JP2012055588A - Bioelectric signal detector - Google Patents

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JP2012055588A JP2010203723A JP2010203723A JP2012055588A JP 2012055588 A JP2012055588 A JP 2012055588A JP 2010203723 A JP2010203723 A JP 2010203723A JP 2010203723 A JP2010203723 A JP 2010203723A JP 2012055588 A JP2012055588 A JP 2012055588A
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Seiji Yasuda
誠二 安田
Takashi Yamaguchi
隆司 山口
Takaki Inazumi
貴樹 稲住
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bioelectric signal detector which removes noise from a bioelectric signal, while making a dynamic range small.SOLUTION: The bioelectric signal detector includes a plurality of detecting means 100 (such as 100a, 100b, 100c) which include electrodes E (such as ch1, GND, REF) detecting electric signals generated in a user and amplification means 101 (such as 101c) for amplifying the electric signals detected by the electrodes, and one or a plurality of differential amplification means 110 (such as 110a) which differentially amplify two of signals output from the detecting means 100. The amplification means 101 have input impedance higher than contact impedance of the user with the electrodes and are provided between the electrodes E and the differential amplification means 110.

Description

本発明は、生体電気信号検出装置に関する。   The present invention relates to a bioelectric signal detection device.

従来、人間の脳波や筋電を検出することが行われている。例えば、人間の頭部に接触させた電極から得られる電気信号(以降、生体電気信号という。)に基づいてコンピュータを操作する装置が知られている(特許文献1)。また、検出された生体電気信号に基づいてユーザの集中力を測定する方法(特許文献2)が知られている。   Conventionally, human brain waves and myoelectricity are detected. For example, an apparatus for operating a computer based on an electrical signal obtained from an electrode brought into contact with a human head (hereinafter referred to as a bioelectric signal) is known (Patent Document 1). Also, a method (Patent Document 2) for measuring the user's concentration based on the detected bioelectric signal is known.

特開2002−166050号公報JP 2002-166050 A 特表2002−503505号公報Special table 2002-503505 gazette

上記のような技術において、ユーザの体には種々のノイズが発生するため、生体電気信号からノイズの成分を除去しなければならない。所定周波数成分を取り除くフィルタリング処理を生体電気信号に施してノイズを除去することも考えられるが、ノイズの成分は、ユーザの生体活動による信号成分に比べて振幅が大きいので、ダイナミックレンジの大きい高コストな回路が必要になる。   In the above-described technique, various noises are generated in the user's body, and thus noise components must be removed from the bioelectric signal. Although it is possible to remove noise by applying a filtering process that removes a predetermined frequency component to the bioelectric signal, the noise component has a larger amplitude than the signal component due to the user's biological activity, and thus has a high dynamic range and high cost. Circuit is required.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ダイナミックレンジを小さくしつつ、生体電気信号からノイズを除去することが可能な生体電気信号検出装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a bioelectric signal detection device capable of removing noise from a bioelectric signal while reducing the dynamic range. That is.

上記課題を解決するために、本発明に係る生体電気信号検出装置は、ユーザに発生する電気信号を検出する電極と、当該電極で検出される電気信号を増幅させる増幅手段と、を含む複数の検出手段と、前記複数の検出手段から出力される信号のうちの2つを差動増幅する一又は複数の差動増幅手段と、を含み、前記増幅手段は、前記ユーザ及び前記電極の接触インピーダンスより高い入力インピーダンスを有し、前記電極と前記差動増幅手段との間に設けられることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a bioelectric signal detection device according to the present invention includes a plurality of electrodes that detect an electric signal generated by a user, and amplification means that amplifies the electric signal detected by the electrode. Detecting means, and one or a plurality of differential amplifying means for differentially amplifying two of the signals output from the plurality of detecting means, wherein the amplifying means comprises a contact impedance of the user and the electrode It has a higher input impedance and is provided between the electrode and the differential amplification means.

本発明によれば、ダイナミックレンジを小さくしつつ、生体電気信号からノイズを除去することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to remove noise from a bioelectric signal while reducing the dynamic range.

また、本発明の一態様では、前記増幅手段は、前記電極と前記増幅手段との距離が、前記増幅手段と前記差動増幅手段との距離よりも短い位置に設けられることを特徴とする。   In the aspect of the invention, the amplifying unit may be provided at a position where a distance between the electrode and the amplifying unit is shorter than a distance between the amplifying unit and the differential amplifying unit.

また、本発明の一態様では、前記生体電気信号検出装置は、前記差動増幅手段の出力信号をデジタル信号に変換するためのA/D変換器を含み、前記複数の検出手段は、第1の電極及び第1の増幅手段を含む第1の検出手段と、第2の電極及び第2の増幅手段を含む第2の検出手段と、を少なくとも含み、前記A/D変換器の入力電圧範囲をVmin〜Vmaxとし、前記第1の増幅手段の入力インピーダンスをRiaとし、前記第2の増幅手段の入力インピーダンスをRicとし、前記第1の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをRt1とし、前記第2の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをRt2とし、前記第1の電極と前記第1の増幅手段との距離をLとし、前記第2の電極と前記第2の増幅手段との距離をLとし、前記第1の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Lが増加すると大きくなるノイズの電圧をVtotal1(L)とし、前記第2の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Lが増加すると大きくなるノイズの電圧をVtotal2(L)とし、前記差動増幅手段の増幅度をAとし、前記第1の増幅手段の増幅度をAとし、前記第2の増幅手段の増幅度をAとし、前記第1の電極によって検出された電気信号の電圧をVch1とし、前記第2の電極によって検出された電気信号の電圧をVrefとした場合、請求項に記載の関係式(1)〜(5)を満たすように、前記第1の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、前記第2の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、が設定されていることを特徴とする。 In one aspect of the present invention, the bioelectric signal detection device includes an A / D converter for converting an output signal of the differential amplification means into a digital signal, and the plurality of detection means includes the first detection means, First detection means including a first electrode and first amplification means, and second detection means including a second electrode and second amplification means, and an input voltage range of the A / D converter Is V min to V max , the input impedance of the first amplifying means is R ia , the input impedance of the second amplifying means is R ic , and the contact impedance between the first electrode and the user is R and t1, the contact impedance between the user and the second electrode and R t2, the distance between said first electrode said first amplifying means and L 1, and said second electrode the second the distance between the amplifying means L 2 And, the first a noise generated in the circuit including the detection means, the distance L 1 is increased the larger the noise voltage and V TOTAL1 (L 1), generating a circuit including said second detecting means the noise, the distance L 2 is increased the larger the noise voltage and V Total2 (L 2), the amplification degree of the differential amplifier means and a v, the amplification degree of said first amplifying means a for is a, the amplification degree of the second amplifying means and a c, wherein the voltage of the detected electrical signal by the first electrode and V ch1, a voltage of the electrical signal detected by said second electrode V In the case of ref , the position and input impedance of the first amplifying unit, the position and input impedance of the second amplifying unit, so as to satisfy the relational expressions (1) to (5) described in the claims, Set It is characterized in that is.

また、本発明の一態様では、前記増幅手段は、増幅度が1倍のアンプであることを特徴とする。   In one aspect of the present invention, the amplifying means is an amplifier having an amplification factor of one.

また、本発明の一態様では、前記複数の検出手段は、前記ユーザの前頭部と接触する第1の電極を含む第1の検出手段と、前記ユーザの耳と接触する第2の電極を含む第2の検出手段と、を少なくとも含み、前記一又は複数の差動増幅手段は、前記第1の検出手段と前記第2の検出手段との出力信号を差動増幅することを特徴とする。   In the aspect of the invention, the plurality of detection units may include a first detection unit including a first electrode that contacts the user's forehead and a second electrode that contacts the user's ear. Including at least a second detecting means, wherein the one or more differential amplifying means differentially amplifies the output signals of the first detecting means and the second detecting means. .

生体電気信号検出装置が使用される様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a bioelectric signal detection apparatus is used. 生体電気信号検出装置の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of a bioelectric signal detection apparatus. 電極が検出する生体電気信号の測定波形を示す図である。It is a figure which shows the measurement waveform of the bioelectric signal which an electrode detects. 飽和した測定波形を示す図である。It is a figure which shows the measurement waveform which was saturated. 電極が検出する生体電気信号を示す図である。It is a figure which shows the bioelectric signal which an electrode detects. 電極と電極との差動電圧の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the differential voltage of an electrode. 本実施形態における生体電気信号検出装置の回路構成の模式図である。It is a schematic diagram of the circuit structure of the bioelectric signal detection apparatus in this embodiment. 差動入力部の回路構成の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the circuit structure of a differential input part. 出力信号電圧のノイズ成分と接触インピーダンスとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the noise component of output signal voltage, and contact impedance. 電磁誘導電圧を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an electromagnetic induction voltage. 本発明に係るバッファアンプを含む回路構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit structure containing the buffer amplifier which concerns on this invention.

以下、本発明に係る実施形態の一例について図面に基づき詳細に説明する。まず、本発明に係る生体電気信号検出装置1について説明する。   Hereinafter, an example of an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the bioelectric signal detection apparatus 1 according to the present invention will be described.

図1は、生体電気信号検出装置1が使用される様子を示す図である。図1に示すように、生体電気信号検出装置1は、例えば、ユーザHの頭部に装着される。生体電気信号検出装置1は、ユーザHの生体活動を示す生体電気信号を検出する。   FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which the bioelectric signal detection device 1 is used. As shown in FIG. 1, the bioelectric signal detection device 1 is mounted on the head of a user H, for example. The bioelectric signal detection device 1 detects a bioelectric signal indicating the life activity of the user H.

ケーブルCは、生体電気信号検出装置1から出力される生体電気信号をゲーム装置200に入力するためのものである。なお、生体電気信号検出装置1が検出する生体電気信号は、無線通信によってゲーム装置200に送られるようにしてもよい。   The cable C is for inputting the bioelectric signal output from the bioelectric signal detection device 1 to the game device 200. The bioelectric signal detected by the bioelectric signal detection device 1 may be sent to the game device 200 by wireless communication.

生体電気信号検出装置1から検出される生体電気信号は、ゲーム装置200において、種々の用途に用いられる。例えば、ゲーム装置200に、生体電気信号の変化の特徴と、ゲーム操作と、を対応付けて記憶しておき、生体電気信号検出装置1が検出する生体電気信号が、ゲームの操作に用いられるようにしてよい。また例えば、生体電気信号の変化に応じてゲーム音楽が変更されるようにしてもよい。   The bioelectric signal detected from the bioelectric signal detection device 1 is used in the game device 200 for various purposes. For example, the game device 200 stores the bioelectric signal change characteristic and the game operation in association with each other so that the bioelectric signal detected by the bioelectric signal detection device 1 is used for the game operation. You can do it. Further, for example, the game music may be changed according to a change in the bioelectric signal.

