JP4278709B2

JP4278709B2 - 電極装置、心電図測定装置

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Publication number: JP4278709B2
Application number: JP2008550940A
Authority: JP
Inventors: 雅史松村
Original assignee: 学校法人大阪電気通信大学
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: US8428701B2; US8068902B2; US20120108939A1; JPWO2008078380A1; WO2008078380A1; US20100137726A1

Description

被測定者の身体に装着して心電図信号を測定するための電極装置及び心電図測定装置に関する。

従来より、心疾患の診断と治療のために心電図を測定することが行なわれている。

心電図は、心臓の電気的な活動の様子を記録したものであり、その測定には、四肢に電極を取り付ける肢誘導と、胸部に電極を取り付ける胸部誘導とを組み合わせて、１２種の波形を誘導する標準１２誘導法が一般的に用いられている。

従来の四肢や胸部に電極を取り付けて心電図を記録する方法では、以下のような問題がある。

すなわち、四肢に電極を取り付ける場合、心臓と電極との間に腕や足といった可動部位が存在するため、かかる可動部位の筋肉の電気的活動（筋電図）が心電図信号に混入し易い傾向がある。このような筋電図に基づくノイズの混入を回避するためには、安静状態で測定する必要があるため、四肢に電極を取り付ける方法では、日常生活を行いながら精度よく心電図を測定することが難しいという問題があった。

また、胸部に電極を取り付ける場合、上記のような可動部位に起因する問題は生じにくいが、その一方で、電極の脱着に際して衣服を脱ぐ必要がある。衣服を着たまま簡易に電極を脱着できない点で、胸部に電極を取り付ける方法もまた、日常生活を行いながらの測定には必ずしも適していないという問題があった。

そこで、本発明は、衣服を脱がずに日常生活を行いながら心電図を測定することができる心電図測定用電極装置及び心電図測定装置を提供することを目的とする。

本発明の心電図測定用電極装置は、被測定者の首部を包囲することが可能なバンド部と、前記バンド部に設けられ、前記バンド部が被測定者の首部を包囲した時に被測定者の隆椎付近に位置するように配された基準電極を含む基準電極部と、前記バンド部に設けられた１対の誘導電極部であって、それぞれが、前記バンド部が被測定者の首部を包囲した時に被測定者の頚動脈付近に位置するように配された誘導電極、及び、入力端子が前記誘導電極に接続され、電源端子の一方が前記基準電極に接続されるボルテージフォロアを含む、誘導電極部と、を備えることを特徴とする。

好適には、前記バンド部は可撓性バンドを含んで構成されており、該可撓性バンドの弾性変形に基づく挟圧力により被測定者の首部を着脱可能に把持することを特徴とする。

本発明の心電図測定装置は、本発明の心電図測定用電極装置と、前記１対の誘導電極部のそれぞれの前記ボルテージフォロアの出力差を増幅する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力をフィルタ処理する電気回路部と、を備えることを特徴とする。

好適には、前記差動増幅器及び前記電気回路部が、前記バンド部に取り付けられていることを特徴とする。

本発明の心電図測定用電極装置は、基準電極を含む基準電極部と、１対の誘導電極部であって、それぞれが、誘導電極、及び、入力端子が前記誘導電極に接続され、電源端子の一方が前記基準電極に接続されるボルテージフォロアを含む、誘導電極部と、前記基準電極が被測定者の隆椎付近に位置するように前記基準電極部を保持し、前記誘導電極が被測定者の頚動脈付近に位置するように前記誘導電極部を保持する保持部とを備えることを特徴とする。

本発明の心電図測定方法は、被測定者の隆椎付近に配された基準電極において、心電図信号を検出する工程と、被測定者の左右頚動脈付近に配された１対の誘導電極において、心電図信号を検出する工程と、前記誘導電極の近傍にそれぞれ配されたボルテージフォロアにおいて、近傍の前記誘導電極で検出した心電図信号を入力端子に入力し、前記基準電極で検出した心電図信号を電源端子の一方に入力して、心電図信号を出力する工程と、前記誘導電極の近傍にそれぞれ配されたボルテージフォロアから出力される心電図信号を入力とし、両信号の電位差を増幅して、双極誘導心電図信号を出力する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の特徴及び多くの効果は、以下の詳細な説明を参照し、添付図面を考慮して、より理解されるとき、より正当に評価されるであろう。なお、参照番号は、特に明記しない限り、全体の記載や図面を通じて同様の部材を参照するために用いる。

