JP2022185153A - 生体電位測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記フレキシブル電極は、その担持体としてセルロース製又は樹脂製の不織布、或いは樹脂製のスポンジ又はメッシュで形成されている厚さ0.03~3mmの水透過性層に、澱粉、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸又はポリエチレングリコールである水溶性材料から成っており前記水透過層を透過した水で溶けてフレキシブル電極を水透過層から剥離するための水溶性犠牲層を介して、接合されており、
前記エラストマー層が、前記電極層からの露出面が前記装着面に密着するように前記電極層よりも大面積であり、又は前記電極層と同面積であり、
前記エラストマー層の厚さが5μm以下であり且つ前記電極層の厚さが0.3μm以上であって、前記エラストマー層と前記電極層との合計厚さが5.3μm以下である
ことを特徴とするものである。
例えば、前記エラストマー層の表面がコロナ放電処理及びジアミノ基含有シランカップリング剤処理表面であることによって、前記エラストマー層と前記電極層とが密着していてもよいというものである。
また、例えば、前記フレキシブル電極に、前記電極層及び前記エラストマー層を貫通するコネクター部が形成され、又は外部接続端子が前記電極層に接続可能に前記電極層を前記エラストマー層の縁まで延出していてもよいというものである。
さらに、例えば前記電極層と前記エラストマー層との面積比が1:2~1:18であってもよいというものである。
例えば、前記導電材が、金属フィラー又は金属がコートされたフィラーを含有する導電性シリコーンゴムであってもよいというものである。
例えば、コロナ放電処理を施した前記エラストマー層の表面にジアミノ基含有シランカップリング剤で処理してから、前記エラストマー層と前記電極層とを密着するというものであってもよい。
また、例えば、前記フレキシブル電極に、前記電極層及び前記エラストマー層を貫通するコネクター部を形成し、又は外部接続端子を前記電極層に接続可能に前記電極層を前記エラストマー層の縁まで延出するというものであってもよい。
さらに、例えば、前記電極層と前記エラストマー層との面積比を1:2~1:18にするというものであってもよい。
例えば、前記導電材を、金属フィラー又は金属がコートされたフィラーを含有する導電性シリコーンゴムとするというものであってもよい。
前記の目的を達成するためになされたもので特許請求の範囲に記載の本発明に係る生体電位測定方法は、
生体表面に直接当接するフレキシブル電極を含む生体用電極を、前記フレキシブル電極の担持層としてセルロース製又は樹脂製の不織布、或いは樹脂製のスポンジ又はメッシュで形成されている厚さ0.03~3mmの水透過性層の一面側に、澱粉、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸又はポリエチレングリコールである水溶性材料から成っており前記水透過層を透過した水で溶けてフレキシブル電極を水透過層から剥離するための水溶性犠牲層を積層した後、
前記フレキシブル電極を構成する前記生体表面の装着面に倣って変形して密着するものでポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリスチレンスルホネートである導電性高分子から成る電極層と、前記電極層の一面側に積層され、前記電極層と共に前記装着面に倣って変形するものでポリジメチルシロキサン、ポリウレタン又はスチレン・ブタジエン系熱可塑性エラストマーで形成されているエラストマー層とのうち、前記水溶性犠牲層に、前記電極層からの露出面が前記装着面に密着するように前記エラストマー層が前記電極層よりも大面積であり又は前記電極層と同面積にしつつ前記エラストマー層の厚さが5μm以下であり且つ前記電極層の厚さが0.3μm以上であって前記エラストマー層と前記電極層との合計厚さが5.3μm以下となるように前記エラストマー層と前記電極層とを順次積層して形成することによる生体用電極の製造工程と、
