JP3566860B2 - 生体電気信号記録装置、生体電気信号記録方法、および電気刺激方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体電気信号記録装置、生体電気信号記録方法、および電気刺激方法に係わり、特に、人体以外の生体組織、細胞に対して電気刺激を行い、当該電気刺激に対する生体組織、細胞の応答を記録する際に有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
これまで、生体組織、細胞に対する電気刺激は、微小電極に直接、あるいは絶縁回路を通して定電圧、あるいは定電流パルス信号を印加することにより行われていた。
通常、電気刺激に用いられる信号発生装置は低出力インピーダンスのものが必要であり、また、この生体電気信号記録には高入力インピーダンスの増幅器が必要とされる。
そのため、単一の微小電極を用いて、生体組織、細胞に対して電気刺激を与え、且つ、生体電気信号を記録する手法としては、従来、手動により切り換え、単一の微小電極を信号発生装置、あるいは増幅器に接続する手法以外は実現されていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気刺激および生体電気信号記録のために、手動により切り換え、単一の微小電極を信号発生装置、あるいは増幅器に接続する場合は、切り換え操作の要する時間(数秒以上)の間、電気刺激もしくは生体電気信号記録のどちらかが不可能であるという問題点があった。
さらに、入力インピーダンスの高い測定系では、一般にノイズに対して非常に敏感なため、入力部分からケーブルを伸ばして離れたところで切り換えを行うことは不可能であり、スイッチ部を入力部の直ぐ近くに設置する必要がある。
そのため、手動による切り換え操作は、振動を伴うことが多く、生体電気信号の記録に広く用いられているガラス管微小電極を用いる手法等の、振動による影響が顕著な手法との併用は著しく困難であるという問題点があった。
【0004】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、生体電気信号記録装置において、単一の微小電極で、電気刺激と生体電気信号記録の両方を行うことができ、しかも電気刺激後ごく短時間で生体電気信号記録が可能となる技術を提供することにある。
【0005】
また、本発明の他の目的は、生体電気信号記録方法において、人体以外の生体組織、あるいは細胞に対して、複数の微小電極の中の一つ以上の微小電極から順次自動的に電気刺激を与え、当該複数の電気刺激に対応した生体電気信号を、振動等の影響を受けることなく記録することが可能となる技術を提供することにある。
【0006】
また、本発明の他の目的は、電気刺激方法において、電気刺激強度の精確な制御が可能となる技術を提供することにある。
【0007】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【0009】
即ち、本発明は、微小電極と、前記微小電極に接続されるインターフェイス回路と、前記インターフェイス回路を介して前記微小電極に電気刺激信号を印加する電気刺激信号発生装置と、前記インターフェイス回路を介して前記微小電極からの生体電気信号を増幅する主増幅器と、前記主増幅器で増幅された生体電気信号を記録する記録手段と、前記インターフェイス回路を制御する制御手段とを具備する生体電気信号記録装置であって、前記インターフェイス回路は、前記微小電極からの生体電気信号を増幅する入力増幅器と、前記入力増幅器から前記主増幅器に入力される生体電気信号の直流電位を保持する直流電位保持回路と、前記電気刺激信号発生装置からの電気刺激信号と前記直流電位保持回路からの直流電位とを加算する加算器とを備えるとともに、前記入力増幅器と前記直流電位保持回路との間に接続される第1のスイッチ回路、および前記加算器と前記直流電位保持回路との間に接続される第2のスイッチ回路、並びに前記微小電極と前記加算器との間に接続される第3のスイッチ回路とを備えるものであり、前記制御手段は、通常時は前記第2のスイッチ回路および前記第3のスイッチ回路をオフにするとともに前記第1のスイッチ回路をオンにして前記微小電極に前記主増幅器が接続された状態とし、電気刺激を実行する場合には、前記第2のスイッチ回路をオンにするとともに前記第1のスイッチ回路をオフにして前記微小電極から前記主増幅器を切り離した後、前記第3のスイッチ回路をオンにして電気刺激信号を印加し、電気刺激終了後一定時間、前記第3のスイッチ回路がオンで前記第2のスイッチ回路がオンで前記第1のスイッチ回路がオフの状態を保ち、その後通常時の状態に戻す制御を行うものであることを特徴とする。
