JP6077776B2 - Electrodermal activity measuring device - Google Patents
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- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Description
本発明は、皮膚電気活動測定装置に関し、より詳細には、実用的な電極を用いたときに発生する分極による影響を、印加電圧の周波数の制限なく、しかも、回路規模や部品点数を増大させることなく低減することのできる皮膚電気活動測定装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for measuring electrodermal activity, and more particularly, to increase the circuit scale and the number of components without limiting the frequency of an applied voltage due to the influence of polarization generated when a practical electrode is used. The present invention relates to an apparatus for measuring electrodermal activity that can be reduced without any problems.
従来から、精神活動状態を示すパラメータとして、皮膚電気活動(Electro Dermal Activity;EDA)がある。このEDAは、一般に、エクリン汗腺の活動による電気現象が表皮や汗腺管等の状態によって修飾されて出現すると言われており、発汗現象と深い関わりがある。
また、この皮膚電気活動(EDA)は、皮膚電位(skin potential activitiy;SPA)と皮膚コンダクタンス(skin conductance activity;SCA)とに大別され、皮膚電位活動(SPA)は、皮膚電位水準(skin potential level;SPL)と皮膚電位反射(skin potential reflex;SPR)に区別される。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a parameter indicating a mental activity state, there is an electrical dermatologic activity (EDA). In general, EDA is said to have an electrical phenomenon caused by the activity of the eccrine sweat gland modified by the state of the epidermis, sweat gland ducts, etc., and is deeply related to the sweating phenomenon.
In addition, the electrodermal activity (EDA) is roughly classified into skin potential activity (SPA) and skin conductance (SCA). Skin potential activity (SPA) is skin potential level (skin potential). A distinction is made between level (SPL) and skin potential reflex (SPR).
皮膚電位水準(SPL)は、皮膚電位活動(SPA)の直流成分で、このSPLは、一般に、覚醒水準が高いとき(興奮しているとき)は陰性に高い値を示し、眠気を催したり、リラックスした状態ではSPLが陽性方向に傾く。
皮膚電位反射(SPR)は、皮膚電位活動(SPA)の交流成分で、痛覚,触覚,聴覚,視覚など外部環境変化による刺激や深呼吸・身体の動き、暗算や考え事をしてもSPRが頻発する。SPRの振幅は、刺激の強さとほぼ直線的な関係があると言われている。
Skin potential level (SPL) is a direct current component of skin potential activity (SPA), and this SPL is generally negatively high when arousal level is high (excited) and causes drowsiness, In a relaxed state, SPL tilts in the positive direction.
Skin potential reflex (SPR) is an alternating component of skin potential activity (SPA). SPR occurs frequently even when stimulating, deep breathing, body movement, mental calculation, or thinking due to external environment changes such as pain, touch, hearing, and vision. . The amplitude of SPR is said to have a substantially linear relationship with the intensity of stimulation.
これらの活動は、発汗神経活動の機能を反映していると考えられており、この活動を観測することで精神性発汗を定性的に知ることができる。
また、皮膚電気活動(EDA)は、皮膚表面内又は皮膚表面上で生物化学的プロセス及び生理的プロセスから生ずる電気的性質を表すものである。そして、この皮膚電気活動(EDA)は、検流計を用いて計測することができ、つまり、皮膚表面上にある2つの部位間に一定電圧を印加し、これらの間を流れる電流を測定することによって動作し、電気コンダクタンスを計算する。この計測の時間に対するグラフは、2つの構成要素を有する。すなわち、低周波数の「強壮」(tonic)成分(皮膚電気レベル(「EDL」ともいう)及びそれよりも高い高周波数の「位相」(phasic)成分(皮膚電気応答(「EDR」ともいう)である。低周波数成分の振幅は、個人間で大きく異なり、皮膚が環境における変化に順応して恒常性状態を達成するにしたがって経時的にゆっくりと変動する。高周波数成分は、ストレスが多い状況に対する個人の心理−肉体的反応に相関付けられるのである。このように、皮膚電気活動(EDA)は、人間の心理状態を反映していると考えられており、ゲームや携帯情報端末への応用が研究されている。
These activities are thought to reflect the function of sweating nerve activity, and mental sweating can be qualitatively observed by observing this activity.
Electrodermal activity (EDA) also refers to the electrical properties resulting from biochemical and physiological processes within or on the skin surface. This electrodermal activity (EDA) can be measured using a galvanometer, that is, a constant voltage is applied between two parts on the skin surface, and the current flowing between them is measured. And calculate the electrical conductance. The graph with respect to the time of measurement has two components. That is, a low frequency “tonic” component (also referred to as “electrical skin level (“ EDL ”)” and a higher frequency “phase” component (also referred to as “electrical skin response” (also referred to as “EDR”)). The amplitude of the low frequency component varies widely between individuals and varies slowly over time as the skin adapts to changes in the environment and achieves a homeostatic state. In this way, electrodermal activity (EDA) is considered to reflect the human psychological state, and it can be applied to games and personal digital assistants. It has been studied.
例えば、特許文献1に記載のものは、ユーザの生理信号(生体信号)を短時間モニタリングしてユーザの情緒状態を認識する情緒認識装置及び方法に関するもので、生体信号取得装置は、ユーザの生体信号を非浸襲的に受け入れる少なくとも一つ以上のセンサと、このセンサから入力された少なくとも一つ以上の生体信号(physiological signals)を増幅してフィルタリングする増幅/フィルタリング部、この増幅/フィルタリング部を通じて増幅及びフィルタリングされた信号を各信号別に分類して出力するマルチプレクサ(MUX)と、このマルチプレクサの出力をデジタル信号に変換するA/Dコンバータと、このA/Dコンバータにより変換されたデジタル信号をRF信号に変換した後、このRF信号をアンテナを通じて情緒認識装置に無線伝送するRF送信部を備えている。
For example, a device described in
また、特許文献2に記載のものは、生物計測(バイオメトリック)センサ、つまり、ストレス管理及び娯楽用途に用いた好適なバイオフィードバック方法及びデバイスに関するものである。このセンサは、第1及び第2面を有する筐体を含み、これらの表面は、生物計測信号を検出するのに適した電極となっている。この筐体は、第1面と、皮膚電気信号を検出するように構成されている第2面と、処理エレメント又はフィルタ・エレメントのようなエレメントとを有する。エレメントは、第2面と電気的に通信しており、筐体内に配置されている。エレメントは皮膚電気信号をフィルタ処理するように構成されている。
The device described in
上述したような皮膚電気活動の測定においては、2つの測定電極を通じて被験者の皮膚に直流電圧を印加し皮膚コンダクタンス値又は皮膚インピーダンス値を測定する回路が、その簡便さから多く用いられてきている。
図1は、皮膚電気活動を測定するための電極の取り付け位置を示す図である。図1においては、被験者の指先の内側に2つの測定電極を取り付けている。
また、皮膚電気活動をはじめとする生体電気信号の測定電極には、湿式の銀・塩化銀電極が用いられることが多い。しかし、湿式電極は、取扱いの面で不便があるため、家庭用機器などでは乾式電極が好まれる。乾式電極の場合も銀・塩化銀電極が用いられる。
In the measurement of electrodermal activity as described above, a circuit that measures a skin conductance value or a skin impedance value by applying a DC voltage to a subject's skin through two measurement electrodes has been widely used because of its simplicity.
FIG. 1 is a diagram showing an electrode attachment position for measuring electrodermal activity. In FIG. 1, two measurement electrodes are attached inside the fingertip of the subject.
In addition, wet silver / silver chloride electrodes are often used as measurement electrodes for bioelectric signals such as electrodermal activity. However, since wet electrodes are inconvenient in terms of handling, dry electrodes are preferred for home appliances and the like. In the case of a dry electrode, a silver / silver chloride electrode is also used.
