JP3183032U - 皮膚/電極界面のインピーダンス変動の判断方法及び装置 - Google Patents

皮膚/電極界面のインピーダンス変動の判断方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】患者の体により発生された電気信号を測定する医療装置において、患者の皮膚/電極インピーダンスを監視し、継続的に変化する皮膚インピーダンスの影響を補償するシステムを提供する。
【解決手段】患者の皮膚110に当てられる、選択的可変インピーダンスを有する電極108と、前記電極に連結され、計装用増幅器118と、補助フィルタ/利得モジュール120と、サーボ積分器124と、を有する監視モジュールと、前記監視モジュール及び前記電極に連結され、テスト信号を前記電極に印加するよう構成されたテスト生成モジュールとを備える。さらに、前記テスト信号が前記電極に印加されている間に前記電極間のACレベルを測定するよう構成された電圧校正計を有する測定モジュールと、を含み、前記電極及び皮膚の合計インピーダンスが測定され、前記監視モジュールの利得が比例的に調整される。
【選択図】図3

Description

本開示の実施形態は、医療装置及びシステムに関し、特に、患者の体により発生された電気信号を測定する医療装置に関する。
医療環境において、患者の体が発生する電気信号を監視するために使われる電子監視装置の入力インピーダンスの選択性及び可変性は、監視装置全体においては十分に強調されていない特徴であるが、重要である。このような電気信号は、心電信号(「ECG」)、筋電信号(「EMG」)、脳電信号(「EEG」)等を含んでいてもよい。特定の電子監視装置/システムの感度が上がるにしたがって、不明な又は変化する皮膚/電極インピーダンスにより生じるオフセット誤差及び利得誤差により発生する測定の不正確性を考慮することの重要性が増す。しばしば、このような不正確性の影響は、医療処置の際の重要な電気的なイベントを監視できなくするほどに重大である。
患者間におけるインピーダンスの不確実性による予測された誤差を補償する試みとして、多くの医療監視応用法は、電子監視の開始前に、患者の皮膚/電極インピーダンスの独立した測定を行う。しかしながら、電極が患者に連結されている間の長期間にわたる監視処理において、皮膚/電極インピーダンスが変化する可能性があり、実際に変化する場合がしばしばあることが知られている。誘発された誤差は、様々な原因によるものであり、例えば、電極接続の接着劣化、患者の発汗、患者の脱水症等が挙げられる。予備監視インピーダンス測定の場合でも、監視処理の間の誘発された誤差を修正するためのハードウェア又はソフトウェアによる解決法は、顕著に不足している。
米国出願公開第2006−0015033明細書
したがって、患者の皮膚/電極インピーダンスを監視し、継続的に変化する皮膚インピーダンスの影響を補償するようシステムの利得を変更するシステムが望まれる。
本開示の実施形態によれば、患者の生体電位信号のインピーダンス変動を補償する方法が提供されてもよい。この方法は、前記患者の皮膚に一対の電極を当てることと、前記一対の電極を介して前記患者の前記皮膚にテスト信号を印加することと、前記皮膚及び前記一対の電極による前記テスト信号への組み合わせ応答を測定することと、を含んでいてもよい。この方法はさらに、前記組み合わせ応答を使い、前記皮膚及び前記一対の電極の出力インピーダンスを計算し、前記皮膚及び前記一対の電極により生じた前記インピーダンス変動を補償するために使われる前記患者の前記生体電位信号の数学的な修正を取得すること、を含んでいてもよい。
本開示の実施形態によれば、患者の生体電位信号のインピーダンス変動を補償するシステムが提供されてもよい。このシステムは、前記患者の皮膚に当てられる、選択的可変インピーダンス電極と、前記電極に連絡可能に連結された監視モジュールと、前記監視モジュール及び前記電極に連絡可能に連結され、テスト信号を前記電極に印加するよう構成されたテスト生成モジュールと、を含んでいてもよい。システムはまた、前記テスト信号が前記電極に印加されている間に前記電極間のDCレベルを測定するよう構成された電圧校正計を有する測定モジュールを含んでいてもよく、前記電極及び皮膚の合計インピーダンスが測定され、前記インピーダンス変動を考慮するために前記監視モジュールの利得が比例的に調整されてもよい。
本開示の実施形態によれば、患者の生体電位信号のインピーダンス変動を補償するもう1つのシステムが提供されてもよい。この例示システムは、前記患者の皮膚に当てられる選択的インピーダンス可変電極と、前記電極に連絡可能に連結された監視モジュールと、前記監視モジュール及び前記電極に連絡可能に連結され、テスト信号を前記電極に印加するよう構成されたテスト生成モジュールと、を含んでいてもよい。このシステムはまた、前記テスト信号が前記電極に印加されている間に前記電極間のACレベルを測定するよう構成された電圧校正計を有する測定モジュールを含んでいてもよく、前記電極及び皮膚の合計インピーダンスが測定され、前記監視モジュールの利得が比例的に調整されてもよい。
本開示は、以下の詳細な説明を添付の図面と共に読むことにより最もよく理解される。
本開示の1つ又はそれ以上の実施形態による、生体電位監視装置と同時に皮膚及び電極インピーダンスを測定するための例示システムを示す図である。 本開示の1つ又はそれ以上の実施形態による、生体電位監視装置と同時に皮膚及び電極インピーダンスを測定するための他の例示システムを示す図である。 図1及び図2に示す実施形態を含む、皮膚及び電極インピーダンスを測定するための例示システムを示す図である。 図1に示すシステムによる例示校正方法を示す図である。 図1に示すシステムによる例示校正方法を示す図である。 図2に示すシステムによる例示校正方法を示す図である。
