JP2010022623A - 生体電気信号検出電極及び生体電気信号測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被計測者が違和感なく装着することができ、経年変化による劣化のない生体電気信号検出電極を提供する。
【解決手段】所定の厚さ（例えば、１０ｍｍ）のスポンジ状の導電性繊維を本体部１１とし、本体部１１の下面で導電性繊維が密集している面を、生体の皮膚表面に接触するための生体接触面１２とする。本体部１１の上面で、導電性繊維が密集している面を、生体の電気信号を出力するための信号出力面１３とする。更に、本体部１１よりも低い電気抵抗で、生体接触面１２と信号出力面１３の間を電気的に接続するための接近箇所１４を形成する。接近箇所１４は、信号出力面１３の一部を、生体接触面１２に対して所定の間隔（例えば、２ｍｍ）以下となるように接近させたもので、例えば、熱処理で本体部１１のスポンジ状の導電性繊維を収縮させて形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体電気信号を測定するための検出電極と測定装置に関する。

近年のセンサネットワーク技術の発展に伴い、人間の生体電気信号を無意識且つ無拘束で長期間にわたって計測することが可能になった。特に、皮膚の表面電位を計測する技術では、金属電極に代えて導電性繊維を用いることで、被計測者の違和感を低減することができる。

その観点において実現された技術が、下記特許文献２に、生体電気信号測定装置として記載されている。この生体電気信号測定装置では、被計測者が着用する衣服に導電性繊維で構成された電極を埋め込み、生体電気信号を計測する。埋め込む電極に、厚いスポンジ状の弾性を有する導電性繊維を用いることで、金属製の電極を用いる場合に比べて、被計測者の違和感が減少し、生体信号の測定に起因するストレスが軽減できる。更に、被計測者の姿勢が変化しても、電極の接触状態の変化が少ないので、ノイズの少ない生体電気信号を測定することができるとされている。
特開２００５−３４９０２１号公報 特開２００６−２４７０７５号公報 特開２００８−８６３９０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された生体電気信号測定装置で、電極に厚いスポンジ状の導電性繊維を使用した場合、繰り返し使用による経年変化によって、導電性繊維の抵抗値が増加するという問題がある。
未使用のスポンジ状の導電性繊維と、一般的な金属電極として用いられている銀塩化銀電極の抵抗値を比較すると、図７に示すように、導電性繊維の厚さが４ｍｍ以下であれば、導電性繊維の方が銀塩化銀電極の抵抗値よりも小さいので、電極としての使用は可能である。
一方、複数回使用して変形したスポンジ状の導電性繊維では、図８に示すように、導電性繊維の厚さが３ｍｍ以上になると、抵抗値が増加する。特に、厚さが４ｍｍ以上の導電性繊維では、抵抗値が極端に大きくなり、電極としての使用は不可能となる。これは、導電性を持たせるためにスポンジ中に含ませていた金属や炭素の粒子が、繰り返しの変形によって飛散したり、重力方向へ偏ったりすることにより、導電性が低下するためである。
本発明は、被計測者が違和感なく装着することができ、経年変化による劣化のない生体電気信号検出電極と、生体電気信号測定装置を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る生体電気信号検出電極は、導電性繊維で形成され、生体の皮膚表面に接触するための生体接触面と、前記生体接触面に対向して導電性繊維で形成され、前記生体の電気信号を出力するための信号出力面と、前記生体接触面と前記信号出力面との距離が所定の間隔となるように形成されたスポンジ状の導電性繊維による本体部と、前記本体部よりも低い電気抵抗で前記生体接触面と前記信号出力面の間を電気的に接続する接続手段とを、備えたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る生体電気信号測定装置は、
導電性繊維で形成されて被計測者の皮膚表面に接触する生体接触面、前記生体接触面に対向して導電性繊維で形成され、前記被計測者の電気信号を出力する信号出力面、前記生体接触面と前記信号出力面との距離が所定の間隔となるように形成されたスポンジ状の導電性繊維による本体部、及び、前記本体部よりも低い電気抵抗で前記生体接触面と前記信号出力面の間を電気的に接続する接続手段を有する第１、第２及び第３の電極と、
前記第１、第２及び第３の電極が設けられた衣服と、
前記第３の電極の電位を基準として、前記第１及び第２の電極の信号出力面から出力される電気信号の電位差を増幅して出力する測定部とを、備えたことを特徴とする。