[生体電気信号検出装置の構成]
図2は、生体電気信号検出装置1の外観斜視図である。図2に示すように、生体電気信号検出装置1は、基板ボックス10、電池ボックス20、前頭部バンド30、後頭部ベルト40、及びイヤホン50を含む。
[Configuration of Bioelectric Signal Detection Device]
FIG. 2 is an external perspective view of the bioelectric signal detection device 1. As shown in FIG. 2, the bioelectric signal detection device 1 includes a substrate box 10, a battery box 20, a frontal band 30, a backal belt 40, and an earphone 50.

また、本実施形態の生体電気信号検出装置1は、ユーザHに接触させる4つの電極を含む。これらの電極は、例えば、塩化銀からなる接触面や銀からなる導電材を含んで構成され、ユーザHに発生する生体電気信号を検出する。なお、本実施形態においては、導電性ジェルを介してユーザHと接触する湿式電極ではなく、ユーザHと電極の接触面が直接接触する乾式電極を想定する。また、電極材料は、上記の例に限られず、種々の材料を適用可能である。   In addition, the bioelectric signal detection device 1 of the present embodiment includes four electrodes that are brought into contact with the user H. These electrodes include, for example, a contact surface made of silver chloride and a conductive material made of silver, and detect a bioelectric signal generated by the user H. In the present embodiment, a dry electrode in which the contact surface between the user H and the electrode is in direct contact is assumed instead of the wet electrode in contact with the user H through the conductive gel. The electrode material is not limited to the above example, and various materials can be applied.

以降、この4つの電極を、それぞれ、電極ch1,ch2,GND,REFという。また、これらの4つの電極を、まとめて電極Eともいう。電極ch1,ch2(何れかが第1の電極)は、前頭部バンド30に配置され、ユーザHの前頭部の皮膚と接触する。電極GND,REF(第2の電極)は、イヤホン50に配置され、ユーザHの耳の皮膚と接触する。   Hereinafter, these four electrodes are referred to as electrodes ch1, ch2, GND, and REF, respectively. In addition, these four electrodes are collectively referred to as an electrode E. Electrodes ch1 and ch2 (one of which is the first electrode) are arranged on the forehead band 30 and come into contact with the skin on the frontal region of the user H. Electrodes GND and REF (second electrodes) are arranged on the earphone 50 and come into contact with the skin of the ear of the user H.

基板ボックス10は、例えば、ユーザHが生体電気信号検出装置1を装着した場合にユーザHの右側頭部に位置する。基板ボックス10の内部には、生体電気信号検出装置1を統括的に制御するマイコン部(図2には示さず。図7参照。)を含む基板が格納される。   The board | substrate box 10 is located in the user's H right side head, for example, when the user H wears the bioelectric signal detection apparatus 1. FIG. A substrate including a microcomputer unit (not shown in FIG. 2; see FIG. 7) that controls the bioelectric signal detection device 1 in an integrated manner is stored in the substrate box 10.

基板ボックス10の内部にあるマイコン部の制御によって、生体電気信号検出装置1は電極Eから検出した生体電気信号に対して、ノイズ除去処理、増幅処理、A/D変換処理、及び周波数解析処理等を施して外部装置(例えば、ゲーム装置200)に送信する。   The bioelectric signal detection device 1 performs noise removal processing, amplification processing, A / D conversion processing, frequency analysis processing, and the like on the bioelectric signal detected from the electrode E by the control of the microcomputer unit inside the board box 10. To the external device (for example, game device 200).

電池ボックス20は、例えば、ユーザHが生体電気信号検出装置1を装着した場合にユーザHの左側頭部に位置する。電池ボックス20は、生体電気信号検出装置1の各部に電力を供給する。電池ボックス20は、開閉自在であり、例えば、内部に複数の乾電池を格納できるようになっている。   The battery box 20 is located on the left side of the user H when the user H wears the bioelectric signal detection device 1, for example. The battery box 20 supplies power to each part of the bioelectric signal detection device 1. The battery box 20 is openable and closable. For example, a plurality of dry batteries can be stored therein.

また、電池ボックス20は、例えば、電源スイッチ21、電源ランプ22、及び通信ランプ23を含む。電源スイッチ21は、電力の供給のオン/オフを切り替えるためのスイッチである。電源スイッチ21が操作されて電力が供給されると、電源ランプ22が点灯する。また、電源スイッチ21の操作によって、電力の供給が終了されると、電源ランプ22が消灯する。通信ランプ23は、基板ボックス10のマイコン部が外部端末(例えば、ゲーム装置200)と通信しているか否かを示すためのものである。   The battery box 20 includes, for example, a power switch 21, a power lamp 22, and a communication lamp 23. The power switch 21 is a switch for switching on / off of power supply. When the power switch 21 is operated and power is supplied, the power lamp 22 is turned on. Further, when the supply of power is finished by operating the power switch 21, the power lamp 22 is turned off. The communication lamp 23 is used to indicate whether the microcomputer unit of the board box 10 is communicating with an external terminal (for example, the game device 200).

前頭部バンド30は、例えば、ユーザHが生体電気信号検出装置1を装着した場合にユーザHの前頭部に位置する。前頭部バンド30の内側(即ち、ユーザHの額と接触する側)には、2つの電極ch1,ch2が配置されている。   The forehead band 30 is located on the forehead of the user H when the user H wears the bioelectric signal detection device 1, for example. Two electrodes ch1 and ch2 are arranged inside the frontal band 30 (that is, the side in contact with the forehead of the user H).

電極ch1は、例えば、ユーザHの右側の額(例えば、右眉の上の皮膚)と接触して、生体電気信号を検出する。一方、電極ch2は、例えば、ユーザHの左側の額(例えば、左眉の上の皮膚)と接触して、生体電気信号を検出する。   For example, the electrode ch1 is in contact with the right forehead of the user H (for example, the skin on the right eyebrow) and detects the bioelectric signal. On the other hand, for example, the electrode ch2 is in contact with the forehead on the left side of the user H (for example, the skin on the left eyebrow) and detects the bioelectric signal.

電極ch1,ch2と、基板ボックス10に格納されるマイコン部と、は電気的に接続されている。即ち、電極ch1,ch2によって検出された生体電気信号は、基板ボックス10のマイコン部に対して送られる。なお、電極ch1,ch2と基板ボックス10のマイコン部とを電気的に接続するための配線(電極コード)は、前頭部バンド30の内部に格納されていてよい。   The electrodes ch1 and ch2 and the microcomputer unit stored in the substrate box 10 are electrically connected. That is, the bioelectric signal detected by the electrodes ch1 and ch2 is sent to the microcomputer unit of the substrate box 10. Note that wiring (electrode code) for electrically connecting the electrodes ch1 and ch2 and the microcomputer unit of the substrate box 10 may be stored in the frontal band 30.

後頭部ベルト40は、例えば、ユーザHが生体電気信号検出装置1を装着した場合にユーザHの後頭部に位置する。後頭部ベルト40は、バックル41を含み、長さが調節可能になっている。   The occipital belt 40 is located at the occipital region of the user H when the user H wears the bioelectric signal detection device 1, for example. The occipital belt 40 includes a buckle 41 and is adjustable in length.

ユーザHは、電極ch1,ch2と前頭部とが隙間なく接触するように、後頭部ベルト40の長さを調整する。つまり、ユーザHは、頭のサイズに合わせて生体電気信号検出装置1を装着し、前頭部に配置される電極ch1,ch2の位置をずれないようにすることができる。   The user H adjusts the length of the occipital belt 40 so that the electrodes ch1, ch2 and the forehead come into contact with no gap. That is, the user H can wear the bioelectric signal detection device 1 according to the size of the head, and can prevent the positions of the electrodes ch1 and ch2 arranged on the frontal region from being shifted.

イヤホン50は、ユーザHの耳に装着される。イヤホン50は、電極REF,GNDと、アンプ基板51と、を含む。電極REF及び電極GNDは、ユーザHがイヤホン50を装着(挿入)した場合に、ユーザHの耳の皮膚と接触する位置に配置される。   Earphone 50 is attached to the ear of user H. Earphone 50 includes electrodes REF and GND and amplifier substrate 51. The electrode REF and the electrode GND are arranged at a position where they come into contact with the skin of the ear of the user H when the user H wears (inserts) the earphone 50.

例えば、電極REFは、ユーザHの右耳の皮膚と接触し、右耳周辺の生体電気信号を検出する。また例えば、電極GNDは、ユーザHの左耳の皮膚と接触し、左耳周辺の生体電気信号を検出する。   For example, the electrode REF contacts the skin of the right ear of the user H and detects a bioelectric signal around the right ear. Further, for example, the electrode GND is in contact with the skin of the left ear of the user H and detects a bioelectric signal around the left ear.

アンプ基板51は、サウンドバッファ等を含み、楽曲や音声等の出力を制御する。イヤホン50から出力される楽曲や音声のデータは、例えば、基板ボックス10のマイコン部の制御により、ゲーム装置200から取得されるようにしてよい。   The amplifier board 51 includes a sound buffer and the like, and controls the output of music and voice. For example, music or audio data output from the earphone 50 may be acquired from the game apparatus 200 under the control of the microcomputer unit of the board box 10.

また、基板ボックス10のマイコン部と、電極REF,GND及びアンプ基板51と、は電気的に接続されている。なお、基板ボックス10のマイコン部と電極GNDとを電気的に接続するための配線(電極コード)は、電池ボックス20及び前頭部バンド30の内部に格納されていてよい。   In addition, the microcomputer unit of the substrate box 10 is electrically connected to the electrodes REF and GND and the amplifier substrate 51. Note that wiring (electrode code) for electrically connecting the microcomputer unit of the board box 10 and the electrode GND may be stored in the battery box 20 and the frontal band 30.

[電極から得られる生体電気信号]
次に、電極Eから得られる生体電気信号について説明する。電極Eは、ユーザHの皮膚と接触し、接触箇所の周辺の電位変化を検出する。
[Bioelectric signals obtained from electrodes]
Next, a bioelectric signal obtained from the electrode E will be described. The electrode E is in contact with the skin of the user H and detects a potential change around the contact location.

