手段は、この接触情報算出手段にて算出された接触面積と接触圧とに基づいて静電容量を推定する。
このように構成された本発明の心電波形計測装置によれば、測定用電極の中で被験者と確実に接触している部位の面積（接触面積）、及びその部位に加わる圧力（接触圧）を用いて、測定用電極と被験者との間の静電容量を推定しているため、静電容量の推定精度、ひいては心電信号の計測結果の信頼度をより向上させることができる。

即ち、二つの電極（ここでは測定用電極と人体）間の静電容量Ｃは、電極間の距離をｄ、接触面積をＳ、電極間の誘電率をεとして、（３）式で表され、接触圧は距離ｄに影響を与えて静電容量Ｃを変化させるものと考えられる。

Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ （３）
ここで、図１８は、測定用電極に加わる圧力（接触圧）と静電容量との関係を、測定用電極と皮膚表面との接触状態（綿１枚又は２枚を介挿）、測定用電極の面積（直径３０ｍｍ，６０ｍｍ，１２０ｍｍ）を変化させて測定した結果を示すグラフである（入力信号：１ｍＶ、１０Ｈｚのｓｉｎ波、サンプリング周波数：１ｋＨｚ）。グラフからは、接触面積や接触圧が大きいほど、測定用電極と皮膚表面との間に介挿される綿が少ないほど、静電容量が大きくなることがわかる。

なお、推定手段が静電容量を推定する際に必要となる、静電容量と接触面積及び接触圧との相関関係は、予め実験等によって求めておけばよい。
また、請求項３に記載のように、測定用電極のいずれかとして使用される四つ以上の単位電極と、指定された割当設定に従って、単位電極を、測定用電極のいずれかに割り当てる電極割当手段とを備えている場合、推定手段を次のように構成してもよい。

即ち、単位電極毎に設けられた複数の圧力センサからなる圧力検出手段を備え、有効センサ抽出手段が、圧力検出手段を構成する圧力センサのうち、出力が予め設定された有効閾値以上となるものを有効センサとして抽出し、分割手段が、有効センサに対応する単位電極である有効電極のそれぞれを、測定用電極のいずれかに割り当てると共に、電極割当手段に対する割当設定を生成する。また、接触情報算出手段が、測定用電極毎に、測定用電極と前記被験者との接触圧を前記有効センサでの検出圧力に基づいて算出する。

そして、推定手段は、この接触情報算出手段にて算出された接触圧と単位電極面積に基づいて静電容量を推定する。
このように構成された本発明の心電波形計測装置によれば、単位電極と被験者との接触状態に応じて、被験者と確実に接触している有効電極のみを、柔軟に測定用電極に割り当てることができるため、心電信号の計測結果の信頼度をより向上させることができる。

なお、請求項４に記載のように、中間電極として使用される単位電極は固定的に割り当てられ、分割手段は、中間電極に割り当てられるもの以外の単位電極を２分割して前記一対の差分電極に割り当てるように構成されていてもよい。

また、請求項５に記載のように、単位電極は、中間電極に優先的に割り当てられる優先電極群と、それ以外の通常電極群とからなり、分割手段は、優先電極群及び通常電極群とも、これら電極群に含まれる有効センサの数が予め規定された使用閾値以上である場合には、優先電極群中の有効電極を中間電極に割り当てると共に、通常電極群中の有効電極を２分割して前記の差分電極に割り当て、優先電極群及び通常電極群のうち一方だけが有効センサの数が使用閾値以上である場合には、その一方の電極群中の有効電極を３分割して、中間電極及び一対の差分電極に割り当てるように構成されていてもよい。

このように構成された本発明の心電波形計測装置によれば、測定用電極への単位電極の割り当てを、その時々の状況に応じてより柔軟に行うことができ、信頼度の高い心電信号の計測結果が得られる可能性をより向上させることができる。

ところで、請求項６に記載のように、分割手段は、それぞれの合計容量が略等しくなるように有効電極を分割することが望ましい。
この場合、各測定用電極が略同じ静電容量を持つことになり、心電信号の生成に必要な二つの生体信号を略同じ条件で取得することができるため、心電信号の計測結果の信頼度をより向上させることができる。

また、請求項７に記載のように、分割手段は、分割すべき電極群中の前記有効電極が形成する有効領域の形状が縦長である場合は、分割された領域が縦方向に並び、有効領域の形状が横長である場合は、分割された領域が横方向に並ぶように有効電極を分割する（各測定用電極に割り当てる）ことが望ましい。

このように構成された本発明の心電波形計測装置によれば、分割された個々の領域内での接触圧の偏りを抑制することができ、静電容量の推定精度を向上させることができる。
次に、請求項８に記載の心電波形計測装置では、信頼度判定手段が、接触情報算出手段での算出結果又は推定手段での推定結果に基づいて、補正手段にて補正された心電信号の信頼度を判定する。

即ち、測定用電極の静電容量がある程度以上小さくなると、図１７に示すように、生成される心電信号の精度が著しく低下し、また、接触面積や接触圧がある程度以上小さくなると、静電容量の推定精度自体が低下してしまうため、このような心電信号の信頼度を示す情報を提供することによって、当該装置が計測した心電信号を利用する装置や処理の信頼度も確保することができる。

そして、具体的には、信頼度判定手段を、例えば請求項９に記載のように、測定用電極の中でいずれか一つでも、接触情報算出手段にて算出される接触圧又は有効センサの数が予め設定された下限値未満となる、或いは、推定手段にて推定された一対の差分電極の静電容量がいずれも、予め設定された容量閾値未満となる場合に、信頼度が低い又は中程度と判定するように構成してもよい。