一方、測定電極と皮膚の間には分極電圧が発生することが知られている。発生する分極電圧の大きさは使用する電極に依存する。乾式電極の場合は、分極電圧による影響が測定上問題になりやすい。発生する分極電圧は、銀・塩化銀電極では比較的小さいが、ステンレスなどの実用的な電極では大きな分極電圧が発生し、その影響が問題になる。銀・塩化銀電極は、耐久性や加工性の面で民生品への適用は容易ではない。銀・塩化銀電極よりも安価で、入手や加工がしやすいなどの実用的な電極(例えば、ステンレス電極)を代わりに用いると、分極による影響が発生する。ここでいう分極電圧による影響は、例えば、分極電圧の揺らぎによる測定結果の不安定化やノイズ、分極電圧による電圧降下が起因の信号感度低下などである。この分極による影響は、直流電圧の代わりに交流電圧を印加して測定をおこなうことで、低減できることが知られている。 On the other hand, it is known that a polarization voltage is generated between the measurement electrode and the skin. The magnitude of the generated polarization voltage depends on the electrode used. In the case of a dry electrode, the influence of the polarization voltage tends to be a problem in measurement. The generated polarization voltage is relatively small for silver / silver chloride electrodes, but a large polarization voltage is generated for practical electrodes such as stainless steel, and its influence becomes a problem. Silver / silver chloride electrodes are not easily applied to consumer products in terms of durability and processability. If a practical electrode (for example, a stainless steel electrode) that is less expensive than a silver / silver chloride electrode and is easy to obtain and process is used instead, the influence of polarization occurs. The influence by the polarization voltage here is, for example, instability of the measurement result due to fluctuations in the polarization voltage, noise, and signal sensitivity reduction due to voltage drop due to the polarization voltage. It is known that the influence of this polarization can be reduced by applying an AC voltage instead of a DC voltage and performing measurement.
例えば、特許文献3に記載のものは、個人の自律神経系を監視する方法及び装置に関し、特に、皮膚コンダクタンスの自発的な変化を利用した痛みを検出する方法及び装置に関するものである。個人の身体部位における皮膚の領域上には、皮膚コンダクタンスの測定のためにセンサが配置されている。身体部位は好ましくは手や足であり、身体部位上の皮膚の領域は好ましくは手の掌側(手の平)か、或いは足底側(足の裏側の下)である。センサは、少なくとも2つの電極が皮膚領域に設置される接触電極を備えている。また、皮膚のコンダクタンスを測定するために交流電流が用いられ、この交流電流は、皮膚のコンダクタンスがほぼ線形な領域に対応する1000Hzまでの範囲の周波数を有すると有利である。また、測定信号が、例えば、主電源の周波数からの干渉を考え得る最小の範囲でしか影響を受けないことを保証するような周波数が選択され、その周波数は88Hzである。つまり、この特許文献3には、印加する交流電圧の周波数としては、電源ラインからのノイズを避けるために88Hzが好ましいことが言及されている。 For example, the device described in Patent Document 3 relates to a method and device for monitoring an individual's autonomic nervous system, and more particularly, to a method and device for detecting pain using a spontaneous change in skin conductance. Sensors are placed on the skin area of the individual's body part for measuring skin conductance. The body part is preferably the hand or foot, and the area of the skin on the body part is preferably on the palm side of the hand (palm) or on the sole side (under the sole of the foot). The sensor comprises a contact electrode in which at least two electrodes are placed in the skin area. An alternating current is also used to measure the skin conductance, which advantageously has a frequency in the range of up to 1000 Hz, corresponding to a region where the skin conductance is approximately linear. Also, a frequency is selected that guarantees that the measurement signal is only affected in a minimum range where interference from the frequency of the main power supply can be considered, for example, and the frequency is 88 Hz. That is, Patent Document 3 mentions that the frequency of the alternating voltage to be applied is preferably 88 Hz in order to avoid noise from the power supply line.
図2は、従来の直流印加電圧による皮膚電気活動測定装置を説明するための構成図で、皮膚に直流電圧を印加して皮膚コンダクタンスを測定する従来技術を模式的に表したものである。人体(手の平)1には直流電圧源2の出力VexとI/V変換器3の入力電圧VINの差の電圧が、人体1に励起電圧として加わる。このとき、人体1の皮膚コンダクタンス値をSbとすると、人体1にはi=(Vex−VIN)Sbの電流が流れる。この電流iを測定すれば、Vex,VINは既知の値なので、人体1の皮膚コンダクタンス値Sbを求めることができる。通常、iを直接測定することは難しいので、I/V変換器3で電圧に変換して測定する。このI/V変換器3は、通常増幅器(演算増幅器)にて実現される。なお、図中Rbは皮膚抵抗値を示している。
FIG. 2 is a block diagram for explaining a conventional apparatus for measuring skin electrical activity using a DC applied voltage, and schematically shows a conventional technique for measuring skin conductance by applying a DC voltage to the skin. The body (palm) 1 voltage difference between the input voltage V IN of the output V ex and I / V converter 3 of the
図2に示した測定装置の場合、皮膚に流れる電流の向きは常に一定である。皮膚に流れる電流の向きが一定だと、分極が発生するため測定データに影響を生ずる。
図3は、図2による皮膚コンダクタンスの測定結果を示す図で、電極に銀・塩化銀電極と、ステンレス電極を使用して同時に測定したときの波形を示している。銀・塩化銀電極におけるコンダクタンス変化に比べて、ステンレス電極ではコンダクタンス変化がとても小さくなっていることがわかる。
In the case of the measuring apparatus shown in FIG. 2, the direction of the current flowing through the skin is always constant. If the direction of the current flowing through the skin is constant, polarization will occur and measurement data will be affected.
FIG. 3 is a diagram showing the results of skin conductance measurement according to FIG. 2, and shows waveforms when a silver / silver chloride electrode and a stainless steel electrode are used for the electrodes at the same time. It can be seen that the conductance change in the stainless steel electrode is much smaller than the conductance change in the silver / silver chloride electrode.
皮膚に直流電流を印加して測定する場合に起こるこの種の分極の問題は、上述した特許文献3で示されているように、直流電流を印加するかわりに、交流電流を印加して測定するとその影響をかなり低減できることが知られている。
図4は、従来の交流印加電圧による皮膚電気活動測定装置を説明するための構成図である。人体(手の平)11には交流電圧源12の出力VexとI/V変換器13の入力電圧VINの差の電圧が、人体11に励起電圧として加わる。このとき、人体11の皮膚コンダクタンス値をSbとすると、人体11にはi=(Vex−VIN)Sbの電流が流れる。この電流iを測定すれば、Vex,VINは既知の値なので、人体11の皮膚コンダクタンス値Sbを求めることができる。なお、符号14は復調器を示している。
このようにすることで、分極の影響をかなり低減できることができる。これは、皮膚に印加される電流の向きが時間的に変化するため、分極が起こりにくくなるためでと考えられる。
The problem of this kind of polarization that occurs when measuring by applying a direct current to the skin is that when applying an alternating current instead of applying a direct current, as described in Patent Document 3 mentioned above, It is known that the effect can be considerably reduced.
FIG. 4 is a configuration diagram for explaining a conventional electrodermal activity measuring apparatus using an alternating applied voltage. The differential voltage between the input voltage V IN of the output V ex and I /
By doing in this way, the influence of polarization can be reduced considerably. This is presumably because polarization hardly occurs because the direction of the current applied to the skin changes with time.
しかし、交流法では電源ラインからのノイズを避けるために、選択できる周波数に制限が生じてしまい、例えば、商用電源周波数に近い周波数を印加電圧周波数として選択することはできないという問題があった。以下その理由について説明する。
図8(a)は、交流法で商用電源周波数と皮膚印加電圧周波数を十分離した場合、図8(b)は、交流法で商用電源周波数と皮膚印加電圧周波数が近い場合を示した図である。
However, in the AC method, in order to avoid noise from the power supply line, the frequency that can be selected is limited. For example, a frequency close to the commercial power supply frequency cannot be selected as the applied voltage frequency. The reason will be described below.
