JP2016016042A - 電極 - Google Patents

Abstract

【課題】激しい運動時にも安定的に生体信号を検出可能なウェアラブル電極を提供する。【解決手段】生体の生体信号を検出するための衣服に設置され、生体の少なくとも左腹部もしくは左側腹部のいずれかに接触しうる位置に設置された第１の電極と、生体の少なくとも右腰部、右背中部もしくは右側腹部のいずれかに接触しうる位置に設置された第２の電極をそれぞれ一つ以上備え、第１の電極および第２の電極それぞれの少なくとも一部は、生体の骨盤１２の上端部と肋骨１１の下端部の間の領域に接触しうる位置に設置されている。【選択図】図１

Description

本願発明は、電極を備えた衣服を用いて心電図をはじめとする生体信号を測定するためのウェアラブル電極に関するものである。

脳波、事象関連電位誘発電位、筋電図、心電図等の生体信号の記録、及び生体に対する電気刺激のために、体表面に装着する生体電極が広く使用されている。

最近では、個人の健康管理の手法の一つとして、長期間にわたって心電波形等を記録し、その波形の変化を解析することが行われており、自律神経の乱れや心臓病の兆候を早期に発見することができ、予防医学において有効な手段となっている。これに伴い、衣服に取り付けられた生体電極により長期間にわたって心電波形等の生体信号を測定することが可能なウェアラブル電極が注目されている（例えば、「非特許文献１」参照）。

これらのウェアラブル電極において、上半身を覆うシャツや貫頭衣のような形態のものはそれ自身が着用者の動作の妨げになり所望の生体信号が計測できないことがあり、この課題を解決するためにパンツ、サポーター、ふんどし（渾）、まわし等腰回りに着用する衣服に電極を配置する工夫がなされている（例えば、「特許文献１」参照）。

特開平１０―２６２９３９号公報

David M. D. Ribeiro, et. al., "A Real time, Wearable ECG and Continuos Blood Pressure Monitoring System for First Responders," 33rd Annual International Conference of the IEEE EMBS, pp. 6894-6898, 2011.

しかしながら、従来の腰回りに着用する衣服に電極を配置するウェアラブル電極では、心電図の測定において信号源である心臓から距離が遠く、胸部に電極を配置した場合と比較して著しく信号振幅が小さく（個人差もあるが概ね１／１０程度）なるため、着用者が運動を行うことによりノイズの混入が大きくなり、測定される信号のＳ／Ｎ比が劣化し、所望のレベルの信号が得られないという問題があった。

本願発明は、上記に鑑みてなされたものであり、激しい運動時にも安定的に生体信号を検出可能なウェアラブル電極を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願発明の電極は、生体の生体信号を検出するための衣服に設置された電極であって、前記生体の少なくとも左腹部もしくは左側腹部のいずれかに接触しうる位置に設置された第１の電極と、前記生体の少なくとも右腰部、右背中部もしくは右側腹部のいずれかに接触しうる位置に設置された第２の電極をそれぞれ一つ以上備え、前記第１の電極および前記第２の電極それぞれの少なくとも一部は、前記生体の骨盤の上端部と肋骨の下端部の間の領域に接触しうる位置に設置されている。

前記衣服の少なくとも前記第１の電極および前記第２の電極が配置される部分に前記衣服の周囲から前記生体を締め付ける締付部材を備えてもよい。

前記第１の電極および前記第２の電極は、前記生体に接触しうる部分の少なくとも一部に粘着部材および／または滑り止め部材を備えてもよい。

前記衣服は、前記第１の電極および前記第２の電極が設置された部分の周辺部であって、前記生体に接触しうる部分の少なくとも一部に、粘着部材および／または滑り止め部材を備えてもよい。