【0010】
また、本発明は、前記微小電極と前記インターフェイス回路との組を、複数対具備することを特徴とする。
【0011】
また、本発明は、前述の生体電気信号記録装置を用いて生体電気信号を記録する生体電気信号記録方法であって、複数の微小電極の中の一つ以上の微小電極を順次自動的に選択して、人体以外の生体組織、あるいは細胞に対して順次電気刺激を与え、当該複数の電気刺激に対する複数の生体電気信号を、検出用電極で検出して記録することを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、前述の生体電気信号記録装置を用いて人体以外の生体組織、あるいは細胞に対して、微小電極を用いて電気刺激を与える電気刺激方法において、前記電気刺激信号発生装置から前記微小電極に印加する電気刺激信号に対して、前記電気刺激信号を印加する直前の前記微小電極の直流電位を加算し、前記微小電極の直流電位のオフセット補償を行うことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0014】
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0015】
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1の生体電気信号記録装置の概略構成を示すブロック図である。
同図において、10はパーソナルコンピュータ、11は生体電気信号記録用の主増幅器、12は電気刺激信号発生装置、13はインターフェイス回路、14は微小電極である。
本実施の形態の生体電気信号記録装置は、微小電極14と、生体電気信号記録用の主増幅器11および電気刺激信号発生装置12との間にインターフェイス回路13を設け、主増幅器11、電気刺激信号発生装置12、およびインターフェイス回路13をパーソナルコンピュータ10で制御する構成となっている。
また、主増幅器11で増幅された生体電気信号は、アナログ・デジタル変換されて、パーソナルコンピュータ10の記録手段(例えば、ハードディスク)等に記録される。
【0016】
図2は、図1に示すインターフェイス回路13の具体的な構成を示すブロック図である。
同図において、21は入力増幅器、22は直流電位保持回路、23はスイッチ回路(1)、24はスイッチ回路(2)、25はスイッチ回路(3)、26は加算器である。
図2に示すスイッチ回路(1)〜スイッチ回路(3)は、パーソナルコンピュータ10から制御信号により、図3に示すタイミングで制御される。
即ち、通常は、スイッチ回路(2)24、およびスイッチ回路(3)25がオフ、スイッチ回路(1)23がオンで、微小電極14に対して主増幅器11が接続され、電気刺激信号発生装置12は切り離された状態にある。
生体組織、あるいは細胞に対して電気刺激を実行する場合には、まずスイッチ回路(2)24をオン、スイッチ回路(1)23をオフにすることにより、微小電極14から主増幅器11を切り離す。
この時、主増幅器11の入力直流電位は直流電位保持回路22により、切り離し直前の直流電位に保持される。
ついで、スイッチ回路(3)25がオンとなるが、この時、電気刺激信号発生装置12からの電気刺激信号には、加算器26により直流電位保持回路22からの直流電位が加算されているため、微小電極14の直流電位は不変である。
【0017】
この状態で、加算器26からの電気刺激信号が微小電極14に印加され、生体組織、あるいは細胞に対して電気刺激が実行される。
電気刺激終了後一定時間、スイッチ回路(3)25をオン、スイッチ回路(2)24をオン、スイッチ回路(1)23をオフと保つことにより、電気刺激により微小電極14に注入された電荷を電気刺激信号発生装置12側の低インピーダンス回路を通じて放電する。
以上の動作により、単一の微小電極14による電気刺激と生体電気信号記録が可能となり、電気刺激信号入力に伴う生体電気信号記憶不能期間は短時間に抑えられる。
【0018】
図4は、本実施の形態の生体電気信号記録装置で電気刺激を行う際に、微小電極14に生じる電位変化の過渡現象と、従来の生体電気信号記録装置で電気刺激を行う際に、微小電極14に生じる電位変化の過渡現象とを比較した結果を示すグラフである。