FIG. 8A shows a case where the commercial power source frequency and the skin applied voltage frequency are sufficiently separated by the AC method, and FIG. 8B shows a case where the commercial power source frequency and the skin applied voltage frequency are close by the AC method. is there.
皮膚電気活動は、通常0.5Hzから数Hzの周波数を持つため、交流法を用いて皮膚電気活動を測定した場合、皮膚電気活動信号は皮膚印加電圧周波数で変調される。皮膚電気活動信号を取り出すには、復調回路でベースバンド領域に復調する必要があるが、図8(b)に示すように、皮膚印加電圧周波数が、商用電源周波数に近いと商用電源に起因した外乱ノイズ(以下、商用電源ノイズ)を復調前のバンドパスフィルタ、バンドエリミネートフィルタや復調後のローパスフィルタにて減衰させるなどの除去が難しく、外乱ノイズを併せて復調することになってしまう。結果として皮膚電気活動の測定信号に大きなノイズが重畳されてしまう。したがって、図8(a)に示すように、皮膚印加電圧周波数を商用電源周波数から十分に離れたところに選ぶ必要があった。 Since the electrodermal activity usually has a frequency of 0.5 Hz to several Hz, when the electrodermal activity is measured using the alternating current method, the electrodermal activity signal is modulated with the skin applied voltage frequency. To extract the electrodermal activity signal, it is necessary to demodulate to the baseband region by the demodulation circuit. However, as shown in FIG. 8B, when the skin applied voltage frequency is close to the commercial power supply frequency, it is caused by the commercial power supply. It is difficult to remove disturbance noise (hereinafter referred to as commercial power supply noise) by a band-pass filter, a band-eliminate filter before demodulation, or a low-pass filter after demodulation, and the disturbance noise is demodulated together. As a result, large noise is superimposed on the measurement signal of the electrodermal activity. Therefore, as shown in FIG. 8A, it is necessary to select the skin applied voltage frequency sufficiently away from the commercial power supply frequency.
しかしながら、皮膚印加電圧周波数として商用電源周波数よりも十分に低い周波数を選択した場合、皮膚電気活動を観測するに十分な測定信号帯域を確保しようとするとローパスフィルタにより商用電源ノイズを十分に減衰させることが難しくなる。
一方、商用電源周波数よりも十分に高い周波数を選択しようとした場合、周波数が高いほど皮膚のアドミタンス成分が支配的になってくるため、皮膚コンダクタンス変化を効率よく検出することが難しくなる。このような事情があるため、上述した特許文献3では、商用電源周波数よりも高い周波数で、皮膚コンダクタンスを効率よく取れ、かつ、商用電源ノイズの影響が少ない、88Hzを選択していると考えられる。
However, if a frequency sufficiently lower than the commercial power supply frequency is selected as the skin applied voltage frequency, the commercial power supply noise will be sufficiently attenuated by the low-pass filter in order to secure a sufficient measurement signal band for observing the electrical skin activity. Becomes difficult.
On the other hand, when an attempt is made to select a frequency sufficiently higher than the commercial power supply frequency, the higher the frequency, the more dominant the skin admittance component, making it difficult to efficiently detect skin conductance changes. Because of such circumstances, in Patent Document 3 described above, it is considered that 88 Hz is selected at a frequency higher than the commercial power supply frequency, where skin conductance can be efficiently obtained and the influence of commercial power supply noise is small. .
しかしながら、一般に商用電源周波数は50Hz又は60Hzに近く、88Hzという皮膚印加電圧周波数では商用電源ノイズの影響を排除することは難しい。
このように、交流法においては皮膚印加電圧周波数として選択できる周波数に制限が生じてしまうため、商用電源ノイズの影響を排除することが難しい、という問題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、実用的な電極を用いたときに発生する分極の影響や、商用電源ノイズの影響を、印加電圧の周波数の制限なく低減することのできる皮膚電気活動測定装置を提供することにある。
However, the commercial power supply frequency is generally close to 50 Hz or 60 Hz, and it is difficult to eliminate the influence of commercial power supply noise at a skin applied voltage frequency of 88 Hz.
As described above, in the AC method, there is a problem that it is difficult to eliminate the influence of commercial power supply noise because the frequency that can be selected as the skin applied voltage frequency is limited.
The present invention has been made in view of such a problem. The object of the present invention is to determine the influence of polarization generated when a practical electrode is used and the influence of commercial power supply noise on the frequency of the applied voltage. An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring electrodermal activity that can be reduced without any limitation.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、測定電極と測定対象物との間に発生する分極電圧の影響を低減するように構成された皮膚電気活動測定装置において、前記測定対象物に前記測定電極を介して直流信号を供給する直流電源と、該直流電源からの直流信号により前記測定対象物の皮膚電気活動を検知するための前記測定電極を構成する第1の電極及び第2の電極と、前記直流電源と前記第1の電極及び前記第2の電極に接続された複数のスイッチからなる極性切替部と、前記第1の電極と前記第2の電極とにより測定された前記皮膚電気活動に基づく信号を増幅する増幅器とを備え、前記極性切替部は、前記複数のスイッチとして、前記測定対象物の入力側に直列に設けられた第1及び第2のスイッチと、前記測定対象物の出力側に直列に設けられた第3及び第4のスイッチとを備え、前記第1の電極が前記第1及び第2のスイッチの中点に接続され、前記第2の電極が前記第3及び第4のスイッチの中点に接続され、
前記第1のスイッチ及び前記第4のスイッチがオンの時に、前記直流電源と前記第1のスイッチと前記第1の電極と前記測定対象物と前記第2の電極と前記第4のスイッチとを介して前記増幅器に信号が流れる第1の信号経路と、前記第3のスイッチ及び前記第2のスイッチがオンの時に、前記直流電源と前記第3のスイッチと前記第2の電極と前記測定対象物と前記第1の電極と前記第2のスイッチとを介して前記増幅器に信号が流れる第2の信号経路とを構成して、前記第1の信号経路と前記第2の信号経路とを所定の周期で切り替える切り替え動作を行うことを特徴とする。
The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to
When the first switch and the fourth switch are on, the DC power source, the first switch, the first electrode, the measurement object, the second electrode, and the fourth switch a first signal path signal to the amplifier flows through the third switch and the when the second switch is oN, the measurement object the DC power supply and said third switch and said second electrode A second signal path through which a signal flows to the amplifier via an object, the first electrode, and the second switch, and the first signal path and the second signal path are defined It is characterized in that a switching operation for switching at a period of is performed.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記極性切替部による切り替え動作から所定時間以内は、前記皮膚電気活動に基づく信号を測定しないことを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記所定時間は、0.01秒であることを特徴とする。
The invention according to
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the predetermined time is 0.01 seconds.
また、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、前記切り替え動作の周期は、1Hzから100Hzの範囲内であることを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、前記切り替え動作の周期は、1Hzから80Hzの範囲内であることを特徴とする。
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、外乱ノイズを除去するために前記増幅器にフィルタ部を設けたことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the period of the switching operation is in the range of 1 Hz to 100 Hz.