以下の開示は、本発明の異なる特徴、構成、又は機能を実施するためのいくつかの例示実施形態を説明することを理解されたい。部品、配置、及び構成の例示実施形態を、本開示を簡略化するために以下に説明するが、これらの例示実施形態は、例としてのみ説明され、本発明の範囲を限定する意図はない。また、本開示は、様々な実施形態及びここに添付する図面にまたがって符号及び/又は記号を繰り返す場合がある。この繰り返しは、簡略化及び明確化するためのものであり、様々な例示実施形態及び/又は様々な図面に説明される構成の間の関係をそれ自体が決めるものではない。さらに、以下の説明において第2の特徴の上又は第2の特徴上に第1の特徴を形成することは、第1及び第2の特徴が直接組み合わされて形成される実施形態と第1及び第2の特徴間に追加の特徴が入れられて形成され、第1及び第2の特徴が直接組み合わせられていない実施形態との両方を含む場合がある。最後に、以下に説明する例示実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなく、どのような形の組み合わせで組み合わされてもよく、すなわち、1つの例示実施形態のいずれかの要素を、他の例示実施形態において使うことができる。
また、以下の説明及び請求項において、特定の用語が、特定の部品を参照するために使われる。当業者には理解できるように、様々な団体が、同一の部品を異なる名前で呼ぶ場合があり、このため、ここで説明する要素の名付けの取り決めは、特別にここで定義する場合を除き、本発明の範囲を限定することを意図していない。さらに、ここで使われる名付けの取り決めは、機能は異ならないが名前が異なる部品間を区別するよう意図するものではない。さらに、以下の説明及び請求項において、用語「有する」及び「含む」は、オープンエンドの形で使われ、よって、「有するが、これに限定されない」の意味で解釈すべきである。本開示の全ての数値は、特に記載のない限り、正確な値でも近似の値であってもよい。したがって、本開示の様々な実施形態は、その意図される範囲から逸脱することなく、ここに開示した数、数値、及び範囲から離れることもある。さらに、請求項又は明細書での使用において、用語「又は」は、排他的な場合と包括的な場合との両方を包含するものとして意図される。すなわち、「A又はB」は、明確に特定されている場合を除いて、「A及びBの少なくとも1つ」と同義であると意図される。
本開示の実施形態によれば、比較的安定してインピーダンスに依存せず継続的に監視及び/又は表示できる出力信号を提供するよう設計されたインピーダンス補償システム及び方法が提供される。例示出力信号は、患者から得られる、ECG信号、EMG信号、又はEEG信号等の生体電位電気信号を含んでいてもよい。簡潔には、例示実施形態は、患者の皮膚プラス皮膚/電極界面の組み合わせインピーダンスを測定するシステム及び方法を含んでいてもよく、合計皮膚/電極インピーダンスの測定された変動を補償するために測定装置全体としての利得が変更できる。少なくとも1つの実施形態において、監視信号を校正倍率でソフトウェアにより乗算することにより、利得が変更できる。長期間にわたる正確な出力信号を確実にするために、校正倍率は、測定された皮膚/電極インピーダンスに基づき、定期的に再計算又は更新されてもよい。
まず、ここに開示する実施形態が、電池による動作のために設計され、近くの表示ユニットへのワイヤレス又は光学的なリンクを有して設計された2電極システムを含んでいてもよいことに留意されたい。しかしながら、アースになんらかの形で接続されている実施形態又は電気コンセントから電力供給されている実施形態の場合、第3のワイヤを患者の脚又は他の体上の点に連結することもでき、これにより、測定回路と適合するDC電圧に患者の体を強制的に設定するよう試みてもよい。電池動作する実施形態においては、電池作動する測定回路の中間電圧又はアナログアースを単純に2つの検知電極を通じて患者の固有体電圧に対して参照できるため、これは不要である。
図1を参照し、皮膚及び電極インピーダンスを測定するためのシステム100の例示実施形態を示し、このシステム100は、患者102から得られる生体電気信号を監視し表示するよう設計された従来の生体電位監視装置104を含む。特に、患者102は、ECG信号、EMG信号、又はEEG信号等の、生体電位信号106を自然に発してもよく、この生体電位信号106を監視モジュール104を介して監視できる。患者102は、患者の皮膚110に取り付けられ又は固定された一対の電極108を介して監視モジュール104に連結されていてもよい。他の例示実施形態において、電極は、皮膚110内に配置又は挿入されてもよい。
例示実施形態においては、電極108及び皮膚110のインピーダンスは、対象となる周波数において、主に抵抗性であり、容量的又は誘導的特徴がほとんどない又は全くなくてもよい。また、電極108及び皮膚110のインピーダンスは、時間と共に変動してもよく、したがって、図1においては、可変抵抗として示す。
例示実施形態においては、患者102からの生体電位信号106は、例えば、その振幅が数ミリボルト又はそれ以下しかない、非常に小さい信号の場合もある。さらに、生体電位信号106は、患者102の体が自然にアンテナとして機能するので、干渉する信号の存在下で監視する場合もあり、数ミリボルトよりも大きな振幅の信号が捕捉される。これらの干渉信号を低減させる又は完全に除去するために、システム100は、分離抵抗112と、入力抵抗114と、入力キャパシタ116と、により形成される低域通過フィルタネットワークを用いることができる。例示実施形態においては、大きな振幅の電波等の差動及び共通モード干渉信号の両方を、低域通過フィルタネットワークを通じて除去できる。
分離抵抗112は、監視モジュール104に偶発的に連結されてしまった潜在的に命の危険のある電圧から患者102を分離するために十分な抵抗を含んでいてもよく、追加のレベルの下流静電放出保護を提供できる。例示実施形態においては、分離抵抗112は、100キロオーム又はそれ以上等の既知の値を有していてもよい。また、入力抵抗114及び入力キャパシタ116もまた、以下に説明するように、システム100によって基準とし使われてもよい、既知の値を有していてもよい。