前記粘着部材および／または滑り止め部材は、少なくとも一部が前記生体に接触する突起部を備えてもよい。

前記第１の電極および前記第２の電極に備えられた前記突起部の少なくとも表面が導電性を有してもよい。

前記第１の電極および前記第２の電極のそれぞれと前記衣服の間に、衝撃吸収部材を備えてもよい。

本願発明によれば、激しい運動時にも安定的に生体信号を検出可能なウェアラブル電極を提供することができる。

図１は、本願発明の実施の形態に係る３つの電極を備えたウェアラブル電極および生体信号測定システムの構成図である。 図２は、本願発明の実施の形態と比較するためのウェアラブル電極の一構成例である。 図３は、本願発明の実施の形態と比較するためのウェアラブル電極の他の構成例である。 図４は、本願発明の実施の形態に係る３つの電極を備えたウェアラブル電極および生体信号測定システムの構成図である。 図５は、本願発明の実施の形態に係る３つの電極を備えたウェアラブル電極および生体信号測定システムの構成図である。 図６は、本願発明の実施の形態に係るウェアラブル電極を用いて心電信号を測定した結果である。 図７は、本願発明の実施の形態に係る２つの電極を備えたウェアラブル電極および生体信号測定システムの構成図である。 図８は、ウェアラブル電極を着用している着用者が運動している場合に、電極に働く力を図示した概略図である。 図９は、電極や衣服に突起部を備えたウェアラブル電極の構成図である。 図１０は、電極と衣服の間に、衝撃吸収部材を備えたウェアラブル電極の構成図である。

以下、本願発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。以下の実施の形態では、ウェアラブル電極を用いて心電信号を測定する場合を説明する。なお、この実施の形態により本願発明の内容が限定されるものではない。

＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係る３つの電極を備えたウェアラブル電極および生体信号測定システムの構成図である。図１の生体信号測定システムは、生体１０に接触しうる衣服３０の所定の位置に配置された３つの電極（２０−１〜２０−３）（ウェアラブル電極）を備え、各電極が取得した心電信号を測定する測定装置２２と、各電極と測定装置２２とをそれぞれ導通接続する配線部（２１−１〜２１−３）とを備える。この生体信号測定システムでは、２つの電極を関電極とし、残りの一つの電極を不関電極（生体基準電位電極）として、２つの関電極の電位差を心電信号として検出する。

本願発明においては、各電極が配置される位置によって、検出される心電信号のＳ／Ｎ比が変化することに着目し、衣服３０の様々な位置に電極を配置し心電信号の測定を行った。その結果、図１のように、生体１０の左腹部の電極（２０−１）と、右腰部の電極（２０−３）を関電極とし、各電極の高さを電極全体が骨盤１２の上端部より高い位置に設定することにより、心電信号のＳ／Ｎ比を向上させることができることを見出した。

図１の構成と比較するためのウェアラブル電極の構成例を図２、３に示す。図２では、生体１０の左腹部の電極（２０−１）と右腹部の電極（２０−２）を関電極とし、右腰部の電極（２０−３）を不関電極としており、各電極の高さは電極全体が骨盤１２の上端部より低い位置に設定されている。図３では、生体１０の左腹部の電極（２０−１）と右腹部の電極（２０−２）を関電極とし、右腰部の電極（２０−３）を不関電極としている点は図２と同じであるが、各電極の高さは電極全体が骨盤１２の上端部より高い位置に設定されている。また、図１では、各電極の全体が骨盤１２の上端より上に配置されているが、図４の様に右腰部の電極（２０−３）の一部が骨盤１２の上端よりも下に配置されている場合や、図５の様に左腹部の電極（２０−１）の一部が肋骨１１の下端より上に配置されている場合においても、心電信号の測定を行った。

図６は、図１−５におけるウェアラブル電極を用いて心電信号を測定した結果である。本図では、図１において測定した心電信号のＳ／Ｎ比を１として、各図における心電信号のＳ／Ｎ比を比較測定している。尚、いずれの場合も左腹部の電極を正の関電極（第１の電極）とし、もう一方の関電極を負の関電極（第２の電極）として測定を行った。図６から明らかなように、２つの関電極を左腹部と右腰部に設置し、さらに２つの関電極を骨盤１２の上端よりも高い位置に設置することにより、より高いＳ／Ｎ比の心電信号を検出することができる。