The invention according to
The invention of claim 6 is the invention according to any one of
また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の発明において、前記増幅器が差動増幅器で、前記第1の信号経路と前記第2の信号経路の各々は、前記差動増幅器の異極性の入力部を経路に含むことを特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記載の発明において、前記増幅器によって増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換部と、該A/D変換部からのデジタル量を記憶する記憶部とを備えていることを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the invention according to any one of
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of
また、請求項9に記載の発明は、請求項1乃至8のいずれかに記載の発明において、前記極性切替部の前記第1の電極及び前記第2の電極の極性を切り替え制御する制御部を備えていることを特徴とする。
また、請求項10に記載の発明は、請求項1乃至9のいずれかに記載の発明において、電極材質が、銀・塩化銀,ステンレススチール,鉄,ニッケル,銅,アルミニウムのいずれかであることを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the invention according to any one of
The invention described in
本発明によれば、実用的な電極を用いたときに発生する分極の影響や、商用電源ノイズの影響を、印加電圧の周波数の制限なく低減することのできる皮膚電気活動測定装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, there is provided an electrodermal activity measuring apparatus capable of reducing the influence of polarization generated when a practical electrode is used and the influence of commercial power supply noise without limiting the frequency of the applied voltage. Is possible.
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図5は、本発明に係る皮膚電気活動測定装置の実施例1を説明するための構成図である。図中符号21は測定対象物(人体の皮膚など)、22は直流電流源又は直流電圧源、23は増幅器、24は測定電極、24aは第1の電極、24bは第2の電極、25は極性切替部(印加電圧極性切替部)、26は制御部、27はフィルタ部、28は出力部、29はA/D変換部、30は記憶部(内部記憶部)を示している。
FIG. 5 is a block diagram for explaining Example 1 of the electrodermal activity measuring apparatus according to the present invention. In the figure,
本発明の皮膚電気活動測定装置は、測定電極24と測定対象物21との間に発生する分極電圧の影響を低減するように構成された皮膚電気活動測定装置である。直流電源22は、直流電流源又は直流電圧源を意味し、測定対象物21に測定電極24を介して直流信号を供給するものである。
測定電極24は、第1の電極24aと第2の電極24bとを備え、直流電源22からの直流信号により測定対象物21の皮膚電気活動を検知するためのものである。増幅器23は、第1の電極24aと第2の電極24bにより測定された皮膚電気活動に基づく信号を増幅するためのものである。
The electrodermal activity measuring device of the present invention is an electrodermal activity measuring device configured to reduce the influence of the polarization voltage generated between the
The
また、極性切替部25は、直流電源22と第1の電極24a及び第2の電極24bに接続された複数のスイッチから構成されており、この極性切替部25の複数のスイッチを切り替えることにより、直流電源22と第1の電極24aと第2の電極24bと増幅器23の順に信号が流れる第1の信号経路と、直流電源22と第2の電極24bと第1の電極24aと増幅器23の順に信号が流れる第2の信号経路とを構成して、第1の信号経路と第2の信号経路とを所定の周期で切り替える切り替え動作を行うものである。
The
また、極性切替部25による切り替え動作から所定時間以内は、皮膚電気活動に基づく信号をサンプリングしないように構成されている。この所定時間は、0.01秒であることが望ましい。つまり、極性切替部25により直流電源22からの直流電流又は直流電圧の印加される第1の電極24aと第2の電極25bとが切り替えられたのち、所定期間である0.01秒間は、増幅されたアナログ信号をA/D変換部29でデジタル信号に変換しないし、変換されたデジタル量を記憶部30に記憶しないことになる。
Further, the signal based on the electrodermal activity is not sampled within a predetermined time from the switching operation by the
また、切り替え動作の周期は、1Hzから100Hzの範囲内であること、又は、1Hzから80Hzの範囲内であることが望ましい。
フィルタ部27は、外乱ノイズを除去するために増幅器23に接続されている。また、増幅器23によって増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換部29と、このA/D変換部29からのデジタル量を記憶する記憶部30とを備えている。また、制御部26は、極性切替部25の第1の電極24aと第2の電極24bの極性を切り替え制御するものである。
また、電極材質は、銀・塩化銀,ステンレススチール(SUS),鉄,ニッケル,銅,アルミニウムなどの乾式電極を利用することができる。これらを混在して使用してもよい。
Further, it is desirable that the cycle of the switching operation is in the range of 1 Hz to 100 Hz, or in the range of 1 Hz to 80 Hz.
The
As the electrode material, dry electrodes such as silver / silver chloride, stainless steel (SUS), iron, nickel, copper, and aluminum can be used. A mixture of these may be used.
図6(a),(b)は、図5における極性切替部の具体的な回路構成を示す図で、図6(a)は第1の信号経路を構成する皮膚電気活動の測定フェイズ1を示す図で、図6(b)は第2の信号経路を構成する皮膚電気活動の測定フェイズ2を示す図である。図中符号31は測定対象物(人体の皮膚など)、32は直流電圧源、33はI/V変換器(図4における増幅器23に相当)、34は極性切替部(印加電圧極性切替部;図4における極性切替部25に相当)、A点は第1の電極位置、B点は第2の電極位置を示している。
6 (a) and 6 (b) are diagrams showing a specific circuit configuration of the polarity switching unit in FIG. 5, and FIG. 6 (a) shows a
図5に示した本発明の皮膚電気活動測定装置は、直流電圧源32とI/V変換器33の間に印加電圧極性切替部34を設け、人体に接触した2つの測定電極のうちの直流電圧を印加する電極と、増幅器に接続される電極を交互に切り替えるように構成されている。
この印加電圧極性切替部34は、交流信号発生回路や復調回路に比べて簡単で、かつ部品点数も少ないことから、集積回路化に際してコスト増とならない、分極による影響の低減手段を提供することができる。また、印加電圧極性切替部34は、皮膚31に接触する測定電極間にかかる電圧を所定の切替時間Tcで切り替えることができるものである。
The electrodermal activity measuring apparatus of the present invention shown in FIG. 5 is provided with an applied voltage
Since the applied voltage
極性切替部34を構成する第1乃至第4のスイッチSW1乃至SW4が、皮膚31の入力側に直列に設けられた第1及び第2のスイッチSW1,SW2と、皮膚31の出力側に直列に設けられた第3及び第4のスイッチSW3,SW4を備え、第1の電極24aが第1及び第2のスイッチSW1,SW2の中点Aに接続され、第2の電極24bが第3及び第4のスイッチSW3,SW4の中点Bに接続されている。
The first to fourth switches SW1 to SW4 constituting the
図6(a)に示すように、第1のスイッチSW1と第4のスイッチSW4がオンの時に、第1のスイッチSW1と第1の電極24aと皮膚31と第2の電極24bと第4のスイッチSW4を介して第1の信号経路が構成され、図6(b)に示すように、第3のスイッチSW3と第2のスイッチSW2がオンの時に、第3のスイッチSW3と第2の電極24bと皮膚31と第1の電極24aと第2のスイッチSW2を介して第2の信号経路が構成されている。
As shown in FIG. 6A, when the first switch SW1 and the fourth switch SW4 are on, the first switch SW1, the
つまり、図6(a),(b)は、直流電圧源32とI/V変換器33との間に、4つのスイッチSW1乃至SW4を設けている。SW1とSW4は、同位相でオン・オフを繰り返す。一方、SW2とSW3は、その逆の位相でオン・オフを繰り返す。いま仮に、図6(a)に示すように、SW1とSW4がオンの期間をΦ1とする。図6(b)に示すように、SW2とSW3がオンの期間をΦ2とする。切替時間Tcは、Φ1とΦ2で異なっても構わない。
That is, in FIGS. 6A and 6B, four switches SW1 to SW4 are provided between the
図7は、スイッチのタイミングチャートを示す図である。
皮膚にかかる電圧の極性について考えてみると、Φ1のとき、スイッチは、SW1とSW4がオンになっている。このとき、皮膚には電流がA点(第1の電極24a)からB点(第2の電極24b)に向かって流れる。Φ2のとき、スイッチは、SW2とSW3がオンである。このとき、皮膚には電流がB点(第2の電極24b)からA点(第1の電極24a)へ流れる。このように、電流が流れる向きが交互に変わることで、分極の影響は大幅に低減される。
FIG. 7 is a diagram illustrating a timing chart of the switch.