なお、測定用電極に含まれる有効センサの数に、単位電極面積を乗じたものが、被験者と測定用電極とが有効に接している接触面積と考えることができる。
また、信頼度判定手段を、例えば請求項１０に記載のように、測定用電極がいずれも、接触情報算出手段にて算出される接触圧又は有効センサの数が下限値以上であり、且つ、推定手段にて推定された一対の差分電極の静電容量がいずれも、予め設定された容量閾値以上となる場合に、信頼度が高いと判定するように構成してもよい。

次に、請求項１１に記載の心電波形計測装置では、接触状態監視手段が、単位電極毎に圧力検出手段での最新の検出結果と前回の検出結果との差分値を求め、単位電極の中に差分値が予め設定された差分閾値以上となるものが存在する場合に、測定用電極と被験者との接触状態が不安定であるものとして、補正手段にて補正された心電信号の信頼度が低いとの判定、又は心電信号の出力の禁止を行う。

このように構成された本発明の心電波形計測装置によれば、当該装置が計測した心電信号を利用する装置や処理の信頼度も確保することができる。
なお、請求項１２に記載のように、心電信号生成手段にて生成された心電信号を増幅する増幅器を備えている場合、補正手段は、推定手段での推定結果に従って、増幅器の増幅率を変化させることにより、心電信号を補正するように構成してもよい。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明が適用された第１実施形態の心電波形計測装置１の全体構成を示すブロック図である。

なお、心電波形計測装置１は、車両に搭載され、運転シートに着座したドライバー（被験者）から発せられる電位信号（生体信号）を検出し、その生体信号に基づいて、心電波形を表す心電データＤＨを生成するものである。

＜全体構成＞
図１に示すように、心電波形計測装置１は、運転シートに着座したドライバーと接触する位置に設けられた複数（本実施形態では３個）の測定用電極Ｄ１〜Ｄ３、及び各測定用電極Ｄ１〜Ｄ３に対応して設けられ、それぞれがｎ個、合計ｍ（＝３ｎ）個の圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_ｍ で構成された圧力センサ群ＢＧ１〜ＢＧ３からなる信号検出部２と、信号検出部２を構成する各測定用電極Ｄ１〜Ｄ３から得られる信号に基づいて心電信号を生成する心電信号生成部３と、心電信号生成部３で生成された心電信号を、指定された増幅率Ａで増幅する可変増幅器４と、可変増幅器４の出力をデジタルデータ（以下、心電データＤＨという）に変換するＡ／Ｄ変換器５と、信号検出部２を構成する各圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_ｍ から得られる信号に基づいて、可変増幅器４の増幅率Ａを指定すると共に、心電データＤＨの信頼度を表す確度データＤＫを生成する補正制御部６とを備えている。

＜信号検出部＞
ここで、図２は、（ａ）が信号検出部２を構成する測定用電極Ｄ１〜Ｄ３及び圧力センサ群ＢＧ１〜ＢＧ３の設置位置、及び使用状態を示す説明図、（ｂ）が測定用電極Ｄ１〜Ｄ３，圧力センサ群ＢＧ１〜ＢＧ３，圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_ｍ の位置関係を示す説明図である。

図２に示すように、測定用電極Ｄ１は運転シートの背もたれ部の上部に、測定用電極Ｄ２は運転シートの背もたれ部の下部に、測定用電極Ｄ３は運転シートの座部にそれぞれ配置されていると共に、各測定用電極Ｄ１〜Ｄ３の裏面には、それぞれｎ個の圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_ｎ ，Ｂ_ｎ＋１ 〜Ｂ_２ｎ，Ｂ_２ｎ＋ｉ〜Ｂ_ｍ を均等な間隔でマトリクス状に配置してなる圧力センサ群ＢＧｉが設けられている。

なお、運転シートの背もたれ部に位置する測定用電極Ｄ１，Ｄ２は、運転シートに着座したドライバーの平均的な心臓の位置（高さ）を挟んで、その上下に位置するように配置されている。

そして、被験者であるドライバーが運転シートに着座すると、衣服を挟んで測定用電極Ｄｉと人体との間に容量性結合が形成され、ドライバーから発せられる生体信号が測定用電極Ｄｉを介して検出される。また、圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_ｍ により、測定用電極Ｄｉをマトリクス状にｎ分割した各部位毎に、その部位に加わる圧力が検出される。

＜心電信号生成部＞
心電信号生成部３は、図１に示すように、測定用電極Ｄ１，Ｄ２（以下「差分電極」ともいう）にそれぞれ接続されたボルテージフォロア回路３１，３２と、測定用電極Ｄ３（以下「中間電極」ともいう）の電位を基準電位として、両ボルテージフォロア回路３１，３２から出力される電圧信号の差分を増幅する差動増幅器３３と、差動増幅器３３の出力を増幅する増幅回路３４と、増幅回路３４の出力からノイズ成分を除去するバンドパスフィルタ３５とを備えている。

つまり、心電信号生成部３では、差分電極Ｄ１，Ｄ２の電位差に比例した信号を心電信号として生成するようにされている。
＜補正制御部＞
補正制御部６は、圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_ｍ から得られる検出信号（電圧レベル）を、それぞれデジタルデータ（以下「検出データ」という）ＶＰ_１ 〜ＶＰ_ｍ に変換するＡ／Ｄ変換器６１と、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中心に構成された周知のマイクロコンピュータからなる演算処理部６２とを備えている。