生体電気信号記録装置で電気刺激を行う際に、微小電極14に生じる電位変化の過渡現象は、主増幅器11の飽和の原因となり、電気刺激終了後、生体電気信号記録が可能となるまでの時間を規定する。
図4から明らかなように、従来の生体電気信号記録装置においては、電気刺激信号による主増幅器11の飽和が起こり、さらに微小電極14に注入された電荷が長い時定数をもって放電されることにより、長時間にわたる過渡現象を生じている。
なお、図4に示す従来の生体電気信号記録装置は、例えば、図5に示す構成のものであり、電気刺激を行う際に、スイッチ回路35をオンとするものである。これに対して、本実施の形態の生体電気信号記録装置では、電気刺激により微小電極14に注入された電荷を電気刺激信号発生装置12側の低インピーダンス回路を通じて放電するようにしたので、過渡現象はごく小さく抑えられているのが分かる。
【0019】
また、本実施の形態の生体電気信号記録装置では、直流電位保持回路22からの出力(直流電位)を、電気刺激信号発生装置12からの電気刺激信号に加算することにより、電気刺激強度を正確に制御することが可能となる。
【0020】
図6は、本実施の形態の生体電気信号記録装置を用いて実際に測定した生体電気信号の波形の一例を示す図である。
図6に示す波形は、電気刺激信号に対して、7μs早い時点でスイッチ回路(3)25をオン、10μs前の時点でスイッチ回路(2)24をオン、スイッチ回路(1)23をオフに設定し、さらに、この電気刺激信号印加終了後1msの間この状態を保ったときに記録された波形である。
この図6の波形図から明らかなように、本実施の形態の生体電気信号記録装置では、電気刺激信号入力後約2msの時点で生体電気信号が記録された。
即ち、本実施の形態の生体電気信号記録装置では、単一の微小電極14で電気刺激を行い、少なくとも電気刺激終了後約2msの時点で当該刺激対する応答が同一微小電極14で記録可能となる。
【0021】
図7は、本実施の形態の生体記録装置を用いて電気刺激を行い、1つの細胞からの生体電気信号を記録した一例を示す図である。なお、同図において、30は記録された細胞からの生体電気信号である。
この図7は、刺激強度2.1V、2.2V、2.3V、2.4Vという4つの条件に対してそれぞれ32回の記録を行ったものである。
この図7は、0.1Vという電気刺激強度の違いとしてはわずかな値に対して、顕著な応答の差異が得られ、かつ、それぞれの条件下で再現性の良い結果が得られていることを示している。
これは、直流電位保持回路22からの出力(直流電位)を、電気刺激信号発生装置12からの電気刺激信号に加算することにより、微小電極14の直流電位のオフセット補償を行うとともに、電気刺激により微小電極14と溶液界面に蓄積された電荷を、電気刺激信号発生装置12側の低インピーダンス回路を通じて放電するようにした効果を示している。
【0022】
なお、本実施の形態の生体電気信号記録装置において、図1、あるいは図2に示すインターフェイス回路13と微小電極14との組を複数組設けて、インターフェイス回路13内のスイッチ回路群をパーソナルコンピュータ10で制御することにより、振動を生じることなく複数の全体の生体反応を個別(または並列)に記録することが可能となる。
また、本実施の形態の生体電気信号記録装置では、電気刺激信号発生装置12から定電圧の電気刺激信号を出力するようにしたが、電気刺激信号発生装置12から定電流の電気刺激信号を出力することも可能である。
この場合には、図2に示すスイッチ回路(2)24、加算器26は必要ない。
【0023】
[実施の形態2]
図8は、本発明の実施の形態2の生体電気信号記録装置の概略構成を示すブロック図である。
同図において、13a〜13nはインターフェイス回路、14a〜14nは微小電極、21a〜21nは入力増幅器、22a〜22nは直流電位保持回路、23a〜23nはスイッチ回路(1)、24a〜24nはスイッチ回路(2)、25a〜25nはスイッチ回路(3)、26a〜26nは加算器である。
本実施の形態の生体電気信号記録装置は、n個のインターフェイス回路(13a〜13n)とn個の微小電極(14a〜14n)、即ち、図1、あるいは図2に示すインターフェイス回路13と微小電極14との組をn組設けて、インターフェイス回路(13a〜13n)内のスイッチ回路群をパーソナルコンピュータ10で制御するようにしたものである。
