JP2017534338A

JP2017534338A - 皮膚コンダクタンス測定のための装用性装置

Info

Publication number: JP2017534338A
Application number: JP2017516666A
Authority: JP
Inventors: デパス，ステファンファン
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-11-24
Also published as: US20170303814A1; EP3200692A1; WO2016050551A1; CN106714679A

Abstract

本発明は、少なくとも５０Ｈｚまでの周波数範囲における皮膚コンダクタンス測定のための装用性装置に関する。提案される装置は、一定ＤＣ電圧を皮膚エリアに印加する２つの測定端子（２３，２４）と、測定端子のうちの第１測定端子（２３）と第１出力端子（２５）との間に結合される第１測定経路（２７）と、測定端子のうちの第２測定端子（２４）と第２出力端子（２６）との間に結合される第２測定経路（２８）と、夫々の測定電圧を各々が供給する２つの出力端子（２５，２６）とを有する。測定電圧の差は、前記皮膚エリアの皮膚コンダクタンスに関係している。これは、出力端子で差を測定するときにノイズのキャンセルを提供する。

Description

本発明は、少なくとも５０Ｈｚまでの周波数範囲における皮膚コンダクタンス測定のための装用性装置（wearable device）に関する。

皮膚電位（ＥＤＡ；Electro Dermal Activity）を測定する様々な方法が知られている。例として、例えば、Wolfram Boucsein，“Electrodermal Activity”，Springer Science & Business Media，２０１２年２月２日（非特許文献１）に記載されるような、アナログ回路における体外ＤＣ測定の使用がある。最も広く使用されているＤＣメソッドは、準一定（quasi-constant）メソッド及び準一定電圧メソッドと呼ばれており、いずれも分圧器（voltage divider）メソッドを適用する。例えば、準一定電圧メソッドによれば、一定電圧が皮膚に印加され、コンダクタンスが測定される。しばしば、０．５Ｖの電圧が印加され、電極の標準位置が使用される。高インピーダンス増幅器は、回路における電圧の測定のために使用される。

それらの分圧器測定、特に、準一定電圧メソッドは、多数の欠点を有している。分圧器で使用される皮膚コンダクタンス制限抵抗のダイナミックレンジは、皮膚抵抗と比べて小さい必要がある。これは、さもなければ電圧の大部分が皮膚に印加されないからである。更に、熱ノイズは、皮膚抵抗が高い（例えば、１ナノシーメンス）ので、高い傾向がある。また更には、回路は、関心のある周波数バンドが５０Ｈｚ又は最高でも１００Ｈｚまでである場合に、皮膚の上の電極を介した容量性５０／６０ＨｚＥＭＩ結合の影響を受けやすい。

Wolfram Boucsein，"Electrodermal Activity"，Springer Science & Business Media，２０１２年２月２日

本発明の目的は、少なくとも５０Ｈｚまで、望ましくは１００Ｈｚまでの周波数範囲における皮膚コンダクタンスのための装用性装置であって、既知の装置の欠点を解消するものを提供することである。

本発明の第１の態様において、少なくとも５０Ｈｚまでの周波数範囲における皮膚コンダクタンス測定のための装用性装置であって、
一定ＤＣ電圧を皮膚エリアに印加する２つの測定端子と、
前記測定端子のうちの第１測定端子と第１出力端子との間に結合される第１測定経路と、
前記測定端子のうちの第２測定端子と第２出力端子との間に結合される第２測定経路と、
夫々の測定電圧を各々が供給する前記第１出力端子及び前記第２出力端子と
を有し、
前記測定電圧の差は、前記皮膚エリアの皮膚コンダクタンスに関係しており、
前記第１測定経路及び前記第２測定経路の夫々は、同じ抵抗回路を有する、
装用性装置が提供される。

通常、皮膚コンダクタンス測定は、極めて低い周波数（＜４Ｈｚ）の情報を扱う。しかし、提案される皮膚コンダクタンス測定は、少なくとも５０Ｈｚまで、望ましくは１００Ｈｚまでの、よりずっと大きいバンド幅を提供することを望む。この周波数バンドでは、電極（実際の動作において使用されるときに、提案される装置の測定端子へ結合される。）を介した測定回路への５０／６０Ｈｚ容量性結合は不可避であるから、回路は、電極が回路接地に対してある程度まで浮いていることを可能にするよう拡張される。容量性結合の特性は、両方の電極に共通であることである。５０／６０Ｈｚノイズが両方の電極に対称に結合されるという条件で、信号は、例えば、差動入力を有するアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ；Analog-to-Digital Conversion）を用いて行われるように、両方の測定経路の出力を引き算することによってキャンセルされ得る。