Considering the polarity of the voltage applied to the skin, at the time of Φ1, the switches SW1 and SW4 are turned on. At this time, a current flows through the skin from point A (
I/V変換器33に流れ込む電流の向きは、Φ1,Φ2において同じ向きで、従来の直流測定のときと変わらない。したがって、従来のI/V変換器をそのまま用いることもできる。
これらのスイッチは、トランジスタや半導体による電子スイッチが好ましいが、メカニカルリレーなどの機械式スイッチを用いることもできる。回路全体を集積回路化する場合は、スイッチを含め増幅器を集積回路に組み込むことができる。
The direction of the current flowing into the I /
These switches are preferably electronic switches made of transistors or semiconductors, but mechanical switches such as mechanical relays can also be used. When the entire circuit is integrated, an amplifier including a switch can be incorporated in the integrated circuit.
なお、上述した本発明の実施例の説明では、電圧源から電圧が印加される例について述べているが、電圧源ではなく電流源を用いることや、出力電圧により電流源、電圧源と動作が切り替わるような電源系を用いることももちろん可能であることは言うまでもない。
また、上述した本発明の実施例の説明では、皮膚コンダクタンスを測定する例について説明したが、皮膚コンダクタンスの代わりに皮膚インピーダンスを用いてもよい。
In the above description of the embodiments of the present invention, an example in which a voltage is applied from a voltage source has been described. It goes without saying that it is possible to use a power supply system that switches.
In the above description of the embodiments of the present invention, an example of measuring skin conductance has been described. However, skin impedance may be used instead of skin conductance.
図8(a)乃至(c)は、従来の交流電圧の印加法と本発明における印加電圧極性切替法による比較を説明するための図で、図8(a)は、交流法(商用電源周波数と皮膚印加電圧周波数を十分離した場合)、図8(b)は、交流法(商用電源周波数と皮膚印加電圧周波数が近い場合)、図8(c)は、本発明(スイッチ切替周波数に依らず一定の関係)を示す図である。 FIGS. 8A to 8C are diagrams for explaining a comparison between a conventional AC voltage application method and an applied voltage polarity switching method according to the present invention, and FIG. 8A shows an AC method (commercial power supply frequency). 8 (b) is the AC method (when the commercial power supply frequency is close to the skin applied voltage frequency), and FIG. 8 (c) is the present invention (depending on the switch switching frequency). It is a figure showing a certain relationship).
図8(a)乃至(c)に基づいて、本発明の効果である、交流法に比べて印加電圧の切り替え周波数の制限が少ないことについて以下に説明する。
課題のところでも述べたように、交流法においては、測定信号が皮膚印加電圧周波数で変調されるため、復調回路でベースバンド領域に復調する必要がある。したがって、図8(b)に示すように、皮膚印加電圧周波数が、商用電源周波数に近いと商用電源ノイズを復調前のバンドパスフィルタ、バンドエリミネートフィルタや復調後のローパスフィルタにて減衰させるなどの除去が難しくなり、外乱ノイズを併せて復調することになり、結果として皮膚電気活動の測定信号に大きなノイズが重畳されてしまう。したがって、図8(a)に示すように、皮膚印加電圧周波数を商用電源周波数から十分に離れたところに選ぶ必要があった。しかしながら、皮膚印加電圧周波数として商用電源周波数よりも十分に低い周波数を選択した場合、皮膚電気活動を観測するに十分な測定信号帯域を確保しようとするとローパスフィルタにより商用電源ノイズを十分に減衰させることが難しくなる。
Based on FIGS. 8A to 8C, it will be described below that the switching frequency of the applied voltage is less than the AC method, which is an effect of the present invention.
As described in the section of the problem, in the AC method, since the measurement signal is modulated by the skin applied voltage frequency, it is necessary to demodulate to the baseband region by the demodulation circuit. Therefore, as shown in FIG. 8B, when the skin applied voltage frequency is close to the commercial power supply frequency, the commercial power supply noise is attenuated by a bandpass filter before band demodulation, a band eliminate filter, or a lowpass filter after demodulation. It becomes difficult to remove, and the disturbance noise is demodulated together. As a result, a large noise is superimposed on the measurement signal of the electrodermal activity. Therefore, as shown in FIG. 8A, it is necessary to select the skin applied voltage frequency sufficiently away from the commercial power supply frequency. However, if a frequency sufficiently lower than the commercial power supply frequency is selected as the skin applied voltage frequency, the commercial power supply noise will be sufficiently attenuated by the low-pass filter in order to secure a sufficient measurement signal band for observing the electrical skin activity. Becomes difficult.
一方、商用電源周波数よりも十分に高い周波数を選択しようとした場合、周波数が高いほど皮膚のアドミタンス成分が支配的になってくるため、皮膚コンダクタンス変化を効率よく検出することが難しくなる。このような事情があるため、交流法においては商用電源周波数よりも高い周波数で、皮膚コンダクタンスを効率よく取れ、かつ、商用電源ノイズの影響が少ない、皮膚印加電圧周波数を選択する必要があり、具体的には、上述した特許文献3のように88Hz付近の皮膚印加電圧周波数を選択する必要がある。 On the other hand, when an attempt is made to select a frequency sufficiently higher than the commercial power supply frequency, the higher the frequency, the more dominant the skin admittance component, making it difficult to efficiently detect skin conductance changes. Because of these circumstances, in the AC method, it is necessary to select a skin applied voltage frequency at a frequency higher than the commercial power supply frequency, which can efficiently obtain skin conductance and is less affected by commercial power supply noise. Specifically, it is necessary to select a skin applied voltage frequency in the vicinity of 88 Hz as in Patent Document 3 described above.
しかしながら、実際上88Hzは、商用電源周波数である50Hz又は60Hzに近く、商用電源ノイズの影響を排除することは難しい。交流法においては、印加電圧周波数の制限とともに、高次のローパス、ハイパス又はバンドパスフィルタを用いる必要があり、ここでも回路規模の増大という問題があることがわかる。
本発明によれば、図8(c)に示すように、測定信号は印加電圧切替周波数によって変調されることがない。信号と商用電源ノイズは印加電圧切替周波数に依らず測定信号の帯域からは常に十分に離れており、ローパスフィルタにより商用電源ノイズを制限することが簡単であるため、印加電圧切替周波数の選択幅が広がるうえに、フィルタに対する要求も厳しくないのでフィルタなどの設計の自由度が高く、また、回路規模や部品点数も抑えられる。
However, in practice, 88 Hz is close to the commercial power supply frequency of 50 Hz or 60 Hz, and it is difficult to eliminate the influence of commercial power supply noise. In the AC method, it is necessary to use a high-order low-pass, high-pass or band-pass filter along with the limitation of the applied voltage frequency, and it can be seen that there is also a problem of an increase in circuit scale.
According to the present invention, as shown in FIG. 8C, the measurement signal is not modulated by the applied voltage switching frequency. The signal and the commercial power supply noise are always sufficiently separated from the measurement signal band regardless of the applied voltage switching frequency, and it is easy to limit the commercial power supply noise with a low-pass filter. In addition to widening the requirements for the filter, the degree of freedom in designing the filter is high, and the circuit scale and the number of parts can be reduced.