【0024】
また、本実施の形態の生体電気信号記録装置では、インターフェイス回路(13a〜13n)は、複数の集積回路を用いてモジュール化されている。
【0025】
即ち、入力増幅器(21a〜21n)として増幅器素子、スイッチ回路(1)(23a〜23n)、スイッチ回路(2)(24a〜24n)、およびスイッチ回路(3)(25a〜25n)をアナログスイッチ回路素子を用い、また、直流電位保持回路(22a〜22n)としてサンプルホールド回路を組み合わせて一つのモジュールとされている。
このモジュールをn個(例えば、64個)並列に接続し、全体を1つのパーソナルコンピュータ10による制御するシステムとして構成される。
なお、本実施の形態の生体電気信号記録装置で実現したモジュールは、それ自体を1つの集積回路装置とすることも可能である。
【0026】
本実施の形態の生体電気信号記録装置によれば、インターフェイス回路(13a〜13n)をモジュール化し、パーソナルコンピュータ10からの制御信号で各スイッチ回路(23a〜23n,24a〜24n,25a〜25n)を構成するアナログスイッチ回路素子を制御するようにしたので、インターフェイス回路(13a〜13n)を微小電極(14a〜14n)の直ぐ近く設置し、かつ、振動の影響を全く受けることなく、安定した生体電気信号記録を行うことが可能である。
【0027】
[実施の形態3]
図9は、本発明の実施の形態3の生体電気信号記録装置を説明するための図であり、図10は、図9に示すAの部分を拡大して示す図である。
本実施の形態の生体電気信号記録装置は、生体電気信号計測の手法として広く用いられている手法であるガラス管微小電極15を用いる測定手法に、前記実施の形態2に示す生体電気信号記録装置を併用したものである。
即ち、図9に示すように、64個の微小電極14を有する基板17上に搭載された細胞群の1つの細胞にガラス管微小電極15を挿入し、パーソナルコンピュータ10からの制御信号を用いたリモートコントロールにより、64個の微小電極14を1つずつ順に電気刺激信号発生装置12に接続して電気刺激を行い、ガラス管微小電極15から得られる細胞膜電流を増幅器16で増幅し、記録するようにしたものである。
なお、図10には、この時ガラス管微小電極15から出力される細胞膜電流も同時に図示している。
【0028】
前記した如く、入力インピーダンスの高い測定系では、一般にノイズに対して非常に敏感なため、入力部分からケーブルを伸ばして離れたところで切り換えを行うことは不可能であり、スイッチ部を入力部の直ぐ近く設置する必要がある。そのため、ガラス管微小電極15を用いる測定手法は、振動に極端に弱いという欠点があったが、本実施の形態の生体電気信号記録装置のように、ガラス管微小電極15を用いる測定手法と前記実施の形態2に示す生体電気信号記録装置とを併用することにより、振動等の影響を全く受けることなく、安定した生体電気信号記録を行うことが可能である。
なお、ガラス管微小電極15を用いる測定手法と前記実施の形態2に示す生体電気信号記録装置とを併用する場合には、図9に示す主増幅器11は必要ないので、図9に示す主増幅器11は省略することも可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【0029】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【0030】
(1)本発明によれば、1つの微小電極で、電気刺激と生体電気信号記録の両方を行うことができ、しかも電気刺激後ごく短時間で生体電気信号記録が可能となる。
【0031】
(2)本発明によれば、複数の微小電極を切り換えてそれぞれに対応した生体電気信号を計測することができ、その際、振動等の問題が発生しないため、ガラス管微小電極を用いる計測手法等との併用が可能となる。
【0032】
(3)本発明によれば、電気刺激強度の精確な制御が可能であり、再現性に優れた応答を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の生体電気信号記録装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】図1に示すインターフェイス回路の具体的な構成を示すブロック図である。
【図3】図2に示すスイッチ回路(1)〜スイッチ回路(3)のオン、オフのタイミングを示すタイミングチャートである。