また、右腰部の電極の一部が骨盤の上端よりも下に配置されている場合や、左腹部の電極の一部が肋骨の下端より上に配置されている場合でも、各電極の少なくとも一部が骨盤の上端部と肋骨の下端部の間の領域に接触するような高さに設置されていれば、より高いＳ／Ｎ比の心電信号を検出することができる。

すなわち、心電信号のＳ／Ｎ比の向上のためには、各電極の心臓からの距離とともに電極の設置位置における生体１０の骨格の有無が重要な要素であり、関電極の一つ（第１の電極）が左腹部もしくは左側腹部のいずれかに接触する位置に設置され、もう一方の関電極（第２の電極）が右腰部、右背中部もしくは右側腹部のいずれかに接触する位置に設置され、さらに各電極が生体１０の骨盤１２の上端部と肋骨１１の下端部の間の領域に接触するような高さの範囲に設置されていればよい。

なお、これまでの説明では３つの電極を使用する場合について説明したが、２つの電極を使用する場合でも同様の効果を得ることができる。図７に示すように、左腹部および右腰部にそれぞれ電極（２０−１、２０−３）を配置し、２つの電極のうちいずれか１つを関電極（第１の電極）とし、もう一方の電極を不関電極（第２の電極）として、関電極と不関電極の間の電位差を心電信号として検出すれば、同様により高いＳ／Ｎ比の心電信号を検出することができる。

また、４つ以上の電極を使用する場合には、電極のいずれか２つを関電極とし、関電極以外の電極を不関電極として、２つの関電極の電位差を心電信号として検出すればよい。この場合には、２つの関電極を左腹部と右腰部に配置し、それ以外の不関電極は、２つの関電極から離間した位置に配置すればよい。

本実施の形態における各電極は導電性繊維構造物からなり、銀、銅、金、ステンレス等の金属を細線に加工して柔軟性を付与し、布帛として構成したものや、上記金属を繊維素材にメッキしたもの、カーボンファイバー、導電性高分子を繊維素材に含浸したものなどを用いることができるが、これらに限定されない。

特に、導電性高分子であるポリ３、４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）にポリスチレンスルホン酸（ポリ４−スチレンサルフォネート；ＰＳＳ）をドープしたＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを繊維素材に含浸したものは、安全性、加工性の観点から特に好適である。

本実施の形態における測定装置２２は、一般に使用されている単極誘導及び／または双極誘導において心電信号を取得する装置、あるいは２電極を用いて心電信号から心拍数を計測する心拍計を用いることができる。また、測定装置２２を衣服３０に固定する位置は、日常生活行動を阻害しないように腰部に設置することが望ましいが、これに限定されない。

本実施の形態における配線部（２１−１〜２１−３）は、衣服３０に導電性樹脂をプリントする方法や導電性樹脂のフィルムをラミネートする方法等により設置することができるが、電極と同様に導電性繊維構造物により形成されることがより好ましい。また、配線部（２１−１〜２１−３）が直接生体１０に接触すると、電極で取得する信号経路に対してシャント抵抗が挿入され、測定装置２２に入力される信号が減衰してしまうので、配線部（２１−１〜２１−３）は、衣服３０における生体１０に密着しない部分に備えられ、さらには衣服３０を構成する絶縁性布帛で覆われていることが望ましい。

さらに、運動時等に着用者が発汗する場合や多量の降雨時においては、衣服３０に汗や雨水が浸漬し、これらを介して生体１０と配線部（２１−１〜２１−３）とが電気的に接触する場合があるため、配線部（２１−１〜２１−３）は、防水性の電気的絶縁性部材により被覆されることが望ましい。

この防水性の電気的絶縁性部材としては、防水性フィルムが好ましく、特に着脱や運動時の生地の追従性を阻害しない点で、伸縮性に優れるポリウレタン系のフィルムであることが望ましい。

また、配線部（２１−１〜２１−３）は衣服３０の生地の伸縮に追随することが望ましく、導電性繊維を伸縮性の高いゴム編み等の編み方で布帛とした導電性繊維構造物が特に好適である。