図9は、本発明による印加電圧極性切替法を適用した回路で取得した皮膚電気活動にともなう皮膚コンダクタンス波形図である。測定電極には、図3と同様に、銀・塩化銀電極とステンレス電極を用いている。図9と図3とを比較すると、従来は、ステンレス電極を用いたときに分極の影響で銀・塩化銀電極と同様の波形を得ることができなかったが、本発明の適用により、回路規模を増大させることなく、ステンレス電極でも銀・塩化銀電極を用いたときと同等の波形が得られるようになった。なお、この効果は、ステンレス電極だけでなく、銅やニッケル、鉄などの他の電極(特に分極の影響を受けやすい乾式電極)においても有効であり、もちろん銀・塩化銀電極を用いた場合に適用することも有効であり、これらを混在して使用してもよい。 FIG. 9 is a skin conductance waveform diagram with skin electrical activity acquired by a circuit to which the applied voltage polarity switching method according to the present invention is applied. As in the measurement electrode, a silver / silver chloride electrode and a stainless steel electrode are used as in FIG. Comparing FIG. 9 and FIG. 3, conventionally, when a stainless steel electrode was used, a waveform similar to that of the silver / silver chloride electrode could not be obtained due to the influence of polarization. With the stainless steel electrode, the same waveform as when using the silver / silver chloride electrode can be obtained. This effect is effective not only for stainless steel electrodes but also for other electrodes such as copper, nickel, and iron (especially dry electrodes that are easily affected by polarization). Of course, when silver / silver chloride electrodes are used. It is also effective to apply them, and these may be used in combination.
印加電圧極性切替部34により印加電圧を切り替える場合に、電圧の切替に伴って発生するノイズが問題になることがある。これは、人体には、図6(a)に示したような抵抗成分だけでなく、実際には、図10のようになっており、容量成分Cが抵抗Rに並列に存在しているためである。
図10は、皮膚の等価回路モデルを示す図である。
When the applied voltage is switched by the applied voltage
FIG. 10 is a diagram showing an equivalent circuit model of the skin.
図10に示す等価回路モデルにおいて、R1は皮膚の真皮、R2は表皮、Zは主に汗腺活動に伴って変化する可変インピーダンス(図6(a),(b)におけるRb)を表している。
図11は、印加電圧切替によってノイズを重畳する理由を説明するための図である。この図11を用いて、電圧の切替に伴うノイズの生じる原因について説明する。いま仮に、P点にVin、Q点にVexの電圧がかかっているとする(Vex>Vin)。このとき、Q点からP点には、i=(Vex−Vin)/(R1+(R2//R))の電流が流れている。また、容量CにはQ=C(Vex−Vin)の電荷が蓄えられている。ここで、電圧を切り替えて皮膚に印加される電圧が逆転したときを考える。すると、P点からQ点に、先と同じ電流iが流れると同時に、容量Cに充電されていた電荷Qの放電による電流iqが重畳する。このiqがノイズである。
In the equivalent circuit model shown in FIG. 10, R 1 is the dermis of the skin, R 2 is the epidermis, and Z is a variable impedance (Rb in FIGS. 6A and 6B) that changes mainly with sweat gland activity. Yes.
FIG. 11 is a diagram for explaining the reason for superimposing noise by switching applied voltages. With reference to FIG. 11, the cause of noise caused by voltage switching will be described. Assume that a voltage V in is applied to the point P and a voltage V ex is applied to the point Q (V ex > V in ). At this time, a current of i = (V ex −V in ) / (R 1 + (R 2 / R)) flows from the Q point to the P point. Further, the charge of Q = C (V ex −V in ) is stored in the capacitor C. Here, consider the case where the voltage applied to the skin is reversed by switching the voltage. Then, the point Q from the point P, at the same time flows the same current i as in the previous, current i q due to the discharge of charge Q charged in the capacitor C overlaps. This iq is noise.
図12は、印加電圧切替に伴うノイズの模式図で、電圧の切り替え時に生じるノイズの波形を模式的に描いたものである。このノイズの緩和時間τ1は、先に挙げた皮膚の等価回路で表される電気的特性からτ1=1/(R2C)のように決まり、切替時間Tcには依らない。
このようなノイズが生じている波形で、ノイズの生じている部分を測定すると、本来の電流値よりも大きな電流値が測定されてしまうため、正しい皮膚コンダクタンスを測定できないという問題がある。
FIG. 12 is a schematic diagram of noise that accompanies switching of the applied voltage, and schematically illustrates the waveform of noise that occurs when the voltage is switched. The noise relaxation time τ 1 is determined as τ 1 = 1 / (R 2 C) from the electrical characteristics represented by the above-described equivalent circuit of the skin, and does not depend on the switching time T c .
When a noise-generating portion is measured with such a noise-generating waveform, a current value larger than the original current value is measured, and thus there is a problem that correct skin conductance cannot be measured.
この印加電圧の切替で生じるノイズの影響を避けるには、例えば、このノイズの影響が大きく見られる期間τ1ではなく、このノイズの影響が十分におさまった期間τ2に測定を行えばよい。
τ1の時間でも、いつも同じタイミングのところを測定するようにすれば、スイッチの切替によるノイズの量はいつも一定になるので問題はないと考えるかもしれないが、図10に示す等価回路におけるインピーダンスZ以外の抵抗成分は、そのときの人の状態や、人の置かれている環境によってゆっくりと変化する。したがって、緩和時間τ1も人の状態や周囲の環境によって変わる。したがって、たとえスイッチ切替後のいつも同じタイミングで測定していたとしても、スイッチ切替によるノイズの量は一定にはならない。
In order to avoid the influence of noise caused by the switching of the applied voltage, for example, the measurement may be performed in the period τ 2 in which the influence of the noise is sufficiently suppressed, not in the period τ 1 in which the influence of the noise is greatly seen.
Even if the time of τ 1 is always measured at the same timing, it may be considered that there is no problem because the amount of noise due to switching is always constant, but the impedance in the equivalent circuit shown in FIG. Resistance components other than Z slowly change depending on the state of the person at that time and the environment in which the person is placed. Therefore, the relaxation time τ1 also varies depending on the state of the person and the surrounding environment. Therefore, even if the measurement is always performed at the same timing after switching, the amount of noise due to switching is not constant.
スイッチ切替時間Tcには、その時間範囲に制限が存在する。Tcが長いとき、τ1はTcに依らないので、τ2が長くなる。しかし、Tcが長くなると、もともとの課題である分極の影響が発生し問題になってくる。したがって、スイッチはある時間以内に切り替える必要がある。
図13は、ステンレス電極を使用した場合と、Ag/AgCl電極を使用した場合における時間に対する皮膚コンダクタンスの関係を示す図である。図13に示すように、皮膚にステンレス電極を取り付けて、通電し始めてから分極電圧が安定するまでに10秒程度かかることがわかる。したがって、Tcが10秒以上の場合は、スイッチ切り替えによって分極の影響を排除できないことがわかる。Tcが10秒以内であれば、本発明により分極の影響を少なくする効果があるといえる。したがって、本発明の効果が有効な範囲として、交番周波数が0.1Hz以上といえる。なお、交番周波数の下限として、皮膚コンダクタンスの測定値がステンレス電極と分極の影響を少ないAg/AgCl電極で同等である範囲としては、交番間隔が1秒、すなわち、交番周波数は1Hz程度がよいといえる。また、測定値が交番間隔1秒と10秒の中間を示す3秒程度、すなわち、交番周波数3Hzなどを選んでも良い。
The switch switching time Tc is limited in its time range. When T c is long, τ 1 does not depend on T c , so τ 2 becomes long. However, when Tc becomes long, the influence of polarization, which is the original problem, occurs and becomes a problem. Therefore, the switch needs to be switched within a certain time.
FIG. 13 is a diagram showing the relationship of skin conductance with time when a stainless steel electrode is used and when an Ag / AgCl electrode is used. As shown in FIG. 13, it can be seen that it takes about 10 seconds for the polarization voltage to stabilize after attaching a stainless steel electrode to the skin and starting to energize. Therefore, when Tc is 10 seconds or more, it is understood that the influence of polarization cannot be eliminated by switching the switch. If Tc is within 10 seconds, it can be said that the present invention has an effect of reducing the influence of polarization. Therefore, it can be said that the alternating frequency is 0.1 Hz or more as an effective range of the present invention. As the lower limit of the alternating frequency, the range where the measured skin conductance value is the same for the stainless steel electrode and the Ag / AgCl electrode with little influence of polarization is that the alternating interval is 1 second, that is, the alternating frequency is preferably about 1 Hz. I can say that. Alternatively, a measurement value of about 3 seconds, which is an intermediate between alternating intervals of 1 second and 10 seconds, that is, an alternating frequency of 3 Hz may be selected.