そして、演算処理部６２では、Ａ／Ｄ変換器６１を介して検出データＶＰ_１ 〜ＶＰ_ｍ を繰り返し取得するデータ取得処理と、データ取得処理により検出データＶＰ_１ 〜ＶＰ_ｍ が一通り取得される毎に、その検出データＶＰ_１ 〜ＶＰ_ｍ に基づいて、可変増幅器４の増幅率Ａを設定すると共に、心電データＤＨの信頼度を表す確度データＤＫを生成する補正処理とを少なくとも実行する。

＜補正処理＞
次に、演算処理部６２が実行する補正処理を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

本処理が起動すると、まず、Ｓ１１０では、データ取得処理で取得され、電圧レベルを表す検出データＶＰ_１ 〜ＶＰ_ｍ を、圧力を表す圧力データＰ_１ 〜Ｐ_ｍ に変換し、続くＳ１２０では、圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_ｍ の中で、圧力データＰ_ｋ が予め設定された有効閾値Ｐth以上となるものを有効センサＥＢ_ｋ として抽出する。

Ｓ１３０では、圧力センサ群ＢＧｉ（ｉ＝１，２，３）毎に、その圧力センサ群ＢＧｉに属する有効センサＥＢ_ｋ の数をカウントしたものを測定用電極Ｄｉの接触面積Ｓｉ、有効センサＥＢ_ｋ で検出された圧力データＰ_ｋ の平均値を測定用電極Ｄｉの接触圧ＰＡｉとして算出する。

Ｓ１４０では、各測定用電極Ｄ１〜Ｄ３の接触面積Ｓ１〜Ｓ３が、いずれも予め設定された面積下限値Ｓth（本実施形態では０）より大きいか否かを判断する。なお、面積下限値Ｓthは、０に限るものではなく、例えば、後述（Ｓ１５０）する静電容量Ｃの推定時に、その推定精度が確保される接触面積Ｓの下限値等に設定してもよい。

そして、Ｓ１４０にて肯定判断されると、Ｓ１５０にて、接触面積Ｓ１，Ｓ２、接触圧ＰＡ１，ＰＡ２に基づいて、差分電極Ｄ１，Ｄ２の静電容量Ｃ１，Ｃ２を推定する。
具体的には、予め接触面積Ｓ、接触圧ＰＡをパラメータとして、静電容量Ｃとの関係を実験的に測定することで得られたグラフ（図４（ａ）参照）から生成した変換テーブルを用いる。なお、推定の方法はこれに限らず、グラフからＳ，ＰＡ，Ｃの関係を関数によって表し、その関数にＳ，ＰＡを代入することでＣを算出してもよい。

Ｓ１６０では、Ｓ１５０にて推定された静電容量Ｃ１，Ｃ２がいずれも予め設定された容量閾値Ｃth以上であるか否かを判断し、肯定判断された場合は、Ｓ１７０にて、当該装置１で生成される心電データＤＨの信頼度が高いことを示す確度データＤＫを生成，出力してＳ１９０に進む。なお、容量閾値Ｃthは、例えば、図１７に示すグラフに基づいて、実測値が理論値と略等しくなる下限の値（図では４ｎＦ程度）に設定すればよい。

一方、静電容量Ｃ１，Ｃ２の少なくとも一方が容量閾値Ｃthより小さく、Ｓ１６０にて否定判断された場合は、Ｓ１８０にて、当該装置１で生成される心電データＤＨの信頼度が中であることを示す確度データＤＫを生成，出力してＳ１９０に進む。

Ｓ１９０では、静電容量Ｃ１，Ｃ２に基づいて、可変増幅器４の増幅率Ａを設定して本処理を終了する。なお、増幅率Ａの設定は、具体的には、図４（ｂ）に示すグラフを用い、静電容量Ｃ１，Ｃ２の平均値から増幅率Ａを決定する。なお、図４（ｂ）のグラフは、測定用電極Ｄｉにおける入出力比（（１）式参照）が一定となるよう、即ち、静電容量Ｃｉが小さいことによって生じる入出力比の低下を補償するように設定する。

先のＳ１３０にて算出された接触面積Ｓ１〜Ｓ３のうち、少なくとも一つが面積下限値Ｓthより小さく、Ｓ１４０にて否定判断された場合は、Ｓ２００にて、当該装置１で生成される心電データＤＨの信頼度が低いことを示す確度データＤＫを生成，出力し、続くＳ２１０にて、可変増幅器４の増幅率Ａを、予め規定されたデフォルト値に設定して、本処理を終了する。

＜効果＞
以上説明したように、心電波形計測装置１によれば、測定用電極Ｄ１〜Ｄ３と被験者との間の静電容量Ｃ１〜Ｃ３を推定し、その推定結果に基づいて可変増幅器４の増幅率Ａを設定することにより、心電信号の信号レベルを補正しているため、測定用電極Ｄ１〜Ｄ３と被験者との接触状態（ひいては静電容量Ｃ１〜Ｃ３の大きさのばらつき）によらず信頼度の高い心電信号の計測結果を得ることができる。

