JP3566860B2

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

Info

Publication number: JP3566860B2
Application number: JP21571298A
Authority: JP
Inventors: 泰彦神保
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2018-07-30
Also published as: JP2000041658A

Description

【０００１】
【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

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。