電極108と患者の皮膚110のそれぞれのインピーダンスは、時間と共に変動する場合があるため、監視モジュール104により測定された結果の信号もまた、オームの法則にしたがって、時間と共に変動する。これは、部分的には、皮膚110と、電極108と、抵抗112及び114と、により形成される抵抗分割器ネットワーク内の結果としての変化によるものである。本開示は、所望でなく予測できない、この信号振幅の変化を補償するよう構成されてもよい。
監視モジュール104はまた、増幅器118及び補助フィルタ/利得モジュール120を含んでいてもよい。例示実施形態においては、増幅器118は、計装用増幅器を含んでいてもよい。補助フィルタ/利得モジュール120は、低域通過フィルタを含んでいてもよく、他の実施形態においては、帯域通過フィルタを含んでいてもよい。少なくとも1つの実施形態において、補助フィルタ/利得モジュール120は、入力周波数を約0.2Hzから約2.0Hzの帯域にフィルタリングするよう構成されてもよい。他の実施形態においては、補助フィルタ/利得モジュール120は、入力周波数を約0.3Hzから約1.0Hzの帯域にフィルタリングするよう構成されてもよい。
さらに、システム100の設計要件によっては、増幅器118は、約10から約2000の利得を有していてもよい。例示実施形態において、増幅器118と補助フィルタ/利得モジュール120との必要な合計利得は、約1000V/Vから約2000V/Vであってもよく、これにより、信号処理及び表示ユニット122上での後続の処理及び表示のために十分な強さの出力信号を提供する。したがって、増幅器118が、例えば、約10のみの利得等の低利得を有する低利得前置増幅器として使われる場合には、少なくとも1つの集積演算増幅器回路(図示せず)を使い実施できる補助フィルタ/利得モジュール120により、追加の利得を得ることができる。
監視モジュール104の利得が高い応用法においては、生体電位信号106中のDCオフセットの小さな変化によっても、クリッピングされた出力電圧が増幅器118又はフィルタ/利得モジュール120又はその両方の出力に生じる。したがって、システム100は、生体電位信号106に存在するDCオフセット又は増幅器118の入力回路により発生されるDCオフセットを遮断するために、高域通過フィルタの機能を有して構成されるサーボ積分器124をさらに含んでいてもよい。1つの例示実施形態においては、サーボ積分器124は、増幅器118のVREFノード126、入力抵抗114、及び入力キャパシタ116に連結されていてもよい。
例示する動作においては、サーボ積分器124は、増幅器118の出力が所望の中間電圧VMIDを得るまで傾斜的に増加又は低減することができる。当業者には広く知られているように、図1に示すような、フィードバック路における積分器は、順方向路において高域通過フィルタを形成する。したがって、サーボ積分器124は、システム100に必要とされるDC遮断機能を提供できる。また、当業者には理解できるように、患者102の体は、監視モジュール104のVREFノード126を抵抗112及び114によって自然に電極108の平均電圧へと強制する場合もある。したがって、患者102の体からの変化する共通モードDCオフセットは、抵抗112及び114によって、自然にそれ自体を修正することがある。
他の例示実施形態において、抵抗112及び114は、少なくとも1つの可変抵抗ネットワークに置き換えてもよい。このような実施形態は、本願と同時に係属している米国特許出願公開第2008/0275316号、「Skin Impedance Matching System and Method for Skin/Electrode Interface」に開示され、この文献の内容全体を、本開示と矛盾しない限りにおいて、ここに参照し援用する。しかしながら、この文献に開示されている例示実施形態は、高い抵抗値を必要とする場合があり、この結果、高い抵抗値は一般的に集積回路上で比較的大きく高価な領域を必要とするため、集積回路の製造コストが高くなる。一方、以下に記載するように、本開示の実施形態は、高価でカスタム化された集積回路を必要とすることなく、電極108と皮膚110とのインピーダンスの変動を補償するための同等のシステム又は構造を提供できる。
引き続き図1を参照し、システム100はさらに、「通常モード」又は「校正モード」のいずれかで動作するよう構成されたテスト信号生成モジュール128を含んでいてもよい。テスト信号生成モジュール128は、対応するスイッチ134により選択的に一対のテスト抵抗132に印加される又はこれらの抵抗132から切り離されるテスト信号130を供給してもよい。例示実施形態においては、テスト信号130は、例えば、DCレベル、方形波、変動する周波数及び振幅の正弦波、パルス幅変調されたデジタル波形等の、いくつかの種類の信号を含んでいてもよい。さらに、テスト信号130は、DC供給源又はAC供給源のいずれから発生されてもよい。少なくとも1つの実施形態において、信号130は、3.2Vの電池又は他のDC電源から発生できる。
例示する動作の通常モードの際には、スイッチ134は、開位置(図示する位置)に置かれてもよく、これにより、検知回路(患者102と監視モジュール104の組み合わせ)が、患者102から生体電位信号106を取得して通常通りに動作することを可能にする。例示する動作の校正モードの際には、スイッチ134は、閉位置に置かれ、テスト信号130がテスト抵抗132を介して電極108に接続される。
1つの例示実施形態においては、校正モードは、テスト抵抗132及びスイッチ134を通じて電極108間に差動DCテスト信号130を印加することを含んでいてもよい。他の実施形態は、シングルエンドDCテスト信号130を含んでいてもよい。以下に説明するように、これにより、2つの電極108及び皮膚110の組み合わせによる抵抗により生じた合計インピーダンスの簡易で直接的な測定を可能にできる。