また心電波形計測装置１では、接触面積Ｓ１〜Ｓ３が面積下限値Ｓth以下のものが存在する場合には、当該装置１が生成する心電データＤＨの信頼度が低いことを表す確度データＤＫを生成し、接触面積Ｓ１〜Ｓ３がいずれも面積下限値より大きく、且つ、差分電極Ｄ１，Ｄ２の静電容量Ｃ１，Ｃ２がいずれも容量閾値Ｃth以上である場合には、心電データＤＨの信頼度が高いことを表す確度データＤＫを生成し、それ以外の場合は、心電データＤＨの信頼度が中程度であることを表す確度データＤＫを生成するようにされている。

従って、心電波形計測装置１によれば、このような確度データＤＫを提供することによって、当該装置１で生成した心電データＤＨを利用する装置や処理の信頼度も確保することができる。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。

図５は、第２実施形態の心電波形計測装置１０の全体構成を示すブロック図、図６は、第１実施形態の心電波形計測装置１とは相違する部分の構成を示す説明図である。
なお、本実施形態の心電波形計測装置１０は、第１実施形態の心電波形計測装置１とは、信号検出部１２の及び心電信号生成部１３の構成が異なると共に、補正制御部６ａの演算処理部６２ａが実行する補正処理の内容（図７，８参照）が異なり、これに伴って切替信号Ｘを出力することが異なるだけであるため、この相違する部分を中心に説明する。

＜信号検出部＞
信号検出部１２は、図５及び図６（ａ）に示すように、第１実施形態における測定用電極Ｄ１，Ｄ２の代わりに、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２が設けられていると共に、第１実施形態と同様の測定用電極Ｄ３が設けられている。

なお、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２は、各ｎ個の単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_ｎ ，ＤＴ_ｎ＋１ 〜ＤＴ_２ｎをマトリクス状に配置することで構成されている。
また、信号検出部１２は、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２を構成する単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_２ｎのそれぞれに対応して設けられ、それぞれがｎ個、合計２ｎ個の圧力センサＢ_１ 〜Ｂ_２ｎで構成された圧力センサ群ＢＧ１，ＢＧ２と、測定用電極Ｄ３にマトリクス状に配置されたｎ個の圧力センサＢ_２ｎ＋１〜Ｂ_ｍ （ｍ＝３ｎ）で構成された圧力センサ群ＢＧ３とを備えている。

＜心電信号生成部＞
心電信号生成部１３は、図５に示すように、切替信号Ｘに従って、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２を構成する単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_２ｎの中から選択した二つの電極グループ（測定用電極Ｄ１，Ｄ２に相当）からの出力を、それぞれボルテージフォロア回路３１，３２の入力として供給するスイッチ回路３６を備えている点以外は、第１実施形態の心電信号生成部３と同様に構成されている。

スイッチ回路３６は、図６（ｂ）に示すように、入力端が単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_２ｎのいずれかに接続され、三つの出力端のうち、二つがそれぞれボルテージフォロア回路３１，３２の入力端に接続され、残りの一つが未接続（ＮＣ）にされた２ｎ個の１入力３出力スイッチＳＷ_１ 〜ＳＷ_２ｎからなる（図６（ｂ）ではＮＣ端子を省略して示す）。

なお、これらのスイッチＳＷ_１ 〜ＳＷ_２ｎは、切替信号Ｘに従って、すべて独立に操作可能に構成されており、単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_２ｎの中から、排他的に任意個ずつ選択して、測定用電極Ｄ１，Ｄ２として設定することが可能なようにされている。

＜補正処理＞
次に、演算処理部６２ａが実行する補正処理を、図７に示すフローチャートに沿って説明する。なお、図中の丸Ａ記号については、後述の第３実施形態で説明する。

本処理が起動すると、まず、Ｓ３１０では、データ取得処理で取得され、電圧レベルを表す検出データＶＰ_１ 〜ＶＰ_ｍ を、圧力を表す圧力データＰ_１ 〜Ｐ_ｍ に変換し、続くＳ３２０では、Ｓ３１０にて今回変換された圧力データＰ_ｉ （ｉ＝１〜ｍ）をＰ_ｉ (ｔ)、前回の起動時に変換された圧力データＰ_ｉ をＰ_ｉ (ｔ−１)で表すものとして、（４）式により、圧力データの差分値ΔＰｉを算出する。

ΔＰ_ｉ ＝Ｐ_ｉ (ｔ)−Ｐ_ｉ (ｔ−１) （４）
続くＳ３３０では、Ｓ３２０で算出した差分値ΔＰ_１ 〜ΔＰ_ｍ の中に、一つでも予め設定された振動判定閾値ＴＨｐ以上のものがあるか否かを判断し、否定判断された場合は、振動が生じていない、即ち、被験者と単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２および測定用電極Ｄ３との接触状態は安定しているものとして、Ｓ３４０に進む。

Ｓ３４０では、本処理の前回の起動時に振動が生じていると判断（即ち、Ｓ３３０にて否定判断）されたか否かを判断し、否定判断された場合、即ち、前記の起動時にも振動が生じておらず、安定した接触状態が継続していると判断された場合は、そのまま本処理を終了する。

一方、Ｓ３４０にて肯定判断された場合、即ち、不安定な接触状態から安定した接触状態に変化したと判断された場合は、Ｓ３５０にて、各単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_２ｎの静電容量ＣＴ_１ 〜ＣＴ_２ｎを算出してＳ３６０に進む。この場合、単位電極ＤＴ_ｊ （ｊ＝１〜２ｎ）の面積を接触面積Ｓ、単位電極ＤＴ_ｊ に対応する圧力センサＢ_ｊ にて検出された圧力データＰ_ｊ を接触圧Ｐとして、先に説明したＳ１５０の場合と同様に変換テーブルを用いて、静電容量ＣＴ_ｊ を求める。