本実施形態においては、電極ch1,ch2は、ユーザHの額と接触することにより、ユーザHの脳の神経細胞や、額周辺の筋肉の電位の集計を検出する。例えば、ユーザHが目を動かしたり、瞳を瞬いた場合等には、電極ch1と電極ch2から所定の周波数成分の生体電気信号が強く検出される。また例えば、ユーザHが興奮した場合には脳の神経細胞が活性化するので、安静時よりも生体電気信号の大きな電位の変化が検出される。   In the present embodiment, the electrodes ch1 and ch2 detect a total of potentials of nerve cells in the brain of the user H and muscles around the forehead by contacting the forehead of the user H. For example, when the user H moves his eyes or blinks his eyes, a bioelectric signal having a predetermined frequency component is strongly detected from the electrodes ch1 and ch2. Further, for example, when the user H is excited, the nerve cells in the brain are activated, so that a larger potential change in the bioelectric signal is detected than at rest.

一方、電極GND,REFは、ユーザHの耳と接触することにより、ユーザHの耳周辺の筋肉の電位の集計を検出する。電極GNDから検出する生体電気信号は、ユーザHの基準電圧を示すものとして用いられる。電極REFから検出される生体電気信号は、例えば、電極ch1,ch2から検出される生体電気信号から、ノイズ成分を除去するために用いられる。   On the other hand, the electrodes GND and REF detect the aggregation of the potentials of the muscles around the ears of the user H by contacting the ears of the user H. The bioelectric signal detected from the electrode GND is used to indicate the reference voltage of the user H. The bioelectric signal detected from the electrode REF is used, for example, to remove noise components from the bioelectric signal detected from the electrodes ch1 and ch2.

ここで、生体電気信号に含まれるノイズについて説明する。例えば、ユーザHが生体電気信号検出装置1を使用する際の周囲の環境に起因して、生体電気信号には種々のノイズが含まれる。例えば、ユーザHに帯電する静電気の変動によって発生するノイズが、一例として挙げられる。   Here, the noise contained in the bioelectric signal will be described. For example, the bioelectric signal includes various noises due to the surrounding environment when the user H uses the bioelectric signal detection device 1. For example, noise generated by a change in static electricity charged to the user H is an example.

また例えば、ユーザHの周囲の機器(例えば、商用電源)からユーザHの体に静電誘導されるハムノイズが発生する。例えば、ユーザHが家庭用電気コンセントの近くにいる場合、ユーザHは、この家庭用電気コンセントから発生する磁場の影響を受けて、ノイズが発生する。   Further, for example, hum noise that is electrostatically induced in the body of the user H from a device around the user H (for example, a commercial power source) is generated. For example, when the user H is near a household electrical outlet, the user H is affected by a magnetic field generated from the household electrical outlet, and noise is generated.

上記のようなノイズは、ユーザHの頭の全体にほぼ均一に乗っていることが知られている。つまり、電極Eから検出される生体電気信号は、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の成分と、ノイズ信号の成分と、が合算されたものである。   It is known that the noise as described above is almost uniformly on the entire head of the user H. That is, the bioelectric signal detected from the electrode E is the sum of the bioelectric signal component generated by the user H's life activity and the noise signal component.

図3は、電極Eが検出する生体電気信号の測定波形を示す図である。なお、電極ch1及び電極ch2が検出する生体電気信号は、共に同様の波形を示すため、ここでは電極ch1を例に挙げて説明する。図3に示すように、電極ch1が検出する生体電気信号の測定波形(図3の実線)は、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の成分(図3の点線)と、ユーザHの体に発生するノイズ信号の成分(図3の一点鎖線)と、が合算されたものである。   FIG. 3 is a diagram illustrating a measurement waveform of the bioelectric signal detected by the electrode E. The bioelectric signals detected by the electrode ch1 and the electrode ch2 both show the same waveform, and therefore the electrode ch1 will be described as an example here. As shown in FIG. 3, the measurement waveform (solid line in FIG. 3) of the bioelectric signal detected by the electrode ch1 is a component of the bioelectric signal (dotted line in FIG. 3) generated by the bioactivity of the user H, and the user H's This is a sum of noise signal components generated in the body (the one-dot chain line in FIG. 3).

なお、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度は、数十μV〜数百μVであり、ノイズ信号の信号強度は、数百mV程度であることが知られているが、図3では、説明の都合上、これらの縮尺を一致させていない。   It is known that the signal strength of the bioelectric signal generated by the life activity of the user H is several tens of μV to several hundred μV, and the signal strength of the noise signal is about several hundred mV. In FIG. 3, for the convenience of explanation, these scales are not matched.

ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号を検出して、ゲーム装置200のゲーム操作等に用いるためには、電極Eから検出される生体電気信号からノイズ成分を除去しなければならない。   In order to detect a bioelectric signal generated by the biological activity of the user H and use it for a game operation or the like of the game apparatus 200, a noise component must be removed from the bioelectric signal detected from the electrode E.

ここで、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の周波数は、ノイズ信号の周波数(例えば、50Hz程度)に比べて低周波(例えば、2Hz〜40Hz程度)であることが知られている。したがって、生体電気信号検出装置1は、電極ch1が検出する生体電気信号を、デジタルデータに変換してフィルタリング処理を行うことによってノイズの周波数成分を除去することも考えられる。   Here, it is known that the frequency of the bioelectric signal generated by the biological activity of the user H is lower (for example, about 2 Hz to 40 Hz) than the frequency of the noise signal (for example, about 50 Hz). Therefore, the bioelectric signal detection apparatus 1 can also remove the frequency component of noise by converting the bioelectric signal detected by the electrode ch1 into digital data and performing a filtering process.

ただし、上記のように、ノイズ信号の信号強度は、ユーザHの生体活動による生体電気信号の信号強度に比べて大きいので、デジタルデータで表現可能な振幅を示すダイナミックレンジが足りない可能性がある。A/D変換を行う際にダイナミックレンジが不足する場合には、図3に示す測定波形が飽和するため、ノイズ成分を除去することができなくなる。   However, as described above, since the signal strength of the noise signal is larger than the signal strength of the bioelectric signal due to the biological activity of the user H, there is a possibility that the dynamic range indicating the amplitude that can be expressed by digital data is insufficient. . If the dynamic range is insufficient when A / D conversion is performed, the measurement waveform shown in FIG. 3 is saturated, and thus the noise component cannot be removed.

図4は、飽和した測定波形を示す図である。図4に示すように、測定波形の振幅に比べてダイナミックレンジが不足した場合、測定波形が飽和してノイズ成分が分からなくなるため、フィルタリング処理でノイズを除去することができなくなってしまう。   FIG. 4 shows a saturated measurement waveform. As shown in FIG. 4, when the dynamic range is insufficient compared with the amplitude of the measurement waveform, the measurement waveform is saturated and the noise component is not understood, and thus noise cannot be removed by filtering processing.

ノイズ信号成分をデジタルフィルタで除去する場合、ノイズ信号は数百mV程度であるので、例えば、入力電圧範囲の幅が500mV(以降、ピークトゥピーク電圧Vp−pという。)のA/D変換器が必要となる。 When the noise signal component is removed by a digital filter, the noise signal is about several hundred mV, and for example, A / D conversion with an input voltage range width of 500 mV (hereinafter referred to as peak-to-peak voltage V p-p ). A vessel is required.

また、ユーザHの生体活動を解析するためには、A/D変換の量子化幅aを、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度に合わせる必要がある。即ち例えば、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の信号強度のオーダー(例えば、数十μV〜数百μV)に合わせて、量子化幅aを0.1μVとすることが考えられる。この場合、量子化幅を0.1μVとすると、5*10ステップが必要となる。即ち、この場合、量子化ビット数bが23ビット以上である高いダイナミックレンジのA/D変換器が必要となる。 Further, in order to analyze the life activity of the user H, it is necessary to match the quantization width a of the A / D conversion with the signal intensity of the bioelectric signal generated by the life activity of the user H. That is, for example, it is conceivable that the quantization width a is set to 0.1 μV in accordance with the order of the signal intensity of the bioelectric signal generated by the biological activity of the user H (for example, several tens μV to several hundred μV). In this case, if the quantization width is 0.1 μV, 5 * 10 6 steps are required. That is, in this case, an A / D converter with a high dynamic range in which the quantization bit number b is 23 bits or more is required.

上記の例の場合、ダイナミックレンジの小さなA/D変換器(例えば、量子化ビット数bが10ビット)を用いた場合、図4のように測定波形が飽和し、ノイズ成分を除去することができなくなる。例えば、量子化幅aを0.1μVとした場合、量子化ビット数bが10ビットの比較的小さなダイナミックレンジのA/D変換器では、ピークトゥピーク電圧Vp−pが102.4μVとなるため、数百mVの強さのノイズ信号の波形が飽和してしまう。 In the case of the above example, when an A / D converter with a small dynamic range (for example, the number of quantization bits b is 10 bits), the measurement waveform is saturated as shown in FIG. become unable. For example, when the quantization width a is 0.1 μV, the peak-to-peak voltage V p-p is 102.4 μV in an A / D converter with a relatively small dynamic range where the quantization bit number b is 10 bits. For this reason, the waveform of a noise signal having a strength of several hundred mV is saturated.

そこで、本実施形態においては、電極ch1が検出する生体電気信号と、電極REFが検出する生体電気信号と、に基づいてノイズ信号を打ち消すことによって、小さなダイナミックレンジのA/D変換器を用いたとしても、ノイズを除去できるようにしている。   Therefore, in this embodiment, an A / D converter with a small dynamic range is used by canceling the noise signal based on the bioelectric signal detected by the electrode ch1 and the bioelectric signal detected by the electrode REF. Even so, noise can be removed.

図5は、電極REFが検出する生体電気信号を示す図である。図5に示すように、電極REFが検出する生体電気信号も、電極ch1が検出する生体電気信号と同様に、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の成分(図5の点線)と、ユーザHの体に発生するノイズ信号の成分(図5の一点鎖線)と、が合わさったものである。   FIG. 5 is a diagram illustrating a bioelectric signal detected by the electrode REF. As shown in FIG. 5, the bioelectric signal detected by the electrode REF is similar to the bioelectric signal detected by the electrode ch1, and the component of the bioelectric signal generated by the biological activity of the user H (dotted line in FIG. 5) This is a combination of a noise signal component (dotted line in FIG. 5) generated in the body of the user H.

しかし、電極REFは、筋肉の動きや神経細胞の活動の影響が比較的少ない耳に配置される。即ち、電極REFは、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の変化が比較的少ない位置に配置されている。本実施形態においては、電極REFが検出する生体電気信号のうち、ユーザHの生体活動によって発生する生体電気信号の成分を略零であるとみなしている。別の言い方をすれば、電極REFが検出する生体電気信号は、略すべてノイズ成分であるとみなしている。   However, the electrode REF is disposed in the ear that is relatively less affected by muscle movement and nerve cell activity. That is, the electrode REF is disposed at a position where a change in the bioelectric signal generated by the biological activity of the user H is relatively small. In the present embodiment, the bioelectric signal component generated by the biological activity of the user H among the bioelectric signals detected by the electrode REF is regarded as substantially zero. In other words, almost all bioelectric signals detected by the electrode REF are regarded as noise components.