図13において、本発明を適用した場合に、ステンレス電極と銀・塩化銀電極での測定値の差異が少ない領域として、Tc<1秒が好ましい。また、分極の影響が飽和していないという視点でTc<3sを選んでもよい。Tc<3sならば、分極による影響は顕著ではなく、皮膚電気活動を測定することが可能となる。この場合は、印加電圧切り替え時間内の測定値の変動の影響を少なくするために、印加電圧切り替え時間内の測定値を平均化するなどの方法を組み合わせることでもよい。 In FIG. 13, when the present invention is applied, T c <1 second is preferable as the region where the difference in measured values between the stainless steel electrode and the silver / silver chloride electrode is small. Alternatively, Tc <3s may be selected from the viewpoint that the influence of polarization is not saturated. If Tc <3 s, the influence of polarization is not significant, and the electrodermal activity can be measured. In this case, in order to reduce the influence of the fluctuation of the measured value within the applied voltage switching time, a method of averaging the measured values within the applied voltage switching time may be combined.
一方、Tcが短くなると、τ2が短くなっていき、Tcがτ1に近づくとτ2は0になる。τ2が0になるとスイッチ切替に伴うノイズの影響を受けずに測定することができなくなる。このため、ノイズの影響を受けずに測定するためには、Tcに下限値が存在することになる。
図14(a),(b)は、電圧印加切り替えと電圧切り替え時のI/V変換入力部の電圧の関係を示す図で、図14(a)は電圧印加切り替え時の印加電圧、図14(b)は電圧切り替え時のI/V変換入力部の電圧を示す図ある。図14(b)に示すように、ノイズが安定するまでの時間は約0.01秒であり、電圧切り替え直前と、ノイズの影響の収まった時点とで測定をすることにより、0.01秒ごとに測定をすればノイズの影響を受けずに測定できることがわかる。すなわち、Tc>0.01秒が好ましい。
On the other hand, when T c becomes shorter, τ 2 becomes shorter, and when T c approaches τ 1 , τ 2 becomes 0. When τ 2 becomes 0, measurement cannot be performed without being affected by noise accompanying switching. For this reason, in order to perform measurement without being affected by noise, a lower limit value exists in Tc .
14A and 14B are diagrams showing the relationship between voltage application switching and the voltage of the I / V conversion input unit at the time of voltage switching. FIG. 14A shows the applied voltage at the time of voltage application switching. (B) is a figure which shows the voltage of the I / V conversion input part at the time of voltage switching. As shown in FIG. 14B, the time until the noise is stabilized is about 0.01 seconds, and 0.01 second is obtained by measuring immediately before the voltage switching and when the influence of the noise is settled. It can be seen that measurement can be performed without being affected by noise if measurement is performed every time. That is, T c > 0.01 seconds is preferable.
以上のことから、スイッチ切替時間Tcは、0.01秒から10秒の間であること(すなわち、切り替え周波数が1Hzから100Hzの間)を選ぶことが肝要であり、その中でも、Tc<3秒が好ましい。さらに、Tc<1秒とすれば、分極の影響をほとんど受けずに測定できるという点でさらに好ましい。
電圧切り替えによるノイズは、電極の大きさや材質、また人による差異の影響を受けることもある。図14(b)は、電極として標準的な直径10mm程度の物での測定値だが、電極面積を大きくすると、図10の等価回路の容量分が大きくなるため、切り替え時間が短いとノイズの影響を受けやすくなる場合もある。その場合は、切り替え時間として例えば0.0125秒以上、すなわち、切り替え時間が80Hz以下を選択するなどが好ましい。
From the above, it is important to select the switch switching time T c between 0.01 seconds and 10 seconds (that is, the switching frequency is between 1 Hz and 100 Hz), and among them, Tc <3 Seconds are preferred. Furthermore, if Tc <1 second, it is more preferable in that it can be measured with almost no influence of polarization.
Noise due to voltage switching may be affected by the size and material of the electrodes and differences between people. FIG. 14B shows a measurement value of a standard electrode having a diameter of about 10 mm. When the electrode area is increased, the capacity of the equivalent circuit of FIG. 10 increases. It may be easy to receive. In that case, it is preferable to select a switching time of, for example, 0.0125 seconds or more, that is, a switching time of 80 Hz or less.
さらに、電圧切り替えに伴うノイズの影響を受ける期間には測定をしないような制御として次のようなやり方も可能である。例えば、電圧切り替え後、τ1の期間は測定しない、もしくは測定した測定値を破棄するという制御をする。例えば、A/D変換部を備え、増幅後の測定信号をデジタルデータに変換し、内部記憶部に記憶する構成とした場合に、測定信号は0.1秒ごとに取得し、デジタルデータに変換するが、τ1の期間はデジタルデータへの変換を休止するというような制御が可能である。これ以外の方法での電圧切り替えに伴うノイズの影響を受ける期間には測定をしないような制御ももちろん可能である。 Furthermore, the following method is also possible as a control in which measurement is not performed during a period affected by noise accompanying voltage switching. For example, after voltage switching, control is performed such that measurement is not performed during the period of τ 1 or the measured value is discarded. For example, when an A / D conversion unit is provided and the amplified measurement signal is converted into digital data and stored in the internal storage unit, the measurement signal is acquired every 0.1 seconds and converted into digital data. However, it is possible to control such that conversion to digital data is suspended during the period of τ 1 . Of course, it is possible to perform control such that measurement is not performed during a period affected by noise associated with voltage switching by other methods.
これ以外の方法でのスイッチ切り替えに伴うノイズの影響を受ける期間には測定をしないような制御ももちろん可能である。また、この電圧の切替で生じるノイズは、後段のI/V変換器の構成によって低減してもよい。また、フィルタによる低減など、さまざまな手段を用いることが可能である。 Of course, it is possible to perform control such that measurement is not performed in a period that is affected by noise caused by switch switching by other methods. Further, the noise generated by this voltage switching may be reduced by the configuration of the subsequent I / V converter. Various means such as reduction by a filter can be used.