Ｓ３６０では、単位電極ＤＴ_ｊ の中で、対応する圧力センサＢ_ｊ にて検出された圧力データＰ_ｊ が、予め設定された有効閾値Ｐth以上となるものを、有効電極ＥＤｋ（有効センサＥＢｋ）として抽出する。

Ｓ３７０では、有効電極ＥＤｋが形成する単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２上の領域（以下「有効領域」という）を２分割し、その分割した二つの有効領域を一対の差分電極Ｄ１，Ｄ２とすることにより、各有効電極ＥＤｋを一対の差分電極Ｄ１，Ｄ２のいずれかに割り当てる有効領域分割処理を実行し、続くＳ３８０では、有効領域分割処理での処理結果に基づいて、切替信号Ｘを生成することにより、スイッチ回路３６の接続状態を切り替える。

Ｓ３９０では、Ｓ３７０にて分割された二つの領域（即ち、測定用電極Ｄ１，Ｄ２）の静電容量Ｃ１，Ｃ２がいずれも予め設定された容量閾値Ｃth以上であるか否かを判断し、肯定判断する。なお、静電容量Ｃｉは、測定用電極Ｄｉを構成する全ての有効電極ＥＤｋの静電容量ＣＴｋを加算することにより算出する。

そして、静電容量Ｃ１，Ｃ２のいずれもが容量閾値Ｃth以上であり、Ｓ３９０にて肯定判断された場合は、Ｓ４００にて、当該装置１で生成される心電データＤＨの信頼度が高いことを示す確度データＤＫを生成，出力してＳ４２０に進む。

一方、静電容量Ｃ１，Ｃ２の少なくとも一方が容量閾値Ｃthより小さく、Ｓ３９０にて否定判断された場合は、Ｓ４１０にて、当該装置１で生成される心電データＤＨの信頼度が中程度であることを示す確度データＤＫを生成，出力してＳ４２０に進む。

Ｓ４２０では、先に説明したＳ１９０と同様に、静電容量Ｃ１，Ｃ２に基づいて、可変増幅器４の増幅率Ａを設定して本処理を終了する。
先のＳ３２０にて算出された圧力データの差分値ΔＰ_１ 〜ΔＰ_ｍ の中に振動判定閾値ＴＨｐ以上のものが一つ以上存在し、Ｓ３３０にて肯定判断された場合は、Ｓ４３０にて、当該装置１で生成される心電データＤＨの信頼度が低いことを示す確度データＤＫを生成，出力し、続くＳ４４０にて、先に説明したＳ２１０と同様に、可変増幅器４の増幅率Ａをデフォルト値に設定して、本処理を終了する。

＜有効領域分割処理＞
次に、先のＳ３７０にて実行する有効電極分割処理の詳細を、図８に示すフローチャートに沿って説明する。

本処理では、まず、Ｓ５１０にて、全ての有効電極ＥＤｋによって形成される領域のサイズを求める。具体的には、単位電極ＢＴ_ｊ の配列方向に沿って横幅Ｗ、縦幅Ｈを、横方向および縦方向に有効電極ＥＤｋがいくつ並んでいるかで表す。

続くＳ５２０では、横幅Ｗが縦幅Ｈ以上であるか否かを判断し、肯定判断された場合は、Ｓ５３０にて、二つの領域が横方向に並び、且つ、各領域に属する有効領域の合計容量が略等しくなるように有効領域を分割して、本処理を終了する。

一方、Ｓ５２０にて否定判断された場合は、二つの領域が縦方向に並び、且つ、各領域に属する有効領域の合計容量が略等しくなるように有効領域を分割して本処理を終了する。

図９は、有効領域を分割する際の具体例を示す説明図である。
ここでは、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２は、それぞれ２１（７×３）個の単位電極ＤＴからなるものとする。また、ハッチングが施された単位電極が有効電極であり、また、有効電極上に示された数字は、静電容量ＣＴを表すものとする。

図中（ａ）（ｂ）は、有効領域が横長（Ｗ＞Ｈ）である場合を示したものである。
この場合、いずれも、測定用電極Ｄ１，Ｄ２となる分割された二つの領域が、横方向に並ぶように分割され、しかも、分割された領域の合計容量Ｃ１，Ｃ２が、（ａ）ではＣ１＝５９，Ｃ２＝５８、（ｂ）ではＣ１＝２９，Ｃ２＝２７であり、ほぼ等しくなっている。

図中（ｃ）は、有効領域が縦長（Ｗ＜Ｈ）である場合を示したものであり、測定用電極Ｄ１，Ｄ２となる分割された二つの領域が、縦方向に並ぶように分割され、しかも、分割された領域の合計容量Ｃ１，Ｃ２が、Ｃ１＝４３，Ｃ２＝４４となっている。

図中（ｄ）は横幅，縦幅が等しい（Ｗ＝Ｈ）場合を示したものであり、横長の場合と同様に、測定用電極Ｄ１，Ｄ２となる分割された二つの領域が、横方向に並ぶように分割され、しかも、分割された領域の合計容量Ｃ１，Ｃ２が、Ｃ１＝５４，Ｃ２＝５１となっている。