図1に示す例示システム100はまた、少なくとも1つの実施形態では、校正モード中に電極108にテスト信号130が印加されているときに、2つの電極108間のDCレベルを測定するように構成された電圧校正計137を有する測定モジュール136を含んでいてもよい。例示実施形態においては、測定モジュール136は、一対の分離抵抗138及び対応するスイッチ140を含んでいてもよい。分離抵抗138は、測定モジュール136に起因する潜在的に危険な浮遊電気信号から患者102を分離し、また、患者102からの静電放出電圧が測定モジュール136の回路に入ることを防止するよう構成されてもよい。
システム100の動作の通常モードにおいては、スイッチ140は図示するような開位置にあってもよく、これにより、電圧校正計137を電極108から切り離し、測定モジュール136からの電気的な干渉を回避する。電極108においてテスト信号130に十分な時間が与えられてDCレベルが安定した場合には、入力キャパシタ116の反応性効果は無視できると理解できるであろう。
システム100の動作の校正モードにおいては、スイッチ140は閉じられ、単純な抵抗分割計算(オームの法則に基づく)により、電極108の間に測定される抵抗電極108と皮膚110との合計インピーダンス値が求められる。合計インピーダンス値が知られると、入力抵抗ネットワークの利得(すなわち、減衰)が得られる。
例えば、オームの法則にしたがい、電極108、皮膚110、及び分離抵抗112を含む6つの抵抗の合計値がRであるとし、2つの入力抵抗114の入力抵抗がRであるとする。オームの法則により、生体電位信号106と増幅器118の入力との間のテスト信号130の経路の利得は、R足すRでRを除算したものに等しい。これから理解できるように、したがって、監視モジュール104の出力信号は、補助フィルタ/利得モジュール120の出力を結果の利得値又は校正倍率で除算することにより修正又は調整できる。よって、システム100全体の利得は、計算された校正倍率を使い変更でき、これにより、皮膚/電極の合計インピーダンスの変動を補償できる。
ここで、引き続き図1を参照しつつ図2を参照し、図2に他の例示実施形態を示し、図1で説明した要素は図2においても同様の符号で参照される。詳しくは、図2は、測定モジュール136(図1)を介して監視モジュール104に入る可能性のある潜在的なノイズを除去することにより、図1に示す実施形態よりも高いノイズ耐性を提供するよう構成されてもよいシステム200を示す。
図示するように、増幅器118の出力は、ここでは、システム200の測定ノードとして使われる測定モジュール202に連絡可能に連結されていてもよい。上述のように、増幅器118は、計装用増幅器であってもよい。設計からしても、増幅器118の出力インピーダンスは、入力におけるインピーダンスよりも非常に低い。したがって、測定モジュール202は、これに接続されている測定回路により誘発されるノイズによる影響をずっと受けにくい。
1つの例示実施形態においては、計装用増幅器118の出力が、スイッチ204を介して電圧校正計206に接続されていてもよく、電圧校正計206はAC信号に応答するよう適合させられていてもよい。当業者には理解できるように、増幅器118及びサーボ積分器124が高域通過フィルタを形成するため、測定モジュール202はAC信号に応答してもよく、これにより、DC信号が増幅器118を通過することを困難にする。したがって、テスト信号生成モジュール128から生じるテスト信号130は、方形波や正弦波等の、増幅器118の出力まで通過するために十分に高い周波数成分を含む、時間と共に変動する信号であってもよい。
しかしながら、他の例示実施形態においては、サーボ積分器124が無効化され、これにより、テスト信号生成モジュール128からシステム200を通ってDC信号を印加することを可能にする。この例示実施形態においては、増幅器118の利得は約10に設定でき、これにより、DC出力電圧のクリッピングを回避する。少なくとも1つの実施形態において、サーボ積分器124は、例えば、単純にサーボ積分器124をオフにしDC信号の流入を可能にするよう構成される、プログラム可能な「モード」によって無効化されてもよい。
図1を参照して開示した例示実施形態と同様に、電極108及び皮膚110の未知のインピーダンスの、電圧校正計206において測定された結果の出力信号への影響は、分離抵抗112、入力抵抗114、及び入力キャパシタ115を含んでいてもよい入力抵抗ネットワークの既知の値及び増幅器118の全体的な利得に基づいて計算できる。
ここで図3を参照し、本開示によるシステム300の他の例示実施形態を示す。図示するように、図1及び図2に関して説明された要素は、図3において同様の符号により参照され、したがって、詳しい説明は繰り返さない。少なくとも1つの実施形態において、図示するシステム300は、図1及び図2に開示された実施形態のいくつかの又は全てを実施するよう構成されてもよい。以下に信号処理及び表示ユニット122の内部回路を説明する。
例示実施形態においては、信号処理及び表示ユニット122は、マイクロプロセッサ302と表示ユニット304とを含んでいてもよい。少なくとも1つの実施形態において、表示ユニット304は、PC又はラップトップ、又は携帯電話、PDA、又はBLACKBERRY(登録商標)装置等の携帯型装置を含む、ユーザインターフェースとして構成されてもよい。他の実施形態において、表示ユニット304は、ストリップチャート記録装置等、ファックス又はプリンタを含んでいてもよい。マイクロプロセッサ302は、インターフェース306を通じて表示ユニット304に連絡可能に連結されていてもよい。例示実施形態においては、インターフェース306は、ワイヤレス又は光学的なインターフェースを含んでいてもよく、これにより、アース及び電源コンセント電圧からの分離を有利に保つことができる。したがって、例示実施形態においては、インターフェース306は、光学データバス、ワイヤレスローカルエリアネットワーク(IEEE802.11等)を含んでいてもよく又はBLUETOOTH(登録商標)ワイヤレス技術に対応していてもよい。
図示するように、マイクロプロセッサ302は、アナログ−デジタル(「A/D」)コンバータ308と、アナログマルチプレクサ310と、一対の汎用デジタル入力/出力(「I/O」)ピン312又はドライバと、を含んでいてもよい。例示実施形態においては、A/Dコンバータ308は、補助フィルタ/利得モジュール120から入力される信号を捕捉するよう構成されていてもよい。また、A/Dコンバータ308は、図1及び図2に関してそれぞれ上で説明したような、電圧校正計137及び206と実質的に同様の機能を実行するよう構成されてもよい。