本発明によれば、筋電図の影響を受けにくく、衣服を脱がずに日常生活を行いながら心電図を測定することができる心電図測定用電極装置及び心電図測定装置を提供することができる。

心電図信号を介して健康状態をモニターするための方法及び装置の実施形態を以下に記載する。以下の記載では、多くの詳細な具体例が、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために用いられる。しかしながら、当業者であれば、いくつかの具体的な詳細部分が無くとも、又は他の方法、構成要素、部材等を用いて、本発明を実現できることを理解できるであろう。その他の例では、本発明の本質が不明瞭とならないように、周知の構造、部材、動作については示しておらず、また詳細には記載していない。

明細書全体において、「一実施形態」のように記載した場合、その実施形態に関して記載された特定の特徴、構造、特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。従って、この明細書において、何箇所かで記載される「一実施形態では」といった用語表現は、必ずしも同じ実施形態を参照するために用いられることを必要としたものではない。更に、特定の特徴、構造、特性は、１以上の実施形態において、どのようにも好適に組み合わせることが可能である。

図１は、本発明の一実施形態における心電図測定装置１００の概略構成を示す図である。図に示すように、心電図測定装置１００は、心電図測定用電極装置１、心電図信号処理回路２等を備えており、心電図測定用電極装置１と心電図信号処理装置２とは複数のリード線を介して接続されている。

心電図測定用電極装置１は、図２に示すように、可撓性バンド部１０、可撓性バンド部１０に設けられた基準電極部２０、可撓性バンド部１０に設けられた１対の誘導電極部３０等を備えており、携帯可能に構成されている。

可撓性バンド部１０は、被測定者の首部を後ろ側から包囲することが可能な、いわゆるネックバンドの形状をしており、例えば一実施形態ではプラスティックで形成される。

可撓性バンド部１０は、その弾性変形に基づく挟圧力により被測定者の首部を着脱可能に把持することができる。ただし、心電図測定用電極装置１の装着時においては、上記挟圧力に加えて、可撓性バンド部１０が被測定者の首部の付け根近傍で支持されることによって、装着状態が保たれる。

なお、可撓性バンド部１０は、被測定者の首周りの大小に適応できるよう、必要に応じてバンド長を調整する機構（たとえば、従来のヘッドフォン等で採用されているような、２以上のバンドが互いに摺動可能に係合する機構）を備える構成としてもよい。

図３に示すように、基準電極部２０は、可撓性バンド部１０の略中央に設けられており、被測定者が心電図測定用電極装置１を装着した時に（すなわち、可撓性バンド部１０が被測定者の首部を包囲した時に）被測定者の隆椎付近に位置するように配された基準電極２１、基準電極２１の上に重ねて配されており、装着時に基準電極２１と被測定者の首部との間の緩衝材として機能する導電性繊維部２２等を含んでいる（図３参照）。

基準電極２１は、例えば一実施形態では直径５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の円形のカーボン電極を用いて構成でき、装着時に被測定者の首部隆椎付近に導電性繊維部２２を介して間接的に接触し、首部隆椎付近における心電図信号を検出する。後述するように、基準電極２１は、リード線を介して誘導電極部３０内のボルテージフォロア３３の電源端子に接続される。

なお、可撓性バンド部１０、基準電極２１、及び導電性繊維部２２は、当業者において周知の種々の方法の一つを用いて、電気的に接続することができる。一実施形態では、導電ペーストを用いて接着される。

上述したように、また図２に示すように、１対の誘導電極部３０は、可撓性バンド部１０の両端に設けられている。誘導電極部３０の一実施形態の更なる詳細は、図４に示されており、該実施形態の誘導電極部３０は、被測定者が心電図測定用電極装置１を装着した時に被測定者の頚動脈付近に位置するように配された誘導電極３１、誘導電極３１の上に重ねて配されており、装着時に誘導電極３１と被測定者の首部との間の緩衝材として機能する導電性繊維部３２、誘導電極３１の近傍（例えば、導電性繊維部３２側を表として電極３１の裏側）に配されており、入力端子が誘導電極３１に接続され、電源端子の一方が基準電極２１に接続されるるボルテージフォロア３３等を含んでいる。なお、誘導電極３１とボルテージフォロア３３とは、電極部分が露出するような所定の筐体内にて一体的にシールドされていてもよい。