＜効果＞
以上説明したように、心電波形計測装置１０では、単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_２ｎに加わる圧力を検出することによって、被験者と接触状態にある有効電極ＥＤｋを抽出し、その有効電極ＥＤｋが形成する有効領域を二分割することで測定用電極Ｄ１，Ｄ２を形成し、更に、その測定用電極Ｄ１，Ｄ２と被験者との間の静電容量Ｃ１，Ｃ２を推定した結果に基づいて可変増幅器４の増幅率Ａを設定することにより、心電信号の信号レベルを補正している。

従って、心電波形計測装置１０によれば、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２と被験者との接触状態によらず信頼度の高い心電信号の計測結果を得ることができる。
また、心電波形計測装置１０では、全ての単位電極ＤＴ_ｊ について、対応する圧力センサＢ_ｊ を介して検出される最新の圧力データＰ_ｊ (ｔ)と前回の検出結果Ｐ_ｊ (ｔ−１)との差分値ΔＰ_ｊ を求め、この差分値ΔＰ_ｊ が振動判定閾値ＴＨｐ以上となるものが存在する場合に、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２と被験者との接触状態が不安定であるものとして、当該装置１０が生成する心電データＤＨの信頼度が低いことを表す確度データＤＫを生成するようにされている。

従って、心電波形計測装置１０によれば、このような確度データＤＫを提供することによって、当該装置１で生成した心電データＤＨを利用する装置や処理の信頼度も確保することができる。

また、心電波形計測装置１０では、有効電極ＥＤｋが形成する有効領域を分割する際に、有効領域の形状が縦長Ｗ＜Ｈである場合は、分割された領域（ひいては測定用電極Ｄ１，Ｄ２）が縦方向に並び、有効領域の形状が横長または縦幅と横幅が等しい（Ｗ≧Ｈ）である場合は、分割された領域が横方向に並ぶように分割している。

従って、心電波形計測装置１０によれば、分割された個々の領域内での接触圧の偏りを抑制することができ、静電容量Ｃ１，Ｃ２の推定精度を向上させることができる。
［第３実施形態］
次に第３実施形態について説明する。

図１０は、第３実施形態の心電波形計測装置１０ａの全体構成を示すブロック図、図１１，図１２は、第２実施形態の心電波形計測装置１０とは相違する部分の構成を示す説明図である。

なお、本実施形態の心電波形計測装置１０ａは、第２実施形態の心電波形計測装置１０とは、信号検出部１２ａの構成（図１１参照）及び心電信号生成部１３ａの構成（図１２参照）と、補正制御部６の演算処理部６２が実行する補正処理の内容（図１３参照）が異なるだけであるため、この相違する部分を中心に説明する。

＜信号検出部＞
信号検出部１２ａは、図１０及び図１１に示すように、第２実施形態における測定用電極Ｄ３の代わりに、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２と同様に、ｎ個の単位電極ＤＴ_２ｎ＋１〜ＤＴ_ｍ （ｍ＝３ｎ）をマトリクス状に配置することで構成された単位電極群ＤＧ３が設けられている。

圧力センサ群ＢＧ３を構成するｎ個の圧力センサＢ_２ｎ＋１〜Ｂ_ｍ は、単位電極群ＤＧ３を構成する単位電極ＤＴ_２ｎ＋１〜ＤＴ_ｍ のそれぞれに対応して設けられている。
＜心電信号生成部＞
心電信号生成部１３ａは、図１０に示すように、切替信号Ｘに従って、単位電極群ＤＧ１〜ＤＧ３を構成する単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_ｍ の中から選択した三つの電極グループ（測定用電極Ｄ１〜Ｄ３に相当）からの出力を、それぞれボルテージフォロア回路３１，３２の入力、及び差動増幅器３３の基準電位として供給するスイッチ回路３６ａを備えている点以外は、第１実施形態の心電信号生成部３と同様に構成されている。

スイッチ回路３６ａは、図１２に示すように、入力端が単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_ｍ のいずれかに接続され、四つの出力端のうち、三つがそれぞれボルテージフォロア回路３１，３２の入力端、差動増幅器３３の基準電位入力端に接続され、残りの一つが未接続（Ｎ．Ｃ）にされたｍ個の１入力４出力スイッチＳＷ_１ 〜ＳＷ_ｍ からなる（図１２ではＮ．Ｃ端子を省略して示す）。

なお、これらのスイッチＳＷ_１ 〜ＳＷ_ｍ は、切替信号Ｘに従って、すべて独立に操作可能に構成されており、単位電極ＤＴ１〜ＤＴｍの中から、排他的に任意個ずつ選択して、測定用電極Ｄ１〜Ｄ３として設定することが可能なようにされている。

＜補正処理＞
次に、演算処理部６２が実行する補正処理は、第２実施形態では、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２や、単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_２ｎに対して実行している処理を、単位電極群ＤＧ１〜ＤＧ３や、単位電極ＤＴ_１ 〜ＤＴ_ｍ に対して実行する点と、Ｓ３７０にて実行する有効領域分割処理の内容が、第２実施形態とは異なっている。

＜有効領域分割処理＞
その有効電極分割処理の詳細を、図１３に示すフローチャートに沿って説明する。但し、以下では、単位電極群ＤＧ１，ＤＧ２をエリアＡＲ１、単位電極群ＤＧ３をエリアＡＲ２とも呼ぶ。