本実施の形態における衣服３０は、少なくとも腰回りに装着する衣服であれば特に限定されず、ブリーフ、スパッツ、褌、腹巻き、ボディウォーマー、ベルト、オムツ等を用いることができる。

＜第２の実施の形態＞
本願発明のウェアラブル電極では、電極が生体の表面に直接接触することが必要である。特に、着用者が運動している場合に生体信号を取得するためには、運動時においても電極が生体の表面に接触していなければならない。

図８は、ウェアラブル電極を着用している着用者が運動している場合に、電極に働く力を図示した概略図である。電極２０には、運動の方向に対して電極２０の質量と運動の加速度（重力加速度を含む）に応じた慣性力５０、部材によって印加される電極２０を生体１０に押し付ける押付力５３、生体表面と電極２０との界面に生じる粘着力５４および、電極２０が生体表面を滑るのを防止する静止摩擦力５５が生じる。

このような場合において、生体信号の測定を可能にするためには、慣性力５０のうち電極を生体１０の表面から離間させる向きに働く成分５１よりも押付力５３と粘着力５４との合成成分が大きくなるようにし、さらに、慣性力５０のうち電極を生体表面で滑らせる向きに働く成分５２よりも静止摩擦力５５が大きくなるようにする必要がある。

第２の実施の形態に係るウェアラブル電極では、衣服３０の少なくとも電極２０が配置される部分に衣服３０周囲から生体１０を締めつけて、電極２０を生体１０に密着させる締付部材４０や、電極の生体に接触する面の少なくとも一部に備えられた粘着部材や滑り止め部材、または、衣服においては電極が設置された部分の周辺部であって、生体に接触しうる部分の少なくとも一部に備えられた粘着部材や滑り止め部材の少なくともいずれかを備える。

生体１０を締め付ける締付部材４０は、ゴムひも、ベルト、帯等でよく、衣服と一体化していてもよく、取り外すことが可能なものでも良い。部材の大きさ、すなわち図中縦方向の幅は、電極２０全体が生体１０の表面と接触する電極よりも大きくすると良いが、これに限定されるものではない。

ここで、人体の動作の一例として、跳躍動作後の着地時に人体の腰部に作用する加速度は、個人差もあるが、おおよそ水平成分が約４０ｍ／ｓ²、鉛直成分が約８０ｍ／ｓ²であり、これに電極の質量を乗じて慣性力（５１、５２）を求め、それらの慣性力を上回るように押付力５３、粘着力５４、静止摩擦力５５を設定する。これらの押付力５３、粘着力５４、静止摩擦力５５の値の設定は、ウェアラブル電極を着用している着用者や他の条件に応じて適宜設定することができる。

上述した粘着部材、滑り止め部材は、図９に示すように、樹脂及び／またはゴムからなる突起部（４１−１〜４１−４、４２−１〜４２−４）を電極２０や衣服３０に備えることにより、電極２０の生体１０の表面への粘着力、摩擦力を高めることができる。さらに、電極２０に備えられた突起部（４２−１〜４２−４）の少なくとも表面が導電性を有するように構成すれば、実効的に生体１０に接触する電極の面積を向上させることができる。

上記樹脂、ゴムとしては、天然ゴム、ニトリルゴム、ネオプレンゴム、ウレタン樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）樹脂などを用いれば、電極自体の柔軟性を損なうことがない。

また、突起部（４２−１〜４２−４）の表面に導電性を付与する方法としては、上記樹脂やゴムにカーボンブラック、金属微粒子、導電性高分子等を混入する方法、表面に導電性高分子をコーティングする方法、無電解めっきで表面に金属薄膜を形成する方法などを用いることができる。さらに、粘着力、静止摩擦力を高めるため、上記突起部（４２−１〜４２−４）における生体１０に接触する部分の形状を吸盤状にしても良い。

＜第３の実施の形態＞
本願発明のウェアラブル電極においては、電極が接触する生体の表面は粘弾性を有しており、運動時等に衝撃が加わると、生体自体が変形を起こす。この場合、電極は生体の変形に追随して接触状態を保つことが望ましい。

