JP2017113503A - 非接触式心電計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極を人体表面に接触しないことから被験者の感じる制約や不便さが小さく、皮膚のかぶれ等の虞がなく、しかも心電信号をより確実に計測する非接触式心電計測装置を提供する。【解決手段】人体２との間に静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂを形成するように第１、第２の非接触電極３ａ、３ｂを配置し、第１の非接触電極３ａに高速で切換えられる切換スイッチ６を介してチャージ電源７を接続する。第２の非接触電極３ｂは接地する。第１の非接触電極３ａがチャージ電源７に接続されたときに充電され、非接続となったときに放電する。第１の非接触電極３ａから放電されるときの電圧を電圧計測部８で検出し心電信号を得る。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触式の心電計測装置に関する。

心電信号は心筋を動かすために心臓の上側にある洞結節から電気信号として発生しているものであるが、胸部表面における電圧は数ミリボルトと小さく、また人体表面の抵抗値が数十キロオーム以上であるために計測が難しい。

そこで、従来は、接着性が高いゲル状物質で電極を人体に密着させ、電極に発生する電圧を高インピーダンスの増幅器を用いて上記電気信号を計測している。ところが、電線に繋がった複数の電極を人体に貼りつけるので、どうしても横臥状態で行わなければならないといった制約や不便、皮膚のかぶれ等の問題がある。このことから、近年電極を人体に接触させずに計測する装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−８２９３８号公報

ところが、特許文献１の心電計測装置では、電極に生じる電圧が極めて小さく、高インピーダンスの増幅器を用いても十分な信号を得ることが難しいという問題がある。さらに、相当に高インピーダンスの増幅器を用いても人体表面の抵抗に起因するノイズが一緒に増幅されることになって心電成分を抽出することが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するものであり、電極を人体表面に接触しないことから被験者の感じる制約や不便さが小さく、皮膚のかぶれ等の虞がなく、しかも心電成分をより確実に計測することができる非接触式心電計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、人体との間に静電容量を形成するように配置される第１、第２の非接触電極と、前記第１又は第２の非接触電極のいずれかに間欠的に接続されて、接続時に前記第１又は第２の非接触電極に電荷を供給するチャージ電源と、前記チャージ電源が前記第１又は第２の非接触電極と非接続状態になったときに前記第１、第２の非接触電極間の電圧を検出する電圧計測部とを備えることを特徴とする非接触式心電計測装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の非接触式心電計測装置において、前記第１又は第２の非接触電極と前記チャージ電源との間の接続・非接続の切換えが、１００ＫＨｚ程度の高速で行われることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の非接触式心電計測装置において、前記第１、第２の非接触電極に加えて第３、第４の非接触電極を備え、この第３又は第４の非接触電極のいずれかに前記チャージ電源を間欠的に接続すると共に、前記チャージ電源が前記第３又は第４の非接触電極と非接続状態になったときに前記電圧計測部によって前記第３、第４の非接触電極間の電圧を検出し、検出した電圧の変動に基づいて前記第１、第２の非接触電極が形成する静電容量の変動を推定することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の非接触式心電計測装置において、前記第１、第２、第３、第４の非接触電極が同一の筺体に設けられていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の非接触式心電計測装置において、前記第１、第２、第３、第４の非接触電極が１列に配置され、前記第３、第４の非接触電極が中央寄りに配置され、前記第１、第２の非接触電極は、前記第３、第４の非接触電極の外側に配置されていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項３に記載の非接触式心電計測装置において、前記第１の非接触電極と前記チャージ電源の間に、前記第１の非接触電極が前記チャージ電源側に接続する状態とグランド側に接続する状態とを切換える第１の切換スイッチを備え、前記第２の非接触電極と前記チャージ電源の間に、前記第２の非接触電極が前記チャージ電源側に接続する状態とグランド側に接続する状態とを切換える第２の切換スイッチを備え、前記第１、第２の切換スイッチの切換は、一方の切換スイッチがチャージ電源側へと切換えられているときには他方の切換スイッチがグランド側へと切換えられることにより、前記第１、第２の非接触電極が前記第３、第４の非接触電極を兼ねることを特徴とする。

本発明によれば、電極を人体表面に密着させないことから被験者の感じる制約や不便さが小さく、皮膚のかぶれ等の虞がない。しかも、非接触電極にチャージした電荷が放電することにより電流が生じたときの電圧に基づいて心電信号を抽出するのでより確実に計測することができる。