本処理では、まず、Ｓ６１０にて、両エリアＡＲ１，ＡＲ２とも、そのエリアに属する有効電極ＥＤｋの数（即ち、有効領域の面積）が、予め設定された規定値以上であるか否かを判断し、肯定判断された場合は、Ｓ６２０にて、エリアＡＲ１内の有効領域を２分割し、分割した各領域を測定用電極（一対の差動電極）Ｄ１，Ｄ２に割り当てると共に、エリアＡＲ２（即ち単位電極群ＤＧ３）内の有効領域を測定用電極（中間電極）Ｄ３に割り当てて本処理を終了する。

先のＳ６１０にて否定判断された場合は、Ｓ６３０にて、両エリアＡＲ１，ＡＲ２とも、そのエリアに属する有効電極ＥＤｋの数が、規定値未満であるか否かを判断し、肯定判断された場合は、本処理を抜けてＳ４３０に移行する。

一方、Ｓ６３０にて否定判断された場合、即ち、エリアＡＲ１，ＡＲ２のうち、一方は有効電極ＥＤｋの数が規定値以上であるが、他方は有効電極ＥＤｋの数が規定値未満である場合は、Ｓ６４０にて、有効電極ＥＤｋの数が規定値以上である方のエリア内の有効領域を３分割し、分割した各領域を、測定用電極（一対の差動電極，中間電極）Ｄ１〜Ｄ３に割り当てて、本処理を終了する。

なお、Ｓ６２０にてエリアＡＲ１内の有効領域を２分割する場合は、第２実施形態の有効領域分割処理と同様の処理を実行する。一方、Ｓ６４０にて有効電極を３分割する場合は、例えば、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、有効領域の形状が横長である場合、または、図１４（ｄ）に示すように、有効領域の横幅と縦幅とが等しい場合は、分割された領域（ひいては測定用電極Ｄ１〜Ｄ３）が横方向に並び、図１４（ｃ）に示すように、有効領域の形状が縦長である場合は分割された領域が縦方向に並ぶように分割してすればよい。

また、図１５に示すように、有効領域のうち下方に位置する１／３の有効領域を測定用電極（中間電極）Ｄ３に割り当て、残った２／３の有効領域の横幅，縦幅に応じて、その残った２／３の有効領域を、横方向又は縦方向に再分割して、その再分割した有効領域を測定用電極（一対の差動電極）Ｄ１，Ｄ２に割り当てるようにしてもよい。なお、図１５（ａ）〜（ｄ）は、再分割した領域がいずれも横方向に並ぶように分割されている。

更に、有効領域を分割する際には、分割された各領域における合計容量Ｃ１〜Ｃ３が、いずれもほぼ等しくなるように分割することが望ましい。
＜効果＞
以上説明したように、心電波形計測装置１０ａでは、一対の差動電極として使用される測定用電極Ｄ１，Ｄ２だけでなく、中間電極として使用される測定用電極Ｄ３も、有効電極ＥＤｋで構成された有効領域を分割することで設定されているため、単位電極群ＤＧ１〜ＤＧ３と被験者との間の接触状態が様々に変化したとしても、より柔軟に対応することができ、信頼度の高い心電データＤＨを生成できる可能性を高めることができる。
［他の実施形態］
上記実施形態では、心電データＤＨの信頼度が低いと判断した場合、その旨を表す確度データＤＫの生成，出力（Ｓ２００，Ｓ４３０）と、スイッチ回路３６，３６ａの接続や可変増幅器４の増幅率Ａをデフォルト設定（Ｓ２１０，Ｓ４４０）にしているが、このような場合には、心電データＤＨの出力自体を禁止するように構成してもよい。

第１実施形態では、心電データの信頼度が低いか否かの判断（Ｓ１４０）を、接触面積Ｓ１〜Ｓ３を用いて行っているが、接触圧ＰＡ１〜ＰＡ３を用いて行ってもよい。

第１実施形態の心電波形計測装置の構成を示すブロック図。 測定用電極の配置、及び測定用電極と圧力センサとの位置関係を示す説明図。 圧力センサでの検出結果に基づいて、心電信号の増幅率を設定する補正処理の内容を示すフローチャート。 静電容量の推定、及び増幅率の設定に使用するテーブルの内容を示すグラフ。 第２実施形態の心電波形計測装置の構成を示すブロック図。 信号検出部及びスイッチ回路の詳細を示す説明図。 第２実施形態における補正処理の内容を示すフローチャート。 補正処理内で実行する有効領域分割処理の内容を示すフローチャート。 有効領域分割処理に基づく具体的な動作例を示す説明図。 第３実施形態の心電波形計測装置の構成を示すブロック図。 信号検出部の詳細を示す説明図。 スイッチ回路の詳細を示す回路図。 有効領域分割処理の内容を示すフローチャート。 有効領域分割処理に基づく具体的な動作例を示す説明図。 有効領域分割処理に基づく具体的な動作例を示す説明図。 心電波形計測装置の計測用電極における等価回路を示す回路図。 計測用電極における静電容量と入出力比との関係を示す理論値および実測値のグラフ。 計測用電極と被験者との接触状態（接触圧，電極面積，介挿物）が、静電容量に与える影響を示すグラフ。

符号の説明

１，１０，１０ａ…心電波形計測装置 ２，１２，１２ａ…信号検出部 ３，１３，１３ａ…心電信号生成部 ４…可変増幅器 ５，６１…Ａ／Ｄ変換器 ６，６ａ…補正制御部 ３１，３２…ボルテージフォロア回路 ３３…差動増幅器 ３４…増幅回路 ３５…バンドパスフィルタ ３６，３６ａ…スイッチ回路 ６２，６２ａ…演算処理部

Claims (12)