アナログマルチプレクサ310は、A/Dコンバータ308と補助フィルタ/利得モジュール120との両方に連絡可能に連結されていてもよい。例示実施形態においては、アナログマルチプレクサ310は、図1及び図2にそれぞれ開示した測定スイッチ134及び140と実質的に同様に機能するよう構成されてもよい。I/Oピン312は、図1及び図2に説明されたテスト信号電圧130を供給してもよい。テスト信号130を供給できるようにするために、I/Oピン312は、電圧供給源314に連絡可能に連結されていてもよい。すでに説明したように、電圧供給源314は、ここに挙げるものに限定されないが、電池電源、AC型電流、又はDC型電流を含んでいてもよい。
例示動作では、システム300は、図1及び図2に関して上で説明した通常モードと校正モードで動作するよう構成されてもよい。通常モードは、処理及び表示のために生体電位信号106を取得してもよく、校正モードは、電極108及び皮膚110の変動するインピーダンスを補償する。例示実施形態においては、通常モードと校正モードとの切り替えは、アナログマルチプレクサ310を介して達成される。
通常モード動作時には、I/Oピン312の倫理L(0)状態により作られる電圧レベルは、0Vであってもよい。しかしながら、校正モード動作時には、I/Oピン312の倫理H(1)状態により作られる電圧レベルは、電圧供給源314に等しくてもよく、これにより、I/Oピン312を介してシステム300にテスト信号130を送信する。例示実施形態において、I/Oピン312は、マイクロプロセッサ302に埋め込まれたソフトウェアの制御下で3つの状態を有していてもよく、図1及び図2において説明したスイッチ134の開放と同様の機能を実行するよう構成されていてもよい。
さらに、マイクロプロセッサ302に埋め込まれたソフトウェアを使い、図1及び図2に示し言及した実施形態で説明された測定及び補償方法の全てを実行してもよい。例えば、マイクロプロセッサ302は、電極108及び皮膚110のインピーダンスを測定するよう構成されていてもよい。また、マイクロプロセッサ302は、生体電位信号106が表示ユニット304に表示される前に、生体電位信号106のための利得校正倍率を決定し適用するよう構成されていてもよい。当業者には理解できるように、例示システム300は、図1又は図2に説明された実施形態の1つのみを実施することにより、適切に簡略化できる。
少なくとも1つの実施形態においては、電圧供給源314は、供給源(例えば電池)が時間と共に放電するにしたがって変動する場合もあり、これにより、テスト信号130の電圧レベルに比例的に影響を及ぼす。この電位変動を補償するために、校正モード時の処理の一部としてマイクロプロセッサ302によりデジタル電圧供給源314を継続的に監視できる。低減されたテスト信号103の電圧レベルが登録された場合には、マイクロプロセッサ302は、これにしたがって計算を比例的に調整するよう構成されていてもよい。
図3を引き続き参照しつつ図4を参照し、図1に示す実施形態による校正モード及び通常ノードの動作の方法400を説明するフローチャートを示す。例示実施形態においては、システム300(図3)は、402のように、通常モードで動作を開始してもよい。通常モードにおいて、404のように、システム300が通常モードを継続するかプログラムフローが校正モードに切り替えることを必要としているかを決定するための問い合わせが提示される。少なくとも1つの実施形態において、この決定は、前回の校正からどれだけの時間が経過したのかに基づいていてもよい。他の例示実施形態においては、システム300の起動時の単一の校正が、特定の測定応用法に対しては十分であると決定する場合もある。
校正モードに入ると、406のように、まずI/Oピン312が出力のために使用可能にされる。少なくとも1つの実施形態において、I/Oピン312によってテスト抵抗132を通じて第1の差動DC電圧が印加されてもよく、この結果の電極108に得られる差動電圧「V1」が、分離レジスタ138及び入力マルチプレクサ310を通じてA/Dコンバータ308により測定できる。
408のように、2つの電極108間の差動電圧V1の第1の測定値を取得するために、マイクロプロセッサ302はまず、マルチプレクサ310を使用可能にして第1の分離レジスタ138(図3「RIso3」)において電圧を受けるよう構成されてもよい。例示実施形態においては、A/Dコンバータ308がシングルエンド入力を含むため、入力マルチプレクサ310は、電極108で取得された差動電圧の正及び負の電圧を順次選択するよう使われてもよい。マイクロプロセッサ302は次に、410のように、第1のI/Oピン312aから1つのテスト抵抗132(図3「RTest1」)を通じて倫理H(1)を印加し、続けて、第2のI/Oピン312bから他のテスト抵抗132(図3「RTest2」)を通じて倫理L(0)を印加するよう構成されてもよい。
A/Dコンバータ308は次に、412のように、第1の入力電圧「V1P」を受けデジタル化するよう構成されてもよく、この時点で、414のように、マイクロプロセッサ302は、入力マルチプレクサ310を使用可能にして第2の分離抵抗138(図3「RIso4」)において電圧を受けるように構成されてもよい。A/Dコンバータ308は次に、416のように、第2の入力電圧「V1M」を受けデジタル化するよう構成されてもよく、この時点で、418のように、V1PからV1Mを減算することにより差動電圧V1の第1の測定値が計算されてもよい。当業者には理解できるように、差動入力を有するA/Dコンバータ308及び差動入力マルチプレクサ310を用いる他の実施形態は、差動電圧V1の測定処理を簡略化することができる。