前記生体用電極を生体表面の装着面に装着する際に、前記生体用電極を構成する前記フレキシブル電極の前記電極層が形成された一面側の全面を前記装着面に当接し、前記エラストマー層と前記電極層とを前記装着面に倣って変形しつつ、前記電極層を前記装着面に密着した後、前記水透過性層に水を供給して、前記水透過性層を透過した水で前記水溶性犠牲層を形成する水溶性材料を溶かして、前記水透過性層を前記フレキシブル電極から剥離する生体用電極の装着工程と、
前記生体用電極で電位を測定する工程と
を有する。
この生体電位測定方法は、前記生体用電極を、前記生体表面の装着面の少なくとも2箇所に装着するというものであってもよい。
この生体電位測定方法は、前記生体用電極を、ポジティブ用電極、及びネガティブ用電極とするというものであってもよい。
この生体電位測定方法は、前記生体用電極を、さらにリファレンス用電極とするというものであってもよい。
この生体電位測定方法は、前記電位が、筋電位又は心電位であるというものであってもよい。
本発明に係る生体用電極10のエラストマー層16に用いるポリウレタンシートの肌への密着性の厚さとの関係について調査した。
(ポリウレタンシートの作製)
ポリエチレンテレフタレート(PET)シート上に、10質量%のポリビニルアルコール水溶液をバーコータで塗布した後、80℃で1時間熱処理してポリビニルアルコール(PVA)膜を作成した。次いで、二液硬化型ポリウレタンのDIC株式会社製パンデックスGCのAとBとを混合(A:B=100:17)し酢酸エチルで希釈した希釈溶液を、PVA膜上に塗布して80℃で1時間の熱処理を施してから室温まで冷却して所定厚さのポリウレタンシートを得た。その後、ポリウレタンシートとPVA膜とをPETシートから剥離し、PVA膜を水に溶かしてポリウレタンシートを得た。得られたポリウレタンシートの厚さの調整は、酢酸エチルで希釈した希釈溶液中のポリウレタン濃度を調整して行った。得られたポリウレタンシートの厚さの確認は、Bruker社製のDektak XTを使用して測定した。
得られた所定厚さのポリウレタンシートの肌への密着程度を試験した。肌は人工肌を用いて評価した。人工肌としては、株式会社ビューラックス社製バイオスキンプレートP001-001を用いた。また、人工肌への密着程度は、JISK5600-5-6に記載されたクロスカット法に準拠して試験した。クロスカット法は、図8(a)に示すように人工肌40に密着したウレタンシート42に、図8(b)に示す格子状の切込み46(2mm間隔)を施した後、剥離強度が既知の粘着テープ44をウレタンシート42に付着した。次いで、粘着テープ44を付着してから5分以内に角度60°で0.5~1秒で引きはがした。引きはがした粘着テープ44の格子状の切込み44の剥離状態を観察し、図8(c)に示す0~5分類に分類した。判定として3以上を剥離とみなした。接着テープは3M社製スコッチNo.331(剥離強度0.29N/mm)、ダイアテック株式会社製Pioran cross Y-03-BL(剥離強度0.16N/mm)を用いた。結果を表1に記載した。
得られた厚さ5.0μmと0.3μmのポリウレタンシートを人工肌に密着した後、その断面の電子顕微鏡写真(倍率230)を撮影した。その写真を図9に示す。図9(a)が厚さ5.0μmのポリウレタンシートと人工肌との密着状態を示す電子顕微鏡写真であり、図9(b)が厚さ0.3μmのポリウレタンシートと人工肌との密着状態を示す電子顕微鏡写真である。図9から明らかように、どちらの厚さでも人工肌に密着しているのが確認でき、特にポリウレタンシートが薄いほど人工肌の細かな凹凸にまで追従している様子が確認できた。
次に生体用電極10の電極層14に用いる導電高分子としてPEDOT-PSSシートを作製し、その導電性能と厚さとの関係について調査した。
(PEDOT-PSSシートの作製)
PEDOT-PSSはナガセケムテック社製SP-801を用いた。まずポリエチレンテレフタレート(PET)シート上に、所定の厚みになるようにエタノールで希釈したPEDOT-PSSをバーコータで塗布した後、80℃で1時間熱処理してPEDOT-PSSシートを作成した。厚みの確認は実施例1と同様にBruker社製のDektak XTを使用して測定した。