したがって、電極ch1が検出する生体電気信号と、電極REFが検出する生体電気信号と、の差をとることによって、電極ch1が検出する生体電気信号からノイズ成分が除去される。即ち、これらの差動電圧は、ユーザHの右前頭部の生体活動による電気信号を示すものといえる。   Therefore, by taking the difference between the bioelectric signal detected by the electrode ch1 and the bioelectric signal detected by the electrode REF, the noise component is removed from the bioelectric signal detected by the electrode ch1. That is, it can be said that these differential voltages indicate an electrical signal due to the biological activity of the right frontal region of the user H.

図6は、電極ch1と電極REFとの差動電圧の波形を示す図である。即ち、図6に示す波形は、図3に示す実線の波形から図5に示す実線波形を引いた差分の波形である。図6に示すように、ノイズ成分が除去されて、ユーザHの右前頭部の生体活動による電気信号を得ることができる。   FIG. 6 is a diagram illustrating a waveform of a differential voltage between the electrode ch1 and the electrode REF. That is, the waveform shown in FIG. 6 is a difference waveform obtained by subtracting the solid line waveform shown in FIG. 5 from the solid line waveform shown in FIG. As shown in FIG. 6, the noise component is removed, and an electrical signal due to the biological activity of the right frontal region of the user H can be obtained.

なお、上記では、電極ch1を例に挙げて説明したが、電極ch2が検出する生体電気信号も図3と同じような波形を示すので、電極ch2が検出する生体電気信号も、電極REFが検出する生体電気信号を用いてノイズ成分を打ち消すことができる。なお、電極GNDが検出する生体電気信号の波形は、図5に示す電極REFの波形と同様である。   In the above description, the electrode ch1 has been described as an example. However, since the bioelectric signal detected by the electrode ch2 also shows a waveform similar to that in FIG. 3, the bioelectric signal detected by the electrode ch2 is also detected by the electrode REF. The noise component can be canceled using the bioelectric signal. The waveform of the bioelectric signal detected by the electrode GND is the same as the waveform of the electrode REF shown in FIG.

このように、生体電気信号検出装置1は、電極REFが検出する生体電気信号を用いてノイズ成分を打ち消すことができる。次に、生体電気信号検出装置1の回路構成について説明する。   As described above, the bioelectric signal detection device 1 can cancel the noise component using the bioelectric signal detected by the electrode REF. Next, the circuit configuration of the bioelectric signal detection apparatus 1 will be described.

[生体電気信号検出装置の回路構成]
図7は、本実施形態における生体電気信号検出装置1の回路構成の模式図である。図7に示すように、生体電気信号検出装置1は、検出部100a,100b,100c,100d、差動増幅部110a,110b、フィルタ部120a,120b、増幅部130a,130b、マイコン部140を含む。これらの構成要素は、電池ボックス20に格納された乾電池によって駆動するようにしてよい。
[Circuit Configuration of Bioelectric Signal Detection Device]
FIG. 7 is a schematic diagram of a circuit configuration of the bioelectric signal detection apparatus 1 in the present embodiment. As shown in FIG. 7, the bioelectric signal detection apparatus 1 includes detection units 100a, 100b, 100c, and 100d, differential amplification units 110a and 110b, filter units 120a and 120b, amplification units 130a and 130b, and a microcomputer unit 140. . These components may be driven by dry batteries stored in the battery box 20.

また、検出部100a,100dは、前頭部バンド20に含まれ、検出部100b,100cは、イヤホン50に含まれる。他の構成要素は、基板ボックス10に含まれる。   The detection units 100 a and 100 d are included in the frontal band 20, and the detection units 100 b and 100 c are included in the earphone 50. Other components are included in the substrate box 10.

検出部100a,100b,100c,100d(以降、これらをまとめて検出部100ともいう。)は、それぞれ電極ch1,GND,REF,ch2を含んで構成され、ユーザHに発生する生体電気信号を検出する。   The detection units 100a, 100b, 100c, and 100d (hereinafter collectively referred to as the detection unit 100) include electrodes ch1, GND, REF, and ch2, and detect bioelectric signals generated by the user H. To do.

差動増幅部110a,110b(以降、これらをまとめて差動増幅部110ともいう。)は、複数の検出部100から出力される信号のうちの2つを差動増幅するものであり、例えば、所定の増幅度を有するオペアンプを含んで構成される。   The differential amplifying units 110a and 110b (hereinafter collectively referred to as the differential amplifying unit 110) differentially amplifies two of the signals output from the plurality of detecting units 100. For example, And an operational amplifier having a predetermined amplification degree.

差動増幅部110aは、検出部100aの検出信号からノイズ成分を除去する(打ち消す)ように、検出部100aの検出信号と検出部100cの検出信号とを差動増幅する。また、差動増幅部110bは、検出部100dの検出信号からノイズ成分を除去する(打ち消す)ように、検出部100dの検出信号と検出部100cの検出信号とを差動増幅する。   The differential amplification unit 110a differentially amplifies the detection signal of the detection unit 100a and the detection signal of the detection unit 100c so as to remove (cancel) the noise component from the detection signal of the detection unit 100a. The differential amplifier 110b differentially amplifies the detection signal of the detection unit 100d and the detection signal of the detection unit 100c so as to remove (cancel) the noise component from the detection signal of the detection unit 100d.

フィルタ部120a,120b(以降、これらをまとめてフィルタ部120ともいう。)は、差動増幅部110の出力信号の所定の周波数成分(ノイズ信号の周波数成分)を除去する。フィルタ部120は、A/D変換器を含むデジタルフィルタであってもよい。即ち、フィルタ部120は、差動増幅部110によって除去しきれなかったノイズ成分を除去するためのものである。   Filter units 120a and 120b (hereinafter collectively referred to as filter unit 120) remove a predetermined frequency component (frequency component of a noise signal) of the output signal of differential amplification unit 110. The filter unit 120 may be a digital filter including an A / D converter. In other words, the filter unit 120 is for removing noise components that could not be removed by the differential amplification unit 110.

例えば、フィルタ部120は、ケーブルや人体に誘導される外来電磁ノイズ(例えば、40Hz以上のノイズ)を除去するためのローパスフィルタ(例えば、8次の多段ローパスフィルタ)を含む。また例えば、フィルタ部120は、ユーザHの静電気変動や電極Eの接触箇所で発生する低周波ノイズ(例えば、2Hz以下のノイズ)を除去するためのハイパスフィルタ(例えば、4次の多段ハイパスフィルタ)を含む。   For example, the filter unit 120 includes a low-pass filter (for example, an eighth-order multi-stage low-pass filter) for removing external electromagnetic noise (for example, noise of 40 Hz or more) induced in a cable or a human body. In addition, for example, the filter unit 120 is a high-pass filter (for example, a fourth-order multi-stage high-pass filter) for removing low-frequency noise (for example, noise of 2 Hz or less) that occurs at the location where the user H is static or the electrode E is in contact. including.

なお、フィルタ部120は、高周波ノイズ及び低周波ノイズを除去して、ユーザHの生体活動による信号成分(例えば、2Hz〜40Hzの信号成分)のみを通過させるバンドパスフィルタであってもよい。フィルタ部120が取り出す電気信号の周波数帯域は、ユーザHに発生する電気信号のノイズの周波数に応じて適宜変更可能であってよい。   Note that the filter unit 120 may be a band-pass filter that removes high-frequency noise and low-frequency noise and passes only a signal component (for example, a signal component of 2 Hz to 40 Hz) due to the biological activity of the user H. The frequency band of the electrical signal taken out by the filter unit 120 may be appropriately changed according to the noise frequency of the electrical signal generated by the user H.

増幅部130a,130b(以降、これらをまとめて増幅部130ともいう。)は、所定の増幅度を有するオペアンプを含んで構成される。増幅部130は、フィルタ部120を通過し、所定周波数成分がカットされた生体電気信号を増幅してマイコン部140に出力する。なお、増幅部130における電気信号の増幅度は、任意の値であってよい。例えば、ユーザHの生体に関する電気信号は数μVであるので、この電気信号を数Vまで増幅させるための増幅度(例えば、10倍)が設定されていてよい。 The amplifying units 130a and 130b (hereinafter collectively referred to as the amplifying unit 130) include an operational amplifier having a predetermined amplification degree. The amplifying unit 130 amplifies the bioelectric signal that has passed through the filter unit 120 and has a predetermined frequency component cut off, and outputs the bioelectric signal to the microcomputer unit 140. The amplification degree of the electric signal in the amplification unit 130 may be an arbitrary value. For example, since the electric signal related to the living body of the user H is several μV, an amplification factor (for example, 106 times) for amplifying the electric signal to several V may be set.

マイコン部140は、マイクロプロセッサやメモリ、アナログ形式の出力電気信号をデジタル形式に変換するA/D変換器、各種入出力インタフェース等を含んで構成される。マイコン部140は、差動増幅部110及びフィルタ部120によってノイズが除去され、かつ、増幅部130によって増幅された生体電気信号を取得する。   The microcomputer unit 140 includes a microprocessor, a memory, an A / D converter that converts an analog output electric signal into a digital format, various input / output interfaces, and the like. The microcomputer unit 140 acquires a bioelectric signal from which noise has been removed by the differential amplification unit 110 and the filter unit 120 and has been amplified by the amplification unit 130.

また例えば、マイコン部140は、生体電気信号を周波数分析するようにしてよい。例えば、マイコン部140は、周波数ごとに生体電気信号の信号強度を測定して出力信号として、図示しない出力端子とケーブルCを介してゲーム装置200に対して出力する。   For example, the microcomputer unit 140 may perform frequency analysis on the bioelectric signal. For example, the microcomputer unit 140 measures the signal strength of the bioelectric signal for each frequency and outputs it as an output signal to the game apparatus 200 via an output terminal (not shown) and the cable C.

生体電気信号検出装置1は、上記のような回路構成に基づいてノイズ成分を除去する。ただし、電極EとユーザHとの間に発生する接触インピーダンスは、電極Eの位置や時間経過に応じて異なるので、差動増幅部110に入力される生体電気信号に含まれるノイズ成分の大きさが異なり、差動電圧によってノイズを除去しきれなくなる可能性がある。   The bioelectric signal detection apparatus 1 removes noise components based on the circuit configuration as described above. However, since the contact impedance generated between the electrode E and the user H differs depending on the position of the electrode E and the passage of time, the magnitude of the noise component included in the bioelectric signal input to the differential amplification unit 110 However, there is a possibility that noise cannot be completely removed by the differential voltage.