本発明の第１の実施形態に係る非接触式心電計測装置のブロック図。 同非接触式心電計測装置の非接触電極がチャージされたときの等価回路を示す図。 同非接触式心電計測装置の非接触電極が放電したときの等価回路を示す図。 同非接触式心電計測装置の非接触電極におけるチャージ及び放電時の電圧の変化を示す図。 同非接触式心電計測装置における具体的な電圧の変化を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る非接触式心電計測装置のブロック図。 本発明の第３の実施形態に係る非接触式心電計測装置のブロック図。 本発明の第４の実施形態に係る非接触式心電計測装置のブロック図。 同非接触式心電計測装置における切換スイッチの切換タイミングを示す図。

以下、本発明の実施例１に係る非接触式心電計測装置について、図１乃至図５を参照して説明する。非接触式心電計測装置１は、図１に示すように、人体（胸部）２に対して衣服（不図示）を隔てて当接配置され、その内部に２つの非接触電極３ａ、３ｂを備える電極ケース３と、電極ケース３にコード４を介して接続された電子回路から構成される心電信号の計測装置５とを備える。電極ケース３は、衣服の胸ポケット等に入れられて、非接触電極３ａ、３ｂと人体２との間に静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂを形成するように配置される。計測装置５が十分に小型である場合には、電極ケース３内に計測装置５を収納してもよい。

計測装置５は、非接触電極３ａに切換スイッチ６を介して選択的に接続される直流３ボルトのチャージ電源７と電圧計測部８を備える。切換スイッチ６はパルス発生回路９からの切換パルスによって１００ＫＨｚ乃至数１００ＫＨｚ程度の高速で切換られる。電圧計測部８は、電圧計１１と電圧計の計測値を一時保持するサンプルホールド部１２とから構成される。電圧計測部８によって計測された電圧値（心電信号）は、ＬＣＤから成る表示部１３に表示される。非接触電極３ｂは接地される。なお、表示部１３に代えて、電圧計測部８から出力される電圧値を記憶するメモリ又は小型の印字装置を設けてもよい。

切換スイッチ６が切換えられて非接触電極３ａがチャージ電源７に接続されたときの等価回路を図２に示し、非接触電極３ａが電圧計測部８に接続されたときの等価回路を図３に示す。非接触電極３ａがチャージ電源７に接続されたときには、電極３ａ、３ｂと人体２との間に静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂが形成されているので、図２に示すように、チャージ電源７から充電電流ａが流れ、各静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂに所定量の電荷が蓄積される。なお、人体２内にある心電信号の発生源（洞結節）をＥ０、発生源Ｅ０から非接触電極３ａ付近の人体表面までの抵抗をＲ１、非接触電極３ｂ付近の人体表面までの抵抗をＲ２、非接触電極３ａ、３ｂ間の人体表面の抵抗をＲ３で表わす。

切換スイッチ６が切換えられて非接触電極３ａが電圧計測部８に接続されたときには、静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂに蓄積された電荷が放出されるので、図３に示すように、非接触電極３ａ、３ｂが仮想電池Ｂａ、Ｂｂとなり、放電電流ｂが流れ回路全体のインピーダンスが下がり、電圧計測部８によって容易に電圧を計測できる。具体的には、チャージ電源７として直流３ボルトを用いた場合、計測される電圧は１ボルト程度の電圧になる。

ここで静電容量Ｃ３ａ付近に発生する電圧について、図４を参照して説明する。非接触電極３ａがチャージ電源７への接続と非接続を繰り返されるとき、容量Ｃ３ａの両端には（ａ）に示すように、充電時に一定の電圧Ｖｃｈが発生し、その電圧Ｖｃｈが放電時に容量Ｃ３ａの時定数に応じた曲線を描いて減衰する（ｅｃで示す）。また、抵抗Ｒ３の両端には（ｂ）に示すように、発生源Ｅ０からの心電信号に応じた電圧ｅｅが発生するので、非接触電極３ａ、３ｂの両端に発生する電圧Ｖｍとしては（ｃ）に示すように、（ａ）と（ｂ）を合算した波形となる。