更に、提案される皮膚コンダクタンス測定は、時計のような装用性装置に組み込まれるよう意図されるので、電極の位置は、既知の装置と比較して異なり（それらは、例えば、腕に位置付けられる。）、励起電圧はまた、１．０２４Ｖまで増大される。適切な応答がこのようにして測定され得ることが研究により示されている。

前記第１測定経路及び前記第２測定経路の夫々は、抵抗回路、望ましくは、同じ抵抗回路を有する。これは、両方の測定経路に等しく存在する好ましくないノイズがこのようにしてかなり正確に相殺されるので、皮膚コンダクタンスの測定を改善し且つ簡単にする。従って、ノイズ（ＥＭＩ）のキャンセルは、出力端子間で差を測定するときに提供される。

実施形態において、提案される装置は、電極の対を更に有し、前記測定端子の夫々に対して前記電極の１つが結合される。これは、対象において適切に配置され得る電極による好ましい皮膚コンダクタンス測定を可能にする。電極の種類は、一般に、重要でない。この目的のために使用可能な様々な種類の電極は、当該技術において一般的に知られている。

また更には、実施形態において、前記第１測定経路及び前記第２測定経路は、０．１から５Ｖの範囲、特に、０．５から１．５Ｖの範囲にあるＤＣ電圧を前記測定端子に印加するよう構成される。

望ましくは、前記第１測定経路及び前記第２測定経路の夫々は、ローパスフィルタユニット、特に、抵抗及びキャパシタの並列結合によって形成されるローパスフィルタを有する。前記ローパスフィルタは、バンド幅、従って熱ノイズを低減し、エイリアシング（aliasing）を回避する。

好適な実施において、前記第１測定経路及び前記第２測定経路の夫々は、演算増幅器を有する。これは、皮膚にかかる一定電圧を保証する。

本発明のそれら及び他の態様は、以降で記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。
既知の皮膚コンダクタンスモジュールの概略図を示す。皮膚コンダクタンス測定のための既知の装置の回路図を示す。本発明に従う皮膚コンダクタンス測定のための装置の実施形態の回路図を示す。皮膚コンダクタンスの熱ノイズ寄与を表す回路図を示す。他のノイズ源の熱ノイズ寄与を表す回路図を示す。演算増幅器の熱ノイズ寄与を表す回路図を示す。他のノイズ源の熱ノイズ寄与を表す回路図を示す。本発明に従う装置の実施形態の略回路図を示す。

図１は、皮膚コンダクタンス測定のための既知の皮膚コンダクタンスモジュール１の概略図を示す。皮膚コンダクタンスモジュール１は、一般に、ホストシステムとインターフェイス接続し、処理された皮膚コンダクタンス測定を供給するモジュールである。電極２、３を介して、モジュール１は、対象の（例えば、患者の）皮膚へインターフェイス接続する。皮膚は、概略的に抵抗Ｒｓｋｉｎによってここでは表されている。抵抗Ｒｓｋｉｎはまた、電極２、３の間の皮膚の部分のコンダクタンスが測定されるべきことを表している。

アナログ回路４の機能は、例えば体外ＤＣ測定を用いて、皮膚電位の測定を実施することである。低電圧メソッドと呼ばれる、最も広く使用されているＤＣメソッドが、例えば、使用されてよい。この方法によれば、一定電圧が皮膚に印加され、コンダクタンスが測定される。通常、しばしば、０．５Ｖの電圧が印加され、電極の標準位置（例えば、手のひら若しくは指の手のひら表面、又は上記の非特許文献１の２．２．１．１節で記載されるような他の位置）が使用される。

アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５は測定をデジタル化する（すなわち、測定を時間離散又はレベル離散にする。）。電圧基準ユニット６は、ＡＤＣ５のための正確な基準電圧及び皮膚のための励起電圧を供給する。マイクロコントローラ７は、測定の後処理を提供する。