即ち、複数の電極EとユーザHとの接触インピーダンスの大きさに差があった場合、差動増幅部110がノイズ成分を除去する効果が減少する。本実施形態においては、検出部100に含まれる電極Eとして、乾式電極が用いられる。したがって、電極EとユーザHとの間には、湿式電極を使用する場合に比べて大きな接触インピーダンスが発生する。つまり、接触インピーダンスのばらつきを考慮しなければ、差動増幅部110がノイズを除去しきれなくなってしまい、図4のように波形が飽和する可能性がある。   That is, when there is a difference in the contact impedance between the plurality of electrodes E and the user H, the effect of the differential amplifier 110 removing noise components is reduced. In the present embodiment, a dry electrode is used as the electrode E included in the detection unit 100. Therefore, a larger contact impedance is generated between the electrode E and the user H than in the case where a wet electrode is used. That is, if the variation in contact impedance is not taken into account, the differential amplifier 110 cannot completely remove noise, and the waveform may be saturated as shown in FIG.

そこで、本実施形態における生体電気信号検出装置1は、複数の電極Eの接触インピーダンスの大きさにばらつきがあったとしても、差動増幅部110がノイズ成分を除去する効果が減少しない構成になっている。以降、この構成について詳細に説明する。   Therefore, the bioelectric signal detection device 1 according to the present embodiment has a configuration in which the effect of removing the noise component by the differential amplifier 110 does not decrease even if the contact impedances of the plurality of electrodes E vary in magnitude. ing. Hereinafter, this configuration will be described in detail.

まず、接触インピーダンスと、差動増幅部110のノイズ除去能力と、の関係について説明する。なお、差動増幅部110aと差動増幅部110bとは、同様の構成を有するので、以降では差動増幅部110aを例に挙げて説明する。   First, the relationship between the contact impedance and the noise removal capability of the differential amplifier 110 will be described. Since the differential amplifier 110a and the differential amplifier 110b have the same configuration, the differential amplifier 110a will be described below as an example.

[差動増幅部のノイズ除去能力]
図8は、差動増幅部110aの回路構成の一例を説明するための図である。ユーザHの皮膚と接触する電極Eは、ユーザの汗や皮脂等に起因して接触インピーダンスが発生する。図8では、電極ch1,GND,REFとユーザHとの接触インピーダンスを、それぞれ接触インピーダンスRt1,Rtg,Rt2とする。なお、接触インピーダンスRt1,Rtg,Rt2は、数十kΩ〜数MΩ程度であることが一般的に知られている。
[Noise removal capability of differential amplifier]
FIG. 8 is a diagram for explaining an example of a circuit configuration of the differential amplifier 110a. The electrode E in contact with the skin of the user H generates contact impedance due to the user's sweat, sebum, and the like. 8, the electrode ch1, GND, the contact impedance between the REF and the user H, respectively contact impedance R t1, R tg, and R t2. It is generally known that the contact impedances R t1 , R tg , and R t2 are about several tens of kΩ to several MΩ.

また、図8では、ユーザHの体に発生するノイズを発生ノイズVnoise0とする。先述のように、外来電磁ノイズは、ユーザHの頭全体にほぼ均一に発生するため、発生ノイズVnoise0を、図8に示すように電極ch1,GND,REFに対応する位置に示す。また、発生ノイズVnoise0の電圧をノイズ電圧Vcomm(コモンモードノイズ電圧)とする。なお、電極GNDは、ユーザHの生体活動による電気信号を検出するが、この成分を略零とし、記載を省略する。 In FIG. 8, noise generated in the body of the user H is referred to as generated noise V noise0 . As described above, since the external electromagnetic noise is generated almost uniformly over the entire head of the user H, the generated noise V noise0 is shown at positions corresponding to the electrodes ch1, GND, and REF as shown in FIG. Further, the voltage of the generated noise V noise0 is assumed to be a noise voltage V comm (common mode noise voltage). In addition, although the electrode GND detects the electrical signal by the user's H biological activity, this component is set to substantially zero and description is abbreviate | omitted.

また、ここでは説明の都合上、回路に電磁誘導ノイズ(詳細後述)は発生しないものとして説明する。差動増幅部110aに含まれるオペアンプ111aの入力インピーダンスRを、図8のように模式的に示す。 Further, here, for convenience of explanation, it is assumed that electromagnetic induction noise (details will be described later) does not occur in the circuit. An input impedance R i of the operational amplifier 111a included in the differential amplifier 110a is schematically shown in FIG.

図3〜図6を参照して説明したように、電極ch1が検出する生体電気信号の電圧Vch1は、ユーザHの生体活動による生体電気信号(信号Vcreature1とし、この電圧をVcreate1とする。)と、ノイズ成分(例えば、電圧Vcomm)と、の両者が合算されたものである。 As described with reference to FIGS. 3 to 6, the voltage V ch1 bioelectric signals electrode ch1 is detected, the bioelectrical signal (signal V Creature1 by the biological activities of the user H, for the voltage and V Create1 )) And a noise component (for example, voltage V com ) are added together.

また、電極REFが検出する生体電気信号の電圧Vrefは、ユーザHの生体活動による生体電気信号(信号Vcreature2とし、この電圧をVcreate2とする。)と、ノイズ成分と、の両者が合算されたものである。 Further, the voltage V ref of the bioelectrical signal electrode REF is detected, (a signal V Creature2, this voltage is V Create2.) Bioelectric signal by the biological activities of the user H and a noise component, both the sum of It has been done.

オペアンプ111aは、電極ch1と電極REFとの差動電圧を検出し、ノイズ成分を除去する。ここで、電極ch1からオペアンプ111a側に流れる電流I、及び、オペアンプ111aの負側入力信号電圧Vは、以下の式によって表される。
(1)I=V/Ri1
(2)V=Vcomm+Vcreate1−Rt1*I
The operational amplifier 111a detects a differential voltage between the electrode ch1 and the electrode REF and removes a noise component. Here, the current I 1 flowing from the electrode ch1 to the operational amplifier 111a and the negative input signal voltage V 1 of the operational amplifier 111a are expressed by the following equations.
(1) I 1 = V 1 / R i1
(2) V 1 = V comm + V create1 -R t1 * I 1

上記の式(1)及び式(2)から、負側入力信号電圧Vは、以下の式によって表される。
(3)V=Ri1*(Vcomm+Vcreate1)/(Ri1+Rt1
From the above formulas (1) and (2), the negative input signal voltage V 1 is expressed by the following formula.
(3) V 1 = R i1 * (V comm + V create1) / (R i1 + R t1)

一方、電極REFからオペアンプ111a側に流れる電流I、及び、オペアンプ111aの正側入力信号電圧Vは、以下の式によって表される。
(4)I=V/Ri1
(5)V=Vcomm+Vcreate2−Rt2*I
On the other hand, the current I 2 flowing from the electrode REF to the operational amplifier 111a and the positive input signal voltage V 2 of the operational amplifier 111a are expressed by the following equations.
(4) I 2 = V 2 / R i1
(5) V 2 = V comm + V create2 -R t2 * I 2

上記の式(4)及び式(5)から、正側入力信号電圧Vは、以下の式によって表される。
(6)V=Ri1*(Vcomm+Vcreate2)/(Ri1+Rt2
From the above equations (4) and (5), the positive side input signal voltage V 2 is expressed by the following equation.
(6) V 2 = R i1 * (V comm + V create2) / (R i1 + R t2)

また、オペアンプ111aの出力信号電圧V01は、オペアンプ111aの増幅度A、式(3)及び式(6)に基づいて、以下の式で表される。
(7)V01=A*(V−V)=A*Ri1*(1/(Ri1+Rt2)−1/(Ri1+Rt1))*Vcomm+A*Ri1*(Vcreate2/(Ri1+Rt2)−(Vcreate1/(Ri1+Rt1))
The output signal voltage V 01 of the operational amplifier 111a is expressed by the following expression based on the amplification degree A v of the operational amplifier 111a, expressions (3), and (6).
(7) V 01 = A v * (V 2 −V 1 ) = A v * R i1 * (1 / (R i1 + R t2 ) −1 / (R i1 + R t1 )) * V com + A v * R i1 * (V create2 / (R i1 + R t2 ) − (V create1 / (R i1 + R t1 ))

式(7)で示されるように、出力信号電圧V01は、接触インピーダンスRt1と接触インピーダンスRt2の差が小さければ小さいほど、ノイズ成分(式(7)のうちの「A*Ri1*(1/(Ri1+Rt2)−1/(Ri1+Rt1))*Vcomm」の成分)の絶対値が小さくなる。即ち、接触インピーダンスRt1と接触インピーダンスRt2の差が小さければ小さいほど、差動増幅部110によるノイズ成分の除去性能が向上することになる。 As shown in the equation (7), the output signal voltage V 01 has a noise component (“A v * R i1 in the equation (7) becomes smaller as the difference between the contact impedance R t1 and the contact impedance R t2 is smaller. The absolute value of * (1 / (R i1 + R t2 ) −1 / (R i1 + R t1 )) * V comm “)” becomes smaller. That is, the smaller the difference between the contact impedance R t1 and the contact impedance R t2 , the better the noise component removal performance of the differential amplifier 110.

図9は、出力信号電圧Vのノイズ成分と接触インピーダンスとの関係を示す図である。図9に示す例は、例えば、ノイズ電圧Vcommを100mV、増幅度Aを2*10、及び接触インピーダンスRt2を10Ωとし、入力インピーダンスR及び接触インピーダンスRt1を変化させた場合に、式(7)によって得られる出力信号電圧V01のノイズ成分を示している。 FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the noise component of the output signal voltage V 0 and the contact impedance. Example shown in FIG. 9, for example, 100 mV noise voltage V comm, the amplification degree A v 2 * 10 4, and the contact impedance R t2 and 104 Omega, varying input impedance R i and contact impedance R t1 In this case, the noise component of the output signal voltage V 01 obtained by the equation (7) is shown.

図9に示すように、接触インピーダンスRt1と接触インピーダンスRt2の値の差が小さいほど(図9の場合、が10Ωに近いほど)、出力信号電圧V01のノイズ成分が小さくなる。また、入力インピーダンスRi1が、接触インピーダンスRt1及び接触インピーダンスRt2に比べて大きくなるほど、出力信号電圧V01のノイズ成分が小さくなる。 As shown in FIG. 9, the smaller the difference between the values of the contact impedance R t1 and the contact impedance R t2 (in the case of FIG. 9, the closer to 10 4 Ω), the smaller the noise component of the output signal voltage V 01 . Further, the noise component of the output signal voltage V 01 becomes smaller as the input impedance R i1 becomes larger than the contact impedance R t1 and the contact impedance R t2 .