2つの電極108間の差動電圧「V2」の第2の測定値を取得するために、マイクロプロセッサ302は、I/Oピン312に印加される入力電圧の極性を反転させるよう構成されていてもよい。これを達成するために、420のように、マイクロプロセッサ302は、再度マルチプレクサ310を使用可能にして第1の分離抵抗138(「RIso3」)において電圧を受けるよう構成されてもよい。マイクロプロセッサ302は次に、422のように、第1のI/Oピン312aから1つのテスト抵抗132(「RTest1」)を通じて倫理L(0)を印加し、続いて、第2のI/Oピン312bから他のテスト抵抗132(「RTest2」)を通じて倫理H(1)を印加するよう構成されてもよい。A/Dコンバータ308は次に、424のように、第3の入力電圧「V2P」を受けデジタル化するよう構成されてもよく、この時点で、マイクロプロセッサ302は、426のように、入力マルチプレクサ310を使用可能にして第2の分離抵抗138(「RIso4」)において電圧を受けるよう構成されてもよい。
A/Dコンバータ308は次に、428のように、第4の入力電圧「V2M」を受けデジタル化してもよく、この時点で、430のように、V2PからV2Mを減算することにより、差動電圧「V2」の第2の測定値が計算されてもよい。V1及びV2の計算値が得られると、432のように、V1とV2との差を求めることにより、合計差動電圧スイングVOUTを計算できる。
しかしながら、合計差動電圧スイング「VIN」の値は、上述のようにI/Oピン312が電圧供給源314によって電力供給されているため、デジタルI/O電圧供給源314に依存する場合がある。例示実施形態においては、A/Dコンバータ308を使い、電圧供給源314の値をデジタル化しその後測定することができる。これを達成するために、マイクロプロセッサ302は、434のように、入力マルチプレクサ310を使用可能にして電圧供給源314を受けるように構成されてもよい。A/Dコンバータ308は次に、436のように、電圧供給源314を受けデジタル化してもよく、この時点で、438のように、電圧供給源314に2を乗算することでVINを計算できる。
分離抵抗112,入力抵抗114,及びテスト抵抗132の抵抗値は知られているので、合計差動電圧スイングVOUT及びVINがわかると、440のように、合計皮膚+電極インピーダンスRSourceを以下の計算を用いて計算できる。
Test=RTest1+RTest2
Input=RIn1+RIn2+RIso1+RIso2
ここで、RIn1及びRIn2は入力抵抗114の既知の抵抗値であり、RIso1及びRIso2は、分離抵抗112の既知の抵抗値である。
Source=ZPatient1+ZPatient2+Zelectrode1+Zelectrode2
ここで、ZPatient1及びZPatient2は、皮膚110の純粋な抵抗性インピーダンスであり、Zelectrode1及びZelectrode2は、電極108の純粋な抵抗性インピーダンスである。よって、以下のようにオームの法則の原理を当てはめることにより、RSourceを計算できる。
Source=1/((VIN/VOUT*RTest)−1/RTest−1/RInput
皮膚110、電極108、分離抵抗112、及び入力抵抗114を含む抵抗により形成される抵抗分割器の通常モード減衰AInput又は利得は、以下の式から求めることができる。
Input=(RIn1+RIn2)/(Rsource+RIso1+RIso2+RIn1+RIn2
例示実施形態においては、減衰AInputが決定されると、方法400は通常モードの動作に戻ることができ、ここでは、減衰AInputが数学的に適用されて、計算された皮膚110及び電極108のインピーダンスの変化を補償する。
この時点で、再度、404のように、校正が必要かどうかの問い合わせが提示される。新しく校正された値が適正である場合には、動作の通常モードを開始してもよい。例示実施形態において、3状態I/Oピン312により供給されるテスト信号130は、442のようにI/Oピン312を動作の3状態(つまり、非駆動)モードに設定することにより取り除くことができる。入力マルチプレクサ310は次に、444のように使用可能とされて補助フィルタ/利得モジュール120からの出力信号を受けてもよく、これにより、446のように、増幅及びフィルタリングされた生体電位信号106のサンプルが、A/Dコンバータ308を使い集められデジタル化される。測定された減衰変動を補償するために、448のように、入力生体電位信号106を計算された減衰AInputにより除算できる。ここから理解できるように、この計算は、皮膚110及び電極108に位置する皮膚/電極入力インピーダンスの変化により生ずる誤差を修正するよう構成される。
ここで、図3を引き続き参照しつつ図5を参照し、図2に関して上で説明した実施形態による校正モードの動作の方法500を説明するフローチャートを示す。図示するように、方法500は、図4に示す前述の方法400と少なくともいくつかの例外点を除いてほぼ同様であってもよい。例えば、上述の方法400で説明したように差動DC電圧を使い抵抗を測定する代わりに、方法500は、マイクロプロセッサ302のソフトウェアによって制御されるI/Oピン312を含んでいてもよく、パルス幅変調された又はパルス密度変調されたACデジタル信号を生成してもよい。したがって、皮膚/電極インピーダンスRsourceがどのように測定されるかが多少異なる。
例示実施形態において、502のように、システム300(図3)が、通常モードで方法500の動作を開始してもよい。通常モードでは、504のように、システム300が通常モードを継続するべきか又はプログラムフローが校正モードへの切り替えを必要としているかを決定するために問い合わせが提示される。校正モードへの切り替えは、例えば、時間の経過により促される。少なくとも1つの実施形態においては、システム300は、所定の時間間隔で校正するよう構成されてもよい。例えば、システムは、校正を5分に1回又は1分に1回実行するよう構成されてもよい。