図５に実際の電圧波形を示す。切換スイッチ６の切換えが高速で行われると静電容量Ｃ３ａへの充電・放電が短い時間で繰り返され、（ａ）に示すように、充電時のパルス状の高電圧部分Ｖｃｈとその電圧が減衰する部分ｅｃとからなる電圧パターンＥｐが連続して現れる。この電圧波形の中に心電信号に応じた電圧ｅｅが含まれる。電圧計１１は、切換スイッチ６により非接触電極３ａ、３ｂに接続されたときだけ電圧を計測するので、電圧計１１により計測される電圧は、（ｂ）に示すように高電圧部分Ｖｃｈが除かれた波形になる。この電圧波形の中にも心電信号に応じた電圧ｅｅが含まれ、サンプルホールド部１２からの出力として（ｃ）に示す心電波形ｅｅが得られる。

本発明の実施例２に係る非接触式心電計測装置について、図６を参照して説明する。実施例１において、非接触電極３ａ、３ｂが形成する静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂは、人体２との距離に応じて変動するので、計測中に被験者が身体を動かした場合には、その変動分が心電波形ｅｅにノイズとして重畳されてしまう虞がある。実施例２に係る非接触式心電計測装置は、上記不都合を解消するものであり、非接触電極３ａ、３ｂに加えてもう一対の非接触電極３ｃ、３ｄを備える。そして、この非接触電極３ｃ、３ｄにより得られる信号に基づいて静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂの変動を推定し、非接触電極３ａ、３ｂにより得られる心電信号ｅｅから静電容量の変動分を差し引いて上記ノイズを除去しようとするものである。

具体的には、実施例１の非接触式心電計測装置１において、電極ケース３内に互いに接近させた新たな非接触電極３ｃ、３ｄを備える。非接触電極３ａ、３ｃ、３ｄ、３ｂは、この順序で縦、又は横方向に１列に配置される。そして、非接触電極３ｃは切換スイッチ６を介してチャージ電源７に接続させ、非接触電極３ｄは接地させる。これにより非接触電極３ａと非接触電極３ｃは、同じタイミングで充電と放電を繰り返す。また、非接触電極３ｃは、非接触電極３ａと同様に切換スイッチ６を介して電圧計２１、サンプルホールド部２２へと接続される。これによりサンプルホールド部２２からの出力電圧ｅｅ′は、電極３ｃ、３ｄ間の電圧となるが、非接触電極３ｃ、３ｄ同士が接近させて配置しているので、電極３ｃ、３ｄ間の人体抵抗Ｒ１６が小さい分だけ非接触電極３ｃ、３ｄ間の電圧に含まれる心電信号成分が小さく、ほぼ静電容量Ｃ３ｃ、Ｃ３ｄの変動分のみを反映したものになる。なお、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７は、発生源Ｅ０から人体表面までの部分的な抵抗を表す。

非接触電極３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは同一の電極ケース３に収納されているので、静電容量Ｃ３ｃ、Ｃ３ｄの変動は、静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂの変動とほぼ等しいと考えられ、差動アンプ２３により心電波形ｅｅから電圧ｅｅ′を差し引くことにより静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂの変動分を除いた心電波形（ｅｅ−ｅｅ′）を得ることができる。

本発明の実施例３に係る非接触式心電計測装置１について、図７を参照して説明する。実施例３の非接触式心電計測装置１は、実施例２の回路を簡素化するために非接触電極３ｄを非接触電極３ｂにより兼用させたものである。具体的には、図７に示したように、電極ケース３内に縦、又は横方向の１列に非接触電極３ａ、３ｃ、３ｂを備える。非接触電極３ｃ、３ｂ間の距離は極力短くし、非接触電極３ａ、３ｂ間の距離は極力長く設定する。この非接触式心電計測装置１によっても、非接触電極３ａ、３ｂから得られた電圧ｅｅから、非接触電極３ｂ、３ｃから得られた電圧ｅｅ′を差し引くことにより静電容量の変動分を除いた心電波形を得ることができる。

本発明の実施例４に係る非接触式心電計測装置１について、図８、９を参照して説明する。実施例４の非接触式心電計測装置１は、非接触電極の数が２個であり回路が簡素であって、しかも、静電容量の変動の影響を受けないようにしたものである。具体的には、図８に示すように、電極ケース３に収納された非接触電極３ａ、３ｂの各々に同期して切換る切換スイッチ４１、４２を接続する。そして、各切換スイッチ４１、４２の一方の端子４１ａ、４２ａは接地し、他方の端子４１ｂ、４２ｂには、第１乃至第３の実施形態と同様に、切換スイッチ５１、５２を介してチャージ電源７又は電圧計測部８１、８２が選択的に接続されるようにする。電圧計測部８１、８２からの出力は差動アンプ８３に入力される。切換スイッチ４１、４２はパルス発生回路９１からのパルスによって同期して切換られ、切換スイッチ５１、５２はパルス発生回路９２、９３からのパルスにより独立して切換えられる。