したがって、入力インピーダンスRi1を、接触インピーダンスのオーダー(数十kΩ〜数MΩ)に比べて極めて大きく(例えば、1GΩ以上)すれば、接触インピーダンスRt1と接触インピーダンスRt2の差によらず、ノイズ成分の除去能力は担保される。例えば、入力インピーダンスRi1を、接触インピーダンスRt1,Rt2の100倍以上にすれば、接触インピーダンスRt1が接触インピーダンスRt2の2倍であっても、式(7)に示すように、オペアンプ111aの差動入力によってノイズの振幅を数十分の一に収めることができる。 Accordingly, if the input impedance R i1 is extremely large (eg, 1 GΩ or more) compared to the order of contact impedance (several tens of kΩ to several MΩ), the noise is not affected by the difference between the contact impedance R t1 and the contact impedance R t2. The ability to remove components is guaranteed. For example, if the input impedance R i1 is set to 100 times or more of the contact impedances R t1 and R t2 , even if the contact impedance R t1 is twice the contact impedance R t2 , as shown in the equation (7), the operational amplifier The amplitude of noise can be reduced to several tenths by the differential input of 111a.

しかしながら、差動増幅部110は基板ボックス10に格納されているため、図8に示す電極Eと入力インピーダンスRi1とを接続する配線は、一定の距離(例えば、基板ボックス10と、前頭部バンド30又はイヤホン50と、の距離)がある。したがって、図8に示す回路に外来ノイズ(例えば、電磁誘導によるノイズ)が発生してしまう可能性がある。 However, since the differential amplifying unit 110 is housed in the board box 10, the wiring connecting the electrode E and the input impedance R i1 shown in FIG. 8 has a certain distance (for example, the board box 10 and the frontal region). Distance to the band 30 or the earphone 50). Therefore, external noise (for example, noise due to electromagnetic induction) may occur in the circuit shown in FIG.

例えば、図8に示す電極ch1の検出信号を差動増幅部110aに伝達するための配線と、電極GNDの検出信号を差動増幅部110aに伝達するための配線と、によって囲まれる領域に外部からの電磁波が貫く場合、この領域には電磁誘導ノイズ(外来ノイズ)が発生する。例えば、電極ch1と差動増幅部110との距離Lが大きくなればなるほど、この領域の面積(以降、面積S(L)とする。)は大きくなる。 For example, the region surrounded by the wiring for transmitting the detection signal of the electrode ch1 shown in FIG. 8 to the differential amplifier 110a and the wiring for transmitting the detection signal of the electrode GND to the differential amplifier 110a is externally provided. When the electromagnetic wave from pierces, electromagnetic induction noise (external noise) is generated in this region. For example, as the distance L 0 between the electrode ch1 and the differential amplifier 110 increases, the area of this region (hereinafter referred to as area S (L 0 )) increases.

ここで、ユーザHの周囲の機器(例えば、商用電源)からの外来電磁波の磁束密度をB(T)とすると、電極ch1の配線及び電極GNDの配線によって発生する電磁誘導電圧V(L)は、磁束の時間変化に基づいて以下の式によって表される。
(8)V(L)=−d(B*S(L))/dt
Here, when the magnetic flux density of the external electromagnetic wave from the device (for example, commercial power source) around the user H is B (T), the electromagnetic induction voltage V (L 0 ) generated by the wiring of the electrode ch1 and the wiring of the electrode GND. Is expressed by the following formula based on the time change of the magnetic flux.
(8) V (L 0 ) = − d (B * S (L 0 )) / dt

上記の式(8)から、電極ch1と入力インピーダンスRとの距離Lが長くなると、面積S(L)が大きくなるため電磁誘導電圧V(L)が高くなる。 From the above equation (8), when the distance L 0 between the electrode ch1 and the input impedance R i is increased, the area S (L 0 ) is increased, so that the electromagnetic induction voltage V (L 0 ) is increased.

図10は、電磁誘導電圧を示す回路図である。図10は、図8の回路のうち、接触インピーダンスRt1と入力インピーダンスRi1のみを示している。図10に示すように、入力インピーダンスRの両端の電圧は、(Ri1/(Rt1+Ri1))*V(L)で表される。即ち、入力インピーダンスRが大きくなると、この電磁誘導電圧V(L)が、負側入力信号電圧Vに及ぼす影響が大きくなる。 FIG. 10 is a circuit diagram showing the electromagnetic induction voltage. FIG. 10 shows only the contact impedance R t1 and the input impedance R i1 in the circuit of FIG. As shown in FIG. 10, the voltage across the input impedance R i is expressed by (R i1 / (R t1 + R i1 )) * V (L 0 ). That is, when the input impedance Ri increases, the influence of the electromagnetic induction voltage V (L 0 ) on the negative input signal voltage V 1 increases.

また、他にも、電極Eから差動増幅部110までの配線が一定の長さがある場合、配線とユーザHの間で静電結合ノイズ等が発生する。つまり、高い入力インピーダンスRi1のために高感度なアンテナのようにノイズを拾ってしまう可能性がある。したがって、本発明に係る生体電気信号検出装置1は、このノイズの発生を抑制するようにしている。 In addition, when the wiring from the electrode E to the differential amplifier 110 has a certain length, electrostatic coupling noise or the like is generated between the wiring and the user H. That is, noise may be picked up like a highly sensitive antenna due to the high input impedance R i1 . Therefore, the bioelectric signal detection device 1 according to the present invention suppresses the generation of this noise.

[発生ノイズを低減するバッファアンプ]
本発明に係る生体電気信号検出装置1の検出部100は、上記のような高い入力インピーダンスに基づくノイズの発生を防ぐためにバッファアンプ(増幅手段)を含むようにしている。このバッファアンプは、図8のオペアンプ111aと同様に、差動増幅部110によるノイズ除去の効果が低下しないように、ユーザH及び電極ch1,ch2,REFの接触インピーダンス(例えば、数十kΩ)より高い入力インピーダンス(例えば、1GΩ以上)を有する。
[Buffer amplifier to reduce generated noise]
The detection unit 100 of the bioelectric signal detection apparatus 1 according to the present invention includes a buffer amplifier (amplifying means) in order to prevent the occurrence of noise based on the high input impedance as described above. As with the operational amplifier 111a in FIG. 8, this buffer amplifier is based on the contact impedance (for example, several tens of kΩ) of the user H and the electrodes ch1, ch2, and REF so that the effect of noise removal by the differential amplifier 110 is not reduced. It has a high input impedance (eg, 1 GΩ or more).

バッファアンプは、電極Eで検出される電気信号を増幅させる。また、バッファアンプは、電極Eと差動増幅部110との間に配置される。例えば、バッファアンプは、電極Eとバッファアンプとの距離が、バッファアンプと差動増幅美110との距離よりも短い位置に設けられる。別の言い方をすれば、例えば、バッファアンプは、バッファアンプの入力インピーダンスを含む回路に発生する外来ノイズの成分によって、差動増幅部110の出力電圧が飽和しないような位置(例えば、電極Eの直後)に配置される。   The buffer amplifier amplifies the electric signal detected by the electrode E. In addition, the buffer amplifier is disposed between the electrode E and the differential amplifier 110. For example, the buffer amplifier is provided at a position where the distance between the electrode E and the buffer amplifier is shorter than the distance between the buffer amplifier and the differential amplification beauty 110. In other words, for example, the buffer amplifier has a position where the output voltage of the differential amplifying unit 110 is not saturated by the component of the external noise generated in the circuit including the input impedance of the buffer amplifier (for example, the electrode E (Just after).

図11は、本発明に係るバッファアンプを含む回路構成の一例を示す図である。図11に示すように、電極ch1,REFと、オペアンプ101と、の間に、バッファアンプ101a,101c(以降、電極Eの直後に配置されるバッファアンプをまとめてバッファアンプ101という。)が配置されている。   FIG. 11 is a diagram showing an example of a circuit configuration including the buffer amplifier according to the present invention. As shown in FIG. 11, buffer amplifiers 101a and 101c (hereinafter, the buffer amplifiers arranged immediately after the electrode E are collectively referred to as buffer amplifiers 101) are arranged between the electrodes ch1 and REF and the operational amplifier 101. Has been.

バッファアンプ101a,101cの増幅度は、例えば、互いに略同程度(例えば、1)に設定される。バッファアンプ101a,101cの増幅度は、接触インピーダンスよりも高い入力インピーダンスが得られる範囲で設定されていてよい。   The amplification degrees of the buffer amplifiers 101a and 101c are set to, for example, substantially the same level (for example, 1). The amplification factors of the buffer amplifiers 101a and 101c may be set within a range in which an input impedance higher than the contact impedance can be obtained.

図11では、バッファアンプ101aの入力インピーダンスをRia(>接触インピーダンスR1t)とし、バッファアンプ101cの入力インピーダンスをRic(>接触インピーダンスR2t)とする。また、図11に示す回路に発生する電磁誘導ノイズの電圧を、ノイズ電圧Vei1及びノイズ電圧Vei2とする。また、電磁誘導ノイズや静電結合ノイズ等、回路に発生するノイズを含めてノイズVnoise1及びノイズVnoise2とする。 In FIG. 11, the input impedance of the buffer amplifier 101a is R ia (> contact impedance R 1t ), and the input impedance of the buffer amplifier 101c is R ic (> contact impedance R 2t ). Also, the voltages of electromagnetic induction noise generated in the circuit shown in FIG. 11 are referred to as noise voltage V ei1 and noise voltage V ei2 . In addition, noise V noise1 and noise V noise2 including noise generated in the circuit, such as electromagnetic induction noise and electrostatic coupling noise, are used.

例えば、電極ch1とバッファアンプ101aとの距離Lに基づいて、ノイズ電圧Vei1は、−d(B*S(L))/dtで表される。また例えば、電極REFとバッファアンプ101cとの距離Lに基づいて、ノイズ電圧Vei2は、−d(B*S(L))/dtで表される。 For example, the noise voltage V ei1 is represented by −d (B * S (L 1 )) / dt based on the distance L 1 between the electrode ch1 and the buffer amplifier 101a. Further, for example, based on the distance L 2 between the electrode REF and the buffer amplifier 101 c , the noise voltage V ei2 is expressed by −d (B * S (L 2 )) / dt.