本発明によれば、生体電気信号検出電極は、本体部がスポンジ状の導電性繊維で構成されているので、被計測者が違和感なく装着することができる。

また、この生体電気信号検出電極は、その本体部を構成するスポンジ状の導電性繊維よりも低い電気抵抗で、生体接触面と信号出力面の間を電気的に接続する接続手段を有している。これにより、経年変化によって本体部のスポンジ状の導電性繊維の電気抵抗が増加しても、生体接触面と信号出力面の間の電気抵抗の値は接続手段によって低い値に保持される。従って、生体電気信号検出電極としての性能が劣化することがない。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１に示すように、生体電気信号検出電極１０は、所定の厚さ（例えば、１０ｍｍ）のスポンジ状の導電性繊維を本体部１１とし、この本体部１１の下面で導電性繊維が密集している面を、生体の皮膚表面に接触するための生体接触面１２としている。また、本体部１１の上面で、導電性繊維が密集している面を、生体の電気信号を出力するための信号出力面１３としている。

尚、導電性繊維は、例えば、ナイロン、ポリエステル、アクリル、綿等の非導電性の材料に、金属や炭素等の導電性の粒子を練り込んだ繊維である。また、本体部１１は、導電性繊維の間に細かな気泡を多数含ませることによりスポンジ状に形成し、弾力性と柔軟性を持たせるようになっている。

更に、この生体電気信号検出電極１０には、本体部１１を構成するスポンジ状の導電性繊維よりも低い電気抵抗で、生体接触面１２と信号出力面１３の間を電気的に接続するための接近箇所１４が形成されている。

接近箇所１４は、信号出力面１３の一部を、生体接触面１２に対して所定の間隔（例えば、２ｍｍ）以下となるように接近させる加工を施したものである。この加工は、熱処理によって、本体部１１のスポンジ状の導電性繊維を収縮させたり、導電性の接着剤を用いて、本体部１１のスポンジ状の導電性繊維を圧縮した状態で固定させたりすることによって行うことができる。

この生体電気信号検出電極１０は、信号出力面１３に導電性接着剤等を用いて信号線（図示せず）を接続し、この信号線を測定器に接続すると共に、生体接触面１２を被計測者の皮膚表面に直接接触させて使用することができる。

このような生体電気信号検出電極１０により、次のような利点がある。
まず、全体が導電性の繊維で構成され、本体部１１は、柔らかいスポンジ状になっているので、金属製の電極に比べ、装着したときの被計測者の違和感が少ない。
次に、導電性繊維を用いているため、被計測者の皮膚表面の凹凸に応じて自由に変化し、密着性が高い。また、被計測者の姿勢が変化したときでも、電極が柔軟に変形するので、接触状態の変化が少なく、ノイズの少ない生体電気信号を測定することができる。

更に、接近箇所１４により、生体接触面１２と信号出力面１３の間が、本体部１１を構成するスポンジ状の導電性繊維よりも低い抵抗値で電気的に接続されている。これにより、スポンジ状の導電性繊維の抵抗が増加しても、生体接触面１２と信号出力面１３の間の抵抗が増加することはない。即ち、長期間に亘る使用によっても、経年変化による劣化が少ない。

［第２の実施形態］
図２に示すように、図１の生体電気信号検出電極１０は、生体電気信号測定装置の電極として使用される。この生体電気信号測定装置は、衣服１、検出電極１０ａ，１０ｂ，アース電極１０ｃ、測定部２０、及び出力部３０を有している。

衣服１は、被計測者が着用するもので、図示するＴシャツに限らず、ズボン、下着、腹帯、帽子、靴下、サポータ等が対象となる。衣服１の内側には、検出電極１０ａ，１０ｂ及びアース電極１０ｃが取り付けられている。これらの電極は、図１に示す生体電気信号検出電極で、信号出力面１３が衣服１の内面に固定され、生体接触面１２が、この衣服１を着用した被計測者の肌に直接触れるようになっている。