誘導電極３１は、例えば一実施形態では直径５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の円形のカーボン電極を用いて構成でき、装着時に被測定者の首部頚動脈付近に導電性繊維部３２を介して間接的に接触し、首部頚動脈付近における心電図信号を検出する。

ボルテージフォロア３３は、誘導電極３１で検出した心電図信号を入力として、第１の増幅心電図信号を出力する（図５参照）。第１の増幅心電図信号は実質的には増幅されないが、ボルテージフォロア３３によるインピーダンス変換によって、心電図測定用電極装置１の出力インピーダンスが低インピーダンスに変換されることになる。なお、ボルテージフォロア３３の入力インピーダンスは、充分に大きくする（例えば２ＭΩ以上とする）ことが望ましい。

ボルテージフォロア３３の電源端子には、心電図信号処理装置２内の電源６０からリード線を介して電力が供給される。ただし、基準電極２１を不関電極として機能させるために、電源端子のうちＧＮＤ接続される一方には基準電極２１からのリード線も接続されており、基準電極２１で検出した信号が入力される構成となっている。従って、誘導電極部３０（ボルテージフォロア３３）に接続されるリード線は、基準電極２１からのリード線、ボルテージフォロア３３から第１の増幅心電図信号を出力するためのリード線、ボルテージフォロア３３の電力供給用の２本のリード線の、計４本となる。

なお、可撓性バンド部１０、誘導電極３１、及び導電性繊維部３２は、例えば導電ペーストを用いて接着することができる。また、ボルテージフォロア３３は、所定の基板上にはんだ付けすることができ、該基板が例えば接着剤により可撓性バンド部１０に接着される。

心電図信号処理装置２の一実施形態では、図６に示すように、１対の誘導電極部３０のそれぞれのボルテージフォロア３３の出力差を入力とする差動増幅器４０、差動増幅器４０の出力をフィルタ処理して雑音を除去し、出力する電気回路部５０、各部に電力を供給する電源６０等を備えている。

差動増幅器４０は、２つの入力端子に各誘導電極部３０（ボルテージフォロア３３）から出力される第１の増幅心電図信号が入力されると、両信号の電位差を増幅し、出力端子から第２の増幅心電図信号（双極誘導心電図信号）を出力する。

図７に示す一実施形態では、電気回路部５０は、ハイパスフィルタ５１、ローパスフィルタ５２、バンドリジェクションフィルタ５３等のフィルタ回路を含んで構成される。

ハイパスフィルタ５１は、差動増幅器４０から出力される第２の増幅心電図信号が入力されると、該第２の増幅心電図信号から直流成分を除去した第３の増幅心電図信号を出力する。ローパスフィルタ５２は、ハイパスフィルタ５１から出力される第３の増幅心電図信号が入力されると、該第３の増幅心電図信号から高周波成分を除去した第４の増幅心電図信号を出力する。本実施形態では、Ｒ波を精度よく検出するために、１０〜８０Ｈｚの帯域の信号が通過されるように、ハイパスフィルタ５１及びローパスフィルタ５２を構成する。

バンドリジェクションフィルタ５３は、ローパスフィルタ５２から出力される第４の増幅心電図信号が入力されると、該第４の増幅心電図信号から商用周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの誘導雑音を除去した第５の増幅心電図信号を出力する。

心電図測定装置１００（心電図信号処理装置２の電気回路部５０）から出力された第５の増幅心電図信号は、心電図解析用の情報処理装置に入力され、そこで、従来同様、Ａ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換された後、必要に応じてマイクロプロセッサによる種々の解析処理が実行されて、表示装置に表示されたり、記録装置に記録される。

なお、電源６０は、差動増幅器４０や電気回路部５０等に電力を供給するとともに、２本のリード線を介して心電図測定用電極装置１に接続され、ボルテージフォロア３３に電力を供給する。

以上説明したように、本実施形態の心電図測定装置１００では、心電図測定用電極装置１をネックバンド型とすることで、四肢等を拘束することなく、首部の頚動脈付近から心電図信号を検出することができる。首部に電極を配して心電図を測定する本方式では、心臓と電極との間に腕や足のような可動範囲の大きい部位が存在しないため、日常生活を行いながら測定する場合でも、従来の四肢に電極を取り付けて心電図を測定する方式に比べて、近傍の筋肉の電気的活動に起因する雑音が大幅に減少する。また、首部は通常、露出していることから、衣服を脱がずに心電図測定用電極装置１を装着して、心電図を測定することができる。その結果、本実施形態の心電図測定装置１００によれば、被測定者に対して、ほぼ無拘束、無侵襲に、更に装着していることを意識させることなく、心電図信号を測定することができる。