電極ch1からバッファアンプ101a側に流れる電流I11、及び、バッファアンプ101aの正側入力信号電圧V11は、以下の式によって表される。なお、下記に示すVtotal1(L)は、第1の検出手段(検出部100a)を含む回路に発生するノイズであって、距離Lが増加すると大きくなるノイズである。例えば、Vtotal1(L)は、ノイズ電圧Vel1や、静電結合ノイズの電圧が加算されたものである。また、電圧Vch1は、電極ch1で検出する電気信号の電圧である。即ち、電圧Vch1は、電圧Vcommと電圧Vcreate1を合算したものである。
(9)V11=I11*Ria
(10)V11=Vtotal1(L)+Vch1−Rt1*I11
The current I 11 flowing from the electrode ch1 to the buffer amplifier 101a side and the positive input signal voltage V 11 of the buffer amplifier 101a are expressed by the following equations. Note that V total1 (L 1 ) shown below is noise generated in a circuit including the first detection means (detection unit 100a), and increases as the distance L 1 increases. For example, V total1 (L 1 ) is obtained by adding a noise voltage V el1 and a voltage of electrostatic coupling noise. The voltage V ch1 is a voltage of an electric signal detected by the electrode ch1. That is, the voltage V ch1 is obtained by summing the voltage V comm and the voltage V Create1.
(9) V 11 = I 11 * R ia
(10) V 11 = V total1 (L 1 ) + V ch1 −R t1 * I 11

式(9)及び式(10)から、バッファアンプ101aの正側入力信号電圧V11は、以下の式によって表される。
(11)V11=Ria*(Vtotal1(L)+Vch1)/(Ria+Rt1
From equations (9) and (10), the positive input signal voltage V 11 of the buffer amplifier 101a is represented by the following equation.
(11) V 11 = R ia * (V total1 (L 1 ) + V ch1 ) / (R ia + R t1 )

一方、電極REFからバッファアンプ101c側に流れる電流I21、及び、バッファアンプ101cの正側入力信号電圧V21は、以下の式によって表される。なお、下記に示すVtotal2(L)は、第2の検出手段(検出部100c)を含む回路に発生するノイズであって、距離Lが増加すると大きくなるノイズである。例えば、Vtotal2(L)は、ノイズ電圧Vel2や、静電結合ノイズの電圧が加算されたものである。また、電圧Vrefは、電極REFで検出する電気信号の電圧である。即ち、電圧Vrefは、電圧Vcommと電圧Vcreate2を合算したものである。
(12)V21=I21*Ric
(13)V21=Vtotal2(L)+Vref−Rt2*I21
On the other hand, the current I 21 flowing from the electrode REF to the buffer amplifier 101c side and the positive input signal voltage V 21 of the buffer amplifier 101c are expressed by the following equations. Note that V total2 (L 2 ) shown below is noise generated in a circuit including the second detection means (detection unit 100c), and increases as the distance L 2 increases. For example, V total2 (L 2 ) is obtained by adding a noise voltage V el2 and a voltage of electrostatic coupling noise. The voltage V ref is a voltage of an electric signal detected by the electrode REF. That is, the voltage V ref is obtained by summing the voltage V comm and the voltage V Create2.
(12) V 21 = I 21 * R ic
(13) V 21 = V total2 (L 2 ) + V ref −R t2 * I 21

式(12)及び式(13)から、バッファアンプ101aの正側入力信号電圧V21は、以下の式によって表される。
(14)V21=Ric*(Vtotal2(L)+Vref)/(Ric+Rt2
From the equations (12) and (13), the positive input signal voltage V 21 of the buffer amplifier 101a is expressed by the following equation.
(14) V 21 = R ic * (V total2 (L 2 ) + V ref ) / (R ic + R t2 )

バッファアンプ101aの増幅度をAすると、オペアンプ111aの負側入力電圧V12は、A*V11となる。また、バッファアンプ101cの増幅度をAとすると、オペアンプ111cの正側入力電圧V22は、A*V21となる。 The amplification degree of the buffer amplifier 101a A a result, the negative-side input voltage V 12 of the operational amplifier 111a is a A a * V 11. Further, when the amplification degree of the buffer amplifier 101c and A c, positive input voltage V 22 of the operational amplifier 111c is a A c * V 21.

したがって、オペアンプ111aの出力信号電圧V02は、増幅度A、式(11)及び式(14)に基づいて以下の式で表される。
(15)V02=A*(V21−V11)=A*(A*Ric*(Vtotal2(L)+Vref)/(Ric+Rt2)−A*Ria*(Vtotal1(L)+Vch1)/(Ria+Rt1))
Therefore, the output signal voltage V 02 of the operational amplifier 111a is expressed by the following equation based on the amplification degree A v , the equations (11) and (14).
(15) V 02 = A v * (V 21 -V 11) = A v * (A c * R ic * (V total2 (L 2) + V ref) / (R ic + R t2) -A a * R ia * (V total1 (L 1 ) + V ch1 ) / (R ia + R t1 ))

出力信号電圧V02が、生体電気信号検出装置1のA/D変換器の入力電圧範囲Vmin〜Vmaxの範囲に収まるようにすれば、波形が飽和することなく、フィルタ部120で残存ノイズを取り除くことができる。なお、先述のように、A/D変換器の入力電圧範囲Vmin〜Vmaxは、例えば、生体電気信号検出装置1に含まれるA/D変換器の量子化幅a、量子化ビット数b、及び所定の最低入力電圧に基づいて決定される。 If the output signal voltage V 02 falls within the input voltage range V min to V max of the A / D converter of the bioelectric signal detection device 1, the residual noise is generated in the filter unit 120 without saturating the waveform. Can be removed. As described above, the input voltage range V min to V max of the A / D converter is, for example, the quantization width a and the quantization bit number b of the A / D converter included in the bioelectric signal detection device 1. , And a predetermined minimum input voltage.

したがって、下記の式を満たすように、バッファアンプ101aの位置及び入力インピーダンスRiaと、バッファアンプ101cの位置及び入力インピーダンスRicと、が設定される。
(16)Vmin<A*(V22−V12)<Vmax
(17)V22=A*Ric*(Vtotal2(L)+Vch1)/(Ric+Rt2
(18)V12=A*Ria*(Vtotal1(L)+Vref)/(Ria+Rt1
Therefore, the position and input impedance R ia of the buffer amplifier 101a and the position and input impedance R ic of the buffer amplifier 101c are set so as to satisfy the following expression.
(16) V min <A v * (V 22 −V 12 ) <V max
(17) V 22 = A c * R ic * (V total2 (L 2 ) + V ch1 ) / (R ic + R t2 )
(18) V 12 = A a * R ia * (V total1 (L 1 ) + V ref ) / (R ia + R t1 )

式(16)〜(18)の関係式を満たすことによって、差動増幅部110の出力信号が入力電圧範囲内に収まる。したがって、この出力信号が、後段のA/D変換器で変換した場合に波形が飽和することがなくなるので、フィルタリング処理で残存ノイズを確実に除去することができる。   By satisfying the relational expressions (16) to (18), the output signal of the differential amplifier 110 falls within the input voltage range. Therefore, when this output signal is converted by the A / D converter at the subsequent stage, the waveform is not saturated, so that residual noise can be reliably removed by the filtering process.

なお、増幅度A,A,Aは、上記の式(16)〜(18)を満足するように設定されていてよい。また、式(17)の「Ric/(Ric+Rt2)」、及び、式(18)の「Ria/(Ria+Rt1)」は、それぞれ1と近似して距離Lや距離Lが決定されてもよい。 Incidentally, the amplification degree A v, A a, A c may have been set so as to satisfy the above equation (16) to (18). In addition, “R ic / (R ic + R t2 )” in the equation (17) and “R ia / (R ia + R t1 )” in the equation (18) are approximated by 1 and the distance L 1 or the distance, respectively. L 2 may be determined.

また、バッファアンプ101a,101cが、それぞれ電極ch1,REFの直後に配置されるので、入力インピーダンスRia及び入力インピーダンスRicは、電極ch1,REFの直後にあることになる。即ち、距離Lと距離Lが略零であるので、電磁誘導ノイズや静電結合ノイズの発生を軽減することができる。 Further, since the buffer amplifiers 101a and 101c are arranged immediately after the electrodes ch1 and REF, respectively, the input impedance Ria and the input impedance Ric are immediately after the electrodes ch1 and REF. That is, since the distance L 1 and the distance L 2 is substantially zero, it is possible to reduce the generation of electromagnetic induction noise or capacitive coupling noise.

数値例を挙げて説明すると、距離L及び距離Lが略零であり、
増幅度A=A=A=1
total1(L)=1.2mV
total1(L)=1mV
t1=10kΩ
t2=15kΩ
comm=300mV
create1=500μV
create2=100μV
とした場合、入力インピーダンスRic及び入力インピーダンスRiaを100MΩに設定すると、差動増幅部110から出力される電圧A*(V22−V12)が、615μV程度になる。この大きさは、Vcreate1及びVcreate2と同程度のオーダーである。したがって、入力電圧範囲の大きさが数百μVであっても、差動増幅部110から出力される電圧が飽和することがなくなる。
To explain with numerical examples, the distance L 1 and the distance L 2 are substantially zero,
Amplification degree A v = A a = A c = 1
V total1 (L 1 ) = 1.2 mV
V total1 (L 2 ) = 1 mV
R t1 = 10 kΩ
R t2 = 15 kΩ
V comm = 300 mV
V create1 = 500μV
V create2 = 100μV
In this case, when the input impedance R ic and the input impedance R ia are set to 100 MΩ, the voltage A v * (V 22 −V 12 ) output from the differential amplifier 110 is about 615 μV. This magnitude is on the same order as V create1 and V create2 . Therefore, even if the size of the input voltage range is several hundred μV, the voltage output from the differential amplifier 110 does not saturate.

なお、オペアンプ111aは、バッファアンプ101aとバッファアンプ101cとの2つの出力電気信号を差動増幅させる。オペアンプ111aの入力インピーダンスは、図11では図示していないが、バッファアンプ101の入力インピーダンスよりも小さくてよい。即ち、バッファアンプ101によって接触インピーダンスによるノイズ除去性能の低下を防ぐことができるので、オペアンプ111aの入力インピーダンスを高く設定する必要がなくなる。図8のようにオペアンプ111aの入力インピーダンスが高い場合、この入力インピーダンスを含む回路に発生する電磁誘導ノイズや静電結合ノイズの影響を大きく受けることになるが、図11の回路では、この影響を低減させることができる。   The operational amplifier 111a differentially amplifies two output electric signals of the buffer amplifier 101a and the buffer amplifier 101c. Although the input impedance of the operational amplifier 111a is not shown in FIG. 11, it may be smaller than the input impedance of the buffer amplifier 101. That is, since the buffer amplifier 101 can prevent the noise removal performance from being lowered due to the contact impedance, it is not necessary to set the input impedance of the operational amplifier 111a high. When the input impedance of the operational amplifier 111a is high as shown in FIG. 8, the influence of electromagnetic induction noise and electrostatic coupling noise generated in the circuit including this input impedance is greatly affected. However, in the circuit of FIG. Can be reduced.