検出電極１０ａ，１０ｂ及びアース電極１０ｃの各信号出力面１３は、それぞれ信号線によって測定部２０に接続されている。尚、信号線と測定部２０の間は、コネクタ等によって自由に着脱できるようになっていることが望ましい。測定部２０は、後述するように、検出電極１０ａ，１０ｂ及びアース電極１０ｃから出力される被計測者の生体電気信号を測定するものである。

出力部３０は、測定部２０で測定した生体電気信号を、出力形態に合わせた信号（一般的には、ディジタル信号）に変換して出力するものである。出力形態としては、ＣＲＴ（陰極線管）や液晶表示装置等のディスプレイへの表示、有線または無線による通信回線を用いて所定の機器への送信、半導体メモリや光ディスク、磁気ディスク等の記録媒体への蓄積、プリンタによる印刷等が有る。

測定部２０は、図３に示すように、電位差測定部２１，２２、差動増幅器２３、及びフィルタ２４で構成されている。
電位差測定部２１，２２は、アース電極１０ｃの電位を基準として、それぞれ検出電極１０ａ，１０ｂの電位を測定するものである。この電位差測定部２１，２２は、ボルテージフォロワ接続された演算増幅器で構成され、電圧増幅率が１で、入力インピーダンスがほぼ無限大のバッファ回路となっている。

差動増幅器２３は、電位差測定部２１，２２から出力される電位の微小な差を、処理可能なレベルに増幅するものである。フィルタ２４は、差動増幅器２３から出力される信号から、商用電源周波数（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）等の雑音成分を除去し、有効な生体電気信号成分を出力するものである。

この測定部２０から出力される生体電気信号は、被計測者の体内に発生する電気に起因する信号で、例えば、心電位信号、筋電位信号、脳波等がある。心電位信号は、心臓の活動電位に関する信号であり、筋電位信号は、筋肉の収縮に伴って発生する活動電位に関する信号である。また、脳波は、脳が発生する電位変化に関する信号である。なお、測定対象の生体電気信号は、これらの信号に限定するものではない。

次に、図２の生体電気信号測定装置の使用方法と動作を説明する。
まず、Ｔシャツ等の衣服１の内側で、被計測者の生体電気信号測定部位に該当する箇所に、検出電極１０ａ，１０ｂとアース電極１０ｃの各信号出力面１３を、接着テープ等で固定する。なお、アース電極１０ｃは、Ｔシャツではなく、腹帯等に固定しても良い。

次に、被計測者は、衣服１に固定した検出電極１０ａ，１０ｂとアース電極１０ｃの各生体接触面１２が、肌に直接触れるように、この衣服１を着用する。これにより、各電極の生体接触面１２を、衣服１と厚みのあるスポンジ状の本体部１１により、被計測者の肌に違和感なく密着させることができる。

更に、検出電極１０ａ，１０ｂとアース電極１０ｃに接続された信号線を、測定部２０に接続し、この測定部２０の電源を投入する。これにより、測定部２０による動作が開始する。

測定部２０では、電位差測定部２１によって、アース電極１０ｃを基準とした検出電極１０ａの電位が測定されて出力される。また、電位差測定部２２によって、アース電極１０ｃを基準とした検出電極１０ｂの電位が測定されて出力される。

電位差測定部２１と電位差測定部２２の出力信号は、差動増幅器２３に与えられ、電位差測定部２１と電位差測定部２２で測定された電位の差が増幅されて出力される。差動増幅器２３から出力される信号は、フィルタ２４に与えられ、商用電源周波数等の雑音成分が除去されて、有効な生体電気信号成分が出力部３０に与えられる。

出力部３０は、測定部２０から与えられる生体電気信号を、ディスプレイや記録媒体等の出力形態に合わせた信号に変換して出力する。

以上のように、この第２の実施形態の生体電気信号測定装置は、第１の実施形態の生体電気信号検出電極１０を、検出電極及びアース電極として使用し、被計測者の生体電気信号を測定するように構成している。これにより、被計測者に違和感やストレスを与えず、リラックスした状態で長時間の測定を行うことができる。