得られたPEDOT-PSSシートを、ANSI/AAMI EC12:2000を参考して導電特性試験を行った。導電性能は、電極インピーダンスにて2kΩ以下を良好と判定した。試験は、得られたPEDOT-PSSシートを10mm×10mmに加工し、オウオン社製マルチメータB35Tを使用して測定した。結果を表2に記載した。
生体用電極について、図9に示すクロスカット法による人工肌への密着程度を試験した。
(生体用電極による人工肌への密着試験)
先ず、水透過性層として澱粉が予め塗布されている水透過紙(丸繁紙工株式会社製SP)の上にエラストマー層として酢酸エチルで希釈したポリウレタン混合液を所定の厚みになるように塗布し、80℃で1時間の熱処理を施してから室温まで冷却して積層した。次いで、エラストマー層の全面に、導電層としてエタノールで希釈したPEDOT-PSSを塗布し、80℃で1時間キュアして積層して生体用電極を得た。次いで、得られた積層体の不織布に水を供給して澱粉層を溶かして不織布を除去し、エラストマー層と電極層との二層積層体を得た。この二層積層体の電極層を人工肌に密着して30分程乾燥してから図8に示すクロスカット法による人工肌への密着試験に供した。試験に用いた粘着テープは実施例1と同様の物を使用した。比較のためエラストマー層と電極層単体でも同様の試験を実施した。結果を表3に記載した。
二層積層体の耐久性の向上を目的とし、エラストマー層に表面処理を行い、その効果を確認した。
(表面処理による導電特性試験)
実施例3と同様に澱粉層を有する水透過紙上にエラストマー層として厚み0.3μmのポリウレタンを形成した。次いで、エラストマー層の全面に下記表4の左から右に示す処理を順次施した。
エラストマー層に各種処理を施した後、電極層を形成した二層構造体について引張耐久性について検討した。図11(a)(b)に示すように人工肌40の上面に銀ペーストで幅2mmの配線52を5mm間隔で二本印刷した。この配線52,52上に、エラストマー層16aの全面に電極層14aが積層された9mm×9mmの二層構造体11を、電極層14aと配線52,52とが密着するように張り付けて室温で乾燥した。次いで、図11(b)に示すように人工肌40を矢印方向に所定距離引張り、直ぐに戻して配線52,52間の電気抵抗値(R)を測定し、引張開始前の配線52,52間の電気抵抗値(RO)との比(R/RO)を求めた。その結果を図12に示す。
生体用電極を作製し、市販のゲル電極と比較を行い、筋電位の測定、心電位の測定を行った。
(生体用電極10の作製)
セルロース製の不織布から成る水透過性層18の一面側に、澱粉から成る水溶性犠牲層20を形成する。水溶性犠牲層20の全面に、二液硬化型ポリウレタンのDIC株式会社製パンデックスGCのAとBとを混合(A:B=100:17)し酢酸エチルで希釈した希釈溶液を塗布して80℃で1時間の熱処理を施してから室温まで冷却して厚さ0.3μmのポリウレタンから成るエラストマー層16を形成した。次いで、所定面積が開口されたPETシートをマスクとしてエラストマー層16を被着し、ナガセケムテック社製SP-801のPEDOT-PSSをエタノールで希釈した希釈溶液を印刷した後、80℃で1時間キュアして所定面積の厚さ0.6μmの電極層14を形成した。フレキシブル電極12を構成するエラストマー層16と電極層14との面積比(エラストマー層16:電極層14)は6:1であった。
得られた生体用電極10の導電層側を図13(a)に示す左腕の〇印で示す箇所の肌に密着した後、水透過性層18に水を供給して水溶性犠牲層20を溶かして水透過性層18を除去しフレキシブル電極12のみとした。次いで、フレキシブル電極12のエラストマー層16の表面に露出するコネクター部22の露出端に筋電計の外部端子を装着し、左手に握った握力計で所定の握力を示すように握ったときの筋電位を測定した。測定はBitalinoを用いて行い、ソフトウェアOpensignalsでデータを保存した。その結果を図13(b)に示す。また、参考電極として、日本弘電工業株式会社製ゲル電極のディスポ電極Fビドロードを用いて同様に行った筋電位の測定結果も図13(c)に示す。更に、下記表5にフレキシブル電極12と参考電極との各シグナルノイズ比(活動時のMax値(S)/静止時のMax値(N))を示す。