また、バッファアンプ101の出力インピーダンス側の回路でも外来ノイズが発生することが考えられるが、バッファアンプ101の増幅度を1倍とすることによって、入力インピーダンスを高く、かつ、出力インピーダンスを低くすることができるので、このノイズの発生を軽減することができる。   In addition, it is considered that external noise is also generated in the circuit on the output impedance side of the buffer amplifier 101. However, by increasing the amplification factor of the buffer amplifier 101 by one, the input impedance is increased and the output impedance is decreased. Therefore, the generation of this noise can be reduced.

上記では検出部100a,100b,100c、及び、差動増幅部110aの構成を例に挙げて説明したが、検出部100dが検出する生体電気信号についても同様のノイズ除去処理が行われる。即ち、検出部100dの電極ch2の直後に高入力インピーダンスのバッファアンプ101を配置し、差動増幅部100bで生体電気信号を差増増幅させる。これにより、検出部100dが検出するノイズ成分を検出部100cの成分で打ち消すことができ、かつ、バッファアンプ101の高入力インピーダンスに起因するノイズを抑えることができる。   In the above description, the configurations of the detection units 100a, 100b, and 100c and the differential amplification unit 110a have been described as examples. However, similar noise removal processing is performed on the bioelectric signal detected by the detection unit 100d. That is, the buffer amplifier 101 having a high input impedance is disposed immediately after the electrode ch2 of the detection unit 100d, and the bioelectric signal is differentially amplified by the differential amplification unit 100b. As a result, the noise component detected by the detection unit 100d can be canceled by the component of the detection unit 100c, and noise caused by the high input impedance of the buffer amplifier 101 can be suppressed.

[実施形態のまとめ]
以上のように、生体電気信号検出装置1は、差動増幅部110が電極Eの差動電圧を出力するため、ユーザHの体に発生するノイズを除去することができる。また、電極ch1,ch2,REFの直後に配置されるバッファアンプ101の入力インピーダンスが、接触インピーダンスに比べて高いので、接触インピーダンスのばらつきによる差動増幅部110によるノイズ除去性能の低下を抑えることができる。また、電極Eの直後にバッファアンプ101を配置することによって、高い入力インピーダンスRi2を使用してもノイズの発生を抑えることができる。
[Summary of Embodiment]
As described above, the bioelectric signal detection device 1 can remove noise generated in the body of the user H because the differential amplifier 110 outputs the differential voltage of the electrode E. In addition, since the input impedance of the buffer amplifier 101 arranged immediately after the electrodes ch1, ch2, and REF is higher than the contact impedance, it is possible to suppress a decrease in noise removal performance by the differential amplifier 110 due to variations in contact impedance. it can. Further, by arranging the buffer amplifier 101 immediately after the electrode E, it is possible to suppress the generation of noise even when the high input impedance R i2 is used.

したがって、ダイナミックレンジが比較的小さいA/D変換器を用いても測定波形を飽和させることなく、フィルタ部120で残存ノイズを確実に除去することができる。また、電導性ジェルをふき取ったりする手間がかかる湿式電極ではなく、取り扱いが簡単な乾式電極を用いることができる。   Therefore, even if an A / D converter having a relatively small dynamic range is used, residual noise can be reliably removed by the filter unit 120 without saturating the measurement waveform. In addition, a dry electrode that is easy to handle can be used instead of a wet electrode that requires time and effort to wipe off the conductive gel.

なお、本発明は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態においては、電極(検出部)の数を4つとしたが、差動電圧を検出するために複数個の電極が、生体電気信号検出装置1に配置されていればよく、電極の数は4つに限られない。差動増幅部は、検出部の数に合わせた数が配置されていればよい。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the number of electrodes (detectors) is four, but a plurality of electrodes may be arranged in the bioelectric signal detector 1 in order to detect a differential voltage. The number of is not limited to four. The number of the differential amplifiers may be arranged according to the number of detection units.

また例えば、生体電気信号検出装置を頭部に装着させる場合を説明したが、ユーザの体と電極を接触させるものであればよく、手や足に装着させるものであってよい。   Further, for example, the case where the bioelectric signal detection device is mounted on the head has been described, but any device that contacts the user's body and the electrode may be used, and the device may be mounted on the hand or foot.

1 生体電気信号検出装置、10 基板ボックス、20 電池ボックス、21 電源スイッチ、22 電源ランプ、23 通信ランプ、30 前頭部バンド、40 後頭部ベルト、41 バックル、50 イヤホン、51 アンプ基板、E,ch1,ch2,GND,REF 電極、100,100a,100b,100c,100d 検出部、101a,101c バッファアンプ、110,110a,110b 差動増幅部、111a オペアンプ、120,120a,120b フィルタ部、130,130a,130b 増幅部、140 マイコン部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bioelectric signal detection apparatus, 10 board box, 20 battery box, 21 power switch, 22 power lamp, 23 communication lamp, 30 frontal band, 40 occipital belt, 41 buckle, 50 earphone, 51 amplifier board, E, ch1 , Ch2, GND, REF electrode, 100, 100a, 100b, 100c, 100d detector, 101a, 101c buffer amplifier, 110, 110a, 110b differential amplifier, 111a operational amplifier, 120, 120a, 120b filter, 130, 130a , 130b amplifying unit, 140 microcomputer unit.

Claims (5)

ユーザに発生する電気信号を検出する電極と、当該電極で検出される電気信号を増幅させる増幅手段と、を含む複数の検出手段と、
前記複数の検出手段から出力される信号のうちの2つを差動増幅する一又は複数の差動増幅手段と、
を含み、
前記増幅手段は、前記ユーザ及び前記電極の接触インピーダンスより高い入力インピーダンスを有し、前記電極と前記差動増幅手段との間に設けられることを特徴とする生体電気信号検出装置。
A plurality of detecting means including an electrode for detecting an electric signal generated by a user, and an amplifying means for amplifying the electric signal detected by the electrode;
One or more differential amplifying means for differentially amplifying two of the signals output from the plurality of detecting means;
Including
The bioelectric signal detection apparatus according to claim 1, wherein the amplification means has an input impedance higher than a contact impedance of the user and the electrode, and is provided between the electrode and the differential amplification means.
前記増幅手段は、前記電極と前記増幅手段との距離が、前記増幅手段と前記差動増幅手段との距離よりも短い位置に設けられることを特徴とする請求項1に記載の生体電気信号検出装置。   2. The bioelectric signal detection according to claim 1, wherein the amplifying means is provided at a position where a distance between the electrode and the amplifying means is shorter than a distance between the amplifying means and the differential amplifying means. apparatus. 前記生体電気信号検出装置は、前記差動増幅手段の出力信号をデジタル信号に変換するためのA/D変換器を含み、
前記複数の検出手段は、第1の電極及び第1の増幅手段を含む第1の検出手段と、第2の電極及び第2の増幅手段を含む第2の検出手段と、を少なくとも含み、
前記A/D変換器の入力電圧範囲をVmin〜Vmaxとし、
前記第1の増幅手段の入力インピーダンスをRiaとし、
前記第2の増幅手段の入力インピーダンスをRicとし、
前記第1の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをRt1とし、
前記第2の電極と前記ユーザとの接触インピーダンスをRt2とし、
前記第1の電極と前記第1の増幅手段との距離をLとし、
前記第2の電極と前記第2の増幅手段との距離をLとし、
前記第1の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Lが増加すると大きくなるノイズの電圧をVtotal1(L)とし、
前記第2の検出手段を含む回路に発生するノイズであって、距離Lが増加すると大きくなるノイズの電圧をVtotal2(L)とし
前記差動増幅手段の増幅度をAとし、
前記第1の増幅手段の増幅度をAとし、
前記第2の増幅手段の増幅度をAとし、
前記第1の電極によって検出された電気信号の電圧をVch1とし、
前記第2の電極によって検出された電気信号の電圧をVrefとした場合、
下記の関係式(1)〜(5)を満たすように、前記第1の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、前記第2の増幅手段の位置及び入力インピーダンスと、が設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の生体電気信号検出装置。
(1)Ria>Rt1
(2)Ric>Rt2
(3)Vmin<A*(V12−V22)<Vmax
(4)V12=A*Ric*(Vtotal2(L)+Vch1)/(Ric+Rt2
(5)V22=A*Ria*(Vtotal1(L)+Vref)/(Ria+Rt1
The bioelectric signal detection device includes an A / D converter for converting an output signal of the differential amplification means into a digital signal,
The plurality of detection means include at least a first detection means including a first electrode and a first amplification means, and a second detection means including a second electrode and a second amplification means,
The input voltage range of the A / D converter is V min to V max ,
Let R ia be the input impedance of the first amplification means,
Let R ic be the input impedance of the second amplification means,
The contact impedance between the first electrode and the user is R t1 ,
The contact impedance between the second electrode and the user is R t2 ,
The distance between the said first electrode first amplifying means and L 1,
The distance between the second amplifying means and the second electrode is L 2,
A noise generated in the circuit including the first detecting means, the distance L 1 is increased the larger the noise voltage and V TOTAL1 (L 1),
A noise generated in the circuit including the second detecting means, a distance voltage noise L 2 increases with increasing the V Total2 (L 2) the amplification degree of the differential amplifier means and A v,
The amplification degree of said first amplifying means and A a,
The amplification factor of the second amplifying means and A c,
The voltage of the electrical signal detected by the first electrode is Vch1 ,
When the voltage of the electrical signal detected by the second electrode is V ref ,
The position and input impedance of the first amplifying means and the position and input impedance of the second amplifying means are set so as to satisfy the following relational expressions (1) to (5). The bioelectric signal detection device according to claim 1 or 2.
(1) R ia > R t1
(2) R ic > R t2
(3) V min <A v * (V 12 −V 22 ) <V max
(4) V 12 = A c * R ic * (V total2 (L 2) + V ch1) / (R ic + R t2)
(5) V 22 = A a * R ia * (V total1 (L 1 ) + V ref ) / (R ia + R t1 )
前記増幅手段は、増幅度が1倍のアンプであることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の生体電気信号検出装置。   The bioelectric signal detection apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the amplifying means is an amplifier having an amplification factor of one. 前記複数の検出手段は、前記ユーザの前頭部と接触する第1の電極を含む第1の検出手段と、前記ユーザの耳と接触する第2の電極を含む第2の検出手段と、を少なくとも含み、
前記一又は複数の差動増幅手段は、前記第1の検出手段と前記第2の検出手段との出力信号を差動増幅することを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の生体電気信号検出装置。
The plurality of detection means include: a first detection means including a first electrode that contacts the user's forehead; and a second detection means including a second electrode that contacts the user's ear. Including at least
5. The one or more differential amplifying means differentially amplifies output signals from the first detecting means and the second detecting means. 6. Bioelectric signal detection device.
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