また、検出電極とアース電極を、被計測者の肌に密着させることができるので、雑音のない正確な測定を行うことができる。更に、これらの検出電極とアース電極は、経年変化による劣化が少ないので、繰り返して使用することができ、経済的である。

［第３の実施形態］
第１の実施形態の生体電気信号検出電極１０は、接近箇所１４を１箇所だけ設けて、本体部１１を構成するスポンジ状の導電性繊維よりも低い電気抵抗で、生体接触面１２と信号出力面１３の間を電気的に接続するようにしている。第３の実施形態の生体電気信号検出電極１０Ａでは、図４に示すように、２箇所またはそれ以上の複数箇所に、接近箇所１４Ａ，１４Ｂ，…を設ける。
なお、接近箇所１４Ａ，１４Ｂ，…の加工方法は、第１の実施形態で説明したとおりである。これにより、生体接触面１２と信号出力面１３の間をより確実に電気的に接続することができるので、経年変化による性能の劣化を抑えることができるという利点がある。

［第４の実施形態］
第４の実施形態の生体電気信号検出電極１０Ｂは、接近箇所１４に代えて、図５に示すように、スポンジ状の本体部１１の側面に、導電性繊維を密集させた側壁部１５を有している。側壁部１５は、本体部１１の下面の生体接触面１２や、上面の信号出力面１３と同様に、導電性繊維が気泡を含まないように、密に形成したものである。これにより、生体接触面１２と信号出力面１３の間は、スポンジ状の本体部１１よりも抵抗値が小さい側壁部１５を介して電気的に接続される。

なお、図５では、スポンジ状の本体部１１の１側面に、側壁部１５を設けているが、２つ以上の側面、またはすべての側面を、導電性繊維を密集させた側壁部として形成しても良い。

この生体電気信号検出電極１０Ｂは、本体部１１をスポンジ状の導電性繊維で構成している。これにより、第１の実施形態の生体電気信号検出電極１０と同様に、装着したときの被計測者の違和感が少ない、接触状態の変化が少なくノイズのない生体電気信号が測定できる、等の利点がある。

更に、導電性繊維を密集させた側壁部１５によって、生体接触面１２と信号出力面１３の間を電気的に接続している。これにより、本体部１１を構成するスポンジ状の導電性繊維の抵抗が増加しても、生体接触面１２と信号出力面１３の間の抵抗が増加することはない。即ち、長期間に亘る使用によっても、経年変化による劣化が少ないという利点がある。

［第５の実施形態］
第５の実施形態の生体電気信号検出電極１０Ｃは、接近箇所１４や側壁部１５に代えて、図６に示すように、スポンジ状の本体部１１の中に、下面の生体接触面１２と上面の信号出力面１３を電気的に接続する可撓性の導電体１６を設けている。

導電体１６の材料は、銅線、金線、銀線、アルミニウム線等の金属線でも良いし、導電性高分子からなる繊維でも良い。但し、耐久性を考慮すると共に、錆の発生や人体への影響のない材料を使用する必要がある。

なお、図６では、導電体１６を１つだけ設けているが、複数個設けることにより、切断した場合の安全性が高まる。

この生体電気信号検出電極１０Ｃは、本体部１１をスポンジ状の導電性繊維で構成しているので、第１の実施形態の生体電気信号検出電極１０と同様に、装着したときの被計測者の違和感が少ない、接触状態の変化が少なくノイズのない生体電気信号が測定できる、等の利点がある。

更に、生体接触面１２と信号出力面１３の間を、導電体１６によって電気的に接続しているので、本体部１１を構成するスポンジ状の導電性繊維の抵抗が増加しても、生体接触面１２と信号出力面１３の間の抵抗が増加することはない。即ち、長期間に亘る使用でも、経年変化による劣化が少ないという利点がある。

なお、本発明は、上記第１〜第５の実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような、種々の変形が可能である。