校正モードに入ると、506のように、まず、I/Oピン312が出力のために使用可能にされてもよい。2つの電極108間の差動電圧の第1の測定値を取得するために、マイクロプロセッサ302はまず、508のように、マルチプレクサ310を使用可能にし、計装用増幅器118の出力から電圧出力信号VOUTを受けるよう構成されてもよい。例示実施形態においては、マイクロプロセッサ130は、以下に説明するように、出力信号VOUTのRMS電圧を計算してその結果正弦状の波形を生じるよう構成されてもよい。
少なくとも1つの実施形態において、510のように、差動パルス幅又はパルス密度変調されたACデジタル信号をテスト抵抗132(RTest1及びRTest2)を通じてI/Oピン312に印加してもよい。差動パルス幅/パルス密度変調デジタル信号は、分離抵抗112、入力抵抗114、及び入力キャパシタ116の組み合わせから形成された低域通過フィルタを通過する結果、正弦波等のアナログ信号を形成する場合がある。例示実施形態においては、正弦波の周波数は、計装用増幅器118及びサーボ積分器124(図2)の組み合わせにより形成される高域通過フィルタのカットオフ周波数よりも上であってもよいが、分離抵抗112、入力抵抗114、及び入力キャパシタ116の組み合わせから形成される低域通過フィルタのカットオフ周波数よりも低くてもよい。A/Dコンバータ308は次に、512のように、マルチプレクサ310を通じて出力信号VOUTを受け、出力信号VOUTをデジタル化するよう構成されてもよい。
上述の方法400と同様に、合計差動電圧スイングVINの値は、I/Oピン312が電圧供給源314により電力供給されているため、デジタルI/O電圧供給源314に依存する場合がある。例示実施形態においては、A/Dコンバータ308を使い、電圧供給源314の値をデジタル化し、その後測定できる。これを達成するために、マイクロプロセッサ302は、514のように、入力マルチプレクサ310を使用可能にして、電圧供給源314を受けるよう構成されてもよい。A/Dコンバータ308は次に、516のように、電圧供給源314を受け、デジタル化するよう構成されてもよい。
当業者には直ちに認識できるように、パルス幅/パルス密度変調信号の振幅は、H及びLの電圧レベルを駆動するデジタル信号の振幅に直接比例する。したがって、518のように、電圧入力314を測定し、I/Oピン312により供給されるテスト信号VINの正弦状の部分のAC振幅を計算すべきである。少なくとも1つの実施形態においては、振幅の計算は、選択された変調方法と電圧入力314の値とに基づいていてもよい。I/Oピン312により生成された入力正弦状信号VINの信号振幅が計算されると、520のように、前述の方法400と実質的に同様な以下に示す式を用いて、皮膚/電極抵抗RSourceの値が計算できる。
特に、以下の式を再度実施できる。
Test=RTest1+RTest2
Input=RIn1+RIn2+RIso1+RIso2
Source=ZPatient1+ZPatient2+Zelectrode1+Zelectrode2
ここで、ZPatient1及びZPatient2は、皮膚110の純粋な抵抗性インピーダンスであり、Zelectrode1及びZelectorde2は、電極108の純粋な抵抗性インピーダンスである。
先の方法400の式をさらに利用するために、電極108でのAC電圧VOUTを、計装用増幅器118の出力において測定された電圧VOUTから計算できる。この計算は、以下のように、計装用増幅器118の既知の利得で除算し分離抵抗112(RIso1及びRIso2)と入力抵抗114(RIn1及びRIn2)の既知の抵抗分割利得で除算することにより行われてもよい。
OUT=(VOUT/GInstAmp)*((RIn1+RIn2+RIso1+RIso2)/(RIn1+RIn2))
ここで、GInstAmpは、計装用増幅器118の既知の利得である。
次に、RSourceを以下のようにオームの法則を適用することで計算できる。
Source=1/((VIN/VOUTE*RTest)−1/RTest−1/RInput
通常モードにおける皮膚110、電極108、分離抵抗112,及び入力抵抗114の抵抗により形成される抵抗分割器の減衰AInputは、以下の式により取得できる。
Input=(RIn1+RIn2)/(RSource+RIso1+RIso2+RIn1+RIn2
次に、抵抗分割器の減衰AInputを通常モード時に数学的に適用でき、これにより、皮膚110及び電極108のインピーダンスの変化を補償する。
例示実施形態においては、方法500は次に、502の通常モードの動作に戻り、皮膚110及び電極108のインピーダンスの計算された変化を補償するよう減衰AInputを数学的に適用してもよい。この時点で、504のように、先に既に説明したように、校正の必要性が再度判断される。
新しく校正された値が適正である場合、522のように、動作の通常モードを開始してもよく、I/Oピン312を動作の3状態(すなわち、非駆動)モードにおくことにより、3状態I/Oピン312により供給されたテスト信号130が取り除かれる。入力マルチプレクサ310は次に、524のように、使用可能とされて補助フィルタ/利得モジュール120からの出力信号を受けてもよい。これにより、526のように、生体電位信号106の、増幅されフィルタリングされたサンプルが、A/Dコンバータ308を使い集められデジタル化される。測定された減衰変動を補償するために、528のように、入力信号が、計算された減衰AInputで除算されてもよい。この計算は、皮膚110及び電極108に位置する皮膚/電極入力インピーダンスの変化により生じた誤差を修正するよう構成できることを理解できよう。
当業者には、上述の段落で概要を述べた計算が、多くの同様の形式に再構成できることは明らかであろう。例えば、動作の通常モードで適用される利得修正倍率は、信号が表示される前のどの段階で適用されてもよい。さらに、信号は、デジタルフィルタにより処理される前、平均RMS計算を実行する前等に修正できる。他の例示実施形態においては、校正修正倍率は、上述の信号処理段階の後で適用でき、同様の結果となる。また、上述の差動測定技術には、適用される入力信号と測定される出力信号との信号振幅が半分に成るためにノイズによる影響を受けやすい、同等のシングルエンド方法が存在することは明らかであろう。