図15は、本発明に係る皮膚電気活動測定装置の実施例2を説明するための構成図で、図中符号35は差動増幅器を示している。なお、図6(a),(b)と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
2つの電極からの出力を差動入力を有する差動増幅器に接続することはよく行われる。本実施例2では、図5に示した実施例1における増幅器23が差動増幅器35で、図6(a),(b)に示した第1の信号経路と第2の信号経路の各々は、差動増幅器35の異極性の入力部を経路に含んでいる。
FIG. 15 is a block diagram for explaining Example 2 of the apparatus for measuring skin electrical activity according to the present invention, in which
It is common to connect the output from two electrodes to a differential amplifier having a differential input. In the second embodiment, the
図15に示す場合も、上述した実施例1と同様に、直流電圧源32と差動増幅器35のあいだに印加電圧極性切替部34を設け、人体に接触した2つの電極のうちの直流電圧を印加する電極と、差動増幅器35に接続される電極を交互に切り替える形態である。
つまり、極性切替部34を構成するSW1の前段端子は差動増幅器35の一方の入力端子に接続され、極性切替部34を構成するSW4の後段段端子は差動増幅器35の他方の入力端子に接続されている。
Also in the case shown in FIG. 15, similarly to the first embodiment described above, the applied voltage
That is, the front stage terminal of SW1 configuring the
このような構成により、第1の信号経路は、第1のスイッチSW1と第4のスイッチSW4がオンの時に、第1のスイッチSW1とA点(第1の電極)と皮膚31とB点(第2の電極)と第4のスイッチSW4と差動増幅器35の他方の入力端子を介して第1の信号経路が構成され、差動増幅器35には、直流電圧源32からの信号と、第1の信号経路からの信号とが入力される。
With this configuration, when the first switch SW1 and the fourth switch SW4 are turned on, the first signal path includes the first switch SW1, the point A (first electrode), the
また、図15に示すように、第3のスイッチSW3と第2のスイッチSW2がオンの時に、第3のスイッチSW3とB点(第2の電極)と皮膚31とA点(第1の電極)と第2のスイッチSW2と差動増幅器35の他方の入力端子を介して第2の信号経路が構成され、差動増幅器35には、直流電圧源32からの信号と、第2の信号経路からの信号とが入力される。
As shown in FIG. 15, when the third switch SW3 and the second switch SW2 are on, the third switch SW3, the point B (second electrode), the
図16は、本発明に係る皮膚電気活動測定装置の実施例3を説明するための構成図で、図中符号36は第2の極性切替部を示している。なお、図15と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例3においても、直流電圧を印加する電極を切り替えるとともに、2つの電極から差動増幅器35への入力信号経路も切り替えているが、直流電圧源32と差動増幅器35のあいだに印加電圧極性切替部34を設け、人体に接触した2つの電極のうちの直流電圧を印加する電極と、差動増幅器35に接続される電極を交互に切り替えている。
FIG. 16 is a block diagram for explaining Example 3 of the electrodermal activity measuring apparatus according to the present invention. In the figure,
In the third embodiment as well, the electrode to which the DC voltage is applied is switched and the input signal path from the two electrodes to the
電極間に与える電圧の極性と、差動増幅器35に入力される信号の極性が同時に切り替わるように設定することが重要である。
第2の極性切替部36は、A点と差動増幅器35の一方の入力端子に接続されているSW5と、A点と差動増幅器35の他方の入力端子に接続されているSW6と、B点と差動増幅器35の一方の入力端子に接続されているSW7と、B点と差動増幅器35の他方の入力端子に接続されているSW8とで構成されている。
It is important to set so that the polarity of the voltage applied between the electrodes and the polarity of the signal input to the
The second
このような構成により、第1の信号経路は、第1のスイッチSW1と第4のスイッチSW4と第5のスイッチSW5と第8のスイッチSW8とがオンの時に、第1のスイッチSW1とA点(第1の電極)と皮膚31とB点(第2の電極)と第8のスイッチSW8と差動増幅器35の他方の入力端子を介して第1の信号経路が構成され、差動増幅器35には、一方の入力端子にスイッチSW5を介してA点からの信号と、他方の入力端子に第1の信号経路からの信号とが入力される。
With this configuration, when the first switch SW1, the fourth switch SW4, the fifth switch SW5, and the eighth switch SW8 are on, the first signal path is connected to the first switch SW1 and the point A. The first signal path is configured via the (first electrode), the
また、図16に示すように、第3のスイッチSW3と第2のスイッチSW2と第6のスイッチSW6と第7のスイッチSW7とがオンの時に、第3のスイッチSW3とB点(第2の電極)と皮膚31とA点(第1の電極)と第6のスイッチSW6と差動増幅器35の他方の入力端子を介して第2の信号経路が構成され、差動増幅器35には、一方の入力端子にスイッチSW7を介してB点からの信号と、他方の入力端子に第2の信号経路からの信号とが入力される。
Also, as shown in FIG. 16, when the third switch SW3, the second switch SW2, the sixth switch SW6, and the seventh switch SW7 are on, the third switch SW3 and the point B (second Electrode),
以上のように、本発明は、分極による影響を低減させるために、従来の皮膚に直流電圧を印加して測定を行う回路に、2つの電極に電圧を印加する経路を切り替える印加電圧極性切替部を設け、この印加電圧極性切替部はスイッチ(電子スイッチ)でも実現できるため、IC回路内部に容易に組み込むことができ、部品点数の増加や回路規模の大幅な増大にはつながらないという効果がある。また、本発明が、人間以外のペットの皮膚電気活動を測定する目的であっても適用可であるのはいうまでもない。 As described above, the present invention provides an applied voltage polarity switching unit that switches a path for applying a voltage to two electrodes in a conventional circuit for applying a DC voltage to the skin to reduce the influence of polarization. Since the applied voltage polarity switching unit can be realized by a switch (electronic switch), it can be easily incorporated in the IC circuit, and there is an effect that the number of parts and the circuit scale are not greatly increased. Further, it goes without saying that the present invention is applicable even for the purpose of measuring the electrodermal activity of non-human pets.
1,11 人体(手の平)
2,32 直流電圧源
3,13 I/V変換器
12 交流電圧源
21,31 測定対象物(人体の皮膚など)
22 直流電流源又は直流電圧源
23 増幅器
24 測定電極
24a 第1の電極
24b 第2の電極
25,34 極性切替部(印加電圧極性切替部)
26 制御部
27 フィルタ部
28 出力部
29 A/D変換部
30 記憶部(内部記憶部)
35 差動増幅器
36 第2の極性切替部
1,11 Human body (palm)
2,32 DC voltage source 3,13 I /
22 DC current source or
26
35
Claims (10)
前記測定対象物に前記測定電極を介して直流信号を供給する直流電源と、
該直流電源からの直流信号により前記測定対象物の皮膚電気活動を検知するための前記測定電極を構成する第1の電極及び第2の電極と、
前記直流電源と前記第1の電極及び前記第2の電極に接続された複数のスイッチからなる極性切替部と、
前記第1の電極と前記第2の電極とにより測定された前記皮膚電気活動に基づく信号を増幅する増幅器とを備え、
前記極性切替部は、前記複数のスイッチとして、前記測定対象物の入力側に直列に設けられた第1及び第2のスイッチと、前記測定対象物の出力側に直列に設けられた第3及び第4のスイッチとを備え、前記第1の電極が前記第1及び第2のスイッチの中点に接続され、前記第2の電極が前記第3及び第4のスイッチの中点に接続され、
前記第1のスイッチ及び前記第4のスイッチがオンの時に、前記直流電源と前記第1のスイッチと前記第1の電極と前記測定対象物と前記第2の電極と前記第4のスイッチとを介して前記増幅器に信号が流れる第1の信号経路と、前記第3のスイッチ及び前記第2のスイッチがオンの時に、前記直流電源と前記第3のスイッチと前記第2の電極と前記測定対象物と前記第1の電極と前記第2のスイッチとを介して前記増幅器に信号が流れる第2の信号経路とを構成して、前記第1の信号経路と前記第2の信号経路とを所定の周期で切り替える切り替え動作を行うことを特徴とする皮膚電気活動測定装置。 In the electrodermal activity measuring device configured to reduce the influence of the polarization voltage generated between the measurement electrode and the measurement object,
A DC power supply for supplying a DC signal to the measurement object via the measurement electrode;
A first electrode and a second electrode constituting the measurement electrode for detecting dermatoelectric activity of the measurement object by a DC signal from the DC power supply;
A polarity switching unit comprising a plurality of switches connected to the DC power source and the first electrode and the second electrode ;
An amplifier for amplifying a signal based on the electrodermal activity measured by the first electrode and the second electrode ;
The polarity switching unit includes, as the plurality of switches, a first and a second switch provided in series on the input side of the measurement object, and a third and a second switch provided in series on the output side of the measurement object. And a fourth switch, wherein the first electrode is connected to a midpoint of the first and second switches, the second electrode is connected to a midpoint of the third and fourth switches,
When the first switch and the fourth switch are on, the DC power source, the first switch, the first electrode, the measurement object, the second electrode, and the fourth switch a first signal path signal to the amplifier flows through the third switch and the when the second switch is oN, the measurement object the DC power supply and said third switch and said second electrode A second signal path through which a signal flows to the amplifier via an object, the first electrode, and the second switch, and the first signal path and the second signal path are defined A device for measuring electrical skin activity, characterized by performing a switching operation for switching at a period of.
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