（１） 生体電気信号電極は、生体の微小な電位を測定するものとして説明したが、低周波治療等で人体に対して電気信号を与えるための電極としても使用することができる。
（２） 図２の測定部２０の構成は一例であり、２つの生体電気信号検出電極で検出された生体電気信号を測定するものであれば、どのような構成でも良い。例えば、フィルタは出力部側に設けるようにしても良い。
（３） 生体接触面と信号出力面の間を電気的に接続する接続手段として、信号出力面の１カ所又は複数箇所において、その一部が生体接触面に所定の間隔よりも接近するように、本体部に加工を施して接近箇所を形成することができる。この場合の接近箇所として、本体部の導電性繊維を熱処理によって収縮させるか、または、導電性の接着剤を用いて導電性繊維を圧縮した状態で固定させて形成することができる。
（４） また、接続手段は、本体部の側面に生体接触面と信号出力面との間を、本体部よりも低い電気抵抗で接続する導電性繊維を設けることによって形成することができる。
（５） また、接続手段は、生体接触面と信号出力面との間を接続する可撓性の導電体を、本体部の内部に設けることによって形成することができる。
（６） なお、スポンジ状の本体部は、導電性繊維の間に気泡を発生させることによって形成することができる。

本発明の第１の実施形態に係る生体電気信号検出電極を示す構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る生体電気信号測定装置を示す構成図である。 図２中の測定部２０の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る生体電気信号検出電極を示す構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る生体電気信号検出電極を示す構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る生体電気信号検出電極を示す構成図である。 未使用のスポンジ状の導電性繊維の抵抗値を示す図である。 複数回使用したスポンジ状の導電性繊維の抵抗値を示す図である。

符号の説明

１ 衣服
１０，１０Ａ〜１０Ｃ 生体電気信号検出電極
１０ａ，１０ｂ 検出電極
１０ｃ アース電極
１１ 本体部
１２ 生体接触面
１３ 信号出力面
１４ 接近箇所
１５ 側壁部
１６ 導電体
２０ 測定部
２１，２２ 電位差測定部
２３ 差動増幅器
２４ フィルタ
３０ 出力部

Claims (7)

1. 導電性繊維で形成され、生体の皮膚表面に接触するための生体接触面と、
   前記生体接触面に対向して導電性繊維で形成され、前記生体の電気信号を出力するための信号出力面と、
   前記生体接触面と前記信号出力面との距離が所定の間隔となるように形成されたスポンジ状の導電性繊維による本体部と、
   前記本体部よりも低い電気抵抗で前記生体接触面と前記信号出力面の間を電気的に接続する接続手段と、
   を備えたことを特徴とする生体電気信号検出電極。
2. 前記接続手段は、前記信号出力面の１カ所又は複数箇所において、その一部が前記生体接触面に前記所定の間隔よりも接近するように、前記本体部に加工を施して接近箇所を形成したことを特徴とする請求項１記載の生体電気信号検出電極。
3. 前記接近箇所は、前記本体部の導電性繊維を熱処理によって収縮させるか、または、導電性の接着剤を用いて該導電性繊維を圧縮した状態で固定させて形成したことを特徴とする請求項２記載の生体電気信号検出電極。
4. 前記接続手段は、前記本体部の側面に、前記生体接触面と前記信号出力面との間を該本体部よりも低い電気抵抗で接続する導電性繊維を設けることによって形成したことを特徴とする請求項１記載の生体電気信号検出電極。
5. 前記接続手段は、前記本体部の内部に設けられ、前記生体接触面と前記信号出力面との間を接続する可撓性の導電体で形成したことを特徴とする請求項１記載の生体電気信号検出電極。
6. 前記本体部は、前記導電性繊維の間に気泡を発生させることによってスポンジ状に形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の生体電気信号検出電極。
7. 導電性繊維で形成されて被計測者の皮膚表面に接触する生体接触面、
   前記生体接触面に対向して導電性繊維で形成され、前記被計測者の電気信号を出力する信号出力面、
   前記生体接触面と前記信号出力面との距離が所定の間隔となるように形成されたスポンジ状の導電性繊維による本体部、及び、
   前記本体部よりも低い電気抵抗で前記生体接触面と前記信号出力面の間を電気的に接続する接続手段を有する第１、第２及び第３の電極と、
   前記第１、第２及び第３の電極が設けられた衣服と、
   前記第３の電極の電位を基準として、前記第１及び第２の電極の信号出力面から出力される電気信号の電位差を増幅して出力する測定部と、
   を備えたことを特徴とする生体電気信号測定装置。

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