本発明に従って、皮膚コンダクタンス装置は、時計、心拍モニタ又はリストバンドのような装用性装置において組み込まれるよう意図されるので、電極の位置は、既知のモジュールと比較して異なり、それらは、望ましくは、腕に位置付けられ、励起電圧は、望ましくは、１．０２４Ｖまで増大される。これは、適切な応答がこのようにして測定され得るという利点を提供する。

図２は、皮膚コンダクタンス測定のための既知の装置１０の回路図を示す。装置１０は、図１に示されるモジュール１におけるアナログ回路４を実質的に表す。仮想接地を介して、皮膚に印加される電圧は１．０２４Ｖに保たれる。Ｒｓｋｉｎを流れる電流は、Ｒ１も流れ、Ｒ２を流れる電流が無視可能であるとして、演算増幅器１１の出力部で電圧を生成する：

Ｖｏｕｔ＝１Ｒ_１／Ｒｓｋｉｎ＝Ｒ_１・Ｇｓｋｉｎ（１）

Ｇｓｋｉｎ＝Ｖｏｕｔ／Ｒ_１（２）

従って、回路１０の出力電圧は、式（２）によって反映されるように、皮膚導電率Ｇｓｋｉｎに比例する。キャパシタＣ１及び抵抗Ｒ１並びにキャパシタＣ２及び抵抗Ｒ２は、以下で説明されるように、２つの追加的な一次ローパスフィルタを形成する。

通常、皮膚コンダクタンス測定は、極めて低い周波数（＜４Ｈｚ）の情報を扱う。しかし、皮膚コンダクタンスモジュールは、１００Ｈｚのよりずっと大きいバンド幅を必要とする。この周波数バンドでは、電極を介した測定回路への５０／６０Ｈｚ容量性結合は不可避であるから、回路は、電極が回路接地に対してある程度まで浮いていることを可能にするよう拡張される。容量性結合の特性は、両方の電極に共通であることである。本発明に従う装置２０の対応する実施形態の回路図は、図３において示されている。装置２０は、図１に示されるモジュール１におけるアナログ回路４を実質的に表す。装置２０は、２つの入力端子（２３，２４）及び２つの出力端子（２５，２６）を有する。入力端子（２３，２４）へ結合され得る、両方の電極（２，３；図３には図示せず。）への共通結合は、２つの電流源Ｉｃｍ１及びＩｃｍ２としてモデル化されている。抵抗Ｒｓｋｉｎは２つの入力端子（２３，２４）の間に接続されている。出力端子（２５，２６）はＡＤ変換器（ＡＤＣ）５へ結合され得る。２つの測定経路（２７，２８）は、入力端子２３と出力端子２５との間、及び入力端子２４と出力端子２６との間に夫々形成されている。測定経路２７は、演算増幅器２１及び抵抗回路Ｒ３を有する。測定経路２８は、演算増幅器２２及び抵抗回路Ｒ４を有する。Ｒ３及びＲ４の抵抗値は等しい。出力端子（２５，２６）は、夫々の測定電圧を各々供給する。２つの夫々の測定電圧の間の差は、測定されるべき電極２、３の間の皮膚コンダクタンス、すなわち抵抗Ｒｓｋｉｎに関係している。５０／６０Ｈｚノイズが両方の電極（２，３）に対称に結合されるという条件で、望ましくないノイズ信号は、差動入力を有するＡＤ変換器５（図１を参照）を用いて行われるように、２つの測定経路２７，２８に含まれている両方の演算増幅器２１，２２の出力端子２５，２６での出力を引き算することによってキャンセルされ得る。

エイリアシングを回避し且つノイズを低減するよう、キャパシタＣ１及び抵抗Ｒ１並びにキャパシタＣ２及び抵抗Ｒ２は、演算増幅器２１及び２２に夫々並列結合されている２つの一次ローパスフィルタを形成する。フィルタＣ１／Ｒ１は、フィルタＲ２／Ｃ２のみが有効である周波数を超えない周波数で演算増幅器２１が仮想接地を保持することができる限り、有効である。コーナー周波数は：