得られた生体用電極10の導電層側を図14(a)に示すように腕の肌に密着した後、水透過性層18に水を供給し水溶性犠牲層20を溶かして水透過性層18を除去しフレキシブル電極12のみとした。次いで、図14(a)に示すようにフレキシブル電極12のエラストマー層16の表面に露出するコネクター部22の露出端に筋電計の外部端子52,52を接続して筋電位の測定を行った。
得られた生体用電極10のフレキシブル電極12を用いて心電位を測定した。フレキシブル電極12を装着した状態を図15(a)(b)に〇印で示す。ポジティブ用電極Pは図15(a)に示す左手の掌側手首に装着し、ネガティブ用電極Nは図15(a)に示すように右手の掌側手首に装着した。また、リファレンス用電極Rは図15(b)に示す左手の甲側手首に装着した。心電位の測定はBitalinoを用いて行い、ソフトウェアOpensignalsでデータを保存した。その結果を図16(a)に示す。また、参考電極として、日本弘電工業株式会社製ゲル電極のディスポ電極Fビドロードを用いて同様に行った心電位の測定結果も図16(b)に示す。測定した心電図を用いて、図16(c)に示すPQ時間とQT時間とを測定した。PQ時間は心房から心室への伝達時間であり、QT時間は心室興奮から終了までの時間である。結果を表6に示す。
Claims (5)
- 生体表面に直接当接するフレキシブル電極を含む生体用電極を、前記フレキシブル電極の担持層としてセルロース製又は樹脂製の不織布、或いは樹脂製のスポンジ又はメッシュで形成されている厚さ0.03~3mmの水透過性層の一面側に、澱粉、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸又はポリエチレングリコールである水溶性材料から成っており前記水透過層を透過した水で溶けてフレキシブル電極を水透過層から剥離するための水溶性犠牲層を積層した後、
前記フレキシブル電極を構成する前記生体表面の装着面に倣って変形して密着するものでポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリスチレンスルホネートである導電性高分子から成る電極層と、前記電極層の一面側に積層され、前記電極層と共に前記装着面に倣って変形するものでポリジメチルシロキサン、ポリウレタン又はスチレン・ブタジエン系熱可塑性エラストマーで形成されているエラストマー層とのうち、前記水溶性犠牲層に、前記電極層からの露出面が前記装着面に密着するように前記エラストマー層が前記電極層よりも大面積であり又は前記電極層と同面積にしつつ前記エラストマー層の厚さが5μm以下であり且つ前記電極層の厚さが0.3μm以上であって前記エラストマー層と前記電極層との合計厚さが5.3μm以下となるように前記エラストマー層と前記電極層とを順次積層して形成することによる生体用電極の製造工程と、
前記生体用電極を生体表面の装着面に装着する際に、前記生体用電極を構成する前記フレキシブル電極の前記電極層が形成された一面側の全面を前記装着面に当接し、前記エラストマー層と前記電極層とを前記装着面に倣って変形しつつ、前記電極層を前記装着面に密着した後、前記水透過性層に水を供給して、前記水透過性層を透過した水で前記水溶性犠牲層を形成する水溶性材料を溶かして、前記水透過性層を前記フレキシブル電極から剥離する生体用電極の装着工程と、
前記生体用電極で電位を測定する工程と
を有することを特徴とする生体電位測定方法。 - 前記生体用電極を、前記生体表面の装着面の少なくとも2箇所に装着することを特徴とする請求項1に記載の生体電位測定方法。
- 前記生体用電極を、ポジティブ用電極、及びネガティブ用電極とすることを特徴とする請求項2に記載の生体電位測定方法。
- 前記生体用電極を、さらにリファレンス用電極とすることを特徴とする請求項3に記載の生体電位測定方法。
- 前記電位が、筋電位又は心電位であることを特徴とする請求項1に記載の生体電位測定方法。
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