1. シートに着座した被験者と接触する場所又はシート内部に位置する中間電極および一対の差分電極からなる３つの測定用電極と、
   前記中間電極の電位を基準電位として、前記一対の差分電極間の電位差を示す信号を心電信号として生成する心電信号生成手段と、
   前記測定用電極毎に、該測定用電極と前記被験者との間の静電容量を推定する推定手段と、
   前記容量推定手段での推定結果に基づき、前記心電信号生成手段にて生成される心電信号の信号レベルを補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする心電波形計測装置。
2. 前記測定用電極は、それぞれ単一の単位電極からなり、
   前記推定手段は、
   前記測定用電極毎に、該測定用電極の複数の部位にそれぞれ設けられた複数の圧力センサからなる圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段を構成する圧力センサのうち、出力が予め設定された有効閾値以上となるものを有効センサとして抽出する有効センサ抽出手段と、
   前記測定用電極毎に、該測定用電極と前記被験者との間の接触面積を前記有効センサの数に基づいて算出すると共に、前記測定用電極と前記被験者との接触圧を前記有効センサでの検出圧力に基づいて算出する接触情報算出手段と、
   を備え、前記接触情報算出手段にて算出された前記接触面積と前記接触圧とに基づいて前記静電容量を推定することを特徴とする請求項１に記載の心電波形計測装置。
3. 前記測定用電極のいずれかとして使用される四つ以上の単位電極と、
   指定された割当設定に従って、前記単位電極を、前記測定用電極のいずれかに割り当てる電極割当手段と、
   を備え、
   前記推定手段は、
   前記単位電極毎に設けられた複数の圧力センサからなる圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段を構成する圧力センサのうち、出力が予め設定された有効閾値以上となるものを有効センサとして抽出する有効センサ抽出手段と、
   前記有効センサに対応する単位電極である有効電極のそれぞれを、前記測定用電極のいずれかに割り当てると共に、前記電極割当手段に対する前記割当設定を生成する分割手段と、
   前記測定用電極毎に、前記測定用電極と前記被験者との接触圧を前記有効センサでの検出圧力に基づいて算出する接触情報算出手段と、
   を備え、前記接触情報算出手段にて算出された前記接触圧と単位電極面積に基づいて前記静電容量を推定することを特徴とする請求項１に記載の心電波形計測装置。
4. 前記中間電極として使用される単位電極は固定的に割り当てられ、
   前記分割手段は、前記中間電極に割り当てられるもの以外の単位電極を２分割して前記一対の差分電極に割り当てることを特徴とする請求項３に記載の心電波形計測装置。
5. 前記単位電極は、前記中間電極に優先的に割り当てられる優先電極群と、それ以外の通常電極群とからなり、
   前記分割手段は、
   前記優先電極群及び通常電極群とも、該電極群に含まれる前記有効センサの数が予め規定された使用閾値以上である場合には、前記優先電極群中の有効電極を前記中間電極に割り当てると共に、前記通常電極群中の有効電極を２分割して前記一対の差分電極に割り当て、前記優先電極群及び通常電極群のうち一方だけが前記有効センサの数が前記使用閾値以上である場合には、その一方の電極群中の有効電極を３分割して、前記中間電極及び前記一対の差分電極に割り当てることを特徴とする請求項３に記載の心電波形計測装置。
6. 前記分割手段は、それぞれの合計容量が略等しくなるように前記有効電極を分割することを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の心電波形計測装置。
7. 前記分割手段は、分割すべき電極群中の前記有効電極が形成する有効領域の形状が縦長である場合は、分割された領域が縦方向に並び、前記有効領域の形状が横長である場合は、分割された領域が横方向に並ぶように前記有効電極を分割することを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の心電波形計測装置。
8. 前記接触情報算出手段での算出結果又は前記推定手段での推定結果に基づいて、前記補正手段にて補正された心電信号の信頼度を判定する信頼度判定手段を備えることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれかに記載の心電波形計測装置。
9. 前記信頼度判定手段は、前記測定用電極の中でいずれか一つでも、前記接触情報算出手段にて算出される前記接触圧又は前記有効センサの数が予め設定された下限値未満となる、或いは、前記推定手段にて推定された前記一対の差分電極の静電容量がいずれも、予め設定された容量閾値未満となる場合に、信頼度が低い又は中程度と判定することを特徴とする請求項８に記載の心電波形計測装置。
10. 前記信頼度判定手段は、前記測定用電極がいずれも、前記接触情報算出手段にて算出される前記接触圧又は前記有効センサの数が前記下限値以上であり、且つ、前記推定手段にて推定された前記一対の差分電極の静電容量がいずれも、予め設定された容量閾値以上となる場合に、信頼度が高いと判定することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の心電波形計測装置。
11. 前記単位電極毎に前記圧力検出手段での最新の検出結果と前回の検出結果との差分値を求め、前記単位電極の中に前記差分値が予め設定された差分閾値以上となるものが存在する場合に、前記測定用電極と前記被験者との接触状態が不安定であるものとして、前記補正手段にて補正された心電信号の信頼度が低いとの判定、又は前記心電信号の出力の禁止を行う接触状態監視手段を備えることを特徴とする請求項２乃至請求項１０のいずれかに記載の心電波形計測装置。
12. 前記心電信号生成手段にて生成された心電信号を増幅する増幅器を備え、
    前記補正手段は、前記推定手段での推定結果に従って、前記増幅器の増幅率を変化させることにより、前記心電信号を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の心電波形計測装置。