ｆｃ＝１／２πＲＣ（３）

である。

シグマ−デルタ変換を使用する場合に、エイリアシングフィルタは、４０から１６０サンプル毎秒（ＳＰＳ；samples per second）のサンプルレートで１２８ｋＨｚであり且つ５から２０ＳＰＳのサンプルレートで３２ｋＨｚである変調器周波数で十分な抑制を必要とする。ｆｃが約１００Ｈｚであり、演算増幅器Ｕ１及びＵ２（２１，２２）が十分なゲイン−バンド幅積（ＧＢＷＰ；Gain-BandWidth Product）（例えば、２ＭＨｚ）を有している場合には、期待される抑制は、２次フィルタについて３桁（１００Ｈｚ・・・１００ＫＨｚ）の間であり、これは、３×（−４０ｄＢ）＝−１２０ｄＢをもたらす。１６ビットＡＤＣの最悪の場合について、少なくとも−９６ｄＢが必要とされるので、ｆｃはそれほど重要でない。

ノイズに関して、ＡＤＣの入力部でのノイズのＶｎｐｐは１／２ＬＳＢよりも低いべきであることが成立する：

Ｖｎｐｐ≦Ｖｒａｎｇｅ／２^Ｎ＋１（４）

この式において、ＶｒａｎｇｅはＡＤＣの電圧範囲であり、ＮはＡＤＣのビットの数を示す。演算増幅器２１，２２のノイズ出力信号が等しいと仮定して、その場合に、減算は、√２（すなわち、二乗根（２））の因数をノイズに加える。これは、演算増幅器２１，２２の出力でのノイズ要件が：

Ｖｎｐｐ≦Ｖｒａｎｇｅ／２^{Ｎ＋３／２} （５）

であることを意味する。

特定のバンド幅にわたる熱ＲＭＳ電圧ノイズは、ノイズ密度を考慮して：

Ｖｎｐｐ＝６Ｖ_ＲＭＳ＝６Ｎ_ｄ√Δｆ（６）

によって計算され得る。

ピーク−ピーク電圧へ変換するよう、しばしば、±３σが使用される。抵抗Ｒについて、Ｎ_ｄは：

Ｎ_ｄ＝√（４ｋ_ＢＴＲ）（７）

によって与えられる。この式において、Ｔはケルビンにおける温度であり（しばしば、３００Ｋが使用される。）、ｋ_Ｂはボルツマン定数である。皮膚コンダクタンス測定が使用され得る温度の範囲は０℃から５０℃（すなわち、２７３Ｋから３２３Ｋ）である。ノイズ解析のためには、３００Ｋが使用される。これは、３２３Ｋでの実際のノイズがわずかに高くなり得ることを意味する（すなわち、√３２３／√３００−１＝３．７％高い）。

演算増幅器の出力部でのノイズを解析するよう、ノイズ源の個々の寄与が解析される。ノイズ源は、出力部での総ノイズを決定するために重畳され得る。

Ｒｓｋｉｎの熱ノイズ寄与は図４において表されている。図４は、図３に示される回路２０の１つの測定経路での皮膚コンダクタンスの熱ノイズ寄与を説明する回路３０の回路図を表す。次が成り立つ：

ｅ_ｏｕｔ＝ｅ_１（Ｒｆ／Ｒｓｋｉｎ）（８）

この式において、ｅ_１はＲｓｋｉｎの熱ノイズである。ｅ_１は抵抗値の平方根とともに増大するので、この寄与は、ＲｓｋｉｎがほぼＲｆ程度になる場合に、より関連性を持つ。これは、皮膚導電率Ｇｓｋｉｎが高い範囲にある（例えば、８μシーメンスを上回る）場合である。

Ｒｆの熱ノイズ寄与は図５において表されている。図５は、図３に示される回路２０の１つの測定経路でのＲｆの熱ノイズ寄与を表す回路４０の回路図を表す。次が成り立つ：

ｅ_ｏｕｔ＝ｅ_２（９）

この式において、ｅ_２はＲｆの熱ノイズであり、相対的に低い値及び小さいバンド幅のために、極めて低い。

演算増幅器２１，２２の正入力部でのノイズ源の寄与は図６において表されている。図６は、図３に示される回路２０の１つの測定経路での熱ノイズ寄与を表す回路５０の回路図を表す。このノイズは、１／ｆノイズと組み合わせて熱ノイズと等価である内部演算増幅器ノイズと、例えば、通常やはり等価熱ノイズ及び１／ｆノイズから成る電圧基準のノイズのような、その入力部での他のノイズ源との重ね合わせであることができる。次が成り立つ：