【図4】本実施の形態1の生体電気信号記録装置で電気刺激を行う際に、微小電極に生じる電位変化の過渡現象と、従来の生体電気信号記録装置で電気刺激を行う際に、微小電極に生じる電位変化の過渡現象とを比較した結果を示すグラフである。
【図5】従来の生体電気信号記録装置の一例の概略構成を示すブロック図である。
【図6】本実施の形態1の生体電気信号記録装置を用いて実際に測定した生体電気信号の波形の一例を示す図である。
【図7】本実施の形態1の生体記録装置を用いて電気刺激を行い、1つの細胞からの生体電気信号を記録した一例を示す図である。
【図8】本発明の実施の形態2の生体電気信号記録装置の概略構成を示すブロック図である。
【図9】本発明の実施の形態3の生体電気信号記録装置を説明するための図である。
【図10】図9に示すAの部分を拡大して示す図である。
【符号の説明】
10…パーソナルコンピュータ、11…主増幅器、12…電気刺激信号発生装置、13,13a〜13n…インターフェイス回路、14,14a〜14n…微小電極、15…ガラス管微小電極、16…増幅器、17…基板、21,21a〜21n…入力増幅器、22,22a〜22n…直流電位保持回路、23,23a〜23n…スイッチ回路(1)、24,24a〜24n…スイッチ回路(2)、25,25a〜25n…スイッチ回路(3)、26,26a〜26n…加算器、35…スイッチ回路。
Claims (5)
- 微小電極と、
前記微小電極に接続されるインターフェイス回路と、
前記インターフェイス回路を介して前記微小電極に電気刺激信号を印加する電気刺激信号発生装置と、
前記インターフェイス回路を介して前記微小電極からの生体電気信号を増幅する主増幅器と、
前記主増幅器で増幅された生体電気信号を記録する記録手段と、
前記インターフェイス回路を制御する制御手段とを具備する生体電気信号記録装置であって、
前記インターフェイス回路は、前記微小電極からの生体電気信号を増幅する入力増幅器と、前記入力増幅器から前記主増幅器に入力される生体電気信号の直流電位を保持する直流電位保持回路と、前記電気刺激信号発生装置からの電気刺激信号と前記直流電位保持回路からの直流電位とを加算する加算器とを備えるとともに、前記入力増幅器と前記直流電位保持回路との間に接続される第1のスイッチ回路、および前記加算器と前記直流電位保持回路との間に接続される第2のスイッチ回路、並びに前記微小電極と前記加算器との間に接続される第3のスイッチ回路とを備えるものであり、
前記制御手段は、通常時は前記第2のスイッチ回路および前記第3のスイッチ回路をオフにするとともに前記第1のスイッチ回路をオンにして前記微小電極に前記主増幅器が接続された状態とし、電気刺激を実行する場合には、前記第2のスイッチ回路をオンにするとともに前記第1のスイッチ回路をオフにして前記微小電極から前記主増幅器を切り離した後、前記第3のスイッチ回路をオンにして電気刺激信号を印加し、電気刺激終了後一定時間、前記第3のスイッチ回路がオンで前記第2のスイッチ回路がオンで前記第1のスイッチ回路がオフの状態を保ち、その後通常時の状態に戻す制御を行うものであることを特徴とする生体電気信号記録装置。 - 前記微小電極と前記インターフェイス回路との組を、複数組具備することを特徴とする請求項1に記載の生体電気信号記録装置。
- 前記インターフェイス回路を、モジュール化したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の生体電気信号記録装置。
- 請求項2に記載の生体電気信号記録装置を用いて生体電気信号を記録する生体電気信号記録方法であって、
複数の微小電極の中の一つ以上の微小電極を順次自動的に選択して、人体以外の生体組織、あるいは細胞に対して順次電気刺激を与え、当該複数の電気刺激に対する複数の生体電気信号を、検出用電極で検出して記録することを特徴とする生体電気信号記録方法。 - 請求項1または請求項2に記載の生体電気信号記録装置を用いて人体以外の生体組織、あるいは細胞に対して、微小電極を用いて電気刺激を与える電気刺激方法において、
前記電気刺激信号発生装置から前記微小電極に印加する電気刺激信号に対して、前記電気刺激信号を印加する直前の前記微小電極の直流電位を加算し、前記微小電極の直流電位のオフセット補償を行うことを特徴とする電気刺激方法。
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