ここに開示した実施形態によってインピーダンス測定を実行するために必要とされる追加の回路は非常に少ない。よって、本開示の追加のコストは、きわめて小さい。実際に、ここに開示した実施形態は、以前に利用可能とされていた方法に比べて、安価な皮膚/電極インピーダンス変動を修正する方法を提供できる。
上述は、いくつかの実施形態の特徴の概要であり、これより、以下の詳細な説明を当業者はよりよく理解できるであろう。当業者には、ここに紹介した実施形態と同じ目的のための及び/又は同じ利点を達成するための他の処理及び構造を設計及び改良するための基礎として本開示を容易に使えることが理解できるであろう。当業者にはまた、このような同等の構成は本開示の精神及び範囲を逸脱せず、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更、代用、改変ができることを理解できるであろう。

Claims (20)

  1. 患者の生体電位信号のインピーダンス変動を補償する方法であって、
    前記患者の皮膚に一対の電極を当てることと、
    前記一対の電極を介して前記患者の前記皮膚にテスト信号を印加することと、
    前記皮膚及び前記一対の電極による前記テスト信号への組み合わせ応答を測定することと、
    前記組み合わせ応答を使い、前記皮膚及び前記一対の電極の出力インピーダンスを計算し、前記皮膚及び前記一対の電極により生じた前記インピーダンス変動を補償するために使われる前記患者の前記生体電位信号の数学的な修正を取得することと、を含む、方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、前記生体電位信号が、ECG電気信号、EMG電気信号、及びEEG電気信号の1つを含む、方法。
  3. 請求項1に記載の方法であって、前記テスト信号が、差動DC信号又は差動AC信号である、方法。
  4. 請求項3に記載の方法であって、前記テスト信号が、パルス幅変調AC波形又はパルス密度変調AC波形である、方法。
  5. 請求項1に記載の方法であって、前記数学的な修正が、オームの法則に基づく、方法。
  6. 請求項1に記載の方法であって、前記組み合わせ応答が、ソフトウェアアルゴリズムを使い監視モジュールに適用できる校正倍率を含む、方法。
  7. 患者の生体電位信号のインピーダンス変動を補償するシステムであって、
    前記患者の皮膚に当てられる、選択的可変インピーダンスを有する電極と、
    前記電極に連絡可能に連結され、増幅器と補助フィルタ/利得モジュールとを有する監視モジュールと、
    前記監視モジュール及び前記電極に連絡可能に連結され、テスト信号を前記電極に印加するよう構成されたテスト生成モジュールと、
    前記テスト信号が前記電極に印加されている間に前記電極間のDCレベルを測定するよう構成された電圧校正計を有する測定モジュールと、を含み、
    前記電極及び皮膚の合計インピーダンスが測定され、前記インピーダンス変動を考慮するために前記監視モジュールの利得が比例的に調整される、システム。
  8. 請求項7に記載のシステムであって、さらに、近くの表示ユニットへのワイヤレス又は光学的なリンクを含む、システム。
  9. 請求項7に記載のシステムであって、前記補助フィルタ/利得モジュールが、分離抵抗、入力抵抗、及び入力キャパシタから形成される低域通過フィルタネットワークを有する、システム。
  10. 請求項9に記載のシステムであって、前記補助フィルタ/利得モジュールが、心電信号、筋電信号、又は脳電信号の入力周波数をフィルタリングするよう構成されている、システム。
  11. 請求項7に記載のシステムであって、前記テスト信号が、差動DC信号である、システム。
  12. 請求項7に記載のシステムであって、前記テスト信号が電池により生成される、システム。
  13. 請求項7に記載のシステムであって、前記テスト生成モジュールが、前記テスト信号を選択的に印加するよう構成されたスイッチを有する、システム。
  14. 請求項7に記載のシステムであって、前記測定モジュールが、前記電圧校正計を前記電極に連絡可能に連結して前記DCレベルを測定するよう構成されたスイッチを有する、システム。
  15. 患者の生体電位信号のインピーダンス変動を補償するシステムであって、
    前記患者の皮膚に当てられる、選択的可変インピーダンスを有する電極と、
    前記電極に連絡可能に連結され、計装用増幅器と、補助フィルタ/利得モジュールと、サーボ積分器と、を有する監視モジュールと、
    前記監視モジュール及び前記電極に連絡可能に連結され、テスト信号を前記電極に印加するよう構成されたテスト生成モジュールと、
    前記テスト信号が前記電極に印加されている間に前記電極間のACレベルを測定するよう構成された電圧校正計を有する測定モジュールと、を含み、
    前記電極及び皮膚の合計インピーダンスが測定され、前記監視モジュールの利得が比例的に調整される、システム。
  16. 請求項15に記載のシステムであって、前記テスト信号は、経時変化する信号である、システム。
  17. 請求項15に記載のシステムであって、前記テスト信号が、パルス密度変調又はパルス幅変調を使い生成された差動AC信号である、システム。
  18. 請求項15に記載のシステムであって、前記テスト生成モジュールが、前記テスト信号を選択的に印加するよう構成されたスイッチを有する、システム。
  19. 請求項15に記載のシステムであって、さらに、近くの表示ユニットへのワイヤレス又は光学的なリンクを含む、システム。
  20. 請求項15に記載のシステムであって、前記測定モジュールが、前記電圧校正計を前記電極に連絡可能に連結して前記ACレベルを測定するよう構成されたスイッチを有する、システム。
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