切換スイッチ４１、４２の切換タイミング、及び切換スイッチ５１、５２の切換タイミングを図９に示す。切換スイッチ４１、４２は、切換スイッチ４１が端子４１ｂ（切換スイッチ５１）側にある時には、切換スイッチ４２が端子４２ａ（接地）側になり（期間Ａ）、切換スイッチ４１が端子４１ａ（接地）側にある時には、切換スイッチ４２が端子４２ｂ（切換スイッチ５２）側になる（期間Ｂ）。そして、切換スイッチ５１は、非接触電極３ａが接続されている期間Ａの間において非接触電極３ａとチャージ電源７とを短時間だけ接続し、非接触電極３ａを充電する。同様に、切換スイッチ５２は、非接触電極３ｂが接続されている期間Ｂの間において非接触電極３ｂとチャージ電源７とを短時間だけ接続し、非接触電極３ｂを充電する。

従って、図８に示すように、期間Ａにおける放電時の電流ｉａによって電圧計測部８１がプラス側の心電波形ｅｅを計測し、期間Ｂにおける放電時の電流ｉｂによって電圧計測部８２がマイナス側の心電波形−（ｅｅ）を計測する。静電容量Ｃ３ａ、Ｃ３ｂの変動は心電波形の直流平均値の変動と考えられるので、プラス側心電波形ｅｅとマイナス側心電波形−（ｅｅ）を差動アンプ８３に入力して差分を増幅処理することによって、容量の変動を除いた心電波形Ｅｅを得ることができる。

１ 非接触式心電計測装置
２ 人体
３ 電極ケース（筺体）
３ａ 第１の非接触電極
３ｂ 第２の非接触電極
３ｃ 第３の非接触電極
３ｄ 第４の非接触電極
６ 切換スイッチ
７ チャージ電源
８ 電圧計測部
Ｃ３ａ 静電容量
Ｃ３ｂ 静電容量

Claims (6)

1. 人体との間に静電容量を形成するように配置される第１、第２の非接触電極と、
   前記第１又は第２の非接触電極のいずれかに間欠的に接続されて、接続時に前記第１又は第２の非接触電極に電荷を供給するチャージ電源と、
   前記チャージ電源が前記第１又は第２の非接触電極と非接続状態になったときに前記第１、第２の非接触電極間の電圧を検出する電圧計測部とを備えることを特徴とする非接触式心電計測装置。
2. 前記第１又は第２の非接触電極と前記チャージ電源との間の接続・非接続の切換えが、１００ＫＨｚ程度の高速で行われることを特徴とする請求項１に記載の非接触式心電計測装置。
3. 前記第１、第２の非接触電極に加えて第３、第４の非接触電極を備え、この第３又は第４の非接触電極のいずれかに前記チャージ電源を間欠的に接続すると共に、前記チャージ電源が前記第３又は第４の非接触電極と非接続状態になったときに前記電圧計測部によって前記第３、第４の非接触電極間の電圧を検出し、検出した電圧の変動に基づいて前記第１、第２の非接触電極が形成する静電容量の変動を推定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触式心電計測装置。
4. 前記第１、第２、第３、第４の非接触電極が同一の筺体に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の非接触式心電計測装置。
5. 前記第１、第２、第３、第４の非接触電極が１列に配置され、前記第３、第４の非接触電極が中央寄りに配置され、前記第１、第２の非接触電極は、前記第３、第４の非接触電極の外側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の非接触式心電計測装置。
6. 前記第１の非接触電極と前記チャージ電源の間に、前記第１の非接触電極が前記チャージ電源側に接続する状態とグランド側に接続する状態とを切換える第１の切換スイッチを備え、前記第２の非接触電極と前記チャージ電源の間に、前記第２の非接触電極が前記チャージ電源側に接続する状態とグランド側に接続する状態とを切換える第２の切換スイッチを備え、前記第１、第２の切換スイッチの切換は、一方の切換スイッチがチャージ電源側へと切換えられているときには他方の切換スイッチがグランド側へと切換えられることにより、前記第１、第２の非接触電極が前記第３、第４の非接触電極を兼ねることを特徴とする請求項３に記載の非接触式心電計測装置。

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