ｅ_ｏｕｔ＝ｅ_３＋ｅ_３（Ｒｆ／Ｒｓｋｉｎ）（１０）

Ｒｌｐの熱ノイズ寄与は図７において表されている。図７は、図３に示される回路２０の１つの測定経路でのＲｌｐの熱ノイズ寄与を表す回路６０の回路図を表す。次が成り立つ：

ｅ_ｏｕｔ＝ｅ_４（１１）

この式において、ｅ_４はＲｌｐの熱ノイズであり、相対的に低い値及び小さいバンド幅のために、極めて低い。

図８は、本発明に従う７０の実施形態の略回路図を示し、本発明の原理を簡略化された形で表している。通常、皮膚コンダクタンスを測定する回路は、皮膚における一定電圧励起の結果としての皮膚コンダクタンスの変動が例えば１０Ｈｚを下回ると仮定する。これは、そのような回路が、１０Ｈｚよりも高い周波数を捨てることによって、身体上の電極によって捕捉される如何なるＥＭＩ（ElectroMaginetic Interference）（通常、これは５０又は６０Ｈｚである。）もまさに電気的にフィルタリングすることができることを意味する。提案される回路は、５０Ｈｚ又は１００Ｈｚまでの皮膚コンダクタンスにおける変動を測定することができる意図を有している。それにより、１０Ｈｚよりも高いＥＭＩ周波数を電気的にフィルタリングすることは、ＥＭＩが関心のあるバンドであるから選択肢にない。

従って、図８を参照すると、目的は、例えば１００Ｈｚまでの関心のあるバンドにおいてＲｓｋｉｎを測定することである。Ｖｓｋｉｎは、例えば１Ｖとして選択されるが、一般的には０．５から５Ｖの範囲にあるＤＣ信号である皮膚の励起信号である。Ｖｅｍｉ及びＣｃは、如何にしてＥＭＩが回路７０に投入されるかのモデルを形成し、すなわち、Ｖｅｍｉ及びＣｃはデバイス７０の実際の部分ではない。Ｒａ及びＲｂは、デバイス７０における抵抗、すなわち抵抗回路であり、それらの抵抗において、Ｖａ及びＶｂが、Ｒｓｋｉｎを導出するために測定される。Ｒａ及びＲｂの抵抗値は等しい。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に描写及び記載されてきたが、そのような描写及び記載は、限定ではなく例示又は説明と見なされるべきである。すなわち、本発明は、開示されている実施形態に制限されない。開示されている実施形態に対する他の変形例は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解され実現され得る。

特許請求の範囲において、語「有する（comprising）」は、他の要素又はステップを除外せず、要素の単称（すなわち、不定冠詞a又はan）は、複数個を除外しない。単一の要素又は他のユニットは、特許請求の範囲において挙げられているいくつかのアイテムの機能を満たしてよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項において挙げられているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すものではない。

特許請求の範囲における如何なる参照符号も、適用範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。

Claims

少なくとも５０Ｈｚまでの周波数範囲における皮膚コンダクタンス測定のための装用性装置であって、
一定ＤＣ電圧を皮膚エリアに印加する２つの測定端子と、
前記測定端子のうちの第１測定端子と第１出力端子との間に結合される第１測定経路と、
前記測定端子のうちの第２測定端子と第２出力端子との間に結合される第２測定経路と、
夫々の測定電圧を各々が供給する前記第１出力端子及び前記第２出力端子と
を有し、
前記測定電圧の差は、前記皮膚エリアの皮膚コンダクタンスに関係しており、
前記第１測定経路及び前記第２測定経路の夫々は、同じ抵抗回路を有する、
装用性装置。
電極の対を更に有し、前記測定端子の夫々に対して前記電極の１つが結合される、
請求項１に記載の装用性装置。
前記第１測定経路及び前記第２測定経路は、０．１から５Ｖの範囲、特に、０．５から１．５Ｖの範囲にあるＤＣ電圧を前記測定端子に印加するよう構成される、
請求項１に記載の装用性装置。
前記第１測定経路及び前記第２測定経路の夫々は、ローパスフィルタユニット、特に、抵抗及びキャパシタの並列結合によって形成されるローパスフィルタを有する、
請求項１に記載の装用性装置。
前記第１測定経路及び前記第２測定経路の夫々は、演算増幅器を有する、
請求項１に記載の装用性装置。