更に、本実施形態の心電図測定装置１００は、誘導電極部３０にボルテージフォロア３３を設けることで雑音の低減を図っている。すなわち、首部に電極を配して心電図信号を検出する場合、肢四肢や胸部に比べて大きな電極を用いることが難しいという制約がある。また、そもそも電極面積を大きくすると、首部の動作に支障をきたすおそれがあり、被測定者の煩わしさも増す。一方、電極の面積が小さくなると、信号源のインピーダンス（電極・接触インピーダンス）が大きくなり、雑音耐性が低下するという問題が生じる。

そこで、本実施形態では、首部に電極を配して心電図信号を取得する場合に課せられる電極面積の小ささという制約を満たしつつ、該制約に起因する雑音耐性の低下を補償すべく、誘導電極部３０にボルテージフォロア３３を設けている。誘導電極３１で検出した心電図信号はボルテージフォロア３３を介して心電図測定用電極装置１から出力されるため、心電図測定用電極装置１の出力インピーダンスを小さくすることができ、その結果、心電図測定用電極装置１の出力に関して雑音耐性を向上させることができる。また、ボルテージフォロア３３は誘導電極３１の近傍に配置されるため、両者間の距離を短くすることができ、これにより誘導雑音を大きく減らすことができる。

本発明の発明者らが、本実施形態の心電図測定装置１００を試作したところ、実際に雑音が低減されることを確認できた。図８（Ａ）に、試作した心電図測定装置１００から出力した第５の増幅心電図信号の例を示す。また図８（Ｂ）に、比較用に、心電図測定装置１００とほぼ同様の構成を採るが、ボルテージフォロア３３を設けずに、各誘導電極３１で検出した心電図信号を差動増幅器４０に直接入力して第２以降の増幅心電図信号を出力した場合の第５の増幅心電図信号の例を示す。図８（Ａ）に示す心電図測定装置１００からの心電図信号は、図８（Ｂ）に示す心電図信号に比べて、雑音が低減されていることがわかる。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。例えば、上記実施形態では、心電図信号処理装置２を心電図測定用電極装置１とは別体に構成しているが、心電図信号処理装置２を可撓性バンド部１０に取り付けることで両者を一体的に構成してもよい。また、心電図信号処理装置２に、心電図解析用の情報処理装置の機能の一部又は全部を組み込むように構成してもよい。

また例えば、上記実施形態では、可撓性バンド部１０に基準電極部２０、誘導電極部３０を設ける構成としているが、本発明は必ずしもこのような構成に限られず、例えば布等の非可撓性のバンド部に基準電極部２０、誘導電極部３０を設ける構成としてもよい。この場合、例えば非可撓性バンド部の両端付近にマジックテープ（登録商標）等を取り付けておき、非可撓性バンド部によって被測定者の首部の周囲一周を包囲するようにマジックテープ（登録商標）等で留め、非可撓性バンド部を首部に装着する構成を考えることができる。なお、首部への保持機能を充分に確保するためには、伸縮性の部材を用いて非可撓性バンド部を構成することが望ましい。

また例えば、上記実施形態において、可撓性バンド部１０の代わりに、他の機構（例えば、吸盤など）によって各電極を首部の適切な位置に保持する構成としてもよい。具体的には、基準電極を含む基準電極部と、１対の誘導電極部であって、それぞれが、誘導電極、及び、入力端子が前記誘導電極に接続され、電源端子の一方が前記基準電極に接続されるボルテージフォロアを含む、誘導電極部と、前記基準電極が被測定者の隆椎付近に位置するように前記基準電極部を保持し、前記誘導電極が被測定者の頚動脈付近に位置するように前記誘導電極部を保持する保持部とを備えるように構成する。

また例えば、バンド部や保持部をシャツ等のカラー部分に取り付けられるように構成してもよい。又は、シャツ等のカラー部分をバンド部や保持部として用いる構成とすることも考えられる。このような構成によれば、いわゆるウェラブルな心電図測定用電極装置、心電図測定装置を実現することができる。