そのため、第３の実施の形態に係るウェアラブル電極においては、図１０に示すように、電極２０と衣服３０の間に生体よりも粘性および弾性の小さな衝撃吸収部材６０を設置している。生体１０の動粘度および縦弾性係数は、個人差もあるが、それぞれ２０００ｍｍ²／ｓ、２００ｋＰａ程度であり、衝撃吸収部材６０の動粘度および縦弾性係数をそれらの値を下回るように設計すれば良い。この衝撃吸収部材６０の動粘度、縦弾性係数の値は、ウェアラブル電極を着用している着用者や他の条件に応じて適宜設定することができる。

この衝撃吸収部材６０としては、天然スポンジ、クロロプレンゴムが発泡された発泡ゴム、ポリウレタン等の合成樹脂が発泡された発泡樹脂、木綿、羊毛綿等の繊維素材からなる綿などを用いれば、電極２０自体の柔軟性を損なうことがない。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、生体の少なくとも左腹部もしくは左側腹部のいずれかに接触しうる位置と、生体の少なくとも右腰部、右背中部もしくは右側腹部のいずれかに接触しうる位置に電極を設置し、さらに、それぞれの電極の少なくとも一部が生体の骨盤の上端部と肋骨の下端部の間の領域に接触しうる位置に設置することにより、激しい運動時にも安定的に生体信号を検出することができる。

また、電極が設置された衣服の周囲から生体を締めつける締付部材や、電極や衣服に粘着部材や滑り止め部材を備えることにより、電極の生体に対する密着度を高めることができる。

さらに、電極と衣服の間に衝撃吸収部材を設置することにより、電極が生体の変形に追随し、生体に対する接触状態を保つことができる。

本願発明は、日常的に心電信号等の生体信号を取得するために用いられる生体電極および生体電極を用いた生体信号測定システムに利用することができる。

１０…生体、１１…肋骨、１２…骨盤、２０、２０−１〜２０−３…電極、２１−１〜２１−３…配線部、３０…衣服、４０…締付部材、４１−１〜４１−４…突起部（衣服）、４２−１〜４２−４…突起部（電極）、５０…慣性力、５１…慣性力（鉛直方向）、５２…慣性力（水平方向）、５３…押付力、５４…粘着力、５５…静止摩擦力、６０…衝撃吸収部材。

Claims (7)

1. 生体の生体信号を検出するための衣服に設置された電極であって、
   前記生体の少なくとも左腹部もしくは左側腹部のいずれかに接触しうる位置に設置された第１の電極と、前記生体の少なくとも右腰部、右背中部もしくは右側腹部のいずれかに接触しうる位置に設置された第２の電極をそれぞれ一つ以上備え、
   前記第１の電極および前記第２の電極それぞれの少なくとも一部は、前記生体の骨盤の上端部と肋骨の下端部の間の領域に接触しうる位置に設置されている
   電極。
2. 前記衣服の少なくとも前記第１の電極および前記第２の電極が配置される部分に前記衣服の周囲から前記生体を締め付ける締付部材を備えることを特徴とする請求項１記載の電極。
3. 前記第１の電極および前記第２の電極は、前記生体に接触しうる部分の少なくとも一部に粘着部材および／または滑り止め部材を備えることを特徴とする請求項１または２記載の電極。
4. 前記衣服は、前記第１の電極および前記第２の電極が設置された部分の周辺部であって、前記生体に接触しうる部分の少なくとも一部に、粘着部材および／または滑り止め部材を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の電極。
5. 前記粘着部材および／または滑り止め部材は、少なくとも一部が前記生体に接触する突起部を備えることを特徴とする請求項３または４記載の電極。
6. 前記第１の電極および前記第２の電極に備えられた前記突起部の少なくとも表面が導電性を有することを特徴とする請求項５に記載の電極。
7. 前記第１の電極および前記第２の電極のそれぞれと前記衣服の間に、衝撃吸収部材を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の電極。

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