また例えば、上記実施形態では、電気回路部５０がハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドリジェクションフィルタを含む構成としているが、電気回路部５０がこれらのフィルタに加えて／代えて、他のフィルタ（例えば、低域強調フィルタ、バンドパスフィルタなど）を含むように構成してもよい。

また例えば、上記実施形態では、心電図測定用電極装置１からリード線を介して心電図信号処理装置２に出力し、また心電図信号処理装置２からもリード線を介して外部に出力する構成としているが、それぞれ無線にて信号を出力する構成としてもよい。具体的には、心電図測定用電極装置１又は／及び心電図信号処理装置２は、送信器及びアンテナを備えるように構成され、心電図信号は送信器によって変調処理を受けた後、アンテナから電波として出力先の装置へ送信される。

本発明の実施形態に基づく心電図測定装置１００の概略構成を示す図である。心電図測定用電極装置１の構成を示す図である。一実施形態に基づく基準電極部２０を説明するための図である。一実施形態に基づく誘導電極部３０を説明するための図である。ボルテージフォロア３３の回路構成を示す図である。心電図信号処理装置２の構成を示す図である。電気回路部５０の構成を示す図である。心電図測定装置１００から出力した第５の増幅心電図信号及び比較例を説明するための図である。

符号の説明

１心電図測定用電極装置
２心電図信号処理装置
１０可撓性バンド部
２０基準電極部
２１基準電極
２２導電性繊維部
３０誘導電極部
３１誘導電極
３２導電性繊維部
３３ボルテージフォロア
４０差動増幅器
５０電気回路部
５１ハイパスフィルタ
５２ローパスフィルタ
５３バンドリジェクションフィルタ

Claims

被測定者の首部を包囲することが可能なバンド部と、
前記バンド部に設けられ、前記バンド部が被測定者の首部を包囲した時に被測定者の隆椎付近に位置するように配された基準電極を含む基準電極部と、
前記バンド部に設けられた１対の誘導電極部であって、それぞれが、前記バンド部が被測定者の首部を包囲した時に被測定者の頚動脈付近に位置するように配された誘導電極、及び、入力端子が前記誘導電極に接続され、電源端子の一方が前記基準電極に接続されるボルテージフォロアを含む、誘導電極部と、
を備えることを特徴とする心電図測定用電極装置。
前記バンド部は可撓性バンドを含んで構成されており、該可撓性バンドの弾性変形に基づく挟圧力により被測定者の首部を着脱可能に把持することを特徴とする請求項１記載の心電図測定用電極装置。
請求項１又は２記載の心電図測定用電極装置と、
前記１対の誘導電極部のそれぞれの前記ボルテージフォロアの出力差を増幅する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力をフィルタ処理する電気回路部と、
を備えることを特徴とする心電図測定装置。
前記差動増幅器及び前記電気回路部が、前記バンド部に取り付けられていることを特徴とする請求項３記載の心電図測定装置。
基準電極を含む基準電極部と、
１対の誘導電極部であって、それぞれが、誘導電極、及び、入力端子が前記誘導電極に接続され、電源端子の一方が前記基準電極に接続されるボルテージフォロアを含む、誘導電極部と、
前記基準電極が被測定者の隆椎付近に位置するように前記基準電極部を保持し、前記誘導電極が被測定者の頚動脈付近に位置するように前記誘導電極部を保持する保持部とを備えることを特徴とする心電図測定用電極装置。
被測定者の左右頚動脈付近に配された１対の誘導電極のうち、左頚動脈付近に配された誘導電極の近傍に配された第１のボルテージフォロアにおいて、左頚動脈付近に配された前記誘導電極で検出された心電図信号を入力端子に入力し、被測定者の隆椎付近に配された基準電極で検出された心電図信号を電源端子の一方に入力して、第１の心電図信号を出力する工程と、
前記１対の誘導電極のうち、右頚動脈付近に配された誘導電極の近傍に配された第２のボルテージフォロアにおいて、右頚動脈付近に配された前記誘導電極で検出された心電図信号を入力端子に入力し、前記基準電極で検出された心電図信号を電源端子の一方に入力して、第２の心電図信号を出力する工程と、
差増増幅器において、前記第１及び第２のボルテージフォロアから出力される前記第１及び第２の心電図信号を入力とし、両信号の電位差を増幅して、双極誘導心電図信号を出力する工程と、
を備えることを特徴とする双極誘導心電図信号出力方法。